KR20130136225A - 자기장 통신 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20130136225A
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한국과학기술원
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    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/20—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems characterised by the transmission technique; characterised by the transmission medium
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Abstract

본 발명은 자기장 통신에서 품질 벡터의 변화를 통해 통신 용량을 증가시킬 수 있는 자기장 통신 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템은 자기장 통신을 수행하는 송수신부를 포함하며, 송수신부간의 결합 계수(coupling coefficient)를 계산하며, 계산된 결합 계수를 기반으로 산출된 최적 품질 팩터를 이용하여 자기장 통신을 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

자기장 통신 시스템 및 방법{FIELD COMMUNICATION SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 자기장 통신에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 송수신부간의 통신 용량을 증가시킬 수 있는 자기장 통신 시스템 및 방법에 관한 것이다.
현대 사회의 도시화가 진행되면서 가스관, 전기관, 수도관 등의 많은 매립물들이 지중에 매설된다. 이러한 지중 매립물들은 정확한 위치 파악이 쉽지 않아 새로운 건축물 건설 및 보수 공사 등은 지중 매립물의 손상을 초래할 수 있다. 이런 지중 매립물들은 사람들의 생활과 직접적인 연관이 있는 구조물로 지중 매립물의 손상은 금전적, 시간적 손해뿐만 아니라 사람들의 삶의 질적인 측면에서도 큰 피해를 준다. 그러므로 지중 매립물의 위치를 정확히 파악하여 모니터링 하는 기술은 매우 중요하다. 지중 매립물 관리를 위해서는 매립물과 함께 매립물의 위치 정보를 담고 있는 지중 센서를 매립한다. 이 지중 센서는 통신을 통해 지중 매립물의 위치 정보를 지상의 리더기에 알려주어 지중 매립물 모니터링을 가능하게 한다. 하지만 기존의 전자파 통신은 매질에 따라 전파 특성이 나빠지기 때문에 지중에 매립된 센서와의 통신이 어려운 단점이 있다.
이러한 지중 매립물 관리를 위한 기술의 예로는 자기 마커와 자기 탐지기를 이용하여 지하 매립물 관리 시스템과 자기장 통신 시스템 등이 있다.
종래의 지하 매립물 관리 시스템은 지하 매립물에 강한 자력을 내는 자기 마커를 부착 후 그 위치를 데이터베이스화하여 관리한다. 이후에 지상의 자기 탐지기를 이용하여 자기 마커가 보내는 자력을 탐지하여 지하 매립물의 매립 위치를 알아낸다. 그러나, 이러한 기술은 단지 자기 마커의 자력을 측정하는 것이므로 자기장 통신이라 하기 어렵고 지하 매립물의 정확한 위치정보를 주고받는 것이 아니라 자력의 세기를 ON/OFF로 측정하여 매립 유무만 알 수 있다.
종래의 자기장 통신 시스템은 지중 매립물 모니터링을 위해 자기장 통신을 이용하는 것이다. 자기장 통신에서는 대용량의 정보 전송이 필요하지 않으므로 수 kbps 정도의 통신 용량만 지원이 되면 충분하다. 이러한 요구에 맞춰서 종래의 자기장 통신 시스템에서는 수 kbps의 통신 용량을 최대 15미터의 거리까지 지원한다.
그러나, 최근에는 지중 매립물 관리뿐만 아니라 미화와 편의성을 위하여 곳곳에 센서를 매립한다. 특히 유비쿼터스 홈네트워크 구현을 위해 건물벽 내부에 센서를 매립하는 경우나 능동 소음 제어를 위하여 창틀에 음향 센서를 매립하는 경우에는 센서간에 대용량 정보 전송 지원은 필수적이다. 하지만 기존의 자기장 통신 기술들은 대용량 정보 전송은 지원할 수 없는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 자기장 통신에서 품질 팩터의 변화를 통해 통신 용량을 증가시킬 수 있는 자기장 통신 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템은 자기장 통신을 수행하는 송수신부를 포함하며, 상기 송수신부간의 결합 계수(coupling coefficient)를 계산하며, 상기 계산된 결합 계수를 기반으로 산출된 최적 품질 팩터를 이용하여 자기장 통신을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템에서 상기 송수신부는, 상기 송수신부 각각의 품질 팩터를 조정하기 위한 품질 팩터 조절 소자를 각각 구비하며, 자체 소자 성분들을 이용하여 품질 팩터를 계산하며, 상기 각각의 품질 팩터 조절 소자를 변화시켜 상기 계산된 품질 팩터를 상기 최적 품질 팩터로 조정하는 제어 모듈을 각각 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템상기 품질 팩터 조절 소자는, 가변 저항인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템에서 상기 수신부는, 상기 송신부로부터 신호가 수신될 때 상기 신호의 세기를 기반으로 상기 결합 계수를 계산한 후 이를 상기 송신부에 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템에서 상기 송신부는, 자체 소자 성분을 이용하여 품질 팩터를 계산한 후 이를 기반으로 상기 수신부에 상기 신호를 송신하며, 상기 신호에 대한 응답으로 수신한 상기 결합 계수를 이용하여 상기 최적 품질 팩터를 계산하며, 상기 계산된 최적 품질 팩터를 기반으로 상기 최적 품질 팩터를 상기 수신부에 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템에서 상기 송신부는, 수학식(
