KR101115520B1 - 자기장 기반의 저주파 대역(～３００㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법 및 이 방법을 실행하는 프로그램이 기록되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체 - Google Patents

자기장 기반의 저주파 대역(～３００㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법 및 이 방법을 실행하는 프로그램이 기록되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 난환경에 적용되는 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신에서 주변 환경에 따라 가변적인 데이터율이나 코딩 방식으로 무선통신을 수행할 수 있도록 마스터와 슬레이브 사이의 적합한 패킷 포맷, 코딩 및 변조 방식 등을 지원하는 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법 및 이 방법을 실행하는 프로그램이 기록되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.
본 발명은 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법에 있어서, 마스터와 슬레이브 사이의 요청 프레임 및 응답 프레임에 포함된 페이로드 필드의 데이터율과 코딩 방식을 미리 정해진 범위 내에서 주변 통신 환경에 따라 변경할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에서, 상기 요청 프레임과 상기 응답 프레임은 동일한 포맷으로 이루어질 수 있는데, 이러한 상기 요청 프레임과 상기 응답 프레임은 각각 프리엠블 필드, 헤더 필드 및 페이로드 필드를 포함하여 이루어질 수 있다.
저주파, 자기장, 무선통신, 무선인식, RFID, 난환경, 데이터율, 코딩

Description

자기장 기반의 저주파 대역(～３００㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법 및 이 방법을 실행하는 프로그램이 기록되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체{PHY layer of low frequency band based on wireless magnetic field Communication}
본 발명은 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법 및 이 방법을 실행하는 프로그램이 기록되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것으로, 특히 난환경에 적용되는 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신을 효율적으로 지원할 수 있도록 한 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법 및 이 방법을 실행하는 프로그램이 기록되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, RFID(Radio Frequency IDentification; 무선인식)는 초소형 반도체인 태그에 식별정보를 입력하고, 무선 주파수를 이용해 이러한 태그를 지닌 물체나 동물 또는 사람 등을 판독, 추적 및 관리할 수 있는 유비쿼터스 컴퓨팅 기반기술의 하나다. 이러한 RFID 기술은 태그가 자체적인 전원에 의해 동작하는지 아니면 호출기(Interrogator)에서 수신한 전파에서 에너지를 얻어 동작하는지의 여부에 따라 능동형(Active), 수동형(Passive) 또는 반능동형(Semi-Active)으로 분류될 수 있다. 또한 적용분야나 인식거리에 따라 135㎑ 이하 대역의 저주파(LF), 13.56㎒ 대역의 단파(HF), 433.92㎒ 또는 860~960㎒ 대역의 극초단파(UHF) 및 2.45㎓ 대역의 마이크로파의 무선 주파수를 사용한다. 이 중에서, 135㎑ 이하 대역의 저주파(LF)를 사용하는 RFID 기술은 자기장 기반으로 동작하기 때문에 주변 환경의 영향에 강하고, 이에 따라 흙이나 콘크리트 등으로 덮여 있는 송유관이나 상/하수도관과 같은 지중 매설물 또는 물, 금속이나 재난 환경과 같은 각종 난환경에서 대상물을 인식하는데 효과적으로 사용될 수 있는바, 그 물리 계층(PHY layer), 즉 에어 인터페이스 규격이 ISO/IEC 18000-2(이하 '종래 기술'이라 한다)에 상세하게 규정되어 있다.
도 1은 종래 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 에어 인터페이스 방법에서 마스터에서 슬레이브로의 일반 요청 포맷의 프레임 구성도이고, 도 2는 종래 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 에어 인터페이스 방법에서 슬레이브에서 마스터로의 일반 응답 포맷의 프레임 구성도이다. 종래 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 에어 인터페이스 방법에 따르면, 마스터와 슬레이브의 패킷 포맷, 코딩(부호화) 방법 및 데이터율(data rate)가 모두 일치하지 않고, 수동형 태그를 사용한다.
