KR20120037869A - 광대역 무선통신 기기간의 위치 기반 페어링 방법 및 장치 - Google Patents

광대역 무선통신 기기간의 위치 기반 페어링 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

차세대 무선통신 기기의 광대역 특성을 이용하여 기기 간의 거리(range) 정보를 취득하고 이를 이용하여 무선 기기간의 페어링 과정의 보안성과 편의성을 동시에 향상시킬 수 있는 방법을 제공한다. 위치 기반 페어링 방법은, 제1 무선 장치 및 제2 무선 장치는 시간 동기화 및 주파수 동기화를 포함하는 동기화 동작을 수행하는 단계와, 제1 무선 장치와 동기화된 제2 무선 장치는 거리 측정 신호로서 제2 신호를 발생시키고 제2 신호를 제1 무선 장치로 전송하는 단계와, 제1 무선 장치는 제2 신호와 동기화된 제1 신호를 발생시키고, 제2 무선 장치로부터 수신된 제2 신호를 제1 신호가 물체에 의해 반사된 수신 신호로 이용하여, 제1 무선 장치와 제2 무선 장치 사이의 거리를 추정하는 단계와, 제1 무선 장치는 추정된 거리를 이용하여 제2 무선 장치가 페어링 영역 내부에 있는지 여부를 결정하는 단계와, 제2 무선 장치가 페어링 영역 내부에 있는 것으로 결정되는 경우, 제1 무선 장치 및 제2 무선 장치는 페어링을 수행하는 단계를 포함한다.

Description

광대역 무선통신 기기간의 위치 기반 페어링 방법 및 장치{Method and apparatus for location based pairing between wideband wireless devices}
본 발명은 광대역 무선통신 기기간의 연결과 네트워크 구성(configuration) 과정의 효율성을 향상시키는 기술에 관한 것이다.
종래의 휴대폰, 무선 헤드셋, 노트북 등의 휴대형 기기들은 무선 LAN 또는 블루투스(Bluetooth)와 같은 무선통신 기술을 이용하여 근거리에서 데이터를 전송하며, 이러한 무선 접속의 초기 단계에 페어링 과정을 통하여 기기간의 보안화된(secure) 무선 링크를 형성한다.
종래의 무선통신 페어링 과정에는, 무선 접속 초기 단계에서, 아직 페어링 되지 않은 두 기기는 무선으로 연결 요청 신호를 보내면서 서로 상대방 기기를 찾는다. 일단 기본적인 접속이 이루어지면, 두 기기는 PIN(Personal Identification Number) 코드를 사용자로부터 입력받고 이를 서로 교환 및 비교하여 상호 식별(identification)을 할 수 있게 된다. 식별 과정을 통과하면 페어링을 맺고자 하는 두 기기 간에만 사용되는 고유한 키인 링크 키(Link Key) 또는 조합 키 (combination key)를 생성하고 서로 교환한다. 이 링크 키를 이용하여 암호 키(Encryption Key)를 생성하고 두 기기 간에 암호화된 무선 통신망이 형성된다.
그런데, 이러한 종래의 페어링 과정은 링크 키를 얻기 위해 사용자가 직접 PIN 코드를 입력해야 한다. 이는 단순해 보이지만 실제 적용과정에서는 사용자에게 적지 않은 불편함을 야기한다. 특히 별도의 숫자 입력 장치가 없는 기기들, 예를 들어 디지털 카메라나 USB 메모리, 외장 하드 디스크, 헤드셋 등의 경우에는 아예 PIN 코드 입력이 불가능하거나 매우 어렵다. 이 경우에는 링크 키를 이용한 암호화를 하지 않거나, 사전에 정의된 고정된 PIN 코드를 이용해야 하므로 무선 통신의 보안 수준이 매우 떨어지는 문제가 있다.
휴대형 기기의 일반적인 사용자는 통신의 초기 단계인 페어링 과정이 복잡하거나 보안성이 취약할 경우 무선 통신의 사용을 꺼리게 되므로, 서로 상충되는 요구사항인 보안성과 편의성을 모두 높일 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명은 차세대 무선통신 기기의 광대역 특성을 이용하여 기기 간의 거리(range) 정보를 취득하고 이를 이용하여 무선 기기 간의 페어링 과정의 보안성과 편의성을 동시에 향상시킬 수 있는 방법을 제공한다.
