김 아 솔, 황 준 규, 박 준 구* (A Sol Kim1, Jungyu Hwang1, and Joongoo Park1)
1Kyungpook National University
Abstract: With the development of mobile internet, requirements of positioning accuracy for the LBS (Location Based Service) are becoming more and more higher. The LBS is based on the position of each mobile device. So, it requires a proper acquisition of accurate user’s indoor position. Thus indoor positioning technology and its accuracy is crucial for various LBS. In general, RSSI (Received Signal Strength Indicator) measurements are used to obtain the position information of mobile unit under WLAN environment. However, indoor positioning error increases as multiple AP's configurations are becoming more complex. To overcome this problem, an enhanced indoor localization method by AP (Access Point) selection criteria adopting DOP (Dilution of Precision) is proposed.
Keywords: LBS, indoor positioning, DOP, RSSI
I. 서론
위치 기반 서비스(LBS)는 유비쿼터스 환경을 실현시키기 위해 필요한 핵심기술이다. 그 중에서 실내측위는 LBS를 제 공하는데 기본이 된다. 측위는 크게 실외측위와 실내측위로 나뉜다. 실외측위에서는 GPS가 지배적으로 사용되고 있다.
하지만 GPS 신호가 도달하지 못하는 실내에서는 IEEE 802.11 WLAN의 부가정보를 이용한 측위방법에 대한 연구가 활발하다.
본 논문에서는 기존 IEEE 802.11 WLAN의 RSSI 기반 실내 측위가 단순 RSSI 정보만을 이용하여 측위 AP의 조합을 결 정함으로써 발생되는 측위오차를 최소화하기 위하여 RSSI 외에 추가로 AP간의 상대 위치 정보를 고려하는 실내측위방 법을 제안한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. II 장에서는 DOP과 RSSI의 일반적인 특성을 설명한다. III 장에서는 DOP과 RSSI가 위치 오차에 끼치는 영향을 분석한고 DOP을 고려한 위치측위 방 법에 대해 제시한다. 그러고 IV 장에서는 실험 값에 대해 논 한다.마지막 이 논문의 결론을 V 장에서 논한다.
II. DOP와 RSSI의 특성 1. DOP
DOP는 위성 위치추정에서 주로 사용되는 개념이다. DOP
는 다음과 같이 주어진다.
SDposition DOP SDinputs (1) SD (Standard Deviation)는 입력 위치의 표준편차와 DOP의 곱으로 나타낸다. GPS에서는 여려 개의 위성들을 사용하므로 다차원 방정식의 해를 구해야한다. 그리고 DOP은 감지되지 않은 신호에 영향을 받지 않는다. 오직 수신기의 GPS 위치 와 GPS 위성의 상대 위치에만 영향을 받는다. 위성 위치는 미리 알 수 있으며 GPS 위치 또한 알 수 있다. 그러므로 GPS의 DOP은 GPS를 사용하지 않고도 계산할 수 있다. DOP 은 아래와 같은 구성요소로 나뉘어진다.
VDOP : Vertical DOP HDOP : Horizontal DOP PDOP : Positional DOP TDOP : Time DOP GDOP : Geometric DOP
이러한 구성요소는 GPS의 정확도 변화에 사용된다. 이 중 에서 PDOP가 가장 많이 쓰인다. PDOP의 위치오차는 GPS 수신기의 거리 오차와의 곱으로 나타난다.
Positioning Error Range Error PDOP (2) 즉, PDOP가 작을수록 작은 위치 오차를 가지고 PDOP가 클수록 큰 위치 오차를 가진다.
그림 1에서 ‘A’를 보면 두 개의 AP로부터 거리를 측정하 고 측정된 반경을 가진 두원의 교차지점에 노드의 위치를 결 정할 수 있다. ‘B’를 보면 이 측정은 어느 정도의 오차범위를 가지고 있기 때문에 실제로는 녹색영역의 어느 한 지점에 놓 이게 된다. ‘C’를 보면 이 각각의 거리 측정 범위는 동일하지 Copyright© ICROS 2013
* 책임저자(Corresponding Author)
논문접수: 2012. 12. 3., 수정: 2012. 12. 26., 채택확정: 2012. 12. 31.
