KR101733340B1 - Mimo 기반의 백스캐터 시스템 및 그것을 이용한 상향 링크 통신 방법 - Google Patents

Mimo 기반의 백스캐터 시스템 및 그것을 이용한 상향 링크 통신 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 MIMO 기반의 백스캐터 시스템 및 그것을 이용한 상향 링크 통신 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 두 개의 안테나를 각각 가지는 리더기, 태그, 액세스 포인트를 포함하는 MIMO 기반의 백스캐터 시스템을 이용한 상향 링크 통신 방법에 있어서, 상기 액세스 포인트는 무선 패킷을 브로드캐스트하는 단계와, 상기 태그는 상기 액세스 포인트로부터 수신되는 상기 무선 패킷을 제1 및 제2 안테나 중에서 온 상태의 안테나를 통해서 상기 리더기로 반사시켜 전송하되, 상기 리더기로 전송할 정보 비트를 2 비트 단위로 구분하고 상기 2 비트의 비트 조합에 대응하여 상기 제1 및 제2 안테나를 각각 온 또는 오프 구동시켜서 상기 제1 및 제2 안테나를 통한 상기 무선 패킷의 반사를 제어하는 단계, 및 상기 리더기는 상기 액세스 포인트와 상기 태그로부터 수신되는 무선 패킷으로부터 채널 정보를 추정하고 상기 추정한 채널 정보를 이용하여 상기 정보 비트를 상기 2 비트 단위로 복조하는 단계를 포함하는 상향 링크 통신 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 백스캐터 시스템을 다중 안테나로 구현하여 상향 링크 전송에서 태그가 한 개의 패킷 당 두 개의 정보 비트를 전송함에 따라 기존보다 데이터 레이트를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

MIMO 기반의 백스캐터 시스템 및 그것을 이용한 상향 링크 통신 방법{Backscatter system based on MIMO and uplink communication method using the same}
본 발명은 MIMO 기반의 백스캐터 시스템 및 그것을 이용한 상향 링크 통신 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상향 링크 통신에서 데이터 레이트를 향상시킬 수 있는 MIMO 기반의 백스캐터 시스템 및 그것을 이용한 상향 링크 통신 방법에 관한 것에 관한 것이다.
최근 차세대 기술로 주목받고 있는 에너지 하베스팅 기술 중에서 주변의 RF 신호를 이용하여 전력을 공급받아 통신하는 기술인 와이파이 백스캐터(Wi-Fi backscatter) 기술이 제안되고 있다.
도 1은 일반적인 백스캐터 시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 백스캐터 시스템은 와이파이 헬퍼(Wi-Fi Helper; 액세스 포인트), 리더(Wi-Fi Reader; 예를 들어, 휴대폰), 그리고 태그(Wi-Fi backscatter Tag; RF 급전 장치)로 구성되며, 하향 링크를 통해 리더가 태그에게 정보를 요청하면, 상향 링크를 통해 태그는 리더에게 응답을 전송한다.
Wi-Fi 헬퍼는 Wi-Fi 무선 공유기(AP;Access Point)를 나타내고, Wi-Fi 리더는 휴대폰 등과 같은 모바일 디바이스를 나타낸다. 태그는 센서 노드를 나타내며, 주변에서 전송되는 Wi-Fi 신호를 에너지 하베스팅 기술을 통하여 자신의 전력으로 충전하여 사용한다.
기존의 상향 링크 전송 방식은 다음과 같다. 태그는 와이파이 헬퍼로부터 받은 와이파이 패킷을 안테나의 반사량 조절을 통해 0 또는 1로 레벨 변조하여 리더기에 전송한다. 즉, '1'을 보내고자 할 때는 높은 레벨의 RF 신호를 반사시키고 '0'을 보내고자 할 때는 낮은 레벨의 RF 신호를 반사시킨다. 리더기는 수신 신호의 복조 시에 레벨 차를 이용하여 데이터를 복원하면 된다.
그런데 이와 같은 방식에서 태그는 한 개의 패킷 당 하나의 비트만을 전송할 수 있기 때문에, 기존의 와이파이 백스캐터 기술은 상향 링크 전송 시에 데이터 레이트(Data Rate)에 제한이 따른다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제0825362호(2008.04.28 공고)에 개시되어 있다.
