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보고서 상세정보

고속 UWB 신호 동기획득 기반의 고정밀 무선측위 기법 개발
Development of Precise Wireless Position Location Schemes Based on Rapid UWB Signal Acquisition

  • 주관연구기관

    숭실대학교
    Soongsil University

  • 연구책임자

    신요안

  • 참여연구자

    양석철   김재운   이현욱  

  • 보고서유형

    최종보고서

  • 발행국가

    대한민국

  • 언어

    한국어

  • 발행년월

    2006-07

  • 주관부처

    정보통신부

  • 사업 관리 기관

    정보통신연구진흥원
    Institute for Information Technology Advancement

  • 등록번호

    TRKO201000017926

  • DB 구축일자

    2013-04-18

  • 초록 


    In this research, we focused on development of precise wireless position location schemes based on rapid UWB signal acquisition. ...

    In this research, we focused on development of precise wireless position location schemes based on rapid UWB signal acquisition. To achieve this goal, after analyzing UWB indoor channel models provided by IEEE 802.15.4a, we first evaluated signal acquisition performances in the UWB receiver. More specifically, we analyzed using Markov model the bit reversal search algorithm for the UWB systems based on single/double-dwell search. Based on this, we also evaluated the performance of signal acquisition according to frame time and bin spacing in IEEE 802.15.4a UWB channel environments. Moreover, considering concatenation of the signal acquisition and the demodulation in the receiver, we evaluated the BER performance of the coherent UWB systems. In low SNR condition, if generic UWB ranging scheme is applied without additional signal processing, increase of ranging error or false alarm probability is inevitable, and the position location performance may be degraded. Hence, to improve the performance of UWB signal acquisition schemes, we also presented an efficient estimation scheme to find the first arriving path and an effective signal processing scheme to minimize ranging errors caused by additive noise.
    Furthermore, to meet UWB system requirements of low power and low complexity by IEEE 802.15.4a, we proposed a simple asynchronous UWB position location algorithm. In the proposed algorithm, only a single round-trip transmission of UWB pulses is utilized based on the ToA principle. Thus, the proposed algorithm decreases power consumption and processing delay as compared to the basic ToA based on triple round-trip transmissions. In addition, unlike the TDoA algorithm, the proposed algorithm can perform the position location with low complexity since it does not require strict synchronization between multiple beacons. For the comparison of position location performances of the proposed algorithm and the basic ToA, TDoA algorithms, we performed the simulations in IEEE 802.15.4a UWB channel environments by using the coherent UWB systems. In harsh multipath channel environment with NLoS characteristics, the ranging error may increase and ranging accuracy is degraded since the first arriving path of the received UWB signal cannot be correctly measured. Hence, we also studied robust signal processing methods to improve the performance in NLoS channels, and evaluated the UWB position location performance by applying this method to the proposed algorithm.


    본 연구에서는 UWB 시스템 수신기에서의 동기획득 성능을 평가하기 위해 IEEE 802.15.4a에서 제안된 UWB 실내 무선 다중경로 채널 모델에 대한 분석을 수행하였다. 우선 효율적인 동기 알고리즘에 대해 연구하기 위해 Mark...

    본 연구에서는 UWB 시스템 수신기에서의 동기획득 성능을 평가하기 위해 IEEE 802.15.4a에서 제안된 UWB 실내 무선 다중경로 채널 모델에 대한 분석을 수행하였다. 우선 효율적인 동기 알고리즘에 대해 연구하기 위해 Markov 모델 분석을 토대로 UWB 시스템에서 일반적인 Single-Dwell 방식과 Double-Dwell 방식 기반의 Bit Reversal 탐색 알고리즘에 대해 분석하였고, 이런 탐색 알고리즘에 대해 좀더 세부적으로 분석하기 위해 IEEE 802.15.4a UWB 실내 무선 다중경로 채널 환경에서 전송 프레임 시간 및 탐색 단위 구간의 변화에 따른 동기획득 성능을 분석하였다. 또한, 고품질의 신호 검출을 통한 UWB 동기획득 정확도 향상을 검증할 수 있도록 Coherent 수신기에서 동기와 복조를 연동시키는 방안을 제시하였다. 이러한 연동 실험을 위해 Coherent UWB 수신기에서 변복조 방식을 분석하여, 효율적인 Coherent 수신기 구조를 도출하였다. 낮은 신호대잡음비(Signal-to-Noise Ratio; SNR) 상황에서 최초 도착 다중경로 성분의 위치를 추정하기 위한 추가적인 신호처리 과정없이 일반적인 Ranging 기법을 적용할 경우, Ranging 오차가 커지거나 False Alarm 발생 확률이 증가하여 최종적인 무선측위성능을 열화시키게 된다. 따라서, 본 연구에서는 Ranging 정확도 개선을 위해 수신 신호에 인가되는 잡음의 영향을 최대한 억제시킬 수 있는 효과적인 신호처리기법을 도출하였다.
    또한 본 연구에서는 IEEE 802.15.4a 국제 표준화에서 지향하고 있는 저전력 저복잡도 UWB 시스템 연구 개발 추세에 발맞추어, 간단한 형태의 UWB 펄스 송수신 과정 및 높은 정확도 기반의 효율적인 무선측위 알고리즘을 도출하였다. 먼저 IEEE 802.15.4a에서 논의된 기본적인 ToA (Time of Arrival)및 TDoA (Time Difference of Arrival) 방식 기반의 기본적인 UWB 무선측위 알고리즘 성능을 평가 및 분석하였다. 또한 상관기 기반 Coherent 시스템을 이용하여 제안된 무선측위 기법의 성능을 분석하였고 IEEE 802.15.4a UWB 실내 채널 모델을 적용하여 무선측위 성능을 분석하였다. 한편, NLoS (Non-Line of Sight)의 다중경로 채널환경에서는 Ranging 오차가 심화되며, 이러한 상황에서는 최초 도착 다중경로 성분이 잡음 레벨 아래로 묻혀버리게 되어 Ranging 정확도 성능을 심각하게 저하시키게 된다. 따라서 본 연구에서는 NLoS 다중경로 채널 환경에서 무선측위 성능을 개선하기 위한 기법을 연구하였고 기본적인 무선측위 기법 및 제안된 기법에 적용하여 그 성능을 평가 및 분석하였다.
    이런 연구를 바탕으로, 본 연구진은 SCI 논문 1편 제출, 국내학술지 논문 2편 게재, 국제학술대회 논문 1편 발표, 국내학술대회 논문 4편 발표, 대외강연 2건 발표 등의 결과물을 통해 성공적으로 연구업적을 달성하였다.


