실내위치측정을위한 Wi-Fi 신호특성분석 하일규 * 장철호 * 박희주 ** 김종근 *** Analysis of Wi-Fi Signal Characteristics for Indoor Positioning Measurement IlKyu Ha* Zhehao Zhang* HeeJoo Park** ChongGun Kim*** 요 약 실내위치인식방법은 GPS 기반의실외위치인식방법과비교하여보다높은정확도를요구하며그중요성또한증가하고있다. FingerPrint 위치인식방법은데이터베이스에참조변수의수신신호패턴을미리저장하고, 단말기의실시간측정신호를매칭시킴으로써단말의위치를추정하는뛰어난실내위치인식방법이다. FingerPrint 위치인식방법에서는정확한데이터베이스구축이요구되지만여러가지요인에의하여오차가발생할수있다. 본연구에서는접근지점의연결여부에따른각단말기의수신신호패턴을분석하여, 접근지점의연결여부에따른오차가 FingerPrint DB 구성의중요한오차요인이될수있음을실험을통하여밝힌다. ABSTRACT A different and effective method for indoor positioning system is needed and increased it's importance compare to the outdoor GPS based method. The FingerPrint positioning method is known as a superior method in indoor positioning system that maintains signal strength patterns for RPs(Reference Points) in database and compare the DB with the measured real-time signals on the mobile device. FingerPrint positioning method is necessary to establish an accurate database, but errors can occur by several factors. In this paper, we analyze the signal patterns of each terminal in accordance with connection state of access point and trace that the error in accordance with connection state of access point can be an important error in FingerPrint DB configuration through an experimental case study. 키워드실내위치인식, Fingerprint, Wi-Fi AP, 실시간신호분석, 패턴비교 Key word Indoor positioning, FingerPrint, WI-Fi AP, real-time signal analysis, pattern comparison *** 정회원 : 영남대학교컴퓨터공학과 *** 정회원 : 경일대학교컴퓨터공학과 *** 정회원 : 영남대학교컴퓨터공학과 ( 교신저자, cgkim@yu.ac.kr) 접수일자 : 2012. 08. 07 심사완료일자 : 2012. 09. 26 Open Access http://dx.doi.org/10.6109/jkiice.2012.16.10.2177 This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li censes/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
