KR101014803B1 - Ｔｗｒ 기반 위치 인식 시스템에서의 셀 차단 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컨테이너 부두 환경 등 멀티-셀 리더 환경의 TWR(Two-Way Ranging) 기반 위치 인식 시스템을 위한 셀 차단 프로토콜에 관한 것으로, 넓은 환경에 다량의 리더가 설치된 환경에서 측위를 위한 태그가 부착된 기기의 위치를 실시간으로 추정하는 데 있어 무선 신호의 충돌을 줄이고 에너지 효율성, 실시간성 등을 보장할 수 있다. 태그의 신호를 수신한 주변의 리더는 하나의 셀 단위로 인식되며, 이 셀 내에서 하나의 태그와 다수 리더 간의 TWR 기반의 거리 측정이 이루어져 태그의 정확한 위치를 추정할 수 있다. 측위 엔진에서는 다수 태그에서 발생하는 다수의 셀을 수집하고, 셀 간의 무선 신호 충돌을 예측하여 여러 셀의 위치 추정 작업을 독립적으로 동시에 진행한다.

RTLS, Localization, 위치 추적, CSS, Large-scale, CBP, TWR

Description

ＴＷＲ 기반 위치 인식 시스템에서의 셀 차단 제어 방법{Method for Cell blocking protocol for ＴＷＲ based localization system}

본 발명은 멀티 셀 환경의 TWR 기반 위치 인식 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 태그와 그 주변의 리더로 구성된 셀의 충돌을 예측하고 동시에 독립된 셀에 대해 위치 측위를 하는 방식으로 셀 간 무선 신호 충돌을 해결할 수 있도록 한 TWR 기반 위치 인식 시스템에서의 셀 차단 제어 방법에 관한 것이다.

현재 능동형 RFID 응용의 하나로 태그가 부착되어 있는 대상의 위치를 실시간으로 확인할 수 있는 실시간 위치 확인/추적 시스템(Real Time Locating Systems, RTLS)이 새로이 부각되고 있다.

실시간 위치 추적 시스템(RTLS)의 응용분야는 유원지, 항만, 물류, 창고 등 사람이나 사물의 위치를 추적 하는 곳에 이용된다.

도 1은 일반적인 실시간 위치 추적 시스템의 구성도이고, 도 2a내지 도 2c는 TWR, CSS 구성 및 TWR 기반의 RTLS 구성도이다.

그리고 도 3은 셀 간의 무선 신호 충돌 상태를 나타낸 구성도이다.

RTLS(Real Time Locating System)은 태그의 위치를 실시간으로 파악하는 시 스템이다. 실내/실외에서 사용할 수 있으며 GPS 등의 추가적인 장비가 필요없어 경제적이며 장소의 제약이 적다.

TWR(Two Way Ranging)은 도 2a에서와 같이 거리를 측정하는 메커니즘으로 IEEE 802.15.4a 표준에서 제시하는 도 2b에서와 같이 CSS(Chirp Spread Spectrum) 이용 시 수 백 미터 이하의 거리에서 센티미터 단위의 정밀한 성능을 가진다.

이 메커니즘을 이용하여 TWR 기반의 RTLS를 도 2c에서와 같이 구성할 수 있다. TWR 기반의 RTLS는 매우 정밀한 위치를 추정해낼 수 있지만, 이를 위해서는 셋 이상의 리더가 필요하고, 방식의 특성으로 인해 메시지의 수가 많아진다는 문제점이 있다.

무선 신호의 도달거리는 수 백 미터 단위이기 때문에 그 보다 더 넓은 영역에서는 다량의 리더가 필요하다. 태그의 위치를 파악하기 위해서는 3개 이상의 리더가 필요하고, 주변 리더가 3개 이상 되기 위해서 리더는 격자형식으로 배치되어야 한다.

또한, 다량 리더와 태그 간에는 무선 신호의 충돌이 있을 수 있다. 무선 신호 충돌은 같은 시간 물리적으로 가까이 있는 무선 신호 생성기가 동시에 신호를 발생시킬 경우 그 두 신호를 모두 수신한 장치는 뒤섞인 신호를 수신하여 잡음으로 인식하는 현상을 말한다.

