KR20080112378A - 전력선 및 무선 주파수를 통해 통신하는 지능형 장치의 메쉬 네트워크 - Google Patents

전력선 및 무선 주파수를 통해 통신하는 지능형 장치의 메쉬 네트워크 Download PDF

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Abstract

전력선 또는 무선 주파수 대역과 같은 하나 이상의 공유 물리적 매체 상에서 저렴한 지능형 제어 및 통신 장치들이 상호 통신하도록 배열된다. 어떠한 장치도 마스터, 슬레이브 또는 중계기의 역할을 수행할 수 있기 때문에, 네트워크 컨트롤러는 필요가 없다. 더 많은 장치를 추가 구성함으로써 통신 재전송 및 재시도를 위한 간단한 프로토콜에 의해 시스템이 보다 강해진다.
통신 모듈, 모듈 어드레스, 메시지 플래그, 커맨드 필드, 수신자 어드레스, 발신자 어드레스, 최대 재전송 카운트값, 현재 재전송 카운트값, 메시지 검사기, 데이터 필드

Description

전력선 및 무선 주파수를 통해 통신하는 지능형 장치의 메쉬 네트워크{MESH NETWORK OF INTELLIGENT DEVICES COMMUNICATING VIA POWERLINE AND RADIO FREQUENCY}
본 발명은 네트워크 콘트롤러를 필요로 하지 않고 하나 이상의 물리적 매체상에서 상호 통신하는 지능형 장치에 관한 것이다.
저가의 장치중에서 통신장치는 많은 응용분야에서 유용하게 사용된다. 예컨대, 가정환경에서 실내 점유센서, 전등 스위치, 램프 조광기 및 인터넷 게이트웨이는 통신 상태에 있을 경우 모두 함께 작동할 수 있다. 원격 컴퓨터상에서 실행되는 프로그램에 의해 설정된 상황에 따라 사람들이 있을 때는 방에 조명이 켜지거나 알람이 울릴수 있다.
통신 장치의 네트워크는 서로 다른 많은 물리적 통신매체를 사용하여 구성될 수 있다. 광섬유, 동축 케이블, 연선, 및 기타 구조적 배선(structured wiring)은 상대적으로 고성능의 PC 근거리 네트워크, 프린터 및 기타 다른 컴퓨팅 장치에 공 통적으로 사용된다. 적외선 신호들은 휴대용 원격 제어기와 같이 일인용 방안에서 단거리에서 사용될 수 있다. 휴대폰, 호출기 및 장거리 마이크로웨이브 통신장치들은 허가된 무선 주파수(RF) 대역을 사용한다.
이들 물리적 매체는, 가정과 같이 기존의 건물내에서 저가 장치의 네트워크를 구축하기 위해 사용될 경우, 단점을 갖는다. 구조적 배선은 이미 구성된 대부분의 가정에서는 존재하지 않고, 이 구조적 배선의 추가설치는 붕괴를 야기시킬 수 있고 비용이 많이 든다. 적외선 신호는 집 전체를 커버하지 못한다. 허용된 RF 신호는 통상 사용자의 가입비 지불를 필요로 한다.
기존의 전력선 배선 및 비허가된 RF 신호 대역은 이들 문제점을 갖고 있지 않다. 이들은 어디에나 산재해 있고 어느 누군가에 의해 자유롭게 사용될 수 있다. 그러나, 이들은 다른 문제점을 지니고 있다. 전력선상의 장치는 실질적인 잡음의 존재, 전력선에 의해 동력을 공급받는 장비에 의한 감쇄, 및 장치들간에 가능한 간섭에도 불구하고 통신이 가능하다. 비허가된 RF 신호 대역을 사용하는 장치는 저 전력을 방출하고 있고, 비허가된 주파수 대역은 종종 여러명의 사용자들에 의해 혼용된다.
전력선상에서 통신하는 많은 기존의 장치들은 X10(미국특허 제4,200,862 참조하기 바람, 1980년 4월 28일자 특허됨)로 알려진 프로토콜을 사용한다. 전력선 제로-크로싱(zero-crossing)에 동기화된 저진폭의 120 KHz 사이클 버스트(burst)를 사용하여 시그널링이 달성된다. 대부분의 X10 장치는 송신 또는 수신을 할 수 있지만, 이 두 가지 기능을 동시에 수행할 수는 없다. X10 송신기는 확인 답 변(confirmation reply)을 예상하지 않고 커맨드(command)를 송신함으로써, 대부분의 제어는 개방 루프(open-loop)가 된다. 사용자들은 통상적으로 수신장치 상에 기계적 "하우스 코드(house code)" 및 "유닛 코드(unit code)" 스위치를 수동으로 세팅함으로써 X10 시스템을 구성해야 한다.
RF-대-X10 변환중계 장치(translation devices)의 추가구성으로 인해, RF 휴대형 원격 제어기에서 발생되는 커맨드를 통해 전력선상의 X10 수신기를 작동시킬 수 있다. RF 중계장치는 이러한 시스템의 범위를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. RF 원격 제어 시그널링 프로토콜은 통상 X10 시그널링 프로토콜과는 무관하고, 적외선 무선 제어기에 의해 사용되는 시그널링 프로토콜에 더 가깝다.
기본적인 X10 장치의 개량장치는 시장에서 입수가능하다(Smarthmepro Catalog, 63D, spring 2004 참조할 것). 필요시 커맨드 및 재시도(commands and retries)의 확인을 포함하는 양방향 통신으로 인해 훨씬 더 신뢰성 있는 성능이 가능하다. 중계기(repeaters) 및 페이즈 브릿지(phase bridges)는 신호 감쇄 문제점을 해결할 수 있다. 시스템 컨트롤러와 함께 EEPROM과 같은 비휘발성 기억장치를 사용함으로써 시스템의 셋업을 단순화시킬 수 있다.
확산 스펙트럼 기술(spread-spectrum technology)을 이용하는 전력선 및 RF 시그널링은 협대역 X10 시그널링 보다 속도가 더 빠르고 신뢰도가 더 높다. 1992년 2월 18일자로 특허허여된 미국특허 제5,090,024호에는 상기한 시스템이 개시되어 있고, 1998년 7월 7일자로 특허허여된 미국특허 제5,777,544호에는 협대역 시그널링과 조합된 확산 스펙트럼이 개시되어 있다.
확산 스펙트럼 신호의 인코딩 및 디코딩 과정은 협대역 과정보다 더 복잡하며, 복잡도가 높다는 것은 상대적 비용이 높다는 것을 의미한다.
물리적 매체상에서 시그널링에 사용되는 방법과는 상관없이, 다중 장치를 포함하는 시스템은 상호 간섭(mutual interference)의 문제를 처리해야 한다. 이러한 문제점에 대한 많은 해결책은 공통적으로 사용되고 있다.
주파수 분할 멀티플렉싱(FDM)에 있어서, 협대역 장치는 이용가능한 스펙트럼내의 서로 다른 대역으로 동조함으로써 통화를 유지한다. 확산 스펙트럼 시스템은 코드 분할 멀티플렉싱(CDM)을 위한 서로 다른 확산 시퀀스를 사용하거나, 서로 다른 주파수-호핑 패턴(frequency-hopping patterns)을 사용할 수 있다. 이들 방법을 사용하여 네트워크의 각 장치는 모든 다른 장치와 연결하는 방법을 구체적으로 인지해야 한다. 모든 장치에 대한 즉각적인 방송은 가능하지 않다.
모든 장치가 동일한 통신 채널을 공유하는 과정은 덜 복잡하고 더 일반적이다. 전력선상에서 또는 RF 대역내에서의 협대역 통신은 주파수 변환 방법(frequency-agile methods)에 비해 비용이 덜 든다. 장치 간섭(device interference)은 통상 시분할 멀티플렉싱(TDM) 방식 또는 반송파 감지형 다중 액세스(carrier-sense multiple access:CSMA) 방식을 사용하여 관리된다.
TDM 방식은 매체상의 각 장치로 하여금 데이트를 특정 타임슬롯 내에서만 송신하도록 한다. 타임슬롯은 여러가지 방식으로 할당될 수 있다.
IEEE802.5 토큰 링 네트워크(token ring networks)는 토큰이라 불리는 특수 패킷을 통과하여 송신하고자 하는 장치로 타임슬롯을 동적 할당한다. 장치는 토큰 을 소유할 때만 송신할 수 있다. 송신이 완료된 후, 장치는 다음번 장치로 토큰을 방출한다. 상기 네트워크의 보다 완전한 설명을 보기 위해서는 http://www.pulsewan.com/data101/token ring basics.htm을 참조할 것.
Lutron Electronics Company에 양도된 미국특허 제5,838,226호, 제5,848,054호, 제5,905,442호, 및 제6,687,487호에는 RF와 전력선을 통해 통신하는 마스터, 슬레이브 및 중계기를 포함하는 조명 제어 시스템(lighting control system)이 개시되어 있다.
특히, 다수개의 RF 중계장치가 시스템에 설치되어 시그널링 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 상호간에 간섭하는 중계기들의 문제점을 해소하기 위해, Lutron의 상기 특허에서는 설치 작업자가 한 중계기는 메인 중계기로 나머지 중계기들은 제 2, 제 3 및 후속 중계기들로서 설치해야 한다. 이러한 중계기 지정은 각 중계기에 대한 엄격한 타임슬롯 할당에 해당함으로써, 소정의 중계기는 그 각각의 사전 할당된 타임슬롯 동안에만 송신이 허용된다. 더욱이, 시스템내의 다중 슬레이브 장치는 이들의 상태를 마스터 컨트롤러에 다시 송신할 수 있다. 또한, 이들 슬레이브 장치는 각 장치의 설치 과정중에 설정된 타임슬롯을 사용한다.
CSMA 네트워크는 리슨-비포-토크 규칙(전송-전-수신 규칙:listen-before-talk rule)에 근거한다. 토커(talker)는 메시지를 짧은 패킷들로 분할한다. 이때, 상기 토커는 패킷을 전송하기 전에 고요상태에 있게 될 매체에 대해 수신한다. 그럼에도 데이터 충돌은 여전히 발생할 수 있음으로 인해, CSMA-CD-CR(충돌 감지, 충돌 해결) 방법이 종종 구현된다. 충돌 감지 방법은 패킷 어드레스에 의해 송신 된 특수 확인응답/비확인응답(ACK/NAK:acknowledge/non-acknowledge) 패킷을 사용한 폐쇄 루프 통신을 포함할 수 있다. 충돌 해결 방법은 무작위 지연(random delay)후 전송 재시도(transmission retry)를 포함할 수 도 있다.
TDM 및 CSMA 시스템의 목적은 단 하나의 장치로 하여금 소정 시간에 이용가능한 통신 채널을 이용하도록 하는데 있다. 따라서, 채널상의 신호 강도는 어떤 신호 장치가 현재 전송중인지에 좌우된다.
본 발명의 목적은 단순하고 저렴한 장치들로 하여금 전력선, 무선 주파수 대역 또는 이들 두 가지를 사용하여 네트워킹되도록 하는데 있다. 이들 장치는 동등한 장치(peers)인데, 이는 어떤 장치가 미스터 컨트롤러를 필요로 하지 않고 단순한 프로토콜에 따라 다른 메시지들을 전송, 수신, 또는 중계할 수 있다는 것을 의미한다. 프로토콜은 단일 매체상에 다중 장치들, 즉 더 많은 장치를 추가설치하여 여러 장치들 간의 통신이 더욱 강력하고 신뢰성있게 만든다. 전력선상에서 본 발명에 따른 장치들은 기존의 X10 장치의 성능과 호환성이 있을 뿐만 아니라, 그 성능을 향상시킨다.
본 발명은 다수의 통신 모듈로서, 그 각각의 통신 모듈은 메인 전력선과 무선주파수 상에서 메시지들을 송수신하는 회로를 포함하되, 상기 통신 모듈들 중 적어도 하나는 상이한 위상의 메인 전력선에 연결되어, 메인 전력선의 하나의 위상으로 전파되는 메시지들은 상기 무선주파수를 사용하여 릴레이된 후에 메인 전력선의 또 다른 위상으로 전파되는 것을 특징으로 한다.
전술한 설명으로부터 본 발명의 InsteonTM 제어 및 통신 장치와 InsteonTM 프로토콜을 사용한 통신 및 제어 시스템이 일부 전술한 장점과 나머지 본 발명의 고유한 장점을 포함하는 많은 장점을 가진다는 사실이 명백해질 것이다.
또한, 본 발명의 개시내용으로부터 벗어나지 않고 본 발명의 통신 및 제어 시스템에 대해 수정이 가해질 수 있을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 특허 청구의 범위에 의해 요구되는 바에 따라 제한될 뿐이다.
도면을 참조하면, 도 1은 본 발명의 개시에 따라 구성된 제어 및 통신 장치(이하에서는, InsteonTM 장치라 함-INSTEONTM은 출원인의 양수인의 상표임)의 네트워크를 도시한 블록 구성도이다. 대부분 전력은 북미지역의 건물 및 가정에 2상 220볼트 교류 전류(220 VAC)로서 일반적으로 분배된다. 건물의 메인 정션 박스(junction box)에서는 3선식 220 VAC 전력선이 페이즈(phase) 1 및 페이즈(phase) 2로 알려진 2개의 2선식 110 VAC 전력선으로 분할된다. 도 1에서, 페이즈 1은 참조부호 10으로 지정되고, 페이즈 2는 참조부호 11로 지정된다. 페이즈 1 배선은 통상 건물의 회로의 절반에 대해서 사용되고, 페이즈 2는 나머지 절반의 회로용으로 사용된다.
본 발명의 장치는 InsteonTM 장치로 지정될 것이다. InsteonTM 장치(20, 21, 22 및 23)는 전력선 페이즈(10,11)에 연결된 상태로 도시된다. InsteonTM 장치는 InsteonTM 전력선 프로토콜(30)을 사용하여 전력선상에서 상호 통신하며, 이는 차후에 상세히 설명될 것이다.
또한, X10 장치(51,52)가 전력선에 연결된 채로 도시된다. X10 장치는 X10 프로토콜(50)을 사용하여 전력선상에서 통신한다. InsteonTM 전력선 프로토콜(30)은 X10 프로토콜(50)과 호환가능한데, 이것은 InsteonTM 장치가 X10 프로토콜(50)을 사용하여 X10 장치로부터/에 수신/전송할 수 있다는 것을 의미한다. 그러나, X10 장치는 InsteonTM 전력선 프로토콜(30)에 민감하다.
