KR20070047628A - 저전력 소비형 초광대역 송수신기 및 이를 이용한 네트워크시스템 - Google Patents

저전력 소비형 초광대역 송수신기 및 이를 이용한 네트워크시스템 Download PDF

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KR20070047628A
KR20070047628A KR1020050104536A KR20050104536A KR20070047628A KR 20070047628 A KR20070047628 A KR 20070047628A KR 1020050104536 A KR1020050104536 A KR 1020050104536A KR 20050104536 A KR20050104536 A KR 20050104536A KR 20070047628 A KR20070047628 A KR 20070047628A
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이윤식
최광호
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전자부품연구원
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Abstract

본 발명은 안테나를 통하여 다른 단말기와의 거리 측정을 위한 신호 또는 데이터 통신을 위한 신호를 전송하거나 수신하는 RF 전단부와, 상기 거리 측정을 위한 신호 또는 상기 데이터 통신을 위한 신호의 송신 또는 수신을 위한 신호 처리를 수행하는 신호 처리부와, 상기 거리 측정을 위한 신호를 구성하고 상기 신호 처리부의 신호 처리 결과를 기초로 상기 다른 단말기와의 거리를 계산하며 상기 계산된 거리를 기초로 상기 거리 측정을 위한 신호 또는 상기 다른 단말기와의 데이터 통신을 위한 신호의 전송 주기 또는 전송 회수를 동적으로 조절하는 거리 측정 처리부를 포함하는 저전력 소비형 초광대역 송수신기를 제공한다.
본 발명에 따르면, UWB 송수신기 사이에서 거리 측정을 위한 신호를 일정한 주기로 보내는 대신 계산된 거리에 따라 거리 측정을 위한 신호의 송신 주기를 동적으로 조절하거나 또는 거리 측정을 위한 신호의 전송 회수를 동적으로 조절하여 전송 전력을 감소할 수 있다.
UWB, 전력 소비, 거리 측정, 신호 전송 주기, 전송 회수, 펄스, 식별(ID), 호스트 단말기, 슬레이브 단말기

Description

저전력 소비형 초광대역 송수신기 및 이를 이용한 네트워크 시스템{THE LOW POWER CONSUMPTION TYPE UWB TRANSCEIVER AND NETWORK SYSTEM USING THE SAME}
도 1은 종래의 UWB 송수신 시스템의 기본 구조를 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 UWB 송수신 시스템의 수신 신호에 대한 아날로그-디지털 변환 특성을 도시한 도면.
도 3은 도 1에 도시된 UWB 송수신 시스템의 Rake 상관기의 세부 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기를 이용한 네트워크 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기에 있어서 거리 측정을 위한 패킷 구성을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기에 있어서 거리 측정을 위한 처리(ranging processing)를 나타내는 도면.
도 8 내지 도 9는 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기에 있어서 호스트 단말기와 슬레이브 단말기 사이의 거리 측정을 위한 신호 송수신을 나타내는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: RF 전단부 130: 신호 처리부
150: 거리 측정 처리부 170: 디스플레이부
본 발명은 초광대역(Ultra Wide Band; UWB) 및 이를 이용한 네트워크 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 UWB 송수신기 사이에서 거리 측정을 위한 신호를 일정한 주기로 보내는 대신 계산된 거리에 따라 거리 측정을 위한 신호의 송신 주기를 동적으로 조절하거나 또는 거리 측정을 위한 신호의 전송 회수를 동적으로 조절하여 전송 전력을 감소할 수 있는 저전력 소비형 초광대역 송수신기 및 이를 이용한 네트워크 시스템에 관한 것이다.
UWB 무선 시스템은 한정된 주파수 자원에 대한 사용 효율성을 극대화하기 위하여 기존의 무선 시스템과 주파수 스펙트럼을 공유함으로써, 주파수 자원을 보다 효율적으로 사용할 수 있도록 고안된 것이다. UWB(Ultra Wide Band) 통신 방식은 500MHz 이상의 주파수 대역을 사용하는 통신 시스템 또는 Fraction Bandwidth가 20% 이상을 사용하는 무선 통신 방식으로 규정되며, RF(Radio Frequency) 반송파 대신 1㎱ 이하로 폭이 좁은 모노 펄스를 이용하여 정보를 전송하는 기술이다.
이러한 UWB 무선 시스템은, 펄스의 성질에 의해 광대역(0㎐ 내지 수㎓)에 걸쳐 기저대역 잡음과 같이 낮은 전력 스펙트럼이 존재하기 때문에 현재 사용되고 있는 다른 무선 시스템에 간섭을 주지 않으며, 초광대역의 대역폭을 사용함으로, 일 반적인 무선 시스템에 비하여 신호의 전송속도가 증가한다.
또한, UWB 무선 시스템은 기존의 무선 시스템에서 필수적으로 사용되었던 반송파를 사용하지 않으므로, 각각의 주파수대로 송신되는 데이터는 노이즈 정도의 강도밖에는 없게 되므로, 같은 주파수대를 사용하는 무선기기와 혼신(混信)되는 일이 없으며, 송신 장치 및 수신 장치의 소모 전력을 현저하게 감소시킬 수 있다.
더욱이, UWB 무선 시스템은 기저대역 신호를 상향 변조 없이 안테나를 통해 직접 송신하고, 상기와 같이 송신된 신호를 직접 복조하기 때문에 송신 장치 및 수신 장치를 간소하게 구현할 수 있다. 아울러, 펄스 방식의 UWB 송수신기는 단거리에서 초고속의 데이터 전송특성을 가지며, 전송을 이용되는 펄스의 폭이 아주 짧아 고정밀의 위치를 판별할 수 시스템에 응용할 수 있다.
