KR20190104924A - 간섭에 강한 피코캐스트-3 기술 - Google Patents

간섭에 강한 피코캐스트-3 기술 Download PDF

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KR20190104924A
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Abstract

본 발명은,
국제 표준화된 국내 원천 기술인 PicoCast 기술(비특허문헌 2,3)의 간섭 회피 능력을 더욱 활성화시키기 위하여 그동안 PicoCast-1 과 PicoCast-2 시스템에서 사용하였던 Near/Far 상호 간섭을 제거하는 컨테이너 기법(특허문헌 6)을 움직이는 무선 기기 간의 간섭 제거도 가능하도록, "정현직교 파형과 바이너리 CDMA의 융합된 음파 변복조 기술"(특허문헌 4)로 인접한 무선 기기 간의 거리를 실시간으로 측정하여 간섭 제거에 활용하는 기법과 이를 PicoCast-3로 발전시키기 위한 내용을 담고 있다.
PicoCast-3의 간섭 제거 기술을 사용하면 간섭 숨김 효과(Hidden Effect)로 인해 근접 무선기기가 수신 중인 상태를 파악하지 못해 근접한 무선 기기가 수신중에 전파를 발사함으로써 근접한 무선 기기들의 통신을 방해하는 현상을 방지할 수 있다.

Description

간섭에 강한 피코캐스트-3 기술 {PicoCast-3 technology resistant to interference}
본 발명은,
국제 표준화된 국내 원천 기술인 PicoCast-1 기술(비특허문헌 2,3)의 간섭 회피 능력을 더욱 활성화시키기 위하여 그동안 PicoCast-1 과 PicoCast-2 시스템에서 사용하였던 기법들을 정리하고 이를 PicoCast-3로 발전시키기 위한 내용을 담고 있다.
참고로 PicoCast 기술은 군통신 기술인 GOSPEL 통신망 기술 (특허문헌 1,2,3)(비특허문헌 1)에서 무선 부분만을 떼어내여 상용화 한 것으로서 PicoCast-4 단계가 되면 유무선 통신이 통합된 사용자 중심의 통신망으로 발전할 것이다.
일반적인 통신망은 통신망의 교환 기능이나 제어 기능이 교환기나 제어 장치에 집중되어 있으므로, 유사시에 교환장치나 제어장치가 파괴되면 통신망 전체 기능이 두절되게 된다.
그러므로 가스펠 군통신망에서는 교환기능을 단말기를 비롯한 통신망 관련 기기들에 세포 분열 방식으로 분산시켜 통신망의 제어센터나 통신망의 상당 부분이 파괴될 경우에도 안정적으로 통신망 기능을 수행하게 한다.(특허 문헌 2 참조)
PicoCast 기술은 GOSPEL 통신망에서 무선 부분만을 떼어내어 상용화 한 것으로(비특허 문헌 2) 그 중 PicoCast-1 은 국제 표준화(ISO/IEC 29157)까지 완성되어 있다(비특허 문헌 3).
도 2에서 보여지는 바와 같이 PicoCast-1 단계는 하나의 셀 안에서의 간섭 제거만을 목표로 규격이 만들어졌다.
셀은 하나의 마스터(201)를 중심으로 다수의 슬레이브(202)가 존재하며 모든 슬레이브들은 마스터를 중심으로 시간 동기가 되어 있으므로 모든 셀안의 가입자들은 동기가 되어 있고 컨테이너 구조(특허문헌 6, 7)의 특성으로 인해 상호간에 간섭이 발생하지 않으므로 간섭에 매우 강한 특징이 나타나게 된다.
PicoCast-2 단계에서는 모든 셀(200)들이 시간 동기가 이루어져 멀티 셀 구조에서도 셀 간의 간섭 제거를 목표로 하므로 모든 무선 기기간의 간섭 제거가 가능해진다.
인접한 셀 간의 간섭 제거를 위해서는 하나의 셀 안에서 무선 기기 간의 동기만 이루어지는 것이 아니라 모든 셀 안에 있는 무선 기기들이 모두 동기를 맞추어야만 하므로 셀 마스터 간의 동기 중계가 매우 중요하다.
그러므로 셀 간 동기 중계가 이루어진 PicoCast-2에서는 자연스럽게 정보의 Add-hoc 중계가 가능하여 별도의 인프라 없이 무선 단말기 간의 직접 중계 통신이 가능하다.
참고로 이동 전화 기지국에서 기지국간의 동기는 GPS 위성 신호 수신으로 이루어지므로 기지국 간의 동기 중계 기능이 필요없지만, PicoCast와 같은 근거리 무선 기술은 건물 안이나 지하에서 GPS 수신이 되지 않으므로 외부 중계 신호를 받을 수 없고 상품의 가격 수준에서 별도의 GPS를 붙일 정도의 여유가 없으므로 자체 프로토콜에 의해 추가 비용없이 셀간의 시간 동기를 유지해야 한다.
반면 본 발명의 PicoCast-3 단계에서는 지역이 고정된 셀 중심의 간섭 제거 뿐만이 아니라 움직이는 무선 기기(203)와의 간섭 제거도 목표로 하므로 실시간으로 단말기 간의 거리를 측정하여 Near/Far 간섭 현상을 극복하는 것이 매우 중요하다.
