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KR100957215B1 - 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법 - Google Patents

무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법 Download PDF

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KR100957215B1
KR100957215B1 KR1020080021539A KR20080021539A KR100957215B1 KR 100957215 B1 KR100957215 B1 KR 100957215B1 KR 1020080021539 A KR1020080021539 A KR 1020080021539A KR 20080021539 A KR20080021539 A KR 20080021539A KR 100957215 B1 KR100957215 B1 KR 100957215B1
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허재두
박광로
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 무선 센서망에서 수동모드 단방향 거리추정 방식을 이용하여 이동 노드의 위치를 추정하도록 한 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법에 관한 것이다. 본 발명은 고정 노드 및 이동 노드의 주파수 오차를 추정하는 단계, 고정 노드에서 거리추정 프레임을 차례로 송신하는 단계, 이동 노드에서 거리추정 프레임을 수신하여 두 고정 노드로부터 수신된 신호의 시각 차이를 추정하는 단계, 그리고 추정된 수신 신호의 시각 차이를 TDOA(Time Difference of Arrival)에 적용하여 이동 노드의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 위치 추정 방법을 제공한다. 이에, 본 발명은 별도의 망동기 수단 없이 최소의 거리추정 프레임 전송에 의하여 다수의 이동노드들이 스스로의 위치를 추정할 수 있으며, 위치인식 무선 센서망 구축으로 망 구성이 용이하며, OWR 방식에 의한 거리 추정을 정확하면서도 빠르게 수행할 수 있다.
무선 센서망, 고정 노드, 이동 노드, 단방향 거리 추정, 수동모드

Description

무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법{METHOD FOR ESTIMATING LOCATION OF MOBILE NODE IN WIRELESS SENSOR NETWORK}
본 발명은 무선 센서망(Wireless Sensor Network)에서 이동 노드의 위치 추정 방법에 관한 것으로, 특히 무선 센서망에서 수동모드 단방향 거리추정 방식을 이용하여 이동 노드의 위치를 추정하도록 한 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2007-S-047-01, 과제명: 무선홈네트워크 기반 HD급 멀티미디어 시스템 기술 개발].
일반적으로, 무선 센서망은 소수의 고정 노드를 이용하여 다수의 이동 노드에 대한 위치를 추정하고, 이를 이용하여 이동 노드의 위치 추적, 이동 노드의 상황에 맞는 서비스 제공 등의 다양한 응용에 활용하고 있다.
특히, 위치 추정 알고리즘은 고정 노드와 이동 노드간의 각도, 거리, 수신신호세기 등을 이용한다. 여기서, 거리는 가장 널리 사용되는 수단으로 주로 초음파나 무선 등의 신호를 이용하여 추정한 TOF(Time of Flight)로부터 추정된다. 이때, 정확한 거리 정보 또는 TOF를 얻기 위해서는 고정 노드 및 이동 노드간에 동기화가 필요하다.
그리고 휴대폰 등의 서비스와 같이 대규모 무선망 서비스가 이루어지는 경우, 망동기 클럭의 공급은 광역 시스템들이 안정적으로 동작하기 위하여 매우 중요하다. 여기서, 망동기 클럭은 주로 유선 등을 사용하여 여러 고정 노드로 공통적으로 공급되고 있다.
반면에, 센서망 또는 애드 혹(Ad hoc) 망과 같은 일시적이거나 소규모 망의 경우, 별도의 망동기 제공 수단의 마련이 비경제적이거나, 설치가 번거롭거나 또는 불가능할 수도 있다.
한편, 종래의 무선 센서망에서 이동 노드의 위치를 추정하기 위해서, 액티브 뱃(Active Bat) 및 크리킷(Cricket) 시스템은 무선신호와 초음파신호를 사용한다. 이때, 전파 속도(약 3x108(m/s))가 빠른 무선 신호는 동기화에 사용하고, 전파 속도(약 340(m/s))가 느린 초음파 신호는 TOF 계산에 사용한다. 종래 기술에 따르면, 위치를 계산하는 제어 서버에서 고정 노드들까지 일정한 길이의 유선 케이블을 사용하여 별도의 유선망동기 신호를 공급하도록 한다.
그리고 종래 기술에는 망동기 클럭 없이 비동기로 TOF를 계산할 수 있는 TWR(Two-Way Ranging) 및 SDS(Symmetric Double Sided)-TWR 방식이 있으며, 망동기의 지원을 받는 OWR(One-Way Ranging)의 필요성을 피력하고 있다. 또한, 종래 기술에는 이동 노드에서 거리추정 프레임을 전송하여 망에서 위치를 추정하는 능동모 드(Active Mode)와, 고정 노드에서 거리추정 프레임을 전송하고 이동 노드에서 자신의 위치를 추정하는 수동모드(Passive Mode)가 있다.
그러나 종래 기술에서 제시된 TWR 및 SDS-TWR 방식도 노드간의 주파수 오차에 의한 추정오차는 여전히 포함하고 있으며, 하나의 이동 노드와 각 고정 노드간에 3 ~ 4 차례의 패킷 전송이 필요하여 전송해야 할 패킷의 수가 증가한다. 이에 따라서, 한 번의 위치추정에 긴 시간이 소요되어 다수의 이동 노드에 대하여 서비스하기에는 많은 문제점이 있다. 또한, 이러한 이유로 종래 기술에서는 망동기 설정 후에 OWR 사용 방법의 유용성을 제시하고 있지만, 망동기 설정 또는 OWR 사용 방식에 대한 처리방식은 구현 종속으로 남겨져 있는 상태이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 무선 센서망에서 수동모드 단방향 거리추정 방식을 이용하여 이동 노드의 위치를 추정하도록 한 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따르면, 무선 센서망에서 신호 도착 시간을 추정하고, 노드 쌍에 의한 수신 신호 도착 시각의 차이를 추정하여 이동 노드의 위치 추정을 수행하는데 적합한 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법을 구현하도록 한다. 여기서, 본 발명은 유선 케이블을 통한 망동기 클럭 공급 등과 같은 별도의 동기화 수단을 사용하거나 또는 비동기로 TWR(Two-Way Ranging) 및 SDS(Symmetric Double Sided)-TWR 방식에 따라 TOF(Time of Flight)를 추정하는 종래 기술과는 다르게, 무선 센서망에서 고정 노드 및 이동 노드의 주파수 오차를 추정하고, 고정 노드에서 거리추정 프레임을 차례로 송신하고, 이를 이동 노드에서 수신하여 두 고정 노드의 신호가 이동 노드에 수신된 시각의 차이를 추정하도록 한다. 이때, 추정된 수신 시각의 차이는 직접적으로 TDOA(Time Difference of Arrival) 알고리즘에 적용되어 이동 노드의 위치를 추정할 수 있다.
본 발명의 한 특징에 따르면, 무선 센서망에서 이동 노드의 위치를 추정하는 방법에 있어서, 고정 노드 및 이동 노드의 주파수 오차를 추정하는 단계, 상기 고 정 노드에서 거리추정 프레임을 차례로 송신하는 단계, 상기 이동 노드에서 상기 거리추정 프레임을 수신하여 두 고정 노드로부터 수신된 신호의 시각 차이를 추정하는 단계, 그리고 상기 추정된 수신 신호의 시각 차이를 TDOA에 적용하여 상기 이동 노드의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 위치 추정 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 소수의 고정 노드를 포함한 무선 센서망에서 다수의 이동 노드의 위치를 추정하는 방법에 있어서, 상기 고정 노드의 클럭 주파수 편이를 추정하는 단계, 새로운 이동 노드가 접속하는 경우에 해당 이동 노드의 주파수 차이를 추정하는 단계, 상기 고정 노드에서 차례로 거리추정 프레임을 방송하는 단계, 상기 이동 노드에서 상기 거리추정 프레임을 수신하여 노드 쌍을 구성하고, 해당 구성된 노드 쌍의 거리 차이를 추정하는 단계, 그리고 상기 노드 쌍의 거리 차이를 TDOA에 적용하여 상기 이동 노드의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 위치 추정 방법을 제공한다.