우선 마스터, 예를 들어 RFID 호출기가 슬레이브인 태그에 명령어를 보낼 때는 도 1의 일반 요청 포맷(general request format)이 사용하는데, 이때의 데이터 코딩 방법으로는 PIE(Pulse Interval Encoding)가 사용되며, 평균 데이터율은 약 5.1kbps이다. 반면에 슬레이브가 도 1의 명령어에 대해 응답을 보낼 때는 도 2에 도시한 바와 같은 일반 응답 포맷(general response format)을 사용한다. 그리고 호출기의 명령어를 인벤토리 명령어(inventory command)와 국제 표준 명령어(international standard command)로 구분하여 인벤토리 명령어에 대한 응답을 송신할 때에는 2kbps로 이중 패턴 데이터 코딩(dual pattern data coding) 방식을 사용하는 반면에 그외 국제 표준 명령어에 대한 응답을 송신할 때에는 4kbps로 맨체스터 코딩(Manchester coding) 방식을 사용한다.
더욱이, 종래 기술은 A 타입(FDX)과 B 타입(HDX) 등 두가지 타입의 태그를 규정하는데, A 타입의 태그는 태그- 호출기간 송신 중을 비롯해 호출기에 의해 영구적으로 전원을 공급받는 반면에 B 타입의 태그는 태그-호출기간 송신 중을 제외한 나머지 시간에 호출기에 의해 전원을 공급받는데, 데이터 코딩 및 변조 방식으로 A 타입의 경우에는 맨체스터 코딩 방식과 ASK(Amplitude Shift Keying) 방식을 사용하는 반면에 B 타입의 경우에는 NRZ(NonReturn-to-Zero) 코딩 방식과 FSK(Frequency Shift Keying) 변조 방식을 사용한다.
전술한 바와 같이, 종래 기술에 따르면 마스터와 슬레이브간 데이터율이 단일 값으로 고정되어 있고, 데이터 코딩 및 변조 방식 또한 선택의 여지 없이 고정되어 있기 때문에 주변의 통신 환경에 능동적으로 적응하여 효율적인 통신을 수행할 수 없다는 문제점이 있었다.
나아가, 종래 기술에 따르면, 슬레이브, 예를 들어 태그가 수동형으로 규정되어 있기 때문에 그 응답 프레임의 길이에 한계가 있을 뿐만 아니라 마스터, 예를 들어 호출기로의 능동적인 통신이 불가능하기 때문에 그 적용 분야에 많은 제약이 따르는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 난환경에 적용되는 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신에서 주변 환경에 따라 가변적인 데이터율이나 코딩 방식으로 무선통신을 수행할 수 있도록 마스터와 슬레이브 사이의 적합한 패킷 포맷, 코딩 및 변조 방식 등을 지원하는 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법 및 이 방법을 실행하는 프로그램이 기록되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법에 있어서, 마스터와 슬레이브 사이의 요청 프레임 및 응답 프레임에 포함된 페이로드 필드의 데이터율과 코딩 방식을 미리 정해진 범위 내에서 주변 통신 환경에 따라 변경할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에서, 상기 요청 프레임과 상기 응답 프레임은 동일한 포맷으로 이루어질 수 있는데, 이러한 상기 요청 프레임과 상기 응답 프레임은 각각 프리엠블 필드, 헤더 필드 및 페이로드 필드를 포함하여 이루어질 수 있다.
한편, 상기 프리엠블 필드는 각각 미리 정해진 비트수를 갖는 2이상의 수열 중에서 사용자에 의해 택일적으로 지정되는 수열과 미리 정해진 고정 수열로 이루어질 수 있는데, 이러한 상기 프리엠블 필드는 1kbps의 데이터율로 맨체스터 코딩된 후에 BPSK 변조될 수 있다.
한편, 상기 헤더 필드는 상기 페이로드 필드의 데이터율과 코딩 정보를 나타내는 영역, 상기 페이로드 필드의 데이터 길이를 나타내는 영역 및 헤더 검사 수열을 포함하여 이루어질 수 있는데, 이러한 상기 헤더 필드는 1kbps의 데이터율로 맨체스터 코딩된 후에 BPSK 변조될 수 있다.
