KR100910245B1 - 지그비를 이용하여 멀티미디어 데이터를 전송하는 무선네트워크장치 - Google Patents

Abstract

　　　 1. 발명의 기술분야 및 종래기술

　　　　　　본 발명은 지그비를 이용한 개인영역무선네트워크에서 동영상과 같은 멀티미디어 데이터를 전송하는 방법에 관한 것이다. 종래의 기술은 지그비의 최대 데이터 전송 능력이 250Kbps라서 단순한 센서 데이터 전송이나 스위치 제어 등의 저속 전송에 주로 활용되고, 데이터가 많은 멀티미디어 전송에는 사용되지 않았다.

　　　　2. 발명의 목적

　　　　　　본 발명의 목적은 개인영역무선네트워크 기술인 지그비에서 동영상 및 음성과 같은 멀티미디어 데이터를 전송하는 방법을 제공하여, 센서 네트워크와 홈 네트워크에 국한된 기존의 지그비에 동영상 전송이라는 새로운 응용 분야를 제공하는 데 있다.

　　　　3. 청구범위에 기재한 해결 수단

　　　　　　본 발명은 음성과 영상의 멀티미디어 데이터를 최대한 압축하도록 구성한 음성영상신호처리기(120)와 지그비 표준의 무선 송수신이 가능하도록 구성한 지그비무선송수신기(113,114)를 포함한 무선멀티미디어장치(201,202)와 이 무선멀티미디어장치(201,202) 간에 직접 송수신이 가능하도록 네트워크를 구성하도록 한 도 2가 제시된다.

　　　　　4. 발명의 중요한 용도 및 효과

　　　　　　본 발명은 지그비를 이용한 개인영역무선통신기기에 적용하여, 음성이나 영 상과 같은 멀티미디어 데이터를 전송하는 방법을 제공한다.

　　　　　개인영역 무선 네트워크, 지그비, 근거리 무선통신, 멀티미디어, H.264, AAC, 홈 네트워크, 센서 네트워크, IEEE802.15.4

Description

지그비를 이용하여 멀티미디어 데이터를 전송하는 무선네트워크장치 {Wireless Network Device Transmitting Multimedia Data through ZigBee}

　　　　도 1은 본 고안에서 구현하고자 하는 지그비 멀티미디어 데이터 전송 장치의 구성도이다.

　　　　도 2는 본 고안의 지그비 무선네트워크 구성도이다.

　　　　도 3은 지그비 표준의 무선 네트워크 형상이다.

도 4는 본 고안에서 사용하는 지그비 표준의 프레임 구조이다.

도 5는 음성압축방식에 따른 시간 지연 그래프이다

　　　　　　< 도면의 주요부분에 대한 설명 >

121 : 음성영상부호기

122 : 음성영상복호기

120 : 음성영상신호처리기 (음성영상부호기와 음성영상복호기를 합친 장치)

130 : 음성영상부호기에서 나온 비트스트림을 제어부로 직접 전송할 수 도 있고 메모리로 전송한 후 제어부에 그 위치만 알려주도록 하는 장치 및 송신된 비트스트림을 제어부가 음성영상복호기로 직접 전송할 수 도 있고 메모리로 전송한 후 그 위치만 알려주도록 하는 장치

113, 114 : 지그비 무선송수신기 (IEEE802.15.4 표준과 지그비 표준을 이용하여 무선통신을 할 수 있도록 구성된 장치. 113 과 114 는 별개의 무선 채널을 사용하기 위해 하나의 무선멀티미디어 기기에 두 개의 지그비무선송수신기를 장착한 예이다)

116 : 외부인터페이스장치 (Ethernet, USB, Serial 등 외부와 유선 통신할 수 있는 장치)

201 : 무선멀티미디어장치 (지그비 송신기 또는 수신기의 역할을 한다)

202 : 무선멀티미디어장치 (지그비 수신기 또는 송신기의 역할을 한다)

203 : 지그비 코디네이터 (지그비 네트워크의 최고 부모 노드)

204 : 지그비 중계기 (코디네이터(203)를 부모 노드로 가지고, 무선멀티미디어장치(202)와 지그비종단기기(205)를 자식 노드로 가진다)

205 : 지그비 종단기기 (전등제어 스위치 등의 종단기기 역할을 한다)

206 : 지그비 중계기 (코디네이터(203)를 부모 노드로 가지고, 지그비종단기기(207,208)를 자식 노드로 가진다)

207 : 지그비 종단기기 (가스센서 등의 종단기기 역할을 한다)

208 : 지그비 종단기기 (가스밸브 등의 종단기기 역할을 한다)

　　　　　본 발명은 지그비 표준 기술을 이용한 무선개인영역네트워크(WPAN, Wireless Personal Area Network)에서 무선으로 영상과 음성의 멀티미디어 데이터를 전송하는 방법에 관한 것이다. 특히, 최대전송량이 250Kbps인 저속의 표준기술인 지그비에서도 압축기술을 효과적으로 활용하여 멀티미디어 전송이 가능하게 하였다.

　　　　　개인영역 네트워크라고 불리는 PAN(Personal Area Network)는 근거리통신망(LAN, Local Area Network)보다 좁은 범위에서 이루어 지는 통신망을 말한다. PAN에서는 각각의 기기마다 고유한 네트워크 ID를 가지며, 주로 개인의 일상범위 안에서 편리하고 안전한 생활을 위한 네트워크로 많이 활용된다. 이러한 PAN을 무선으로 구현하기 위한 노력으로 IEEE802.15 워킹그룹(Working Group)은 단 거리무선네트워크의 표준으로 WPAN(Wireless Personal Area Network)을 정하고, 그 아래 5개의 TG(Task Group)을 두고 있다. IEEE802.15.1은 널리 알려진 블루투스(Bluetooth)이며, IEEE802.15.3은 고속 WPAN이며, IEEE802.15.4는 지그비(ZigBee)로 알려진 250Kbps이하의 저속 WPAN에 대한 표준화 작업을 하는 그룹이다.