Near/Far 간섭을 극복하기 위해서는 1m 이내의 근접 거리 측정이 필요하고 10m 이상의 거리에서는 간섭을 무시할 수 있으므로 이 때의 거리 측정은 초음파 방식이 유리하므로 무선 기기에 내장되어 있는 오디오 장치(204)로 사람 귀에 들리지 않는 18.5KHz ~ 20KHz 사이의 Near Ultrasonic을 사용하는 것이 편리하다.
최종적으로 정리하면 본 발명은 멀티셀 구조에서 무선 기기간의 간섭을 제거하는 PicoCast-2 단계에서 수시로 셀 사이를 이동하는 무선 기기와의 Near/Far 간섭 제거를 위해 무선 기기간의 거리 측정이 필요하고 이 거리 측정을 (특허문헌 4, 5)에 거론된 정현 직교 파형과 바이너리 CDMA가 융합된 음파변복조 기술을 이용하여 구현하는 기술에 관한 것이다.
KR1000861480000 H0 간접 헤더 구조를 갖는 엠베디드 라벨 패킷 교환 방식 (출원번호 1019910014555; 1991.08.22) KR10-0088971-0000 H0 패킷 교환장치 (출원번호 특1992-0004555; 1992,03.19) KR10-0111643-0000 H0 GOSPEL 이동통신장치 (출원번호 특1993-0025528: 1993.11.27) KR1020190057779 "정현직교 파형과 바이너리 CDMA의 융합된 음파 변복조 기술" (출원일자: 2019.05.17) KR1020190055335 특허 출원 "정현직교 파형과 바이너리 CDMA의 융합에 의해 직교도를 높인 변조신호 생성 방법" (출원일자: 2019.05.11) US9813172 B1 Nov. 7, 2017 Method for Container Structured Communication KR1020120004578 H0 (출원 2012.01.16) ....컨테이너 구조의 무선 네트워크 프로토콜
GOSPEL 스위칭 페브릭의 성능분석 (한국통신학회 학술대회논문집 제3권 pp 235-238 1993.01 "PicoCast 인프라 동향 특집" 대한전자공학회 텔레콤 제 24권 제 1호 2008.01 "PicoCast 표준화 동향" TTA Journal No.121 pp 87-95 January-February 2009
본 발명은 무선 기기 간의 간섭을 제거하거나 회피하는 것을 목표로 하므로 먼저 무선 기기에서의 간섭이 어떤 종류가 있는지 파악하는 것이 중요하다.
도 1은 무선 기기에서의 크게 3가지 간섭을 보여주고 있으며,
1) 자기 자신의 신호만으로도 간섭이 발생하는 멀티패스 페이딩
2) 무선 기기 간의 상호 간섭으로 가까운 무선 기기의 스퓨리어스에 의해 멀리서 오는 원하는 신호가 깨지는 Near/Far 간섭
3) 잡다한 주변 장비들에 의한 잡음 및 자연 속에 있는 열잡음이 있다.
이 중에서 3번째 잡다한 주변 잡음과 열 잡음에 의한 간섭은 통상적인 필터링과 신호처리 외에, (PicoCast 기술을 사용하는 기기들 간에는 상호 간섭이 없으므로), 송신기의 출력을 높이는 단순한 방법으로 해결이 가능하다.
예를 들어 전파법이 허용하는 소출력의 한계가 100mW라면, 평시에 1mW 출력으로 사용해도 충분하지만 간섭이 발생하면 통신 품질이 확보되는 수준으로 송신 출력을 높이면 된다.
그러나 2번째 Near/Far 간섭을 해결하지 못하는 다른 기술들은 송신 출력을 높이면 인접한 다른 기기들에게 간섭이 증가하므로 전파법에서 허용하는 저출력까지도 송신 출력을 높이기가 매우 어렵다.
해결하려는 과제의 어려움을 설명하기 위해서는 2번째 무선 기기 간의 상호 간섭인 Near/Far 현상에 대해 집중적으로 분석할 필요가 있어 이미 미국에서 특허 등록이 이루어진 컨테이너 개념(특허문헌6,7) 을 포함하여 도5, 도6, 도7, 도8, 도 9를 활용하여 비교적 상세하게 설명하려 한다.
그러나 첫번째 자기 자신의 신호에 의한 페이딩 간섭도 중요한 개념이므로 도3을 통해 먼저 설명을 한 후에 Near/Far 간섭에 대하여 설명하려 한다. 송신기(301)는 수신기(302)에게 송신을 한다. 그러면 송신기(301)와 수신기(302)간의 최단 경로를 통해 직접파(303)가 전달이 된다. 한편 송신기(301)에서 송신된 신호는 직접파(303) 외에 주변의 벽(304)에 반사된 반사파(305)가 만들어져 수신기(302)에 중복 전달되게 된다.
이 때 직접파와 반사파 간의 전달 시간차에 의해 수신기에 수신되는 직접파와 반사파 간에는 시간에 따라 변화하는 위상차가 발생하게 된다.
만약 두 신호의 크기가 같다면, 두 신호간의 위상이 일치할 때(310)는 신호가 2배가 되어 신호대 잡음비가 2배가 되어 수신 품질이 2배 좋아진다.