Figure pat00001
)을 통해 상기 최적 품질 팩터를 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템은 상기 송수신부 사이에는 적어도 하나 이상의 릴레이부를 구비하며, 상기 릴레이부의 개수에 따라 수학식(
Figure pat00002
)으로 상기 최적 품질 팩터를 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템에서 상기 송신부는, 자체 소자들에 연결되어 상기 송신부의 품질 팩터를 조정하기 위한 품질 팩터 조절 소자와, 상기 송신부의 품질 팩터를 이용하여 상기 수신부에 신호를 송신하며, 상기 신호에 대한 응답으로 상기 수신부로부터 상기 결합 계수를 수신한 후 상기 최적 품질 팩터를 계산하는 품질 팩터 계산부와, 상기 품질 팩터 조절 소자를 제어하여 상기 송신부의 품질 팩터를 상기 최적 품질 팩터로 조정하는 조정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템에서 상기 수신부는, 자체 소자들에 연결되어 상기 수신부의 품질 팩터를 조정하기 위한 품질 팩터 조절 소자와, 상기 송신부로부터 신호가 수신되면, 상기 신호를 기반으로 상기 결합 계수를 계산한 후 이를 상기 송신부에 제공하는 결합 계수 계산부와, 상기 송신부에 상기 결합 계수를 송신한 후 이에 대한 응답으로 상기 최적 품질 팩터를 수신하며, 상기 품질 팩터 조절 소자를 제어하여 상기 송신부의 품질 팩터를 상기 최적 품질 팩터로 조정하는 조정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템에서 상기 결합 계수 계산부는, 상기 신호의 세기를 기반으로 상기 결합 계수를 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 방법은 자기장 통신을 수행하는 송신부의 자체 소자 성분을 이용하여 품질 팩터를 계산하는 단계와, 상기 품질 팩터를 이용하여 신호를 수신부에 송신하는 단계와, 상기 수신부로부터 상기 신호에 대한 응답으로 결합 계수를 수신하는 단계와, 상기 결합 계수에 의거하여 최적 품질 팩터를 계산하는 단계와, 상기 품질 팩터를 상기 최적 품질 팩터로 조정하는 단계와, 상기 최적 품질 팩터를 상기 수신부에 전송하여 상기 수신부와 통신을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 방법에서 상기 최적 품질 팩터를 계산하는 단계는, 아래의 수학식에 의해 상기 최적 품질 팩터를 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 방법은 자기장 통신을 수행하는 송신부의 자체 소자 성분을 기반으로 계산된 품질 팩터를 기반으로 한 신호를 상기 송신부로부터 수신하는 단계와, 상기 신호를 수신한 상기 수신부에서 상기 신호를 기반으로 결합 계수를 계산하는 단계와, 상기 결합 계수를 상기 송신부에 전송한 후 이에 대한 응답으로 최적 품질 팩터를 수신하는 단계와, 상기 수신부 자체의 품질 팩터를 상기 최적 품질 팩터로 조정하는 단계와, 상기 최적 품질 팩터를 이용하여 상기 송신부와 통신을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 송수신 코일의 결합 계수(k)에 의거하여 최적 품질 팩터를 산출하고, 이를 기반으로 신호를 송수신함으로써, 통신 용량을 최대화 할 수 있다. 이를 통해 종래의 저 용량 자기장 통신의 한계를 넘어 대용량 정보 전송을 가능하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 적용되는 자기장 통신 환경을 도시한 도면,
도 2는 도 1의 등가 회로도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템을 도시한 도면,
도 4는 품질 팩터(Q)의 변화에 따른 공진 주파수에 형성된 신호의 크기를 도시한 그래프,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템이 동작하는 과정을 도시한 흐름도,
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템을 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 자기장 통신 시스템의 등가 회로도,
도 8은 본 발명의 실시 예들에 따른 two-coil 환경과 relay 환경에서의 성능을 비교한 도면,
도 9은 종래의 자기장 통신 방법과 본 발명의 실시 예에 따른 방법간을 비교한 도면이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 실시 예에서는 통신 용량을 증가시키기 위한 품질 팩터를 결정하는 자기장 통신 시스템 및 방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 적용되는 자기장 통신 환경을 도시한 도면으로서, 송신 코일(100)과 수신 코일(110)로 구성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 송신 코일(100)에 교류 전압을 전원으로 하여 전류가 흐르면 자기장이 생성되고, 이 자기장은 수신 코일(110)에 새로운 자기장을 유도시켜 수신 코일(110)에도 전류가 흐르게 된다. 이러한 자기장의 상호 유도적인 특성에 의해서 송신 코일(100)과 수신 코일(110)은 정보를 송수신할 수 있다.