김아솔, 박준구: 경북대학교 전자공학부 ([email protected]/[email protected])
황준규: 경북대학교 모바일통신공학([email protected])
※ 본 연구는 방위사업청과 국방 과학연구소가 지원하는 국방위성항 법특화연구센터 사업과 2012년 경북대 연구교수 연구비 지원사업 의 일환으로 수행되었음.
만 AP의 위치 1.1 DOP 값
DOP 값 계산 단위벡터를 고
୶ୖି
R୧ x, y, z : 수신 xi, yi, zi : 위성 식 (3)의 단위
A
행렬 A의 1 의 단위 벡터 을 때 원소이다 3개이므로 넷째 다고 가정한다 근사 되므로 넷
행렬 A를 변
Q A
이제 행렬 Q
실내측위는 를 DOP값으로 그림 1. DOP의 Fig. 1. Unders
에 따라 위치 오 계산
산을 위해서 먼 고려해야 한다.
ି୶
,୷ୖି୷
,ୖି
x୧ xଶ 기의 위치 성의 위치
위 벡터를 행렬
A ୶భୖି୶భ
୷భି୷
ୖభ
୶మି୶
ୖమ
୷మି୷
ୖమ
୶యି୶
ୖయ
୷యି୷
ୖయ
1 1
에서 3열까지는 원소이다. 넷째 다. 하지만 실내 째 AP는 무한히 다. 그러면 각 축 넷째 행 원소가 변환하여 행렬 Q
AAିଵ
d୶ଶ d୶୷ଶ
d୶ଶ d୶୲ଶ
Q의 원소를 이용 PDOP d୶ଶ
TDOP GDOP √PD 시간정보를 활 로 활용하게 된다 의 기하학적 이해 standing of DOP.
AP 상대위치
오차가 변화함을
먼저 i번째 위성으
y୧ yଶ
렬 형태로 정리한
୷ భିଵ
ୖభ 1
୷ మି
ୖమ 1
୷ యି
ୖయ 1 1 1
는 수신기로부터 째 행은 네번째 내 측위 시 사용 히 멀리 떨어진 축(x, y, z)의 위 가 1이 된다.
Q를 계산한다.
d୶୷ଶ d୶ଶ
୷ d୷ଶ d୷ଶ
d୷ଶ dଶ
୲ d୷୲ଶ d୲ଶ
용하여 DOP를
୶ଶ d୷ଶ dଶ
d୲ଶ DOPଶ TDOPଶ 활용하지 않으므
다.
해도.
.
치 정보를 고려한
을 볼 수 있다.
으로부터 수신되
z୧ zଶ
한다.
터 각각의 위성까 째 위성을 고려하 용하는 AP의 개수 곳에 위치하고 위치 차이와 거리
d୶୲ଶ d୷୲ଶ
d୲ଶ d୲ଶ
계산하게 된다
므로 식 (6)의 PD
향상된 WLAN R
되는
(3)
(4)
까지 하였 수가 고 있 리가
(5)
다.
(6) (7) (8) DOP
그림 Fig 2.
R 로 단위 특성 호세 인 을 는
식 수신 리이 하 세기 차이 생시
1.
먼 파악 의 을수 DO 얻을 로 RS
그 를 차를 따른
RSSI 기반 실내 측
림 2. 수신신호세 g. 2. Attenuation
RSSI RSSI (Received
정의되며, 수신 위로 표현된다.
성을 가지고 있 세기를 거리 기 모델링 과정을 반영하는 다양 식 (9)를 사용하
RSS
식 (9)에서 n은 신신호세기의 특 이다. A는 offset 하지만 그림 2에 기는 다양한 오 이를 가진다. 이 시키는 주요한
I DOP, RSSI와 측 먼저 RSSI와 D 악해야 한다. 앞 값이 클수록 측 수록 측위 정확 OP값이 작은 AP
을 수 있겠으나 RSSI와 DOP의 SI와 DOP이 오 그림 3은 두 AP 나타낸 그래프 를 나타낸다. 그 른 RSSI, DOP
측위 알고리즘
세기 감쇠특성.
n characteristics o
Signal Strength 신되는 신호의 강
RSSI는 거리에 있다. 이와 같은 기반의 측위 방식 을 거치게 된다.