본 발명은, 상향 링크 통신에서 데이터 레이트를 향상시킬 수 있는 MIMO 기반의 백스캐터 시스템 및 그것을 이용한 상향 링크 통신 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 두 개의 안테나를 각각 가지는 리더기, 태그, 액세스 포인트를 포함하는 MIMO 기반의 백스캐터 시스템을 이용한 상향 링크 통신 방법에 있어서, 상기 액세스 포인트는 무선 패킷을 브로드캐스트하는 단계와, 상기 태그는 상기 액세스 포인트로부터 수신되는 상기 무선 패킷을 제1 및 제2 안테나 중에서 온 상태의 안테나를 통해서 상기 리더기로 반사시켜 전송하되, 상기 리더기로 전송할 정보 비트를 2 비트 단위로 구분하고 상기 2 비트의 비트 조합에 대응하여 상기 제1 및 제2 안테나를 각각 온 또는 오프 구동시켜서 상기 제1 및 제2 안테나를 통한 상기 무선 패킷의 반사를 제어하는 단계, 및 상기 리더기는 상기 액세스 포인트와 상기 태그로부터 수신되는 무선 패킷으로부터 채널 정보를 추정하고 상기 추정한 채널 정보를 이용하여 상기 정보 비트를 상기 2 비트 단위로 복조하는 단계를 포함하는 상향 링크 통신 방법을 제공한다.
여기서, 상기 태그는, 상기 2 비트에 대한 4개의 비트 조합(00, 01, 10, 11)에 대응하는 4개의 제어 신호 중에서, 상기 비트 조합에 대응하는 하나의 신호를 선택하여 상기 제1 및 제2 안테나를 각각 온 또는 오프시키며, 상기 4개의 제어 신호는, 상기 비트 조합의 LSB 비트 값이 1 또는 0일 때 상기 제1 안테나를 온 또는 오프 시키고, MSB 비트 값이 1 또는 0일 때 상기 제2 안테나를 온 또는 오프 시키는 것에 의해 구분될 수 있다.
또한, 상기 리더기는, 상기 4개의 제어 신호에 의한 각각의 태그 구동 환경에서 기 획득한 4개의 채널 환경 정보를 그에 대응하는 상기 비트 조합과 매핑하여 기 저장하며, 상기 4개의 채널 환경 정보 중에서 상기 추정한 채널 정보와 일치하는 채널 환경 정보를 이용하여 상기 정보 비트를 상기 2 비트 단위로 복조할 수 있다.
또한, 상기 액세스 포인트는 기 설정된 파일럿 신호를 브로드캐스팅 하고, 상기 태그는 기 설정된 순서에 따라 상기 4개의 제어 신호를 순차로 선택하여 상기 파일럿 신호의 반사를 제어하는 동안, 상기 리더기는, 상기 액세스 포인트와 상기 태그로부터 순차로 수신되는 각각의 무선 신호에 대해 상기 파일럿 신호를 반영하여 상기 4개의 채널 환경 정보를 각각 획득할 수 있다.
또한, 상기 태그는, 상기 무선 패킷의 반사를 제어하는 페이로드 전송 구간의 이전에 할당된 프리앰블 전송 구간 동안에, 상기 4개의 제어 신호를 상기 기 설정된 순서에 따라 순차로 선택하면서 상기 파일럿 신호의 반사를 제어하고, 상기 기 설정된 순서는, 상기 4개의 비트 조합 중에서 11에 대응하는 제어 신호가 먼저 배치되고 00에 대응하는 제어 신호가 마지막에 배치될 수 있다.
그리고, 본 발명은, 두 개의 안테나를 각각 가지는 리더기, 태그, 액세스 포인트를 포함하는 MIMO 기반의 백스캐터 시스템에 있어서, 상기 액세스 포인트는 무선 패킷을 브로드캐스트하며, 상기 태그는, 상기 액세스 포인트로부터 수신한 상기 무선 패킷을 제1 및 제2 안테나 중에서 온 상태의 안테나를 통해서 상기 리더기로 반사시켜 전송하되, 상기 리더기로 전송할 정보 비트를 2 비트 단위로 구분하고 상기 2 비트의 비트 조합에 대응하여 상기 제1 및 제2 안테나를 각각 온 또는 오프 구동시켜서 상기 제1 및 제2 안테나를 통한 상기 무선 패킷의 반사를 제어하며, 상기 리더기는, 상기 액세스 포인트와 상기 태그로부터 수신되는 무선 패킷으로부터 채널 정보를 추정하고 상기 추정한 채널 정보를 이용하여 상기 정보 비트를 상기 2 비트 단위로 복조하는 MIMO 기반의 백스캐터 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 MIMO 기반의 백스캐터 시스템 및 그것을 이용한 상향 링크 통신 방법에 따르면, 백스캐터 시스템을 다중 안테나로 구현하여 상향 링크 전송에서 태그가 한 개의 패킷 당 두 개의 정보 비트를 리더기로 전송함에 따라 기존보다 데이터 레이트를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일반적인 백스캐터 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 기반의 백스캐터 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 시스템을 이용한 상향 링크 통신 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 시스템에서 태그의 영향이 없는 환경에서의 액세스 포인트와 리더기 간의 채널 환경을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2의 시스템에서 태그의 영향이 있는 환경에서의 액세스 포인트와 리더기 간의 채널 환경을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 태그에서 안테나의 사용 조합에 따라 변화하는 4가지 채널 환경을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 태그가 프리앰블 전송 구간에서 4개의 안테나 조합을 순차로 사용하여 파일럿 신호를 전송할 때 리더기에서 검출하는 네 가지 채널 환경 정보를 나타낸 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 기반의 백스캐터 시스템을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 기반의 백스캐터 시스템은 태그(100), 리더기(200), 액세스 포인트(300)를 포함한다.
