KR101329059B1

KR101329059B1 - 무선 센서 네트워크에서 패킷 데이터의 전송 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101329059B1
Application number: KR1020090109224A
Authority: KR
Inventors: 박형래; 차종섭; 모상현; 명승일; 이형섭; 채종석
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2013-11-14
Also published as: US8767699B2; KR20110052263A; US20110110218A1

Abstract

본 발명은 패킷 데이터의 전송 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 무선 센서 네트워크에서 패킷 데이터의 전송 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는, 무선 센서 네트워크에서 패킷 데이터의 전송을 위한 송신 장치로, 송신할 정보를 병렬로 변환하여 제 1 채널 경로와 제 2 채널 경로로 각각 출력하는 직/병렬 변환기와, 교차 상관(cross-correlation)도를 고려하여 미리 결정된 월시코드 쌍들 중 임의의 월시코드 쌍을 선택하고, 상기 선택된 월시코드 쌍에 의사잡음을 혼합하여 상기 제 1 채널 경로와 상기 제 2 채널 경로로 상기 한 쌍의 월시코드를 하나씩 출력하는 월시코드 쌍 생성부와, 상기 제 1 채널 경로와 상기 제 2 채널 경로로 각각 입력된 신호들을 각각 믹싱하여 각 경로마다 확산 심볼을 생성하는 제1믹서부와, 상기 제 2 채널 경로의 신호를 미리 결정된 시간만큼 지연하는 지연기와, 상기 제 1 채널 경로의 신호와 상기 지연기에서 지연된 제 2 경로 채널 신호를 각각 송신 주파수 대역의 신호로 변환하여 무선 신호로 송신하는 송신부를 포함한다.

변조, PSK, 패킷충돌, 난수, 월시코드

Description

무선 센서 네트워크에서 패킷 데이터의 전송 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMITTING PACKET DATA IN A WIRELESS SENSOR NETWORK}

본 발명은 패킷 데이터의 전송 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 무선 센서 네트워크에서 패킷 데이터의 전송 장치 및 방법에 관한 것이다. "본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제명 : 실시간 위치추적 기술개발]."

일반적으로, 무선 센서 네트워크 기술은 인간을 대신하여 센서가 특정한 현상 또는 상황을 센싱하고, 센싱된 정보를 취합하여 유용한 기술로 사용할 수 있도록 하는 기술이다. 이러한 무선 센서 네트워크는 보다 발전된 형태로 제안되어 최근 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiqyitos Sensor Network, USN) 기술의 개념이 도입되었다. USN 기술의 개념은 인간의 모든 생활에 관련된 정보를 센서를 이용하여 센싱하고, 유/무선 네트워크를 통해 취합함으로써 유용한 정보로 활용할 수 있도록 하는 기술이다.

USN 기술에서 네트워크는 주로 유선 네트워크를 이용하기 보다는 무선 네트워크를 이용하여 센싱된 정보를 취합하는 것이 보다 효율적으로 정보를 획득할 수 있다. 이와 같이 무선 네트워크를 이용하는 기술을 USN 기술 중 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)라고 하기도 한다. 따라서 무선 네트워크를 이용하는 USN 기술에서는 우선 센서 노드(Sensor Node)와 싱크 노드(Sink Node)를 가진다. 센서 노드는 센서로 센싱된 정보를 가공하여 미리 결정된 방식으로 센싱된 정보를 전송하는 역할을 수행한다. 또한 싱크 노드는 센서 노드들로부터 수집된 정보를 취합하여 USN 네트워크상에서 정보를 취합하여 처리할 수 있는 타스크 매니저(Task Manager)와 같은 노드로 전달한다. 그러면 타스크 매니저와 같은 노드에서는 수집된 정보로부터 유용한 정보를 추출하거나 선택하여 다양한 분야에 이용할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 무선 기술을 이용하는 USN 기술에서 센서 노드에서 센싱된 데이터를 수신함에 있어, 데이터의 정확한 수신과 함께 센서 노드의 배터리를 이용한 모바일 기기의 전원효율 문제에 대한 관심이 집중되고 있다.

예를 들어, 실시간 위치추적 시스템은 송신기(tag)로부터 전송된 비교적 짧은 신호를 이용하여 송신기의 위치를 추적하고 송신기 주변의 간단한 정보를 획득한다. 이러한 실시간 위치추적 시스템의 송신기는 배터리에 의해 동작하므로 전력소모를 가능한 한 적게 하는 것이 중요하며 하드웨어도 되도록 간단하게 설계되어야 한다.

일반적으로 실시간 위치추적 시스템에서 송신기는 위치의 정확도를 높이기 위해서 대역폭이 넓은 대역 확산신호를 사용하여 정보를 송신한다. 이때, 송신기의 전력소모를 줄이기 위해서는 확산신호의 첨두 대 평균 전력 비(peak-to-average ratio, PAPR)가 작아야 한다. 또한, 송신기는 서로 다른 송신기들에서 송신되는 패킷들의 충돌이 발생할 수 있다. 따라서 송신기는 패킷 충돌의 가능성을 고려해서 시스템을 설계해야 한다.

