KR20230079632A - 서버와 IoT 디바이스 사이의 시간 동기화 시스템 - Google Patents

서버와 IoT 디바이스 사이의 시간 동기화 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 서버와 IoT 디바이스 사이의 시간 동기화 시스템은 절대시점정보를 포함하는 시점 동기신호를 브로드캐스팅하는 서버; 및 브로드캐스팅된 상기 시점 동기신호를 수신하고, 상기 시점 동기신호에 포함된 상기 절대시점정보와 내부 연산동작에 따른 연산시간정보 및 상기 시점 동기신호를 수신하는데 소요되는 전송시간정보를 이용하여 절대시점정보를 산출하는 IoT (Internet of Things) 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

서버와 IoT 디바이스 사이의 시간 동기화 시스템{System for synchronizing time between server and IoT device}
본 발명은, 시간 동기화 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 서버와 IoT 디바이스 사이의 시간 동기화 시스템에 관한 것이다.
현재 저전력 광대역 네트워크를 지원하는 사물인터넷(IoT:Internet Of Things)서비스를 위한 저전력광대역(LPWA:Low Power Wide Area)기술 표준이 다수 채택되어 상용서비스 중이다.
사물인터넷(Internet Of Things, IoT) 통신은 주전원(main power)없이 보조 전원인 배터리 전력(batterypower)만으로 동작하는 여러 사용자 단말들 간에 무선으로 정보를 주고받는다. 이처럼, 사물인터넷 통신은 저전력을 기반으로 여러 사용자 단말들이 통신을 수행하므로, 사물인터넷 통신에서 통신망을 저전력 광역(Low Power Wide Area, LPWA)으로 구축하는 것이 필수적이다.
LPWA기술을 살펴보면, NB-IoT, LTE-M(Cat.M1), LoRa, Sigfox 등으로 구분될 수 있다.
NB-IoT는 3GPP Rel.13에서 정의한 저전력광역통신기술(LPWA; Low Power Wide Area) 기술이다. NB-IoT는 기지국(eNodeB)에 연결된 많은 수의 IoT 디바이스들이 저속의 데이터 전송 대역을 공유하여 사용할 수 있도록 IoT 디바이스들이 데이터를 전송하는 시점을 조정한다.
IoT 디바이스들이 데이터를 송신하기 위해서는, RACH(Random Access Channel)을 이용하여 eNodeB에 전송요청을 하면 eNodeB는 해당 IoT 디바이스들로 시간 및 주파수 할당하는 Scheduling Grant를 보내고, 이에 따라 IoT 디바이스들이 데이터를 전송한다.
LTE-M(Cat.M1) 기술은 기존 LTE 대역인 800MHz, 1.8GHz, 2.1GHz등의 주파수를 사용하며, 전송속도 200kbps이고, 3GPP에서 표준화를 주도하며, 주요특징은 저전력 장거리 통신에 적합하고, 기존 LTE망을 사용한다.
LoRa 기술은 비면허 대역인 주로 900MHz의 주파수를 사용하며, 전송속도 300bps~5kbps이고, 로라얼라이언스가 표준화를 주도하며, 시스코, IBM, Skt등 170여개 업체가 참여하고 있고, 주요특징은 저전력 장거리 통신에 적합하고, 별도 통신망을 구축하여 사용한다.
Sigfox 기술도 비면허 대역인 주로 900MHz의 주파수를 사용하며, 전송속도 100bps이고, ESTI에서 Sigfox 기술기반 표준화를 추진하며, 주요특징은 저전력 장거리 통신에 적합하고, 별도 통신망을 사용한다.
그런데, 이러한 LPWA기술을 이용해 서버와 IoT 디바이스들 사이에 데이터를 송수신하는 경우에, LPWA 서비스망에 연결된 IoT 디바이스들의 수, 전송해야 하는 데이터의 크기, 재전송 횟수에 따라 전송 지연에 편차가 발생한다. 예를 들어, 각각의 IoT 디바이스들로부터 서버로 전송되는 데이터는 순서와 시간이 일정하지 않고, 서버에 도달한 시간과 각 IoT 디바이스들이 송신한 시간이 뒤바뀔 수도 있다.