한편, 상기 페이로드 필드는 0-255 바이트의 데이터 영역과 2바이트의 프레임 검사 수열을 포함하여 이루어질 수 있는데, 상기 페이로드 필드는 1, 2 또는 4 kbps의 데이터율의 맨체스터 코딩 또는 2, 4 또는 8 kbps의 데이터율의 NRZ-L 코딩 중에서 선택적으로 코딩된 후에 BPSK 변조될 수 있다.
더욱이, 상기 NRZ-L 코딩된 결과물은 스크램블링된 후에 상기 BPSK 변조될 수 있다.
본 발명의 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법 및 이 방법을 실행하는 프로그램이 기록되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 따르면, 난환경에 적용되는 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신에서 주변 환경에 따라 가변적인 데이터율이나 코딩 방식으로 무선통신을 수행할 수 있도록 마스터와 슬레이브 사이의 적합한 패킷 포맷, 코딩 및 변조 방식 등을 지원함으로써 통신 성능 및 효율을 제고시킬 수가 있다.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법에서 마스터와 슬레이브 사이의 양방향 통신 포맷의 프레임 구성도이고, 도 4는 도 3에서 프리앰블 필드의 프레임 구성도이고, 도 5는 도 3에서 페이로드 필드의 프레임 구성도이다. 먼저 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법에 따르면, 마스터와 슬레이브 사이의 양방향 통신 프레임은 동일한 포맷으로 구성하는 것이 바람직한바, 마스터에서 슬레이브로의 통신 프레임의 길이가 길기 때문에 슬레이브, 예를 들어 태그도 자체 전원에 의해 동작하는 능동형으로 구현하는 것이 바람직하다. 물론, 슬레이브를 수동형이나 그 데이터의 길이에 따라 수동형이나 능동형으로 가변 동작하는 반능동형으로 구현할 수도 있을 것이다.
다시 도 3으로 돌아가서, 통신 프레임은 크게 프리앰블(Preamble)과 헤더(Header) 및 페이로드(Payload) 필드 순서로 이루어질 수 있는데, 여기에서 프리앰블 필드는 종래 일반 요청 포맷이나 일반 응답 포맷의 프레임 시작(Start Of Frame; SOF) 필드와 동일한 기능을 수행한다. 이러한 프리앰블 필드는 다시 최하위 비트(Least Significant Bit: LSB)부터 최상위 비트(Most Significant Bit: MSB)의 순서로 이루어지되, 예를 들어 사용자에 의해 길이가 지정되는 0, 4, 8 또는 12 비트의 '0'의 수열, 4비트의 '0000' 수열 및 4비트의 '1010' 수열로 이루어질 수 있을 것이다. 결국, 사용자 지정 수열이 0비트인 경우에는 사용자 지정 수열이 존재하지 않는 것이 되어 프리앰블은 4비트의 '0000' 수열과 4비트의 1010' 수열로 이루어지게 될 것이다.
다음으로, 헤더 필드는 도 3에 도시한 바와 같이, 총 3바이트로 이루어질 수 있는데, 최하위 비트부터 최상위 비트의 순서로, 예를 들어 3비트의 데이터율 및 코딩 정보 영역, 예를 들어 8비트의 페이로드 데이터 길이 영역, 예를 들어 5비트의 예비(Reserved) 영역 및 8비트의 헤더 검사 수열(Header Check Sequence; HCS)로 이루어질 수 있다. 이러한 헤더 필드에서 8비트의 페이로드 데이터 길이 영역은 바이트 단위로 페이로드에 포함되는 데이터의 길이를 나타낸다. 헤더 검사 수열은, 예를 들어 8비트의 순환 잉여 검사(Cyclic Reduncy Check; CRC)로 이루어질 수 있다.
마지막으로, 페이로드 필드는 최대 255 바이트로 이루어지는 데이터 영역과 이를 보호하기 위한, 예를 들어 2바이트의 프레임 검사 수열로 이루어질 수 있는데, 데이터의 길이가 0일 때는 당연히 프레임 검사 수열도 포함되지 않는다. 위의 프리앰블 필드, 헤더 필드 및 페이로드 필드에 대한 데이터율 및 코딩 방법은 3비트로 표현되어 아래의 표 1과 같이 총 8가지 방법을 지원할 수 있다.
