[논문]USN 응용을 위한 UWB 기반의 Class 4 능동형 RFID 프로토콜

홍성현; 장홍; 장경희; 신동범; 이형섭

USN 응용을 위한 UWB 기반의 Class 4 능동형 RFID 프로토콜
UWB-based Class 4 Active RFID Protocol for USN Application 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.35 no.7A, 2010년, pp.669 - 681

홍성현 (인하대학교 정보통신대학원 이동통신연구실) , 장홍 (인하대학교 정보통신대학원 이동통신연구실) , 장경희 (인하대학교 정보통신대학원 이동통신연구실) , 신동범 (한국전자통신연구원) , 이형섭 (한국전자통신연구원)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 능동형 RFID (Radio Frequency Identification) 시스템인 ISO/IEC 18000-7 시스템과 저속 WPAN (Wireless Personal Area Network) 표준인 IEEE 802.15.4a에 정의된 UWB (Ultra Wideband) 방식과 CSS (Chirp Spread Spectrum)방식에 대하여 살펴보고, 인식율 및 인식거리를 향상시키기 위하여 매우 넓은 주파수 대역에 걸쳐 상대적으로 낮은 스펙트럼 전력밀도로 다른 시스템과 양립할 수 있는 UWB 기술을 이용하여 정보를 전송하고, USN (Ubiquitous Sensor Network) 응용을 위해 능동형 태그와 센서노드들이 서로 혼재되어 구성된 네트워크에서 릴레이 태그를 릴레이 AP로 이용하여 능동형 태그의 정보뿐 아니라 센서노드의 정보도 전달하는 UWB 기반의 Class 4 능동형 RFID 프로토콜을 제안한다. 기존 ISO/IEC 18000-7 시스템과 제안된 시스템의 성능평가를 위하여 Sensitivity에 의한 인식거리 및 시스템 효율과 같은 항목을 정의하며, MCL (Minimum Coupling Loss) 분석과 SLS (System Level Simulation) 분석을 통해 제안된 시스템의 성능을 비교 및 분석한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we analyze the active RFID system ISO/IEC 18000-7. In order to apply to USN, which consists active RFID tags and sensor nodes, we propose UWB-based Class 4 active RFID protocol using active RFID relay tag as relay AP. To compare the performance between the existing ISO/IEC 18000-7 system and the proposed system, we introduce sensitivity-based measurement of achieved coverage and system efficiency. Also, we analyze the performance of the proposed system and compare it with that of the existing system through MCL analysis and SLS analysis.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

4 MAC을 그대로 사용한다. 본 절에서는 IEEE 802.15.4a-2007 표준을 바탕으로 CSS PH建에 대해 살펴본다";.
II장에서는 RFID 표준화 단체인 EPC global에서 정의한 RFID 태그 class 분류와 능동형 RFID 무선프로토콜인 ISO/IEC 18000-7 에 대하여 알아보고자 한다.
본 논문에서는 능동형 RFID 표준인 ISO/IEC 18000-7 및 EPCglob이 Class 4 능동형 태그에 대하여 살펴보았고, 시스템 처리량 및 인식 거리를 증가시키며 USN 응용을 위해서 능동형 RFID 릴레이 태그를 릴레이 AP로 사용하는 UWB 기반의 C* la 4 능동형 RFID 프로토콜을 제안하였다. 또한, 제안한 UWB 기반의 Class 4 능동형 RFID 프로토콜의 성능평가를 위하여 Sensitivity에 의한 인식거리 및 시스템 효율과 같은 항목을 정의하였으며, MCL 분석과 SLS 분석을 통해 성능을 비교 및 분석하였다.
그리고 능동형 RHD 시스템은 시스템비용이 높은 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 능동형 태그와 센서노드들이 서로 혼재되어 구성된 시스템에서 릴레이 태그를 릴레이 AP로 이용하여 능동형 태그의 정보뿐 아니라 센서노드의 정보도 전달하3, 값비싼 리더의 사용을 줄이며 인식거리도 향상시킴으로써 시스템 구성비용을 절감하는 방법을 제안하고자 한다.

