전자파를 이용한 위치 측정 원리는 신호 강도, 도래각/이탈각, 비행시간 등의 방식으로 나뉘며, 이를 통해 위치 측정 정확도가 향상됩니다.

전자파 신호 강도

신호 강도를 사용하여 거리 측정 및 위치 측정을 수행하는 일반적인 기술로는 BLE와 Wi-Fi 위치 측정이 있습니다. 예를 들어, 블루투스 태그가 정보를 브로드캐스트하면 블루투스 게이트웨이가 이를 수신합니다. 게이트웨이는 이 데이터를 서버로 다시 전송하고, 서버는 비콘이나 추적기의 위치를 계산합니다. 이 방법은 지점 위치(존재 감지) 또는 삼각 측량일 수 있습니다. 또한, 블루투스 태그를 통해 신호를 전송하고 추적기가 이를 수신하여 전달할 수도 있습니다.

우리 회사의 B-모바일 그리고 B-고정 시스템은 이 방식을 채택합니다. Bluetooth 게이트웨이는 다음과 같습니다. LoRa 블루투스 게이트웨이, NB-IoT 블루투스 게이트웨이.

기술	정확성	거리	전력 소비
BLE	1~3m	< 150m	5mA
와이파이	10~15m	< 100m	100~200mA

AoA 및 AoD 위치 기술

위치 추정 대상 단말기의 상향링크 및 하향링크 모드의 차이에 따라, 고정밀 블루투스 위치 추정은 AoA(Angle of Arrival)와 AoD(Angle of Departure)의 두 가지 기술 원리로 구분할 수 있습니다. AoA는 단일 안테나를 사용하여 방향 탐지 신호를 전송하고, 수신 장치에는 내장 안테나 어레이가 있습니다. 신호가 어레이를 통과할 때, 어레이에서 수신되는 거리 차이로 인해 위상 차이가 발생합니다. 이를 통해 상대적인 신호 방향을 계산합니다.

AoD는 전자와 반대 개념입니다. 안테나 배열을 갖춘 장치를 고정된 위치에 설치하여 단일 안테나 단말기로 신호를 전송합니다. 그러면 단일 안테나 단말기가 신호 방향을 감지하여 위치를 계산합니다.

AoA 및 AoD의 장점

• 낮은 터미널 비용
• 서브미터 수준의 정확도를 달성하려면 게이트웨이가 하나만 필요합니다.

AoA 및 AoD 단점

• 제한된 적용 범위 •
• 게이트웨이는 진동을 받지 않는 위치에 정확하게 고정되어야 합니다.
• 게이트웨이에 전원을 공급하고 네트워크에 연결해야 합니다.

ToF(Time-of-Flight) 위치 결정 기술

ToF 측위는 이동 단말기와 세 개 이상의 기지국 사이의 신호 전파 시간을 각각 측정하여 수행되며, 삼각 측량법을 사용합니다. 이동 단말기에서 기지국까지의 직선 거리를 R(반지름)이라고 할 때, 기하학적 원리를 적용하면 이동 단말기의 위치는 기지국 위치 i를 중심으로 하고 R을 반지름으로 하는 원 위에 있어야 합니다. 마찬가지로, 여러 원의 공통 교점이 이동 단말기의 위치를 나타냅니다.

일반적인 TOF(비행 시간 거리) 측위는 위성 측위입니다. 또한, 통신사는 이러한 방식이나 LBS(위치 기반 서비스)라고 하는 신호 강도 측정을 통해 휴대폰의 위치를 파악할 수 있습니다. LoRaWAN도 ToF(비행 시간 거리) 측위를 지원하지만, 세 개 이상의 LoRa 게이트웨이를 설치해야 합니다. 위치 정확도는 게이트웨이 거리와 주변 건물의 수에 따라 수십 미터에서 수백 미터까지 다양합니다.

UWB 위치 지정 기술

초광대역(UWB) 기술은 무선 전화 1GHz 이상의 주파수 대역을 사용하는 통신 기술입니다. UWB는 정현파 대신 나노초 단위의 비정현파 펄스를 사용하여 데이터를 전송합니다. 따라서 넓은 주파수 스펙트럼을 차지합니다.

