Indoor Position Detection Technology

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1 Indoor Position Detection Technology
RTLAB Indoor Position Detection Technology << 참고자료 >> 유비쿼터스 컴퓨팅을 위한 위치인식 기술 및 시스템 경북대학교 실시간시스템연구실 이 명 진 KNU RTLAB

2 RTLAB Contents Ubiquitous System Relative Research Field
Position Detection Technology Position Detection System Summary Reference KNU RTLAB

3 1. Ubiquitous System Relative Research Field
RTLAB 1. Ubiquitous System Relative Research Field MEMS (Micro Electro Mechanical System) Security, Authentication Technology Position Detection Technology IPv6 Embedded System Continuous (No Connectionless) Ubiquitous Network Configuration Huge-Storage Subscriber Network Technology (Management) New Type Portable or Non-portable Device Wireless Communication Technology KNU RTLAB

4 2. Position Detection Technology (Cont.)
RTLAB 2. Position Detection Technology (Cont.) 2.1 Triangle Measurement (1) Distance Measurement - 2차원 거리 측정 : 직선상에 있지 않는 3 점이 필요 - 3차원 거리 측정 : 직선상에 있지 않는 4 점이 필요 ♠ 직접 거리 측정 - 간단하지만, 측정에 따른 물리적인 이동이 필요 ♠ 정해진 속도를 이용하여 걸리는 시간 측정 - 초음파 펄스 : 음파의 이동속도 (344m/s, 21˚C) 예) Active Bat - 빛이나 무선 신호의 이동 시간 이용 예) GPS, UWB ♠ 거리에 따른 신호 감쇄 원리 이용 - 진공 상태 : 물체로부터 r 만큼 떨어져 있을 시 신호는 1/r² 에 비례하여 감쇄 (2) Angle Measurement ♠ 각도를 이용한 거리 측정 - 2차원 각도 측정 : 두 개의 각도 + 기준점간의 거리 - 3차원 각도 측정 : 두 개의 각도 + 기준점간의 거리 + 두 개의 방위각 Radius 1 Radius 2 Radius 3 KNU RTLAB

5 2. Position Detection Technology
RTLAB 2. Position Detection Technology 2.2 Scene & Spectacle Analysis (장면 분석) (1) 특정 지점에서 관측된 장면의 특성을 이용 ♠ 카메라에 찍힌 가시적 이미지를 미리 정의된 데이터 테이블과 위치 맵핑 ♠ 물체가 특정 위치나 방향에 있을 때 발생하는 전자기적 특성과 같은 측정 가능한 물리적 현상 이용 예) 마이크로소프트사, RADAR 위치 시스템 2. 3 Approach Detection Method (근접 방식) - 물체가 알려진 위치 근처에 있을 때 위치를 인식하는 기술 (1) 물리적 접촉 감지 ♠ 압력 센서, 터치 센서 (2) 무선 셀룰러 네트워크에서 이동 장치가 한 개 이상의 접속점 영역에 있는지 모니터링함 ♠ Active Badge 시스템, Carnegie Mellon Wireless Andrew ( 무선 네트워크 이용) (3) 자동 식별 시스템이나 식별 태그를 이용 ♠ RFID KNU RTLAB

6 3. Position Detection System (Cont.)
RTLAB 3. Position Detection System (Cont.) 3.1 Active Badge System ☺ AT&T에서 개발 ☺ Active Badge의 위치를 찾아 건물 내에서 사용자의 위치를 인식 ☺ 디바이스는 매 10초 마다 적외선 신호(IR)를 전송 ☺ 사무실마다 한 개 이상의 센서가 네트워크를 구성하고 있슴 ☺ 센서는 고정된 위치에 설치되어 고유의 ID를 찾아내면 이를 위치 관리 소프트웨어로 보냄 ☺ Active Badge에는 마이크로프로세서가 탑재되어 있으며, 양방향 통신을 지원 √ 적외선 통신은 제한된 거리 내에서만 가능 √ 설치 및 유지 비용이 많고, 창문이 있는 사무실에서 태양광이 직접 들어오면 성능이 약화됨 Active Badge Badge Sensor KNU RTLAB

