KR100623384B1 - 초광대역 통신시스템의 데이터 율 개선장치 - Google Patents

초광대역 통신시스템의 데이터 율 개선장치 Download PDF

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Abstract

초광대역 통신시스템에서 비트 에러율, E/N(Energy/Noise), 데이터 율, 링크거리 및 채널 상태에 따라 PPM(Pulse Position Modulation) 방식 변조의 심볼당 비트 수 및 펄스반복주기를 결정하여 높은 데이터 율로 데이터를 전송한다.
소정의 네트워크 프로토콜로 제 1 디바이스 및 제 2 디바이스의 동작을 각기 제어하고, 상호간에 전송할 데이터를 제공하는 응용계층과, 응용계층이 제공하는 전송 데이터를 UWB 프로토콜에 따른 데이터로 변환하고 수신되는 UWB 프로토콜에 따른 데이터를 응용계층이 사용하는 네트워크 프로토콜에 따른 데이터로 변환하여 응용계층으로 전달하는 MAC(Medium Access Control) 계층과, 응용계층 및 MAC 계층의 출력신호에 따라 심볼당 비트 수 및 펄스 반복주기를 결정하는 ACB(Adaptive Configuration Block)와, MAC 계층이 UWB 프로토콜에 따라 변환한 전송 데이터를 ACB가 결정한 심볼당 비트 수 및 펄스 반복주기에 따라 PPM(Pulse Position Modulation) 방식으로 변조하여 상호간에 전송하는 물리 계층으로 이루어지는 것으로서 네트워크의 환경 변화에 따라 물리계층에서의 PPM 변조를 동적으로 구성하여 자원 사용의 효율성을 높인다.
UWB, 초광대역, 데이터율, 펄스위치변조, 통신시스템, 무선통신

Description

초광대역 통신시스템의 데이터 율 개선장치{Apparatus for improving data rate of Ultra Wide Band communication system}
도 1은 종래의 초광대역 통신시스템의 구성을 보인 블록도.
도 2는 본 발명의 데이터 율 개선장치에 따른 초광대역 통신시스템의 구성을 보인 블록도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
200, 210 : 제 1 및 제 2 UWB(Ultra Wide Band) 통신시스템
202, 212 : 응용계층 204, 214 : MAC(Medium Access Control) 계층
206, 216 : ACB(Adaptive Configuration Block) 208, 218 : 물리계층
본 발명은 소정의 데이터를 펄스위치변조(Pulse Position Modulation ; 이하 'PPM'이라고 약칭함)방식으로 변조하여 무선으로 전송하는 초광대역(Ultra Wide Band; 이하, 'UWB'라고 약칭함) 통신시스템에 있어서, 높은 데이터 율로 데이터를 전송할 수 있는 UWB 통신시스템의 데이터 율 개선장치에 관한 것이다.
디지털 기술의 발전과 더불어 디지털 텔레비전 수상기, 디지털 비디오 테이 프 레코더 및 디지털 비디오 디스크 플레이어 등과 같은 각종 디바이스들이 점진적으로 출시되고, 이들 디바이스를 연결하여 상호간에 동작을 제어할 수 있도록 하는 HAVi(Home Audio/Video interoperability), UPnP(Universal Plug and Play) 및 LnCP(Living network Control Protocol) 등을 비롯한 여러 가지 홈 네트워크 프로토콜이 제안되고 있다.
이러한 홈 네트워크에 있어서 디바이스들 상호간에 데이터를 전송할 경우에 비트 에러율(bit error rate), 데이터 율 및 에너지 손실 등에 대한 QoS(Quality of Service)를 요구하고 있고, 이들 중에서도 고속의 데이터 전송에 대한 QoS를 만족하는 것이 매우 중요하다.
QoS를 만족하면서 고속으로 데이터를 전송할 수 있는 통신 시스템으로 UWB 통신시스템이 알려져 있다. UWB 통신시스템은 매우 넓은 주파수대역을 사용하는 통신방식으로서 1960년대에 미국 국방부에서 군사적 목적으로 개발한 것이다. 상기 UWB 통신시스템의 데이터 전송속도는 500Mbps∼1Gbps 정도이고, 반송파(carrier)인 기준주파수의 파형 형태를 변화시켜 데이터를 전송하지 않고, 0과 1처럼 일정한 주기와 파형을 가지는 전기적 신호로 데이터를 전송하고 있다.
또한 UWB 통신시스템은 초당 수십 억개에 달하는 고주파 펄스신호를 전송하는 것으로서 콘크리트나 암반과 같은 견고한 물질을 투과할 수 있고, 이로 인하여 지진이나 각종 사고로 인한 피해자의 위치확인 등을 손쉽게 할 수 있는 장점이 있다.
