Position Error Correction Algorithm for Improvement of Positioning Accuracy in BLE Beacon Systems

BLE 비콘 시스템에서 측위 정밀도 향상을 위한 위치 오차 보정 알고리즘

정준희

, 황유민

, 홍승관

, 김태우

, 김진영

Position Error Correction Algorithm for Improvement of Positioning Accuracy in BLE Beacon Systems

Jun Hee Jung

, Yu Min Hwang

, Seung Gwan Hong

, Tae Woo Kim

, and Jin Young Kim

요 약

최근에 BLE 비콘의 낮은 배터리 소모와 저렴한 인프라 비용의 특징 때문에 실내 정밀 측위 시스템에 폭넓게 활용되고 있다. 하지만 기존의 BLE 비콘 기반 실내 측위 알고리즘은 사용자의 이동 속도 변화에 따라 유동적인 위치 오차 보정이 어렵다. 따라서 본 논문은 BLE 비콘을 활용한 Bounced cancellation 및 최소 거리 유지 알고리즘과 방향벡터를 이용한 측위오차 보정 기법을 결합한 위치 오차 보정 알고리즘을 제안했다. 본 논문의 실험 결과는 제안된 알고리즘이 기존의 실내 측위 알고리즘에 비해 유저 이동속도가 변화함에도 우수한 측위 성능을 보장하며 개선된 위치 오차 보정 성능을 나타냈다.

Key Words : Bluetooth Low Energy, Beacon, Location based service, Direction vector, Bounced cancellation.

ABSTRACT

Recently, BLE beacons are widely used in indoor precision positioning systems because of their low battery consumption and low infrastructure cost. However, existing BLE beacon based indoor positioning algorithms are difficult to compensate for position errors due to the user's moving speed. Therefore, we proposed a position error correction algorithm that combines bounced cancellation and minimum distance maintenance algorithm with a positioning error correction method using direction vectors. Experimental results show that the proposed algorithm guarantees superior positioning performance than the existing indoor positioning algorithm and also improves the performance of position error compensation.

※ 본 연구는 한국연구재단 과학기술인력교류활성화사업의 일환으로 수행되었음 (NRF-2016H1D2A2917857).

*광운대학교 전파공학과 유비쿼터스 통신 연구실([email protected], [email protected], [email protected], [email protected])

**(주)미래이앤아이 경영지원부 ([email protected])

접수일자 : 2016년 12월 5일, 최종게재확정일자 : 2016년 12월 21일

I. 서 론

GPS(Global Positioning System)를 이용한 실외 측위는 현재 스마트폰의 지도나 네비게이션 어플을 통해 널리 쓰이 고 있다. 하지만 위성 통신의 특성상 실내에서는 GPS를 이 용한 위치 측위가 불가능하다. 미국 환경청의 보고서에 따르 면 실내 활동이 전체 생활의 약 70% 이상을 차지하고 있다.

또한, IT 기술 발전으로 실내 활동의 비중이 점차 증가하고 있다. 따라서 실내 위치 측위에 대한 연구의 중요성이 점차 거치고 있으며 관련 연구도 활발히 진행되고 있다[1-2].

현재 가장 보편적인 실내 측위를 위한 기술은 무선랜으로, 실내에 설치된 AP(Access Point)를 활용할 수 있으며 그에

따라 추가적인 비용이 발생하지 않다는 장점을 가지고 있지 만 장애물이 많아지고 거리가 멀어짐에 따라 오차범위가 증 가하는 단점이 있다 [3]. UWB(Ultra Wide Banc, 초광대역 통신)는 투과성이 좋아서 음영지역에서도 사람이나 사물의 위치를 파악할 수 있다는 장점을 가지나 대역폭이 확산되어 많은 대역폭을 차지하게 되므로, 기존에 사용하고 있는 ISM 대역 (Industry-Science-Medical)에 장애를 일으킬 수 있고, 비용이 높아 널리 쓰인다는 단점이 있다 [4].

반면 블루투스 4.0의 BLE(Bluetooth Low Energy) 기술 은 기존 방식과 다르게 전력 소모를 낮추고 사용자의 접근성 을 높인 무선통신 기술이다. 싱글모드의 BLE 통신을 위한 용도로만 사용하면, 동전 크기의 배터리로도 몇 년간 동작할

수 있을 만큼 적은 전력을 소모하고, 보안 및 전송 속도 측면 에서도 뛰어나다. 또한, 통신을 위해 서로 연결하는 설정 시 간(Paring Time)도 굉장히 짧은 장점을 가지기 때문에 실내 무선 측위 시스템에서 BLE 비콘을 활용하고 있다 [5].