7 3. Position Detection System (Cont.)
RTLAB 3. Position Detection System (Cont.) 3.2 Active Bat System ☺ AT&T에서 개발 (송신기인 Bat, 수신기, 중앙제어기로 구성) ☺ 3차원 초음파 위치 감지 시스템 : 저전력, 저비용 ☺ 송신기와 수신기간의 펄스 도달 시간을 측정 ☺ 두 개 이상의 송신기 상대적인 위치 이용 : 송신기의 이동 위치 추적 ☺ 수신기의 신호 패턴 분석 : 물체 이동 방향 예측 ☺ 송신기마다 고유의 48비트 코드를 가지며, 양방향 433MHz 무선링크 를 이용한 통신 √ 정밀한 측정이 가능하나 천장에 격자 구조의 수신 초음파 센서가 필요 (저비용  고비용) Transmitter Receiver KNU RTLAB

8 3. Position Detection System (Cont.)
RTLAB 3. Position Detection System (Cont.) 3.3 RFID Tagging System ☺ 적은 기반시설과 낮은 비용으로 구축 가능 ☺ RFID 태그, 리더, 데이터 처리시스템으로 구성 ☺ 신체, 사물, 건물 등에 부착된 측정기, 센서, RFID 태그는 RFID 리더의 호출에 의해 대상체의 식별번호를 RFID 리더에게 전송하며, 이를 데이터 처리 시스템에 보내 필요한 정보를 사용자가 이용할 수 있는 리소스, 즉 단말이나 주변 장치에 표시해 줌 ☺ RFID 태그 : 마이크로칩, 코일 안테나로 구성  배터리 유무에 따라 Active/Passive로 구분 ☺ RFID 리더 : RF 모듈, 제어 유닛, 커플링 소자로 구성  데이터 처리 시스템에 연결 ☺ 저주파 RFID 시스템(30 kHz ~ 500 kHz) : 약 1.8m 이하의 짧은 전송 영역에서 사용 ☺ 고주파 RFID 시스템 (850 MHz ~950 MHz 및 2.4 GHz ~ 2.5 GHz) : 27m 이상의 먼 거리의 전송 능력을 제공 √ Anti-collision 방식 : 태그간 또는 리더간 충돌 방지 √ 보안 문제 : 상호인증, 접속제어, 공증키 암호화 방식 KNU RTLAB

9 3. Position Detection System (Cont.)
RTLAB 3. Position Detection System (Cont.) 3.4 RADAR ☺ MicroSoft사, IEEE 무선 네트워킹 기술을 기반 ☺ 위치가 다른 세 개의 기지국으로부터 얻어진 신호세기 정보를 하나의 테이블로 만들어 각각에 대한 표준과 편차를 계산 (각 층에 대한 레이아웃 정보도 이용) ☺ 필요한 기지국 수가 적고, 동일한 기반 시설을 이용하는 장점을 지님 √ 위치 인식 대상 물체가 WLAN을 지원해야 함 : 소형, 저전력 분야에 이용이 어려움 RADAR Testing 예 KNU RTLAB

10 3. Position Detection System (Cont.)
RTLAB 3. Position Detection System (Cont.) 3.5 EasyLiving ☺ MicroSoft사, 컴퓨터 비젼 기술을 이용하여 물체 위치 인식 ☺ 실루엣, 얼굴색, 얼굴패턴 등을 이용한 멀티포탈 프로세싱  정확도 향상 ☺ 사람의 움직임에 따른 다양한 데이터의 전달 가능 ☺ 카메라로 찍힌 장면을 통해 이동거리(∆x, ∆y)와 이동각도(∆θ) 를 측정 √ 비젼 프레임 분석에 따른 많은 프로세싱 시간과 전력이 소모 장면을 통한 거리 측정 EasyLiving 시스템 구성도 KNU RTLAB

