WO2021060694A1 - 변조 방식 변환 장치 및 게이트웨이 - Google Patents

변조 방식 변환 장치 및 게이트웨이 Download PDF

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WO2021060694A1
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modulation
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정진환
김성민
류지훈
이융
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한국과학기술원
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    • H04L27/2698—Multicarrier modulation systems in combination with other modulation techniques double density OFDM/OQAM system, e.g. OFDM/OQAM-IOTA system

Definitions

  • the present technology generally relates to a modulation scheme conversion device and a gateway.
  • IoT Internet of Things
  • IoT devices have low-power wireless devices and rely on multiple wireless gateways to connect to a Wi-Fi network and the Internet. Internet connectivity of IoT devices ultimately depends on the placement of the gateway.
  • gateways currently face several limiting factors that hinder large-scale deployment.
  • the gateway is equipped with multiple wireless interfaces, which means that power must be supplied from the outside. This limits outdoor placement and mobility.
  • Gateways are expensive, and (iii) they are different for each supplier, so each manufacturer has its own gateway specification. This incompatibility is another limiting factor for widely used gateway support.
  • This technology is to solve the above-described problems, and one of the challenges to be solved is to provide a scalable, low-cost, low-energy, general purpose (eg, inter-vendor) solution that provides Internet connectivity for the Internet of Things.
  • a scalable, low-cost, low-energy, general purpose (eg, inter-vendor) solution that provides Internet connectivity for the Internet of Things.
  • the apparatus for converting a modulation method includes: a back scattering tag provided with a tack signal and a tack signal forming unit for forming a tack signal, and the modulation method conversion apparatus is a radio modulated by a first modulation method.
  • the signal and the tack signal are multiplied to be reconstructed using a second modulation method and scattered back, but the reconstruction is performed in the physical layer (PHY).
  • the gateway includes: a backscattering tag and a modulation method conversion device including a tack signal forming unit that provides a tack signal provided to the backscattering tag, and the modulation method conversion device is modulated by the first modulation method.
  • the radio signal and the tack signal are multiplied by the second modulation method to be reconstructed and backscattered, but the reconstructed and backscattered signal using the second modulation method is provided to a receiver of the second modulation method and provided to the Internet.
  • the first modulation method signal can be converted to the second modulation method without interference or decryption of data in the physical layer (PHY), thereby providing high security performance.
  • PHY physical layer
  • 1 is a diagram schematically explaining the operation of the modulation method conversion device 10.
  • FIG. 2(a) is a diagram illustrating a transmitter configuration of a ZigR ratio signal
  • FIG. 2(b) is a diagram illustrating an example of a ZigR ratio signal.
  • Figure 3 (a) is a diagram showing the configuration of a WiFi (WiFi, 802.11b) receiver
  • Figure 3 (b) is a Barker code (Barker code) and inverted Barker code (Inverted Barker code) length of 1 ⁇ sec with a phase difference of ⁇
  • 4(a) to 4(c) show an example of reconstructing a Zigbee signal of the OQPSK modulation scheme into a WiFi signal of the DBPSK modulation scheme.
  • FIG. 5(a) is a diagram showing an in-phase component of a linear ratio signal, and a signal shown by a solid line in FIG. 5(b) is an exemplary tac signal of the modulation method conversion apparatus 10 illustrated in FIG. 4(b). Is a reconstructed signal, and the signal shown by the broken line is a Barker code.
  • FIG. 6(a) is a diagram schematically showing a header structure of an 802.11b Wi-Fi packet
  • FIG. 6(b) is a diagram schematically showing a header structure of a Zigbee packet.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a process of converting a bit sequence of a Zigbee header into a bit sequence of a Wi-Fi header.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a configuration for restoring a serial ratio symbol of a WiFi receiver from a reconstructed signal.
  • FIG. 9(a) shows the GFSK signal of BLE in the time domain.
  • An in-phase component reconstructed by the modulation method conversion apparatus according to the present embodiment is shown in the upper part of FIG. 9(b), and an orthogonal component reconstructed by the modulation method conversion apparatus is shown in the lower part of FIG. 9(b).
  • FIG. 10(a) is a diagram schematically showing the constellation of a 4-ary ASK signal
  • FIG. 10(b) is a diagram schematically showing the constellation of a 16 QAM signal.
  • FIG. 12 is a schematic circuit diagram of a modulation method conversion device according to the present embodiment.
  • TX transmitter
  • RX receiver
  • NLOS non-line of sight
  • FIG. 14(a) is a diagram showing the throughput performance evaluation result of the modulation method conversion device 10 in the linear-of-sight (LoS) scenario of Zigbee-WiFi
  • FIG. of Sight is a diagram showing the BER performance evaluation result of the modulation method conversion device 10 in the scenario
  • FIG. 14(c) is the RSSI performance of the modulation method conversion device in the line of sight (LoS) scenario of Zigbee-WiFi It is a figure showing the evaluation result.
  • FIG. 15(a) is a diagram showing the throughput evaluation result of the modulation method conversion device 10 in the non-line of sight (NLoS) scenario of ZigBi-WiFi
  • FIG. 15(c) is the modulation method conversion in the Non-Line of Sight (NLoS) scenario of Zigbee-Wi-Fi. It is a diagram showing the RSSI evaluation result of the device.
  • FIG. 16(a) is a diagram showing the throughput performance evaluation result of the modulation method conversion apparatus 10 for the LoS scenario of BLE-WiFi
  • FIG. 16(b) is a modulation method conversion apparatus 10 for the LoS scenario of BLE-WiFi.
  • FIG. 16(c) is a diagram showing an RSSI performance evaluation result of a modulation method conversion apparatus for a LoS scenario of BLE-Wi-Fi.
  • FIG. 17(a) is a diagram showing the throughput performance evaluation result of the BLE-Wi-Fi NLoS scenario
  • FIG. 17(b) is a diagram showing the BER performance evaluation result of the BLE-Wi-Fi NLoS scenario
  • FIG. 17(c) It is a diagram showing the RSSI performance evaluation result of the BLE-Wi-Fi NLoS scenario.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an effect of a change in a distance between a TX and a modulation method conversion device in a ZigBi-Wi-Fi experiment environment.
  • FIGS. 18 are diagrams illustrating an effect of backscattering of the modulation method conversion device 10 on an existing WiFi network and an effect of an existing WiFi network on the backscattering of the modulation method conversion device.
  • 19(a) and 19(b) show throughput performance of the modulation method conversion apparatus when there is no Wi-Fi signal or when an 802.11.11b or 802.11n signal is transmitted to channel 6.
  • FIG. 1 is a diagram schematically explaining the operation of the modulation method conversion device 10.
  • a first device (IoT device) 1 outputs a radio signal of a first modulation scheme.
  • the first device 1 illustrated in FIG. 1 is a device that outputs a radio signal of a first modulation method, and any device that outputs a radio signal by a radio modulation method is sufficient, and there is no limitation.
  • the first device 1 may be an Internet of Things (IoT) device.
  • IoT Internet of Things
  • the first device 1 may wake up at a preset time and perform a preset operation to provide data of the first modulation scheme.
  • the second device 2 may provide a query signal to the first device 1, and the first device 1 provides data by performing an operation corresponding to the query signal. .
  • the first device 1 performs an operation corresponding to a query provided by the second device 2 and provides a result of performing the operation as a first modulation method signal.
  • the first device 1 is a temperature sensor, and the second device 2 provides a temperature detection query to the first device 1, the first device 1 detects the temperature and Information may be output as a first modulation method signal.
  • the first device 1 may be an IoT device, and may provide a signal in a modulation method corresponding to a protocol such as ZigBee or Bluetooth Low Energy (BLE).
  • the second device 2 may be a WiFi receiver connected to the Internet.
  • the first device 1 may be connected to the Internet through a signal converted by the modulation method conversion device 10. Accordingly, the modulation method conversion device 10 functions as a wireless gateway.
  • the second device 2 may directly provide a query signal to the first device through cross-technology communication (CTC) such as WEBee.
  • CTC cross-technology communication
  • WEBee cross-technology communication
  • the modulation method conversion apparatus 10 may wake up by a query signal.
  • the query signal may be a plurality of packets of an On-Off Keying (OOK) modulation scheme.
  • OOK On-Off Keying
  • the modulation method conversion device 10 may include a low-power envelope detector, and when the low-power envelope detector recognizes a query signal, the modulation method conversion device 10 wakes up. It waits for a first modulation method signal provided by the first device 1.
  • the signal packet provided by the first device 1 may be converted into a second modulation method signal by the modulation method conversion device 10 and provided to the second device.
  • the modulation method conversion device 10 may detect a signal provided by the first device using an envelope detector (not shown).
  • the modulation method conversion device 10 converts a packet of a signal provided by the first device into a second modulation method, backscatters it, and provides it to the second device.
  • the modulation method conversion apparatus 10 may backscatter signals provided by a plurality of first devices and provide them to the second devices.
  • the modulation method conversion apparatus 10 When a wireless signal of the first modulation method is provided to the modulation method conversion apparatus 10 according to the present embodiment, a tag signal and a first modulation method signal are multiplied to form a second modulation method signal to form a backscatter signal. )do.
  • the modulation method conversion apparatus 10 may include a backscatter tag, and for example, may operate by collecting power through energy harvesting.
  • the modulation method conversion device 10 may further include an energy harvesting unit for collecting energy, and the energy harvesting unit may include an antenna collecting energy from radio waves and a storage unit including a capacitor or lithium battery, and a photoelectric effect. It may include any one of the panels to collect.
  • the modulation method conversion device 10 may operate as a rechargeable battery.
  • the modulation method conversion apparatus 10 may operate as a primary battery such as a coin cell.
  • the second device 2 may receive a signal of the second modulation scheme and restore target data.
  • the modulation method conversion apparatus 10 converts a first modulation method signal into a second modulation method signal without limitation of a modulation method.
  • the operation of the modulation method conversion apparatus 10 will be described by classifying it according to embodiments.
  • the corresponding embodiments should be interpreted as merely explaining the operation of the modulation method conversion apparatus 10, and do not limit the operation of the modulation method conversion apparatus 10.
  • the modulation method conversion apparatus 10 As a first embodiment, a case where the first modulation method signal is a Zigbee signal and the second modulation method signal is an 802.11b Wi-Fi signal will be described. . Since the data rate of the Zigbee signal is 250kbps and the minimum data rate of 802.11b Wi-Fi is 1Mbps, the Zigbee signal can be sufficiently supported. Furthermore, since the Wi-Fi device is backward compatible, Wi-Fi data of 802.11b can be received without difficulty.
  • FIG. 2(a) is a diagram illustrating a transmitter configuration of a ZigR ratio signal
  • FIG. 2(b) is a diagram illustrating an example of a ZigR ratio signal.
  • the serial ratio symbol (0-F) is first spread into 32 chips (chips, 0 or 1) through a mapping table of a DSSS module (Direct Sequence Spread Spectrum module), and a series of chips alternately It is assigned to in-phase and quadrature phases. Chips 1 and 0 are modulated with positive half-sine and negative half-sine signals each 1 ⁇ sec long.
  • Fig. 2(b) shows an example of a baseband signal of a positive half sine signal and a negative half sine. The offset between the positive phase and the quadrature phase is 0.5 ⁇ sec. Therefore, the modulation method of the serial ratio signal is OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying).
  • OQPSK Offset Quadrature Phase Shift Keying
  • Figure 3 (a) is a diagram showing the configuration of a Wi-Fi (WiFi, 802.11b) receiver
  • Figure 3 (b) is a Barker code (Barker code) length of 1 ⁇ sec length with a phase difference of ⁇ , which is a keying signal of Wi-Fi
  • a typical Wi-Fi receiver receives a signal, it is down-converted to baseband.
  • the quadrature signal includes a real signal and a complex signal, but the Wi-Fi signal contains only a real signal.
  • the Barker code of the received signal is detected through correlation with the ideal Barker code, which is a keying signal of Wi-Fi, indicating that a correlation value greater than a specific threshold has been detected. Since the transition between successive Barker codes (ie, between non-inverting and inverting or between inverting and non-inverting) represents bit 1 and otherwise represents 0, this modulation scheme is DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying).
  • the modulation method conversion apparatus 10 includes a backscatter tag.
  • the backscatter tag is a device that reflects and provides a wireless signal to the air, and can be supplied with power from a battery or charged with power by performing energy harvesting.
  • the signal reflected by the backscatter tag may be expressed as a product of an RF signal in a passband and a tag signal in a time domain. Accordingly, the passband RF signal can be wirelessly reconstructed by controlling the tack signal.
  • the Zigbee signal is reconstructed to approximate the Wi-Fi signal through signal reshaping.
  • the signal reconstruction process may be performed without data being moved from the physical layer (PHY) to an upper layer without conversion or interpretation of the data or packet structure included in the signal, and is applied in bit units.
  • the signal reconstruction operates in the passband of 2.4GHz without the use of a gigahertz band oscillator that requires high driving power used to lower the signal to the baseband. Accordingly, the modulation method conversion apparatus 10 according to the present embodiment may be driven with power collected by a method such as energy harvesting.
  • the modulation method conversion apparatus 10 utilizes a characteristic in which a frequency and phase shift performed in a passband affects a baseband operation in a receiver and thus directly affects decoding.
  • S(t) and f c represent a baseband signal and a carrier frequency, respectively.
  • the frequency and phase of the tack signal of the modulation method conversion apparatus 10 according to the present embodiment are expressed as f T and ⁇ T , respectively, the reconstructed signal will be expressed as the product of the pass band signal and the tack signal as shown in Equation 1. I can.
  • the receiver receives the reconstructed signal and provides it to the mixer and low-pass filter. From this, S(t)e ( j2 ⁇ fTt + ⁇ T ) is obtained, and it can be seen that the received Wi-Fi signal reflects the frequency and phase of the tack signal of the modulation method conversion apparatus 10. Through this, it can be confirmed that signal reconstruction can be performed in the passband.
  • the signal reconstruction there is a difference in bandwidth between the first modulation method signal and the second modulation method signal, and may be used between different modulation methods.
  • 4(a) to 4(c) show an example of reconstructing a Zigbee signal of the OQPSK modulation method into a Wi-Fi signal of the DBPSK modulation method.
  • the half-sine signal, which is a 2MHz bandwidth quadrature orthogonal component Zq, illustrated in FIG. 4(a) is multiplied by the tack signal T illustrated in FIG. 4(b).
  • the quadrature component (Zq) of the serial ratio signal is used in lossless decoding in a Wi-Fi receiver, as will be described later.
  • the quadrature component (Zq) signal having a 2MHz bandwidth is multiplied with the tack signal T of the modulation method conversion device 10 having a higher frequency, so that the bandwidth is extended to meet the 22MHz Wi-Fi band. Accordingly, signal reconstruction may be performed on the first modulation method signal to approximate a second modulation method signal having a bandwidth difference, and a bandwidth difference may be overcome.
  • the reconstructed signal (reshaped signal (refer to Fig. 4(c))) is correlated with the non-inverted Barker code, which is a keying signal of Wi-Fi, and the linear signal is In the case of a negative half-sine signal, a correlation is calculated with an inverted Barker code, which is a keying signal of the Wi-Fi in the Wi-Fi receiver.