시점 인증과 동기화, 재전송 등은 서버의 핵심 기술이다. 서버의 시간을 기준으로 절대시간을 동기화할 필요가 있으나, 네트워크 지연속도에 따라 각 IoT 디바이스들에 따라 수백 ms이 오차가 발생할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 서버와 IoT 디바이스 사이의 시간 동기화 시스템에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 서버와 IoT 디바이스 사이의 시간 동기화 시스템은 절대시점정보를 포함하는 시점 동기신호를 브로드캐스팅하는 서버; 및 브로드캐스팅된 상기 시점 동기신호를 수신하고, 상기 시점 동기신호에 포함된 상기 절대시점정보와 내부 연산동작에 따른 연산시간정보 및 상기 시점 동기신호를 수신하는데 소요되는 전송시간정보를 이용하여 절대시점정보를 산출하는 IoT (Internet of Things) 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 IoT 디바이스는, 상기 서버와 적어도 2회 이상의 상기 시점 동기신호의 교환에 따른 복수의 전송시간정보들을 이용하여 상기 절대시점정보를 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 IoT 디바이스는, 상기 복수의 전송시간정보들의 평균값을 산출하고, 산출된 평균시간정보를 이용하여 상기 절대시점정보를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 절대시점정보를 포함하는 시점 동기신호를 브로드캐스팅하는 서버; 및 시점 동기신호에 포함된 절대시점정보와 내부 연산동작에 따른 연산시간정보 및 시점 동기신호를 수신하는데 소요되는 전송시간정보를 이용하여 절대시점정보를 산출하는 IoT 디바이스를 구비함함으로써, 서버와 IoT 디바이스 사이에서 단순한 정보 교환을 통해 시간 동기화를 용이하게 수행할 수 있다. 이에 따라, 시간 동기화가 1ms 이내의 오차만을 허용할 수 있는 시간 동기화 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 서버와 IoT 디바이스 사이의 시간 동기화 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 서버와 IoT 디바이스 사이의 시간 동기화 신호를 교환하는 과정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 서버와 IoT 디바이스 사이의 시간 동기화 시스템(100)(이하, 시간 동기화 시스템이라 칭함)을 설명하기 위한 구성 블록도이다.
도 2는 서버와 IoT 디바이스 사이의 시간 동기화 신호를 교환하는 과정을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 1에 따르면, 시간 동기화 시스템(100)은 서버(110)와 IoT 디바이스(120)를 포함한다. 여기서, IoT 디바이스(120)는 하나일 수도 있고, 복수개의 디바이스들을 포함할 수도 있다.
서버(110)는 절대시점정보를 포함하는 시점 동기신호를 브로드캐스팅한다.
서버(110)는 시점 동기신호를 브로드캐스팅하기 위해, NB-IoT, LTE-M(Cat.M1), LoRa, Sigfox 등의 통신망과 연결되어 있다.
서버(110)는 단말기 시간을 동기화하는데 NTP(Network Time Protocol)라는 기술을 이용할 수 있다. NTP는 NTP_Client가 NTP_Server로 NTP_query라는 메시지를 전송하고 NTP_Reply라는 메시지를 수신하여 NTP_Client의 시간을 NTP_Server와 최대한 동기화 하는 절차이다. 즉, 서버(110)은 NTP_Client로서 NTP_Server로 NTP_query라는 메시지를 전송하고 NTP_Reply라는 메시지를 수신하여, 수신된 메지에 포함된 시간정보를 서버(110)의 절대시점정보로서 브로드케스팅할 수 있다. 도 2를 참조하면, 서버(110)는 현재의 절대시점정보(T0)를 포함하는 시점 동기신호를 브로드캐스팅한다.
IoT 디바이스(120)는 브로드캐스팅된 시점 동기신호를 수신하고, 시점 동기신호에 포함된 절대시점정보와 내부 연산동작에 따른 연산시간정보 및 시점 동기신호를 수신하는데 소요되는 전송시간정보를 이용하여 현재의 절대시점정보를 산출한다. IoT 디바이스(120)는 서버(110)와 NB-IoT, LTE-M(Cat.M1), LoRa, Sigfox 등의 통신망과 연결되어 있으므로, 서버(110)에서 브로드캐스팅된 시점 동기신호를 수신할 수 있다.