반면 두 신호의 위상이 반대가 되면(320), 두 신호는 서로 상쇄되어 아예 수신 신호가 사라지는 현상이 나타나며 이와 같이 신호가 주기적으로 커졌다 작아지는 맥놀이 현상이 나타난다.
다시 말하면 주변에 간섭 신호가 전혀 없이 자기 자신의 신호만 전달되는 경우에도 반사파에 의해 수신단에서 아예 신호가 사라져 전혀 송신된 신호를 복원할 수 없는 사태가 발생한다.
도 4는 이러한 페이딩에 의한 입력 신호 세기 변화를 시간에 따라 변화하는 모습을 보여주고 있다. 그림에서 보여지는 바와 같이 급격하게 신호가 작아지는 곳(401,402,403)에서는 에러가 발생하여 수신 신호를 복원할 수 없게 된다.
PicoCast 기술에서는 이러한 페이딩 현상을 극복하기 위해 시간, 주파수, 코드가 복합된 하이브리드 다이버시티 기법을 사용하고 있다.
참고로 이러한 페이딩 현상을 극복하지 못하면 신호가 깨진 부분을 재전송 요청하여 다시 보내주는 방법으로 원래의 신호 복원이 가능하지만, 재전송으로 인한 전송 시간 지연으로 인해 무선 마이크와 같은 실시간 멀티미디어 전송은 불가능하고, 수신 단말기마다 신호가 깨지는 부분이 다르므로 재전송해 주는 단말기 수의 제한이 있을 수 밖에 없어, 수신 단말기의 수에 제한이 없는 방송 기능은 구현할 수 없다.
마지막으로 본 발명의 가장 중요한 해결 분야인 Near/Far 간섭에 대하여 도 5를 이용하여 설명하려 한다.
송신기(502)는 수신기(501)로부터 멀리 떨어져 있으며 1mW(0dBm) 출력으로 송신을 한다. 전송 도중 경로 손실이 70dB가 발생하여 수신기(501)에 도착하는 수신신호 세기는 -70dBm이 되어 무난히 수신할 수 있는 레벨로 신호가 도착하게 된다.
한편 수신기(501)에 가까이 있는 다른 송신기(503)는 수신기(501)이 수신하고 있는 주파수(초록색)와는 다른 주파수(빨강색)를 이용하여 1mW(0dBM) 출력으로 멀리 있는 수신기(504)에게 전송한다.
이 때 송신기(503)에서 송신하는 주파수(빨강색)의 스퓨리어스(초록색)는 -50dBm 으로 메인 주파수에 비해 십만분의 일 정도로 미약한 신호이다. 빨강색 주파수의 신호를 송신하는 송신기(503)는 초록색 주파수를 수신하는 수신기(501)에 매우 가까이 있어 경로 손실은 10dB 밖에 되지 않으므로 수신기(501)에 도착하는 스퓨리어스 레벨은 -60dBm이 된다.
이 -60dBm 스퓨리어스 레벨은 원래 송신기(502)로부터 도착한 원하는 수신 신호 레벨 -70dBm 보다 10 배 크게 들어오므로 가까이 있는 송신기(503)의 스퓨리어스가 멀리 있는 송신기(502)로부터 오는 원하는 신호 레벨보다 훨씬 크게 되어 수신되는 신호가 깨져 정보 복원이 불가능해진다.
이와 같이 가까이 있는 송신기(503)의 스퓨리어스가 멀리서 오는 송신기(502)의 원하는 신호보다 크게 되어 간섭이 발생하는 현상을 Near/Far 간섭이라고 한다.
이 Near/Far 간섭은 원래 수신기와의 인접한 간섭 송신기 간의 거리가 가까울수록 심해지므로 신호를 수신하고 있는 수신기는 가까이 있는 다른 송신기가 송신을 하지 않을 때 수신을 하도록 프로토콜을 조정하면 Near/Far 간섭 현상을 회피할 수 있으며 이것을 회피할 수 있는 기법이 바로 시간 컨테이너 기술이다(특허문헌6,7).
애석하게도 미국에서 등록된 이 컨테이너 기술이 국내에서는 인정받지 못해 등록 거절되었으나 보다 발전된 모습으로 본 발명에서 PicoCast-3에서 사용하는 기법을 제안하려 한다.
그러므로 본 발명에서 해결해야 할 과제는,
첫째) 통상적으로 무선 기기간의 Near/Far 간섭 현상은 무선 기기간의 거리가 10m 이상이 되면 무시할 수 있는 수준이 되고 간섭하는 송신기가 수신기에 가까이 올수록 간섭 정도가 기하급수적으로 높아지므로 수 cm 단위까지의 거리를 측정할 필요가 있다.
그러므로 근접한 무선 기기간에 Near/Far 간섭 문제를 보다 확실하게 해결하기 위해 무선 기기간의 거리를 수 cm ~ 수 10m 까지 실시간으로 측정할 수 있어야 한다.
둘째) 모든 무선기기들이 시간 동기를 유지하는 컨테이너 기법을 사용하더라도 알지 못하는 사이에 인근 지역에 수신을 하고 있는 수신기가 있다면 수신을 하고 있는 시간 동안에는 송신을 자제해야만 한다. 이 때 인근 지역에 수신을 하고 있는 무선 기기가 있다는 것을 알 수 있는 방법이 필요하다.
