2016 정보분석 보고서
광역 WPAN 표준화 및 기술개발 동향
이수진, 최상성
제1장 광역 WPAN 기술 개요 1
제1절 WPAN 기술의 정의 1
제2절 광역 WPAN 기술의 출현 2
제3절 광역 WPAN 무선통신의 발전 방향 4
제2장 광역 WPAN 표준화 동향 8
제1절 IEEE802.15 WPAN 표준화 동향 8
제2절 중요 광역 WPAN 표준화 현황 11
제3절 광역 WPAN 표준 기술 개요 18
제3장 사물인터넷(IoT) 표준화 및 특허동향 48
제1절 사물인터넷 표준화 개요 48
제2절 사물인터넷 특허 현황 51
제3절 사물인터넷 표준화 항목별 특허 전망 56
제4장 광역 WPAN 개발 동향 및 전망 58
제1절 광역 WPAN 기술 개발 동향 58
제2절 광역 WPAN 기술의 활용 분야 71
제3절 광역 WPAN 시장 전망 75
제5장 결론 81
Reference 78
제1장 광역 WPAN 기술 개요 제1절 WPAN 기술의 정의
WPAN(Wireless Personal Area Network)이란 개인 영역 무선 통신망을 의미하며, <그 림 1-1>과 같이 우리 주변에서 수십 미터 이내의 짧은 거리에 존재하는 PC, 노트북, 프린 터, 휴대폰, PDA, TV, 디지털 카메라, 오디오 기기 등을 무선으로 연결하여 이들 기기간의 통신을 지원함으로써 다양한 응용서비스를 가능케 하는 무선 네트워크이다[1]. 즉 무선으로 PC와 프린터를 연결하거나 PC와 디지털 카메라를 연결하여 간편하게 컴퓨터에 파일로 저 장하거나 손쉽게 인쇄하며, 가정에서 무선으로 에어컨을 제어하거나, 전등 스위치를 켜고 끄는 역할을 하는 다양한 전송속도의 저전력 근거리 무선통신 기술이 핵심 요소기술로 이 러한 통신은 비면허 주파수 대역을 사용함으로써 통신 사용료가 부가되지 않는다는 큰 장 점을 가지고 있다.
<그림 1-1> 개인 영역 무선 통신망(WPAN)
출처 : ETRI
WPAN에는 <표 1-1>과 같이 여러 종류의 근거리 무선통신 기술이 용도에 따라 사용되 고 있는데, 일반적으로 UWB 기술과 같은 수십~수백 Mbps급 고속 WPAN 기술과 ZigBee, Bluetooth 등과 같이 수십~수백 Kbps급 저속 WPAN 기술로 분류할 수 있다. 현재 ZigBee 는 산업용 제어, 가전제품 원격 제어, 재난관리, 및 지문, 음성, 생체인식 등 다른 기술과 접목해서 홈네트워크, 센서네트워크 등 다양한 분야에서 수요를 창출하고 있으며, Bluetooth는 휴대폰, TV 등에 채택되어 음성 중심의 응용분야로 확산되고 있다.
<표 1-1> WPAN 무선통신 기술
고속 WPAN 저속 WPAN
UWB Bluetooth ZigBee
표준 IEEE802.15.3 IEEE802.15.1 IEEE802.15.4
주파수 3.1~0.6GHz 2.4GHz ISM 2.4GHz/Sub-Giga ISM
전속속도 54~300Mbps 1Mbps 40/250Kbps
통신거리 ~10m ~10m ~30m
접속방법 OFDM/CDMA Frequency Hopping CSMA-CA
특징 초고속 전송 다양한 통신 지원 저전력/저가격
응용분야 근거리 고속 통신 음성, 영상 무선 센서 및 제어
제2절 광역 WPAN 기술의 출현
무선 센서 및 제어 분야에서 사용되는 WPAN의 대표적인 기술로 ZigBee 기술이 가장 널리 알려져 있다. 이 기술은 <그림 1-2>와 같이 IEEE802.15.4 표준 규격의 물리계층 및 MAC 계층을 기반으로 사용하고 있다. ZigBee 물리계층은 2.4GHz, 868MHz, 915MHz의 세 가지 주파수를 사용하도록 표준화되었지만 2.4GHz 주파수 대역이 가장 널리 사용되고 있으 며, 전송속도는 250Kbps, 20Kbps, 40Kbps이다.
또한 네트워크 계층 및 응용자원 APS 계층에 대한 규격은 ZigBee Alliance에서는 정의 하고 있으며, 보안 SSP(Security Service Provider) 와 ZDO(ZigBee Device Object)에 대 해서도 표준화하였다. ZigBee 네트워크는 16비트 주소를 사용하여 65,536개의 노드를 연결 할 수 있고, Star, Cluster-Tree, Mesh 네트워크 형태가 지원되며, 네트워크 가입 시간이 짧고 휴면 상태에서 빠르게 깨어나는 특성을 가지고 있어 홈네트워크, 센서네트워크 등 다 양한 분야에서 활용되어 왔다.
<그림 1-2> ZigBee 기술
출처 : NAVER
최근 사물인터넷 시대를 맞이하여 WiFi, 3G/4G/LTE, Ethernet 위성통신, PLC 등 다양 한 유무선 네트워크가 사용되고 있으나, 무선 센서 및 제어 분야에서는 저전력의 요구와, 통신 QoS의 완화 등으로 ZigBee와 같은 저전력 WPAN 통신 기술의 필요성이 증대되고 있 다. 그러나 ZigBee 기술은 통신거리 및 통신 성능 부족으로 사물인터넷용 무선통신 기술로 의 한계를 노출하기 시작하였고, 더욱이 휴대폰의 대중화로 인한 WiFi 사용의 급증으로 주 파수 포화 상태인 2.4GHz 대역의 주파수 간섭 문제를 해결할 수 있는 고신뢰의 저전력 광 역 WPAN 무선통신 기술의 요구가 급증하기 시작하였다.