IoT 디바이스(120)는 서버(110)와 적어도 2회 이상의 상기 시점 동기신호의 교환에 따른 복수의 전송시간정보들의 평균값을 산출하고, 산출된 평균시간정보를 이용하여 상기 절대시점정보를 산출할 수 있다.
도 2를 참조하면, IoT 디바이스(120)는 서버(110)에서 브로드캐스팅된 시점 동기신호를 수신한다. IoT 디바이스(120)가 서버(110)으로부터 시점 동기신호를 수신하는데 소요되는 전송시간은 t1에 해당한다. 시점 동기신호에 대한 전송시간 t1는 IoT 디바이스(120)에서 정확히 알 수는 없으며, 이후에 연산을 통해 해당 값을 추정할 수 있다. IoT 디바이스(120)는 서버(110)에서 시점 동기신호에 포함되는 절대시점정보(T0)와 전송시간 t1의 합산을 통해 절대시점정보 T1 = T0 + t1을 산출할 수 있다.
IoT 디바이스(120)는 내부 연산동작에 따른 연산시간정보 t2를 RTC (real-time clock) 모듈을 이용해 산출할 수 있다. RTC는 IoT 디바이스(120) 내에 마이크로칩의 일부분으로 포함되어 있는 것으로, 실시간 클록에 의해 내부 연산동작에 따른 연산시간정보 t2를 산출할 수 있다.
그 후, IoT 디바이스(120)는 절대시점정보 T1 와 내부 연산동작에 따른 연산시간정보 t2의 합산을 통해 절대시점정보 T2 = T1 + t2를 산출할 수 있다.
그 후, IoT 디바이스(120)는 산출된 절대시점정보 T2를 포함하는 시점 동기신호에 대해 서버(110)로 전송한다.
도 2를 참조하면, 서버(110)는 IoT 디바이스(120)로부터 절대시점정보 T2가 포함된 시점 동기신호를 수신한다. 서버(110)가 IoT 디바이스(120)으로부터 절대시점정보 T2가 포함된 시점 동기신호를 수신하는데 소요되는 전송시간은 t3에 해당한다. 서버(110)는 IoT 디바이스(120)로부터 수신한 절대시점정보(T2)와 IoT 디바이스(120)으로부터 절대시점정보 T2를 수신하는데 소요되는 전송시간 t3의 합산을 통해 절대시점정보 T3 = T2 + t3를 산출할 수 있다.
그 후, 서버(110)는 내부 연산동작에 따른 연산시간정보 t4를 RTC 모듈을 이용해 산출할 수 있다. 그 후, 서버(110)는 절대시점정보 T3 와 내부 연산동작에 따른 연산시간정보 t4의 합산을 통해 절대시점정보 T4 = T3 + t4를 산출할 수 있다.
그 후, 서버(110)는 산출된 절대시점정보 T4를 포함하는 시점 동기신호에 대해 IoT 디바이스(120)로 전송한다. 이때, 서버(110)는 시점 동기신호의 전송 시에 절대시점정보 T4와 함께 절대시점정보 T3를 IoT 디바이스(120)로 전송한다.
도 2를 참조하면, IoT 디바이스(120)는 서버(110)로부터 절대시점정보 T4 및 절대시점정보 T3가 포함된 시점 동기신호를 수신한다. IoT 디바이스(120)가 서버(110)로부터 절대시점정보 T4가 포함된 시점 동기신호를 수신하는데 소요되는 전송시간은 t5에 해당한다. IoT 디바이스(120)는 서버(10)로부터 수신한 절대시점정보(T4)와 서버(110)으로부터 절대시점정보 T4를 수신하는데 소요되는 전송시간 t5의 합산을 통해 절대시점정보 T5 = T4 + t5를 산출할 수 있다.
그 후, IoT 디바이스(120)는 절대시점정보 T5 와 내부 연산동작에 따른 연산시간정보 t6의 합산을 통해 절대시점정보 T6 = T5 + t6를 산출할 수 있다.
그 후, IoT 디바이스(120)는 산출된 절대시점정보 T6를 포함하는 시점 동기신호에 대해 서버(110)로 전송한다.
