KR20110013856A - 주파수 가변적 신호 검출에 의한 근거리 무선 통신 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 허브와 복수의 센서들이 소정의 주파수 대역을 통해 근거리 무선 통신을 수행하는 근거리 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 상기 주파수 대역의 적어도 일부를 분할하여 복수의 채널들을 형성하고, 상기 복수의 채널들 중 사용 가능한 채널을 확인하며, 상기 확인된 사용 가능한 채널을 통해 데이터를 변조하여 전송하는 상기 허브; 및 상기 해당 주파수 대역 신호가 수신될 경우 동작을 시작하여, 상기 주파수 대역으로 수신되는 신호를 채널 내에 신호가 있을 경우에만 반응하는 주파수 가변 검출부에 의해 상기 각 채널별로 스펙트럼 센싱하고, 상기 각 채널별 패킷 데이터의 헤더를 분석하여 지정된 코드를 갖는 신호로 확인되면 상기 해당 패킷 데이터를 수신 처리하는 상기 센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

허브, 대역 검출기, 근거리 네트워크, 주파수 가변, 채널

Description

주파수 가변적 신호 검출에 의한 근거리 무선 통신 시스템 및 그 방법{Local wireless communication system by adjustable frequency sensing and the method thereof}

본 발명은 근거리 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주어진 대역 내에서 스펙트럼 센싱 방식을 이용하여 통신 채널을 확보하는 주파수 가변적 신호 검출에 의한 근거리 무선 통신 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

무선 통신 시스템 기술은 이동 통신의 상용화와 함께 급속도로 발전하기 시작하여, 최근에는 응용 분야의 다양화와 인접 기술과의 융합화를 통해 빠른 기술 변화를 가져오고 있다. 특히 위성이나 이동 통신과 같은 장거리 고품질의 서비스와 다른 축으로 발전하고 있는 근거리 무선 접속 기술에서의 RF/Microwave 시스템은 기존의 단순 업/다운 컨버젼 시스템(Up/Down Conversion System)에서 벗어나 한정된 에너지(Battery Lift-Cycle)와 주파수 자원의 효율적이고 안전한 활용을 위해 '광대역화 (Wideband)'와 '저전력화 (Low-Power)', 그리고 '주파수 자원 효율 분배'를 주요 이슈로 한 기술 혁명(Technological Innovation)을 추구하고 있다.

우선 광대역성을 이용한 시스템 구현 기술로는 최근 10여년간 무선 RF의 주요 기술로 자리해온 UWB(Ultra Wideband) 기술을 들 수 있다. 이는 미국 FCC에 의해 UWB 주파수 대역이 공표된 이래, 고속(High-Rate; HR)의 UWB 기술인 IEEE 802.15.3a 표준과 저전력, 저속(Low-Rate; LR) UWB인 IEEE 802.15.4a 표준을 중심으로 연구 개발이 진행되어 오고 있다. RF/Microwave 기술 분야의 광대역성은 이 같은 시스템 적용을 위한 단순 대역폭 증가에 그치고 있어 시스템적인 관점에서의 회로 기술을 고려한 연구를 통해서만이 연구의 공학적 성공을 가져올 수 있는 기술 환경을 간과한 측면이 적지 않다. HR-UWB의 경우 고속 통신을 요구하는 만큼의 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호 대역폭을 증가시킨 MBOA(Multiband OFDM Alliance) 진영과 2GHz의 주파수 대역폭 전체를 스프레딩하여 사용하는 DS-CDMA 진영이 대표적이라 할 수 있다. 특히 저전력 센서로의 응용을 추구하던 IEEE 802.15.4a 표준은 위치인식(Location Awareness)의 고 정밀도 및 부가 기능들이 첨가되면서 Impulse Radio(IR) 기반의 고성능, 고가 표준으로 변화되어 차세대 USN(Ubiquitous Sensor Network) 단말 표준 경쟁에서 제외되고 있는 현실이다.

둘째로, 기존의 무선 단말의 가장 많은 부피와 전력 소모를 차지해 온 RF/Analog 회로 기술은 소형화, 저전력화와 함께 CMOS 기술을 이용한 IC 집적을 이슈로 지난 20여 년간 비약적인 발전을 가져왔다. 그러나 최근의 다양화된 시스템 환경과 회로 기술의 요구로 인해 BioRF, RF Sensor Node 등의 저전력 응용을 위한 회로 및 시스템 설계 기술이 동시에 요구되고 있다. 대표적인 저전력 RF 기술 연구 기관인 UCB(Univ. of California at Berkeley)의 BWRC(Berkeley Wireless Research Center)에서는 센서 노드(Sensor Node)를 위한 pico(10-12) Watt 급의 RF 트랜시버(Transceiver)와 네트워크(Network) 기술을 공동 연구해 오고 있다. 'PicoRadio'로 명명된 이 프로젝트는 자연 상태의 에너지를 모으는 기술인 에너지 스캐브닝(Energy Scavenging), MEMS 기술을 이용한 저전력 RF 디바이스(Device) 개발 등의 부분적인 성과를 얻었으나, 일부 소자의 개발과 에너지 스캐브닝(Energy Scavenging)의 가능성을 검증하는 수준의 연구로 성공적인 결실을 얻지는 못하였음을 스스로 인정하였다. 이에 'pJoule' 이라는 신규 프로젝트를 신설하여 지속적인 저에너지 고효율의 시스템 연구를 다시 추진하고 있다. 이처럼 지속적인 노력을 경주하는 국제적인 추세에 반해 국내의 저전력 RF 시스템에 대한 지속적이고 구체적인 연구는 매우 미흡한 실정이다.