IEEE802.15 WPAN 표준 그룹에서는 스마트그리드 기술의 부각과 더불어 전기, 수도, 가 스와 같은 유틸리티의 효율적 관리를 위한 무선 네트워크를 구축하기 위한 새로운 저전력 WPAN 무선통신 기술로 포화 상태인 2.4GHz 대역을 대체하여 양질의 주파수 대역을 사용 하고, 1Km 이상의 넓은 지역에서 통신할 수 있는 고신뢰의 새로운 SUN(Smart Utility Network) 무선통신 표준과 TVWS(TV White Space) WPAN 무선통신 표준 등이 추진되기 시작하였고, 또다른 그룹에서는 건물, 교량, 터널과 같은 사회 인프라 시설의 이상 상태를 모니터링하기에 적합한 LECIM(Low Energy Critical Infrastructure Monitoring) 무선통신 표준 추진이 시작되었다.
이러한 무선통신 표준의 특징은 모두 1Km 이상의 넓은 지역을 커버할 수 있는 광역 WPAN 기술로 개인을 중심으로 10m 내외의 짧은 거리의 서비스반경으로 구성되는 무선 네트워크 개념에서 저전력으로 1Km 이상의 통신 거리로 구성되는 광역 무선 네트워크로 WPAN 개념의 변화를 가져왔으며, 기존 WPAN과 구분하기 위하여 광역 WPAN 이라는 새 로운 용어를 사용하기 시작하였다[2][3][4].
<그림 1-3> WPAN 개념의 변화
출처 : ETRI
제3절 광역 WPAN 무선통신의 발전 방향
사물인터넷은 사람, 사물, 공간, 데이터 등 모든 것이 인터넷으로 서로 연결되어 정보가 생성·수집·공유·활용되는 초연결 인터넷을 의미하며, 적용분야에 따라 개인/공공/산업 IoT로 구분된다. 공공 IoT는 도시·사회 공간 등에 연결되어 공공서비스을 혁신하고, 개인 IoT는 개인 생활제품 등과 연결되어 삶의 질을 향상시키며, 산업 IoT는 제조·유통·물류 등에 활용 되어 산업 효율성을 제고시킬 것으로 기대하고 있다.
<그림1-4> 사물인터넷 개념[11]
<그림 1-5> 사물인터넷 적용 분야별 기대효과[11]
다양한 사물에 탑제된 센서로 부터 수집한 정보를 사물간 네트워크 안에서 주고 받기 위한 수단으로 <그림 1-6>과 같이 다양한 무선통신 기술이 사물인터넷에서 활용되고 있다.
특히 Control & Command 데이터 기반의 센서 네트워크에서는 근거리 무선통신 기술로 WLAN이나 WPAN 무선통신 기술이 많이 활용되어 왔으나 센서 네트워크 특성상 전력 사 용의 부담감 증가와 통신 QoS 완화 등의 이유로 WiFi 보다는 ZigBee나 Bluetooth 같은 저전력 무선통신 기술의 필요성이 증대되고 있다.
<그림 1-6> 사물인터넷 무선통신 인프라
출처 : ETRI
최근 휴대폰의 대중화로 2.4GHz ISM 대역을 사용하는 WiFi, Bluetooth, ZigBee 상호간 의 간섭문제가 부각되기 시작하였고, 이러한 주파수 혼잡 문제를 해결하기 위한 방안으로 양질의 스펙트럼 자원인 Sub-Giga 대역과 TVWS 대역의 활용이 논의되기 시작하였다. 또 한 정보량의 증가를 고려하여 전송속도와 통신거리를 1Km 이상 확장하는 WPAN 기술로 SUN, LECIM, TVWS 무선통신과 같은 광역 저전력 WPAN 기술이 출현하였다[4].
이러한 광역 WPAN 무선통신 기술은 통신거리의 확장으로 단일망 구성이 가능해짐으로 써 혼선에 취약하고 서비스 반경이 짧아 라우팅 기술을 이용하여 먼거리를 전송해야하는 기존의 WPAN 무선통신 기술의 단점을 해결할 수 있는 장점을 가지게되어 다양한 사물인 터넷 서비스의 요구사항을 충족시킬 수 있다.
<그림 1-7> 양질의 무선통신망 확보
출처 : ETRI
<그림 1-8> 양질의 무선통신망 확보
출처 : ETRI
또한 최근 기존 이동 통신망 기지국이나 라디오 안테나에 사물인터넷 네트워크 장비를 부가적으로 설치하여 사물인터넷 전용 무선 통신망을 구축하려는 저전력 장거리 통신인 SigFoX, LoRaWAN Weightless 등 LPWAN (Low-Power Wide Area Network) 기술의 출 현으로 향후 저성능 및 저전력 중심의 광역 WPAN 무선통신의 중요성은 한층 더 강조될 것으로 전망된다.
<그림 1-9> 광역 WPAN 무선통신망 발전 전망
출처 : LPWA 기반 IoT 기술 및 표준화, ETRI, 2016.04
제2장 광역 WPAN 표준화 동향 제1절 IEEE802.15 WPAN 표준화 동향
무선통신에 관련된 국제 표준은 미국 IEEE Project 802 LAN/MAN Standard Committe(802 LMSC)에서 주로 이루어지고 있으며, 802 LMSC 산하에는 <그림 2-1>과 같이 10개의 Working Group(WG)이 운영되고 있다. WPAN에 관련된 무선통신 표준은 WG15에서 담당하고 있다.
<그림 2-1> IEEE802 표준 그룹
출처 : ETRI
IEEE802.15 WPAN 표준 그룹은 <그림 2-2>와 같이 Bluetooth 물리계층을 표준화한 TG1을 시작으로 고속 WPAN 표준 그룹인 TG3와 저속 WPAN 표준 그룹인 TG4에서 활발 한 표준 활동이 이루어지고 있다. WPAN 표준 초창기에는 UWB 기술과 같은 TG3 고속 WPAN 표준이 많은 사람들의 관심을 받았으나, 2010년 이후 ZigBee, 저속 UWB, SUN, LECIM, TVWS와 같은 TG4 저속 WPAN 표준 중심으로 관심이 고조되었다. 또한 최근에는 PHY/MAC 계층 표준뿐만 아니라 Network 계층, 보안 계층, VLC 기술 등 다양한 분야로 표준 활동이 확산되고 있다[5].