여기서, 상기 거리 차이를 추정하는 단계는, 상기 이동 노드에서 상기 고정 노드의 위치, 관련 노드의 주파수 편이, 측정된 계수기 값을 이용하여 상기 노드 쌍의 순간 동기화를 유도한 후에 상기 노드 쌍의 거리 차이를 추정한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 다수의 고정 노드를 포함한 무선 센서망에서 이동 노드의 위치를 추정하는 방법에 있어서, 상기 고정 노드를 이용하여 서로 연결되는 고정 노드 쌍을 구성하는 단계, 상기 고정 노드 쌍에서 노드간의 거리추정 프레임의 송신 및 수신 시각 정보를 이용하여 상기 고정 노드의 주파수 편이를 산출하는 단계, 주파수 허용 오차를 알고 있는 하나의 고정 노드와 새로운 이동 노드간의 거리추정 프레임 송신 및 수신 시각 정보를 이용하여 이동 노드의 주파수 편이를 산출하는 단계, 상기 고정 노드 중 기준 고정 노드를 시작으로 차례로 거리추정 프레임을 방송하고, 다른 고정 노드 및 이동 노드에서 수신하는 단계, 상기 이동 노드에서 거리추정 프레임의 수신 시각 정보, 거리추정 프레임에 포함된 시각 정보, 고정 노드의 위치, 각 노드의 주파수 편이를 이용하여 동기화된 시각에 의하여 고정 노드와 이동 노드간의 거리 차이를 산출하는 단계, 그리고 상기 산출된 거리 차이를 TDOA에 적용하여 상기 이동 노드의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 위치 추정 방법을 제공한다.
여기서, 상기 고정 노드의 주파수 편이를 산출하는 단계는, 두 노드간의 거리와 두 노드간의 TOF 계산, 두 노드간에 평행하게 발생하는 거리추정 프레임 송신 및 수신 시각이 동일한 관계로부터 얻어지는 계산으로부터 두 노드의 각 주파수 편이를 계산한다.
그리고 상기 이동 노드의 주파수 편이를 산출하는 단계는, 주파수 편이를 알고 있는 하나의 고정 노드를 사용하여 새로운 이동 노드의 주파수 편이를 계산할 때, 두 노드간 평행하게 발생하는 거리추정 프레임 송신 및 수신 시각이 동일한 관계로부터 얻어지는 계산으로부터 두 노드의 각 주파수 편이를 계산한다.
그리고 상기 다른 고정 노드 및 이동 노드에서 수신하는 단계는, 상기 기준 고정 노드가 거리추정 프레임을 방송하고, 이를 수신한 다른 고정 노드들이 거리추정 프레임 관련 시각 정보를 거리추정 프레임에 포함하여 다시 방송하는 단계, 그리고 상기 이동 노드가 모든 고정 노드로부터 수신한 거리추정 프레임 수신 시각 정보와 거리추정 프레임에 포함된 정보를 취득하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 다른 고정 노드 및 이동 노드에서 수신하는 단계는, 상기 고정 노드에서 송신하는 거리추정 프레임 내에 이전 다른 고정노드의 가장 최근 거리추정 프레임 수신 시각 정보를 포함하는 단계를 더 포함한다.
이때, 상기 거리 차이를 산출하는 단계는, 상기 이동 노드에서 한 고정 노드의 거리추정 프레임을 수신할 때마다 한 번씩 상기 이동 노드의 위치를 추정한다.
그리고 상기 거리 차이를 산출하는 단계는, 상기 기준 고정 노드의 거리추정 프레임을 상기 다른 고정 노드 및 이동 노드에서 수신한 시각 정보를 사용하여 시각 동기의 기준으로 활용하고, 상기 다른 고정 노드에서 거리추정 프레임을 송신한 시각과 이를 상기 이동 노드에서 수신 시각을 사용하여 상기 기준 고정 노드와 이동 노드의 거리, 상기 다른 고정 노드와 이동 노드의 거리간의 차이를 추정한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 위치 서버, 다수의 고정 노드, 이동 노드를 포함한 무선 센서망에서 이동 노드의 위치를 추정하는 방법에 있어서, 상기 위치 서버의 제어에 따라 상기 고정 노드간에 기준 주파수에 대한 각 노드의 주파수 차이를 추정하여 그 결과를 상기 위치 서버에 저장하는 단계, 새로운 이동 노드가 거리추정 서비스에 추가되면, 상기 위치 서버의 제어에 따라 기준 고정 노드와 이동 노드간에 기준 주파수에 대한 각 노드의 주파수 차이를 추정하여 그 결과를 상기 위치 서버에 저장하는 단계, 상기 위치 서버의 제어에 따라 상기 기준 고정 노드 및 다른 고정 노드에서 거리추정에 필요한 정보를 프레임에 담아서 방송하는 단계, 상기 이동 노드에서 상기 방송된 프레임에 담긴 거리추정에 필요한 정보와 상 기 방송된 프레임을 수신한 시각 정보로부터 TDOA에 적용할 거리 차이 정보를 취득하는 단계, 그리고 상기 취득된 거리 차이 정보를 프레임에 담아 상기 위치 서버로 송신하여 상기 이동 노드의 위치를 추정하도록 하는 단계를 포함하는 위치 추정 방법을 제공한다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 별도의 망동기 수단 없이 최소의 거리추정 프레임 전송에 의하여 다수의 이동노드들이 스스로의 위치를 추정할 수 있다.
그리고 본 발명에 의하면, 유선케이블 등과 같이 별도의 망동기 수단이나 고가의 매우 정밀한 국부발진기 등을 사용하지 않고도 위치인식 무선 센서망 구축이 가능하여 망 구성이 용이하며, 이동 노드에서 자신의 위치를 추정할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, OWR 방식에 의한 거리 추정을 정확하면서도 빠르게 수행할 수 있고, 이동 노드에 대하여 더욱 정확한 위치 추정이 가능하다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 명세서에서 단말(Terminal)은 이동국(Mobile Station, MS), 이동 단말(Mobile Terminal, MT), 가입자국(Subscriber Station, SS), 휴대 가입자국(Portable Subscriber Station, PSS), 사용자 장치(User Equipment, UE), 접근 단말(Access Terminal, AT) 등을 지칭할 수도 있고, 이동 단말, 가입자국, 휴대 가입자 국, 사용자 장치 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 노드는 기지국(Base Station, BS), 접근점(Access Point, AP), 무선 접근국(Radio Access Station, RAS), 노드B(Node B), 송수신 기지국(Base Transceiver Station, BTS), MMR(Mobile Multihop Relay)-BS 등을 지칭할 수도 있고, 접근점, 무선 접근국, 노드B, 송수신 기지국, MMR-BS 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법은, OWR(One-Way Ranging)을 사용하여 정확한 신호 도착 시간을 추정하고, 노드 쌍에 의한 수신신호 도착 시각의 차이를 추정함으로써, TDOA(Time Difference of Arrival)에 의한 이동 노드의 위치 추정을 수행할 수 있다.