일 측면에 따른 위치 기반 페어링 방법은, 제1 무선 장치 및 제2 무선 장치는 시간 동기화 및 주파수 동기화를 포함하는 동기화 동작을 수행하는 단계와, 제1 무선 장치와 동기화된 제2 무선 장치는 거리 측정 신호로서 제2 신호를 발생시키고 제2 신호를 제1 무선 장치로 전송하는 단계와, 제1 무선 장치는 제2 신호와 동기화된 제1 신호를 발생시키고, 제2 무선 장치로부터 수신된 제2 신호를 제1 신호가 물체에 의해 반사된 수신 신호로 이용하여, 제1 무선 장치와 제2 무선 장치 사이의 거리를 추정하는 단계와, 제1 무선 장치는 추정된 거리를 이용하여 제2 무선 장치가 페어링 영역 내부에 있는지 여부를 결정하는 단계와, 제2 무선 장치가 페어링 영역 내부에 있는 것으로 결정되는 경우, 제1 무선 장치 및 제2 무선 장치는 페어링을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 차세대 광대역 무선통신 시스템에서 거리 또는 위치 정보를 이용하여 PIN 코드 입력 없이 기기 간의 페어링을 간편하게 수행할 수 있다. 또한, 정의된 영역 외부의 기기에 대해서는 페어링을 차단함으로써 보안성이 우수한 광대역 무선 접속 방법을 제공할 수 있다.
따라서, 별도의 PIN 코드 입력 장치를 가지지 않으면서도 높은 데이터 보안성이 요구되는 이동식 저장장치, 디지털 카메라, 무선 USB 허브, 무선 크래들 등의 다양한 기기에 거리 또는 위치 정보를 이용하여 PIN 코드 입력 없이 기기 간의 페어링 방법을 활용하여 직관적이며 안전한 무선접속이 가능하여, 무선 기술의 활용도를 더욱 높이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 기반 페어링 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페어링을 수행하는 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 추정 방법을 설명하기 위한 FMCW 레이더의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 추정에 사용된 펄스 방식 레이더의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 무선 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 무선 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 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. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 기반 페어링을 방법을 나타내는 순서도이다.
차세대 이동통신 시스템 및 차세대 개인영역 통신은 기존의 무선통신에 비해 넓은 주파수 대역폭을 사용할 수 있게 된다. 이에 따라 기존의 제한적인 채널 대역으로는 불가능했던 새로운 서비스가 가능하다. 일 실시예에 따르면, 광대역 채널 특성을 이용하여 종래에 비해 정확한 거리(range) 또는 위치(location) 정보를 이용한 신속한 사용자 인증(authentication)과 페어링(pairing) 프로세스를 수행할 수 있다.
페어링 프로세스를 수행하는 두 장치는 제1 무선 장치 및 제2 무선 장치라고 하고 한다. 제1 무선 장치 및 제2 무선 장치는 제1 호스트 및 제2 호스트라고 부를 수도 있다. 제1 무선 장치 및 제2 무선 장치는 각각 마스터 장치 및 슬레이브 장치에 대응할 수 있다.
제1 무선 장치 및 제2 무선 장치는 서로 통신에 필요한 사전 동기화 과정을 수행할 수 있다(110). 사전 동기화 과정에서, 제1 무선 장치 및 제2 무선 장치는 시간 동기화 및 주파수 동기화를 수행할 수 있다.
통신에 필요한 기본적인 동기화 과정을 마치면 제2 무선 장치는 거리 측정 신호를 제1 무선 장치로 전송한다(120). 거리 측정 신호는 주파수가 시간에 따라 일정하게 변하는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 신호 또는 처프(chirp) 신호일 수 있다. 또는, 거리 측정 신호는 펄스 신호일 수 있다.
제1 무선 장치는 수신된 거리 측정 신호를 이용하여, 제1 무선 장치와 제2 무선 장치 사이의 거리(R)를 추정한다(130). 제1 무선 장치와 제2 무선 장치 사이의 거리(R)를 추정하는 방법의 일 예는 도 3 및 도 4를 참조하여 후술한다.
