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실내외 연속 측위를 위한 하이브리드 시스템 구현

Title
실내외 연속 측위를 위한 하이브리드 시스템 구현
Other Titles
Hybrid System Implementation for Indoor and Outdoor Seamless Positioning
Author
염학선
Alternative Author(s)
Yeom, Hak Sung
Advisor(s)
김선우
Issue Date
2011-02
Publisher
한양대학교
Degree
Master
Abstract
유비쿼터스 환경에서 응용되는 다양한 위치기반서비스(Location Based Service: LBS)에서는 점차 고정밀도의 신속한 사용자 위치 측정을 요구하고 있다. 이들 실내외 측위 기술은 위치기반서비스와 상황인지 서비스를 가능하게 하여 기존의 다양한 사업 영역에서 제공되는 서비스를 개선하고, 새로운 혁신적 사업모델을 제공하는 동기가 된다. 특히 최근 스마트폰의 발전이 빠르게 가속화되면서 다양한 어플리케이션이 개발되고 있는데, 이러한 어플리케이션 중에서 위치 정보를 제공하거나, 위치 정보를 이용하여 다른 정보를 제공하는 어플리케이션의 수요가 증가하고 있다. 이러한 발달은 위치기반서비스의 더 정확한 위치 측정을 요구한다. 위치 정보를 제공하는 항법 기술로 대표적인 기술은 위성항법시스템(Global Positioning System: GPS)이다. GPS는 미국에서 개발한 위성항법시스템으로 사용자는 소형 수신기만 있으면 지구상 어느 곳에서나 자신의 위치를 추정할 수 있다. 그러나 이 기술의 문제점은 밀도가 높은 도심이나 숲, 그리고 실내와 같은 음영지역에서는 동작하지 않거나 오차가 커지는 단점을 가지고 있다. 실외에서는 GPS 기술이 표준화되어 사용되고 있으나, GPS의 단점으로 인하여 밀도가 높은 도심과 실내에서 사람의 위치를 추정할 수 있는 기술이 연구되고 있다. 대표적인 방법으로는 적외선 신호를 감지하여 위치를 파악하는 Active Badge, 초음파와 RF(Radio Frequency) 신호의 지연시간을 이용하는 Active Bat과 Cricket, 신호 세기를 이용한 RADAR 등이 있다. 그러나 이러한 기술들은 인프라 구축의 문제점이나 적용 가능한 거리의 문제 등으로 인하여 실용화되고 있지 않다. 우리나라의 경우 매우 높은 비율로 AP(Access Point, 무선랜 접속 포인트)가 설치되어 무선통신 인프라가 잘 구축되어 있다. 따라서 이를 이용한 다른 측위 기술인 WPS(Wi-Fi Positioning System, 무선랜은 이용한 방식)이 활발하게 연구되고 있다. WPS 측위 기술은 AP에서 송신한 뒤에 단말기로 수신된 신호세기(Received Signal Strength Indicator: RSSI)를 이용하여 거리를 측정한다. 이 기술은 실내 및 음영지역에서도 사용이 가능하나, 단점은 AP에서 신호를 보낼 수 있는 거리가 무척 짧고(100m 이내), 최소 3개 이상의 AP가 설치되어 있어야 한다. 또한 일반적인 측위 방식으로 사용되는 삼각측량법을 이용한 WPS 측위 기술에는 해결해야 할 문제점이 있다. 무선랜의 신호 세기를 측정 할 때 사람의 움직임, 다른 무선신호, 컴퓨터 잡음 등 환경적인 영향에 의해 RSSI가 급격한 변화를 보인다. 그래서 각 측위 기술에 적용하는 환경에 맞는 적절한 경로 손실 모델(Path Loss Model)을 구해야 한다. 그리고 경로 손실 모델로부터 구한 거리를 이용하여 측위 오차를 최대한 줄일 수 있는 측위 계산 방식을 연구 및 적용해야 한다. 본 논문에서는 실내에서는 WPS 기술을 사용하고, 실외에서는 GPS 기술을 사용한다. 실외의 음영지역에서 WPS 기술과 GPS 기술을 결합하는 하이브리드 알고리즘을 이용하여 GPS 하나만을 이용하는 경우보다 높은 성능 개선을 확인한다. 그리고 성능을 최대로 개선하기 위하여 실외 지역에서 WPS를 이용할 수 있도록 실외지역에서의 최적의 경로 손실 모델을 연구 및 적용하여 뛰어난 측위 성능을 사용자에게 제공할 수 있는 시스템에 대한 내용을 기술한다.|Location Based Service(LBS) has been predicted to be a huge market in the near future and set to be an important aspect of many mobile internet services. In outdoor settings, accurate Global Positioning System(GPS) based positioning has been available globally for almost a decade. Unfortunately, GPS is not available for some specific environments such as indoors - Non Line Of Sight(NLOS) and multipath. For these reasons, several technologies have been recently proposed for indoor localization, such as RFID, ZigBee, Bluetooth or Wireless Local Area Network(WLAN). Many researchers put their efforts into using existing wireless signal systems to determine location such as cellular phone systems, RFID, ZigBee, etc. But RFID, ZigBee, and Bluetooth are not suitable for indoor localization because the maximum coverage of them is 2.5 ~ 10m at the most. Therefore, the most common system used for indoor positioning is WLAN based on Received Signal Strength Indicator(RSSI). WLAN is aimed to provide local wireless access to fixed network architectures. The IEEE 802.11 working group published 802.11b, 802.11g and 802.11n. WLAN is becoming increasingly popular today, especially in indoor and public areas. Most of the WLAN products are based on 802.11b/g/n, and operating in the 2.4GHz band which is unlicensed and can be used for data transmissions if a number of rules are followed. 