  • the tack signal T of the modulation method conversion apparatus 10 illustrated in FIG. 4B outputs an inverted Barker code or a non-inverted Barker code of the backscattered signal to reflect the straight ratio data (ie, ⁇ half sine).
  • the decoded bit is analyzed by the Wi-Fi receiver, the bit transmitted as the original Zigbee signal can be recovered, as will be described later.
  • the signal of the modulation method conversion device 10 illustrated in FIG. 4(b) has a dominant frequency component of 22 MHz, and the phase changes between 0 and ⁇ every 1/11 ⁇ sec at least. I can.
  • This can be implemented as a low-power ring oscillator as described later, and can stably operate at 36MHz or more with a power consumption of 9.7 ⁇ W.
  • the WiFi receiver detects non-inverting and inverting Barker codes by decoding with correlation thresholds of 2/11 and -2/11.
  • the correlation is calculated as a cross-corrleation of the received signal and an inverted Barker code or a non-inverted Barker code.
  • the non-inverting ⁇ inverting transition between successive Barker codes is interpreted as bits 0 (no transition) and 1 (transition), and the threshold is set very low for robustness of WiFi signal detection. From this low threshold there can be many possible tack signals that can be used for signal reconstruction (ie, with a correlation above the threshold).
  • 4B illustrates an example of a tack signal of the modulation method conversion device 10 capable of obtaining a maximum correlation calculation value of 0.69.
  • S be a set of signals of the modulation method conversion device 10 capable of obtaining a correlation operation value greater than or equal to a threshold value.
  • signal selection optimally selects a tack signal and performs signal reconstruction of only the target signal (ie, orthogonal component).
  • the modulation method conversion apparatus 10 converts the modulation method. Therefore, it is necessary to select a target signal to be provided. In order to solve this problem, as will be described later, the modulation method conversion apparatus 10 selects only an orthogonal component of a serial ratio signal when generating a Wi-Fi packet including data. Signal selection is made in the passband. The signal reconstruction processing performed in the passband simultaneously affects the in-phase component and the quadrature component. Selecting an orthogonal component from a system perspective is equivalent to synchronizing a Wi-Fi receiver with the reconstructed signal.
  • FIG. 5(a) is a diagram showing an in-phase component of a linear ratio signal, and a signal shown by a solid line in FIG. 5(b) is an exemplary tac signal of the modulation method conversion apparatus 10 illustrated in FIG. 4(b). Is a reconstructed signal, and the signal shown by the broken line is a Barker code. 5(a) and 5(b), the correlation calculation value between the Barker code and the reconstructed in-phase component exceeds the Wi-Fi correlation threshold of 2/11, from which the correlation with the in-phase component. It can cause erroneous synchronization.
  • a tac signal of the modulation method conversion device 10 is selected so as to exceed a threshold value. From this, when signal reconstruction is complete, the Wi-Fi receiver excludes the in-phase component and synchronizes with the quadrature component.
  • S is a set of tack signals of the modulation method conversion device 10 capable of obtaining a correlation operation value equal to or greater than the threshold value
  • finding the tack signal in S is the same as the optimization problem defined in a linear half-sine signal with a duration of 1 ⁇ sec.
  • I(t) and Q(t) be the in-phase and quadrature components of the linear ratio signal at time t, respectively. From the target signal Q(t0) to be synchronized at a certain point in time t0, the problem can be expressed as Equation 2 below.
  • X(t) ⁇ Q(t), I(t) ⁇ where X(t) ⁇ T is the product of X(t) and the tack signal of the modulation method conversion device 10 for 1 ⁇ sec in the time domain
  • X(t) is reconstructed as a tag signal T of the modulation method conversion apparatus 10.
  • Cor(X(t) ⁇ T) is the correlation value between X(t) ⁇ T and the Barker code
  • Cth is the correlation threshold of the Wi-Fi receiver.
  • Tsel [0 0 0 1 -1 0 1 1 0 0 0].
  • the quadrature signal Q(t0) and the correlation can be maximized at time t0 to be synchronized with the Wi-Fi receiver, (Equation (1) of Equation 2) (ii) 0 It is possible to limit the correlation value to less than the threshold for an arbitrary ⁇ t time other than this (Equation (2) of Equation 2), and (iii) I(t0) to prevent the Wi-Fi receiver from being synchronized with the in-phase signal.
  • the selected tack signal is used in the modulation method conversion apparatus 10 according to the present embodiment.
  • the modulation method conversion device 10 In order to assemble an 802.11b Wi-Fi packet to synchronize with a Wi-Fi receiver, the modulation method conversion device 10 must configure a valid Wi-Fi header. Since both the Zigbee header and the Wi-Fi header are known, the configuration of the Wi-Fi header can only include a signal reconstruction process for a fixed sequence.
  • FIG. 6(a) is a diagram schematically showing a header structure of an 802.11b Wi-Fi packet
  • FIG. 6(b) is a diagram schematically showing a header structure of a Zigbee packet.
  • the SYNC, SFD and PHY fields in the packet are strictly required for the Wi-Fi receiver to receive the packet, decode it, and forward it to the application.
  • the PHY field may include information on a modulation scheme and a packet length.
  • the modulation method when the 802.11b protocol is used, a DBPSK of 1 Mbps is used, so the corresponding value is determined.
  • it may be preset to receive 127 bytes, which is the maximum length of the Zigbee packet.
  • the modulation method conversion apparatus 10 assembles a header using a preamble and an SFD field of a pre-defined serial ratio header. Therefore, the packet assembly process is a reconfiguration process between a fixed Zigbee header and a preset WiFi header.
  • the duration of the ZigBee header is 160 ⁇ sec, which is shorter than the duration of the Wi-Fi header of 192 ⁇ sec.
  • This difference in duration can be solved by forming a SYNC field having a duration of 96 ⁇ sec in place of the conventional SYNC field having a duration of 128 ⁇ sec. Even if the SYNC field with a duration of 96 ⁇ sec was inserted into the header, the effect could be neglected, and this is considered to be due to the conservative definition of the duration of the SYNC field.
  • mapping of converting the bits included in the header of the Zigbee signal to the bit sequence of the Wi-Fi header may be performed.
  • the mapping may be performed by non-inverting or inverting a bit of the header of the Zigbee signal, and mapping a header of a preset Zigbee signal to a preset Wi-Fi header from this.
  • the mapping process is performed by providing an inverted bit sequence (T1) and/or a non-inverted bit sequence (T2) for inverting the bit sequence of the header of the serial ratio signal with the tag signal T provided to the modulation method conversion device 10. It can be performed by reshaping the header signal.
  • bit sequence of -1, -1, and 1 included in the preamble of the ZigBee header is converted into a bit sequence of -1, 1, and 1 of the Wi-Fi header.
  • bit inversion sequence T1, Invert bit
  • a serial ratio signal The corresponding bit in the header of is inverted.
  • the bit non-inverting signal T2 as a tag signal to the modulation method conversion device 10 [0,0,1,-1,0, If 1,1 0,0,0] is provided, the corresponding bit in the serial ratio signal header is non-inverted.
  • the modulation method conversion device 10 by providing a bit inverted signal (Invert bit) or a non-inverted signal (Non-invert bit) as a tag signal to the modulation method conversion device 10, it is possible to convert not only the payload but also the header through the signal reconstruction process. have. Thus, the Zigbee packet can be reconstructed into a Wi-Fi packet.
  • Invert bit bit inverted signal
  • Non-invert bit non-inverted signal
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a configuration for restoring a serial ratio symbol of a WiFi receiver from a reconstructed signal.
  • a Wi-Fi packet reconstructed from a Zigbee packet is compatible with a commercial Wi-Fi device, and the packet is decoded as it is.
  • the modulation method conversion apparatus it is necessary to restore the original Zigbee symbol from the received Wi-Fi packet.
  • the reconstructed signal received by the Wi-Fi receiver passes through a DBPSK demodulator and a descrambler having a fixed scrambling seed as defined by the 802.11b Wi-Fi standard, and the descrambler provides the received Wi-Fi bits. do.
  • the zigbee symbol can be obtained by performing decoding with a zigbee decoding stack (100), but since the reconstructed signal is decoded by a WiFi receiver, mapping from descrambled WiFi bits to a zigbee symbol must be performed.
  • Wi-Fi bits output from the descrambler are processed by the scrambler 110 and the BPSK modulator 120 in order to restore chips due to the quadrature component of the serial ratio signal. Since the scrambler 110 and the descrambler have fixed seeds defined by the standard, the Wi-Fi receiver can easily restore orthogonal component chips transmitted by the device.
  • the DBPSK modulator 120 modulates the signal provided by the scrambler 110 using a DBPSK modulation method, and provides it to the DSSS demapper 130.
  • the DSSS demapper 130 searches for a Zigration symbol from an orthogonal component chip and outputs a corresponding Zigration symbol.
  • Zigration communicates using 16 different DSSS symbols consisting of 16 orthogonal and in-phase half-sine signals.
  • the DSSS symbol includes both an orthogonal component and an in-phase component, but the symbol can be uniquely identified even with an orthogonal component. Accordingly, the entire information of the ZigBee packet can be recovered in a commercial Wi-Fi device through the modulation method conversion apparatus 10 according to the present embodiment.
  • the Wi-Fi device calculates a Hamming distance between the 16 chips and the orthogonal components of the DSSS symbol for every 16 chips from the restored orthogonal component chip, and outputs a symbol having the minimum Hamming distance. As long as no link loss occurs, the output symbol is the same as the symbol transmitted by the serial device. Accordingly, the Zigbee symbol reconstructed by the modulation method conversion apparatus 10 can be recovered by the Wi-Fi receiver.
  • the reconstructed Zigbee signal may inevitably cause a checksum (CRC) error in the Wi-Fi receiver.
  • CRC checksum
  • the Wi-Fi receiver is configured in a monitor mode capable of receiving the packet, the checksum error can be resolved.
  • the applicability of the modulation method conversion device 10 of this embodiment may be limited from the CRC deactivation request, but many commercial Wi-Fi devices can deactivate the CRC by modifying the software without modifying the firmware or hardware. It is understood that the application limit width of the device 10 will not be wide.
  • FIGS. 9(a) and 9(b) a second embodiment of the modulation method conversion apparatus 10 will be described with reference to FIGS. 9(a) and 9(b). Description of elements that are the same or similar to those of the above-described embodiment may be omitted.
  • the first modulation method signal is a Bluetooth Low Energy (BLE) signal
  • the second modulation method signal is an 802.11b Wi-Fi signal
  • 9(a) shows the GFSK signal of BLE in the time domain.
  • BLE modulates a signal using a Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) modulation scheme.
  • the GFSK modulation method of BLE modulates the signal by switching between two frequencies, and the phase changes according to the two frequencies.
  • GFSK Gaussian Frequency Shift Keying
  • bits 1 and 0 are expressed as a phase offset of ⁇ /2 every 1 ⁇ sec, and correspond to a quarter sine signal.
  • the BLE signal is reconstructed into a WiFi (802.11b) DQPSK signal by the modulation method conversion device 10.
  • the tack signal provided to the modulation method conversion apparatus 10 may be the same as the tack signal provided to the modulation method conversion apparatus 10 in the above-described first embodiment.
  • the DQPSK signal of the Wi-Fi is configured by using both the in-phase component and the orthogonal component of the BLE signal. This is because BLE does not use a spreading code and thus requires both an in-phase component and an orthogonal component to restore data transmitted in the BLE method.
  • 9(b) shows an in-phase component reconstructed by the modulation method conversion apparatus 10 according to the present embodiment, and at the bottom of FIG. 9(b), the in-phase component reconstructed by the modulation method conversion apparatus 10 is shown. Orthogonal components are shown. The reconstructed signals are correlated with a non-inverted Barker code or an inverted Barker code, which is a keying signal of Wi-Fi.
  • FIG. 9(a) shows a phase shift of - ⁇ /2 from t1 ⁇ t2, which corresponds to bit 0 of BLE. This can be inferred from a pattern of non-inverting barker codes or inverting barker codes received by the WiFi receiver. That is, when having a positive value between t0 and t2 in phase as shown at the top of FIG. 9(a), two consecutive non-inverting Barker codes as shown at the top of FIG. 9(b) Is displayed, and when the orthogonal component has a positive value between t0 and t1 and a negative value between t1 and t2, as shown at the bottom of Fig. 9(a), shown at the bottom of Fig.
  • FIG. 9(b) As shown in Figure 1, it is represented by a non-inverting barker code and an inverting barker code.
  • the number of combinations between the inverted barker code and the non-inverted barker code is 16, each representing a BLE bit 1 or 0. From this, the Wi-Fi receiver can restore BLE data from the BLE packet.
  • a header of a BLE packet having a duration of 56 ⁇ sec may have a short duration.
  • the modulation method conversion device 10 transmits a bit inversion sequence (T1, see Fig. 7) and/or a bit non-inversion sequence ( T2, see FIG. 7) may be multiplied and converted into a desired form of a Wi-Fi header.
  • FIG. 10 is a diagram schematically illustrating a configuration of a BLE decoding stack for restoring BLE symbols of a WiFi receiver from a reconstructed signal.
  • the configuration for this is the same as or similar to those of the above-described embodiments of the decoding stack 100 (refer to FIG. 8) of the Zigbee, and descriptions of elements similar to those of the above described embodiments may be omitted.
  • a Wi-Fi packet reconstructed from a BLE packet is compatible with a commercial Wi-Fi device, and the packet is decoded as it is.
  • the modulation method conversion apparatus it is necessary to initially restore the BLE symbol from the received Wi-Fi packet.
  • the GFSK demodulator 140 demodulates the output of the DQPSK modulator 120 to restore the original BLE symbol.
  • the reconstructed BLE signal may inevitably cause a checksum (CRC) error in the Wi-Fi receiver.
  • CRC checksum
  • the Wi-Fi receiver is configured in a monitor mode capable of receiving the packet, the checksum error can be resolved.
  • the applicability of the modulation method conversion device 10 of this embodiment may be limited from the CRC deactivation request, but many commercial Wi-Fi devices can deactivate the CRC by modifying the software without modifying the firmware or hardware. It is understood that the application limit width of the device 10 will not be wide.
  • the first modulation method signal is a signal modulated by ASK (Amplitude Shift Keying) and the second modulation method signal is a quadrature amplitude modulation (QAM) modulated signal
  • ASK Amplitude Shift Keying
  • QAM quadrature amplitude modulation
  • FIG. 11(a) is a diagram schematically showing the constellation of a 4-ary ASK signal
  • FIG. 11(b) is a diagram schematically showing the constellation of a 16 QAM signal.
  • 11(a) and 11(b) a signal modulated by the 4-ary ASK modulation scheme is shown as four constellation points as shown.
  • Equation 1 when the phase of the tack signal is shifted by 45 degrees or 135 degrees, the phase of the first modulation method signal is formed by shifting 45 degrees or 135 degrees, and through this, as illustrated in FIG. 11(b).
  • a signal modulated by the ASK method may be reconstructed into a signal of the QAM method.