액세스 포인트(300)(Access Point;AP)는 일반적인 무선 공유기에 해당될 수 있으며, 주변의 기기에 Wi-Fi 패킷을 전송하여 무선 인터넷 연결을 제공한다. 무선 인터넷이란 통상의 Wi-Fi에 해당될 수 있으며 액세스 포인트(300)는 Wi-Fi 헬퍼(Helper)로 사용되는 Wi-Fi 무선 공유기를 의미할 수 있다. 물론 무선 인터넷은 반드시 Wi-Fi 개념으로 한정되지 않는다.
액세스 포인트(300)는 무선 패킷(ex, Wi-Fi 패킷)를 주변에 브로드캐스트(broadcast)한다. 이에 따라 무선 패킷은 리더기(200) 및 태그(100)에 모두 전송된다. 리더기(200)는 전송받은 무선 패킷을 통하여 인터넷 연결될 수 있으며 통상의 휴대폰, 스마트폰, 스마트 패드, 노트북 등과 같이 무선 인터넷 기능(Wi-Fi 기능)이 내장된 사용자 단말에 해당될 수 있다.
리더기(200)는 액세스 포인트(300)로부터 수신한 무선 패킷(Wi-Fi 패킷)를 태그(100)가 읽을 수 있는 신호로 변조하여 전송할 수 있으며 이를 통해 태그(100)에 인터넷 연결성을 제공함으로써 사물 인터넷이 구현될 수 있다.
태그(100)는 별도의 전원 공급 장치(배터리)가 존재하지 않는 무 전지(battery-free)의 수동형 태그로서 RFID 태그 등의 형태를 의미할 수 있다. 이러한 태그(100)는 센서 노드(무전력 센서 노드)에 해당한다.
일반적인 Wi-Fi 백스캐터 시스템에서 리더기(200)는 태그(100)에게 하향 링크(Down Link)를 통해 정보를 전송 또는 요청할 수 있고, 태그(100)는 그에 대한 응답을 상향 링크(Up Link)를 통해 리더기(200)로 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예의 경우, 태그(100)가 리더기(200)로 데이터를 전송하는 상향 링크(Uplink)에서 데이터 전송률을 향상시키기 위하여, 도 2에 도시된 것과 같이, 다중 안테나를 가지는 태그(100), 리더기(200), 액세스 포인트(300)를 포함한 MIMO 기반의 백스캐터 시스템을 사용한다.
기존의 단일 안테나에 기반한 도 1의 시스템의 경우에는 상향 링크 전송 시에 태그가 액세스 포인트로부터 받은 와이파이 패킷(무선 패킷)을 안테나의 반사량 조절을 통해 레벨 변조하여 리더기로 전송한다. 구체적으로, 태그가 리더기에 전송할 정보가 '1'일 때는 와이파이 패킷을 높은 레벨(크기)로 반사시키고 '0'일 때는 낮은 레벨로 반사시키는 방법으로 데이터를 레벨 변조하여 전송한다. 하지만 이 경우 태그가 하나의 패킷 당 하나의 정보 비트(1 또는 0)만을 리더기로 전송하므로 데이터 전송률이 떨어진다.
이와 달리 다중 안테나에 기반한 본 발명의 실시예에 따른 도 2의 시스템의 경우는 두 개의 안테나를 가지는 태그(100), 리더기(200), 액세스 포인트(300)를 사용함에 따라, 상향 링크 전송에서 태그(100)가 한 개의 패킷 당 두 개의 정보 비트(00, 01, 10 또는 11)를 담아 전송할 수 있으며 이를 통하여 데이터 레이트를 기존보다 두 배로 향상시킬 수 있다.
이하에서는 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 각 구성요소에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예에서 액세스 포인트(300), 태그(100), 리더기(200)는 각각 두 개의 안테나를 가지므로, 신호의 송수신은 자신의 두 개의 안테나에서 동시에 이루어지며 그에 따라 송수신 경로 상에 다중의 채널 환경이 존재함은 자명하다.