제안 방법

표 3과 같다. Mandatory 데이터 전송률과 MPRF (Mean Pulse Repetition Freq註ency) 는 각각 0.85 Mbps, 3.90 MHz이다, BPM-BPSK 변조방식이 적용되었으며, Un-coded 경우만 모의실험을 하였다或여
RFID 표준화 단체인 EPCglobal 에서 RFID의 다양한 특징 및 용도를 기준으로 RHD 태그를 표 1에서와 같이 class 별로 분류하였다. 표 2는 각 class 별 특성을 보여주고 있다3〕.
USN 응용을 위해 능동형 릴레이 태그를 릴레이 AP로 사용하여 RFID 태그로부터의 정보뿐만 아니라 센서노드로부터의 정보도 전달할 수 있는 상황을 전제로 하였다.
능동형 RHD 릴레이 태그는 윈도우 시간 동안 다중 2-hop 태그로부터의 응답을 받아 태그 정보를 기록하고, 다음 구간 동안 기록된 태그 정보들을 리더에게 전송한다. 능동형 RFID 릴레이태그로부터 전송된 2-hop 태그 정보들을 이용하여 둘이상의 태그가 동일 슬롯을 선택하여서 발생하는 충돌의 횟수를 기록한다.
리더는 첫 번째 능동형 RHD 릴레이 태그들을 준비 상태로 전환시키기 위해 Wake-up 신호를 전송한다 Wake-up 신호를 받은 첫 번째 능동형 RFID 릴레이 태그들은 다음 구간 동안에 Wake-up 신호를 능동형 릴레이 2-hop 태그들과 두 번째 능동형 RFID 릴레이 태그들에게 전송한다. 두 번째 능동형 RFID 릴레이 태그들이 3-hop 태그들에 Wake-up 신호를 전송하는 동안 첫 번째 능동형 RHD 릴레이 태그들과 2-hop 태그들은 대기 상태로 있다 첫 번째 능동형 RFID 릴레이 태그와 두 번째 능동형 RFID 릴레이 태그는 수집 라운드를 통해, 각각 rf 통신 범위 내에 있는 2-hop 태그들과 3-hop 태그들로부터 태그-ID 및 데이터를 수집한다.
매우 넓은 주파수 대역에 걸쳐 상대적으로 낮은 스펙트럼 전력밀도로 다른 시스템과 洒할 수 있는 UWB 기술을 이용하여 정보를 전송하고 USN 응용을 위해 능동형 태그와 센서노드들이 서로 혼재되어 구성된 시스템에서 릴레이 태그를 릴레이 AP로 이용하여 능동형 태그의 정보뿐 아니라 센서노드의 정보도 전달하는 UWB 기반의 Class 4 능동형 RFID 프로토콜을 제안한다. 이 경우, 고비용의 능동형 RFID 리더의 사용을 줄이며 인식거리도 향상시킴으로써 시스템 구성비용을 절감하는 이점이 있다
본 논문에서 제안한 프로토콜을 IEEE 802.15 而에 정의된 UWB 방식과 CSS 방식에 각각 적용하였을 경우의 성능을 MCL 방식과 SLS 방식을 이용하여 비교 및 분석한다
4a에서는 저속의 위치인식 PHY의 표준화로 UWB Impulse Radio방식과 CSS 방식을 선택적 표준안으로 정하였대". 본 장에서는 IEEE 802.15.4a에 정의된 UWB 방식과 CSS 방식에 대하여 소개하고 모의실험을 통하여 성능을 분석한다.
이어서 첫 번째 능동형 RFID 릴레이 태그에서 2-hop 태그들로부터 받은 태그 정보들을 리더에 전송한다 다음 구간에는 두 번째 능동형 RHD 릴레이 태그로부터 받은 3-hop 태그들의 정보를 리더에 전송한다. 이 때 리더에서는 태그 정보들을 이용하여 둘 이상의 태그가 동일 슬롯을 선택하여서 발생하는 충돌의 횟수를 기록한다.
충돌을 일으켜 리더에서 정보를 수신하지 못한 3-hop 태그들이 다음 프레임에서 collection 명령을 수신하기 전까지 센서노드끼리 정보를 교환하다가 3-hop 태그들이 collection 명령을 수신할 때는 대기모드로 동작하여 태그들이 정보를 수신하는데 간섭을 일으키지 않도록 한다. 3-hop 태그들이 재수집 명령을 받은 뒤 다시 한 번 태그정보를 전송하는 동안 센서노드들도 센서노드의 정보를 전송한다.
2-hop 태그들이 전송을 마치고 대기 모드로 동작하여 전력을 절약하는 동안 센서노드들은 동일 센서네트워크의 다른 센서노드들과 Ad-hoc 통신을 통해 정보를 교환한다. 충돌을 일으켜 리더에서 정보를 수신하지 못한 2-hop 태그들이 다음 프레임에서 collection 명령을 수신하기 전까지 센서노드끼리 정보를 교환하다가 2-hop 태그들이 collection 명령을 수신할 때는 대기 모드로 동작하여 태그들이 정보를 수신하는데 간섭을 일으키지 않도록 한다. 2-hop 태그들이 재수집명령을 받은 뒤 다시 한 번 태그정보를 전송하는 동안 센서노드들도 센서노드의 정보를 전송한다.