  • FIG. 12 schematically shows a circuit of the tag signal forming unit 200 for converting the OQPSK modulated Zig Ratio signal exemplified in Embodiment 1 into a DBPSK modulated Wi-Fi signal.
  • a clock source 210 provides a clock to the entire system including a frequency shifter and a tag signal modulator.
  • the clock source 210 may include a low power ring oscillator.
  • the frequency shifter 220 may be formed by connecting a plurality of buffers or a plurality of inverters, and a clock signal is delayed by 0.5 ⁇ sec corresponding to the duration of a half chip by the frequency shifter 220. Accordingly, the quadrature component signal is connected to the XOR gate through the frequency shifter 220.
  • the selector 230 may implement a phase offset of ⁇ as a delay in the'-1' path.
  • Absorption of the RF signal energy expressed as '0' can be implemented by matching with the impedance of the antenna, through which the RF signal is absorbed to the ground.
  • the backscatter tag included in the modulation method conversion device does not need to absorb energy, and both the in-phase component and the orthogonal component of the BLE signal are required.
  • the "0" path from 12 to ground potential is unnecessary. Accordingly, a tag signal corresponding to a desired bit sequence can be formed and output.
  • the tack signal modulator controls the MUX with the FPGA to output the optimal tack signal Tsel.
  • the delayed clock and tack signal for frequency shift are multiplied through the XOR gate 250 and provided to the RF switch 260 to backscatter or absorb the RF signal.
  • the Zigbee signal is reconstructed into a Wi-Fi signal and scattered back.
  • the modulation method conversion device 10 moves the frequency of the back-scattered signal to Wi-Fi channels 4 or 8 to cause self-interference by IoT signals (self-interference). interference) and interference with Wi-Fi. Through this, the modulation method conversion device 10 and the Wi-Fi network can coexist.
  • the modulation method conversion device 10 backscatters the signal while moving the frequency, for example, if the frequency is moved by fc by multiplying sin(ft) by the sin(2 ⁇ fct) signal, the frequency of (f + fc) Not only the component but also the frequency component of (f- fc) is generated, which may cause frequency inefficiency.
  • an undesired (f-fc) component removes the frequency component and does not interfere with communication at an unintended frequency.
  • TX transmitter
  • RX receiver
  • NLOS non-line of sight
  • the transmitter (TX) includes commercial Internet of Things devices released by various vendors that transmit signals with ZigBi or BLE protocols, and a low-power CC2650 RF chip that complies with multiple standards.
  • the maximum transmission power of the low-power CC2650 RF chip is 5dBM, and in this evaluation, it was set to 5dBM and 0dBm.
  • the modulation method conversion apparatus 10 may receive a signal from the reconstructed 802.11b packet.
  • the laptop in monitor mode to receive packets with CRC errors.
  • Throughput is measured by dividing the number of correctly received bits by the number of transmitted bits per second, and BER is calculated as the correctly received bits by dividing the number of bits successfully detected by the WiFi receiver by the number of transmitted bits.
  • IoT devices of Samsung, Amazon, Philips, IKEA, and Huawei were selected as IoT devices to evaluate the modulation method conversion device 10.
  • the selected IoT devices are five smart home devices that are directly compatible with the vendor's proprietary upper layer protocol.
  • Table 1 shows evaluation results of a bit error rate (BER) and a received signal strength indicator (RSSI) of smart home devices.
  • the BER performance was measured by comparing the reconstructed WiFi packet received from the laptop and the original ZigBee packet sniffed from the USRP device. RSSI was captured on a WiFi laptop.
  • the modulation method conversion device 10 is compatible with each IoT device and restores the original serial payload. Therefore, the modulation method conversion apparatus 10 according to the present embodiment can operate as a gateway.
  • the modulation method conversion device 10 converts the packet into a WiFi packet, and thus, the WiFi laptop Received a Wi-Fi packet and read the original Zigbee data from the packet.
  • the BER and RSSI results achieved due to the robustness of 802.11b are found to be sufficient to support many IoT applications.
  • FIG. 14(a) is a diagram showing the throughput performance evaluation result of the modulation method conversion device 10 in the linear-of-sight (LoS) scenario of Zigbee-WiFi
  • FIG. 14(b) is a diagram showing the result of evaluating the throughput performance of the ZigBee-WiFi LoS (Line of Sight) of Sight) is a diagram showing the BER performance evaluation result of the modulation method conversion device 10 in the scenario
  • FIG. 14(c) is the modulation method conversion device 10 in the Line of Sight (LoS) scenario of Zigbee-Wi-Fi. It is a diagram showing the results of the RSSI performance evaluation.
  • the distance between the TX and the modulation system conversion device 10 was fixed at 50 cm, and the distance between the modulation system conversion device 10 and the RX was increased to measure throughput, BER, and RSSI.
  • the achieved throughput results are 222 kbps and 192 kbps, respectively, at 5 dBm and 0 dBm of TX power, and this result is very much at 250 kbps, which is the maximum throughput of the linear ratio. It's close.
  • processing performance decreases due to RSSI performance degradation as shown in FIG. 14C.
  • FIG. 15(a) is a diagram showing the throughput evaluation result of the modulation method conversion device 10 in the non-line of sight (NLoS) scenario of ZigBi-WiFi
  • FIG.15(b) is a diagram showing the result of evaluating the throughput of ZigBi-Wi-Fi.
  • FIG. 15(c) is the modulation method conversion in the Non-Line of Sight (NLoS) scenario of Zigbee-Wi-Fi. It is a figure which shows the RSSI evaluation result of the apparatus 10.
  • the TX and the modulation method conversion device 10 are located indoors, and the RX moves along the passage.
  • the achieved throughput performance (203kbps and 163kbps respectively at 5dBm and 0dBm) is LoS even if the received signal is weaker than the received signal in the LoS scenario. You can see that it is similar to the outcome of the scenario.
  • the communication distance was 9m and 6m at maximum at 5 dBm and 0 dBm TX power, respectively, as in FIGS. 15(a) and 15(b).
  • the modulation method conversion device 10 has a high BER and needs to be retransmitted several times, additional energy consumption occurs.
  • the modulation method conversion device was set to have a dwell time after backscattering was completed in order to process retransmission without restarting from the beginning.
  • the communication distance is shortened due to an obstacle between the modulation method conversion device 10 and the RX, the modulation method conversion device 10 can achieve a reasonable communication range in various application fields (e.g., home IoT, short-range communication (NFC)). .
  • FIG. 16(a) is a diagram showing the throughput performance evaluation result of the modulation method conversion apparatus 10 for the LoS scenario of BLE-WiFi
  • FIG. 16(b) is a modulation method conversion apparatus 10 for the LoS scenario of BLE-Wi-Fi.
  • FIG. 16(c) is a diagram showing an RSSI performance evaluation result of the modulation method conversion apparatus 10 for a LoS scenario of BLE-Wi-Fi.
  • the performance of BLE-Wi-Fi was evaluated in the same experimental environment as the evaluation of the Jikbi-Wi-Fi LoS scenario.
  • the modulation method conversion apparatus 10 was able to obtain throughputs of 662 kbps and 531 kbps at 5 dBm and 0 dBm power, respectively, as shown in FIG. 16(a).
  • the maximum throughput of BLE is 1Mbps, so the throughput achieved is higher than that of direct-to-wifi communication.
  • a high BER value is shown as shown in FIG. 16(b), but a large part of the bit error in the ZigBi-Wi-Fi communication can be recovered due to the DSSS coding of the ZigBee signal.
  • the RSSI of BLE versus WiFi communication is higher than that of ZigBee versus WiFi communication. This is because the modulation method conversion device 10 generates a WiFi signal using the entire BLE signal, and generates a WiFi signal by back-scattering only half of the Zigbee signal. From the nature of the Wi-Fi receiver that uses correlation to decode the signal, the available communication range is very similar in both cases.
  • FIG. 17(a) is a diagram showing the throughput performance evaluation result of the BLE-Wi-Fi NLoS scenario
  • FIG. 17(b) is a diagram showing the BER performance evaluation result of the BLE-Wi-Fi NLoS scenario
  • FIG. 17(c) It is a diagram showing the RSSI performance evaluation result of the BLE-Wi-Fi NLoS scenario.
  • throughput BER and RSSI
  • all performance is degraded compared to the performance of the LoS scenario.
  • FIG. 17(b) is a diagram showing the throughput performance evaluation result of the BLE-Wi-Fi NLoS scenario
  • FIG. 17(c) It is a diagram showing the RSSI performance evaluation result of the BLE-Wi-Fi NLoS scenario.
  • the communication range that can be achieved with the modulation method conversion device 10 is a maximum of 14.5m (5dBm) and 12.5m (0dBm).
  • BER and RSSI shown in Figs. 17(b) and 17(c) shows the same trend as the previous results.
  • dwell time can be applied to BLE to WiFi.
  • the achieved communication range of 10 m or more is suitable for many applications requiring short-range communication.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an effect of a change in the distance between the TX and the modulation method conversion apparatus 10 in the ZigBi-Wi-Fi experiment environment.
  • the TX and the modulation method conversion apparatus 10
  • the effect of changing the distance between 1m to 4m was evaluated.
  • throughput performance depends not only on the distance between the modulation method conversion apparatus 10 and the RX, but also the distance between the TX and the modulation method conversion apparatus 10.
  • the modulation method conversion apparatus 10 achieves a throughput of about 175 kbps at the nearest distance (that is, both are 1 m), but it can be seen that the performance decreases as the distance increases.
  • the distance between the TX and the modulation method conversion device 10 is 4 m, a maximum of 100 kbps may be achieved. Therefore, the TX-Tag distance does not significantly limit the arrangement of the modulation scheme conversion device.
  • Table 2 is a table showing the power consumption of the modulation method conversion device.
  • a ring oscillator-based clock source (Oscillator, see Fig. 12 210) that provides a frequency shift and clock signal to the rest of the circuit consumes 9.7 ⁇ W.
  • the main modulation module (see Fig. 12 260) of the modulation method conversion device including the RF switch (Modulator) consumes 29 ⁇ W of power (obtained using a power analysis tool provided by an FPGA supplier).
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the power analysis tool can estimate the amount of power consumed when the FPGA is implemented as an integrated circuit, and from this, the net power consumption of the modulation method conversion device 10 implemented in the ASIC is estimated to be 38.7 ⁇ W. Since the energy harvesting device can produce 100 ⁇ W or more from indoor lighting, for example, the modulation method conversion device 10 can operate as a backscatter gateway without a battery or can be driven for a long time with power provided from a coin cell (1000mAh). When implemented in an ASIC, the main difference from the prototype is that a custom antenna is required, and a custom antenna can provide similar performance.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating an effect of backscattering of the modulation method conversion apparatus 10 on an existing WiFi network and an effect of an existing WiFi network on the backscattering of the modulation method conversion apparatus 10.
  • the laptop repeatedly transmits 802.11b (1Mbps) or 802.11n (65Mbps) packets on WiFi channel 6 (2.437GHz), and another laptop 1m away from the transmitter receives the WiFi packets and measures the throughput.
  • the CC2650 transmitter sends a Zigration signal
  • the modulation method conversion device backscatters the Zigration signal.
  • the modulation method conversion device is separated by 1m from the receiver laptop.
  • the modulation method conversion device 10 reduces interference with a Wi-Fi network using Wi-Fi channels 1, 6, or 11 by shifting the signal from which the Zigbee signal was reconstructed to Wi-Fi channel 4 (2.427 GHz) or channel 8 (2.447 GHz). Let it.
  • the modulation mode conversion device 10 does not backscatter (Tag Off)
  • Wi-Fi channel 4 (Tag On Ch. 4)
  • Wi-Fi channel 6 (Tag On Ch)
  • the throughput of 802.11b and 802.11n in .) was measured, and the results are shown in FIGS. 19(a) and 19(b), respectively.
  • both 802.11b and 802.11n have high throughput.
  • the modulation method conversion device performs backscatter and there is interference, the throughput performance of Wi-Fi, especially the performance of Ch.6, decreases, but it can be seen that the backscattered signal still has a high throughput because the power of the backscattered signal is relatively small. .
  • a stronger Wi-Fi signal can be successfully decoded due to the capture effect, but weak backscattered signals by the modulation method conversion device are naturally suppressed.
  • 20(a) and 20(b) show throughput performance of the modulation method conversion apparatus when there is no Wi-Fi signal or when an 802.11.11b or 802.11n signal is transmitted to channel 6. Since the signal backscattered by the modulation method conversion device is weaker than the Wi-Fi signal, performance loss is inevitable when there is a Wi-Fi signal being transmitted in an adjacent channel. However, the Wi-Fi receiver can receive a backscattered signal by reconfiguring in Wi-Fi channel 4 due to the robustness of 802.11b despite the interference of Wi-Fi channel 6 (WiFi On Ch. 6).
  • FIG. 20(b) shows that since 802.11n performs OFDM modulation, less interference occurs and has better throughput performance because it occupies a smaller bandwidth than 802.11b. Accordingly, it is possible to reduce the influence on the existing WiFi network and the backscattered signal by backscattering signals reconstructed through channels 4 and 8.
  • the modulation scheme conversion device 10 may be applied to several devices due to carrier-sense multiple access (CSMA) to avoid collision. That is, assuming that multiple IoT devices and modulation method conversion devices are deployed in a specific area, the IoT device transmits signals one at a time due to carrier detection, so collisions between IoT devices are naturally minimized. Therefore, as long as an error does not occur in CSMA, the modulation method conversion device operates without collision.
  • CSMA carrier-sense multiple access
  • modulation scheme conversion devices 10 As a plurality of modulation scheme conversion devices 10 are arranged, throughput and communication distance performance are improved. It is assumed that several tags are placed to configure a pervasive IoT gateway. In order to confirm the performance improvement that can be obtained by arranging multiple modulation method conversion devices, the same environment as the ZigBee-Wi-Fi LoS environment was configured. One to three modulation method conversion devices are arranged, and the TX transmits a signal with a power of 0dBm.
  • 21 shows the performance when a plurality of modulation scheme conversion devices are arranged in terms of throughput and RSSI.
  • the throughput and the communication distance increase to a maximum of 189 kbps and 21 m, respectively, as the number of deployed modulation scheme conversion devices increases.
  • the better RSSI can be obtained due to the backscattered power from the multiple devices.
  • This result indicates that whenever the IoT device transmits a packet, some modulation method conversion devices placed near the IoT device start backscattering and convert the IoT packet into a WiFi packet. From these results, it can be seen that the modulation scheme conversion apparatus can help to improve performance even in multipath fading.

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Abstract

본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치는: 택 신호가 제공되는 후방 산란 택(back scattering tag) 및 택 신호를 형성하는 택 신호 형성부를 포함하며, 변조 방식 변환 장치는 제1 변조 방식으로 변조된 무선 신호와 택 신호를 곱하여 제2 변조 방식으로 재구성하여 후방 산란하되, 재구성은 피지컬(PHY) 레이어에서 수행된다.

Description

변조 방식 변환 장치 및 게이트웨이
본 기술은 일반적으로 변조 방식 변환 장치 및 게이트웨이와 관련된다.