<그림 2-2> IEEE802.15 표준 그룹
출처 : ETRI
현재 IEEE802.15. WPAN 표준그룹에서 운용되고 있는 Task Group(TG), Study Group(SG), Interest Group(IG)은 <그림 2-3>과 같으며, 최근에 완료된 표준은 <표 2-1>에 서와 같이 SUN, LECIM, TVWS와 같은 광역 WPAN 기술임을 알 수 있다.
<그림 2-3> 현재 운용 중인 IEEE802.15 표준 그룹
출처 : IEEE802.15
<표 2-1> 완료된 WPAN 표준
표준화 그룹
(Task Group) 표준내용 완료
년도
802.15.1 The lower transport layers of the Bluetooth wireless technology 2002
802.15.2 Coexistence of WPAN with other wireless devices operating in
unlicensed frequency band 2003
802.15.3 High rate WPAN for 20Mbps or greater 2004
802.15.3b IEEE802.15.3 MAC enhancement to improve implementation and
interoperability of the MAC 2007
802.15.3c Milimeter-wave-based alternative PHY for IEEE802.15.3 2009
802.15.4 Low rate WPAN with multi-month to multi-year battery life and very
low complexity 2003
802.15.4a Alternative PHY providing communications ans high precision
ranging/location capability 2007
802.15.4b Enhancements and clearification to the IEEE802.15.4-2003 standard 2007
802.15.4c IEEE802.15.4-2006 and 802.15.4a-2007 PHY amendmen to address
the Chinese regulatory change 2009
802.15.4d PHY/MAC to support a new frequency allocation(950~956) in Japan 2009
802.15.4e MAC amendment to the 802.14.4-2006 for better support the
industrial market ans compatibility 2012
802.15.4f Low cost, low energy consumption and reliable communication for
active RFID and sensor application 2012
802.15.4g PHY/MAC for large scale process control application such as Smart
Utility Network(SUN) 2012
802.15.4j PHY for IEEE802.15.4 in the 2360 to 2400MHz band which complied
with FCC MBAN rule 2013
802.15.4k PHY/MAC for point to multi-thousands of points communication for critical infrastructure monitoring networks 2013
802.15.4m 40kbps~2Mbps PHY/MAC for command & control application using
TV white space 2014
802.15.4p PHY/MAC for sensor control and information transfer application
specification to rail and rail transit 2014
802.15.5 Mesh networking for WPAN(Full mesh topology ot partial mesh
topology) 2009
802.15.6 PHY/MAC for low pow devices and operation on, in or around
human body 2011
802.15.7 PHY/MAC for optical wireless communications using visible
light(audio/vidio multimedia service) 2011
제2절 중요 광역 WPAN 표준화 동향
1. IEEE802.15.4g SUN 표준
IEEE 802.15.4g 표준 그룹에서는 스마트 그리드와 연계하여 전력·수도·가스와 같은 유틸 리티 사용 정보를 유틸리티 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로써 에 너지 소비효율을 높일 수 있도록 하는 국제 공통 규격의 무선 전송기술 표준인 스마트 유 틸리티 네트워크(Smart Utility Network, SUN) 표준 기술을 제정하였다.
<그림 2-4> 스마트 유틸리티 네트워크 개념도
출처 : IEEE802.15.4g
초기 표준화 단계의 SUN 기술은 ZigBee의 단점을 보완하는 관점에서 표준이 논의되다가 스마트 그리드 서비스를 목표로 1Km 서비스 반경의 새로운 WPAN 무선통신 기술을 표준화하는 방향으로 전환되었는데, 이는 통신거리를 확장함으로써 광역 WPAN 이라는 새로운 개념을 만들어 내는 계기가 되었다[3][4].
IEEE802.15.4g 표준 그룹에서는 SUN을 지원하기 위한 무선 전송 기술의 요구 조건으로 낮은 가격의 구현 구조, 최소 40 Kbps에서 최대 1Mbps 미만의 데이터 전송률 제공, 패킷당 1500 Octet 이상의 데이터량 제공, 최소 3개 이상의 동시 운용 가능한 네트워크 제공, 혼잡한 주파수에서 성공적인 운용을 보장하기 위한 주파수 공유 기술 및 지하실과 같은 열악한 SUN 환경에서 최적의 에너지 효율적인 링크마진을 제공하는 것이다.
IEEE802.15.4g SUN 표준 요구 사항은 <표 2-2>와 같다.
<그림 2-5> IEEE802.15.4g SUN 무선통신 기술
출처 : ETRI
<표 2-2> IEEE802.15.4g SUN 표준 요구 사항 [8]
IEEE802.15.4g 표준 그룹은 Silver Springs Networks, ITRON, ELSTER, ATMEL, LANDIS & GYR 등과 같은 유틸리티 서비스 관련 업체를 중심으로 제안하였다[4].
<그림 2-6> IEEE802.15.4g SUN 표준 제안 기술 및 제안 그룹
출처 : ETRI
2008년 2월 Task Group으로 승인된후 2009년 5월 24개의 제안서가 접수되었다. 이때 제안된 기술은 크게 MR-FSK, MR-OFDM 및 MR-O-QPSk 기술로 통합되었으며, 2011년 WG Letter Ballot, 2013년 Sponsor Ballot을 통과하여, 2012년 4월 최종 표준으로 승인되었다.
