KR102171292B1

KR102171292B1 - Method and system for communication between sensor nodes of battery-free

Info

Publication number: KR102171292B1
Application number: KR1020180170579A
Authority: KR
Inventors: 김동인; 심이삭; 황유민; 김진영
Original assignee: 성균관대학교 산학협력단
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-10-28
Also published as: KR20200080777A

Abstract

본 발명은 무전지 센서노드간 통신 방법 및 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 무전지 센서노드간 통신 방법은, 무전지(battery-free)의 제1 센서노드와 제2 센서노드간 통신 방법에 있어서, 상기 제1 센서노드가 신호 발생기로부터의 신호와 제2 센서노드로부터의 신호 간의 진폭 차가 포함된 피드백 신호를 수신하는 단계, 상기 제1 센서노드가 상기 진폭 차를 기 설정된 임계값과 비교하여, 위상 소거 발생 여부를 판단하는 단계, 상기 제1 센서노드는, 위상 소거가 발생한 경우, 위상 지연 값을 산출하는 단계, 상기 제1 센서노는 상기 위상 지연 값만큼 지연시킨 후, 상기 제2 센서노드로 신호를 송신하는 단계를 포함한다. The present invention relates to a communication method and system between batteryless sensor nodes, and the communication method between batteryless sensor nodes according to an embodiment of the present invention includes a battery-free first sensor node and a second sensor node. In the intercommunication method, the first sensor node receiving a feedback signal including an amplitude difference between a signal from a signal generator and a signal from a second sensor node, wherein the first sensor node sets the amplitude difference to a preset threshold Comparing with a value, determining whether or not phase erasure occurs, the first sensor node, when the phase erasure occurs, calculating a phase delay value, the first sensor node delays by the phase delay value, and the And transmitting a signal to the second sensor node.

Description

Communication method and system between batteryless sensor nodes {METHOD AND SYSTEM FOR COMMUNICATION BETWEEN SENSOR NODES OF BATTERY-FREE}

본 발명은 무전지 센서노드간 통신 방법 및 시스템에 관한 것으로, 무전지 센서노드간 통신 시스템에서 위상 소거 문제를 극복하고, 데이터 전송률 증대 및 무선 에너지 하비스팅 수행 능력을 개선시킬 수 있는 무전지 센서노드간 통신 방법 및 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a method and system for communication between batteryless sensor nodes, and a batteryless sensor node capable of overcoming a phase cancellation problem in a communication system between batteryless sensor nodes, increasing a data transmission rate, and improving wireless energy harvesting performance. It relates to a method and system for communication between.

현대를 살아가는 많은 사람들에게 휴대용 디지털 통신기기들은 하나의 필수 요소가 되었다. 소비자들은 언제 어디서나 자신이 원하는 다양한 고품질의 서비스를 제공받고 싶어한다. 뿐만 아니라 최근 IoT(Internet of Things) 기술로 인하여 우리 생활 속에 존재하는 각종 센서, 가전기기, 통신기기 등은 하나로 네트워크화 되고 있다.For many people living in the modern world, portable digital communication devices have become an essential element. Consumers want to be provided with a variety of high-quality services they want anytime, anywhere. In addition, due to the recent IoT (Internet of Things) technology, various sensors, home appliances, and communication devices that exist in our daily life are becoming one network.

이러한 각종 센서들 중 태그 간 통신 시스템에서 송신 태그는 Carrier Emitter로부터의 신호를 수신하면 이를 변조와 함께 반사함으로서(후방 산란 변조) 정보를 송신한다. 그런데 수신 태그에서 수신된 신호는 Carrier Emitter 및 송신 태그에 의해 송신된 신호와 중첩되기 때문에 신호의 크기에 상쇄를 일으켜 포락선 검출기(Envelope Dector)에서의 복조에서 복조 오류를 일으키는 문제, 즉, 위상 소거(phase cancellation) 문제가 발생한다. Among these various sensors, in an inter-tag communication system, when a transmission tag receives a signal from a carrier emitter, it modulates it and reflects it (backscatter modulation) to transmit information. However, since the signal received from the receiving tag overlaps with the signal transmitted by the Carrier Emitter and the transmitting tag, it cancels the size of the signal and causes a demodulation error in demodulation in the envelope detector, that is, phase cancellation ( phase cancellation) problem occurs.

이러한 위상 소거 문제는 모든 태그 간 통신 시스템에 존재하며, 신뢰성 및 통신 범위에 큰 영향을 미치기 때문에, 태그 간 통신 시스템에서 위상 소거 문제를 해결할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다. Since such a phase erase problem exists in all inter-tag communication systems and has a great influence on reliability and communication range, there is a need for technology development capable of solving the phase erase problem in an inter-tag communication system.

이와 관련 선행기술로는 대한민국공개특허 제10-2016-0036279호(발명의 명칭: 주파수 공유 인지 무선 네트워크에서 이차 사용자의 중계기가 에너지 하베스팅하여 이차 사용자의 정보를 중계하는 시스템)가 있다.As a related prior art, there is Korean Patent Application Publication No. 10-2016-0036279 (name of the invention: a system in which a repeater of a secondary user harvests energy in a frequency-sharing aware wireless network to relay information of a secondary user).

본 발명의 목적은 위상 소거 문제를 극복하고 태그 간 통신 네트워크에서의 데이터 전송률 증대, 무선 에너지 하비스팅 수행 능력 개선을 위한 무전지 센서노드간 통신 방법 및 시스템을 제공하는데 있다. It is an object of the present invention to provide a communication method and system between batteryless sensor nodes for overcoming a phase cancellation problem, increasing a data transmission rate in a communication network between tags, and improving wireless energy harvesting performance.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the problem(s) mentioned above, and another problem(s) not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 무전지 센서노드간 통신 방법은, 무전지(battery-free)의 제1 센서노드와 제2 센서노드간 통신 방법에 있어서, 상기 제1 센서노드가 신호 발생기로부터의 신호와 제2 센서노드로부터의 신호 간의 진폭 차가 포함된 피드백 신호를 수신하는 단계, 상기 제1 센서노드가 상기 진폭 차를 기 설정된 임계값과 비교하여, 위상 소거 발생 여부를 판단하는 단계, 상기 제1 센서노드는, 위상 소거가 발생한 경우, 위상 지연 값을 산출하는 단계, 상기 제1 센서노는 상기 위상 지연 값만큼 지연시킨 후, 상기 제2 센서노드로 신호를 송신하는 단계를 포함한다. In the communication method between batteryless sensor nodes according to an embodiment of the present invention, in the communication method between a battery-free first sensor node and a second sensor node, the first sensor node Receiving a feedback signal including an amplitude difference between the signal and the signal from the second sensor node, the first sensor node comparing the amplitude difference with a preset threshold to determine whether or not phase cancellation has occurred, the second The first sensor node includes calculating a phase delay value when phase cancellation occurs, and transmitting a signal to the second sensor node after delaying the first sensor node by the phase delay value.

바람직하게는, 상기 피드백 신호를 수신하는 단계 이전에, 상기 제1 센서노드는 상기 신호 발생기가 브로드캐스팅한 무선신호를 에너지 하비스팅하여 전력을 충전하고, 상기 충전된 전력으로 후방산란 신호를 변조하여, 제2 센서노드로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다. Preferably, before the step of receiving the feedback signal, the first sensor node charges power by energy harvesting the radio signal broadcast by the signal generator, and modulates the backscatter signal with the charged power. , It may further include transmitting to the second sensor node.

바람직하게는, 상기 위상 지연 값은 위상 지연 시간(t^d)이고, 아래 기재된 수학식으로 산출할 수 있다. Preferably, the phase delay value is a phase delay time (t ^d ), and can be calculated by the equation described below.

[수학식][Equation]

여기서, f는 전송된 신호의 중심 주파수, n은 자연수,

는 센서노드의 다른 하드웨어에 의해 유도되는 위상 변화로 기 설정된 값임.Where f is the center frequency of the transmitted signal, n is a natural number,

Is a preset value as the phase change induced by other hardware of the sensor node.

