[논문 리뷰] Electromagnetic Models for Passive Detection and Localization of Multiple Bodies

Vittorio Rampa, Gian Guido Gentili외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 15.

Indoor and Outdoor Localization Technologies참고 문헌 63인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 수신 신호 강도(RSS) 측정을 이용한 다중 인간 신체의 수동적·장치 비존재형 정위치화(DFL)를 위한 새로운 물리-통계적 전자기(EM) 모델을 제안한다. 스칼라 회절 이론과 일반화된 날카운 날개 회절을 기반으로 하여, 다중 신체의 위치, 크기, 방향, 미세한 운동에 의한 RSS 변동을 예측하며, 선형 중첩 모델보다 더 높은 정확도를 보이며 시뮬레이션과 실제 실험 모두에서 뛰어난 성능을 발휘한다. IEEE 802.15.4 장치를 사용한 실세계 실험에서도 검증되었다.

ABSTRACT

The paper proposes a multi-body electromagnetic (EM) model for the quantitative evaluation of the influence of multiple human bodies in the surroundings of a radio link. Modeling of human-induced fading is the key element for the development of real-time Device-Free (or passive) Localization (DFL) and body occupancy tracking systems based on the processing of the Received Signal Strength (RSS) data recorded by radio-frequency devices. The proposed physical-statistical model, is able to relate the RSS measurements to the position, size, orientation, and random movements of people located in the link area. This novel EM model is thus instrumental for crowd sensing, occupancy estimation and people counting applications for indoor and outdoor scenarios. The paper presents the complete framework for the generic N-body scenario where the proposed EM model is based on the knife-edge approach that is generalized here for multiple targets. The EM-equivalent size of each target is then optimized to reproduce the body-induced alterations of the free space radio propagation. The predicted results are then compared against the full EM simulations obtained with a commercially available simulator. Finally, experiments are carried out to confirm the validity the proposed model using IEEE 802.15.4-compliant industrial radio devices.

연구 동기 및 목표

• 무선 링크에서 다중 인간 신체에 의한 RSS 변동을 물리적으로 타당하고 확장 가능한 EM 모델로 예측하기 위한 것이다.
• 다중 타깃 간 상호작용을 간과하는 선형 중첩 모델의 한계를 극복하기 위한 것이다.
• 실내 및 실외 환경에서 정확하고 실시간으로 장치 비존재형 정위치화(DFL) 및 점유 추적을 가능하게 하기 위한 것이다.
• 일반 소비자용 RF 장치를 사용하여 대기수집, 사람 수 세기, 인간 존재 모니터링를 위한 검증된 프레임워크를 제공하기 위한 것이다.
• 단일 및 이중 신체 모델을 임의의 N체 시나리오로 일반화하고 분석적 엄밀함을 확보하기 위한 것이다.

제안 방법

• 다중 신체에 의한 전자기장 교란을 회절 및 다중 경로 성분으로 모델링하기 위해 스칼라 회절 이론을 사용한다.
• 각 3차원 인간 신체를 2차원 흡수 표면로 간주하여 날카운 날개 근사법을 적용함으로써 분석적 처리를 가능하게 한다.
• 반복적 포함을 통한 회절 항목의 통합을 통해 N체 상황에서의 전체 추가 감쇠를 완전한 해석식으로 유도한다.
• 타깃 특화 파rameter(위치, 크기, 방향, 명목 위치 주변의 미세한 랜덤 운동)를 통합한다.
• 전파 손실이 자유공간에서 관측된 바와 일치하도록 각 신체의 EM 등가 크기를 최적화한다.
• 모델을 전자기 유한요소 해석 소프트웨어(FEKO)를 사용한 전자기 유한파동 시뮬레이션과 실제 IEEE 802.15.4 호환 장치의 RSS 측정치와 비교하여 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무선 링크에서 다중 인간 신체에 의한 전자기장 교란을 어떻게 해석적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 다중 타깃 간 상호 회절 효과가 선형 중첩 모델의 정확도를 얼마나 떨어뜨리는가?
• RQ3 스칼라 회절 이론에 기반한 물리-통계적 모델이 다중 이동 신체에 의한 RSS 변동을 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ4 모델의 예측 정확도는 전자기 유한파동 시뮬레이션과 실제 측정치와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 다중 신체 상황에서 RSS 예측에 영향을 주는 주요 오차 원인은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 다중 신체 모델(MBM)은 IEEE 802.15.4 장치를 사용한 실세계 측정치와 비교해 평균 RSS 예측 오차가 약 4 dB를 기록한다.
• 확률적 다중 신체 모델(PMBM)은 약 6 dB의 더 높은 평균 오차를 보이며, 주로 신체 운동에 의한 확률적 변동 때문이 다.
• 모델은 신체 크기, 위치, 방향 및 미세한 랜덤 운동이 RSS 변동에 미치는 복합적 영향을 성공적으로 포착한다.
• 측정치와 모델 간의 격차는 한 명 또는 두 명의 타깃이 송신기 또는 수신기에 가까이 있을 경우 가장 크며, 이는 그로 인한 증가된 그림자 효과와 신호 손실 때문이 다.
• 특히 타깃 간 상호 회절 항목이 무시할 수 없는 경우에 선형 중첩 모델보다 모델 성능이 뛰어나다.
• 모델의 타당성은 전자기 유한파동 시뮬레이션(FEKO)과의 비교를 통해 확인되었으며, 정적 및 동적 상황 모두에서 강한 일치를 보였다.