KR100911977B1 - 주기적 구조의 통신신호를 활용한 항시 깨어남 기능을 가진 알에프아이디 태그 및 리더 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 RFID 태그(10)의 수신 회로에 있어, 통신신호 자체의 데이터(20b) 및 부반송파(20)에서 개별적(12) 및 복합적인 방법(12b)으로 일정한 주파수 성분을 분리 인식(15, 15b)하는 전자회로(10, 12)를 구현하여, 초절전 및 고속 응답이 가능한 하드웨어적인 방법으로, 항시대기상태에서 깨어남(Real-Time Wake-Up) 기능(14, 14a, 14b, 14c, 14d)을 구현하는 RFID 태그에 관한 것이다. 그 결과로, 기존 RFID 태그 수신회로의 오동작(RF잡음 등)에 의한 깨어남에 따른 배터리(18)의 소모를 획기적으로 줄여 태그의 초장시간 현장사용의 보장수단이 되며, 수신 신호의 확정적 인식수단(RF잡음과 지능신호의 구별)(15c)을 구현하여 송수신 변복조부(모뎀)(17c) 의 효율적인 구성수단을 제공하고, 부가적으로, 모든 RFID 태그의 안정적인 동작 및 수신거리의 확장효과와 더불어, RFID 태그 그룹(Group)의 선별적인 인식 기능 및 태그 인식거리의 가변적 조절 수단을 제공하게 된다.
깨어남(Wake-Up; WKUP), 대기상태(Standby Mode), 부반송파(Sub- Carrier), 통신 신호(Communication Signal), 변복조 모뎀(Encoding-Decoding Modem), 지능신호 (Intelligent Signal-해독가능신호), 배터리사용 태그(Battery Assisted Tag; 반능동형, 능동형 태그), 수동형 태그(Passive Tag; Transponder)

Description

주기적 구조의 통신신호를 활용한 항시 깨어남 기능을 가진 알에프아이디 태그 및 리더{RFID Tag with Real-Time Wake-Up Function utilizing Communication Signal with Periodic Structure}
본 발명은 주기적 구조의 통신신호를 활용한 항시 깨어남 기능을 가진 RFID 태그 및 리더에 관한 것이다.
이 분야의 종래기술은 송수신 변복조 데이터 모뎀의 경우, 엄밀한 구조의 깨어남(wake-up; 이하 약어로 'WKUP'라고도 한다) 기능의 하드웨어적 보조 수단이 없는 소프트웨어적인 방법만으로 구현한 것으로, 통상 하드웨어 데이터 복조부(Data Slicer)에서 신호가 없을 때의 연속적인 무작위 잡음(Random Noise) 발생이 있을 수도 있는데, 이 경우에 모뎀 복조회로의 안정성이 저하되고, 이에 따라 오동작이나 수신감도의 저하현상을 초래하게 된다. 대기상태에서 깨어남 기능의 통상적인 구현 방식으로서 MCU의 RTC(Real Time Clock)를 사용하는 주기적인 깨어남 방식이 사용되는데, 응답의 실시간성이 없고(WKUP 사이의 주기적인 기다림 기간 동안은 수신 불가), 위에서 설명한 바와 같이 소프트웨어적인 모뎀에만 의존하기 때문에 무작위 잡음 신호에 취약하며, 배터리 사용의 효율성이 떨어지는(깨어남 기능의 실행에 있어 전력을 많이 소비하는 MCU에 의존하기 때문) 단점이 있다. 통상적인 하드웨어적 깨어남 기능 구현 방식은, 지능 신호의 개념이 없이 단순히 수신 신호의 강도만을 측정하는 방식인데, 외부 RF 잡음에 극히 취약하여 실제로 현장에서 사용되는 RFID 태그의 경우 전지의 수명을 제품 사양에 기재된 만큼 사용할 수 없게 되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 주기적 구조의 통신신호를 활용한 항시 깨어남 기능을 가진 알에프아이디 태그 및 리더를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 제 1 특징은 RFID 태그의 수신 회로에 있어, 통신신호 자체의 데이터 및 서브캐리어들에서 일정한 주기적인 주파수 성분을 분리 인식하는 하드웨어적 깨어남 기능부를 구현하여 초절전(0.3~3uA) 항시 대기상태(Continuous Real-Time Wake-Up)에서 오동작이 없고, 고속응답 깨어남(High Speed Wake-Up) 기능을 구현하는 RFID 태그에 관한 것이다.
