한국마린엔지니어링학회지제37권제2호, pp. 213 219, 2013. 3 Journal of the Korean Society of Marine Engineering (ISSN 2234-8352 Online) / (ISSN 2234-7925 Print) http://dx.doi.org/10.5916/jkosme.2013.37.2.213 근접노드와거리변화량분석기법을이용한선내위치인식개선알고리즘성주현 1 임태우 2 김종수 3 박상국 4 서동환 ( 원고접수일 :2013 년 1 월 4 일, 원고수정일 : 2013 년 2 월 15 일, 심사완료일 : 2013 년 2 월 25 일 ) An improvement algorithm for localization using adjacent node and distance variation analysis techniques in a ship Ju-hyeon Seong 1 Tae-woo Lim 2 Jong-su Kim 3 Sang-gug Park 4 Dong-hoan Seo 요약 : 최근정보통신기술의발전에따라 GPS를이용한실외위치기반서비스와더불어정밀한위치추적이필요한실내위치기반서비스에대한연구가활발히진행되고있다. 하지만철골구조로이루어진선박은전파의회절및굴절에의한레인징오차로인하여정확한위치측정이어렵다. 이러한실내환경에서발생하는위치측정오차를줄이기위하여본논문에서는다중경로에강인하고자유공간에서수센티미터의오차를가지는 UWB(Ultra-wide-band) 를이용하여어떠한부가적인센서없이도선내복도와같은좁은통로에적합한거리개선알고리즘을제안한다. 이개선방법은고정노드배치로인한거리오차는피타고라스이론과근접노드기법으로해결하고복도의코너구역에서크게발생하는레인징오차는거리변화량분석기법을적용하여보정하였다. 실험결과제안한방법이기존의 CSS(Chirp spread spectrum) 방법과비교할때노드수와거리오차를각각 66% 와 57.41% 로줄였다. 주제어 : 위치인식, 선박, UWB, 이변측위, 거리변화량분석기법 Abstract: Recently, with the rapid advancement in information and communication technology, indoor location-based services(lbss) that require precise position tracking have been actively studied with outdoor-lbs using GPS. However, in case of a ship which consists of steel structure, it is difficult to measure a precise localization due to significant ranging error by the diffraction and refraction of radio waves. In order to reduce location measurement errors that occur in these indoor environments, this paper presents distance compensation algorithms that are suitable for a narrow passage such as ship corridors without any additional sensors by using UWB(Ultra-wide-band), which is robust to multi-path and has an error in the range of a few centimeters in free space. These improvement methods are that Pythagorean theory and adjacent node technique are used to solve the distance error due to the node deployment and distance variation analysis technique is applied to reduce the ranging errors which are significantly fluctuated in the corner section. The experimental results show that the number of nodes and the distance error are reduced to 66% and 57.41%, respectively, compared with conventional CSS(Chirp spread spectrum) method. Keywords: Location