BLE 비콘 기반의 실내 위치 측위 방식은 삼각 측량 방식 을 기본으로 다양한 측위 알고리즘을 결합하여 사용한다. 동 서대학교에서는 ‘개선된 삼변측량법을 이용한 위치인지 알 고리즘’을 통한 구역 필터링을 통해 위치 오차를 평균 3.5 m 정도로 줄였다 [6]. 한국해양대학교에서는 ‘상대좌표 추정 알 고리즘을 이용한 고정노드 저감기법’ 연구를 통해 실내에서 효과적으로 측위가 가능한 이동노드 3개가 고정노드 2개의 좌표를 효율적으로 인식함으로써 고정노드 개수를 저감하는 추정 알고리즘과 거리 오차 최소화 기법인 RE(Rounding estimation)을 통해 삼각측량법 대비 오차율을 90% 개선했 으며 고정노드의 수를 최대 50% 감소시켰다 [7]. 하지만 위 두 방식은 일정 속도로 이동하는 사용자를 기준으로 개발되 어 사용자의 속도 변화에 따른 측위 정밀도가 낮으며, 3 m 이상의 위치 오차로 보다 정밀한 위치 정보 제공을 위해 기 본 측위 정밀도 개선이 필요하다.

따라서 본 논문에서는 BLE 비콘 기반의 실내 측위 방식 을 연구한다. BLE 신호의 두 가지 후처리 방식인, Bounced cancellation 및 최소 거리 유지 알고리즘과 방향벡터를 활용 한 측위 오차 보정 기법을 결합하여 측위 오차를 보정한다.

Bounced cancellation 및 최소 거리 유지 알고리즘은 사용자 에 따른 최소거리와 좌표 이탈 한계 거리를 설정하여 측위 오류로 인한 급작스러운 위치 튐 현상을 방지한다. 방향벡터 를 활용한 오차보정 방식은 이전에 수신 받은 위치 정보를 활용하여 사용자의 이동 방향을 예측, 위치 오차를 보정한다.

두 후처리 알고리즘을 통해 사용자의 수신 좌표가 갖는 위치 오차를 보정하여 좀 더 정밀한 위치 정보를 제공하도록 한 다.

논문의 구성은 2장에서는 다양한 실내 측위 기술들을 소 개한다. 3장에서는 시스템 모델과 Bounced cancellation 및 최소 거리 유지 알고리즘과 방향벡터를 이용한 측위오차 보 정 기법을 결합한 위치 오차 보정 알고리즘을 제안한다. 4장 에서 제안한 알고리즘의 성능분석을 위해 컴퓨터 시뮬레이 션하고 결과를 분석하며, 마지막 5장에서 본 논문의 결론을 맺는다.

Ⅱ. 실내 측위 기술

1. 무선 랜(WLAN)

무선 랜(WLAN: Wireless Local Area Network)은 스마 트폰의 높은 보급과 그에 따른 통신업체들의 경쟁을 통해 현 재 가장 널리 쓰이고 있는 무선 통신 방식 중 하나이다. 곳곳 에 설치되어 있는 무선 인터넷 망을 활용하여 실내 위치를

그림 1. BLE 비콘기반 정밀 위치 트레킹 기술 응용 예시.

식별하기 때문에 적은 비용으로도 시스템을 구축할 수 있으 며 외부 인터넷 연결이 용이한 AP(Access Point)를 활용하 기 때문에 위치 측정과 동시에 인터넷 통신도 사용할 수 있 다. 실내측위를 위해 특수 장비와 환경을 갖추기 위해 많은 비용이 필요하기 때문에 기존의 무선랜을 활용한 실내측위 연구가 활발히 이루어졌다[3].

2. UWB

UWB(Ultra Wide Band)를 이용한 측위 기술은 실내 환경 에서 수 센터미터 이내의 정확도를 갖는 고정밀 측위 시스템 을 개발하는데 가장 강력한 기술이다. UWB신호는 아주 짧 은 무선 펄스를 연속적으로 전송함으로써 수 GHz의 광대역 스펙트럼을 차지하고, 매우 낮은 전력 밀도를 갖는다 [4].