제1 무선 장치는 추정된 거리(R)를 사전에 정의된 거리 임계값(range limit)과 비교하여(140), 거리 비교(140) 단계에서 페어링 영역 내부로 판단된 경우, 구성(configuration) 정보 및 보안 데이터(security data)를 서로 교환하고, 제1 무선 장치 및 제2 무선 장치 간에 보안 연결을 위한 링크 키(link key) 교환까지 수행함으로써 페어링 프로세스를 수행한다(150). 거리 임계값은, 페어링 과정에서 제1 무선 장치와 제2 무선 장치 이외의 기기가 개입되지 못하도록 충분히 작은 값으로 하는데, 일반적으로 30cm 정도일 수 있다.
제1 무선 장치 및 제2 무선 장치 간에 링크 키(link key) 교환까지 마치면 페어링 모드를 종료하고, 정상적인 데이터 전송(data transmission) 모드를 시작할 수 있다(160).
추정된 거리(R)가 임계 거리보다 큰 경우(140), 제1 무선 장치는 제2 무선 장치가 페어링 영역 외부로 간주하며, 연결 실패(connection failure) 프로세스를 수행한다(170). 추정된 거리(R)가 임계 거리보다 큰 경우(140), 다시, 동작 120, 130 및 140을 일정 시간 경과 후 반복적으로 수행하고, 일정 시간 경과 후에도 추정된 거리(R)가 임계 거리보다 큰 경우(140), 연결 실패 프로세스(170)를 수행할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페어링을 수행하는 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2의 시스템은 PNC(Piconet Coordinator) 기기(210) 및 휴대 단말(220)을 포함한다. PNC 기기(210)는 도 1의 제1 무선 장치에 대응하고, 휴대 단말(230)은 제2 무선 장치에 대응한다. 휴대 단말(220)은 스마트폰, 휴대 전화, PDA(personal digital assistant), 랩탑 컴퓨터, 헤드셋 등 다양한 형태의 단말 장치일 수 있다. 또한, 제1 무선 장치로 PNC 기기(210)를 예로 들었으나, 제1 무선 장치도 제2 무선 장치와 같은 휴대 단말로 구현될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 휴대 단말(220)의 무선통신부 전원을 키고 송수신기를 가동시키면, PNC 기기(210) 및 휴대 단말(220)은 동기 채널(Synchronization Channel) 신호, 비콘(beacon) 신호 또는 프리앰블(preamble) 신호를 이용하여 서로 간에 프레임 시간 동기(timing sync.)와 주파수 동기를 수행한다(110).
통신에 필요한 기본적인 동기화 과정을 마치면 휴대 단말(220)은 주파수가 시간에 따라 일정하게 변하는 FMCW 신호 또는 처프(chirp) 신호를 발생시키고 이를 PNC 기기(210)로 전송한다.
PNC 기기(210)는 자체적으로 생성시킨 FMCW 신호와 휴대 단말(220)로부터 수신한 FMCW 신호를 비교하여 PNC 기기(210)와 휴대 단말(220)간의 거리(R)를 추정할 수 있다. PNC 기기(210)는 이와 같은 방법으로 추정된 거리(R)를 사전에 정의된 거리 임계값과 비교하여, 추정된 거리(R)가 거리 임계값보다 큰 경우 페어링 영역 외부로 간주할 수 있다. 거리 임계값은, 페어링 과정에서 PNC 기기(210)와 휴대 단말(220) 이외의 기기가 개입되지 못하도록 충분히 작은 값으로 하는데, 예를 들어 30cm 정도일 수 있다.
추정된 거리(R)가 거리 임계값보다 큰 경우, 일정 시간 후에 동작 120부터 140을 다시 실행하여 계속해서 페어링 영역 외부로 인식될 경우, 연결 실패(connection failure) 프로세스를 수행할 수 있다(170).
거리 비교 단계에서(150), 추정된 거리(R)가 거리 임계값 이하여서, 페어링 영역 내부로 판단된 경우 연결 프로세스를 계속 수행하며, 구성(configuration) 및 보안 데이터(security data)를 서로 교환하고, PNC 기기(210) 및 휴대 단말(220) 사이의 보안 연결을 위한 링크 키 교환을 수행한다(150).
두 기기간에 링크 키 교환까지 마치면 페어링 모드를 종료하고, 정상적인 데이터 전송(data transmission) 모드를 시작한다(160).