InsteonTM 장치는 InsteonTM 장치(20, 21)의 경우와 같이 RF 통신 수단을 임의로 포함할 수도 있다. InsteonTM RF 장치는 InsteonTM RF 프로토콜(60)을 사용하여 다른 InsteonTM RF 장치와 통신할 수 있다. InsteonTM 전력선 프로토콜(30) 및 InsteonTM RF 프로토콜(60)를 사용할 수 있는 InsteonTM 장치는 단지 전력선을 통해 통신하는 장치의 중대한 문제점을 해결해준다. 대향하고 있는 전력선 페이즈(10,11)에서의 전력선 신호들은, 신호들이 전달되는 직접적인 회로 접속부가 존재하지 않기 때문에, 심하게 감쇄된다. 이러한 문제점에 대한 기존의 해결책은 페이즈 결합 장치를 정션 박스에서 하드와이어링(hardwiring) 방식으로 처리하거나 220 VAC 아울렛 속에 삽입하여 상기 페이즈 결합 장치를 전력선 페이즈사이에 연결하는 것이다. 본 발명에서는, InsteonTM 전력선 프로토콜(30) 및 InsteonTM RF 프로토콜(60)을 사용할 수 있는 InsteonTM 장치를 이용함으로써 이들 장치가 대향하고 있는 전력선 페이즈 위에 연결될 때 마다 전력선 페이즈 결합의 문제점이 자동으로 해결된다. 도 1에 도시된 바와 같이, InsteonTM 장치(20)는 전력선을 통해 전력선 페이즈 1(10)상의 모든 장치들과 통신할 수 있을 뿐만 아니라, 전력선을 통해 전력선 페이즈 2(11)상의 모든 장치들과도 통신할 수 있는데, 그 이유는 상기 InsteonTM 장치(20)가 전력선 페이즈 2(11)에 직접 연결되는 InsteonTM 장치(21)와 InsteonTM RF 프로토콜(60)을 통해 통신가능하기 때문이다.
InsteonTM 장치가 RS232, USB 또는 이더넷(Ethernet)과 같은 부가적인 전용 통신수단을 적절하게 장착하는 경우, 이 InsteonTM 장치는 컴퓨터 및 다른 디지털 장비와 인터페이싱할 수 있다. 도시된 바와 같이, InsteonTM 장치(20)는 시리얼 링크(70)를 사용하여 PC(71)와 통신할 수 있다. 시리얼 통신장치(70)는 InsteonTM 장치의 네트워크가 건물 내의 또 다른 비호환성 장치의 네트워크에 연결될 수 있게 해주고, 컴퓨터에 연결되도록 해주며 근거리 네트워크(LAN)상의 노드의 역할을 수행하도록 해주거나, 전세계 인터넷에 접속되도록 해주는 수단이다. 새로운 소프트 웨어를 InsteonTM 장치로 다운로드할 수 있는 능력과 결합되는 상기한 연결수단으로 인해, InsteonTM 장치의 네트워크는 제조 또는 설치시에 생각할 수 없는 기능을 포함한 매우 정교한 새로운 기능들을 수행할 수 있다.
도 2는 InsteonTM 메시지를 중계할 수 있는 다중 InsteonTM 장치가 신뢰성 있는 통신 네트워크를 구성하는 방법을 도시한 것이다. 도면에서, SignalLincTM 장치로 알려진 InsteonTM 장치(110,111)는 InsteonTM 전력선 및 InsteonTM RF 통신을 수행 할 수 있다. 장치(120,121,122 및 123)는 InsteonTM RF 통신을 수행 할 수 있다. 나머지 장치(31,32,33,34 및 40,41,42,43)는 InsteonTM 전력선 통신만을 수행 할 수 있다.
모든 InsteonTM 장치는 이하에서 상술되는 바와 같이, 본 발명에 따른 InsteonTM 프로토콜을 사용하여 InsteonTM 메시지를 중계할수 있다. 보다 많은 장치들을 부가함으로써 메시지가 전달될 이용가능한 경로의 수가 증가한다. 경로의 다양화로 인해 메시지가 의도된 목적지에 도착할 확률이 높아짐으로써, 네트워크내에 InsteonTM 장치가 많을 수록 더욱 유리하다.
일례로서, RF 장치(120)가 메시지를 RF 장치(123)에 전송하고자 하는 경우를 가정해 보지만, RF 장치(123)는 범위 밖에 위치한다. 그러나, 장치(120)의 범위내 에 있는 장치는 장치(110,121)이고, 이 장치가 메시지를 수신하여 이 장치의 범위 내에 있는 다른 장치로 중계할 것이기 때문에 이 메시지는 여전히 전송될 것이다. 도면에서, 장치(110)는 장치(121,111 및 122)에 도달할 수도 있고 장치(111,121)는 의도된 수신 장치(123)의 범위내에 있을 수 있다. 따라서, 메시지가 전달될 수 있는 방법은 여러 가지가 있다: 장치 120->121->123(2 홉(hops)), 장치 120->110->111->123(3 홉), 장치 120->110->121->111->123(4 홉)은 일부 예이다.
만약 메시지가 최종 수신지에 도달하기 위해 취할 수 있는 홉의 개수를 제한하기 위한 일부 메카니즘이 존재하지 않는다면, 메시지는 일련의 중첩 순환 루프형태로 네트워크 내에서 영원히 전파될 수도 있다. 메시지의 중계에 의한 네트워크 포화(network saturation)는 "데이터 스톰(data strom)"으로 알려져 있다. InsteonTM 프로토콜은 각각의 메시지가 4와 같은 일부 작은 수로 취할 수 있는 홉의 최대 개수를 제한함으로써 이러한 문제점을 해결할 수 있다.
도 2는 전력선 상에서의 경로의 다양화가 유익한 유사 효과를 어떻게 갖게 되는지를 보여준다. 예컨대, 도시된 바와 같이, 전력선 장치(40)는 신호 감쇄 문제 때문에 혹은 전기배선을 통한 직접 경로가 존재하지 않는다는 이유로 인해 장치(43)와 직접 통신이 가능하지 않을 수도 있다. 그러나, 장치(40)로부터 전송된 메시지는 장치 40->111->43을 통한 경로 (2 홉), 또는 장치 40->41->111->43을 통한 경로 (3 홉), 또는 장치 40->41->42->43을 통한 경로 (4 홉)를 취함으로써 장치 (43)에 여전히 도달할 것이다.
*마지막으로, 도 2는 서로 다른 페이즈의 건물 배선 위에 설치되는 전력선 장치 사이에서 메시지가 어떻게 이동될 수 있는지를 보여준다. 페이즈 브릿징을 달성하기 위해, 적어도 하나의 InsteonTM 하이브리드 전력선/RF 장치가 각각의 전력선 페이즈 위에 설치되어야 한다. 도면에서, SignalLincTM 장치(110)는 페이즈 A위에 설치되고, SignalLincTM 장치(111)는 페이즈 B위에 설치된다. 상기 장치 110과 111사이(1 홉)의 직접 RF 경로들 또는 장치 110, 121 및 111 또는 110, 122 및 111 (2 홉)간의 간접 경로들로 인해 메시지는 전력선 페이즈들 사이에서 전파될 수 있다.
모든 InsteonTM 장치들은 동등한 장치이고, 이것은 어떤 장치도 마스터(메시지 전송), 슬레이브(메시지 수신) 또는 중계기(메시지 중계)의 역할을 수행할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 관계는 도 3에 예시되는데, 여기서, 마스터의 역할을 수행하는 InsteonTM 장치(210)는 메시지를 슬레이브(220, 221 및 222)의 역할을 수행하는 다중 InsteonTM 장치로 전송한다. 마스터의 역할을 수행하는 다중 InsteonTM 장치(230, 231 및 232) 역시 슬레이브(221)의 역할을 수행하는 단일 InsteonTM 장치에 메시지를 전송할 수 있다. 어떠한 InsteonTM 장치도 마스터의 역 할을 수행하는 ControlLincTM 장치(240)와 슬레이브의 역할을 수행하는 LampLincTM 장치(260)간에 메시지를 중계하고 있는 SwitchLincTM 장치(250)처럼 슬레이브 및 마스터의 역할을 수행함으로써 메시지를 중계할 수 있다.
Insteon TM 메시지
InsteonTM 장치들은 메시지를 전송함으로써 상호 간에 통신한다. 전력선 상에서 전송되는 메시지들은 패킷으로 분할되고, 이때 각 패킷은 전력선 상에서의 전압의 제로-크로싱과 결합하여 전송된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 표준 메시지(310) 및 확장 메시지(320)이라는 두 종류의 InsteonTM 메시지가 존재한다. 표준 메시지는 5개의 패킷을 포함하고, 확장 메시지는 11개의 패킷을 포함하고 있다. 각각의 패킷은 24 비트의 정보를 포함하고 있지만, 이 정보는 2가지의 서로 다른 방식으로 해석된다. 표준 패킷(330)은 표준 메시지(310) 및 확장 메시지(320)에서 부호 331로 도시되는 바와 같이, 한 InsteonTM 메시지 내의 첫번째 패킷으로 나타난다. 메시지 내의 나머지 패킷들은 표준 메시지(310) 및 확장 메시지(320)에서 부호 341로 도시되는 바와 같이, 긴 패킷(long packet)(340)이다.
전력선 패킷은 일련의 싱크 비트(Sync Bits)로 시작한다. 표준 패킷(330)에서는 8개의 싱크 비트(332)가 있고, 긴 패킷(340)에는 2개의 싱크 비트(342)가 있다. 싱크 비트 이후에는 표준 패킷(330)에서는 333으로 도시되고 긴 패킷(340)에 서는 343으로 도시되는 4개의 시작 코드 비트(Start Code Bits)가 있다. 패킷의 나머지 비트들은 데이터 비트(Data Bits)이다. 표준 패킷(330)에서는 12개의 데이터 비트(334)가 있고 긴 패킷(340)에는 18개의 데이터 비트(344)가 있다.
표준 메시지(310)의 데이터 비트의 총 개수는 12+(4×18)(=82) 또는 10과 1/2바이트이다. 표준 메시지의 최종 4개의 데이터 비트는 무시되고, 이용가능한 데이터는 10 바이트이다. 확장 메시지(320)의 데이터 비트의 총 개수는 12+(10×18)(=192) 또는 24바이트이다.
도 5는 RF를 이용하여 전송되는 InsteonTM 메시지의 내용을 도시한 것이다. InsteonTM RF 메시징은 전력선 메시징 보다 훨씬 빠르기 때문에, RF 메시지를 더 작은 패킷으로 분할할 필요가 없다. RF 표준 메시지(RF Standard message)는 410으로 도시되고, RF 확장 메시지(RF Extended message)는 420으로 도시된다. 이 두 가지의 경우, 메시지는 2 개의 싱크 바이트(411 또는 421)로 시작되고, 1개의 시작 코드 바이트(412 또는 422)가 후속된다. RF 표준 메시지(410)는 10 데이터 바이트(80 비트)(413)를 포함하고, RF 확장 메시지(420)는 24 데이터 바이트(192 비트)(423)를 포함한다.
도 6에는 표준 메시지에 대한 데이터 바이트의 중요성이 언급되고, 도 7에는 확장 메시지에 대한 데이터 바이트의 중요성이 언급된다. 이들 2개의 도면을 비교해보면, 유일한 차이점은 도 7의 확장 메시지는 도 6의 표준 메시지에서는 발견되지 않는 14개의 사용자 데이터 바이트(550)를 포함하고 있다. 이들 2가지 유형의 메시지에 대한 나머지 정보 필드는 동일하고, 이들 도면에서 번호 콜아웃(number callout)은 동일함으로써, 도 6 및 도 7에 대한 이하의 설명은 생략될 것이다.
InsteonTM 메시지의 바이트는 첫번째로 전송된 상위 바이트이고, 비트는 첫번째로 전송된 상위 비트이다.
InsteonTM 메시지의 첫번째 필드는 전송되는 메시지를 발생시키는 InsteonTM 장치를 특정하게 식별하는 프롬 어드레스(From Address)(510), 24-비트(3바이트) 수이다. 3-바이트수에 의해 식별가능한 InsteonTM 장치는 16,777,216개가 존재한다. 이 개수는 ID 코드로 간주되거나, 이와 동등하게는 InsteonTM 장치의 주소로 간주될 수 있다. 제조시, 특정 ID 코드가 비휘발성 메모리의 각 장치에 저장된다.
InsteonTM 메시지의 두번째 필드는 역시 24-비트(3바이트) 수를 갖는 투 어드레스(To Address)(520)이다. 대부분의 InsteonTM 메시지는 의도된 수신자가 또 다른 단일의 특정 InsteonTM 장치가 되는 직접(Direct) 또는 점대점(point-to-point)(P2P)으로 구성된다. 세번째 필드인 메시지 플래그 바이트(Message Flags byte)(530)는 InsteonTM 메시지의 유형을 결정한다. 만약, 메시지가 직접 방식의 메시지이면, 상기 투 어드레스(520)는 의도된 수신자의 3-바이트의 특정 ID 코드를 포함한다. 그러나, InsteonTM 메시지는 역시 범위 내의 모든 수신자에게 방송 메시 지로서 전송되거나, 장치 그룹의 모든 멤버에게 그룹 방송 메시지로서 전송될 수 있다. 방송 메시지의 경우, 상기 투 어드레스 필드(520)는 장치 타입 바이트(Device Type byte), 장치 서브타입 바이트(Device Subtype byte) 및 펌웨어 버전 바이트(Firmware Version byte)를 포함한다. 그룹 번호는 1바이트씩 주어지는 0 내지 255의 범위가 될 수 있음으로 인해, 3-바이트 필드의 2개 상위 바이트는 0이 될 것이다.
InsteonTM 메시지의 세번째 필드인 메시지 플래그 바이트(530)는 메시지 타입을 지정할 뿐만 아니라, 메시지에 관한 다른 정보도 포함하고 있다. 3개 상위 비트인 방송/NAK 플래그(532)(비트 7), 그룹 플래그(533)(비트 6) 및 ACK 플래그(534)(비트 5)는 함께 메시지 타입(531)을 표시한다. 메시지 타입은 이하에서 보다 상세히 설명될 것이다. 메시지가 확장 메시지인 경우, 즉 14 사용자 데이터 바이트(14 User Data bytes)를 포함하는 경우, 비트 4인 확장 플래그(535)는 1로 설정되거나, 메시지가 사용자 데이터를 포함하고 있지 않은 표준메시지인 경우, 비트 4인 확장 플래그(535)는 0으로 설정된다. 하위 니블(low nibble)은 2개의 2-비트 필드, 즉, 홉 레프트(Hops Left)(536)(비트 3 및 2) 및 맥스 홉(Max Hops)(537)을 포함한다. 이들 2개의 필드는 이하에서 설명되는 바와 같이 메시지 재전송을 제어한다.
InsteonTM 메시지의 네번째 필드는 커맨드 1(541)과 커맨드 2(542)로 구성되는 2-바이트 커맨드(540)이다. 이 필드의 사용은 이하에서 충분히 설명되는 바와 같이 메시지 타입에 좌우된다.
만약, 메시지가 확장 메시지이고 확장 플래그(535)가 1로 설정되면, 확장 메시지는 도 7에 도시된 바와 같이 14-바이트 사용자 데이터 필드(550)를 포함할 것이다.
사용자 데이터는 임의로 정의될 수 있다. 만약, 14 바이트 이상의 사용자 데이터가 전송될 필요가 있는 경우, 다중 InsteonTM 확장 메시지가 전송되어야 할 것이다. 사용자들은 이들의 데이터를 위한 패킷화 방법을 정의함으로써, 수신 장치가 긴 메시지들을 신뢰성있게 재조립할 수 있다. 사용자 데이터의 암호화는 보안 시스템과 같은 민감한 애플리케이션에 개인 보안 통신을 제공할 수 있다.