본 발명의 다른 실시예에 따른 무전지 센서노드간 통신 방법은, 무전지(battery-free)의 제1 센서노드와 제2 센서노드간 통신 방법에 있어서, 상기 제2 센서노드는 신호 발생기로부터 브로드캐스팅된 무선신호와 제2 센서로부터 전송된 후방산란 변조 신호를 수신하는 단계, 상기 제2 센서노드는, 상기 무선신호와 상기 후방산란 변조 신호간의 진폭의 차를 산출하는 단계, 상기 제2 센서노드는 상기 진폭의 차를 포함하는 피드백 신호를 상기 제2 센서노드로 전송하는 단계를 포함한다. A communication method between batteryless sensor nodes according to another embodiment of the present invention is a battery-free communication method between a first sensor node and a second sensor node, wherein the second sensor node is broadcast from a signal generator. Receiving a casted radio signal and a backscatter modulated signal transmitted from a second sensor, the second sensor node, calculating a difference in amplitude between the radio signal and the backscatter modulated signal, the second sensor node And transmitting a feedback signal including the difference in amplitude to the second sensor node.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무전지 센서노드간 통신 방법은, 무전지(battery-free)의 제1 센서노드와 제2 센서노드간 통신 방법에 있어서, 상기 제1 센서노드는 신호 발생기가 브로드캐스팅한 무선신호를 에너지 하비스팅하여 전력을 충전하고, 상기 충전된 전력으로 후방산란 신호를 변조하여, 제2 센서노드로 전송하는 단계, 상기 제2 센서노드는 상기 신호 발생기로부터 브로드캐스팅된 무선신호와 제2 센서로부터 전송된 후방산란 변조 신호간의 진폭의 차를 산출하고, 진폭 차를 포함하는 피드백 신호를 상기 제1 센서노드로 전송하는 단계, 상기 제1 센서노드는 상기 진폭 차를 기 설정된 임계값과 비교하여, 위상 소거 발생 여부를 판단하는 단계, 상기 제1 센서노드는, 위상 소거가 발생한 경우, 위상 지연 값을 산출하고, 상기 위상 지연 값만큼 지연시킨 후, 상기 제2 센서노드로 신호를 송신하는 단계를 포함한다. In a communication method between batteryless sensor nodes according to another embodiment of the present invention, in a communication method between a battery-free first sensor node and a second sensor node, the first sensor node includes a signal generator. Energy harvesting of the broadcasted wireless signal to charge power, modulating the backscattered signal with the charged power, and transmitting the backscattered signal to a second sensor node, the second sensor node is a wireless broadcast from the signal generator Calculating a difference in amplitude between the signal and the backscatter modulated signal transmitted from the second sensor, and transmitting a feedback signal including the amplitude difference to the first sensor node, the first sensor node presetting the amplitude difference Comparing with a threshold value, determining whether or not phase erasure occurs, the first sensor node calculates a phase delay value when the phase erasure occurs, delays by the phase delay value, and returns to the second sensor node. And transmitting a signal.

본 발명의 다른 실시예에 따른 무전지 센서노드는 외부 장치로부터 송출되는 무선신호를 에너지 하비스팅하여 에너지를 축적하는 무전지(battery-free)의 센서노드에 있어서, 상기 축적된 에너지로 후방산란 신호를 변조하여 다른 무전지의 센서노드로 전송하는 변조부, 상기 다른 무전지의 센서노드로부터 상기 무선신호와 상기 후방산란 변조 신호 간의 진폭 차를 포함하는 피드백 신호가 수신된 경우, 상기 진폭 차를 기 설정된 임계값과 비교하여, 위상 소거 발생 여부를 판단하고, 위상 소거가 발생한 경우, 위상 지연 값을 산출하는 MCU, 상기 위상 지연 값만큼 지연시킨 후, 상기 다른 무전지의 센서노드로 신호를 송신하는 위상 지연부를 포함한다. In the battery-free sensor node according to another embodiment of the present invention, in a battery-free sensor node that accumulates energy by energy harvesting a wireless signal transmitted from an external device, a backscattering signal using the accumulated energy When a feedback signal including an amplitude difference between the radio signal and the backscatter modulated signal is received from a modulator that modulates and transmits it to another batteryless sensor node, the amplitude difference is calculated from the other batteryless sensor node. Comparing with a set threshold value, determining whether or not phase erasing occurs, and when the phase erasing occurs, an MCU that calculates a phase delay value, delaying by the phase delay value, and then transmitting a signal to the sensor node of the other batteryless It includes a phase delay unit.

바람직하게는, 상기 센서노드가 상기 센서노드로부터 신호를 수신하는 수신측으로 동작하는 경우, 상기 다른 무전지의 센서노드로부터 전송된 신호를 복조하는 복조부를 더 포함하고, 상기 MCU는 상기 무선신호와 상기 후방산란 변조 신호간의 진폭의 차를 산출하고, 상기 진폭 차를 포함하는 피드백 신호를 상기 센서노드로 전송할 수 있다. Preferably, when the sensor node operates as a receiving side receiving a signal from the sensor node, further comprising a demodulation unit for demodulating the signal transmitted from the sensor node of the other batteryless, the MCU comprises the radio signal and the A difference in amplitude between the backscatter modulated signals may be calculated and a feedback signal including the amplitude difference may be transmitted to the sensor node.

본 발명에 따르면, 위상 소거 문제를 완화하기 위해 최적의 위상 값을 수학적으로 도출하고, 최적의 위상을 현실적으로 구현할 수 있는 알고리즘을 제시함으로써, 태그 간 통신 네트워크의 데이터 전송률 및 무선 에너지 하비스팅 속도를 개선시킬 수 있다. According to the present invention, in order to alleviate the phase cancellation problem, by mathematically deriving an optimal phase value and presenting an algorithm that can realistically implement the optimal phase, the data transmission rate of the communication network between tags and the wireless energy harvesting speed are improved. I can make it.

한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다. Meanwhile, the effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and various effects may be included within a range that is apparent to a person skilled in the art from the contents to be described below.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 소거가 가능한 무전지 센서노드간 통신 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 소거 페이저 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정보 신호를 수신한 경우, 위상차의 최적 값을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른 에너지 하베스팅 신호를 수신한 경우, 위상차의 최적 값을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 센서노드가 최대 진폭 효율로 신호를 전송하는 페이저 다이어그램을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 지연부의 여부에 따른 수신 신호의 진폭을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 변화 제어(Phase Rotation Control (PRC)) 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 회전 제어 알고리즘이 시간과 각 태그에서 어떻게 작동하는지 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서노드의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서노드간 통신 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 태그가 정보신호를 전송한 경우, 수신 신호의 진폭 차를 시뮬레이션 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 PRC 알고리즘을 적용 여부에 따른 수신 신호의 진폭의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 1 is a diagram illustrating a communication system between batteryless sensor nodes capable of phase erasing according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a phase cancellation phasor diagram according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram for describing a method of calculating an optimum value of a phase difference when an information signal is received according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a method of calculating an optimum value of a phase difference when an energy harvesting signal is received according to an embodiment of the present invention.
5 shows a phasor diagram in which a first sensor node transmits a signal with maximum amplitude efficiency according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph for explaining the amplitude of a received signal according to the presence or absence of a phase delay unit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram for describing a phase rotation control (PRC) method according to an embodiment of the present invention.
8 is a phase rotation control according to an embodiment of the present invention This is a diagram showing how the algorithm works with time and each tag.
9 is a block diagram illustrating a configuration of a sensor node according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram illustrating a communication method between sensor nodes according to an embodiment of the present invention.
11 is a simulation graph of a difference in amplitude of a received signal when a tag according to an embodiment of the present invention transmits an information signal.
12 is a graph showing a simulation result of the amplitude of a received signal according to whether or not a PRC algorithm is applied according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.In the present invention, various modifications may be made and various embodiments may be provided, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, and it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each drawing, similar reference numerals have been used for similar elements.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수개의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수개의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. These terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element. The term and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. Should be. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in the middle.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수개의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms, including technical and scientific terms, used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this application. Does not.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 소거가 가능한 무전지 센서노드간 통신 시스템을 설명하기 위한 도면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 소거 페이저 다이어그램을 나타낸 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정보 신호를 수신한 경우, 위상차의 최적 값을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면, 도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른 에너지 하베스팅 신호를 수신한 경우, 위상차의 최적 값을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 센서노드가 최대 진폭 효율로 신호를 전송하는 페이저 다이어그램, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 지연부의 여부에 따른 수신 신호의 진폭을 설명하기 위한 그래프이다. 1 is a view for explaining a communication system between batteryless sensor nodes capable of phase erasing according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view showing a phase erasing phasor diagram according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is A diagram for explaining a method of calculating an optimum value of a phase difference when an information signal according to an embodiment of the present invention is received. FIG. 4 is a phase difference when an energy harvesting signal according to an embodiment of the present invention is received. Figure 5 is a diagram for explaining a method of calculating an optimum value of, FIG. 5 is a phasor diagram in which a first sensor node transmits a signal with maximum amplitude efficiency according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention. This is a graph for explaining the amplitude of the received signal depending on whether or not the phase delay unit is present.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 소거가 가능한 무전지 센서노드간 통신 시스템은 신호 발생기(100), 제1 센서노드(200a), 제2 센서노드(200b)를 포함한다. Referring to FIG. 1, a communication system between batteryless sensor nodes capable of phase cancellation according to an embodiment of the present invention includes a signal generator 100, a first sensor node 200a, and a second sensor node 200b. .