UWB 통신시스템에서 전송하는 데이터의 PPM 신호는 다음의 수학식 1과 같이 정의되고 있다.
Figure 112005012080594-pat00001
즉, PPM 변조신호 x(t)는 임펄스 자체 주기보다 훨씬 큰 주기 Tf로 반복되는 프레임으로 임펄스 x(t)의 전송 사이클을 설정하고, 매 프레임에는 하나의 모노 사이클이 전송된다.
예를 들면, 논리 값 1을 전송하고자 할 때에는 δ㎰만큼 지연시켜 전송하고, 논리 값 0을 전송하고자 할 때에는 아무런 지연을 하지 않고 전송한다.
1993년에 'Scholtz'는 UWB 통신시스템을 데이터 통신에 적용하기 위하여, 시간 호핑 다중접속방법(Time Hopping Multiple Access)을 제안하였다.
'Sholtz'가 제안한 시간 호핑 다중접속방식은 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112005012080594-pat00002
수학식 2에서 알 수 있는 바와 같이 UWB 통신시스템에서 균일하게 배치된 펄스로 이루어지는 시간 호핑 다중접속신호는 동시에 다수 펄스가 수신되는 파국적 충돌에 의하여 손상되기 쉽다. 다중 접속에서 이러한 파국적 충돌을 피하기 위하여 k로 식별되는 각 링크는 차별화된 펄스 쉬프트 패턴 Cj(k)를 할당받는다.
이것을 호핑 코드(Hopping code)라고 하며, 다음의 수학식 3과 같이 구성된다. 이 호핑 코드는 주기적인 의사 랜덤(pseudo random)코드이다.
Figure 112005012080594-pat00003
이러한 UWB 통신시스템에 있어서, 종래에는 조건이 매우 좋지 않은 환경에서도 QoS를 만족하도록 설계되어 있다. 즉, 종래의 UWB 통신시스템은 비트 에러율, 데이터 율 및 에너지 손실 등에 관련된 QoS를 만족시키기 위해 MAC(Medium Access Control) 계층(Layer)보다 상위 계층인 응용 계층(Application layer)에서의 데이터 율에 상관없이 물리계층이 고정된 PPM 방식으로 데이터를 PPM 변조하여 무선으로 전송하고 있다.
이러한 종래의 기술을 도 1의 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 종래의 UWB 통신 시스템의 구성을 보인 블록도이다. 여기서, 부호 100 및 부호 110은 제 1 및 제 2 디바이스에 각기 내장되어 상호간에 소정의 데이터를 무선으로 전송하는 UWB 통신 시스템이다. 상기 UWB 통신시스템(100, 110)들 각각은, 소정의 네트워크 프로토콜로 제 1 및 제 2 디바이스의 동작을 제어하고, 상호간에 전송할 데이터를 제공하는 응용계층(102, 112)과, 상기 응용계층(102, 112)이 제공하는 전송 데이터를 UWB 프로토콜에 따라 변환하고 수신되는 UWB 프로토콜에 따른 데이터를 상기 응용계층(102, 112)이 사용하는 네트워크 프로토콜로 변환하여 응용계층(102, 112)으로 전달하는 MAC 계층(104, 114)과, 상기 MAC 계층(104, 114)이 UWB 프로토콜에 따라 변환한 전송 데이터를 PPM 방식으로 변조하여 상호간에 무선 전송하는 물리 계층(106, 116)으로 구성하였다.
이러한 구성을 가지는 종래의 UWB 통신시스템은 제 1 디바이스의 UWB 통신 시스템(100)의 응용 계층(102)이 소정의 네트워크 프로토콜로 제 1 디바이스의 동작을 제어하면서 제 2 디바이스로 전송할 소정의 전송 데이터가 발생할 경우에 그 전송 데이터를 MAC 계층(104)으로 전달하게 된다.
그러면, MAC 계층(104)은 상기 응용계층(102)이 전달한 전송 데이터를 UWB 프로토콜에 따른 전송 데이터로 변환하고, 그 UWB 프로토콜에 따라 변환한 전송 데이터는 물리 계층(106)에서 PPM 방식으로 변조된 후 무선으로 전송된다.