세 번째로, 한정된 주파수 자원의 효율적 재사용이라는 관점에서 출발한 'Cognitive Radio(CR)' 시스템은 주로 무선 방송 채널의 스펙트럼 사용 유무를 단말이 판단하여 동적으로 채널을 할당하는 시스템 하드웨어 기술이다. 이는 무선 통신의 유일한 매개체라 할 수 있는 주파수 자원의 효율적 사용을 통해 비용 절감은 물론 효율적인 무선 채널 운용이 가능한 시스템이라 할 수 있다. 또한, 스펙트럼 센싱(Spectrum Sensing) 기술을 이용한 새로운 무선 응용 분야의 발굴이 가능한 장점을 가지고 있다. 그러나 CR 시스템의 핵심 기술인 스펙트럼 센싱 기술은 IEEE 802.22 표준에 제안되어 연구되고 있는 대부분의 방식이 단말기에서 신호 수신 후 기저대역으로 하향 변환하여 디지털 프로세서에 의해 채널의 유효 신호 유무를 확 인하는 절차를 거친다. 이는 오랜 프로세싱 타임과 많은 에너지를 소모하게 되는 단점을 안고 있다.

한편, 유일하게 RF Front-End에서의 스펙트럼 센싱을 연구하고 있는 미국 'Georgia Tech'의 GEDC(Georgia Electronic Design Center)는 'Coarse Sensing'과 'Fine Sensing'의 이중 루프 과정에 의해 비교적 높은 속도의 스펙트럼 사용 유무를 확인하는 기술을 제안하고 있다. 국내에서는 ETRI, 삼성전기 등에서 GEDC의 J. Lasker 교수 그룹과 함께 이중 루프를 이용한 기술을 도입하여 CR 시스템에 적용하려 하고 있다. 그러나 GEDC의 스펙트럼 센싱 기술은 이중의 정밀 검증을 사용하므로 고가 고급의 서비스를 요구하는 비교적 복잡한 단말 환경에 적합한 특징을 가지고 있으며, USN과 같은 근거리 저전력의 소형 시스템에 적용하기는 부적합하다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 근거리 통신 네트워크에서 주어진 대역 내의 비사용 채널을 스펙트럼 센싱 방식에 의해 확보함으로써 비허가 대역 내에서의 상호 간섭을 최소화하는 주파수 가변적 신호 검출에 의한 근거리 무선 통신 시스템 및 그 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 근거리 통신 네트워크에서 센서 노드가 스펙트럼 센싱에 의해 수신 주파수 채널을 RF 대역에서 고속으로 검출함으로써 소출력, 저전력 통신을 가능하게 하는 주파수 가변적 신호 검출에 의한 근거리 무선 통신 시스템 및 그 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시스템은, 적어도 하나의 허브와 복수의 센서들이 소정의 주파수 대역을 통해 근거리 무선 통신을 수행하는 근거리 무선 통신 시스템에 있어서, 상기 주파수 대역의 적어도 일부를 분할하여 복수의 채널들을 형성하고, 상기 복수의 채널들 중 사용 가능한 채널을 확인하며, 상기 확인된 사용 가능한 채널을 통해 데이터를 변조하여 전송하는 상기 허브; 및 상기 해당 주파수 대역 신호가 수신될 경우 동작을 시작하여, 상기 주파수 대역으로 수신되는 신호를 상기 각 채널별로 스펙트럼 센싱하고, 상기 각 채널별 패킷 데이터의 헤더를 분석하여 지정된 코드를 갖는 신호로 확인되면 상기 해당 패킷 데이터를 수신 처리하는 상기 센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 센서는, 실시간으로 수신된 신호를 검출하고, 상기 검출 결과 해당 대역 내에 신호가 존재할 경우, 상기 수신된 신호로 상기 센서의 프로세서에 전원을 공급하여 상기 프로세서를 온 시키는 대역 검출기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 센서는, 상기 주파수 대역으로 수신되는 신호 중에서 공급되는 제어 신호에 따라 생성되는 공진 주파수에 해당하는 채널 신호를 검출하는 주파수 가변 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 주파수 가변 검출부는, 상기 제어 신호에 따른 공진 주파수를 가변적으로 생성하는 공진기 필터; 및 상기 공진기 필터에서 발생된 공진 주파수에 대응하는 상기 해당 대역 내의 각 채널 신호를 검출하는 신호 검출기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 신호 검출기는, 가변되는 공진기 필터의 공진 주파수에 따라 해당 주파수 채널의 신호를 검출하는 버렉터 다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 허브는, 상기 확인된 사용 가능한 채널을 통해 데이터를 변조할 때, OOK 또는 ASK 방식으로 변조하는 것을 특징으로 한다.