한국정보통신학회논문지제 16 권제 10 호 Ⅰ. 서론실외에서인공위성을사용하는 GPS(Global Positioning System) 는가장일반적인위치인식시스템이다. 그러나 GPS는실내에서는사용할수없고대도시의빌딩밀집지역같은곳에서는제대로작동하지않는다. 때문에실내위치측정을위해서는다른방안이필요하다. 실내위치측정을위해사용가능한무선자원으로는 WLAN (Wireless LAN), WiBro, UWB(Ultra Wideband), RFID, Zigbee 등이있다 [1-2]. 사업성, 인프라구축, 위치측정기술구현성, IPR(Intellectual Property Right) 확보가능성등측면에서분석해보면 WLAN이실내위치측정에있어서우월함을보이고있다 [3-4]. WLAN용으로현재인프라가가장잘구축되어있는것은 Wi-Fi이다. 무선 LAN 표준으로승인된 Wi-Fi는처음발표된이후지속적으로새로운버전이개발되어점차데이터전송속도가향상되었다. 그러나이러한실내무선채널환경에서는다중경로 (Multi Path) 로인해실시간으로불규칙한신호감쇄현상이일어나게된다. 또한 AP(Access Point) 에서송신된신호는서로다른전송길이를가지고여러경로를통해수신기에도달하기때문에한장소에서측정하더라도불규칙한 RSSI(Received Signal Strength Indication) 가측정될수있다 [5-6]. 본연구에서는실내위치측정을위한다양한방법을조사하고, 특히 FingerPrint 방식에서이용되는 DB 의정확성을보장하기위한오차요인과해결방법을연구한다. AP 연결상태에따른각단말기의수신신호패턴을분석하여 AP 연결여부에따른오차가 Finger Print DB 구성의중요한오차요인이될수있음을확인한다. 2장에서는무선위치특정관련방법에대하여조사하고, 3장에서는실내 Wi-Fi 신호분석실험을실시하며, 4장에서는 AP 연결상태에따른유사도오차분석을실시한다. Ⅱ. 무선위치측정관련연구대표적인무선위치측정방법으로는 Cell ID 방식, 삼각측량법 (Triangulation), FingerPrint DB 방법등이있다 [7]. 2.1. Cell ID Cell ID 방식은이동통신사의기지국마다가지고있는 Cell ID를이용하는방법으로서이용자가속한기지국의 Cell ID를통해서위치를측정하는방식이다. 가장기본적인무선측위방법은 proximity 방식이다. 통신용전파송수신인프라에연결된단말의위치를해당 AP의위치로매칭시키는방법이다. 이방법은시각동기나다중 AP 이용등의제약조건이없으며, 특정 AP의 cell 내에단말이위치하여그 AP와연결됨으로써단말의위치정보를제공할수있는장점을갖는다. 그러나이기법으로단말의위치정보를제공하는경우측위오차는최대 cell 반경만큼발생할수있으므로이기법으로제공되는위치정보를사용하는응용서비스는제한될수밖에없다 [8]. 2.2. 삼각측량법삼각측량법은거리를알고있는두고정점으로부터방향을측정하여다른지점의거리를측정하는기법이다. 삼각측량법에는 AOA(Angle of Arrival), TOA (Time of Arrival), TDOA(Time Difference of Arrival) 등과같은무선위치인식방식이있다. AOA 방식은이용자의단말기로부터들어오는전파의각도를기지국에서측정하여위치를인식하는방식이다. TOA 방식은단말기로부터신호를수신한 1개의기지국을중심으로다른두개의기지국에서수신한신호와의신호도달시간을이용하여위치를측정하는방식이다. TDOA 방식은이용자가속한기지국의신호와인접기지국들로부터의신호도달시간차이를이용하는기술이다 [9-10]. 2.3. FingerPrint DB 방법대부분의무선위치측정방법은모델링만으로실내위치인식을수행할경우오차가클수있다. 때문에실내위치인식에서는측정대상영역의각참조지점 (Reference Point) 에서의패턴을미리 FingerPrint DB에저장하고실시간측정데이터와의유사도를비교하는 FingerPrint 방식위치측정방법을자주사용한다. 그림 1은 FingerPrint 위치측정과정을보여준다. 그림 1의 에서 AP(Access Point) 는 Wi-Fi 엑세스포인트이고, RP(Reference Point) 는단말기가위치한참조포인터이다. 는단말기의참조지점의위치예를나타내며, 위치정보를이용하여 (c) 의 FingerPrint DB에서포지션을결정한다 [11-12]. 2178