이와 같은 UWB 무선 시스템은 미합중국 특허 제4,641,317호(1987년 2월 3일자 등록), 제4,813,057호(1989년3월 14일자 등록), 제4,979,186호(1990년 12월 18일자 등록), 제5,363,108호(1994년 11월 8일자 등록), 제4,743,906호(1988년 5월 10일자 등록) 및 제5,687,169호(1997년 11월 11일자 등록) 등에 개시되어 있다.
UWB 무선 시스템에서는 데이터 송수신을 위하여 일반적으로 각 비트에 대해 소정 수의 임펄스를 송신하는 반복 부호를 이용하고 있다. 시간주기 T마다 시간을 구획을 나눔으로써 기준시점을 정하고, 이 기준시점으로부터 의사랜덤시간(T1, T2, T3,T4)만큼 떨어진 시간에 있어서, 펄스를 송신한다.
데이터 1을 송신하는 경우, 의사 랜덤 시간 T1에 펄스를 송신하고, 데이터 0을 송신하는 경우, T1+TS(TS는 미리 정해진 시간임)에 펄스를 송신한다. 수신기는, 기준시점으로부터 시간 T1만큼 떨어진 시간에 있어서 펄스를 수신한 경우, 데이터 1을 복조하고, 시간 T1+TS만큼 떨어진 시간에 있어서 펄스를 수신한 경우, 데이터 0을 복조한다.
UWB 통신 방식과 같이 아주 짧은 펄스파를 이용하는 경우 신호의 펄스의 폭이 아주 짧고 사용되는 신호의 크기가 제한되어 있어 전력 소비가 다른 통신 방식에 비하여 상대적으로 적은 장점을 진다.
이러한 UWB 방식을 이용한 UWB 송,수신기는 단거리에서 초고속의 데이터 전송특성을 가지며, 전송에 이용되는 펄스의 폭이 아주 짧아 고정밀의 위치, 또는 거리를 판별할 수 있는 시스템에 응용할 수 있다.
무선 UWB 신호를 사용하여 거리를 계산하는 시스템은 호스트 단말기와 슬레이브 단말기의 사이, 또는 각각의 단말기들 사이에 전송 신호를 송,수신하여 전송 신호와 수신신호의 시간차를 이용하여 이들 사이의 거리를 측정한다. 측정된 거리는 복수의 거리를 조합하여 3차원적으로 위치 계산을 수행하기 위한 기본 자료, 즉 기준 거리로 이용하게 된다. 무선 신호를 수단으로 하는 거리 측정(ranging)이나 통신, 위치 추적 시스템, 센서 네트워크에서 각 단말기의 전력소모가 네트워크의 유지 보수, 시스템의 활용의 편의성 등에서 중요한 요소가 된다.
UWB 방식을 사용하는 기존의 이동용 단말기에서 전력을 줄이기 위해 회로를 간단히 하고 가능한 단일 칩 등으로 제작하여 왔다. 그러나 이러한 방법, 즉 회로의 크기를 줄이거나 낮은 전압을 사용, 또는 단일 칩으로 제작했을 때 상호 간의 간섭 등을 발생하여 사용상의 한계를 가지는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 UWB 송수신기 사이에서 거리 측정을 위한 신호를 일정한 주기로 보내는 대신 계산된 거리에 따라 거리 측정을 위한 신호의 송신 주기를 동적으로 조절하거나 또는 거리 측정을 위한 신호의 전송 회수를 동적으로 조절하여 전송 전력을 감소할 수 있는 저전력 소비형 초광대역 송수신기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 저전력 소비형 초광대역 송수신기 및 이를 이용한 네트워크 시스템을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 안테나를 통하여 다른 단말기와의 거리 측정을 위한 신호 또는 데이터 통신을 위한 신호를 전송하거나 수신하는 RF 전단부와, 상기 거리 측정을 위한 신호 또는 상기 데이터 통신을 위한 신호의 송신 또는 수신을 위한 신호 처리를 수행하는 신호 처리부와, 상기 거리 측정을 위한 신호를 구성하고 상기 신호 처리부의 신호 처리 결과를 기초로 상기 다른 단말기와의 거리를 계산하며 상기 계산된 거리를 기초로 상기 거리 측정을 위한 신호 또는 상기 다른 단말기와의 데이터 통신을 위한 신호의 전송 주기 또는 전송 회수를 동적으로 조절하는 거리 측정 처리부를 포함하는 저전력 소비형 초광대역 송수신기를 제공한다.
본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기에 있어서, 상기 거리 측정을 위한 신호는 단일 펄스 또는 복수의 펄스로 구성될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기에 있어서, 상기 거리 측정을 위한 신호는 PSK 또는 CDMA 변조되어 송신 또는 수신될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기에 있어서, 상기 거리 측정을 위한 신호는 패킷화되어 송신 또는 수신될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기에 있어서, 상기 패킷화된 거리 측정을 위한 신호는 상기 다른 단말기에서 자신에 해당되는 신호인 것을 식별하기 위한 데이터 필드를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기에 있어서, 상기 거리 측정 처리부는 상기 계산된 거리가 기준값보다 작은 경우 상기 거리 측정을 위한 신호 또는 상기 데이터 통신을 위한 신호의 전송 주기를 미리 설정된 기준 전송 주기보다 감소시키고, 상기 계산된 거리가 기준값보다 큰 경우 상기 거리 측정을 위한 신호 또는 상기 데이터 통신을 위한 신호의 전송 주기를 상기 기준 전송 주기보다 증가시키는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기에 있어서, 상기 거리 측정 처리부는 다수의 상기 거리 측정을 위한 신호 각각에 따라 계산된 거리를 평균하여 상기 다른 단말기와의 거리를 계산할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기에 있어서, 상기 거리 측정 처리부는, 상기 거리 측정을 위한 신호를 송신한 시점과 상기 거리 측정을 위한 신호에 대한 응답을 상기 다른 단말기로부터 수신한 시점과 상기 다른 단말기 내에서의 신호 처리 시간을 기초로 상기 다른 단말기와의 거리를 계산할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기에 있어서, 상기 거리 측정 처리부에서 계산된 상기 다른 단말기와의 거리를 표시하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 저전력 소비형 초광대역 송수신기를 이용한 네트워크 시스템으로서, 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기로서 거리 측정을 위한 신호를 송신하는 하나 이상의 호스트 단말기와, 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기로서 저전력 소비형 초광대역 송수신기로서 상기 거리 측정을 위한 신호를 수신하여 이에 대응하는 신호를 상기 호스트 단말기에 송신하는 하나 이상의 슬레이브 단말기를 포함하는 저전력 소비형 초광대역 송수신기를 이용한 네트워크 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기를 이용한 네트워크 시스템에 있어서, 상기 호스트 단말기 또는 상기 슬레이브 단말기는 상기 네트워크 시스템 내에서 동적으로 설정될 수 있는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기를 이용한 네트워크 시스템에 있어서, 상기 호스트 단말기 또는 상기 슬레이브 단말기의 설정은 상기 호스트 단말기 또는 상기 슬레이브 단말기의 시스템 정보를 기초로 설정되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명이 적용되는 UWB 송수신 시스템의 구성과, 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기 및 이를 이용한 네트워크 시스템에 대하여 상세히 설명한다.
