KR102066977B1

KR102066977B1 - NB-IoT망을 이용한 IoT 시스템 및 이의 시간 동기화 방법

Info

Publication number: KR102066977B1
Application number: KR1020180169010A
Authority: KR
Inventors: 김삼택; 정인식; 김승곤; 강희원; 임수빈; 박기석; 장동진
Original assignee: 우송대학교산학협력단; (주)세림커뮤니케이션
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2020-01-15

Abstract

NB-IoT망을 이용한 IoT 시스템 및 이의 시간 동기화 방법에 관한 것으로, 표준시간을 제공하는 NTP 시간서버, 상기 NTP 시간서버로부터 표준시간 정보를 수신하는 NTP(Network Time Protocol) 클라이언트, 및 상기 표준시간 정보를 저장하고 현재시간을 연산하는 서버 RTC를 포함하는 IoT 서버, 및 상기 IoT 서버로부터 시간정보를 전달 받아 현재 시간을 연산하는 단말기RTC를 포함하는 IoT 단말기를 포함한다.

Description

NB-IoT망을 이용한 IoT 시스템 및 이의 시간 동기화 방법{IoT SYSTEM USING NB-IoT NETWORK AND ITS TIME SYNCHRONIZATION METHOD}

본 발명은 NB-IoT망을 이용한 IoT 시스템 및 이의 시간 동기화 방법에 관한 것이다.

NB-IoT(협대역 사물 인터넷, NarrowBand-Internet of things)는 3GPP Rel.13에서 정의한 저전력광역통신기술(LPWA; Low Power Wide Area) 기술이다.

LTE 이동통신 주파수를 활용하여 IoT단말기의 간단한 센서데이터 정보를 IoT서버에 전송하는데 적합하다. NB-IoT 서비스망은 기존 LTE 서비스망의 소프트웨어 업그레이드를 통하여 제공 가능한데, 기존 이동통신사업자가 부여 받은 주파수 대역을 이용하여 구현하며, 저속데이터 전송기술이므로 통신사업자가 부여 받은 주파수 대역에서 200Khz의 주파수를 할당하여 IoT서비스망을 구성한다.

NB-IoT는 기지국(eNodeB)에 연결된 많은 수의 단말기(UE)들이 저속의 데이터 전송 대역을 공유하여 사용 할 수 있도록 단말기가 데이터를 전송하는 시점을 조정한다.

단말기에서 데이터 송신하는 경우 RACH(Random Access Channel)을 이용하여 eNodeB에 전송요청을 하면 eNodeB는 해당 단말기로 시간 및 주파수 할당하는 Scheduling Grant를 보내고, 이에 따라 단말기가 데이터를 전송한다.

단말기가 데이터를 수신하는 경우에는 eNodeB에서 페이징 메시지를 보낸 후 데이터를 전송하는데, IoT단말기의 경우 배터리 전원을 절약하기 위하여 단말기가 Sleep Mode 상태에 있을 수도 있으므로 데이터가 제대로 전달되지 않을 수도 있으며, 이 경우 계속해서 재전송이 이루어진다.

이에 따라, NB-IoT서비스망에서는 연결된 IoT단말기의 수, 전송하여야 하는 데이터의 크기, 재전송 횟수에 따라 전송지연에 편차가 발생하며, NB-IoT 주파수를 기존 LTE 주파수에 어떻게 배치하였는지에 따라서도 편차가 다르게 발생한다.

최근 NB-IoT 서비스가 상용화되면서 이 기술을 지원하는 단말기들을 이용하여 저렴한 비용으로 사물인터넷망을 구축하고 있는데, 특히 지진, 산사태, 한파 등과 같은 자연재해나 시설물의 노후화에 따라 자연스럽게 발생할 수 있는 시설물의 안전사고를 예방하거나 조기에 감지하기 위하여 IoT 기술을 활용한 시설물안전관리단말기를 사용하고 있다.

시설물의 규모와 중요도에 따라 여러 개의 IoT단말기를 시설물에 부착하여 주기적으로 센서 정보를 수집하고, 이상 징후가 감지되면 실시간으로(비주기적으로) 센서 정보를 수집하는 것이 시설물안전관리시스템의 기능이다.

