[논문 리뷰] An RSSI-based Wireless Sensor Node Localisation using Trilateration and Multilateration Methods for Outdoor Environment

Mohd Ismifaizul Mohd Ismail, Rudzidatul Akmam Dzyauddin외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 16.

Indoor and Outdoor Localization Technologies인용 수 20

한 줄 요약

이 연구는 868 MHz에서 LoRa를 사용한 실외 무선 센서 노드 위치 결정을 위한 RSSI 기반 삼각측량 및 다각측량을 평가한다. 각각 3개 및 4개의 수신 노드를 사용하여 다각측량은 삼각측량(2.30m)보다 낮은 일반 위치 오차(1.83m)를 달성하였다. 이는 실외 환경에서 수신 노드 수를 늘일수록 위치 결정 정확도가 향상됨을 보여준다.

ABSTRACT

Localisation can be defined as estimating or finding a position of the node. There are two techniques in localisation, which are range-based and range-free techniques. This paper focusses on the Received Signal Strength Indicator (RSSI) localisation method, which is categorised in a range-based technique along with the time of arrival, time difference of arrival and angle of arrival. Therefore, this study aims to compare the trilateration and multilateration method for RSSI-based technique for localising the transmitted (Tx) node. The wireless sensor module in the work used LOng-RAnge radio (LoRa) with 868MHz frequency. Nowadays, wireless networks have been a key technology for smart environments, monitoring, and object tracking due to low power consumption with long-range connectivity. The number of received (Rx) nodes are three and four for trilateration and multilateration methods, respectively. The transmitted node is placed at 32 different coordinates within the 10x10 meter outdoor area. The results show that error localisation obtained for General Error Localisation (GER) for multilateration and trilateration is 1.83m and 2.30m, respectively. An additional, the maximum and minimum error for multilateration and trilateration from 1.00 to 5.28m and 0.5 to 3.61m. The study concludes that the multilateration method more accurate than trilateration. Therefore, with the increasing number of Rx node, the accuracy of localisation of the Tx node increases.

연구 동기 및 목표

• 실외 환경에서 RSSI 기반 위치 결정을 위한 삼각측량 및 다각측량 기법을 평가하고 비교하는 것.
• RSSI 측정을 통해 수신 노드 수를 늘일 경우 위치 결정 정확도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 실생활 실외 노드 위치 결정을 위한 저전력·장거리 무선 센서 네트워크를 구현하고 테스트하는 것.
• 실제 실외 배치에서 위치 오차를 최소화하는 최적의 방법을 규명하는 것.

제안 방법

• 송신(Tx) 노드와 다수의 수신(Rx) 노드 사이의 거리를 추정하기 위해 RSSI 기반 거리 측정을 사용하였다.
• 삼각측량은 다각측량 기하학을 사용하여 세 개의 Rx 노드를 활용해 Tx 노드의 위치를 추정하였다.
• 다각측량은 과잉 결정된 시스템 해결을 통해 위치 추정 정확도를 향상시키기 위해 네 개의 Rx 노드를 사용하였다.
• 868 MHz에서 동작하는 LoRa 트랜시iever를 사용하여 실외 조건에서 장거리·저전력 통신을 수행하였다.
• Tx 노드는 10×10미터 영역 내 32개의 사전 정의된 좌표에 위치하여 RSSI 데이터를 수집하였다.
• 실제 위치와 추정 위치 사이의 유클리드 거리로 오차를 계산하여, 삼각측량 및 다각측량 알고리즘을 통해 위치 추정치를 산출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실외 환경에서 RSSI를 사용할 경우 다각측량은 삼각측량에 비해 어떤 정도의 위치 결정 정확도를 보이는가?
• RQ2 수신 노드 수를 늘일 경우 RSSI 기반 위치 결정 오차에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LoRa 기반 RSSI 측정은 실제 실외 환경에서 신뢰성 있고 정확한 노드 위치 결정을 달성할 수 있는가?
• RQ4 삼각측량 및 다각측량 방법에서 관측된 최대 및 최소 위치 오차는 각각 얼마인가?

주요 결과

• 다각측량은 일반 위치 오차(GER) 1.83미터를 달성하여 삼각측량의 2.30미터를 능가하였다.
• 다각측량의 최소 위치 오차는 1.00미터였고, 최대 오차는 5.28미터에 도달하였다.
• 삼각측량의 경우 오차 범위는 0.50에서 3.61미터로, 변동성이 더 높았다.
• 이 연구는 수신 노드 수를 늘일수록 위치 오차가 감소하고 정확도가 향상됨을 확인하였다.
• 환경적 신호 감쇠 및 다중 경로 효과의 영향을 받지만, LoRa를 활용한 RSSI 기반 위치 결정은 실외 환경에서 실현 가능하다.