다시 말해서, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법은, 유선 등과 같은 별도의 망동기가 구축되지 않으며 또한 동작중인 센서 노드의 클럭 주파수 편이 특성 등이 사전에 확인되지 않은 상태에 있는 무선 센서망에 있어서, 소수의 고정 노드와 다수의 이동 노드로 구성된 이동 노드 위치 추정 시스템에서 고정 노드와 이동 노드의 주파수 편이를 추정한다. 고정 노드에서 차례로 거리추정 프레임을 송신하면, 이동 노드에서 고정 노드의 위치와 관련 노드의 주파수 편이와 측정된 계수기 값 등을 이용하여, 노드 쌍의 순간 동기화를 유도하여 노드 쌍의 거리 차이를 추정한다. 추정된 거리 차이를 TDOA에 적용하여 이동 노드 자신의 위치를 추정하도록 함으로써, 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정을 위한 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 도 1에 도시된 바와 같이, 위치 서버(101), 다수의 고정 노드인 NA(111), NB(112), NC(113), ND(114), 이동 노드인 NM(121)를 포함한다. 여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 노드(111 ~ 114, 121)의 주파수 오차와 신호 도착 시각 차이를 이용하여 그 위치(즉, 이동 노드(121)의 위치)를 추정하는데 적합하도록 이루어진다.
다시 말해서, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 도 1에 도시된 바와 같이, 고정 노드(111 ~ 114)에서 거리추정 프레임을 송신하고, 이동 노드(121)에서 프레임 송신 및 수신 시각 정보 등을 가지고 자신의 위치를 계산하거나, 이들 정보를 위치 서버(101)로 전송하여 이동 노드(121)의 위치를 계산하도록 한다.
이때, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망에서 위치 추정 계산은, GPS 및 크리킷(Cricket) 시스템에서와 같이, 이동 노드(121)에서 수행하거나, 액티브 뱃(Active Bat) 및 휴대폰에서와 같이 망에서 수행할 수도 있다. 이동 노드(121)에서 계산할 경우, 이동 노드(121)의 위치 정보를 보호할 수 있다. 망에서 계산할 경우, 단말이 초저가 장치 구현이 가능하고 망에서 이동 노드(121)가 처한 상황에 적합한 서비스를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망에서 위치 추정 계산은, 필요에 따라 이동 노드(121)에서 관련 정보를 망으로 전송하여 망에서 위치추정 계산을 수행할 수도 있다.
그리고 다수의 고정 노드들(111 ~ 114) 중 하나에서 송신한 프레임을 이동 노드(121)에서 수신한 시각을 기준으로 노드 쌍간을 구성하여 동기화된 시각으로 일치시킴으로써, 두 고정 노드(111 ~ 114)에서 송신된 프레임이 이동 노드(121)에서 수신된 시각의 차에 대한 정보를 획득할 수 있다. 또한, 이하 설명에서는 각 노드 쌍은 제1 고정 노드 NA(111)-제2 고정 노드 NB(112)-이동 노드(121), 제1 고정 노드 NA(111)-제3 고정 노드 NC(113)-이동 노드(121), 제1 고정 노드 NA(111)-제4 고정 노드 ND(114)-이동 노드(121) 등에 대하여 나타낸다.
위치 서버(101)는 다수의 고정 노드(111 ~ 114)가 설치된 위치를 알고 있으며, 고정 노드(111 ~ 114)와 이동 노드(121)의 주파수 오프셋(Offset)을 추정하고, 고정 노드(111 ~ 114)와 이동 노드(121)간에 수행되는 절차 제어를 수행하고, 이동 노드(121)의 정보를 받아 TDOA 등의 알고리즘을 사용하여 이동 노드(121)의 위치를 계산하는 일을 수행한다.
그리고 위치 서버(101)는 주기적 또는 비주기적으로 고정 노드들(111 ~ 114)을 제어하여 고정 노드들(111 ~ 114)에서 거리추정 프레임을 송신하도록 한다.
위치 서버(101)와 이에 연결된 제1 고정 노드 NA(111)는 하나의 별도 장비(100)로 구성됨으로써, 위치 서버(101)를 이용한 복잡한 계산, LAN 등을 통한 센서망의 게이트웨이(Gateway) 역할 등을 수행한다.
그리고 다수의 고정 노드(111 ~ 114)는 위치 서버(101)의 제어에 따라 거리추정 프레임을 이동 노드(121)로 송신한다. 이때, 위치 좌표의 디멘션(Dimension)이 3차원으로 커질수록, 그리고 서비스 범위가 넓어질수록 더 많은 고정 노드(111 ~ 114)가 필요하다.
이동 노드(121)는 각 고정 노드(111 ~ 114)에서 보내온 프레임 송신 및 수신시각 정보와 이동 노드(121)에서 프레임을 수신한 시각정보를 사용하여 이동 노드(121)의 위치를 추정한다. 이때, 이동 노드(121)가 복잡한 계산 능력이 없을 경우, 이동 노드(121)가 취합한 정보를 위치 서버(101)와 연결된 제1 고정 노드 NA(111)를 경유하여 위치 서버(101)로 전달하여 대신 계산하도록 요청할 수도 있다.
아래에서는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법에 대해서 도 2 내지 도 7을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 소수의 고정 노드들(111 ~ 114)을 포함하는 경우에 다수의 이동 노드들(121)의 위치를 추정함에 있어서, 소수의 고정 노드들(111 ~ 114)의 클럭 주파수 편이를 추정한 후에(S201), 하나의 새로운 이동 노드(121)가 접속하는 경우에 해당 이동 노드(121)의 주파수 차이를 추정한다(S202).
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 소수의 고정 노드들(111 ~ 114) 각각에서 차례로 거리추정 프레임을 방송하게 되면, 이동 노드(121)에서 소수의 고정 노드들(111 ~ 114)로부터 방송되는 거리추정 프레임을 수신한 다음에(S203), 노드 쌍들(예를 들어, 제1 고정 노드 NA(111)-제2 고정 노드 NB(112)-이동 노드(121), 제1 고정 노드 NA(111)-제3 고정 노드 NC(113)-이동 노드(121), 제1 고정 노드 NA(111)-제4 고정 노드 ND(114)-이동 노드(121) 등)을 구성하여 해당 노드 쌍들의 거리 차이를 추정한다(S204).
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 상술한 단계 S204에서 추정된 노드 쌍들의 거리 차이를 TDOA(Time Difference of Arrival)에 적용하여 이동 노드(121)의 위치를 추정한다(S205).
도 3은 본 발명의 이 실시 예에 따른 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 다수의 고정 노드들(111 ~ 114)을 포함하는 경우에 이동 노드(121)의 위치를 추정함에 있어서, 다수의 고정 노드들(111 ~ 114)을 이용하여 서로 연결되는 고정 노드 쌍들(예를 들어, 제1 고정 노드 NA(111)-제2 고정 노드 NB(112), 제1 고정 노드 NA(111)-제3 고정 노드 NC(113), 제1 고정 노드 NA(111)-제4 고정 노드 ND(114) 등)을 구성한 후에(S301), 해당 고정 노드 쌍들에서 노드간의 거리추정 프레임의 송신 및 수신 시각 정보를 이용하여 각 고정 노드(111 ~ 114)의 주파수 편이를 산출한다(S302).
이때, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 상술한 단계 S302에 있어서, 두 개의 노드간의 거리와 두 노드간의 TOF(Time of Flight) 계산식, 두 노드간에 평행하게 발생하는 거리추정 프레임 송신 및 수신 시각이 동일한 관계로부터 얻어지는 계산식으로부터 두 노드의 각 주파수 편이를 계산하도록 한다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 두 개의 노드간의 TOF 계산에 있어서, 주파수 편이와 거리추정 프레임 송신 및 수신 시각 정보를 적용함으로써, 노드의 클럭 주파수 편이에 둔감하면서 정확한 거리 추정이 가능하다는 것을 잘 알 수가 있다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 상술한 단계 S302에서 주파수 편이를 산출한 고정 노드들(111 ~ 114) 중에서 주파수 허용 오차를 알고 있는 하나의 고정 노드(111 ~ 114)와 새로운 이동 노드(121)간의 거리추정 프레임 송신 및 수신 시각 정보를 이용하여 이동 노드(121)의 주파수 편이를 산출한다(S303).