이 방법은 Cognition Radio에서 사용하지 않는 주파수(White Frequency)를 찾아 사용하는 기법으로도 활용이 가능하다.
본 발명의 문제 해결 수단을 설명하기 앞서, PicoCast-2 개념에서 사용한 컨테이너 기법(특허문헌 6,7)의 Near/Far 간섭 회피의 한계를 요약하여 설명한 후에 PicoCast-3에서의 근접한 무선 기기 간의 거리 측정 방법에 대해 설명하려 한다.
(이미 미국에서 등록되고 한국에서 거절된 컨테이너 특허 내용 설명)
도 6는 기존의 일반적인 통신 방식에서 발생하는 Near/Far 간섭에 대한 설명이다.
단말기{M, S1, S2, S3}(601)는 근접하여 가까이에 있고 이로부터 멀리 떨어져서 단말기{S5, S6}(602)는 서로 가까이에 있다. 이 때 단말기 S2가 단말기 S5를 향해 빨강색 주파수를 이용하여 송신을 한다. 색이 진하게 표현된 것은 전파 세기가 강한 것을 나타내고 있고 색이 흐리게 표현된 것은 경로 손실로 인해 전파 세기가 약해진 것을 표현하며 색깔이 다른 것은 서로 사용하는 주파수가 다른 것을 표시하고 있다. S2로부터 송신된 신호(611)는 S5에 도착할 때는 전파 세기가 약해진 신호(612)가 된다.
한편 S6에서 송출된 파란색 주파수의 신호(621)은 S3를 향하여 전달되어 경로 손실에 의해 약해진 신호(622)로 변한다.
이 때 가까이에 있는 송신기의 스퓨리어스로 인해 멀리서 오는 원하는 약해진 신호가 깨지는 Near/Far 간섭으로 인해, 근접한 무선 기기 간에 진한 색갈과 약한 색갈이 동시에 존해할 때는 약한 원래 신호가 깨지게 된다.(631)(632)
이 현상은 통신을 하는 두 단말기 간에는 동기가 이루어지지만 그렇지 않은 다른 단말기와는 동기가 이루어지지 않아 서로 전송하는 패킷 기간이 동일한 시간대에 겹쳐지게 되어 강한 신호의 스퓨리어스가 약한 신호가 동일한 시간에 존재하면 서로 사용하는 주파수가 다를지라도 원래의 신호가 깨지게 되는 현상이며 도 6에서 보여지듯 상당히 여러 곳에서 약한 수신 신호가 강한 스퓨리어스 신호에 의해 간섭을 받음을 알 수 있다.
도 7은 통신 자원 (시간, 주파수, 코드)에 대한 비교표이다.
표에서 보여지는 바와 같이 주파수 분할 방식에 의한 다중 채널에서 다른 주파수로부터 간섭을 제거할 수 있는 값(702)은 보통 30dB 수준이고 최대 70dB 이상을 넘지 못하고, 코드 분할 방식에서의 간섭을 제거할 수 있는 값(703)은 보통 20dB이며 최대 60dB를 넘겨 사용하지는 않는다.
그렇다는 의미는 인접 채널에서 70dB가 넘는 방해 신호가 들어온다면 Near/Far 현상으로 인해 서로 주파수가 다르고 코드가 달라도 수신이 불가능해진다는 뜻이다.
반면에 시분할 방식을 이용하는 경우에 간섭을 제거할 수 있는 최대값(701)은 무한대이므로 시간 슬롯을 다르게 사용하면 아무리 큰 간섭 신호가 인접해 있을지라도 Near/Far 간섭이 있을 수 없다는 것을 의미하며 시간 컨테이너 구조의 기본 개념으로 사용한다.
도 8은 주파수와 전송속도가 다른 경우의 컨테이너 구조를 보여주고 있다.
그림에서 보여주는 바와 같이 30MHz 대 무전기에서 25Kbps 신호를 보내는 컨테이너(801) 구조, 900MHz 대 무선기기에서 500Kbps로 데이터를 보내는 컨테이너(802) 구조, 2.4GHz 대 무선기기에서 1Mbps로 데이터를 보내는 컨체이너(803) 구조는 모두 시간 동기가 되어 있고 컨테이너 길이가 10msec로 동일하다는 특징이 있다.
이와 같은 구조를 사용하면 30MHz 대의 무전기 안에 2.4GHz 대의 근거리 무선 모듈이 함께 들어 있을 경우 두 무선 방식 간에 송신 시간과 수신 시간을 분리하기만 한다면, 상대편 모듈이 수신 상태가 아닌 경우(수신대기 혹은 송신)에는 아무리 큰 신호의 출력을 송출할지라도 절대로 간섭이 발생하지 않는다는 것이 컨테이너 통신 방식의 특징이다.
PicoCast 기술에서 굳이 시분할 방식을 일반적인 TDMA(Time Division Multiple Access)라 표현하지 않고 TSMA(Time Synchronized Multiple Access)라고 표현하는 이유이다.
도 9는 컨테이너 구조를 이용한 간섭 제거의 예이다.
