WO2011081478A2 - 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템 및 자기장통신 시스템의 복조장치와 복조방법 - Google Patents

온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템 및 자기장통신 시스템의 복조장치와 복조방법 Download PDF

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조동호
정방철
장우혁
이종민
김진규
임창경
김영민
전현우
박미현
유상조
신영수
임승옥
원윤재
김선희
문연국
임용석
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한국과학기술원
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/72—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for local intradevice communication
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B3/00—Line transmission systems
    • H04B3/54—Systems for transmission via power distribution lines

Definitions

  • the present invention relates to a demodulation device and a demodulation method for an on-line electric vehicle magnetic field communication system and a magnetic field communication system, and more particularly, wirelessly transmits electric power to a moving electric vehicle from a magnetic field communication transmission / reception system buried under a road.
  • a magnetic field communication system for transmitting data A magnetic field communication system for data transmission between an electric vehicle and an electric vehicle for improving wireless energy transmission efficiency from an electric power transmission system buried under a road to an electric vehicle moving on a road. It is about.
  • an online electric vehicle is a vehicle that is equipped with a rechargeable battery and moves on the road, receives energy from a power transmission system buried under the road, uses it as a power source of the electric vehicle, and simultaneously charges the mounted battery.
  • Existing online electric vehicles could only transfer energy in one direction to a moving electric vehicle from a power transmission system buried under the road.
  • underwater or underground communication is generally attenuated by a lot of moisture and fragments of the signal is a situation that is almost impossible to wireless communication using the existing electromagnetic waves.
  • magnetic fields are hardly affected by the change of the medium. Therefore, it is necessary to provide two-way communication by applying a wireless communication technology using the magnetic field that can communicate even in an uneven medium environment to an online electric vehicle.
  • the present invention has been made to solve the above problems, by building a magnetic field communication system for the vehicle and a road infrastructure magnetic field communication system by using the magnetic field region in the magnetic field communication system and magnetic field for the online electric vehicle which can communicate in both directions
  • An object of the present invention is to provide a demodulation device and a demodulation method of a communication system.
  • a first digital signal processing unit for digital signal processing packet data generated according to the magnetic field communication protocol;
  • a digital analog converter converting the digital signal processed by the digital signal processor into an analog signal;
  • a first filtering unit which removes a high frequency component from the analog signal converted by the digital analog converter;
  • a first amplifier amplifying the analog signal filtered by the first filter;
  • a magnetic field transmitting antenna unit generating a magnetic field by the analog signal amplified by the first amplifier.
  • a clock generator for generating a clock signal
  • a mixer unit which receives and mixes the radio frequency signal received from the node and the clock signal
  • An integrator for integrating the mixed signal in the mixer
  • a data operation unit configured to store the signal integrated in the integrator and determine output data by calculating a change in the integrated signal value every predetermined symbol period.
  • the demodulation method of the magnetic field communication system for an online electric vehicle for achieving the above object, (a) receiving and mixing a clock signal and a radio frequency signal; (b) integrating the mixed signal in step (a); And (c) a data calculation step of storing the signal integrated in the step (b) and determining output data by calculating a change in the integrated signal value every predetermined symbol period.
  • the state data of the electric vehicle is used for power transmission situation, transmission efficiency, power management for wireless energy transmission, and the like. It is effective to control the optimal charging situation by transmitting to the power transmission system buried beneath the road, or by transmitting the power transmission status data to the electric vehicle moving from the power transmission system.
  • 1 is a diagram showing a principle of generating electromagnetic waves.
  • FIG. 2 is a view showing a schematic configuration of a magnetic field communication system for an online electric vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a module-specific configuration of the magnetic field communication system of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the magnetic field communication system of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a structure of a data transmission and reception interval according to the present invention.
  • FIG. 6 is a frame diagram of a bidirectional communication format between two magnetic field communication systems in the physical layer construction method of the present invention.
  • FIG. 7 is a frame diagram illustrating a preamble field in FIG. 6.
  • FIG. 8 is a frame diagram illustrating a payload field in FIG. 6;
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a Manchester coding scheme applicable to a physical layer method of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a coding and modulation process of a preamble in the physical layer method of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a coding and modulation process of a header in a physical layer method of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a coding and modulation process of payload data in the physical layer method of the present invention.
  • FIG. 13 and 14 are views showing the configuration of a demodulation device of the magnetic field communication system of the present invention.
  • FIG. 15 illustrates a demodulation method of a magnetic field communication system according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a diagram illustrating a principle of generating electromagnetic waves.
  • the magnetic field communication technology enables wireless communication around water, soil, and metal, and has an advantage of overcoming the limitations of the existing wireless communication technology.
  • FIG. 2 is a view showing a schematic configuration of a magnetic field communication system for an online electric vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetic field communication system of the present invention includes a magnetic field communication transmitting and receiving system 30 and a magnetic field communication for transmitting data to an electric vehicle 10 moving wirelessly using a magnetic field region in a state buried under a road.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of each module of the magnetic field communication system of the present invention.
  • the magnetic field communication system for data communication between the road infrastructure and the vehicle of the present invention includes a vehicle magnetic field communication system 500 and a road infrastructure magnetic field communication system 600.
  • the vehicle magnetic field communication system 500 includes an antenna module 510, an analog module 530, a physical layer module 550, a medium access control layer module 570, and a vehicle communication S / W 590. do.
