[논문]IEEE 802.15.4g용 SUN RF 송수신 시스템 설계에 대한 연구

김재영; 이승식; 서영호; 김창완

doi:10.5762/kais.2013.14.4.1877

IEEE 802.15.4g용 SUN RF 송수신 시스템 설계에 대한 연구
Design of a SUN RF Transceiver for IEEE 802.15.4g 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.4, 2013년, pp.1877 - 1882

김재영 (한국전자통신연구원 WPAN응용연구실) , 이승식 (한국전자통신연구원 WPAN응용연구실) , 서영호 (동아대학교 전자공학과) , 김창완 (동아대학교 전자공학과)

초록
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스마트 유틸리티 네트워크(SUN)용 무선전송 기술은 에너지 절약 지능형 그린 홈 네트워크 개발의 핵심 요소 기술일 뿐 아니라, 향후 ZigBee 기술을 대체하여 다양한 분야에 활용될 차세대 WPAN 기술이다. SUN 무선 전송 기술은 IEEE 802.15.4g SUN PHY-Layer 표준으로 지하나 반 지하 또는 복잡한 건물 주변과 같은 열악한 전파환경에서도 높은 링크 이득과 안정적인 전송속도의 제공이 가능한 비 면허 무선 전송기술이다. 본 논문은 IEEE 802.15.4g SUN 표준을 만족시키는 RF 송수신기 칩 개발을 위해, RF 송수신기에 대한 시스템 단위 모의실험 환경을 구축하고, 시스템 설계에 필요한 설계 방법, 요구 사양 도출 및 시스템 예상 성능에 대한 내용이다. 또한 상기 시스템 단위 모의실험 결과를 바탕으로 실제 제작한 RF 송수신기 칩의 성능은 IEEE 802.15.4g SUN PHY-Layer 표준의 요구 사양 보다 우수하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Smart Utility Network (SUN) is not only a core technology of intelligent green home networks but also a future technology which can be applicable to various areas instead of ZigBee. SUN should be compliment with IEEE 802.15.4g standard and can provide high link margin and stable communication data-rate for poor communication surrounding. This paper describes how to design the system simulation environment for the SUN RF transceiver, and also reports the required block-level specification for each circuit and various implementation impairments. Finally, the measured performances of the fabricated RF transceiver, which has utilized the system simulation results, completely satisfies the IEEE 802.15.4g SUN PHY standard.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 IEEE 802.15.4g SUN 표준을 만족시키는 RF 송수신기 칩의 성공적인 개발을 위해, RF 송수신기에 대한 시스템 단위 모의실험 환경을 먼저 구축하고, 모의실험을 통해 시스템 설계 기법, 요구 사양 도출, 그리고 구현 시 예상되는 성능 등에 대한 내용이다. 또한, 상기 시스템 단위 모의실험 결과를 바탕으로 실제 제작한 RF 송수신기 칩의 성능을 IEEE 802.
본 논문은 IEEE 802.15.4g SUN 표준을 만족하기 위한 OFDM RF 송수신기의 시스템 설계에 대한 내용으로 RF 칩 설계에 필요한 시스템의 설계 사양을 구하기 위한 성능 시뮬레이션을 진행 하였다. 모의실험 결과 송신 EVM은 송신 전력 +10dBm일 경우 –27dB이상으로 요구 사항 –19dB보다 우수하였고, 수신 성능의 지표인 Sensitivity level은 16QAM MCS6에서도 만족함을 Table 7에서 보여준다.

가설 설정

5는 RF 송신기의 출력 파워와 EVM 특성을 확인하기 위해 구성한 모의실험 환경을 보여주고 있다. Fig. 5에서 DAC로부터 전달된 각 Option별 Modulated (BPSK, QPSK, 16QAM) OFDM 신호의 입력 파워 크기를 -2 dBm (0.5 Vpp @50 ohm)으로 가정하고 LPF 입력에 인가 시켜서, 송신단을 구성하는 LPF, VGA, UP-MIXER, DA의 파라미터값(입/출력 임피던스, OIP3, 그리고 Power gain)들을 조정하여 송신단의 출력파워가 +10 dBm이 되는지 그리고 EVM (RMS)값이 -19 dB 이상을 만족시키는 지를 확인하였다. 각 Modulation(BPSK, QPSK, 16QAM)된 신호는 이상적 수신기로 Demodulation하여 EVM 값을 측정하였다.
IEEE 802.15.4g SUN PHY 표준은 OFDM/DSSS/FSK 3가지 방식을 지원하는데 본 논문에서는 OFDM 방식의 RF 송수신기에 대한 시스템 시뮬레이션과 칩 개발에 대해서만 논한다.