11 3. Position Detection System (Cont.)
RTLAB 3. Position Detection System (Cont.) 3.6 UWB (UltraWideBand) Radio System (Cont.) ☺ 초음파 위치 인식 시스템 정도의 정확도를 가지면서 적은 기반 시설을 요구하는 위치 인식 시스템 ☺ 아주 짧은 무선 펄스를 연속적으로 전송함  수 GHz의 광대역 스펙트럼을 차지, 낮은 전력 밀도 ☺ Multiple Access Communication : High Data Rate ☺ Interface Rejection : Short Pulse 방식에 따른 위상차가 쉽게 구분됨 ☺ 2002년 2월 14일, FCC에서 일부 제한된 범위 내에서 UWB 사용 허가 ☺ 주파수 대역 - 통신 시스템 : 3.1 ~ 10.6GHz - 차량용 레이더 : 24GHz - 영상 장치 : 960MHz 이하, 3.1 ~ 10.6GHz ☺ FCC NPRM (Notice of Proposed Rule Making)에서의 전력 스펙트럼 밀도 제한 - FCC part 15의 Unintentional radiator기준에 따름 - 960MHz보다 큰 대역에서 비의도적 방사기기에 대해 3m 거리에서 500uV/m Per 1MHz - 방사전력 스펙트럼 밀도 = -41.3dBm/MHz KNU RTLAB

12 3. Position Detection System (Cont.)
RTLAB 3. Position Detection System (Cont.) 3.6 UWB (UltraWideBand) Radio System (Cont.) ☺ Multispectral Solutions 사의 TDOA (Time Difference of Arrival) 실험 - 최대 거리 m (commercial building) > 600 m (outdoors, line-of-sight) - 정확도 15 – 91 cm (indoors) < 15 cm (outdoors) KNU RTLAB

13 RTLAB 4. Summary (Cont.) 4.1 Position Detection System Comparison
시스템 사용 기술 정확도 스케일 한계점 GPS 무선 이동 시간을 이용 10m 이내 전세계 24개 위성 실외에서 주로 사용 실내용 리피터 장비 필요 Active Badge 적외선 셀룰러 근접 방식 방 크기 정도 1개 기지국 / 방 1개 배지 / 기지국 / 10sec 적외선의 햇빛 간섭 Active Bat 초음파 이동 시간 이용 9cm 1개 기지국 / 10m² 천장 센서 그리드 필요 RFID 근접 방식 1m 각 위치별 센서 1개 센서의 위치를 알아야 함 RADAR RF 장면 분석 및 삼각 측량 3 ~ 4.3m 각층별 기지국 3개 무선 NIC 필요 (전력 소모 큼) EasyLiving 비젼 및 삼각측량 Variable 소규모 방별 카메라 3개 유비쿼터스 공중 카메라 UWB UltraWideBand Pulse 신호 이용 15cm ~ 91cm (Indoor) 각 층별 수신기 4개 상용화 초기 단계 KNU RTLAB

14 RTLAB 4. Summary 4.2 Wireless Communication Comparison with UWB
KNU RTLAB

15 RTLAB 5. Reference [1] Jeffrey Hightower and Gaetano Borriello, A Survey and Taxonomy of Location Systems for Ubiquitous Computing, Technical Report, Computer Science and Engineering, University of Washington, Aug [2] AT&T Laboratories Cambridge Website, [3] Sanjay E. Sarma, Stephen A. Weis and Daniel W. Engels, White Paper: RFID Systems, Security & Privacy implications, AUTO-ID Center, MIT, Nov [4] “RADAR : An in-building RF-based User Location and tracking System,” IEEE INFOCOM, 2000. [5] Microsoft Research, EasyLiving Website, [6] Joon-Yong Lee and Robert A. Scholtz, “Ranging in a Dense Multipath Environment Using an UWB Radio Link,” IEEE JSAC, Vol.20, No.9, Dec KNU RTLAB