[무선 통신] UWB LOS/NLOS Classification Using Deep Learning Method (1)

안녕하세요. 오늘은 Indoor Positioning에서 [cm]단위의 오차를 내는 UWB 관련 논문에 이야기하겠습니다. 

 

coding-yoon.tistory.com/136?category=910542

[무선 통신] Bluetooth Low Energy(BLE) 1. Physical Layer

BLE는 기기간 수신신호세기(RSSI)를 이용해 Indoor Positioning을 하는 방면, UWB는 nanosecond(10e-9)의 길이를 갖는 매우 짧은 펄스를 이용하여 통신하는 방식입니다. 

 

시간 분해능이 매우 높아 최단 경로와 다중 경로간의 신호구별을 용이하여 수 cm이내의 정확도로 거리 측정이 가능하고 낮은 전력 밀도로 저전력 대용량 데이터 전송이 가능합니다. 

 

 

대표적으로 TWR(Two Way Ranging) 방식으로 Distance를 추정합니다. 

 

t_round A : 노드 A가 거리측적용 메세지를 송신한 순간부터 노드 B의 응답 메세지를 수신했을 때의 시간, 즉 거리 측정                 메세지의 왕복시간(Round Trip Time : RTT)

t_reply B : 노드 B의 응답시간 또는 처리 시간(Processing Time)

t_p : 거리 측정 메세지의 단방향 도달 시간

TOA = t_p, C : 전파속도, 광속도(3e8)

 

일반 TWR은 두 기기간의 하드웨어적 차이로 인해 시간 측정이 달라 TOA에 오차가 발생할 수 있어, SDS-TWR 등 많은 방식이 존재합니다.

< [UWB] IEEE 802.15.4a UWB 기반 실내 위치측정 시스템의 설계 및 구현 > 

 

 

기본적으로 UWR을 이용하여 거리를 구하는 방법을 알아보았으며, Non-Line of Sight 에 대해 알아보겠습니다. 

 

ieeexplore.ieee.org/document/9108193

UWB NLOS/LOS Classification Using Deep Learning Method

 

논문의 아이디어는 UWB LOS/NLOS 분류를 딥러닝을 통해 성능을 향상시키는 것입니다. 

(Line of Sight, Non-Line of Sight)

 

실내 환경은 다양한 장애물(책상, 캐비넷, 책장 등)으로 가득차있으며, 이 장애물을 통해 UWB 신호는 반사될 수 있으며, 신호 수신은 직접 수신 된 신호에 비해 거리 정보에 더 긴 전송 시간을 가져오고 추가적인 Time-varying bias를 유발합니다. 

cf) UWB 신호의 오차는 대게 양의 값(+)을 가집니다. UWB 신호는 Nanosecond 단위로 시간측정 방식이기 때문에, 신호가 반사되면 지연 시간이 더해져 오차로 발생하기 때문입니다.

 

반사를 통해 오차를 일으킨 NLOS를 제거하면, 정확한 거리를 구할 수 있습니다. 

 

가장 직접적인 접근 방식은 UWB 신호 전파 경로 손실 모델 또는 CIR (Channel Impulse Response)을 기반으로 NLOS / LOS 신호 특성을 분석하는 것입니다.

 

위 논문은 Doctor Klemen Bregar providing the UWB NLOS/LOS open source data 를 이용

github.com/ewine-project/UWB-LOS-NLOS-Data-Set

ewine-project/UWB-LOS-NLOS-Data-Set

 

이 포스팅은 두 편을 걸쳐 진행됩니다. ( 1편 : 오픈소스 데이터셋 전처리, 2편 : 논문 기반 네트워크를 통해 학습 )

 

Doctor Klemen Bregar providing the UWB NLOS/LOS open source data를 딥러닝을 위해 전처리 과정이 필요합니다. 

 

오픈소스 데이터 구성

오픈소스는 csv, 데이터를 불러오는 모듈로 구성되어 있습니다. 

4년 전 데이터이므로 pandas 버전 오류 해결을 위해 uwb_dataset.py를 약간 변경했습니다.

 

uwb_dataset.py

"""
Created on Feb 6, 2017
@author: Klemen Bregar 
"""

import os
import pandas as pd
from numpy import vstack


def import_from_files():
    """
        Read .csv files and store data into an array
        format: |LOS|NLOS|data...|
    """
    rootdir = '../dataset/'
    output_arr = []
    first = 1
    for dirpath, dirnames, filenames in os.walk(rootdir):
        for file in filenames:
            filename = os.path.join(dirpath, file)
            print(filename)
            output_data = [] 
            # read data from file
            df = pd.read_csv(filename, sep=',', header=0)
            # ------------------------ update Mar 3, 2021 ----------------------------- #
            columns_name = df.columns.values
            # ------------------------ update Mar 3, 2021 ----------------------------- #
            

            # ------------------------ update Mar 3, 2021 ----------------------------- #
            # input_data = df.as_matrix()
            # df.as_matrix() was depriciated after the version 0.23.0 use df.values()
            input_data = df.values
            
            # ------------------------ update Mar 3, 2021 ----------------------------- #
            
            # append to array
            if first > 0:
                first = 0
                output_arr = input_data
            else:
                output_arr = vstack((output_arr, input_data))
    
    return columns_name, output_arr

if __name__ == '__main__':

    # import raw data from folder with dataset
    print("Importing dataset to numpy array")
    print("-------------------------------")
    data = import_from_files()
    print("-------------------------------")
    # print dimensions and data
    print("Number of samples in dataset: %d" % len(data))
    print("Length of one sample: %d" % len(data[0]))
    print("-------------------------------")
    print("Dataset:")
    print(data)

 

1. Load UWB data

import numpy as np
import pandas as pd
import uwb_dataset

# import raw data
data = uwb_dataset.import_from_files()

# divide CIR by RX preable count (get CIR of single preamble pulse)
# item[2] represents number of acquired preamble symbols
for item in data:
	item[15:] = item[15:]/float(item[2])

print("\nColumns :", columns.shape, sep=" ")
print("Data :", data.shape, sep=" ")
print(type(data))

 

2. Create UWB(CIR) Pandas Dataframe

cir_n = len(columns[15:])

print("Columns :", columns, sep=" ")
print("Channel Inpulse Response Count :", cir_n, sep=" ")

df_uwb = pd.DataFrame(data=data, columns=columns)
print("Channel 2 count :", df_uwb.query("CH == 2")['CH'].count())
print("Null/NaN Data Count : ", df_uwb.isna().sum().sum())
df_uwb.head(3)

# LOS/NLOS Count
los_count = df_uwb.query("NLOS == 0")["NLOS"].count()
nlos_count = df_uwb.query("NLOS == 1")["NLOS"].count()

print("Line of Sight Count :", los_count)
print("Non Line of Sight Count :", nlos_count)

# Columns CIR Extract
df_uwb_data = df_uwb[["CIR"+str(i) for i in range(cir_n)]]
print("UWB DataFrame X for Trainndarray shape : ",df_uwb_data.values.shape)
df_uwb_data.head(5)

 

Columns : Sampling 1016 CIR

LOS : 21000, NLOS : 21000  Pandas Dataframe 

 

다음 글은 생선된 위 데이터 프레임을 이용해 논문에 제시된 CNN+LSTM 모델을 Pytorch로 구현하겠습니다.

coding-yoon.tistory.com/139

[무선 통신] UWB LOS/NLOS Classification Using Deep Learning Method (2)