신호 발생기(100)는 정보 없는 무선 신호를 브로드캐스팅하여 송출할 수 있다. The signal generator 100 may broadcast and transmit a radio signal without information.

제1 센서 노드(200a) 및 제2 센서 노드(200b)는 별도의 전원 공급 장치(배터리)가 존재하지 않는 무전지(battery-free)의 장치로, 신호 발생기(100)로부터 무선 신호를 수신하여 이를 에너지 하베스팅(energy harvesting), 즉 수신된 무선 신호를 이용하여 소량의 에너지를 충전하여 동작할 수 있는 장치를 의미한다. The first sensor node 200a and the second sensor node 200b are battery-free devices that do not have a separate power supply (battery), and receive wireless signals from the signal generator 100 This refers to energy harvesting, that is, a device capable of operating by charging a small amount of energy using a received radio signal.

구체적으로, 센서 노드(200)는 신호 발생기(100)로부터 송출되는 무선 신호를 흡수하거나 반사할 수 있으며, 수신한 RF 신호를 이용하여 후방산란 통신 기법으로 정보를 전달할 수 있다. 즉, 센서 노드(200)는 비활성 상태(Idle State)에서는 신호 발생기(100)로부터 송출되는 RF 신호를 에너지 하비스팅하여 에너지를 축적하고, 충분한 양의 에너지가 모이게 되면, 활성 상태(Active State)로 전환되어 후방산란 신호를 변조하여 제2 센서노드로 송신한다. Specifically, the sensor node 200 may absorb or reflect a wireless signal transmitted from the signal generator 100, and may transmit information using the received RF signal through a backscatter communication technique. That is, the sensor node 200 accumulates energy by energy harvesting the RF signal transmitted from the signal generator 100 in the idle state, and when a sufficient amount of energy is collected, the sensor node 200 becomes an active state. It is converted to modulate the backscattered signal and transmits it to the second sensor node.

즉, 센서 노드(200)는 신호 발생기(100)로부터 무선 신호를 수신하여 이를 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)에 이용한다. 여기서 에너지 하베스팅이란 배터리를 포함하지 않는 센서 노드(200)가 수신된 전파를 이용하여 소량의 에너지를 충전하는 기술을 의미한다. 신호 발생기(100)로부터 브로드캐스팅된 무선 신호는 센서 노드(200)에서는 인식할 수 없는 신호로서, 센서 노드(200)는 신호 발생기(100)에서 전송된 무선 신호를 충전용으로 사용한다. 그리고, 센서노드(200)는 충분한 양의 에너지가 모이게 되면, 후방산란 신호를 변조하여 송신한다. That is, the sensor node 200 receives a wireless signal from the signal generator 100 and uses it for energy harvesting. Here, energy harvesting refers to a technology in which the sensor node 200 that does not include a battery charges a small amount of energy using the received radio waves. The wireless signal broadcast from the signal generator 100 is a signal that cannot be recognized by the sensor node 200, and the sensor node 200 uses the wireless signal transmitted from the signal generator 100 for charging. In addition, when a sufficient amount of energy is collected, the sensor node 200 modulates and transmits a backscatter signal.

상술한 바와 같이 센서노드(200)는 신호 발생기(100)로부터 송출된 신호를 이용하여 에너지 하비스팅 하거나 후방산란을 위한 반송파로 활용할 수 있다.As described above, the sensor node 200 may use a signal transmitted from the signal generator 100 to harvest energy or use it as a carrier for backscattering.

이러한 센서 노드(200)는 태그, 초소형 센서 장치 또는 IoT 장치 또는 웨어러블 디바이스와 같이 전원 공급이 어려운 초소형 장치 혹은 휴대형 장치일 수 있다. 바람직하게는 센서 노드(200)는 수동형으로서 무전력 센서 노드이고, 태그 형태로 구현될 수 있으며, 태그 등과 같이 별도의 전원 공급 장치(배터리)가 존재하지 않는 무(無) 전지의 수동형 태그(Passive Tag)일 수 있다.The sensor node 200 may be a tag, a micro sensor device, an IoT device, or a micro device or a portable device that is difficult to supply power such as a wearable device. Preferably, the sensor node 200 is a passive type, a powerless sensor node, and may be implemented in the form of a tag, and a passive tag of a non-battery without a separate power supply (battery) such as a tag, etc. Tag).

이하에서는 설명의 편의를 위해, 신호 발생기(100)로부터의 무선신호를 반사시켜 후방산란으로 정보를 전송하는 센서노드를 제1 센서노드(200a), 후방산란된 신호를 수신하는 센서 노드를 제2 센서노드(200b)로 칭하여 설명하기로 한다. Hereinafter, for convenience of description, a sensor node that reflects a wireless signal from the signal generator 100 and transmits information through backscattering is referred to as a first sensor node 200a, and a sensor node that receives the backscattered signal is referred to as a second. It will be referred to as the sensor node 200b and described.

제1 센서노드(200a)는 신호 발생기(100)로부터 수신되는 무선 신호를 복조하는 능력이 없지만 무선 신호를 반사시키는 백스캐터링(backscattering; 후방 산란) 기술을 이용하여 자신의 정보를 제2 센서 노드(200b)로 전달할 수 있다. 백스캐터 기술은 안테나의 반사량 조절을 이용한다. 예를 들어, 제1 센서노드(200a)가 제2 센서노드(200b)에 전송할 정보(비트)가 '1'일 때는 무선 신호를 높은 레벨(크기)로 변조하여 반사시키고 '0'일 때는 낮은 레벨로 변조하는 방법으로 데이터를 전송한다. 이때, 제1 센서노드는 ASK, PSK 등의 다양한 변조 방식을 이용하여 후방 산란 신호를 변조할 수 있다.The first sensor node 200a does not have the ability to demodulate the radio signal received from the signal generator 100, but uses a backscattering technology to reflect the radio signal to transmit its information to the second sensor node ( 200b). Backscatter technology uses the adjustment of the reflection amount of the antenna. For example, when the information (bit) to be transmitted from the first sensor node 200a to the second sensor node 200b is '1', the radio signal is modulated and reflected at a high level (magnitude). Data is transmitted by modulating the level. In this case, the first sensor node may modulate the backscattered signal using various modulation methods such as ASK and PSK.

제1 센서노드(200a)는 제2 센서노드(200b)로 정보를 전송하고자 할 때, 현재 신호 발생기(100)로부터 수신되고 있는 무선 신호에 자신의 정보 비트를 실어 백스캐터 방식으로 전송한다. When the first sensor node 200a wants to transmit information to the second sensor node 200b, the first sensor node 200a carries its own information bit on the wireless signal currently received from the signal generator 100 and transmits it in a backscatter method.