  • the road infrastructure magnetic field communication system 600 includes an antenna module 610, an analog module 630, a physical layer module 650, a medium access control layer module 670, and a road communication S / W 690. It is composed of
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a block-by-block configuration of the magnetic field communication system of the present invention.
  • the magnetic field communication system of the present invention supports bidirectional communication, and the transmission system generates data packets according to the magnetic field communication protocol.
  • the generated packet is converted into an analog signal through the DAC 705 via the medium access control layer (MAC) 701 and the physical layer, that is, the digital signal processor 703 of the vehicle magnetic field communication transceiving system 700, and the filter ( After the high frequency component is removed through 707, an amplified AC current flows through the amplifier 709 and amplified through the switch 711 and the magnetic field communication antenna 713, and the AC current generates a magnetic field.
  • the generated magnetic field is transmitted by generating an induced current through the magnetic field antenna 801 of the magnetic field communication transmitting and receiving system 800 for road infrastructure, which is a receiving system.
  • the transmitted magnetic field signal is transformed into a waveform of a scale recognizable by the switch 803 and the amplifier 805 of the receiving system, the noise is removed through the filter 807, and then the digital signal through the ADC 809. Is transformed into The modified signal is converted into a packet data form through the physical layer, that is, the digital signal processing 811 and the medium access control layer (MAC) 813.
  • the physical layer that is, the digital signal processing 811 and the medium access control layer (MAC) 813.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a structure of a data transmission / reception section according to the present invention.
  • the data transmission / reception period includes a request period, a reception period, and a blank period.
  • the request period is a time interval during which the vehicle magnetic field communication transceiver system can transmit a signal to the magnetic field communication transceiver system for the road infrastructure
  • the reception period is the area where the magnetic field communication transceiver system for the road infrastructure can transmit a signal to the vehicle magnetic field communication transceiver system.
  • the idle period is a time interval indicating the end of the data transmission and reception interval. In the idle period, no magnetic field transmission / reception system transmits data.
  • FIG. 6 is a frame configuration diagram of a bidirectional communication format between two magnetic field communication systems in the physical layer configuration method of the present invention
  • FIG. 7 is a frame configuration diagram of a preamble field in FIG. 6,
  • FIG. It is a frame structure diagram.
  • the communication frame is composed of a preamble, a header, and a payload field in order
  • the preamble field is a start of frame (SOF) of a conventional general request format or a general response format.
  • SOF start of frame
  • This preamble field is again in order from the least significant bit (LSB) to the most significant bit (MSB), for example a length of 0, 4, 8 or 12 bits specified by the user. 0 ', 4-bit' 0000 ', and 4-bit' 1010 '.
  • LSB least significant bit
  • MSB most significant bit
  • the preamble consists of a 4-bit '0000' sequence and a 4-bit 1010 'sequence.
  • the header field has a total of 3 bytes, and in the order of least significant bit to most significant bit, for example, a 3-bit data rate and coding information area, for example, 8-bit pay.
  • a load data length region for example, a 5-bit reserved region and an 8-bit header check sequence (HCS) may be included.
  • the payload data length region of 8 bits in this header field indicates the length of data included in the payload in bytes.
  • the header check sequence may consist of, for example, an 8-bit Cyclic Reduncy Check (CRC).
  • CRC Cyclic Reduncy Check
  • the payload field may consist of a data area of up to 255 bytes and a frame check sequence of 2 bytes to protect the data area. For example, when the length of data is 0, the frame check sequence is not included.
  • Data rates and coding methods for the preamble field, header field, and payload field are expressed in 3 bits and are shown in Table 1 below.
  • the Manchester coding scheme is used as the coding scheme according to the method of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a Manchester coding scheme that may be applied to the physical layer method of the present invention.
  • the signal level changes in the middle of a bit interval.
  • the signal level changes from level '1' to level '0', If the bit is '1', it is changed from level '0' to level '1'.
  • the Manchester coding scheme is advantageous for recognizing signals because there are few DC components.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a coding and modulation process of a preamble in the physical layer method of the present invention
  • FIG. 11 is a diagram showing a coding and modulation process of a header in the physical layer method of the present invention
  • FIG. 12 is a physical layer of the present invention.
  • the coding and modulation process of the preamble field is performed by encoding the generated preamble sequence using the coding scheme of type 0 of Table 1 above, that is, a Manchester coding scheme having a data rate of 1 kbps, and then BPSK modulation. do.
  • the coding and modulation process for the header field is also coded by using a Manchester coding scheme having a data rate of type 0, that is, 1 kbps in Table 1, after adding a header check sequence to protect the header field. Later on, BPSK modulation will occur again.
  • the payload check sequence is added to the upper end of the data, and the BPSK modulation is performed again after encoding with a Manchester coding scheme having a data rate of type 0, that is, 1 kbps in Table 1 above. do.
  • the preamble field, the header field, and the payload field are encoded to have a low data rate using a Manchester coding scheme that is relatively resistant to intermodulation interference, and further, a binary phase shift keying (BPSK) modulation scheme is used. By this, communication performance can be improved.
  • BPSK binary phase shift keying
  • FIG. 13 and 14 are views showing the configuration of a demodulation device of the magnetic field communication system of the present invention.
