KR20090002764A - Time Information Estimation Method Considering Clock Drifting Effect in Radiodetermination - Google Patents
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Abstract
클록 표류 영향을 고려한 시간정보 추정방법이 개시된다. 본 발명에 따른 클록 표류 영향을 고려한 시간정보 추정방법은, 마스터 비콘이 클록 표류의 영향이 없는 위치에 설치된 제어부와의 사이의 RTT(Round Trip Time) 정보를 획득하는 단계, 제어부가 마스터 비콘에서 획득한 RTT 정보를 이용하여 각각의 디바이스 사이의 거리에 대한 시간정보를 획득하는 단계, 시간정보 획득단계에 의해 획득한 시간정보에 기초하여 마스터 비콘의 응답시간에 대한 보정된 응답시간 정보를 산출하는 단계, 보정된 응답시간 정보에 기초하여 마스터 비콘과 태그 사이의 시간정보를 획득하고 마스터 비콘과 태그 사이의 획득된 시간정보에 기초하여 태그와 각각의 슬레이브 비콘 사이의 거리에 대한 시간정보를 획득하는 단계를 포함한다.Disclosed is a method of estimating time information in consideration of a clock drift effect. According to the present invention, a method of estimating time information considering a clock drift effect may include: acquiring round trip time (RTT) information between a master beacon and a controller installed at a position where the clock drift is not affected; Acquiring time information on the distance between each device using one RTT information, and calculating corrected response time information on the response time of the master beacon based on the time information obtained by the time information obtaining step; Acquiring time information between the master beacon and the tag based on the corrected response time information and acquiring time information on the distance between the tag and each slave beacon based on the acquired time information between the master beacon and the tag. It includes.
Description
본 발명은 클록 표류 영향을 고려한 시간정보 추정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비콘 신호 및 태그를 이용하여 위치를 인식하는 방법에 있어서 클록의 표류 영향을 고려하여 정확한 시간정보를 추정할 수 있는 클록 표류 영향을 고려한 시간정보 추정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of estimating time information considering the effect of clock drift, and more particularly, a clock capable of estimating accurate time information in consideration of the drift effect of a clock in a method of recognizing a location using a beacon signal and a tag. The present invention relates to a method for estimating time information considering the effects of drift.
일반적인 위치 인식 기술은 제한된 지역에서 RFID(Radio Frequency IDentification)나 특정 센서(sensor) 기술을 이용한 유비쿼터스 센서 네트워크(ubiquitous sensor network) 단거리 통신을 통하여 이루어지는 세밀한 위치 인식 기술과, 공공 지역에서 이동통신망이나 GPS(Global Positioning System)를 이용한 장거리 통신을 통하여 이루어지는 광역 위치 인식 기술이 각각 제안되었다. General location-aware technologies include ubiquitous sensor network (RFID) or ubiquitous sensor network using short-range communication in a limited area. Wide-area position recognition technology through long distance communication using Global Positioning System has been proposed.
센서 기술을 이용한 세밀한 위치 인식 기술은 위치를 인식하고자 하는 객체 와 특정 지역에 센서와 신호 발생기를 부착하여 객체와 단방향/양방향 통신을 수행하여, 객체가 특정 지역에 상존하거나 진입했을 때 객체의 정확한 위치를 인식하여 사전에 정의된 서비스를 제공한다.Detailed location recognition technology using sensor technology attaches sensors and signal generators to the object to recognize the location and specific area to perform one-way / two-way communication with the object, so that the exact location of the object when the object stays in or enters the specific area Recognize and provide a predefined service.
RFID를 이용한 객체 위치 인식 방법의 경우, 먼저 식별자 정보인 ID와 위치 정보인 좌표정보를 포함하는 태그 정보가 저장된 RFID 태그를 위치 인식이 필요한 특정 물리적 지역에 일정 간격으로 배치하면, 사용자 단말기와 같은 객체에 부착된 RFID 리더가 RFID 태그로부터 태그 정보를 수신하기 위한 신호를 송출한다. 특정 주파수 또는 일정 파워 이상의 신호 감지에 따라 RFID 태그 정보를 RFID 리더로 송출하는데, 이때 RFID 리더는 수신한 RFID 태그정보와 RFID 태그의 전파 수신에 따른 신호의 세기와 신호 도착 시간 및 신호 수신방향을 포함하는 객체 위치 인식 정보를 이용하여 객체의 위치를 인식한다. 이와 같은 방법으로 RFID를 이용한 객체 위치 인식장치는 RFID 리더를 부착하거나 소지한 객체의 위치를 정확하게 인식할 수 있다.In the object location recognition method using RFID, when an RFID tag storing tag information including an ID as ID information and coordinate information as location information is arranged at a predetermined interval in a specific physical area requiring location recognition, an object such as a user terminal The RFID reader attached thereto sends out a signal for receiving tag information from the RFID tag. The RFID tag information is transmitted to the RFID reader according to the detection of a signal of a specific frequency or a predetermined power or more, wherein the RFID reader includes the received RFID tag information, signal strength, signal arrival time, and signal reception direction according to radio wave reception of the RFID tag. Recognize the position of the object using the object position recognition information. In this way, the object location recognizing apparatus using RFID can accurately recognize the location of the object to which the RFID reader is attached or carried.
또한, 일반적인 이동 단말기의 위치 인식방법은 CDMA(Code Division Multiple Access) 방식의 비콘 신호를 이용하여 기지국의 위치 정보를 송출하고 시간차를 이용하여 이동 단말기의 위치를 인식한다. 이 방법은 소프트웨어의 변경만으로 상호 간섭이 없는 위치 인식이 가능하다.In addition, a general method of recognizing a location of a mobile terminal transmits location information of a base station by using a beacon signal of a code division multiple access (CDMA) method and recognizes the location of the mobile terminal using a time difference. This method enables location recognition without mutual interference only by changing software.
그런데, 거리 인지 시 구현 측면에서 고려되어야 할 요소 중에 하나가 클록 표류에 의한 문제를 들 수 있다. However, one of the factors to be considered in terms of implementation when distance recognition is a problem due to clock drift.