제2 센서노드(200b)는 신호 발생기(100로부터 전송된 무선신호와 제1 센서노드(200a)로부터 전송된 후방산란변조 신호를 수신하고, 수신된 신호를 복조한다. The second sensor node 200b receives the radio signal transmitted from the signal generator 100 and the backscatter modulated signal transmitted from the first sensor node 200a, and demodulates the received signal.

한편, 제2 센서노드

(200b)이 신호 발생기(Carrier Emitter)(100)와 제1 센서노드

(200a)로부터의 신호 둘 다를 동시에 수신하면, 두 신호의 진폭이 서로 상쇄 간섭하여 복조를 수행할때 오류가 발생할 수 있다. 이러한 오류 발생 문제를 위상 소거(phase cancellation) 문제라 칭할 수 있다. 데이터 복조는 제2 센서노드

(200b)의 포락선 검출기(Envelope Detector)를 통해 수행하는데, 위상 소거 문제가 발생하면 수신 신호가 0인지 1인지 구분할 수 없는 통신이 불가한 상태에 이르게 될 수 있다. Meanwhile, the second sensor node

(200b) This signal generator (Carrier Emitter) 100 and the first sensor node

When both signals from (200a) are received at the same time, the amplitudes of the two signals interfere with each other, and an error may occur when demodulation is performed. This error occurrence problem may be referred to as a phase cancellation problem. Data demodulation is the second sensor node

It is performed through the envelope detector of (200b), and if a phase cancellation problem occurs, communication in which it is impossible to distinguish whether the received signal is 0 or 1 may become impossible.

이러한 위상 소거(Phase Cancellation) 문제에 대해 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다. 도 2에 도시된 위상 소거 페이저 다이어그램은 위상 소거를 갖는 제2 센서노드

(200b)에서 수신된 신호를 도시한다. 진폭

및

은 신호 발생기로부터 수신된 신호와 제1 센서노드

(200a)로부터 수신된 후방 산란 변조 신호의 벡터를 더함으로써 얻어질 수 있다. This phase cancellation problem will be described in detail with reference to FIG. 2. The phase cancellation phasor diagram shown in FIG. 2 is a second sensor node having phase cancellation.

It shows the signal received at (200b). amplitude

And

Is the signal received from the signal generator and the first sensor node

It can be obtained by adding the vector of the backscattered modulated signal received from (200a).

구체적으로, 제2 센서노드

(200b)에서는 제1 센서노드

(200a)와 신호 발생기(100)로부터 방사된 신호를 수신하는데, 각각은 위상과 진폭을 갖는다. 제1 센서노드

(200a)로부터 방사된 신호의 위상과 진폭은 각각

, {

,

}일 수 있고,

과

은 ASK 변조된 진폭이며 각각은 0 비트, 1 비트를 의미한다. 신호 발생기(100)로부터의 신호의 위상과 진폭은

,

이며, 변조되지 않은 신호를 송출한다.

과

는 제2 센서노드

(200b)가 제1 센서노드

(200a)와 신호 발생기(100)로부터 수신한 신호들의 벡터합에 대한 진폭이다. 상술한 파라미터들의 관계는 도 2에서 확인할 수 있다. 위상 소거 문제가 발생하는 경우는 진폭

과

가 동일하거나 거의 비슷해서 구분할 수 없는 경우이다. 진폭

,

는 후술할 수학식 4 및 수학식 5에 포함된 다양한 파라미터의 영향을 받는다. Specifically, the second sensor node

In (200b), the first sensor node

Receives signals radiated from 200a and signal generator 100, each of which has a phase and an amplitude. First sensor node

The phase and amplitude of the signal radiated from (200a) are respectively

, {

,

} Can be,

and

Is the ASK modulated amplitude, and each means 0 bit and 1 bit. The phase and amplitude of the signal from the signal generator 100 are

,

And transmits an unmodulated signal.

and

Is the second sensor node

(200b) is the first sensor node

It is the amplitude of the vector sum of the signals received from (200a) and the signal generator 100. The relationship between the above-described parameters can be confirmed in FIG. 2. Amplitude if phase cancellation problem occurs

and

Is the same or almost similar, so it cannot be distinguished. amplitude

,

Is affected by various parameters included in Equations 4 and 5 to be described later.

제2 센서노드(200b)가 신호 발생기(100)로부터 수신한 신호의 위상은 아래 수학식 1로 표현할 수 있다. The phase of the signal received from the signal generator 100 by the second sensor node 200b may be expressed by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

제2 센서노드(200b)가 제1 센서노드(200a)로부터 수신한 신호의 위상은 아래 수학식 2로 표현할 수 있다. The phase of the signal received by the second sensor node 200b from the first sensor node 200a may be expressed by Equation 2 below.

[수학식 2] [Equation 2]

여기서,

는 제1 센서노드

(200a)에서 반사된 신호와 신호 발생기에서 발생된 무선신호의 위상차, f는 전송된 신호의 중심 주파수,

는 후방 산란 하드웨어에 의해 도입되는 위상차일 수 있다. here,

Is the first sensor node

The phase difference between the signal reflected from (200a) and the radio signal generated from the signal generator, f is the center frequency of the transmitted signal,

May be the phase difference introduced by the backscattering hardware.

제1 센서노드

(200a)에서 반사된 신호와 신호 발생기(100)에서 발생된 무선신호 간의 상대 위상차

는 수학식 1과 수학식 2를 이용한 아래 수학식 3과 같이 정의할 수 있다. First sensor node

Relative phase difference between the signal reflected from 200a and the wireless signal generated from the signal generator 100

Can be defined as in Equation 3 below using

Equations

1 and 2.

[수학식 3][Equation 3]

및

은 두 개의 심볼에서 제2 센서노드의 포락선 검출기에 의해 검출되는 신호의 진폭을 나타내고, 아래 수학식 4 및 5와 같이 나타낼 수 있다.

And

Denotes the amplitude of the signal detected by the envelope detector of the second sensor node in two symbols, and can be expressed as Equations 4 and 5 below.

[수학식 4][Equation 4]

[수학식 5][Equation 5]

한편, 위상 소거는

과 같은 경우에 발생한다.이 경우 제2 센서노드

(200b)는 제1 센서노드(200a)에서 전송된 신호를 복조할 수 없다. 따라서, 수학식 4 및 수학식 5로부터 아래 기재된 수학식 6이 적용될 때, 위상 소거가 발생한다고 결정할 수 있다. Meanwhile, the phase cancellation

Occurs in the same case as: In this case, the second sensor node

(200b) cannot demodulate the signal transmitted from the first sensor node 200a. Accordingly, when Equation 6 described below is applied from Equation 4 and Equation 5, it can be determined that phase cancellation occurs.

[수학식 6][Equation 6]

수학식 6과 같이 위상 소거가 발생하면, 상기와 같이 파라미터 중에서 위상 차

를 변화시켜 위상 소거 문제를 해결할 수 있다. 즉, 위상 변화 제어(PRC: phase rotation control)를 통해 위상 소거 문제를 해결할 수 있다. 위상 변화 제어는 정보 신호(Information Signal)를 수신할 경우와 하비스팅 신호를 수신할 경우에 따라 위상차

의 최적 값을 산출하는 방법에 차이가 있다. When the phase cancellation occurs as in Equation 6, the phase difference among the parameters as above

The phase cancellation problem can be solved by changing. That is, the phase cancellation problem can be solved through phase rotation control (PRC). Phase change control is a phase difference depending on the case of receiving an information signal and receiving a harvesting signal.

There is a difference in how to calculate the optimal value of.

먼저, 정보 신호(Information Signal)를 수신한 경우, 위상차

의 최적 값을 산출하는 방법에 대해 설명하기로 한다. First, when receiving an information signal, the phase difference

A method of calculating the optimal value of will be described.

이 경우, 제2 센서노드

(200b)이 수신한 신호

와

의 진폭의 차가 최대로 되었을 때 가장 복조하기 용이하기 때문에,

와

의 진폭의 차(

)를 최대로 만드는

를 산출한다. 여기서

는 수학식 3에서 정의되어 있다.In this case, the second sensor node

Signal received by (200b)

Wow

Because it is easiest to demodulate when the difference in amplitude of is maximized,

Wow

The difference in amplitude of (

) To maximize

Yields here

Is defined in Equation 3.