제안 방법

416 KHz이다. Fig. 4에서 보는 바와 같이 MR-OFDM 신호원의 FFT 및 Modulation Type은 외부에서 임의로 입력하여 Option 1~4를 선택할 수 있도록 설계하였고, 각 Modulation된 신호의 크기가 동일하도록 Modulation-dependent normalization factor KMOD를 BPSK는 1, QPSK는 1/sqrt(2) 그리고 16 QAM은 1/sqrt(10) 적용하였다.
5 Vpp @50 ohm)으로 가정하고 LPF 입력에 인가 시켜서, 송신단을 구성하는 LPF, VGA, UP-MIXER, DA의 파라미터값(입/출력 임피던스, OIP3, 그리고 Power gain)들을 조정하여 송신단의 출력파워가 +10 dBm이 되는지 그리고 EVM (RMS)값이 -19 dB 이상을 만족시키는 지를 확인하였다. 각 Modulation(BPSK, QPSK, 16QAM)된 신호는 이상적 수신기로 Demodulation하여 EVM 값을 측정하였다. 본 시뮬레이션에는 EVM은 I/Q mismatch, 송신기 선형 특성, 국부발진기신호의 위상잡음에 의한 영향만을 고려하였다.
Table 2에서 보는 바와 같이 MCS6일 경우 요구하는 EVM 값이 가장 높은 것을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서는 OFDM 송신단이 +10 dBm의 전력을 전송 할 때 -19 dB 이상의 EVM 값을 확보하도록 ADS 툴을 이용하여 송신단을 구성하는 각 블록별 입/출력 임피던스, 선형특성(OIP3), 전력 이득(Ap)등을 검토 하여 결과를 도출 하였다.
본 논문에서는 송신단 시뮬레이션을 위해 Table 1의 요구사항을 만족하는 Fig. 4의 OFDM 기저대역 신호원을 ADS툴을 이용하여 직접 제안한 구조로 설계하였다. OFDM PHY는 Table 3에선 보는 봐와 같이 4개의 Option을 두고 채널대역폭, sub-carrier 수, 전송속도를 조정할 수 있다.
각 Modulation(BPSK, QPSK, 16QAM)된 신호는 이상적 수신기로 Demodulation하여 EVM 값을 측정하였다. 본 시뮬레이션에는 EVM은 I/Q mismatch, 송신기 선형 특성, 국부발진기신호의 위상잡음에 의한 영향만을 고려하였다.
4 MHz)을 적용하였다. 수신단 시스템 시뮬레이션에서는 송신단과 동일하게, 수신기 내부 각 블록에 대해 I/Q mismatch, 선형 특성, 국부발진기신호의 위상잡음에 의한 영향만을 고려하였다.
앞에서 기술한 RF 송수신기에 대한 시스템 시뮬레이션 결과를 기초로 하여 RF 칩을 CMOS 0.18-um 공정으로 실제 제작하였다. 제작된 칩의 송수신 측정 결과를 Fig.
현실적인 상황을 고려하여 이상적인 송신단을 사용하지 않고 Fig. 6의 송신기를 수신기 입력에 연결하여 수신기의 시뮬레이션을 진행 하였다. Fig.

데이터처리

4g SUN 표준을 만족시키는 RF 송수신기 칩의 성공적인 개발을 위해, RF 송수신기에 대한 시스템 단위 모의실험 환경을 먼저 구축하고, 모의실험을 통해 시스템 설계 기법, 요구 사양 도출, 그리고 구현 시 예상되는 성능 등에 대한 내용이다. 또한, 상기 시스템 단위 모의실험 결과를 바탕으로 실제 제작한 RF 송수신기 칩의 성능을 IEEE 802.15.4g SUN PHY-Layer 요구사양과 비교하였다.