InsteonTM 메시지의 마지막 필드는 1-바이트 CRC 또는 순환 중복 검사(Cyclic Redundancy Check)(560)이다. InsteonTM 전송 장치는 프롬 어드레스(510)로 시작하는 메시지의 모든 바이트에 대해 CRC를 연산한다. CRC를 연산하는 방법은 당 분야에서 잘 알려져 있다. InsteonTM 는 2개의 상위 비트에서 탭(taps)을 갖는 소프트웨어-구현 7-비트 선형 피드백 시프트 레지스터(software-implemented 7-bit linear-feedback shift register)를 사용한다. CRC는 표준 메시지에 대해서는 9 바이트를 커버하고 확장 메시지에 대해서는 23 바이트를 커버한다. InsteonTM 수신 장치는 동일한 메시지 바이트를 수신함에 따라 이 동일 메시지 바이트 상에서 그 자신의 CRC를 연산한다. 만약, 메시지가 파괴되면, 수신장치의 CRC는 전송된 CRC와 매칭되지 않을 것이다. 메시지의 무결성(message integrity)을 검출함으로써 신뢰성이 높은 검증된 통신이 가능해진다. 이러한 검출방법에 기초한 InsteonTM ACK/NAK (acknowledge, non-acknowledge) 폐쇄-루프 메시징 프로토콜(closed-loop messaging protocol)이 이하에서 설명될 것이다.
도 8은 도 6 및 도 7의 메시지 플래그 바이트(530)의 비트 필드의 의미를 설명한 것이다. 방송/NAK 플래그(611)(비트 7), 그룹 플래그(612)(bit 6), 및 ACK 플래그(613)(bit 5)는 함께 8개의 가능한 메시지 타입(610)을 나타낸다.
다양한 메시지 타입을 충분히 이해하기 위해, InsteonTM 메시지의 4가지 종류: 방송(Broadcast), 그룹 방송(Group Broadcast), 직접(Direct) 및 응답Acknowledge)이 존재한다고 고려한다.
방송 메시지는 특정 수신지가 없는 일반적인 정보를 포함하고 있다. 이 방송 메시지는 범위 내의 장치 커뮤니티와 관련이 있다. 방송 메시지는 응답되지 않는다.
그룹 방송 메시지는 송신기에 사전 연결된 장치의 그룹과 관련이 있다. 그룹 방송 메시지는 직접 응답되지 않는다. 이들 그룹 방송 메시지는 다중 장치를 위해 의도된 커맨드에 대한 응답속도를 증가시키기 위한 수단으로서만 존재한다. 그룹 방송 메시지를 장치 그룹에 전송한 후, 송신기는 직접 "그룹-클린업(group-cleanup)" 메시지를 각각의 그룹 멤버에 개별적으로 전송하고, 각 장치로부터 되돌아오는 확인응답(acknowledgement)을 대기한다.
점대점(P2P) 메시지로 지칭되기도 하는 직접 메시지는 단일의 특정 수신자를 위해 의도된 것이다. 수신자는 확인응답 메시지를 반환함으로써 직접 메시지에 응답한다.
확인응답 메시지(ACK 또는 NAK)는 직접 메시지에 응답하여 수신자로부터 발신자에게 전송된 메시지이다. 방송 또는 그룹 방송 메시지에 대한 확인응답은 존재하지 않는다. ACK 또는 NAK 메시지는 확인응답 장치(acknowledging device)로부터의 상태 정보를 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 방송/NAK 플래그(611)는 메시지가 방송 메시지 또는 그룹 방송 메시지일 때마다 설정된다는 것을 유념해야 한다. 이들 두 가지의 경우, 확인응답 플래그(613)는 소거될 것이다. 만약, 확인응답 플래그(613)가 설정되면, 메시지는 확인응답 메시지가 된다. 이 경우, 방송/NAK 플래그(611)는 확인응답 메시지가 NAK인 경우에 설정될 것이고, 확인응답 메시지가 ACK인 경우에 소거될 것이다.
그룹 플래그(612)는 메시지가 그룹 방송 메시지이거나 그룹-클린업 대화의 일부라는 것을 표시하기위해 설정될 것이다. 이러한 플래그는 일반적인 방송 메시지 및 직접 대화의 경우에 소거될 것이다.
이하에서는, 3-비트 필드가 비트 7, 비트 6, 비트 5의 순서대로 할당되는 모든 8가지의 메시지 타입(610)에 대해 설명할 것이다. 방송 메시지는 메시지 타입 100이다. 직접(P2P) 메시지는 000이다. 직접 메시지의 ACK는 001이고, 직접 메시지의 NAK는 101이다. 그룹 방송 메시지는 110이다. 그룹 방송은 일련의 그룹-클 린업 직접 메시지 010에 의해 그룹의 각 멤버로 후속된다. 그룹-클린업 직접 메시지의 각각의 수신자는 그룹-클린업 ACK 011 또는 그룹-클린업 NAK 111로 확인응답을 반환할 것이다.
도 8의 비트 4(621)는 확장 메시지 플래그(620)이다. 전술한 바와 같이, 이 플래그는 14-바이트 사용자 데이터 필드를 포함하고 있는 24-바이트 확장 메시지용으로 설정되고, 그 플래그는 사용자 데이터를 포함하고 있지 않은 10-바이트 표준 메시지에 대해서는 소거된다.
도 8의 나머지 2 개의 필드인 맥스 홉(Max Hops)(640) 및 홉 레프트(Hops Left)( 630)는 메시지 재선송을 관리한다. 전술한 바와 같이, 모든 InsteonTM 장치는 메시지를 수신 및 재전송함으로써 메시지를 중계할 수 있다. 메시지를 재전송할 수 있는 횟수를 제한하기 위한 메카니즘이 없다면, 끊임없이 중계되는 메시지의 "데이터 스톰(data storm)"에 대한 비제어로 인해 네트워크가 포화될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, InsteonTM 메시지는 0, 1, 2, 또는 3의 값으로 설정된 2-비트 맥스 홉 필드(640) 및 동일한 값으로 설정된 2-비트 홉 레프트 필드(630)로 발신된다. 맥스 홉 값 0은 범위 내에 있는 다른 장치가 메시지를 재전송하지 말라는 것을 의미한다. 높은 맥스 홉 값은 홉 레프트 필드(630)에 따라 메시지를 수신하는 장치가 메시지를 재전송하라는 것을 의미한다. 만약, 홉 레프트 값이 1 이상이면, 수신장치는 홉 레프트 값을 1씩 감소시킨 다음, 새로운 홉 레프트 값을 갖는 메시지를 재전송한다. 홉 레프트 값 0을 갖는 메시지를 수신하는 장치는 그 메시지를 재전송하지 않을 것이다. 또한, 메시지의 의도된 수신자인 장치는 홉 레프트 값이 얼마이든 간에 그 메시지를 재전송하지 않을 것이다.
지정자 "맥스 홉"은 사실상 허용된 최대 재전송(maximum retransmissions)이라는 것을 의미한다. 모든 InsteonTM 메시지는 적어도 한번 "홉핑(hop)"함으로써, 맥스 홉 필드(640)의 값은 장치간에 메시지를 실제 홉핑하는 횟수보다 작은 1이 된다. 이 필드의 최대값은 3이기 때문에, 최초 전송 및 3번의 재전송을 포함하는 4번의 실제 홉이 존재할 수 있다. 4 홉은 연속된 5개의 장치를 커버할 수 있다. 이러한 상황은 도 9에 개략적으로 도시된다.
도 10의 플로우챠트는 InsteonTM 장치가 어떻게 메시지를 수신하고 그 메시지를 재전송하거나 처리할지의 여부를 판단하는가를 보여준다. 단계 710에서, InsteonTM 장치가 메시지를 수신하면, 상기 장치는 단계 715에서 그 메시지를 처리할 필요가 있는지를 판단한다. 상기 장치가 수신자이면, 상기 장치는 직접 메시지를 처리할 필요가 있을 것이고, 상기 장치가 그룹 멤버이면 그룹 방송 메시지, 및 모든 방송 메시지를 처리할 필요가 있을 것이다. 만약, 메시지가 처리될 필요가 있으면, 상기 장치는 단계 740에서 메시지를 처리한 다음, 단계 745에서 메시지가 직접 또는 직접 그룹-클린업 메시지로 확인되면, 상기 장치는 단계 750에서 확인응답 메시지를 메시지 발신자에게 되돌려 보내고 단계 755에서 태스크를 종료한다. 이와는 달리, 단계 745에서 메시지가 방송 또는 그룹 방송 메시지로 확인되면, 단계 720에서 프로그램이 재시작하여 메시지가 재전송되어야 하는지를 판단한다. 단 계 720에서는, 메시지 플래그 바이트의 맥스 홉 비트 필드가 테스트된다. 만약, 맥스 홉 값이 0이면, 프로그램이 단계 755에서 종료되고, 만약, 그렇지 않으면, 단계 725에서 메시지 플래그 바이트의 홉 레프트 비트 필드가 테스트된다. 만약, 홉 레프트 값이 0이면, 프로그램은 단계 755에서 종료되고, 만약 그렇지 않으면, 상기장치는 단계 730에서 홉 레프트 값을 1씩 감소시키고 단계 735에서 메시지를 재전송한다.
도 11의 플로우챠트는 InsteonTM 장치가 어떻게 메시지를 그룹내의 다중 수신장치에 전송하는가를 보여준다. 그룹 멤버쉽은 이전 등록 과정 이후에 상기 장치의 데이터베이스에 저장된다. 단계 810에서, 상기 장치는 우선 주어진 그룹의 모든 멤버들을 위해 의도된 그룹 방송 메시지를 전송한다. 메시지 플래그 바이트 내의 메시지 타입 필드는 그룹 방송 메시지를 표시하기 위해 110으로 설정되고, 투 어드레스 필드(To Address field)는 0 내지 255의 범위에 있는 그룹 번호로 설정된다. 그룹 방송 메시지 이후에 송신장치는 그 데이터베이스의 그룹의 각 멤버에게 직접 그룹-클린업 메시지를 각각 전송한다. 단계 815에서, 상기 장치는 우선 메시지를 그룹의 제 1 멤버에 투 어드레스(To Address) 메시지를 설정한 다음, 단계 820에서 수신자에게 직접 그룹-클린업 메시지를 전송한다. 만약, 그룹-클린업 메시지가 그룹의 모든 멤버에게 전송되었다면, 단계 835에서 전송과정이 종료된다. 만약, 그렇지 않다면, 상기 장치는 투 어드레스 메시지를 그룹의 다음번 멤버에게 설정하고 단계 820에서 다음번 그룹-클린업 메시지를 그 수신자에게 전송한다.
도 12의 플로우챠트는 예상되는 ACK가 수신자로부터 수신되지 않을 경우 직접 메시지가 어떻게 여러 번 재시도될 수 있는지를 보여준다. 프로그램이 단계 910에서 시작하는 장치는 단계 915에서 직접 또는 직접 그룹-클린업 메시지를 수신자에게 전송한다. 단계 920에서, 상기 장치는 수신자로부터 확인응답 메시지(Acknowledge message)를 대기한다. 이 단계를 위한 정확한 타이밍은 이하에서 설명된다. 만약, 단계 925에서 확인응답 메시지가 수신되고 그 확인응답 메시지가 예상된 상태의 ACK를 포함하고 있다면, 단계 945에서 프로그램이 종료된다. 만약, 단계 925에서, 확인응답 메시지가 수신되지 않거나, 만족스럽지 못하면, 단계 930에서 재시도 카운터(Retry Counter)가 테스트된다. 만약, 최대 횟수의 재시도가 이미 시도되었다면, 단계 945에서 프로그램은 종료된다. InsteonTM 장치는 최대 5회의 재시도로 디폴트된다. 만약, 단계 930에서 5회 이하의 재시도가 이루어졌다면, 단계 935에서 상기 장치는 그 재시도 카운터를 증분시킨다. 단계 940에서, 상기 장치는 또한 더 많은 장치에 의해 메시지를 재전송하여 그 메시지에 대한 더 큰 범위를 달성하기 위한 의도로 최대 3 회까지 메시지 플래그 바이트의 맥스 홉 필드를 증분시킬 것이다. 단계 915에서 메시지는 재전송된다.
도 13은 모든 타입의 InsteonTM 메시지 내 있는 모든 필드를 요약설명한 것이다. 표준 메시지(1050)는 라인 1051 내지 1058에 나열되고 확장 메시지(1060)는 라인 1061 내지 1068에 나열된다. 도 13은 표준 메시지와 확장 메시지 간의 유일한 차이점은 확장 플래그(1021)가 표준 메시지에 대해서는 소거되고 확장 메시지에 대해서는 설정되고, 확장 메시지가 14-바이트 사용자 데이터 필드(1070)를 갖고 있다는 것을 분명히 보여주고 있다. 프롬 어드레스(1010), 투 어드레스(1015), 메시지 플래그(1020) 및 CRC(1040 및 1045)는 전술한 바와 같다.
커맨드 1 필드(1030) 및 커맨드 2 필드(1035)는 각 8가지 타입의 InsteonTM 메시지(1051 내지 1058 또는 1061 내지 1068)에 대한 서로 다른 정보를 포함하고 있다. 방송 메시지(1051 또는 1061)의 경우, 두 개의 필드는 모든 장치에 즉시 전송하기에 적합한 65,536개의 가능한 커맨드로부터 선택된 2-바이트 커맨드를 함께 포함하고 있다. 예컨대, 방송 커맨드는 모든 장치에 시스템 셋업 모드에 진입할 것을 지령한다. 모든 수신장치는 실행가능한 방송 커맨드의 데이터베이스를 포함하고 있다.
점대점(직접) 메시지(1056 또는 1066)의 경우, 두 가지 커맨드 필드(1030 및 1035)는 단일 장치에 전송하기에 적합한 65,536개의 가능한 커맨드로부터 선택된 2-바이트 커맨드를 함께 포함한다. 예컨대, 직접 커맨드는 LampLincTM 램프 제어장치에 플러그 연결된 램프를 턴온 시킬 것을 지령한다. 모든 수신장치는 실행가능한 직접 커맨드의 데이터베이스를 포함하고 있다.
최대의 시스템 신뢰도를 위해, InsteonTM 프로토콜은 직접 메시지가 확인응답될 것을 요구한다. 수신장치는 라인 1057 또는 1067로 도시된 바와 같이, 태스크의 성공적인 통신 및 완료에 대한 확인응답, 즉 ACK를 발령할 수 있다. 만약, 그렇지 않으면, 수신장치는 라인 1058 또는 1068에서와 같이 NAK를 발령할 수 있다. 만약, 수신장치가 ACK 또는 NAK를 발신장치에 되돌려 전송하지 못하면, 상기 발신장치는 도 12에 도시된 바와 같이 메시지를 재시도할 수 있다.
ACK 또는 NAK로 응답하기 위해서, 수신장치는 이 수신장치가 수신한 메시지에 있는 프롬 어드레스(1010) 및 투 어드레스(1015)를 스와핑(swap)하고, 메시지 타입 비트를 ACK의 경우 001로 설정하거나 NAK의 경우 101로 설정한다. 커맨드 필드(1030 및 1035)에 수신된 커맨드에 따라, 수신장치는 ACK의 경우 2-바이트 상태 응답 코드(2-byte status response code)를 구성하거나, NAK의 경우2-바이트 이유 코드(2-byte reason code)를 구성하는데, 이것은 커맨드 필드(1030 및 1035)에 삽입된다. 이들 이유 코드는 상기 장치의 소프트웨어에 인코딩된 규칙 집합에 따라 생성된다. 예컨대, 만약, 램프 조광기가 커맨드를 수신하여 램프를 커맨드 1 필드(1030)에서 설정된 휘도 코드로 정해진 소정의 휘도 레벨 및 커맨드 2 필드(1035)의 256개 값들 중 하나로 정해진 원하는 휘도레벨로 설정하면, 상기 조광기는 커맨드의 성공적인 실행을 표시하기 위해 커맨드 필드(1030 및 1035)의 동일한 2 바이트를 포함하고 있는 ACK 메시지로 응답할 수 있다.