상기 허브는, 데이터를 전송하고자 할 경우, 사용 가능한 채널을 찾기 위해 상기 주파수 대역으로 수신되는 신호를 상기 각 채널별로 스펙트럼 센싱하도록 제어 신호를 생성하여 출력시키는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 적어도 하나의 허브와 복수 의 센서들이 소정의 주파수 대역을 통해 근거리 무선 통신을 수행하는 근거리 무선 통신 방법에 있어서, 상기 주파수 대역의 적어도 일부를 분할하여 복수의 채널들을 형성하는 단계; 상기 허브에서 적어도 하나의 센서로 데이터를 전송하고자 할 경우, 상기 주파수 대역의 각 채널로 수신되는 신호를 검출하여 각 채널의 사용 여부를 확인하는 단계; 상기 확인 결과 사용 가능한 비사용 채널이 존재할 경우에는 상기 해당 비사용 채널을 데이터 송신 채널로 선택하는 단계; 및 송신하고자 하는 데이터를 상기 선택된 송신 채널을 통해 변조하여 상기 센서로 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 채널의 사용 여부 확인 단계는, 소정의 제어 신호를 생성하는 단계; 상기 생성된 제어 신호를 입력받아 대응하는 공진 주파수를 생성하는 단계; 및 상기 생성된 공진 주파수에 해당하는 채널 신호를 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어 신호는, 가변 콘덴서의 C 값을 제어하기 위한 직류 전원인 것을 특징으로 한다.

상기 채널 신호 검출은, 상기 제어 신호에 의해 가변되는 공진기 필터의 공진 주파수에 따라 해당 주파수 채널의 신호를 검출하는 것을 특징으로 한다.

상기 허브는, 상기 확인된 사용 가능한 채널을 통해 데이터를 변조할 때, OOK 또는 ASK 방식으로 변조하는 것을 특징으로 한다.

상기 데이터를 상기 센서로 전송하는 단계 이후에, 상기 센서의 대역 검출기에서 실시간으로 수신된 신호를 검출하는 단계; 상기 검출 결과 해당 대역 내에 신 호가 존재할 경우, 상기 수신된 신호로 상기 센서의 프로세서에 전원을 공급하여 상기 프로세서를 온 시키는 단계; 상기 주파수 대역으로 수신되는 신호를 상기 각 채널별로 스펙트럼 센싱 방법을 통해 스캐닝하여 각 채널별로 신호를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 각 채널별 신호로부터 패킷 데이터의 헤더를 분석하여 지정된 코드를 갖는 신호로 확인되면 상기 해당 패킷 데이터를 수신 처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 근거리 통신 네트워크에서 주어진 대역 내의 수신 채널을 RF 대역에서 스펙트럼 센싱 방식으로 검출함으로써 고속의 주파수 선택이 가능한 소출력, 저전력의 센서를 구현할 수 있게 되는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 근거리 통신 네트워크에서 허브가 통신 주파수 채널을 능동적으로 확보함으로써 비허가 대역 내에서의 상호 간섭을 최소화할 수 있게 되는 장점이 있다.

본 발명은 다수의 센서(sensor)들과 허브(hub)로 구성되는 센서 네트워크에서 상기 각 센서와 허브 간의 근거리 무선 통신을 위한 채널을 확보하기 위하여 스펙트럼 센싱(spectrum sensing)을 이용하는 근거리 무선 통신 시스템 및 방법을 제안한다.

한편, 상기에서 본 발명이 적용되는 근거리 무선 통신 시스템의 각 통신 주체로는 상기 센서 및 허브뿐만 아니라 통신 가능한 어떠한 기기도 가능하며, 이하 설명에서는 바람직한 실시 예로서 허브와 센서 간의 통신으로 설명하기로 한다.

본 발명에서는 기설정된 일정한 대역을 복수의 채널로 분할하고, 상기 복수의 채널들을 스캔하여 사용되고 있지 않은 비사용 채널을 확보함으로써 통신을 수행하게 된다.

특히, 본 발명에서는 허브가 적어도 하나의 센서로 일정한 정보를 반복적으로 제공하고, 수신 센서는 간헐적으로 깨어서 정보를 수신하고자 하는 경우(예컨대, 무선 위젯, 타이밍 싱크, 위치 정보를 각 센서에 전송하는 경우), 상기 허브가 해당 대역 내에서 사용 가능한 채널을 확보하여 정보를 전송하고, 센서는 허브에서 전송된 해당 채널 신호에 의해 깨어나서 전송된 신호를 수신하게 된다.

이때, 본 발명의 실시 예에 따라 상기 센서는 주파수 가변 수신형 채널 포락선 검파 회로(이하, 본 발명에서는 '주파수 가변 검출부'라 한다.)를 통해 수신 신호로부터 채널의 사용 여부를 판단하게 된다. 이렇게 함으로써, 저비용, 소출력으로 고속의 스펙트럼 센싱을 수행할 수가 있게 된다.

특히, 본 발명의 실시 예에 따라 채널의 사용 유무를 판단하는 상기 주파수 가변 검출부는 해당 주파수 채널에 입력 신호가 있을 때만 동작하게 된다. 이에 따라 센서의 전력 소모를 줄일 수가 있게 된다.

또한, 센서는 해당 대역 내에 신호가 존재할 경우에만 대역 검출기에 의해 센서를 깨워서 각 채널에 전송된 신호를 수신하게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 상세한 설명을 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 하기에는 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 근거리 무선 통신 시스템을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 근거리 무선 통신 시스템은 하나 이상의 허브(101, 102)와 복수의 센서들(111, 112, 113)로 구성될 수 있다.