지그비 표준이 규정하는 최대 대역폭(Bandwidth)은 250Kbps이다. 지그비의 탄생 배경이 저전력, 고효율, 다중노드를 강조하다보니, 상대적으로 대역폭을 올리지 않게 되었다. 이러한 저대역폭으로 인해 응용의 제한이 많다 보니, 저속의 스위치 제어, 센서 상태 입력 등의 단순 기능에 응용이 국한되어 있고, 홈 네트워크나 센서 네트워크에 적합한 규격임에도 불구하고 시장이 활성화되어 있지 않다. 근래에는 250Kbps이라는 낮은 대역폭을 가진 지그비 규격이지만, 지그비를 이용해서 정지 영상 전송이나 음성 전송 기술을 개발하려는 노력들이 있다.

　　　　　종래에는 지그비의 낮은 대역폭으로 인해 스위치 제어, 센서 데이터 입력 등의 단순 응용에 국한되어 지그비가 사용되었다. 영상이나 음성의 멀티미디어 데이터를 지그비를 통하여 무선 전송하게 되면, 지그비 단일 네트워크를 사용하여도 홈 네트워크나 센서 네트워크에서 멀티미디어 전송이 되므로 많은 응용을 기대할 수 있게 된다.

　　　　　상기와 같은 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은 음성 부호기와 복호기, 영상 부호기와 복호기, 음성과 영상 신호를 합해주는 멀티플렉서와 디멀티플렉서를 갖는 멀티미디어 신호처리장치와 지그비 표준을 준수하는 무선 송수신부, 사용자의 입력을 처리하는 키 입력부, 외부 기기와 데이터를 전송할 수 있는 외부인터페이스부 및 중앙처리장치를 가진 제어부로 구성된 시스템을 가지고, 최고의 압축률을 이용하여 음성과 영상을 압축하여 전송하고, 지그비 네트워크 구성 방식 중 메시 네트워크를 이용하여 기기간 직접 전송을 하는 방법을 이용한다.

　　　　　이하, 본 발명의 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 지그비 멀티미디어 데이터 전송 장치의 구성도이다.

영상입력장치(101)는 카메라와 같이 영상 신호를 입력 받는 장치이며, 입력된 영상 신호를 영상신호 압축을 위해 영상부호기(102)에 전달한다. 카메라는 CCD나 CMOS 방식을 주로 사용하며, 영상부호기(102)가 영상신호 처리를 디지털로 할 수 있도록 디지털 신호를 생성하는 기능이 있어야 하고, 디지털 영상신호 방식으로는 BT656, BT601 등이 있다.

영상부호기(102)는 영상입력장치(101)에서 입력된 영상신호를 압축하고 부호화하는 장치이다. 정지영상의 압축방식으로는 JPEG, GIF, TIFF 등이 있고, 동영상의 압축방식으로는 MPEG2, MPEG4, H.264 등이 있다. 본 발명이 제시하는 가장 효율적인 압축 방식은 H.264이다. H.264는 모바일기기에 실질적으로 적용할 수 있는 현재까지 알려진 가장 진보된 동영상 압축방식이다.

음성입력장치(103)는 마이크와 같이 음성 신호를 입력 받는 장치이며, 입력된 음성 신호를 음성신호 압축을 위해 음성부호기(104)에 전달한다. 음성부호기(104)가 음성신호처리를 디지털로 할 수 있도록 디지털 신호를 생성하는 기능이 있어야 하고, 가장 널리 사용되는 디지털 신호 방식은 I2S라고 불리는 것이다.

음성부호기(104)는 음성입력장치(103)에서 입력된 음성신호를 압축하고 부호화하는 장치이다. 널리 사용되는 음성부호화 방식으로는 G.711, G.721, G.722 등이 있으나, 본 발명이 제시하는 가장 효율적인 압축 방식은 AAC(Advanced Audio Codec)이다. AAC는 H.264와 같이 MPEG4 압축방식을 모태로 발전한 것이며, 음성압축률은 MP3보다 뛰어나며, 동영상 압축 방식인 H.264와 결합하여 사용할 수 있으므로, 본 발명의 특징인 음성과 영상을 동시에 무선 전송하는 멀티미디어 데이터로 현재까지 알려진 실질적으로 적용할 수 있는 가장 진보된 음성 압축 방식이다.

멀티플렉서(109)는 영상부호기와 음성부호기에서 각각 전달되는 디지털 신호를 합성하여 하나의 비트스트림(비트열) 신호를 만드는 장치이다. 음성과 영상은 하나의 신호선에 정렬하고 있어야 복호기에서 신호를 복원하였을 때 시간 동기를 따로 맞추지 않아도 음성과 영상 신호의 시간이 동기가 된다. 멀티플렉서(109)의 비트스트림은 제어부(112)에 직접 전달되기도 하고, 메모리(111)에 저장되어 제어부(112)에는 저장위치만 알려주게 할 수도 있다. 비트스트림 데이터를 메모리(111)에 우선 저장하고, 저장위치만 제어부(112)에 알려주는 방식은 제어부(112)의 부담을 덜어주고, 전체적인 전송량을 늘릴 수 있으므로 더욱 진보된 방식이라 할 것이다.

디멀티플렉서(110)는 제어부(112)에서 전달되는 비트스트림(비트열) 신호에서 영상 신호와 음성 신호를 분리하여 추출하는 장치이다. 비트스트림 데이터는 제어부(112)에서 직접 전송하는 방법도 있고, 메모리(111)에 우선 저장하고 저장 위치만 전달받아 비트스트림 데이터를 읽어 들이는 방법도 있다. 디멀티플렉서(110)는 입력된 비트스트림 데이터를 규정된 방법에 의해 음성 신호와 영상 신호로 분리하여, 음성 신호는 음성복호기(108)로, 영상 신호는 영상복호기(106)로 전달한다.