나머지 InsteonTM 메시지 타입은 장치 그룹을 취급하기 위한 것이다. 그룹 방송 메시지는 성능 향상을 위해 존재한다. 실제로 (예컨대, 턴온 시킬) 동일한 커맨드를 갖는 각각의 직접 메시지가 장치 그룹의 모든 멤버에 전송되는 동안, 모든 메시지가 순차적으로 전송되는데 걸리는 시간은 상당히 소요될 것이다. 그룹의 멤버들은 커맨드를 즉각적으로 실행하지 않고, 수신되는 순서대로 실행할 것이다. InsteonTM은 우선 그룹 방송 메시지를 전송하여 이러한 문제점을 해결한 다음, 각각의 직접 "그룹-클린업" 메시지로 후속조치한다.
도 13의 라인 1052 및 1062에 도시된 바와 같이 그룹 방송 메시지는 투 어드레스 필드(1015)에는 그룹 번호를 그리고 커맨드 필드(1030 및 1035)에는 그룹 커맨드를 포함한다. 직접 그룹-클린업 메시지가 후속되는 동안, 그룹 커맨드는 커맨드 1 필드(1030)에서 전송될 것이고, 그룹 번호는 커맨드 2 필드(1035)에서 전송될 것이다. 이들 필드는 둘 다 1-바이트 필드로서, 256개의 그룹 커맨드 및 256개의 그룹 번호만 존재할 수 있다. 이것은 다중 장치의 신속한 동기 응답이 발령되는 그룹 방송이 사용될 필요가 있는 경우에만 주어지는 합당한 제한이다. 여하튼, 이러한 수치 제한은 확장 메시지를 사용하고 추가의 커맨드 또는 그룹 멤버쉽 기준을 사용자 데이터 필드에 삽입함으로써 극복될 수 있다.
그룹 방송 메시지의 수신자는 데이터베이스에 기록된 그 자신의 그룹 멤버쉽에 대해 투 어드레스 필드(1015)의 그룹 번호를 체크한다. 비휘발성 메모리가 바람직한 이 데이터베이스는 이전의 그룹 등록 과정 중에 확립된다. 만약, 수신자가 방송 중인 그룹의 멤버이면, 이 수신자는 커맨드 1 필드(1030)의 커맨드를 실행한다. 그룹 커맨드는 1 바이트만을 갖고 있기 때문에, 커맨드 2 필드(1035)의 다른 바이트는 파라미터 또는 서브커맨드가 될 수 있다.
이때, 그룹 방송 커맨드 수신자는 직접 개별적으로 주소지정된 그룹-클인업 메시지를 예상할 수 있다. 만약, 수신자가 이미 커맨드 1 필드(1030)의 그룹 커맨 드를 실행했다면, 이 수신자는 커맨드를 2번 실행하지 않을 것이다. 그러나, 만약, 수신자가 어떤 이유로 인해 그룹 방송 커맨드를 분실했다면, 이 수신자는 그 커맨드를 실행하지 않게 되고 직접 그룹-클린업 메시지를 수신한 후에 커맨드를 실행할 것이다.
수신자는 직접 그룹-클린업 메시지를 수신하여 그룹 커맨드를 실행한 후 그룹-클린업 ACK 메시지로 응답하거나, 만약 무언가가 잘못 되었다면 그룹-클린업 NAK 메시지로 응답할 것이다. 이들 두 가지의 경우, 커맨드 1 필드(1030)는 직접 그룹-클린업 메시지 수신 중에 수신된 동일한 1-바이트 그룹 커맨드를 포함할 것이다. 커맨드 2 필드(1035)의 다른 바이트는 ACK의 경우 1-바이트 ACK 상태 코드를 포함하거나, NAK의 경우 1-바이트 NAK 이유 코드를 포함할 것이다. 이들 1-바이트 코드는 직접 ACK 및 직접 NAK 메시지에 사용된 해당 2-바이트 코드의 부분집합일 수 있다.
Insteon TM 시그널링
InsteonTM 장치는 전력선 전압에 신호를 부가함으로써 전력선 상에서 통신한다. 미국에서는, 전력선 전압이 60Hz에서 교호하는 110 VAC RMS이다. 이들 전압값은 비록 당업자들이 다른 전력선 표준에 대한 결과를 조절할 수 있지만, 이하에서 개시되는 설명에 사용될 것이다.
InsteonTM 전력선 신호는 4.64 볼트 피크-대-피크(peak-to-peak)의 공칭 진폭이 5 ohm 부하 속에 삽입되는 131.65 KHz의 반송 주파수를 사용한다. 실제로, 전력선의 임피던스는 전력선 구성 및 플러그 연결되는 대상에 따라 크게 변함으로써, 측정된 InsteonTM 전력선 신호는 서브-밀리볼트에서 5 볼트 이상까지 변할 수 있다.
InsteonTM 데이터는 이진 위상-시프트 키잉(binary phase-shift keying)을 사용하여 131.65 KHz의 반송파 상에서 변조된다.
도 14는 BPSK 비트 변조가 교호하는 131.65 KHz의 전력선 반송파 신호를 도시한 것이다. InsteonTM 는 각 비트에 대해 10개의 반송파 사이클을 사용한다. 1로 해석되는 비트 1(1110)은 정방향으로 진행하는 반송파 사이클로 시작한다. 0으로 해석되는 비트 2(1120)는 부방향으로 진행하는 반송파 사이클로 시작한다. 0로 해석되는 비트 3(1130)은 정방향으로 진행하는 반송파 사이클로 시작한다. 비트 해석의 감지는 임의적이라는 것을 유념해야 한다. 즉, 1 및 0은 비트 해석이 지속되는 한 반전될 수 있다. 비트스트림(bitstream )이 0에서 1로 변하거나 1에서 0으로 변할 때만 위상 천이(Phase transitions)가 발생한다. 1 이후에 또 다른 1이 후속되거나, 0 이후에 또 다른 0이 후속됨으로써 위상 천이가 야기되지 않을 것이다. 이러한 유형의 코딩은 NRZ, 즉 비제로 복귀(non-return to zero)로 알려져 있다.
도 14는 비트 경계(1115 및 1125)에서 갑작스런 180도의 위상 천이를 도시한 것이다. 갑작스런 위상 천이는 불필요한 고주파수 성분을 신호 스펙트럼속에 도입하게 된다. 위상 동기 검출기(Phase-locked detectors)는 이러한 신호를 추적하는 데 어려움을 겪을 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, InsteonTM는 불필요한 주파수 성분을 감소시키기 위해 점진적인 위상 변화를 사용한다.
도 15는 점진적인 위상 시프팅을 갖는 동일한 BPSK 신호를 도시한 것이다. 송신기는 131.65 KHz 주파수의 1.5배인 1.5 반송파 사이클를 삽입하여 위상 변화를 도입한다. 따라서, 1개의 131.65 KHz 주파수 사이클이 취하는 시간에 3개의 반송파 하프-사이클이 발생됨으로써, 반송파의 위상은 홀수번의 하프-사이클로 인해 주기 종료시에 반전된다. 도면에서 평활 천이(smooth transitions)(1015 and 1125)가 발생함을 유의해야 한다.
모든 InsteonTM 전력선 패킷은 도 4에 도시된 바와 같이 24 비트를 포함한다. 1 비트가 10개의 131.65 KHz 반송파 사이클을 취하기 때문에, InsteonTM 패킷에는 240개의 반송파 사이클이 존재하는데, 이것은 한 패킷이 1.823 밀리초동안 지속된다는 것을 의미한다. 전력선 환경은 제어되지 않은 노이즈, 특히 모터, 조광기 및 소형 형광등에 의해 야기되는 고진폭 스파이크로 악명높다. 이러한 노이즈는 전력선 제로 크로싱으로 알려진 시간, 즉 전류가 전력선 반전 방향으로 흐르는 시간 동안에 최소가 된다. 따라서, InsteonTM 패킷은 도 16에 도시된 바와 같이 제로 크로싱 근방에서 전송된다.
도 16은 2 개의 제로 크로싱(1210 및 1215)를 갖는 단일의 전력선 사이클(1205)을 도시한 것이다. 제 1 InsteonTM 패킷(1220)은 제로 크로싱(1210)에서 도시되고 제 2 InsteonTM 패킷(1225)은 제로 크로싱(1215)에서 도시된다. InsteonTM 패킷은 제로 크로싱이 시작되기 800 μs(microseconds) 전에 시작하고 제로 크로싱이 시작된 후 1023 μs(microseconds)가 경과할때 까지 지속된다.
또한, 도 16은 X10 신호가 전력선에 어떻게 인가되는지를 보여준다. X10은 전세계에 걸쳐 이미 보급된 많은 장치에 의해 사용되는 시그널링 방법이다. X10와의 상호운용성(Interoperability)은 InsteonTM 장치의 중요한 특징이다. InsteonTM 장치는 X10 신호를 수신할 수 있고, X10 신호를 전송할 있으며, X10 신호를 부스팅(boost)할 수 있다. X10 신호는 전력선 제로 크로싱에서 시작하여 약 1000 μs(microseconds) 동안 지속되는 대략 120개의 120 KHz 반송파 사이클의 버스트(burst)를 사용한다. 한 버스트 이후에 버스트가 후속되지 않는다는 것은 1 비트를 나타내고 버스트 부재 이후에 한 버스트가 후속된다는 것은 0 비트를 나타내다. X10 메시지는 1 비트 이전에 일렬로 된 2개의 버스트로 시작하고, 9개의 데이터 비트가 후속된다. 도 16은 2개의 제로 크로싱(1210 및 1215) 지점에 있는 2개의 버스트(1230 및 1235)을 도시하고 있다.
X10 사양에서는 전력선의 하프-사이클을 통한 경로의 1/3 및 2/3인 2 개의 추가 버스트가 요구된다. 이들 지점은 3-위상 전력의 다른 2 개의 위상의 제로 크로싱에 해당한다. InsteonTM은 이들 추가 X10 버스트에 민감하지 않고 X10 전송시 이들 버스트를 전송하지 않는다.
InsteonTM 패킷(1250)의 확대도(1240)에는 X10 버스트(1260)가 중첩된 상태로 도시되어 있다. 상기 X10 신호(1260)는 InsteonTM 패킷(1250)이 시작한지 800 μs(microseconds)후인 제로 크로싱(1270)에서 시작한다. 이들 두개의 신호는 제로 크로싱이 시작된지 1023 μs(microseconds) 이후에 거의 동시에 종료된다.
InsteonTM 장치는 제로 크로싱이 시작되기 800 μs(microseconds)전에 시작되는 InsteonTM 신호에 대해 수신함으로써 X10과의 호환성(compatibility)을 달성한다. 소프트웨어로 구현되는 InsteonTM 수신기는 매우 민감할 수 있지만, 진정한 InsteonTM 패킷이 수신됨을 검증할 수 있기 전에 패킷의 실질적인 부분을 수신해야 한다. 신뢰성있는 검증과정은, InsteonTM 장치가 제로 크로싱에서의 가능한 X10 버스트에 대해 여전히 수신동작을 개시하더라도 제로 크로싱이 시작된지 450 μs(microseconds)가 경과될 때까지는 발생하지 않을 수도 있다. 만약, 450- μs(microseconds) 표시지점에서 InsteonTM 수신기는 InsteonTM 패킷을 수신하지 않고 X10 버스트가 존재한다는 것을 검증하면, 이 InsteonTM 수신기는 X10 모드로 전환되고 다음번 11개의 전력선 사이클에 걸쳐 완전한 X10 메시지를 수신할 것이다. 만약, InsteonTM 장치가 InsteonTM 패킷을 수신한다는 것을 검증하면, 이 InsteonTM 장치는 InsteonTM 모드로 남아 있게 되고 완전한 InsteonTM 메시지의 나머지를 수신 할 때까지 X10 메시지를 수신할 것이다.
선택사항으로서, InsteonTM 장치는, InsteonTM 수신기가 소프트웨어로 구현되는 경우 비록 X10 버스트가 450 μs(microseconds) 늦게 재전송되더라도, X10 신호를 부스팅할 수 있다.
X10 수신기는 더 강한 신호로 더 잘 기능을 수행하지만 정확한 신호 타이밍에는 비교적 민감하지 않기 때문에, 전반적인 X10 성능은 X10 버스트가 지체되더라도 X10 신호 버스팅에 의해 향상된다.
실질적으로 더 많은 신호 검출 소프트웨어를 사용하여 구현된 InsteonTM 장치는, 응용 주문형 집적회로(application-specific integrated circuit: ASIC)로 달성될 수 있는 바와 같이, 제로 크로싱이 시작되기전 800 μs(microseconds) 동안 유효한 InsteonTM 패킷의 존재를 검출할 수 있다. 독립적으로 동시에 X10 메시지를 수신할 수 있는 상기 장치는 짧은 시간의 하드웨어 X10 검출기 지연 이후에 X10 버스트를 부스팅할 수 있다.
또한, 도 16은 InsteonTM에 대한 원 비트레이트(raw bitrate)는 X10의 경우 보다 InsteonTM의 경우에 훨씬 더 빠르다는 것을 보여준다. InsteonTM에 비트(1280)는 10개의 131.65 KHz 반송파 사이클, 즉 75.96 μs(microseconds)를 필요로 하는 반면, X10 비트는 120 KHz의 2개 120-사이클 버스트(1285)를 필요로 한다. 하나의 X10 버스트(1285)에는 1000 μs(microseconds)가 소요되지만, 각각의 X10 버스트는 제로 크로싱에서 전송되기 때문에, 이 각각의 X10 버스트에는 1 비트로 2개의 버스트를 전송하기 위해 16,667 μs(microseconds)가 소요됨으로써, 결과적으로 초당 60 비트의 비트레이트가 지속된다. InsteonTM 패킷은 24 비트를 포함하고, 각각의 제로 크로싱 중에 전송됨으로써, InsteonTM 에 대해 지속되는 공칭 비트레이트는 초당 2880 비트가 되는데, 이는 X10보다 48배가 빠른 것이다.
실제로, InsteonTM 는 InsteonTM RF 장치에 의한 메시지의 잠재적 재전송에 소요되는 시간을 허용하기 위해 메시지를 전송한 후 1개 또는 2개의 추가 제로 크로싱을 대기한다. 도 17은 전력선 신호(1305)상에서 전송되는 일련의 5-패킷 표준 InsteonTM 메시지(1310)를 도시한 것이다. InsteonTM 는 또 다른 패킷을 전송하기 전 각각의 표준 패킷 이후의 하나의 제로 크로싱(1320)을 대기한다. 도 18은 전력선 신호(1305)상에서 전송되는 일련의 11-패킷 확장 InsteonTM 메시지(1330)를 도시한 것이다. InsteonTM 는 또 다른 패킷을 전송하기 전 각각의 확장 패킷 이후의 두 개의 제로 크로싱(1340)을 대기한다.