그림에서 보여지는 바와 같이 가까이 있는 신호들의 색깔이 동일한 시간 대에 진한 것과 흐린 것이 함께 있지 않으므로 Near/Far 간섭 현상으로 신호가 깨지지 않는다.
특이한 것은 S2가 송신(905)할 때 S1이 수신(904)하는 경우, 근접한 무선기기가 수신을 하는 동안에 송신을 하는 데도 신호가 깨지지 않는다는 점이다. 그 이유는 S1의 수신신호(904)는 가까이 있는 S3로부터 전송되어 감쇄가 되지 않아 충분히 강하기 때문에 다른 주파수로 송신을 하면 깨지지 않는다.
다시 한 번 강조하지만 동일한 시간에 근접한 기기간의 Near/Far 간섭은 약한 수신 신호(흐린 색깔)와 강한 신호(짙은 색깔)이 같이 있을 때 발생한다.
그러므로 근접한 무선기기 간의 실시간 거리 측정은 무선 기기 간의 간섭 제거에 매우 중요한 요소이다.
PicoCast-1에서는 하나의 셀 안에 있는 무선 기기들이 동기를 유지하는 반면에 PicoCast-2에서는 모든 기기들이 동기를 유지하므로 셀간 간섭도 없앨 수 있다.
그러나 컨테이너 구조에서도 동일한 시간 대에 진한 색갈과 흐린 색갈이 동시에 존재하는 순간(902)에는 완벽하게 시간대가 겹쳐지는 Near/Far 간섭 현상이 발생하여 수신 신호가 깨지게 된다. 이러한 현상을 방지하려면 인접한 무선기기끼리는 송수신 방향을 일치시켜(901) 동시에 송신을 하거나 동시에 수신을 하는 방법으로 해결할 수 있다.
문제는 무선 기기가 이동을 하며 통신을 하는 경우에는 어느 무선 기기가 근접해 있는지를 알 수 있는 방법이 없으므로 PicoCast-3에서는 무선 기기간의 거리를 실시간으로 측정해야만 하는 것에 있다.
(본 발명의 과제 해결 수단)
첫째) 근접한 무선 기기간에 Near/Far 간섭 문제를 보다 확실하게 해결하기 위해 무선 기기간의 거리를 수 cm ~ 수 10m 까지 실시간으로 측정할 수 있어야 한다는 문제를 해결하기 위해서는,
(특허문헌 4) "정현직교 파형과 바이너리 CDMA의 융합된 음파 변복조 기술"을 이용하여 무선 기기간의 거리 측정을 실시하면 된다. 단 이 때, 무선 기기간의 동기를 10 ㎲ec 이내로 유지하기 위해서는 라디오 주파수의 동기 협조가 필요하다.
즉 라디오 주파수로 10 ㎲ec 이내로 시간 동기를 맞춘 후에 초음파가 전송 지연된 시간을 측정하면 바로 무선 기기간의 거리를 알 수 있게 된다.
둘째) 송신하려고 무선 기기가 인근 지역에 수신을 하고 있는 무선 기기가 있다는 것을 알 수 있는 방법을 찾기 위해서는,
먼저 송신을 하기 전에 주변의 신호를 감지하는 LBT (Listen before Talk)라는 방식을 사용한다. 그러나 LBT 기법을 사용하는 경우에도 도 10에서 보여지는 바와 같은 숨김효과( hidden effect)로 인해 수신기가 수신하는 신호를 잡아내지 못해 Near/Far 간섭을 발생시킬 수 있다.
송신기(1002)에서 송출된 신호는 수신기(1001)에 정상적으로 도착하고 있으나 인접한 무선기기(1003)에서 LBT 기법으로 수신을 검색할 때는 경로상에 있는 장애물(1010)로 인해 신호가 감쇄되어 신호가 없는 것으로 인식하고 전파를 발사하게 되면 인접한 수신기(1001)은 Near/Far 간섭 현상에 의해 사용하는 주파수가 다른 경우에도 수신을 할 수 없게 된다.
이러한 숨김 효과를 극복하고 인접 무선 기기의 수신 여부를 파악하기 위해서는 숨김 효과로 감쇄되는 값보다도 큰 수행 이득을 갖는 대역확산 신호를 초기 프리엠블에 담아 송신하거나 수신기에서 자신이 수신하고 있음을 알려주는 파일럿 신호를 발사하는 방법으로 해결할 수 있다. 이 때 파일럿 신호는 다른 인접 무선 기기에 간섭을 일으키지 않도록 전파법에서 정한 미약전파 세기로 대역 확산 신호를 사용해야만 한다.
근접한 무선 기기간의 거리를 정말하게 측정하여 무선 기기간의 상호 간섭을 줄인다면 전송 트래픽을 늘려 원활한 통신이 이루어질 수 있게 하고 밀집한 공간에 많은 사용자가 있어도 문제가 없게 만들 수 있다.
부수적으로 정밀한 거리 측정이 가능해지므로 정밀한 제어가 필요한 무선 원격 제어 방식에 적용이 가능해진다.
이동하는 단말기 간의 근접 간섭을 제거할 수 있으므로 이동하는 무선 단말기 간의 중계에 의한 Add-hoc 방식의 단말기간 직접통신(D2D)이 가능해진다.