사물 인터넷(IoT, internet of things) 은 우리 생활의 모든 구석에 걸쳐있는 무선 장치의 폭발적인 성장과 함께 급부상하고 있다. IoT는 광범위한 인터넷(pervasive internet) 연결이 핵심이 되며, 시간과 공간에 구애받지 않는 서비스를 제공하는 것을 목표로 한다. 사물 인터넷 장치들은 저전력 무선 장치를 구비하며, 와이파이 네트워크, 인터넷에 연결하기 위하여 다중 무선 게이트웨이에 의존한다. 사물 인터넷 장치의 인터넷 연결은 결국 게이트웨이의 배치에 좌우된다.
IoT 서비스 성능에 있어 광범위한 게이트웨이 보급의 중요성에도 불구하고, 현재 게이트웨이는 대규모 보급을 방해하는 몇몇 제한 요소에 직면하고 있다. (i) 게이트웨이에는 다중 무선 인터페이스가 장착되어 있으며, 이는 외부에서 전력을 공급하여야 하는 것을 의미한다. 이것으로부터 실외 배치와 이동성이 제한된다. (ii) 게이트웨이는 고가이며, (iii) 공급 업체별로 상이하여 제조업체 별로 자체 게이트웨이 규격을 가진다. 이러한 비 호환성은 널리 사용되는 게이트웨이 지원에 대한 또 다른 제한 요소로 작용한다.
본 기술은 상술한 과제를 해결하기 위한 것으로, 사물 인터넷의 인터넷 연결을 제공하는 확장 가능하고, 저비용, 저에너지, 범용(예: 공급 업체 간) 솔루션을 제공하는 것이 해결하고자 하는 과제 중 하나이다.
본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치는: 택 신호가 제공되는 후방 산란 택(back scattering tag) 및 택 신호를 형성하는 택 신호 형성부를 포함하며, 변조 방식 변환 장치는 제1 변조 방식으로 변조된 무선 신호와 택 신호를 곱하여 제2 변조 방식으로 재구성하여 후방 산란하되, 재구성은 피지컬 레이어(PHY)에서 수행된다.
본 실시예에 의한 게이트웨이는: 후방 산란 택과, 후방 산란 택에 제공 택 신호를 제공하는 택 신호 형성부를 포함하는 변조 방식 변환 장치를 포함하며, 변조 방식 변환 장치는, 제1 변조 방식으로 변조된 무선 신호와 택 신호를 곱하여 제2 변조 방식으로 재구성하여 후방 산란하되, 제2 변조 방식으로 재구성하여 후방 산란된 신호는 제2 변조 방식 신호의 수신기에 제공되어 인터넷으로 제공된다.
본 기술에 의한 변조 방식 변환 장치 및 게이트웨이에 의하면 물리적 레이어(PHY)에서 데이터에 대한 간섭, 해독없이 제1 변조 방식 신호를 제2 변조 방식으로 변환할 수 있어 높은 보안성능이 제공된다는 장점이 제공된다. 또한, 본 기술에 의하면 변조 방식의 제한없이 범용으로 인터넷에 접근 가능한 변조 방식 변환 장치 및 게이트웨이가 제공된다는 장점이 제공된다.
도 1은 변조 방식 변환 장치(10)의 동작을 개요적으로 설명하는 도면이다.
도 2(a)는 직비 신호의 송신기 구성을 나타내며, 도 2(b)는 직비 신호의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3(a)는 와이파이(WiFi, 802.11b) 수신기 구성을 도시한 도면이고, 도 3 (b)는 위상차가 π인 1μsec 길이의 바커 코드(Barker code)와 반전 바커 코드(Inverted Barker code)로 구성된 WiFi 신호의 예를 도시한 도면이다.
도 4(a) 내지 도 4(c)는 OQPSK 변조 방식의 직비 신호를 DBPSK 변조 방식의 WiFi 신호로 신호 재구성한 예를 도시한다.
도 5(a)는 직비 신호의 동위상 성분을 도시한 도면이고, 도 5(b)에서 실선으로 도시된 신호는 도 4(b)로 예시된 변조 방식 변환 장치(10)의 예시적 택 신호를 사용하여 재구성된 신호이며, 파선으로 도시된 신호는 바커 코드이다.
도 6(a)는 802.11b 와이파이 패킷의 헤더 구조를 개요적으로 도시한 도면이고, 도 6(b)는 직비 패킷의 헤더 구조를 개요적으로 도시한 도면이다.
도 7은 직비 헤더의 비트 시퀀스를 와이파이 헤더의 비트 시퀀스로 변환하는 과정을 예시한 도면이다.
도 8은 재구성된 신호에서 WiFi 수신기의 직비 심볼을 복원하는 구성을 개요적으로 도시한 도면이다.
도 9(a)는 시간 영역에서의 BLE의 GFSK 신호를 도시한다. 도 9(b)의 상단에는 본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치에 의하여 재구성된 동위상 성분을 도시하며, 도 9(b)의 하단에는 변조 방식 변환 장치에 의하여 재구성된 직교 성분을 도시한다.
도 10(a)는 4-ary ASK 신호의 콘스텔레이션을 개요적으로 도시한 도면이고, 도 10(b)는 16 QAM 신호의 콘스텔레이션을 개요적으로 도시한 도면이다.
도 12는 본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치의 개요적 회로도이다.
도 13은 LOS(Line of Sight)와 NLOS(Non-Line of Sight)의 두 가지 환경에서 전송기(TX), 수신기(RX) 및 변조 방식 변환 장치를 테스트하는 환경을 도시하는 도면이다.
도 14(a)는 직비-와이파이의 LoS(Line of Sight) 시나리오에서의 변조 방식 변환 장치(10)의 처리량 성능 평가 결과를 도시한 도면이고, 도 14(b)는 직비-와이파이의 LoS(Line of Sight) 시나리오에서의 변조 방식 변환 장치(10)의 BER 성능 평가 결과를 도시한 도면이고, 도 14(c)는 직비-와이파이의 LoS(Line of Sight) 시나리오에서의 변조 방식 변환 장치의 RSSI 성능 평가 결과를 도시한 도면이다.
도 15(a)는 직비-와이파이의 NLoS(Non-Line of Sight) 시나리오에서의 변조 방식 변환 장치(10)의 처리량 평가 결과를 도시한 도면이고, 도 15(b)는 직비-와이파이의 NLoS(Non-Line of Sight) 시나리오에서의 변조 방식 변환 장치(10)의 BER 평가 결과를 도시한 도면이며, 도 15(c)는 직비-와이파이의 NLoS(Non-Line of Sight) 시나리오에서의 변조 방식 변환 장치의 RSSI 평가 결과를 도시한 도면이다.
도 16(a)는 BLE-와이파이의 LoS 시나리오의 변조 방식 변환 장치(10)의 처리량 성능 평가 결과를 도시한 도면이고, 도 16(b)는 BLE-와이파이의 LoS 시나리오의 변조 방식 변환 장치(10)의 BER 성능 평가 결과를 도시한 도면이며, 도 16(c)는 BLE-와이파이의 LoS 시나리오의 변조 방식 변환 장치의 RSSI 성능 평가 결과를 도시한 도면이다.
도 17(a)는 BLE-와이파이 NLoS 시나리오의 처리량 성능 평가 결과를 도시한도면이고, 도 17(b)는 BLE-와이파이 NLoS 시나리오의 BER 성능 평가 결과를 도시한 도면이며, 도 17(c)는 BLE-와이파이 NLoS 시나리오의 RSSI 성능 평가 결과를 도시한 도면이다.
도 18은 직비-와이파이 실험 환경에서 TX와 변조 방식 변환 장치 사이의 거리가 변화하였을 때의 영향을 도시한 도면이다.
도 18은 변조 방식 변환 장치(10)의 후방 산란이 기존 WiFi 네트워크에 미치는 영향과 기존 와이파이 네트워크가 변조 방식 변환 장치의 후방 산란에 미치는 영향을 도시한 도면들이다.
도 19(a)와 도 19(b)는 와이파이 신호가 없거나 802.11.11b 또는 802.11n 신호가 채널 6에 전송 될 때 변조 방식 변환 장치의 처리량 성능을 도시한다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치를 설명한다. 도 1은 변조 방식 변환 장치(10)의 동작을 개요적으로 설명하는 도면이다. 도 1을 참조하면, 제1 장치(IoT device, 1)가 제1 변조 방식의 무선 신호를 출력한다. 도 1로 예시된 제1 장치(1)는 제1 변조 방식의 무선 신호를 출력하는 장치로, 무선 변조 방식으로 무선 신호를 출력하는 장치이면 충분하며, 제한은 없다. 일 예로, 제1 장치(1)는 사물 인터넷(IoT) 장치일 수 있다.
제1 장치(1)는 미리 설정된 시간에 웨이크 업(wake up)하여 미리 설정된 동작을 수행하여 제1 변조 방식의 데이터를 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 장치(2)는 제1 장치(1)에 쿼리(query) 신호를 제공할 수 있으며, 제1 장치(1)는 쿼리 신호에 상응하는 동작을 수행하여 데이터를 제공한다.
일 실시예로, 제1 장치(1)는 제2 장치(2)가 제공한 쿼리(query)에 상응하는 동작을 수행하고, 동작 수행의 결과를 제1 변조 방식 신호로 제공한다. 일 예로, 제1 장치(1)가 온도 센서인 경우에, 제2 장치(2)가 온도 검출 쿼리를 제1 장치(1)로 제공하면, 제1 장치(1)는 온도를 검출하여 상응하는 정보를 제1 변조 방식 신호로 출력할 수 있다. 제1 장치(1)는 사물 인터넷 장치일 수 있으며, 직비(ZigBee), BLE(Bluetooth Low Energy)등의 프로토콜에 상응하는 변조 방식으로 신호를 제공할 수 있다.
제2 장치(2)는 인터넷에 연결된 와이파이(WiFi) 수신기일 수 있다. 제1 장치(1)는 변조 방식 변환 장치(10)로 변환된 신호를 통하여 인터넷에 연결될 수 있다. 따라서, 변조 방식 변환 장치(10)는 무선 게이트웨이(gateway)로 기능한다.
제2 장치(2)는 WEBee 등의 CTC(Cross-Technology Communication)를 통해 제1 장치에 직접 쿼리 신호(query)를 제공할 수 있다. 또한, 쿼리 신호(query)에 의하여 변조 방식 변환 장치(10)가 웨이크 업할 수 있다. 일 예로, 쿼리 신호(query)는 OOK (On-Off Keying) 변조 방식의 복수의 패킷들일 수 있다.
변조 방식 변환 장치(10)는 저전력 엔벨롭 검출기(low-power envelope detector)를 포함할 수 있으며, 저전력 엔벨롭 검출기가 쿼리 신호(query)를 인식하면, 변조 방식 변환 장치(10)는 웨이크 업되어 제1 장치(1)가 제공하는 제1 변조 방식 신호를 대기한다.
제1 장치(1)가 제공하는 신호 패킷은 변조 방식 변환 장치(10)에 의하여 제2 변조 방식 신호로 변환되어 제2 장치에 제공될 수 있다. 일 예로, 변조 방식 변환 장치(10)는 엔벨로프 검출기(미도시)를 사용하여 제1 장치가 제공하는 신호를 파악할 수 있다. 변조 방식 변환 장치(10)는 제1 장치가 제공하는 신호의 패킷을 제2 변조 방식으로 변환하고 후방 산란(backscatter)하여 제2 장치에 제공한다.
도시되지 않은 실시예에서, 변조 방식 변환 장치(10)는 복수의 제1 장치들이 제공한 신호들을 후방 산란하여 제2 장치들에 제공할 수 있다.
본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치(10)에 제1 변조 방식의 무선 신호가 제공되면 택 신호(Tag signal)와 제1 변조 방식 신호를 곱하여 제2 변조 방식의 신호를 형성하여 후방 산란(backscatter)한다. 일 실시예로, 변조 방식 변환 장치(10)는 후방 산란 택(backscatter tag)을 포함할 수 있으며, 일 예로, 에너지 하베스팅(energy harvesting)을 통해 전력을 수집하여 동작할 수 있다.
변조 방식 변환 장치(10)는 에너지를 수집하는 에너지 하베스팅부를 더 포함할 수 있으며, 에너지 하베스팅 부는, 전파로부터 에너지를 수집하는 안테나 및 커패시터 혹은 리튬 전지를 포함하는 축전부 및 광전 효과로 에너지를 수집하는 패널 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
다른 예로, 변조 방식 변환 장치(10)는 충전 가능한 전지로 동작할 수 있다. 또 다른 예로, 변조 방식 변환 장치(10)는 코인 셀(coin cell)등의 일차 전지 등으로 동작할 수 있다. 제2 장치(2)는 제2 변조 방식의 신호를 제공받고, 목적하는 데이터를 복원할 수 있다.
본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치(10)는 변조 방식의 제한 없이 제1 변조 방식 신호를 제2 변조 방식 신호로 변환한다. 이하에서는 실시예 별로 구분하여 변조 방식 변환 장치(10)의 동작을 설명한다. 다만, 해당 실시예들은 단순히 변조 방식 변환 장치(10)의 동작을 설명하기 위한 것으로 해석되어야 하며, 변조 방식 변환 장치(10)의 동작을 제한하는 것이 아니다.
제1 실시예
변조 방식 변환 장치(10)를 설명하기 위하여 제1 실시예로, 제1 변조 방식 신호가 직비(Zigbee) 신호이고, 제2 변조 방식 신호가 802.11b 와이파이(WiFi) 신호인 경우를 예시하여 설명한다. 직비 신호의 데이터 전송률은 250kbps이고, 802.11b 와이파이 최소 데이터 전송률은 1Mbps이므로 직비 신호를 충분히 지원할 수 있다. 나아가, 와이파이 장치는 하위 호환이 이루어지므로, 802.11b의 와이파이 데이터를 무리없이 수신할 수 있다.
도 2(a)는 직비 신호의 송신기 구성을 나타내며, 도 2(b)는 직비 신호의 일 예를 도시한 도면이다. 도 2(a)를 참조하면, 직비 심볼(0-F)은 먼저 DSSS 모듈(Direct Sequence Spread Spectrum module)의 매핑 테이블을 통해 32 개의 칩(chip, 0 또는 1)으로 펼쳐지고, 일련의 칩들이 교대로 정위상(in-phase) 및 직교(quadrature) 위상에 할당된다. 칩 1과 0은 각각 1μsec 길이의 양의 하프 사인(positive half-sine) 및 네거티브 하프 사인(negative half-sine) 신호로 변조된다. 도 2(b)는 양의 하프 사인 신호 및 음의 하프 사인의 기저 대역 신호의 예를 도시한다. 정 위상과 직교 위상 사이의 오프셋은 0.5μsec 이다. 따라서 직비 신호의 변조 방식은 OQPSK(Offset Quadrature Phase Shift Keying)이다.