실내위치측정을위한 Wi-Fi 신호특성분석 AP(1) AP(2) AP(3)... AP(N) RP(1) RP(2) RP(3)... RP(N) DB(1) DB(2) DB(3)... DB(N) AP1 AP3 AP2 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8-40, -61, -79, -73 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 AP4 AP1 AP2 AP3 AP4............... A7-88 -20-93 -82 완료되면이를기반으로단말기의실시간위치측정을실행한다. 시스템은유사도함수를이용하여실시간측정데이터와 Finger Print DB 데이터간의유사도를판단하여단말이유사도가가장높은참조지점에위치해있다고판단한다 [13]. FingerPrint 방식은모델링기술만으로이루어지는위치측정방법에비해정확도가높고, 가장효율적인실내위치측정방법으로알려져있다 [14]. 그러나 FingerPrint 방식역시오차가발생한다. FingerPrint 방식에서오차가발생할수있는개연성은다음두단계에서발생한다. 첫째, FingerPrint 트레이닝단계이다. FingerPrint 트레이닝이란 FingerPrint DB 구성을위해각참조지점에서의수신신호패턴을측정하는단계를말한다. FingerPrint 방식에서는미리구성된 FingerPrint DB를기준으로위치를측정하기때문에트레이닝단계에서측정한데이터들의정확도를확보하는것이매우중요하다. 트레이닝단계에서오차를줄이기위한방법으로각참조지점에서여러번측정하여평균치를취하는방법등이있다 [14]. 둘째로는실시간으로측정된패턴과 FingerPrint DB간의매칭단계이다. FingerPrint DB에서실제측정된패턴과가장유사한것을찾으려면유사도함수가필요하다. 각함수의특성으로인해매칭과정에서오차가발생할수있다. A8-90 -19-95 -82 B1-22 -86-62 -99 B2-26 -76-65 -94 B3-33 -64-74 -87 B4-47 -57-77 -81 B5-54 -48-83 -62............... (c) 그림 1. Fingerprint 위치측정과정 FingerPrint DB 의개념 FingerPrint DB 에서참조포지션예 (c) FingerPrint DB 에서포지션의결정 Fig. 1 Process of FingerPrint Positioning Concept of FingerPrint DB A positioning example with FingerPrint DB (c) A decision of positioning on FingerPring DB 각참조지점 (RP) 에서각각의 AP로부터받는신호세기를측정하여그패턴을 DB에저장한다. 참조지점에서수신신호세기패턴을보다정확하게측정하기위하여여러번측정하여평균을취한다. FingerPrint DB 구성이 2.4. 신호세기측정법 RSSI(Received Signal Strength Indication) 는수신된신호세기강도를표시하며 Wi-Fi 통신일경우신호세기를보통 dbm으로표시하고수치가클수록강도가높음을나타낸다. 거리의변화에따라신호의세기도따라서변화되는특징을활용하여근거리에서는수신신호세기를거리로환산하는위치인식방법을자주사용한다 [15]. 다시말하면 AP(Access Point) 에서수신된이동단말의신호세기를측정하여이용하는것으로이동단말과 AP 사이에서의신호의파워손실혹은경로손실 (path loss) 을신호가이동한거리와연결시키는방식이다. RSSI를사용한위치추정의정확성은 RSSI 측정의정확성과실제이동장치가있는환경에따라달라진다. 즉환경에따라측정된 RSSI 값이안정적이지않을수있다는것이다. 따라서 RSSI를이용한위치추정은상대적으로낮은위치추정정확성및낮은위치추정안정성을제공한다. 그러나 RSSI를이용하기위한장치의구조가간단하고 2179
한국정보통신학회논문지제 16 권제 10 호 기존의근거리무선통신기술들이 RSSI 정보를이용할수있는구조를취하고있기때문에위치추적과관련된 RP1 RP20 분야에서광범위하게사용되고있다. 0m 10m 20m 1m 5m AP2(CIS_Lab) Ⅲ. 실내의 Wi-Fi 신호분석실험 AP1(myLGNet) 본논문에서는 FingerPrint DB의정확도향상을위해 Wi-Fi 표준에서의좀더다양한수신신호세기패턴을알아보고자 AP 연결상태에따른수신신호에대해분석한다. 3.1. 실험환경실험을위하여저자의대학공대본관 2층복도에 1m 간격으로 60개의참조지점을설정하고각참조지점에서 AP에연결하였을경우와 AP와의연결이없는경우로나누어신호세기패턴을분석한다. 하나의 AP에서만나타나는우연한패턴을피하기위하여서로다른연구실에설치되어있는두개다른모델의 AP를연결 AP로사용한다. 그중에서 205-1호와 204호를기준으로 20개의참조지점의신호세기패턴에대해중점적으로분석한다. 