UWB 송수신 시스템은 데이터 전송을 위해 신호의 형태를 변환하고 이에 따른 펄스 신호를 송수신한다.
송신단에서는 전송될 데이터가 수신기에서 신호의 수신시 에러를 복원하기 위하여 FEC 에러 정정기에 보내져 부호화 된 후, 순간적으로 발생하는 외부의 영향에 강하게 하기 위해 신호들의 순서를 변환하는 인터리버(interleaver)에 전달된다. 인터리버로부터의 출력은 적절한 변조 방식에 의해 변조되며, 변조 방식의 예로는 PPM(Pulse Position Modulation), BPSK(Biphase Phase Shift Keying), AM(Amplitude Modulation) 등이 있다. 변조기에서 변조된 신호는 대역을 확산하기 위하여 변조기의 출력속도 보다 같거나 수십 배 빠른 확산 코드에 의해 대역이 확산된다. 이 확산된 신호의 발생에 따라 펄스 신호를 발생시켜 안테나에 입력되고 공중으로 방사된다.
수신단에서는 안테나를 통하여 원하는 대역으로 제한한 후 노이즈 성분은 억압하고 신호는 크게 증폭하는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier; LNA)에 보내져 증폭된 후 상관기에 입력되어 수신기에 정해진 PN코드와 비교하여 수신된 신호의 전력을 얻는다. 상관기의 출력은 블록 디인터리버를 통과하여 한 후 비터비 디코더 입력신호로 이용되어 복호과정을 거치고 정보 데이터들을 생성해낸다.
도 1은 전술한 송수신 동작을 수행하는 UWB 송수신기의 신호 처리를 위한 신호처리부의 기본 구성도로서, 도시된 UWB 송수신 시스템은 대역 통과 필터(Band Pass Filter; BFP), LNA, 상관기, 타이밍 생성기, 펄스 발생기 & 파형 쉐이퍼, 아날로그-디지털 변환기, 직접 대역 확산기(Direct Spread Spectrum)과 신호 처리기 를 포함한다. 이하, UWB 송수신기의 기본 구성 요소의 구체적인 동작에 대해 설명한다.
가. 대역 통과 필터(Band Pass Filter; BPF)
대역 통과 필터는 UWB 송신기가 사용하는 대역에 맞게 송신 신호의 대역을 제한하여 안테나를 통하여 신호를 방사하는데 사용되며, 아울러 수신기에서 안테나를 통하여 수신된 신호에서 UWB 펄스신호의 대역 외 불요 잡음을 제거하여 원하는 대역의 신호만을 필터링하는 역할을 수행한다.
나. 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier; LNA)
안테나로부터 펄스 형태의 아날로그 UWB 펄스를 수신하여 신호의 크기를 증폭한다. 수신된 신호 중에 신호의 성분은 증폭을 하며 노이즈 성분의 가능한 억압하여 신호성분의 크기를 크게 한다. UWB 펄스 신호는 잡음에 가장 민감하므로 LNA를 사용하여 잡음지수를 최소한으로 낮게 한다. LNA내에서 초단 증폭기의 잡음은 아래 나타낸 것처럼 시스템에 그대로 전달된다.
Figure 112005063167259-PAT00001
여기서,
Figure 112005063167259-PAT00002
은 입력 신호대 잡음전력비,
Figure 112005063167259-PAT00003
은 출력 신호 대 잡음전력 비이다.
다. 상관기(Correlator), 타이밍 생성기(Timing Generator)
수신기에 수신된 신호는 상관기를 통하여 신호의 에너지가 구해지는데, 에 너지는 송신된 신호와 수신된 신호의 동기가 맞추어져야 최대값을 갖게 되며 최대의 수신 전력을 얻을 수 있다. 정확한 동기는 신호 간의 간섭를 방지하고 SNR를 크게 하여 에러를 감쇄한다.
라. 펄스 발생기 & 파형 쉐이퍼(Shaper)
확산코드에 의해 확산된 신호에 따라 펄스를 발생한다. 코드들은 안테나를 통하여 공중으로 발사된다. 변조된 펄스들은 펄스 쉐이핑 필터(pulse shaping filter)를 통과하여 칩(chip) 사이의 간섭을 방지한다. 예를 들어 30%의 초과대역을 갖는 root raised cosine LPF를 이용할 수 있다. 필터 컷오프 주파수(-3dB)는 Fchip/2이다. root raised cosine 필터의 주파수 전달함수는 다음과 같다.