도 3(a)는 와이파이(WiFi, 802.11b) 수신기 구성을 도시한 도면이고, 도 3 (b)는 와이파이의 키잉(keying) 신호인 위상차가 π인 1μsec 길이의 바커 코드(Barker code)와 반전 바커 코드(Inverted Barker code)로 구성된 WiFi 신호의 예를 도시한 도면이다. 통상적인 와이파이 수신기가 신호를 수신하면 기저 대역으로 하향 변환된다. 직비 신호는 동 위상 성분(real signal)및 직교 성분(complex signal)을 포함하나, 와이파이 신호는 이와 달리 동 위상 성분(real signal)만 포함한다. 수신된 신호의 바커 코드는 와이파이의 키잉 신호인 이상적인 바커 코드와의 코릴레이션(correalation)를 통해 감지되며, 특정 임계값보다 큰 코릴레이션 값은 감지하였음을 나타낸다. 연속되는 바커 코드 사이에서의 전환(즉, 비반전과 반전 사이 혹은 반전과 비반전 사이)은 비트 1을 나타내고 그렇지 않으면 0을 나타내므로, 이러한 변조 방식은 DBPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)이다.
본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치(10)는 후방 산란 택(Backscatter tag)을 포함한다. 후방 산란 택은 무선 신호를 공중에 반사하여 제공하는 장치로, 배터리로 전력을 공급받거나, 에너지 하베스팅을 수행하여 전력을 충전할 수 있다. 후방 산란 택이 반사하는 신호는 패스밴드 대역(passband)의 RF 신호와 택 신호(tag signal)의 시간 영역에서의 곱으로 표시될 수 있다. 따라서, 택 신호를 제어하여 패스밴드 RF 신호를 무선으로 재구성할 수 있다.
변조 방식 변환 장치(10)에서, 신호 재구성(signal reshaping)을 통하여 직비 신호는 와이파이 신호에 근사하도록 재구성된다. 신호 재구성 과정은, 신호에 포함된 데이터나 패킷 구조에 대한 변환 또는 해석없이 피지컬 레이어(PHY)에서 상위 레이어로 데이터가 이동되지 않은 채로 수행될 수 있으며, 비트 단위로 적용된다.
일 실시예로, 신호 재구성은 신호를 기저 대역으로 낮추는데 사용되는 높은 구동 전력이 필요한 기가 헤르츠 대역의 발진기를 사용하지 않고 2.4GHz의 통과 대역에서 작동한다. 따라서, 본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치(10)는 에너지 하베스팅 등의 방식으로 수집된 전력으로 구동될 수 있다.
본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치(10)는 패스밴드(passband)에서 수행된 주파수 및 위상 전이가 수신기에서의 기저 대역 동작에 영향을 미쳐 디코딩에 직접 영향을 주는 특성을 활용한다. 아래의 수학식 1에서, S(t)와 fc는 각각 베이스 밴드 신호와 캐리어 주파수를 나타낸다. 본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치(10)의 택 신호의 주파수 및 위상을 각각 fT 와 θT로 표시하면 재구성된 신호는 수학식 1과 같이 통과 대역의 신호와 택 신호의 곱으로 표시될 수 있다.
Figure PCTKR2020010238-appb-M000001
수신기는 재구성된 신호를 수신하고 믹서와 저역 통과 필터로 제공한다. 이로부터 S(t)e( j2πfTt + θT )가 얻어지며, 수신된 와이파이 신호는 변조 방식 변환 장치(10) 택 신호의 주파수 및 위상을 반영하는 것을 알 수 있다. 이를 통해 통과 대역에서 신호 재구성을 수행할 수 있다는 점을 확인할 수 있다.
신호 재구성은 제1 변조 방식 신호와 제2 변조 방식 신호 사이에 대역폭 차이가 있으며, 서로 다른 변조 방식 사이에서도 사용될 수 있다. 도 4(a) 내지 도 4(c)는 OQPSK 변조 방식의 직비 신호를 DBPSK 변조 방식의 와이파이 신호로 신호 재구성한 예를 도시한다. 도 4(a)로 예시된 2MHz 대역폭 직비 직교 성분(Zq)인 하프 사인 신호는 도 4(b)로 예시된 택 신호(T)와 곱해진다.
직비 신호의 직교 성분(Zq)은 후술할 바와 같이 와이파이 수신기에서 무손실 디코딩에서 사용된다. 신호 재구성 과정에서 2MHz 대역폭을 가지는 직비의 직교 성분(Zq) 신호는 더 높은 주파수를 가지는 변조 방식 변환 장치(10) 택 신호(T)와 곱해져 22MHz 와이파이 대역에 부합하도록 대역폭이 확장된다. 따라서, 제1 변조 방식 신호에 대한 신호 재구성을 수행하여 대역폭 차이가 있는 제2 변조 방식 신호로 근사화할 수 있으며, 대역폭 차이를 극복할 수 있다.
직비 신호가 양의 반사인(half-sine)인 경우, 재구성된 신호(reshaped signal, 도 4(c) 참조))는 와이파이의 키잉 신호인 비반전된 바커 코드와 코릴레이션 연산되고, 직비 신호가 음의 반사인(half-sine) 신호인 경우, 와이파이 수신기에서 와이파이의 키잉 신호인 반전된 바커 코드(inverted Barker code)와 코릴레이션(correlation) 연산된다.
도 4(b)로 예시된 변조 방식 변환 장치(10) 택 신호(T)는 후방 산란된 신호의 반전 바커 코드 혹은 비반전 바커 코드를 출력하여 직비 데이터(즉, ±하프 사인)를 반영한다. 다시 말해, 와이파이 수신기에서 디코딩된 비트를 해석하면 후술할 바와 같이 원래 직비 신호로 전송된 비트를 복구할 수 있다.
구현 타당성 관점에서, 도 4(b)로 예시된 변조 방식 변환 장치(10) 택 신호는 22 MHz의 지배적 주파수(dominant frequency) 성분을 가지며, 최소 1/11μsec 마다 위상이 0과 π 사이에서 변화할 수 있다. 이는 후술할 바와 같이 저전력 링 발진기로 구현될 수 있으며 9.7μW 의 전력 소비로 36MHz 이상으로 안정적으로 작동할 수 있다.
와이파이 수신기는 2/11 및 -2/11의 코릴레이션 임계값으로 디코딩하여 비 반전 및 반전 바커 코드를 탐지한다. 코릴레이션은 수신된 신호와 반전 바커 코드 또는 비반전 바커 코드의 크로스 코릴레이션(cross-corrleation)으로 계산된다. 연속되는 바커 코드 사이의 비반전 ↔ 반전 전이는 비트 0 (전이 없음) 및 1 (전이)로 해석되며 와이파이 신호 검출의 견고성(robustness)을 위해 임계값이 매우 낮게 설정되어 있다. 이 낮은 임계값으로부터 신호 재구성을 위해 사용될 수 있는 (즉, 임계 값보다 높은 상관 관계를 갖는) 많은 가능한 택 신호가 존재할 수 있다. 도 4(b)는 최대 코릴레이션 연산값인 0.69을 얻을 수 있는 변조 방식 변환 장치(10) 택 신호의 일 예를 예시한다. 일 예로, 택 신호(T)는 T = [1 -1 1 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1]의 시퀀스일 수 있다.
S를 임계값 이상의 코릴레이션 연산값을 얻을 수 있는 변조 방식 변환 장치(10) 신호들의 집합이라고 하자. 이들 중, 신호 선택은 택 신호를 최적으로 선택하여 대상 신호(즉, 직교 성분)만 신호 재구성을 수행한다. 이러한 내용은 아래에서 서술된다.
OQPSK 변조 방식의 직비 신호는 동위상 성분과 직교 성분을 모두 포함하는 반면에 DBPSK 변조 방식의 와이파이 신호는 동위상 성분만을 포함하므로, 본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치(10)는 변조 방식을 변환하여 제공할 타겟 신호를 선택할 필요가 있다. 이를 해결하기 위해 후술할 바와 같이 변조 방식 변환 장치(10)는 데이터가 포함된 와이파이 패킷을 생성할 때 직비 신호의 직교 성분만을 선택한다. 신호 선택은 통과 대역에서 이루어진다. 통과 대역에서 이루어지는 신호 재구성 처리는 동위상 성분과 직교 성분에 동시에 영향을 미친다. 시스템 관점에서 직교 성분을 선택하는 것은 와이파이 수신기를 재구성된 신호와 동기화 하는 것과 등가이다.
도 5(a)는 직비 신호의 동위상 성분을 도시한 도면이고, 도 5(b)에서 실선으로 도시된 신호는 도 4(b)로 예시된 변조 방식 변환 장치(10)의 예시적 택 신호를 사용하여 재구성된 신호이며, 파선으로 도시된 신호는 바커 코드이다. 도 5(a)와 도 5(b)를 참조하면, 바커 코드와 재구성된 동위상 성분과의 코릴레이션 연산값은 와이파이 코릴레이션 임계값인 2/11을 초과하며, 이로부터 동위상 성분과의 잘못된 동기화를 일으킬 수 있다.
이를 방지하기 위하여 직비 신호의 직교 성분과 코릴레이션 연산을 수행하였을 때, 임계값을 초과하도록 변조 방식 변환 장치(10)의 택 신호를 선택한다. 이로부터 신호 재구성이 완료되었을 때 와이파이 수신기는 동위상 성분을 배제하고 직교 성분과 동기화된다.
S는 임계값 이상의 코릴레이션 연산값을 얻을 수 있는 변조 방식 변환 장치(10) 택 신호들의 집합이므로, S에서 상기한 택 신호를 찾는 것은 1μsec 지속 시간의 직비 하프 사인 신호에서 정의된 최적화 문제와 같다. I(t)와 Q(t)를 각각 시간 t에서의 직비 신호의 동위상 성분과 직교 위상 성분이라고 하자. 어느 시점 t0에서 동기화되어야 하는 타겟 신호(Q(t0))로부터 상기 문제는 아래의 수학식 2와 같이 표시될 수 있다.
Figure PCTKR2020010238-appb-M000002
X(t)∈{Q(t), I(t)}이고, X(t)·T는 X(t)와 변조 방식 변환 장치(10)의 택 신호의 시간 영역 내에서 1 μsec 동안의 곱으로, X(t)가 변조 방식 변환 장치(10)의 택 신호 T로 재구성된 것을 나타낼 수 있다. Cor(X(t)·T)는 X(t)·T와 바커 코드와의 코릴레이션 값이며, Cth는 와이파이 수신기의 코릴레이션 임계값이다.
상기한 최적화 문제에 대한 직관적인 설명은 도 5(b)에서 회색 음영으로 표시된 부분과 같이 동위상 성분이 바커 코드와 높은 코릴레이션 값을 형성하는 부분에 대해 변조 방식 변환 장치(10)의 후방 산란 택이 신호를 반사하지 않고 신호의 에너지를 흡수하도록 택 신호(T)를 0으로 설정하는 것이다. 이 때의 택 신호를 Tsel이라 하면 일 예로, Tsel =[0 0 0 1 -1 0 1 1 0 0 0]로 표시할 수 있다.
상술한 방식으로 선택된 택 신호를 사용하여 (i) 시간 t0에서 직교 신호 Q(t0)와 코릴레이션을 최대화하여 와이파이 수신기와 동기화 될 수 있으며, (수학식 2의 (1)식) (ii) 0이 아닌 임의의 Δt 시간동안 코릴레이션 값을 임계값 이하로 제한할 수 있고(수학식 2의 (2)식), (iii) 와이파이 수신기가 동위상 신호와 동기되는 것을 막을 수 있도록 I(t0)와의 코릴레이션 값을 항상 임계값 이하로 설정할 수 있다(수학식 2의 (3)식). 이와 같이 선택된 택 신호는 본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치(10)에 사용된다.
와이파이 수신기와 동기화하기 위하여 802.11b 와이파이 패킷을 조립하려면 변조 방식 변환 장치(10)가 유효한 와이파이 헤더를 구성해야 한다. 직비 헤더와 와이파이 헤더는 모두 알려져 있으므로 와이파이 헤더의 구성에는 고정된 시퀀스에대한 신호 재구성 과정만 포함할 수 있다.
도 6(a)는 802.11b 와이파이 패킷의 헤더 구조를 개요적으로 도시한 도면이고, 도 6(b)는 직비 패킷의 헤더 구조를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 6(a) 및 도 6(b)를 참조하면, 패킷 내의 SYNC, SFD 및 PHY 필드는 와이파이 수신기가 패킷을 수신하여 디코딩하고 애플리케이션으로 전달하기 위해 엄격하게 요구된다. 일 예로, PHY 필드는 변조 방식과 패킷 길이에 관한 정보를 포함할 수 있다. 변조 방식의 경우, 802.11b 프로토콜을 사용할 때, 1 Mbps의 DBPSK를 사용하므로 해당 값은 정해진다. 또한, 직비 패킷의 최대 길이인 127 bytes를 수신할 수 있도록 미리 설정될 수 있다. 변조 방식 변환 장치(10)는 미리 정의된 직비 헤더의 프리앰블 및 SFD 필드를 이용하여 헤더를 조립한다. 따라서 패킷 조립 과정은 고정된(fixed) 직비 헤더와 미리 설정된 와이파이 헤더 사이의 재구성 프로세스이다.
그러나, 직비 헤더의 지속 시간은 160μsec로 와이파이 헤더의 지속시간인 192μsec 보다 짧다. 이러한 지속시간의 차이는 종래의 128μsec의 지속시간을 가지는 SYNC 필드를 대신하여 지속시간 96μsec의 지속 시간의 SYNC 필드를 형성하여 해결될 수 있다. 96μsec의 지속 시간의 SYNC 필드를 헤더에 삽입하여도 영향은 무시할 수 있었으며, 이것은 SYNC 필드의 지속시간이 보수적으로 정의된 것으로 기인하는 것으로 판단된다.
도 7은 직비 헤더의 비트 시퀀스를 와이파이 헤더의 비트 시퀀스로 변환하는 과정을 예시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 직비 헤더와 와이파이 헤더는 모두 정해진 비트 시퀀스를 가진다. 따라서, 직비 신호의 헤더에 포함된 비트로부터 와이파이 헤더의 비트 시퀀스로 변환하는 매핑(mapping)이 수행될 수 있다. 일 예로, 매핑은 직비 신호의 헤더의 비트를 비반전하거나, 반전하여 수행될 수 있으며 이로부터 미리 정해진 직비 신호의 헤더를 미리 설정된 와이파이 헤더로 매핑을 수행할 수 있다.
매핑하는 과정은 변조 방식 변환 장치(10)에 제공되는 택 신호(T)로 직비 신호의 헤더의 비트 시퀀스를 반전하는 반전 비트 시퀀스(T1) 및/또는 비반전 비트 시퀀스(T2)를 제공하여 직비 헤더 신호를 재구성(reshaping) 하여 수행될 수 있다.
일 예로, 직비 헤더의 프리앰블에 포함된 -1, -1, 1 비트 시퀀스를 와이파이 헤더의 -1, 1, 1 의 비트 시퀀스로 변환하는 경우를 가정한다. 변조 방식 변환 장치(10)에 택 신호로 비트 반전 시퀀스(T1, Invert bit)인 [0,0,-1,1,0,-1,-1,0,0,0]을 제공하면 직비 신호의 헤더의 해당 비트는 반전된다. 또한, 직비 헤더의 -1을 와이파이 헤더의 1로 부호를 반전하고자 하는 경우에는 변조 방식 변환 장치(10)에 택 신호로 비트 비반전 신호(T2) [0,0,1,-1,0,1,1 0,0,0]를 제공하면 직비 신호 헤더의 해당 비트는 비반전된다.
