TDoA 란?

TDoA(Time Difference of Arrival) 기술은 무선 신호 또는 다른 유형의 전파가 도달하는 시간 차이를 이용해 위치를 추정하는 방법입니다. 이 기술은 주로 무선 통신, 레이더, 실내 위치 측정 등 다양한 분야에서 사용됩니다. TDoA 기술은 기본적으로 다수의 앵커가 하나의 태그로부터 전파를 수신하여 각 앵커에서 수신된 신호 도달 시간 차이를 측정하게 됩니다. 이 시간 차이는 다양한 무선 신호의 전파 속도에 따라 달라지므로, 이를 이용하여 태그의 위치를 추정할 수 있습니다. 위치 추정은 앵커 사이의 상대적인 위치와 태그와의 거리를 기반으로 합니다.

TDoA의 원리

UWB 태그는 일정한 간격으로 위치 블링크라고도 하는 RF 신호를 주기적으로 UWB 앵커에 전송합니다. 전송하는 태그의 통신 범위 내에 있는 여러 UWB 앵커는 이러한 위치 블링크를 수신하고 정확한 도착 시간(ToA)을 타임 스탬프하게 됩니다. 그런 다음, 신호를 수신한 UWB 앵커는 거리차가 일정한 지점, 즉 앵커를 초점으로 하는 쌍곡선으로 표현될 수 있습니다.

d4-d1, d4-d2, d4-d1 는 각 Anchor에서 이동 Tag의 신호 도착 시간의 지연 차를 나타내며, 이는 쌍곡선 식으로 표현됩니다. 이 쌍곡선의 교차점이 태그의 위치 좌표가 되며, 이동하는 태그의 위치를 알아내는 알고리즘을 사용하여 분석합니다.

TDoA 사용법

- 앵커 배열 배치: 먼저, 세 개 이상의 앵커가 필요하며, 이들은 일반적으로 삼각형이나 사각형으로 배치됩니다.
- 동기화: 앵커들은 동일한 시각을 기준으로 데이터를 수집해야 합니다. 이를 위해 앵커들의 시간 동기화가 필요합니다.
- 신호 수신 및 처리: 태그에서 발사된 신호가 앵커에 도달하면, 각 앵커는 해당 신호를 감지하고 시각을 기록합니다.
- 시간 차이 계산: 앵커들은 동일한 신호를 수신하지만, 각 앵커의 위치에 따라 신호가 도달하는 시간이 다르기 때문에 이러한 시간 차이를 측정합니다.
- 위치 추정: 시간 차이를 측정한 후, 미리 정의된 알고리즘을 사용하여 정확한 태그의 위치를 추정합니다. 일반적으로 삼각측량 (triangulation) 기법을 사용하여 위치를 계산합니다.
- 보정과 오차 제거: 실제 환경에서는 다양한 요인들로 인해 오차가 발생할 수 있습니다. 결과값을 보정하고 오차를 최소화하는 여러가지 기술들이 적용될 수 있습니다.

TDoA의 장단점

TDoA 기술은 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다.

- 비교적 간단하고 비용 효율적인 방법으로 위치를 추정할 수 있습니다.
- 무선 통신이나 음향 위치 추정과 같은 다양한 분야에서 사용될 수 있습니다.
- 동시에 다수의 태그를 처리할 수 있어 낮은 지연 시간과 높은 성능을 보여줍니다.

하지만 이 기술은 다음과 같은 한계점도 가지고 있습니다.

- 앵커들 사이의 기하학적인 배열에 따라 정확도가 달라질 수 있습니다.
- 다중 경로 페이딩(multipath fading)과 같은 무선 채널의 환경적 변동으로 인해 오차가 발생할 수 있습니다.
- 앵커 사이의 거리가 너무 멀거나 태그와 앵커들 사이에 가시적인 점이 없을 경우에는 위치 추정이 어려울 수 있습니다.

TDoA 기술은 이러한 장점과 한계를 고려하여 적절한 상황에서 사용되며, 최근의 기술 발전으로 인해 성능과 정확도가 지속적으로 개선되고 있습니다.