송신 코일(100)과 수신 코일(110)은, 도 2에 도시된 바와 같이, R, L, C 등가 회로로 표현될 수 있는데, 즉 인덕터 성분(Lt), 캐패시턴스 성분(Ct) 및 내부 저항(r)으로 구성되는 코일(200)과 송신 코일(100) 단에 연결되어 전원을 공급하기 위한 전원(Vt), 전원(Vt)에 연결되는 송신측 저항(Rs) 및 수신 코일(110)의 내부에 연결된 로드 저항(RL) 등으로 구성될 수 있다.
한편, 송신 코일(100)과 수신 코일(110)의 송신측 저항(
Figure pat00003
)과 로드 저항(
Figure pat00004
)은 품질 팩터를 조절하기 위한 균등한(equivalent) 가변 저항으로 이용될 수 있다. 아에 따라 송신측 저항(
Figure pat00005
)과 로드 저항(
Figure pat00006
) 값을 조절함으로써, 기존의 품질 팩터 값을 최적의 품질 팩터 값으로 변경 시킬 수가 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 송수신 코일(100, 110)간의 거리에 따라 최대 통신 용량을 얻기 위한 자기장 통신 시스템에 대해 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템을 도시한 도면으로서, 크게 송신 코일(100)에 연결된 제 1 품질 팩터 조절 소자(300), 수신 코일(110)에 연결된 제 2 품질 팩터 조절 소자(310), 최적 품질 팩터의 제어를 통해 최대 통신 용량으로 신호를 전송하기 위해 최적 품질 팩터(Qmax)를 제어하는 제 1, 2 제어 모듈(320, 330) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제 1, 2 품질 팩터 조절 소자(300, 310)는 송수신 코일(100, 110)에 각각 연결되어 최적 품질 팩터(Qmax)를 조절하기 위한 수단으로서, 그 예로서 가변 저항을 들 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제 1 제어 모듈(320)은 수신 코일(110)로부터 결합 계수(k)를 제공받아 최적 품질 팩터(Qmax)를 계산한 후 이를 기반으로 제 1 품질 팩터 조절 소자(300)의 값을 제어함으로써, 송신 코일(100)이 최적 품질 팩터(Qmax)로 신호를 전송할 수 있도록 한다. 이를 위하여 제 1 제어 모듈(320)는 품질 팩터 계산부(322) 및 제 1 품질 팩터 조절 소자(300)의 값을 변환시키기 위한 제 1 조정부(324) 등을 구비할 수 있다.
품질 팩터 계산부(322)가 최적 품질 팩터(Qmax)를 계산하는 과정에 대해 설명하면 아래와 같다.
먼저, 도 2와 같은 구조를 갖는 송수신 코일(100, 110) 간의 통신을 위해 사용하는 중심 주파수는 공진 주파수를 사용하며, 송신 코일(100)과 수신 코일(110)의 공진 주파수는 아래의 수학식 1과 같다.
Figure pat00007
본 발명의 실시 예는 송신 코일(100)과 수신 코일(110)이 충분히 떨어져 있는 loosely coupled 환경을 가정 하에 동작한다. 여기에서, Loosely coupled 환경이란 송신 코일(100)에서 생성된 자기장이 수신 코일(110)에 상호유도를 통해 자기장을 형성시키지만 수신 코일(110)에서 유도된 자기장의 세기는 충분히 작아서 다시 송신 코일(100)에 영향을 미치지 않는 환경을 의미한다.
도 2의 회로도에서 Kirchhoff's voltage law(KVL)를 이용하여 아래의 수학식 2와 같은 노드 방정식(node equation)을 전개할 수 있다.
Figure pat00008
상기의 수학식 2와 1storder tayler series expansion을 이용하면 공진 주파수 주변의 주파수 대역에서의 송신 코일(100)과 수신 코일(110)에 흐르는 전류를 아래의 수학식 3을 통해 구할 수 있다.
Figure pat00009
Figure pat00010
상기의 수학식 3에서 Q는 품질 팩터(quality factor)로써 송신 코일(100)이 신호를 얼마나 정확(sharp)하게 보내주는가를 가늠하는 척도이다. 품질 팩터(Q) 값이 커질수록 강한 공진을 이용하여 신호를 보낼 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 품질 팩터(Q) 값의 변화에 따라 공진주파수에 얼마나 큰 신호가 형성되는지를 알 수 있다.
또한, 수신 코일(110)의 로드 저항(RL)에서 주파수(w)를 통해 수신하는 파워는 아래의 수학식 4와 같다.
Figure pat00011
상기의 수학식 4에서 A 및 B는 송수신 코일(100, 110)의 회로 효율을 의미한다.
한편, 공진 주파수에서 수신하는 파워의 크기는 아래의 수학식 5와 같다.