InsteonTM 표준 메시지는 120개의 원 데이터 비트를 포함하고 6개의 제로 크로싱, 즉 전송하기 위한 50 밀리초를 필요로 한다. InsteonTM 확장 메시지는 264개의 원 데이터 비트를 포함하고 필요로 하고 13개의 제로 크로싱, 즉 전송하기 위한 108.33 밀리초를 필요로 한다. 따라서, InsteonTM 에 대한 실제의 원 비트레이트는 별도의 제로 크로싱을 대기하지 않는 초당 2880 비트대신에, 표준 메시지의 경우 초당 2400 비트이거나, 확장 메시지의 경우 초당 2437 비트이다.
InsteonTM 표준 메시지는 패킷 싱크 및 시작 코드 바이트는 물론, 메시지 CRC 바이트를 카운트하지 않는, 9 바이트 (72 비트)의 사용가능한 데이터를 포함한다. InsteonTM 확장 메시지는 동일한 기준을 사용하여 23 바이트(184 바이트)의 사용가능한 데이트를 포함한다. 따라서, 사용가능한 데이터에 대한 비트레이트는 표준 메시지의 경우 초당 1440 비트로 더욱 감소하고, 확장 메시지의 경우 초당 1698 비트로 감소한다. 만약, 확장 메시지에서 14 바이트(112 비트)의 사용자 데이터만을 카운트하면, 사용자 데이터 비트레이트는 초당 1034 비트가 된다.
RF InsteonTM 장치는 전력선상에 나타나는 동일한 메시지들을 송수신할 수 있다. 그러나, 전력선 메시지와는 달리, RF에 의해 전송되는 메시지는 전력선 제로 크로싱에서 전송되는 더 작은 패킷들로 분할되지 않고, 도 5에 도시된 바와 같이 전체 패킷으로 전송된다. 전력선과 관련하여, 2개의 메시지 길이, 즉 표준 10-바이트 메시지 및 확장 24-바이트 메시지가 존재한다.
도 19는 InsteonTM RF 시그널링에 대한 사양을 도시한 것이다. 중심 주파수는 미국에서 허가되지 않은 동작을 위해 허용되는 대역 902 내지 924 MHz에 존재한다. 각 비트는 맨체스트 인코딩(Manchester encoded)되는데, 이것은 각 비트에 대 해 2개의 부호가 전송된다는 것을 의미한다. 0-부호(zero-symbol) 이전의 1-부호(one-symbol)는 1-비트를 나타내고, 1-부호 이전의 0-부호는 0-비트를 나타낸다. 부호들은 주파수-시프트 키잉(FSK)을 사용하여 반송파상에서 변조되는데, 여기서, 0-부호는 FSK 편이 주파수의 절반인 반송파를 하향 변조하고, 1-부호는 FSK 편이 주파수의 절반인 반송파를 상향 변조한다. InsteonTM 에 대해 선택된 FSK 편이 주파수는 64 KHz이다. 부호는 초당 38,400개의 부호로 반송파상에서 변조되어 결과적으로, 상기 데이터 레이트의 절반인 원 데이터 레이트, 즉 초당 19,200 비트가 된다. 자유-공간 수신을 위한 전형적인 범위는 150 피트인데, 이 범위는 벽(walls) 및 다른 RF 에너지 흡수체들의 존재하에서는 감소한다.
InsteonTM 장치는 최초 전송된 최상위 비트를 갖는 데이터를 전송한다. 도 5를 참조하면, RF 메시지는 16진법으로 AAAA를 포함하는 2개의 싱크 바이트(411 또는 421)로 시작한 후, 16진법으로 C3인 시작 코드 바이트(412 또는 422)가 후속된다. 10 데이터 바이트(413)가 표준 메시지에서 후속되거나, 24 데이터 바이트(423)가 확장 메시지에서 후속된다. 메시지의 최종 데이터 바이트는 전술한 바와 같이 데이터 바이트 상의 CRC이다.
104-비트 표준 메시지를 전송하는데는 5.417 밀리초가 걸리고, 216-비트 확장 메시지를 전송하는데는 11.250 밀리초가 걸린다. 전력선 상에서의 제로 크로싱은 매 8.333 밀리초마다 발생함으로써, 표준 RF 메시지는 1개의 전력선 하프-사이클 동안에 전송될 수 있고 확장 RF 메시지는 2개의 전력선 하프-사이클 동안에 전 송될 수 있다. 전력선 메시지를 전송한 후 대기 시간은, 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, InsteonTM RF 장치가 전력선 메시지를 재전송할 수 있는 충분한 시간을 허용하기 위한 것이다.
Insteon TM 메시지 재전송
신뢰도를 향상시키기 위해서, InsteonTM 메시징 프로토콜은 다른 InsteonTM 장치로 하여금 그 범위를 증가시키기 위해 메시지 중계를 돕도록 하기 위한 방법인 메시지 재전송을 포함한다. 무한한 반복 데이터 스톰을 방지하기 위해, 메시지는 최대 3회에 걸쳐 재전송될 수 있다. 그러나, 재전송의 횟수가 증가할수록, 메시지가 완성되는데 걸리는 시간은 오래 걸릴 것이다.
특정 패턴의 전송, 재전송 및 확인응답(acknowledgements)이 존재하는데, 이러한 패턴은 도 20에 도시된 바와 같이 InsteonTM 메시지가 전송될 때 발생한다. 전력선상의 InsteonTM 메시지는 메시지가 표준 메시지인지 아니면 확장 메시지인지의 여부에 따라 6개 또는 13개의 제로 크로싱 기간을 갖는다. 이러한 메시지 전송 시간, 즉 6개 또는 13개의 전력선 하프-사이클은 타임슬롯이라 지칭되고, 이는 이하에서 언급된다.
1420과 같은 단일의 타임슬롯 동안, InsteonTM 메시지가 전송, 재전송 또는 확인응답될 수 있다. 재전송 및 확인응답을 포함할 수 있는, InsteonTM 메시지를 통신하는 전체 과정은 타임슬롯의 정수배에 걸쳐 발생할 것이다.
가장 간단한 실시예 1(1401)은 재전송이 없는 방송 메시지를 보여준다. T는 송신자가 단일 메시지를 발신 및 전송했다는 것을 나타낸다. 의도된 수신자가 그 메신저를 확인한 확인응답은 존재하지 않는다. 이 메시지는 완료하기 위해 6개 또는 13개의 전력선 제로 크로싱으로 이루어진 1개의 타임슬롯을 필요로 한다.
실시예 2(1402)는 1개의 맥스 홉을 갖는 방송 메시지를 도시한 것이다. 맥스 홉의 범위는 도 9와 관련하여 전술한 바와 같이 0에서 3까지 존재한다. 송신자는 T로 표시된 바와 같이 방송 메시지를 전송한다. 중계기의 역할을 수행하는 또 다른 InsteonTM 장치는 L로 표시된 바와 같이 메시지를 수신한 다음, R로 표시된 바와 같이 다음번 타임슬롯에서 메시지를 재전송한다.
메시지에 대해 3번의 재전송까지 가능하다. 실시예 3(1403)은 발신하는 송신자 및 3개의 중계장치간에 이루어지는 메시지의 진행을 도시한 것이다. 실시예 3은 중계기 사이의 거리는 인접한 중계기들 상호간에 수신할 수 있도록 설정된다고 가정한다. 또한, 중계기 1만이 송신자의 메시지를 수신할 수 있다. 송신자는 그 자신의 메시지를 재전송하지 못한다는 것을 유념해야 한다.
송신자가 직접 (또는 점대점) 메시지를 전송하면, 수신자로부터 확인응답 메시지를 예상한다. 실시예 4(1404)는 맥스 홉 값이 0인 경우에 발생하는 경우를 도시한 것이다. A는 수신자가 직접 메시지의 수신을 확인응답하는 타임슬롯을 나타낸다. C는 송신자가 메시지가 확인되었다는 것을 알았을 때의 타임슬롯을 나타낸 다.
맥스 홉 값이 0으로 설정되면, 직접 메시지는 실시예 5(1405)에 도시된 바와 같이 전파된다. 중계기 1은 최초 직접 메시지 및 수신자로부터의 확인응답을 재전송할 것이다.
만약, 맥스 홉 값이 0으로 설정되고 수신자가 송신자의 범위 내에 있음으로 해서 재전송이 필요없는 경우에는, 메시지가 실시예 6(1406)에서와 같이 전달된다. 송신자와 수신자 열에 있는 W는 대기를 나타낸다. 수신자는 범위 내에 있기 때문에 즉시 송신자로부터 메시지를 수신한다. 그러나, 수신자는 그 확인응답을 전송하기 전에 하나의 타임슬롯을 대기해야 하는데, 그 이유는 중계 장치가 송신자의 메시지의 재전송할 가능성이 있기 때문이다. 중계기 1은 중계기가 존재하지 않는 경우에 수신자가 여전히 대기하는 경우에도 타임슬롯을 대기하는 것이 실시예에 도시되어 있다. 송신자의 메시지의 모든 재전송 가능성이 완전한 경우에만, 수신자는 그 확인응답을 송신할 수 있다. 범위 내 있는 송신자는 즉시 확인응답을 수신하지만, 또한 또 다른 메시지의 송신 전에 확인응답의 가능한 재전송이 완료될 때까지는 대기해야 한다.
실시예 7(1407)은 맥스 홉 값이 3이고 메시지가 수신자에게 도달하기 위해 사실상 3번의 재전송이 필요할 때 발생하는 경우를 도시한 것이다. 송신자 또는 수신자가 도시된 것보다 일찍 다른 메시지를 수신하기로 되어 있다면, 그 송신자 또는 수신자는 그 자신의 메시지를 송신하기 자유롭기 이전에 메시지가 발신된 후 맥스 홉 타임슬롯이 발생될 때까지는 여전히 대기해야 한다는 것을 유념해야 한다. 만약, 장치들이 대기하지 않으면, 이 장치들은 동일한 타임슬롯의 서로 다른 메시지를 송신함으로써 상호 재밍(jam)하게 될 것이다. 장치는 맥스 홉 값으로부터 수신된 메시지의 홉 레프트 번호를 감산하여 메시지를 수신하기 이전에 얼마나 많은 타임슬롯이 통과했는지를 연산할 수 있다.
InsteonTM 메시지 트래픽을 모니터링함으로써, InsteonTM 장치는 InsteonTM 메시지에 대한 가능한 모든 재전송 및 확인응답이 상기 프로토콜에 따라 언제 완료될 것인지를 판단할 수 있다. 이와 마찬가지로, InsteonTM 장치는 X10 메시지 트래픽을 감시하여 X10 커맨드가 송신을 종료하는 시기를 연산할 수 있다. 메시지를 발신하고자 하는 InsteonTM 장치는 기존의 메시지 트래픽이 전송 이전에 완료될 때까지 대기함으로써, 이미 진행중인 InsteonTM 또는 X10 통신의 재밍 가능성을 제거할 수 있다. 이러한 형태의 리슨-비포-토크(listen-before-talk)를 "공손(politeness)"이라 칭한다.
InsteonTM 장치가 하나 이상의 메시지를 일렬로 송신하고 하는 경우 공손은 더 확장된다. 이 경우, 상기 장치는 후속 메시지(follow-on message)를 발신하기 전에 1개의 추가 전력선 제로 크로싱 주기를 대기한다. 추가 시간은 전송할 기회를 완료하기 위해 메시지 트래픽을 대기할 수도 있음을 InsteonTM 장치에 알려주고, 단일의 장치가 그 자신의 긴 메시지 열을 갖는 채널을 독점하는 것을 방 지해준다.
Insteon TM 시뮬캐스팅
상기한 메시지 전파를 위한 규칙을 준수함으로써, InsteonTM 시스템은 통신의 신뢰도에 있어서 상당한 증가를 달성한다. 그 이유는 다중 InsteonTM 장치들이 소정 타임슬롯 내에서 동일한 메시지를 동시에 전송할 수 있기 때문이다. 따라서, 상호 범위내에 있는 InsteonTM 장치들은 상호 보조를 맞춘다. 공유된 물리적 매체의 대부분의 네트워킹 프로토콜은 종래기술 부분에서 전술된 바와 같이 다중 장치들이 동일한 주파수 대역내에서 동시에 전송하는 것을 방지해준다. 이와는 대조적으로, InsteonTM 는 동시에 전송하는 장치들이 상호 동기하여 동일한 메시지를 송신하도록 함으로써 통상 문제점이 되는 것을 장점으로 변환시킨다.
전력선상의 다중 InsteonTM 장치들은 상호 부스팅보다는 상호 소거를 용이하게 할 수 있다고 생각할 수도 있다. 실제로, 상호 소거의 달성을 시도하는 경우라도, 다중 장치에 의한 신호 소거는 극히 어렵다. 그 이유는 소정의 수신기에서 2개의 신호를 소거하는 경우, 두 개 송신기는 상기 수신기가 상기 신호들을 진폭이 정확히 동일하고 거의 180도 위상이 반전된 것으로 인식하도록 반송파를 송신해야 하기 때문이다. 이러한 상황이 발생하여 연장된 주기 동안 지속될 확률은 낮다. 131.65 KHz의 전력선 반송파 주파수를 발생시키기 위해 전형적인 InsteonTM 장치에 사용되는 수정은 수 십분의 1 퍼센트의 주파수 공차로 상호 무관하게 작동될 수 있다. 따라서, 다중 전력선 반송파간의 위상관계는, InsteonTM 패킷의 1823 μs(microseconds) 지속기간에 대해 속도는 느리지만, 변화할 것이다. 비록, 두개의 송신기의 위상 소거가 일어나더라도, 진폭은 동일하게 될 가능성은 없기 때문에, 수신기는 여전히 최악인 경우의 과도 위상관계( worst-case transient phase relationship)에서도 일부 신호를 인식할 가능성이 있다. InsteonTM 수신기는 수 밀리볼트 내지 5 볼트 정도에 이르는 넓은 동적 범위를 갖게 됨으로써 신호들이 페이딩(fade)되더라도 이들 신호를 추적할 수 있을 것이다. 더 많은 송신기를 추가구성하면, 신호 소거 확률은 훨씬 더 줄어든다. 오히려, 모든 신호들을 합하여 신호강도를 증가시킬 확률은 훨씬 더 커진다.
InsteonTM 수신 전력선 반송파는 이진 위상-편이 키잉(BPSK)을 이용하여 변조되는데, 이것은 수신기들이 1에서 0까지 혹은 0에서 1까지의 비트 열의 변화를 검출하기 위해 반송파 내에서 180-도 위상 시프트를 찾고 있다는 것을 의미한다. 다중 송신기들은, 그들의 반송파의 절대 위상과는 무관하게, 이들 상태 반송 주파수가 패킷시간의 경과에 따라 몇 도 이상 시프트되지 않는 한 신호의 합이 여전히 비트-변화 경계지점에서 180-도 위상 반전을 갖는 신호들을 발생시킬 것이다. 물론, 각 송신기의 비트 타이밍은 크게 고정될 필요가 있기 때문에, InsteonTM 송신기들은 전력선 제로 크로싱에 동기화된다. InsteonTM 비트는 10개의 131.65 KHz 전력선 반 송파 사이클, 즉 76 μs(microseconds)동안 지속된다. 전력선 제로 크로싱 검출기는, 다중 송신기들로 부터 수신된 비트들이 상호 중첩되도록, 하나 또는 두 개의 반송파 주기내에서 정확해야 한다.