양한 모델들이 소 하였다.
SIdbm 1 distancem 은 신호감쇠상수
특성을 반영한 값으로 1 m지점 에서 확인할 수 오차요인에 의해 이러한 오차는
요인이 된다.
III. DOP을 고려 측위오차 간의 상 DOP이 각각 오 앞 장에서 보았듯
측위 정확도가 확도가 증가한다
P조합을 선택하 나 이 두 조건을
의 적정한 Tra 오차와 어떤 관계
P의 측위오차 차 프이다. 가로축은 그리고 세로축은
값의 차이값을 of RSSI.
Indicator)은 송수 강도를 반영하는 에 따라 지수적
감쇠특성을 바 식에 적용하기
수신 신호세기 소개되고 있는데
10n logଵd A 10షఽషభబ
수로서 환경에 값이고, n은 신 점에서 측정한 수 있듯이, 실제 해 설정된 로그
실제 측위 시
려한 측위방법 상관관계 분석 오차와 어떤 관 듯이 RSSI는 측 증가하고, DOP 다. 이상적으로 하는 것이 높은
모두 만족시키 ade-Off 기준을 계가 있는지 파 차이와 RSSI 차 은 두개의 AP 은 두개의 AP 나타낸다. AP의
147
수신 전력의 비 는 값으로 dBm 적으로 감소하는 바탕으로 수신신 위해서 수학적 기의 감쇠 특성 데, 본 논문에서
A (9) (10) 따라 감쇠되는 신호원에서의 거 RSSI 값이다.
수신되는 신호 그감쇠모델과는 측위오차를 발
관계를 가지는지 측정된 신호세기 P은 그 값이 작 로 RSSI가 크고 측위 정확도를 키기는 어려우므 을 얻기 위하여
악한다.
차이, DOP 차이 의 측위오차의 측위오차 차에 의 위치에 따라 7
비 m 는 신 적 성 서
) ) 는 거
호 는 발
지 기 작 고 를 므 여
이 의 에 라
RSSI 값과 DO 지 알 수 있다
n개의 AP가 ൫୬ଷ൯ 개이다. 하 AP는 잡혀있고 할 상황은 ൫୬ିଶ AP간의 RSSI 한다. T는 첫 집합이라 정의 정도를 분석 할 의 평균으로 사 할지 DOP 기준 2. DOP을 고려
WLAN 측위 큰 순서대로 A A의 경우보다 우가 발생한다
그림 4. AP 위 Fig. 4. AP sele 그림 3. RSSI 차 Fig. 3. Relatio
OP 값 중 어느 다.
ோଵ
ଵଵ α ଵ∑ଵ 가 있을 때 3개 하지만 우리가
고 나머지 1개의
ିଶଶ 개가 된다. 여 차, DOP 차, 측
번째에서 i번째 의한다. 그러면
할 수 있다. Th 사용하여 측위시 준으로 AP 조합 려한 알고리즘
위 알고리즘에 AP를 선택하여 다 B의 경우가 측
다.
상정보를 반영 ection considerin 차이, DOP 차이 onships between R
것이 측위오차
ଵ, ,ோ
ௗೃ
ௗವ
ଵ 개의 AP 쌍으로 고려하고자 하 의 AP를 선택할 여기서 i번째 고 측위오차 차를
째 상황까지 ௗௗೃ
ವ
에따른 RS hreshold 값 α 를 시 RSSI를 기준으 합을 정할지의 기
의하면 RSSI의 사용하게 되는 측위 정확도가
한 AP 선택.
ng the constellatio 이, 측위 오차의 RSSI, DOP and p
차에 더 영향을 주
로 나오는 가지수
하는 상황은 2개 할 상황이므로 고 고려될 상황에서
ோ, , 정
ೃభ
ವభଵ를 모아 SSI와 DOP의 영 를 식(11)과 같이 으로 AP 조합을 기준이 될 수 있
의 크기만 고려하 는데 그림 4와 같 더 높게 나오는
on of APs.