PNC 기기(210)가 1개인 경우 거리 정보만 획득할 수 있지만, PNC 기기(210)가 3개 이상인 경우 삼각측량법에 의해 휴대 단말(220)의 3차원 공간 상의 상대적인 위치 정보를 추정할 수 있으며 이를 이용하여 페어링의 보안성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 거리 추정 방법을 설명하기 위한 FMCW 레이더의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 종래의 FMCW 레이더(도시되지 않음)는 주파수가 시간에 따라 일정하게 변하는 FMCW 신호인 제1 신호를 생성하여 안테나를 통해 방사(radiation)시키면, 물체에 방사된 신호가 반사되어 되돌아 오는 제2 신호를 수신한다. FMCW 레이더가 제1 신호를 전송한 시간과 제2 신호가 수신된 시간 사이에 시간차(delta_t)가 발생된다. 두 신호를 곱하면 두 신호 간의 주파수 차이에 해당하는 비트 주파수(beat frequency;fb)를 검출할 수 있다. 이 비트 주파수(fb)는 시간차(delta_t)에 의해 결정되고, 시간차는 거리(R)에 비례하므로 다음의 수학식 1에 의해 레이더와 물체간의 거리(R)를 계산할 수 있다.
Figure pat00001
여기에서, c는 전파 속도를 나타내고, tm은 도 3의 삼각파 신호의 반복 주기로서, 삼각파 주파수를 fm이라고 하면, fm=1/tm이 된다.
그런데, 이와 같은 종래의 레이더는 전자파를 반사시키는 물체가 주변에 많을 경우 수신 신호가 복잡해진다. 일 실시예에 따르면, 제1 무선 장치 및 제2 무선 장치는 비컨(beacon) 신호 등을 이용하여 시간 동기를 맞춘 상태에서, 제1 무선 장치는 제2 무선 장치는 서로 동기된 동일한 FMCW 신호인 제1 신호 및 제2 신호를 발생할 수 있다. 제2 무선 장치는 일정 시간을 기준으로 거리 측정 신호로서 제2 신호를 발생시켜서 이를 제1 무선 장치쪽으로 전송할 수 있다. 그러면, 제1 무선 장치는 제2 무선 장치에서 전송한 제2 신호를 물체에 의해 반사된 수신 신호로 간주하여, 제1 무선 장치가 발생한 제1 신호 및 제2 신호를 이용하여, 수학식 1을 통하여 제1 무선 장치와 제2 무선 장치 사이의 거리 추정을 할 수 있다.
이와 같이, 페어링 프로세스에서 무선 기기의 RF 부에서 주파수 변조 연속파 신호(FMCW)를 생성하고 상대방 기기에서 이 신호로부터 거리 정보를 추정하여 일정한 거리 이내에 있는 무선기기에 대해서만 페어링을 허용함으로써 사용자의 개입이 없이 편리하면서 보안성이 우수한 광대역 무선 접속 방법을 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 추정에 사용된 펄스 방식 레이더의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 거리 측정 신호로서 FMCW 신호 대신에 펄스 신호를 이용하여 거리 추정을 할 수 있다. 제1 무선 장치 및 제2 무선 장치는 비컨(beacon) 신호 등을 이용하여 시간 동기를 맞춘 상태에서, 제1 무선 장치는 제2 무선 장치는 서로 동기된 동일한 펄스 신호를 발생할 수 있다. 제1 무선 장치가 발생한 펄스 신호를 제1 신호라고 하고, 제2 무선 장치가 발생한 펄스 신호를 제2 신호라고 하면, 제2 무선 장치는 일정 시간을 기준으로 제2 신호를 발생시켜서 이를 제1 무선 장치쪽으로 전송할 수 있다. 그러면, 제1 무선 장치는 제2 무선 장치로부터 수신된 제2 신호를 물체에 의해 반사되어 수신된 수신 신호로 간주하여, 수학식 2를 이용하여 거리 추정을 할 수 있다.
Figure pat00002
여기에서, c는 전파 속도를 나타내고, Δt는 기준 펄스 신호인 제1 신호와 수신된 펄스 신호인 제2 신호 간의 시간차를 나타낸다.
펄스 신호나 FMCW 신호를 이용하여 기기간 거리를 추정하는 방식은 종래의 레이더나 UWB(Ultra Wide-band) 라디오에서 이미 사용되고 있으나, UWB가 3~10GHz 대역에서 사용되는 under-lay 스펙트럼 기술이다. 이에 비하여, 본 발명은 허가된 4세대 이동통신 주파수 대역이나 ISM(Industrial, Scientific and Medical) 주파수 대역, 특히 60GHz 등의 밀리미터파 대역에서 적용되기 위한 기술이며, 높은 보안성을 갖는 페어링 프로세스에 활용된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 무선 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
제1 무선 장치(500)는 제어부(510) 및 송수신부(520)를 포함할 수 있다. 제1 무선 장치(500)는 도 2에 도시된 바와 같은 피코넷 또는 다양한 형태의 단말 장치일 수 있다.