Figure 112005063167259-PAT00004
펄스 생성기는 시퀀스 생성기(Sequence generator)와 클럭 제어기(Clock controller)의 클럭을 이용하여 펄스의 발생 시간을 정하며 좁은 시간 폭의 펄스를 생성한다. 시퀀스 생성기(Sequence generator)는 PN 생성기이다.
마. ADC(Analog Digital Converter)
대역제한된 아날로그 신호는 나이키스트 샘플링 주파수 이상의 샘플링 주파수로 동작하는 A/D 변환기를 거쳐 샘플링 및 양자화된 디지털 출력신호를 발생시킨다. 도 1에는 ADC가 상관기 후단에 배치된 것으로 도시되었으나, ADC의 위치는 상 관기의 전단에도 배치될 수 있다. 즉, 상관기가 아날로그 형이면 도 1에서와 같이 상관기의 후단에 배치되고, 상관기가 디지털 형이면 상관기의 전단에 배치된다.
A/D 변환에서 아날로그 신호를 양자화를 시킬 때 입력신호
Figure 112005063167259-PAT00005
와 양자화된 출력신호
Figure 112005063167259-PAT00006
간에 아래와 같이 양자화 잡음
Figure 112005063167259-PAT00007
이 발생된다.
Figure 112005063167259-PAT00008
따라서, A/D 변환을 할 때는 도 2에 도시된 바와 같이 입력신호의 동적 구간(dynamic range)를 양자화기의 동적 구간에 맞추기 위해 앞단에 자동 이득 제어기(Automatic Gain Controller; AGC)를 삽입하여 사용한다.
바. 직접 대역 확산기(Direct Spread Spectrum)
전송 되어질 심볼은 PN-code와 곱셈되어 신호의 대역이 확산된다. 입력된 신호 심볼 속도는 수배 내지 수십 배 빠른 속도의 신호를 출력하게 된다.
사. 신호처리모듈
1)변조기, 복조기
입력신호를 전송하기 위하여 입력 데이터의 따라 신호의 크기를 이용하여 변조하는 AM(amplitude modulation), 신호의 시간을 이용하여 변조하는 PPM(Pulse Position Modulation), 위상을 이용하여 변조하는 PM(Phase Modulation), 주파수를 변이시키는 FSK(Frequency Shift Keing), 및 이들을 혼합하여 신호를 변조하는 방식이 있다. 복조는 변조의 역 수순으로 실행하여 수신된 위상, 크기, 등으로부터 전송한 신호를 복원한다.
2) 채널 추정기(Channel estimator)
채널 추정기는 입력신호를 이용하여 채널의 위상과 이득을 예측하여 예측 값들을 Rake 상관기로 보내준다.
채널 추정 기법은 여러 가지가 있으나, 그 중 파일롯 심볼 이용(Pilot Symbol Assisted; PSA) 채널 추정 기법을 예로 들어 설명하면 다음과 같다. 하나의 슬롯은 N(=Np+Nd)개의 심볼로 구성되는데, 앞부분에 Np개의 파일럿 심볼을 삽입하고 나머지 Nd개를 데이터 심볼을 삽입하며, 미리 알고 있는 Np개의 파일럿 심볼을 이용하여 수신부에서 각 경로의 채널계수를 예측한다.
L개의 다중경로가 존재하는 채널에서의 각 경로의 채널계수가
Figure 112005063167259-PAT00009
일때 수신신호를 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112005063167259-PAT00010
여기서, s(t)는 송신신호,
Figure 112005063167259-PAT00011
는 잡음신호를 나타낸다.
수신기에서, l번째 경로의 n번째 슬롯에 대한 채널예측 계수
Figure 112005063167259-PAT00012
는 Np개의 수신 파일롯 심볼을 아래의 수학식 5를 이용하여 평균화함으로서 구할 수 있다.
Figure 112005063167259-PAT00013
여기서
Figure 112005063167259-PAT00014
은 n번째 슬롯의 m번째 심볼에 대한 matched filter출력 신호이다.
3) Rake 상관기
Rake 상관기는 채널 추정기에서 보내는 채널의 주파수와 위상정보를 이용하여 수신된 UWB 펄스와 템플릿 펄스 생성기로부터 생성되는 템플릿 펄스를 동기시켜 두 신호 간의 상관 값을 계산해낸다. Rake 상관기는 W[Hz]의 대역폭을 가지는 PN 코드로 주파수 확산된 광대역 신호를 1/W (=TC)의 시간차로 상관기를 통해 수신하게 되면 독립적으로 채널에 영향을 받은 협대역 신호들을 얻을 수 있다. Rake 상관기는 이렇게 얻은 각 경로의 신호들을 최대비 합성(Maximal Ratio Combining; MRC)을 함으로써 판정기에서 신호 대 잡음비를 최대로 해줄 수 있다.
상관을 취할 때 시퀀스 동기를 맞추어야 하는데, 시퀀스 동기 방식 중 단일적분 직렬 동기 획득 방식의 예를 들어 보면, 도 3에 도시된 바와 같이 수신기에 수신신호와 수신기의 시퀀스를 곱한 다음, 이것을 LTc만큼 적분하고나서 임계치와 비교하는 방식을 취한다. 이때, 적분된 값이 임계치보다 크게 되면 동기획득이 선언되고, 그렇지 않으면 다음 시퀀스의 위상으로 탐색을 진행한다. 이때, 탐색시간은 Tmax=2NcLTc이고, Nc는 시퀀스의 길이를 나타낸다.
4) 템플릿 펄스 생성기(Template pulse generator)
템플릿 펄스 생성기는 클록 제어기, 시퀀스 생성기에 의해 제어되어 수신기의 상관신호로 이용되는 펄스를 생성해낸다.