상용 크리스털 오실레이터의 클록 표류 정보를 보면 단위는 ppm(part per million)으로써 양방향 전송을 통해 얻은 시간 정보를 이용한 거리 인지 및 무선 측위 기법에서 상당히 큰 오차를 야기 시킬 수 있다. Clock drift information for commercial crystal oscillators shows that the units are in parts per million (ppm), which can cause significant errors in distance-aware and radiolocation techniques using time information obtained through bidirectional transmission.
도 1은 동일 클록으로 동작되는 서로 다른 시스템에서 사이의 클록 표류 마진이 존재할 때 주어진 시간 동안의 카운팅 정보를 나타낸 것이다. 클록 표류로 인해 같은 시간 동안 서로 다르게 카운팅되고 있음을 알 수 있으며 수식적으로 다음과 같이 표현할 수 있다. Figure 1 shows different systems operating with the same clock. It shows the counting information for a given time when there is a clock drift margin in between. It can be seen that due to the clock drift, they are counted differently for the same time, and can be expressed as follows.
이러한 영향은 저 비용을 요구하는 WPAN(Wireless Personal Area Networks)에서 저가의 크리스털 오실레이터를 사용할 경우 클록 표류의 마진이 더욱 커지게 되며 이는 곧 카운팅 오차에 영향을 주게 된다. 특히 측정 시간이 길 경우, 카운팅에 대한 차이는 더욱 커진다. The impact of using a low cost crystal oscillator on low cost Wireless Personal Area Networks (WPANs) leads to greater clock drift margins, which in turn will affect counting errors. Especially when the measurement time is long, the difference in counting becomes larger.
도 2는 클록 표류의 영향을 확인하기 위해서 양방향 전송을 통한 거리 인지 처리 절차에 대한 예를 나타낸다. 2 shows an example of a distance-aware processing procedure through bidirectional transmission to confirm the influence of clock drift.
이때 실내의 환경에서 두 디바이스 사이의 거리는 매우 작기 때문에 클록 표류에 대한 영향을 거의 받지 않는다. 그러나 디바이스 2에서 신호를 수신한 후 응답 시간이 길 경우 클록 표류에 대한 영향을 받게 된다. In an indoor environment, the distance between the two devices is so small that they are hardly affected by clock drift. However, if the response time is long after receiving the signal from
도 2의 경우, 응답 시간은 카운터로 12가 되지만 참조 카운팅에 대한 시간 과 디바이스 2의 카운팅에 대한 시간은 서로 다름을 알 수 있고 이때의 오차가 라고 하면 거리 인지 오차는 대략 가 된다. 물론 단방향 전송을 통한 거리 인지 기법은 클록 표류의 영향을 거의 받지 않는 대신 클록 옵셋에 대한 영향을 받게 된다. In the case of FIG. 2, the response time is 12 as a counter, but the time for reference counting and the time for counting
표 1은 클록 표류의 영향을 확인하기 위한 파라미터의 설정 예를 나타낸다. 좀 더 정확한 클록 표류의 영향을 확인하기 위해서 표 1과 같은 조건으로 거리 인지를 할 경우 단순 클록 표류의 영향으로만 수 미터의 오차가 발생됨을 알 수 있다. Table 1 shows an example of setting parameters for checking the influence of the clock drift. In order to check the influence of the clock drift more accurately, when the distance is recognized under the conditions shown in Table 1, it can be seen that the error of several meters is generated only by the influence of the simple clock drift.
여기서 양방향 통신할 시의 왕복 시간(Round Trip Time) 은 1000060 nsec로써 카운터 측면에서는 2000120이 된다. 이러한 정보를 이용하여 양방향 거리 인지 식에 대입하면 다음과 같다. In this case, the round trip time for bidirectional communication is 1000060 nsec, which is 2000120 on the counter side. Substituting this information into the bidirectional distance recognition equation, it is as follows.
수학식 2에서 은 디바이스 1에서 측정된 전파 전달 시간을 의미하고 는 디바이스 2의 응답시간에 대한 디바이스 1에서 측정한 응답 시간을 의미한다. 끝으로 는 클록 표류의 영향이 없는 응답 시간을 의미한다. 왜냐하면 수학식 2에서 는 모든 디바이스 동일하게 알고 있는 절대값이기 때문이다. In equation (2) Means the propagation propagation time measured in
즉, In other words,
이며, 이러한 과정을 통해 디바이스 1에서 계산한 전파 전달 시간은 이 되며 표 1에서 제시한 와 비교하면 약 22.501 nsec의 시간 오차가 발생되며 미터로 환산할 경우 약 6.7502 m의 오차가 발생됨을 알 수 있다. In this process, the propagation propagation time calculated by
마찬가지로 이러한 클록 표류의 영향은 단방향 거리 인지 시 거의 영향을 주지 않으나 단방향 전송을 통한 TDOA(Time Difference Of Arrival) 정보 획득 시에는 동기화 후 디바이스가 신호를 전송할 때까지의 시간이 길 경우 클록 표류의 영향을 받게 된다. 물론 클록이 참조 클록에 록(lock)이 되고 주기적으로 동기화를 하면서 록이 풀어지기 전에 신호를 송수신하면 이에 대한 영향을 덜 받게 된다. Likewise, the effects of clock drift have little effect on unidirectional distance recognition, but when obtaining time difference of arrival (TDOA) information through unidirectional transmission, the effect of clock drift is long when the time between synchronization and device transmission is long. Will receive. Of course, if the clock is locked to the reference clock and periodically synchronized, sending and receiving signals before the lock is released is less affected.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시간정보 추정방법은 각각의 측위용 비콘들 및 제어부 사이의 클록의 표류 영향을 고려하여 정확한 시간정보를 획득할 수 있는 클록 표류 영향을 고려한 무선측위 시간정보 추정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Time information estimation method according to the present invention for achieving the above object radio positioning time information in consideration of the clock drift effect to obtain accurate time information in consideration of the drift effect of the clock between each of the positioning beacons and the control unit It is an object to provide an estimation method.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 클록 표류 영향을 고려한 시간정보 추정방법은, (a) 마스터 비콘이 클록 표류의 영향이 없는 위치에 설치된 제어부와의 사이의 RTT(Round Trip Time) 정보를 획득하는 단계; (b) 상기 제어부가 상기 마스터 비콘에서 획득한 RTT 정보를 이용하여 각각의 디바이스 사이의 거리에 대한 시간정보를 획득하는 단계; (c) 상기 시간정보 획득단계에 의해 획득한 시간정보에 기초하여 상기 마스터 비콘의 응답시간에 대한 보정된 응답시간 정보를 산출하는 단계; (d) 상기 보정된 응답시간 정보에 기초하여 상기 마스터 비콘과 태그 사이의 시간정보를 획득하고, 상기 마스터 비콘과 상기 태그 사이의 상기 획득된 시간정보에 기초하여 상기 태그와 각각의 슬레이브 비콘 사이의 거리에 대한 시간정보를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the time information estimation method considering the clock drift effect according to the present invention includes (a) RTT (Round Trip Time) information between a master beacon and a control unit installed at a position where the clock drift is not affected. Obtaining; (b) acquiring, by the controller, time information about a distance between each device by using the RTT information obtained from the master beacon; (c) calculating corrected response time information on the response time of the master beacon based on the time information obtained by the time information obtaining step; (d) obtaining time information between the master beacon and the tag based on the corrected response time information, and between the tag and each slave beacon based on the obtained time information between the master beacon and the tag. And obtaining time information on the distance.