본 발명의 제 2 특징은, 위의 기능 및 이를 이용한 전원공급 스위치회로인 제어 스위치 수단을 활용하여, 저전력이며, 오동작이 없는 깨어남 회로로, 배터리의 사용을 획기적으로 늘리거나 유효 사용기간의 보장이 가능하게 되며, 수신감도의 향상 또는 수신거리의 선별적인 조절 기능 및 태그 그룹 분별 기능을 가진 RFID 태그에 관한 것이다.
본 발명의 제 3 특징은, 이러한 대기상태에서 깨어남 기능 신호를 송수신 변복조 데이터 모뎀에서 활용하여 잡음과 지능(Intelligent) 신호의 구별 기능의 구현으로 안정성 및 변복조 효율 또는 수신감도를 향상시킨 RFID 태그에 관한 것이다.
본 발명의 제 4 특징은, 상기한 기능, 특히 대기 상태에서 깨어남 기능을 활용하여, 배터리의 사용이 없는 일반적인 수동형 태그를 배터리의 사용이 있는 태그(반능동 및 능동형 태그)형태로도 사용하게 하는 RFID 태그에 관한 것이다.
본 발명의 제5 특징은, 상기 방법들을 적용할 수 있도록, 특별한 구조를 가진 RFID 리더에 관한 것이다.
여기서, RFID 태그 및 RFID 리더는 433MHz 또는 915MHz와 2.45GHz 또는 5.8 GHz 주파수 대역의 ISM 밴드, RFID EPC Global 규격 및 ISO-18000 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 표준을 내포한 무선통신 장치를 의미한다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
본 발명의 주기적 구조의 통신신호를 활용한 항시 깨어남 기능을 가진 RFID 태그 및 리더에 따르면, 깨어남 기능을 실시간으로 연속으로 사용하며, 깨어나는 시간(Wake-Up Time)이 프리엠블 패킷의 시간 미만이 되는 초고속 응답이 가능하다. 동시에 초저전력 구동회로 사용이 가능한 구조이므로 대기상태에서의 전력소모를 줄이고, 또한 오동작에 의한 깨어남을 방지하여 배터리의 사용이 있는 태그(Battery Assisted Tag)의 경우 사용수명을 획기적으로 연장할 수 있으며, 실 환경에서 유효 사용기간의 보장이 가능하게 된다. 또한, 엄밀한 구조의 깨어남 기능이 없이 구현한 변복조 모뎀의 단점인 실시간 응답성이 없고 잡음신호에 취약한 부분의 개선을 통하여, 변복조 성능 및 그 결과적인 수신거리의 향상이 구현된다.
특히, 다중 프로토콜 구조의 실시간 WKUP 기능을 구현함으로서, 이를 통한 태그 수신거리의 안정적인 확장 및 다중 WKUP 신호를 활용한 수신거리의 임의적인 조절이 가능하다. 또한 태그 그룹의 선택적인 동작을 실시간(Real Time)적인 과정에서 구현하는 구체적인 방법의 구현이 가능하고, 배터리의 사용이 없는 태그를 배터리의 사용이 있는 태그처럼 구성 가능하게 하여 사용 거리 및 안정도를 확보하게 하는 방법의 구현이 가능하다. 이것이 본 발명의 효과에 해당된다. 아울러, 배터리 사용의 RFID 태그 구성 및 실시간 깨어남 기능의 특성상 현장 통신 성공률(PER등)이 99.9% 이상이 가능하게 된다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 통신 신호를 활용한 하드웨어적 깨어남 기능을 가진 RFID 태그를 포함한 전체 RFID 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 2는 도 1에서 복합적인 하드웨어적 깨어남 기능부를 보다 구체화한 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 RFID 태그의 주요 구성도로서 변복조 모뎀에 깨어남 신호를 부가하는 방법에 대한 모식도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 주기적인 구조를 가지는 통신 신호의 파형도이다.
