C. 실내 측위를 위한 요소 기술
1. 저전력 블루투스 (BLE) 비콘 기반 측위
RF 신호의 수신 안정성으로 인해, RSSI 기반의 측위는 대략적인 위치를 추정하는 용도로 사용된다. RF 신호의 RSSI는 다음의 전파 모델을 통해 산출해낼 수 있다 [42].
log
(1)
식 (1)에서 는 송신 전력, 는 특정 기준 거리에서의 경로 손실을 의미하는 데, 는 일반적으로 1m를 기준으로 한다. 그리고 는 수신기와 비콘과의 거리, 는 경로 손실 지수 (Path loss exponent), 는 가우시안 랜덤 변수를 의미한다.
BLE 비콘 측위의 경우 온라인 단계에서 관측된 RSSI와 오프라인 단계에서 구축한 RSSI 핑거프린트 데이터를 비교하는 방식으로 이루어진다. RSSI 핑거프린트 데이터는 오프라인 단계에서 서비스 지역 내 각각의 기준 위치에서 측정한 평균 RSSI 값들의 집합으로, LBS 서버의 데이터베이스 안에 저장된다. RSSI 핑거프린트 지도 는 데이 터베이스 내에서 다음과 같은 형태로 저장되어진다.
(2)
식 (2)에서 는 실내 서비스 지역의 층수를 의미하고, 는 번째 참조 위치의 2차 원 좌표 , 는 비콘 식별자, 는 번째 참조 위치에서 번째 비콘 신호로부터 획득한 100개의 RSSI 샘플의 평균값을 의미한다. 그림 12와 같이, 비콘 신호의 세기는 수신 장치의 방향을 0°, 90°, 180°, 270°로 전환하며 전방향으로 수신한 신호 세기의 평 균을 산출하였다. RSSI 핑거프린트 지도 내 각 참조 지점별 데이터가 저장되는 형식은 그림 13과 같다.
그림 12. BLE 비콘 핑거프린트 지도 데이터 수집
RSSI 핑거프린트 지도 식별자
층 번호 -좌표 -좌표 비콘 식별자
평균 RSSI 그림 13. BLE 비콘 핑거프린트 지도 데이터 형식
그림 14는 서비스 지역에 배치되는 각각의 비콘이 고유한 값을 갖도록 비콘 식별자 번호를 할당하는 방법을 보여준다.
그림 14. 제안 실내 측위 시스템에 사용된 비콘의 식별자 할당 예시
스마트폰은 온라인 단계에 있는 동안 지속적으로 주변 비콘으로부터 RSSI 값을 수
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-신하고 핑거프린팅 방식으로 현재 위치 정보를 업데이트한다. 핑거프린팅 방식은 알고 리즘 자체의 낮은 복잡도와 높은 측위 정밀도를 갖기 때문에, IPS 구현에 널리 사용되 고 있다. 본 연구에서는 핑거프린팅 데이터와 스마트폰에서 수신한 RSSI 값을 매칭하 는 단계에서 효과적으로 활용될 수 있는 방법으로 Weighted K nearest neighbor (WKNN) 알고리즘을 활용하였다 [43][44]. 오프라인 데이터 내 번째 참조 위치의 RSSI ()와 온라인 단계에서 획득한 RSSI () 사이의 유클리디언 거리 는 다음과 같이 구할 수 있다.
DD…DN (3)
식 (3)에서 는 참조 위치의 수를 의미하며, 는 RSSI 비교에 사용된 비콘의 수
≤ ≤ ≤ ≤를 의미한다. 본 논문에서는 참조 위치별 유클리디언 거리() 산출을 위해 개의 가장 큰 수신 신호 세기를 갖는 비콘을 선택하였다. 여기서, 은
값보다 낮은 것을 전제로 한다. RSSI 핑거프린트 매칭 단계에서는 비콘의 수를 제 한해야 핑거프린트 과정에서 발생하는 연산량을 줄일 수 있고 제한된 용량의 배터리로 구동되는 스마트폰 기반 IPS 어플리케이션에서 빠른 측위 속도를 실현할 수 있기 때문 이다. 이후, 스마트폰의 현재 위치를 추정하기 위한 참조 위치들은 유클리드 거리 값을 기준으로 오름차순 정렬되고 WKNN 기반 위치 추정을 위한 첫 번째 K 참조 위치를 선정한다. 여기서, 비콘 측위의 위치 좌표 (, )는 다음과 같이 얻을 수 있다.
(, ) =
, where (4)식 (4)에서 는 번째 참조 위치에 할당된 가중치를 의미하며, (, )는 번째 참조 위치의 좌표를 나타낸다. 참조 위치에 할당되는 가중치를 결정하기 위해 유클리디언 거리 의 역수가 사용된다.