종래에는 송신기를 구현하기 위한 대표적인 시스템으로 ISO/IEC 24730-2 시스템이 있다. 그런데, ISO/IEC 24730-2 시스템은 DBPSK 변조와 BPSK 확산 방식을 채택함으로써, 신호의 제로-크로싱(zero-crossing)으로 인해 PAPR 특성이 우수하지 못한 문제점이 있었다.

또한, 상기한 ISO/IEC 24730-2 시스템은 한 개의 고정된 확산 코드(fixed-spreading code)를 사용함으로써, 서로 다른 송신기가 패킷을 동시에 전송할 경우 패킷 충돌이 발생하게 되는 문제를 가진다. 따라서 상기 ISO/IEC 24730-2 시스템에서는 패킷 충돌을 해결하기 위해서 동일한 패킷을 불규칙한 시간 간격으로 반복적으로 전송하도록 하였다. 이와 같이 현재 주로 사용되고 있는 ISO/IEC 24730-2 시스템의 방식은 패킷 충돌의 가능성을 고려하여 비교적 많은 수의 패킷을 반복해서 전송할 수밖에 없으며 이로 인해 송신기의 전력소모가 크게 증가하는 단점이 있었다.

따라서 본 발명에서는 USN과 같은 무선 센서 네트워크의 태그 또는 센서 노드에서 패킷 충돌을 방지할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

또한 본 발명에서는 USN과 같은 무선 센서 네트워크에서 태그 또는 센서 노드의 패킷 송신 시 성능을 향상시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

또한 본 발명에서는 USN과 같은 무선 센서 네트워크에서 태그 또는 센서 노드의 전송 효율을 향상시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

또한 본 발명에서는 USN과 같은 무선 센서 네트워크에서 태그 또는 센서 노드의 소모 전력을 줄일 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는, 무선 센서 네트워크에서 패킷 데이터의 전송을 위한 태그 장치로, 송신할 정보를 병렬로 변환하여 제 1 채널 경로와 제 2 채널 경로로 각각 출력하는 직/병렬 변환기와, 교차 상관(cross-correlation)도를 고려하여 미리 결정된 월시코드 쌍들 중 임의의 월시코드 쌍을 선택하고, 상기 선택된 월시코드 쌍에 의사잡음을 혼합하여 상기 제 1 채널 경로와 상기 제 2 채널 경로로 상기 한 쌍의 월시코드를 하나씩 출력하는 월시코드 쌍 생성부와, 상기 제 1 채널 경로와 상기 제 2 채널 경로로 각각 입력된 신호들을 각각 믹싱하여 각 경로마다 확산 심볼을 생성하는 제1믹서부와, 상기 제 2 채널 경로의 신호를 미리 결정된 시간만큼 지연하는 지연기와, 상기 제 1 채널 경로의 신호와 상기 지연기에서 지연된 제 2 경로 채널 신호를 각각 송신 주파수 대역의 신호로 변환하여 무선 신호로 송신하는 송신부를 포함한다.

보다 바람직하게는 상기 믹서부에서 확산된 상기 제 1 채널 경로 및 상기 제 2 채널 경로의 각각의 심볼에서 각각 대역 외 신호(out-of-band signal)를 제거하여 상기 제 1 채널 경로 신호는 상기 송신부로 제공하고, 상기 제 2 채널 경로의 신호는 상기 지연부로 제공하는 필터를 더 포함하는 것이 보다 바람직하다.

또한 상기 월시코드 쌍 생성부는,

상기 월시코드 쌍의 개수 범위에서 임의의 자연수를 생성하는 난수 발생기와, 상기 난수 발생기에서 생성된 값에 대응하는 순서를 갖는 월시코드 쌍을 출력하는 월시코드 쌍 발생기와, 미리 결정된 확산 코드를 생성하여 출력하는 의사잡음 생성기와, 상기 월시코드 쌍의 각 출력에 상기 의사잡음 생성기의 출력을 각각 혼합하여 출력하는 제2믹서부를 포함할 수 있으며,

상기 월시코드 쌍 발생기는, 교차 상관(cross-correlation)도를 고려하여 미리 결정된 월시코드 쌍들을 저장하는 메모리로 구성할 수도 있다.

또한 보다 바람직하게는 상기 지연기에서 지연하는 미리 결정된 시간은, 1/2 칩의 시간으로 하는 것이 바람직하다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 방법은, 무선 센서 네트워크의 송신에서 패킷 데이터의 전송 방법으로, 송신할 정보를 병렬로 변환하여 각각 출력하는 직/병렬 변환 과정과, 교차 상관(cross-correlation)도를 고려하여 미리 결정된 월시코드 쌍들 중 임의의 월시코드 쌍을 선택하는 월시코드 쌍 선택 과정과, 상기 선택된 월시코드 쌍에 미리 결정된 의사잡음을 혼합하여 상기 한 쌍의 월시코드를 출력하는 월시코드 쌍 출력 과정과, 상기 병렬 변환된 정보들을 상기 각 정보에 대응하는 월시코드로 확산하는 확산 과정과, 상기 확산된 심볼 중 하나의 심볼을 미리 결정된 시간만큼 지연하는 지연 과정과, 상기 지연된 심볼과 상기 확산만 이루어진 심볼을 송신 주파수 대역의 신호로 변환하여 무선 신호로 송신하는 송신 과정을 포함한다.