그림 2와같이 205-1호와가까운참조지점을참조지점 1(RP1) 이라고설정하고 204호로가면서참조지점 20(RP20) 까지설정한다. 테스트용수신단말로는삼성 SenSQ45모델에 Intel(R) Wireless WiFi Link 4965AGN 무선어댑터규격을사용하였으며, 연결 AP1은 205-1호창문가에위치해있고 802.11g 규격으로 SSID가 AP1이며 WEP 보안방식을사용하고, 연결 AP2는 204호출입문가에위치해있고 802.11g규격에 SSID가 AP2며보안방식이설정되어있지않다. 수신테스트단말에는미국 Wi-Fi 솔루션업체인지러스에서제공하는 Wi-Fi Inspector v1.2.0이설치되어있다. Wi-Fi Inspector v1.2.0 은주위에있는 AP들의상세정보를수집하여일괄적으로보여준다 [16]. 각참조지점에서는수신신호패턴관찰을위해 AP1 과 AP2와의연결이없을경우와 AP1에서만연결했을경우, AP2에만연결하였을경우세가지로나누어 1분간격으로 100번씩측정하고그결과를분석한다. 표 1은실험환경을보여준다. 그림 2. 20 개의참조지점및실험환경 Fig. 2 Reference points for analysis and experimental environments 표 1. Wi-Fi 신호분석실험환경 Table. 1 Experimental environments of Wi-Fi signal analysis 구분 내용 RP( 참조지점 ) 실내복도 1m간격 20개 AP( 접근지점 ) AP1(myLGNet), AP2(CIS_Lab) 무선어댑터 Wireless Wi-Fi Link 4965AGN 무선규격 IEEE 802.11g 수신프로그램 Wi-Fi Inspector v1.2.0 측정 AP1 와 AP2 연결,AP1 연결,AP2 연결세경우, 각 1 분간격 100 회 3.2. AP 연결없는수신신호그림 3은 AP 연결이없는경우참조지점에서시간에따라각 AP로부터수신된신호세기변화를나타낸다. 가로축은시간축으로서최소단위가 1분이고세로축은신호세기로서최소단위가 -1 dbm이다. AP1과 AP2와의연결이없을경우에 10개정도의 AP로부터받는신호세기는일정한시간동안안정성을유지하다가신호세기가갑작스럽게변화된후에도안정적인패턴을유지한다. 갑작스럽게신호가변화되는시점은실험시테스트단말주위로사람이지나갔거나주위출입문이열리고닫히는환경요소변화가있을경우이다. 또각 AP로부터의수신신호가변화하는시점은거의일치함을알수있다. 이는특정환경요소변화가모든수신신호의전파경로에영향을끼쳐신호전파의새로운다중경로가생성되어순간적으로신호의갑작스러운변화를초래하기때문이다. 그림 3은 20개의참조지점중 2개참조지점의수신신호세기패턴을추출하여표시한것이다. 2180
실내 위치 측정을 위한 Wi-Fi 신호 특성 분석 그림 3. AP 연결이 없는 경우 각 AP로부터의 수신신호세기. 참조지점 1에서의 수신 신호세기 패턴 참조지점 5에서의 수신 신호세기 패턴 Fig. 3 Received signal strength from APs based on disconnected APs. Received signal strength at RP1 Received signal strength at RP5 그림 4. AP 연결이 있는 경우 각 AP로부터의 수신신호세기. 참조지점1에서의 수신 신호세기 패턴 참조지점7에서의 수신 신호세기 패턴 Fig. 4 Received signal strength from APs based on AP connection. Received signal strength at RP1 Received signal strength at RP7 3.3. AP 연결 있는 수신신호 3.4. AP 연결 상태에 따른 수신신호세기 변화 그림 4는 AP 연결이 있는 경우를 나타낸다. 동일한 환 경에서 테스트 단말을 AP1에 연결시키고 측정하면 기 타 AP로부터 받은 신호세기 패턴은 큰 차이를 보이지 않 그림 5는 AP 연결 상태에 따른 수신신호의 세기 변화 를 나타낸다. 각 참조지점(RP1과 RP4의 경우)에서 AP와 연결이 안 된 상태로 일정한 시간 동안 측정을 하다가 지만 AP1에서 수신 된 신호세기에서만 흔들림 현상이 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는 AP 연결 상태에 따라 신 호세기 패턴에 변화가 있음을 말해준다. 