IEEE 802.15.4a에서는 저속 통신 및 위치인식 수단으로 표준 화가 진행 중이며, 10m 거리이내의 0.5m 오차범위를 갖는 것을 목표로 하고 있다. IEEE802.15.4a에 제안된 UWB 기술 은 IR-UWB 방식(Impulse Radio UWB)과 CSS-UWB (Chirp Spread Spectrum UWB)방식 등이 있다. IR-UWB 방식은 NICT, Freescale, IIR, Time Domain, KERI, Staccato, Samsung 등의 업체가 주도하고 있으며, CSS-UWB 방식은 Orthotron과 Nanotron 등의 업체가 주도하고 있다. 사람이 나 사물의 위치를 음영지역에서도 파악할 수 있으며 높은 정 확도를 가진다는 장점이 있지만 간섭문제로 인한 성능 저하 이슈가 있다.

3. BLE

BLE(BLE, Bluetooth Low Energy) 기술은 전력 소모를 낮추고 사용자 접근성을 높인 무선통신 기술이다. BLE를 싱 글모드로 사용하면, 동전 크기의 배터리로도 몇 년간 동작할 수 있을 만큼 적은 전력을 소모하고, 통신을 위해 서로 연결 하는 설정 시간(Paring Time)도 굉장히 짧은 장점을 가지기 있다. 따라서 무선 마우스나 무선 스피커 등 무선으로 된 많 은 전자 기기들이 BLE를 활용하고 있다. 또한, 초소형 모듈 로 제작하여 웨어러블 기기 또는 다양한 디자인의 제품으로

그림 2. Bounced cancellation 및 최소 거리 유지 알고리즘 개념도.

도 제작이 가능하다. 그리고 표준화가 잘되어 있어서 안드로 이드와 iOS 등 OS에 관계없이 블루투스 4.0을 지원하는 대 부분의 스마트폰에서 사용이 가능하다. BLE는 최대 50m에 달하는 통신 범위를 지니고 있어 사용자의 특별한 행동 없이 도 해당 범위 내에서 정보를 전달이 가능하다. 통상 BLE를 활용하는 방법은 마케팅에서 주로 이루어지게 설계 되었으 며, 사용자가 마켓이나 실내에 특정위치를 지나게 되면 BLE 비콘의 신호를 송신하게 되고 그에 따른 스마트폰에서 수신 되는 전자파 신호의 강도를 파악하여 소비자의 실내 위치를 감지하여 그에 따른 마케팅 정보를 사용자의 스마트폰에 보 내게 된다. 이는 비콘이 실내 위치 측위에 최적화 되어 있기 때문에 가능하며, 기존에 널리 쓰이는 무선랜을 이용한 실내 위치 정보 시스템과 원리는 비슷하지만 설정 시간과 비용 측 면에서 더 효율적이다.

Ⅲ. 시스템 모델

본 논문은 두 가지 후처리 알고리즘을 이용하여 위치 오 차를 보정한다. 그림 2는 Bounced cancellation 및 최소 거리 유지 알고리즘과 방향벡터를 이용한 측위오차 보정 알고리 즘을 결합한 위치 오차 보정 알고리즘을 나타낸다. 위치오차 보정 알고리즘은 Bounced cancellation을 통한 위치 튐 현상 방지 및 최소 거리 유지, 위치 벡터 계산을 위한 위치정보 수 신 단계, 위치 벡터를 이용한 방향 벡터 획득 단계, 기준 값 과의 비교를 통한 최종 위치 보정 단계로 구성된다.

1. Bounced cancellation 및 최소 거리 유지 알고 리즘

그림 3은 Bounced cancellation 및 최소 거리 유지 알고리 즘을 성명한 그림으로 미리 정의된 최소 거리와 좌표 이탈 한계 거리를 나타내고 있다. 사용자의 위치 좌표 (

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가 최소 거리와 좌표 이탈 한계 거리 사이에 있다면 수 신 좌표의 신뢰값을 기준으로 위치를 보정한다. 신뢰값은 비 콘과 사용자사이의 거리값으로 설정되며 그 값이 작을수록 수신 좌표의 정확도가 떨어진다고 가정한다. 따라서 수신 좌 표의 신뢰값이 작다면 최소거리 지점인 점 (

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2. 방향벡터를 이용한 측위오차 보정 기법 방향벡터를 이용한 측위오차 보정 기법은 BLE 비콘으로 부터 받은 위치 좌표를 이용하여 방향벡터를 계산한 후, 계 산된 방향벡터를 통해 사용자의 이동 방향 예측 및 위치 오 차 보정 과정이 추가된 형태이다. 방향벡터를 구하기 위해 사용되는 수신좌표는 사용자의 이동 속도에 따라 다르게 결 정된다. 사용자의 이동 속도가 빠르면 수신된 좌표로부터 계 산된 벡터들이 나타내는 방향성이 명확하기 때문에 적은 수 의 수신좌표만이 필요하다. 이동 속도가 느린 경우는 계산된 벡터들의 방향성이 명확하지 않기 때문에 많은 수의 수신좌 표가 필요하다. 실내 사용자 방향벡터를 구하기 위해서는 보 통 사람의 이동속도인 4km/h를 기준으로 9개의 수신좌표가 필요하다.