상기 물리 계층(106)이 무선으로 전송하는 PPM 방식의 전송 데이터 즉, PPM 방식으로 변조한 전송 데이터는 제 2 디바이스의 UWB 통신 시스템(110)의 물리 계층(116)이 수신하여 UWB 프로토콜에 따른 데이터로 변환하고, 그 UWB 프로토콜에 따른 데이터는 MAC 계층(114)에서 응용 계층(112)이 사용하는 네트워크 프로토콜의 데이터로 변환되어 응용 계층(112)으로 입력되는 것으로서 응용 계층(112)은 수신된 데이터에 따른 소정의 동작을 수행하게 된다.
그리고 제 2 디바이스의 UWB 통신 시스템(110)의 응용 계층(112)은 제 2 디비이스의 동작을 제어하면서 제 1 디바이스로 전송할 소정의 데이터가 발생할 경우에 전송 데이터를 생성하여 UWB 통신 시스템(100)의 응용 계층(102)으로 전송하는 동작은 상기와는 반대로 수행하는 것으로서 구체적인 동작은 생략한다.
그러나 상기한 종래의 UWB 통신시스템은 물리계층(106, 116)이 고정된 PPM 방식으로 UWB 프로토콜의 데이터를 무선 전송하므로 네트워크의 환경 변화에 따라 효율적으로 데이터 전송의 자원할당이 이루어지지 않았다. 즉, 종래에는 물리계층(106, 116)이 고정된 심볼당 비트 수 및 펄스 발생주기의 PPM 방식으로 데이터를 변조하여 전송하므로 데이터 전송 자원의 낭비가 많고, 이로 인하여 홈 네트워크와 같이 전송할 데이터의 양을 예측할 수 없는 가변적인 환경 하에서 데이터의 전송에 요구되는 QoS를 만족할 수 없는 문제점이 있었다.
그러므로 본 발명의 목적은 데이터 전송자원의 낭비를 최소로 줄이고, 요구되는 QoS에 따라 효과적으로 데이터를 PPM 방식으로 변조하여 전송할 수 있는 UWB 통신시스템의 데이터 율 개선장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 비트 에러율, E/N(Energy/Noise), 데이터 율, 링크거리 및 전송채널의 상태에 따라 효과적으로 데이터를 전송할 수 있는 UWB 통신시스템의 데이터 율 개선장치를 제공하는데 있다.
이러한 목적을 가지는 본 발명의 UWB 통신시스템의 데이터 율 개선장치는, 소정의 네트워크 프로토콜로 제 1 디바이스 및 제 2 디바이스의 동작을 각기 제어하고, 상호간에 전송할 데이터를 제공하는 응용계층과, 상기 응용계층이 제공하는 전송 데이터를 UWB(Ultra Wide Band) 프로토콜에 따른 데이터로 변환하고 수신되는 UWB 프로토콜에 따른 데이터를 상기 응용계층이 사용하는 네트워크 프로토콜에 따른 데이터로 변환하여 응용계층으로 전달하는 MAC(Medium Access Control) 계층과, 상기 응용계층 및 상기 MAC 계층의 출력신호에 따라 심볼당 비트 수 및 펄스 반복주기를 결정하는 ACB(Adaptive Configuration Block)와, 상기 MAC 계층이 UWB 프로토콜에 따라 변환한 전송 데이터를 상기 ACB가 결정한 심볼당 비트 수 및 펄스 반복주기에 따라 PPM(Pulse Position Modulation) 방식으로 변조하여 상호간에 전송 하는 물리 계층으로 구성됨을 특징으로 한다.