시설물 안전관리를 위해서는 시설물에 부착된 단말기들이 센서 정보를 읽는 시간을 동기화시키는 것이 중요한데, 시설물에 설치된 모든 단말기는 항상 일정 수준의 진동이나 비틀림을 감지하고 있으므로 각 단말기에서 같은 시점에 수집한 센서 정보, 단말기가 설치된 위치 정보, 해당 시설물에 적용된 내진설계 기준, 해당 시점의 기상상태 등을 비교하고 인근에 설치된 다른 시설물의 센서 정보를 참고하여 시설물의 안전성을 평가 할 수 있다.

인터넷에 연결된 단말기들은 단말기 시간을 동기화하는데 NTP(Network Time Protocol)라는 기술을 이용한다.

NTP는 NTP_Client가 NTP_Server로 NTP_query라는 메시지를 전송하고 NTP_Reply라는 메시지를 수신하여 NTP_Client의 시간을 NTP_Server와 최대한 동기화 하는 절차인데, 최초의 시간 동기화는 5~10분 동안 모두 8번의 시간 메시지 교환을 통하여 이루어지고, 이후에는 10분 간격으로 시간 메시지를 교환하여 시간 동기화를 유지하는 구조이다.

그런데, NB-IoT 서비스에서는 데이터를 전송하는 서비스의 구조가 저속 데이터 전송을 지원하는데 적합하도록 설계되어 있고, 데이터 전송지연도 편차가 크게 발생하므로 NTP를 적용 할 수 없다.

한국공개특허공보 제10-2018-0104608호

본 발명은 IoT 서버가 표준시간정보를 제공하는 NTP 시간서버와 연동하여 표준시간으로 동기화하고, IoT 단말기는 NB-IoT망을 통하여 IoT 서버로부터 시간정보를 수신하여 IoT 서버의 시간정보와 IoT 단말기의 시간정보를 동기화하는 NB-IoT망을 이용한 IoT 시스템 및 이의 시간 동기화 방법을 제공하는 것이다.

즉, NB-IoT 서비스를 이용하는 IoT 단말기들이 NB-IoT서비스의 전송 지연을 고려하여, 최대한 단말기 설정 시간을 동기화하여 단말기에 적용할 수 있도록 하는 NB-IoT망을 이용한 IoT 시스템 및 이의 시간 동기화 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 NB-IoT 서비스를 이용하는 IoT 단말기들은 배터리 전원의 소모량을 최대한 줄이기 위하여 NB-IoT 통신모듈이나 센서를 저전력 모드에서 운용하는 경우가 많으므로 이를 감안하여 설정된 IoT 단말기의 시간과 IoT 서버의 시간이 최대한 동기를 유지하는 NB-IoT망을 이용한 IoT 시스템 및 이의 시간 동기화 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 NB-IoT망을 이용한 IoT 시스템은, NB-IoT 서비스망을 이용하여 센서 정보를 수집하는 시스템으로, 표준시간을 제공하는 NTP 시간서버; 상기 NTP 시간서버로부터 표준시간 정보를 수신하는 NTP(Network Time Protocol) 클라이언트, 및 상기 표준시간 정보를 저장하고 현재시간을 연산하는 서버 RTC를 포함하는 IoT 서버; 및 상기 IoT 서버로부터 시간정보를 전달 받아 현재 시간을 연산하는 단말기RTC를 포함하는 IoT 단말기;를 포함하되, 상기 IoT 서버는 상기 IoT 단말기별로 보정해야 하는 전송지연 보정값, 및 보정주기에 대한 정보를 저장하는 보정DB 및 상기 IoT 단말기에 시간정보를 전달하는 NTP(Network Time Protocol) 서버를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 IoT 단말기는 유심(USIM)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 NTP 시간 서버와 상기 IoT 서버는 시간이 동기화되는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위한 또 다른 본 발명의 NB-IoT망을 이용한 IoT 시스템의 시간 동기화 방법은, IoT 서버가 NTP 시간서버에 시간정보를 요청하여 시간을 동기화하고, 상기 IoT 서버의 서버 RTC에 시간정보를 저장하는 단계; 상기 IoT 서버의 보정 DB에 IoT 단말기별 전송지연 보정값 및 보정주기의 초기값을 설정하는 단계; 상기 IoT 단말기가 전원이 인가되면 NB-IoT 통신모듈을 통해 상기 IoT 서버에 시간정보 요청 메시지를 전달하는 단계; 상기 IoT 서버가 연산하는 현재시간을 포함한 시간정보응답 메시지를 상기 IoT 단말기에 전달하는 단계; 상기 IoT 단말기는 상기 시간정보응답 메시지로 단말기 RTC의 시간정보를 설정하는 단계; 상기 IoT 단말기와 연결된 콘솔은 상기 단말기 RTC의 시간 정보와 상기 서버 RTC 시간정보를 비교하여 발생되는 편차로 상기 보정 DB의 보정값을 갱신하는 단계; 및 상기 보정DB의 보정값이 갱신된 후, 상기 IoT 단말기의 전원을 재인가하여 시간정보를 다시 설정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 IoT 단말기의 현재시간이 상기 IoT 서버의 현재시간과 동기화 될 때까지 계속 반복하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 IoT 단말기는 유심을 구비하며, 유심에 의해 각 IoT 단말기를 구분하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 IoT 서버는 상기 NTP 시간 서버에 기설정된 시간 간격으로 시간정보 요청을 반복하여 시간 동기화를 유지하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 시간정보 응답 메시지는 상기 IoT 서버의 보정 DB에 저장된 상기 IoT 단말기별 전송지연 보정값 및 보정주기 정보가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이,

