학부생 연구 사업(UR)

- 전자공학과 07학번 김성윤

 

1. 참가동기

대학생이라면 한 번쯤은 자신의 전공을 활용하여 큰 성취를 이루는 것을 꿈꿨으리라 생각합니다. 하지만 현재 우리 대학생들의 현실을 바라보면 취업이라는 큰 울타리로 인해 자신의 꿈은 포기한 채 취업을 위한 스펙 쌓기에 열중하고 있습니다. 자신이 왜 이 전공을 선택하였는지 그리고 지금 배우고 있는 학문이 얼마나 즐거운 것인지에 대해서는 까맣게 잊고 있는 것입니다. 저는 이런 현실이 매우 슬펐고 대학생이라면 자신이 선택한 전공에 대해서 흥미를 갖고 발전을 위한 연구를 해보고 싶었습니다. 그렇기 때문에 2012년 2월경부터 마음이 맞는 동기와 후배들과 팀을 이루어 연구를 하여 성과를 논문으로 쓰거나 큰 공모전에 출품도 해보는 등 취업 전에 스스로 이룬 성취감과 추억을 쌓으려고 했습니다. 그리고 준비를 하던 도중 UR이라는 학부생들의 연구 수행에 도움을 주는 프로그램에 대해 알게 되었고 팀원들과의 상의 끝에 더 나은 환경에서 연구를 해보고 싶어 참가를 하게 되었습니다.

 

2. 활동내용

1) 유비쿼터스 사이언스 랩 연구 참여

- 직접적으로 랩에서 연구 중인 프로젝트에 참여를 하였습니다. 하드웨어 분야에 대해서는 연구실과 기업이 연계를 하였으며 저희 팀은 사용자들이 사용하게 될 UI 및 기능을 웹 기반으로 개발하였습니다. 그 중에서 제가 맡은 부분은 현존하는 구글 맵 또는 네이버 지도와 같은 사용자들에게 주변 정보와 길 안내를 할 수 있는 스마트 맵에 대한 개발을 하였습니다. 실제 연구실에 속해 있는 대학원생, 연구원분들의 작업에 직접 참여함으로써 프로그래밍을 하는데 있어 필요한 개발 언어 지식과, 연구 방법론, 개발 방법론 등 전문적인 지식을 습득 하는 기회가 되었습니다.

2) UR 연구 주제 - wifi 기반의 실내 위치 추적 시스템

@ 연구의 목표

Ubiquitous computing system은 사용자가 장소에 상관없이 자유롭게 네트워크에 접속을 할 수 있어야 한다. 즉, 사용자의 위치 정보는 수많은 Ubiquitous 중요 정보 중 하나이다. 하지만 현재 근거리 및 실내와 같은 제한된 공간에서 위치를 파악하는 실내 위치 추적 시스템은 GPS가 실내에서 작동하기 어려우며, 군사적 이유 등으로 의도적인 오차를 두기에 오차범위가 매우 크다.

이에 본 연구에서는 기존의 IPS의 단점을 보완하고 장점을 살린 wi-fi 기반의 실내 위치 추적 시스템을 제안한다. Ubiquitous computing system은 사용자가 장소에 상관없이 자유롭게 네트워크에 접속을 할 수 있어야 한다. 즉, 사용자의 위치 정보는 수많은 Ubiquitous 중요 정보 중 하나이다. 하지만 현재 근거리 및 실내와 같은 제한된 공간에서 위치를 파악하는 실내 위치 추적 시스템은 GPS가 실내에서 작동하기 어려우며, 군사적 이유 등으로 의도적인 오차를 두기에 오차범위가 매우 크다.

이에 본 연구에서는 기존의 IPS의 단점을 보완하고 장점을 살린 wi-fi 기반의 실내 위치 추적 시스템을 제안한다. 칼만필터를 통해 CP와 2개의 OAP들의 RSSI의 잡음을 제거하고, 보정 알고리즘을 이용하여 사용자의 위치를 예측한 뒤 실내 위치 추정 기술인 Fingerprint 방식으로 보다 정확한 위치 추적을 한다.