성능/효과

7과 같다. 16개 FFT tone으로 구성된 600 KHz BW의 OFDM signal을 생성하며 QPSK/16QAM modulation시 각각 -31/-31 dB의 EVM값을 보여준다.
스마트 유틸리티 네트워크 핵심기술은 전기, 가스, 수도와 같은 유틸리티 관련 정보를 공급자와 사용자 사이에 자유롭게 정보를 교환할 수 있도록 할 수 있는 차세대 근거리 무선 전송기술이다. 또한, 기존의 Zigbee 무선 전송 기술보다 지하나 반 지하 또는 복잡한 건물 주변과 같은 열악한 전파 환경에서도 높은 링크 이득과 Scalable한 전송속도를 제공할 수 있는 장점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트 유틸리티 네트워크용 무선 전송기술은 어떻게 구현되어야 하는가?	스마트 유틸리티 네트워크용 무선 전송기술은 2012년 확정된 IEEE802.15.4g SUN PHY-Layer 표준을 만족시켜야 하며 저전력/저가격으로 구현되어야 한다. Fig.
	스마트 유틸리티 네트워크 핵심기술이란?	스마트 유틸리티 네트워크(Smart Utility Network: SUN)는 스마트 그리드(Smart Grid)를 수용 가능한 지역에서 전력 공급자와 수요자간의 양방향 무선통신 인프라로 사용되어 저탄소 녹색 산업을 대표하는 그린 홈네트워크 개발의 핵심 기술로 부각되고 있다. 스마트 유틸리티 네트워크 핵심기술은 전기, 가스, 수도와 같은 유틸리티 관련 정보를 공급자와 사용자 사이에 자유롭게 정보를 교환할 수 있도록 할 수 있는 차세대 근거리 무선 전송기술이다. 또한, 기존의 Zigbee 무선 전송 기술보다 지하나 반 지하 또는 복잡한 건물 주변과 같은 열악한 전파 환경에서도 높은 링크 이득과 Scalable한 전송속도를 제공할 수 있는 장점이 있다.
	스마트 유틸리티 네트워크의 장점은 무엇인가?	스마트 유틸리티 네트워크 핵심기술은 전기, 가스, 수도와 같은 유틸리티 관련 정보를 공급자와 사용자 사이에 자유롭게 정보를 교환할 수 있도록 할 수 있는 차세대 근거리 무선 전송기술이다. 또한, 기존의 Zigbee 무선 전송 기술보다 지하나 반 지하 또는 복잡한 건물 주변과 같은 열악한 전파 환경에서도 높은 링크 이득과 Scalable한 전송속도를 제공할 수 있는 장점이 있다.

참고문헌 (4)

Trung-Kien Nguyen, Viet-Hoang LE, Quoc-Hoanf Duong, Seok-Kyun, Sang-Gug Lee, Nak-Seon Seong, Nae-Soo Kim, and Cheol-Sig Pyo, "Low-Power Direct Conversion Transceiver for 915MHz Band IEEE 802.15.4b Standarf Based on 0,18um CMOS Technology," ETRI Journal, Vol 30, NO.1, pp. 33-46, Feb. 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.4218/etrij.08.0107.0034

원문보기 상세보기
Wolfram Kluge, Frank Poegel, Matthias Lange, Tilo Ferchland, Lutz Dathe,and Dietmar Eggert, "A Fully Integrated 2.4-GHz IEEE 802.15.4-Comliant Transceiver for ZigBee Application," IEEE JSSC., vol. 41, NO. 12, pp. 2767-2775, Feb. 2006. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/JSSC.2006.884802

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Chin-Sean Sum, H. Harada, Zhou Lan, and Funafa, R, "Smart Utility Networks in TV White Space," IEEE Comm. Magn, vol. 49, pp. 132-139, July. 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/MCOM.2011.5936166

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Wan-Ki Park, Intark Han, and Kwang-Roh Park, "ZigBee based Dynamic Control Scheme for Multiple Legacy IR Controllable Digital Consumer Devices," IEEE CE. Trans., vol. 53, pp. 172-177, Feb. 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TCE.2007.339521

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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