상기 허브(101)와 각 센서(111, 112, 113)는 근거리(예컨대, 10~30m)에 위치하여 상호 통신하게 된다. 특히, 본 발명은 허브(101)에서 일정한 정보를 반복적으로 전송하고, 각 센서(111, 112, 113)에서는 간헐적으로 깨어나서 정보를 수신하는 경우에 적용될 수 있다.

한편, 허브(101)에서 신호를 전송할 경우, 다른 허브(102) 또는 센서들이 사용하지 않는 채널을 사용하여야 상호 간섭을 피하여 정상적인 통신을 수행할 수가 있게 된다. 따라서, 다른 허브(102)가 f₂의 주파수 채널을 사용하고 있을 경우, 새로이 통신하고자 하는 허브(101)는 현재 사용하지 않는 주파수 중에서(예컨대, f₃)선택된 다른 주파수 채널을 사용하여 데이터를 전송하여야 한다.

도 2는 본 발명에서 사용되는 대역과 채널의 개념을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 상기 도 1에서의 허브(101, 102) 및 센서(111, 112, 113)는 해당 근거리 영역 내에서 기설정된 주파수 대역을 사용할 수가 있게 된다. 한편, 본 발명 에 적용되는 상기 대역은 ISM 대역(Industrial Scientific Medical Band) 등과 같은 비허가 대역을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 비허가 대역은 허가가 불필요한 소출력 무선기기들에 많이 사용되는 대역으로서 이 주파수 대역을 사용하는 통신장비는 ISM 기기들과 이 대역을 사용하는 통신장비 간에 간섭을 용인한다는 조건에서 사용할 수가 있다. 따라서, 상술한 바와 같이 상기 비허가 대역을 통해 정상적으로 통신을 할 수 있기 위해서는 해당 대역(또는 대역 내의 해당 채널)이 다른 기기에 의해 사용하고 있지 않을 때 가능하다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이 기설정된 상기 대역은 복수의 채널로 구분될 수 있다. 따라서, 상기 근거리 통신 네트워크 내에서 각 기기들은 상기 대역 내의 복수의 채널들 중 특정 채널을 선택하여 데이터를 전송할 수가 있다. 이때, 상술한 바와 같이 각 기기들이 동일한 주파수의 채널을 동시에 사용하게 되면 정상적인 통신이 될 수 없으므로, 본 발명에 따라 스펙트럼 센싱을 통해 각 채널들의 사용 유무를 판단한 후 사용 가능한 채널을 확보하여 전송하게 된다. 본 발명에서는 이와 같은 스펙트럼 센싱을 주파수 가변 수신형 채널 포락선 검파 회로를 통해 구현하며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 센서 및 허브의 세부 구조를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 허브의 세부 구조를 나타낸 블록도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 허브는 기저 대역 처리부(Digital Processor; 310), 변조기(Oscilator; 320), 복수의 증폭기(Amplifier; 330, 331, 332), 듀플렉서(Duplexer; 340), 안테나(Antenna; 350), 채널 필터 뱅크(Channel Filter Bank; 360), 채널 신호 검출기 뱅크(Channel Detector Bank; 370), 저역 통과 필터(Low Pass Filter; LPF)(380) 등으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 기저 대역 처리부(310)는 각종 제어 신호를 생성하는 제어부(311)를 포함할 수 있다.

상기 허브는 근거리 통신 가능한 영역 내에 있는 적어도 하나의 센서로 일정한 정보를 반복적으로 제공하게 되며, 상기 센서는 간헐적으로 깨어나서 상기 허브로부터 전송되는 정보를 수신하게 된다. 이와 같이 허브가 센서들에게 정보를 반복적으로 전송하는 정보의 예로서, 무선 위젯, 타이밍 싱크, 위치 정보 등이 될 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 허브에서 정보를 전송하고자 할 경우, 해당 대역 내에서 사용하지 않고 있는 채널을 확인하게 된다. 이를 위해, 안테나(350)를 통해 수신된 신호 중 해당 대역 내의 각 채널들의 신호를 확인하게 된다.

즉, 안테나(350)에서 수신된 신호는 듀플렉서(340) 및 증폭기(331)를 거쳐 채널 필터 뱅크(360)로 입력된다. 상기 채널 필터 뱅크(360)는 해당 대역 내에서 구분된 채널의 수만큼 필터를 구성하게 되며, 각 필터는 상기 입력된 대역 신호 중 해당 채널의 신호만을 필터링하게 된다. 상기 채널 신호 검출기 뱅크(370)는 각 채널별 할당된 복수의 신호 검출기를 포함하며 상기 채널 필터 뱅크(360)의 각 채널 필터에 대응하여 필터링된 신호를 입력받게 된다. 상기 채널 신호 검출기 뱅크(370)의 각 채널별 신호 검출기를 통해 검출된 해당 채널의 신호는 저역 통과 필터(380) 및 증폭기(332)를 거쳐 기저 대역 처리부(310)로 입력된다.