본 발명의 실시예는 상향 링크 전송에서 태그(100)가 두 안테나를 모두 사용하지 않을 경우, 1번 안테나만 사용할 경우, 2번 안테나만 사용할 경우, 두 안테나를 모두 사용할 경우 각각에 대응하는 채널 환경을 사용하여 상호 다른 네 가지의 2 비트 데이터를 리더기(200)로 전송할 수 있다. 추후 리더기(200)는 수신한 신호에 포함된 각기 다른 채널 환경을 분석하여 데이터를 복조한다.
우선, 액세스 포인트(300)는 무선 패킷(Wi-Fi 패킷)을 브로드캐스트(broadcast) 방식으로 전송한다. 이에 따라 주변에 있는 태그(100)와 리더기(200)에게 모두 무선 패킷이 전달된다.
태그(100)는 액세스 포인트(300)로부터 수신되는 무선 패킷을 자신의 제1 및 제2 안테나 중에서 온(On) 상태의 안테나를 통해서 리더기(200)로 반사시켜 전송 가능하다. 이는 곧, 태그(100)의 제1 및 제2 안테나는 온(On) 상태일 때는 무선 패킷을 반사하고 오프(OfF) 상태일 때는 무선 패킷을 반사하지 않는 것과 상통한다. 따라서 태그(100)는 자신의 두 안테나가 모두 오프(Off) 상태일 때를 제외하고 두 안테나 중 적어도 하나가 온(On) 상태일 때 해당 안테나를 통하여 무선 패킷을 반사한다.
본 발명의 실시예에서 태그(100)에 포함된 두 안테나의 온오프 상태는 태그(100)가 리더기(200)로 전송하려는 정보 비트에 의해 결정되며 두 안테나의 온오프 제어 신호는 정보 비트의 2 비트 단위로 가변 가능하다. 태그(100)는 두 안테나의 온오프 상태를 실시간 가변하면서 두 안테나를 통한 무선 패킷의 반사를 실시간 제어한다.
구체적으로, 태그(100)는 리더기(200)로 전송할 정보 비트를 2 비트 단위로 구분하고 2 비트의 비트 조합(00,01,10,11)에 대응하여 자신의 제1 및 제2 안테나를 각각 온 또는 오프 구동시켜서, 제1 및 제2 안테나를 통한 무선 패킷의 반사를 실시간 제어한다.
쉽게 말해서, 태그(100)는 리더기(200)로 보낼 정보 비트를 액세스 포인트(300)로부터 받은 무선 패킷에 담아 전송 가능하며, 제1 및 제2 안테나의 온오프를 개별 조절하면 각 안테나를 통한 무선 패킷의 반사가 조절된다. 이를 통해 정보 비트의 변조 가능해진다.
리더기(200)에는 액세스 포인트(300)가 전송한 무선 패킷과 태그(100)가 반사시킨 무선 패킷이 함께 수신될 수 있는데, 리더기(200)는 액세스 포인트(300)와 태그(100)로부터 수신되는 무선 패킷으로부터 채널 정보를 추정하고, 추정한 채널 정보를 기초로 하여 태그(100)의 정보 비트를 2 비트 단위로 복조한다.
이와 같이, 본 실시예에서 태그(100)는 리더기(200)에 보낼 정보 비트에 대응하여 제1 및 제2 안테나의 온오프 상태를 실시간 제어하되 정보 비트의 2 비트 단위마다 두 안테나의 온오프 상태를 실시간 가변 제어한다.
또한, 리더기(200)는 두 가지의 경로(액세스 포인트~리더기, 액세스 포인트~태그~리더기)를 통하여 수신한 무선 패킷을 이용하여 두 가지 경로를 포함한 채널 정보를 추정할 수 있으며, 추정한 채널 정보를 기 저장된 4개의 채널 환경 정보와 비교하여 실제로 태그(100)가 전송한 비트 조합에 대응하는 안테나의 채널 환경 정보를 추출하고 이를 통하여 정보 비트를 2 비트 단위로 정확하게 복조할 수 있다.
도 3은 도 2의 시스템을 이용한 상향 링크 통신 방법을 나타낸 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 기반의 백스캐터 시스템을 이용한 상향 링크 통신 방법에 관하여 설명한다.
먼저, 액세스 포인트(300)는 무선 패킷(ex, Wi-Fi 패킷)을 브로드캐스트한다(S310). 이에 따라 무선 패킷은 태그(100)와 리더기(200)에 수신된다.
태그(100)는 액세스 포인트(300)로부터 수신되는 무선 패킷을 자신의 제1 및 제2 안테나 중에서 온(On) 상태의 안테나를 통해서 리더기(200)로 반사시켜 전송하되, 리더기(200)로 전송할 정보 비트를 2 비트 단위로 구분하고 2 비트의 비트 조합에 대응하여 제1 및 제2 안테나를 각각 온 또는 오프 구동시켜서, 제1 및 제2 안테나를 통한 무선 패킷의 반사를 제어한다(S320).