이때, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 상술한 단계 S303에 있어 서, 주파수 편이를 알고 있는 하나의 고정 노드(111 ~ 114)를 사용하여 새로운 이동 노드(121)의 주파수 편이를 계산하는데, 두 노드간 평행하게 발생하는 거리추정 프레임 송신 및 수신 시각이 동일한 관계로부터 얻어지는 계산식으로부터 두 노드의 각 주파수 편이를 계산하도록 한다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 고정 노드들(111 ~ 114)에서 기준 고정 노드(예를 들어, 제1 고정 노드 NA(111))를 시작으로 차례로 거리추정 프레임을 방송하게 되면, 다른 고정 노드들(112 ~ 114)과 다수의 이동 노드들(121)에서 기준 고정 노드(예를 들어, 제1 고정 노드 NA(111))로부터 방송되는 거리추정 프레임을 수신한다(S304).
이때, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 상술한 단계 S304에 있어서, 기준 고정 노드(예를 들어, 제1 고정 노드 NA(111))가 거리추정 프레임을 방송하고 이를 수신한 다른 고정 노드들(112 ~ 114)이 거리추정 프레임 관련 시각 정보를 거리추정 프레임에 포함하여 또한 방송함으로써, 이동 노드들(121)이 모든 고정 노드(111 ~ 114)로부터 수신한 거리추정 프레임 수신 시각 정보와 거리추정 프레임에 포함된 정보를 취득 가능하다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 각 이동 노드들(121)에서 거리추정 프레임의 수신 시각 정보, 거리추정 프레임에 포함된 시각 정보, 고정 노드(111 ~ 114)의 위치, 각 노드(111 ~ 114, 121)의 주파수 편이 등을 이용하여 동기화된 시각에 의하여 고정 노드(111 ~ 114)와 이동 노드(121)간의 거리 차이를 산 출한다(S305).
이때, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 상술한 단계 S305에 있어서, 기준 고정 노드(예를 들어, 제1 고정 노드 NA(111))의 거리추정 프레임을 다른 고정 노드(112 ~ 114)와 이동 노드(121)에서 수신한 시각 정보를 사용하여 시각 동기의 기준으로 활용하고, 다른 고정 노드(112 ~ 114)에서 거리추정 프레임을 송신한 시각과 이를 이동 노드(121)에서 수신 시각을 사용하여 기준 고정 노드(111)와 이동 노드(121)의 거리, 다른 고정 노드(112 ~ 114)와 이동 노드(121)의 거리간의 차이를 추정하도록 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 상술한 단계 S304에서 각 고정 노드(111 ~ 114)에서 송신하는 거리추정 프레임 내에 이전 다른 고정노드들(112 ~ 114)의 가장 최근 거리추정 프레임 수신 시각 정보를 포함함으로써, 상술한 단계 S305를 수행할 때에 이동 노드(121)에서 한 고정 노드(111 ~ 114)의 거리추정 프레임을 수신할 때마다 한 번씩 이동 노드(121)의 위치를 추정할 수 있다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망은, 상술한 단계 S305에서 산출된 고정 노드(111 ~ 114)와 이동 노드(121)간의 거리 차이를 TDOA에 적용하여 이동 노드(121)의 위치를 추정한다(S306).
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서망에서 시각 정보의 전달 과정을 나타낸 흐름도로서, 주파수 오차를 산출하기 위한 시각 정보의 전달 과정을 나타낸 흐름도이다.
여기서, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망에서 SDS-TWR을 이용한 주파수 편이 추정에 대해서 기술하였으나, 본 발명의 주파수 편이 추정은 SDS-TWR로 제한하지 않는다는 것을 잘 이해해야 한다.
두 개의 연립방정식을 구성할 수 있는 주파수 편이 정보를 제공하기 위해서, 도 4에 도시된 단계 S401과 S403과 같이, 두 개의 평행한 거리추정 프레임 전송과, 두 노드간의 거리를 알고 있는 상태에서 TOF를 추정하는데 사용되는 거리추정 프레임 전송이 포함되면 충분하며, 이러한 충분조건을 SDS-TWR이 충족시키고 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 단계 S401에서는 제1 고정 노드 NA(111)에서 거리추정 프레임을 송신(TAT1)하고, 제2 고정 노드 NB(112)에서 수신(TBR1)한다. 단계 S402에서는 제2 고정 노드 NB(112)에서 거리추정 프레임을 송신(TBT1)하고, 제1 고정 노드 NA(111)에서 수신(TAR1)한다. 단계 S403에서는 제1 고정 노드 NA(111)에서 거리추정 프레임을 송신(TAT2)하고, 제2 고정 노드 NB(112)에서 수신(TBR2)한다. 단계 S404에서는 제2 고정 노드 NB(112)에서 지금까지 발생한 시각 정보를 제1 고정 노드 NA(111)로 전송(TBR1, TBT1, TBR2)하며, 제1 고정 노드 NA(111)에서 수신한다.
즉, 단계 S401, S402, S403의 거리추정 프레임 전송에서 발생한 정보를 단계 S404에서 제1 고정 노드 NA(111)로 취합하여 기준 주파수로부터 제1 고정 노드 NA(111)와 제2 고정 노드 NB(112)의 주파수 차이를 추정하도록 한다.
도 4를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망에서 시각 정보를 포함한 거리추정 프레임을 전달하는 제2 고정 노드 NB(112)와 제1 고정 노드 NA(111)와 위치 서버(101) 쌍으로부터 제2 고정 노드 NB(112)와 제1 고정 노드 NA(111)의 국부 클럭에 대한 주파수 오차를 계산하는 알고리즘에 대해 설명하면 다음과 같다.
서로 다른 시스템간의 주파수 오차는 대부분 크게 중요하지 않으나, TOF에 의한 거리추정 및 위치추정 등에서는 TOF에 광속(3x108(m/s))이 곱해진 값이 거리가 되기 때문에, 주파수 허용 오차에 의한 거리 오차는 매우 커질 수 있다. 따라서 시스템간의 주파수 오차를 추정하면 거리 및 위치 추정 오차를 줄일 수 있다.
제1 고정 노드 NA(111)에서 사용하는 클럭 주파수를 'fA'라 하고, 제2 고정 노드 NB(112)에서 사용하는 클럭 주파수를 'fB'라 하고, 'fR'은 망동기 주파수(즉, 기준 클럭 주파수)로 정확한 타이밍(Timing)을 제공하는 기준으로 가정하고, 'fA'와 'fB'는 기준 클럭 주파수(fR)로부터 약간의 허용 오차가 있는 것으로 가정하면, 각각의 클럭 주파수(fA, fB)는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
fA = fR(1 + eA)
fB = fR(1 + eB)
여기서, 'eA'는 제1 고정 노드 NA(111)의 주파수 편이(ppm)이며, 'eB'는 제2 고정 노드 NB(112)의 주파수 편이(ppm)이다.
그리고 시간 간격은 한 클럭 주기 시간과 클럭 계수기의 곱의 차이로 나타낼 수 있다. 단계 S401과 S403에서 발생하는 송신 측 및 수신 측의 프레임 송신간의 시간 간격과 프레임 수신간의 실제 시간 간격은 동일하기 때문에, 동일한 시간 간격은 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
TAT2 - TAT1 = TBR2 - TBR1
TAT2 - TAT1 = (nAT2 - nAT1)/fA
TBR2 - TBR1 = (nBR2 - nBR1)/fB
상술한 수학식 1을 상술한 수학식 2에 적용하면, 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있으며, 제1 고정 노드 NA(111)와 제2 고정 노드 NB(112)로부터 취득할 수 있는 정보와 두 개의 미지수를 포함하고 있다.