실제로, 동일한 메시지를 시뮬캐스팅하는 다중 InsteonTM 전력선 송신기들은 건물을 통해 전력선 신호의 강도를 향상시킬 것이다. RF 시그널링은 전력선 시그널링의 확장수단으로 사용되기 때문에, 시뮬캐스팅에 기초하여 수행된다. 그러나, RF의 경우, 반송파 및 데이터가 이상적으로 동기화될 때에도, 반송파 신호가 소거되는 간섭 패턴이 형성될 것이다. 소거가 발생할 전력선의 경우, 두 개의 반송파는 180도 위상 반전이 일어나고 진폭은 동일할 것이다. 실제로 완벽한 소거의 달성은 불가능하다. 일반적으로, 램덤 위상관계 및 동일한 안테나 편광을 갖는 동일한 주파수상의 동일배치되는 2 개의 반송파는 합쳐져 1대의 송신기의 전력 레벨보다 67%큰 전력레벨을 갖게 될 것이다. 2대의 송신기 중 하나는 수신기로부터 멀리 이동함에 따라, 소거 확률이 더욱 감소된다. 송신기의 개수가 증가함에 따라, 소거 확률은 거의 0에 가깝게 된다.
휴대형 컨트롤러와 같은 이동식 InsteonTM RF 장치는 전지로 작동된다. 전력을 보존하기 위해, 이동 장치들은 RF 중계기로 구성되지 않고, 메시지 발신기로만 구성됨으로써 시뮬캐스팅이 지령되지 않는다. RF 메시지를 중계하는 InsteonTM 장치는 전력선에 부착되어, 대부분의 이들 장치는 초기 셋업 과정 이후에 이동되지 않을 것이다. 셋업 과정 동안, RF 장치가 배치될 수 있고 이들 장치의 안테나가 조절됨으로써, 어떠한 신호 소거도 발생하지 않는다. 고정된 송신기의 배치로 인해, 비-소거 구성(non-canceling configuration)이 무한하게 유지될 것이다.
전력선에 부착된 InsteonTM RF 장치는 메시지 동기화를 위한 제로 크로싱을 이용한다. 이들 장치는 전력선상에서 동기하여, RF 중계기로부터 RF를 통해 동기하여, 혹은 휴대용 RF 장치로부터 RF를 통해 동기하여 InsteonTM 메시지를 수신한다. 재전송될 필요가 있는 메시지들은 0 이상의 홉 레프트 카운트 값을 갖게 될 것이다. 만약, InsteonTM RF 장치가 전력선으로부터 메시지를 수신하면, 이 장치는 전력선 메시지의 최종 패킷을 수신하자 마자 RF를 이용하여 그 메시지를 재전송한 다음, 다음번 타임슬롯에서 전력선 상에서 그 메시지를 재전송할 것이다. 만약, 상기 장치가 RF를 통해 메시지를 수신하면, 이 장치는 다음번 타임슬롯에서 전력선 상에서 메시지를 재전송한 다음, 전력선 메시지의 최종 패킷을 전송한 직후 RF를 이용하여 그 메시지를 재전송할 것이다.
Insteon TM 엔진
InsteonTM 엔진은 InsteonTM 장치로 하여금 InsteonTM 메시지를 송수신하도록 해주는 하드웨어 및 펌웨어를 포함한다. 도 21은 InsteonTM 엔진을 통한 정보의 전반적인 흐름을 보여준다. 수신 신호(1510)는 전력선으로 부터 들어오거나 RF를 통해 들어온다. 신호 조절 회로(1515)는 원 신호(raw signal)를 처리하여 디지털 비 트스트립으로 변환한다. 메시지 수신기 펌웨어(1520)는 요구되는 비트스트림을 처리하여 메시지 페이로드 데이터(message payload data)를 InsteonTM 장치상에서 실행되는 애플리케이션이 이용가능한 버퍼(1525)속에 저장한다. 메시지 컨트롤러(1550)는 제어 플래그(1555)를 사용하여 데이터를 이용할 수 있는 애플리케이션에 지령한다.
InsteonTM 메시지를 송신하기 위해, 애플리케이션은 메시지 데이터를 버퍼(1545)에 저장한 다음, 메시지 컨트롤러(1550)에 제어 플래그(1555)를 사용하여 메시지를 송신할 것을 지령한다. 메시지 송신기 펌웨어(1540)는 메시지를 원 비트스트림(raw bitstream)으로 처리하여, 모뎀(1535)의 송신기부로 보낸다. 상기 모뎀 송신기는 상기 비트스트림을 전력선 또는 RF 신호(1530)으로서 송신한다.
Insteon TM 엔진 전력선 인터페이스
도 21의 메시지 송신기(1540)는, InsteonTM 엔진이 전력선 상에서 InsteonTM 메시지를 어떻게 송신하는지를 보여주는 도 22에서 보다 상세히 설명될 것이다. InsteonTM 애플리케이션은 우선 CRC 바이트를 제외하고 송신하고자 하는 메시지(1610)를 구성하고, 송신 버퍼(1615)에 메시지 데이터를 저장한다. 이때, 애플리케이션은 송신 컨트롤러(1625)에 적절한 제어 플래그(1620)을 설정하여 메시지를 송신할 것을 지령한다. 이 송신 컨트롤러(1625)는 멀티플렉서(1635)를 이용하여 메시지 데이터를 패킷화하여 선입선출(FIFO) 송신 버퍼(1615)로부터 시프트된 데이 터이전의 패킷의 시작부에서 발생기(1630)으로부터 싱크 비트 및 시작 코드를 추출한다. 메시지 데이터가 FIFO(1615)로부터 시프트됨에 따라, CRC 발생기(1630)은 메시지의 최종 패킷의 최종 바이트로서 멀티플렉서(1635)에 의해 비트스트림에 첨부되는 CRC 바이트를 연산한다. 상기 비트스트림은 시프트 레지스터(1640)에 버퍼링되고 제로 크로싱 검출기(1645)에 의해 전력선 제로 크로싱이 검출된 채 위상이 고정된다. BPSK 변조기(1655)는 0-비트의 경우 반송파 발생기(1650)로부터 131.65 KHz 반송파의 위상을 180도 만큼 시프팅하고, 0-비트의 경우 이 반송파를 변조되지 않은 상태로 유지한다. 위상은 도 15와 관련하여 개시된 바와 같이 1 반송파 주기에 걸쳐 점진적으로 시프팅된다는 것을 유념해야 한다. 마지막으로, 변조된 반송파 신호는 도 21의 모뎀 송신 회로(1535)에 의해 전력선에 인가된다.
도 21의 메시지 수신기(1520)는 InsteonTM 엔진이 전력선으로부터 InsteonTM 메시지를 어떻게 수신하는지를 보여주는 도 23에서 대해 보다 상세히 설명될 것이다. 도 21의 모뎀 수신회로(1515)는 전력선상의 신호를 조절하여 도 23의 펌웨어가 InsteonTM 메시지를 검색하기 위해 처리하는 디지털 데이터 스트림으로 변환한다. 수신된 InsteonTM 신호는 수 밀리볼트 만큼 낮은 진폭을 갖고 있고 전력선은 종종 높은 에너지의 노이즈 스파이크 또는 그 자신의 기타 다른 노이즈를 운반하기 때문에, 전력선으로부터의 원 데이터(1710)는 통상 노이즈가 많다. 따라서, 양호한 실시예에서, 펌웨어로 구현되는 Costas 위상 동기 루프(PLL)는 노 이즈내에서 BPSK InsteonTM 신호를 찾는데 사용된다. 해당 기술분야에서 공지되어 있는 Costas PLL는 정위상(in phase) 및 직각위상(in quadrature)으로 신호에 대해 위상 동기한다. 위상 동기 검출기(1725)는 제로 크로싱 신호(1750) 및 패킷의 시작 코드가 시작 코드 검출기(1740)에 의해 확인되었다는 표시신호를 수신하는 윈도우 타이머(1745)에 1개의 입력신호를 공급한다.
Costas PLL(1720)은 위상 동기의 여부에 대한 데이터를 비트 싱크 검출기(1730)에 보낸다. 패킷 시작부에서 1과 0이 교호하는 싱크 비트가 도달하면, 비트 싱크 검출기(1730)는 데이터를 데이터 시프트 레지스터(1735)로 시프트시키기 위해 사용하는 비트 클록을 회복시킬 수 있을 것이다. 시작 코드 검출기(1740)는 싱크 비트에 후속하는 시작 코드를 찾고 시작 코드를 찾은 후에 검출 신호를 윈도우 타이머(1745)로 출력한다. 윈도우 타이머(1745)는 전력선 제로 크로싱이 시작되기 800 μs(microseconds) 전에 데이터 스트림이 시작될 때 유효 InsteonTM 패킷이 수신되고 있는지와, 위상 동기 검출기(1725)가 동기(lock)를 표시하고 있는지와, 시작 코드 검출기(1740)는 유효 시작 코드를 찾았는지의 여부를 판단한다. 이때, 윈도우 타이머(1745)는 시작 검출 플래그(1790)를 설정하고 수신 버퍼 컨트롤러(1755)로 하여금 시프트 레지스터(1735)로부터의 패킷 데이터를 FIFO 수신 버퍼(1760)에 누적하는 동작을 개시하도록 한다. 저장 컨트롤러(1755)는 FIFO 수신 버퍼(1760)가 메시지에 데이터 바이트만을 구축하고, 싱크 비트 또는 시작 코드를 구축하지는 않는다. FIFO 수신 버퍼는 메시지 플래그 바이트내의 확장 메시지 비 트를 검사함으로써 표준 메시지의 경우엔 10 그리고 확장 메시지의 경우엔 24와 같은 정확한 바이트 수를 저장한다. 정확한 바이트 수가 누산되면, 메시지가 수신되었음을 나타내도록 HaveMsg 플래그(1765)가 설정된다.
Costas PLL는 신호에 대해 정위상(in phase) 또는 반위상(antiphase)으로 동일하게 동기할 수 있기 때문에 180도의 위상 모호성(phase ambiguity)을 갖는다. 따라서, PPL(1720)으로부터 검출된 데이터는 참값으로부터 반전될 수도 있다. 시작 코드 검출기(1740)는 참 시작 코드(true start code), C3 16진수, 및 그 보수(complement)를 찾음으로써 위상 모호성을 해결한다. 만약, 시작 코드 검출기가 보수를 찾으면, PPL은 반위상에서 동기되고 데이터 비트가 반전된다. 시작 코드 검출기(1740)으로부터 출력된 신호는 데이터의 반전을 해제할 것인지의 여부에 대해 데이터 보수기(1770)에 알려준다. CRC 검사기(1775)는 수신 데이터상의 CRC를 연산하여 수신 메시지의 CRC와 비교한다. 만약, 이들 CRC가 일치하지 않으면, CRC OK 플래그(1780)가 설정된다.
데이터 보수기(1770)으로부터 출력된 데이터는 경로(1785)를 경유하여 응용 버퍼(도시생략)로 이동된다. 응용버퍼는 HaveMsg 플래그(1765) 및 CRC OK 플래그(1780)이 설정될 때 유효 메시지를 수신할 것이다.
Insteon TM 엔진 RF 인터페이스
도 24는 InsteonTM 엔진이 메시지를 RF를 통해 어떻게 송수신하는지를 보여준다. 양호한 실시예에서, 전력선용의 InsteonTM 장치는 장치의 성능을 확장시켜주는 도터 보드를 장착할 수 있다. 도 24에 도시된 도터 보드(1850)는 호스트(1810)에 RF 인터페이스를 제공한다. 호스트(1810)는 온보드 RF 송수신기 및 호스트 MCU 에 대해 슬레이브의 역할을 수행하는 그 자체의 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)을 구비한다. 호스트 및 슬레이브 MCU는 TTL 로직 레벨에서 공지된 RF232 시리얼 프로토콜(1880)을 사용하여 통신한다.
호스트 MCU 상에서 실행되는 InsteonTM 엔진이 RF 메시지를 전송할 필요가 있을 때는, 단계 1812에서 시작하는 프로그램을 수행한다. 우선, InsteonTM 엔진은 단계 1814에서 RF 도터 보드상의 슬레이브 MCU에 전송 커맨드를 보낸 다음, 단계 1816에서 그 커맨드가 수신되었고 슬레이브 MCU가 전송할 준비가 되었는지의 확인응답을 대기한다. 슬레이브 MCU가 준비되면, 단계 1818에서 호스트는 InsteonTM 메시지에 있는 데이터를 슬레이브 MCU에 전송한다. 슬레이브 MCU는 RF 메시지를 전송하는 모든 상세를 처리하기 때문에, 단계 1820에서 호스트는 다른 동작을 재시작할 수 있다.
*RF 메시지가 수신되었는지를 확인하기 위해, 호스트는 단계 1822에서 시작하는 프로그램을 수행한다. 단계 1824에서, 호스트는 슬레이브가 RF 메시지를 이용할 수 있다는 통보를 받았는지를 확인하기 위해 그 RF232 수신 버퍼를 검사한다. 만약, 슬레이브가 통보를 받지 못했다면, 호스트는 단계 1830에서 다른 프로그램을 계속 수행하지만, RF 메시지가 존재하면, 호스트는 슬레이브에 확인응답을 보낸다. 단계(1828)에서, 슬레이브는 그 메시지의 데이터를 호스트에 보내고 단계 1830에서 프로그램을 계속 수행한다.
RF 도터 보드(1850)상의 슬레이브 MCU는 도 24의 우측에 있는 플로우챠트에 도시된 바와 같이 그 태스크를 처리한다. 단계 1852에서, 슬레이브 MCU는 호스트로부터 수신된 커맨드를 확인하기 위해 그 RS232 수신 버퍼를 검사한다. 단계 1854에서, 만약, 슬레이브가 RF 메시지를 전송하기 위해 호스트로부터 커맨드를 수신했음을 확인하면, 단계 1856에서 이 슬레이브는 커맨드에 대해 확인응답하고, 단계 1858에서 호스트로부터 메시지 데이터를 수신한 다음, 단계 1859에서 RF 메시지를 구성하여 전송한다.
만약, 단계 1854에서 슬레이브 MCU가 호스트로부터 전송 커맨드를 수신하지 못했다는 것을 확인하면, 단계 1860에서 온보드 RF 송수신기로부터 RF 데이터의 수신을 시도한다. 만약, 단계 1862에서 슬레이브가 유효 RF 메시지를 수신하지 못했다면, 단계 1852에서 그 폴링 루프(polling loop) 모드에 재진입한다. 그러나, 만약, 슬레이브가 MCU가 유효 RF 메시지를 수신하였다면, 단계 1864에서 호스트에게 이를 통보하고 단계 1866에서 호스트가 데이터를 수신할 준비가 되어 있다는 확인응답을 대기한다. 호스트가 확인응답을 전송하면, 단계 1868에서 슬레이브는 메시지 데이터를 호스트에 보낸 다음, 단계 1852에서 그 폴링 루프를 재시작한다.