<그림 2-7> IEEE802.15.4g SUN 표준 일정
출처 : ETRI
2. IEEE802.15.4k LECIM 표준
IEEE802.15.4g SUN 표준화 과정에서 전기·가스·수도, 통신, 농업, 난방, 공공 의료 시설, 운송시스템, 안전 서비스 등 매우 넓은 지역에 분포된 주요 시설의 위치와 상태들을 최소의 인프라와 최소의 유지보수로 무선 관리하는 시스템의 필요성을 강조하는 그룹이 형성되었 다. 이 그룹에서는 기존의 ZigBee 무선통신 기술이나 표준화 중인 SUN 무선통신 기술로는 최소 인프라, 최소 유지보수의 광역 M2M/IOT 서비스 구축이 어렵다는 결론을 내리고, 수 Km의 서비스 반경, 10~20년 이상의 배터리 수명, 저속 데이터 전송속도, 서비스 운용의 용 이성 등의 요구사항을 수용하여 저전력으로 사회 기반 시설을 효과적으로 모니터링 할 수 있는 새로운 무선 기술의 표준을 추진하기 위한 IEEE802.15.4k LECIM 표준 그룹을 구성 하였다[4].
<그림 2-8> LECIM 개념도
출처 : IEEE802.15.4k
<그림 2-9> LECIM 표준 제안 기술 및 제안 그룹
출처 : ETRI
IEEE802.15.4k LECIM 표준 그룹은 미국의 On-Ramp Wireless, Silver Springs Networks ITRON 등이 주도하여 2010년 Study Group이 구성되었으며, 2011년 Task Group 4K로 승인되어 공식적인 표준화 작업이 시작되었다. IEEE802.15.4k LECIM 표준 요 구사항은 <표 2-3>과 같다.
2011년 PHY 및 MAC 계층의 표준안들이 접수되었으며, 한국에서도 ETRI와 인하대학교 에서 제안서를 제출하고 표준화 작업에 적극적으로 참여하였다. LECIM 표준화 과정에서 미국의 On-Ramp Wireless는 자사가 보유하고 있는 기술인 DSSS 방식의 PHY 표준을, Silver Springs Networks ITRON, ETRI 등에서는 SUN 표준에서 채택한 FSK 방식의 PHY 표준을 주장하였고, 2012년 DSSS와 FSK 방식을 모두 수용한 복수의 PHY 표준이 Letter Ballot과 Sponsor Ballot을 통과하여 2013년 최종 표준으로 승인되었다.
<표 2-3> IEEE802.15.4K LECIM 표준 요구 사항 [9]
<그림 2-10> IEEE802.15.4k LECIM 표준 일정
출처 : ETRI
3. IEEE802.15.4m TVWS 표준
최근 다양한 무선 단말 사용의 급증에 따른 무선 트래픽 사용의 폭발적인 증가로 인해 주파수 자원의 필요가 자연스럽게 증가하여 효율적 주파수 사용에 대한 관심이 커지고 있 다. 이에 따른 해결방법으로 많은 주파수 공유 기술이 연구되고 있으며, TVWS를 사용한 주 파수 공유 기술 또한 각광을 받고 있다. TVWS는 TV방송 대역 중에 공간적으로 사용하지 않는 대역을 나타낸다[6].
TVWS는 낮은 주파수 대역을 이용함에 따라, 높은 주파수 대역을 이용하는 경우와 비교 하여 전파 도달 거리가 길고, 전파의 투과성 등이 우수한 장점을 가지고 있어 IEEE 802.22 WRAN, IEEE 802.11 WLAN, IEEE 802.15 WPAN 등 여러 표준 그룹에서 TVWS 대역을 사용하는 표준화를 진행하였다.
<그림 2-11> 국내 TV 대역 주파수 환경
출처 : ETRI
<그림 2-12> TVWS 표준화 동향
출처 : ETRI
TVWS WPAN 기술은 소출력 및 낮은 대역폭 특성으로 모든 미점유 TV 채널을 할당받 을 수 있어 TVWS 자원 효율성을 극대화하고, 기존의 WRAN/WLAN 그룹에서 추진 중인 TVWS 활용 기술에 비해 주파수 확보가 유리하고 간섭 영향이 작은 장점을 가지고 있다.
즉 TV 6MHz 채널을 다수개의 채널로 나누어 사용할 수 있어 TV 6MHz 채널 전체를 사용 하는 TVWS WLAN 기술에 비하여 상대적으로 채널 확보가 유리하고 망 구성이 용이한 장 점을 가지고 있다.
<그림 2-13> TVWS WLAN 과 TVWS WPAN 비교
출처 : ETRI
IEEE802.15.4m TVWS WPAN 표준은 2011년 IEEE802.15.4g SUN 무선통신 기술을 TVWS에 활용하는 목적으로 2011년 SUN 표준에 참여했던 미국의 Silver Springs Network, 일본의 NICT, 한국의 ETRI가 중심이 되어 표준 그룹을 구성하였다. TVWS WPAN 표준화는 주로 TVWS 대역 내에서의 PHY 기술과 IEEE 802.15.4의 MAC을 기반으로 TVWS PHY를 지원하기 위한 MAC 기능의 보완에 대해 표준화를 추진하였다. IEEE802.15.4m TVWS WPAN 표준 요구 사항은 <표 2-4>와 같다.
<표 2-4> IEEE802.15.4m TVWS 표준 요구 사항 [10]
2012년 7월 최종적으로 8개의 제안서가 접수되었으며, 응용의 다양성을 추구하기 위해 서 하나의 전송기술로만 표준화를 진행하지 않고, 전송기술 유형에 따라 FSK, OFDM, NB-OFDM 기술로 분류하여 하나의 통합 표준안을 작성하기로 하였다. 미국의 Silver Springs Networks는 TVWS-FSK 표준을, 한국의 ETRI에서는 TVWS-OFDM 표준을, 일본의 NICT에서는 TVWS-NB-OFDM 표준을 주도하였고, 2013년 Letter Ballot 과 Sponsor Ballot 을 통과하여 2014년 최종 표준이 승인되었다[7].