(nAT2 - nAT1)/(1 + eA) = (nBR2 - nBR1)/(1 + eB)
그리고 TOF를 추정하기 위하여 수행되는 단계 S401, S402, S403에서 발생하는 시각 정보를 단계 S404의 절차로, 제2 고정 노드 NB(112)에서의 시각 정보를 제1 고정 노드 NA(111)로 전달함으로써, 주파수 차이를 고려한 제1 고정 노드 NA(111)와 제2 고정 노드 NB(112) 간의 TOF(
Figure 112008016936591-pat00001
p)는 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008016936591-pat00002
4p = (TBR1-TAT1)+2(TAR1-TBT1)+(TBR2-TAT2)
= (TAR1-TAT1)-(TAT2-TAR1)+(TBR2-TBT1)-(TBT1-TBR1)
= [{(nAR1-nAT1)-(nAT2-nAR1)}/fR(1+eA)]+[{(nBR2-nBT1)-(nBT1-nBR1)}/fR(1+eB)]
그리고 제1 고정 노드 NA(111)와 제2 고정 노드 NB(112)가 고정 노드이므로, 두 노드간의 거리는 알고 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 'dAB'로 나타내면, TOF(
Figure 112008016936591-pat00003
p)는 아래의 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112008016936591-pat00004
p = dAB/c
여기서, 'c'는 108(m/s)이다.
상술한 수학식 3, 4, 5로부터 'c'는 상수이고, 'dAB'는 알고 있는 값이고, 그 외 시각 정보는 제1 고정 노드 NA(111)와 제2 고정 노드 NB(112)로부터 취득되는 값이다.
따라서 주파수 편이(eA, eB)에 대한 두 개의 수식으로 정리되고, 제1 고정 노드 NA(111)와 제2 고정 노드 NB(112)에 대한 기준 주파수로부터의 주파수 편 이(eA, eB)를 계산할 수 있다.
동일한 방법을 사용하거나, 제1 고정 노드 NA(111)의 주파수 편이(eA)를 적용함으로써, 제1 고정 노드 NA(111)와 제3 고정 노드 NC(113)의 쌍과, 제1 고정 노드 NA(111)와 제4 고정 노드 ND(114)의 쌍에 의하여 각 고정 노드(111 ~ 114)의 주파수 편이(eA, eB, eC, eD 등)를 계산할 수 있다.
상술한 수학식 4와 같이, 각 국부 클럭에 의하여 생성된 계수기 값의 차이를 주파수 편이에 적용하여 처리함으로써, 기준 주파수로 처리하는 것과 동일한 관계를 표현한 방법은 TWR 방식에도 동일하게 적용될 수 있다.
예를 들어, 위치 인식 기능을 포함하는 저속 WPAN(Wireless Personal Area Network) 규격 IEEE802.15.4a에서는 표본 추출 클럭 주파수를 64(GHz)로 사용하고, 이 클럭에 의하여 패킷 송신 및 수신 시각을 32비트로 표시하도록 되어 있으며, 패킷 송신 및 수신 시각 표시의 기준을 패킷의 레인징(Ranging) 비트의 송신 및 수신 시각으로 함으로써 패킷 송신 및 수신의 사건 발생 시각을 정확하게 표현할 수 있다.
도 5는 본 발명의 이 실시 예에 따른 무선 센서망에서 시각 정보의 전달과정을 나타낸 흐름도로서, 고정 노드의 시각 정보를 포함한 거리추정 프레임이 이동 노드로 전달되어 이동 노드의 위치를 추정하는 시각 정보의 전달과정을 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망에서 위치 서버(101)의 제어에 따라 고정 노드 NA(111), NB(112), NC(113), ND(114)가 시각 정보 등을 포함하는 거리추정 프레임을 송신하고, 이동 노드 NM(121)이 자신의 위치를 추정하는 알고리즘에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 5의 단계 S501의 처리는, 제1 고정 노드 NA(111)에서 제1 거리추정 프레임(Data(nAT))을 전송(nAT)하고, 이것을 제2 고정 노드 NB(112), 제3 고정 노드 NC(113), 제4 고정 노드 ND(114), 이동 노드 NM(121)에서 각각 수신(nBR, nCR, nDR, nMA)하는 관계를 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1 고정 노드 NA(111)는 계수기 값이 'nAT'인 시점에서 제1 거리추정 프레임(Data(nAT))을 송신하며, 이것을 각 노드(112, 113, 114, 121)에서 각각의 계수기 값이 'nBR', 'nCR', 'nDR', 'nMA'인 시점에서 수신한다. 여기서, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제1 거리추정 프레임(Data(nAT))은 제1 계수기 값(nAT)의 정보를 포함하는 것으로 가정한다. TDOA에 적용하기 위한 최종 결과 수학식에서는 제1 계수기 값(nAT)의 정보가 불필요하며, 따라서 제1 거리추정 프레임(Data(nAT))에 포함되지 않아도 된다.
그 다음에, 도 5의 단계 S502, S503, S504의 처리에 있어서, 각각의 고정 노 드(112, 113, 114)가 거리추정 프레임(Data(nBR, nBT), Data(nCR, nCT), Data(nDR, nDT))을 각각 송신(nBT, nCT, nDT)하고, 이것들을 이동 노드 NM(121)가 수신(nMB, nMC, nMD)하는 관계를 나타낸 것이다.
도 5의 단계 S502에 도시된 바와 같이, 제2 고정 노드 NB(112)와 이동 노드 NM(121)의 계수기 값 관계에 있어서, 제2 거리추정 프레임((Data(nBR, nBT))은 제1 고정 노드 NA(111)의 신호를 제2 고정 노드 NB(112)에서 수신한 시점인 제2 고정 노드 NB(112)의 계수기 값(nBR), 제2 고정 노드 NB(112)에서 거리추정 패킷을 전송하는 시점인 제2 고정 노드 NB(112)의 계수기 값(nBT)을 포함하는 것으로 가정한다.
그리고 도 5의 단계 S503에 도시된 바와 같이, 제3 고정 노드 NC(113)와 이동 노드 NM(121)의 계수기 값 관계에 있어서, 제3 거리추정 프레임(Data(nCR, nCT))은 제1 고정 노드 NA(111)의 신호를 제3 고정 노드 NC(113)에서 수신한 시점인 제3 고정 노드 NC(113)의 계수기 값(nCR), 제3 고정 노드 NC(113)에서 제3 거리추정 프레임(Data(nCR, nCT))을 전송하는 시점인 제3 고정 노드 NC(113)의 계수기 값(nCT)을 포함하는 것으로 가정한다.
그리고 도 5의 단계 S504에 도시된 바와 같이, 제4 고정 노드 ND(114)와 이동 노드 NM(121)의 계수기 값 관계에 있어서, 제4 거리추정 프레임(Data(nDR, nDT)) 은 제1 고정 노드 NA(111)의 신호를 제4 고정 노드 ND(114)에서 수신한 시점인 제4 고정 노드 ND(114)의 계수기 값(nDR), 제4 고정 노드 ND(114)에서 제4 거리추정 프레임(Data(nDR, nDT))을 전송하는 시점인 제4 고정 노드 ND(114)의 계수기 값(nDT)을 포함하는 것으로 가정한다.
그런 후에, 도 5에 도시된 바와 같이, 거리추정 프레임에 대한 정보가 이동 노드인 NM(121)으로 취합되면, 취합된 정보로부터 고정 노드(111 ~ 114)와 이동 노드(121)간의 거리의 차이를 계산할 수 있다.
우선 고정 노드(111 ~ 114)의 기준이 되는 제1 고정 노드 NA(111)의 프레임을 수신한 고정 노드(112 ~ 114) 및 이동 노드(121)의 시각 일치가 필요하다.