이때, 상기 기저 대역 처리부(310)에서는 상기 신호 검출된 각 채널의 사용 유무를 판단하고, 현재 사용하지 않고 있는 채널을 송신 채널로 결정하게 된다. 이에 따라, 변조기(320)를 통해 전송하고자 하는 데이터를 상기 결정된 채널의 주파수로 변조한 후, 증폭기(330) 및 듀플렉서(340)를 거쳐 안테나(350)를 통해 허브로 전송하게 된다. 이때, 상기 허브에서 전송되는 데이터는 일반적으로 낮은 데이터 레이트를 가지기 때문에 변조 방식으로 OOK(On Off Keying) 또는 ASK(Amplitude Shift Keying) 등의 디지털 진폭 변조 방식을 이용하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 허브의 출력 신호는 디지털 펄스 형태를 가지게 된다.

한편, 상기 기저 대역 처리부(310)에서 출력되는 전송 데이터는 도 6에 도시된 바와 같은 패킷 형태의 디지털 데이터로 구성될 수 있다. 상기 도 6을 참조하면, 상기 전송 패킷(600)은 프리엠블(Preamble; 601), SFD(Start of Frame Delimiter; 602), PHR(PHY header; 603) 및 PSDU(PHY Service Data Unit; 604)의 데이터 필드를 포함하는 PPDU(Physical Protocol Data Unit) 형태로 구현할 수 있다.

상기 프리엠블(601) 및 SFD(602)는 수신측에서 해당 패킷 심볼을 동기화할 수 있도록 해 준다. 상기 PHR(603)은 PSDU의 길이 값을 가지며, PSDU(604)는 실제 전송하고자 하는 데이터 정보가 된다. 이때, 상기 프리엠블(601)과 PSDU(604)는 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, SFD(602) 및 PHR(603) 필드는 선택적으로 포함하여 구성할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시 예에 따라 전송되는 데이터 패킷의 형태는 상기 도 6에 도시된 바에 한정되는 것이 아니며, 다양한 방법으로 변형하여 구성될 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이 상기 채널 필터 뱅크(360) 및 채널 신호 검출기 뱅크(370)는 도 5에 도시된 바와 같이 도 4의 센서에서 후술할 주파수 가변형 포락선 검파 회로로 대체하여 구성할 수도 있다. 아울러, 변조기(320)에서 해당 주파수로 변조하여 전송하는 구조는 도 5에 도시된 바와 같이 각 채널 개수만큼 구비된 VCO 뱅크로 대체하여 구성할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 센서의 세부 구조를 나타낸 블록도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 센서는 안테나(410), 증폭기(420), 주파수 가변 검출부(430), 저역 통과 필터(Low Pass Filter; LPF)(440), 기저 대역 처리부(Digital Processor; 450), 대역 검출기(Band Detector; 460) 등으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 기저 대역 처리부(450)는 각종 제어 신호를 생성하는 제어부(451)를 포함할 수 있으며, 상기 주파수 가변 검출부(430)는 신호 검출기(431), 가변 콘덴서(434) 및 코일(433) 등으로 구성될 수 있다.

상술한 바와 같이 허브에서 신호가 전송되면, 상기 전송 신호는 센서의 안테나(410)를 통해 수신된다. 상기 수신된 신호는 대역 검출기(460)로 입력되고, 대역 검출기(460)에서는 상기 수신된 신호가 해당 대역 신호일 경우, 기저 대역 처리부(450)에 전원을 공급함으로써 기저 대역 처리부(450)를 온 시키게 된다.

즉, 상기 대역 검출기(460)는 실시간으로 신호를 수신하고, 수신된 신호의 대역이 센서 네트워크에서 허브와 센서간 신호를 송수신하는 해당 주파수 대역의 신호일 경우 상기 수신된 신호가 통과되어 기저 대역 처리부(450)의 전원 공급 역 할을 하게 된다.

따라서, 상기 센서는 계속 동작하지 않고 있다가 상기와 같이 대역 검출기(460)를 통해 해당 대역 신호가 수신되면, 깨어 나서(wake up) 동작하게 된다.

즉, 기저 대역 처리부(450)의 제어부(451)에서는 주파수 가변 검출부(430)로 제어 신호를 공급하게 된다. 이때, 상기 제어 신호는 직류(DC) 신호로서 상기 주파수 가변 검출부(430) 내에 가변 콘덴서(434)와 코일 (433)로 구성된 공진기 필터(즉, LC 회로)의 상기 가변 콘덴서(434)에 공급된다. 이와 같이 상기 제어 신호에 따라 상기 공진기 필터에서 공진 주파수가 생성되며, 상기 공진 주파수에 따라 신호 검출기(431)에서 상기 공진 주파수에 해당하는 채널 신호를 검출하게 된다.

즉, 상기 제어부(451)에서는 출력되는 제어 신호의 직류 전압의 크기를 순차적으로 조정하여 상기 주파수 가변 검출부(430)의 가변 콘덴서(434)의 C 값을 제어하고, 상기 C 값에 따라 공진기 필터에서 발생된 공진 주파수에 의해 신호 검출기(431)에서 해당 대역 내의 각 채널 신호를 순차적으로 검파하게 된다.

상기 신호 검출기(431)는 버렉터 다이오드(Varactor Diode) 등과 같이 가변 용량 소자로 구현될 수 있으며, 상기와 같이 가변 되는 공진기 필터의 공진 주파수에 따라 해당 주파수 채널의 신호를 검출하게 된다. 상기 검출된 해당 채널의 신호는 증폭기(432) 및 저역 통과 필터(440)를 통해 기저 대역 처리부(450)로 입력된다.