상관관계.
positioning error.
주는
(11) 수는 개의 고려 서 두 정의 아둔 영향 이 T 을 정 있다.
하여 같이 는 경
그림 Fig
이 배치 더 화량 사용
식 부터 Thr 향이 미한 를
알
1.
실 행하 체육 지점 탕으 움직 을 실험 Bro 수집
체 각 각 I 해 점별
림 5. 제안하는 g. 5. Flow of pro
이는 3번과 4번 치상태가 3번 A 작을 경우에 이 량과 DOP의 변 용한다면 더 좋
AP선택지표 ሺ||
RSSI3, RS DOP3, DO 식 (12)에서 3, 터의 RSSI 변화
reshold 보다 크 이 RSSI가 측위 한다. 이 경우
감소 시킬 수 알고리즘으로 나
실험공간 설정 실험은 경북대학 하였다. 체육관 육관 내에서 가 점 별로 RSSI를 으로 AP선택 판 직이며 실험을
위하여 IT대학 험에는 ipTIME oadcom 802.11 집을 위해 inSSI 체육관에서는 그
지점 별로 DO 지점별로 25개 IT 3호관 2층에 모두 12개의 측 별로 DOP를 계
측위 알고리즘 oposed positionin 번 AP의 RSSI차 AP의 배치상태보 이런 결과가 나 변화량의 영향을 좋은 측위 결과를
표
|
|ሻ ߙ SI4 : 3, 4번 AP의 OP4 : 3, 4번 AP를 4번 AP로 인한 화량의 비(ratio)가 크다면, 이는 DO
위 오차에 미치 DOP가 작은 4 있다.
나타내면 그림 5 IV. 실험 및
학교 내 체육관 에서 RSSI와 D 가로, 세로 10 m의
를 수집하고 DO 판단 Threshold 수행하였다. 또 학 3호관 2층에 E사의 N3004
무선 네트워크 IDer 프로그램을 그림 6과 같이 OP를 계산하고
의 데이터를 얻 에서는 그림 7과
측위 지점에서 계산하고 이동경 즘.
ng algorithm.
차가 그리 크지 보다 더 좋을 경 나타난다. 다시 말 을 고려하여 AP
를 얻을 수 있다
의 RSSI 를 포함한 DOP 한 DOP 변화량과
가 측위환경에 OP가 측위 오차
는 영향보다 크 4번 AP를 선택
5와 같다.
결과 분석
관과 IT대학 3호 DOP 특성을 파 의 실험공간을 OP 값을 계산하
값을 정하고 또한 실제 환경을
서 성능 실험을 모델 AP와 크 카드를 사용하
을 사용하였다.
바둑판 배열의 고 RSSI를 수집하
얻어 평균치를 사 과 같이 실제 이
데이터를 수집 로에 따라 3~4
않고 4번 AP의 경우 즉, DOP가 말해 RSSI의 변 P를 선택적으로 다.
(12)
과 3, 4번 AP로 의해 결정되는 차에 미치는 영 크다는 것을 의 택하면 측위오차
호관 2층에서 수 파악하기 위하여 설정하였다. 각 하였다. 이를 바 임의의 경로를 을 고려한 실험 을 수행하였다.
노트북 내장 하였으며, RSSI
의 측위지점에서 하였다. RSSI는 사용하였다.
이동경로를 설정 집하였다. 각 지 개의 AP로부터 의 가 변 로
)
로 는 영 의 차
수 여 각 바 를 험
. 장 I
서 는
정 지 터
신뢰 가능한 R 각 지점별로 2
실험 공간 안한 WLAN을
DARL 알고 하는 알고리즘 리 d를 측정한
ܰ௫와 ܰ௬ 의 x좌표 y좌표 다음으로는 후
݀ೣିே
ܣܲ௫와 ܣܲ
후보지역과 i번 의 거리 ݀와 있다.