technology, Ship, UWB, Bilateration, Distance variation analysis technique 교신저자 :(606-791) 부산광역시영도구태종로 727, 한국해양대학교전기전자공학부, E-mail: dhseo@hhu.ac.kr, Tel: 051-410-4412 1 한국해양대학교전기전자공학과, E-mail: sjh10114@naver.com, Tel: 051-410-4822 2 한국해양대학교기관공학부, E-mail: kyunlim@hhu.ac.kr, Tel: 051-410-4256 3 한국해양대학교기관시스템공학부, E-mail: jongskim@hhu.ac.kr, Tel: 051-410-4831 4 위덕대학교컴퓨터공학과, E-mail: skpark@uu.ac.kr, Tel: 054-760-1656
성주현 임태우 김종수 박상국 서동환 1. 서론 최근위성을이용한 GPS(Global Positioning System) 가보편화되면서유비쿼터스네트워크를통한위치정보서비스들이널리이용되고있다. 이러한위치정보서비스들은정확한위치를바탕으로제공되기때문에위치인식을위한다양한방법들이지난몇년간연구되어왔다. 이미선박에서사용중인 DGPS(Differential Global Positioning System) 의경우오차범위가 1m로매우정확해졌으며, 현재이기술을이용해육상에서도적용하고있다. 하지만 GPS를이용한위치인식은비교적광범위하나실외환경을중심으로개발되었기때문에신호의수신이어려운실내환경에는어려움이있다. 따라서실내환경에적합한위치인식시스템에대한관심과필요성이증대되고있지만기존의초음파와 RSSI(Received Signal Strength Indication) 방식은정확한위치인식이어렵고노드의수가많이필요하다는단점이있다 [1]. 이러한실내환경중에서도선박과같이전파의반사및회절이많이일어나는밀폐된철골구조에서는위치인식방식을전파도달시간으로측정할경우, 페이딩현상과장애물로인해거리측정이부정확하다. Ryu et al. [2] 은기존의실외위치인식기술이었던 GPS를실내에 Zigbee로만든고정노드와같이부착하여 Zigbee의신호세기와 GPS의좌표위치를동시에사용하여위치를추정하는방식이다. 하지만이는창문부근이나출입구등 GPS의신호가수신되는실내에만노드부착이가능하기때문에공간적제약이많이발생한다. Cho et al. [3] 은 CSS와센서를이용하여 CSS의신호수신이어려울경우, 센서를이용한걸음걸이보폭을이용해위치를추정하는방식이다. 이는정확한걸음걸이측정에는센서의오차가있기때문에이동거리가늘어날수록오차는커지는단점이있다. Kong et al. [4] 는 LED조명의가시광통신을이용한방법으로조명과수신기의거리가 1.75m이상멀어지면데이터수신이어려워조명의설치거리및수신기의방향에따라미인식가능성이크기 때문에시스템구성이어렵다. 본연구에서는거리측정오차가수센티미터인 UWB를이용하여밀폐된구조인선박에서근접노드와거리변화량분석기법을적용하여기존의위치인식에서주로사용되어온부가적인센서없이보다정밀한위치인식개선알고리즘을제안하고이에대한성능을실험을통하여입증하였다. 전파의특성상최단거리의경로를기준으로전파가송수신되기때문에코너구간에서는정확한위치를추정하기어려워서이를보완하기위하여선내실험공간에서수신율과정확도를고려하여고정노드배치를배치하였고또한이동노드가고정노드로근접할때근접노드기법을이용하고, 코너부근의크게발행하는레인징오차를개선하기위하여이전값을기반으로한거리변화량분석기법을통하여여러곡선구간에서의위치오차를보정하였다. 2. 위치추정관련이론 2.1 Time of arrival(toa) 일반적으로무선송수신기사이의거리측정을하기위해서는두노드의전파도착시간과전송시간사이의시간차를측정할수있는공통된 clock 이필요하다. 이러한문제는양방향왕복패킷교환을통한무선 TOA거리측정방식을통해가능하다. TOA방식을사용하면각노드는모두송신기와수신기의역할을동시에수행한다. 전파의세기를이용하여위치를측정하는기존의 Zigbee방식과는달리전파도달시간을측정하여노드의거리를계산하기때문에더욱정밀한위치분석이가능하며저전력장거리통신이가능하다. Figure 1은양방향 TOA방법으로거리를측정하기위한개략도이며, 두노드사이의거리 d를측정하기위한방정식은아래식 (1) 과같다. (1) 여기에서 d은거리를나타내며 t delay 는아래식 (2) 와같다. (2) 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 2 호 (2013. 3) 214