한편, 상기 도 4에서는 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 가변 검출부(430)를 공진기 필터(433, 434) 및 신호 검출기(431)로 구현하였으나, 실제 구현시 가변 공진기 필터를 내장한 신호 검출기의 형태로 구현하는 것도 가능하다. 이때, 상기 주파수 가변 검출부(430)는 공진 주파수의 가변에 의해 해당 특정 공진 주파수(채널)에서만 신호 검출이 이루어져, 해당 채널에 신호가 들어올 때에만 동작하게 된다.

이와 같이, 상기 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 가변 검출부(430)는 해당 채널에 전송되는 신호가 있을 경우에는 해당 수신 신호의 검출된 신호를 출력시키고, 전송되는 신호가 없을 경우(예컨대, 노이즈 신호만 존재할 경우)에는 신호를 출력시키지 않게 된다. 따라서, 일반적인 가변 채널 필터를 사용할 때보다 감도가 좋아지게 되며, 채널의 사용 유무를 빠르게 확인할 수가 있게 된다. 아울러, 채널의 사용 유무 판단과 해당 신호의 복조 처리를 동시에 수행할 수가 있게 되는 장점이 있다.

상기 기저 대역 처리부(450)에서는 상기 주파수 가변 검출부(430)의 처리 결과에 따라 상기 각 채널의 사용 유무를 판단하고, 특정 채널에 신호가 존재하여 상기 주파수 가변 검출부(430)의 출력 신호가 있을 경우 해당 채널로 수신된 패킷 데이터의 헤더(즉, 프리엠블(601))를 분석하여 지정된 코드를 갖는 신호로 확인되면 수신을 시작하여 처리하게 된다. 반면, 해당 채널로 수신된 신호는 존재하지만 상기 패킷 데이터의 헤더 분석 결과 지정된 코드를 갖는 신호가 아닐 경우 다시 센서의 동작을 멈추게 된다.

한편, 상기 주파수 가변 검출부(430)의 출력 신호가 존재하나 유효한 출력 신호가 아닌 것으로 판단될 경우(예컨대, 출력 신호의 크기가 정상적이지 않거나, 출력 신호의 패턴이 기설정된 신호 패턴과 상이할 경우)에는 정상적인 수신 신호가 아니므로, 수신 신호에 대한 처리 없이 센서의 동작을 멈추게 된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 허브의 세부 구조를 나타낸 블록도이다. 도 5를 참조하면, 도 3에서 상술한 허브를 본 발명의 다른 실시 예에 따라 변형하여 구성할 수 있다. 예컨대. 도 3에서 수신부는 해당 대역의 채널의 수만큼 구성된 채널 필터 뱅크(360) 및 채널 신호 검출기 뱅크(370)의 구성을 도 4의 센서에서 구비된 바와 같은 주파수 가변형 포락선 검파 회로로 대체하여 구성할 수도 있다. 아울러, 송신측은 변조기(320)에서 해당 주파수로 변조하여 전송하는 구조를 도 5에 도시된 바와 같이 각 채널 개수만큼 구비된 VCO 뱅크(540) 및 혼합기(550)로 대체하여 구성할 수도 있다.

따라서, 도 5와 같은 구조에서는 허브에서 정보를 송신할 때, 복수의 채널을 통해 동시에 정보를 송신하는 것이 가능하게 된다.

보다 구체적으로 설명하면, 상기 허브에서 정보를 전송하고자 할 경우, 제어부(511)에서는 주파수 가변 검출부(580)로 제어 신호를 공급하게 된다. 이때, 상기 제어 신호는 직류(DC) 신호로서 상기 주파수 가변 검출부(580) 내에 가변 콘덴서(583)와 코일(584)로 구성된 공진기 필터(즉, LC 회로)의 상기 가변 콘덴서(583)에 공급된다. 이와 같이 상기 제어 신호에 따라 상기 공진기 필터에서 공진 주파수가 생성되며, 상기 공진 주파수에 따라 신호 검출기(580)에서 상기 공진 주파수에 해당하는 채널 신호를 검출하게 된다.

즉, 상기 제어부(511)에서는 출력되는 제어 신호의 직류 전압의 크기를 순차 적으로 조정하여 상기 주파수 가변 검출부(580)의 가변 콘덴서(583)의 C 값을 제어하고, 상기 C 값에 따라 공진기 필터에서 발생된 공진 주파수에 의해 신호 검출기(582)에서 해당 대역 내의 각 채널을 채널이 확보될 때까지 순차적으로 검파하게 된다.

상기 신호 검출기(582)는 버렉터 다이오드(Varactor Diode) 등과 같이 가변 용량 소자로 구현될 수 있으며, 상기와 같이 가변 되는 공진기 필터의 공진 주파수에 따라 해당 주파수 채널의 신호를 검출하게 된다. 상기 검출된 해당 채널의 신호는 증폭기(581) 및 저역 통과 필터(590)를 통해 기저 대역 처리부(510)로 입력된다. 이와 같이 스펙트럼 센싱되는 신호는 해당 채널 내의 수신 신호 유무에 따라 도 7에 도시된 바와 같이 일정 크기의 신호를 출력하게 된다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 센서의 가변 검출을 위해 파라미터 스윕에 따른 공진 주파수 변화에 의한 출력 신호를 나타낸 그래프이다. 상기 도 7을 참조하면, 상기 주파수 가변 검출부(430)는 스윕 파라미터에 따라 해당 채널에서 신호가 존재할 경우 일정 크기의 검파된 신호가 출력되며, 해당 채널에서 신호가 존재하지 않을 경우에는 어떠한 신호도 출력되지 않게 된다.