도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, RFID 리더(22)에서 RFID 태그(10)로 보내는 신호는 통상 패킷(Packet) 구조를 가진다. RFID 태그(10)의 안테나에서 수신된 RF신호는 다이오드(Diode)로 구성된 렉테나(Rectenna)(11)에서 통신신호(20b)와 수신전력으로 출력된다. 여기에서 통신신호(20b)는, 일정하고 규칙적인 구조의 주파수성분을 분리하는, 하드웨어적인 능동소자 또는 수동 소자로 구성된 대역통과 필터(BPF)를 일예로 하는, 데이터 필터수단(13)과 깨어남 필터수단(14)로 이루어진 하드웨어적 깨어남 기능부(12)에서 각각 데이터와 WKUP 신호로 분리되어 데이터는 적절한 증폭소자(선택사양이며, 직접적으로 제어스위치 수단(16)을 통해 또는 간접적으로 변별 수단(15)을 통한 MCU(이하 'RFID태그 주회로'라 한다)(17)에서 전력을 공급받는 형태가 된다)를 통하여 RFID태그 주회로(17)의 송수신 변복조 데이터 모뎀(17c)에 전달된다. 이러한 RFID태그 주회로(17)는 도시한 바와 같이 프로세서부(17b)와 송수신 변복조 데이터 모뎀(17c)으로 이루어진다. 이때 깨어남 필터수단(14)에 공급되는 전원은 직접 배터리에서 공급되는 형태가 가장 바람직하며, 본 발명의 핵심중 하나가 된다.
도 2에서는 하드웨어적 깨어남 기능부(12)의 여러 가지 형태가 제시된다. 한편, 도 4에 도시한 바와 같이 일정하고 규칙적인 구조의 주파수성분에 기초하는 WKUP 신호는 각각 프리엠블 패킷(20c)과 통신 데이터 패킷(20d)으로 이루어진 통신신호(20b) 및 부반송파(Sub-Carrier)(20a)에서 발생된다. 이때, 변별수단(15)에서 분리된 WKUP 신호는 프리엠블 패킷(20c)의 길이 내에서 발생하게 되며(초고속 스위칭이 가능하게 되는 원리), 통신신호가 계속되는 주기 동안에는 통신 데이터 WKUP 필터(14a)에서 WKUP 신호를 발생 시키게 된다. 덧붙여, 부가적으로 RFID 리더(22)에서 보내오는 연속적인 부반송파 신호(20a) 역시 또 다른 WKUP 신호로 사용할 수 있고, 이때 복수개의 부반송파를 각각의 부반송파 WKUP 필터(14c, 14d)로 분리할 수 있다. 그리고 이를 활용하여 다양한 기능, 일예를 들면 태그 그룹의 분별이나 현장 사용시 표준화 유무에 관계없이, 특화된 태그만을 동작 시킴으로써 혼잡 문제나 배터리 사용의 절약 등의 효과를 구현할 수 있는데, 이것이 본 발명의 핵심 기술이 된다. 이때 필터 수단의 잡음 변별력은 통신신호 및 부반송파(20)의 특정한 주기적인 구조의 주파수 성분만을 이용하므로 BPF회로의 Q 또는 S/N을 20~100이상 사용 할 수 있고, 이에 따라 거의 완벽한(PER 99.9% 이상 가능) 잡음분별 기능의 구현이 가능하다. 이러한 WKUP 신호들은 적절한 변별 수단(15)을 통하여 RFID 태그(10)의 송수신 변복조 데이터 모뎀(17c)과 프로세서부(17b) 및 제어스위치 수단(16)에서 사용하기에 편리한 형태로 재정리되며, 공급전원으로 과다한 전력(200uA~2mA이상)을 소비하는 RFID태그 주회로를 사용하지 않고도 초저전력 상태(0.3~3uA, 250mAH로 7년사용)에서 제어할 수 있게 된다. 필요한 경우 프로세서부(17b) 자체를 제어스위치 수단(16)에서 ON/OFF 시킬 수 있어, 순수한 수동형 태그를 반능동형 태그의 형태로 사용하게도 만들 수 있다.