바람직하게는, 상기의 클록 표류 영향을 고려한 시간정보 추정방법은 (e) 상기 태그가 상기 마스터 비콘 및 슬레이브 비콘을 포함하는 각각의 측위용 비콘들에 게 신호를 전송하면서 전송시점에서의 시각정보를 저장하며, 상기 각각의 측위용 비콘들이 수신 신호의 최초 수신 시각정보를 저장하는 단계; (f) 상기 마스터 비콘이 상기 보정된 응답시간의 처리 후에 신호를 재전송하며, 상기 태그 및 나머지 측위용 비콘들이 수신신호의 수신 시점에 대한 시각정보를 저장하는 단계; (g) 상기 태그가 기 설정된 처리 응답시간 후에 신호를 재전송하면서 전송시점에서의 시각정보를 저장하며, 상기 각각의 측위용 비콘들이 수신신호의 수신 시점에 대한 시각정보를 저장하는 단계; 및 (h) 상기 제어부가 상기 각각의 시각정보의 차이에 기초하여 상기 태그의 보정된 응답시간을 계산하는 단계를 포함한다.Preferably, the time information estimation method in consideration of the clock drift effect (e) the tag transmits the time information at the time of transmission while transmitting a signal to each positioning beacon including the master beacon and the slave beacons Storing, by the positioning beacons, initial reception time information of the received signal; (f) the master beacon retransmitting a signal after processing the corrected response time, and the tag and the remaining positioning beacons store time information about a reception point of a received signal; (g) storing the time information at the time of transmission while retransmitting the signal after a predetermined processing response time, and wherein each of the positioning beacons stores time information on the time at which the received signal is received; And (h) calculating, by the controller, the corrected response time of the tag based on the difference of the respective time information.
여기서, 상기 (h) 단계는, (i) 양방향 전송 과정을 통해 얻은 정보들로부터 상기 마스터 비콘과 상기 태그 사이의 보정된 전파 전달시간을 계산하는 단계를 포함하며, 상기 마스터 비콘의 상기 보정된 응답시간 정보에 기초하여 상기 태그의 보정된 응답시간을 계산하는 것이 바람직하다.Here, step (h) includes (i) calculating a corrected propagation propagation time between the master beacon and the tag from information obtained through a bidirectional transmission process, wherein the corrected response of the master beacon It is desirable to calculate the corrected response time of the tag based on the time information.
또한, 상기 태그와 상기 각각의 슬레이브 비콘 사이의 거리에 대한 시간정보를 획득하는 단계는, 계산된 상기 마스터 비콘과 상기 태그 사이의 보정된 전파 전달시간 및 상기 각각의 시각정보의 차이에 기초하여 획득하는 것이 바람직하다.In addition, obtaining time information on the distance between the tag and each slave beacon is obtained based on the calculated propagation propagation time between the master beacon and the tag and the difference of the respective time information. It is desirable to.
또한, 상기 (b) 단계는 다음과 같은 식에 기초하여 상기 각각의 디바이스 사이의 거리에 대한 시간정보를 획득하는 것이 바람직하다.In the step (b), it is preferable to obtain time information on the distance between the devices based on the following equation.
여기서, A는 마스터 비콘, C는 제어부를 나타낸다.Here, A represents a master beacon, and C represents a control unit.
또한, 상기 (c) 단계는 상기 제어부에서 동작되는 클록의 표류 영향이 없다고 가정하여 다음과 같은 식에 의해 상기 마스터 비콘의 응답시간에 대한 보정된 응답시간 정보를 산출하는 것이 바람직하다.Also, in the step (c), it is preferable to calculate corrected response time information for the response time of the master beacon by assuming that there is no drift effect of the clock operated by the controller.
바람직하게는, 상기 (d) 단계에 있어서, 획득되는 상기 각각의 시간정보는 다음과 같이 된다.Preferably, in the step (d), the respective time information obtained is as follows.
여기서, 상기 , , 및 는 상기 태그의 신호 전송에 대하여 상기 각각의 측위용 비콘들이 저장하는 수신신호의 최초 수신 시각정보이며, 상기 ,, , 및 는 상기 마스터 비콘의 신호 재전송에 대하여 상기 태그 및 상 기 각각의 측위용 비콘들이 저장하는 시각정보이고, 상기 , , 및 는 상기 태그의 신호 재전송에 대하여 상기 각각의 측위용 비콘들이 저장하는 시각정보를 나타낸다.Where , , And Is the initial reception time information of the received signal stored by each of the positioning beacons for the signal transmission of the tag, , , , And Is visual information stored by the tag and the positioning beacons for the signal retransmission of the master beacon, , , And Denotes visual information stored by the positioning beacons for signal retransmission of the tag.
