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첩 스펙트럼 확산(CSS) 방식을 기반으로 한 실시간 위치 추적 시스템

실시간 위치 추적 시스템은 실시간으로 사물 또는 사람의 위치를 찾아주고 추적하는 시스템 또는 서비스를 말하며, 위치기반 서비스의 한 종류이다. 기존의 GPS나 이동통신망을 이용한 위치기반 서비스는 넓은 범위에서 위치 추적이 가능하나, GPS의 음영지역인 실내 등에서 활용할 때 위치 정확도에 대한 문제점이 대두된다. 그러므로 실내 및 근거리 위치 추적 기술로서 IrDA, RFID, Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth, RTLS, UWB와 같은 무선통신을 이용한 방법이 거론되고 있다. 현재 실내 및 근거리 위치 추적에 관련된 국제 및 국내 표준으로 제정된 RTLS에 대해 알아본다.

글_ 이상원, 세연테크놀로지

RFID/USN을 기반으로 물리적 공간을 전자적 공간으로 연결하여 사람, 사물, 컴퓨터를 유기적으로 네트워크화시키는 유비쿼터스(Ubiquitous) 시대가 도래함에 따라 위치인식 기반의 응용 서비스에 대한 시장의 요구에 의해 관련 기술 및 시스템이 주목을 받고 있다. 국내에서는 IT 산업뿐만 아니라 유비쿼터스 네트워킹의 핵심 분야로 예측되는 객체의 인식과 위치 추적에 관련된 기술 및 서비스 개발에 대한 연구가 필요하다.

기존 위치 추적 서비스는 GPS를 활용한 실외 환경 중심으로 개발되었지만 현재는 다양한 기술의 보급과 사용자의 요구로 인하여 실내 환경에서 위치 추적에 대한 관심과 필요성이 증가되고 있다. 실내 환경에서의 위치 추적 시스템은 다양한 분야에 활용될 수 있는데, 대표적인 예로 유통물류 분야에서의 사용자의 구매 프로세스를 추적하고 분석함으로써 다양한 서비스 제공 및 부가가치를 창출할 수 있다. 유비쿼터스가 제시하는 많은 사용자 위주의 서비스들은 사용자의 주 생활 공간인 실내에서 제공된다. 그러나 GPS와 같은 기존의 위치 추적 서비스는 실내 환경에 부적합한 특성을 보이므로 실내 환경에 적합한 위치 추적 시스템에 대한 연구들이 진행되고 있다.

실시간 위치 추적 시스템 (RTLS: Real-Time Location System)은 실시간으로 사물 또는 사람의 위치를 찾아주고 추적하는 시스템 또는 서비스를 말하며, 위치기반 서비스 (LBS: Location Based Service)의 한 종류이다. 기존에 일반적으로 사용중인 GPS (Global Positioning Service)나 이동통신망을 이용한 위치기반 서비스는 넓은 범위에서 위치 추적이 가능하나, GPS의 음영지역인 실내 등에서 활용할 때 위치 정확도에 대한 문제점이 대두된다. 그러므로 실내 및 근거리 위치 추적 기술로서 IrDA, RFID, Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth, RTLS, UWB와 같은 무선통신을 이용한 방법이 거론되고 있다. 현재 실내 및 근거리 위치 추적에 관련된 국제 및 국내 표준으로 제정된 RTLS에 대해 알아보고자 한다.

실내에서의 실시간 위치 추적

실내 위치 인식 방법은 크게 클라이언트 기반 (Client Based Design)과 기준 노드 기반 (Beacon Based)의 두 가지 방식으로 나눌 수 있다. 클라이언트 기반은 W-LAN의 Fingerprint와 같은 방식으로 AP (Access Point)에서 클라이언트에게 전파를 송신하여 위치를 결정하는 방식이다. 기준 노드 기반 방식은 Beacon의 신호세기/신호방향/전파시간차를 이용하여 위치를 결정한다. 기준 노드의 변위에 따라 Fixed/Moving/Beacon Free 등으로 구분되며, Beacon으로부터 수신된 전파에 따라 거리 기반 (Range Based)방식과 거리 독립 (Range Free)방식으로 구분되며, 거리 기반 방식의 위치 측정은 삼각측량법 등이 쓰이고, 거리 독립 방식은 셀 단위의 좌표 분류에 의해 위치를 측정한다.