다음으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 앞에서 구현한 하드웨어적 깨어남 기능부(12) 및 변별 수단(15)에서 생성된 순간적 또는 연속 형태의 안정적으로 확립된 WKUP 신호를 이용하여 RFID태그 주회로(17) 및 그 송수신 변복조 데이터 모뎀(17c)의 성능을 개선하게 된다. 통상적인 모뎀은 항상 랜덤 잡음의 영향 하에 놓이게 되는데, 본 발명에서는 이것을 피할 수 있는 수단을 제공하기 때문이다.
다음으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 앞에서 구현한 하드웨어적 깨어남 기능부(12) 및 변별 수단(15)에서 생성된 순간적 또는 연속 형태의 안정적으로 확립된 WKUP 신호를 이용하여 RFID태그 주회로(17) 및 그 송수신 변복조 데이터 모뎀(17c)의 성능을 개선하게 된다. 통상적인 모뎀은 항상 랜덤 잡음의 영향 하에 놓이게 되는데, 본 발명에서는 이것을 피할 수 있는 수단을 제공하기 때문이다.
도 4 는 여기에서 언급되는 규칙적인 구조의 주파수성분을 가지는 통신신호, 정확하게는 보편적으로 사용되는 패킷 형태의 데이터 구조의 한 예를 제시한 것이다. 무선 통신의 패킷 신호는 보편적으로 RZ(Return Zero)신호에 기초하며, 그 예로 맨체스터화, PSK, DPSK, FM, PPM 등이 있으며, 통상 특정한 주파수성분 2개로 구성되므로, 이것은 간단하게 상기한 하드웨어적 깨어남 기능부(12)에서 분리된 후에 변별 수단(15)에서 유용한 제어 신호 형태로 출력하게 된다.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 통신신호(20b) 중에서 프리엠블 패킷(20c) 또는 데이터 패킷(20d)의 지능성(즉 규칙적이거나 주기적인 구조) 및 다중구조의 부반송파 WKUP 필터(14c, 14d)에서 추출되는 일정한 주파수 성분 또는 복합적 주기 구조의 주파수 성분을, 여러 경우의 조합으로 응용한다. 또한, 대역통과 필터(BPF, 수동 및 능동소자)로 구현되는 깨어남 필터 수단(14)과 변별 수단(Level Comparator 등의 수동 및 능동 소자)(15) 및 제어스위치 수단(16)을 통한 실제적인 구현방법을 사용하여 송수신 변복조 데이터 모뎀(17c)의 성능 향상, 배터리를 전원으로 사용하는 RFID 태그(Battery Assisted Tag; Semi-Active Tag, Active Tag)의 사용 수명을 획기적으로 늘릴 수가 있다. 또한, 태그 수신 거리의 안정적인 확장 및 수신 거리의 임의적인 조절, 태그 그룹의 선택적인 동작을 실시간(Real Time) 적인 과정에서 구현하는 구체적인 방법 및 배터리의 사용이 없는 태그(Non-Battery Assisted Tag; Passive Tag)를 배터리의 사용이 있는 태그처럼 구성 가능하게 하여 사용 거리 및 안정도를 확보하게 할 수가 있다.
본 발명은 상기한 도 1과 같은 구성요소의 배치를 갖지만 이는 일예에 불과한 것으로서, 상기한 도 1 중에서 각 구성요소의 위치를 재배열하거나 연결 관계를 변형하는 것은 당업자에게 극히 용이한 사항일 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 통신 신호를 활용한 하드웨어적 깨어남 기능을 가진 RFID 태그를 포함한 전체 RFID 시스템의 개략적인 구성도.