도 1은 무선 기기에 영향을 미치는 간섭의 종류.
도 2는 PicoCast 기술의 단계별 간섭 제거 내용
도 3은 멀티패스에 의한 페이딩 간섭에 대한 설명.
도 4는 페이딩에 의한 입력 신호 세기 변화.
도 5은 Near/Far 간섭의 설명도
도 6는 일반적인 통신에서의 Near/Far 간섭 현상
도 7은 통신자원 (시간, 주파수, 코드) 의 비교표
도 8는 전송속도가 다른 통신 방식에서 동일한 시간 길이의 컨테이너 구조
도 9는 컨테이너 구조를 이용한 간섭 제거의 예
도 10은 간섭 숨김 효과 (Hidden Effect)
도 11은 PicoCast-3 컨테이너 구조 공통채널 시그날링
도 12는 PicoCast-3 멀티 프리엠불 구조
도 13은 레이더와 통신기 간의 거리 측정 차이
도 14는 기준 시계와 송신 시각 전송없이 거리를 측정하는 방법
본 발명은 두 가지의 문제를 해결하기 위해 작성되었다.
첫째) 근접 무선 기기 간의 Near/Far 간섭을 제거하기 위해 수cm ~ 수10m 수준의 무선기기 간의 거리 측정
둘째) 근접한 무선 기기가 수신 중임을 알면 그 무선 기기가 수신 중인 시간 대에서는 절대로 송신을 하지 않을 수 있는 방법 강구
이 두가지의 문제를 해결하기 위해 이 전에 출원되었거나 등록된 특허들은 참고 문헌으로 제시하였으며 앞서의 본문 중에서 그림을 예로 들어가며 무선 기기의 간섭 현상과 회피 방법에 대해 개략적으로 설명하였다.
그러므로 본 장에서는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 그림으로 설명하려 한다.
도 13은 레이더와 통신기의 거리 측정 방식에 있어 차이점을 설명하고 있다.
레이더(1301)는 전파를 발사하여 목표물(1302)에서 반사되어 오는 신호의 지연시간과 반사신호의 세기를 측정하여 목표물까지의 거리와 목표물의 크기를 계산한다. 이 때 자신이 발사한 신호를 자신이 수신하게 되므로 갖고 있는 기준 시계(1303)로 정확한 반사 신호의 지연 시간을 측정할 수 있다.(자기가 발사한 신호를 자기가 다시 수신하므로 시간 차를 측정하기 위한 정밀한 기준 시계도 필요없다)
한편, 통신기 간의 거리 특정은 송신기(1311)에서 발사한 신호를 수신기(1312)가 수신하여 송신된 시간과 수신된 시간의 차이를 알면 전송 지연 시간을 알게 되므로 송신기와 수신기 간의 거리를 알 수 있게 된다.
그러나 수신기에서는 송신된 시각을 알 수 없으므로 송신기에서는 송신된 시간을 데이터와 함께(1313) 메세지로 만들어 수신기(1312)로 보내주어야만 한다. 이 때 송신기의 기준시계(1314)와 수신기의 기준시계(1315)가 완전히 동기가 되어 일치된 시간을 보여주고 있어야만 하며 매우 정밀한 기준 시계가 필요하다.
보통 GPS 위성에서는 위성 간에 일치된 시간을 유지하기 위해 세시움 원자 시계를 갖고 있지만 일반 통신기에 그러한 값비싼 원자 시계를 장치할 수 없으므로 본 발명의 첫번째 문제를 해결하기 위해서는 근거리 무선 기기 간에 정밀한 기준 시계가 없고 별도의 송신 시간을 보내주기 않아도 거리를 측정할 수 있는 해결책이 필요하다.
(참고로 GPS 수신기도 정밀한 원자 시계가 없으나 4개의 위성 신호를 받으므로 4개의 위성이 각각 자신의 위치 함수 x,y,z 와 전송 시각t 를 포함한 4개의 함수를 전송해 주므로써 단말기에서는 자기 자신의 x,y,z 3차원 좌표와 시간 t를 계산할 수 있음, 만약 GPS 수신기가 정밀한 원자 시계가 있다면 위성 3개로부터 위치 좌표를 받는 것으로 자신의 위치를 계산할 수 있음)
도 14는 라디오 주파수와 초음파를 동시에 발사하여 기준시계와 송신 시각을 별도로 전송하지 않고도 무선 기기간의 거리를 측정할 수 있는 그림이다. 도 14(a)의 송신기(1401)과 수신기(1402) 간의 거리를 34m 이내라고 가정하면 초음파 지연 시간을 100msec 이내가 되므로 100msec 주기로 신호를 발사해도 거리 측정에 혼선이 생기지 않는다.
송신기(1401)는 일정 주기(100msec)로 라디오 주파수와 초음파를 동시에 수신기(1402)로 발사하고 있다. 이 때 도 14(a)의 두 번째로 발사된 신호(1410,1420)를 도14(b)의 전성 지연측면에서 본 그림으로 보면,
송신된 라디오 신호(1411)는 10μsec 이내의 지연 시간을 갖게 되므로 거의 전송 지연이 없는 것으로 간주해도 되고 송신된 초음파 신호(1421)는 거리 차에 의한 지연 시간을 갖게 된다.