상기 ACB는 상기 응용계층의 비트 에러율, E/N(Energy/Noise) 및 데이터 율과, 상기 MAC 계층의 링크거리 및 채널 상태에 따라 심볼당 비트 수 및 펄스 반복주기를 결정하고, 상기 물리계층의 PPM 변조는 상기 MAC 계층으로부터 입력되는 데이터를 6.85㎓의 중심주파수로 하여 7.5㎔의 대역폭을 가지는 가우시안 모노 펄스신호로 PPM 변조하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도 2의 도면을 참조하여 본 발명의 UWB 통신시스템의 데이터 율 개선장치를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 데이터 율 개선장치에 따른 UWB 통신시스템의 구성을 보인 블록도이다. 여기서, 부호 200 및 210은 제 1 디바이스 및 제 2 디바이스에 각기 내장되어 제 1 디바이스 및 제 2 디바이스의 동작을 각기 제어하고, 상호간에 소정의 데이터를 PPM 방식으로 변조하여 무선으로 전송하는 UWB 통신 시스템이다. 상기 UWB 통신시스템(200, 210)들 각각은, 소정의 네트워크 프로토콜로 제 1 디바이스 및 제 2 디바이스의 동작을 각기 제어하고, 상호간에 전송할 데이터를 제공하는 응용계층(202, 212)과, 상기 응용계층(202, 212)이 제공하는 전송 데이터를 UWB 프로토콜에 따른 데이터로 변환하고 수신되는 UWB 프로토콜에 따른 데이터를 상기 응용계층(202, 212)이 사용하는 네트워크 프로토콜에 따른 데이터로 변환하여 응용계층(202, 212)으로 전달하는 MAC 계층(204, 214)과, 상기 응용계층(202, 204)의 비트 에러율(BER; Bit Error Rate), E/N(Energy/Noise) 및 데이터 율과 상기 MAC 계층 (204, 214)의 링크거리 및 채널 상태에 따라 심볼당 비트 수 및 펄스 반복주기(PRI; Pulse Repetition Interval)를 결정하는 ACB(Adaptive Configuration Block)(206, 216)와, 상기 MAC 계층(204, 214)이 UWB 프로토콜에 따라 변환한 전송 데이터를 상기 ACB(206, 216)가 결정한 심볼당 비트 수(m) 및 펄스 반복주기(PRI)에 따라 PPM 방식으로 변조하여 상호간에 전송하는 물리 계층(208, 218)으로 구성하였다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 UWB 통신시스템은 제 1 디바이스의 UWB 통신 시스템(200)의 응용 계층(202)이 소정의 네트워크 프로토콜로 제 1 디바이스의 동작을 제어하면서 제 2 디바이스로 전송할 소정의 전송 데이터가 발생할 경우에 그 전송 데이터를 MAC 계층(204)으로 전달하게 된다.
그러면, MAC 계층(204)은 상기 전송 데이터를 UWB 프로토콜에 따른 전송데이터로 변환하고, 그 변환한 UWB 프로토콜에 따른 전송 데이터는 물리 계층(206)으로 입력된다.
한편, ACR(206)은 상기 응용계층(202)의 비트 에러율, E/N(Energy/Noise) 및 데이터 율과 상기 MAC 계층(204)의 링크거리 및 채널 상태를 판단하고, 판단한 비트 에러율, E/N(Energy/Noise), 데이터 율, 링크거리 및 채널 상태에 따라 심볼당 비트 수(m) 및 펄스 반복주기(PRI)를 결정하여 물리계층(208)에 제공한다.
그러면, 물리 계층(208)은 상기 MAC 계층(204)으로부터 입력되는 UWB 프로토콜에 따른 전송 데이터를 상기 ACB(206)가 제공하는 심볼당 비트 수(m) 및 펄스 반복주기(PRI)에 따라 PPM 방식으로 변조한다. 예를 들면, MAC 계층(204)으로부터 입 력되는 비트 스트림의 전송 데이터를 6.85㎓를 중심 주파수로 하고, 7.5㎓의 대역폭(bandwidth)을 갖는 가우시안 모노 펄스(Gaussian mono-pulse)의 PPM 방식으로 변조한 후 무선으로 전송한다.
상기 제 1 디바이스의 UWB 통신 시스템(200)의 물리계층(208)이 전송하는 PPM 방식으로 변조 데이터는 제 2 디바이스의 UWB 통신 시스템(210)의 물리계층(218)이 수신하여 UWB 프로토콜의 데이터로 변환하고, 변환한 UWB 프로토콜의 데이터는 MAC 계층(214)에서 네트워크 프로토콜의 데이터로 변환되어 응용 계층(212)으로 입력되는 것으로서 응용 계층(212)은 상기 수신된 데이터에 따른 해당 동작을 수행하게 된다.
그리고 제 2 디바이스의 UWB 통신 시스템(210)의 응용 계층(212)이 소정의 네트워크 프로토콜로 제 2 디바이스의 동작을 제어하면서 제 1 디바이스로 전송할 소정의 전송 데이터가 발생할 경우에 그 전송 데이터를 제 1 디바이스의 UWB 통신 시스템(200)으로 전송하는 것으로서 UWB 통신 시스템(210)이 전송데이터를 UWB 통신 시스템(200)으로 전송하는 것은 상기와는 반대로 수행하는 것이므로 구체적인 동작은 생략한다.
즉, 본 발명은 ACR(206)(216)이 1 단계에서 환경 조건, 데이터 율 및 통신 자원 등을 체크하기 위해서 응용계층(202)(212), MAC 계층(204)(214) 및 물리계층(208)(218)과 통신을 수행한다. 여기서, 환경조건은 링크거리와 간섭레벨이고, 통신자원은 가능한 PRI의 값이다. 이러한 정보들이 구성기간 동안에 RTS(Request To Send) 메시지에 포함되어서 특정 노드로 전달된다.