보다 바람직하게는 상기 확산된 각각의 심볼에서 각각 대역 외 신호(out-of-band signal)를 제거하는 필터링 과정을 더 포함하는 것이 더 바람직하다.

본 발명에 따르면 기존의 ISO/IEC 24730-2 시스템에 비해 PAPR을 1.3dB 내지 3dB 가량 감소시킬 수 있으며, 하드웨어를 간단하게 설계할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 불규칙 월시코드를 이용함으로써 패킷이 충돌하더라도 각각의 패킷을 독립적으로 복조할 수 있으므로, 기존의 고정 확산코드를 이용하여 변조하던 방식에 비해 패킷의 반복 전송수를 줄일 수 있으며, 이로 인해 송신기의 전력소모를 현저히 줄일 수 있다. 즉, 본 발명에서는 USN과 같은 무선 센서 네트워크의 태그 또는 센서 노드에서 패킷 충돌을 방지할 수 있으며, 패킷 송신 시 성능을 향상시킬 수 있고, 전송 효율을 향상시킬 수 있으며, 소모 전력을 줄일 수 있는 이점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 당업자에게 자명한 부분에 대하여는 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략하기로 한다. 또한 이하에서 설명되는 각 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 사용된 것일 뿐이며, 각 제조 회사 또는 연구 그룹에서는 동일한 용도임에도 불구하고 서로 다른 용어로 사용될 수 있음에 유의해야 한다.

또한 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

또한 본 발명에서 사용되는 태그(Tag) 또는 센서 노드(Sensor node)는 동일한 의미로 사용될 수 있으며, USN을 구성하기 위해 정보를 송신만하거나 또는 센싱된 정보를 송신하는 모든 노드들을 총칭하는 의미로 사용됨에 유의해야 한다.

이하에서는 먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 직접 대역확산 변조방법을 설명하도록 한다. 그러면 먼저 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 태그 또는 센서 노드의 장치의 구성을 살펴보기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 태그 또는 센서 노드에서 센싱된 데이터를 무선으로 송신하기 위한 무선 송신기의 구성도이다.

도 2에 도시한 정보(Information)는 다양한 형태의 센서로부터 센싱된 데이터이거나 또는 태그가 송신하기 위해 미리 정의된 정보가 될 수 있다. 여기서 센서 를 예를 들어 살펴보면, 가속도 센서, 지자기 센서, 압력센서, 변위 센서, 유속 센서, Squid 센서 등 다양한 센서가 될 수 있다. 또한 태그를 예를 들어 살펴보면, RFID 태그, SAL(Smart Active Layer) 태그, Semi-SAL 태그 등이 있다.

이와 같은 센서들을 통해 센싱된 디지털 정보 또는 태그에 저장된 고유 정보는 직/병렬 변환기(212)로 입력된다. 직/병렬 변환기(212)는 센싱된 또는 태그에 저장된 고유 정보를 직렬의 디지털 값으로 입력받아 병렬로 변환한다. 예를 들어 2비트(bit)의 직렬 정보가 입력되면, 1비트(bit)씩의 병렬 데이터들(201, 202)로 변환한다. 이와 같이 병렬 변환된 데이터들(201, 202)은 각각 I채널 경로와 Q 채널 경로로 입력된다. I 채널 경로에는 제1믹서(213)와 제1필터(214) 및 제2믹서(215)를 포함하며, Q 채널 경로에는 제3믹서(221)와 제2필터(222)와 지연기(223) 및 제4믹서(224)를 포함한다. 도 2에서는 상기 I 채널 경로와 상기 Q 채널 경로로 제공되는 I 채널 확산코드와 Q 채널 확산코드를 생성하는 월시코드 발생부는 도시하지 않았다. 이에 대하여는 후술되는 도 3 및 도 4에서 더 상세히 살필 것이다.

먼저 직/병렬 변환기(212)에서 병렬 변환되어 I 채널 경로로 입력된 정보의 처리에 대하여 살펴보기로 한다. 병렬 변환된 I 채널 정보는 제1믹서(213)로 입력된다. 또한 제1믹서(213)는 미리 설정된 n개의 월시코드 쌍으로부터 불규칙하게 선택된 한 개의 월시코드 쌍(Walsh code pair) 중 하나인 I 채널 확산코드(

)(241)를 입력받는다. 여기서

는 미리 설정된 n개의 월시코드 쌍에서 임의로 선택된 j번째 월시코드 쌍 중 I 채널로 입력되는 월시코드를 의미하고,

은 확산 코드(spreading code)를 의미한다.

그러면 제1믹서(213)는 I 채널로 입력된 정보를 불규칙하게 선택된 한 개의 월시코드 쌍 중 하나를 이용하여 확산한 후 출력한다. 제1믹서(213)에서 확산된 심볼은 제1필터(214)로 입력된다. 상기 제1필터(214)는 펄스 성형 필터(pulse shaping filter)로 구현할 수 있으며, 확산된 심볼의 I 채널 신호와 Q 채널 신호에서 각각 대역 외 신호(out-of-band signal)를 제거한다.