도 25는 도 24의 단계 1859에서 슬레이브 MCU(1925)가 RF 메시지를 어떻게 구성하고 전송하는지를 보여준다. 이들 단계는 RF 메시지가 단일 패킷으로 즉시 전송된다는 것을 제외하면, 도 22에서 도시된 전력선 메시지를 전송하기 위한 단계 와 유사하다. 도 25에서, 호스트 MCU는 CRC 바이트를 제외하고 전송하고 하는 메시지를 구성하고, 그 메시지 데이터를 RS232 시리얼 통신(1920)을 통해 슬레이브 MCU(1925)에 메시지 데이터를 전송한다. 슬레이브는 메시지 데이터를 전송버퍼(1915)에 삽입한다. 슬레이브 MCU(1925)는 멀티플렉서(1935)를 이용하여 발생기(1930)으로부터 출력된 싱크 비트와 시작 코드를 선입선출(FIFO) 전송버퍼(1915)로부터 시프팅된 데이터 앞에 있는 RF 메시지의 시작부에 삽입한다. 메시지 데이터가 FIFO(1915)로부터 시프트됨에 따라, CRC 발생기(1930)는 메시지의 최종 바이트로서 멀티플렉서(1935)에 의해 비트스트림에 첨부되는 CRC를 연산한다. 비트스트림은 시프트 레지스터(1940)에 저장되고 RF 송수신기(1955)로 클록킹(clocked out)된다. RF 송수신기는 RF 반송파를 발생시키고, 메시지의 비트를 맨체스터-인코딩 부호로 해석하고, 부호 스트림을 갖는 반송파를 FM 변조하여, 안테나(1960)를 이용하여 최종 RF 신호를 전송한다. 양호한 실시예에서, RF 송수신기(1955)는 단일-칩 하드웨어 장치이고, 도면의 다른 블록들은 슬레이브 MCU(1925)상에서 실행중인 펌웨어로 구현된다.
도 26은 도 24의 단계 1860에서 슬레이브 MCU가 RF 메시지를 어떻게 수신하는지를 보여준다. 이들 단계는 RF 메시지가 단일 패킷으로 즉시 선송된다는 것을 제외하면, 도 23에서 도시된 전력선 메시지를 수신하기 위한 단계와 유사하다. 도 26에서, RF 송수신기(2105)는 안테나(2010)으로부터 RF 전송 메시지를 수신하고 FM 변조하여 지저대역 맨체스터 부호를 복구한다. 메시지의 시작부에 있는 싱크 비트로 인해 송수신기는 맨체스터 부호로부터 데이터 비트를 복구하기 위해 사용하는 비트 클록을 복구할 수 있다. 송수신기는 비트 클록 및 복구된 데이터 비트를 메시지의 비트스트림을 누적하는 시프트 레지스터(2020)로 출력한다.
시작 코드 검출기(2025)는 메시지의 시작부에 있는 싱크 비트에 후속하는 시작 코드를 찾고 시작 코드를 찾은 후 슬레이브 MCU(2065)로 검출신호(2060)를 출력한다. 시작 검출 플래그(2060)는 수신 버퍼 컨트롤러(2030)로 하여금 시프트 레지스터(2020)에서 출력된 데이터를 FIFO 수신 버퍼(2030)에 누적하는 동작을 시작하도록 한다. 저장 컨트롤러(2030)는 FIFO 수신 버퍼(2035)가 메시지의 데이터 바이트만을 저장하고 싱크 비트 또는 시작코드는 저장하지 않도록 해준다. 이 수신 버퍼(2030)는 메시지 플래그 바이트내의 확장 메시지 비트를 검사함으로써 표준 메시지의 경우엔 10 그리고 확장 메시지의 경우엔 24와 같은 정확한 바이트 수를 저장한다. 정확한 바이트 수가 누산되면, 메시지가 수신되었음을 나타내도록 HaveMsg 플래그(2055)가 설정된다. CRC 검사기(2040)는 수신 데이터상의 CRC를 연산하여 수신 메시지의 CRC와 비교한다. 만약, 이들 CRC가 일치하면, CRC OK 플래그(2045)가 설정된다. HaveMsg 플래그(2055) 및 CRC OK 플래그(2045)가 모두 설정되면, 메시지 데이터는 RS232 통신(2070)을 통해 호스트에 전송될 준비가 되어 있다. 양호한 실시예에서, RF 송수신기(2015)는 단일-칩 하드웨어 장치이고, 도면의 다른 블록들은 슬레이브 MCU(2065)상에서 실행중인 펌웨어로 구현된다.
Insteon TM 하드웨어
도 27은 전형적인 InsteonTM 장치를 포함하는 하드웨어 회로의 블록구성도이 다. 양호한 실시예에서, InsteonTM 장치는 선택적인 도터 보드(2120)와 함께 메인 회로보드(2110)를 포함한다. 전형적인 도터 보드(2120)는 InsteonTM 장치에 다양한 유형 통신 인터페이스를 추가 구성함으로써 부가 성능을 제공한다. 메인 보드 및 도터 보드는 TTL 로직 레벨에서 시리얼 RF232 프로토콜을 이용하여 통신한다.
InsteonTM 메인 보드는 이것이 플러그 접속 또는 하드웨어로 설치되는 장치에 의해 전력선에 연결된다. 전원장치(2140)는 전력선으로부터 에너지를 유도하여 메이니 보드 및 선택적 도터 보드상의 논리 및 통신 하드웨어에 적절히 전력을 공급하도록 조절한다. 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)(2133)은 제조시 장치속에 사전로딩되어 프로그래밍되는 모든 펌웨어, 및 사용중에 다운로드될 수도 있는 모든 소프트웨어 프로그램을 실행한다. 선택적 비휘발성 랜덤 액세스 메모리(NVRAM)(2170)는 로컬 데이터베이스 정보, 동작 파라미터 및 다운로드된 응용 프로그래밍의 저장기능을 제공한다. 이러한 메모리 칩(2170)은 통상 I2C(Inter-Integrated Circuit) 링크로서 도면에 도시된 시리얼 링크(2175)를 통해 MCU(2133)과 통신한다.
전력선 인터페이스(2150)는 전력선 상에서 InsteonTM 및 X10 신호를 송수신할 수 있는 전력선 송신기(2152) 및 수신기(2154)를 포함한다. 부하 컨트롤러(2156)는 트라이악(triac) 또는 릴레이(relay)를 포함한다. 트라이악은 램프와 같은 저항 부하에 가변 전력을 제공하여 이 저항 부하를 조광한다. 유도 부하 또는 고출력 부하는 기계적 릴레이를 이용하여 스위치 온 또는 오프될 수 있다. 또한, 일부 부하 제어 모듈은 제어된 부하가 수동으로 턴온 또는 오프되었지의 여부를 판단할 수 있다. 예컨대, 램프가 InsteonTM 램프 컨트롤러에 플러그 접속되어 사람이 램프상의 스위치를 사용하여 램프를 턴온시키면, 그 부하 제어 모듈은 램프에 조명이 들어오도록 전류 드로(current draw)를 감지할 수 있고 트라이악을 턴온시킬 수 있다. 이와는 달리, 트라이악이 턴온되지만 램프 스위치가 턴오프되면, 부하 제어 모듈은 그러한 문제점을 감지하여 InsteonTM 장치가 적절한 에러 메시지를 표시하거나 전송할 수 있다.
사용자 인터페이스 모듈(2160)은 메인 보드(2110)가 내장되는 장치의 타입에 따라 가변할 수 있다. 간단한 경우에, 벽 스위치와 유사하고 전기 정션박스속에 연결되는 SwitchLincTM 장치와 같이, 플라스틱 제어 패들(plastic control paddle ) 아래에 위치한 2개의 순간 접촉 스위치는 사용자의 입력을 감지한다. 한 쪽 스위치는 사용자가 패들의 상부를 누를 때 접촉하고, 나머지 다른 스위치는 사용자가 패들의 하부를 누를 때 접촉한다. 이러한 장치는 통상 제어하의 부하 상태를 나타내거나 설치과정을 통해 사용자에게 안내하기 위해 하나 이상의 발광 다이오드(LEDs)를 구비한다. 이러한 목적을 위해 많은 InsteonTM 장치가 사용자로 하여금 LED에 의해 표시되는 칼라를 커스터마이즈(customize)하도록 선택적 칼라 필터를 구비한 화이트 LED를 사용한다. LED의 휘도에 대한 사용자 제어는 InsteonTM 장치에 결합되는 또 다른 특징으로서, 통상 LED 전원을 듀티 사이클 변조함으로써 달성 된다.
더욱 정교한 InsteonTM 장치는 휴대폰, PDA 또는 PC에 사용되는 모노크롬이나 칼라 LCD와 같은 디스플레이를 포함할 수 있다. 키패드 또는 키보드로서 구성되는 다중 푸시버튼이 있을 수 있고, 혹은 근접 검출기와 같은 다른 유형의 감지장치가 있을 수 있다. 당업자라면 InsteonTM 기술이 내장될 수 있는 폭 넓은 장치 배열을 고려해 볼 수 있고, 본 명세서에 개시된 양호한 실시예는 많은 가능한 대체 구성예들 중 하나의 구성에 불과하다.
도 28은 RS232(2230)을 통해 MCU(2215)가 RF 도터 보드(2220)에 연결되는 InsteonTM 메인 보드(2210)를 도시한 것이다. 이러한 구성은 위에서 상세히 설명되었다. RF 도터 보드는 RF 송수신기 칩(2224)과 통신하는 그 자체의 MCU(2222)를 포함한다. RF 송수신기는 안테나(2228)를 이용하여 RF 신호를 송수신하기 위한 회로(2226)를 구비한다.
도 29는 MCU(2315)가 범용 시리얼 버스(USB) 도터 보드(2320)에 연결되는 InsteonTM 메인 보드(2310)를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, USB 도터 보드는 온-칩 USB 인터페이스를 구비한 자체의 슬레이브 MCU(2322), 실시간 클록(RTC)(2324) 및 추가 비휘발성 랜덤 액세스 메모리(NVRAM)(2326)를 포함한다. 슬레이브 MCU(2322)는 시리얼 RS232(2330)을 이용하여 호스트 MCU(2315)와 통신한다. RTC 및 NVRAM는 I2C 버스(2335)를 통해 호스트 MCU에 연결되어 있다. USB 인 터페이스(2328)는 InsteonTM 장치로 하여금 USB 포트를 구비한 어떤 다른 장치와 인터페이스하도록 해준다.
도 30은 MCU(2415)가 RS232 도터 보드(2420)에 연결되는 InsteonTM 메인 보드(2410)를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, RS232 도터 보드는 레벨 변환기(2423)를 구비한 RS232 송수신기(2422), 실시간 클록(RTC)(2424) 및 추가 비휘발성 랜덤 액세스 메모리(NVRAM)(2426)를 포함한다. RTC 및 NVRAM는 I2C 버스(2435)를 통해 호스트 MCU에 연결되어 있다. 호스트 MCU(2415)는 RS232 시리얼 링크(2430)를 통해 RS232 인터페이스(2428)에 연결됨으로써, InsteonTM 장치가 RS232 포트를 구비한 어떤 다른 장치와 인터페이스할 수 있다.
도 31은 InsteonTM 장치가 근거리 통신망(LAN) 또는 인터넷과 통신할 수 있도록 해주는 인터넷 프로토콜(IP) 도터 보드(2520)에 MCU(2515)가 연결되는 InsteonTM 메인 보드(2510)를 도시한 것이다. IP 도터 보드(2520)는 동적 호스트 구성 프로토콜(DHCP) 클라이언트, 주소 해석 프로토콜(ARP), 및 하이퍼텍스트 전송 프로토콜(HTTP) 스택을 운용하는 그 자체의 슬레이브 MCU(2522)를 구비한다. 상기 MCU(2522)는 이더넷 컨트롤러(2528) 및 물리 인터페이스(2529)를 통해 이더넷 LAN(2540)에 부착된다. LAN은 라우터(2542)를 통해 인터넷(2544)에 연결될 수 있다. 인터넷상에서는 InsteonTM 장치가 전세계 어디에서도 컴퓨터(2546)와 인터페이 스할 수 있다.
Insteon TM 애플리케이션 및 장치
InsteonTM 기술은 많은 상이한 종류의 장치에 내장될 수 있고, 통신 브릿지를 통해 모든 종류의 InsteonTM 장치와 인터페이스할 수 있다. InsteonTM 인에이블 장치에 대한 애플리케이션은 다양하다.
*부분적인 애플리케이션 리스트는 (1) 가정 관리 통합 센서, 난방, 환기 및 공기조화(HVAC), 기기, 조명 및 보안; (2) 타이-인스(tie-ins)-가정관리 기능을갖는 오디오/비디오(A/V) 원격제어; (3) 에너지 관리; (4) 인터넷을 통한 원격 모니터링; 및 (5) 음성 인식 및 응답, 카메라 및 기타 다른 감지 방식을 갖는 상호운용을 포함하고 있다.
InsteonTM 기술을 이용한 개선될 수 있는 제품은, (1) 플러그-인 또는 와이어-인 조광기, 스위치 또는 전기 콘센트와 같은 전기장치; (2) 가정용 전기제품; (3) 표시기, 온도 조절 장치, 접속 컨트롤러; (4) 수영장/스파 및 관수 제어기; (5) 완경, 장치 상태, 운동, 객실 점유 또는 접촉 센서; 및 (6) PC, 터치스크린, 키패드, 핸드헬드 또는 키포브(keyfob) 제어기등을 포함한다.
기타 다른 네트워킹 표준에 대한 브릿지를 이용함으로써, InsteonTM 장치는 WiFi(IEEE 802.11), 블루투스(BlueTooth), 지그비(ZigBee), 지웨이브(ZWave), 홈 플러그(HomePlug), 홈RF, 인텔론(Intellon), 에첼론(Echelon), CEBus, 또는 기타 다른 미래 기술을 이용하여 통신하는 기타 다른 장치들과 상호운용할 수 있다.
USB, RS232, 또는 이더넷 통신 능력을 갖고 있는 적어도 하나의 장치를 구비한 InsteonTM 장치의 네트워크는 PC 또는 인터넷의 접속지점에 연결할 수 있다. 새로운 소프트웨어가 InsteonTM 장치들로 다운로드될 수 있어, 이들 장치가 미래에는 새로운 능력을 갖고 업그레드될 수 있다. 이러한 동일한 연결성(connectivity)으로 인해 InsteonTM 장치의 로컬 네트워크는 원격 과정과 상호작용할 수 있다. 업그레이드가능하고 원격 인터페이스가능하며, 저렴하고 신뢰성있는 장치의 하부구조는 많은 상이한 방식으로 사용될 수 있어 이들 장치를 예견할 수 없다.
InsteonTM 기술을 결합한 초기 장치들은 본 명세서에서 설명된다. 도 32는 와이어-인 벽 스위치(2610)를 도시한 것이다. 사용자는 패들(2640)의 상부 또는 하부를 눌러 상부 또는 하부 순간 푸시버튼 스위치를 아래로 누를 수 있다. 패들(2640) 및 이스천판(:관좌금-escutcheon plate)(2645)은 스냅결합이 해제되어 서로 다른 색상으로 손쉽게 교체될 수 있다. 플라스틱 광 가이드(2620 및 2630)는 그 아래에 있는 화이트 LED에 의해 조명이 켜진다. 상기 광 가이드는 서로 다른 색상으로 교체가능하여 사용자에 보여지는 색상이 변할 수 있다. 아이템(2650)은 LED 광 가이드 겸용 순간 푸시버튼 스위치 및 풀아웃 에어갭 스위치이다. 이 스위치를 아래로 눌러 유지하면 상기 장치는 셋업모드로 진입하고, 이 스위치를 외부로 잡아당기면 상기 장치는 전력선으로부터 분리되어 디스에이블 상태가 된다.