Figure pat00012
상기의 수학식 5에서 수신 파워는 Q와 비례하고 결합 계수(coupling coefficient, k)와도 비례한다. 이는 강한 공진을 이용하여 신호를 정확(sharp)하게 보낼수록, 또한 송수신 코일(100, 110)의 거리가 가까워 결합 계수(k)가 클수록 수신 파워의 크기는 커짐을 나타낸다.
만약, 송수신 코일(100, 110)의 품질 팩터가 같다고 가정하고(
Figure pat00013
), 자기장 통신의 대역폭을 신호의 파워의 파워가 최대값 대비 반으로 떨어지는 3dB 대역폭(bandwidth)으로 설정한 뒤, 다음의 관계(
Figure pat00014
)를 이용하면 아래의 수학식 6을 통해 자기장 통신의 대역폭을 구할 수 있다.
Figure pat00015
상기의 수학식 6에 기재되어 있는 바와 같이, 품질 팩터(Q)와 대역폭(B)은 반비례하는 관계를 알 수 있다. 즉, 품질 팩터(Q)를 크게 하여 강한 공진을 이용할수록 통신을 위한 대역폭(B)은 줄어듦을 알 수 있다.
한편, 자기장 통신의 용량은 아래의 수학식 7과 같다.
Figure pat00016
상기의 수학식 7에서 No는 잡음의 스펙트럼 출력 밀도(noise spectral density)이다. 위에서 대역폭(B)과 수신파워(PL)는 모두 품질 팩터(Q)에 대한 함수이다. 또한, 대역폭(B)은 품질 팩터(Q)와 반비례하고 수신파워(PL)는 품질 팩터(Q)에 비례하는 특성을 갖는다. 즉, 품질 팩터(Q)를 크게 하면 수신 파워(PL)는 증가하는 대신 대역폭(B)은 줄어들게 된다. 품질 팩터(Q)값의 변화에 따라 대역폭(B)과 수신 파워(PL)는 자기장 통신 용량(C)에 각각 상이한 영향을 끼치는 관계가 있다. 또한, 통신 용량(C) 역시 품질 팩터(Q)에 대한 함수로 표현할 수 있다. 이런 이유로, 수학식 7에서 관계식(
Figure pat00017
,
Figure pat00018
)을 통해 통신 용량(C)을 최대화하는 품질 팩터(Q)는 아래의 수학식 8과 같다.
Figure pat00019
상기의 수학식 8에서
Figure pat00020
는 송신 파워,
Figure pat00021
은 각각 송수신 코일의 회로 효율, k는 커플링 계수,
Figure pat00022
는 공진 주파수,
Figure pat00023
는 잡음의 스펙트럼 출력 밀도이다.
또한, 상기의 수학식 8에서 알 수 있듯이, 최적 품질 팩터(Qmax)는 결합 계수(k)와 반비례하는 것을 볼 수 있다. 즉, 송수신 코일(100, 110)의 거리가 가까울 때는 Qmax가 작아지는 반면 대역폭(B)은 넓어진다. 반대로 송수신 코일(100, 110)의 거리가 늘어날수록 통신 용량(C)을 최대화하기 위해서는 최적 품질 팩터(Qmax)는 커지고 대역폭(B)은 줄어든다.
그 이유는 다음과 같다. 통신을 가능하게 하기 위해서는 수신 파워는 일정한 값 이상이 유지 되어야 한다. 송수신 코일(100, 110)의 거리가 멀어지게 되면 수신 파워는 이 값 이하로 떨어지게 되므로 이를 보상해주기 위해 송수신 코일(100, 100)은 대역폭(B)에 손해를 보더라도 강한 공진을 이용하여 신호를 전송해주어야 한다. 반대로 송수신 코일(100, 110)의 거리가 가까울 때는 작은 품질 팩터(Q)값을 이용해서도 충분히 일정한 값 이상의 수신 파워를 지원해 줄 수 있으므로 이때는 넓은 대역폭(B)을 사용하는 것이 통신 용량 증대를 위해 유리하다. 즉, 거리가 달라질 때마다(결합 계수(k)가 달라질 때 마다) 가변 저항(variable resistance)을 이용하여 상기의 수학식 8과 같이 최적 품질 팩터(Qmax)를 조정해주면 어떤 거리에서든지 최대 통신 용량을 얻을 수 있다.
이런 원리를 이용하여 본 발명의 실시 예에서 송신 코일(100)에 연결된 품질 팩터 계산부(322)는 결합 계수(k)에 의거하여 최적 품질 팩터(Qmax)를 계산하며, 제 1 조정부(324)는 최적 품질 팩터(Qmax)를 이용하여 제 1 품질 팩터 조절 소자(300)인 가변 저항 값의 변경시켜 품질 팩터(Q)를 최적 품질 팩터(Qmax)로 변경시킬 수 있다. 이에 따라, 송신 코일(100)은 최대 통신 용량으로 신호를 수신 코일(110)에 전송할 수 있다.