상술한 바와 같이 비트 반전 신호(Invert bit) 또는 비트 비반전 신호(Non-invert bit)를 택 신호로 변조 방식 변환 장치(10)에 제공함으로서 신호 재구성 과정을 통해 페이로드뿐만 아니라 헤더도 변환할 수 있다. 따라서, 직비 패킷은 와이파이 패킷으로 재구성될 수 있다.
도 8은 재구성된 신호에서 WiFi 수신기의 직비 심볼을 복원하는 구성을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 직비 패킷으로부터 재구성된 와이파이 패킷은 상용 와이파이 장치와 호환되며 패킷은 그대로 디코딩된다. 그러나, 변조 방식 변환 장치가 게이트웨이로 작동하기 위하여는 수신된 와이파이 패킷에서 당초 직비 심볼을 복원하여야한다. 상술한 바와 같이 와이파이 수신기가 수신한 재구성된 신호는 802.11b 와이파이 표준으로 정의된 것과 같이 DBPSK 복조기(DBPSK Demodulator)와 고정 스크램블링 시드를 갖는 디스크램블러(Descrambler)를 거치고 디스크램블러는 수신된 와이파이 비트를 제공한다.
직비 심볼은 직비 디코딩 스택(zigbee decoding stack, 100)으로 디코딩을 수행하여 얻을 수 있으나, 재구성된 신호는 와이파이 수신기에서 디코딩 되므로 디스크램블된 와이파이 비트에서 직비 심볼로 매핑을 수행하여야 한다.
직비 신호의 직교 성분에 의한 칩들을 복원하기 위해 디스크램블러가 출력한 와이파이 비트들을 스크램블러(110) 및 BPSK 변조기(120)가 처리한다. 스크램블러(110) 및 디스크램블러는 표준에 의해 정의된 고정 시드를 갖기 때문에, 와이파이 수신기는 직비 장치에 의해 전송된 직교 성분 칩들을 용이하게 복원할 수 있다.
DBPSK 모듈레이터(120)는 스크램블러(110)가 제공한 신호를 DBPSK 변조 방식으로 변조하여 DSSS 디매퍼(130)에 제공한다. DSSS 디매퍼(130)는 직교 성분 칩에서 직비 심볼을 검색하여 상응하는 직비 심볼을 출력한다. 직비는 16 개의 직교 및 동 위상 하프 사인 신호로 구성되는 16개의 서로 다른 DSSS 심볼을 사용하여 통신한다. DSSS 심볼에는 직교 성분과 동위상 성분을 모두 포함하나, 직교 성분으로도 심볼를 고유하게 식별할 수 있다. 따라서 본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치(10)를 통해 직비 패킷의 전체 정보를 상용 와이파이 장치에서 복구할 수 있다.
보다 구체적으로, 와이파이 장치는 복구된 직교성분 칩으로부터 16 개의 칩마다 16 칩과 DSSS 심볼의 직교 성분 사이의 해밍 거리를 계산하고, 최소 해밍 거리를 갖는 심볼을 출력한다. 링크 손실이 발생하지 않는 한 출력 심볼은 직비 장치에서 전송한 심볼과 동일하다. 따라서 변조 방식 변환 장치(10)로 재구성된 직비 심볼은 와이파이 수신기에서 복구될 수 있다.
직비 패킷과 와이파이의 패킷 구조가 다르기 때문에, 재구성된 직비 신호는 필연적으로 와이파이 수신기에서 체크섬(CRC) 오류가 발생할 수 있다. 그러나, 와이파이 수신기를 해당 패킷을 수신할 수 있는 모니터 모드로 구성하면 체크섬 오류를 해결할 수 있다. CRC 비활성화 요청으로부터 본 실시예의 변조 방식 변환 장치(10)의 적용 가능성이 제한될 수 있을 것이나, 많은 상용 와이파이 장치는 펌웨어 나 하드웨어 수정없이 소프트웨어를 수정하여 CRC를 비활성화 할 수 있으므로 본 실시예의 변조 방식 변환 장치(10)의 적용 제한 폭은 넓지 않을 것으로 파악된다.
제2 실시예
이하에서는 변조 방식 변환 장치(10)의 제2 실시예를 도 9(a) 및 도 9(b)를 통하여 설명한다. 위에서 설명된 실시예와 동일하거나, 유사한 요소들에 대하여는 설명을 생략할 수 있다. 제2 실시예로, 제1 변조 방식 신호가 저에너지 블루투스(BLE, Bluetooth Low Energy) 신호이고, 제2 변조 방식 신호가 802.11b 와이파이 신호인 경우를 예시하여 설명한다. 도 9(a)는 시간 영역에서의 BLE의 GFSK 신호를 도시한다. 도 9(a)를 참조하면, BLE는 가우시안 GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying) 변조 방식으로 신호를 변조한다. BLE의 GFSK 변조 방식은 두 주파수 사이에서 전환되어 신호를 변조하며, 위상은 두 주파수에 상응하여 변화한다.
BLE의 GFSK 신호는 1 MHz 대역폭에서 비트 1과 0은 매 1μsec 마다 ±π/2의 위상 오프셋으로 표시되며, 쿼터 사인 신호(quarter sine signal)에 해당한다. BLE 신호는 변조 방식 변환 장치(10)에 의해 WiFi (802.11b) DQPSK 신호로 재구성된다.
변조 방식 변환 장치(10)에 제공되는 택 신호는 상기한 제1 실시예에서 변조 방식 변환 장치(10)에 제공되는 택 신호와 동일할 수 있다. 다만, 제1 실시예와는 달리 BLE 신호의 동위상 성분과 직교 성분을 모두 이용하여 와이파이의 DQPSK 신호를 구성한다. 이는 BLE는 스프레딩 코드(spreading code)를 사용하지 않으므로 BLE 방식으로 전송된 데이터를 복원하는데 동위상 성분과 직교 성분이 모두 필요하기 때문이다. 도 9(b)의 상단에는 본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치(10)에 의하여 재구성된 동위상 성분을 도시하며, 도 9(b)의 하단에는 변조 방식 변환 장치(10)에 의하여 재구성된 직교 성분을 도시한다. 재구성된 신호들은 와이파이의 키잉 신호인 비반전 바커 코드 또는 반전 바커 코드와 코릴레이션 연산이 수행된다.
도 9(a)는 t1→t2 에서 -π/2의 위상 변이를 나타내며, 이는 BLE의 비트 0에 상응한다. 이것은 와이파이 수신기가 수신한 비반전 바커 코드 또는 반전 바커 코드의 패턴으로부터 유추될 수 있다. 즉, 도 9(a)의 상단에 도시된 것과 같이 동위상에서 t0와 t2 사이에서 양의 값을 가질 때, 도 9(b)의 상단에 도시된 것과 같이 두 개의 연속된 비반전 바커 코드들로 표시되고, 도 9(a)의 하단에 도시된 것과 같이 직교 성분이 t0와 t1 사이에서 양의 값을 가지고, t1에서 t2 사이에서 음의 값을 가질 때 도 9(b)의 하단에 도시된 것과 같이 비반전 바커 코드와 반전 바커 코드로 표시된다. 이러한 반전 바커 코드와 비반전 바커 코드 사이 조합의 수는 16개로, 각각은 BLE 비트 1 또는 0을 나타낸다. 이로부터 와이파이 수신기가 BLE 패킷으로부터 BLE 데이터를 복원할 수 있다.
192μsec의 지속시간을 가지는 와이파이 헤더를 형성하기에 56μsec의 지속시간을 가지는 BLE 패킷의 헤더는 지속시간이 짧을 수 있다. 제1 장치(1)는 페이로드에 미리 정해진 시퀀스를 삽입하여 전송하면, 변조 방식 변환 장치(10)는 상기 미리 정해진 시퀀스에 비트 반전 시퀀스(T1, 도 7 참조) 및/또는 비트 비반전 시퀀스(T2, 도 7 참조) 등의 택 신호를 곱하여 목적하는 와이파이 헤더의 형태로 변환할 수 있다.
도 10은 재구성된 신호에서 WiFi 수신기의 BLE 심볼을 복원하는 BLE 디코딩 스택의 구성을 개요적으로 도시한 도면이다. 이에 대한 구성은 위에서 직비의 디코딩 스택(100, 도 8 참조)의 설명된 실시예들과 동일하거나, 유사한 요소들에 대하여는 설명을 생략할 수 있다. 도 10을 참조하면, BLE 패킷으로부터 재구성된 와이파이 패킷은 상용 와이파이 장치와 호환되며 패킷은 그대로 디코딩된다. 그러나, 변조 방식 변환 장치가 게이트웨이로 작동하기 위하여는 수신된 와이파이 패킷에서 당초 BLE 심볼을 복원하여야 한다.
다만, BLE는 상술한 바와 같이 GFSK 방식으로 변조되므로, DQPSK 변조기(120)의 출력을 GFSK 복조기(140)가 복조하여 당초의 BLE 심볼을 복원할 수 있다. 위에서 설명된 실시예와 마찬가지로, BLE 패킷과 와이파이의 패킷 구조가 다르기 때문에, 재구성된 BLE 신호는 필연적으로 와이파이 수신기에서 체크섬(CRC) 오류가 발생할 수 있다. 그러나, 와이파이 수신기를 해당 패킷을 수신할 수 있는 모니터 모드로 구성하면 체크섬 오류를 해결할 수 있다. CRC 비활성화 요청으로부터 본 실시예의 변조 방식 변환 장치(10)의 적용 가능성이 제한될 수 있을 것이나, 많은 상용 와이파이 장치는 펌웨어나 하드웨어 수정없이 소프트웨어를 수정하여 CRC를 비활성화 할 수 있으므로 본 실시예의 변조 방식 변환 장치(10)의 적용 제한 폭은 넓지 않을 것으로 파악된다.
제3 실시예
이하에서는 변조 방식 변환 장치(10)의 제3 실시예를 도 11을 참조하여 설명한다. 위에서 설명된 실시예들과 동일하거나, 유사한 요소들에 대하여는 설명을 생략할 수 있다. 제3 실시예로, 제1 변조 방식 신호가 ASK(Amplitude Shift Keying)으로 변조된 신호, 제2 변조 방식 신호가 QAM(Quadrature amplitude modulation) 변조된 신호인 경우를 예시하여 설명한다. 용이한 설명을 위하여 제1 변조 방식 신호가 4-ary ASK이고, 제2 변조 방식 신호가 16 QAM 신호인 경우를 예시한다.
도 11(a)는 4-ary ASK 신호의 콘스텔레이션을 개요적으로 도시한 도면이고, 도 11(b)는 16 QAM 신호의 콘스텔레이션을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 11(a)와 도 11(b)를 참조하면, 4-ary ASK 변조 방식으로 변조된 신호는 도시된 바와 같이 네 개의 콘스텔레이션 점으로 도시된다. 수학식 1로 예시된 것과 같이 택 신호로 위상을 45도 또는 135도 시프트하면 제1 변조 방식 신호의 위상은 45도 혹은 135도 시프트되어 형성되며, 이를 통하여 도 11(b)로 예시된 것과 같이 ASK 방식으로 변조된 신호는 QAM 방식의 신호로 재구성될 수 있다.
구현예
도 12는 실시예 1로 예시된 OQPSK 변조 방식의 직비 신호를 DBPSK 변조 방식의 와이파이 신호로 변환하는 택 신호 형성부(200)의 회로를 개요적으로 도시한다. 도 12를 참조하면, 클록 소스(210)는 주파수 시프터 및 태그 신호 변조기를 포함한 전체 시스템에 클록을 제공한다. 일 실시예로, 클록 소스(210)는 저전력 링 오실레이터를 포함할 수 있다. 주파수 시프터(220)는 복수의 버퍼 혹은 복수의 인버터들이 연결되어 형성될 수 있으며, 주파수 시프터(220)에 의하여 클록 신호는 하프 칩(half chip)의 지속시간에 해당하는 0.5μsec가 지연된다. 따라서, 직교 성분 신호는 주파수 시프터(220)를 통하여, XOR 게이트에 연결된다.
변조 방식 변환 장치에 제공되는 택 신호를 구현하기 위하여 1(ej0), -1(ejπ) 및 0 의 세 가지 동작이 요청된다. 선택부(230)는 '-1' 경로에서의 지연으로 π의 위상 오프셋을 구현할 수 있다. '0'으로 표현되는 RF 신호 에너지의 흡수는 안테나의 임피던스와 정합(matching)하여 구현될 수 있으며, 이를 통하여 RF 신호가 그라운드로 흡수된다.
일 실시예로, 제1 변조 방식 신호가 BLE 신호인 경우에, 변조 방식 변환 장치에 포함된 후방 산란 택은 에너지를 흡수할 필요가 없으며, BLE 신호의 동위상 성분과 직교 성분 모두 필요하므로, 도 12에서 접지 전위로 연결되는 "0" 경로는 불필요하다. 따라서, 목적하는 비트 시퀀스에 상응하는 택 신호를 형성하여 출력할 수 있다.
도 12로 예시된 구현예에서 택 신호 변조기가 최적의 택 신호 Tsel을 출력하도록 FPGA로 MUX를 제어한다. 주파수 시프트를 위해 지연된 클록과 택 신호는 XOR 게이트(250)를 통해 곱해지고, RF 스위치(260)에 제공되어 RF 신호를 후방 산란하거나 흡수한다. 결과적으로 직비 신호는 와이파이 신호로 재구성되어 후방 산란된다.
일반적인 와이파이 장치는 오버랩을 피하기 위해 채널 1, 6 및 11을 사용하므로, 변조 방식 변환 장치(10)는 후방 산란된 신호의 주파수를 와이파이 채널 4 또는 8로 이동하여 IoT 신호에 의한 자기 간섭(self-interference)을 피하고 와이파이와의 간섭을 피한다. 이를 통해 변조 방식 변환 장치(10)와 와이파이 네트워크가 공존할 수 있다.
또한, 변조 방식 변환 장치(10)가 주파수를 이동시키면서 신호를 후방 산란시킬 때, 일 예로, sin(ft)에 sin(2πfct)신호를 곱하여 주파수를 fc 만큼 이동시키면, (f + fc)의 주파수 성분뿐만 아니라 (f- fc)의 주파수 성분까지 생성되어 주파수 비효율을 유발할 수 있다. 그러나, 싱글 사이드밴드 후방 산란을 형성하여 목적하지 않은 (f - fc) 성분이 주파수 성분을 제거하여 의도하지 않은 주파수에서의 통신을 방해하지 않는다.
평가
도 13은 LOS(Line of Sight)와 NLOS(Non-Line of Sight)의 두 가지 환경에서 전송기(TX), 수신기(RX) 및 변조 방식 변환 장치(10)를 테스트하는 환경을 도시하는 도면이다. 전송기(TX)는 직비 또는 BLE 프로토콜로 신호를 전송하는 다양한 공급업체가 출시한 상용 사물 인터넷 장치 및 다중 표준을 준수하는 저전력 CC2650 RF 칩을 포함한다. 저전력 CC2650 RF 칩의 전송 전력은 최대 5dBM이며, 본 평가에서는 5dBM 및 0dBm으로 설정하였다.