바람직하게는, 상기 마스터 비콘의 보정된 응답시간 을 기준정보로 사용하여 상기 의 보정값 을 얻으며, 상기 보정값 에 기초하여 다음과 같이 상기 태그의 보정된 응답시간 을 산출한다.Preferably, the corrected response time of the master beacon Using as reference information Correction value To obtain the correction value Based on the corrected response time of the tag as follows To calculate.
여기서, 상기 마스터 비콘과 상기 태그 사이의 거리에 대한 시간정보는 다음과 같이 산출된다.Here, the time information on the distance between the master beacon and the tag is calculated as follows.
또한, 상기 보정된 에 기초하여 다음과 같이 보정된 을 산출한다.In addition, the corrected Based on To calculate.
바람직하게는, 상기 보정된 에 상기 슬레이브 비콘의 최초 수신 시점 정 보인 를 더하여 보정된 시각정보 를 산출한다.Preferably, the corrected Information on the initial reception time of the slave beacon Corrected visual information by adding Calculate
또한, 상기 태그와 각각의 슬레이브 비콘 사이의 거리에 대한 시간정보는 기 설정된 상기 마스터 비콘과 상기 슬레이브 비콘 사이의 거리에 대한 시간정보 , 상기 마스터 비콘과 상기 태그 사이의 거리에 대한 시간정보, 및 상기 보정된 시각정보 에 기초하여 산출된다.In addition, time information on the distance between the tag and each slave beacon is time information on the distance between the master beacon and the slave beacon preset. Time information about a distance between the master beacon and the tag, and the corrected visual information. Calculated based on
이로써, 본 발명에 따른 시간정보 추정방법은 각각의 측위용 비콘들 및 제어부 사이의 클록의 표류 영향을 고려하여 정확한 시간정보를 획득할 수 있게 된다. Thus, the time information estimation method according to the present invention can obtain accurate time information in consideration of the drift effect of the clock between each of the positioning beacons and the control unit.
본 발명에 따르면, 비콘 신호 및 태그를 이용하여 위치를 인식하는 방법에 있어서 클록의 표류 영향을 고려하여 정확한 시간정보를 추정할 수 있게 되며, 그에 따라 본 발명에 따른 클록 표류 영향을 고려한 시간정보 추정방법을 적용한 위치 인식 장치는, 태그의 위치를 정확하게 인식하는 것이 가능하게 된다.According to the present invention, in a method of recognizing a location using a beacon signal and a tag, accurate time information can be estimated in consideration of the drift effect of the clock, and accordingly, the time information estimation considering the clock drift effect according to the present invention can be estimated. The position recognizing apparatus to which the method is applied can accurately recognize the position of the tag.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 클록 표류 영향을 고려한 시간정보 추정방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of estimating time information considering a clock drift effect according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따른 클록 표류 영향을 고려한 시간정보 추정방법을 나타낸 흐름도이다. 일반적으로 TOA, TDOA 정보를 이용하여 태그의 위치를 추정하기 위해서는 세 개 이상의 고정된 측위용 비콘이 필요하다. 3 is a flowchart illustrating a method of estimating time information considering a clock drift effect according to the present invention. In general, three or more fixed positioning beacons are required to estimate the position of a tag using TOA and TDOA information.
여기서, 비콘들의 위치는 수십 센티의 거리 인지 정확도를 요구하기 때문에 실내에서 LOS가 보장되도록 설치되어야 하며 사전에 비콘의 위치, 즉 좌표를 정확히 측정하여야 한다. 본 발명에서 기술하는 측위 운용 구조는 하나의 마스터 비콘과, 두 개의 슬레이브 비콘, 그리고 수집된 정보를 이용하여 태그의 위치를 계산하기 위한 제어부로 구성하여 설명한다. 그러나 측위용 비콘들의 개수는 이에 한정된 것은 아님은 물론이다. Here, since the location of the beacons requires a distance recognition accuracy of several tens of centimeters, the beacons should be installed to ensure LOS indoors, and the position of the beacons, that is, the coordinates, should be accurately measured in advance. Positioning operation structure described in the present invention will be described by configuring a master beacon, two slave beacons, and a control unit for calculating the position of the tag using the collected information. However, the number of positioning beacons is not limited to this, of course.
이때, 측위용 비콘들 및 제어부의 위치 좌표는 사전에 정확하게 측정되어야 하고 제어부에서는 클록 표류의 영향이 없는 클록이 사용되며, 마스터 비콘과 가까운 위치에 설치되어 마스터 비콘에 사용되는 클록 표류 영향을 보정하는 기준 역할을 하게 된다. At this time, the position coordinates of the positioning beacons and the control unit must be accurately measured in advance, and the control unit uses a clock without the influence of the clock drift, and is installed at a position close to the master beacon to correct the influence of the clock drift used for the master beacons. It serves as a reference.
본 발명에서는 제어부의 클록 표류의 영향이 없다고(0 ppm) 가정하였고 모든 비콘들이 실내의 모든 태그들과 통신이 가능하다고 가정한다. 이때, 우선 마스터 비콘 A는 클록 표류의 영향으로 인한 잘못된 응답 시간 를 보정하기 위해서 마스터 비콘 A와 제어부 사이의 RTT 정보를 얻게 된다(S101). 도 4는 이에 대한 처리 과정을 나타낸다.In the present invention, it is assumed that there is no influence of the clock drift of the control unit (0 ppm), and it is assumed that all beacons can communicate with all tags in the room. At this time, the master beacon A first has an incorrect response time due to the clock drift. In order to correct the RBE information between the master beacon A and the control unit is obtained (S101). Figure 4 shows the process for this.