즉, 제 1 제어 모듈(320)은 도 1에 도시된 송신 코일(100)의 소자들(R, L, C)을 이용하여 품질 팩터(Q)를 계산한 후 이를 기반으로 신호를 수신 코일(110)으로 송신하게 된다. 이후, 수신 코일(110)로부터 결합 계수(k)를 제공받으면 제 1 제어 모듈(320)은 결합 계수(k)를 기반으로 최적 품질 팩터(Qmax)를 계산하며, 계산된 최적 품질 팩터(Qmax)를 기반으로 제 1 품질 팩터 조절 소자(300)의 값을 변경시킨다. 이에 따라, 송신 코일(100)은 결합 계수(k)에 따른 최적 품질 팩터(Qmax)를 기반으로 신호를 수신 코일(110)에 전송할 수 있다.
제 1 제어 모듈(320)의 품질 팩터 계산부(322)는 상기의 수학식 8과 수신 코일(110)로부터 제공받은 결합 계수(k)를 이용하여 최적 품질 팩터(Qmax)를 계산할 수 있다.
한편, 제 1 제어 모듈(320)의 제 1 조정부(324)는 제 1 품질 팩터 조절 소자(300)인 가변 저항의 값을 변경시켜 송신 코일(100)의 품질 팩터(Q)를 최적 품질 팩터(Qmax)로 변경시킬 수 있다.
제 2 제어 모듈(330)은 송신 코일(100)로부터 신호가 수신됨에 따라 신호의 세기를 기반으로 결합 계수(k)를 계산한 후 이를 송신 코일(100)에 전송하고, 송신 코일(100)로부터 최적 품질 팩터(Qmax)가 수신됨에 따라 제 2 품질 팩터 조절 소자(310)의 값을 제어함으로써, 수신 코일(110)이 최적 품질 팩터(Qmax)를 이용하여 신호를 전송할 수 있도록 한다. 이를 위하여, 제 2 제어 모듈(330)은 결합 계수 계산부(332), 제 2 조정부(334) 등을 구비할 수 있다.
제 2 조정부(334)는 제 2 품질 팩터 조절 소자(310)인 가변 저항의 값을 변경시켜 수신 코일(110)의 품질 팩터(Q)를 최적 품질 팩터(Qmax)로 변경시킬 수 있다.
한편, 제 1, 2 품질 팩터 조절 소자(300, 310)는 송신 코일(100)과 수신 코일(110)의 (
Figure pat00024
)과 로드 저항(
Figure pat00025
)으로 구현될 수 있는데, 이 경우 제 1, 2 조정부(324, 334)가 송신 코일(100)과 수신 코일(110)의 송신측 저항(
Figure pat00026
)과 로드 저항(
Figure pat00027
)의 값을 조절하면, 이에 따라 상기의 수학식 4에
Figure pat00028
와
Figure pat00029
이 변경되기 때문에 기존의 품질 팩터(Q) 값이 최적 품질 팩터(Qmax) 값으로 변경된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템에서는 결합 계수(k)에 따라 송수신 코일(100, 110)에 연결된 제 1, 2 품질 팩터 조절 소자(300, 310)의 값을 변경시킴으로써, 최적 품질 팩터(Qmax)로 신호가 송수신될 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템이 동작하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 송신 코일(100)은 도 1에 도시된 바와 같은 구성의 회로 내 R, L, C 성분을 이용하여 품질 팩터(Q)를 계산한다(S500).
그런 다음, 송신 코일(100)은 품질 팩터(Q)를 이용하여 신호를 수신 코일(110)에 전송한다(S502).
이에 따라, 수신 코일(110)의 결합 계수 계산부(332)는 신호의 세기를 이용하여 결합 계수(k)를 계산(S504)한 후 이를 송신 코일(100)에 전송한다(S506).
송신 코일(100)의 제 1 제어 모듈(320) 내 품질 팩터 계산부(322)는 결합 계수(k)를 이용하여 최적 품질 팩터(Qmax)를 계산(S508)한다. 그런 다음, 제 1 조정부(324)는 제 1 품질 팩터 조절 소자(300)인 가변 저항을 변화시켜 품질 팩터(Q)를 최적 품질 팩터(Qmax)로 조정한다(S510).
그리고 나서, 송신 코일(100)은 최적 품질 팩터(Qmax)를 이용하여 신호를 수신 코일(110)에 전송하는데, 즉 계산된 최적 품질 팩터(Qmax)를 수신 코일(110)에 전송한다(S512).
이에 따라, 수신 코일(110)의 제 2 제어 모듈(330) 내 제 2 조정부(334)는 최적 품질 팩터(Qmax)를 기반으로 제 2 품질 팩터 조절 소자(310)인 가변 저항을 변화시켜 수신 코일(110) 내 품질 팩터(Q)를 최적 품질 팩터(Qmax)로 조정한다(S514).