수신기(RX)로 802.11b 패킷을 수신하기 위하여 Broadcom BCM 와이파이 칩셋이 장착된 Macbook pro 랩탑을 사용하였다. 또한, 상용 WiFi 칩셋은 802.11 a/ b/ g/ n/ ac를 지원하므로 변조 방식 변환 장치(10)가 재구성한 802.11b 패킷을 신호를 수신할 수 있다. 또한 CRC 오류가 있는 패킷을 수신하도록 랩톱을 모니터 모드로 구성하였다.
스루풋(throughput)은 정확하게 수신된 비트 수를 초당 전송 된 비트 수로 나눈 값으로 측정되고, BER은 WiFi 수신기에서 성공적으로 검출된 비트 수를 전송된 비트수로 나누어 정확하게 수신된 비트로 계산하였다.
본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치(10)가 게이트웨이로 작동하는지 확인하기 위해 IoT 장치로 삼성, 아마존, 필립스, IKEA 및 Xiaomi의 IoT 장치를 선택하여 변조 방식 변환 장치(10)를 평가하였다. 선택된 IoT 장치는 공급 업체의 독점적인 상위 계층 프로토콜과 직비가 호환되는 5 개의 스마트 홈 장치들이다. 변조 방식 변환 장치(10)가 상기 IoT 장치에서 전송한 직비 패킷을 와이파이 패킷으로 변환할 수 있음을 입증하기 위해 재구성한 WiFi 패킷을 캡쳐하기 위하여 랩톱 및 직비 패킷을 스니핑하기 위하여 802.15.4 PHY가 있는 USRP(Universal Software Radio Peripheral) 장치를 배치하였다.
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표 1은 스마트 홈 장치들의 BER(Bit Error Rate) 및 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 평가 결과를 도시한다. 랩톱에서 수신한 재구성된 WiFi 패킷과 USRP 장치에서 스니핑한 원래 ZigBee 패킷을 비교하여 BER 성능을 측정하였다. RSSI는 WiFi 랩탑에서 캡처되었다. 평가결과 각각의 장치에 다른 상위 계층 프로토콜이 있을 수 있지만 변조 방식 변환 장치(10)는 각각의 IoT 장치와 호환 가능하며 원래 직비 페이로드를 복원하였다. 따라서, 본 실시예에 의한 변조 방식 변환 장치(10)는 게이트웨이로 작동할 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, IoT 장치가 온도, 동작 감지 또는 상태 보고와 같은 직비 데이터를 포함하는 직비 패킷을 전송할 때 변조 방식 변환 장치(10)는 해당 패킷을 WiFi 패킷으로 변환하고, 따라서, 와이파이 랩탑은 와이파이 패킷을 수신하고 패킷으로부터 원래 직비 데이터를 판독하였다. 또한 802.11b의 견고성으로 인해 달성된 BER 및 RSSI 결과는 많은 IoT 응용 프로그램을 지원하기에 충분한 것으로 파악된다.
도 14(a)는 직비-와이파이의 LoS(Line of Sight) 시나리오에서의 변조 방식 변환 장치(10)의 처리량 성능 평가 결과를 도시한 도면이고, 도 14(b)는 직비-와이파이의 LoS(Line of Sight) 시나리오에서의 변조 방식 변환 장치(10)의 BER 성능 평가 결과를 도시한 도면이고, 도 14(c)는 직비-와이파이의 LoS(Line of Sight) 시나리오에서의 변조 방식 변환 장치(10)의 RSSI 성능 평가 결과를 도시한 도면이다.
TX와 변조 방식 변환 장치(10) 사이의 거리를 50cm로 고정하고 변조 방식 변환 장치(10)와 RX 사이의 거리를 늘려 처리량, BER 및 RSSI를 측정하였다. 가장 가까운 거리 1m에서 도 14(a)에 나타난 바와 같이, 달성된 처리량(throughput) 결과는 TX 전력 5 dBm 및 0 dBm에서 각각 222 kbps 및 192 kbps이며, 이 결과는 직비의 최대 처리량인 250kbps에 매우 근접하다. 거리가 증가함에 따라 도 14(c)에 도시된 것과 같이 RSSI 성능 저하로 인해 처리 성능도 저하된다.
TX 전력 5dBm에서 최대 27m, 0dBm에서 11m의 통신 거리를 달성하였으며, BER의 결과는 도 14(b)에 도시된 것과 같이 10-4에서 10-1까지 더 먼 거리에서 열화된다.
도 15(a)는 직비-와이파이의 NLoS(Non-Line of Sight) 시나리오에서의 변조 방식 변환 장치(10)의 처리량 평가 결과를 도시한 도면이고, 도 15(b)는 직비-와이파이의 NLoS(Non-Line of Sight) 시나리오에서의 변조 방식 변환 장치(10)의 BER 평가 결과를 도시한 도면이며, 도 15(c)는 직비-와이파이의 NLoS(Non-Line of Sight) 시나리오에서의 변조 방식 변환 장치(10)의 RSSI 평가 결과를 도시한 도면이다.
도 15의 테스트 환경에서 TX와 변조 방식 변환 장치(10)는 실내에 위치하고, RX는 통로를 따라 이동하였다. 도 15(a)를 참조하면, RX가 변조 방식 변환 장치(10)에 가까워지면 수신된 신호가 LoS 시나리오에서의 수신 신호보다 약하더라도 달성된 처리량 성능 (5dBm 및 0dBm에서 각각 203kbps 및 163kbps)이 LoS 시나리오의 결과와 유사한 것을 알 수 있다. 그러나 거리가 증가함에 따라 처리량과 BER 성능이 급격히 감소한다. 따라서, 통신 거리는 도 15(a)와 도 15(b)에서와 같이 각각 5 dBm과 0 dBm의 TX 전력에서 최대 9m와 6m이었다.
NLoS 시나리오에서 변조 방식 변환 장치(10)는 BER이 높아 여러번 재전송해야하므로 추가 에너지 소비가 발생한다. 동일한 실험 환경에서, 처음부터 재시작하지 않고 재전송을 처리하기 위해 후방 산란을 마친 후 변조 방식 변환 장치가 체류 시간(dwell time)을 갖도록 설정하였다. 변조 방식 변환 장치(10)와 RX 사이의 장애물로 인해 통신 거리는 짧아지지만 변조 방식 변환 장치(10)는 다양한 응용 분야 (예 : 홈 IoT, 근거리 통신 (NFC))에서 합리적인 통신 범위를 달성할 수 있다.
도 16(a)는 BLE-와이파이의 LoS 시나리오의 변조 방식 변환 장치(10)의 처리량 성능 평가 결과를 도시한 도면이고, 도 16(b)는 BLE-와이파이의 LoS 시나리오의 변조 방식 변환 장치(10)의 BER 성능 평가 결과를 도시한 도면이며, 도 16(c)는 BLE-와이파이의 LoS 시나리오의 변조 방식 변환 장치(10)의 RSSI 성능 평가 결과를 도시한 도면이다.
직비-와이파이의 LoS 시나리오의 평가와 동일한 실험 환경에서 BLE-와이파이의 성능을 평가하였다. 변조 방식 변환 장치(10)는 도 16(a)에 도시된 것처럼 5dBm, 0dBm 전력에서 각각 662kbps 및 531kbps의 처리량을 얻을 수 있었다. BLE의 최대 처리량은 1Mbps이므로 달성된 처리량은 직비-와이파이 통신의 처리량보다 높다. 반면에, BLE 신호에는 코딩이 없기 때문에, 도 16(b)에 도시된 것과 같이 높은 BER값을 보이나, 직비-와이파이 통신에서 비트 에러의 많은 부분은 직비 신호의 DSSS 코딩으로 인해 복구될 수 있다.
도 16(c)를 참조하면, BLE 대 WiFi 통신의 RSSI가 ZigBee 대 WiFi 통신의 RSSI보다 높다는 점은 주목할 만하다. 이것은 변조 방식 변환 장치(10)가 전체 BLE 신호를 사용하여 WiFi 신호를 생성하고 직비 신호의 절반만 후방 산란되어 WiFi 신호를 생성하기 때문이다. 신호를 디코딩하기 위해 코릴레이션을 사용하는 와이파이 수신기의 특성으로부터, 사용 가능한 통신 범위는 두 경우 모두 매우 유사하다.
도 17(a)는 BLE-와이파이 NLoS 시나리오의 처리량 성능 평가 결과를 도시한도면이고, 도 17(b)는 BLE-와이파이 NLoS 시나리오의 BER 성능 평가 결과를 도시한 도면이며, 도 17(c)는 BLE-와이파이 NLoS 시나리오의 RSSI 성능 평가 결과를 도시한 도면이다. 처리량, BER 및 RSSI의 관점에서 모든 성능은 LoS 시나리오의 성능과 비교하여 저하된다. 그러나, 도 17(a)를 참조하면, 변조 방식 변환 장치(10)와 RX 사이에 장애물이 있음에도 불구하고, TX가 각각 5dBm 및 0dBm 전력으로 신호를 전송할 때 최대 415kbps 및 377kbps의 처리량을 달성한다. 변조 방식 변환 장치(10)로 달성할 수 있는 통신 범위는 최대 14.5m (5dBm) 및 12.5m (0dBm)이다.
도 17(b) 및 도 17(c)에 도시된 BER 및 RSSI의 성능은 이는 이전 결과와 동일한 경향을 나타낸다. 직비-와이파이의 NLoS(Non-Line of Sight) 시나리오와 같이 신뢰할 수 없는 환경에서 에너지 비용을 최소화하기 위해 체류 시간을 BLE to WiFi에 적용할 수 있다. 저전력 IoT 장치의 경우 10m 이상의 달성된 통신 범위는 근거리 통신이 필요한 많은 응용 분야에 적합하다.
도 18은 직비-와이파이 실험 환경에서 TX와 변조 방식 변환 장치(10) 사이의 거리가 변화하였을 때의 영향을 도시한 도면이다. 도 18을 참조하면, 변조 방식 변환 장치(10)의 후방 산란 통신의 성능도 TX와 변조 방식 변환 장치(10) 사이의 거리에 의존하기 때문에, 직비-와이파이 통신에 대한 TX와 변조 방식 변환 장치(10)사이의 거리가 1m에서 4m까지 변할 때의 영향을 평가하였다.
도 18에서 확인할 수 있듯이 처리량 성능은 변조 방식 변환 장치(10)와 RX 거리뿐만 아니라 TX와 변조 방식 변환 장치(10) 사이의 거리에도 좌우된다. 가장 가까운 거리(즉, 둘 다 1m)에서 변조 방식 변환 장치(10)는 약 175kbps의 처리량을 달성하나, 거리가 증가함에 따라 성능이 저하되는 것을 알 수 있다. TX와 변조 방식 변환 장치(10) 사이의 거리가 4m 인 경우 최대 100kbps를 달성할 수 있다. 따라서 TX-Tag 거리는 변조 방식 변환 장치의 배치를 크게 제한하지 않는다.
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표 2는 변조 방식 변환 장치의 전력 소비를 표시한 표이다. 주파수 시프트 및 나머지 회로에 클록 신호를 제공하는 링 오실레이터 기반 클록 소스(Oscillator, 도 12 210 참조)는 9.7μW를 소비한다. RF 스위치(Modulator)를 포함하는 변조 방식 변환 장치의 주 변조 모듈(도 12 260 참조)은 29μW의 전력을 소비한다(FPGA 공급 업체가 제공하는 전력 분석 툴을 사용하여 획득). FPGA 디자인을 ASIC (Application-Specific Integrated Circuit)으로 변환하여 변조 방식 변환 장치를 구현할 수 있다. 전력 분석 툴은 FPGA가 집적 회로로 구현될 때 소비하는 전력량을 추정할 수 있으며, 이로부터 ASIC에서 구현된 변조 방식 변환 장치(10)의 순 전력 소비량은 38.7μW로 추정된다. 에너지 하베스팅 장치는 일 예로 실내 조명등으로부터 100μW 이상을 생산할 수 있기 때문에 변조 방식 변환 장치(10)는 배터리없이 후방 산란 게이트웨이로 작동하거나 코인셀 (1000mAh)로부터 제공된 전력으로 장시간 구동할 수 있다. ASIC에서 구현할 때 프로토타입과의 주요 차이점은 맞춤형 안테나가 필요하며, 맞춤형 안테나는 유사한 성능을 제공할 수 있다.
도 19는 변조 방식 변환 장치(10)의 후방 산란이 기존 WiFi 네트워크에 미치는 영향과 기존 와이파이 네트워크가 변조 방식 변환 장치(10)의 후방 산란에 미치는 영향을 도시한 도면들이다. 랩톱이 WiFi 채널 6 (2.437GHz)에서 802.11b (1Mbps) 또는 802.11n (65Mbps) 패킷을 반복해서 전송하고, 송신기에서 1m 떨어진 다른 랩탑은 와이파이 패킷을 수신하고 처리량을 측정하였다. CC2650 송신기가 직비 신호를 보내면 변조 방식 변환 장치는 직비 신호를 후방 산란한다. 여기서 변조 방식 변환 장치는 수신기 랩탑에서 1m 이격된다.
변조 방식 변환 장치(10)는 직비 신호가 재구성된 신호를 와이파이 채널4(2.427GHz) 또는 채널 8(2.447GHz)로 시프트하여 와이파이 채널 1, 6, 또는 11을 사용하는 와이파이 네트워크와의 간섭을 감소시킨다. 변조 방식 변환 장치(10)가 후방 산란하지 않을 때(Tag Off), 변조 방식 변환 장치(10)가 후방 산란을 수행할 때 와이파이 채널 4 (Tag On Ch.4) 또는 와이파이 채널 6(Tag On Ch.)에서의 802.11b 및 802.11n의 처리량을 측정하였으며, 각각 도 19(a) 및 도 19(b)으로 결과를 도시하였다.
도시된 결과와 같이, 변조 방식 변환 장치(10)가 후방 산란을 수행하지 않을 때, 802.11b 및 802.11n는 모두 높은 처리량을 가지는 것을 확인할 수 있다. 변조 방식 변환 장치가 후방 산란을 수행하여 간섭이 있는 경우에는 와이파이의 처리량 성능, 특히 Ch.6의 성능이 저하되나, 후방 산란된 신호의 전력이 상대적으로 작기 때문에 여전히 높은 처리량을 가지는 것을 알 수 있다. 다시 말해 캡처 효과로 인하여 보다 강력한 와이파이 신호를 성공적으로 디코딩할 수 있지만 변조 방식 변환 장치에 의한 약한 후방 산란 신호는 자연스럽게 억제된다.