그러므로 라디오 신호(1411)의 도착 시각을 송신기에서 신호를 발사한 시각으로 간주해도 되므로 라디오 신호(1411)의 도착 시각과 초음파 신호(1421) 도착 시각차가 바로 두 무선 기기 사이의 초음파 신호의 전송지연 시간이 된다.
이와 같이 송신기(1401)와 수신기(1402) 간의 거리를 기준 시계와 송신 시각의 추가 전송없이도 알 수 있게 되어 첫째 문제는 해결된다.
두째 문제 해결을 위해서는,
도 11의 PicoCast-3의 컨테이너 규격의 CCS(Common Channel Signalling)에 대한 설명이 필요하다.
이미 ISO/IEC 29157로 국제 표준화된 PicoCast-1 규격과는 달리 PicoCast-3 규격은 셀간의 동기를 위해 CCS 컨테이너 모임이 홀수모임(1110)과 짝수모임(1120)으로 나뉘어져 있고 인접한 셀은 서로 홀수 모임과 짝수 모임을 교대로 사용하며 제어 신호가 충돌되지 않게 하고 있다.
예를 들어 첫번째 컨테이너는 도 8의 2.4GHz대의 컨테이너 구조(803)을 갖고 있다면 첫 번째 컨테이너의 맨 앞에는 Control Box(804)가 존재하며 이 Control Box는 사용자가 사용할 수 없는 프로토콜 영역이며 도 11의 첫번째 컨테이너에서는 Beacon Box(1111)로 동기 전송용으로 사용되고 있다.
이때 셀간 동기 신호 전송과 정보 전송을 위해, 홀수모임(1110)에서 Control Box 송신을 하면 인접 셀에서는 수신을 하고 반대로 인접 셀에서 짝수모임(1120)에서 Control Box 송신을 하면 자신은 수신을 하는 방법으로 동기 신호와 정보의 릴레이 중계가 이루어진다.
그러므로 짝수 모임을 사용하는 셀은 자신이 바쁘지 않는 홀수 모임 시간 대를 이용하여 사용하지 않는 구간에서 둘째 문제 해결을 위해 수신기가 현재 수신 중임을 알리는 대역 확산 신호를 발사하는 신호용으로 사용하는 것이 가능하다.
반대로 짝수모임을 사용하는 셀에서는 홀수 모임의 Control Box를 같은 방법으로 활용하게 된다.
도 12는 PicoCast-3의 128bit 길이의 멀티 프리엠블을 보여주고 있다.
128bit 길이의 프리엠블은 이미 PicoCast-1의 국제 표준인 ISO/IEC 29157에서 정의되어 사용되고 있으며 PicoCast-3에서 그동안 정의하지 않고 비워두었던 프리엠블을 새로이 정의하였다. 그 중에서 본 발명은 Near/Far 간섭에 관련된 두 개의 프리엠블(1101,1102)에 대해서만 설명을 한다.
다른 근거리 무선에서 사용하는 64bit 프리엠블에 비해 2배 정도 긴 프리엠블을 사용하여 불편해 보이는 점도 있지만 1000 배 이상의 동기 확율 증가와 멀티 프리엠블로 인한 제어 명령의 단축화로 매우 짧고 효율적인 프로토콜 구현이 가능하다. 모든 프리엠블은 서로 간에 직교 특성을 갖고 있어 여간해서는 다른 프리엠블로 잘못 분석될 소지가 없으며 128bit 길이의 대역확산 특징이 있어 20dB 수행이득이 제공되므로 주변에 10배 정도 큰 간섭 세력이 있어도 원하는 신호 복원이 가능하다.
여기서는 본 발명과 관련된 프리엠블만 소개하면,
76번 프리엠블(1101)은 현재 송신하려는 컨테이너에 실려 있는 신호가 정부로부터 허가받은 채널임을 알려주는 역할을 한다. 그러므로 도 10의 송신기(1002)에서 신호를 보낼 때 매 컨테이너의 사용하지 않는 빈 Control box의 프리엠블로 실어보내는 방법으로 수행 이득 만큼의 수신 성능 향상이 있게 되므로, 그만큼 장애물로(1010)로 인한 숨김 현상을 피할 수 있다.
무선 기기(1003)은 송신을 하기 전에 먼저 76번 프리엠블(1101)이 들어오는지를 체크한 후에 프리엠블이 검출되면 그 지역에서 송신하려는 주파수는 이미 허가를 받아 사용하고 있는 것으로 판단하고 해당 주파수 사용을 포기하도 다른 빈 주파수를 찾게 된다. 참고로 송신하려는 컨테이너의 빈 Control Box를 사용할 때 프리엠블만 사용하는 것이 아니라 Box 전체 내용을 대역확산 신호로 채우면 30dB 정도의 수행이득을 갖게할 수 있으므로 주변에 100배의 간섭 신호가 있어도 원하는 신호 검출이 가능해진다.
77번 프리엠블(1102)은 보다 적극적으로 간섭 숨김 현상을 극복하기 위해 만들어진 것으로 도 10의 수신기(1001)에서 수신하기 직전의 빈 Control Box에 77번 프리엠블을 넣은 control box를 송신하면(1020) 그 신호를 수신한 인접 수신기 (1003)는 근접한 주변 수신기가 수신 중임을 알고 송신을 자제하므로 Near/Far 간섭 현상을 피할 수 있게 된다.