도 2는 도 1에서 복합적인 하드웨어적 깨어남 기능부를 보다 구체화한 블록도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 RFID 태그의 주요 구성도로서 변복조 모뎀에 깨어남 신호를 부가하는 방법에 대한 모식도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 주기적인 구조를 가지는 통신 신호의 파형도이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
10: RFID 태그
11: 렉테나 12: 하드웨어적 깨어남 기능부
13: 데이터 필터수단
14, 14a, 14b, 14c, 14d: 깨어남 필터수단
15, 15b, 15c, 15d: 변별 수단 16: 제어 스위치 수단
17: RFID태그 주회로 17b: 프로세서부
17c: 송수신 변복조 데이터 모뎀
18: 배터리(전원부) 19: 센서장치
20: 통신신호 및 부반송파
20a: 부반송파 20b: 통신신호
20c: 프리앰블 패킷 20d: 데이터 패킷
삭제
21: 다중구조 부반송파 발생기 22: RFID 리더

Claims (9)

  1. 프로세서부와 송수신 데이터 변복조 모뎀을 포함하여 이루어진 RFID태그 주회로;
    독립 전원인 배터리;
    대역통과필터에 의해 통신신호의 프리엠블 패킷에서 일정하고 규칙적인 구조의 주파수 신호를 분리하는 하드웨어적 깨어남 기능부 및
    상기 하드웨어적 깨어남 기능부를 통과한 상기 주파수 신호에 의거하여 상기 RFID태그 주회로에 상기 배터리 전력을 공급하도록 동작하는 변별 수단과 제어 스위치 수단을 포함하여 이루어진 주기적 구조의 통신신호를 활용한 항시 깨어남 기능을 가진 알에프아이디 태그.
  2. 프로세서부와 송수신 데이터 변복조 모뎀을 포함하여 이루어진 RFID태그 주회로;
    독립 전원인 배터리;
    대역통과필터에 의해 통신신호의 데이터 패킷에서 일정하고 규칙적인 구조의 RZ(Return Zero) 주파수 신호를 분리하는 하드웨어적 깨어남 기능부 및
    상기 하드웨어적 깨어남 기능부를 통과한 상기 주파수 신호에 의거하여 상기 RFID태그 주회로에 상기 배터리 전력을 공급하도록 동작하는 변별 수단과 제어 스위치 수단을 포함하여 이루어진 주기적 구조의 통신신호를 활용한 항시 깨어남 기능을 가진 알에프아이디 태그.
  3. 프로세서부와 송수신 데이터 변복조 모뎀을 포함하여 이루어진 RFID태그 주회로;
    독립 전원인 배터리;
    대역통과필터에 의해 통신신호에 부가되어 수신되는 부반송파에서 일정하고 규칙적인 구조의 주파수 신호를 분리하는 하드웨어적 깨어남 기능부 및
    상기 하드웨어적 깨어남 기능부를 통과한 상기 주파수 신호에 의거하여 상기 RFID태그 주회로에 상기 배터리 전력을 공급하도록 동작하는 변별 수단과 제어 스위치 수단을 포함하여 이루어진 주기적 구조의 통신신호를 활용한 항시 깨어남 기능을 가진 알에프아이디 태그.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 부반송파는 복수개이고,
    이 경우에 각각의 상기 부반송파를 각각의 대역통과필터로 분리하여 변별한 후에 자신에 대응하는 부반송파에 대해서만 선별적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 주기적 구조의 통신신호를 활용한 항시 깨어남 기능을 가진 알에프아이디 태그.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하드웨어적 깨어남 기능부는 상기 배터리로부터 직접 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는 주기적 구조의 통신신호를 활용한 항시 깨어남 기능을 가진 알에프아이디 태그.
  6. 제1항의 RFID 태그에 대해 상기 일정하고 규칙적인 구조의 주파수 신호가 포함된 프리앰블 패킷을 갖는 통신신호를 전송하는 알에프아이디 리더.
  7. 제2항의 RFID 태그에 대해 상기 일정하고 규칙적인 구조의 RZ(Return Zero) 주파수 신호가 포함된 데이터 패킷을 갖는 통신신호를 전송하는 알에프아이디 리더.
  8. 제3항의 RFID 태그에 대해 상기 일정하고 규칙적인 구조의 주파수 신호가 포함된 부반송파가 부가된 통신신호를 전송하는 알에프아이디 리더.
  9. 삭제
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