  • 목차(Contents) 

    1. 표지 ...1
    2. 제출문 ...3
    3. 요약문 ...5
    4. SUMMARY ...10
    5. 목차 ...16
    6. Contents ...18
    7. 표 목차 ...20
    8. 그림목차 ...21
    9. 제1장 서론 ...24
    10. 제2장 UWB 무선 다중경로 채널 모델 분석 ...2...
    1. 표지 ...1
    2. 제출문 ...3
    3. 요약문 ...5
    4. SUMMARY ...10
    5. 목차 ...16
    6. Contents ...18
    7. 표 목차 ...20
    8. 그림목차 ...21
    9. 제1장 서론 ...24
    10. 제2장 UWB 무선 다중경로 채널 모델 분석 ...26
    11. 제1절 IEEE 802.15.4a UWB 무선 다중경로 채널 모델 ...26
    12. 제2절 UWB 채널 모델을 위한 전형적인 채널 모델 ...27
    13. 1. Shadowing ...27
    14. 2. Power delay profile ...28
    15. 제3절 IEEE 802.15.4a UWB 채널 모델 및 파라미터 ...30
    16. 제4절 모의실험을 위해 신호처리된 채널 모델 ...37
    17. 제3장 고정밀 무선측위를 위한 고속 고신뢰의 UWB 신호 동기획득 알고리즘 ...43
    18. 제1절 Markov 모델 분석 ...48
    19. 제2절 일반적인 동기획득 기법 분석 ...50
    20. 1. Single-Dwell 기반의 Linear 및 Bit Reversal 동기획득 알고리즘 ...50
    21. 2. Double-Dwell 방식 기반의 Bit Reversal 동기획득 알고리즘 ...51
    22. 제3절 두 단계 기반의 UWB 신호 동기획득 알고리즘 ...52
    23. 1. 고속 동기획득을 위한 TSS-BS 탐색 기법 ...52
    24. 2. 고속 고신뢰의 동기획득을 위한 TSS-LS 탐색 기법 ...53
    25. 3. 두 단계 탐색 기법의 이상적인 평균 동기획득 시간 ...56
    26. 제4절 Coherent UWB 동기획득 기법과 복조 연동 ...58
    27. 제5절 모의실험 결과 및 분석 ...61
    28. 1. UWB 신호 동기획득 성능 평가 ...61
    29. 2. 신호 동기획득 기반의 UWB 복조 성능 평가 ...64
    30. 3. UWB 신호 동기획득 기법에 대한 False Alarm 확률 ...70
    31. 제4장 기본적인 UWB 무선측위 알고리즘 ...73
    32. 제5장 제안된 단일 송수신 기반의 비동기식 UWB 고정밀 무선측위 알고리즘 ...77
    33. 제1절 상관기 기반 Coherent 시스템을 이용한 무선측위 기법 ...80
    34. 제2절 모의실험 결과 ...84
    35. 1. UWB 무선측위 성능 평가를 위한 모의실험 환경 ...84
    36. 2. 제안된 UWB 무선측위 성능 평가 및 분석 ...86
    37. 제6장 NLoS 환경에서 무선측위 성능 개선을 위한 알고리즘 적용 및 성능 분석 ...89
    38. 제1절 Range Scaling Algorithm ...89
    39. 1. Range Scaling Algorithm이 적용된 무선측위 기법 성능 분석 ...93
    40. 제2절 Residual Test ...97
    41. 1. Residual Test가 적용된 무선측위 기법 성능 분석 ...100
    42. 제7장 결론 ...106
    43. 참고문헌 ...108
  • 참고문헌

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