제1필터(214)에서 필터링된 심볼은 제2믹서(215)로 입력된다. 또한 제2믹서(215)는 송신 전력을 조절 맞추며, I 채널 및 Q 채널로 전송되는 데이터간의 직교 위상을 보장하기 위한 제1송신 캐리어 신호(243)(

)를 수신한다. 상기 제1송신 캐리어 신호에서 P는 송신 전력을 의미하며,

는 송신 캐리어의 위상각을 의미하고, t는 시간을 의미한다.

다음으로, 직/병렬 변환기(212)에서 병렬 변환되어 Q 채널 경로로 입력된 정보의 처리에 대하여 살펴보기로 한다. 직/병렬 변환된 데이터 중 Q 채널로 입력되는 데이터(202)는 제3믹서(221)로 입력된다. 또한 제3믹서(221)는 앞에서 설명한 바와 같이 미리 설정된 n개의 월시코드 쌍으로부터 불규칙하게 선택된 한 개의 월시코드 쌍(Walsh code pair) 중 하나인 Q 채널 확산코드(

)(242)를 입력받는다. 여기서,

는 미리 설정된 n개의 월시코드 쌍에서 임의로 선택 된 j번째 월시코드 쌍 중 Q 채널로 입력되는 월시코드를 의미하고,

은 확산 코드(spreading code)를 의미한다. 또한 여기서 j+1을 j 번째로 칭하는 것은 월시코드 쌍을 구성하는 경우 각각의 월시코드에 {1, 2, 3, 4, …, j, j+1, j+2, …}의 순서로 존재할 때, j와 j+1이 하나의 쌍으로 구성되기 때문에 j번째가 된다.

그러면 제3믹서(221)는 Q 채널로 입력된 정보를 불규칙하게 선택된 한 개의 월시코드 쌍 중 하나를 이용하여 확산한 후 출력한다. 제3믹서(213)에서 확산된 심볼은 제2필터(222)로 입력된다. 상기 제2필터(222)는 펄스 쉐이핑 필터(pulse shaping filter)로 구현할 수 있으며, 확산된 심볼의 진폭을 제한하여 출력한다.

제2필터(222)에서 필터링된 심볼은 지연기(223)로 입력된다. 지연기(223)는 한 칩의 1/2에 해당하는 시간(

/2)만큼 필터링된 심볼을 지연하여 출력한다. 이와 같은 지연된 심볼은 제4믹서(224)로 입력된다. 또한 제4믹서(224)는 송신 전력을 조절 맞추며, I 채널 및 Q 채널로 전송되는 데이터간의 직교 위상을 보장하기 위한 제2직교 위상 신호(244)(

)를 수신한다. 상기 제2직교 위상 신호에서도 앞에서 설명한 바와 같이 P는 송신 전력을 의미하며,

는 송신 캐리어의 위상각을 의미하고, t는 시간을 의미한다.

이상에서 설명한 바와 같이 I 채널 경로와 Q 채널 경로에서 처리된 신호는 가산기(216)에서 가산되어 패킷으로 구성되어 송신 안테나(TX Ant)(230)를 통해 무 선 신호로 전송된다. 본 발명에 따른 도 2에서는 가산기(216)에서 가산된 패킷을 RF 신호로 송신하기 위한 구성은 생략되었다. 또한 RF 신호로 송신되는 패킷은 I 채널 및 Q 채널 경로를 통해 확산된 데이터들의 집합체로서, 전송하고자 하는 하나의 패킷에 포함될 다수의 확산 데이터는, 모두 같은 확산코드를 갖는 것이 바람직하다. 또한 상기 확산코드는 패킷이 전송될 때마다 불규칙 생성되도록 하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명을 사용하면, 앞서 설명한 바와 같이 불규칙 월시코드를 이용하여 생성된 확산코드들을 통해 신호를 확장하도록 함으로써, 동일한 확장코드를 갖는 패킷의 충돌에 의해 발생되는 성능저하를 해결할 수 있다.

이러한 확산코드들은 이하에서 설명될 도 3 및 도 4에서 더 상세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태그의 고유 정보 또는 센싱 노드에서 센싱된 데이터를 무선으로 송신하기 위한 흐름도이다. 그러면 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 태그의 고유 정보 또는 센싱 노드에서 센싱된 데이터를 무선으로 송신하는 과정에 대하여 살펴보기로 한다.

먼저 110단계에서 직/병렬 변환기(212)는 센서에서 센싱되어 입력된 또는 송신기에서 미리 결정되어 저장된 고유의 직렬 정보(211)를 직/병렬 변환하여 출력한다. 예를 들어 센서에서 센싱되어 또는 태그에 저장된 고유의 정보가 입력되는 직렬로 입력되면, 즉, 2bit 직렬 정보가 입력되면, 이를 2개의 1bit 병렬 데이 터(130,140)로 변환한다.

