Tech Issue 01 - 이동통신신호(LTE, 5G 등)를 이용한 보행자 및 차량 위치인식 기술
Tech Issue 01은 공공기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 글. 이택진 책임연구원
한국과학기술연구원 센서시스템연구센터
본 기술은 보행자 및 차량의 위치를 인식하는 기술로, 특히 GPS가 작동하지 않는 환경에서 RF신호의 공간패턴(Spacial Pattern)을 이용하여 위치를 인식하는 기술이다.
본 기술은 BLE, WiFi 같은 협역네트워크 신호와 LoRa, LTE, 5G와 같은 광역네트워크 신호에 모두 적용할 수 있다.
기존 위치인식 기술 대비 정확성을 크게 향상하고, 매우 나쁜 RF 환경 혹은 매우 적은 수의 신호원만 활용 가능한 환경에서도 우수한 측위 성능을 보이며, 안정적인 측위 성능을 유지할 수 있다.
본 기술은 태그(Tag) 타입 모듈, 워치 타입 모듈 및 일반 스마트 디바이스에 모두 적용할 수 있다.
현재의 차량항법 기술은 전적으로 위성항법시스템(GNSS01, Global Navigation Satellite System)에 의존하고 있다.
GNSS는 약 20,000㎞ 상공에 있는 항법위성의 신호를 이용하기 때문에 GNSS 신호 수신이 원활하지 않은 도심, 지하, 터널, 실내 등의 환경에서는 항법서비스의 이용이 불가능하다.
보행자항법 기술 역시 GNSS에 의존하기 때문에 차량항법 기술과 같은 문제를 갖고 있다.
구글 및 통신사에서는 보행자를 위한 실내 항법서비스를 위해 WiFi 신호를 이용하는 기술을 이용하고 있다.
해당 기술은 크게 두 가지로 나뉘는데, 하나는 WiFi 신호세기를 거리로 변환하여 삼각측량을 하는 것이고, 다른 하나는 핑거프린팅(Finger Printing) 기법이다.
그러나 RF신호 신호세기 측정치의 잡음수준이 매우 크고, 실내 환경에서는 전파의 직진성 보장이 어렵기 때문에, 삼각측량보다는 핑거프린팅을 많이 이용하고 있다.
RF신호의 핑거프린팅 기술은 RF신호의 신호세기를 사전에 데이터베이스화하고, 사용자의 RF 신호세기와 데이터베이스를 비교하여 가장 잘 매칭되는 사용자의 위치를 추정하는 기술이다.
RF신호에 대한 핑거프린팅 기법은 몇 가지 이유로 그 사용이 제한적이다. 첫 번째는 데이터베이스 생성의 어려움이다.
특히 RF 신호세기 맵에 대한 유지 및 보수가 쉽지 않다는 점이다. RF 신호세기 맵의 경우 환경 변화 혹은 RF 채널 환경 변화에 의해 쉽게 왜곡 또는 변화될 가능성이 높다.
이에 대해서는 일반 사용자들의 정보를 이용하는 크라우드 소싱(Crowd Sourcing) 기법으로 해결하고자 하나, RF신호의 퀄리티에 대한 모니터링이 어려워 구현이 쉽지 않은 상황이다.
이는 기술 혹은 시스템의 신뢰성과 가용성을 동시에 저하시킨다.
두 번째는 정확도에 대한 문제로, RF신호 신호세기 측정치의 경우 두 가지 문제를 안고 있다.
하나는 잡음수준이 높다는 점이고, 다른 하나는 신호세기가 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 거리가 멀어질 경우 거리에 따른 변별력이 약해진다는 점이다. 이를 보완하기 위해서는 많은 수의 RF 신호원이 필요하다.
RF 신호원의 개수가 충분하지 않을 경우 정확성이 급격히 저하되는 문제가 있다. 이로 인해 RF 환경에 따라 위치 정확도가 급격히 달라져 서비스 적용이 쉽지 않은 상황이다.
세 번째 문제는 두 번째 문제와 연계되어 있는데 RF 신호원으로부터 거리가 멀어질 경우 거리에 따른 변별력이 약해지고 이로 인해 정확도 저하와 함께 위치인식 서비스의 가용성 약화가 필연적이라는 점이다.
거리에 따른 신호세기 변별력 저하 문제는 그동안 RF 신호세기 기반 핑거프린팅 기법이 BLE 또는 WiFi와 같은 협역네트워크에는 적용되나, LTE 등 광역 네트워크에는 적용되지 못했던 이유가 된다.
본 기술은 두 가지 단계로 이루어지는데, 하나는 그림 1과 같이 RF 신호 신호세기 변화값을 사용자의 이동에 따른 공간 축에 대해 누적하면서 생긴 공간패턴을 생성하는 것이다.
이때 중요한 점은 사용자의 측정치는 시간 도메인으로 누적된다는 것인데, 이를 공간 도메인으로 변환하여 누적하는 것이 매우 중요하다.
다른 하나는 누적된 사용자의 공간패턴을 데이터베이스에 있는 패턴과 상관성 비교를 통해 최적의 매칭지점을 찾는 것이다.
본 기술에서는 이를 표면 상관관계(Surface Correlation)이라고 부른다. 이때 중요한 점은 데이터베이스에 있는 전파맵(Radio Map)은 공간적인 패턴을 형성하지 않고, RF 신호원에 대한 패턴을 형성한다는 것이다.