  • the demodulation device of the present invention includes a first mixer and a second mixer (110, 120), a clock generator 210, a first integrator, a second integrator (310, 320), a first data calculator and a second data. It includes arithmetic unit (410,420).
  • the clock generator 210 generates a clock signal (CW signal).
  • the mixers 110 and 120 receive RF signals (eg, ASK signals) and CW signals received from nodes and mix and output them.
  • the CW signals input to the first mixer 110 and the second mixer 120 have a phase difference of 90 ° to each other. That is, the CW signal (hereinafter, referred to as CW-1 signal) generated by the clock generator 210 is directly input to the first mixer 110, and is phased through the 90 ° phase changer 220 to the second mixer 120.
  • the changed CW signal (hereinafter referred to as CW-2 signal) is input.
  • the bit data of the RF signal input to the mixer (110, 120) is a signal encoded in FM0 or Miller method. Integrators 310 and 320 integrate the mixed signals in the mixer.
  • the integral value of the integrator is most affected by the smallest phase difference with the input reference signal among the RF signals received from the magnetic field communication transmitting and receiving system.
  • the integration of the integrators 310 and 320 is performed every 1 ⁇ 2 section of the data symbol.
  • the data operation unit 410 stores the signals integrated in the integrators 310 and 320 and calculates the change of the integrated signal value for each predetermined symbol period to determine output data, and the controller 411 and the symbol boundary detector 418. And a first buffer 412, a first comparator 413, a second buffer 414, a third buffer 415, a second comparator 416, and a data determiner 417.
  • the symbol boundary detector 418 detects 1 ⁇ 2 section of the data symbol.
  • the integral value of the integrator 310 is stored in the first buffer 412 every 1 ⁇ 2 symbol period, and each buffer 412, 414, 415 stores data every 1 ⁇ 2 symbol period.
  • the first comparator 413 outputs a sign value by comparing the integral value of the current integrator 310 with the integral value stored in the first buffer 412 every 1 ⁇ 2 symbol period.
  • the second comparator 416 may have a result code value of the first comparator 413 stored in the third buffer 415 in every one symbol period (that is, the result code value of the first comparator output before one symbol period). And the result code value of the current first comparator 413 are compared.
  • the controller 411 controls the integrator 310, the comparators 414 and 415, and the buffers 413, 415 and 416 to operate every half of the data symbols detected by the symbol boundary detector 418.
  • the controller 411 also includes a state machine (not shown) that determines when to compare the data of the first comparator 413 and the second comparator 416.
  • the data determiner 417 determines data according to the comparison result of the second comparator 416. For example, when the bit data is an FM0 encoded RF signal, the data determiner 417 may determine two values according to the comparison result of the second comparator 416 (the current sign value of the first comparator and the first comparator before one symbol interval). If the result sign is the same, '0' is outputted, and if the two values are different from each other, '1' is outputted. If the bit data is a Miller-encoded RF signal, the data determiner 417 determines the two values (current result value of the first comparator and the first comparator before one symbol interval) according to the comparison result of the second comparator 416. If the result sign value) is the same, '1' is output. If the two values are different, '0' is output.
  • FIG. 15 illustrates a demodulation method of a magnetic field communication system according to an embodiment of the present invention.
  • the demodulation method includes a mixing step, an integration step and a data operation step.
  • the mixer 110 receives a CW signal and an RF signal and mixes the two signals.
  • Integrator 310 integrates the mixed signals in the mixer.
  • the first comparator 414 compares the integrated value of the current integration step with the integrated value of the previous integration step for each 1 ⁇ 2 symbol period (S802), determines the sign value, and stores the signed value (S803).
  • the second comparator 416 compares the current code value of the first comparator with the code value before one symbol period of the first comparator for each symbol period (S804).
  • the data determiner 417 determines whether the two values are the same (S805). If the two values are the same, the data determiner determines the output data as '0' (S806). If the two values are different, the output data is determined as '1' (S807) and output.
  • the above-described procedure is performed for every 1 ⁇ 2 symbol interval detected by the symbol boundary detector 418 (S801), which is performed until the end of the input signal (S808).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)

Abstract

본 발명의 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템은 자기장통신 프로토콜에 따라 생성된 패킷 데이터를 디지털 신호처리하는 제1 디지털신호 처리부; 상기 디지털신호 처리부에 의해 처리된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환부; 상기 디지털 아날로그 변환부에 의해 변환된 아날로그 신호에서 고주파 성분을 제거하는 제1 필터링부; 상기 제1 필터링부에 의해 필터링된 아날로그 신호를 증폭하는 제1 증폭부; 및 상기 제1 증폭부에 의해 증폭된 아날로그 신호에 의해 자기장을 발생시키는 자기장 송신 안테나부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 흙이나 물, 금속 등의 지중 및 수중 환경에서도 무선 통신이 가능한 자기장통신 기술을 이용하여 전력 전송 상황이나 전송효율, 무선 에너지 전송을 위한 전력관리 등을 위해 전기자동차의 상태 데이터를 도로 밑에 매설된 전력 전송시스템에 전송하거나, 전력 전송시스템으로부터 이동하는 전기자동차에 전력 전송 상황 데이터를 전송하여 최적의 충전 상황을 제어할 수 있는 효과가 있다.