5) 디인터리버
Rake 상관기로부터의 출력은 디인터리버를 통과하여 심볼열들을 출력해낸다. 컨벌루션 디인터리버는 송신기의 컨벌루션 인터리버의 역의 과정을 수행하도록 구성한다.
6) 비터비 디코더
비터비 디코더는 송신기의 컨벌루션 인코더에 대응되며, 디인터리버 출력을 비터비 디코더 입력신호로 이용하여 비터비 알고리즘에 의한 복호과정을 거치고 데이터 비트들을 복원해낸다.
7) 디스크램블러(Descrambler)
디스크램블러는 송신부에서 사용한 스크램블러와 동일한 생성 다항식을 갖는 PRBS 발생기를 이용하여 스크램블 동작의 역의 과정을 수행하여 Rb[bps] 정보 데이터를 복원해낸다.
8) 확산코드 발생기
확산코드 발생기는 트롤 클럭에 동기되어 랜덤한 신호를 발생한다. 발생된 코드는 각 코드사이에 직교성을 가지며 자기 상관시에는 최대의 전력값을, 교차 상관시에 신호는 잡음과 같은 전력특성을 갖는다.
이상 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명이 적용되는 UWB 송수신 시스템에 대하여 설명하였으며, 이하에서 본 발명의 특징적 구성에 대하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기의 구성도이다.
도시되듯이 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기는 RF 전단부(110a 또는 110b)와, 신호 처리부(130a 또는 130b)와, 거리 측정 처리부(150a 또는 150b)를 포함한다.
도 5는 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기를 이용한 네트워크 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 5에 도시되듯이 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기를 이용한 네트워크 시스템은 하나 이상의 호스트 단말기(PNC1 내지 PNCN)와 하나 이상의 슬레이브 단말기(DEV1-1 내지 DEV3-N3)를 포함하고 있다.
도 4를 참조로 하면, 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기는 호스트 단말기(PNC)와, 슬레이브 단말기(DEV)로 각각 도시되어 있다. 또한 호스트 단말기(PNC)로 사용되는 저전력 소비형 초광대역 송수신기는 디스플레이부(170)를 더 포함할 수 있다. 호스트 단말기(PNC)는 거리 측정을 위한 신호를 전송하는 UWB 송수신기이며, 슬레이브 단말기(DEV)는 호스트 단말기(PNC)로부터 거리 측정을 위한 UWB 신호를 수신받아 이에 대응하여 UWB 신호를 전송하는 UWB 송수신기이다.
도 4에 도시되듯이, 호스트 단말기(PNC)와, 슬레이브 단말기(DEV)는 네트워크를 형성하며, 호스트 단말기(PNC)와, 슬레이브 단말기(DEV)는 네트워크 내에서 동적으로 변경될 수 있다. 또한 도 5와 같이 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기를 이용한 네트워크 내에는 하나 이상의 호스트 단말기(PNC1 내지 PNCN)와 하나 이상의 슬레이브 단말기(DEV1-1 내지 DEV3-N3)를 포함하지만, 이하 설명의 편의를 위해서 하나의 호스트 단말기(PNC)와, 하나의 슬레이브 단말기(DEV)만을 도시하며, 구분이 필요로 하는 경우는, 호스트 단말기(PNC1)와, 슬레이브 단말기 (DEV1-1) 등으로 표시한다.
이하 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기 및 이를 이용한 네트워크 시스템의 구성을 상세히 설명한다.
RF 전단부(110a 또는 110b)는 안테나를 통하여 방사되는 신호를 처리하는 부분이다.
UWB 신호의 전송시에는 펄스 또는 전송 신호를 발생하여 이용이 허가된 대역에 적합하도록 필터로 정형(shaping)한다. 정형된 신호는 증폭기에 보내져 안테나를 구동할 수 있는 신호로 증폭된다. 증폭된 신호는 안테나를 통하여 공중으로 방사된다.
UWB 신호의 수신시에는 안테나부터 받은 신호를 필터링(정형)한 후 신호대 잡음비(SNR)를 개선하기 위해 저잡음 증폭기로 전송된다. 증폭된 신호는 하향 변환되어 주파수 천이를 수행한 후, ADC로 보내져 디지털 신호로 변환된다.
전송된 UWB 신호의 검출(detection)과 동기는 아날로그 방식 또는 디지털 방식으로 처리될 수 있으며, 수신된 UWB 신호의 계산은 코히런트(coherent) 방식, 비(Non)-코히런트방식, 지연(Delayed) 코히런트 방식을 이용하여 수행될 수 있다.
신호 처리부(130a 또는 130b)는 디지털 변환된 신호의 동기를 확보하고 신호의 크기, 전력 등 신호 감지를 위한 신호 처리를 수행한다.
수신된 신호는 변조, 복조를 실행한 후, 에러 정정 블록을 거쳐 에러를 복구한다. 호스트 단말기(PNC)의 송신 신호의 전송 시점과 슬레이브 단말기(DEV)로부터 수신된 신호의 수신시점을 감지하여 시간차를 구하게 된다.
거리 측정 처리부(150a 또는 150b)는 거리 측정을 송신 신호의 구성과 신호들의 전송 주기 등의 파라미터를 결정한다. 다수의 호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV)가 있는 경우, 호스트 단말기(PNC)들 사이 또는 슬레이브 단말기(DEV)들 사이 또는 호스트 단말기(PNC)들과 슬레이브 단말기(DEV)들 사이의 구성 등을 결정하고 거리 측정을 위한 신호의 송신 시점과 수신 시점으로부터 거리를 계산하게 된다.
디스플레이부(170)는 호스트 단말기(PNC)에 추가적으로 포함될 수 있으며, 거리 측정 처리부(150)에서 계산된 거리를 디스플레이한다. 디스플레이부(170)는 개별의 슬레이브 단말기(DEV)와 호스트 단말기(PNC) 사이 또는 이들 사이의 거리를 각각 디스플레이하도록 구성될 수 있다.