데이터율 및 코딩 데이터율 코딩 방식
b2b1b0=000(타입 0) 1 kbits/s 맨체스터
b2b1b0=001(타입 1) 2 kbits/s 맨체스터
b2b1b0=010(타입 2) 4 kbits/s 맨체스터
b2b1b0=011(타입 3) 2 kbits/s NRZ-L + 스크램블링
b2b1b0=100(타입 4) 4 kbits/s NRZ-L + 스크램블링
b2b1b0=101(타입 5) 8 kbits/s NRZ-L + 스크램블링
b2b1b0=110(타입 6) Reserved -
b2b1b0=111(타입 7) Reserved -
위의 표 1에 기재한 바와 같이, 본 발명의 방법에 따른 코딩 방식으로는 맨체스터 코딩 방식과 NRZ-L(NonReturn-to-Zero Level) 코딩 방식 중 하나가 선택될 수 있다.
도 6은 본 발명의 방법에 적용될 수 있는 맨체스터 코딩 및 NRZ-l 코딩 방식을 설명하기 위한 도이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 맨체스터 코딩 방식은 비트 구간의 중간에서 신호 레벨이 변하는데, 데이터 비트가 '0'인 경우에는 레벨 '1'에서 레벨 '0'로 변하는 반면에 데이터 비트가 '1'인 경우에는 레벨 '0'에서 레벨 '1'로 변한다. NRZ-L 코딩 방식은 데이터 비트가 '0'인 경우에는 레벨 '0', 데이터 비트가 '1'인 경우에는 레벨 '1'로 매칭된다. 결과적으로, 맨체스터 코딩 방식은 NRZ-L 코딩 방식에 비해 DC 성분이 적기 때문에 그만큼 유리한 반면에 2배의 주파수 대역을 사용하는 점에서는 불리하다. 따라서, 통신 환경이 상대적으로 양호한 경우에는 NRZ-L 코딩 방식을 사용하는 반면에 그렇지 않은 경우에는 맨체스터 코딩 방식을 코딩 방식을 유연하게 변경하여 사용할 수가 있다.
도 7은 본 발명에 적용될 수 있는 스크램블러의 블록 구성도이다. 한편, 전술한 바와 같이, NRZ-L 코딩 방식은 맨체스터 코딩 방식에 비하여 DC가 많은 단점이 있는바, 이를 극복하기 위하여 NRZ-L 코딩한 결과물을 도 7에 도시한 바와 같은스크램블러(scramber)로 처리하여 DC 성분을 억압하는 것이 바람직하다.
여기에서, '스크램블러'라 함은 연속되는 입력 데이터 중에서 타이밍 정보가 유실되는 것을 방지하고, 주기적인 데이터 패턴을 되풀이함으로써 생기는 단일 주파수 성분을 억압하여 전송로 구간에서의 혼/변조를 방지하기 위해 입력 데이터를 랜덤 부호 계열로 변환하는 공지의 회로인바, 수신측, 즉 마스터 또는 슬레이브에서는 이와 반대의 계산 기능을 가지는 디스크램블러에 의해 원래의 데이터 신호를 재생할 수가 있다.
도 8은 본 발명의 방법에서 프리앰블의 코딩 및 변조 과정을 설명하기 위한 도이고, 도 9는 본 발명의 방법에서 헤더의 코딩 및 변조 과정을 설명하기 위한 도이며, 도 10은 본 발명의 방법에서 페이로드 데이터의 코딩 및 변조 과정을 설명하기 위한 도이다.
먼저, 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 방법에서 프리앰블 필드에 대한 코딩 및 변조 과정은, 생성된 프리앰블 수열을 위의 표 1의 타입 0, 즉 1kbps의 데이터율을 갖는 맨체스터 코딩 방식으로 부호화한 후에 다시 BPSK 변조하게 된다. 이와 마찬가지로, 헤더 필드에 대한 코딩 및 변조 과정도, 생성된 헤더 수열에 이를 보호하기 위한 헤더 검사 수열을 추가한 후에 위의 표 1에서 타입 0, 즉 1kbps의 데이터율을 갖는 맨체스터 코딩 방식으로 부호화한 후에 다시 BPSK 변조하게 된다.
