지난 몇 년간 IoT (Internet-of-Things) 아이디어가 확산되어 인터넷을 통해 정보를 주고받고 정보를 공유하는 모든 종류의 객체에 무선 통신 기능이 탑재되고 있습니다. 인터넷에 연결되는 사물의 수는 매년 증가하고 있으며, 이와 관련된 시장의 규모도 매년 급속도로 커지고 있다. IoT 패러다임의 주요 구현 기술은 무선 통신을 기반으로 한 기술입니다. 과거에 IoT는 무선 주파수식별(RFID)와 기술과 관련되어 왔지만, 요즘에는 수많은 무선 기술이 적용된다. IoT에 다양한 무선 시스템이 증가하면서 무선 통신에 필요한 ...
지난 몇 년간 IoT (Internet-of-Things) 아이디어가 확산되어 인터넷을 통해 정보를 주고받고 정보를 공유하는 모든 종류의 객체에 무선 통신 기능이 탑재되고 있습니다. 인터넷에 연결되는 사물의 수는 매년 증가하고 있으며, 이와 관련된 시장의 규모도 매년 급속도로 커지고 있다. IoT 패러다임의 주요 구현 기술은 무선 통신을 기반으로 한 기술입니다. 과거에 IoT는 무선 주파수식별(RFID)와 기술과 관련되어 왔지만, 요즘에는 수많은 무선 기술이 적용된다. IoT에 다양한 무선 시스템이 증가하면서 무선 통신에 필요한 주파수 자원 부족 현상이 심화되고 있다. 이러한 주파수 유연한 전파 관리 체계와 더불어 주파수 이용에 있어 간섭없이 기존의 주파수대역을 이용할 수 있는 효율적인 주파수 자원 사용 및 관리가 더욱 중요한 문제로 부각되고 있다. 주파수 자원 사용 및 관리 효율을 극대화하기 위한 CR(Cognitive radio) 기술이 활발히 연구 되고 있다. 실시간 모니터링 시스템은 CR 시스템의 성능 극대화하여 무선 주파수 자원을 사용하는 것에 필수적이다. IoT 기기에 적용 가능하기 위해서는 휴대성과 저파워 성능으로 주변 무선 주파수를 감지하고 합리적인 분석 성능을 가지는 스펙트럼 센서가 필요하다. 또한 다양한 서비스와 다양한 품질의 데이터를 제공하기 위해 단일 채널을 통한 단일 반송파 통신 방법보다는 다중 반송파를 이용한 통신 방법을 고려하고 있으며, 이중 OFDM 방식은 높은 대역 효율성, 다중 경로 페이딩에 대한 저항성과 같은 이 점으로 고속 멀티미디어 통신 시스템의 변조 기법으로 각광받고 있다. OFDM 전송방식은 직렬로 입력되는 데이터 열을 N개의 병렬 데이터 열로 변환하여 각각 분리된 부반송파에 싣어 전송함으로써 데이터율을 높이는 것이다. 이때 부반송파는 직교성을 유지할 수 있도록 송수신단에서 IFFT와 FFT(Fast Fourier Transform) 프로세서를 이용하여 신호를 변조하기 때문에 고성능의 FFT 프로세서를 구현하는 것이 OFDM 방식의 고속 무선 데이터 통신을 구현하기 위한 핵심 사항이라 할 수 있다. 또한 FFT/IFFT 프로세서는 OFDM 방식의 물리계층에서 가장 큰 면적과 전력을 소모하는 것으로 알려져 있다. 따라서 최근에 이러한 OFDM 시스템을 이용한 IoT 응용분야에서는 높은 성능뿐만 아니라 저면적 및 저전력 FFT/IFFT 프로세서가 크게 요구된다. 이와 같이 IoT 디바이스의 휴대성, 편리성 및 성능은 소비자의 요구에 따라 향상되고 전력 소비 또한 개발 단계에 비례하여 증가하고 있습니다. IoT 기기의 내부 블록에 대한 보장된 공급전압은 서로 다르므로 저전력 디자인에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 학위논문에서는 저전력 하드웨어 설계를 위한 두 가지 방안이 제안되었다. 첫번째 제안된 설계는 전환 가능한 분해능대역폭을 갖춘 FPGA 기반 디지털 스펙트럼 센서이다. 제안된 디지털 스펙트럼 센서는 100kHz 및 1MHz의 분해능으로 스펙 트럼을 평가하고 코어 기능 블록은 저렴한 비용의 휴대용 장치 채택을 위해 FPGA칩으로 설계된다. 필터의 복잡성을 줄이기 위해 여러 필터를 하나의 필터로 공유하고 다단계 필터를 도입하여 제안된 시스템의 샘플링 빈도와 하드웨어 복잡성을 더욱 낮추었습니다. 제안된 아키텍처가 없는 경우에 비해 거의 90 %의 비용 절감 효과가 있습니다. 제안된 두 번째 설계는 OFDM 시스템에서 버킷 화 된 FFT이다. 제안 된 버킷화된 FFT는 32 포인트 FFT와 27 포인트 FFT를 기존 파이프라인 방식으로 구현하였다. 제안된 버킷 화 된 FFT는 매그나 0.13um CMOS의 표준 프로세스를 통해 구현 됩니다. 합성 결과에서 구현된 FFT 프로세서는 80.5 mW 전력 소비에서 합성되었다. 전력 소비에서 FFT와 비교했을 때 약 50% 정도 감소합니다. OFDM 시스템의 수신기의 전력 소비가 비교 될 때, 약 18%의 감소 효과가 얻어질 수 있다. 제안된 기법은 기존의 기법보다 더 낮은 전력 소모량을 가진다. 제시된 결과들은 제안된기법이 기존의 IoT시스템에 적용될 수 있음을 보여준다. 또한 저전력을 목적으로 하는 IoT 플랫폼에서 유용하게 사용될 수 있다.