호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV) 사이의 통신 또는 각 슬레이브 단말기(DEV) 사이의 통신, 호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV) 사이의 통신을 위해 전송되는 UWB 신호는 단일 펄스 또는 복수의 펄스가 보내 질 수 있다. 또한 UWB 신호는 PSK 변조, CDMA 변조 등이 수행 되거나 변조되지 않은 신호를 사용하는 것이 가능하다. 또한 패킷화(packetizing)되어 패킷 단위로 전송되거나 패킷화되지 않고 전송 되어질 수 있다.
패킷화되어 패킷 단위로 UWB 신호를 전송하는 경우는 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기에 있어서 거리 측정을 위한 패킷 구성을 나타내는 도면이다.
도시되듯이, 호스트 단말기(PNC) 등 각 단말기들에서 레인징을 위해서 구성 되는 패킷은 동기를 위한 프리앰블(Preamble)과, 물리적(PHY) 정보를 나타내는 헤더(Header)와, 페이로드(Payload) 데이터를 포함한다. 또한 슬레이브 단말기(DEV)의 ID를 구별하기 위한 데이터 필드(ID)를 더 포함할 수 있다. 각 데이터 필드의 크기는 호스트 단말기(PNC), 슬레이브 단말기(DEV)를 포함하는 시스템에 따라서 일정한 형태로 결정된다.
패킷 구성에서 프리앰블은 수신된 신호의 동기, 수신 채널의 상태, 프레임의 동기를 위한 정보들을 포함한다.
헤더는 MAC 헤더와 PHY 헤더 등을 포함하며, MAC 헤더는 전송 전력, 데이터 전송율(Transmission rate) 등 호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV) 사이의 네트워크 구성에 대한 정보를 포함한다. PHY 헤더는 물리적인 에러 정정 인코딩, 디코딩 방식 등의 물리계층에 관련된 정보를 포함한다.
페이로드는 데이터 부분으로서, 보내질 정보, 또는 거리 측정을 위한 신호 등을 포함한다.
도 7은 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기에 있어서 거리 측정을 위한 처리(ranging processing)를 나타내는 도면이다.
도시되듯이 거리를 측정하기 위해서 호스트 단말기(PNC)에서는 UWB 신호를 슬레이브 단말기(DEV)로 전송하게 된다. UWB 신호는 도 6를 참조로 설명한 패킷을 기초로 구성한 신호일 수 있으며, 또는 패킷화되지 않은 신호일 수 있다.
슬레이브 단말기(DEV)는 호스트 단말기(PNC)로부터 전송되는 UWB 신호를 수신한 후 일정 시간 후에 다시 호스트 단말기(PNC)로 UWB 신호를 전송한다. 호스트 단말기(PNC)는 슬레이브 단말기(DEV)로부터 전송된 UWB 신호의 수신 시점을 확인하고, 호스트 단말기(PNC)에서 UWB 신호를 전송한 시점과 이 신호가 슬레이브 단말기(DEV)에 도착한 시점과, 전파의 이동 속도, 송수신 사이의 시간차를 기초로 거리를 계산한다.
종래의 경우 호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV) 사이의 거리 측정을 위한 신호의 전송은 호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV) 각각이 이동하는 경우를 대비하여 일정한 시간 간격으로 이루어진다. 그러나 본 발명에 따라서 이러한 신호 전송 주기를 계산된 거리를 기초로 호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV) 사이의 거리가 기준값보다 가까우면 신호의 전송 주기를 줄이고 기준값보다 멀면 신호의 전송 주기를 증가시키는 것에 의해서 호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV)에서의 전력 소모를 줄일수 있다.
호스트 단말기(PNC)는 패킷 신호를 슬레이브 단말기(DEV)에 패킷 단위로 전송하거나 또는 시스템 형태 또는 네트워크의 구성 방식에 따라 다양한 형태로 거리 측정을 위한 신호를 전송한다.
슬레이브 단말기(DEV)는 호스트 단말기(PNC)에서 전송한 거리 측정을 위한 신호를 수신하여 자신의 ID와 일치 여부를 확인한다. 자신의 ID로 확인되면, 슬레이브 단말기(DEV)는 일정 시간 후에 해당되는 슬레이브 단말기(DEV) 자신의 정보(ID 등)를 포함하는 신호를 호스트 단말기(PNC)에 전송하게 된다.
호스트 단말기(PNC)는 슬레이브 단말기(DEV)로부터 전송된 신호를 수신하면, 해당 슬레이브 단말기(DEV)로부터 전송된 신호의 수신 시점과 자신이 전송한 신호 의 전송 시점과 수신 시점을 지초로 시간 차이를 계산한다.
도 8 내지 도 9는 본 발명에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기에 있어서 호스트 단말기와 슬레이브 단말기 사이의 거리 측정을 위한 신호 송수신을 나타내는 도면이다.
도 8에 도시되듯이, 호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV) 사이의 거리 측정을 위한 신호 전송은 1회만 전송될 수 있다. 또는 도 9에 도시되듯이, 동일한 신호를 반복적으로 전송할 수 있다. 또한 정밀을 요하는 경우 반복적으로 신호를 전송하여 전파의 지연 시간을 평균하여 전파 지연 시간의 정확도를 개선할 수 있다.
다음 수학식 6는 호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV) 사이의 송수신 신호의 전송 시간을 계산하기 위한 수학식으로, 도 8에 도시된 하나의 펄스 또는 패킷을 사용하는 경우의 전송 시간 계산을 위한 수학식이다..
Figure 112005063167259-PAT00015
여기서, TPD는 호스트 단말기(PNC)로부터 슬레이브 단말기(DEV)로의 전파 시간이며, TDP는 슬레이브 단말기(DEV)로부터 호스트 단말기(PNC)로의 전파 시간이며, TReply는 슬레이브 단말기(DEV) 내에서의 응답 시간이다.