특히 TWR 기반의 RTLS는 메시지의 수가 많아지게 되므로 무선 신호 충돌로 인한 측위 실패는 큰 문제가 될 수 있다. 이에 대한 해결책으로 기존의 CSMA/CA 방식을 이용할 수 있으나 이는 RTS/CTS 메커니즘 등을 이용하므로 통신 부하 및 베터 리를 가진 태그의 에너지 효율성, 실시간성 등에 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 에너지 효율성과 통신 부하를 줄이기 위해서 이에 맞는 새로운 프로토콜이 필요하다.

도 4는 종래 기술의 TWR 기반의 RTLS 동작 제어 과정을 나타낸 플로우차트이다.

TWR 방식은 IEEE 802.15.4a 표준의 PHY 레벨 중 하나인 CSS(Chirp Spread Spectrum)을 이용하여 멀티 패스 등에 강한 형태로 구현된다.

이러한 TWR을 이용하여 넓은 지역에서도 동작 할 수 있는 시스템을 구현할 수 있다.

RTLS는 도 1에서와 같이 크게 리더, 태그, 측위 엔진으로 나뉠 수 있다. 리더는 넓은 영역에 격자형으로, 각 태그의 무선 전송 범위가 3개 이상의 리더를 포함할 수 있도록 적절히 배치된다. 태그는 공간 내에 다수 존재하고, 움직임이 있기 때문에 시간에 따라 위치가 변경될 수 있다. 측위 엔진은 리더와 유/무선으로 연결되고, 리더로부터 온 정보를 통해 태그의 위치를 계산할 수 있다.

TWR 기반의 위치 추적 과정을 도 2c와 도 4를 참고하여 설명하면 다음과 같다.

태그가 주변의 리더에게 무선 신호를 전송한다.(S501)

그리고 태그의 신호를 받은 리더는 측위 엔진에게 그 정보를 전달한다.(S502)

이어, 측위 엔진은 해당 태그에 대한 리더 리스트를 작성한다.(S503) 3개 이 상의 리더가 리스트에 등록되면, 한 리더에게 Activated-cell(TWR start) 메시지를 전달한다.(S504)

그리고 리더는 태그와 TWR을 시행하고 리스트에 존재하는 다음 리더에게 TWR 명령을 전달한다.(S505) 이어, 더 이상 리스트에 리더가 없으면, 결과 값과 Deactivated-cell 메시지를 측위 엔진에 전달한다.(S506)

그리고 측위 엔진은 리더로부터 수신한 태그와 각 리더 사이의 거리 리스트를 통해 태그의 위치를 추정한다.(S507)

이어, 측위 엔진은 태그의 위치를 미들웨어 혹은 사용자에 전달한다.(S508)

이와 같은 S501 ~ S503 과정에서의 측위 엔진으로부터 받은 특정 태그에 대한 리더의 리스트를 셀(cell)이라 정의한다.

셀 내에서는 하나의 태그에 대한 TWR을 순차적으로 진행하므로 무선 신호의 충돌을 방지할 수 있다.

하지만 도 3에서와 같이 많은 리더가 존재하는 경우 각각의 셀은 물리적으로 가까이 존재할 수 있으며, TWR을 진행하며 서로 간에 무선 신호 충돌이 발생할 수 있다.

