IEEE 802.15.4a is a working group for developing an alternative systems for low-rate and low-cost WPAN system. It is based on the UWB technology, applicable to the application in indoor communication environments, which has many advantages such as high capacity for multiple access, easiness for penetration through the wall, and low-cost transceiver and high resolution for location awareness features. Among those merits of UWB technologies, high capability for estimating the location between devices with high precision attracts much interest in both academic and industrial fields. Therefore, in IEEE 802.15.4a, Ranging is a mandatory function in most applications. In order to design an efficient ranging systems, we need to consider the following five factors: $\It{ranging accuracy, ranging acquisition time, system complexity, power consumption and cost}$. In literature, many researchers focus on improving the system performance to estimate more fine distances between devices not only by adapting the efficient TOA algorithms with ML but also by transmitting longer data transmission for ranging. In other words, to enhance the ranging process with higher accuracy increases the ranging acquisition time, system complexity or implementation cost.
In this respect, we propose an efficient low complexity and cost efficient ranging algorithm, still satisfying the reliably high ranging accuracy comparing the previous works and the novel receiver structure for fast ranging process to reduce the superfluous ranging acquisition time. With the cost-efficient ranging algorithm, we consider the possible four factors, affecting the ranging accuracy. We also take into account the other advantages of the novel receiver structure for fast ranging process.
위치 기반 정보를 이용하여 네트웍을 효율적으로 운영하고자 하는 연구가 오래 전부터 진행되어왔다. 위치 정보는 그 중요성으로 인해 실내 환경의 효율적 네트워크 구성을 위한 IEEE802.15.4a 표준화 그룹에서는 노드간 상대적 거리를 측정하는 기능인 Ranging을 핵심기술로 정의해 놓았으며 이에 많은 연구원들은 GMLR, LLR 그리고 GLRT와 같은 복잡도가 높은 알고리즘을 적용하여 거리 측정 정확도를 높이고자 많은 노력을 기울였다. 그러나, ranging 시스템을 디자인 하는데 있어서 거리 측정 정확도 뿐만 아니라 아울러 거리 측정 시간, 비용, 전력 소모량, 그리고 복잡도와 같은 요소들도 고려해야 한다. 따라서, 이 논문에서는 첫째로 저 복잡도의 Ranging 알고리즘을 제안하였다. 하나의 여분 clock 펄스 발생기와 서 개의 카운터만으로 1미터 이내의 거리 측정 정확도를 갖도록 하는 간단하면서도 효율적인 알고리즘이다. 이 알고리즘의 거리 측정 정확도를 낮추는 요소로서 동기화 에러, 두 디바이스 간 clock 주파수 편차, 한 디바이스 내에서의 두 clock의 주파수 편차, 그리고 랜덤 변수 분포로 표현되는 타이밍 지터를 고려해 볼 수 있다. 옵셋 추적 방법이나 양대칭 왕복 거리 측정 방법을 적용하였을 경우 두 디바이스 간 clock 편차를 줄일 수 있다. 또한 미세한 정확도를 갖는 DLL을 사용하여 두 개의 내부 clock의 옵셋이나 타이밍 지터로 인한 거리 측정 정확도의 약화 현상을 극복할 수 있다. 또한 본 논문에서는 적은 수의 피코넷으로 형성되어 있는 네트웍상에서 거리 측정에 걸리는 시간을 줄이기 위해서 Time Hopping 코드와 Direct Sequence 코드를 혼용하여 사용하는 방법을 제안하였다. 심볼 동기와 코드 동기 과정을 위에서 언급한 두 개의 코드로 분할하여 거리 측정에 걸리는 시간을 줄이고자 하였다. 이는 심볼 동기는 전송된 데이터열의 신호를 복원하는데에만 필요하며 거리 측정하는 데에는 필요가 없다는 점에서 출발하였다. 또한 혼용 코드를 사용하였을 경우 랜덤화를 증가시켜 Time Hopping 코드만을 사용하였을 경우에 발생하던 스펙트럼 상의 선택적 라인 발생 현상을 줄여줄 수 있는 이점 또한 가지고 있다.