상기 기저 대역 처리부(510)에서는 상기 신호 검출된 각 채널의 사용 유무를 판단하고, 현재 사용하지 않고 있는 채널을 송신 채널로 결정하게 된다. 이에 따라, 전송하고자 하는 데이터를 저역 통과 필터(520) 및 증폭기(530)를 거쳐 VCO 뱅크(540)로 전송하고, VCO 뱅크(540)에서는 상기 사용 가능한 채널의 VCO를 통해 데이터를 변조하게 된다. 상기 변조된 데이터는 혼합기(550)에서 다른 주파수 신호들 과 혼합된 후, 증폭기(531) 및 듀플렉서(570)를 거쳐 안테나(560)를 통해 각 센서들로 전송하게 된다. 이때, 상기 허브에서 전송되는 데이터는 일반적으로 낮은 데이터 레이트를 가지기 때문에 변조 방식으로 OOK(On Off Keying) 또는 ASK(Amplitude Shift Keying) 등의 디지털 진폭 변조 방식을 이용하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 허브의 출력 신호는 디지털 펄스 형태를 가지게 된다.

상기 도 3에서 상술한 바와 같이 상기 허브에서는 상기 대역에 포함된 복수의 각 채널을 스펙트럼 스캐닝하여 해당 사용 가능한 채널에 대한 신호만을 송신하도록 구현할 수도 있으나, 허브는 센서에 비해 복잡한 구성이 가능하므로, 도 5에 도시된 바와 같이 각 채널별로 복수의 송신기를 별도로 구성할 수 있다.

이하, 도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 허브 및 센서의 동작 절차를 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 허브에서의 데이터 전송 절차를 나타낸 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 먼저 허브에서 데이터를 전송하고자 할 경우, 해당 전송 대역 내에서 사용 가능한 채널이 있는지 여부를 본 발명의 실시 예에 따른 스펙트럼 센싱 방법을 통해 확인하게 된다.

즉, 해당 대역 내의 복수의 채널들을 순차적으로 스캐닝(S801)하여 각 채널의 사용 여부를 확인하고, 사용 가능한 비사용 채널이 존재(S802)할 경우에는 해당 비사용 채널을 데이터 송신 채널로 선택(S803)하고, 송신하고자 하는 데이터를 상기 선택된 송신 채널을 통해 각 센서들로 전송(S804)하게 된다.

이때, 상기 전송 가능한 채널을 스캐닝하여 확인하는 방법은 도 5에서 상술 한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따라 주파수 가면 수신형 채널 포락선 검파 회로를 이용할 수 있다. 한편, 허브를 도 3에서와 같이 채널의 개수만큼 구비된 채널 필터 뱅크 및 채널 신호 검출기 뱅크를 이용하여 구현할 경우에는 해당 대역의 모든 채널에 대해 동시에 판단하는 것이 가능하므로 스펙트럼 센싱 방법이 불필요하게 된다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 센서에서의 데이터 수신 절차를 나타낸 흐름도이다. 도 9를 참조하면, 상기 도 8에서와 같이 해당 대역 내의 특정 채널을 통해 허브로부터 전송된 신호는 센서에서 수신되어 처리하게 된다.

먼저, 센서에서는 대역 검출기에서 실시간으로 수신된 신호를 검출(S901)하고, 해당 대역 내 신호가 존재할 경우(S902), 수신 신호로 프로세서에 전원을 공급하여 프로세서를 온(On) 시키게 된다(S903).

이에 따라, 센서가 깨어나서 해당 대역 내 채널들을 스캐닝(S904)한다. 즉, 수신된 해당 대역 신호를 각 채널별로 필터링하게 된다. 그런 다음, 각 채널별로 필터링된 수신 신호를 각각 신호 검출기를 통해 검파한 후, 기저 대역에서 각 채널별 수신 신호를 판별하게 된다.

이때, 상기 판별 결과 해당 채널에 신호(S905)가 존재할 경우, 수신 신호의 패킷 헤더를 분석(S906)하게 된다. 상기 패킷 헤더의 분석 결과 유효 통신 신호(S907)로 판단될 경우, 해당 수신 신호를 처리(S908)하게 되며, 유효 통신 신호가 아닐 경우에는 해당 채널이 마지막 채널인 지 여부를 판단(S909)하게 된다.

상기 판단 결과, 마지막 채널이 아닐 경우에는 전술한 S904 단계로 이동하여 다음 채널을 스캐닝하게 되며, 마지막 채널일 경우에는 처리를 종료하고 센서의 동작을 멈추게 된다.

