무선 센서 네트워크는 다수의 센서 노드가 스스로 다중 홉 무선 네트워크를 구성하고, 협력을 통해 주어진 임무를 수행하고자 제안된 새로운 형태의 네트워크 개념이다. 기본적으로 무선 센서 네트워크는 센서 노드가 감지한 이벤트를 특정 노드나 관리자에게 무선통신을 이용하여 전달한다. 고도로 발전한 집적 기술은 센서 노드의 물리적인 크기를 획기적으로 축소시켰고, 무선 통신과 배터리 전원의 사용은 물리적 연결선 없이 센서 노드를 임의 공간에 설치, 운영할 수 있게되었다. 덕분에 센서 노드의 비용은 물론 센서 네트워크의 설치 비용이 크게 절감되었다. 무선 센서 네트워크의 다양한 응용분야와 용이한 운영때문에, 지난 10여 년간 무선 센서 네트워크의 기술 발전을 위해 세계 곳곳의 연구 그룹들에 의한 활발한 연구가 진행되었다. 무선 센서 네트워크의 주요 연구 주제 중 하나로, 노드 위치파악 기술은 임의로 분포한 센서 노드의 위치정보를 파악하는 연구 분야다. 센서 노드의 위치정보는 다중 홉 네트워크를 통해 전달된 이벤트의 발생지점을 파악하고 적절한 대응을 하기 위해 필수적으로 요구되는 기본 정보이다. 게다가 노드의 위치정보는 위치정보를 기반으로 한 라우팅 알고리즘, 표적의 위치추적, 커버리지 알고리즘 등의 타 연구 분야에도 귀중한 자료로서 활용 가치가 무척 크다.
대규모 무선 센서 네트워크는 광대한 지역, 위험하거나 접근이 허가되지 않는 지역, 험준한 산악지역, 입수 불가능한 해저 지역 등과 같이 인력을 동원하여 설치하기 어려운 지대에 종종 설치된다. 이 경우, 센서 노드의 분포는 이동 가능한 물체 (비행기나 배, 무인 잠수정 등)에서 임의로 낙하시켜 설치하는 것이 일반적이다. 본 연구에서는 3차원 공간에 분포된 노드의 위치파악 기술을 위해 이동하는 비콘 노드와 측정거리 정보를 활용하는 방법으로 정확도를 개선하는 알고리즘 개발에 초점을 둔다. 이동 비콘을 이용한 거리정보 기반의 위치파악 기술에서는, 비콘는 센서 네트워크가 설치된 지역을 이동하면서 주기적으로 자신의 위치정보를 포함한 비콘 메시지를 방송한다. 방송된 메시지를 수신한 인근 센서 노드는 메시지를 해석하여 메시지의 방송 지점을 기록하고, 메시지의 지연시간이나 수신전력세기의 감소 등을 통해 방송지점까지의 거리를 측정한다. 센서 노드는 방송 메시지를 수신만 할 뿐, 위치파악을 위해 별도로 응답 메시지를 전송하지 않는다. 본 연구를 위해 이동 비콘은 이동능력, 방송지점을 파악하기 위해 GPS와 같은 별도의 위치추정 모듈, 이동과 방송에 필요한 충분한 전력이 요구된다. 반면 센서 노드는 메시지 수신만으로 위치파악이 가능하여 전력소모를 크게 줄일 수 있다.
첫 번째 연구 주제는, 이동 비콘의 방송지점가지 측정한 거리정보의 정확도 개선을 위해 비콘의 이동 경로를 설정하고, 유도된 수학적 모델을 통해 분석하는 것이다. 다양한 비콘의 이동 경로가 가능하지만, 측정 거리 정보의 정확도 개선을 위해서는 센서 노드가 예측 가능한 이동 경로를 제공하는 것이 바람직하다. 따라서, 비콘이 선형적으로 이동할 때에만 비콘 메시지를 일정 간격마다 방송하는 것으로 가정한다. 본 연구에서는 선형 비콘 경로에 일정 간격으로 배치된 비콘 포인트에 대하여 거리 정보를 피타고라스 정리를 기반으로 거리간의 관계식을 선형화된 모델을 유도하였고, Cheung의 기법에서 사용한 근사법을 적용시켜 근사화 식을 얻은 후에, 가중치 최소 자승법 (Weighted Least Square)를 적용하여 거리간의 관계 파라미터를 추정한다. 추정한 파라미터를 기반으로 비콘 포인트에 대한 거리정보를 추정한다. 본 연구에서는 선형 이동 경로에 대한 관계성을 이용하였기 때문에 기존의 칼만 필터를 응용한 거리추정 기법에 비해 정확성이 개선됨을 시뮬레이션 결과를 통해 증명하고, Cramer-Rao Bound (CRB)을 통해 추정한 오차 의 해석적 결과와 시뮬레이션 결과가 근사하게 일치함을 보여준다.