본 발명은 설치된 여러 개의 다른 IoT 단말기들과 이들을 관리하는 IoT 서버와 시간정보가 동기화됨으로써, 시설물의 진동, 비틀림, 침하 등의 안전관련 센서 정보를 수집하는 시점을 일정하게 할 수 있는 효과가 있다.

특히, 시설물안전관리용 IoT 단말기에 적합하여 시설물안전관리 시스템 구축에 적합한 탁월한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 시설물안전관리 분야 뿐 아니라 NB-IoT 서비스망을 사용하는 다른 유형의 IoT 단말기에도 적용이 가능하여 단말기의 시간을 설정하는 운용 및 유지보수 절차를 자동화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 NB-IoT망을 이용한 IoT 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 NB-IoT망을 이용한 IoT 시스템을 나타낸 상세 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 NB-IoT망을 이용한 IoT 시스템의 시간 동기화 방법을 나타낸 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있으며, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있고, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 NB-IoT망을 이용한 IoT 시스템을 나타낸 도면으로, NB-IoT망을 이용한 IoT시스템은 NTP 시간 서버(100), IoT 단말기(200), 및 IoT 서버(300)를 포함한다.

NTP 시간 서버(100)는 표준시간을 제공한다.

IoT 단말기(200)는 배터리(210), 전원부(220), 센서(230), CPU(240), 단말기RTC(250), UART모듈(260), 및 NB-IoT 통신모듈(270)을 포함하나, 일반적인 구성에 해당하는 배터리(210), 전원부(220), 센서부(230), 및 CPU(240)의 설명은 생략하고, 본 발명의 실시예에 따른 시간 동기화를 위한 구성을 중심으로 설명하도록 한다.

단말기 RTC(250)는 수신한 시간정보를 저장하고, IoT 단말기(200)의 현재 시간을 연산한다. 이때, IoT 단말기(200)의 현재시간은 IoT 서버의 현재시간에 보정값 및 보정주기에 의해 연산된다.

UART 모듈(260)은 Universal Asynchromous Receiver/Transmitter의 약자로 시리얼통신으로 외부의 콘솔(400)을 연결한다.

UART 모듈은(260) 비동기 통신이므로, 콘솔(400)과의 baud rate를 일치 시키는 것이 바람직하다.

NB-IoT 통신모듈(270)은 NB-IoT 통신망(10) 내에서 IoT 서버(300)와 통신하여 데이터를 처리 할 수 있도록 한다.