진폭의 차

는 아래 수학식 7을 이용하여 산출할 수 있다.Difference in amplitude

Can be calculated using Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

수학식 7의

를 최대화하기 위한 상대 위상차

의 값은 아래 기재된 수학식 8을 이용하여 산출할 수 있다. Of Equation 7

Relative phase difference to maximize

The value of can be calculated using Equation 8 described below.

[수학식 8] [Equation 8]

도 3을 참조하면, 수학식 8은 점선 화살표로 도시되고, 위상 상쇄 영역은 회색 영역으로 도시된다.

는 신호 발생기(100)가 일정 파장을 송신할 때의 수신 신호의 진폭,

과

은 제1 센서노드(200a)가 심볼 "0"과 "1"을 송신했을 때의 수신 신호의 진폭,

및

는

및

또는

및

의 중첩 신호이다.Referring to FIG. 3, Equation 8 is shown by a dotted arrow, and a phase canceling area is shown by a gray area.

Is the amplitude of the received signal when the signal generator 100 transmits a certain wavelength,

and

Is the amplitude of the received signal when the first sensor node 200a transmits the symbols "0" and "1",

And

Is

And

or

And

Is an overlapping signal.

한편, 최적의 위상차

를 의도적으로 산출하기 위해서는, 수학식 3에서

를 구성하는 파라미터 가운데 현실적으로 가변 가능한

를 조정해야 한다. 여기서

는 제1 센서노드

(200a)에 탑재된 Phase Rotator에서 발생하는 값일 수 있다. Meanwhile, the optimal phase difference

In order to intentionally calculate, in Equation 3

Among the parameters constituting the

Should be adjusted. here

Is the first sensor node

It may be a value generated by the phase rotator mounted on (200a).

다음으로, 하비스팅 신호를 수신할 때, 위상차

의 최적 값을 산출하는 방법에 대해 설명하기로 한다. Next, when receiving the harvesting signal, the phase difference

A method of calculating the optimal value of will be described.

센서노드(200)가 에너지 하베스팅을 수행할 경우, 단지 정보를 전송할 때와 달리 수신된 신호 전력의 양이 가장 중요한 요소가 된다. When the sensor node 200 performs energy harvesting, the amount of received signal power becomes the most important factor, unlike when only transmitting information.

도 4를 참조하면, 회색 영역은 위상 상쇄 영역이다.

는 신호 발생기(100)에 의해 생성된 신호,

는 제1 센서노드(200a)에서 반사한 신호이다. 제1 센서노드(200a)의 후방 산란은 기존 신호와 비교하여 신호가 약하여 RF 에너지 하베스팅 효율을 감소시킨다. 따라서 최대 효율을 얻으려면 항상 파란색 화살표 방향으로 신호를 전송해야 한다.Referring to FIG. 4, the gray area is a phase canceling area.

Is the signal generated by the signal generator 100,

Is a signal reflected by the first sensor node 200a. The backscattering of the first sensor node 200a reduces the RF energy harvesting efficiency because the signal is weak compared to the existing signal. So, to get maximum efficiency, you should always send the signal in the direction of the blue arrow.

제2 센서노드

(200b)이 무선 에너지를 하베스팅할 때 최적의 에너지 하베스팅을 수행하기 위한 위상차

를 도출해야 한다. 무선 에너지 하베스팅만을 고려한다면 아래 수학식 9를 이용하여 위상차를 산출할 수 있다. 2nd sensor node

Phase difference for optimal energy harvesting when (200b) is harvesting wireless energy

Should be derived. If only wireless energy harvesting is considered, the phase difference can be calculated using Equation 9 below.

[수학식 9][Equation 9]

상술한 바와 같이 수학식 8 또는 수학식 9를 이용하여 위상차

를 산출할 수 있다. Phase difference using Equation 8 or Equation 9 as described above

Can be calculated.

그러나, 정보 통신을 위한 최적의

와 무선 에너지 하베스팅을 위한 최적의

를 모두 만족시키는

를 도출할 필요가 있다. 이에, 최대 진폭 효율( 최대 에너지 효율)을 위한 위상차

는 수학식 8 및 수학식 9를 이용한 아래 수학식 10으로 결정할 수 있다. However, the optimal

And optimal for wireless energy harvesting

Satisfying all

It is necessary to derive. Thus, the phase difference for maximum amplitude efficiency (maximum energy efficiency)

May be determined by Equation 10 below using Equations 8 and 9.

[수학식 10] [Equation 10]

수학식 10과 같은 위상차로 신호를 전송하면, 제1 센서노드(200a)는 도 5와 같이 최대 진폭 효율로 신호를 전송할 수 있다. 즉, 수학식 10을 수행하고, 두 개의 굵은 화살표 선 (파형의 진폭

및

)을 전송함으로써, BER 성능을 향상시키기 위해 변조 신호의 진폭 차이를 최대화 할 수 있을 뿐 아니라, 효율적인 RF 에너지 하베스팅을 위한 진폭을 최대화 할 수 있다.When a signal is transmitted with a phase difference as shown in Equation 10, the first sensor node 200a may transmit a signal with maximum amplitude efficiency as shown in FIG. 5. That is, perform Equation 10, and two thick arrow lines (the amplitude of the waveform

And

), the amplitude difference of the modulated signal can be maximized to improve the BER performance, and the amplitude for efficient RF energy harvesting can be maximized.

한편, 본 발명은 수학식 10과 같은 위상차

값이 도출될 수 있도록, 제1 센서노드

(200a)에서 백스캐터 신호를 방사할 때 방사하는 신호의 위상 값을 변화시키는 PRC 알고리즘을 이용한다. On the other hand, the present invention is the phase difference as in Equation 10

The first sensor node so that the value can be derived

In (200a), when the backscatter signal is emitted, a PRC algorithm that changes the phase value of the emitted signal is used.

위상차

를 변화시키기 위해서는 제1 센서노드

(200a)가 제2 센서노드(200b)로부터 피드백(feedback) 신호를 수신하고, 위상차

변화의 수요를 감지해야 한다. 여기서, 피드백 신호는 제2 센서노드

(200b)이 백스캐터 통신으로 제1 센서노드

(200a)로 전송한 신호일 수 있다. 이때, 제1 센서노드

(200a)와 제2 센서노드

(200b)은 모두 백스캐터 송수신이 가능한 백스캐터 센서 노드일 수 있고, 백스캐터 센서 노드는 Microcontroller를 기반으로 백스캐터 통신과 무선 에너지 하베스팅을 수행하는 기기일 수 있다. Phase difference

In order to change the first sensor node

(200a) receives a feedback signal from the second sensor node 200b, and the phase difference

You have to sense the demand for change. Here, the feedback signal is the second sensor node

(200b) The first sensor node through backscatter communication

It may be a signal transmitted to (200a). At this time, the first sensor node

(200a) and the second sensor node

(200b) may all be a backscatter sensor node capable of transmitting and receiving backscatter, and the backscatter sensor node may be a device that performs backscatter communication and wireless energy harvesting based on a Microcontroller.

제1 센서노드

(200a)는 피드백 신호가 수신되면, phase rotation을 시간적으로 잠시 보류(delay)한다. 보류하는 시간동안 phase ratation이 정지하므로, 제2 센서노드

(200b) 입장에서는 제1 센서노드

(200a)로부터 방사되는 백스캐터 신호의 위상이 변화되었다고 판단할 수 있다. 이후 제1 센서노드

(200a)는 phase rotation의 재개와 함께 정상적인 백스캐터링을 수행한다. 이후, 제1 센서노드(200a)는 일정 경계값

과

값을 비교하여,

보다

값이 크면 달성하고자 하는 위상차

최적화가 이루어지지 않았다고 판단하고, 위상차

가 최적화될 때까지 다시 phase rotation 보류를 수행한다. First sensor node

When the feedback signal (200a) is received, the phase rotation is temporarily temporarily delayed. Since the phase ratation stops during the holding time, the second sensor node

(200b) From the standpoint, the first sensor node

It can be determined that the phase of the backscatter signal radiated from 200a has changed. After that, the first sensor node

(200a) performs normal backscattering with the restart of phase rotation. Thereafter, the first sensor node 200a is a predetermined threshold value

and

Comparing the values,

see

If the value is large, the phase difference you want to achieve

It is determined that optimization has not been made, and the phase difference

Holds phase rotation again until is optimized.