지난 몇 년간 IoT (Internet-of-Things) 아이디어가 확산되어 인터넷을 통해 정보를 주고받고 정보를 공유하는 모든 종류의 객체에 무선 통신 기능이 탑재되고 있습니다. 인터넷에 연결되는 사물의 수는 매년 증가하고 있으며, 이와 관련된 시장의 규모도 매년 급속도로 커지고 있다. IoT 패러다임의 주요 구현 기술은 무선 통신을 기반으로 한 기술입니다. 과거에 IoT는 무선 주파수식별(RFID)와 기술과 관련되어 왔지만, 요즘에는 수많은 무선 기술이 적용된다. IoT에 다양한 무선 시스템이 증가하면서 무선 통신에 필요한 주파수 자원 부족 현상이 심화되고 있다. 이러한 주파수 유연한 전파 관리 체계와 더불어 주파수 이용에 있어 간섭없이 기존의 주파수대역을 이용할 수 있는 효율적인 주파수 자원 사용 및 관리가 더욱 중요한 문제로 부각되고 있다. 주파수 자원 사용 및 관리 효율을 극대화하기 위한 CR(Cognitive radio) 기술이 활발히 연구 되고 있다. 실시간 모니터링 시스템은 CR 시스템의 성능 극대화하여 무선 주파수 자원을 사용하는 것에 필수적이다. IoT 기기에 적용 가능하기 위해서는 휴대성과 저파워 성능으로 주변 무선 주파수를 감지하고 합리적인 분석 성능을 가지는 스펙트럼 센서가 필요하다. 또한 다양한 서비스와 다양한 품질의 데이터를 제공하기 위해 단일 채널을 통한 단일 반송파 통신 방법보다는 다중 반송파를 이용한 통신 방법을 고려하고 있으며, 이중 OFDM 방식은 높은 대역 효율성, 다중 경로 페이딩에 대한 저항성과 같은 이 점으로 고속 멀티미디어 통신 시스템의 변조 기법으로 각광받고 있다. OFDM 전송방식은 직렬로 입력되는 데이터 열을 N개의 병렬 데이터 열로 변환하여 각각 분리된 부반송파에 싣어 전송함으로써 데이터율을 높이는 것이다. 이때 부반송파는 직교성을 유지할 수 있도록 송수신단에서 IFFT와 FFT(Fast Fourier Transform) 프로세서를 이용하여 신호를 변조하기 때문에 고성능의 FFT 프로세서를 구현하는 것이 OFDM 방식의 고속 무선 데이터 통신을 구현하기 위한 핵심 사항이라 할 수 있다. 또한 FFT/IFFT 프로세서는 OFDM 방식의 물리계층에서 가장 큰 면적과 전력을 소모하는 것으로 알려져 있다. 따라서 최근에 이러한 OFDM 시스템을 이용한 IoT 응용분야에서는 높은 성능뿐만 아니라 저면적 및 저전력 FFT/IFFT 프로세서가 크게 요구된다. 이와 같이 IoT 디바이스의 휴대성, 편리성 및 성능은 소비자의 요구에 따라 향상되고 전력 소비 또한 개발 단계에 비례하여 증가하고 있습니다. IoT 기기의 내부 블록에 대한 보장된 공급전압은 서로 다르므로 저전력 디자인에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 학위논문에서는 저전력 하드웨어 설계를 위한 두 가지 방안이 제안되었다. 첫번째 제안된 설계는 전환 가능한 분해능 대역폭을 갖춘 FPGA 기반 디지털 스펙트럼 센서이다. 제안된 디지털 스펙트럼 센서는 100kHz 및 1MHz의 분해능으로 스펙 트럼을 평가하고 코어 기능 블록은 저렴한 비용의 휴대용 장치 채택을 위해 FPGA칩으로 설계된다. 필터의 복잡성을 줄이기 위해 여러 필터를 하나의 필터로 공유하고 다단계 필터를 도입하여 제안된 시스템의 샘플링 빈도와 하드웨어 복잡성을 더욱 낮추었습니다. 제안된 아키텍처가 없는 경우에 비해 거의 90 %의 비용 절감 효과가 있습니다. 제안된 두 번째 설계는 OFDM 시스템에서 버킷 화 된 FFT이다. 제안 된 버킷화된 FFT는 32 포인트 FFT와 27 포인트 FFT를 기존 파이프라인 방식으로 구현하였다. 제안된 버킷 화 된 FFT는 매그나 0.13um CMOS의 표준 프로세스를 통해 구현 됩니다. 합성 결과에서 구현된 FFT 프로세서는 80.5 mW 전력 소비에서 합성되었다. 전력 소비에서 FFT와 비교했을 때 약 50% 정도 감소합니다. OFDM 시스템의 수신기의 전력 소비가 비교 될 때, 약 18%의 감소 효과가 얻어질 수 있다. 제안된 기법은 기존의 기법보다 더 낮은 전력 소모량을 가진다. 제시된 결과들은 제안된기법이 기존의 IoT시스템에 적용될 수 있음을 보여준다. 또한 저전력을 목적으로 하는 IoT 플랫폼에서 유용하게 사용될 수 있다.
Over the last few years, internet of things (IoT) ideas have spread and wireless communication capabilities have been incorporated into all sorts of objects which exchange information and share information over the internet. The number of things connected to the internet is increasing annually, and ...
Over the last few years, internet of things (IoT) ideas have spread and wireless communication capabilities have been incorporated into all sorts of objects which exchange information and share information over the internet. The number of things connected to the internet is increasing annually, and the size of the related market is also quickly enlarging every year. The most important implementation technology is based on wireless communication in the IoT paradigm. In times past, IoT has been associated with radio frequency identification (RFID) technology, but these days many wireless communication technologies are applied. With the increase of various wireless systems in IoT, the lack of frequency resources required for wireless communication is intensifying. In terms of frequency flexible radio management system and frequency application, The operating and management of efficient frequency resources which can utilize existing frequency bands without interfering are more important. Cognitive radio (CR) technology has been actively studied in order to maximize the utilization and management efficiency of frequency resources. Real-time monitoring