이때, 제1 고정 노드 NA(111)의 제1 거리추정 프레임(Data(nAT))을 수신한 시점의 제2 고정 노드 NB(112), 제3 고정 노드 NC(113), 제4 고정 노드 ND(114)에서의 계수기 값은, 제1 고정 노드 NA(111)에서의 거리추정 프레임 송신 시점의 계수기 값(nAT)을 기준으로 각각 다음과 같은 관계가 있다.
제2 고정 노드 NB(112)의 수신 시각 계수기 값(nBA)은, 'nAT + [{dAB(m)/c(m/sec)}*fR]'와 동일한 시점을 지칭하는 값이다.
제3 고정 노드 NC(113)의 수신 시각 계수기 값(nCA)은, 'nAT + [{dAC(m)/c(m/sec)}*fR]'와 동일한 시점을 지칭하는 값이다.
제4 고정 노드 ND(114)의 수신 시각 계수기 값(nDA)은, 'nAT + [{dAD(m)/c(m/sec)}*fR]'와 동일한 시점을 지칭하는 값이다.
이를 요약하면, 아래의 수학식 6과 같이 표현된다.
Figure 112008016936591-pat00005
nBA <=> BA = nAT + {(dAB/c)*fR}
nCA <=>
Figure 112008016936591-pat00006
CA = nAT + {(dAC/c)*fR}
nDA <=>
Figure 112008016936591-pat00007
DA = nAT + {(dAD/c)*fR}
제1 고정 노드 NA(111)에서의 거리추정 프레임 송신 시점의 계수기 값을 기준으로 제2 고정 노드 NB(112), 제3 고정 노드 NC(113), 제4 고정 노드 ND(114)에서의 거리추정 프레임 송신 시점의 계수기 값에 대한 등가 값은, 각각 아래의 수학식 7과 같은 관계가 있다.
Figure 112008016936591-pat00008
Figure 112008016936591-pat00009
nBT <=> BT = BA + {(nBT-nBA)/(1+eB)}
nCT <=>
Figure 112008016936591-pat00010
CT =
Figure 112008016936591-pat00011
CA + {(nCT-nCA)/(1+eC)}
nDT <=>
Figure 112008016936591-pat00012
DT =
Figure 112008016936591-pat00013
DA + {(nDT-nDA)/(1+eD)}
이동 노드 NM(121)에서 제1 고정 노드 NA(111)의 신호를 수신한 시점의 계수기 값을 기준으로 제2 고정 노드 NB(112), 제3 고정 노드 NC(113), 제4 고정 노드 ND(114)의 신호 수신 시점의 계수기 값에 대한 등가 값은, 각각 아래의 수학식 8과 같은 관계가 있다.
Figure 112008016936591-pat00014
nMA <=> MA = nAT + {(DA/c)*fR}
nMB <=>
Figure 112008016936591-pat00015
MB =
Figure 112008016936591-pat00016
BT + {(DB/c)*fR}
nMC <=>
Figure 112008016936591-pat00017
MC =
Figure 112008016936591-pat00018
CT + {(DC/c)*fR}
nMD <=>
Figure 112008016936591-pat00019
MD =
Figure 112008016936591-pat00020
DT + {(DD/c)*fR}
상술한 수학식 8을 각 고정 노드(111 ~ 114)와 이동 노드(121) 간의 거리에 대하여 정리하면 아래의 수학식 9와 같다.
Figure 112008016936591-pat00021
DA = (MA - nAT)*(c/fR)
DB = (
Figure 112008016936591-pat00022
MB -
Figure 112008016936591-pat00023
BT)*(c/fR)
DC = (
Figure 112008016936591-pat00024
MC -
Figure 112008016936591-pat00025
CT)*(c/fR)
DD = (
Figure 112008016936591-pat00026
MD -
Figure 112008016936591-pat00027
DT)*(c/fR)
상술한 수학식 9를 이용하여, 이동 노드 NM(121)에서 제2 고정 노드 NB(112)와 제1 고정 노드 NA(111)의 거리 차이(DBA = DB - DA), 제3 고정 노드 NC(113)와 제1 고정 노드 NA(111)의 거리 차이(DCA = DC - DA), 제4 고정 노드 ND(114)와 제1 고정 노드 NA(111)의 거리 차이(DDA = DD - DA)는 아래의 수학식 10과 같이 표현된다. 이때, 수학식 10에 있어서, 하나의 노드에 관한 계수 값 차이는 주파수 편이를 적용함으로써 기준 주파수에 대한 계수 값으로 변환 처리한다.
Figure 112008016936591-pat00028
Figure 112008016936591-pat00029
Figure 112008016936591-pat00030
DBA = DB-DA = {(MB-BT)-(MA-nAT)}*(c/fR)
= {(nMB-nMA)/(1+eM) -
Figure 112008016936591-pat00031
BA - (nBT-nBA)/(1+eB) + nAT}*(c/fR)
= [(nMB-nMA)/(1+eM) - {nAT+(dAB*fR)/c} - (nBT-nBA)/(1+eB) + nAT]*(c/fR)
= [(nMB-nMA)/(1+eM) - (nBT-nBA)/(1+eB) - (dAB*fR)/c]*(c/fR)
DCA = DC-DA = {(
Figure 112008016936591-pat00032
MC-
Figure 112008016936591-pat00033
CT)-(
Figure 112008016936591-pat00034
MA-nAT)}*(c/fR)
= [(nMC-nMA)/(1+eM) - (nCT-nCA)/(1+eC) - (dAC*fR)/c]*(c/fR)
DDA = DD-DA = {(
Figure 112008016936591-pat00035
MD-
Figure 112008016936591-pat00036
DT)-(
Figure 112008016936591-pat00037
MA-nAT)}*(c/fR)
= [(nMD-nMA)/(1+eM) - (nDT-nDA)/(1+eD) - (dAD*fR)/c]*(c/fR)
이동 노드 NM(121)에서는 상술한 수학식 10을 TDOA에 적용하여 이동 노드 NM(121)의 위치를 추정할 수 있다. 만약에, 이동 노드 NM(121)에서 추정 계산을 수행하는데 어려움이 있다면, 이를 위치 서버(101) 등으로 전달하여 대신 추정 계산을 수행할 수도 있다는 것을 잘 이해해야 한다.
여기서, 'nBT', 'nCT', 'nDT'는, 도 5에 도시된 바와 같이, 거리추정 프레임을 전송한 후에 취득되는 시각 정보이다. 따라서 이들 정보를 전달하기 위한 별도의 송신 절차를 추가할 경우, 현재 이동 노드 NM(121)의 위치를 계산할 수 있다.
또 다른 방법은 이동 노드 NM(121)의 움직임이 거의 없는 경우, 시각 정보(nBT, nCT, nDT)를 현재 절차의 정보가 아닌 이전 절차의 정보를 사용할 수 있다. 이런 경우 수식에 사용되는 모든 정보가 이전 절차에 관련된 값이어야 한다. 따라서 현재 전달된 시각 정보에 의한 이동 노드 NM(121)의 추정 위치는, 바로 직전의 절차가 수행된 시점의 이동 노드 NM(121)의 위치가 된다.
도 6은 본 발명의 삼 실시 예에 따른 무선 센서망에서 시각 정보의 전달과정을 나타낸 흐름도로서, 고정 노드의 거리추정 프레임이 방송으로 송신되어 고정 노드와 이동 노드 모두에게 전달되는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 각 고정 노드(111 ~ 114)가 신호를 방송하고, 다른 고정 노드(111 ~ 114)에서 이전 신호의 수신 시각을 포함하여 다시 신호를 방송하여 이동 노드(121)로 전달하는 과정을 나타내고 있다.
여기서, 도 5의 결과를 정리한 수학식 10에서와 같이, 기준 고정 노드인 제1 고정 노드 NA(111)의 거리추정 프레임 송신 시각은 사용되지 않고 있다.