위상차

최적화는 최초 센서노드 간 통신 네트워크가 설비되었을 때 한번만 수행하거나, 주기적으로 수행할수 있다. 또한, 위상차

최적화는 센서노드 설치 위치 및 거리 등의 환경값 또는 무선 채널 상태가 변화하면 다시 최적화를 수행할 수 있다. Phase difference

Optimization can be performed only once or periodically when a communication network between sensor nodes is initially installed. Also, the phase difference

Optimization can be performed again when environmental values such as sensor node installation location and distance or wireless channel status change.

상술한 바와 같이 phase delay가 어떤식으로 수신되는 신호의 진폭을 늘릴 수 있는지에 대해 도 6을 참조하면, (a)는 phase delay가 적용되지 않았을 때를 나타내고, (b)는 phase delay를 적용하였을 때를 나타낸다. 그래프 내의 적색 굵은선이 최종적으로 태그에서 수신하는 신호의 모양이 된다. (b)에서 초록선으로 표시된 만큼 송신태그에서 보내는 신호를 delay 시키면, 수신태그에서는 보라색 선 만큼의 진폭 이득이 생겨, 이를 통해 amplitude difference를 최대화할 수 있도록 보정할 수 있다는 것을 설명하고 있다.Referring to FIG. 6 for how the phase delay can increase the amplitude of the received signal as described above, (a) shows when the phase delay is not applied, and (b) shows that the phase delay is applied. Indicates the time. The bold red line in the graph finally becomes the shape of the signal received by the tag. In (b), if the signal sent from the sending tag is delayed by the amount indicated by the green line, the receiving tag produces an amplitude gain as much as the purple line, and through this, the amplitude difference can be corrected to maximize.

제2 센서노드(200b)는 제1 센서노드(200a)의 신호뿐만 아니라 신호 발생기(100)의 신호도 동시에 수신한다. 제2 센서노드(200b)는 포락선 검출기를 사용하여 신호를 복조하기 때문에, 결합 된 신호를 사용하여 두 신호를 복조해야 한다.The second sensor node 200b simultaneously receives a signal from the signal generator 100 as well as a signal from the first sensor node 200a. Since the second sensor node 200b demodulates the signal using the envelope detector, it must demodulate the two signals using the combined signal.

도 6의 (b)에서, 제1 센서노드(200a)가 송신시에 위상 지연(delay)이 수행된다. 결과적으로 피크 진폭은 신호 발생기의 신호와 결합하여 증가한다. 위상 지연 회로가 수신된 신호의 진폭을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. In (b) of FIG. 6, a phase delay is performed when the first sensor node 200a transmits. As a result, the peak amplitude increases in combination with the signal from the signal generator. It can be seen that the phase delay circuit can increase the amplitude of the received signal.

따라서, 수학식 3의

는 아래 수학식 11과 같이 변경할 수 있다. Therefore, in Equation 3

Can be changed as in Equation 11 below.

[수학식 11][Equation 11]

여기서,

는 위상 지연 회로에 의해 유도되는 위상 변화이고,

는 센서노드의 다른 하드웨어에 의해 유도되는 위상 변화이며,

는 도 6의 (b)에서 녹색 선으로 표시된 지연 시간이다. here,

Is the phase change induced by the phase delay circuit,

Is the phase change induced by other hardware of the sensor node,

Is a delay time indicated by a green line in FIG. 6B.

위상차

의 최대 효율은 수학식 10에서 주어진 것처럼 {0,

,

, ...}이며, 수학식 10은 수학식 12와 같이 정의할 수 있다. Phase difference

The maximum efficiency of is {0,

,

, ...}, and Equation 10 can be defined as in Equation 12.

[수학식 12][Equation 12]

여기서, n=0,1,2,..일 수 있다.

는 아래 수학식 13과 같이 정의할 수 있다. Here, it may be n=0,1,2,..

Can be defined as in Equation 13 below.

[수학식 13][Equation 13]

여기서, n=0,1,2,..일 수 있다.

가 수학식 13과 같이 설정되면, 제1 센서노드(후방 산란 태그)는 최대

로 신호를 송수신할 수 있다.Here, it may be n=0,1,2,..

When is set as in Equation 13, the first sensor node (rear scattering tag) is

It can transmit and receive signals.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 변화 제어(Phase Rotation Control (PRC)) 방법을 설명하기 위한 도면이다. 여기서

는 수신된 신호의 진폭 차이이고,

는 위상 소거를 완화하기 위해 위상이 지연되어야 함을 제1 센서노드에 알리기 위해 진폭 차이

를 포함하는 정보 비트이고,

는

와

의 비교를 통해 위상 소거의 발생을 결정하기 위한 사전 정의된 임계값을 나타낸다.

가 증가함에 따라, 태그-대-태그 통신의 통신 거리는 감소하지만, BER 성능은 개선되고, 그 반대의 경우도 마찬가지일 수 있다. FIG. 7 is a diagram for describing a phase rotation control (PRC) method according to an embodiment of the present invention. here

Is the amplitude difference of the received signal,

Is the amplitude difference to inform the first sensor node that the phase must be delayed to mitigate the phase cancellation.

It is an information bit including

Is

Wow

Represents a predefined threshold for determining the occurrence of phase cancellation through comparison of.

As is increased, the communication distance of the tag-to-tag communication decreases, but the BER performance improves, and vice versa.

도 7을 참조하면, 제2 센서노드는 신호가 수신되면, 수학식 7을 이용하여 진폭 차

를 계산한다(S710). 여기서는 제2 센서노드가 제1 센서노드로부터 후방 산란 신호를 수신한다고 가정하였다. Referring to FIG. 7, when a signal is received, the second sensor node uses Equation 7 to determine the amplitude difference.

Is calculated (S710). Here, it is assumed that the second sensor node receives a backscatter signal from the first sensor node.

단계 S710이 수행되면, 제2 센서노드는 정보 비트

에

를 채널 g를 통해 제1 센서노드에 전송한다(S720). 이는 제1 센서노드가 위상 소거가 발생하는 위상에서 벗어나기 위해 위상 회전(위상 이동)을 수행할 수 있도록 하기 위해서이다. 센서노드(태그) - 센서노드(태그) 통신은 양방향 통신을 수행할 수 있고, g는 제2 센서노드에서 제1 센서노드로의 채널을 나타낸다. When step S710 is performed, the second sensor node is

on

Is transmitted to the first sensor node through the channel g (S720). This is to enable the first sensor node to perform a phase rotation (phase shift) to get out of a phase in which phase cancellation occurs. Sensor node (tag)-Sensor node (tag) communication can perform bidirectional communication, and g represents a channel from the second sensor node to the first sensor node.

제1 센서노드가 정보 비트

를 수신하면(S730), 제1 센서노드는

와

의 비교를 통해 위상 소거가 발생했는지 확인한 다음 위상 소거가 발생할 경우 변화할 위상의 양을 계산한다(S740). 이때,

가

보다 작으면, 제2 센서노드는 위상 상쇄가 발생하고 신호를 올바르게 복조할 수 없다고 판ㄷ나하여, 변화할 위상의 양(td)를 산출한다. The first sensor node is an information bit

Upon receiving (S730), the first sensor node

Wow

It is checked whether the phase cancellation has occurred through the comparison of and then the amount of the phase to be changed is calculated when the phase cancellation occurs (S740). At this time,

end

If it is smaller than, the second sensor node determines that phase cancellation occurs and the signal cannot be demodulated correctly, and calculates the amount of phase to be changed (td).