위치 보정은 최신 수신 좌표와 방향벡터를 비교하여 방향 벡터 위로 보정하는 방식으로 이루어진다. 방향벡터를 구하 는 과정은 아래와 같다.

(1) 방향벡터의 원점이 되는 좌표를 선정한다.

(2) 원점 좌표로부터 각 좌표까지의 벡터값을 계산한다.

(3) 계산된 벡터 값들의 합을 통해 사용자가 갖는 방향벡 터를 계산한다.

(4) 방향벡터를 기준으로 수신된 위치 좌표를 보정한다.

위 과정을 반복하여 사용자의 방향벡터를 반복적으로 업 데이트하고 이를 기반으로 위치 오차를 보정한다. 이를 통해 보다 높은 정밀도의 위치 정보가 사용자에게 전달된다.

Ⅳ. 시뮬레이션

본 장에서는 제안한 알고리즘의 효과를 보여주기 위해 다 른 BLE 비콘 기반 실내 측위 알고리즘을 비교해서 수치적 결과를 제시하였다. 시뮬레이션 파라메터는 표 1과 같다.

그림 3, 4 5는 유저의 속도에 따른 제안한 알고리즘과 기 존 실내 위치 측위 알고리즘의 거리 오차에 따른 CDF 값을 비교하여 나타낸다.

그림 3은 유저가 4 km/h의 일정한 속도라고 가정하고 평 균 정확도를 비교하였다. 먼저 “개선된 삼변측량법을 이용한 위치인지 알고리즘”의 경우 평균 위치 오차가 3.5 m으로 세 알고리즘 중 가장 낮은 정확도를 보였다. “상대좌표 추정 알 고리즘을 이용한 고정노드 저감기법”은 평균 위치 오차 3.0 m를 보였으며, 제안된 위치 오차 보정 알고리즘은 1.9 m의 평균 위치 오차를 보이며 다른 알고리즘에 비해 우수한 측위 성능을 보인다.

그림 4는 유저가 8 km/h의 일정한 속도라고 가정하고 평 균 정확도를 비교하였다. 그림 4의 평균 위치 오차는 그림 3 의 평균 위치 오차 값과 큰 차이가 없다. 따라서 유저가 일정 한 속도로 이동할 때 속도 증가에 따른 세 알고리즘의 측위 성능의 변화가 없다는 것을 확인할 수 있다.

그림 5는 유저의 속도가 4∼8 km/h의 범위 내에서 속도 변화율이 5초에 1번씩 발생할 때 세 알고리즘의 평균 정확도 를 비교하였다. “개선된 삼변측량법을 이용한 위치인지 알고 리즘”과 “상대좌표 추정 알고리즘을 이용한 고정노드 저감 기법”의 경우 일정한 속도일 때 비해 평균 위치 오차가 각각 4 m 와 3 m씩 증가하였다. 반면 제안된 위치 오차 보정 알고 리즘의 경우, 사용자가 일정한 속도를 가질 때와 평균 위치 오차 값의 차이가 큰 차이가 없다는 것을 확인할 수 있다.

파라미터 값

위치 측위 방식 BLE 비콘

최소 거리 5 / 4 / 3 / 2 / 1 m 좌표 이탈 한계 거리 9 / 8 / 7 / 6 / 5 m

유저 속도 4 / 6 / 8 km/h

유저 속도 변화율 0.2 Hz

성능 파라미터 Cumulative Distribution Function(CDF) 표 1. 실험 파라미터 설명.

개선된 삼변측량법을

이용한 위치인지 알고리즘

상대좌표 추정 알고리즘을

이용한 고정노드 저감기법

제안된 위치오차

보정 알고리즘 평균 위치 오차

(일정한 속도, 4 km/h) 3.5 m 3.0 m 1.9 m 평균 위치 오차

(일정한 속도, 8 km/h) 3.6 m 3.2 m 2.0 m 평균 위치 오차

(속도 가변, 4∼8 km/h) 7.4 m 6.0 m 2.4 m 표 2. 평균 정확도 비교.