영상복호기(106)는 디멀티플렉스(110)에서 전달받은 압축된 영상 신호에서 압축을 복원하여 압축전의 원래 영상 신호를 생성한다. 압축을 정상적으로 복원하기 위해서는 압축에 사용된 방식과 동일한 방식의 복원 방식을 사용해야 한다. 예를 들어 압축할 때 H.264 방식을 사용하였으면, 이 영상신호를 복원하기 위해서는 동일하게 H.264 방식을 사용하여야 한다. 복원된 영상 신호는 영상출력장치(105)로 전달된다.

영상출력장치(105)는 영상복호기(106)에서 복원된 영상 신호를 사용자에게 보여주기 위한 장치로서, LCD가 대표적인 영상출력장치이다. 영상출력장치(105)도 영상복호기(106)에서 영상 신호를 전달 받을 때는 대부분 디지털 영상신호 방식으로 전달받으나, 옛날 방식과 호환을 하고 싶을 때나 저가형 제품의 경우에는 아나로그 방식인 NTSC 또는 PAL 과 같은 Composite 신호로 받게 할 수 도 있다.

음성복호기(108)는 디멀티플렉스(110)에서 전달받은 압축된 음성 신호에서 압축을 복원하여 압축전의 원래 음성 신호를 생성한다. 압축을 정상적으로 복원하기 위해서는 압축에 사용된 방식과 동일한 방식의 복원 방식을 사용해야 한다. 예를 들어 압축할 때 AAC 방식을 사용하였으면, 이 음성신호를 복원하기 위해서는 동일하게 AAC 방식을 사용하여야 한다. 복원된 음성 신호는 음성출력장치(107)로 전달된다.

음성출력장치(107)는 음성복호기(108)에서 복원된 음성 신호를 사용자에게 들려주기 위한 장치로서, 스피커가 대표적인 음성출력장치이다. 음성출력장치(107)도 음성복호기(108)에서 음성 신호를 전달 받을 때는 대부분 I2S와 같은 디지털 음성신호 방식으로 전달받는다.

음성영상부호기(121)은 영상부호기(102), 음성부호기(104), 멀티플렉서(109)를 합친 장치 또는 기능을 말하며, 일반적으로 하나의 반도체에 구현되어 있다.

음성영상복호기(122)은 영상복호기(106), 음성복호기(108), 디멀티플렉서(110)를 합친 장치 또는 기능을 말하며, 일반적으로 하나의 반도체에 구현되어 있다.

음성영상신호처리기(120)은 음성영상부호기(121)와 음성영상복호기(122)를 합친 장치를 말한다. 음성영상신호처리기(120)가 하나의 반도체에 구현되어 있는 제품도 있고, 음성영상부호기(121)와 음성영상복호기(122)가 각각의 반도체에 분리되어 구현되어 있는 제품도 있어서, 사용하는 목적에 맞게 선택할 수 있도록 되어있다.

제어부(112)는 중앙처리장치를 내장하여 전체적으로 무선 멀티미디어 장치를 제어하는 역할을 한다. 음성영상부호기(121)에서 입력되는 신호를 처리하고, 음성영상복호기(122)로 신호를 출력하기도 하며, 무선 출력을 위해 지그비무선송수신기(113,114)를 제어하고, 키입력장치(115)를 통해 사용자의 입력을 받아들이고 처리하며, 외부인터페이스장치(116)를 통해 Ethernet, USB, Serial 등의 통신을 하여 외부와 소통한다.

지그비무선송수신기(113,114)는 IEEE802.15.4 지그비를 이용해 데이터를 무선으로 송수신하기 위한 장치이다. 기본적으로는 1개의 지그비무선송수신기(113)만 있으면 되지만, 250Kbps라는 지그비의 대역폭이 부족해서 더 넓은 대역폭을 확보하기 위해 2개 이상의 지그비무선송수신기를 사용할 수 도 있으므로, 여기서는 2개를 표시하였다. 2개 이상의 지그비무선송수신기를 사용하게 되면 영상전송용, 음성전송용, 제어신호전송용 등으로 각 용도를 구분하여 사용하면 효과적이다.

IEEE802.15.4는 868MHz대역, 900MHz 대역, 2.4GHz 대역의 3개 주파수 대역에 대해 규정하고 있으나, 868MHz 대역은 20Kbps, 900MHz 대역은 40Kbps로 대역폭이 현저하게 낮아서 본 발명에서는 이 두 주파수 대역은 사용하지 않고, 250Kbps를 전송할 수 있는 2.4GHz 대역만 사용한다. IEEE802.15.4는 지그비용으로 16개 채널을 할당하였다. 지그비무선송수신기(113)는 16개 채널중 지정된 1개 채널을 통해 다른 기기와 지그비 통신을 하며, 2개 이상 지그비무선송수신기(114)를 사용할 때에는 첫번째 지그비무선송수신기(113)가 사용하는 채널과 다른 채널을 할당 받아 사용한다. IEEE802.15.4는 O-QPSK(Offset Quadrature Phase Shift Keying) 변조 방식을 사용하여 2Mcps를 250Kbps로 변조하도록 하였다. 하지만 몇몇 지그비 칩에서는 이러한 표준 변조 방식과 별도로 자체적인 비표준 변조 방식을 병행해서 제공하는 지그비 칩도 있다. 이러한 칩들은 250Kbps를 넘어서는 625Kbps, 1Mbps, 2Mbps 등의 각종 고속 전송을 가능하게 하는 방법도 제공하므로, 멀티미디어 데이터를 전송하기 위해서 이러한 고속 전송 기능을 사용할 수 도 있으나, 여기서는 표준 변조 방식에 대해서만 설명한다.