이와 같이, 태그(100)는 전송할 정보 비트의 2 비트 단위마다 두 안테나의 온오프 상태를 실시간 가변시켜서, 액세스 포인트(300)로부터 받은 무선 패킷의 반사를 실시간 제어한다.
또한, S320 단계에서, 태그(100)는 2 비트에 대한 4개의 비트 조합(00, 01, 10, 11)에 대응하는 4개의 제어 신호 중에서, 비트 조합에 대응하는 하나의 제어 신호를 선택하여 제1 및 제2 안테나를 각각 온 또는 오프시킨다.
여기서, 태그(100)가 가진 4개의 제어 신호는 2비트의 비트 조합의 LSB 비트 값이 1 또는 0일 때 제1 안테나(1번 안테나)를 온 또는 오프시키고, MSB 비트 값이 1 또는 0일 때 제2 안테나(2번 안테나)를 온 또는 오프시키는 것에 의해 구분이 가능하다.
이와 관련하여, 아래의 표 1은 2 비트의 비트 조합에 따른 제1 및 제2 안테나의 제어 상태를 나타낸다.
데이터 태그의 제1 안테나
(1번 안테나)		 태그의 제2 안테나
(2번 안테나)
"00" (0) off off
"01" (1) on off
"10" (2) off on
"11" (3) on on
표 1을 참조하면, 제1 안테나의 온/오프는 비트 조합의 LSB에 의해 결정되고 제2 안테나의 온오프는 MSB에 의해 결정되는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 태그(100)는 정보 비트를 2 비트 단위로 구분하여 비트가 '00'이면 두 안테나를 모두 끄고, '01'이면 제1 안테나만 켜고, '10'이면 제2 안테나만 켜고, '11'이면 두 안테나를 모드 켜도록 제어한다. 이러한 방법으로, 태그(100)는 액세스 포인트(300)로부터 받은 무선 패킷에 대한 반사 신호를 리더기(200)로 보내지 않거나, 두 안테나 중 하나의 안테나를 사용하여 보내거나, 두 안테나 모두를 사용하여 보내게 된다.
이상과 같이, 태그(100)는 4개의 제어 신호 중에서, 정보 비트의 2 비트 단위마다 그에 대응하는 하나의 제어 신호를 선택하여 사용하면 된다.
태그(100)는 액세스 포인트(300)로부터 받은 무선 패킷을 즉시 반사할 수 있기 때문에 S310 및 S320 단계에 따른 신호 전송은 거의 동일한 시간 구간에서 이루어질 수 있다.
리더기(200)는 앞서 S310 및 S320 단계에 따라 액세스 포인트(300)와 태그(100)로부터 수신되는 무선 패킷으로부터 두 가지 경로를 포함한 채널 정보를 추정할 수 있으며(S330), 추정한 채널 정보를 이용하여 태그(100)의 정보 비트를 2 비트 단위로 복조한다(S340).
이하에서는 S330 및 S340 단계와 관련하여 더욱 구체적으로 설명한다.
도 4는 도 2의 시스템에서 태그의 영향이 없는 환경에서의 액세스 포인트와 리더기 간의 채널 환경을 나타낸 도면이다. 이러한 도 4는 액세스 포인트(300)가 브로드 캐스팅한 무선 패킷이 리더기(200)에 전달되는 경로(액세스 포인트~리더기)에 해당한다. 이때, 액세스 포인트(300)와 리더기(200) 사이의 채널 환경(HHR)은 수학식 1과 같다.
Figure 112016007455013-pat00001
수학식 1에서 Hij는 리더기(200)의 i번째 안테나와 액세스 포인트(300)의 j번째 안테나 사이의 채널을 나타내며 i,j={1,2}이다. 도 4 및 도 5에서 각 구성 요소가 가진 두 안테나 중에서 도면상에서 위쪽에 있는 안테나가 i=1인 1번째 안테나이고 그 아래의 안테나가 i=2인 2번째 안테나에 해당한다.
도 5는 도 2의 시스템에서 태그의 영향이 있는 환경에서의 액세스 포인트와 리더기 간의 채널 환경을 나타낸 도면이다. 도 5는 액세스 포인트(300)가 브로드 캐스팅한 무선 패킷이 태그(100)에서 반사되어 리더기(200)에 전달되는 경로(액세스 포인트~태그~리더기)에 해당한다.
도 5의 경우 액세스 포인트(300)와 태그(100) 사이의 채널(HHT)과 태그(100)와 리더기(200) 사이의 채널(HTR)이 존재하며 각각은 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016007455013-pat00002
도 5의 경우에서 두 채널을 거친 전체 채널 환경은 HHT와 HTR의 곱)에 의해 표현 가능하다.