여기서 처리 응답 시간 는 제어부의 사전에 정해진 응답 시간으로써 수신 신호의 최초 도착 성분에 대한 시각 정보를 추정하기 위한 알고리즘 처리 및 데 이터 변/복조, 프레임 재구성 시에 필요한 시간들로 결정되기 때문에 매우 긴 시간이 요구된다. 제어부에서는 마스터 비콘 A에서 획득한 RTT 정보인 를 이용하여 수학식 3과 같이 두 디바이스 간의 거리에 대한 시간 정보를 획득할 수 있다(S103). Where processing response time Since a predetermined response time of the controller is determined by algorithm processing for estimating time information on the first arrival component of the received signal, and the time required for data modulation / demodulation and frame reconstruction, a very long time is required. The control unit is the RTT information obtained from the master beacon A By using
여기서 는 마스터 비콘 A의 클록 표류를 나타낸다. 고정된 두 디바이스간의 거리에 대한 시간 정보는 사전에 알고 있고 두 디바이스간의 거리가 짧기 때문에 거리에 따른 클록 표류의 영향은 거의 없다. 또한, 제어부에서 동작되는 클록의 표류 영향이 없다고 가정하면 마스터 비콘 A의 응답 시간 에 대한 다음과 같은 대략적인 보정된 정보를 얻을 수 있다(S105). here Represents the clock drift of the master beacon A. Time for distance between two fixed devices Because the information is known in advance and the distance between the two devices is short, there is little effect of clock drift over distance. In addition, the response time of the master beacon A assuming that there is no drift effect of the clock operated in the controller The following roughly corrected information can be obtained (S105).
예를 들어, 표 2와 같은 조건일 때, 보정된 응답시간 을 카운터 로 계산하면 다음과 같다. For example, corrected response time under the conditions shown in Table 2 Counter Calculated as
수학식 5로부터 얻은 결과를 보면 사전 정의한 응답 시간 의 카운터 값과 차이가 있음을 알 수 있으나 실제로 시간상으로는 거의 비슷하다. 도 5는 표 2의 조건하에서 응답시간에 대한 마스터 비콘 A의 클록 표류 영향을 보정한 카운터 결과를 나타낸 도면이다. 따라서, 마스터 비콘 A는 1999980번 카운팅한 후에 신호를 전송하게 된다.Looking at the results from
도 6는 사전에 제어부와 마스터 비콘간의 통신을 통해 얻은 응답 시간 정보 를 이용하여 태그의 위치를 추정하기 위해 요구되는 TOA, TDOA 정보를 획득하기 위한 처리 과정을 나타낸다. 6 is response time information obtained through communication between the control unit and the master beacon in advance Represents a process for obtaining TOA and TDOA information required for estimating the position of a tag using.
태그와 마스터 비콘 A 간의 거리를 추정하기 위해서 먼저 태그는 모든 측위 용 비콘들에게 신호를 전송하면서 전송 시점에서의 시각 정보를 저장하고 모든 측위 용 비콘들은 수신 신호의 최초 수신 시각 정보 , , 를 저장하게 된다(S107). 이때, 마스터 비콘 A는 사전 보정된 처리 응답 시간 후에 신호를 재전송하게 되고 마찬가지로 태그 및 나머지 측위 용 비콘들은 수신 신호의 수신 시점에 대한 시각 정보 ,, , 를 저장하게 된다(S109). In order to estimate the distance between the tag and the master beacon A, the tag first transmits a signal to all positioning beacons, providing visual information at the time of transmission. Store all beacons for the first received time of the received signal , , It will be stored (S107). At this time, the master beacon A is a pre-corrected processing response time The signal will be retransmitted later, and the tag and other positioning beacons will be visually informed about when the received signal was received. , , , It will be stored (S109).
최종적으로 태그는 사전 정해진 처리 응답 시간 후에 다시 한번 신호를 전송하면서 전송 시점의 시각 정보 를 저장하고, 모든 측위 용 비콘들은 이를 수신하며 이때의 수신 시점에 대한 시각 정보 , , 를 저장하게 되고(S111), 최종적으로 획득한 정보들은 제어부에 보내지며 수학식 6 내지 수학식 13과 같은 시간 정보들을 획득하게 된다. 그러나 이러한 정보들은 모두 클럭 표류 영향으로 인해 부정확한 결과이며 정확한 TOA 정보를 추정하게 위해서는 보정 과정이 필요하다.Finally, the tag has a predetermined processing response time Time information at the time of transmission while transmitting the signal again later To store all beacons for location and receive visual information , , (S111), and finally obtained information is sent to the control unit to obtain the time information, such as the equation (6) to (13). However, all of this information is inaccurate due to clock drift effects, and a corrective process is required to estimate accurate TOA information.
우선, 제어부에서는 도 7과 같이 두 번의 양방향 전송(Double Two Way) 과정을 통해 얻은 정보들로부터 마스터 비콘 A와 태그 간의 보정된 전파 전달 시간 을 계산한다(S113). 여기서, 수학식 10과 수학식 11로부터 얻은 결과들은 마 스터 비콘 A에 대한 클록 표류의 영향 및 태그의 클록 표류 영향이 포함되어 부정확한 결과를 나타낸다. First, the control unit corrects propagation propagation time between the master beacon A and the tag from information obtained through two double two way processes as shown in FIG. 7. To calculate (S113). Here, the results obtained from the equations (10) and (11) include the effects of clock drift on the master beacon A and the clock drift effect of the tag, thereby showing inaccurate results.
그러나 마스터 비콘 A의 보정된 응답 시간 을 기준 정보로 사용하여 비례식을 통해 수학식 7로부터 얻은 의 보정값을 얻을 수 있다. 또한, 보정된 를 기준 정보로 사용하여 태그의 보정된 응답 시간 을 계산한다(S115).However, calibrated response time of Master Beacon A Obtained from Equation 7 through proportional expression using The correction value can be obtained. Also, calibrated Calibrated response time for tags using To calculate (S115).