IEEE802.15.4는 CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 기법을 사용하므로 특정 지그비무선송수신기(113)가 채널을 점유해서 사용중이면 네트워크에 등록된 다른 기기는 지그비무선송수신기(113)가 채널을 반납할 때까지 기다려야 한다. 이러한 특징으로 인해 단방향 데이터 전송일 때는 250Kbps를 모두 사용할 수 있지만, 양방향으로 멀티미디어 데이터 전송을 하게 되면 송신과 수신에 동일한 시간대를 점유한다고 가정하였을 때 산술적으로 250Kbps의 반인 125Kbps의 대역폭을 가진다고 할 것이다. 그리고, 지그비 코디네이터(203)나 중계기(204,Router)를 거치게 되면 실질적으로 대역폭이 반감하게 되므로 본 발명에서는 메시 네트워크(Mesh Network)를 사용하여 무선멀티미디어장치(201,201)간에 직접 통신하게 하여 대역폭을 최대한으로 활용하게 하였다.

키입력장치(115)는 사용자의 키 입력을 받아 무선멀티미디어장치를 조작하기 위한 장치인데, 키 입력방식 외에 터치스크린, 리모컨 입력 등 입력의 방법은 여러 가지가 있을 수 있다.

외부인터페이스장치(116)는 지그비를 이용한 무선 통신 이외에 Ethernet, USB, Serial, SD card 등의 유선 통신 장치인데, 멀티미디어 데이터를 주고 받을 수는 있지만, 지그비 무선과 별개로 동작하므로 여기서는 더 이상 언급하지 않는다.

도 1의 무선멀티미디어장치는 송신부나 수신부에 각각 적용되어 있으며, 결국 무선 통신을 하려면 도 1의 무선멀티미디어장치는 최소한 2개 이상이 있어야 무선 통신을 할 수 있게 된다.

도 3은 지그비 무선네트워크의 형상(Topology)을 나타낸 것이다. 지그비 표준은 성형(Star), 나무형(Tree), 망형(Mesh)의 3가지 네트워크 형상(Topology)를 규정한다. 이중 성형과 나무형은 초기의 지그비 표준부터 규정이 있었으나, 망형은 최근에 새로 생긴 규정이고 IEEE802.15.5에서 표준화 작업을 추진 중에 있는 형상이다.

지그비 표준은 네트워크 노드의 형태를 세가지로 규정하고 있다. 코디네이터는 네트워크의 중심 역할을 하며 네트워크에 연결된 모든 기기의 정보를 관리하며 FFD(Full Function Device)로 구성한다. 중계기(Router)는 성형에는 없으며, 나무형과 망형에 적용할 수 있다. 중계기는 코디네이터와 종단기기(End Device)를 연결하여 주는 역할을 하며 FFD로 구성한다. 중계기 자체적으로 종단기기의 역할을 병행할 수도 있으며, 이 경우 이름은 중계기이지만 종단기기와 동일하게 취급되기도 한다. 종단기기(End Device)는 네크워크의 종단 노드를 구성하는 것으로 센서 데이터를 수집해서 전송하거나 코디네이터의 명령을 받아서 스위치를 제어하는 등의 역할을 수행한다. 종단기기는 일반적으로 RFD(Reduced Function Device)로 구성한다. RFD는 FFD와 비교해서 적은 메모리를 사용하여 가격을 낮추고 전력소모를 줄이기 위해 주로 사용한다.

성형은 코디네이터(302)가 중심에 있고, 그 밑으로 종단기기(301,303,304) 들이 직접 연결된 망으로, 구현이 제일 간단하다. 종단기기(301)에서 종단기기(303)로 데이터를 전송하기 위해서는 코디네이터(302)를 거쳐야 하므로 두 단계가 필요하다. 예를 들어 종단기기(301)에서 100 바이트를 종단기기(303)으로 전송하기 위해서는, 1단계로 종단기기(301)에서 코디네이터(302)로 100바이트를 전송하고, 2단계로 코디네이터(302)에서 종단기기(303)으로 100바이트를 전송하므로, 전체 네트워크 트래픽은 200바이트가 된다.

나무형은 코디네이터(313)가 중심에 있고, 그 밑으로 종단기기(318) 들이나 중계기(312,314) 들이 연결되어 있고, 중계기(312) 밑으로 또 다른 중계기(311)들이 연결되기도 하고 종단기기가 직접 연결되기도 하면서 네트워크 망을 늘려갈 수 있는 형상을 말한다. 나무형의 네트워크에서는 모든 데이터가 코디네이터로 집중되어야 하므로 전체 트래픽이 많아지는 경향이 있다. 예를 들어 100바이트를 중계기(312)에서 중계기(315)로 보내기 위해서는 코디네이터(313), 중계기(314)를 거쳐야 하므로 3단계가 필요하고, 전체 네트워크 트래픽은 300바이트가 된다.

망형은 나무형과 비슷하게 코디네이터(333)가 중심에 있고, 그 밑으로 종단기기(338) 들이나 중계기(332,334) 들이 연결되고, 중계기(332) 밑으로 또 다른 중계기(331,335) 들이 연결되기도 하고 종단기기가 직접 연결되기도 하면서 네트워크 망을 늘려나가는 형상이다. 다만 나무형과 다른 점은 각각의 노드가 하나의 부모노드를 가지는 것이 아니라 여러 개의 부모노드를 가질 수 있다는 것이다. 예를 들어 나무형 구조에서는 중계기(315)는 중계기(314)라는 하나의 부모 노드만 가지지만, 망형 구조에서는 중계기(335)는 중계기(334)와 또 다른 중계기(332)를 부모 노드로 가질 수 있다. 망형은 네트워크 구성이 복잡하고 모든 노드에 대한 정보를 각각의 중계기가 모두 가지고 있어야 하므로 메모리를 많이 소비하는 단점이 있으나, 하나의 노드가 손실되더라도 우회경로를 즉시 확보할 수 있어서 네트워크 안 정성이 향상되고, 코디네이터를 거치지 않고도 최단 경로로 데이터를 직접 전송할 수 있어서 전체 트래픽을 줄이는 장점이 있다. 예를 들어 100 바이트를 중계기(332)에서 중계기(335)로 보내기 위해서는 코디네이터(333)를 거치지 않고 직접 전송하므로 전체 네크워크 트래픽은 100바이트이다. 나무형일 때의 트래픽 300바이트와 비교하면 전체 프래픽이 확연히 줄어듬을 알 수 있다.