@ 연구내용 및 방법

ㄱ. 칼만 필터

,

 

,

Q = 추정 잡음의 공분산, 대각행렬

R = 측정 잡음의 공분산, 대각행렬

 

ㄴ. Fingerprint

기존의 Fingerprint 방식은 많은 DB의 용량인 단점에 대비하여 정확도가 높지 않은 방식이다. 그 이유는 DB를 구축하는데 있어 건물 안의 가구 배치도나 조형물의 위치가 바뀌었을 때 그 정보를 지속적으로 유지 보수하는 시간이 필요하기 때문이다. 그렇지만 이러한 단점을 보완한다면 실내 위치추적을 하는데 그 정확도는 매우 높아질 수 있다.

DB에 좌표별 Reference Data를 구축해 놓고, 클라이언트가 측정 시 DB에서 해당 값을 역 추적하여 조회하는 방식.
 

실측 데이터 기반 핑거프린터 DB Data. +-10dB정도의 오차가 존재.

ㄷ. 보정 알고리즘

 

finer print 방식의 위치 추적 알고리즘은 finger print DB를 구축할 당시와 환경이 바뀌면, 측정 오차가 매우 커지는 단점이 존재.

고정된 AP가 나머지 AP의 RSSI를 측정하여, finger print DB를 구축할 당시와 비교.

비교된 신호 기반으로 비례식으로 신호 세기 보정.

ㄹ. 시스템 설계

일반 ap 4개와 개조된 펌웨어 oap 2개의 신호를 기반으로 위치추적을 실행한다.

모바일에서 서버에 접속하면 서버는 사용자의 고유 id를 생성하고, 이 아이디 기반 헤쉬 테이블에 칼만필터 instance를 새로 1개 생성하여 해당 사용자와 연결.

사용자는 주기적으로 측정된 6개의 ap신호를 서버에 전송하여 서버 단에서 위치추적 수행.

Rest 방식 통신을 이용하여 멀티 플랫폼에 대응 할 수 있도록 API 제작.

서버 에 정보가 저장됨으로 추적중인 모든 사용자의 위치를 파악 가능.

 

3. 주요성과

상기 연구의 목적은 기존의 실내 위치 추적 시스템보다 오차율을 줄이기 위한 시스템의 개발이다. 이 연구에 초점을 두게 된 이유는 실내의 위치 정보를 응용한 미아 찾기, 건물 내 길안내 서비스, 효율적인 냉,난방의 관리 등 다양한 실내 유비쿼터스 서비스에 적용 할 수 있기 때문이다.
실내에서는 사용에 제한이 큰 GPS 신호를 대신하여 wi-fi의 신호를 사용하기 위해 칼만필터를 통해 AP신호의 잡음을 제거하고 Fingerprint를 이용하여 DB에 저장된 값들과의 비교로 사용자의 위치를 추적하는 것이다.
실험 결과를 분석해 보면 처음 칼만필터가 안정화가 되기 전까지의 오차는 약 5m(오차율 37.54%)이고, 안정화 후에는 오차가 약 2.5m(오차율 7.97%)로 줄어들어 전체적인 평균 오차는 약3m이다. 일반적인 GPS의 오차가 5m인 것을 감안하면 실내 위치 추적의 신뢰도가 높아짐을 볼 수 있지만 초기 연구 목적은 오차가 1m내외의 시스템을 개발하는 것이었기 때문에 최종적으로는 원하는 결과에는 미치지 못하였다.
이러한 오차를 줄이기 위해 조금 더 보완을 할 수 있는 보정 알고리즘을 제시 하는 것이 이 연구의 향후 과제이다.

또한 이번 UR을 통해서 통신학회에 팀원들과 같이 우리의 이름을 건 논문이 통과가 되었습니다. 연구를 수행하면서 팀원 5명 중 2, 3명을 나누어 세부적인 연구를 진행하였으며 두 개의 논문이 통신학회에 등재되었습니다.