systems are essential to maximize the performance of CR systems and to use radio frequency resources. In order to be applicable to IoT devices, a spectrum sensor which senses the surrounding radio frequency and has a reasonable analysis performance with portability and low power performance is needed. In addition, a multi-carrier communication method is considered rather than a single carrier communication method over a single channel in order to provide various services and quality data. The orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) scheme is attracting attention as a modulation technique for a high-speed multimedia communication system because of its advantages such as high bandwidth efficiency and resistance to multipath fading. The basic concept of the OFDM transmission scheme is to enhance the data rate by converting serial data sequences into N parallel data sequences and sending them off to separate sub-carriers. In order to maintain the orthogonality, sub-carriers modulate the signals with inverse fast Fourier transform (IFFT) and Fast Fourier Transform (FFT) processors at the transmitting and receiving end, so implementing a high-performance FFT processor is a key to realizing OFDM-based high-speed wireless data communication can do. In addition, the FFT / IFFT processor is known to consume the largest area and power in the OFDM physical layer. Therefore, in the IoT application field using such an OFDM system, not only high performance but also low area and low power FFT / IFFT processor are required. The portability, convenience, and performance of IoT devices have improved with consumer demand and power consumption has also increased in proportion to the development stage. Since the guaranteed supply voltages for the internal blocks of IoT devices are different, various studies are being conducted on low power design. In this dissertation, two schemes are proposed for low-power hardware design. The first proposed design is an FPGA based digital spectrum sensor with switchable resolution bandwidth. The proposed digital spectrum sensor evaluates a spectrum at a resolution of 100kHz and 1MHz, and core functional blocks are designed with an FPGA chip for low-cost portable device adoption. For reducing the complexity of filters, several filters are replaced with one filter, and a multi-stage filter is introduced and with a multi-stage digital down convertor (DDC) and decimation, sampling frequency and hardware complexity of the proposed system are further decreased, which results in almost 90% cost reduction compared to ones without the proposed architecture. The second proposed design is a bucketized FFT in OFDM system. The proposed bucketized FFT is implemented with 32-point FFT and 27-point FFT with existing pipeline method. To verify the proposed structure, the proposed bucketed FFT is implemented through the standard process of Magna 0.13 m CMOS. Algorithm-level simulations, performance simulations, and validation simulations are performed through Matlab. The FFT processor implemented in synthetic simulation was synthesized at 80.5 mW power consumption. Power consumption is reduced by about 50% when compared to FFT. When the power consumption of the receiver of the OFDM system is compared, a reduction effect of about 18% can be obtained. In this paper, the proposed schemes have lower power consumption than the conventional scheme. The presented results show that the proposed technique can be applied to existing IoT systems. It can also be useful in low power IoT platforms.