도 2는 본 고안의 지그비 무선네트워크 구성도를 나타낸 것이다. 기본적으로 망형 네트워크를 이용하도록 하였으며, 무선멀티미디어장치(201,202)가 망형 네크워크로 직접 연결되도록 하기 위해 종단기기이지만 FFD(Full Function Device)로 구성되었다.

무선멀티미디어장치(201)에서 다른 무선멀티미디어장치(202)로 동영상을 전송한다고 가정할 때, 망형 네트워크가 아니고 나무형 네트워크라면 연결선(220)이 성립되지 않을 것이고, 코디네이터(203)와 중계기(204)를 거쳐서, 3단계 전송이 되어야 하므로, 전송 대역폭이 1/3로 줄어들 것이다. 하지만 망형 네트워크를 구성하여 무선멀티미디어장치(201,202)간에 직접 연결되는 연결선(220)이 있으면, 무선멀티미디어장치(201)에서 무선멀티미디어장치(202)로 직접 동영상을 전달하므로, 대역폭을 모두 사용할 수 있게 된다. 즉 동영상 전송용 대역폭을 150Kbps로 할당하였다면, 연결선(220)이 있는 망형 네트워크에서는 이 대역폭을 모두 사용하여 150Kbps의 속도로 동영상을 전송할 수 있지만, 연결선(220)이 없는 나무형 네트워크에서는 코디네이터(203)와 중계기(204)를 거쳐야 하므로 결국 50Kbps의 속도로 동영상을 전송할 수 밖에 없게 된다. 그래야만 전체 네트워크 트래픽이 150Kbps가 되기 때문이다. 만일 무선멀티미디어장치(201)와 무선멀티미디어장치(202)가 멀리 떨어져서 전파가 도달하지 않아 직접 연결할 수 없는 상태라면 연결선(220)은 사라지게 되고, 불가피하게 코디네이터(203)와 중계기(204)를 거쳐야 하므로 나무망 네트워크의 경우처럼 동영상 전송 속도는 50Kbps로 떨어질 것이다. 하지만 이는 네트워크 설계의 문제라기 보다는, 전파자체가 직접 도달하지 않는 먼 거리이기 때문에 발생한 문제라서 본 발명의 의도와는 관계가 없다.

모든 기기를 망형 네트워크로 구성할 수 있지만, 네트워크의 모든 기기가 망형 네트워크를 필요로 하는 것은 아니다. 망형 네트워크를 구성하기 위해서는 망에 연결된 모든 기기의 정보를 저장하고 관리해야 하므로 메모리가 많이 필요하고 전체적인 망의 부하가 늘어나게 되기 때문에, 실용성있게 망을 구성하기 위해서는 꼭 필요한 기기만 망형 네트워크를 구성하고 그 외의 일반 기기들은 나무형 네트워크로 구성할 수도 있다. 도 2의 예와 같이 고속의 트래픽 처리가 필요한 기기만 망형 네트워크로 연결하고, 그 외 코디네이터(203), 중계기(204,206), 종단기기(207,208,205) 들은 모두 나무형 네트워크로 구성하면 실용성있는 지그비 무선네트워크가 된다. 하지만 나무형과 망형이 공존하는 네트워크는 지그비 표준을 벗어나는 문제점을 야기할 수 있다.

도 4는 지그비 표준의 프레임 구조를 나타낸 것이다. 지그비는 slotted-mode 와 non slotted-mode를 모두 지원한다. Slotted mode에서는 beacon을 사용하여 동기를 수행하며, non slotted-mode에서는 Preamble 신호를 이용해 프레임의 시작을 알아낸다. Slotted-mode는 동기신호를 공유하므로 네트워크 효율이 올라가는 장점이 있지만, 본 발명처럼 큰 데이터를 연속해서 보내기에는 적합하지 않다. 본 발명은 slotted-mode와 non slotted-mode에 상관없이 모두 사용 가능하지만, 데이터의 효율적인 이용과 지그비가 가진 좁은 대역폭의 한계를 극복하기 위해 최대한 많은 데이터를 연속해서 실어 보낼 수 있는 non slotted-mode에 대해서 설명한다. 도 4의 지그비 프레임 구조는 slotted-mode와 non slotted-mode에 공통으로 규정된 것이다. 프레임 구조를 살펴보는 것은 한 프레임에서 전송할 수 있는 최대 전송량을 계산해 보고, 실제적으로 사용할 수 있는 전송속도를 결정하기 위해서다.

IEEE802.15.4에서는 PHY 층(Physical Layer)과 MAC 층(Medium Access Control Layer)을 규정하고 있고, 지그비 협회에서는 NWK 층(Network Layer)을 규정하고 있다. 도 4는 상기 3개 층의 프레임 구조를 일목요연하게 보여준다.

PHY 층의 맨 처음엔 4 바이트의 Preamble Sequence와 1바이트의 Start of Frame Delimiter가 있어서, 프레임의 시작임을 알려준다. 상기 5 바이트는 SHR(Synchronization Header)라 불린다. 그 뒤로 1 바이트의 Frame Length 가 있어서 뒤에 따라오는 PSDU(PHY service data unit)의 길이를 알려준다. PSDU는 MAC 층의 신호를 모두 포함한 데이터 집합으로 최대 127 바이트까지 가능하다. 따라서 PHY 층에서 한번에 보낼 수 있는 최대 길이는 한 프레임당 133바이트이다.