그림 6. 실험공 Fig. 6. Experim
그림 7. 실험공 Fig. 7. Experim
RSSI 정보를 획 25개의 데이터를
내에서 각 지점 을 이용한 DARL 고리즘은 3개 이 즘이다. 먼저 RS 한다.
kx x
N =AP + ⋅d
ky y
N =AP +d 는 k번째 예상 표이다. MAX는 후보지역과 각 A
ேೖൌ ටሺܣܲ௫െ
௬는 i번째 AP의 번째 AP와의 거 와 ݀ೣିேೖ를 비
공간(체육관).
mental environm
공간(IT 3호관 2층 mental environm
AP 상대위치
획득 가능하게 설 를 얻어 평균치 점에 대한 측위
L 알고리즘을 사 이상의 AP를 가 SSI를 이용하여
cos(360 k
⋅ +MA sin(360 k
⋅ +MA 상 후보지역이고
는 후보지역의 AP간의 거리를
െ ܰ௫ሻଶ ሺܣܲ௬ 의 x, y 좌표이 거리로 정의된다 비교하면 다음과 ment (Gym.).
층).
ment (2nd floor of
치 정보를 고려한
설정하였다. RSS 를 사용하였다.
위는 연구실에서 사용하였다.
가지고 삼각측량 AP와 MS와의
k ) AX , k ) AX ,
고 ܣܲ௫와 ܣܲ௬는 총 수로 정의한
계산한다.
௬െ ܰ௬ሻଶ 이고 ݀ೣିேೖ는 다. RSSI로 각 A
과 같이 표현할 f IT Building 3).
향상된 WLAN R
SI는 . 서 고
량을 의 거
(13)
(14)
AP 한다.
(15) 는 ܰ
AP와 할 수
그림 Fig
그림 Fig
݀
w RS
݂݀݅
먼 RS
그 AP AP AP 지
그 분석 Thr Thr 선택 를
먼 AP 위오 오차 정보 그림
RSSI 기반 실내 측
림 8. AP 선택지 g. 8. Correlation
림 9. 선택지표와 g. 9. Correlation
floor of IT B
݂݀݅ேൌ ඨሺ݀
w는 신뢰성 있 SI 디퍼런스이
݂ே를 가진 후보 먼저 체육관 내 SI를 수집하여 그림 8의 가로축
중 하나의 AP를 의 측위 오차를 와 4번 AP의 분
판단 할 수 있 그림 9는 IT 3호 석한 결과이다.
reshold 값을 reshold 값을 가 택된 AP를 가지
수행한 후에 기 먼저, 체육관에서
의 위치를 임의 오차를 관찰하였 차를 비교한 그 보를 반영한 결 림 10 왼쪽의 A
측위 알고리즘
지표와 측위오차 n of AP selection c
와 측위오차와의 n of AP selection
Building 3).
భೣିேೖെ ݀ଵሻ௪ ڮ ሺ݀
는 가중치이며 이다. 마지막으로
보지역이 최종 M 내에서 각 지점 측위를 수행하 축은 그림 4와
를 선택할 때 3 를 뺀 값이다. 세
분포가 다름을 다.
호관 2층에서 역시 AP 배치 기준으로 나뉘 가지고 측위에 사
지고 WLAN 측위 기존의 방식과 비 서 사람이 실제 의로 배치하고 였다. 그림 10은 그래프이다. 초반 결과 값이 더 좋
AP 배치상태를
차와의 상관관계 criteria and positi
의 상관관계(IT 3 criteria and posit
ሺ݀మೣିேೖെ
ೣିேೖെ ݀ሻ௪ , ݂݀݅ே는 각 A 로 후보지역 중
MS의 위치가 된 점에 대한 DO 하였다.
같은 상황에서 3번 AP의 측위 세로축은 AP 선
이용하여 어떤
12개의 측위지 환경에 따라 A 뉘어 짐을 볼
사용할 AP를 먼 위 알고리즘을 비교하였다.
제로 이동하는 이동경로를 설 은 위상정보 반영 반에 3개의 측위
좋은 것을 알수 보면 초반 3개
149
계.
ioning error.