이와 같이 상기 센서는 동작하지 않고 있다가 대역 검출기로부터 해당 대역에 신호가 검출되었을 때만 깨어나서 동작하게 된다. 이러한 센서 네트워크는 허브에서 일정한 정보를 반복적으로 센서에 전송하는 경우, 예컨대 무선 위젯, 타이밍 싱크, 위치 정보 등을 복수의 센서들에 전송하는 경우에 효과적으로 적용될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허 청구의 범위뿐만 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 근거리 무선 통신 시스템을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에서 사용되는 대역과 채널의 개념을 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 허브의 세부 구조를 나타낸 블록도.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 센서의 세부 구조를 나타낸 블록도.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 허브의 세부 구조를 나타낸 블록도.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전송 패킷의 구조를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 센서의 가변 검출을 위해 파라미터 스윕에 따른 공진 주파수 변화에 의한 출력 신호를 나타낸 그래프.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 허브에서의 데이터 전송 절차를 나타낸 흐름도.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 센서에서의 데이터 수신 절차를 나타낸 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101, 102 : 허브 111, 112, 113 : 센서

310, 450, 510 : 기저 대역 처리부 311, 451 : 제어부

320 : 변조기 330, 331, 332 : 증폭기

340, 570 : 듀플렉서 350, 410, 560 : 안테나

360 : 채널 필터 뱅크 370 : 채널 신호 검출기 뱅크

380, 440, 520 : 저역 통과 필터 420, 432 : 증폭기

430, 580 : 주파수 가변 검출부 431, 582 : 신호 검출기

460 : 대역 검출기 530, 531, 532, 581 : 증폭기

540 : VCO 뱅크 550 : 혼합기

583 : 가변 콘덴서 584 : 코일

590 : 저역 통과 필터

Claims (7)

1. 적어도 하나의 허브와 복수의 센서들이 소정의 주파수 대역을 통해 근거리 무선 통신을 수행하는 근거리 무선 통신 시스템에 있어서,

   상기 주파수 대역의 적어도 일부를 분할하여 복수의 채널들을 형성하고, 상기 복수의 채널들 중 사용 가능한 채널을 확인하며, 상기 확인된 사용 가능한 채널을 통해 데이터를 변조하여 전송하는 상기 허브; 및

   상기 해당 주파수 대역 신호가 수신될 경우 동작을 시작하여, 상기 주파수 대역으로 수신되는 신호를 상기 각 채널별로 스펙트럼 센싱하고, 상기 각 채널별 패킷 데이터의 헤더를 분석하여 지정된 코드를 갖는 신호로 확인되면 상기 해당 패킷 데이터를 수신 처리하는 상기 센서;를 포함하는 주파수 가변적 신호 검출에 의한 근거리 무선 통신 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 센서는,

   실시간으로 수신된 신호를 검출하고, 상기 검출 결과 해당 대역 내에 신호가 존재할 경우, 상기 수신된 신호로 상기 센서의 프로세서에 전원을 공급하여 상기 프로세서를 온 시키는 대역 검출기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 가변적 신호 검출에 의한 근거리 무선 통신 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 센서는,

   상기 주파수 대역으로 수신되는 신호 중에서 공급되는 제어 신호에 따라 생성되는 공진 주파수에 해당하는 채널 신호를 검출하는 주파수 가변 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 가변적 신호 검출에 의한 근거리 무선 통신 시스템.
4. 적어도 하나의 허브와 복수의 센서들이 소정의 주파수 대역을 통해 근거리 무선 통신을 수행하는 근거리 무선 통신 방법에 있어서,

   상기 주파수 대역의 적어도 일부를 분할하여 복수의 채널들을 형성하는 단계;

   상기 허브에서 적어도 하나의 센서로 데이터를 전송하고자 할 경우, 상기 주파수 대역의 각 채널로 수신되는 신호를 검출하여 각 채널의 사용 여부를 확인하는 단계;

   상기 확인 결과 사용 가능한 비사용 채널이 존재할 경우에는 상기 해당 비사용 채널을 데이터 송신 채널로 선택하는 단계; 및

   송신하고자 하는 데이터를 상기 선택된 송신 채널을 통해 변조하여 상기 센서로 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 가변적 신호 검출에 의한 근거리 무선 통신 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 채널의 사용 여부 확인 단계는,

   소정의 제어 신호를 생성하는 단계;

   상기 생성된 제어 신호를 입력받아 대응하는 공진 주파수를 생성하는 단계; 및

   상기 생성된 공진 주파수에 해당하는 채널 신호를 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 가변적 신호 검출에 의한 근거리 무선 통신 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 채널 신호 검출은,

   상기 제어 신호에 의해 가변되는 공진기 필터의 공진 주파수에 따라 해당 주파수 채널의 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 주파수 가변적 신호 검출에 의한 근거리 무선 통신 방법.
7. 제4항에 있어서, 상기 데이터를 상기 센서로 전송하는 단계 이후에,

   상기 센서의 대역 검출기에서 실시간으로 수신된 신호를 검출하는 단계;

   상기 검출 결과 해당 대역 내에 신호가 존재할 경우, 상기 수신된 신호로 상기 센서의 프로세서에 전원을 공급하여 상기 프로세서를 온 시키는 단계;

   상기 주파수 대역으로 수신되는 신호를 상기 각 채널별로 스펙트럼 센싱 방법을 통해 스캐닝하여 각 채널별로 신호를 검출하는 단계; 및

   상기 검출된 각 채널별 신호로부터 패킷 데이터의 헤더를 분석하여 지정된 코드를 갖는 신호로 확인되면 상기 해당 패킷 데이터를 수신 처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 가변적 신호 검출에 의한 근거리 무선 통신 방법.

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