MAC 층은 2 바이트의 Frame Control로 시작한다. 그리고 1 바이트 Sequence Number와 최소 4 바이트에서 최대 20 바이트를 가진 Addressing Fields가 있다. 본 발명 은 Short Address나 PAN id를 사용하여 구현하면 되므로 4바이트의 Addressing Fields가 필요하다. 그 뒤로 NWK 층의 데이터가 실려있는 Data Payload가 따라오고 마지막으로 FCS(Frame Check Sequence)를 이용해 프레임의 오류를 찾아낸다. Data Payload는 MSDU(MAC service data unit)이라고도 하며, PHY 층의 PSDU가 최대 127 바이트라고 하면, MHR 7 바이트와 MFR 2 바이트를 제외하므로, MSDU의 길이는 최대 118 바이트이다.

NWK 층은 지그비 표준에서 아래와 같이 규정하고 있다.

Octets:2	2	2	1	1	0/8	0/8	0/1	Variable	Variable
Frame Control	Destination Address	Source Address	Radius	Sequence Number	Destination IEEE Address	Source IEEE Address	Multicast Control	Source Route Subframe	Frame Payload
NWK Header									Payload

NWK Header에서 필수 항목은 Frame Control 2 바이트, Destination Address 2 바이트, Source Address 2 바이트, Radius 1 바이트, Sequence Number 1 바이트로 총 8 바이트가 필수항목이고, 나머지 필드는 선택적으로 사용할 수 있으나 본 발명에서는 Payload를 늘리기 위해 사용하지 않는다. 그러면 NWK 층에서는 8 바이트가 사용되고, 나머지는 모두 Payload로 사용할 수 있다. MSDU가 최대 118 바이트인 경우, NWK 층에서 사용할 수 있는 최대 Payload는 NWK Header 8 바이트를 뺀 110 바이트가 된다. 본 발명에서는 NWK 층의 윗단인 Application 층은 사용하지 않고 NWK 층까지 사용하므로, 결국 한 프레임에서 순수하게 사용할 수 있는 데이터 크기는 총 110 바이트가 최대이다. 하지만 Application 층을 사용하여도 본 발명의 기본적인 방식을 사용하는데 아무런 문제가 없고, 전송할 수 있는 데이터 량만 약간 줄어들 뿐이다

PHY 층을 기준으로 보면 한 프레임은 최대 133 바이트가 된다. 이를 시간으로 환산하면 4.256mS가 된다. 또 1초에 최대 약 235프레임이 존재하므로 1초에 전송할 수 있는 최대 데이터 크기는 235 프레임 x 110 바이트 = 25,850 바이트/초 이다. 이 값은 지그비 네트워크에서 non slotted-mode에서 전송할 수 있는 최대 데이터 전송량이다. 이 최대 전송량을 보내기 위해서는 한쪽 방향으로만 연속해서 지그비 채널을 점유해서 보내야 하고, 1 비트도 에러가 없는 이상적인 상태에서만 가능하다. 하지만 실제적으로는 프레임 에러도 고려해야 하고, 채널 셋업과 Acknowledgement 신호 처리, 핸드세이킹 등의 오버헤드를 고려하면 상기 최대 전송량을 모두 사용할 수 없다. 실험적으로 85%의 점유율이 최대로 보이므로, 25,850 바이트의 85%인 21,973 바이트/초(=176Kbps)가 실용적인 최대 전송량이라고 추정된다. 이러한 한계를 고려해 적절한 멀티미디어 데이터 대역폭을 결정해보자.

우선 영상 데이터 전송을 고려해 보자. 아무런 압축없이 영상을 만들면 다음과 같은 정보량이 필요하다.

	가로	세로	흑백	컬러 (24bit)	동영상 (24프레임)
QCIF	144	174	25,056	601,344	14,432,256
QVGA	320	240	76,800	1,843,200	44,236,800
SDTV	720	576	414,720	9,953,280	238,878,720
HDTV	1,920	1,080	2,073,600	49,766,400	1,194,393,600

휴대폰 화면에 널리 사용되는 QCIF(Quarter Common Intermediate Format) 화면은 가로 144, 세로 174의 점으로 이루어져 있으므로, 한 화면에 25,056 비트의 정보량이 필요하다. 이를 24비트 컬러로 표현하면 화면당 601,344 비트가 필요하고, 초당 24프레임의 동영상으로 표현하려면 14,432,256 비트가 필요하다. 따라서 아무런 압축없이 지그비를 이용해 QCIF 컬러 한 화면을 전송하려면 3.4초(601,344÷176,000)가 소요된다. QCIF처럼 적은 화면을 한 프레임 보내는데도 이렇게 시간이 걸리면 실용성이 전혀 없으므로, 결국 압축 기술을 사용해야 한다. 현재 널리 보급된 압축 기술로는 정지영상으로는 JPEG, GIF, TIFF 등이 있고, 동영상 압축방식으로는 MPEG2, MPEG4, H.264 등이 있다. 본 발명은 최대한의 압축률을 가진 동영상 압축방식인 H.264를 기준으로 설명한다.

H.264는 MPEG4에서 발전된 동영상 압축방식이고, MPEG4 대비 약 40% 정도 우수한 압축 효율을 가진다. H.264는 손실압축이며 가변압축률 방식이기 때문에 압축된 데이터의 길이가 언제나 고정된 것은 아니고 순간순간 변동이 있을 수 있다. 다음은 스마트폰이나 휴대폰에서 많이 사용되는 QVGA 화면에 대해 H.264의 압축 효율을 보여주는 표이다. 아래 표에 적용된 H.264의 압축 조건은 Baseline Profile Level 3 Codec, I and P frames, Progressive mode, Adjustable blocking filter 등이다.

가로	세로	fps	Video Bitrate (Kbps)
320	240	30	300~768	QVGA
320	240	20	200~512	QVGA
320	240	10	100~256	QVGA

위의 표에서 알 수 있듯이 가로 320, 세로 240의 작은 화면을 동영상 압축해도 초당 30 프레임을 지그비에 전송하기에는 상당히 데이터가 큼을 알 수 있다. 하지만 앞에서 계산했듯이 지그비에서 176Kbps의 최대 속도면 QVGA에 초당 10~15 Frame 정도는 안정적으로 보낼 수 있고, 이 정도면 영상을 확인하는 데는 실용적으로 무리가 없을 것이다. 보다 정밀하거나 큰 동영상 전송에는 사용할 수 없지만 손잡이용 기기(PDA, Smart Phone, Cellular Phone, Wireless Door Phone, Remocon, Etc)에는 아주 유용할 것이다.