두 번째 연구 주제는, 이동 비콘의 방송 메시지를 통해 수집한 거리정보와 비콘 포인트를 이용한 위치파악 기술을 연구하다. 기존의 이동 비콘을 이용한 방법들 중에서, Zhang et al.이 제안한 Unscented Kalman Filter (UKF) 기반의 위치파악 기술은 3차원 환경에서도 비교적 좋은 성능을 보여주었다. 하지만 대규모 센서네트워크와 같이 종종 이동 비콘이 센서 노드의 수신가능 범위를 벗어나는 경우에는 노드의 위치추정이 일정 범위로 수렴되지 않아 결과적으로 위치오차가 증가하는 문제점이 발생한다. 본 연구에서는 비연속적인 측정 거리와 수신 비콘 포인트를 고려하여 칼만 필터와는 다른 추정 방법으로 다차원 척도법(Multidimensional Scaling: MDS)을 응용하였다. 다차원 척도법은 기존 2차원 고정 비콘 환경에서 위치추정을 위해 널리 사용되던 수학적 해석 도구로서, 주어진 포인트들의 상대적 거리정보만을 가지고 2차원 혹은 3차원 공간상에서 포인트들의 위치를 표현하는데 사용되어 왔다. 비콘 포인트와 측정거리정보를 응용하여 다차원 척도법이 요구하는 모든 거리정보를 구할 수 있기 때문에, 다차원 척도법은 2차원 공간뿐만 아니라 3차원 공간에서도 위치파악 기술에 쉽게 적용이 가능하다. 본 연구에서는 다차원 척도법을 3차원 위치파악 기술에 응용함에 있어, 비콘 포인트 수의 증가에 따라 급격히 증가하는 계산 복잡성을 해결하기 위해 Quadrant 기반의 비콘 포인트 선택법과 선택된 비콘 포인트가 동일 평면상에 배치될 경우 평면을 기준으로 대칭된 좌표 중에서 노드의 위치를 선택하는 결정법을 제안한다. 모의 실험 결과에서는 제안한 선택법에 의한 복잡성의 개선과 결정법에 의한 정확도의 향상을 보여주고, UKF 기반의 위치추정 알고리즘과의 성능비교를 통해 제안한 알고리즘이 정확도와 복잡성 측면에서 우수함을 보여준다.
세 번째 연구주제는, 해저 센서 네트워크 환경에서 다차원 척도법 기반의 3차원 위치파악 기술을 연구한다. 해저 센서 네트워크는 기존에 독립적으로 운영되던 해저탐사시스템들간의 네트워크를 제공하고, 해저 센서 노드를 통해 해양 자원 개발과 환경 감시를 위한 해결책으로 최근 많은 관심을 받고 있다. 무선 센서 네트워크와는 달리, 해저 센서 네트워크에서는 통신을 위해 음향신호를 사용한다. 음향신호는 해저환경에서 심한 전달지연과 온도와 수심별로 다른 전달 속도를 경험한다. 해저 3차원 위치파악을 위해서, 장거리 신호전달이 가능한 응답기(transponder)를 탑재한 부표형 비콘 노드를 기반으로 다차원 척도법을 응용하여 3차원 위치파악 기술을 연구하였다. 본 연구에서는 저주파 음향 신호를 이용하여 비콘에서 방송하는 비콘 메시지를 멀리 도달할 수 있게 하였고, 이를 수신한 센서 노드는 측정 거리와 비콘의 위치 정보를 기반으로 자신의 위치정보를 다차원 척도법을 이용하여 계산하는 알고리즘을 제안하였다. 그리고 수심에 따라 변화하는 음향 전달속도의 영향을 줄이기 위해, 수면에서의 송신단과 해저면에서의 수신단을 설치하여 비콘 메시지의 도달 시간을 측정하여 평균 전달 속도를 구하여 노드간의 거리를 계산하는 방법을 제안한다. 모의 실험 결과에서는 제안한 알고리즘이 기존 알고리즘에 비해 변화하는 음향 전달 속도에 따라 일정한 위치오차를 보여주는 것을 보여준다.