또한 환경요소 AP에 연결하면 전반적인 수신 신호세기는 강해지는 것 을 볼 수 있다. 그림 5에서 신호가 안정적으로 수신되는 부분은 AP와 연결이 없는 경우이다. 갑자기 흔들림 현상 로 인해 기타 AP로 부터의 수신 신호세기가 갑작스레 변 화하는 시점에도 연결 되어 있는 AP로부터 수신되는 신 호세기에는 큰 변화가 없음을 볼 수 있다. 즉, AP와의 연 이 나타나는 시점은 테스트 단말을 AP1(myLGNet)에 연 결시킨 시점이다. 그래프에서 알 수 있듯이 연결이 있을 경우에 없을 경우보다 신호강도가 높음을 알 수 있다. 결이 있을 경우, 다른 AP와 달리 신호세기가 시간에 따 라 흔들리면서 변화하지만 전반적으로는 큰 차이로 갑 작스럽게 변화하는 경우가 적음을 보여준다. 같은 방법 이와 같이 AP 연결 상태에 따른 수신신호의 세기 차이 는 실시간 측정데이터와 FingerPrint DB 데이터 간의 매 칭 과정에서 정확도를 하락시킬 수 있다. Finger Print DB 으로 테스트 단말을 AP2에 연결시키고 측정해도 동일 한 패턴이 관찰되었다. 를 구성할 때 AP와 연결이 없는 상태에서 패턴이 저장되 고 실시간 측정과정에 이동 단말이 어느 한 위치측정용 AP에 연결되었다면 유사도 측정함수에서는 연결이 된 상태에서의 측정 데이터와 연결이 없는 상태에서 저장 2181
한국정보통신학회논문지제 16 권제 10 호 된참조데이터를매칭시키게된다. 그러므로 Finger Print DB 구축과정에 AP연결상태에따른신호세기패턴을반영해줄필요가있다. Response 과정에서자신이지원하는전송속도와확장된지원전송속도를 supported rates와 Ext.supported rates 필드를이용하여주고받는다. AP는단말의지원속도에따라데이터를전송하고전송이원활하지못할경우단말이지원하는확장된전송속도에따라한레벨낮은전송속도로데이터를전송한다. 이과정이반복되면서이동단말의수신신호세기는변화될수있다. Ⅳ. AP 연결상태에따른유사도오차분석 그림 7은위의실험결과로얻어진 AP 연결상태에따른 (AP연결, AP비연결 ) RP1 ~ RP10의수신신호세기차이를보여준다. 측정용단말이 AP에연결했을때수신신호세기는 AP와의연결이없을경우에비해평균 4.4 dbm 정도강하다. 그림 5. AP(myLGNet) 연결상태에따른수신신호세기변화. 참조지점 1 에서의수신신호세기패턴 참조지점 4 에서의수신신호세기패턴 Fig. 5 The change of received signals strength by AP1 connection. The change of received signal strength at RP1 The change of received signal strength at RP4 Staying Connected (Mgmt Frames) Reassociation Message OR Deauthentication Message Disassociation Message Reassociation Request (Bytes) Capability information 2 Reassociation Response (Bytes) Deauthentication (Bytes) Listen interval 2 Capability information 2 Reason code 2 SSID 2 to 34 Status code 2 Current AP address 6 Association ID 2 Disassociation (Bytes) Supported rates 3 to 10 Supported rates 3 to 10 Reason code 2 Ext. supported rates 3 to 257 Ext. supported rates 3 to 257 그림 6. AP 연결유지과정 Fig. 6 Wi-Fi connection process to an AP AP에연결했을때수신신호흔들림현상은 Wi-Fi의 Multi-Rates 특성으로해석할수있다. 