여기서, 수학식 14로부터 얻은 수정된 정보에서 보정된 응답 시간 을 빼면 태그와 마스터 비콘 A 사이의 RTT 정보인 를 얻을 수 있으며, 다음과 같은 수학식 16으로부터 수학식 17과 같은 마스터 비콘 A와 태그 사이의 거리에 대한 시간 정보를 얻을 수 있다(S117). Here, the response time corrected from the modified information obtained from
예를 들어, 표 3과 같은 조건일 때 마스터 비콘 A와 태그 사이의 거리에 대한 보정된 시간 정보를 계산하면 다음과 같다. For example, if the corrected time information on the distance between the master beacon A and the tag under the conditions shown in Table 3 is calculated as follows.
여기서 " "는 시간을 클록으로 나누고 정수형으로 바꾼 카운터를 나타내고, 이러한 변환과정에 약간의 오차가 발생될 수 있다. here " Represents a counter that divides the time into clocks and converts them to integers, which can introduce some error.
여기서 계산된 결과는 최초 수신 시점의 시각 정보가 정확하다는 가정에서 도출된 것으로써 표 3에서 주어진 두 디바이스 사이의 거리에 대한 카운팅 수와 수학식 22에서 얻은 결과가 같음을 알 수 있다. 끝으로 카운팅 수와 클록 한 주기를 곱하면 전파 도달 시간이 계산되고, 여기에 전파 속도를 곱하면 태그와 마스터 비콘 A 사이의 거리 정보를 얻을 수 있다.The calculated results are derived from the assumption that the time information at the first reception time is accurate, and it can be seen that the counting value for the distance between two devices given in Table 3 and the result obtained in Equation 22 are the same. Finally, multiplying the number of counts by one clock cycle calculates the propagation time, and multiplying it by the propagation speed yields the distance information between the tag and the master beacon A.
또한, 태그와 슬레이브 비콘 B 사이의 전파 도달 시간 정보를 얻기 위한 과정은 다음과 같다. 우선, 슬레이브 비콘 B에 저장된 수신 정보 는 도 8에 나타 낸 바와 같이, 마스터 비콘 A와 B 사이의 상이한 클록 표류의 영향으로 부정확하다. 이러한 부정확한 정보를 보정하기 위해서 수학식 14로부터 얻은 보정된 정보 와 수학식 8의 결과와의 비를 통해 보정된 를 얻을 수 있다. 물론, 는 보정된 정보이기 때문에 오차가 존재할 수 있으며 이를 통한 보정된 또한 오차가 가중될 수 있다. 도 8은 이러한 마스터 비콘 A와 슬레이브 비콘 B 사이의 TOA를 얻기 위한 처리 과정을 나타낸 도면이다.In addition, a process for obtaining propagation arrival time information between the tag and the slave beacon B is as follows. First, the reception information stored in the
수학식 24로부터 얻은 결과와 슬레이브 비콘 B의 최초 수신 시점 정보인 를 더함으로써 보정된 다음과 같은 시각정보 를 얻을 수 있다. The result obtained from Equation 24 and the initial reception time information of the slave beacon B Visual information corrected by adding Can be obtained.
최종적으로 사전에 알고 있는 마스터 비콘 A와 슬레이브 비콘 B 사이의 거리에 대한 시간 정보 , 수학식 17 및 수학식 25에서 얻은 결과들을 토대로 다음과 같은 태그와 슬레이브 비콘 B 사이의 거리에 대한 시간 정보를 얻을 수 있다. Time information about the distance between master beacon A and slave beacon B, finally known beforehand Based on the results obtained in Equations 17 and 25, time information on the distance between the following tag and the slave beacon B can be obtained.
여기서, 는 사전 정의된 응답 시간을 나타낸다. 이를 증명하기 위해서 표 4와 같은 조건일 때 마스터 비콘 A와 슬레이브 비콘 B 사이의 거리에 대한 보정된 시간 정보를 계산하면 다음과 같다. here, Represents a predefined response time. To prove this, the corrected time information on the distance between the master beacon A and the slave beacon B under the conditions shown in Table 4 is calculated as follows.
먼저 수학식 12를 통해 얻은 는 다음과 같이 계산될 수 있다. First obtained through
여기서 표 4에서 주어진 마스터 비콘 A와 슬레이브 비콘 B 사이의 거리에 대한 카운팅 수 120과 수학식 30에서 얻은 결과가 같음을 알 수 있다. 마찬가지로 슬레이브 비콘 C에 저장된 수신 정보 를 보정하기 위해서 앞서 설명한 방법과 동일하게 적용된다. 수학식 14로부터 얻은 보정된 정보 를 기준하여 비례식을 통해 보정된 를 얻을 수 있다.Here, it can be seen that the counting number 120 and the result obtained in Equation 30 for the distance between the master beacon A and the slave beacon B given in Table 4 are the same. Similarly, the received information stored in slave beacon C In the same manner as described above to correct the. Corrected Information Obtained from
또한, 수학식 21로부터 얻은 결과와 슬레이브 비콘 B의 최초 수신 시점 정보인 를 더함으로써 보정된 시각 정보 를 얻을 수 있다.In addition, the result obtained from Equation 21 and the first reception time information of the slave beacon B Visual information corrected by adding Can be obtained.
최종적으로 사전에 알고 있는 마스터 비콘 A와 슬레이브 비콘 C 사이의 거리에 대한 시간 정보 , 수학식 17 및 수학식 32에서 얻은 결과들을 토대로 태그와 슬레이브 비콘 C 사이의 거리에 대한 시간 정보를 얻을 수 있다. Time information about the distance between master beacon A and slave beacon C. Based on the results obtained in Equations 17 and 32, time information on the distance between the tag and the slave beacon C can be obtained.
또한 수학식 17, 수학식 26 및 수학식 33 으로부터 각각의 TOA 정보의 차를 구하면 수학식 34 및 수학식 35와 같은 TDOA 정보들을 얻을 수 있으며 이러한 정보를 이용하여 태그의 위치를 추정하게 된다. In addition, if the difference of each TOA information is obtained from equations (17), (26) and (33), TDOA information such as equations (34) and (35) can be obtained, and the position of the tag is estimated using this information.
