실내 환경에서의 부분 공간 기반 무선 거리 측정 시스템

Abstract

최근 실내 위치정보 기반 응용시스템 및 위치 인식 관련 분야의 관심이 증가됨에 따라 실내 거리측정 및 위치측정에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. GPS와 같은 실외 환경에서의 개발된 응용 기술들은 실내 위치추적 및 거리측정에 적합하지 못하여 새로운 거리 및 위치 인식에 대한 기술의 필요성이 대두되고 있다. 본 논문에서는 일반적인 무선 신호와 기존의 레이더에서 활용된 첩 신호에 적합한 부분 공간기반 실내 거리측정 알고리즘이 제안이 되었다. 일반적인 무선 신호는 부분 공간 기반 거리측정을 위해서 IFFT 기반의 복잡한 전 처리과정이 필요하나, 첩 신호는 간단한 곱셈 연산을 통하여 부분 공간 기반의 거리측정 알고리즘에 적용이 가능하다. 또한 본 논문에서는 일반적인 무선 신호 및 첩 신호뿐만 아니라, CSS나 Bluetooth에서 사용되고 있는 다중 대역의 무선 신호에 최적화된 부분 공간 기반 거리측정 알고리즘을 제안하였다. 제안된 부분 공간 기반 거리측정 알고리즘은 최대 중복 방법과 (maximally overlapped method) 부분 중복 방법 (partially overlapped method)을 함께 사용하는 구조를 가진다. 일반적으로 기존의 부분 공간 기반 알고리즘들은 대부분 최대 중복 방법을 활용하였으나 제안된 거리측정 알고리즘은 최대 중복 방법과 부분 중복 방법을 함께 사용하여 동일한 SNR과 대역폭에서 기존의 부분 공간 기반 알고리즘들 보다 더 향상된 정확도를 가지게 되었다. 최적화된 부분 공간 기반 거리측정 알고리즘은 AWGN 채널과 다중 채널에서의 시뮬레이션 및 성능 분석 수식을 통해서 그 우수성을 증명하였다. 일반적으로 부분 공간 기반 거리측정 시스템은 신호의 SNR과 주파수 오프셋에 매우 민감하기 때문에 단순 부분 공간 기반 거리측정 알고리즘만 통해서는 정밀한 성능을 얻을 수가 없다. 그리하여 본 논문에서는 최적화된 부분공간 기반 거리측정 알고리즘과 별도로 거리측정 성능 향성을 위해서 다중 심볼 기반의 SNR 향상 알고리즘과 주파수 오프셋에 강건한 거리측정 알고리즘을 함께 제안하였다. 부분 공간 기반 거리측정 알고리즘은 수신된 신호의 주파수 오프셋에 직접적으로 영향을 받아 거리측정 오차를 발생시키므로 주파수 오프셋 문제는 반드시 해결이 되어야만 한다. 기존의 주파수 오프셋 관련된 방법들은 대부분 추정 및 보상이라는 방법에 기초하여 이뤄졌으나 본 논문에서는 상향 첩과 하향 첩 신호에 기반한 주파수 오프셋 상쇄 알고리즘을 제안을 하였다. 제안된 방법은 주파수 오프셋에 대한 추정 및 보상 없이 부분 공간 기반 거리측정 알고리즘에 바로 적용이 가능하다. 또한 본 논문에서 제안된 SNR 향상 알고리즘은 주파수 오프셋의 영향에 의해 왜곡된 다중 심볼을 가정하였으므로 실제 거리측정 시스템에도 적용이 가능하도록 개발이 되었다. 이러한 SNR 향상 방법을 활용하여 실제 거리측정 시, 수신된 패킷 내 다수의 심볼들을 이용하여 보다 향상된 거리측정이 가능하다. 제안된 부분 공간 기반 거리측정 알고리즘은 FPGA와 2.4GHz 대역의 RF 개발 보드를 이용한 프로토타입 시스템을 통하여 구현이 되었으며 실험결과를 통해서 구현된 부분 공간 기반 거리측정 시스템이 실내 환경에서 약 1m 정도의 오차를 가진다는 것을 확인하였다.; Recently, there has been growing interest in the location-based applications and the related wireless location system for location-awareness of mobile nodes in indoor areas. The conventional positioning systems such as GPS and LORAN are not designed for indoor applications; as a result those cannot provide accurate location estimation in indoor environments. Therefore, the need for accurate location estimation methods and systems for indoor location-based applications is required. In this dissertation, subspace-based ranging algorithms have been proposed with general wireless signals and chirp signals, which have been frequently utilized in the radar system, for indoor environments. The general wireless signals require IFFT-based complex preprocessing in order to be applied to subspace-based ranging algorithm. In contrast, the chirp signals can effectively be used to subspace-based ranging algorithm with simple preprocessing. Moreover, multi-band signals, which are used to chirp spread spectrum and Bluetooth, have been considered for the subspace-based ranging, and the optimal subspace-based algorithm is presented. The proposed optimal subspace-based algorithm is composed of maximally overlapped method (MOM) and partially overlapped method (POM). In general, all of the conventional subspace-based algorithms are based on only MOM; however, the proposed optimal subspace-based algorithm utilizes not only MOM for anti-aliasing but also POM for high accuracy. Therefore, the proposed algorithm can achieve more accurate time of arrival (TOA) estimation than that of the conventional subspace-based algorithms under the identical multipath channel. The performance of the proposed algorithm has been verified through Monte-Carlo simulations in AWGN and multipath channel and mathematical analysis. In general, the subspace-based ranging algorithms are prone to be influenced by signal-to-noise ratio (SNR) and frequency offset. Especially, the frequency offset causes ranging error when the subspace-based ranging algorithm is applied to the received signals with frequency offset. Therefore, the subspace-based ranging algorithm must be considered with frequency offset. The conventional solutions for frequency offset have been developed in the form of the estimation and compensation of the frequency offset. However, in this dissertation, the frequency offset cancellation algorithm has been proposed with up and down chirp signals without the estimation and compensation of the frequency offset. This algorithm can be cooperated with the subspace-based algorithm. The proposed SNR enhancement algorithm has been developed for effective utilization of the received ranging packets with the frequency offset. By employing the proposed SNR enhancement algorithm, the sensitivity to SNR of the subspace-based algorithm can be mitigated in some degree, and the multiple symbols in the received ranging packet can be utilized together for accurate ranging. The proposed subspace-based ranging algorithm has been implemented with the prototype system composed of FPGA development board and RF evaluation kit. The experimental results show that the ranging error of the implemented ranging system is about 1meter in indoor environments.