근접노드와거리변화량분석기법을이용한선내위치인식개선알고리즘 Figure 1: Two-Way TOA(TW-TOA) 여기서 t delay 는노드 A에의해결정된값이아닌노드 B의 clock에의해나타나는응답지연시간이다. t r 는노드 A에의해측정된응답수신 TOA이며 t t 는노드 A에의해측정된응답전송 TOA이고 C 는전파속도 (m/s) 를나타낸다 [5]. 2.2 Coarse range estimation(cre) 기존의 TOA방식은전파가자유공간에서전송중장애물이나다른전파에의해굴절이나반사등신호왜곡이발생할가능성이있다. 이러한문제는전파가송수신중에발생하기때문에변형된데이터를수신하게되고거리데이터는오차나오류가발생한다. 이오류는수신된데이터를분석하여수정을하게되는데그중수신된파형을실시간으로확인할수있는경우에만사용되는방식인 CRE가있다. 기존의방법들은대부분파형보다는이전의정상적인값이나다른센서등을이용하여보정하는방식이대부분이었지만 CRE 방식은전송된데이터를수신하면서실시간으로수신된파형을분석하여전파의상태를확인한다. 이는기존의 RSSI나 LQI(Link quality indication) 와비슷한방식으로측정을통해분석하여보정을한다. Figure 2는 LOS(line-of-sight) 와 NLOS(Non-line-of -sight) 의경우수신된파형을나타낸다. 시간에따라수집된신호는 LOS와 NLOS 가세기및형태가다르므로구분이가능해진다. 이를통해각환경분석및데이터의 Lock time등을통해데이터를끊어분석하게되어페이딩에영향이줄어든다 [6]. Figure 2: The waveforms of LOS and NLOS 3. 위치인식시스템구성및 UWB 특성실험 3.1 시스템구성 UWB를이용한선내위치인식을구현하기위해서 Figure 3과같은이동노드와고정노드를이용하여 TOA 방식으로거리를추정한다. 노드는선박내에부착되어작동하는고정노드와선내의승조원이가지고다니는이동노드로구분된다. 이동노드와고정노드는모두부착및이동이쉽도록 7.2V 의휴대용배터리를사용하였다. 이동노드를통해측정된노드사이의거리데이터는시리얼통신을통해컴퓨터로전송되어선박의내부환경에적합한제안한알고리즘을적용한후에디스플레이하였다. 노드는 UWB를통해위치인식이가능한 Time Domain사의 P410모델을사용하였으며 CRE 방식을적용하여다중경로에강하며수 cm의거리오차를나타내는노드이다. 주파수대역은 3.1 ~ Figure 3: Fixed or mobile node 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 2 호 (2013. 3) 215
성주현 임태우 김종수 박상국 서동환 5.3GHz이고승조원이소지하고다닐수있을정도로크기는가로 7.6cm, 세로 8cm로구성되었다. 하드웨어는 Figure 4와같이하나의이동노드가움직이면서근처의여러고정노드로부터거리값을수신받아알고리즘을통해위치를인식한다. 이동노드의위치값은초당약 6번의데이터수신을통해실시간위치를획득한다. 거리데이터를받는노드의수는제약이없지만 UWB 신호의송수신거리에영향을많이받는다. 확인할수있다. 하지만그에따른데이터의수신거리는길어져약 40m까지수신율 90% 를유지하였다. 선내복도는한국해양대학교실습선인한바다호에서진행되었으며건물복도와비슷하지만좁고장애물이없기때문에정확성이높다. 기존의위치인식방식인 CSS와 UWB를선내복도에서비교할경우측정거리는비슷하지만 Figure 6과같이페이딩현상에의한거리오차가거의없음을보여준다. 12m 구간에서부터는 NLOS환경으로고정노드와이동노드가직접적으로보이지않는구간이지만오차가적다. Figure 4: Schematic architecture of hardware 3.2 UWB 특성연구 UWB를이용한위치인식을선박에적용하기위해서특성을분석하였다. Figure 5는측정장소에따른실제거리와측정거리의오차를나타낸다. x축은이동노드와고정노드사이의실제거리이며 y축은측정된거리오차를나타낸다. 자유공간에서의실험은한국해양대학교옥상에서진행되었으며거리데이터는거리가멀어짐에따라큰변화없이일정함을유지하였다. 이는주변장애물이없어페이딩현상이발생하지않기때문에거리가멀어져도 10cm미만의안정된거리가측정되며약 26m까지수신율 90% 이상을유지하였다. 건물복도환경의경우한국해양대학교공과대학폭 2m, 높이 2.7m인복도에서진행되었다. 건물복도의경우복도의사물함과같은장애물이있을경우데이터오차가 10cm 를넘어가며그구간이지속될수록 7~10m구간과같이데이터의오차가커짐을 Figure 5: The distance error in various experiment spaces Figure 6: The experiment of CSS and UWB in a ship 3.3. 제안한위치인식개선알고리즘 Figure 7은제안한알고리즘의흐름도로서먼저주변의데이터수신이되는고정노드로부터이동노 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 2 호 (2013. 3) 216