 

4. 프로그램 참가 전과 후의 비교

Before - 막연하였던 나의 대학 생활과 학업

학교에 입학한지도 벌써 만으로 6년이 지났습니다. 이제는 4학년도 반이 지나 졸업을 코앞에 둔 시기입니다. 하지만 지금까지의 저는 학업에 대한 열정도 전공에 대한 지식도 아무것도 없는 빈 깡통인 대학생일 뿐이었습니다. 1학년 때는 1학년이니까 아직 졸업이라는 것은 먼 훗날의 일로만 남의 일이라고만 생각하였으며, 군 제대 후 2, 3학년일 당시에는 나의 미래에 대한 고민과 그로 인한 방황, 학생회나 학교 동아리, 소학회 등에 대한 관심만 많았을 뿐 정작 나 자신을 위한 개발, 전공 공부 등 모든 것은 뒤로 미루어 두고 보려고 하지 않았던 것 같습니다.

After - 열정을 이루기 위한 출발점에 서게 되다!

자신의 막연했던 점들을 정리 할 수 있는 출발점이 되는 경험이었습니다. 처음 연구실과 연결을 하고 그 곳에서 일을 하면서 어떻게 기초적인 지식들을 습득 할 수 있었으며 아직 배워야 할 것이 많고 그것들을 배우고 싶다는 동기부여가 되었기 때문입니다. 대학생이 되어 제가 방황했던 것은 이런 동기가 부족 했던 것 같습니다. 아직 준비된 것도 없고 해야 할 것도 많지만 그것들을 이루기 위한 마음가짐은 가지게 되었습니다. 분명 다른 이들이 본다면 늦었다고 생각할지도 모릅니다. 하지만 제가 서있는 출발점이 남들과 뒤쳐져 있고 목표지점도 많이 남아 있을지라도 지금부터 달려가는 제 열정의 속도는 그 누구도 따라오지 못할 것이라 생각합니다.

5. 느낀 점과 향후 반영 되었으면 하는 점

제가 학부생 지원 프로젝트를 진행하면서 가장 필요로 생각된 점은 학교의 충분한 준비라고 생각합니다. 실질적으로 학부생들이 자유 주제를 선정하여 프로젝트를 진행 할 수 있는 여건은 충분하다고 생각하지만 이를 뒤받침 해주는 시스템에는 몇 가지 단점이 있다고 생각합니다. 일단 지원비에 대해서 현재의 방식은 학생뿐만 아니라 학교에도 부담이 된다고 생각합니다. 이번 프로젝트에서 지원을 해주는 금액은 50만원 이러한 금액은 어떤 프로젝트를 진행하느냐에 따라 매우 많은 금액이 될 수도 있지만 턱없이 부족한 금액이라고 생각합니다. 먼저 이러한 프로젝트를 진행하는데 있어서 학부에서도 어떤 프로젝트냐에 따라 얼마만큼의 지원비가 필요한지에 대한 사전 조사가 필요하다고 생각합니다. 학생들이 연구를 진행하면서 지원비를 사용한 것에 대해 학교에 늦게 제출하고 그것이 몰릴 경우 학교 입장에서는 매우 큰 부담이라고 생각됩니다. 하지만 프로젝트를 진행하다보면 실질적으로 돈이 필요한 경우는 연구의 초기보다는 중기나 후기라고 생각합니다. 이를 고려하여 예산을 측정하고 사용하는 시스템이 필요하다고 생각합니다.

장점은 연구실과의 협력이라고 생각합니다. 학부생의 능력으로 부족한 부분을 직접 지도를 해줄 수 있으며 실제로 연구하는 사람들의 옆에서 지켜봄으로써 프로젝트에 대한 아이디어 창출이나 동기부여에 매우 도움이 된다고 생각합니다. 하지만 이런 장점을 살리기 위해서는 학부생들이 평소 전공 교수님 또는 대학원과의 커뮤니케이션이 활발해야한다고 생각합니다. 그래야 학생들 입장에서는 교수님 또는 그 연구실의 사정을 고려할 수 있으며 연구실 입장에서도 학생들에게 지원해 줄 수 있는 범위를 측정 할 수 있기 때문입니다.

이번 UR에 참여한 학생들마다 저마다의 많은 생각이 있을 것이라 생각합니다. 그 중에서 저는 이번 프로젝트가 제 대학 생활에 있어서는 많은 깨달음을 느낄 수 있는 기회였습니다. 그리고 이러한 기회를 이제 제 다음으로 저와 비슷한 경험을 하게 될 학생들에게 적극 추천해 주고 싶으며 이러한 학부생 지원 프로그램이 더욱 다양하고 효율성 있게 발전 하면 좋겠습니다.