이러한 특성을 이용하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 고정 노드(111 ~ 114)에서 송신되는 거리추정 프레임에 바로 직전에 송신된 일련의 고정 노드 프레임의 수신 시각을 포함하여 전송할 경우, 고정 노드(111 ~ 114)의 프레임 송신을 순차적으로 처리할 수 있다.
다시 말해서, 단계 S601, S602, S603, S604에서는, 거리추정 프레임에 이전에 수신한 각 고정 노드(111 ~ 114)의 거리추정 프레임 수신 시각 정보와 바로 직전에 자신이 거리추정 프레임을 송신한 시각 정보 등을 포함함으로써, 각 절차마다 각 고정 노드(111 ~ 114)의 최신 시각 정보를 별도로 포함시킬 수 있다. 따라서 각 절차의 거리추정 프레임에 포함된 정보를 함께 처리함으로써, 매 절차별로 이동 노드(121)의 위치 추정이 수행될 수 있다.
이와 같은 절차의 실행을 예로 들면, 제1 고정 노드 NA(111)에서 시작하여 제2 고정 노드 NB(112), 제3 고정 노드 NC(113), 제4 고정 노드 ND(114) 순으로 거리추정 프레임이 전송되었다면, 이동 노드 NM(121)는 제1 고정 노드 NA(111)를 기준으로 제2 고정 노드 NB(112)와 제1 고정 노드 NA(111)의 거리 차이(DBA = DB - DA), 제3 고정 노드 NC(113)와 제1 고정 노드 NA(111)의 거리 차이(DCA = DC - DA), 제4 고정 노드 ND(114)와 제1 고정 노드 NA(111)의 거리 차이(DDA = DD - DA)를 계산한다. 또한, 이동 노드 NM(121)는 해당 계산된 거리 차이(DBA, DCA, DDA)를 TDOA(Time Difference of Arrival)에 적용함으로써 이동 노드 NM(121)의 위치를 추정할 수 있다(S601).
그런 후, 다시 제1 고정 노드 NA(111)에서 거리추정 프레임이 전송되면, 이것은 제2 고정 노드 NB(112)를 시작으로 제3 고정 노드 NC(113), 제4 고정 노드 ND(114), 제1 고정 노드 NA(111) 순으로 거리추정 프레임이 전송된 것으로 볼 수 있다. 따라서 이동 노드 NM(121)는 제2 고정 노드 NB(112)를 기준으로 제3 고정 노드 NC(113)와 제2 고정 노드 NB(112)의 거리 차이(DCB = DC - DB), 제4 고정 노드 ND(114)와 제2 고정 노드 NB(112)의 거리 차이(DDB = DD - DB), 제1 고정 노드 NA(111)와 제2 고정 노드 NB(112)의 거리 차이(DAB = DA - DB)를 계산한다. 또한, 이동 노드 NM(121)는 해당 계산된 거리 차이(DCB, DDB, DAB)를 TDOA에 적용함으로써 이동 노드 NM(121)의 위치를 추정할 수 있다(S602).
상술한 방식으로 고정 노드(113, 114)의 순차적 거리추정 프레임 별로 이동 노드 NM(121)의 위치를 연속적으로 개선할 수 있다(S603, S604).
도 7은 본 발명의 삼 실시 예에 따른 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법을 나타낸 순서도로서, 거리추정 프레임 도착 시각 차이의 추정을 이용하여 이동 노드의 위치를 추정하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망에서 신호 도착 시간의 추정과 수신 신호 도착 시각 차이의 추정을 이용하여 이동 노드 NM(121)의 위치를 추정한다.
위치 서버(101), 다수의 고정 노드인 NA(111), NB(112), NC(113), ND(114) 및 이동 노드 NM(121)를 포함하는 무선 센서망에 있어서, 위치 서버(101)의 제어에 따라 제1 고정 노드 NA(111)와 제2 고정 노드 NB(112), 제1 고정 노드 NA(111)와 제3 고정 노드 NC(113), 제1 고정 노드 NA(111)와 제4 고정 노드 ND(114)간에 기준 주파수에 대한 각 고정 노드(111 ~ 114)의 주파수 차이를 추정하는 절차를 각각 도 4에 도시된 바와 같이 수행하고, 이에 각각의 결과 값을 상술한 수학식 3, 수학식 4, 수학식 5에 적용하여 각 노드(111 ~ 114)의 주파수 차이를 추정하여 결과를 위치 서버(101)에 저장한다(S701).
그런 후에, 새로운 이동 노드 NM(121)이 거리추정 서비스에 추가되면, 위치 서버(101)의 제어에 따라 제1 고정 노드 NA(111)와 이동 노드 NM(121)간에 각각 도 4에 도시된 바와 같이 기준 주파수에 대한 각 노드의 주파수 차이를 추정하는 절차를 수행한다. 이때, 제1 고정 노드 NA(111)의 주파수 차이는 상술한 단계 701에서 이미 알고 있으므로, 상술한 수학식 3에 적용하여 이동 노드 NM(121)의 주파수 차이를 추정하고, 그 결과를 위치 서버(101)에 저장한다(S702).
그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 위치 서버(101)의 제어에 따라 기준이 되 는 제1 고정 노드 NA(111)에서 거리추정에 필요한 정보를 프레임에 담아서 방송으로 거리추정 프레임을 전송한다(S703).
그런 다음에, 기타 고정 노드 NB(112), NC(113), ND(114)에서 또한 거리추정에 필요한 정보를 프레임에 담아서 거리추정 프레임을 방송한다(S704).
이에, 이동 노드 NM(121)에서는 노드 쌍간의 거리 차이 정보를 취득하는데, 즉 고정 노드(111 ~ 114)로부터 방송된 거리추정 프레임에 담긴 거리추정에 필요한 정보와 이동 노드 NM(121)에서 거리추정 프레임을 수신한 시각 정보로부터 TDOA에 적용할 거리 차이 정보를 취득한다(S705).
이에 따라, 이동 노드 NM(121)는 상술한 단계 S705에서 취득한 노드 쌍간의 거리 차이 정보를 TDOA에 적용하여 이동 노드 NM(121) 자신의 위치를 추정한다(S706). 이때, 이동 노드 NM(121)에서 추정계산을 수행하기 어려우면, 관련된 정보를 프레임에 담아 해당 프레임을 위치 서버(101)로 송신하여 위치 추정을 대신 수행하도록 한다.
따라서 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망에서 소수의 고정 노드(111 ~ 114)를 알고 있는 위치에 설치함으로써, 위치 서버(101)에서 고정 노드들(111 ~ 114)의 주파수 오차를 추정한다. 또한, 노드간의 거리를 알고 있기 때문에 이동 노드(121)의 신호가 두 고정 노드(111 ~ 114)에 수신된 시각의 차이 취득이 가능하고, 이로부터 TDOA를 이용한 이동 노드(121)의 위치를 추정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법은, 비동기 TWR(Two-Way Ranging) 및 SDS(Symmetric Double Sided)-TWR 방식에 따라 여러 차례의 거리추정 프레임 전송에 의하여 한 쌍의 노드간 TOF(Time of Flight)를 추정하는 종래 기술과는 다르게, 고정 노드에서 차례로 한 번씩 거리추정 프레임을 송신하고, 다수의 이동 노드에서 이를 수신하여 이동 노드의 위치를 추정하도록 함으로써, 별도의 망동기 수단 없이 최소의 거리추정 프레임 전송에 의하여 다수의 이동 노드들이 스스로의 위치를 추정할 수 있다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법은, 유선케이블 등과 같이 별도의 망동기 수단이나 고가의 매우 정밀한 국부발진기 등을 사용하지 않고도 위치인식 무선 센서망 구축이 가능하여 망 구성이 용이하며, 이에 이동 노드에서 자신의 위치를 추정할 수 있다. 이에 따라, OWR 방식에 의한 거리 추정이 정확하면서도 빠르게 수행될 수 있고, 또한 이동 노드에 대하여 더욱 정확한 위치 추정이 가능하다.
