BLE를 활용한 실내 위치 측위 (1) - 왜 BLE를 사용하는가?

 

 

들어가기 앞서

제 BLE를 활용한 실내 위치 측위 시리즈는 단순히 BLE를 활용하여 실내에서 위치를 예측할 수 있는 방법을 나열하지 않습니다. 제가 연구하면서 습득한 지식과 과정을 바탕으로 어떻게 BLE가 실내 위치 측위에 사용되며, 그 과정에서 발생할 수 있는 문제점과 한계점 을 모두 다룰 예정입니다. 따라서 이 시리즈가 완성될 때까지 생각보다 많은 시간이 걸릴 수 있습니다. 감사합니다.

 

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위치 측위와 관련하여 많은 분들께 친숙한 시스템은 위성 항법 시스템(Global Positioning System, GPS)일 것이라 생각합니다. 아쉽게도 GPS는 실외에선 유효한 위치 정확도를 보이지만 실내에서 사용하기엔 큰 아쉬움이 있습니다. 이번 글에선 실내 위치 측위가 왜 필요하고, 이러한 실내 위치 측위에 왜 BLE (Bluetooth Low Energy)가 사용되는지 다뤄보겠습니다

 

만약 BLE를 잘 모르시거나 간단히 알고 싶으신 분들은 아래 링크를 참고하시면 좋을 것 같습니다.

 

Bluetooth Low Energy (BLE) 란?

 

 

왜 실내 위치측위가 필요한가?

 

스마트시티, https://zdnet.co.kr/view/?no=20181213032155

 

스마트시티라는 단어를 들어보신 적 있으신가요? 스마트시티는 다양한 유형의 전자 센서를 사용하여 수집된 데이터를 기반으로 자산과 자원을 효율적으로 관리하는 데 필요한 정보를 제공하는 도시 지역을 의미합니다 [1]. 역시 정의는 이해하기 힘들고 너무 딱딱하죠? 쉽게 말해 스마트시티는 현실에서 수집되는 여러 데이터로 도시 운영과 생활 서비스를 최적화하여 삶의 질을 향상시킵니다 [2][3]. 몇 개의 스마트시티 시나리오는 아래와 같습니다.

 

• 사람 대신 로봇이 음식과 물건을 배달한다.
• 스마트 냉장고는 용량이 부족한 음식을 자동으로 주문한다.
• 외출 중 앱을 통해 집의 난방장치를 키거나 끌 수 있다.

 

IPS application, 출저: https://www.integrasources.com/blog/bluetooth-indoor-positioning-systems/

 

이제 스마트시티에 대해 감이 좀 오실겁니다. 스마트시티의 등장에 따라 여러 분야의 기술들도 발전할 텐데요 그중 중요한 기술 중 하나가 실내 위치 측위 시스템입니다. 실내 위치 측위 시스템은 인간의 삶에서 가장 민감할 수 있는 보안, 의료 등의 분야에서 폭넓게 사용될 수 있습니다. 무선 기술을 사용한 실내 위치 측위 시스템이 개발되었다고 가정하고 몇 가지 시나리오를 알아볼까요?

 

• CCTV 설치가 제한되는 탈의실, 화장실 등의 장소에서 발생하는 도난 사건의 유력한 용의자를 알 수 있습니다. 특정 물건이 사라진 위치와 그 장소에 접근했던 사람들만 조사하면 지금보다 훨씬 수월하게 범인을 잡을 수 있습니다.
• 병원에서 의사나 간호사들이 환자들을 지속적으로 감독하지 않아도 정확한 환자의 위치를 알 수 있습니다 [4].
• 백화점과 같이 규모가 큰 건물에서 화재가 발생했을 때, 최초 발견자는 건물의 정확한 배치를 알지 못해도 신속하게 시민들을 안전한 장소로 안내할 수 있습니다 [5]. 그리고 소방관들은 안전 구역으로 이동하지 못한 시민들의 위치를 한 번에 알 수 있습니다.

 

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왜 BLE를 사용하는가?