또한 다음 수학식 7은 호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV) 사이의 송수신 신호의 전송 시간을 계산하기 위한 수학식으로, 도 9에 도시된 N개의 펄스 또는 패킷을 사용하는 경우의 전송 시간 계산을 위한 수학식이다.
Figure 112005063167259-PAT00016
여기서, TPD1 내지 TPDN는 호스트 단말기(PNC)로부터 슬레이브 단말기(DEV)로의 N개의 펄스 또는 패킷 각각의 전파 시간이며, TDP1 내지 TDPN는 슬레이브 단말기(DEV)로부터 호스트 단말기(PNC)로의 N개의 펄스 또는 패킷 각각의 전파 시간이며, TReply는 슬레이브 단말기(DEV) 내에서의 응답 시간이다.
수학식 8 또는 수학식 9는 호스트 단말기(PNC) 또는 슬레이브 단말기(DEV) 사이의 거리 측정을 위한 식이다.
D = C×Δt
D = C×Δt'
여기서 D는 호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV) 사이의 거리를 나타내며, C는 전파의 이동 속도, Δt는 하나의 펄스 또는 패킷을 사용하는 경우 호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV) 사이의 전파 시간이며, Δt'는 복수의 펄스 또는 패킷을 사용하는 경우 호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV) 사이의 전파 시간이다.
이와 같은 과정을 통하여 호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV) 사이에 같은 주기로 경우에 따라 N회 반복하여 평균 시간을 구한 후 거리를 계산하게 된다.
이와 같은 거리 측정을 기초로 호스트 단말기(PNC)와 슬레이브 단말기(DEV) 사이에 송수신되는 신호의 전송 주기를 동적으로 변화시킬 수 있다.
예컨대 도 5를 참조로 하면, 호스트 단말기(PNC1)와 슬레이브 단말기(DEV1-1) 사이의 거리가 기준값보다 가까우면 거리 측정을 위한 송수신 신호의 전송 주기를 감소하고, 기준값보다 멀어지면 송수신 신호의 전송 주기를 증가한다. 즉 호스트 단말기(PNC)에서 슬레이브 단말기(DEV1, DEV2, ... DEVn) 각각으로 전송되는 신호의 송수신 주기가 거리 변화에 따라 동적으로 변화하여 시스템의 전송 전력 소모를 감소할 수 있다.
호스트 단말기, 슬레이브 단말기 등의 단말기들 사이의 송수신 주기의 변화는 도 8 또는 도 9에 도시되듯이 지정된 호스트 단말기(PNC)와 지정된 하나의 슬레이브 단말기(DEV1, DEV2, ... DEVn) 사이의 신호 전송 주기를 변화(즉 도 8 또는 도 9에서 Δt 또는 Δt'를 변화하거나 또는 전송되는 신호의 회수를 변화함)할 수 있으며, 또한 지정된 호스트 단말기(PNC)와 지정된 하나의 슬레이브 단말기(DEV1, DEV2, ... DEVn)에서 다른 슬레이브 단말기들로 신호를 송수신하는 주기를 변화할 수 있다. 즉 도 9에서 주기 TR을 변화할 수 있다.
도 8에서 T1은 호스트 단말기(PNC)에서 신호를 전송한 시점, T2는 슬레이브 단말기에서 전송된 신호를 호스트 단말기(PNC)에서 수신한 시점을 의미한다.
다시 도 5를 참조하면, 전술하였듯이 네트워크 시스템 내에는 하나 이상의 호스트 단말기(PNC1 내지 PNCN)와 하나 이상의 슬레이브 단말기(DEV1-1 내지 DEV3-N3)를 포함하고 있다. 이러한 네트워크 시스템 구성에 있어서, 각 호스트 단말기와 슬레이브 단말기 사이의 거리를 기초로 신호의 전송 주기 또는 전송 회수를 변경할 수 있다.
예컨대 도 5에서 호스트 단말기 1(PNC1)과 슬레이브 단말기(DEV1-3) 사이의 거리 측정을 위한 신호의 송수신을 통하여 거리(r1-3)를 도출할 수 있으며, 이에 따라 호스트 단말기 1(PNC1)과 슬레이브 단말기(DEV1-3) 사이의 신호 송수신 주기 또는 전송 회수를 동적으로 변화시킬 수 있다.
도 5에서 예컨대 r1-23은 슬레이브 단말기(DEV1-2)와 슬레이브 단말기(DEV1-3) 사이의 거리를 나타내며, r1-1은 호스트 단말기 1(PNC1)과 슬레이브 단말기(DEV1-1) 사이의 거리를 나타낸다. 또한 rhh12는 호스트 단말기 1(PNC1)과 호스트 단말기 2(PNC2) 사이의 거리를 나타낸다.
이러한 네트워크 시스템 구성은 각 호스트 단말기(PNC1 내지 PNCN)의 정보가 다른 호스트 단말기(DEV1-1 내지 DEV3-N3)에 연결되어 거리를 계산될 수 있을 뿐 아니라, 슬레이브 단말기(DEV1-1 내지 DEV3-N3) 사이에 연결되어 통신, 정보 교환, 거리 측정 등이 가능하다. 측정된 거리를 기초로 호스트 단말기(PNC1 내지 PNCN)와 슬레이브 단말기(DEV1-1 내지 DEV3-N3) 사이, 또는 호스트 단말기(PNC1 내지 PNCN) 사이, 또는 슬레이브 단말기(DEV1-1 내지 DEV3-N3) 사이의 거리에 따라 거리 측정을 위한 신호의 전송 횟수를 감소하거나 증가하는 것에 의해서 또는 거리 측정을 위한 신호를 비주기적으로 전송하도록 구성함으로써 전송 전력을 감소할 수 있으며, UWB 시스템의 부하를 줄일 수 있다.