반면에 페이로드 필드의 경우에는 데이터의 상위 단에 이를 보호하기 위한 페이로드 검사 수열을 추가하고, 다시 위의 표 1에서 타입 0 내지 7 중에서 적절한 데이터율과 코딩 방식을 선택하여 부호화를 수행하고, 이렇게 부호화된 결과물을 다시 BPSK 변조하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 방법에서는 프리앰블 필드와 헤더 필드는 주변의 통신 환경에 관계없이 상대적으로 혼변조 간섭에 안정적인 맨체스터 코딩 방식으로 낮은 데이터율을 갖도록 부호화하는 반면에 페이로드 필드는 통신 환경에 따라 적절한 데이터율과 코딩 방식을 사용하고, 나아가 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 변조 방식을 사용함으로써 통신 성능을 그만큼 향상시킬 수가 있을 뿐만 아니라 주변 통신 환경에 적응적으로 대응할 수가 있다.
본 발명의 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법에서 슬레이브, 예를 들어 태그를 능동형으로 구성할 수 있기 때문에 태그가 호출기에게 명령을 내릴 수도 있고, 이에 따라 페이로드 필드의 적절한 데이터율과 코딩 방식도 마스터와 슬레이브의 양쪽 모두에서 능동적으로 수행할 수 있을 것이다.
본 발명의 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법 및 이 방법을 실행하는 프로그램이 기록되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.
도 1은 종래 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법에서 마스터에서 슬레이브로의 일반 요청 포맷의 프레임 구성도,
도 2는 종래 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법에서 슬레이브에서에서 마스터로의 일반 응답 포맷의 프레임 구성도,
도 3은 본 발명의 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법에서 마스터와 슬레이브 사이의 양방향 통신 포맷의 프레임 구성도,
도 4는 도 3에서 프리앰블 필드의 프레임 구성도,
도 5는 도 3에서 페이로드 필드의 프레임 구성도,
도 6은 본 발명의 방법에 적용될 수 있는 맨체스터 코딩 및 NRZ-l 코딩 방식을 설명하기 위한 도,
도 7은 본 발명에 적용될 수 있는 스크램블러의 블록 구성도,
도 8은 본 발명의 방법에서 프리앰블의 코딩 및 변조 과정을 설명하기 위한 도,
도 9는 본 발명의 방법에서 헤더의 코딩 및 변조 과정을 설명하기 위한 도,
도 10은 본 발명의 방법에서 페이로드 데이터의 코딩 및 변조 과정을 설명하기 위한 도이다.

Claims (11)

  1. 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법에 있어서,
    마스터와 슬레이브 사이의 요청 프레임과 응답 프레임은 각각 프리엠블 필드, 헤더 필드 및 페이로드 필드를 포함하여 이루어지고,
    상기 프리앰블 필드와 상기 헤더 필드는 각각 1 kbps의 데이터율로 맨체스터 코딩된 후에 BPSK 변조되고,
    상기 페이로드 필드의 데이터율과 코딩 방식은 주변 통신 환경에 따라 1, 2 또는 4 kbps의 데이터율의 맨체스터 코딩 또는 2, 4 또는 8 kbps의 데이터율의 NRZ-L 코딩 중에서 선택적으로 코딩된 후에 BPSK 변조되는 것을 특징으로 하는 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 요청 프레임과 상기 응답 프레임은 동일한 포맷으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 헤더 필드는 상기 페이로드 필드의 데이터율과 코딩 정보를 나타내는 영역, 상기 페이로드 필드의 데이터 길이를 나타내는 영역 및 헤더 검사 수열을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 페이로드 필드는 0-255 바이트의 데이터 영역과 2바이트의 프레임 검사 수열을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 NRZ-L 코딩된 결과물은 스크램블링된 후에 상기 BPSK 변조되는 것을 특징으로 하는 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법.
  11. 제 1 항, 제 2 항, 제 6 항, 제 8 항 및 제 10 항 중 어느 한 항의 자기장 기반의 저주파 대역(~300㎑) 무선통신의 물리계층 구성 방법을 실행하는 프로그램이 기록되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
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