그 후, 120단계에서 후술할 도 4의 구성을 갖는 월시코드 쌍 발생부는 패킷이 전송될 때마다 미리 설정된 N개의 월시코드 쌍으로부터 불규칙 선택되는 한 개의 월시코드 쌍(Walsh code pair)을 각각 한 개의 PN 코드를 이용하여, I 채널 확산코드 및 Q 채널 확산코드를 생성한다. 여기서 패킷은 I 채널 확산코드 및 Q 채널 확산코드를 이용하여 확산된 데이터들의 집합체이다. 그러므로 전송하고자 하는 하나의 패킷에 포함될 다수의 확산 데이터는, 모두 같은 확산코드를 갖는 것이 바람직하다. 또한 상기 확산코드는 패킷이 전송될 때마다 불규칙 생성되는 것이 바람직하다.

확산 코드가 생성되면, 130단계에서 제1혼합기(213) 및 제3혼합기(221)는 각각 직/병렬 변환기에서 I 채널 경로 및 Q 채널 경로로 병렬 분리된 정보를 상기 120단계에서 생성된 각각의 확산코드를 이용하여 확산한다.

그런 후 140단계에서 Q 채널 경로에서 확산된 심볼은 미리 결정된 시간만큼 지연한다. 여기서 미리 결정된 시간은 한 칩 시간의 절반(T_c/2)이 될 수 있다. 이와 같이 I 채널 경로 및 Q 채널 경로에서 확산 및 지연된 신호는 150단계에서 패킷 단위로 RF 신호로 변환되고, 160단계에서 RF 신호로 변환된 패킷을 불규칙한 간격으로 전송한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따라 확산코드 생성 시의 세부 흐 름도이며, 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 확산코드 생성장치의 구성도이다.

먼저 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 확산코드 생성장치의 구성 및 그 동작에 대하여 살펴보기로 한다.

난수 발생기(410)는 1 이상이며, 미리 결정된 N 이하의 정수 값으로 난수를 발생한다. 이러한 난수는 무작위로 생성되며, 특정한 패턴을 갖지 않도록 한다. 또한 미리 결정된 N의 값은 월시코드 쌍의 수가 될 수 있다. 난수 발생기(410)에서 발생된 무작위적인 난수는 월시코드 쌍 발생기(420)로 입력된다.

월시코드 쌍 발생기(420)는 미리 결정된 규칙에 따라 매번 월시코드 쌍을 생성할 수도 있으며, 미리 결정된 규칙에 의거하여 생성된 월시코드 쌍을 단지 저장만하고 있을 수도 있다. 월시코드 쌍 발생기(420)는 이와 같이 생성된 또는 단순히 저장된 월시코드 쌍들 중 난수 발생기(410)에서 생성된 정수에 해당하는 순서의 월시코드 쌍을 출력한다. N개의 월시코드 쌍은 가능한 모든 월시코드 쌍 중에서 교차 상관(cross-correlation)이 작은 월시코드 쌍으로 결정하는 것이 바람직하다. 예를 들어 실시간 위치추적 시스템에서 사용되는 월시코드 쌍은 {W^(j),W^(j+1);j=0,2,8,16,18}이다.

예를 들어 월시코드 쌍이 16개가 존재하는 경우라면, 난수 발생기에서 생성할 수 있는 수인 N은 16이 되고, 그 중 하나인 8이 생성되면, 8번째 월시코드 쌍이 출력되는 것이다.

이때 출력되는 월시코드 쌍은 각각 I 채널의 경로와 Q 채널의 경로로 출력하기 위해 미리 결정된 각각의 경로로 출력된다. 여기서도 도 2에서 살핀 I 채널 경로의 제1혼합기(213)로 출력되는 경로를 I 채널 경로라 칭하며, Q 채널 경로의 제3혼합기(221)로 출력되는 경로를 Q 채널 경로라 칭하기로 한다. 그러므로 월시코드 쌍 중 I 채널 경로로 출력되는 하나의 월시코드는

(421)이 되며, 월시코드 쌍 중 Q 채널 경로로 출력되는 하나의 월시코드는

(421)이 된다.

한편, 의사잡음(Pseudo Noise, PN) 생성기(440)는 미리 결정된 규칙에 의거하여 의사잡음 코드(

)를 생성하여 제5혼합기(430) 및 제6혼합기(450)로 출력한다. 그러면 I 채널 경로에 위치한 제5혼합기(430)는 I 채널로 입력된 월시코드와 PN 생성기(440)에서 생성된 의사잡음 코드(

)를 혼합하여 도 2의 제1혼합기(213)로 입력되는 I 채널 확산코드(

)(241)를 생성한다.

또한 Q 채널 경로에 위치한 제6혼합기(450)는 Q 채널로 입력된 월시코드와 PN 생성기(440)에서 생성된 의사잡음 코드(

)를 합성하여 도 2의 제3혼합기(221)로 입력되는 Q 채널 확산코드(

)(242)를 생성한다.

그러면 도 3을 참조하여 본 발명에 따라 확산코드 생성 시의 과정을 살펴보기로 한다.