도 2를 참조하면, 서버(110)는 IoT 디바이스(120)로부터 절대시점정보 T6가 포함된 시점 동기신호를 수신한다. 서버(110)가 IoT 디바이스(120)로부터 절대시점정보 T6가 포함된 시점 동기신호를 수신하는데 소요되는 전송시간은 t7에 해당한다. 서버(110)는 IoT 디바이스(120)로부터 수신한 절대시점정보(T6)와 IoT 디바이스(120)으로부터 절대시점정보 T6를 수신하는데 소요되는 전송시간 t7의 합산을 통해 절대시점정보 T7 = T6 + t7를 산출할 수 있다.
그 후, 서버(110)는 산출된 절대시점정보 T7를 포함하는 시점 동기신호에 ㄷ대해 IoT 디바이스(120)로 전송한다. 이에 따라, IoT 디바이스(120)는 서버(110)에서 전송된 절대시점정보 T7가 포함된 시점 동기신호를 수신한다.
IoT 디바이스(120)는 서버(110)로부터 수신된 절대시점정보 T3로부터 t1 + t3의 값을 산출할 수 있다. 즉, t1 + t3 = T3 - TO - t2의 수식을 통해 t1 + t3의 값을 산출할 수 있다. 여기서, T3, TO, t2 각각의 값은 서버(110)에서 제공되거나 IoT 디바이스(120)에서 산출된 값들이다.
또한, IoT 디바이스(120)는 서버(110)로부터 수신된 절대시점정보 T7로부터 t5 + t7의 값을 산출할 수 있다. 즉, t5 + t7 = T7 - T4 - t6의 수식을 통해 t5 + t7의 값을 산출할 수 있다. 여기서, T7, T4, t6 각각의 값은 서버(110)에서 제공되거나 IoT 디바이스(120)에서 산출된 값들이다.
그 후, IoT 디바이스(120)는 전술한 바와 같이 2회 이상의 시점 동기신호의 교환에 따른 복수의 전송시간정보들의 평균값을 산출하고, 산출된 평균시간정보를 이용하여 상기 절대시점정보를 산출할 수 있다. 예를 들어, IoT 디바이스(120)는 각각의 전송시간정보들에 해당하는 t1, t3, t5, t7 의 평균값 tave = (t1 + t3 + t5 + t7 )/4를 산출할 수 있다. 이러한 평균값 tave 는 IoT 디바이스(120)의 신호 동기화를 위한 절대시점을 추정하는데 사용될 수 있다. 즉, IoT 디바이스(120)는 절대시점정보 T1을 산출하기 위해 T0 에 합산하는 값으로 t1 대신에 tave 을 합산함으로써, 절대시점정보 T1에 근사한 값을 산출할 수 있다. 또한, IoT 디바이스(120)는 절대시점정보 T5을 산출하기 위해 T4 에 합산하는 값으로 t5 대신에 tave 을 합산함으로써, 절대시점정보 T5에 근사한 값을 산출할 수 있다.
그 후, IoT 디바이스(120)는 산출된 절대시점정보를 서버(110)로 전송할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
100: 시간 동기화 시스템
110: 서버
120: IoT 디바이스

Claims (3)

  1. 절대시점정보를 포함하는 시점 동기신호를 브로드캐스팅하는 서버; 및
    브로드캐스팅된 상기 시점 동기신호를 수신하고, 상기 시점 동기신호에 포함된 상기 절대시점정보와 내부 연산동작에 따른 연산시간정보 및 상기 시점 동기신호를 수신하는데 소요되는 전송시간정보를 이용하여 절대시점정보를 산출하는 IoT (Internet of Things) 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 서버와 IoT 디바이스 사이의 시간 동기화 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 IoT 디바이스는,
    상기 서버와 적어도 2회 이상의 상기 시점 동기신호의 교환에 따른 복수의 전송시간정보들을 이용하여 상기 절대시점정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 서버와 IoT 디바이스 사이의 시간 동기화 시스템.
  3. 청구항 3에 있어서,
    상기 IoT 디바이스는,
    상기 복수의 전송시간정보들의 평균값을 산출하고, 산출된 평균시간정보를 이용하여 상기 절대시점정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 서버와 IoT 디바이스 사이의 시간 동기화 시스템.
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