<그림 2-14> IEEE802.15.4m TVWS WPAN 표준 일정
출처 : ETRI
제3절 광역 WPAN 표준 기술 개요
1. SUN 무선통신 기술
IEEE 802.15.4g SUN 물리계층 표준에서는 <그림 2-15>와 같이 MR-FSK, MR-OFDM 및 MR-O-QPSK 세 종류의 PHY를 SUN 디바이스를 위한 표준으로 채택하였다. 표준에서 사용하고 있는 MR은 다양한 데이터 전송률을 제공할 수 있다는 의미의 Multi-Rate와 다양 한 지역에 적합한 시스템 규격을 제공할 수 있다는 Multi-Region의 의미를 포함하고 있다.
<그림 2-15> SUN 무선통신 PHY-Layert 표준
출처 : ETRI
MR-FSK SUN PHY는 전송신호가 일정하기 때문에 전송 전력 효율이 좋다는 장점이
있고, MR-O-QPSK SUN PHY는 현재 IEEE 802.15.4-2006 O-QPSK PHY와 그 특징을 공유할 수 있어 설계가 수월하다는 장점이 있다. 그리고 MR-OFDM SUN PHY는 열악한 무선 환경에서 신뢰성 있는 데이터 통신과 상대적으로 고속인 전송속도를 가질 수 있다는 장점이 있다.
(1) MR-FSK SUN PHY-Layer 표준 기술
저속 저전력의 MR-FSK SUN PHY는 전송 스펙트럼 마스크를 만족하는 2 또는 4 레벨 Filtered FSK 변조방식을 사용하며, 반드시 지원을 해야하는 하나의 의무적 데이터 전송률 모드와 두개의 선택적 데이터 전송률 모드를 규정하고 있다. 각 주파수 대역에 대한 데이터 전송률을 <표 2-5>에 나타내었다.
<표 2-5> MR-FSK 모듈레이션과 채널 파라미터[8]
MR-FSK SUN PHY의 PPDU 패킷 구조는 <그림 2-16>과 같다.
<그림 2-16> MR-FSK PPDU 패킷 포맷 [8]
SHR(Synchronization Header)은 “01010101”의 Multiple String Bits로 구성되는 프리 앰블(Preamble)과 <표 2-6>과 같이 4개 패턴을 사용하는 SFD(Start Frame Delimiter)로 구성된다.
<표 2-6> MR-FSK SFD values [8]
PHR(PHY Header)는 <그림 2-17>과 같이 Packet Control Field(Mode switch, Reserved, FCS Length, Data Whitening)와 Frame Length Field로 구성되며 총 16 bit 가 사용된다.
<그림 2-17> MR-FSK PHR Format [8]
<그림 2-18>은 MR-FSK SUN PHY에 대한 송신 기능 블록 다이어그램이다. 유틸리티 사업자들이 가장 선호하는 MR-FSK SUN PHY는 기본적으로 저전력 설계를 목표로 하고 있어, 심볼 매핑과 FSK 변조를 제외한 나머지 모든 구조는 응용 및 적용 환경에 따라
옵션으로 선택할 수 있도록 하는 매우 간단한 구조를 가지고 있다. 즉 채널 오류 정정을 위한 Forward Error Correction(FEC) Coding Block과 Bit Stream의 DC Bias를 없애기 위한 Data Whitening Block은 옵션으로 규정하였다.
<그림 2-18> MR-FSK SUN PHY 송신 기능 블록도 [8]
FEC는 Convolutional encoder가 사용되었고 <그림 2-19>와 같은 부호율 1/2, 구속장 K=4의 RSC(Recursive and Systematic Code) 또는 NRNSC (Non-Recursive and Non-Systematic Code)를 선택하여 사용할 수 있도록 하였다.
<그림 2-19> MR-FSK Convolutional Encoder [8]
또한 FEC 사용시 Interleaver 적용도 옵션이며 <그림 2-20>과 같다.
<그림 2-20> MR-FSK PHY Interleaver [8]
Data Whitening Bits는 <그림 2-21>과 같은 PN9 Sequence Generator에서 발생된 PN9 Bits 와 PSDU bit가 XOR 되어 생성된다.
<그림 2-21> PN7 Sequence Generator [8]
MR-FSK SUN PHY 표준에서 규정한 무선 파라미터를 정리하면 <표 2-7>과 같다.
<표 2-7> MR-FSK Radio Parameters [8]
(2) MR OFDM-SUN PHY-Layer 표준 기술
고신뢰성 데이터 통신을 목표로 하는 MR-OFDM SUN PHY-Layer 표준은 <표 2-8>과 같이 데이터 전송률 50 ~ 800Kbps를 제공할 수 있으며, 데이터를 전송하기 위해 필요한 FFT Size에 따라 4가지 옵션을 제공할 수 있다. 표준 규격은 옵션 1부터 옵션 4까지 128, 64, 32 및 16의 FFT Size를 지원할 수 있다. 또한 특정 옵션(1,2,3 or 4)을 지원하는 모든 디바이스는 특정 옵션에서 제공할 수 있는 모든 BPSK와 QPSK변조를 사용하는 MCS(Modulation and Coding Scheme)모드를 반드시 제공할 수 있어야 하며, 모든 16-QAM MCS 모드는 옵션으로 제공할 수 있도록 하였다.
<표 2-8> MR-OFDM SUN PHY 옵션별 규격 [8]
MR-OFDM 시스템은 <그림 2-22>와 같이 Subcarrier 간격을 10.407KHz로 고정하고 FFT 사이즈를 옵션에 따라 128에서 16까지 조절할 수 있도록 함으로써, 채널 당 차지하는 전체 점유 대역폭을 1.2MHz~200KHz까지 조절할 수 있도록 하였다. 이러한 다양한 옵션들은 세계 각국의 기술기준에서 정한 채널 배치 기준에 맞게 선택적으로 옵션을 사용할 수 있도록 한 것이다.
<그림 2-22> MR-OFDM의 옵션에 따른 FFT 사이즈 [8]
MR-OFDM SUN PPDU 패킷 구조는 <그림 2-23>과 같이 STF(Short Training Field), LTF(Long Training Field)로 구성된 SHR, 그리고 PHR, PSDU 로 구성되어 있다.