데이터베이스의 신호원에 대한 패턴을 공간패턴으로 변화하기 위해 사용자의 예상 궤적에 대해 능동적으로 공간패턴을 구성·재구성하는 방식을 사용하였다.
해당 기술은 크게 두 가지 방법으로 구현이 가능하다.
첫째는 스마트폰과 같은 디바이스에 적용하는 것이다. 일반적으로 스마트폰을 기반으로 하는 서비스는 내비게이션이 대표적이다.
현재 차량용 내비게이션의 경우, GNSS를 기반으로 하기 때문에 도심의 빌딩숲 부근, 터널, 지하차도, 지하주차장 등에서는 내비게이션 서비스를 이용할 수 없다. 보행자용 내비게이션의 경우는 WiFi를 이용하는 방법이 상용화되어 있다.
그러나 WiFi 네트워크의 신호 도달범위가 너무 좋아, 활용성에 제약이 있는 것이 사실이다.
특히 WiFi 네트워크가 없는 지하주차장 등에서는 보행자용 내비게이션이 동작하지 않는다.
본 기술은 협역 네트워크뿐만 아니라, 광역 네트워크에 대해서도 적용이 가능하다.
그림 3은 바르셀로나 구도심 지역이다. 해당 지역은 매우 좁은 길로 구성되어 일반적으로 GPS 상태가 좋지 않아 GPS 기반 내비게이션의 정확도가 매우 떨어지는 지역이다.
해당 지역에서 스마트폰(삼성 갤럭시 S9)을 이용하는 보행자를 위한 LTE 기반 측위 시험을 수행하였다.
총 4가지 측위 방법으로 보행자의 위치를 추정하고, 이를 그림 4에 도시하였다.
(a)는 스마트폰에서 제공되는 GPS 위치를 도시한 것이고, (b)는 LTE 측정치 기반 핑거프린트 기법 중 KNN을 사용한 것이다.
(c)는 PDR과 LTE 핑거프린팅 기술이 결합한 파티클 필터(Particle Filter)를 사용한 것이고, (d)는 본 기술인 표면 상관관계 기반 측위 결과이다.
그림 5는 측위방법별 측위 오차를 나타내는데, 표면 상관관계 기술이 가장 우수한 성능을 보이며, 특히 초기 위치 오차를 제외한 위치 오차는 대략 5m 수준을 보인다.
해당 기술의 두 번째 구현 방법은 독자 단말에 구현SC하는 것이다. 위치인식 전용 단말의 경우 활용 분야에 적합한 RF 시스템을 사용할 수 있으며, 특히 서버 기반으로 사용자를 모니터링하기에 적합한 형태이다.
주로 작업자의 위치 기반 안전관리, 위치 기반 작업 효율화 등에 적용 가능하며, 스마트공장, 스마트물류센터, 산업 현장 등이 주된 활용 분야가 된다.
그림 6은 자체 제작한 위치 인식 전용 태그 타입 단말이다. BLE신호를 사용하며, 서버에서 사용자의 위치를 모니터링할 수 있도록 개발되었다.
그림 7처럼 지게차 제조 공장에서 측위 시험을 진행하였다. 실험 공간은 대략 가로 78m, 세로 35m이며, BLE와 LoRa 비콘을 각각 4개 설치하였다.
이 글에서는 BLE 실험 결과만을 도시한다(LoRa 실험 결과도 BLE 실험 결과와 매우 유사하다).
그림 8은 BLE 단말을 장착한 사용자의 이동 궤적(a)과 이에 따른 KNN(파란색)과 표면 상관관계(SC) 측위에 따른 위치 오차(b)를 보인다.
KNN 기법의 평균 위치 오차는 14m에 달하나, 표면 상관관계 기법의 평균 위치 오차는 2m 수준이다.
표면 상관관계 기술은 RF신호의 공간 패턴을 이용하는 기술로 특히 LTE 등 광역 네트워크 신호를 기반으로 수 미터 수준의 위치 인식을 가능하게 하는 세계 최초의 기술이다.
한국과학기술연구원은 해당 기술중, 모바일 단말을 이용한 차량항법 서비스에 대한 상용화 작업을 진행 중이다.
그 외 독자 단말을 이용하는 측위 방법에 대해서도 독자 시제품을 제작하며 상용화를 위한 기술개발을 진행하고 있다.
한국과학기술연구원에서는 해당 기술에 대해 총 6건의 국내 특허를 출원했으며, 이 중 2건은 등록되었고, 4건은 심사 중이다.
해당 기술에 대해서는 모두 PCT 출원되었고, 해외 특허출원 역시 준비 중이다.
기존 위치인식 기술인 GNSS와 WiFi 기반 측위시스템 모두 가용성에 제약이 매우 크다.
GNSS는 위성신호가 도달하지 못하는 곳에서 사용이 불가능하고, WiFi 측위시스템 역시 WiFi가 설치된 지역에서만 활용이 가능하다.
한국과학기술연구원에서 개발하고 있는 LTE 기반 표면 상관관계 측위 기술의 경우 LTE 통신 가용성이 국내 기준 100%에 근접함을 고려할 때, 이론상 가용성이 100%에 근접할 수 있음을 알 수 있다.
특히 기존 항법서비스 제공이 불가능했던 터널, 지하차도, 지하주차장 및 실내 환경에 대해서 연속적으로(Seamless) 서비스 제공이 가능할 수 있어, 항법서비스를 높은 가용성, 높은 정확도와 높은 신뢰성을 갖고 제공할 수 있을 것이다.
01 GPS는 미국의 GNSS