제어부(510)는 동기화 수행부(512), 거리 추정부(514) 및 페어링 수행부(516)를 포함할 수 있다.
송수신부(520)는 외부의 기기인 제2 무선 장치(도 6의 600)와 데이터를 송수신한다.
동기화 수행부(512)는 제1 무선 장치(500)와 페어링을 시도하는 제2 무선 장치와 시간 및 주파수 동기를 수행한다.
거리 추정부(514)는 동기화가 수행된 제2 무선 장치에서 발생된 제2 신호와 동기화된 제1 신호를 발생시키고, 제2 무선 장치로부터 수신된 제2 신호를 제1 신호가 물체에 의해 반사된 수신 신호로 이용하여, 제1 무선 장치와 제2 무선 장치 사이의 거리를 추정한다. 거리 추정부(514)는 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 FMCW 신호 또는 펄스 신호를 이용하여 거리를 추정할 수 있다.
페어링 수행부(516)는 추정된 거리를 이용하여 제2 무선 장치가 페어링 영역 내부에 있는지 여부를 결정하고, 제2 무선 장치가 페어링 영역 내부에 있는 것으로 결정되는 경우, 제1 무선 장치 및 제2 무선 장치는 페어링을 수행한다. 페어링 수행 프로세스는 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 구성 및 보안 데이터 교환 및 링크 키 교환 과정을 포함할 수 있다. 페어링 수행부(516)는 제2 무선 장치가 페어링 영역 외부에 있는 것으로 결정되는 경우, 연결 실패 프로세스를 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 무선 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
제2 무선 장치(600)는 제어부(610) 및 송수신부(620)를 포함할 수 있다.
제어부(610)는 동기화 수행부(612) 및 페어링 수행부(616)를 포함할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 송수신부(620)는 외부의 기기인 제1 무선 장치(500)와 데이터를 송수신한다.
동기화 수행부(612)는 제2 무선 장치(600)가 페어링을 시도하는 외부 장치인 제1 무선 장치(500)와 시간 및 주파수 동기를 수행한다.
페어링 수행부(616)는 제1 무선 장치(500)가 페어링 영역 내부에 있는지를 결정하기 위하여, 제2 무선 장치(600)로 제1 무선 장치(500)와 동기화된 거리 측정 신호로서 제1 신호를 발생시키고 송신한다. 제1 무선 장치(500)에 의해 제2 무선 장치(600)가 페어링 영역 내부에 있는 것으로 결정되는 경우, 페어링 수행부(616)는 제1 무선 장치(500)의 페어링 수행부(516)와 페어링 프로세스를 수행한다.
본 발명의 일 양상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 상기의 프로그램을 구현하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 디스크 등을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

Claims (1)

  1. 제1 무선 장치 및 상기 제2 무선 장치는 시간 동기화 및 주파수 동기화를 포함하는 동기화 동작을 수행하는 단계;
    제1 무선 장치와 동기화된 제2 무선 장치는 거리 측정 신호로서 제2 신호를 발생시키고 상기 제2 신호를 제1 무선 장치로 전송하는 단계;
    제1 무선 장치는 상기 제2 신호와 동기화된 제1 신호를 발생시키고, 제2 무선 장치로부터 수신된 제2 신호를 상기 제1 신호가 물체에 의해 반사된 수신 신호로 이용하여, 상기 제1 무선 장치와 상기 제2 무선 장치 사이의 거리를 추정하는 단계;
    상기 제1 무선 장치는 상기 추정된 거리를 이용하여 상기 제2 무선 장치가 페어링 영역 내부에 있는지 여부를 결정하는 단계; 및
    상기 제2 무선 장치가 페어링 영역 내부에 있는 것으로 결정되는 경우, 상기 제1 무선 장치 및 상기 제2 무선 장치는 페어링을 수행하는 단계를 포함하는 위치 기반 페어링 방법.
KR1020110027734A 2010-10-12 2011-03-28 광대역 무선통신 기기간의 위치 기반 페어링 방법 및 장치 KR20120037869A (ko)

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