<그림 2-23> MR-OFDM PPDU Packet Format [8]
5개 옵션별 STF와 LTF는 표준 문서에 표로 정의되어 있으며, STF와 LTF를 구분하기 위해 <그림 2-24>와 같이 마지막 STF의 1/4 주기의 STF는 부호가 반전되어 있다.
<그림 2-24> STF와 LTF의 구분 [8]
PHR 구조는 <그림 2-25>와 같으며, 옵션 1에서는 3개의 OFDM 심볼들을, 나머지 옵션 들에서는 6개의 OFDM 심볼들을 점유한다.
<그림 2-25> MR-OFDM SUN PHR 구조 [8]
MR-OFDM 시스템의 송신 블록도를 도시하면 <그림 2-26>과 같다.
<그림 2-26> MR-OFDM 송신 기능 블록도 [8]
PHR은 각 옵션에서 제공하는 가장 낮은 MCS 모드를 이용하며, Scrambler를 사용하지 않고 데이터를 전송한다. 또한 부호율이 1/2인 데이터 전송률 모드 MCS0~3까지는 Convolutional Encoder를 사용하기 때문에 Punturer를 사용하지 않고 데이터를 전송한다.
(2) MR OFDM-SUN PHY-Layer 표준 기술
MR-O-QPSK SUN PHY는 전체 PPDU를 통틀어 고정된 Spreading 값을 사용하는 IEEE802.15.4 PHY의 Direct Sequence Spread Spectrum(DSSS) 전송 방식과는 달리 PSDU동안 다중 데이터 전송률 모드를 지원하기 위해 다른 Spreading 모드들이 사용되고 있으며, 다중 경로 환경에서의 성능을 향상시키기 위해 부호율 1/2인 Convolutional
Encoder와 Interleaving을 적용하였다.
MR-O-QPSK는 Spreading 모드에 따라 크게 DSSS와 Multiplexed DSSS (MDSSS)를 지원할 수 있으며, DSSS 방식은 <표 2-9>에서 보듯 허용 가능한 모든 주파수 대역을 지원할 수 있으며, MDSSS 방식은 779~787, 902~928MHz대역과 2400~2450MHz대역만을 지원할 수 있다.
<표 2-9> 주파수 대역에 따른 MR-O-QPSK 채널 파라미터 [8]
MR-O-QPSK SUN PPDU 패킷 구조는 <그림 2-27>과 같이 프리앰블(Preamble)과 SFD로 구성된 SHR, PHR, PSDU 로 구성되어 있다.
<그림 2-27> MR-O-QPSK Packet Format [8]
MR-O-QPSK PHY의 Preamble은 780 MHz, 915 MHz 및 2450 MHz 대역에서는 8-zero octets의 Sequence, 868 MHz 대역에서는 4-zero octets Sequence를 포함해야 하고, SFD는 <표 2-10>과 같이 2개 패턴의 8 bits Sequence 사용한다. PHR은 packet control 5 bits를 포함한 총 16 bits가 할당되어 있으며, PSDU는 최대 2047 bytes 까지 사용할 수 있다.
<표 2-10> MR-O-QPSK SFD Value [8]
<그림 2-28>은 MR-O-QPSK의 DSSS 송신 구조를, <그림 2-29>는 MR-O-QPSK의 MDSSS 송신 구조를 보이고 있으며, SHR와 PHR은 동일한 구조를 사용하고 PSDU에서만 DSSS모드와 MDSSS모드를 선택하여 전송할 수 있다.
MR-O-QPSK SUN DSSS PHY 수신기에서 요구하는 수신 감도는 <표 2-11>과 같으며, MR-O-QPSK SUN MDSSS PHY 수신기에서 요구하는 수신 감도는 <표 2-12>와 같다.
<그림 2-28> MR-O-QPSK DSSS 송신 구조 [8]
<그림 2-29> MR-O-QPSK MDSSS 송신 구조 [8]
<표 2-11> DSSS PHY 요구 수신기 감도[dBm] [8]
<표 2-12> MDSSS PHY 요구 수신기 감도[dBm] [8]
Band identifier Frequency range(MHz) Bandwidth
(kHz) Modulation Chip rate (kchips/s)
470 470–510 100 BPSK 100
O-QPSK 200
780 779–787 1000 BPSK 1000
O-QPSK 2000
863 863–870 100 BPSK 100
O-QPSK 200
915 902–928
200 BPSK 200
O-QPSK 400
400 BPSK 400
O-QPSK 800
600 BPSK 600
2. LECIM 무선통신 기술
IEEE 802.15.4k LECIM 물리계층 표준에서는 <그림 2-30>에서와 같이 신뢰성과 저전력 에 중심을 둔 DSSS-PHY 와 FSK-PHY가 고려되었으며, DSSS-PHY는 고신뢰성의 QoS 보 장이 필요한 서비스에, FSK-PHY는 전기, 수도, 가스 등 소비전력이 중요한 서비스에 선택 적으로 사용될 것이다.
<그림 2-30> IEEE802.15.4K LECIMPHY-Layer 표준
출처 : ETRI
(1) LECIM DSSS-PHY 표준 기술
LECIM DSSS-PHY는 열악한 통신 환경에서 고신뢰의 통신을 목표로 하고 있어 높은 Processing Gain을 요구한다. 표준에서 요구하는 수신 감도는 Spreading Factor에 따라 – 108dBm ~ -141 dBm으로 규정하고 있다. 각 주파수 대역에 대한 채널 파라미터를 <표 2-13>에 나타내었다.