UWB 기술은 시스템 복잡도가 낮고, 전송 신호의 전력 스펙트럼 밀도가 낮으며, 페이딩 채널에 민감하지 않다는 장점이 있습니다. 또한, 낮은 차단 성능과 높은 위치 정확도를 갖추고 있어 실내와 같이 밀집된 공간에서의 고속 무선 접속에 특히 적합합니다. 넓은 스펙트럼을 커버하기 때문에 무선 통신을 통해 초당 수백 메가비트 이상의 속도로 데이터를 전송할 수 있습니다. UWB는 초광대역폭을 통해 신호를 전송할 수 있습니다. 미국 연방통신위원회(FCC)에 따르면, UWB는 3.1~10.6GHz 대역에서 500MHz 이상의 대역폭을 차지합니다.

UWB 위치 지정의 장점

• 강력한 침투력
• 낮은 전력 소모
• 우수한 안티 멀티패스 효과
• 매우 안전하고 간단한 시스템
• 높은 정확도

UWB 위치 지정의 단점

• 높은 배포 비용
• 제한된 적용 범위

UWB 위치 지정 적용성

• 실내에서 움직이거나 정지한 물체를 추적합니다.
• 사람 추적 및 탐색

단방향 양방향 거리 측정

단일측 양방향 거리 측정의 기본 원리는 다음과 같습니다.

그림: SS-TWR 거리 측정 원리: 장치 A가 장치 B에 펄스를 보내고, 일정 시간(t) 후에 roundA가 장치 B가 반환한 펄스를 수신합니다. 비행 시간을 tp라고 하면, 대략 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

2t p = troundA – treplyB

두 시간 차이는 로컬 크로노미터를 기준으로 계산됩니다. 로컬 시계 오차는 상쇄될 수 있지만, 서로 다른 장치 간에는 약간의 시계 오차가 발생합니다.

TreplyB와 클록 오프셋이 증가함에 따라 비행 시간 오차도 동시에 증가합니다.

양면 양방향 거리 측정

양면 양방향 거리 측정(Double-sided two-way Ranging)은 두 번의 왕복 시간 기록을 통해 비행 시간을 계산하는 확장된 거리 측정 방법입니다. 응답 시간은 늘어나지만 측정 오차는 줄어듭니다. 이 솔루션에 관심이 있으시면 저희에게 연락해 주시면 자세히 설명해 드리겠습니다.

UWB 위치 정확도는 최대 30cm 이상이며, 전력 소비량은 상대적으로 낮습니다. UWB는 광산, 고가 화물 위치 추적 등 무인 차량에 널리 구현되어 있습니다. 현재 주류 UWB 위치 추적 체계의 핵심은 클럭 채널과 전원 공급 장치를 필요로 하기 때문에 구조가 매우 복잡합니다.

저희는 LoRa 및 UWB 기술을 기반으로 한 고정밀 위치 측정 시스템과 충돌 방지 시스템을 보유하고 있습니다. 이 시스템은 고정밀, 저전력 소모, 그리고 배선 불필요라는 장점을 가지고 있습니다.

RFID(무선 주파수 식별 실내 위치 기술)

무선 주파수 식별(RFID) 위치 추적 시스템은 주차장, 스키장, 골프장, 부두 등 다양한 장소에 배치됩니다. 사용자는 특정 구역에 시스템을 배치하여 위치 추적을 수행할 수 있습니다. RFID 태그 리더기를 주요 출입구와 같은 특정 위치에 설치하면, 시스템은 RFID 장치가 설치된 물체의 위치를 실시간으로 감지할 수 있습니다.

RFID 실내 위치 추적 기술은 단거리에서 작동하지만, 밀리초 단위의 정확도로 1미터 이내의 위치 정보를 얻을 수 있습니다. 또한, 비가시선 전자기장의 장점으로 인해 전송 범위가 넓습니다. 태그 크기가 비교적 작고 비용도 저렴합니다.

RFID 실내 위치 추적은 창고, 공장, 쇼핑몰 등에서 상품 유통 위치 파악을 위해 널리 사용되고 있습니다. 현재 RFID 기술을 기반으로 하는 상용 위치 추적 솔루션이 다수 출시되어 있으며, 응급 구조, 자산 관리, 인력 추적 등 다양한 분야에서도 널리 활용되고 있습니다.

RFID 태그는 수동적인 통신 방식이므로 간섭 방지 성능이 좋지 않습니다.

백서 살펴보기: 위치 지정 기술의 기본 원칙 소개