이러한 문제는 MAC(Media Access Control)인 CSMA, CSMA/CA 등으로 해결을 시도할 수도 있으나 CSMA의 경우 히든 노드 문제(Hidden Node Problem)가 발생하여 충돌 방지의 효과가 낮고, CSMA/CA 기법의 경우 RTS/CTS로 히든 노드 문제 해결이 가능하지만 메시지의 수가 많아져 에너지 효율성, 실시간성 등에 문제가 발생할 수 있다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 TWR 기반의 위치 추적 과정에서의 문제를 해결하기 위한 것으로, 멀티 셀 환경의 TWR 기반 위치 인식 시스템에서 태그와 그 주변의 리더로 구성된 셀의 충돌을 예측하고 동시에 독립된 셀에 대해 위치 측위를 하는 방식으로 셀 간 무선 신호 충돌을 해결할 수 있도록 한 TWR 기반 위치 인식 시스템에서의 셀 차단 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 넓은 환경에서의 TWR 기반의 위치 인식 시스템을 위한 셀 차단 프로토콜에 관한 것으로 리더-리더 혹은 리더-태그 간의 무선 신호 충돌을 줄이고, 메시지의 수를 줄임으로서 다수의 리더-태그 환경에서 태그의 에너지 효율성, 통신 부하 감소 등을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 TWR 기반 위치 인식 시스템에서의 셀 차단 제어 방법은 멀티 셀 리더 환경에서의 TWR 기반 위치 인식을 위하여, 측위 대상 태그에 대한 리더 리스트를 작성하여 셀을 정의한 단계;셀 간의 충돌 유효성을 검사하여 충돌이 일어나지 않는 셀들의 독립 리스트를 작성하고 상기 셀 활성화에 관한 메시지를 리더에게 전달하는 단계;상기 독립 리스트 내의 각 셀의 TWR 작업과 동시에 리더가 태그와 TWR을 시행하고 리스트에 존재하는 다음 리더에게 TWR 명령을 전달하는 단계;상기 독립 리스트 내의 각 셀의 작업을 수행하는 동시에, 더 이상 리스트에 리더가 없으면, 결과 값과 셀 비활성화 메시지를 측위 엔진에 전달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 측위 대상 태그에 대한 리더 리스트를 작성하는 과정에서 3개 이상의 리더가 리스트에 등록된 이후에 셀을 정의하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 셀 비활성화 메시지를 받은 측위 엔진은 태그의 위치를 추정하고, 위치를 추정한 측위 엔진은 셀 리스트에서 해당 셀을 삭제하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 TWR 기반 위치 인식 시스템에서의 셀 차단 제어 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, TWR 기반의 RTLS를 위한 셀 차단 과정에서 다수 태그-다수 리더의 환경에서 발생할 수 있는 무선 신호 충돌을 효과적으로 줄일 수 있다.

둘째, 일반적인 메커니즘 보다 적은 메시지 수를 이용함으로써 에너지 효율성을 높일 수 있다.

셋째, 통신에 따른 부하를 줄임으로서 태그의 위치계산이 빠르게 이루어지고, 따라서 실시간성이 보장된다.

이하, 본 발명에 따른 TWR 기반 위치 인식 시스템에서의 셀 차단 제어 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 TWR 기반 위치 인식 시스템에서의 셀 차단 제어 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 TWR 기반 RTLS에서의 셀 차단 프로토콜 순서도이고, 도 6은 본 발명에 따른 TWR 기반 위치 인식 시스템에서의 셀 차단 제어 과정을 나타낸 플로우차트이다.

본 발명은 넓은 환경에 TWR 기반의 RTLS를 적용하기 위한 전체 기반 시스템을 설계하고, 이에 대한 효율적인 동작을 위한 셀 차단 프로토콜의 적용으로 효율성을 높인다.

본 발명에 따른 TWR 기반 위치 인식 시스템에서의 셀 차단 제어 과정은 다음과 같다.

먼저, 태그가 주변의 리더에게 무선 신호를 전송한다.(S601) 그리고 태그의 신호를 받은 리더는 측위 엔진에게 그 정보를 전달한다.(S602)

이어, 측위 엔진은 해당 태그에 대한 리더 리스트를 작성한다.(S603)

이와 같이 측위 엔진에서 작성된 특정 태그에 대한 리더의 리스트를 셀(cell)이라 정의한다.

3개 이상의 리더가 리스트에 등록되면, 일정 시간 후 셀 리스트를 작성한다.

측위 엔진은 셀 간의 충돌 유효성을 검사하여, 충돌이 일어나지 않는 셀들의 독립 리스트를 작성한다. 엔진은 Activated-cell 메시지를 리더 리스트의 각 셀에 존재하는 한 리더에게 전달한다.(S604)

그리고 독립 리스트 내의 각 셀의 TWR 작업과 동시에 리더는 태그와 TWR을 시행하고 리스트에 존재하는 다음 리더에게 TWR 명령을 전달한다.(S605)

이어, 독립 리스트 내의 각 셀의 작업을 수행하는 동시에, 더 이상 리스트에 리더가 없으면, 결과 값과 Deactivated-cell 메시지를 측위 엔진에 전달한다.(S606)

그리고 Deactivated cell 메시지를 받은 엔진은 태그의 위치를 추정하고, 위치를 추정한 엔진은 셀 리스트에서 해당 셀을 삭제한다.(S607)

이어, 측위 엔진은 태그의 위치를 미들웨어 혹은 사용자에 전달한다.(S608)

이와 같이 본 발명은 다수의 리더-다수의 태그 환경에서 효율적인 동작을 위한 셀 단위의 차단 프로토콜을 제공한다.