본 발명의 실시 예에서는 "two-coil" 환경을 기반으로 설명하였지만, 송수신 코일(100, 110) 사이에 적어도 하나 이상의 릴레이 코일이 설치되는 릴레이(Relay) 환경의 경우에 대해 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자기장 통신 시스템을 도시한 도면으로서, 송수신 코일(100, 110)과 그 사이에 설치된 적어도 하나 이상의 릴레이 코일(600/1-600/n)로 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 자기장 통신 시스템의 등가 회로도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 릴레이 코일(600/1-600/n)은 송수신 코일(100, 110)과 동일한 R, L, C 값을 가질 수 있다. 즉, 각 릴레이 코일(600/1-600/n)은 인덕터 성분(L), 내부 저항(r) 및 캐패시턴스 성분(C)을 갖는 회로로 구현될 수 있다.
이와 같이, 송수신 코일(100, 110) 및 릴레이 코일(600/1-600/n)이 동일한 R, L, C 값을 갖는다는 가정 하에, 공진 주파수 주변의 대역에서의 송신 코일, relay 코일, 수신 코일에 흐르는 전류는 아래의 수학식 9을 통해 산출될 수 있다.
Figure pat00030
상기의 수학식 9에서 k는 근접한 코일 사이의 결합 계수(coupling coefficient)이기 때문에 수신부에 해당되는 수신 코일(110)에서는 송신부에 해당되는 송신 코일(100)에서 보낸 신호의 세기를 이용하여 송신 코일(100)과 수신 코일(110) 사이의 거리에 대한 전체 결합 계수(k)를 구할 수 있으며, 릴레이 코일(600/1-600/n)의 수를 알고 있다고 가정하면 근접 코일 사이의 결합 계수(k)를 구할 수 있다. 또한, 수신 코일(110)의 로드 저항(RL)에서 주파수 w를 통해 수신하는 파워 및 공진 주파수에서의 수신 파워는 각각 아래의 수학식 10 및 11을 통해 산출될 수 있다.
Figure pat00031
Figure pat00032
상기의 수학식 10 및 11에서 n은 릴레이 코일의 수이다.
또한, 대역폭은 Two-coil 환경과 같은 방법을 통해 아래의 수학식 12로 산출할 수 있다.
Figure pat00033
또한, 다음과 같은 관계식(
Figure pat00034
,
Figure pat00035
)을 통해 통신 용량(C)을 최대화하는 최적 품질 팩터(Qmax)는 아래의 수학식 13으로 정의될 수 있다.
Figure pat00036
상기의 수학식 13에서
Figure pat00037
는 송신 파워,
Figure pat00038
은 코일의 회로 효율, k는 커플링 계수,
Figure pat00039
는 공진 주파수,
Figure pat00040
는 잡음의 스펙트럼 출력 밀도, n은 릴레이부의 개수, c는
Figure pat00041
, w(x)는 Lambert W-function이다.
상기의 수학식 13에서 알 수 있듯이, 릴레이 환경에서도 최적 품질 팩터(Qmax)의 전체적인 특성은 two-coil 환경과 같음을 알 수 있으며, n=0인 relay 환경은 two-coil 환경과 동일하다.
본 발명의 실시 예들에 따른 자기장 통신 시스템의 성능에 대해 도 8 및 도 9을 참조하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시 예들에 따른 two-coil 환경과 relay 환경에서의 성능을 비교한 도면이며, 도 9은 종래의 자기장 통신 방법과 본 발명의 실시 예에 따른 방법간을 비교한 도면이다.
설명에 앞서, 시뮬레이션 환경은 아래의 표 1과 같다.
Figure pat00042
먼저, 도 8에 도시된 바와 같이 Relay 환경은 각각 릴레이 코일의 수가 4개와 5개일 때를 고려하였으며, 송수신 코일의 총 거리는 3m이다. 결과의 설명에 _Ana는 가정을 통해 분석한 결과이며, _Real은 수신 코일이 송신 코일에 미치는 상호 유도 현상 및 cross coupling 현상까지 고려한 실제 환경에서 분석 결과이다.
결과 그래프를 보면, 분석한 결과와 실제 값이 작은 오차 범위 내에서 잘 맞음을 알 수 있다. 또한, 각 scheme마다 통신용량을 최대화하는 Q값이 존재하는데, 이 역시도 수학식 8 및 수학식 13에 의해 산출된 값과 일치한다.
또한, 릴레이 코일의 수가 늘어날수록 릴레이 코일이 공진을 이용하여 신호를 전송하는데 도움을 주기 때문에 통신 용량이 증가됨을 알 수 있다.
한편, 도 9는 종래 방법 대비 본 발명의 성능 향상 결과를 도시한 도면이다.