대상 데이터

5초의 Wake-up 신호를 전송한다. 그 이후에 리더는 여러 번의 수집 라운드를 통해, RF 통신 범위 내에 있는 모든 태그들로부터 태그-ID 및 데이터를 수집한다. 각 수집 라운드 (Collection Round)는 리더가 태그들에게 태그 수집 명령어를 보내는 것으로 시작한다.
Wake-up 신호를 받은 능동형 RHD 릴레이 태그들은 다음 구간동안에 Wake-up 신호를 능동형 RFID 2-hop 태그들에게 전송한다. 능동형 RHD 릴레이 태그는 수집 라운드를 통해, RF 통신 범위 내에 있는 모든 2-hop 태그들로부터 태그-ID 및 데이터를 수집한다. 태그 수집명령어를 받은 2-hop 태그는 윈도우 크기 값을 참조하여 슬롯 크기 및 현재 수집 라운드에서의 슬롯 개수를 계산해내고 그 중에서 자신이 응답하기 위한 슬롯을 임의로 선택한다.
태그들에게 전송한다. 두 번째 능동형 RFID 릴레이 태그들이 3-hop 태그들에 Wake-up 신호를 전송하는 동안 첫 번째 능동형 RHD 릴레이 태그들과 2-hop 태그들은 대기 상태로 있다 첫 번째 능동형 RFID 릴레이 태그와 두 번째 능동형 RFID 릴레이 태그는 수집 라운드를 통해, 각각 rf 통신 범위 내에 있는 2-hop 태그들과 3-hop 태그들로부터 태그-ID 및 데이터를 수집한다. 浦그 수집 명령어를 받은 2-hop 태그들과 3-hop 태그들은 윈도우 크기 값을 참조하여 슬롯 크기 및 현재 수집 라운드에서의 슬롯 개수를 계산해내고 그 중에서 자신이 응답하기 위한 슬롯을 임의로 선택한다.
모의실험에서는 6개와 20개의 仇nger를 사용하여 비교하였다.

데이터처리

프로토콜을 제안하였다. 또한, 제안한 UWB 기반의 Class 4 능동형 RFID 프로토콜의 성능평가를 위하여 Sensitivity에 의한 인식거리 및 시스템 효율과 같은 항목을 정의하였으며, MCL 분석과 SLS 분석을 통해 성능을 비교 및 분석하였다. 제안한 Class 4 능동형 RFID 시스템에서 릴레이 홉 수가 증가함에 따라 인식 거리는 증가하지만, 일정한 데이터 전송률을 유지하기 위한 데이터 전송시간도 증가하여 시스템 효율이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
차지하는 기술을 일컫는다. 본 절에서는 IEEE 802.15.4a-2007 표준을 바탕으로 UWB PHY에 대해 살펴보고 모의실험을 통하여 성능을 분석한다E.

이론/모형

ISO/IEC 18000-7 표준에 정의된 태그 수집 알고리즘은 태그 중돌 문제를 해결하기 위해 Frame Slotted ALOHA 기반의 충돌방지 알고리즘을 이용한다. 그림 1은 표준에서 정의하는 태그■ 수집 알고리즘의 동작과정과 타이밍을 보여준다.
결론적으로, 각 채널환경에 대해서 보다 실제적으로 UWB 시스템에 대한 성능을 분석할 수 있다. 그 중 주거 실내 환경에서 LOS 채널모델인 CM1 을 사용하였다
생각해볼 수 있다. 리더와 태그 그리고 태그간통신은 UWB 기술을 이용한다.
에너지 검줄은 특정 주파수 대역에서 수신된 신호의 에너지 레벨을 측정하여 선순위 사용자의 존재 유무를 판단하는 기법2로 여기서는 SL (square-law)에너지 검출을 사용하였다. SL 에너지 검출기를 거친 출력 bk는 식 (5), (6)에 의해 결정된대坷

성능/효과

4a 채널 모델은 변형된 SV(Saleh-Valenzuela) 모델로, 9개의 채널환경을 가지고 있으며, 경로손실 (pathloss)과 쉐도윙 (shadowing)까지도 고려한다. 결론적으로, 각 채널환경에 대해서 보다 실제적으로 UWB 시스템에 대한 성능을 분석할 수 있다. 그 중 주거 실내 환경에서 LOS 채널모델인 CM1 을 사용하였다
제안한 Class 4 능동형 RFID 시스템에서 릴레이 홉 수가 증가함에 따라 인식 거리는 증가하지만, 일정한 데이터 전송률을 유지하기 위한 데이터 전송시간도 증가하여 시스템 효율이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 시스템처리량 또한 1-hop-2] 경우보다 릴레잉을 거치는 2-hop, 3-hop의 경우가 높은 성능을 보이는 것을 확인한다. 하지만, 실제 응용에서 한 리더가 태그의 동일한 정보를 빈번하게 요구하는 경우는 많지 않으므로, 이러한 시스템 효율의 감소보다는 인식거리 향상으로 얻을 수 있는 태그에 대한 전송전력 감소 및 시스템구성비용의 절감 측면에서 보다 효율적이다.
또한, 제안한 UWB 기반의 Class 4 능동형 RFID 프로토콜의 성능평가를 위하여 Sensitivity에 의한 인식거리 및 시스템 효율과 같은 항목을 정의하였으며, MCL 분석과 SLS 분석을 통해 성능을 비교 및 분석하였다. 제안한 Class 4 능동형 RFID 시스템에서 릴레이 홉 수가 증가함에 따라 인식 거리는 증가하지만, 일정한 데이터 전송률을 유지하기 위한 데이터 전송시간도 증가하여 시스템 효율이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 시스템처리량 또한 1-hop-2] 경우보다 릴레잉을 거치는 2-hop, 3-hop의 경우가 높은 성능을 보이는 것을 확인한다.

참고문헌 (14)

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원문보기 상세보기
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상세보기
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