단계 S740이 수행되면, 제1 센서노드는 계산된 위상의 양만큼 위상 변화를 수행한 후(S750), 신호를 송신한다(S760). 그러면, 제1 센서노드는 위상 회전에 의해 위상 상쇄를 일으키지 않도록 신호를 전송할 수 있다.When step S740 is performed, the first sensor node performs a phase change by the amount of the calculated phase (S750), and then transmits a signal (S760). Then, the first sensor node may transmit a signal so as not to cause phase cancellation due to phase rotation.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 회전 제어 알고리즘이 시간과 각 태그에서 어떻게 작동하는지 나타낸 도면이다. 8 is a diagram showing how a phase rotation control algorithm according to an embodiment of the present invention operates in time and each tag.

도 8을 참조하면, 제1 센서노드가 제2 센서노드로 신호를 전송하면(S810), 제2 센서노드는 수신된 신호로부터 진폭 차이

를 계산하고(S820),

에

를 포함시켜 제1 센서노드로 전송한다(S830). Referring to FIG. 8, when the first sensor node transmits a signal to the second sensor node (S810), the second sensor node has an amplitude difference from the received signal.

And calculate (S820),

on

And transmits to the first sensor node (S830).

그러면, 제1 센서노드는 위상 회전을 수행하기 위해, 수학식 13을 사용하여

에 의해

로 지연될 위상의 최적 양을 계산한다(S830). Then, the first sensor node uses Equation 13 to perform phase rotation.

By

The optimal amount of the phase to be delayed is calculated (S830).

그런 후, 제1 센서노드는 신호의 위상을 계산된 위상만큼 위상 지연부를 통해 지연시킨 후(S840), 제2 센서노드로 신호를 전송한다(S850).Then, the first sensor node delays the phase of the signal by the calculated phase through the phase delay unit (S840), and then transmits the signal to the second sensor node (S850).

그러면, 제1 센서노드는 위상 상쇄없이 신호를 전송할 수 있다.Then, the first sensor node can transmit a signal without phase cancellation.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서노드의 구성을 설명하기 위한 블록도이다. 9 is a block diagram illustrating a configuration of a sensor node according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서노드(200)는 안테나(210), 에너지 하베스트부(energy harvest unit, 220)를 포함한다. Referring to FIG. 9, a sensor node 200 according to an embodiment of the present invention includes an antenna 210 and an energy harvest unit 220.

에너지 하베스트부(220)는 에너지 저장 소자를 포함하여, 외부 장치로부터 송출되는 RF 신호를 에너지 하비스팅하여 에너지를 축적한다. The energy harvesting unit 220 stores energy by energy harvesting an RF signal transmitted from an external device, including an energy storage element.

한편, 센서노드(200)는 후방산란 신호를 변조하여 송출하는 송신 센서노드와 후방산란신호를 수신하여 복조하는 수신 센서노드로 동작할 수 있고, 송신 센서노드와 수신센서노드의 동작은 상이할 수 있다. On the other hand, the sensor node 200 may operate as a transmitting sensor node that modulates and transmits a backscatter signal and a receiving sensor node that receives and demodulates the backscatter signal, and the operation of the transmitting sensor node and the receiving sensor node may be different. have.

먼저, 센서노드(200)가 송신센서노드로 동작하는 경우, 센서노드(200)는 변조부(230), MCU(240), 위상 지연부(250)를 포함한다. First, when the sensor node 200 operates as a transmission sensor node, the sensor node 200 includes a modulator 230, an MCU 240, and a phase delay unit 250.

변조부(230)는 신호 발생기로부터 수신되고 있는 무선 신호에 자신의 정보 비트를 실어 백스캐터 방식으로 전송한다. 이때, 변조부(230)는 ASK, PSK 등의 다양한 변조 방식을 이용하여 후방 산란 신호를 변조할 수 있다. The modulator 230 carries its own information bit on the radio signal received from the signal generator and transmits it in a backscatter method. In this case, the modulator 230 may modulate the backscattered signal using various modulation methods such as ASK and PSK.

변조부(230)는 1 비트 신호와 0 비트 신호를 1회 전송하기 때문에, 2개의 임피던스를 포함할 수 있다. Since the modulator 230 transmits a 1-bit signal and a 0-bit signal once, it may include two impedances.

MCU(240)는 수신 센서노드로부터 피드백 신호가 수신되면, 피드백 신호에 포함된

와 기 설정된 임계값

을 비교하여, 위상 소거 발생 여부를 판단한다. 이때,

가

보다 작으면, 위상 소가가 발생했다고 판단할 수 있다. 그 판단결과 위상 소거가 발생한 것으로 판단되면, MCU(240)는 위상 지연 시간

를 산출한다. When the feedback signal is received from the receiving sensor node, the MCU 240

And preset threshold

Compared to, it is determined whether or not phase cancellation has occurred. At this time,

end

If it is smaller than that, it can be determined that phase reduction has occurred. As a result of the determination, if it is determined that phase erasure has occurred, the MCU 240

Yields

위상 지연부(250)는 MCU(240)에서 산출된 위상 지연 시간만큼 위상을 지연시킨 후, 신호를 송신한다. 그러면, 센서노드(200)는 위상 상쇄없이 신호를 전송할 수 있다.The phase delay unit 250 delays the phase by the phase delay time calculated by the MCU 240 and then transmits a signal. Then, the sensor node 200 may transmit a signal without phase cancellation.

다음으로, 센서노드(200)가 수신센서노드로 동작하는 경우, 센서노드(200)는 복조부(260), MCU(240)를 포함한다. Next, when the sensor node 200 operates as a receiving sensor node, the sensor node 200 includes a demodulator 260 and an MCU 240.

복조부(260)는 송신 센서노드로부터 전송된 신호를 포락선 검파(envelope detection)하여 복조한다. The demodulator 260 demodulates the signal transmitted from the transmission sensor node by performing envelope detection.

MCU(240)는 신호 발생기로부터 브로드캐스팅된 RF신호와 송신 센서노드로부터 전송된 변조 신호의 진폭의 차가 최대화되고, 최대 효율의 에너지 하비스팅을 만족하는 위상차(

)를 산출하고, 산출된 위상차 값을 포함하는 피드백 신호를 송신 센서노드로 전송한다. The MCU 240 maximizes the amplitude difference between the RF signal broadcast from the signal generator and the modulated signal transmitted from the transmitting sensor node, and satisfies the energy harvesting of maximum efficiency.

) Is calculated, and a feedback signal including the calculated phase difference value is transmitted to the transmitting sensor node.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서노드간 통신 방법을 설명하기 위한 도면이다. 10 is a diagram illustrating a communication method between sensor nodes according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, 제1 센서노드와 제2 센서노드는 신호 발생기가 브로드캐스팅한 RF 신호를 수신한다(S1002). Referring to FIG. 10, a first sensor node and a second sensor node receive an RF signal broadcast by a signal generator (S1002).

신호 발생기가 RF 신호를 브로드캐스팅하면, 제1 센서노드는 수신한 RF 신호를 에너지 하비스팅하여 전력을 충전하고(S1004), 충전된 전력으로 후방산란 신호를 변조하여(S1006), 제2 센서노드로 전송한다(S1008). 이때, 제1 센서노드는 ASK, BPSK 등의 변조 방식을 이용하여 후방산란 신호를 변조할 수 있다. When the signal generator broadcasts the RF signal, the first sensor node charges the power by energy harvesting the received RF signal (S1004), modulates the backscatter signal with the charged power (S1006), and the second sensor node Is transmitted to (S1008). In this case, the first sensor node may modulate the backscattered signal using a modulation method such as ASK or BPSK.

단계 S1008이 수행되면, 제2 센서노드는 신호 발생기로부터 브로드캐스팅된 RF신호와 제1 센서로부터 전송된 변조 신호를 연산한다(S1010). 즉, 제2 센서노드는 신호 발생기로부터 수신된 신호와 제1 센서노드로부터 수신한 0, 1의 두 심볼 신호를 더한다. When step S1008 is performed, the second sensor node calculates the RF signal broadcast from the signal generator and the modulated signal transmitted from the first sensor (S1010). That is, the second sensor node adds the signal received from the signal generator and the two symbol signals of 0 and 1 received from the first sensor node.