IoT 서버(300)는 NB-IoT 통신망 내에서 IoT 단말기(200)와 정보를 교환하고, IoT 단말기(200)를 관리하는 서버의 기능을 수행하기 위한 연산장치(CPU), 메모리, 스토리지, 운용체계(OS), 응용프로그램 등과 같은 기본 기능을 구현하고, 본 발명의 실시예에 따른 시간 동기화를 위한 구성은 별도로 NTP 클라이언트(310), NTP서버(320), 서버 RTC(330), 및 보정 DB(340)를 포함한다.

NTP 클라이언트(310)는 NTP 시간서버(100)에서 한국표준시간을 수신한다. NTP 시간서버(100)로부터 한국표준시간 정보를 수신하는 절차는 표준 NTP절차에 따른다.

IoT 서버(300)와 NTP시간서버(100)는 인터넷으로 연결되어 용이하게 동기화할 수 있다.

NTP 서버(320)는 IoT 단말기(200)에 시간정보를 전달한다.

서버 RTC(330)는 NTP 클라이언트(310)에서 수신한 한국표준시간을 저장하고 IoT 서버(300)의 현재시간을 연산한다.

보정DB(340)는 IoT 단말기(200)별로 보정해줘야 하는 전송지연 보정값, 및 보정주기에 대한 정보를 저장한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 NB-IoT망을 이용한 IoT시스템의 시간동기화 방법을 나타낸 흐름도로써, 먼저, IoT 서버(300)가 NTP 시간서버(100)에 시간정보를 요청하여 시간을 동기화하고, IoT 서버(300)의 서버 RTC(330)에 시간정보를 저장한다(S100).

이때, IoT 서버(300)의 NTP 클라이언트(310)에서 NTP 시간서버(100)로부터 한국표준시간 정보를 수신하는 절차는 표준 NTP절차에 따르며, 이는 NTP클라이언트(310)가 한국표준시간 정보를 제공하는 NTP 시간서버(100)로 NTP_query라는 메시지를 전송하고, NTP_Reply라는 메시지를 수신하여 수신된 시간정보를 IoT 서버(300)의 서버 RTC(330)에 저장한다.

즉, 서버 RTC(330)는 내부의 발진자(Oscillator)를 이용하여 IoT 서버(300)의 현재시간을 연산하여 NTP 시간 서버(100)의 현재시간과의 동기를 유지한다.

다시 말해, IoT 서버(300)의 서버 RTC(330)에서 연산한 시간정보는 시간이 경과하면서 실제 표준시간과의 편차가 발생하므로 NTP 클라이언트(310)는 기설정된 시간 간격으로 NTP 시간 서버(100)에서 시간정보를 수신하여 IoT 서버(300)의 시간정보를 갱신하여 동기화를 유지한다.

이어, IoT 서버(300)의 보정 DB(340)에 IoT 단말기(200)별 전송지연 보정값 및 보정주기의 초기값을 설정한다(S200).

NB-IoT 서비스망(10)을 이용하는 IoT 단말기(200)들은 서비스 사업자의 USIM(Universal Subscriber Identify Module) 카드를 장착하여, USIM 정보는 고유정보이므로 이를 통해 각 IoT 단말기(200)를 구분한다.

또한, 보정DB(340)에 기록하는 IoT 단말기(200)의 전송지연 보정값과 보정주기의 초기값은 서비스를 위한 NB-IoT망에 연결된 IoT 단말기(200)들의 평균값을 사용함이 바람직하다.

이어, IoT 단말기(200)에 전원이 인가되면, NB-IoT 통신모듈(270)을 통해 IoT 서버(300)에 시간정보 요청 메시지를 전달한다(S300). 이때, 시간정보 요청 메시지는 {단말기 USIM 정보 + 메시지 Type}의 형태로 구성한다.

이어, IoT 서버(300)가 연산하는 현재시간을 포함한 시간정보응답 메시지를 IoT 단말기(200)에 전달한다(S400).

이때, 시간정보응답 메시지는 {IoT 단말기 USIM 정보 + IoT 서버의 현재시간(yyyymmdd + hh,mm.ss) + 전송지연 보정값 + 보정주기}로 구성한다. 즉, 보정 DB 에 저장된 정보를 포함한다.