도 9에서 본 발명의 실시 예들에 따른 자기장 통신 방법은 송수신 코일간의 거리가 변함에 따라 최적 품질 팩터(Qmax) 값을 적응적(adaptive)적으로 변화시켜 주지만, 종래 방법(Fix_Q)은 거리가 변함에 관계없이 정해진 Q값을 사용한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 전 구간에서 본 발명의 실시 예들에 따른 자기장 통신 방법이 종래 방법에 비해 성능이 뛰어남을 볼 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예들에 따른 자기장 통신 방법의 경우 거리마다 존재하는 최적의 Q값을 찾기 때문에 최대 통신 용량을 달성할 수 있으나, 종래 방법의 경우 자신의 고유 Q값이 이 최적의 Q값과 비슷한 거리에서만 제안 방안과 비슷한 성능 수준을 보여준다. 예를 들어, Q값이 100인 종래 방법의 경우 2m의 거리(최적의 Q=90)에서만 본 발명의 자기장 통신 방법과 비슷한 성능 수준을 보여주고, 2m외의 거리에서는 자신의 고유 Q값이 각 거리의 최적의 Q값 사이의 오차가 커져 성능이 많이 떨어짐을 볼 수 있다.
또한, 도 9에서도 릴레이 환경이 two-coil 환경 보다 성능이 더 좋음을 알 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소를 적용 분야에 따라 변경하거나, 개시된 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시 예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
100 : 송신 코일 110 : 수신 코일
200 : 코일 300 : 제 1 품질 팩터 조절 소자
310 : 제 2 품질 팩터 조절 소자 320 : 제 1 제어 모듈
322 : 품질 팩터 계산부 324 : 제 1 조정부
330 : 제 2 제어 모듈 332 : 결합 계수 계산부
334 : 제 2 조정부 600/1-600/n : 릴레이 코일

Claims (21)

  1. 자기장 통신을 수행하는 송수신부를 포함하며,
    상기 송수신부간의 결합 계수(coupling coefficient)를 계산하며, 상기 계산된 결합 계수를 기반으로 산출된 최적 품질 팩터를 이용하여 자기장 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는
    자기장 통신 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송수신부는,
    상기 송수신부 각각의 품질 팩터를 조정하기 위한 품질 팩터 조절 소자를 각각 구비하며,
    자체 소자 성분들을 이용하여 품질 팩터를 계산하며, 상기 각각의 품질 팩터 조절 소자를 변화시켜 상기 계산된 품질 팩터를 상기 최적 품질 팩터로 조정하는 제어 모듈을 각각 구비하는 것을 특징으로 하는
    자기장 통신 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 품질 팩터 조절 소자는, 가변 저항인 것을 특징으로 하는
    자기장 통신 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신부는, 상기 송신부로부터 신호가 수신될 때 상기 신호의 세기를 기반으로 상기 결합 계수를 계산한 후 이를 상기 송신부에 제공하는 것을 특징으로 하는
    자기장 통신 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 송신부는,
    자체 소자 성분을 이용하여 품질 팩터를 계산한 후 이를 기반으로 상기 수신부에 상기 신호를 송신하며, 상기 신호에 대한 응답으로 수신한 상기 결합 계수를 이용하여 상기 최적 품질 팩터를 계산하며, 상기 계산된 최적 품질 팩터를 기반으로 상기 최적 품질 팩터를 상기 수신부에 전송하는 것을 특징으로 하는
    자기장 통신 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 송신부는,
    아래의 수학식을 통해 상기 최적 품질 팩터를 계산하는 것을 특징으로 하는
    Figure pat00043
    (
    Figure pat00044
    는 송신 파워,
    Figure pat00045
    은 각각 송수신 코일의 회로 효율, k는 커플링 계수,
    Figure pat00046
    는 공진 주파수,
    Figure pat00047
    는 잡음의 스펙트럼 출력 밀도)
    자기장 통신 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 송수신부 사이에는 적어도 하나 이상의 릴레이부를 구비하며,
    상기 릴레이부의 개수에 따라 아래의 같은 수학식으로 상기 최적 품질 팩터를 계산하는 것을 특징으로 하는
    Figure pat00048

    (
    Figure pat00049
    는 송신 파워,
    Figure pat00050
    은 코일의 회로 효율, k는 커플링 계수,
    Figure pat00051
    는 공진 주파수,
    Figure pat00052
    는 잡음의 스펙트럼 출력 밀도, n은 릴레이부의 개수, c는
    Figure pat00053
    , w(x)는 Lambert W-function)
    자기장 통신 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신부는,
    자체 소자들에 연결되어 상기 송신부의 품질 팩터를 조정하기 위한 품질 팩터 조절 소자와,
    상기 송신부의 품질 팩터를 이용하여 상기 수신부에 신호를 송신하며, 상기 신호에 대한 응답으로 상기 수신부로부터 상기 결합 계수를 수신한 후 상기 최적 품질 팩터를 계산하는 품질 팩터 계산부와,
    상기 품질 팩터 조절 소자를 제어하여 상기 송신부의 품질 팩터를 상기 최적 품질 팩터로 조정하는 조정부를 포함하는 것을 특징으로 하는