Description

온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템 및 자기장통신 시스템의 복조장치와 복조방법
본 발명은 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템 및 자기장통신 시스템의 복조장치와 복조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도로 밑에 매설된 자기장통신 송수신 시스템으로부터 이동하는 전기자동차에 무선으로 전력을 전송함과 동시에 데이터를 전송하는 자기장통신 시스템에 관한 것으로, 도로 밑에 매설되어 있는 전력 전송 시스템에서 도로 위를 이동하는 전기자동차로의 무선 에너지 전송효율을 높이기 위해 전력 전송시스템과 전기자동차 간의 데이터 전송을 위한 자기장통신 시스템에 관한 것이다.
최근 친환경적인 운송수단으로 전기자동차에 관한 관심이 폭발적으로 증가하고 있다. 전기자동차는 내연기관을 이용한 운송수단과는 달리 환경오염물질의 직접적인 배출이 없을 뿐 아니라, 이산화탄소 배출량, 소음, 진동을 크게 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 동시에 전기자동차 구동의 원동력이 되는 전지가 중량, 크기, 비용 측면에서 큰 비중을 차지할 수밖에 없고 이를 주기적으로 충전해야 한다는 단점을 가지고 있다. 하지만, 온라인 전기자동차(On-Line Electric Vehicle, OLEV)는 급전도로 위를 주행하면서 전지를 충전하는 방식이므로 이러한 단점을 극복할 수 있다. 급전도로 위에 존재하는 유도 코일에서 자기장이 발생하고, 이를 이용해 주행 중이거나 정차 중인 온라인 전기자동차의 자체 전지를 충전함으로써 전기자동차에 장착되는 전지의 용량을 크게 줄이고, 별도의 충전시간 없이 장거리 전지 주행을 가능하게 한다. 즉, 온라인 전기자동차는 충전이 가능한 배터리를 장착하고 도로 위를 이동하면서 도로 밑에 매설되어 있는 전력 전송시스템으로부터 에너지를 전송받아 전기자동차의 동력원으로 사용하고 동시에 장착된 배터리를 충전하는 자동차이다. 기존의 온라인 전기자동차는 단지 도로 밑에 매설된 전력 전송시스템에서 이동하는 전기자동차에 단방향으로만 에너지를 전송할 수 있었다. 일반적으로 수중이나 지중에서의 통신은 일반적으로 많은 수분과 조각들에 의한 신호의 감쇄가 심하여 기존의 전자기파를 이용한 무선 통신은 거의 불가능한 실정이다. 자기장은 전자파와 달리 매질의 변화에 의한 영향을 거의 받지 않으므로 매질이 불균등한 매립환경에서도 통신이 가능한 자기장을 이용한 무선통신기술을 온라인 전기자동차에 적용하여 양방향 통신을 제공할 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 차량용 자기장통신 시스템과 도로 인프라용 자기장통신 시스템을 구축함으로써 자기장 영역을 이용하여 양 방향으로 자기장 통신이 가능한 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템 및 자기장통신 시스템의 복조장치와 복조방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템의 일 측면에 따르면, 자기장통신 프로토콜에 따라 생성된 패킷 데이터를 디지털 신호처리하는 제1 디지털신호 처리부; 상기 디지털신호 처리부에 의해 처리된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환부; 상기 디지털 아날로그 변환부에 의해 변환된 아날로그 신호에서 고주파 성분을 제거하는 제1 필터링부; 상기 제1 필터링부에 의해 필터링된 아날로그 신호를 증폭하는 제1 증폭부; 및 상기 제1 증폭부에 의해 증폭된 아날로그 신호에 의해 자기장을 발생시키는 자기장 송신 안테나부를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템의 복조장치의 일 측면에 따르면, 클록 신호를 발생시키는 클록 발생부; 노드로부터 수신된 무선 주파수 신호와 상기 클록 신호를 입력받아 혼합하는 믹서부; 상기 믹서부에서 혼합된 신호를 적분하는 적분기; 상기 적분기에서 적분된 신호를 저장하고, 소정의 심볼 구간마다 상기 적분된 신호값의 변화를 연산하여 출력 데이터를 결정하는 데이터 연산부를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템의 복조방법의 일 측면에 따르면, (a) 클록 신호와 무선 주파수 신호를 입력받아 혼합하는 단계; (b) 상기 단계(a)에서 혼합된 신호를 적분하는 단계; 및 (c) 상기 단계(b)에서 적분된 신호를 저장하고, 소정의 심볼 구간마다 상기 적분된 신호값의 변화를 연산하여 출력 데이터를 결정하는 데이터 연산단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 흙이나 물, 금속 등의 지중 및 수중 환경에서도 무선 통신이 가능한 자기장통신 기술을 이용하여 전력 전송 상황이나 전송효율, 무선 에너지 전송을 위한 전력관리 등을 위해 전기자동차의 상태 데이터를 도로 밑에 매설된 전력 전송시스템에 전송하거나, 전력 전송시스템으로부터 이동하는 전기자동차에 전력 전송 상황 데이터를 전송하여 최적의 충전 상황을 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 전자파의 발생 원리를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 자기장통신 시스템의 모듈별 구성을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 자기장통신 시스템의 블럭별 구성을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 데이터 송수신 구간의 구조를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 물리계층 구성 방법에서 두 자기장통신 시스템 사이의 양방향 통신 포맷의 프레임 구성도.
