[Paper Review] 실내 위치 측위 정확도를 높이기 위해 고려해야 할 요소들

 

오늘 리뷰할 논문은 "Analysis of Bluetooth Low Energy (BLE) based Indoor Localization System with Multiple Transmission Power Levels" 입니다.

 

Analysis of Bluetooth Low Energy (BLE) Based Indoor Localization System with Multiple Transmission Power Levels

 

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요약

최근 Bluetooth Low Energy (BLE)의 Received Signal Strength (RSS)를 활용한 실내 위치 측위 관련 연구들이 활발히 진행되고 있습니다. 이러한 연구들을 평가하는 중요 지표 중 하나는 당연히 위치 정확도입니다. 많은 선행 연구에서 불안정한 RSS의 전처리, 머신러닝 기법 적용, 실험 환경 셋팅 등 위치 정확도를 높이기 위한 다양한 방법들이 제시되었습니다. 이 논문은 BLE의 Transmission Power Level을 기반으로 실내 위치 측위 정확도에 영향을 줄 수 있는 요소들을  분석합니다. 관련 특징들은 아래와 같습니다.

 

• 비콘 메시지 (광고 패킷) 수신 간격 (Advertising Interval)
  • 비콘 메시지의 수신 시간 간격 (현재 비콘 메시지의 수신 시간 - 이전 비콘 메시지의 수신 시간)
• 비콘 메시지 스캔 간격 (Scanning Interval)
  • 비콘 메시지의 스캔 시간 간격 (현재 스캔 시간 - 이전 스캔 시간)
• 기기의 방향 (Device Orientation)
  • 송신기의 방향 (각도)
• 거리 (Distance)
  • 송신기와 수신기 사이의 거리
• Line of Sight (LOS)
  • 송신기와 수신기가 한 눈에 보이는 상태 (둘 사이에 벽, 장애물 등이 없는 상태)
• Non-Line of Sight (NLOS)
  • 송신기와 수신기가 한 눈에 보이지않는 상태 (둘 사이에 벽, 장애물 등이 있는 상태)

 

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Transmission Power Level이란?

 

출처: [1]

 

 

Transmission Power Level은 송신 전력 (Transmission Power)의 세기에 따라 위 그림과 같이 9단계로 구성됩니다. 송신 전력이 강할수록 RSS 값이 커지고 비콘 신호를 전송할 수 있는 범위가 넓어집니다. 반대로 송신 전력이 약할수록 RSS 값은 작아지고 비콘 신호를 전송할 수 있는 범위가 짧아집니다.

 

+ Transmission Power Level (=Transmit Power Control, Broadcating Power)

+ 비콘 메시지의 속성 중 하나인 Transmission Power (=Measured Power)와 같은 것으로 오해하실 수 있습니다. 하지만 둘은 전혀 다릅니다. 나중에 자세히 다뤄보겠습니다.

+ 모든 BLE 기기가 위 그림처럼 9단계의 Transmission Power Level을 가지지 않습니다. BLE 기기의 종류나 제작 업체별로 다를 수 있습니다. 이 논문은 실험을 위해 아래 Estimote를 사용했습니다.

 

Estimote SpaceTimeOS

 

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실험 환경

 

출처: [1]

 

• 비콘 메시지를 수신하는 9개의 BLE Anchor $ A_{1} $~$ A_{9} $와 주변 비콘 메시지를 스캔하는 3개의 Tag  $ T_{1} $~$ T_{3} $이 실내 환경에 배치되어 움직이지 않습니다.
• $ A_{1} $~$ A_{6} $은 LOS, $ A_{7} $~$ A_{9} $는 NLOS에 배치되어 있습니다. 
• Tag의 Scanning Interval은 1초입니다.
• 실내 위치 측위에 사용될 RSS 데이터는 60초간 수집되며 전처리 과정은 없습니다.
• 실내 위치 측위를 위해 삼변측량 기법을 사용합니다. 만약 삼변측량 기법을 간단히 알고싶으신 분들은 아래 링크를 참고해주세요.

BLE를 활용한 실내 위치 측위 (4) - 삼변측량 기법을 사용하기 위한 예비지식

 

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실험 결과

A. Transmission Power Level에 따른 영향

출처: [1]

 

위 그림은 다른 Transmission Power Level에서 수신된 비콘 메시지의 거리별 RSS 값을 비교합니다.

 

송신 전력이 약할수록 비콘 메시지를 전송할 수 있는 거리가 줄어들고, RSS의 표준 편차가 커지는 경향이 있습니다 (=RSS가 더욱 불안정하다). 또한 송신 전력이 강할 때보다 약할 때 RSS 값이 작은 것을 확인할 수 있습니다.

 

따라서 송신 전력이 강할수록 더 나은 실내 위치 정확도를 얻을 수 있습니다.