여기서, 현재시간을 나타낸 정보는 타입은 변경될 수 있음이 바람직하다.

이어, IoT 단말기(200)는 시간정보응답 메시지로 단말기 RTC(250)의 시간정보를 설정한다(S500).

더욱 바람직하게는 수신한 메시지에 포함된 정보 중 IoT 서버(300)의 현재시간에 보정값을 더한 시간정보를 단말기 RTC(250)에 저장하여 IoT 단말기(200)의 시간을 설정한다.

이와 같이, IoT 단말기(200)의 시간이 설정되면 다음과 같은 단계를 거친다.

이어, IoT 단말기(200)와 연결된 콘솔(400)을 통해 IoT 단말기(200)의 현재시간을 확인하여 IoT 서버(300)의 현재시간과 비교한다.

즉, 단말기 RTC(250)의 시간 정보와 서버 RTC(330) 시간정보를 비교하여 발생되는 편차로 보정 DB(340)의 보정값을 갱신한다(S600).

마지막으로, 보정 DB(340)의 보정값이 갱신된 후, IoT 단말기(200)의 전원을 재인가하여 시간정보를 다시 설정한다(S700).

이때, IoT 단말기(200)의 현재시간이 IoT 서버(300)의 현재시간과 동기화 될 때까지 계속 반복한다.

따라서, 본 발명은 설치된 여러 개의 다른 IoT 단말기들과 이들을 관리하는 IoT 서버와 시간정보가 동기화됨으로써, 시설물의 진동, 비틀림, 침하 등의 안전관련 센서 정보를 수집하는 시점을 일정하게 할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10...NB-IoT망
100...NTP시간서버
200...IoT 단말기
210...배터리
220...전원부
230...센서
240...CPU
250...단말기 RTC
260...UART 모듈
270...NB-IoT 통신모듈
300...IoT 서버
310...NTP 클라이언트
320...NTP 서버
330...서버 RTC
340...보정DB
400...콘솔(Console)

Claims

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NB-IoT 서비스망을 이용하는 IoT 시스템의 시간 동기화 방법에 있어서,
IoT 서버가 NTP 시간서버에 시간정보를 요청하여 시간을 동기화하고, 상기 IoT 서버의 서버 RTC에 시간정보를 저장하는 단계;
상기 IoT 서버의 보정 DB에 IoT 단말기별 전송지연 보정값 및 보정주기의 초기값을 설정하는 단계;
상기 IoT 단말기가 전원이 인가되면 NB-IoT 통신모듈을 통해 상기 IoT 서버에 시간정보 요청 메시지를 전달하는 단계;
상기 IoT 서버가 연산하는 현재시간을 포함한 시간정보응답 메시지를 상기 IoT 단말기에 전달하는 단계;
상기 IoT 단말기는 상기 시간정보응답 메시지로 단말기 RTC의 시간정보를 설정하는 단계;
상기 IoT 단말기와 연결된 콘솔은 상기 단말기 RTC의 시간 정보와 상기 서버 RTC 시간정보를 비교하여 발생되는 편차로 상기 보정 DB의 보정값을 갱신하는 단계; 및
상기 보정DB의 보정값이 갱신된 후, 상기 IoT 단말기의 전원을 재인가하여 시간정보를 다시 설정하는 단계;를 포함하고,
상기 IoT 서버는 상기 NTP 시간 서버에 기설정된 시간 간격으로 시간정보 요청을 반복하여 시간 동기화를 유지하고, 상기 시간정보 응답 메시지는 상기 IoT 서버의 보정 DB에 저장된 상기 IoT 단말기별 전송지연 보정값 및 보정주기 정보를 더 포함하며,
상기 시간정보 요청 메시지는 단말기 USIM 정보 + 메시지 Type의 형태로 이루어지고, 상기 시간정보응답 메시지는 IoT 단말기 USIM 정보 + IoT 서버의 현재시간(yyyymmdd + hh,mm.ss) + 전송지연 보정값 + 보정주기를 포함하는 것을 특징으로 하는 NB-IoT망을 이용한 IoT 시스템의 시간 동기화 방법.
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