또한 호스트 단말기(PNC1 내지 PNCN)와 슬레이브 단말기(DEV1-1 내지 DEV3-N3)는 네트워크 시스템 내에서 동적으로 설정될 수 있다. 즉 예컨대 전원 잔량 등의 시스템 정보를 네트워크 시스템 내에 포함된 단말기들 사이에 교환하여 그 중에서 전원 잔량이 가장 많은 단말기를 호스트 단말기로 설정할 수 있다. 이러한 호스트 단말기와 슬레이브 단말기의 동적인 구성을 통하여 효율적인 네트워크 시스템 운영이 가능하다.
이상 첨부 도면과 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 구체적으로 설명하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 당업자라면 다양한 변형과 변경을 용이하게 행할 수 있을 것이다. 예컨대, 따라서 본 발명의 보호 범위는 이하의 특허청구범위의 해석에 의하여 정하여져야 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 UWB 송수신기 사이에서 거리 측정을 위한 신호를 일정한 주기로 보내는 대신 계산된 거리에 따라 거리 측정을 위한 신호의 송신 주기를 동적으로 조절하거나 또는 거리 측정을 위한 신호의 전송 회수 를 동적으로 조절하여 전송 전력을 감소할 수 있다.

Claims (12)

  1. 안테나를 통하여 다른 단말기와의 거리 측정을 위한 신호 또는 데이터 통신을 위한 신호를 전송하거나 수신하는 RF 전단부와,
    상기 거리 측정을 위한 신호 또는 상기 데이터 통신을 위한 신호의 송신 또는 수신을 위한 신호 처리를 수행하는 신호 처리부와,
    상기 거리 측정을 위한 신호를 구성하고 상기 신호 처리부의 신호 처리 결과를 기초로 상기 다른 단말기와의 거리를 계산하며 상기 계산된 거리를 기초로 상기 거리 측정을 위한 신호 또는 상기 다른 단말기와의 데이터 통신을 위한 신호의 전송 주기 또는 전송 회수를 동적으로 조절하는 거리 측정 처리부
    를 포함하는 저전력 소비형 초광대역 송수신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 거리 측정을 위한 신호는 단일 펄스 또는 복수의 펄스로 구성되는 것인 저전력 소비형 초광대역 송수신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 거리 측정을 위한 신호는 PSK 또는 CDMA 변조되어 송신 또는 수신되는 것인 저전력 소비형 초광대역 송수신기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 거리 측정을 위한 신호는 패킷화(packetizing)되어 송신 또는 수신되는 것인 저전력 소비형 초광대역 송수신기.
  5. 제5항에 있어서,
    상기 패킷화된 거리 측정을 위한 신호는 상기 다른 단말기에서 자신에 해당되는 신호인 것을 식별하기 위한 데이터 필드를 포함하는 것인 저전력 소비형 초광대역 송수신기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 거리 측정 처리부는 상기 계산된 거리가 기준값보다 작은 경우 상기 거리 측정을 위한 신호 또는 상기 데이터 통신을 위한 신호의 전송 주기를 미리 설정된 기준 전송 주기보다 감소시키고, 상기 계산된 거리가 기준값보다 큰 경우 상기 거리 측정을 위한 신호 또는 상기 데이터 통신을 위한 신호의 전송 주기를 상기 기준 전송 주기보다 증가시키는 것인 저전력 소비형 초광대역 송수신기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 거리 측정 처리부는 다수의 상기 거리 측정을 위한 신호 각각에 따라 계산된 거리를 평균하여 상기 다른 단말기와의 거리를 계산하는 것인 저전력 소비형 초광대역 송수신기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 거리 측정 처리부는, 상기 거리 측정을 위한 신호를 송신한 시점과 상기 거리 측정을 위한 신호에 대한 응답을 상기 다른 단말기로부터 수신한 시점과 상기 다른 단말기 내에서의 신호 처리 시간을 기초로 상기 다른 단말기와의 거리를 계산하는 것인 저전력 소비형 초광대역 송수신기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 거리 측정 처리부에서 계산된 상기 다른 단말기와의 거리를 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 저전력 소비형 초광대역 송수신기.
  10. 저전력 소비형 초광대역 송수신기를 이용한 네트워크 시스템으로서,
    제1항 내지 제9항중 어느 한 항에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기로서 거리 측정을 위한 신호를 송신하는 하나 이상의 호스트 단말기와,
    제1항 내지 제9항중 어느 한 항에 따른 저전력 소비형 초광대역 송수신기로서 상기 거리 측정을 위한 신호를 수신하여 이에 대응하는 신호를 상기 호스트 단말기에 송신하는 하나 이상의 슬레이브 단말기
    를 포함하는 저전력 소비형 초광대역 송수신기를 이용한 네트워크 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 호스트 단말기 또는 상기 슬레이브 단말기는 상기 네트워크 시스템 내에서 동적으로 설정될 수 있는 것인 저전력 소비형 초광대역 송수신기를 이용한 네트워크 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 호스트 단말기 또는 상기 슬레이브 단말기의 설정은 상기 호스트 단말기 또는 상기 슬레이브 단말기의 시스템 정보를 기초로 설정되는 것인 저전력 소비형 초광대역 송수신기를 이용한 네트워크 시스템.
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KR100737811B1 (ko) * 2006-09-30 2007-07-10 전자부품연구원 듀얼모드 유더블유비 신호 수신장치 및 신호 수신방법
KR101104181B1 (ko) * 2009-10-20 2012-01-12 삼성에스디에스 주식회사 위치 추적용 무선 단말기와 이를 이용한 위치 추적 시스템
US11399372B2 (en) 2019-03-19 2022-07-26 Samsung Electronics Co., Ltd Electronic device providing periodic positioning communication via wireless communication channel

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