도 7은 도 6에서 프리앰블 필드의 프레임 구성도.
도 8은 도 6에서 페이로드 필드의 프레임 구성도.
도 9은 본 발명의 물리계층 방법에 적용될 수 있는 맨체스터 코딩방식을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 물리계층 방법에서 프리앰블의 코딩 및 변조 과정을 나타내는 도면.
도 11은 본 발명의 물리계층 방법에서 헤더의 코딩 및 변조 과정을 나타내는 도면.
도 12는 본 발명의 물리계층 방법에서 페이로드 데이터의 코딩 및 변조 과정을 나타내는 도면.
도 13 및 도 14는 본 발명의 자기장 통신 시스템의 복조 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 통신 시스템의 복조 방법을 나타내는 도면.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 전자파의 발생 원리를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 안테나(예를 들어, 다이폴 안테나)에 교류 전압을 인가하면, 전기장이 발생되고 안테나에 교류전류가 흐르게 되어 자기장이 발생된다. 이때, 안테나로부터 거리 d(λ(파장)/2π)에서부터 전자기장이 안테나에서 분리되면서 전자파가 되어 공간을 전파하게 된다. 여기서, 자기장 영역(magnetic field)이란, 안테나에서부터 λ/2π까지의 영역을 일컫는 것이고, 이 영역 내에서의 통신을 자기장 통신이라 한다. 이러한 자기장 통신 기술은 기존의 RFID 기술과 USN(Ubiquitous Sensor Network) 기술과는 달리, 물, 흙, 금속 주변에서도 무선 통신이 가능한 기술로서, 기존 무선 통신 기술의 한계점을 극복할 수 있는 장점이 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 자기장통신 시스템은 도로 밑에 매설된 상태에서 자기장 영역을 이용하여 무선으로 이동하는 전기자동차(10)에게 데이터를 전송하는 자기장통신 송수신 시스템(30) 및 자기장통신 안테나(50)와, 이동하는 전기자동차(10)의 밑에 장착된 상태에서 자기장 영역을 이용하여 무선으로 도로 밑으로 데이터를 전송하는 자기장통신 안테나(70)로 구성된다.
도 3은 본 발명의 자기장통신 시스템의 모듈별 구성을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 도로 인프라와 차량 간 데이터통신을 위한 자기장통신 시스템은 차량용 자기장통신 시스템(500)과 도로 인프라용 자기장통신 시스템(600)을 포함한다. 차량용 자기장통신 시스템(500)은 안테나 모듈(510)과, 아날로그 모듈(530)과, 물리계층 모듈(550)과, 매체접속제어계층 모듈(570)과, 차량용 통신 S/W(590)로 구성된다. 도로 인프라용 자기장통신 시스템(600)은 안테나 모듈(610)과, 아날로그 모듈(630)과, 물리계층 모듈(650)과, 매체접속제어계층 모듈(670)과, 도로용 통신 S/W(690)로 구성된다.
도 4는 본 발명의 자기장통신 시스템의 블럭별 구성을 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 자기장 통신 시스템은 양방향 통신을 지원하며 송신 시스템에서는 자기장통신 프로토콜에 따라 데이터 패킷을 생성한다. 생성된 패킷은 차량용 자기장통신 송수신 시스템(700)의 매체접속제어계층(MAC)(701)과 물리계층, 즉 디지털 신호처리기(703)를 거쳐 DAC(705)를 통해 아날로그 신호로 변환되고, 필터(707)를 통해 고주파 성분이 제거된 후, 앰프(709)를 통해 증폭되어 스위치(711)와 자기장통신 안테나(713)를 통해 증폭된 교류전류가 흐르고 그 교류전류는 자기장을 발생시킨다. 발생된 자기장은 수신시스템인 도로 인프라용 자기장통신 송수신 시스템(800)의 자기장 안테나(801)를 통해 유도 전류를 발생시켜 전달된다. 전달된 자기장 신호는 수신시스템의 스위치(803)와 앰프(805)를 통해 인식할 수 있는 규모의 파형으로 변형되고, 필터(807)를 거쳐 노이즈가 제거된 후, ADC(809)를 통해 디지털 신호로 변형된다. 변형된 신호는 물리계층, 즉 디지털 신호처리(811)와 매체접속제어계층(MAC)(813)을 거쳐 패킷 데이터 형태로 변환된다.
도 5는 본 발명에 따른 데이터 송수신 구간의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 데이터 송수신 구간은 요청 구간(Request Period)과, 수신 구간(Receive Period) 및 휴지 구간(Blank Period)으로 구성된다. 요청 구간은 차량용 자기장통신 송수신 시스템이 도로 인프라용 자기장통신 송수신 시스템에게 신호를 송신할 수 있는 시간 구간이고, 수신 구간은 도로 인프라용 자기장통신 송수신 시스템이 차량용 자기장통신 송수신 시스템에게 신호를 송신할 수 있는 시간 구간이며, 휴지 구간은 데이터 송수신 구간의 끝을 나타내는 시간 구간이다. 휴지 구간일 때에는 어떤 자기장통신 송수신 시스템도 데이터를 전송하지 않는다.
도 6은 본 발명의 물리계층 구성 방법에서 두 자기장통신 시스템 사이의 양방향 통신 포맷의 프레임 구성도이고, 도 7은 도 6에서 프리앰블 필드의 프레임 구성도이며, 도 8은 도 6에서 페이로드 필드의 프레임 구성도이다.