<표 2-13> LECIM DSSS-PHY 운용 주파수 범위 [9]
O-QPSK 1200
800 BPSK 800
O-QPSK 1600
1000 BPSK 1000
O-QPSK 2000
922 915–928
200 BPSK 200
O-QPSK 400
400 BPSK 400
O-QPSK 800
600 BPSK 600
O-QPSK 1200
800 BPSK 800
O-QPSK 1600
1000 BPSK 1000
O-QPSK 2000
917 917.1–923.5
200 BPSK 200
O-QPSK 400
400 BPSK 400
O-QPSK 800
600 BPSK 600
O-QPSK 1200
800 BPSK 800
O-QPSK 1600
1000 BPSK 1000
O-QPSK 2000
920 920–928
200 BPSK 200
O-QPSK 400
400 BPSK 400
O-QPSK 800
600 BPSK 600
O-QPSK 1200
800 BPSK 800
O-QPSK 1600
1000 BPSK 1000
O-QPSK 2000
921 921–928
200 BPSK 200
O-QPSK 400
400 BPSK 400
O-QPSK 800
600 BPSK 600
O-QPSK 1200
800 BPSK 800
O-QPSK 1600
1000 BPSK 1000
O-QPSK 2000
2450 2400–2483.5 1000 BPSK 1000
O-QPSK 2000
LECIM DSSS-PHY Packet 구조는 <그림 2-31>과 같이 SHR 과 PSDU 로 구성되어 있다. SHR은 주파수, 심볼, 그리고 프레임 동기를 찿는데 사용되며, Preamble과 SFD로 구성되어 있으며 값은 <표 2-14>와 같다. PSDU Length가 고정되어 있어 보통 Length를 포함하고 있는 PHR가 존재하지 않는다.
<그림 2-31> LECIM DSSS PPDU 패킷 구조 [9]
<표 2-14> LECIM DSSS Preamble 과 SFD 값 [9]
<그림 2-32>는 LECIM DSSS PHY 송신 구조를 보여준다. 신뢰성 향상 및 Interference rejection을 위해 Gold code 와 Walsh code 일종인 OVSF (othogonal Variable Spreading Factor) code를 사용한다.
<그림 2-32> IEEE802.15.4K LECIM DSSS 송신 구조 [9]
FEC는 구속장 k=7 인 1/2 Convolution code를 사용하고 encoder의 구조는 <그림 2-33>과 같으며, + 는 Modulo-2 addition을 표시한다. Convolution code 출력은 Pruned bit Reversal Interleaving Algorithm을 사용하여 Interleave된다.
<그림 2-33> LECIM DSSS PHY Convolutional Encoder [9]
각 입력 bit는 2진 심볼로 맵핑되어 Spreading Factor와 함께 Chip-rte에 따라 확산되 는데, <그림 2-34>는 SF=8인 LECIM DSSS PHY 의 Bit-to-chip 구성도를 보여준다.
<그림 2-34> Bit-to-chip diagram for LECIM DSSS PHY [9]
Spreading Factor에 따른 최소 수신기 감도는 <표 2-35>에 보여주고 있다.
<표 2-35> Minimum LECIM DSSS PHY receiver sensitivity (dBm) [9]
(2) LECIM FSK-PHY 표준 기술
LECIM FSK-PHY는 협대역을 사용함으로써 전송속도는 40Kbps 이하로 매우 낮으나, 잡 음 레벨이 낮아 수신 감도가 양호하고, 채널 개수가 많아 패킷 충돌 확률이 낮은 장점을 가지 고 있다. 주파수 대역에 따른 채널 파라미터는 <표 2-16>과 같다.
LECIM FSK Packet 구조는 <그림 2-35>와 같이 SHR, PHR, PSDU로 구성되어 있다.
SHR은 8bit Sequence “01010101”의 반복으로 구성되는 Preamble과 <표 2-17>과 같이 3-octets Sequence로 구성되는 SFD로 구성된다.
<표 2-16> LECIM FSK-PHY 운용 주파수 범위 [9]
Band identifier Frequency range (MHz)
Bandwidth
(kHz) Modulation Bit rate (kbits/s)
169 169.400–169.475
25 FSK/GFSK/
P-FSK/P-GFSK
25
12.5 12.5
433 433.050–434.790
37.5
FSK/GFSK/
P-FSK/P-GFSK
37.5
25 25
12.5 12.5
470 470–510
37.5 FSK/GFSK/
P-FSK/P-GFSK
37.5
25 25
12.5 12.5
780 779–787
37.5 FSK/GFSK/
P-FSK/P-GFSK
37.5
25 25
12.5 12.5
863 863–870
37.5 FSK/GFSK/
P-FSK/P-GFSK
37.5
25 25
12.5 12.5
915 902–928
37.5 FSK/GFSK/
P-FSK/P-GFSK
37.5
25 25
12.5 12.5
922 915–928
37.5 FSK/GFSK/
P-FSK/P-GFSK
37.5
25 25
12.5 12.5
917 917.1–923.5
37.5 FSK/GFSK/
P-FSK/P-GFSK
37.5
25 25
12.5 12.5
920 920–928
37.5 FSK/GFSK/
P-FSK/P-GFSK
37.5
25 25
12.5 12.5
921 921–928
37.5
37.5 FSK/GFSK/
P-FSK/P-GFSK
37.5
25 25
12.5 12.5
<그림 2-35> LECIM FSK PPDU Packet Format [9]
<표 2-17> 3-Octet Sequence SFD Value [9]
PHR는 <그림 2-36>와 같이 Parity field가 추가되었고, FCS Length를 표시하는 FCS Type field는 O은 4-octet FCS, 1은 2-octet FCS를 의미한다. Data Whitening fields는 Whitening 동작 여부를 표시하며, Frame Length field는 PSDU에서 FEC 코딩 전 PSDU에 포함된 총 octets의 수를 의미한다.
<그림 2-36> PHR Format [9]
LECIM FSK 송신 구조는 <그림 2-37>과 같이 SUN FSK 송신 구조와 매우 유사하다. 각 나라별 법규 및 지역별 무선 환경에 따라 적용 가능한 Optional Reliability Enhancing Features (Whitening, FEC & Interleaving, Spreading)를 동일하게 채택하고 있으나, 24-bits SFD Sequence, 구속장 K=7인 Convolution Code FEC, 독립적인 PHR과 PSDU Interleaving, 그리고 Spreading을 통해 SUN FSK 보다 향상된 Reliability를 추구하고 있다.
Data Whitening은 SUN FSK의 방법과 동일하다.