2.4GHz band is the only accepted ISM(Industrial, Scientific and Medical) band available worldwide. In this thesis, we proposed a system where distance between Mobile Station(MS) and Access Point(AP) is estimated from RSSI and the position of the MS is tracked in real-time by particle filtering. Since the distance is essential information for the fine position tracking, it is important to convert the RSSI into distances as accurate as possible. The performance of the mobile tracking by particle filtering with the variable path loss exponents is demonstrated via MATLAB and iPhone simulations. The proposed Hybrid positioning system can estimate the position indoors as well as outdoors. This system improves the accuracy of estimation in real-time both indoors and outdoors using the combination of GPS and Wi-Fi Positioning System(WPS). The most appropriate GPS & WPS hybrid positioning system is found through a comparative analysis of GPS by simulation test. The simulation test results show that the GPS & WPS hybrid positioning system has less Root Mean Square Error(RMSE) performance than the GPS.
Location Based Service(LBS) has been predicted to be a huge market in the near future and set to be an important aspect of many mobile internet services. In outdoor settings, accurate Global Positioning System(GPS) based positioning has been available globally for almost a decade. Unfortunately, GPS is not available for some specific environments such as indoors - Non Line Of Sight(NLOS) and multipath. For these reasons, several technologies have been recently proposed for indoor localization, such as RFID, ZigBee, Bluetooth or Wireless Local Area Network(WLAN). Many researchers put their efforts into using existing wireless signal systems to determine location such as cellular phone systems, RFID, ZigBee, etc. But RFID, ZigBee, and Bluetooth are not suitable for indoor localization because the maximum coverage of them is 2.5 ~ 10m at the most. Therefore, the most common system used for indoor positioning is WLAN based on Received Signal Strength Indicator(RSSI). WLAN is aimed to provide local wireless access to fixed network architectures. The IEEE 802.11 working group published 802.11b, 802.11g and 802.11n. WLAN is becoming increasingly popular today, especially in indoor and public areas. Most of the WLAN products are based on 802.11b/g/n, and operating in the 2.4GHz band which is unlicensed and can be used for data transmissions if a number of rules are followed. 2.4GHz band is the only accepted ISM(Industrial, Scientific and Medical) band available worldwide. In this thesis, we proposed a system where distance between Mobile Station(MS) and Access Point(AP) is estimated from RSSI and the position of the MS is tracked in real-time by particle filtering. Since the distance is essential information for the fine position tracking, it is important to convert the RSSI into distances as accurate as possible. The performance of the mobile tracking by particle filtering with the variable path loss exponents is demonstrated via MATLAB and iPhone simulations. The proposed Hybrid positioning system can estimate the position indoors as well as outdoors. This system improves the accuracy of estimation in real-time both indoors and outdoors using the combination of GPS and Wi-Fi Positioning System(WPS). The most appropriate GPS & WPS hybrid positioning system is found through a comparative analysis of GPS by simulation test. The simulation test results show that the GPS & WPS hybrid positioning system has less Root Mean Square Error(RMSE) performance than the GPS.
URI
https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/139660http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000416496
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