도시된 바와 같이, 통신 프레임은 크게 프리앰블(Preamble)과 헤더(Header) 및 페이로드(Payload) 필드 순서로 이루어지며, 프리앰블 필드는 종래 일반 요청 포맷이나 일반 응답 포맷의 프레임 시작(Start Of Frame; SOF) 필드와 동일한 기능을 수행한다. 이러한 프리앰블 필드는 다시 최하위 비트(Least Significant Bit: LSB)부터 최상위 비트(Most Significant Bit: MSB)의 순서로 이루어지되, 예를 들어 사용자에 의해 길이가 지정되는 0, 4, 8 또는 12 비트의 '0'의 수열, 4비트의 '0000' 수열 및 4비트의 '1010' 수열로 이루어질 수 있다. 결국, 사용자 지정 수열이 0비트인 경우에는 사용자 지정 수열이 존재하지 않는 것이 되어 프리앰블은 4비트의 '0000' 수열과 4비트의 1010' 수열로 이루어지게 된다. 다음으로, 헤더 필드는 도 6에 도시한 바와 같이, 총 3바이트로 이루어지며, 최하위 비트부터 최상위 비트의 순서로, 예를 들어 3비트의 데이터율 및 코딩 정보 영역, 예를 들어 8비트의 페이로드 데이터 길이 영역, 예를 들어 5비트의 예비(Reserved) 영역 및 8비트의 헤더 검사 수열(Header Check Sequence; HCS)로 이루어질 수 있다. 이러한 헤더 필드에서 8비트의 페이로드 데이터 길이 영역은 바이트 단위로 페이로드에 포함되는 데이터의 길이를 나타낸다. 헤더 검사 수열은, 예를 들어 8비트의 순환 잉여 검사(Cyclic Reduncy Check; CRC)로 이루어질 수 있다. 마지막으로, 페이로드 필드는 최대 255 바이트로 이루어지는 데이터 영역과 이를 보호하기 위한, 예를 들어 2바이트의 프레임 검사 수열로 이루어질 수 있는데, 데이터의 길이가 0일 때는 당연히 프레임 검사 수열도 포함되지 않는다. 위의 프리앰블 필드, 헤더 필드 및 페이로드 필드에 대한 데이터율 및 코딩 방법은 3비트로 표현되어 아래의 표 1과 같다.
표 1
데이터율 및 코딩 데이터율 코딩 방식
b2b1b0=000(타입 0) 1 kbits/s 맨체스터
b2b1b0=001(타입 1) Reserved -
b2b1b0=010(타입 2) Reserved -
b2b1b0=011(타입 3) Reserved -
b2b1b0=100(타입 4) Reserved -
b2b1b0=101(타입 5) Reserved -
b2b1b0=110(타입 6) Reserved -
b2b1b0=111(타입 7) Reserved -
위의 표 1에 기재한 바와 같이, 본 발명의 방법에 따른 코딩 방식으로는 맨체스터 코딩 방식을 사용한다.
도 9은 본 발명의 물리계층 방법에 적용될 수 있는 맨체스터 코딩방식을 나타내는 도면이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명의 맨체스터 코딩 방식은 비트 구간의 중간에서 신호 레벨이 변하는데, 데이터 비트가 '0'인 경우에는 레벨 '1'에서 레벨 '0'으로 변하는 반면에, 데이터 비트가 '1'인 경우에는 레벨 '0'에서 레벨 '1'로 변한다. 결과적으로, 맨체스터 코딩 방식은 DC 성분이 적기 때문에 신호를 인식하는데 유리하다.
도 10은 본 발명의 물리계층 방법에서 프리앰블의 코딩 및 변조 과정을 나타내는 도면이고, 도 11은 본 발명의 물리계층 방법에서 헤더의 코딩 및 변조 과정을 나타내는 도면이며, 도 12는 본 발명의 물리계층 방법에서 페이로드 데이터의 코딩 및 변조 과정을 나타내는 도면이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 방법에서 프리앰블 필드에 대한 코딩 및 변조 과정은, 생성된 프리앰블 수열을 위의 표 1의 타입 0, 즉 1kbps의 데이터율을 갖는 맨체스터 코딩 방식으로 부호화한 후에 다시 BPSK 변조한다. 이와 마찬가지로, 헤더 필드에 대한 코딩 및 변조 과정도, 생성된 헤더 수열에 이를 보호하기 위한 헤더 검사 수열을 추가한 후에 위의 표 1에서 타입 0, 즉 1kbps의 데이터율을 갖는 맨체스터 코딩 방식으로 부호화한 후에 다시 BPSK 변조하게 된다. 페이로드 필드의 경우도 데이터의 상위 단에 이를 보호하기 위한 페이로드 검사 수열을 추가하고, 다시 위의 표 1에서 타입 0, 즉 1kbps의 데이터율을 갖는 맨체스터 코딩 방식으로 부호화한 후에 다시 BPSK 변조하게 된다. 이와 같이, 본 발명의 물리계층 방법에서는 프리앰블 필드와 헤더 필드, 페이로드 필드는 상대적으로 혼변조 간섭에 안정적인 맨체스터 코딩 방식으로 낮은 데이터율을 갖도록 부호화하고 나아가 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 변조 방식을 사용함으로써 통신 성능을 향상시킬 수 있다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 자기장 통신 시스템의 복조 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 복조 장치는 제1 믹서와 제2 믹서(110,120)와, 클록 발생부(210)와, 제1 적분기와 제2 적분기(310,320) 및 제1 데이터 연산부와 제2 데이터 연산부(410,420)를 포함한다.