그림 3. 제안된 위치 오차 보정 알고리즘과 기존 실내 측위 알 고리즘의 성능 비교 (일정한 속도, 4 km/h).

그림 4. 제안된 위치 오차 보정 알고리즘과 기존 실내 측위 알 고리즘의 성능 비교 (일정한 속도, 8 km/h).

그림 5. 제안된 위치 오차 보정 알고리즘과 기존 실내 측위 알 고리즘의 성능 비교 (속도 가변, 4~8 km/h).

V. 결 론

본 연구에서는 Bounced cancellation 및 최소 거리 유지 알고리즘과 방향벡터를 결합한 측위오차 보정 기법을 개발 하고 이에 대한 성능을 분석하였다. 성능은 사용자의 이동 속도 변화에 따른 평균 거리 오차 측정을 기준으로 분석하였 다. 본 논문의 실험 결과는 제안된 위치 보정 알고리즘을 적 용한 결과 평균 정확도가 2.0 m 이내의 높은 정밀도를 보였 으며 기존의 실내 측위 알고리즘에 비해 유저 이동속도가 변 화함에도 우수한 측위 성능을 보였다.

참 고 문 헌

[1] J. Chung, M. Donahoe, C. Schmandt, I. Kim, P. Razavai, and M. Wiseman, “Indoor Location Sensing Using Geo-Magnetism”, in Proc. of the 9th international conference on Mobile systems, applications, and services, ser. MobiSys ’11. p.

141C154, New York, NY, USA: ACM, 2011.

[2] C. M. Wang, Z. M. Wang and L. Z. Zhu, "Problems and Methods in the Location-Based Services," Geomatics &

spacial information technology, vol. 32, pp. 124-127, June 2007.

[3] H. Qi and J. B. Moore, "Direct Kalman filtering approach for GPS/INS integration," IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol. 38, no. 2, pp. 687-693, Apr. 2002.

[4] J. Ge, G. Li, S. Deng, "Research of location prediction for location-based services," Application Research of Computers, vol. 25, no. 12, Dec. 2008.

[5] Salas, A.C., “Indoor Positioning System based on Bluetooth Low Energy," A Degree's Thesis Submitted to the Faculty of the Escola Tècnicad'Enginyeria de Telecomunicació de Barcelona Universitat Politècnica de Catalunya, June 2014.

[6] 손종훈, 황기현, “개선된 삼변측량법을 이용한 위치인지 알고 리즘 개발,” 한국정보통신학회논문지, vol. 17, no. 2, pp.

473-480, Feb. 2013.

[7] 조현종, 김종수, 이성근, 김정우, 서동환, “상대좌표 추정 알고 리즘을 이용한 고정노드 저감기법,” 한국마린엔지니어링학회 지, vol. 37, no. 2, pp. 220-226, Mar. 2013.

저자

정 준 희(Jun Hee Jung) 준회원

․2015년 2월：광운대학교 전자융합공학 과 졸업

․2015년 3월 ～ 현재 : 광운대학교 전파 공학과 석사과정

<관심분야> : 차세대 이동통신, LBS, 헬스케어, 무선에너지 하비스팅

황 유 민(Yu Min Hwang) 준회원

․2012년 2월：광운대학교 전파공학과 학사 졸업

․2012년 3월 ～ 현재：광운대학교 전파 공학과 석·박사통합과정

<관심분야> : 디지털 통신, 무선에너지하비스팅, 무선 측위 시스템.

홍 승 관(Seung Gwan Hong) 학생 회원

․2016년 2월 : 광운대학교 전자융합공학 학사 졸업

․2016년 3월 ～ 현재: 광운대학교 전파 공학과 석박통합과정

<관심분야> : 무선에너지하비스팅

김 태 우(Kim Tae Woo)

․2002년 2월 : 성균관대학교 산업공 학 석사

․2015년 2월 : 이산솔루션 책임연구원

․2015년 5월 ～ 현재 : ㈜미래이앤아이 차장

<관심분야> : 제어솔루션, 네트워크, Trust Network, 무선통 신 등

김 진 영(Jin Young Kim) 종신회원

․1998년 2월：서울대학교 전자 공학과 공학박사

․2001년 2월：SK텔레콤 네트웍 연구소 책임연구원

․2001년 3월 ～ 현재：광운대학교 전자 융합공학과 교수

<관심분야> : 디지털통신, 가시광통신, UWB, 부호화, 인지

무선통신, 5G 이동통신, 무선 에너지 하비스팅