Over the last few years, internet of things (IoT) ideas have spread and wireless communication capabilities have been incorporated into all sorts of objects which exchange information and share information over the internet. The number of things connected to the internet is increasing annually, and the size of the related market is also quickly enlarging every year. The most important implementation technology is based on wireless communication in the IoT paradigm. In times past, IoT has been associated with radio frequency identification (RFID) technology, but these days many wireless communication technologies are applied. With the increase of various wireless systems in IoT, the lack of frequency resources required for wireless communication is intensifying. In terms of frequency flexible radio management system and frequency application, The operating and management of efficient frequency resources which can utilize existing frequency bands without interfering are more important. Cognitive radio (CR) technology has been actively studied in order to maximize the utilization and management efficiency of frequency resources. Real-time monitoring systems are essential to maximize the performance of CR systems and to use radio frequency resources. In order to be applicable to IoT devices, a spectrum sensor which senses the surrounding radio frequency and has a reasonable analysis performance with portability and low power performance is needed. In addition, a multi-carrier communication method is considered rather than a single carrier communication method over a single channel in order to provide various services and quality data. The orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) scheme is attracting attention as a modulation technique for a high-speed multimedia communication system because of its advantages such as high bandwidth efficiency and resistance to multipath fading. The basic concept of the OFDM transmission scheme is to enhance the data rate by converting serial data sequences into N parallel data sequences and sending them off to separate sub-carriers. In order to maintain the orthogonality, sub-carriers modulate the signals with inverse fast Fourier transform (IFFT) and Fast Fourier Transform (FFT) processors at the transmitting and receiving end, so implementing a high-performance FFT processor is a key to realizing OFDM-based high-speed wireless data communication can do. In addition, the FFT / IFFT processor is known to consume the largest area and power in the OFDM physical layer. Therefore, in the IoT application field using such an OFDM system, not only high performance but also low area and low power FFT / IFFT processor are required. The portability, convenience, and performance of IoT devices have improved with consumer demand and power consumption has also increased in proportion to the development stage. Since the guaranteed supply voltages for the internal blocks of IoT devices are different, various studies are being conducted on low power design. In this dissertation, two schemes are proposed for low-power hardware design. The first proposed design is an FPGA based digital spectrum sensor with switchable resolution bandwidth. The proposed digital spectrum sensor evaluates a spectrum at a resolution of 100kHz and 1MHz, and core functional blocks are designed with an FPGA chip for low-cost portable device adoption. For reducing the complexity of filters, several filters are replaced with one filter, and a multi-stage filter is introduced and with a multi-stage digital down convertor (DDC) and decimation, sampling frequency and hardware complexity of the proposed system are further decreased, which results in almost 90% cost reduction compared to ones without the proposed architecture. The second proposed design is a bucketized FFT in OFDM system. The proposed bucketized FFT is implemented with 32-point FFT and 27-point FFT with existing pipeline method. To verify the proposed structure, the proposed bucketed FFT is implemented through the standard process of Magna 0.13 m CMOS. Algorithm-level simulations, performance simulations, and validation simulations are performed through Matlab. The FFT processor implemented in synthetic simulation was synthesized at 80.5 mW power consumption. Power consumption is reduced by about 50% when compared to FFT. When the power consumption of the receiver of the OFDM system is compared, a reduction effect of about 18% can be obtained. In this paper, the proposed schemes have lower power consumption than the conventional scheme. The presented results show that the proposed technique can be applied to existing IoT systems. It can also be useful in low power IoT platforms.
주제어
#사물인터넷, 무선인지 시스템, OFDM 시스템, 저파워 설계, 스펙트럼 센서, 고속 퓨리에 변환
학위논문 정보
저자
임혁진
학위수여기관
세종대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
정보통신공학과
발행연도
2018
총페이지
110p.
키워드
사물인터넷, 무선인지 시스템, OFDM 시스템, 저파워 설계, 스펙트럼 센서, 고속 퓨리에 변환
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