단계 S1010의 수행후, 제2 센서노드는 연산된 신호의 진폭의 차가 최대화되고, 최대 효율의 에너지 하비스팅을 만족하는 위상차(

)를 산출한다(S1012). 즉, 제2 센서노드는 아래 수학식을 이용하여 두 조건을 만족하는 위상차를 산출할 수 있다. After the execution of step S1010, the second sensor node maximizes the difference in amplitude of the calculated signal and satisfies the energy harvesting of the maximum efficiency (

) Is calculated (S1012). That is, the second sensor node may calculate a phase difference satisfying the two conditions using the following equation.

단계 S1012가 수행되면, 제2 센서노드는 산출된 위상차를 포함하는 피드백 신호를 제1 센서노드로 전송한다(S1014). 이때, 피드백 신호는

를 포함할 수 있다. When step S1012 is performed, the second sensor node transmits a feedback signal including the calculated phase difference to the first sensor node (S1014). At this time, the feedback signal is

It may include.

단계 S1014가 수행되면, 제1 센서노드는 피드백 신호에 포함된

값을 기 정의된 일정 경계값 위상차

와 비교하여,

값이 일정 임계값

보다 큰지를 판단한다(S1016).When step S1014 is performed, the first sensor node is included in the feedback signal.

The value is a predetermined threshold phase difference

In comparison with,

Value is constant threshold

It is determined whether it is greater than (S1016).

단계 S1016의 판단결과, 일정 임계값

보다

값이 크면, 제1 센서노드는 달성하고자 하는

값 최적화가 이루어지지 않았다고 판단하여

가 최적화 될 때까지 다시 phase rotation 보류를 수행한 후(S1018), 신호를 전송한다(S1020).The determination result of step S1016, a certain threshold

see

If the value is large, the first sensor node

As we judged that value optimization was not done

After performing phase rotation hold again until is optimized (S1018), a signal is transmitted (S1020).

이하, 본 발명에 따른 PRC 알고리즘의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 설명하기로 한다. Hereinafter, a computer simulation result of the PRC algorithm according to the present invention will be described.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 태그가 정보신호를 전송한 경우, 수신 신호의 진폭 차를 시뮬레이션 그래프이다. 11 is a simulation graph of a difference in amplitude of a received signal when a tag according to an embodiment of the present invention transmits an information signal.

도 11의 (a)에서는 x축이 두 백스캐터 태그 (

,

)간 거리, y축은

이 비트 0과 1을 수신했을 때 두 신호의 진폭의 차이

이다.

가 증가할수록 ASK 신호의 복조가 용이하고 비트 에러율이 감소해서 원활한 통신이 가능해진다. 거리가 증가함에 따라 제안한 PRC를 기반으로 한 위상 편이를 수행한 경우에 진폭차

가 더 큰 것을 확인할 수 있다. In Figure 11 (a), the x-axis is two backscatter tags (

,

) Distance, y-axis

The difference in amplitude of the two signals when these

bits

0 and 1 are received

to be.

As is increased, demodulation of the ASK signal becomes easier and the bit error rate decreases, enabling smooth communication. Amplitude difference in case of performing phase shift based on the proposed PRC as the distance increases

You can see that is larger.

도 11의 (b)에서는 진폭차의 임계값

를 하향 설정한 뒤 PRC 알고리즘을 적용한 경우이다.

를 하향설정하면 진폭차

가 작아져서 신호 복조에 오류가 증가하지만 통신 가능한 거리가 증가하는 것을 알 수 있다. 제안한 PRC 알고리즘 기반의 태그 간 통신 네트워크에서는

를 만족시키지 않는 한은 계속적으로 위상 편이(즉, PRC 알고리즘 수행)가 무한히 반복해서 이루어지기 때문에 통신이 불가능 해진다.In Fig. 11B, the threshold value of the amplitude difference

This is the case of applying the PRC algorithm after setting down down.

Setting down the amplitude difference

It can be seen that the smaller is, the error in signal demodulation increases, but the communication distance increases. In the communication network between tags based on the proposed PRC algorithm,

As long as is not satisfied, communication becomes impossible because the phase shift (ie, PRC algorithm execution) is continuously repeated infinitely.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 PRC 알고리즘을 적용 여부에 따른 수신 신호의 진폭의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 12 is a graph showing a simulation result of the amplitude of a received signal according to whether or not a PRC algorithm is applied according to an embodiment of the present invention.

도 12를 참조하면, PRC 알고리즘을 적용했을 때 수신 신호의 진폭의 절대값이 증가하여 에너지 포집에 더욱 유리해 진 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 12, it can be seen that when the PRC algorithm is applied, the absolute value of the amplitude of the received signal increases, which is more advantageous for energy collection.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been looked at around its preferred embodiments. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative point of view rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

100 : 신호 발생기
200 : 센서노드
210 : 안테나
220 : 에너지 하비스트부
230 : 변조부
240 : MCU
250 : 위상 지연부
260 : 복조부100: signal generator
200: sensor node
210: antenna
220: energy harvest unit
230: modulator
240: MCU
250: phase delay unit
260: demodulation unit

Claims

In the battery-free communication method between the first sensor node and the second sensor node,
Receiving, by the first sensor node, a feedback signal including an amplitude difference between a signal from a signal generator and a signal from the second sensor node;
Determining, by the first sensor node, whether a phase cancellation has occurred by comparing the amplitude difference with a preset threshold value;
The first sensor node, when phase cancellation occurs, calculating a phase delay value; And
After delaying the first sensor node by the phase delay value, transmitting a signal to the second sensor node
Communication method between batteryless sensor nodes comprising a.

The method of claim 1,
Prior to the step of receiving the feedback signal,
The first sensor node further comprises the step of charging power by energy harvesting the wireless signal broadcast by the signal generator, modulating a backscatter signal with the charged power, and transmitting it to the second sensor node. Communication method between batteryless sensor nodes.

The method of claim 1,
The phase delay value is a phase delay time (t ^d ), and is calculated by the equation described below.
[Equation]

Where f is the center frequency of the transmitted signal, n is a natural number,

In the battery-free communication method between the first sensor node and the second sensor node,
Receiving, at the second sensor node, a radio signal broadcast from a signal generator and a backscatter modulated signal transmitted from a second sensor;
The second sensor node may include calculating an amplitude difference between the radio signal and the backscatter modulated signal; And
The second sensor node transmitting a feedback signal including the amplitude difference to the second sensor node
Communication method between batteryless sensor nodes comprising a.

In the battery-free communication method between the first sensor node and the second sensor node,
The first sensor node charging power by energy harvesting the wireless signal broadcast by the signal generator, modulating the backscattered signal with the charged power, and transmitting it to the second sensor node;
The second sensor node calculates an amplitude difference between the radio signal broadcast from the signal generator and the backscatter modulated signal transmitted from the second sensor, and transmits a feedback signal including the amplitude difference to the first sensor node. step;
The first sensor node comparing the amplitude difference with a preset threshold value to determine whether or not phase cancellation has occurred; And
The first sensor node, when phase cancellation occurs, calculating a phase delay value, delaying it by the phase delay value, and transmitting a signal to the second sensor node
Communication method between batteryless sensor nodes comprising a.

In a battery-free sensor node that accumulates energy by energy harvesting a wireless signal transmitted from an external device,
A modulator that modulates the backscattered signal with the accumulated energy and transmits it to another batteryless sensor node;
When a feedback signal including an amplitude difference between the radio signal and the modulated backscatter signal is received from the other batteryless sensor node, the amplitude difference is compared with a preset threshold value to determine whether or not phase cancellation has occurred, and , MCU for calculating a phase delay value when the phase is erased; And
After delaying by the phase delay value, a phase delay unit for transmitting a signal to the sensor node of the other batteryless
Sensor node comprising a.

The method of claim 6,
When the sensor node operates as a receiving side receiving a signal from the sensor node, further comprising a demodulation unit for demodulating the signal transmitted from the sensor node of the other batteryless,
The MCU calculates an amplitude difference between the radio signal and the modulated backscatter signal, and transmits a feedback signal including the amplitude difference to the sensor node.