도 6은 도 5에 도시된 태그에서 안테나의 사용 조합에 따라 변화하는 4가지 채널 환경을 설명하는 도면이다. 이러한 도 6은 표 1과 같이 안테나 1,2를 모두 사용하지 않을 경우(00), 안테나 1만 사용할 경우(01), 안테나 2만 사용할 경우(10), 안테나 1,2를 모두 사용할 경우(11)의 각각에 대한 도 5의 채널 변화를 나타내고 있다. 각 경우에 있어 두 채널 HHT와 HTR의 곱은 HHtR로 포현되어 있다.
이와 같이, 태그(100)에서의 두 안테나의 사용 조합에 따라, 도 5의 채널 환경(HHTR)은 네 가지 상태로 변화하는 것을 알 수 있다. 여기서, 도 6 및 표 1에 나타낸 안테나의 4가지 사용 조합은 태그(100)가 가진 4개의 제어 신호에 대응한다.
이와 관련하여, 리더기(200)는 4개의 제어 신호에 의한 각각의 태그 구동 환경에서 미리 획득한 4개의 채널 환경 정보(채널 행렬 정보)를 그에 대응하는 비트 조합과 매핑하여 기 저장하고 있다. 예를 들어, 4개의 채널 환경 중에서 제1 채널 환경 정보는 '00'과 매핑하고 제4 채널 환경 정보는 '11'과 매핑하여 저장한다.
이를 통해, 리더기(200)는 기 저장한 4개의 채널 환경 정보 중에서 현재 추정한 채널 정보와 일치하는 채널 환경 정보를 이용하여, 태그(100)가 전송한 정보 비트를 2 비트 단위로 복조한다. 만일 추정한 채널 정보가 제1 채널 환경과 일치하는 경우 그에 대응하여 '00'을 복조하고, 추정한 채널 정보가 제3 채널 환경 정보와 일치하는 경우, 추정한 채널에 대응하여 '10'을 복조한다.
도 6의 경우 설명의 편의상 도 5에 따른 채널 환경만 도시한 것으로서, 실제로 리더기(200)에는 액세스 포인트(300)로부터 전송되는 무선 패킷과, 태그(100)에 의해 반사된 무선 패킷이 함께 수신되므로, 리더기(200)에 수신되는 신호로부터는 도 4 및 도 5에 따른 채널 HHR과 HHTR(이하, H1, H2)의 정보가 모두 확인될 수 있다.
리더기(200)에 수신되는 신호Y는 간단히 수학식 3의 형태로 표현 가능하다.
Figure 112016007455013-pat00003
여기서, P는 전송된 무선 패킷을 나타내며 두 경우에 대해 별도로 기호의 구분은 하지 않았다. 채널 H1은 도 4와 같이 태그(100)의 영향이 없는 경우의 채널로서 수학식 1의 HHR를 나타낸다. 채널 H2는 도 5와 같이 태그(100)의 영향이 있는 경우 채널(HHTR)로서 태그(100)에서의 안테나의 사용 조합에 따라 도 6에 나타낸 네 가지 채널 중의 하나일 수 있다.
액세스 포인트(300)가 무선 패킷을 브로드캐스트하는 동안, 태그(100)가 두 안테나의 사용 상태를 가변할 경우, 도 4에 의한 채널 정보(H1)는 수학식 1과 같이 그대로 유지되는 반면, 도 5에 의한 채널 정보(H2)는 도 6의 4가지의 상태로 가변한다. 두 채널 H1,H2를 간단히 하나의 채널(H)로 보면 수학식 3은 아래와 같이 정리될 수 있다.
Figure 112016007455013-pat00004
여기서, *는 콘쥬게이트 연산을 나타낸다. 수학식 4에 의하면, 수신된 신호의 값에 송신 신호를 연산하면 역으로 채널 정보의 연산이 가능함을 확인할 수 있다. 여기서, 리더기(200)는 기 알고 있는 송신 신호 즉, 약속된 송신 신호(파일럿 신호)에 대한 수신 신호로부터 채널 정보를 역으로 연산할 수 있다.
이러한 원리를 기초로, 리더기(200)는 4개의 채널 환경 정보를 사전에 획득하여 저장하고, 추후 추정한 채널로부터 정보 비트를 검출하는 데에 활용한다. 채널 환경 정보의 획득은 태그(100)의 프리앰블 전송 구간에서 수행하며, 그 구체적인 방법은 다음과 같다.
액세스 포인트(300)가 기 설정된 파일럿 신호를 브로드캐스트 전송하는 동안, 태그(100)는 기 설정된 순서(ex, 11,10,01,00에 대응하는 순서)에 따라 4개의 제어 신호를 순차로 선택하여 파일럿 신호의 반사를 제어한다.