먼저 난수 발생기(410)는 121단계에서 패킷이 전송될 때마다 1 부터 N까지의 임의의 자연수를 무작위 생성한다. 그런 후 월시코드 선택기(220)는 121단계에서 생성된 자연수를 참조하여, 미리 정해진 N개의 월시코드 쌍 중 상기 자연수에 해당하는 월시코드 쌍을 선택하여 하나씩을 I 채널 경로와 Q 채널 경로로 출력한다.

N개의 월시코드 쌍은 가능한 모든 월시코드 쌍 중에서 교차 상관(cross-correlation)이 작은 월시코드 쌍으로 결정하는 것이 바람직하다. 예를 들어 실시간 위치추적 시스템에서 사용되는 월시코드 쌍은 {W^(j),W^(j+1);j=0,2,8,16,18}이다.

그 후 제5혼합기(430) 및 제6혼합기(450)는 122단계에서 선택되어 출력된 월시코드 쌍 중 자신의 경로에 해당하는 각각의 월시코드(421,422)에, PN 생성기(440)로부터 생성된 PN 코드를 곱함으로써, I 채널 확산코드(241)와 Q채널 확산코드(242)를 생성하여 출력한다.

그러면 이하에서 종래에 사용되던 BPSK 확산 방식과 본 발명에 따른 방식의 효과에 대하여 살펴보기로 한다.

종래의 기술에서는 BPSK 확산 방식을 채택함으로써 신호의 제로-크로싱(zero-crossing)으로 인해 첨두대 평균 전력 비(Peak to Average Power Ratio, PAPR)가 증가하며 이로 인해 전력효율이 저하된다. 반면, 본 발명에서는 월시코드 쌍을 이용하여 OQPSK 확산방식을 채택함으로써 신호의 zero-crossing을 피할 수 있다. 따라서 본 발명을 사용하게 되면, 종래 기술의 BPSK 확산방식에 비해 PAPR이 감소하게 된다. 또한, 일반적으로 두 개의 독립적인 PN 코드를 사용하는 일반적인 OQPSK 방식에 비해 한 개의 PN 코드를 사용함으로써 하드웨어가 간단해지는 장점이 있다.

아래의 <표 1>은 여러 가지 롤-오프 인자(roll-off factor)에 대해 기존의 방식과 본 발명에 따른 방식의 PAPR을 비교하였다.

구분	β=0.9	β=1.9	β=2.3
DBPSK/BPSK(종래)	2.46	3.48	3.94
Walsh OQPSK(본 발명)	1.18	0.58	0.98

상기 <표 1>에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 경우 종래기술과 대비하여 PAPR이 상당히 낮아짐을 알 수 있다.

또한 여기서, 전술한 도 1의 140 단계가 수행되기 이전에, I 채널 경로와 Q 채널 경로 각각에 대하여 한 쌍의 펄스성형필터들(214, 222)을 채택하였다. 이와 같이 한 쌍의 펄스성형 필터들(214, 222)을 이용하여 확산된 I 채널 신호와 Q 채널 신호에서 각각 대역 외 신호(out-of-band signal)를 제거하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명에 따른 태그 또는 센서 노드에서 데이터 송신 시의 타이밍도이다.

도 5에서는 패킷 충돌이나 비트 에러 등으로 인해 위치추적 또는 센싱된 데이터의 송신에 실패할 경우를 대비해, 동일한 패킷을 반복해서 전송하는 예를 도시한 도면이다.

먼저 동일한 패킷은 미리 결정된 횟수 예를 들어 2회 또는 3회 또는 4회 등의 횟수로 반복 전송할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 송신기는 t0 시점부터 t1의 시점까지 제1코드(code #1)를 사용하여 첫 번째 패킷(1st packet)(510)을 전송한다. 이후 t1의 시점부터 t2의 시점까지 즉, 미리 결정된 시간 간격 내에서 임의로 선택된 시간 간격인

의 시간동안 대기한다. 그런 후 송신기는 동일한 정보를 다른 코드인 제2코드(code #2)를 이용하여 두 번째 패킷(2nd packet)(520)을 생성하고, t2의 시점부터 t3의 시점까지 전송하게 된다. 송신기는 2보다 큰 M회의 전송을 하는 경우에 다시 미리 결정된 시간 간격 내에서 임의로 선택된 시간 간격인

의 시간동안 즉, t3부터 t4까지 대기한다.

여기서 첫 번째 패킷(510)을 송신한 후 두 번째 패킷(520)을 송신하기까지의 대기 시간인

의 시간과 두 번째 패킷(520)을 송신한 후 세 번째 패킷(530)을 송신하기까지의 대기시간인

는 같은 시간일 수도 있고, 서로 다른 시간일 수도 있다. 바람직하게는 서로 다른 시간 간격을 갖는 것이 바람직하다.

즉, 도 5에 도시한 바와 같이 송신기는 M 개의 동일한 패킷을 적당한 시간 간격으로 전송한다고 가정했을 때, 다른 송신기에서 전송된 패킷과의 연속적인 충돌을 피하기 위해 패킷과 패킷 사이에 불규칙한 시간 간격(random time interval)을 두고 전송한다. 이와 같은 방법으로 패킷을 전송함으로써 서로 다른 다수의 송신기가 패킷을 동시에 송신하여 발생할 수 있는 패킷 충돌을 한층 더 감소시킬 수 있는 것이다.