클록 발생부(210)는 클록 신호(CW 신호)를 발생시킨다.
믹서(110,120)는 노드로부터 수신된 RF 신호(예컨대, ASK 신호)와 CW 신호를 입력받아 혼합하여 출력한다. 이때, 제1 믹서(110) 및 제2 믹서(120)에 입력되는 CW 신호는 서로 90°의 위상차를 가진다. 즉, 클록 발생부(210)에서 생성된 CW 신호(이하, CW-1 신호)는 제1 믹서(110)에 직접 입력되고, 제2 믹서(120)에는 90°위상 변화기(220)를 거처 위상 변화된 CW 신호(이하, CW-2 신호)가 입력된다. 이때, 믹서(110,120)에 입력되는 RF 신호의 비트 데이터는 FM0 또는 밀러 방식으로 인코딩된 신호이다. 적분기(310, 320)는 믹서에서 혼합된 신호를 적분한다. 이때, 적분기의 적분값은 자기장통신 송수신시스템으로부터 수신된 RF 신호 중 입력된 레퍼런스 신호와 위상차가 가장 작은 것의 영향을 가장 크게 받는다. 이러한 적분기(310,320)의 적분은 데이터 심볼의 ½ 구간마다 이루어진다.
데이터 연산부(410)는 적분기(310,320)에서 적분된 신호를 저장하고 소정의 심볼 구간마다 상기 적분된 신호값의 변화를 연산하여 출력 데이터를 결정하며, 제어기(411)와, 심볼 바운더리 검출기(418)와, 제1 버퍼(412)와, 제1 비교기(413)와, 제2 버퍼(414)와, 제3 버퍼(415)와, 제2 비교기(416) 및 데이터 결정기(417)를 포함한다.
심볼 바운더리 검출기(418)는 데이터 심볼의 ½ 구간을 검출한다. 적분기(310)의 적분값은 ½ 심볼 구간마다 제1 버퍼(412)에 저장되며, 각 버퍼(412,414,415)는 ½ 심볼 구간마다 데이터를 저장한다.
제1 비교기(413)는 매 ½ 심볼 구간마다 제1 버퍼(412)에 저장된 적분값과 현재 적분기(310)의 적분값을 비교하여 부호값을 출력한다.
제2 비교기(416)는 매 1 심볼 구간마다 제3 버퍼(415)에 저장되어 있는 제1 비교기(413)의 결과 부호값(즉, 1 심볼 구간 이전에 출력된 제1 비교기의 결과부호값)과 현재 제1 비교기(413)의 결과 부호값을 비교한다.
제어기(411)는 심볼 바운더리 검출기(418)에서 검출된 데이터 심볼의 ½ 구간마다 적분기(310), 비교기(414,415) 및 버퍼(413,415,416)를 동작하도록 제어한다. 또한 제어기(411)는, 제1 비교기(413) 및 제2 비교기(416)의 데이터 비교 시점을 결정하는 스테이트 머신(미도시)을 포함한다.
데이터 결정기(417)는 제2 비교기(416)의 비교결과에 따라 데이터를 결정한다. 예컨대, 비트 데이터가 FM0 인코딩 된 RF 신호인 경우, 데이터 결정기(417)는 제2 비교기(416)의 비교결과에 따라 두 값(현재 제1 비교기의 결과 부호값 및 1심볼 구간 이전의 제1 비교기의 결과 부호값)이 동일하면 '0'을 출력하고, 두 값이 서로 상이하면 '1'을 출력한다. 비트 데이터가 밀러 인코딩 된 RF 신호인 경우에는, 데이터 결정기(417)는 제2 비교기(416)의 비교 결과에 따라 두 값(현재 제1 비교기의 결과 부호값 및 1심볼 구간 이전의 제1 비교기의 결과 부호값)이 동일하면 '1'을 출력하고, 두 값이 서로 상이하면 '0'을 출력한다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 통신 시스템의 복조 방법을 나타내는 도면이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복조 방법은 믹싱단계, 적분단계 및 데이터 연산단계를 포함한다. 믹서(110)는 CW 신호와 RF 신호를 입력받고, 그 두 신호를 혼합한다. 적분기(310)는 믹서에서 혼합된 신호를 적분한다. 제1 비교기(414)는 ½ 심볼 구간마다 현재 적분 단계의 적분값과 이전 적분단계의 적분값을 비교(S802)하여 그 부호값을 결정하고 저장(S803)한다. 제2 비교기(416)는 1 심볼 구간마다 제1 비교기의 현재 부호값과 제1 비교기의 1심볼 구간 이전의 부호값을 비교(S804)한다. 제2 비교기(416)에 의한 제2 비교단계의 비교 결과에 따라 데이터 결정기(417)는 두 값이 동일한지를 판단(S805)하여 두 값이 동일하면 출력 데이터를 '0'으로 결정(S806)하고, 두 값이 상이하면 출력 데이터를 '1'로 결정(S807)하여 이를 출력한다. 전술한 절차는, 심볼 바운더리 검출기(418)에 의하여 검출된 ½ 심볼 구간마다 수행(S801)되며, 이는 입력신호의 끝까지 이루어진다(S808). 소정 심볼 구간마다 현재 적분 단계의 적분값과 이전 적분 단계의 적분값을 비교하는 비교단계 및 그 비교 결과에 따라 출력 데이터를 결정하는 데이터 결정 단계를 포함하며, 비교단계 및 데이터 결정 단계는 심볼 바운더리 검출단계에서 검출된 매 ½ 심볼 구간마다 실행된다. 본 발명의 자기장 통신 시스템을 위한 무선 통신 방법 및 복조 장치는 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (9)

  1. 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템으로서,
    자기장통신 프로토콜에 따라 생성된 패킷 데이터를 디지털 신호처리하는 제1 디지털신호 처리부;
    상기 디지털신호 처리부에 의해 처리된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환부;