    자기장 통신 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 품질 팩터 조절 소자는, 가변 저항인 것을 특징으로 하는
    자기장 통신 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 품질 팩터 계산부는, 아래의 수학식에 의거하여 상기 최적 품질 팩터를 계산하는 것을 특징으로 하는
    Figure pat00054
    (
    Figure pat00055
    는 송신 파워,
    Figure pat00056
    은 각각 송수신 코일의 회로 효율, k는 커플링 계수,
    Figure pat00057
    는 공진 주파수,
    Figure pat00058
    는 잡음의 스펙트럼 출력 밀도)
    자기장 통신 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신부는,
    자체 소자들에 연결되어 상기 수신부의 품질 팩터를 조정하기 위한 품질 팩터 조절 소자와,
    상기 송신부로부터 신호가 수신되면, 상기 신호를 기반으로 상기 결합 계수를 계산한 후 이를 상기 송신부에 제공하는 결합 계수 계산부와,
    상기 송신부에 상기 결합 계수를 송신한 후 이에 대한 응답으로 상기 최적 품질 팩터를 수신하며, 상기 품질 팩터 조절 소자를 제어하여 상기 송신부의 품질 팩터를 상기 최적 품질 팩터로 조정하는 조정부를 포함하는 것을 특징으로 하는
    자기장 통신 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 결합 계수 계산부는,
    상기 신호의 세기를 기반으로 상기 결합 계수를 계산하는 것을 특징으로 하는
    자기장 통신 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 품질 팩터 소자는, 가변 저항인 것을 특징으로 하는
    자기장 통신 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송수신부는, R, L 및 C 성분을 갖는 코일인 것을 특징으로 하는
    자기장 통신 시스템.
  15. 자기장 통신을 수행하는 송신부의 자체 소자 성분을 이용하여 품질 팩터를 계산하는 단계와,
    상기 품질 팩터를 이용하여 신호를 수신부에 송신하는 단계와,
    상기 수신부로부터 상기 신호에 대한 응답으로 결합 계수를 수신하는 단계와,
    상기 결합 계수에 의거하여 최적 품질 팩터를 계산하는 단계와,
    상기 품질 팩터를 상기 최적 품질 팩터로 조정하는 단계와,
    상기 최적 품질 팩터를 상기 수신부에 전송하여 상기 수신부와 통신을 수행하는 단계를 포함하는
    자기장 통신 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 최적 품질 팩터를 계산하는 단계는, 아래의 수학식에 의해 상기 최적 품질 팩터를 계산하는 것을 특징으로 하는
    Figure pat00059
    (
    Figure pat00060
    는 송신 파워,
    Figure pat00061
    은 각각 송수신 코일의 회로 효율, k는 커플링 계수,
    Figure pat00062
    는 공진 주파수,
    Figure pat00063
    는 잡음의 스펙트럼 출력 밀도)
    자기장 통신 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 최적 품질 팩터로 조정하는 단계는, 상기 송신부의 자체 소자와 연결된 가변 저항을 변화시켜 상기 품질 팩터를 상기 최적 품질 팩터로 조정하는 것을 특징으로 하는
    자기장 통신 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 송신부와 상기 수신부 사이에 적어도 하나 이상의 릴레이부가 설치된 경우
    상기 최적 품질 팩터를 계산하는 단계는, 아래의 수학식에 의해 상기 최적 품질 팩터를 계산하는 것을 특징으로 하는
    Figure pat00064

    (
    Figure pat00065
    는 송신 파워,
    Figure pat00066
    은 코일의 회로 효율, k는 커플링 계수,
    Figure pat00067
    는 공진 주파수,
    Figure pat00068
    는 잡음의 스펙트럼 출력 밀도, n은 릴레이부의 개수, c는
    Figure pat00069
    , w(x)는 Lambert W-function)
    자기장 통신 방법.
  19. 자기장 통신을 수행하는 송신부의 자체 소자 성분을 기반으로 계산된 품질 팩터를 기반으로 한 신호를 상기 송신부로부터 수신하는 단계와,
    상기 신호를 수신한 상기 수신부에서 상기 신호를 기반으로 결합 계수를 계산하는 단계와,
    상기 결합 계수를 상기 송신부에 전송한 후 이에 대한 응답으로 최적 품질 팩터를 수신하는 단계와,
    상기 수신부 자체의 품질 팩터를 상기 최적 품질 팩터로 조정하는 단계와,
    상기 최적 품질 팩터를 이용하여 상기 송신부와 통신을 수행하는 단계를 포함하는
    자기장 통신 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 결합 계수를 계산하는 단계는, 상기 신호의 세기를 기반으로 상기 결합 계수를 계산하는 것을 특징으로 하는
    자기장 통신 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 최적 품질 팩터로 조정하는 단계는, 상기 수신부의 자체 소자와 연결된 가변 저항을 변화시켜 상기 품질 팩터를 상기 최적 품질 팩터로 조정하는 것을 특징으로 하는
    자기장 통신 방법.
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