따라서 동영상만 전송한다고 가정하면, H.264 영상 압축 방식을 사용하였을 때, 지그비를 이용해서는 QVGA(320x240)급의 동영상을 초당 10 프레임 정도는 안정적으로 보낼 수 있다.

음성 데이터 전송을 고려해 보자. 널리 보급된 Audio Codec에 대해 비트율을 다음 표에 나타내었다.

	Algorithm	Sample Rate	Bit Rate
AAC	Lossy	8KHz ~ 192KHz	8~529Kbps at Stereo
MP3	Lossy	8KHz ~ 48KHz	8~320Kbps
G.711	Lossless	8KHz	64Kbps

G.711은 전화기에 널리 사용되는 음성 부호방식이며, 단순한 방식임에 비해 압축률이 떨어지고, Sample Rate 조절이 다양하지 못한 단점이 있다. MP3는 음악에 널리 사용되는 음성 부호방식인데, 다양한 sample rate 설정과 높은 압축률을 자랑한다. 본 발명은 최대의 압축 효율을 자랑하는 AAC를 기준으로 설명한다. AAC는 MP3를 개선한 방식으로 최대 48 채널까지 지원하며, 최고의 압축률을 가진다. 다음은 AAC 부호기에서 8bit sampling을 기준으로 각각의 sample rate에 따른 비트율을 보여주는 표이다. 이 표의 Bit Rate는 예제일 뿐이고, 압축 조건에 따라 변동이 있을 수 있다.

Sample Rate	Channel	Bit Rate
8KHz	Mono	8Kbps
8KHz	Stereo	16Kbps
32KHz	Mono	32Kbps
32KHz	Stereo	64Kbps

지그비의 실용적인 최대 전송율인 176Kbps면 32KHz sample rate의 stereo 음악도 충분히 보낼 수 있게 된다.

표준 AAC 압축을 사용하면 시간 지연이 문제가 될 소지가 있다. 도 5는 음성압축방식에 따른 시간지연 현상을 나타낸 그래프다. 전화기 용 음성압축 방식인 G.711은 20mS 이내의 시간지연을 보이는 반면, 표준 AAC 압축 방식에서는 24Kbps일 때 330mS의 지연시간을 보이기도 한다. 이 정도의 시간지연이면 사용자기 금방 느낄 만큼 크므로, 이를 줄이기 위해 개선된 표준인 Low Delay AAC 방식을 사용한다. 이는 표준 AAC 압축 방식을 따르면서도 Framing Delay, Filterbank Delay 등의 지연요소를 개선한 방식이다.

음성과 영상이 혼합된 멀티미디어 데이터를 전송하는 경우를 알아보자. 도 1의 장치에서 음성영상부호기(121)내의 멀티플렉스(109)가 음성과 영상 신호를 혼합하는 역할을 한다. 순수한 음성과 영상 데이터 외에 제어신호가 일부 포함되므로 멀티미디어 비트스트림의 데이터 량은 단순한 음성 데이터 와 영상 데이터를 합한 것 보다 많을 것이나, 제어신호는 전체 데이터 량에 비해 무시할 수 있을 만큼 적으므로, 실용적으로는 멀티미디어 데이터는 음성 데이터와 영상 데이터의 합이라 고 할 것이다.

영상 신호에 비해 음성 신호는 그 틀어짐이나 손실이 보다 명확하게 인지되는 경우가 일반적이다. 즉 영상의 일부 손실이나 프레임 손실은 사용자가 잘 느끼지 못할 수 있으나, 음성의 손실은 금방 알아채어 버린다. 따라서 영상과 음성을 같이 보내더라도 음성 신호의 대역폭을 우선 고려하여 음성을 최대한 확보한 후 영상 신호의 대역폭을 할당하는 것이 필요할 것이다.

홈 네트워크의 일부인 도어폰에 사용되는 경우를 들어 설명한다. 사람의 음성전송이 위주일 것이고, Mono 음성이면 충분하다고 본다. 다만 음성인 경우 단방향보다는 양방향 전송이 필요하므로, 단방향 전송속도인 8Kbps의 두배인 16Kbps를 점유할 것이다. 그러면 실용적인 최대 전송율 176Kbps에서 16Kbps를 빼면 160Kbps가 나오고, 이 대역폭만큼 영상을 할당할 수 있게 된다. 160Kbps이면 H.264 영상압축을 사용할 때, QVGA(320x240) 급의 동영상을 단방향으로15 프레임 정도 보낼 수 있게 된다.

지금까지 영상과 음성을 250Kbps인 표준 지그비 프레임에 실어보내는 방식을 설명하였다. 그러나 250Kbps이상의 음성과 영상을 전송하고 싶은 경우도 생길 수 있을 것이다. 제일 간단한 방법은 지그비 표준은 아니지만, QPSK 변조 방식을 변형한 625Kbps, 1Mbps, 2Mbps 등의 비표준 전송속도를 지원하는 각종 지그비 칩을 사용하면 된다. 비표준이지만 동일한 변조 방식을 가진 지그비 칩끼리는 통신이 가능하므 로 송신기와 수신기를 동일한 지그비 칩을 사용한다면 제일 실용적이면서도 손쉬운 구현 방법이다.