그림 6과같이 AP 연결유지과정에서단말과 AP는 Reassociation Request/ AP 그림 7. AP 연결상태에따른수신신호세기 Fig. 7 Received signal strength based on AP connection state 이차이는실시간측정데이터와 FingerPrint DB 데이터를매칭시킬때발생할수있는오차로볼수있다. 즉, 그림 1 (C) 패턴을 AP와의연결이없는경우에구성된 FingerPrint DB라고가정하고, 모바일단말이 AP에연결되었을때실시간측정을하면 AP에서의수신신호세기는그림 1 (C) 패턴보다 4.4 dbm 높아야함을의미한다. 그림 8은 AP 연결상태를고려하지않은경우와 AP 연결상태를고려한경우의유사도차이를나타낸것이다. 유사도계산은 KNN (K-Nearest Neighbor) 알고리즘을사용하였고결과값은유사도거리로산출하였다. 유사도측정을위하여 AP 연결이된경우 (AP1에연결 ) 와 AP 연결 2182
실내위치측정을위한 Wi-Fi 신호특성분석 이되지않은경우각각 50회측정을실시하였다. 그림의 X축은실험횟수를나타내고 Y축은유사도거리를나타낸다. 그림 8의유사도평균오차에근거하여그림 1 (C) 의 A7 ~ B4 패턴 6가지에대해 AP 연결상태에따른유사도평균오차율을구하면그림 9와같다. 즉 AP 연결상태를고려하지않았을경우와 AP 연결상태를고려하였을경우사이에는 3.28% 유사도오차가발생하게된다. Ⅴ. 결론 본연구에서는실내의 Wi-Fi 신호분석실험을통하여이동측정단말이 AP와연결이있는경우가연결이없는경우보다해당 AP에서수신된신호세기가강하다는패턴을발견하였다. 이러한실험결과를 FingerPrint DB 구성에반영함으로써 FingerPrint DB 정확도를향상시킬수있다. 향후더다양한 AP 모델과단말종류에서나타나는다양한수신신호세기패턴을분석하여보다정확한 FingerPrint DB 구축방법을연구하고자한다. 참고문헌 그림 8. AP 연결상태고려여부에따른유사도오차 그림 1 (C) 의 A7 패턴에근거한유사도 그림 1 (C) 의 A8 패턴에근거한유사도 Fig. 8 Similarity error based on AP connection states Similarity error based on pattern A7 of Figure 1 (C) Similarity error based on pattern A8 of Figure 1 (C) 그림 9. AP 연결상태에따른유사도오차율 Fig. 9 The error rate of received signal strength at each RP based on AP connection states [ 1 ] H. Liu, H. Darabi, P. Banerjee, and J. Liu, "Survey of Wireless Indoor Positioning Techniques and Systems", IEEE Tran. on System, and, and cybernetics-part C: Applications and reviews, Vol. 37, No. 6, pp.1067-1080, 2007. [ 2 ] H. Koyuncu and S. Yang, "A Survey of Indoor Positioning and Object Location Systems", International Journal of Computer Science and Network Security, Vol. 10, No. 5, pp.121-128, 2010. [3] 박세진, 김민구, 802.11 무선신호학습기법을이용한실내위치인식시스템의구현, 한국컴퓨터종합학술대회논문집, 제34권, 제 1(c) 호 pp.361-365, 2007. [4] 최완식, 옥창석, 이훈주, 기태훈, 실내위치측정기술개발현황및방향, 전기의세계기획시리즈, 제 58권, 제11호 pp.36-42, 2009. [ 5 ] X. Xiao, X. Jing, S. You, and J. Zeng, "An Environmental-adaprive RSSI based Indoor Positioning approach using RFID", Proc. of Advanced Intelligence and Awareness Internet 2010, pp.127-130, 2183
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