그러면 추후, 리더기(200)는 액세스 포인트(300)와 태그(100)로부터 순차로 수신되는 각각의 무선 신호(ex, Y1,Y2,Y3,Y4)에 파일럿 신호(P)를 반영함으로써, 4개의 채널 환경 정보를 순차로 연산한다.
여기서, 태그(100)는 페이로드 전송 구간 이전에 할당된 있는 프리앰블 전송 구간 동안에 상술한 동작을 수행하는데, 실질적인 무선 패킷이 전달되는 페이로드 전송 이전에, 리더기()에서 4가지 채널 환경의 습득과 훈련이 가능하게 한다.
도 7은 도 2에 도시된 태그가 프리앰블 전송 구간에서 4개의 안테나 조합을 순차로 사용하여 파일럿 신호를 전송할 때 리더기에서 검출하는 네 가지 채널 환경 정보를 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 것과 같이, 태그(100)는 프리앰블 전송 구간 동안에 4개의 제어 신호를 기 설정된 순서에 따라 순차로 선택하면서 파일럿 신호의 반사를 제어한다. 도 7의 경우, 태그(100)는 4개의 패킷 구간(P0,P1,P2,P3)에 대해 각각 4개의 제어 신호를 순차로 선택하는데, 반복 훈련을 통한 신뢰성을 높이기 위하여, 동일한 동작을 두 번 반복하고 있다. 물론 그 반복 횟수는 조절 가능하다.
실질적인 제어 순서를 보면, 4개의 비트 조합 중에 11에 대응하는 제어 신호가 먼저 배치되고 00에 대응하는 제어 신호가 마지막에 배치된 것을 알 수 있다. 여기서 중간의 10과 01에 대한 제어 신호는 서로 순서가 바뀌어도 된다. 초기에 11의 비트 조합을 이용하면 두 안테나에서 모두 반사 신호가 전송되어 모든 채널을 거치게 되므로 리더기(200)에서 프리앰블의 시작을 쉽게 확인할 수 있다.
이와 같이 리더기(200)는 프리앰블 구간에서 전송되는 파일럿 신호를 이용하여 4개의 채널 환경 정보를 획득하여 기 저장하고, 추후 실제 페이로드 구간에서 페이로드 신호(무선 패킷)가 액세스 포인트(300)와 태그(100)에 의해 수신될 때 수신 신호로부터 추정되는 채널 정보를 미리 저장한 채널 환경 정보와 비교하여 정보 비트를 복조할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따른 MIMO 기반의 백스캐터 시스템 및 그것을 이용한 상향 링크 통신 방법에 따르면, 백스캐터 시스템을 다중 안테나로 구현하여 상향 링크 전송에서 태그가 한 개의 패킷 당 두 개의 정보 비트를 리더기로 전송함에 따라 기존보다 데이터 레이트를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 태그 200: 리더기
300: 액세스 포인트

Claims (10)

  1. 두 개의 안테나를 각각 가지는 리더기, 태그, 액세스 포인트를 포함하는 MIMO 기반의 백스캐터 시스템을 이용한 상향 링크 통신 방법에 있어서,
    상기 액세스 포인트는 무선 패킷을 브로드캐스트하는 단계;
    상기 태그는 상기 액세스 포인트로부터 수신되는 상기 무선 패킷을 제1 및 제2 안테나 중에서 온 상태의 안테나를 통해서 상기 리더기로 반사시켜 전송하되, 상기 리더기로 전송할 정보 비트를 2 비트 단위로 구분하고 상기 2 비트의 비트 조합에 대응하여 상기 제1 및 제2 안테나를 각각 온 또는 오프 구동시켜서 상기 제1 및 제2 안테나를 통한 상기 무선 패킷의 반사를 제어하는 단계; 및
    상기 리더기는 상기 액세스 포인트와 상기 태그로부터 수신되는 무선 패킷으로부터 채널 정보를 추정하고 상기 추정한 채널 정보를 이용하여 상기 정보 비트를 상기 2 비트 단위로 복조하는 단계를 포함하며,
    상기 태그는,
    상기 2 비트에 대한 4개의 비트 조합(00, 01, 10, 11)에 대응하는 4개의 제어 신호 중에서, 상기 비트 조합에 대응하는 하나의 신호를 선택하여 상기 제1 및 제2 안테나를 각각 온 또는 오프시키며,
    상기 4개의 제어 신호는,
    상기 비트 조합의 LSB 비트 값이 1 또는 0일 때 상기 제1 안테나를 온 또는 오프 시키고, MSB 비트 값이 1 또는 0일 때 상기 제2 안테나를 온 또는 오프 시키는 것에 의해 구분되며,
    상기 리더기는,