송신기의 수가 증가할 경우에는 불규칙한 시간 간격으로 전송하여도 패킷 충돌이 발생할 가능성이 증가한다. 따라서 기존의 고정 확산코드(fixed spreading code) 방식에서는 패킷 충돌 가능성을 고려하여 많은 수의 패킷을 반복적으로 전송하게 되어 이로 인해 송신기의 전력 소모가 크게 증가하였다. 그러나 본 발명에 따르면 송신되는 패킷이 충돌하더라도 서로 다른 확산코드를 이용하여 복조가 가능하므로 모든 송신기가 동일한 확산코드를 사용하는 종래의 단일 확산코드 방식에 비해 패킷의 반복 전송 수를 줄일 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 송신기에서는 송신 시의 전력소모를 현저히 감소시킬 수 있다.

여기서 반복 전송 횟수인 M은 실험을 통해서 또는 송신기가 사용되는 상황에 맞춰 결정될 수 있다. 이때, 앞에서 설명한 바와 같이 종래 기술에서 사용하는 반본 전송 횟수보다 현저히 적은 횟수로도 전송이 가능하게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태그의 고유 정보 또는 센싱 노드에서 센싱된 데이터를 무선으로 송신하기 위한 흐름도,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 태그 또는 센서 노드에서 센싱된 데이터를 무선으로 송신하기 위한 무선 송신기의 구성도,

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따라 확산코드 생성 시의 세부 흐름도,

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 확산코드 생성장치의 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 태그 또는 센서 노드에서 데이터 송신 시의 타이밍도.

Claims

무선 센서 네트워크에서 데이터 송신 장치에 있어서,

송신할 정보를 병렬로 변환하여, 제1채널 데이터와 제2채널 데이터로 각각 출력하는 직/병렬 변환기;

상기 제1채널 데이터와 상기 제2채널 데이터에, PN(pseudo noise)코드와 월시(Walsh)코드 쌍을 각각 혼합하는 제1혼합부 및 제2혼합부;

상기 PN코드와 월시코드 쌍이 각각 혼합된 제1채널 데이터와 제2채널 데이터를 필터링하는 제1필터 및 제2필터;

상기 필터링된 제2채널 데이터를 지연시키는 지연기; 및

상기 필터링된 제1채널 데이터와 상기 지연된 제2채널 데이터에, 각각 해당하는 직교 위상 신호들을 각각 혼합하는 제3혼합부 및 제4혼합부;를 포함하며;

상기 월시코드 쌍은, 월시코드 쌍들 중에서 작은 교차 상관도를 갖도록 교차 상관도들에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1필터 및 상기 제2필터는, 상기 PN코드 및 월시코드 쌍이 혼합된 제1채널 데이터와 제2채널 데이터의 각각의 심볼들에서 각각 대역 외 신호(out-of-band signal)를 제거하는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 장치.
제1항에 있어서,

상기 월시코드 쌍의 개수 범위에서 임의의 자연수를 생성하는 난수 발생기;

상기 임의의 자연수에 대응하는 순서를 갖는 상기 월시코드 쌍을 출력하는 월시코드 쌍 발생기; 및

상기 PN코드를 생성하여 출력하는 PN 생성기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 장치.
무선 센서 네트워크에서 데이터 송신 장치에 있어서,

송신할 정보를 병렬로 변환하여 제 1 채널 경로와 제 2 채널 경로로 각각 출력하는 직/병렬 변환기;

교차 상관(cross-correlation)도를 고려하여 미리 결정된 월시코드 쌍들 중 임의의 월시코드 쌍을 선택하고, 상기 선택된 월시코드 쌍에 PN(pseudo noise)코드를 혼합하여 상기 제 1 채널 경로와 상기 제 2 채널 경로로 상기 한 쌍의 월시코드를 하나씩 출력하는 월시코드 쌍 생성부;

상기 제 1 채널 경로와 상기 제 2 채널 경로로 각각 입력된 신호들을 각각 믹싱하여 각 경로마다 확산 심볼을 생성하는 제1믹서부;

상기 제 2 채널 경로의 신호를 미리 결정된 시간만큼 지연하는 지연기; 및

상기 제 1 채널 경로의 신호와 상기 지연기에서 지연된 제 2 경로 채널 신호를 각각 송신 주파수 대역의 신호로 변환하여 무선 신호로 송신하는 송신부;를 포함하며;

상기 월시코드 쌍 생성부는,

상기 월시코드 쌍의 개수 범위에서 임의의 자연수를 생성하는 난수 발생기;

상기 난수 발생기에서 생성된 값에 대응하는 순서를 갖는 월시코드 쌍을 출력하는 월시코드 쌍 발생기;

미리 결정된 PN코드를 생성하여 출력하는 PN 생성기; 및

상기 월시코드 쌍의 각 출력에 상기 PN 생성기의 출력을 각각 혼합하여 출력하는 제2믹서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 장치.
제4항에 있어서,