즉, 멀티-셀 리더 환경의 TWR(Two-Way Ranging) 기반 위치 인식 시스템을 위한 셀 차단 프로토콜을 제공하여 넓은 환경에 다량의 리더가 설치된 환경에서 측위를 위한 태그가 부착된 기기의 위치를 실시간으로 추정하는 데 있어 무선 신호의 충돌을 줄이고 에너지 효율성, 실시간성 등을 보장할 수 있다.

태그의 신호를 수신한 주변의 리더는 하나의 셀 단위로 인식되며, 이 셀 내에서 하나의 태그와 다수 리더 간의 TWR 기반의 거리 측정이 이루어져 태그의 정확한 위치를 추정할 수 있다.

또한, 측위 엔진에서는 다수 태그에서 발생하는 다수의 셀을 수집하고, 셀 간의 무선 신호 충돌을 예측하여 여러 셀의 위치 추정 작업을 독립적으로 동시에 진행한다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니 하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

도 1은 일반적인 실시간 위치 추적 시스템의 구성도

도 2a내지 도 2c는 TWR, CSS 구성 및 TWR 기반의 RTLS 구성도

도 3은 셀 간의 무선 신호 충돌 상태를 나타낸 구성도

도 4는 종래 기술의 TWR 기반의 RTLS 동작 제어 과정을 나타낸 플로우차트

도 5는 본 발명에 따른 TWR 기반 RTLS에서의 셀 차단 프로토콜 순서도

도 6은 본 발명에 따른 TWR 기반 위치 인식 시스템에서의 셀 차단 제어 과정을 나타낸 플로우차트

Claims (3)

1. 멀티 셀 리더 환경에서의 TWR 기반 위치 인식에 있어서,

   태그가 주변의 리더에게 무선 신호를 전송하면 태그의 신호를 받은 리더는 측위 엔진에 상기 태그로부터 받은 정보를 전달하는 단계;

   상기 측위 엔진은 측위 대상이 되는 해당 태그에 대한 리더 리스트를 작성하고 셀을 정의하여 셀 리스트를 작성하는 단계;

   상기 측위 엔진은 셀 간의 충돌 유효성을 검사하여 충돌이 일어나지 않는 셀들의 독립 리스트를 작성하고, 셀의 활성화에 관한 메시지를 리더 리스트의 각 셀에 존재하는 리더에게 전달하는 단계;

   상기 독립 리스트 내의 각 셀의 위치 측위를 위한 TWR 작업을 진행하면서 동시에 태그의 위치 측위를 위하여 리더가 태그와 TWR을 시행하고 독립 리스트에 존재하는 다음 리더에게 TWR 명령을 전달하는 단계;

   상기 독립 리스트 내의 각 셀의 위치 측위를 위한 작업을 수행하는 동시에, 더 이상 독립 리스트에 리더가 없으면, 태그 위치 측위를 위한 결과 값과 셀 비활성화 메시지를 측위 엔진에 전달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 TWR 기반 위치 인식 시스템에서의 셀 차단 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 측위 대상이 되는 태그에 대한 리더 리스트를 작성하는 과정에서 3개 이상의 리더가 리더 리스트에 등록된 이후에 셀을 정의하는 것을 특징으로 하는 TWR 기반 위치 인식 시스템에서의 셀 차단 제어 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 비활성화 메시지를 받은 측위 엔진은 태그의 위치를 추정하고, 위치를 추정한 측위 엔진은 셀 리스트에서 해당 셀을 삭제하는 것을 특징으로 하는 TWR 기반 위치 인식 시스템에서의 셀 차단 제어 방법.

Images