    상기 4개의 제어 신호에 의한 각각의 태그 구동 환경에서 기 획득한 4개의 채널 환경 정보를 그에 대응하는 상기 비트 조합과 매핑하여 기 저장하며, 상기 4개의 채널 환경 정보 중에서 상기 추정한 채널 정보와 일치하는 채널 환경 정보를 이용하여 상기 정보 비트를 상기 2 비트 단위로 복조하며,
    상기 액세스 포인트는 기 설정된 파일럿 신호를 브로드캐스팅 하고, 상기 태그는 기 설정된 순서에 따라 상기 4개의 제어 신호를 순차로 선택하여 상기 파일럿 신호의 반사를 제어하는 동안,
    상기 리더기는,
    상기 액세스 포인트와 상기 태그로부터 순차로 수신되는 각각의 무선 신호에 대해 상기 파일럿 신호를 반영하여 상기 4개의 채널 환경 정보를 각각 획득하는 상향 링크 통신 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 태그는,
    상기 무선 패킷의 반사를 제어하는 페이로드 전송 구간의 이전에 할당된 프리앰블 전송 구간 동안에, 상기 4개의 제어 신호를 상기 기 설정된 순서에 따라 순차로 선택하면서 상기 파일럿 신호의 반사를 제어하고,
    상기 기 설정된 순서는,
    상기 4개의 비트 조합 중에서 11에 대응하는 제어 신호가 먼저 배치되고 00에 대응하는 제어 신호가 마지막에 배치된 상향 링크 통신 방법.
  6. 두 개의 안테나를 각각 가지는 리더기, 태그, 액세스 포인트를 포함하는 MIMO 기반의 백스캐터 시스템에 있어서,
    상기 액세스 포인트는 무선 패킷을 브로드캐스트하며,
    상기 태그는,
    상기 액세스 포인트로부터 수신한 상기 무선 패킷을 제1 및 제2 안테나 중에서 온 상태의 안테나를 통해서 상기 리더기로 반사시켜 전송하되, 상기 리더기로 전송할 정보 비트를 2 비트 단위로 구분하고 상기 2 비트의 비트 조합에 대응하여 상기 제1 및 제2 안테나를 각각 온 또는 오프 구동시켜서 상기 제1 및 제2 안테나를 통한 상기 무선 패킷의 반사를 제어하며,
    상기 리더기는,
    상기 액세스 포인트와 상기 태그로부터 수신되는 무선 패킷으로부터 채널 정보를 추정하고 상기 추정한 채널 정보를 이용하여 상기 정보 비트를 상기 2 비트 단위로 복조하며,
    상기 태그는,
    상기 2 비트에 대한 4개의 비트 조합(00, 01, 10, 11)에 대응하는 4개의 제어 신호 중에서, 상기 비트 조합에 대응하는 하나의 신호를 선택하여 상기 제1 및 제2 안테나를 각각 온 또는 오프시키며,
    상기 4개의 제어 신호는,
    상기 비트 조합의 LSB 비트 값이 1 또는 0일 때 상기 제1 안테나를 온 또는 오프 시키고, MSB 비트 값이 1 또는 0일 때 상기 제2 안테나를 온 또는 오프 시키는 것에 의해 구분되며,
    상기 리더기는,
    상기 4개의 제어 신호에 의한 각각의 태그 구동 환경에서 기 획득한 4개의 채널 환경 정보를 그에 대응하는 상기 비트 조합과 매핑하여 기 저장하며, 상기 4개의 채널 환경 정보 중에서 상기 추정한 채널 정보와 일치하는 채널 환경 정보를 이용하여 상기 정보 비트를 상기 2 비트 단위로 복조하며,
    상기 액세스 포인트는 기 설정된 파일럿 신호를 브로드캐스팅 하고, 상기 태그는 기 설정된 순서에 따라 상기 4개의 제어 신호를 순차로 선택하여 상기 파일럿 신호의 반사를 제어하는 동안,
    상기 리더기는,
    상기 액세스 포인트와 상기 태그로부터 순차로 수신되는 각각의 무선 신호에 대해 상기 파일럿 신호를 반영하여 상기 4개의 채널 환경 정보를 각각 획득하는 MIMO 기반의 백스캐터 시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 태그는,
    상기 무선 패킷의 반사를 제어하는 페이로드 전송 구간의 이전에 할당된 프리앰블 전송 구간 동안에, 상기 4개의 제어 신호를 상기 기 설정된 순서에 따라 순차로 선택하면서 상기 파일럿 신호의 반사를 제어하고,
    상기 기 설정된 순서는,
    상기 4개의 비트 조합 중에서 11에 대응하는 제어 신호가 먼저 배치되고 00에 대응하는 제어 신호가 마지막에 배치된 MIMO 기반의 백스캐터 시스템.
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