최종적으로 이렇게 얻은 TOA/TDOA 정보들을 무선 측위 알고리즘에 적용함으로써 태그의 위치를 계산할 수 있다. 표 5는 능동과 수동 형태의 TDOA 획득 방법들과 제안된 TOA/TDOA 획득 방법을 비교한 것이다. Finally, the position of the tag can be calculated by applying the obtained TOA / TDOA information to the radio location algorithm. Table 5 compares the active and passive TDOA acquisition methods with the proposed TOA / TDOA acquisition methods.
표 5에 나타난 바와 같이, 제안된 정보 획득 방안은 태그가 송/수신을 해야 하기 때문에 다소 비용이 증가되고 다른 방안들보다 송/수신 횟수가 많은 단점이 있으나 TOA/TDOA 정보 모두를 사용할 수 있기 때문에 열악한 GDOP 상황에서도 거리 인지 및 측위 오차가 다른 방안보다 적다는 장점을 가지고 있다. 또한, 소비 전력 측면에서 볼 때 기존의 방안들은 주기적으로 동기화를 해야함으로 다소 많은 전력 소비가 예상된다. As shown in Table 5, the proposed information acquisition scheme is slightly more expensive because the tag has to transmit / receive, and it has more drawbacks than other schemes, but it can use both TOA / TDOA information. Even in poor GDOP situations, the distance recognition and positioning errors are smaller than other methods. In addition, in terms of power consumption, the existing schemes have to be synchronized periodically, so that more power consumption is expected.
제안된 클럭 표류를 고려한 TOA/TDOA 정보 획득 기법에 대한 성능을 검증하기 위해서 시뮬레이션 파라미터들을 표 6과 같이 설정하였다. To verify the performance of the TOA / TDOA information acquisition scheme considering the proposed clock drift, the simulation parameters are set as shown in Table 6.
기본적으로 적용된 클록의 한 주기는 0.78 ns로 설정하였고 TOA 추정 오차는 한 주기의 클록에 대한 로 설정하였다. 또한 양방향 전송을 통한 거리 인지 시 요구되는 응답 시간은 0.78 ms로 하였고 측위용 비콘들의 클록 표류는 표 6과 같이 고정하였고 태그는 에서 랜덤하게 발생시켰다. 또한, 가장 단순한 방법인 세 번의 TWR을 통한 TOA 추정 방안과 Active 태그의 OWR 기반의 TDOA 추정 방안을 제안된 방식과의 비교대상으로 선정하였다. By default, one period of the applied clock is set to 0.78 ns and the TOA estimation error is Set to. In addition, the response time required for distance recognition through bidirectional transmission was 0.78 ms, and the clock drift of positioning beacons was fixed as shown in Table 6, and the tag was Randomly generated at In addition, the simplest method, TOA estimation method through three TWRs and OWR-based TDOA estimation method of Active tag, was selected for comparison with the proposed method.
- "PROP" = 제안된 TOA/TDOA 추정 방안-"PROP" = proposed TOA / TDOA estimation method
- "CONV 1" = 세 번의 TWR을 통한 TOA 추정 방안-"
- "CONV 2" = Active 태그의 OWR 기반의 TDOA 추정 방안-"
표 6에서 제시된 는 OWR 방식의 TDOA 추정 과정에서 동기화 후 태그가 전송할 때까지 걸리는 시간을 의미한다. 도 9는 시뮬레이션을 위한 각 디바이스의 위치 설정을 나타낸다. 공정한 시뮬레이션을 위한 태그의 위치는 균일 간격으로 설정하였다. Presented in Table 6 In the TWRA estimation process of the OWR method, it means the time taken until the tag is transmitted after synchronization. 9 shows the positioning of each device for the simulation. Tag positions for fair simulation were set at uniform intervals.
도 10 내지 도 12은 TWR 시에 응답시간을 0.78 ms로 설정하였을 때 비콘과 태그 사이의 클록 표류 보정 유무에 따른 TOA 오차를 거리로 환산한 결과를 나타낸다. 도면에 나타난 바와 같이 클록 표류를 보정하지 않을 경우 최대 7 m의 오차가 발생함을 알 수 있으며 제안된 방식은 첫 번째 TOA의 오차가 다른 두 개의 TOA 정보 획득에 다소 누적 요인으로 작용하였지만 전반적으로 클록 표류의 영향이 매우 감소됐음을 알 수 있다. 10 to 12 show the result of converting the TOA error according to the presence or absence of clock drift correction between the beacon and the tag when the response time is set to 0.78 ms in TWR. As shown in the figure, it can be seen that an error of up to 7 m occurs when the clock drift is not corrected. In the proposed method, the error of the first TOA was somewhat cumulative for acquiring two different TOA information. It can be seen that the effects of drift are greatly reduced.
도 13은 각 기법들의 TOA 오차에 대한 RMSE 결과를 나타낸다. 도 13(a)는 "CONV 2"에서 동기화 후 전송 시까지의 시간 가 1 ns일 때의 성능 결과로 제안된 방식과 거의 비슷하지만, 도 13(b)와 같이 가 0.1 ms 일 경우 TOA 오차가 증가됨을 알 수 있다. 물론 "CONV 2"는 TDOA 정보만을 얻을 수 있으나 시뮬레이션 상에서 계산을 통해 TOA 정보를 얻었다.13 shows the RMSE results for the TOA error of each technique. FIG. 13 (a) shows the time from synchronization to transmission after "
도 14와 도 15는 도 13과 동일한 조건 하에서 각 기법들에 대한 TDOA 결과를 나타낸다. 여기서 "CONV 2" 기법 또한 클럭 표류의 영향으로 인해 TDOA 오차가 가중될 수 있음을 알 수 있다. 물론 동기화 과정 시에 클럭 표류가 거의 없는 제어기가 동기 신호를 전송하고 모든 비콘들은 PLL(Phase Locked Loop)을 통해 수 ms 단위로 주기적으로 록이 되고 그 사이에 태그가 신호를 전송한다면 클럭 표류에 대한 영향을 덜 받을 것이다. 14 and 15 show TDOA results for each technique under the same conditions as in FIG. 13. The "
도 16은 변화에 따른 "CONV 2" 기법에 대한 측위 성능 결과를 나타낸다. 도 16에서 가 1 ms 일 경우 측위 오차는 클록 표류 영향을 고려하지 않으면 거의 측위가 되지 않으며 가 0.1 ms 에서도 제안된 기법과 비교했을 때 성능 열화가 있음을 알 수 있다. 16 is Results of positioning performance for the "
도 17은 거리 인지 오차 변화에 따른 각 기법들에 대한 측위 성능을 비교한 것이다. 도 17에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 클록 표류 영향을 고려한 시간정보 추정방법은 거리 인지 오차가 클 경우 TOA 오차에 대한 누적이 가중되기 때문에 다른 방식들의 성능 결과에 대한 격차가 다소 감소됨을 알 수 있으나, 여전히 다른 시스템에 비하여 성능이 개선되었음을 알 수 있다. 17 is a comparison of the positioning performance for each technique according to the change in the distance perception error. As shown in FIG. 17, in the time information estimation method considering the clock drift effect according to the present invention, since the accumulation of the TOA error is increased when the distance recognition error is large, the difference in the performance result of other methods is slightly reduced. However, it can be seen that the performance is still improved compared to other systems.