근접노드와거리변화량분석기법을이용한선내위치인식개선알고리즘 드는거리데이터를수신받는다. Figure 8과같이고정노드는천장에위치하므로실제이동거리와측정된거리는가까울수록차이가커진다. 그렇기때문에오히려노드와거리가가까울수록거리의오차는커지기때문에실제거리 R은식 (3) 을통해변형된다. (3) 위의식을적용하면이동노드가고정노드의바로아래에위치하게될경우, UWB의내재적오차에의해측정된거리 D는 H값이하로측정될수있으며이경우 R값이추출되지않는다. 이를보완하기위해 H값이하의 D값이나올경우실제위치는고정노드의위치에표시된다. 이를통해고정노드가까이위치한노드의위치를보정하였다. 기존위치인식에많이사용하는삼변측위는노드 3개를이용하여비교적정확한위치를찾아내지만선박의경우통로가정해져있으며좁기때문에정확한좌우위치를표현할필요없다. 그러므로다른고정노드의위치값이이동노드에수신되더라도가장가까운거리값이들어온고정노드를두개를이용하여위치를추적한다. 이중에서거리가멀어지면 LOS환경이아닐가능성이커지고위치값의변화가심해지므로정확한위치는두개의거리값중에가까운노드의거리로이동노드를추적한다. 즉기본적인노드의위치는두개의고정노드로인식을하며정확한위치는가까운노드를이용하여위치를추정하는방식이다. 하지만하나의노드로정확한위치를추정하면 NLOS환경에서크지는않지만코너구간에서위치의오류가발생한다. 이를보정하고자고정노드두개의이전값들을사용하여위치를추정한다. 위치의오류는 LOS에서 NLOS가되는구간에서크게발생하며그구간을벗어나면 NLOS 구간이라도거리의정확도가다시정확해진다. 이는전파의최단거리도달의특성에의해발생한다. Figure 8에서보면페이딩현상이적은 UWB의 D와 d의합은거의일정하다. 그러므로적은내재적오차가포함된데이터로도출된 R과 R`의합또한거의일정하며아래식 (4) 와같이합을 K라할경우 (4) Figure 7: Flow chart of proposed algorithm (5) 이전거리데이터 n 개의합의평균인평균필터식 (5) 를기반으로얻어진 와 를아래식 (6) 을통 해비교한다. (6) Figure 8: Pythagorean theorem 실험을통해얻어진데이터를통해코너구간에서의오차와복도구간의오차의경계가되는 0.4m 이상차이가날경우원거리데이터인 값을이용하여위치를추정한다. 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 2 호 (2013. 3) 217
성주현 임태우 김종수 박상국 서동환 4. 실험환경및고찰 4.1 제안한위치인식알고리즘적용실험 실험은한국해양대학교실습선한바다호의선내복도에서가장굴절및반사가심한상태인객실이열려있는상태에서실험을실시하였다. 선박은정박한상태에서이동노드와고정노드는배터리를이용해구동시켰다. 실험장소의구조는 Figure 9와같다. 그림과같이선내복도는폭 1.28m, 높이 2m 로일반건물의복도에비해좁고낮다. 기존의 CSS나 Zigbee는 3~6m 간격으로노드를설치해야하지만 UWB는원거리의정확도가높고다중경로에의한영향이적기때문에고정노드수를줄이기위하여노드를복도의중간에설치하여고정노드두개로모든실험공간에서위치를인식할수있도록적용하였다. 삼변측위의경우코너부분에노드를배치하면노드의위치주변의정확한위치를추적가능하나이변측위는노드주변이오차구역으로발생하므로코너에서의위치인식이어렵다. 그러므로오차구역을줄이기위하여코너구간이아닌일반복도의중간부분에배치하고각구간별 300개의데이터를수집하였다. 동노드와고정노드사이의거리이며 y축은측정된거리오차를나타낸다. 기존의 7m와 10m에서는코너가존재하며두결과모두그구간에서거리오차가심하게발생했다. 기존의기법에서 0, 1, 16, 17m의데이터가존재하지않는이유는측정값이 1m보다작게나와피타고라스이론이성립되지않고작은오차에도중첩되는원이발생하지않아이변측위가어렵다. 하지만변형된이변측위와제안한근접노드기법을적용하여모든구간의데이터가측정가능하다. Figure 10: Performance comparison for general method and proposed algorithm Figure 9: Experimental environment Figure 10은기존의일반적인이변측위와피타고라스이론을사용했을경우, 거리값이작은데이터를이용하는변형된이변측위와제안한근접노드기법을함께적용하였을경우, 및근접노드와거리변화량분석기법을적용한결과이다. x축은이 코너에서발생하는오차는코너를통과했을경우와통과하지않았을경우의실제이동거리는 1m이지만대각선으로전파가송신되어실제측정거리보다 0.4 ~ 0.8m 작은거리측정이발생하였다. 이경우고정노드의거리값은실제이동거리만큼변하므로이전값과실시간측정된데이터를이용하여이동노드와고정노드의거리값의합이 0.4m 이상의오차가발생할경우멀리있는고정노드의거리데이터를적용시켰다. 거리변화량분석기법을이용한위치보정한결과, 선내에서하나의고정노드와이동노드의거리측정결과와비교했을경우선내의환경에따른페이딩현상으로인해 0.21m의표준편차를보여자유공간에서의 0.038m의표준편차보다크지만평균오차는 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 2 호 (2013. 3) 218