물론 시스템 구성에 따라 76번 프리엠블과 77번 프리엠블을 동시에 사용하면 동시에 두 개의 프리엠블을 검출해야 하는 부담이 있다. 그러나 모든 프리엠블이 서로 직교 관계에 있고 20dB 의 수행 이득이 있으므로 두 개의 프리엠블이 동시에 들어오는 경우에도 각각의 프리엠블을 검출해 낼 수 있다.
본 발명의 기술을 이용하면 근접한 무선 기기들로 인한 Near/Far 간섭 현상을 해결할 수 있으므로 밀집한 환경에서의 근거리 무선 기기들의 품질 저하 현상을 방지하여 전송할 수 있는 채널 Capacity가 증가하고 무선 통신의 QoS(Quality of Service)가 증가하는 효과를 얻을 수 있다.
또한 인지통신(Cognitive Radio)에서 간섭 숨김 현상을 극복하여 근접 무선 기기들의 수신 중 상태 파악이 확실하게 되어 사용하지 않는 주파수 활용도를 높일 수 있게 되므로 White Space 주파수의 산업화에 기여를 하게 될 것이다.
그외에 움직이는 무선 기기 간의 Near/Far 간섭을 극복할 수 있으므로 지금까지 이론상으로는 정립되어 있으나 상품화에는 크게 빛을 보지 못한 단말기 간의 Add-hoc 릴레이에 의한 중계가 가능해진다.
그러므로 전송 품질의 저하로 보편화되지 못한 근거리 무선을 이용한 무선 VoIP 전화등의 이동 통신 서비스가 활성화되고, 대부분의 인프라가 무너진 재난 상황에서도 단말기간의 중계로 통신망이 구축되는 새로운 이동통신의 패러다임이 펼져질 것이다.
TDMA : Time Division Multiple Access ; 시분할 다중통신
TSMA : Time Synchronized Multiple Access: 시간 동기 컨테이너 다중통신
D2D : Device to Device ; 단말기간 직접 통신
LBT : Listen before Talk ; 송신전에 다른 사용자가 주파수를 사용하고 있는지를 먼저 스캔 감지하여 주파수 충돌을 피하는 기법
CR : Cognitive Radio ; 인지 무선 통신
QoS : Quality of Service ; 전송 품질
CCS : Common Channel Signalling : 공통 채널 신호 방식
GPB : General Purpose Box
BLE : Bluetooth Low Energy ; Bluetooth 4.0

Claims (3)

  1. 근접한 무선 기기 간의 Near/Far 간섭을 극복하기 위해 근접한 무선 기기 간의 거리를 2cm이하의 해상도로 수 10m까지 실시간으로 측정하기 위한 방법으로, 거리 측정을 위한 데이터의 전송 시각을 별도로 보내지 않고 무선 기기간에 동기된 시계없이 전송 지연을 측정하기 위해, 송신기에서는 거리 측정을 위한 필수 정보(프리엠블, ID)를 라디오 주파수와 (특허문헌4)의 기법을 사용한 직교정현 파형과 직교코드의 합성으로 만들어진 초음파에 실어 동시에 주기적(예: 100msec)으로 발사하여, 상기 라디오 신호가 수신기에 도착한 시각부터 상기 초음파 신호가 수신기에 도착한 시각차(△t)를 msec 단위로 측정하여 거리 = △t x 34 cm 로 근접한 무선 기기 간의 거리를 실시간으로 측정하는 기법. (예: △t = 1.05 msec 라면 무선 기기 간의 거리는 1.05 x 34 = 35,7 cm 가 된다.)
  2. 송신을 하려는 무선 기기가 송신 신호를 송출하기 전에 LBT(Listen befor Talk) 기법을 사용하여 사용 중인 주파수를 스캔 검색할 때 근접한 무선 기기가 수신 중인 상태인 줄을 알고 송신을 자제하여 근접 무선 기기 간의 Near/Far 간섭을 방지하기 위해, 수신하려는 무선 기기는 수신하는 사이의 빈 시간에 자신이 수신 중임을 알리는 대역 확산(Spread Spectrum) 특성이 있는 상호 간에 사전에 약속되어 있는 코드를 전파법이 허용하는 미약 전파로 송신함으로써 근접한 무선 기기가 자신이 수신 중에는 송신을 하지 않도록 하여 근접한 무선 기기 간에 Near/Far 상호 간섭이 발생하는 것을 방지하는 기법
  3. 상기 청구항 1에서,
    상기 라디오 신호는 블루투스(BLE:Bluetooth Low Energy)를 사용하여 상기 거리 측정에 필요한 필수 정보를 BLE 라디오 신호와 (특허문헌4)의 기법을 사용한 직교정현 파형과 직교코드의 합성으로 만들어진 초음파에 실어 동시에 주기적(예: 100msec)으로 발사하여, 상기 라디오 신호가 수신기에 도착한 시각부터 상기 초음파 신호가 수신기에 도착한 시각차(△t)를 msec 단위로 측정하여 거리 = △t x 34 cm 로 근접한 무선 기기 간의 거리를 실시간으로 측정하는 기법.
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