상기 월시코드 쌍 발생기는, 교차 상관(cross-correlation)도를 고려하여 미리 결정된 월시코드 쌍들을 저장하는 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 장치.
제1항에 있어서,

상기 직교 위상 신호들로 혼합된 제1채널 데이터 및 제2채널 데이터를, 송신 주파수 대역 신호들로 변환한 후, 무선 신호들로 상기 송신 주파수 대역 신호들을 송신하는 송신부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 장치.
제1항에 있어서,

상기 제3혼합부와 상기 제4혼합부는, 상기 필터링된 제1채널 데이터와 상기 지연된 제2채널 데이터를, 직교 위상을 갖도록 상기 직교 위상 신호들로 송신 캐리어 신호들과 혼합하는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 장치.
제1항에 있어서,

동일 정보가 2회 이상 송신될 경우, 정보의 송신시 마다 다른 월시코드 쌍이 이용되는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 장치.
제1항에 있어서,

동일 정보가 3회 이상 송신될 경우, 각 정보의 송신 시간 간격들은, 미리 결정된 시간 간격 내에 서로 다른 시간 간격들로 설정되는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 장치.
무선 센서 네트워크에서 데이터 송신 방법에 있어서,

송신할 정보를 직/병렬 변환하고, 상기 변환된 정보를 제1채널 데이터와 제2채널 데이터로 각각 출력하는 단계;

상기 제1채널 데이터와 상기 제2채널 데이터에, PN(pseudo noise)코드와 월시(Walsh)코드 쌍을 각각 혼합하는 단계;

상기 PN코드와 월시코드 쌍이 각각 혼합된 제1채널 데이터와 제2채널 데이터를 필터링하는 단계;

상기 필터링된 제2채널 데이터를 지연시키는 단계; 및

상기 필터링된 제1채널 데이터와 상기 지연된 제2채널 데이터에, 각각 해당하는 직교 위상 신호들을 각각 혼합하는 단계;를 포함하며;

상기 월시코드 쌍은, 월시코드 쌍들 중에서 작은 교차 상관도를 갖도록 교차 상관도들에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 방법.
제10항에 있어서,

상기 필터링하는 단계는, 상기 PN코드 및 월시코드 쌍이 혼합된 제1채널 데이터와 제2채널 데이터의 각각의 심볼들에서 각각 대역 외 신호(out-of-band signal)를 제거하는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 방법.
제10항에 있어서,

상기 월시코드 쌍의 개수 범위에서 임의의 자연수를 생성하는 단계;

상기 임의의 자연수에 대응하는 순서를 갖는 상기 월시코드 쌍을 출력하는 단계; 및

상기 PN코드를 생성하여 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 방법.
무선 센서 네트워크에서 데이터 송신 방법에 있어서,

송신할 정보를 직/병렬 변환하고, 상기 변환된 정보를 출력하는 단계;

교차 상관(cross-correlation)도를 고려하여 미리 결정된 월시코드 쌍들 중 임의의 월시코드 쌍을 선택하는 단계;

상기 선택된 월시코드 쌍에 PN(pseudo noise)코드를 혼합하여 상기 월시코드 쌍을 출력하는 단계;

상기 변환된 정보를, 상기 변환된 정보에 대응하는 월시코드들로 확산하는 단계;

상기 확산된 심볼 중 하나의 심볼을 미리 결정된 시간만큼 지연하는 단계; 및

상기 확산된 심볼과 상기 지연된 심볼을 무선 신호들로 송신하기 위해 송신 주파수 대역 신호들로 변환하는 단계;를 포함하며;

상기 임의의 월시코드 쌍을 선택하는 단계는,

상기 월시코드 쌍들의 개수 범위에서 임의의 자연수를 생성하는 단계; 및

상기 미리 결정된 월시코드 쌍들 중에서 상기 생성된 난수 값에 대응하는 순서의 월시코드 쌍을 출력하는 단계;를 것을 특징으로 하는 데이터 송신 방법.
제13항에 있어서, 상기 월시코드 쌍을 출력하는 단계는,

미리 결정된 PN코드를 생성하는 단계; 및

상기 생성된 난수 값에 대응하는 상기 월시코드 쌍에 상기 PN코드를 혼합하여 상기 월시코드 쌍을 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 방법.
제10항에 있어서,

상기 직교 위상 신호들로 혼합된 제1채널 데이터 및 제2채널 데이터를, 송신 주파수 대역 신호들로 변환하는 단계; 및

상기 송신 주파수 대역 신호들을 무선 신호들로 송신하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 방법.
제10항에 있어서,

상기 필터링된 제1채널 데이터와 상기 지연된 제2채널 데이터는, 직교 위상을 갖도록 상기 직교 위상 신호들로 송신 캐리어 신호들과 혼합되는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 방법.
제10항에 있어서,

동일 정보가 2회 이상 송신될 경우, 정보의 송신시 마다 다른 월시코드 쌍이 이용되는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 방법.
제10항에 있어서,

동일 정보가 3회 이상 송신될 경우, 각 정보의 송신 시간 간격들은 미리 결정된 시간 간격 내에 서로 다른 시간 간격들로 설정되는 것을 특징으로 하는 데이터 송신 방법.