 

 

 

B. 비콘 메시지 수신 간격에 따른 영향

출처: [1]

 

위 그림은 다른 Transmission Power Level에서 100ms, 200ms, 500ms의 시간 간격으로 수신된 비콘 메시지의 거리별 RSS 값을 비교합니다 (x축은 각 거리별 비콘 메시지의 수신 간격이며 단위는 ms입니다).

 

비콘 메시지의 수신 간격이 500ms에 가까워지고 송신 전력이 약할수록 RSS의 표준 편차가 커지는 경향이 있습니다. 그리고 우리가 실험 환경에서 설정한 Scanning Interval은 1초였습니다. 설정된 Scanning Interval보다 빠른 간격으로 비콘 메시지가 수신되면 안정적으로 수신되는 비콘 메시지의 수가 줄어들 수 있습니다. 즉 모든 경우에서 100ms의 실내 위치 측위 정확도가 높은 것은 아닙니다.

 

논문에선 안정적인 실내 위치 측위 정확도를 위해 200ms의 시간 간격을 선택했습니다.

 

 

 

C. 기기 방향에 따른 영향

출처: [1]

위 그림은 각 Transmission Power Level에서 다른 각도로 놓여진 BLE Anchor가 방송한 비콘 메시지의 거리별 RSS 값을 비교합니다.

 

다른 각도로 방송된 비콘 메시지의 RSS 값은 송신 전력이 클수록 표준 편차가 작은 경향이 있습니다. 하지만 전체적으로 RSS 값의 변동이 크지 않습니다 (평균 1dBm 차이이며 가장 큰 경우가 3dBm 차이입니다).

 

따라서 BLE Anchor의 각도는 실내 위치 측위 정확도에 미미한 영향을 끼치는 것으로 보입니다. 특히 실험에 사용된 BLE Anchor의 크기가 작을수록 정확도에 끼치는 영향은 더욱 적습니다.

 

 

 

D. LOS/NLOS의 영향

출처: [1]

위 그림은 LOS/NLOS에서 다른 Transmission Power Level로 방송된 비콘 메시지의 거리별 RSS 값을 비교합니다.

 

거리가 가장 가까운 1m 경우에서도 NLOS의 RSS 값은 LOS의 RSS 값에 비해 크게 감쇠되었습니다. 그리고 전체적으로 NLOS의 경우 LOS보다 RSS의 표준편차가 큰 경향이 있습니다.

 

당연하게도 LOS의 경우 더 높은 실내 위치 측위 정확도를 얻을 수 있습니다.

 

 

 

E. 기기의 밀집(개수)에 따른 영향

출처: [1]

위 그림은 다른 개수의 BLE Anchor를 사용한 실내 위치 측위에서 각 Transmission Power Level별로 발생한 위치 정확도 오차를 비교합니다. 실내 위치 측위에 사용된 BLE Anchor들은 Tag와 가장 가까운 것으로 선택하였습니다.

 

가장 위치 정확도 오차가 낮은 경우는 2.2m로 10 dBm에서 4개의 BLE Anchor를 사용한 경우입니다. 그리고 같은 조건에서 BLE Anchor의 개수가 많아질수록 더욱 큰 오차가 발생합니다. 그리고 전체적으로 BLE Anchor의 개수가 많아질수록 높은 위치 오차를 보입니다.

 

BLE Anchor의 개수가 많을수록 Tag와 거리가 먼 BLE Anchor와  낮은 송신 전력을 가진 BLE Anchor가 실내 위치 측위에 사용될 확률이 커질 수 있습니다. 따라서 단순히 Anchor의 개수만 많다고해서 정확도가 높은 것은 아닙니다. 

 

 

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정리

우리는 오늘 실내 위치 측위 정확도에 영향을 줄 수 있는 여러 실험 환경 요소들을 알아보았습니다. 5개의 실험 결과에서 나온 결론이 모든 경우에서 높은 실내 위치 측위 정확도를 보장해주지 않습니다. 따라서 무작정 위에서 도출된 가장 정확도가 높은 실험 환경을 따라하는 것은 절대 옳지 않습니다. 중요한 것은 우리가 진행할 실험에서 어떻게 실내 위치 측위 정확도를 높일 수 있을지 이 논문을 기반으로 고민해보는 것이죠. 관련 분야를 연구하고 계신 분들께 이 글이 도움이 되셨으면 좋겠습니다.

 

 

Reference

[1] U. M. Qureshi, Z. Umair, Y. Duan, and G. P. Hancke, “Analysis of bluetooth low energy (BLE) based indoor localization system with multiple transmission power levels,” in Proc. IEEE 27th Int. Symp. Ind. Electron. (ISIE), Jun. 2018, pp. 1302–1307.