다음의 2 단계에서 노드는 최적의 변조 구조(scheme)를 선택하여 가능한 구성에 대한 지식을 가진다. 본 발명에서는 자원 할당을 최적으로 할 수 있는 코스트 펑션(cost function)을 제공한다. PPM의 거동에 따라 변조 구조를 선택하는 것으로 PPM이 있는 UWB 시스템은 여러 종류의 간섭이 발생할 수 있다.
다음의 3단계에서는 변조 구조를 맞는 자원을 할당한다. 타겟 노드는 선택된 변조 구조의 처음 노드를 알려준 후에 변조 구조를 구성한다. 처음 노드는 CSMA/CA(Carrier Sence Multiple Access/Collision Avoidance)의 CTS(Clear To Send) 패킷이나 IEEE802.15.3의 PNC(PicoNet Coordinator) 표지(beacon)에서 제안된 변조 구조를 축출한다
노드들의 제어 패킷은 기존의 변조 구조로 보내지만, 데이터는 가장 효율적인 변조 구조로 전송하게 된다. 환경 조건이 변하기 때문에 송신단과 수신단은 자원 재할당에 대한 적절한 방법을 결정해야 한다. 업데이트되는 동안에 아무 데이터도 보내지지 않는 주기적 업데이트는 결국 개선이 없게 된다. 처리율(Transaction rate)에 비해서 환경조건이 천천히 변하게 되면, 업데이트는 매 처리(Transaction) 전에 큰 오버헤드(overhead)에 빠질 수 있다.
그러므로 중요 파라미터(parameter)의 전반에 개선이 있을 때만 시스템 설정을 바꾼다. 새로운 매 할당은 재할당 알고리즘으로부터 나오는 어떤 오버헤드라도 상쇄시킬 수 있는 충분한 시간 동안 존속하도록 한다.
한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다. 즉, 상기에서는 UWB 통신시스템을 홈 네트워크에 적용한 것을 예로 들어 설명한 것으로서 본 발명을 실시함에 있어서는 이에 한정되지 않고, 각종 디바이스에 내장되어 상호간에 데이터 통신을 수행할 경우에도 간단히 적용하여 실시할 수 있는 등 여러 가지로 변형 실시할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 PPM방식의 특성을 이용하여 네트워크의 환경 변화에 따라 심볼당 비트 수 및 펄스반복주기를 결정하고, 결정한 심볼당 비트 수 및 펄스반복주기에 따라 변조 구조를 동작으로 구성하여 데이터를 전송함으로써 높은 데이터 율로 데이터를 전송함은 물론 통신자원의 사용 효율성을 높일 수 있다.

Claims (3)

  1. 소정의 네트워크 프로토콜로 제 1 디바이스 및 제 2 디바이스의 동작을 각기 제어하고, 상호간에 전송할 데이터를 제공하는 응용계층;
    상기 응용계층이 제공하는 전송 데이터를 UWB(Ultra Wide Band) 프로토콜에 따른 데이터로 변환하고 수신되는 UWB 프로토콜에 따른 데이터를 상기 응용계층이 사용하는 네트워크 프로토콜에 따른 데이터로 변환하여 응용계층으로 전달하는 MAC(Medium Access Control) 계층;
    상기 응용계층 및 상기 MAC 계층의 출력신호에 따라 심볼당 비트 수 및 펄스 반복주기를 결정하는 ACB(Adaptive Configuration Block); 및
    상기 MAC 계층이 UWB 프로토콜에 따라 변환한 전송 데이터를 상기 ACB가 결정한 심볼당 비트 수 및 펄스 반복주기에 따라 PPM(Pulse Position Modulation) 방식으로 변조하여 상호간에 전송하는 물리 계층으로 구성된 초광대역 통신시스템의 데이터 율 개선장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 ACB는;
    상기 응용계층의 비트 에러율, E/N(Energy/Noise) 및 데이터 율과, 상기 MAC 계층의 링크거리 및 채널 상태에 따라 심볼당 비트 수 및 펄스 반복주기를 결정하는 것을 특징으로 하는 초광대역 통신시스템의 데이터 율 개선장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 물리계층의 PPM 변조는;
    상기 MAC 계층으로부터 입력되는 데이터를 6.85㎓의 중심주파수로 하여 7.5㎔의 대역폭을 가지는 가우시안 모노 펄스신호로 PPM 변조하는 것을 특징으로 하는 초광대역 통신시스템의 데이터 율 개선장치.
KR1020050018811A 2005-03-07 2005-03-07 초광대역 통신시스템의 데이터 율 개선장치 KR100623384B1 (ko)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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