기술책임자 : KAIST 공승현 교수

KAIST(총장 신성철) 조천식녹색교통대학원 공승현 교수 연구팀이 LTE 신호만을 이용해 실제 환경에서 평균 30미터 이내의 정확도를 갖는 스마트폰 위치 측정 기술을 개발했다.

연구 개요

4차 산업혁명과 더불어 사물인터넷 (IoT), 광고 및 마케팅, 위치추적 및 내비게이션과 같은 위치 기반 서비스 (LBS) 시장의 활성화와 미국의 E911과 같은 응급 및 긴급 구조 시스템을 위한 측위 정확도 요구에 따라 스마트폰의 위치 측위 기술은 매우 높은 수준의 정확도 및 정밀도를 요구하고 있다. 위성 항법 시스템 (GPS)은 현재 스마트폰에서 가장 많이 사용되고 있는 측위 시스템으로 가장 범용적으로 사용되고 있지만 높은 빌딩으로 둘러 쌓인 도심과 같은 지역과 실내에서 그 측위 성능이 저하되는 치명적인 문제를 안고 있다.

도심에서 GPS 측위의 성능은 최대 수 백 미터 이상 오차가 발생할 수 있으며, 스마트폰에서 사용하는 A-GPS(Assisted Global Positioning System) 시스템 또한 도심에서의 다중경로 현상으로 인해 매우 큰 오차가 발생한다.

LTE 신호를 이용한 LTE 핑거프린트 기술은 LTE 신호의 전파 특성을 이용하여 각 단위 지점에서 수신되는 LTE 신호의 전파 특정 패턴을 DB(데이터베이스)로 저장하고, 임의의 단말기에서 측정된 전파 특성 값과 비교하여 위치를 파악하는 기법이다. 따라서 도심과 같이 높은 빌딩으로 둘러쌓인 지역에서 무선 전파의 다중 경로로 인한 오차를 피할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

이번 연구를 통해 도심을 포함한 실제 도시 환경에서 30m 내외의 측위 정확도를 가지는 LTE 신호를 이용한 핑거프린트 기술력을 확보하였고, 향후에는 LTE 핑거프린트 구축과 패턴 매칭에 문제를 발생시킬 수 있는 기지국, 중계기의 이설과 추가와 같은 핑거프린트의 변화를 자동적으로 탐지 및 효과적으로 업데이트 하는 머신러닝 기반의 LTE 핑거프린트 데이터베이스 관리 기술을 추가 연구할 계획이라고 밝혔다.



[그림 1]은 연구팀이 개발한 LTE 핑거프린트 기술로 서울 도심 환경에서의 측위 성능을 테스트하는 모습과 그 결과이다. 좌측 그림 (a)는 일반적인 도심 환경을 나타내고, 우측 그림 (b)는 지도에 표시한 LTE 핑거프린트 알고리즘의 측위 결과이다. 옅은 검은색 화살표 방향으로 이동하면서 성능 평가를 수행했고, 빨간 점들은 매회 측위한 결과를 나타낸다. 위의 데이터를 포함하여 대전 지역과 서울 종로구 지역에서 수집한 약 1만 건 이상의 테스트 데이터의 평균 위치 오차는 약 30미터 이다.



[그림 2]는 핑거프린트 알고리즘을 표현한 것으로, 수집된 LTE 기지국 신호 측정 데이터와 단위 위치마다 미리 수집한 LTE 핑거프린트 데이터베이스와의 핑거프린트 유사성을 비교해 가장 근접한 부분을 위치로 계산하는 기법이다. 연구팀에서 개발한 알고리즘은 RF 핑거프린트 기법을 기반으로 LTE 신호의 전파 패턴과 도심 환경의 특성을 고려한 것으로 신호 세기뿐만 아니라 다양한 데이터를 이용하는 LTE 신호에 특화된 기술이다.



[그림 3]은 서울특별시 종로구에서 축적한 실제 LTE 핑거프린트 데이터베이스 중 특정 기지국의 신호세기 핑거프린트를 표시한 것이다. 알고리즘에서 사용된 데이터베이스에는 위와 같은 형태로 테스트 영역 내의 모든 기지국에서 수집한 다양한 핑거프린트 데이터가 저장되어 있다. 위에 표시한 신호세기 데이터베이스와 더불어 LTE의 여러 가지 데이터들을 이용하면 사용자의 위치를 보다 정확하게 계산해 낼 수 있다.