    상기 디지털 아날로그 변환부에 의해 변환된 아날로그 신호에서 고주파 성분을 제거하는 제1 필터링부;
    상기 제1 필터링부에 의해 필터링된 아날로그 신호를 증폭하는 제1 증폭부; 및
    상기 제1 증폭부에 의해 증폭된 아날로그 신호에 의해 자기장을 발생시키는 자기장 송신 안테나부를 포함하는 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 자기장 송신 안테나부에서 발생된 자기장 신호를 수신하는 자기장 수신 안테나부;
    상기 자기장 수신 안테나부에서 수신한 자기장 신호를 증폭하는 제2 증폭부;
    상기 제2 증폭부에 의해 증폭된 신호에서 노이즈를 제거하는 제2 필터링부;
    상기 제2 필터링부에 의해 필터링된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부; 및
    상기 아날로그 디지털 변환부에 의해 변환된 디지털 신호를 패킷 데이터 형태로 변환하는 제2 디지털신호 처리부를 더 포함하는
    것을 특징으로 하는 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템.
  3. 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템의 복조장치로서,
    클록 신호를 발생시키는 클록 발생부;
    노드로부터 수신된 무선 주파수 신호와 상기 클록 신호를 입력받아 혼합하는 믹서부;
    상기 믹서부에서 혼합된 신호를 적분하는 적분기;
    상기 적분기에서 적분된 신호를 저장하고, 소정의 심볼 구간마다 상기 적분된 신호값의 변화를 연산하여 출력 데이터를 결정하는 데이터 연산부를 포함하는 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템의 복조장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 적분기에 의한 적분은 데이터 심볼의 ½ 구간마다 이루어지는
    것을 특징으로 하는 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템의 복조장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 데이터 연산부는,
    데이터 심볼의 ½ 구간을 검출하는 심볼 바운더리 검출기;
    상기 적분기의 적분값을 ½ 심볼 구간마다 저장하는 버퍼;
    데이터 심볼의 ½ 구간마다 상기 버퍼에 저장된 적분값과 현재의 적분값을 비교하여 부호값을 출력하는 제1 비교기;
    데이터 심볼의 1 구간마다 상기 제1 비교기의 결과 부호값과 현재의 결과 부호값을 비교하는 제2 비교기;
    상기 심볼 바운더리 검출기에서 검출된 데이터 심볼의 ½ 구간마다 상기 적분된 신호값의 변화를 연산하여 출력 데이터를 결정하는 제어기; 및
    상기 제2 비교기의 비교 결과에 따라 출력 데이터를 결정하는 데이터 결정기를 포함하는
    것을 특징으로 하는 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템의 복조장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제1 비교기와 상기 제2 비교기의 데이터 비교 시점을 결정하는 스테이트 머신을 포함하는
    것을 특징으로 하는 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템의 복조장치.
  7. 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템의 복조방법으로서,
    (a) 클록 신호와 무선 주파수 신호를 입력받아 혼합하는 단계;
    (b) 상기 단계(a)에서 혼합된 신호를 적분하는 단계; 및
    (c) 상기 단계(b)에서 적분된 신호를 저장하고, 소정의 심볼 구간마다 상기 적분된 신호값의 변화를 연산하여 출력 데이터를 결정하는 데이터 연산단계를 포함하는 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템의 복조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 단계(c)는,
    (c1) 제1 비교기가 데이터 심볼의 ½ 구간마다 현재 적분 단계의 적분값과 이전 적분단계의 적분값을 비교하는 단계;
    (c2) 상기 단계(c1)에서 적분값 비교에 의한 부호값을 결정하고 저장하는 단계;
    (c3) 제2 비교기가 데이터 심볼의 1 구간마다 상기 제1 비교기의 현재 부호값과 데이터 심볼의 1 구간 이전의 부호값을 비교하는 단계; 및
    (c4) 단계(c3)에서의 비교 결과에 따라 출력 데이터를 결정하는 단계를 포함하는
    것을 특징으로 하는 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템의 복조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 단계(c4)에서,
    상기 제1 비교기의 현재 부호값과 데이터 심볼의 1 구간 이전의 부호값이 동일하면 출력데이터를 '0'으로 결정하고, 상이하면 출력 데이터를 '1'로 결정하는
    것을 특징으로 하는 온라인 전기자동차용 자기장통신 시스템의 복조방법.
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