도 20(a)와 도 20(b)는 와이파이 신호가 없거나 802.11.11b 또는 802.11n 신호가 채널 6에 전송 될 때 변조 방식 변환 장치의 처리량 성능을 도시한다. 변조 방식 변환 장치가 후방 산란한 신호는 와이파이 신호보다 약하기 때문에 인접한 채널에 전송중인 와이파이 신호가 있을 때 성능 손실은 불가피하다. 그러나, 와이파이 수신기는 와이파이 채널 6의 간섭(WiFi On Ch.6)에도 불구하고 802.11b의 견고성에 의하여 와이파이 채널 4에서 재구성하여 후방 산란된 신호를 수신할 수 있다.
나아가, 도 20(b)는 802.11n이 OFDM 변조를 수행하므로, 더 작은 간섭이 발생하고, 802.11b보다 더 작은 대역폭을 차지하기 때문에 더 나은 처리량 성능을 가지는 것을 도시한다. 따라서, 채널 4 및 채널 8을 통해 재구성된 신호를 후방 산란하여 기존 WiFi 네트워크와 후방 산란된 신호에 미치는 영향을 감소시킬 수 있다.
변조 방식 변환 장치(10)는 충돌을 피하기 위한 CSMA(Carrier-sense multiple access)에 기인하여 여러 장치에 적용될 수 있다. 즉, 특정 영역에 여러 IoT 장치와 변조 방식 변환 장치가 배포되어 있다고 가정하면, 캐리어 감지로 인해 IoT 장치는 신호를 한 번에 하나씩 전송하므로 IoT 장치 간의 충돌이 자연스럽게 최소화된다. 따라서 CSMA에서 오류가 발생하지 않는 한 변조 방식 변환 장치는 충돌없이 작동한다.
변조 방식 변환 장치(10)를 다수 배치함에 따라 처리량 및 통신 거리 성능이 향상된다. 퍼베이시브(pervasive) IoT 게이트웨이를 구성하기 위하여 여러 개의 태그를 배치하는 것으로 가정한다. 다수의 변조 방식 변환 장치를 배치하여 얻을 수 있는 성능 향상을 확인하기 위하여 직비-와이파이 LoS 환경과 동일환경을 구성하였다. 변조 방식 변환 장치는 하나 내지 세 개를 배치하였으며, TX는 0dBm의 전력을 신호를 송신하였다.
도 21은 처리량과 RSSI 측면에서 다수의 변조 방식 변환 장치를 배치한 경우의 성능을 도시한다. 도 22를 참조하면, 배치된 변조 방식 변환 장치 수가 증가함에 따라 처리량와 통신 거리가 각각 최대 189kbps와 21m로 향상되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 더 많은 장치들이 배치될수록 다수의 장치로부터의 후방 산란 전력으로 인해 더 나은 RSSI를 얻을 수 있다. 이 결과는 IoT 장치가 패킷을 전송할 때마다 IoT 장치 근처에 배치 된 일부 변조 방식 변환 장치가 후방 산란을 시작하여 IoT 패킷을 WiFi 패킷으로 변환할 수 있음을 나타낸다. 이러한 결과로부터 변조 방식 변환 장치가 다중 경로 페이딩에서도 성능을 향상시키는 데 도움이 될 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (37)

  1. 변조 방식 변환 장치로, 상기 변조 방식 변환 장치는:
    택 신호가 제공되는 후방 산란 택(back scattering tag) 및
    상기 택 신호를 형성하는 택 신호 형성부를 포함하며,
    상기 변조 방식 변환 장치는 제1 변조 방식으로 변조된 무선 신호와 상기 택 신호를 곱하여 제2 변조 방식으로 재구성하여 후방 산란하되,
    상기 재구성은 피지컬 레이어(PHY)에서 수행되는 변조 방식 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변조 방식으로 변조된 신호와 상기 제2 변조 방식으로 변조된 신호는 서로 다른 대역폭을 가지는 변조 방식 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변조 방식으로 변조된 신호는 I(in-phase) 성분과 Q(quadrature) 성분을 포함하고,
    상기 택 신호는, 상기 택 신호와 상기 Q 성분이 곱해진 신호가 상기 제2 변조 방식으로 검출되도록 선택되는 변조 방식 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변조 방식으로 변조된 신호는 I(in-phase) 성분과 Q(quadrature) 성분을 포함하고,
    상기 택 신호는, 상기 택 신호와 상기 I 성분이 곱해진 신호가 상기 제2 변조 방식으로 검출되지 않도록 선택되는 변조 방식 변환 장치.
  5. 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 택 신호는,
    상기 택 신호와 상기 I 성분이 곱해진 신호가 상기 제2 변조 방식의 키잉 신호와의 코릴레이션 연산값이 제2 변조 방식의 검출 임계값 미만이 되며,
    상기 택 신호와 상기 Q 성분이 곱해진 신호가 상기 제2 변조 방식의 키잉 신호와의 코릴레이션 연산값이 제2 변조 방식의 검출 임계값 이상이 되도록 선택되는 변조 방식 변환 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변조 방식으로 변조된 신호는 직비(ZigBee) 프로토콜에 따른 신호이고,
    상기 제2 변조 방식으로 변조된 신호는 802.11b 프로토콜에 따른 와이파이 수신기에서 수신 가능한 변조 방식 변환 장치.
  7. 제6에 있어서,
    상기 변조 방식 변환 장치는,
    상기 802.11b 프로토콜 와이파이의 수신기와 통신 가능하도록 연결되되,
    상기 802.11b 프로토콜 와이파이 수신기는,
    재구성된 제2 변조 방식의 신호로부터 상기 제1 변조 방식 신호의 심볼을 디코딩하는 상기 직비 프로토콜의 디코딩 스택을 포함하는 변조 방식 변환 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 택 신호 형성부는,
    상기 직비 프로토콜의 직비 헤더 비트 시퀀스를 상기 802.11b 프로토콜의 와이파이 헤더 비트 시퀀스로 변환하도록 상기 택 신호를 형성하는 변조 방식 변환 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 택 신호 형성부는,
    비트 반전 시퀀스 및 비트 비반전 시퀀스를 포함하는 택 신호를 제공하여 상기 직비 프로토콜에 따른 신호의 헤더를 상기 802.11b 프로토콜에 따른 신호의 헤더로 변환하는 변조 방식 변환 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변조 방식으로 변조된 신호는 I(in-phase) 성분과 Q(quadrature) 성분을 포함하고,
    상기 택 신호는 상기 I 성분과 상기 Q 성분과 각각 곱해지되,
    상기 택 신호는, 상기 택 신호와 상기 Q 성분이 곱해진 신호 및 상기 택 신호와 상기 I 성분이 곱해진 신호가 상기 제2 변조 방식으로 검출되도록 선택되는 변조 방식 변환 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 택 신호와 상기 I 성분이 곱해진 신호가 상기 제2 변조 방식의 키잉 신호와의 코릴레이션 연산값이 제2 변조 방식의 검출 임계값 이상이 되며,
    상기 택 신호와 상기 Q 성분이 곱해진 신호가 상기 제2 변조 방식의 키잉 신호와의 코릴레이션 연산값이 제2 변조 방식의 검출 임계값 이상이 되도록 선택되는 변조 방식 변환 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변조 방식으로 변조된 신호는 BLE(Bluetooth Low Energy) 프로토콜에 따른 신호이고,
    상기 제2 변조 방식으로 변조된 신호는 802.11b 프로토콜에 따른 와이파이 신호인 변조 방식 변환 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 변조 방식 변환 장치는,
    상기 802.11b 프로토콜 와이파이의 수신기와 통신 가능하도록 연결되되,
    상기 802.11b 프로토콜 와이파이 수신기는,
    재구성된 제2 변조 방식의 신호로부터 상기 제1 변조 방식 신호의 심볼을 디코딩하는 상기 BLE 프로토콜의 디코딩 스택을 포함하는 변조 방식 변환 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 택 신호 형성부는,
    상기 BLE 프로토콜의 직비 헤더 비트 시퀀스를 상기 802.11b 프로토콜의 와이파이 헤더 비트 시퀀스로 변환하도록 상기 택 신호를 형성하는 변조 방식 변환 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 변조 방식 변환 장치는,
    인터넷과 연결된 제2 변조 방식 수신기와 통신 가능하도록 연결되어 게이트웨이로 기능하는 변조 방식 변환 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 변조 방식 변환 장치는,
    에너지를 수집하는 에너지 하베스팅 부를 더 포함하며,
    상기 변조 방식 변환 장치는 상기 에너지 하베스팅 부가 수집한 에너지로 구동되는 변조 방식 변환 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 에너지 하베스팅 부는,
    광전 효과로 에너지를 수집하는 패널 및 전파로부터 에너지를 수집하는 안테나 중 어느 하나와,
    수집된 에너지를 저장하는 축전부를 포함하는 변조 방식 변환 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변조 방식은 ASK(Amplitude Shift Keying)이고,
    상기 제2 변조 방식은 QAM(Quadrature amplitude modulation)이며,
    상기 택 신호는,
    상기 제1 변조 방식 신호의 위상을 45도 및 135도 중 어느 한 각도로 시프트하도록 선택된 변조 방식 변환 장치.
  19. 게이트웨이로, 상기 게이트웨이는:
    후방 산란 택과,
    상기 후방 산란 택에 제공 택 신호를 제공하는 택 신호 형성부를 포함하는 변조 방식 변환 장치를 포함하며,
    상기 변조 방식 변환 장치는, 제1 변조 방식으로 변조된 무선 신호와 택 신호를 곱하여 제2 변조 방식으로 재구성하여 후방 산란하되,
    상기 제2 변조 방식으로 재구성하여 후방 산란된 신호는 제2 변조 방식 신호의 수신기에 제공되어 인터넷으로 제공되는 게이트웨이.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 재구성은 피지컬 레이어(PHY)에서 수행되는 게이트웨이.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제1 변조 방식으로 변조된 신호와 상기 제2 변조 방식으로 변조된 신호는 서로 다른 대역폭을 가지는 게이트웨이.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 제1 변조 방식으로 변조된 신호는 I(in-phase) 성분과 Q(quadrature) 성분을 포함하고,
    상기 택 신호는, 상기 택 신호와 상기 Q 성분이 곱해진 신호가 상기 제2 변조 방식으로 검출되도록 선택되는 게이트웨이.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 제1 변조 방식으로 변조된 신호는 I(in-phase) 성분과 Q(quadrature) 성분을 포함하고,
    상기 택 신호는, 상기 택 신호와 상기 I 성분이 곱해진 신호가 상기 제2 변조 방식으로 검출되지 않도록 선택되는 게이트웨이.
  24. 제22항 및 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 택 신호와 상기 I 성분이 곱해진 신호가 상기 제2 변조 방식의 키잉 신호와의 코릴레이션 연산값이 제2 변조 방식의 검출 임계값 미만이 되며,
    상기 택 신호와 상기 Q 성분이 곱해진 신호가 상기 제2 변조 방식의 키잉 신호와의 코릴레이션 연산값이 제2 변조 방식의 검출 임계값 이상이 되도록 선택되는 게이트웨이.
  25. 제19항에 있어서,
    상기 제1 변조 방식으로 변조된 신호는 직비 프로토콜에 따른 신호이고,
    상기 제2 변조 방식으로 변조된 신호는 802.11b 와이파이 프로토콜에 따른 와이파이 신호인 게이트웨이.
  26. 제25항에 있어서,
    제2 변조 방식 신호의 수신기는
    상기 802.11b 프로토콜 와이파이 수신기로,
    상기 802.11b 프로토콜 와이파이 수신기는, 재구성된 제2 변조 방식의 신호로부터 상기 제1 변조 방식 신호의 심볼을 디코딩하는 상기 직비 프로토콜의 디코딩 스택을 포함하는 게이트웨이.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 택 신호 형성부는,
    상기 직비 프로토콜의 직비 헤더 비트 시퀀스를 상기 802.11b 프로토콜의 와이파이 헤더 비트 시퀀스로 변환하도록 상기 택 신호를 형성하는 게이트웨이.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 택 신호 형성부는,
    비트 반전 시퀀스 및 비트 비반전 시퀀스를 포함하는 택 신호를 제공하여 상기 직비 프로토콜에 따른 신호의 헤더를 상기 802.11b 와이파이 프로토콜에 따른 신호의 헤더로 변환하는 게이트웨이.
  29. 제19항에 있어서,
    상기 제1 변조 방식으로 변조된 신호는 I(in-phase) 성분과 Q(quadrature) 성분을 포함하고,
    상기 택 신호는 상기 I 성분과 상기 Q 성분과 각각 곱해지되,
    상기 택 신호는, 상기 택 신호와 상기 Q 성분이 곱해진 신호 및 상기 택 신호와 상기 I 성분이 곱해진 신호가 상기 제2 변조 방식으로 검출되도록 선택되는 게이트웨이.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 택 신호는
    상기 택 신호와 상기 I 성분이 곱해진 신호가 상기 제2 변조 방식의 키잉 신호와의 코릴레이션 연산값이 제2 변조 방식의 검출 임계값 이상이 되며,
    상기 택 신호와 상기 Q 성분이 곱해진 신호가 상기 제2 변조 방식의 키잉 신호와의 코릴레이션 연산값이 제2 변조 방식의 검출 임계값 이상이 되도록 선택되는 게이트웨이.
  31. 제19항에 있어서,
    상기 제1 변조 방식으로 변조된 신호는 BLE(Bluetooth Low Energy) 프로토콜에 따른 신호이고,
    상기 제2 변조 방식으로 변조된 신호는 802.11b 프로토콜에 따른 와이파이 신호인 게이트웨이.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 변조 방식 변환 장치는,
    상기 802.11b 프로토콜 와이파이의 수신기와 통신 가능하도록 연결되되,
    상기 802.11b 프로토콜 와이파이 수신기는,
    재구성된 제2 변조 방식의 신호로부터 상기 제1 변조 방식 신호의 심볼을 디코딩하는 상기 BLE 프로토콜의 디코딩 스택을 포함하는 게이트웨이.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 택 신호 형성부는,
    상기 BLE 프로토콜의 직비 헤더 비트 시퀀스를 상기 802.11b 프로토콜의 와이파이 헤더 비트 시퀀스로 변환하도록 상기 택 신호를 형성하는 게이트웨이.
  34. 제19항에 있어서,
    상기 변조 방식 변환 장치는,
    인터넷과 연결된 제2 변조 방식 수신기와 통신 가능하도록 연결되어 게이트웨이로 기능하는 게이트웨이.
  35. 제19항에 있어서,
    상기 변조 방식 변환 장치는,
    에너지를 수집하는 에너지 하베스팅 부를 더 포함하며,
    상기 변조 방식 변환 장치는 상기 에너지 하베스팅 부가 수집한 에너지로 구동되는 게이트웨이.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 에너지 하베스팅 부는,
    광전 효과로 에너지를 수집하는 패널 및 전파로부터 에너지를 수집하는 안테나 중 어느 하나와,
    수집된 에너지를 저장하는 축전부를 포함하는 게이트웨이.
  37. 제19항에 있어서,
    상기 제1 변조 방식은 ASK(Amplitude Shift Keying)이고,
    상기 제2 변조 방식은 QAM(Quadrature amplitude modulation)이며,
    상기 택 신호는,
    상기 제1 변조 방식 신호의 위상을 45도 및 135도 중 어느 한 각도로 시프트하도록 선택된 게이트웨이.
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