근접노드와거리변화량분석기법을이용한선내위치인식개선알고리즘 1.18cm로비슷한수준을보였으며기존의이변측위적용시데이터오차는평균 0.46m로오차가측정되었으나제안한방법을사용하여오차가 80.85% 줄였다. 4. 결론 본연구에서는정밀무선위치인식에사용되는 UWB를기반으로근접노드와거리변화량분석기법을적용하여선내위치인식보정기법을제안하였다. 기존의일반건물복도와달리선내복도는좁고철골구조로이루어져무선전파의다중경로현상이강하게나타난다. 하지만기존의 1~2m오차를가지던 CSS에비해페이딩현상이줄어선내에서도비교적정확한거리측정이가능하였으며이를바탕으로노드수를줄이기위하여변형된이변측위를통해위치인식에적용하였다. 기존의선박의상황에맞는변형된이변측위와근접노드기법을통하여직선구간의정확도를 0.4m향상시켰으며코너구간에서가장크게발생하는오차를제안한거리변화량분석기법을이용하여위치를보정하였다. 이를통해코너구간의거리값의평균정확도가 57.41% 향상되었으며이를통해코너구간에서도 0.3m이내의오차범위내에서위치추정이가능하다. 실험에사용된 UWB노드는 2개로써같은실험공간에서기존의 CSS방식에사용된 6개에비해노드수가 66% 감소하였다. 향후이동하는경우발생할수있는거리의오차나미수신에대하여연구할계획이며본논문에서제안한방법을이용하여선내비상상황발생시선내구조에익숙하지못한피난자의대피성능향상에도움이될것으로보이며효율적인승조원파악이기대된다. 참고문헌 [1] S.-W. Han, A Study on CSS Based Real Time Location Awareness Systems Error Compensation Algorithm, PH. D. Dissertation, Department of information technology, Hansei University, Korea, 2010 (in Korean). [2] J.-T. Ryu and I.-K. Kim, "The development of indoor location measurement System using Zigbee and GPS", Journal of the Korea industrial Information System Society, vol. 17, no. 4, pp. 1-7, 2012 (in Korean). [3] H.-J. Cho, K.-I. Hwang, D.-S. Noh, D.-H. Seo, "Real time indoor positioning system using IEEE 802.15.4a and sensor", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 6, pp. 850-856, 2012 (in Korean). [4] I.-Y. Kong and H.-J. Kim, "Experiments and its analysis on the Identification of Indoor Location by Visible Light Communication using LED lights", International journal of maritime information and communication sciences, vol. 18, no. 5, pp. 488-495, 2011 (in Korean). [5] J.-H. Seong, J.-H. Choi, J.-S. Kim, D.-H. Seo, "An Experimental Study on Compensation algorithm for localization using modified bilateration and pyroelectric sensor in a ship", Journal of the Korea Society of Marine Environment & Safety, vol. 15, no. 5, pp. 1045-1052, 2012 (in Korean). [6] B. Dewberry and W. Beeler, "Increased Ranging Capacity using Ultrawideband Direct-path Pulse Signal Strength with Dynamic Recalibration", Position Location and Navigation Symposium (PLANS), pp. 1013-1017, 2012. 후기이연구는 2011년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구임 (No. 20110029766). 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 2 호 (2013. 3) 219