이상, 본 발명의 실시 예는 무선 센서망에서 수동모드 단방향 거리추정 방식에 의한 이동 노드의 위치 추정 방법에 대해서 설명하였다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서망의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 이 실시 예에 따른 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서망에서 시각 정보의 전달 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 이 실시 예에 따른 무선 센서망에서 시각 정보의 전달 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 삼 실시 예에 따른 무선 센서망에서 시각 정보의 전달 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 삼 실시 예에 따른 무선 센서망에서 이동 노드의 위치 추정 방법을 나타낸 순서도이다.

Claims (11)

  1. 무선 센서망에서 이동 노드의 위치를 추정하는 방법에 있어서,
    고정 노드 및 이동 노드의 주파수 오차를 추정하는 단계,
    상기 고정 노드에서 거리추정 프레임을 차례로 상기 이동 노드로 송신하는 단계,
    상기 이동 노드에서 상기 거리추정 프레임을 수신하여 두 고정 노드로부터 수신된 신호의 시각 차이를 추정하는 단계, 그리고
    상기 추정된 수신 신호의 시각 차이를 TDOA(Time Difference of Arrival)에 적용하여 상기 이동 노드의 위치를 추정하는 단계
    를 포함하는 위치 추정 방법.
  2. 소수의 고정 노드를 포함한 무선 센서망에서 다수의 이동 노드의 위치를 추정하는 방법에 있어서,
    상기 고정 노드의 클럭 주파수 편이를 추정하는 단계,
    새로운 이동 노드가 접속하는 경우에 해당 이동 노드의 주파수 차이를 추정하는 단계,
    상기 고정 노드에서 차례로 거리추정 프레임을 방송하는 단계,
    상기 이동 노드에서 상기 거리추정 프레임을 수신하여 노드 쌍을 구성하고, 해당 구성된 노드 쌍의 거리 차이를 추정하는 단계, 그리고
    상기 노드 쌍의 거리 차이를 TDOA(Time Difference of Arrival)에 적용하여 상기 이동 노드의 위치를 추정하는 단계
    를 포함하는 위치 추정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 거리 차이를 추정하는 단계는,
    상기 이동 노드에서 상기 고정 노드의 위치, 관련 노드의 주파수 편이, 측정된 계수기 값을 이용하여 상기 노드 쌍의 순간 동기화를 유도한 후에 상기 노드 쌍의 거리 차이를 추정하는 위치 추정 방법.
  4. 다수의 고정 노드를 포함한 무선 센서망에서 이동 노드의 위치를 추정하는 방법에 있어서,
    상기 고정 노드를 이용하여 서로 연결되는 고정 노드 쌍을 구성하는 단계,
    상기 고정 노드 쌍에서 노드간의 거리추정 프레임의 송신 및 수신 시각 정보를 이용하여 상기 고정 노드의 주파수 편이를 산출하는 단계,
    주파수 허용 오차를 알고 있는 하나의 고정 노드와 새로운 이동 노드간의 거리추정 프레임 송신 및 수신 시각 정보를 이용하여 이동 노드의 주파수 편이를 산출하는 단계,
    상기 고정 노드 중 기준 고정 노드를 시작으로 차례로 거리추정 프레임을 방송하고, 다른 고정 노드 및 이동 노드에서 수신하는 단계,
    상기 이동 노드에서 거리추정 프레임의 수신 시각 정보, 거리추정 프레임에 포함된 시각 정보, 고정 노드의 위치, 각 노드의 주파수 편이를 이용하여 동기화된 시각에 의하여 고정 노드와 이동 노드간의 거리 차이를 산출하는 단계, 그리고
    상기 산출된 거리 차이를 TDOA(Time Difference of Arrival)에 적용하여 상기 이동 노드의 위치를 추정하는 단계
    를 포함하는 위치 추정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고정 노드의 주파수 편이를 산출하는 단계는,
    두 노드간의 거리와 두 노드간의 TOF 계산, 두 노드간에 평행하게 발생하는 거리추정 프레임 송신 및 수신 시각이 동일한 관계로부터 얻어지는 계산으로부터 두 노드의 각 주파수 편이를 계산하는 위치 추정 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 이동 노드의 주파수 편이를 산출하는 단계는,
    주파수 편이를 알고 있는 하나의 고정 노드를 사용하여 새로운 이동 노드의 주파수 편이를 계산할 때, 두 노드간 평행하게 발생하는 거리추정 프레임 송신 및 수신 시각이 동일한 관계로부터 얻어지는 계산으로부터 두 노드의 각 주파수 편이를 계산하는 위치 추정 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 다른 고정 노드 및 이동 노드에서 수신하는 단계는,
    상기 기준 고정 노드가 거리추정 프레임을 방송하고, 이를 수신한 다른 고정 노드들이 거리추정 프레임 관련 시각 정보를 거리추정 프레임에 포함하여 다시 방송하는 단계, 그리고
    상기 이동 노드가 모든 고정 노드로부터 수신한 거리추정 프레임 수신 시각 정보와 거리추정 프레임에 포함된 정보를 취득하는 단계
    를 포함하는 위치 추정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 다른 고정 노드 및 이동 노드에서 수신하는 단계는,
    상기 고정 노드에서 송신하는 거리추정 프레임 내에 이전 다른 고정노드의 가장 최근 거리추정 프레임 수신 시각 정보를 포함하는 단계를 더 포함하는 위치 추정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 거리 차이를 산출하는 단계는,
    상기 이동 노드에서 한 고정 노드의 거리추정 프레임을 수신할 때마다 한 번씩 상기 이동 노드의 위치를 추정하는 위치 추정 방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 거리 차이를 산출하는 단계는,
    상기 기준 고정 노드의 거리추정 프레임을 상기 다른 고정 노드 및 이동 노드에서 수신한 시각 정보를 사용하여 시각 동기의 기준으로 활용하고, 상기 다른 고정 노드에서 거리추정 프레임을 송신한 시각과 이를 상기 이동 노드에서 수신 시각을 사용하여 상기 기준 고정 노드와 이동 노드의 거리, 상기 다른 고정 노드와 이동 노드의 거리간의 차이를 추정하는 위치 추정 방법.
  11. 위치 서버, 다수의 고정 노드, 이동 노드를 포함한 무선 센서망에서 이동 노드의 위치를 추정하는 방법에 있어서,
    상기 위치 서버의 제어에 따라 상기 고정 노드간에 기준 주파수에 대한 각 노드의 주파수 차이를 추정하여 그 결과를 상기 위치 서버에 저장하는 단계,
    새로운 이동 노드가 거리추정 서비스에 추가되면, 상기 위치 서버의 제어에 따라 기준 고정 노드와 이동 노드간에 기준 주파수에 대한 각 노드의 주파수 차이를 추정하여 그 결과를 상기 위치 서버에 저장하는 단계,
    상기 위치 서버의 제어에 따라 상기 기준 고정 노드 및 다른 고정 노드에서 거리추정에 필요한 정보를 프레임에 담아서 방송하는 단계,
    상기 이동 노드에서 상기 방송된 프레임에 담긴 거리추정에 필요한 정보와 상기 방송된 프레임을 수신한 시각 정보로부터 TDOA(Time Difference of Arrival)에 적용할 거리 차이 정보를 취득하는 단계, 그리고
    상기 취득된 거리 차이 정보를 프레임에 담아 상기 위치 서버로 송신하여 상 기 이동 노드의 위치를 추정하도록 하는 단계
    를 포함하는 위치 추정 방법.
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