With rapid increase of interests in location-based applications for indoor environment, there has been intensive endeavors to develop accurate location estimation technology. The conventional location measurement techni such as GPS is not suitable for indoor system. This is because the existing GPS system is designed for the outdoor application system. Thus, it cannot provide an accurate estimation in indoor environment. Since there are commonly a lot of object which cause multipath fading, it is difficult to estimate the exact range. To deal with these problems, many high resolution methods have been suggested up to now, e.g., MUSIC, minimum-norm, ESPRIT, etc. However these schemes require high computational efforts to estimate the range. Even under the unfavorable circumstances, we need to find the indoor location awareness techniques with high ranging acquisition yet low computational complexity.
In this thesis, the process and problem of fundamental location sensing method are presented first. Then TOA estimation techniques are intensively studied in indoor multipath channels, including the MU-SIC and Matrix Pencil techniques. The validity of proposed methods is proved by simulation results with respect to performance. For the complexity analysis, the algorithm complexity is calculated as the total number of real operations. These validity are performed under the assumption that the transmitted signal is used as the impulse signal when the 2 tap channel model is considered. It is shown that the conventional super resolution technique (e.g., MUSIC) has high complexity, whereas the proposed ranging system model using Matrix Pencil has a very low complexity. In case of using the averaging preamble and MMSE cancelation, it can also significantly improve the performance of the TOA estimation in indoor environment. The superior performance of proposed algorithm is demonstrated by simulation result in the 802.15.4a indoor channel environment. In summary, the results from our research work show that the proposed approach can reduce the ranging error significantly with much less computational complexity. Therefore, in many cases of interest, we may argue that the proposed algorithm is a promising technique for location based applications or services.
실내 환경에서, 위치 기반 응용기술에 대한 관심이 증대하면서, 정확한 위치 추정에 관한 기술 연구가 요구되어 지고 있다. 위치 추정 알고리즘은 그 중요성으로 IEEE 802.15.4a 표준화 그룹에서도 ranging을 핵심 기술로 정의해 놓았으나, 이에 대한 기술적 연구는 아직도 적은 편이다. 현재 가장 널리 사용되며, 많이 연구된 측위 기술인 GPS는 실외 응용기술에 적용하기 위해 개발된 기술로, 수신기와 GPS위성 사이에 직접경로를 필요로 하며, 신호가 건물의 벽을 뚫지 못하여 실내환경에 적용하기에는 적합하지 않다. 또한, 실내환경은 물체나 가구등으로 인해 다중경로 환경이 만들어져서 정확한 ranging을 추정하는데 어려움이 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 MUSIC, minimum-norm, ESPRIT과 같은 고정밀도 추정 알고리즘들이 제시되어져 왔다. 하지만 이러한 추정 알고리즘은 높은 연산의 복잡도로 인해 실제 구현함에 있어서 제한 요소로 작용하게 된다. 따라서 본 논문에서는, 낮은 복잡도를 가지면서 실내환경에서도 높은 정확도를 가지는 위치 추정 알고리즘을 제안한다.
먼저, 본 논문에서는 신호 처리 연구에서 사용되고 있는 추정방식중 MUSIC과 Matrix Pencil을 기술을, TOA 추정에 적용하는 과정에 대한 자세한 설명을 붙인다. 동일한 환경에서의 2개의 알고리즘에 대한 성능 및 복잡도 분석 바탕으로, MUSIC은 Matrix Pencil에 비해 높은 정확도를 가지나, 상대적으로 또한 복잡도를 가짐을 보인다. 따라서 복잡도를 줄이기 위해 Matrix Pencil을 기반으로 하면서 실내 환경에서 적용할 수 있는 측위시스템 구조를 제안한다. 제안된 알고리즘은 IEEE 802.15.4a 에서 ranging 기술에 대해 정의된 CSS 시스템을 기반으로 하였다. 반복된 프리엠블 averaging함으로써 time diversity gain을 얻었으며, 정확한 채널추정으로 심한 다중경로로 인한 성능 열화를 막기위해 MMSE 채널 추정기를 통해 정확한 채널 추정을 가능하도록 하였다. 이를 바탕으로 Matrix Pencil을 적용한 TOA 추정을 통해 낮은 복잡도를 가지면서도 1m 내의 ranging 오차를 가지도록 설계 하였다. 제안된 시스템의 성능은 IEEE 802.15,4a 표준 채널에 의거 검증되엇으며, 연산량이 높은 MUSIC이 심한 다중경로 환경에서는 성능이 급격히 열화되며, 제안한 Matrix Pencil 기반 시스템은 적은 연산으로도 다중경로 환경에서 정확한 위치 추정이 가능함으로 보인다. 따라서 본 시스템은 IEEE 802.15.4a 기반 chirp 신호 생성과 채널사용으로 실내 환경에서의 신뢰도 높은 성능 검증을 통해 실제 기술 구현을 위한 연구 기준을 제시하였으며, 실내환경에서의 기술적 요구사항인 1m이내의 위치 추정 오차를 만족함으로써 앞으로 실내용 위치 기반 응용기술의 핵심기술로 사용될 수 있다.