 

 

그렇다면 실내 위치 측위에 GPS가 아닌 무선 기술을 사용하는 이유가 무엇일까요? 우선 GPS의 위치 기반 서비스는 가시선 (LoS)에 의존되어 작동됩니다. 따라서 가시선이 닿지 않는 실내 환경에서 사용하기엔 어려움이 있습니다. 또한 유효한 실내 위치 측위의 정확도 오차는 1m인 반면, GPS는 최대 5m의 위치 정확도 오차가 존재하여 실외에 비해 공간이 비좁은 실내에서 사용하는데 한계가 있습니다 [6]. 그래서 현재 무선 기술을 활용한 실내 위치 측위 시스템이 활발히 연구되고 있습니다.

 

실내 위치 측위에 사용될 수 있는 무선 기술은 와이파이, 블루투스, VLC (Visual Light Communication), RFID (Radio-Frequency Identification), UWB  (Ultra-wideband)가 있습니다 [7]. 이중 와이파이는 실내 위치 측위를 수행하기 위해 최소한의 하드웨어가 사용되므로 가장 간단한 방법입니다. 하지만 대상의 추적을 위해 지속적으로 업데이트되어 많은 양의 전력을 사용하는 실내 위치측위 시스템에서 와이파이가 사용되는 것은 무리일 수 있습니다.

 

한편 대상을 추적하는 것은 많은 양의 전력을 사용하여 빠른 배터리 고갈의 원인이 되는데, 이것이 대부분의 실내 위치측위 시스템에서 이상적이지 않습니다 [8]. 최근 Internet-of-Things (IoT)의 발전으로 비용이 저렴하고 에너지 효율적인 장치들이 많이 개발되었습니다. 대표적으로 BLE는 대부분 배터리가 필요하다는 단점이 있지만, 배터리의 비용이 저렴하고 전력 소비가 낮아 단 한개의 코인 셀 배터리로 수개월 혹은 수년동안 사용될 수 있습니다. [9]. 이러한 이유로 BLE는 실내 위치측위 시스템에서 최적의 솔루션으로 채택되었습니다 [10]. 다음 글에선 BLE를 활용하여 어떻게 위치 측위를 할 수 있을지 다뤄보겠습니다.

 

 

 

 

 

Reference

[1] Matt Hamblen, Just what IS a smart city?, https://www.computerworld.com/article/2986403/just-what-is-a-smart-city.html, 2015, Accessed: February 14, 2022
[2] Boyd Cohen, The 3 Generations Of Smart Cities, https://www.fastcompany.com/3047795/the-3-generations-of-smart-cities, 2015, Accessed: February 14, 2022
[3] T. J. H. Gracia and A. C. García, “Sustainable smart cities. Creating spaces for technological, social and business development,” Boletín Científico de las Ciencias Económico Administrativas del ICEA, vol. 6, no. 12, pp. 1–224, 2018.
[4] S. S. Saab and Z. S. Nakad, ‘‘A standalone RFID indoor positioning system using passive tags,’’ IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 5, pp. 1961–1970, May 2011
[5] R. Zhang, F. Höflinger, and L. Reindl, ‘‘Inertial sensor based indoor localization and monitoring system for emergency responders,’’ IEEE Sensors J., vol. 13, no. 2, pp. 838–848, Feb. 2013
[6] F. Zafari, “iBeacon based proximity and indoor localization system,” Master’s thesis, Dept. Comput. Inf. Technol., Purdue Univ., West Lafayette, IN, USA, 2016.
[7] J. Kunhoth, A. Karkar, S. Al-Maadeed, and A. Al-Ali, “Indoor positioning and wayfinding systems: a survey,” Human-centric Comput. Inf. Sci., vol. 10, no. 1, p. 18, 2020.
[8] S. Sadowski and P. Spachos, “RSSI-based indoor localization with the Internet of Things,” IEEE Access, vol. 6, pp. 30149–30161, 2018
[9] Y. Shen, B. Hwang, and J. P. Jeong, ‘‘Particle filtering-based indoor positioning system for beacon tag tracking,’’ IEEE Access, vol. 8, pp. 226445–226460, 2020.
[10] F. Subhan, A. Khan, S. Saleem, S. Ahmed, M. Imran, Z. Asghar and J. I. Bangash, “Experimental analysis of received signals strength in Bluetooth Low Energy (BLE) and its effect on distance and position estimation,” Transactions on Emerging Telecommunications Technologies, p. e3793, 2019.