3호관 2층).
tioning error (2nd
݀ଶሻ௪ (16) AP에서 측정된 중 가장 작은 된다.
OP를 계산하고
3번 AP와 4번 위 오차에서 4번 선택지표로 3번 떤 AP를 선택할
점의 데이터로 AP 선택지표가 수 있다. 이 먼저 선택한 후, 이용하여 측위
것을 가정하여 설정한 후 그 측 영 전/후의 측위 위지점에는 위상 수 있는데, 이는 개의 측위지점에 9
d
) 된 은
고
번 번 번 할
로 가 이 , 위
여 측 위 상 는 에
서 기존의 방식대로 선택될 AP의 배치환경이 좋지 않음을 알 수 있다. 그래서 위상정보가 반영된 AP 선택지표에 따라 AP를 다르게 선택하여 측위를 수행한 결과가 더 좋게 나타 남을 알 수 있다.
표 1은 위상정보의 반영 전과 반영 후의 측위 수행결과를 보여준다. 위상정보 반영 전에는 최대 2.50 m, 최소 1.18 m 의 측위오차를 보였으며, 각 지점별 측위오차는 평균 1.93 m 의 값을 나타내었고 위상정보 반영 후에는 최대 2.32 m, 최소 0.96 m 의 측위오차를 보였으며, 각 지점별 측위 오차는 평균 1.75 m 의 값을 나타내었다.
다음은 실제 환경에 가까운 IT 3호관 2층에서 측위실험을 수행하였다. 그림 11은 위상정보 반영 전후의 측위 오차를 비교한 그래프이다. 체육관보다 AP가 더 많이 설치가 되어 있고, AP의 배치도 비교적 양호하게 설치되어 있으나 AP가 밀집한 지역에서 위상정보를 반영시 더 좋은 결과를 나타냄
을 확인할 수 있었다. 위상정보를 반영할 경우 측위 오차가 약 9 % 향상되는 것을 확인 할 수 있었다.
V. 결론
본 논문에서는 무선랜 환경 하에서 주어지는 수신신호세 기를 측위에 이용하기 위한 수신신호세기 감쇠 모델을 소개 하였다. 또한, 실내 전파 환경의 변화를 반영하여 보다 정밀 한 측위 결과를 얻기 위한 방안에 대해 연구를 진행하였다.
이를 위해 위성 측위에 사용되는 DOP (Dilution Of Precision) 개념을 도입하여 측위에 사용되는 AP의 배치상태를 측위 알 고리즘에 반영하였다. AP간의 RSSI와 DOP의 차이가 측위오 차와 어떠한 관계가 있는지를 파악하였고, 그에 따른 AP 선 택지표를 삼아 AP 배치환경에 따라 AP를 유동적으로 선택 하여 측위 성능을 향상시켰다.
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그림 11. AP 위상정보 반영 전후의 측위오차 비교(IT 3호관 2 층).
Fig. 11. Comparison of positioning errors (general method vs.
considering DOP) (2nd floor of IT Building 3).
표 1. AP 위상정보 반영 전후의 측위오차(IT 3호관 2층).
Table 1. Positioning errors (general method vs. considering DOP) (2nd floor of IT Building 3).
기존방식 위상정보 반영후
평균오차(m) 2.53 2.32
최소오차(m) 1.41 1.34
최대오차(m) 3.50 3.21
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김 아 솔
2010년 경북대학교 전자전기컴퓨터학부 학사 졸업. 2012년 경북대학교 전자전기 컴퓨터학부 석사 졸업. 관심분야는 WIFI 무선 네트워크, LBS.
황 준 규
2012년 영남대학교 전자공학부 졸업.
2012년~현재 경북대학교 모바일통신공 학 석사과정 재학중. 관심분야는 유비 쿼터스 센서 네트워크, LBS.
박 준 구
1994년 서울대학교 제어계측공학 학사.
1996년 서울대학교 제어계측공학 석사.
2001년 서울대학교 전기컴퓨터공학 박 사. 2005년~현재 경북대학교 IT 대학 전 자공학부 교수. 관심분야는 모바일 네 비게이션 알고리즘, 이동통신 프로토콜.