일반적으로 많이 사용되는 위치 추정 방법은 다음과 같다. 가장 기본이 되는 것은 Beacon 신호의 유무로 존재 범위를 측정하는 Proximity Sensing 방법이다. 초창기 이동통신에서 기지국의 위치로 단말기 사용자의 위치를 알려주는 서비스가 이 방식에 해당한다. Lateration 방식은 복수점에서 대상까지 파일럿 신호의 도착 시간 차이, 신호 강도 차이를 계산하여 위치를 추정하는 방식으로 일반적으로 가장 많이 사용되며 주로 삼각측량법을 활용한다. Angulation은 복수점에서 대상까지의 방위 (각도)를 계측해 위치를 추정하는 방식이며, Dead Reckoning은 기존 위치로부터의 방위와 거리를 계산해 위치를 추정하는 방식이다. 마지막으로 Computer Vision은 화상정보 데이터를 처리하여 위치를 추정하는 Image Processing 방식이다.

위에 거론한 전파의 신호 강도 차이를 이용하여 거리를 측정하는 방식을 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 위치 측정이라고 한다. 그림 1과 같이 거리에 의해 전파 강도의 감쇠로부터 각 발신기와 수신기의 거리를 산출하며, 멀티 패스나 노이즈가 측정 정밀도에 영향을 주는 특징이 있다. 도착 시간 차이를 이용하여 거리를 측정하는 방식을 ToA (Time of Arrival)라 하며, 그림 2와 같이 발신 시간과 도착 시간의 차이를 측정해 거리를 산출한다. Beacon 발신기와 수신기의 사이에 고정밀의 시간 동기가 필요하며, 전파 또는 초음파를 이용한다. 대표적인 ToA 방식의 시스템으로는 GPS가 있다.

TDoA (Time Difference of Arrival) 방식은 그림 3과 같이 Beacon 발신기의 신호 (전파 또는 초음파)를 복수의 포인트에서 수신해서 각 개소의 도달 시간 차이로부터 거리를 산출하는 방법이다. 발신기와 수신기간의 시간 동기가 필요하며, 수신기 간의 시간 동기도 필요하며, ToA와는 달리 수신된 시간차만을 측정하기 때문에 ToA보다 구현이 쉽다는 장점이 있다. 초음파를 기반으로 한 위치 측정 방법은 그림 4와 같이 초음파 수신기를 천정이나 벽 등에 1~2미터 간격으로 설치한 후 사용자나 물건에 부착된 발신기에서 초음파 신호를 발신하여 위치를 측정하며, 정밀도는 약 5cm로 좋으나 구축 비용이 많이 들고 환경의 영향에 취약하다는 단점이 있다. Wi-Fi 기반의 위치 측정 방법은 그림 5와 같이 기준 노드 방식을 사용하며 거리 측정은 RSSI와 TDoA 방식을 병합하여 사용한다. 이 경우 TDoA 방식은 멀티 패스나 장애물의 영향을 적게 받지만, 2.4GHz 대역을 사용하는 블루투스나 ZigBee와 같은 이기종 제품들의 전파 영향에 의해 정밀도가 떨어지는 단점이 있다.

RTLS는 그림 6과 같이 RTLS Reader, Base Station, RTLS Transmitter, Exciter와 Base Station Server로 구성되며, 동작 원리는 다음과 같다. Transmitter가 각 RTLS Reader와 통신하여 거리를 측정하고 그 값을 Base Station에 전달하고 Base Station Server는 각 Base Station으로부터 데이터를 수집한다. Base Station Server에서는 RTLS Engine이 수집한 데이터를 기초로 RTLS Transmitter의 위치를 계산하고 계산된 위치 정보를 Web Server나 DB Server에 전송하고, 이용자들은 Web이나 Client Application을 이용하여 위치 정보를 이용하게 된다. 그림에서 Exciter는 RTLS가 구현되는 지역에 Transmitter가 진입할 시에 동작시키도록 하는 역할을 하나 반드시 필요한 사항은 아니다.