도 18은 응답 시간 변화에 따른 각 기법들에 대한 측위 성능 결과를 나타낸다. "CONV 2" 기법은 OWR 방식이기 때문에 응답 시간이 존재하지 않으므로 거의 일정한 결과를 나타내는 반면에 "CONV 1" 기법은 응답 시간에 대한 클록 표류의 영향으로 응답 시간이 약 1 ms 이상일 경우 측위 오차가 증가됨을 알 수 있다. 18 shows the location performance results for each technique according to the change in response time. The "
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the present invention is not limited to the specific embodiments of the present invention without departing from the spirit of the present invention as claimed in the claims. Anyone skilled in the art can make various modifications, as well as such modifications are within the scope of the claims.
도 1은 상이한 클록 표류로 인한 카운팅 결과를 예시한 도면,1 illustrates counting results due to different clock drifts;
도 2는 거리 인지 절차를 통한 클록 표류의 영향의 예를 나타낸 도면,2 shows an example of the influence of clock drift through a distance recognition procedure;
도 3은 본 발명에 따른 클록 표류 영향을 고려한 시간정보 추정방법을 나타낸 흐름도,3 is a flowchart illustrating a method of estimating time information considering a clock drift effect according to the present invention;
도 4는 마스터 비콘과 제어부 사이의 RTT 정보를 얻기 위한 처리과정을 나타낸 도면,4 is a diagram illustrating a process for obtaining RTT information between a master beacon and a controller;
도 4는 응답시간에 대한 마스터 비콘의 클록 표류 보정 과정을 나타낸 도면,4 is a diagram illustrating a clock drift correction process of a master beacon with respect to a response time;
도 5는 응답시간에 대한 클록 표류 보정 후의 결과를 나타낸 도면,5 shows the result after clock drift correction with respect to response time;
도 6은 제어부와 마스터 비콘간의 통신을 통해 얻은 응답 시간 정보를 이용하여 태그의 위치를 추정하기 위해 요구되는 TOA(Time of Arrival), TDOA(Time Difference of Arrival) 정보를 획득하기 위한 처리 과정을 나타낸 도면,6 illustrates a process for obtaining TOA (Time of Arrival) and TDOA (Time Difference of Arrival) information required for estimating the position of a tag using response time information obtained through communication between the control unit and the master beacon. drawing,
도 7은 마스터 비콘과 태그 사이의 TOA를 얻기 위한 처리과정을 나타낸 도면,7 is a diagram illustrating a process for obtaining a TOA between a master beacon and a tag;
도 8은 마스터 비콘과 슬레이브 비콘 사이의 TOA를 얻기 위한 처리과정을 나타낸 도면,8 is a diagram illustrating a process for obtaining a TOA between a master beacon and a slave beacon;
도 9는 시뮬레이션을 위한 각 디바이스들의 위치 설정을 나타낸 도면,9 is a view showing the location of each device for the simulation,
도 10은 마스터 비콘과 태그 사이의 클록 표류 보정 유무에 따른 결과를 비교한 도면, 10 is a view comparing the results according to the presence of the clock drift correction between the master beacon and the tag,
도 11은 슬레이브 비콘과 태그 사이의 클록 표류 보정 유무에 따른 결과를 비교한 도면, 11 is a view comparing the results according to the presence of the clock drift correction between the slave beacon and the tag,
도 12는 다른 슬레이브 비콘과 태그 사이의 클록 표류 보정 유무에 따른 결과를 비교한 도면,12 is a view comparing the results according to whether there is a clock drift correction between other slave beacons and tags;
도 13은 각 기법들의 TOA 오차에 대한 RMSE(Root Mean Square Error) 결과를 나타낸 도면,FIG. 13 is a diagram illustrating root mean square error (RMS) results for TOA errors of respective techniques; FIG.
도 14는 각 기법들의 TDOA 오차에 대한 RMSE 결과(Tc=1ns)를 나타낸 도면,14 shows the RMSE result (Tc = 1 ns) for the TDOA error of each technique;
도 15는 각 기법들의 TDOA 오차에 대한 RMSE 결과(Tc=0.1ms)를 나타낸 도면,15 shows the RMSE result (Tc = 0.1 ms) for the TDOA error of each technique,
도 16은 Tc 변화에 따른 측위 성능 결과를 나타낸 도면,16 is a view showing a positioning performance results according to Tc change,
도 17은 거리 인지 오차 변화에 따른 각 기법들에 대한 측위 성능 결과를 나타낸 도면, 그리고 17 is a diagram showing the positioning performance results for each technique according to the change in distance cognition error; and
도 18은 응답시간 변화에 따른 각 기법들에 대한 측위 성능 결과를 나타낸 도면이다.18 is a diagram showing the positioning performance results for each technique according to the change in response time.
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