도 33은 벽 스위치를 대신하여 정션 박스속에 전선연결되는 InsteonTM 장치(2710)를 도시한 것이다. 이 장치는 8개의 푸시버튼(2720)을 구비하는데, 이들 버튼은 어떤 색상으로도 필터링될 수 있는 화이트 LED에 의해 후면에서 조명이 켜진다. 레이저 프린터에 의해 인쇄가능한 투명 범례는 버튼 뒤쪽에 배치되어 이들 범례에 라벨을 만들 수 있다. 아이템(2750)은 도 32의 아이템(2650)과 동일한 기능을 수행한다.
도 34는 조광기 또는 릴레이 스위치로서 구성가능한 플러그인 InsteonTM 장치(2810)를 도시한 것이다. 이 기기는 전기 콘센트(2820)속에서의 플러그가 제어된다. 선택적 커넥터(2830)가 구성되어 적절한 내부 InsteonTM 도터 보드를 위한 USB, RS232 또는 이더넷 접속을 제공할 수 있다. 아이템(2850)은 도 32의 아이템(2650)과 동일한 기능을 수행한다.
도 35는 내부 RF 도터 보드를 지지한다는 것을 제외하고, 도 34와 동일한 플러그인 InsteonTM 장치(2910)를 도시한 것이다. RF 안테나(2915)는RF 도터 보드상의 RF 송수신기에 연결되어 있다. 사용자는 마디가 형성된 안테나를 꼬거나 구부려서 최상의 성능을 달성할 수 있다.
도 36은 푸시버튼(3020)을 구비한 푸시버튼 제어기(3010)를 도시한 것이다. 레이저 인쇄가능한 범례는 투명한 스트립(3030) 뒤쪽에 위치하여 버튼기능에 라벨 을 붙일 수 있다. LED(3040)는 사용자 피드백을 제공한다.
도 37은 실제 다수개의 버튼(3120)을 구비한 푸시버튼 제어기(3110)의 또 다른 형태를 도시한 것이다. 커버(3130)는 도 36과 유사하게, 닫혀 있을 때 버튼의 모든 8개의 버튼을 덮어 사용자에게 단순하면서도 덜 어지럽혀진 인터페이스를 제공한다.
도 38은 터칫스크린 액정표시장치(LCD)(3230) 및 6개의 푸시버튼(3220)을 구비한 InsteonTM 제어장치(3210)를 도시한 것이다. 상기 터치스크린 LCD는 단색 또는 색상이 있거나 선택적으로 백라이트 방식일 수 있다. LED(3240)는 추가구성의 사용자 피드백을 제공한다.
서로 다른 스냅-온 백(snap-on backs)은 도 36, 도 37 또는 도 38에서의 컨트롤러의 본체(3010, 3110 및 3210)와 함께 사용될 수 있다. 하나의 스냅-온 백은 컨트롤러로 하여금 독립형 데스크탑 장치로서 사용되도록 한다. 또 다른 스냅-온 백은 컨트롤러를 벽 설치 장치로 변환시킬 수 있다.
Insteon TM 메시지의 사용
당업자라면 InsteonTM 메시징 기술이 다양한 종류의 장치에서 서로 다른 다양한 방식으로 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 도 13에 도시된 가능한 InsteonTM 메시지 타입의 전체 집합을 이용하기 위해, 상기 장치는 1 및 2 바이트 커맨드, 2 바이트 장치 타입/서브타입, 1 또는 2 바이트 ACK 상태 및 1 또는 2 바 이트 NAK 이유에 대해 사전 할당된 특정 번호값의 공통집합을 공유해야 한다. InsteonTM 장치는 제조시 3-바이트 어드레스를 개별적으로 사전 할당받는다.
InsteonTM 확장 메시지의 경우, 프로그래머들은 장치 간에 교환가능한 사용자 데이터에 대한 모든 종류의 의미(meanings)를 자유롭게 고안한다. 예컨대, 장치 펌웨어는 확장 메시지를 사용하여 토큰 스트링으로 컴파일링되고 장치로 다운로드되는 전체 고난이도 언어를 위한 해석기를 구비한다.
프로그래머들이 InsteonTM 장치를 구현할 수 있는 사용자 인터페이스는 무수히 많다. 다음의 예는 펌웨어로 구현가능한 하나의 사용자 인터페이스를 도시한 것이다. 도 32에 도시된 것과 같이, 사용자가 스위치 모듈이 두 개의 램프 모듈을 제어하길 원하는 경우를 고려한다. 스위치 모듈이 InsteonTM 어드레스 00003E를 갖는다고 가정하면, 램프 모듈 A는 어드레스 000054를 갖고, 램프 모듈 B는 00003E를 갖는다. 상기 예에서, 모든 멤버들은 16진수로 할당된다.
스위치가 램프 모듈을 제어하기 위해서는, 램프 모듈들이 공통그룹의 멤버들로서 연결되도록 해주는 장치의 펌웨어가 있어야 한다. 이러한 펌웨어는 USB 또는 RS232 인터페이스 장치를 통해 PC에 의해 전송된 일련의 InsteonTM 메시지에 응답하거나, 혹은 사용자로 하여금 수동으로 버튼을 눌러 상기 장치들에 연결하도록 할 수도 있다.
사용자로 하여금 상기 그룹 등록을 수동으로 완성하도록 해주는 한 가지 가 능한 설계는 다음과 같다. 첫째, 사용자는 도 32의 스위치 모듈상의 셋업 버튼(2650)을 누른 상태를 유지한다. 이 스위치 모듈은 그 장치 타입 및 "셋 버튼 누름(Set Button Pressed)" 커맨드를 제공하는 메시지를 방송한다. 둘째, 사용자는 상기 장치가 그룹 가입여부를 표시하기 위해 스위치 패들(2640)의 상부를 누른다. (패들의 하부를 누르면 장치가 그룹에서 탈퇴중임을 나타낼 수 있다.) 셋째, 사용자는 도 34의 램프 모듈 A의 셋업 버튼(2850)을 누른다. 램드 모듈 A는 그 장치 어드레스, 장치 타입 및 "셋 버튼 누름" 커맨드를 방송한다. 스위치 모듈은 직접 메시지를 사용하여 그룹 번호(그룹 번호 1로 가정)를 갖는 "그룹 가입(Join Group)" 커맨드를 램프 모듈 A로 송신한다. 이 램프 모듈 A는 상기 직접 메시지에 대한 확인응답을 하고 그 그룹 멤버쉽 데이터베이스를 업데이트하여 그룹 1의 멤버라는 것을 보여준다. 넷째, 사용자는 램프 모듈 B의 셋업 버튼을 누르면, 그 장치는 램프 모듈 A에 대해 동일한 메시징 과정에 후속하여 그룹 1에 등록된다. 마지막으로, 사용자는 스위치 모듈 상의 스위치 패들의 상부를 눌러 그룹 등록 세션을 종료한다.
일단 그룹 등록이 완료되면, 사용자는 스위치 모듈을 이용하여 즉시 두 가지 램프 모듈을 동작시킬 수 있다. 펌웨어 설계에 따라, 많은 사용자 인터페이스가 가능하다. 예컨대, 패들의 상부를 가볍게 두드려서 램프를 턴온시킬 수 있고, 패들의 사부를 눌러 램프를 턴온 시킬 수 있다. 패들의 상부를 누른 상태로 유지하면 사용자가 그만둘 때까지 램프가 점점 밝아질 수 있다. 이와 마찬가지로, 패들의 하부를 사용하여 램프 조광을 완료할 수 있다.
사용자가 두 개의 램프 모듈을 턴온시키기 위해 스위치 패들의 상부를 가볍게 두드린다고 가정하면, 도 39에 도시된 InsteonTM 메시지가 전송될 것이다. 라인(3310)은 그룹 1에게 턴온을 알리는 그룹 방송 메시지이다. 프롬 어드레스 00003E는 스위치 모듈의 어드레스이다. 투 어드레스 00001은 그룹 번호이다. 플래그 CF 또는 이진수 11001111는 그룹 방송, 표준 메시지, 3 홉 레프트, 3 맥스 홉을 의미한다. 커맨드 1인 그룹 커맨드 01은 "턴온"을 의미하고, 커맨드 2인 파라미터는 00이다. 두개의 램프 모듈은 이 메시지를 수신하고, 이들 그룹 데이터베이스를 체크하여 이들 모듈이 그룹 1의 진정한 멤버임을 확인하며 커맨드를 실행하여 그들의 부하를 턴온시킨다. 다른 메시지 수신자는 그룹 1의 멤버가 아니기 때문에, 그 메시지를 무시한다.
라인(3320)에서, 스위치 모듈은 직접 그룹-클인업 메시지를 갖는 그룹 방송 커맨드를 후속하여 램프 모듈 A에 전송하고 "턴온" 커맨드를 중계한다. 다시, 프롬 어드레스는 00003E가 되지만, 이때 투 어드레스는 000054, 즉 램프 모듈 A가 된다. 플래그 00은 직접 표준 메시지, 0 홉 레프트, 0 맥스 홉을 의미한다. 커맨드 1인 41은 "그룹-클린업, 턴온"을 의미하고 커맨드 2인 그룹 번호는 01이 된다.
라인(3330)은 램프 모듈 A로부터 수신된 확인응답이다. 프롬 어드레스 000054는 램프 모듈 A이고, 투 어드레스 00003E는 스위치 모듈이다. 플래그 20인 이진수 00100000은 ACK, 표준 메시지, 0 홉 레프트, 0 맥스 홉을 의미한다. 커맨드 1 및 커맨드 2는 직접 메시지 41 및 01의 동일한 필드의 반복이다.
라인(3340) 및 라인(3350)은 램프 모듈 B에 대한 직접 메시지 및 ACK이다. 필드들은 램프 모듈 B 000051의 어드레스가 램프 모듈 A의 어드레스인 000054의 대체 어드레스라는 것을 제외하고 동일하다.
도 1은 InsteonTM 장치로 알려진 본 발명에 따른 장치들을 전력선, RF 시그널링 또는 이들 두 가지를 이용하여 네트워킹하는 방법을 도시한 블록구성도이다.
도 2는 다중 전력선, RF 및 하이브리드 장치가 네트워크내에서 사용되는 방법, 및 전력선 페이즈 브릿징(powerline phase bridging)이 RF를 이용하여 달성되는 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 InsteonTM 장치가 마스터, 슬레이브 또는 이들 두 가지로서 기능할수 있는 방법을 도시한 블록 구성도이다.
도 4는 전력선상에서 전송되는 InsteonTM 메시지를 위해 사용되는 패킷 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 RF를 사용하여 전송된 InsteonTM 메시지의 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 InsteonTM 표준 메시지에 포함된 10 바이트 데이트를 도시한 도면이다.
도 7은 InsteonTM 확장 메시지에 포함된 10 바이트 데이트를 도시한 도면이다.
도 8은 메시지 플래그 바이트의 비트의 의미를 도시한 도면이다.
도 9는 InsteonTM장치가 메시지를 재전송하는 방법을 도시한 도면이다.
도 10은 InsteonTM장치가 메시지를 수신하는 방법을 도시한 플로우챠트이다.
도 11은 InsteonTM장치의 그룹에 메시지를 전송하는 방법을 도시한 플로우챠트이다.
도 12는 InsteonTM장치가 직접 메시지를 재시도하여 전송하는 방법을 도시한 플로우챠트이다.
*도 13은 InsteonTM 메시지의 모든 유형을 도시한 도면이다.
도 14는 BPSK InsteonTM 신호를 도시한 도면이다.
도 15는 천이 평탄화(transition smoothing)과정을 거친 BPSK InsteonTM 신호를 도시한 도면이다.
도 16은 InsteonTM 및 X10 시그널링을 전력선에 적용하는 방법을 도시한 도면이다.
도 17은 표준 메시지 패킷을 전력선에 적용하는 방법을 도시한 도면이다.
도 18은 메시지 패킷이 전력선에 얼마나 오랫동안 적용되는가를 도시한 도면이다.
도 19는 InsteonTM RF 시그널링에 대한 사양을 도시한 도면이다.
도 20은 InsteonTM 메시지가 전송, 재전송 및 인정되는 방법을 도시한 도면이다.
도 21은 InsteonTM 엔진이 메시지를 전송 및 수신하는 방법을 도시한 블록구성도이다.
도 22는 InsteonTM 엔진이 전력선상에서 메시지를 전송하는 방ㅓㅂ을 도시한 블록구성도이다.
도 23은 InsteonTM 엔진이 전력선상에서 메시지를 수신하는 방ㅓㅂ을 도시한 블록구성도이다.
도 24는 InsteonTM RM 도터 보드(daughter board)가 InsteonTM 마더보드와 통신하는 방법을 도시한 플로우챠트이다.
도 25는 InsteonTM RM 도터 보드가 RF를 통해 메시지를 전송하는 방법을 도시한 플로우챠트이다.
도 26은 InsteonTM RM 도터 보드가 RF를 통해 메시지를 수신하는 방법을 도시한 플로우챠트이다.
도 27은 임의의 도터 보드를 구비한 InsteonTM 메인보드의 블록구성도이다.
도 28은 RF 도터 보드를 구비한 InsteonTM 메인보드의 블록구성도이다.
도 29는 USB 도터 보드를 구비한 InsteonTM 메인보드의 블록구성도이다.
도 30은 RS232 도터 보드를 구비한 InsteonTM 메인보드의 블록구성도이다.
도 31은 이더넷 도터 보드를 구비한 InsteonTM 메인보드의 블록구성도이다.
도 32는 와이어-인(wire-in) InsteonTM 벽 스위치를 도시한 도면이다.
도 33은 와이어-인 InsteonTM 키패드 컨트롤러를 도시한 도면이다.
도 34는 플러그-인(plug-in) InsteonTM 램프 조광기, 기기 컨트롤러 또는 통신 인터페이스 장치를 도시한 도면이다.
도 35는 RF 통신 장치를 구비한 플러그-인 InsteonTM 램프 조광기를 도시한 도면이다.
도 36는 테이블탑 또는 벽장착 InsteonTM 푸시버튼 컨트롤러를 도시한 도면이다.
도 37은 힌지 버튼 커버가 개방되어 있는 InsteonTM 푸시버튼 컨트롤러를 도시한 도면이다.
도 38은 테이블탑 또는 벽장착 InsteonTM 터치스크린 컨트롤러를 도시한 도면이다.
도 39는 InsteonTM 사용 세션의 예에 대한 소정의 가정에 따라 전송가능한 특정 InsteonTM 메시지의 레이아웃이다.

Claims (1)

  1. 다수의 통신 모듈로서, 그 각각의 통신 모듈은 메인 전력선과 무선주파수 상에서 메시지들을 송수신하는 회로를 포함하되, 상기 통신 모듈들 중 적어도 하나는 상이한 위상의 메인 전력선에 연결되어, 메인 전력선의 하나의 위상으로 전파되는 메시지들은 상기 무선주파수를 사용하여 릴레이된 후에 메인 전력선의 또 다른 위상으로 전파되는 것을 특징으로 하는 통신 모듈.
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