국제 표준 및 구성

RTLS에 관련된 표준은 표 1과 같으며, ISO/IEC 24730-1의 API는 소프트웨어 애플리케이션이 RTLS 송신기가 부착되어 있는 자산의 위치를 파악하기 위한 RTLS 구조를 이용할 수 있도록 한다. 이 규격은 애플리케이션 소프트웨어가 RTLS 구조로부터 수신한 RTLS 태그 블링크에 포함된 정보를 수집하기 위한 프로그래밍 언어의 기능을 사용하는 경계를 정의한다. ISO/IEC 24730-2의 2.4GHz 에어 인터페이스 프로토콜에 대한 규격은 X-Y 좌표와 데이터 원격 측정(telemetry) 데이터를 제공하는 네트워크화된 위치추적 시스템을 정의한다. 이 시스템은 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 방식의 무선 주파수 표지 신호를 자율적으로 발생하는 RTLS 송신기를 이용한다. 이 장치는 현장에서 프로그램 가능하며 RTLS 장치의 위치 추적과 위치 갱신 빈도의 수정을 허용하는 선택 사양의 여진기(exciter) 모드를 지원한다. 이 규격은 또한 이 모드를 정의하지만 어떻게 수행할 것인지 방법에 대해서는 정의하지 않는다.

ISO/IEC 24730-5는 2.4GHz 첩 스펙트럼 확산에 대한 규격은 다중경로와 방해 전파가 심각한 실내 환경에서도 정밀한 위치측정 및 견고한 데이터 통신을 가능하게 하는 첩 스펙트럼 확산(CSS : Chirp Spread Spectrum) 기술 방식을 이용한 에어 인터페이스 프로토콜이며, 현재 위원회 초안(CD : Committee Draft) 단계이다.

RTLS 에어 인터페이스 프로토콜은 ISO/IEC 24730-2는 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 방식을 ISO/IEC 24730-5는 첩 스펙트럼 확산을 사용한다. CSS 방식의 특징은 간섭과 멀티 패스에 강하며 긴 인식거리와 짧은 접속 시간 또한 정확한 거리 측정이 가능하다. DSSS와 CSS 방식에 대한 주요 특징을 표 2에 나타냈다.

RTLS Software는 그림 7과 같이 구성된다. RTLS Engine Software는 Application의 Tracker와 Finder의 정확성을 올리기 위해 측위 기술 및 필터 기법을 적용한 엔진과 Base Station 및 RTLS Reader의 설정 및 시스템 관리를 위한 Interface를 제공하는 Web과 Application API, RTLS가 구축된 장소를 관리하기 위한 Site Survey API, RTLS 장비를 관리하기 위한 Device API로 구성된다. Application Software는 시간별 RTLS Transmitter의 위치를 추적하여 궤적을 표시하는 Tracker와 현재 위치를 표시하는 Finder로 구성된다.

다양한 응용 방안

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RTLS의 응용 분야는 물류 및 창고 관리, 병원의 환자 및 자산관리, 야적지의 자산 관리, 댁내 환경에서 방재, 위치인식 지능형 로봇 도우미, 어린이 안전사고 예방, 실시간 신체관리 모니터링을 통한 u-Health 서비스 등 다양하다.

물류 및 창고 관리 분야에서 컨테이너, 팔레트, 부품, 장비 등에 RTLS를 적용할 경우 생산관리, 재고통제, 완성품 저장 및 위치검색 등의 서비스를 통하여 업무 효율화를 기대할 수 있다. 병원관리에 있어서도 환자와 의사의 위치를 추적하여 위급 상황 발생시 즉각적인 대처가 가능하고 환자들의 병원이탈에 대한 대처도 즉시 가능하므로 환자에 대한 서비스 및 관리의 효율화가 증대되며 또한 고가의 병원 자산에 대한 정보를 실시간으로 추적 및 관리함으로써 고객 만족도 및 업무 프로세스가 증진된다.

넓은 야적장에 위치한 방대한 자재나 반제품에 대한 관리도 실시간 위치 모니터링을 통해 정확한 자재파악과 선입고 및 선출고 프로세스가 가능하여 장기방치 및 손실을 줄여 자재 관리의 효율성을 높인다.

또한 놀이공원과 백화점 등의 미아 방지 등에도 활용할 수도 있다. 보안 분야에 있어서도 건물 내 사람 및 중요 자산의 이동 정보를 실시간 추적함으로써 보안 관리 및 자산의 효율적 운용이 가능하며 건물 내 보안 등급을 설정하여 허가받지 않은 사용자를 제재하는 보안 업무뿐만 아니라 안전사고도 사전에 방지할 수 있다.

*세연테크놀로지㈜ 소개
세연테크놀로지는 2001년에 RFID 리더기 개발 업체로 설립되어 주파수 전대역에 걸쳐 30종 이상의 리더기를 자체 개발하였다. 2007년부터는 USN 기술 또한 자체 개발 확보하여 국내외에 판매하고 있는 RFID/USN 전문기업으로 성장하고 있다.

아이씨엔 매거진 2008년 06월호

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