다른 방식으로 여러 개의 지그비 채널을 사용할 수 있다. 도 1에 지그비무선송수신기(113,114)를 두 개 표시해 두었는데, 첫번째 지그비무선송수신기(113)에서는 영상 데이터를 전담해서 통신하고, 두번째 지그비무선송수신기(114)에서는 음성과 일반 데이터를 전담해서 통신할 수 있다. 음성과 일반 데이터는 더해도 지그비 표준인 250Kbps이내에서 가능하고, 특히 음성 신호인 경우 대역폭에 여유가 있으면 손실없이 전송할 수 있기 때문이다. 영상 신호는 가능한 한 최대 대역폭을 사용하도록 설정할 것이지만, 전송 환경에 따라 손실이 생길 수 있다. 하지만 영상은 프레임이 빠지거나 깨지더라도 사용자에게 노출되는 영향이 상대적으로 덜 하므로 실용적으로 문제는 덜 할 것이다.

　　　　　　이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 지그비를 이용한 개인영역 무선네트워크에서 영상이나 음성의 멀티미디어 데이터를 전송할 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명은 지그비의 대역폭 이내에서도 유효하게 영상을 전송할 수 있도록 영상신호와 음성신호를 압축하는 방법을 보여주며, 이를 적절히 조합해 전송할 수 있는 방법을 제공한다. 또한 250Kbps 이상의 데이터를 지그비를 이용해서 전송할 수 있는 방법을 제공하며, 저가격으로도 실용적인 영상과 음성 신호를 무선 전송할 수 있는 방법을 제공하므로, 무선도어폰, 홈네트워크, 영상감시장치, PDA, 스마트폰, 셀룰러폰, Vehicle black box 등의 여러 용도에 쉽게 적용할 수 있다.

본 발명은 특정한 실시 예에 대해 설명하고 있는 부분이 많은데, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 의도나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에 종사하며 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (16)

1. 지그비 표준 방식의 무선네트워크장치에 있어서,

   영상부호기와 음성부호기, 영상복호기, 음성복호기, 제어부, 인터페이스부를 장착하고, 지그비 표준 방식의 무선 송수신이 가능한 무선전송장치를 포함하며,

   음성과 영상에 대해 압축을 실시하여 음성데이터와 영상데이터를 생성하고, 최단거리의 전송 경로를 확보하여 지그비 무선 통신망을 이용해 멀티미디어 데이터를 전송하며,

   상기 음성과 영상의 멀티미디어 데이터를 연속해서 보내기 위해 non slotted-mode의 지그비 표준을 사용하여 전송하는 것을 특징으로 하는 무선네트워크장치.
2. 제1항에 있어서,

   멀티플렉스를 이용해 영상과 음성이 합쳐진 비트스트림을 생성하는 음성영상부호기를 더 포함하는 무선네트워크장치.
3. 제2항에 있어서,

   디멀티플렉스를 이용해 비트스트림에서 영상과 음성이 분리된 데이터를 생성하는 음성영상복호기를 더 포함하는 무선네트워크장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 음성영상부호기와 상기 음성영상복호기가 하나의 장치 내에 구현된 음성영상신호처리기를 더 포함하는 무선네트워크장치.
5. 제1항에 있어서,

   250Kbps 이상의 데이터를 전송하기 위해 2개 이상의 지그비무선송수신기를 장착하는 것을 특징으로 하는 무선네트워크장치.
6. 제5항에 있어서,

   2개 이상의 지그비무선송수신기를 장착할 때 1개의 지그비무선송수신기 채널에 멀티미디어 데이터를 할당하고, 그 외의 지그비무선송수신기 채널에 일반 데이터와 제어 데이터를 할당하는 것을 특징으로 하는 무선네트워크장치.
7. 제1항에 있어서,

   250Kbps 이상의 데이터를 전송하기 위해 표준 QPSK 방식이 아닌 625Kbps, 1Mbps, 2Mbps 등의 지그비 비표준 변조 방식을 사용하여 멀티미디어 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 무선네트워크장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 영상 데이터와 음성 데이터를 조합하는 데 있어서, 음성 대역폭을 먼저 할당하여 음성 손실을 예방하고, 영상 데이터는 손실을 감수하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 무선네트워크장치.
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,

    영상과 음성의 멀티미디어 데이터를 최대한 많이 전송하기 위해, MAC 층의 Addressing Field를 4바이트만 사용하고, NWK 층의 헤더 중 필수 8 바이트만 사용하는 것을 특징으로 하는 무선네트워크장치.
11. 제1항에 있어서,

    멀티미디어 데이터를 전송하기 위해 무선멀티미디어장치(201,202) 간에 직접 통신을 하도록 네트워크를 구성하는 것을 특징으로 하는 무선네트워크장치.
12. 제11항에 있어서,

    지그비 네트워크는 성형이나 나무형으로 구성하여 모든 지그비 장치가 성형이나 나무형을 가지되 무선멀티미디어장치(201,202)만 망형 네트워크를 구성하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 무선네트워크장치.
13. 제11항에 있어서,

    무선멀티미디어장치(201,202)는 지그비 표준의 종단기기(End Device) 역할을 하지만 FFD(Full Function Device)로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선네트워크장치.
14. 제11항에 있어서,

    무선멀티미디어장치(201,202) 만으로 네트워크를 구성하고, 하나의 무선멀티미디어장치(201)는 코디네이터 역할을 다른 하나의 무선멀티미디어장치(202)는 종단기기(End Device)의 역할을 하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 무선네트워크장치.
15. 제1항에 있어서,

    영상과 음성의 멀티미디어 데이터를 생성할 때, 표준 AAC 압축 방식에서 Framing Delay, Filterbank Delay의 지연요소를 개선한 표준인 Low Delay AAC 압축 방식이 사용되는 것을 특징으로 하는 무선네트워크장치.
16. 제1항에 있어서,

    음성영상부호기에서 생성된 영상과 음성의 멀티미디어 데이터를 제어부에 전송하기 위해, 또는 제어부가 영상과 음성의 멀티미디어 데이터를 음성영상복호기에 전송하기 위해, 메모리에 우선 데이터를 저장하고 저장된 위치만 알려주어 대용량의 멀티미디어 데이터를 신속하게 전달하도록 하는 것을 특징으로 하는 무선네트워크장치.

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