<그림 2-37> LECIM FSK PHY 송신 구조 [9]
3. TVWS 무선통신 기술
IEEE 802.15.4m TVWS WPAN 물리계층 표준에서는 <그림 3-38>과 같이 TVWS-FSK PHY, TVWS-OFDM PHY, TVWS-NB-OFDM PHY로 규정하고 있으며, 사용될 응용과 사용 자의 요구에 따라 선택하여 사용할 수 있다.
Supported bands
field bit number Frequency band
0 TVWS Band USA
1 TVWS Band UK
2 TVWS Band Japan
3 TVWS Band Canada
4 TVWS Band Korea
5 450-470 MHz
6 470-510 MHz
7 779-787 MHz
8 863-870 MHz
9 896-901 MHz
10 901-902 MHz
11 902-928 MHz
12 917-923.5 MHz
13 928-960 MHz
14 920-928 MHz
15 950-958 MHz
16 1427-1518 MHz
17 2400-2483.5 MHz
<그림 2-38> TVWS WPAN PHY-Layer 표준
출처 : ETRI
IEEE 802.15.4m의 주파수 대역은 <표 2-18>과 같다. 각 나라별 TVWS 주파수 대역 이 외에 TVWS 대역 사용이 불가할 경우를 대비하여 IEEE 802.15.4g 의 주파수 대역[5]을 추 가로 지원한다.
<표 2-18> IEEE 802.15.4m 주파수 대역
(1) TVWS FSK-PHY 표준 기술
TVWS-FSK 표준은 최소 50 kbps 부터 최대 400 kbps를 지원하며, pulse shaping은 각 TVWS 규정에 따라 사용할 수 있으므로 따로 지정은 안되어 있다. <표 2-19>는 TVWS-FSK 표준의 전송속도별 변조방식 및 채널 변수를 나타낸다.
<표 2-19> TVWS-FSK 전송속도별 시스템 변수 [10]
TVWS-FSK PHY는 IEEE802.15.4g MR-FSK SUN 과 호환성을 유지할 수 있는 구조이 다. PPDU 패킷 Format은 <그림 2-39>와 같이 SHR, PHR, PSDU로 구성된다. SHR은 8-bit Sequence “01010101” 의 배수가 사용되는 Preamble과 <표 2-20>과 같이 SUN과 호환할 수 있는 16bits SFD와 성능 향상을 위해 24bit SFD로 구성되어 있다.
<그림 2-39> TVWS-FSK PPDU Format [10]
<표 2-20> TVWS-FSK SFD Values [10]
PHR 포맷은 <표 2-21>과 같으며, Rangimg field(RNG)는 Ranging 사용의 유무를 나타 내며 사용할 경우 1, 사용하지 않을 경우 0으로 표시된다. Parity Check(PC) Field는 오류 탐지를 위해 준비되었고, FCS Type는 FCS field의 길이를 가르키고 있다. Data Whitening(DW) 는 PSDU의 data Whitening 유무를 나타 내고, PSDU에 data Whitening 이 적용될 경우 1, 적용되지 않을 경우 0으로 표시된다. Frame Length는 FEC encoding 전 PSDU를 포함한 Octets의 총 수를 의미한다.
<표 2-21> TVWS-FSK PHY Format [10]
TVWS-FSK의 송신 블록도는 <그림 2-40>과 같으며, SUN-FSK, LECIM-FSK와 마찬가 지로 각 나라별 TVWS 법규 및 지역별 무선 환경에 따라 적용 가능한 Optional Reliability Enhancing Features (Whitening, FEC & Interleaving, Spreading) 채택하고 있다. FEC Interleaving은 LECIM-FSK PHY와 동일한 방식을 채택하고 있으며, Data Whitening은 SUN-FSK PHY 방식과 동일하다. 또한 Spreading은 LECIM PHY 방식과 동일하다.
<그림 2-40> TVWS-FSK 송신 구성도 [10]
(2) TVWS OFDM-PHY 표준 기술
TVWS-OFDM 표준은 6MHz TV 1채널 당 4개 채널을 할당하여 390.625Kbps, 781.250Kbps, 1562.5Kbps 데이터 전송률을 제공하는 Mandatory Mode와 6MHz TV 1채 널 전체를 이용하여 최대 6250Kbps 데이터 전송률을 제공하는 Optional Mode를 가지고 있다. Subcarrier spacing은 1250/128 kHz로 동일하며, Symbol rate는 7.8125k
symbols/sec로 심볼 당 128 us에 해당된다. 이 심볼은 1/4 길이의 Cyclic Prefix(CP 25.6us)와 base symbol(102.4us)를 포함하고 있다. <표 2-22>는 TVWS-FSK 표준의 전송 속도별 변조방식 및 채널 변수를 나타낸다.
<표 2-22> TVWS-FSK 전송속도별 시스템 변수 [10]
TVWS-OFDM PPDU는 <그림 2-41>과 같이 SHR, PHR PSDU로 구성된다. SHR은 Short Training field(STF)와 Long Training Field(LTF)로 구성되는데 주파수 영역에서 시 간영역으로 변환과 이 시간 영역 Sequence의 CPs나 미리 정해진 반복을 넣는 연산의 규 범적인 집합이다.
<그림 2-41> TVWS-OFDM PPDU 포맷[10]
PHR 포맷은 <표 2-23>와 같으며, Rangimg field(RNG)는 Ranging 사용의 유무를 나타 내며 사용할 경우 1, 사용하지 않을 경우 0으로 표시된다. Rate Field는 Payload의 전송속 도를 나타내며, Frame Length는 FEC encoding 전 PSDU를 포함한 Octets의 총 수를 의 미한다. Scrambler field는 제조사에 의해 정의된 Scramble seed를 나타낸다. 모두 0으로 구성되는 Tail bit Field는 Viterbi decoder flushing을 위함이다.
<표 2-32> TVWS-OFDM PHR Format [10]
TVWS-OFDM의 송신 블록도는 <그림 2-42>와 같으며, PHR은 Whitener를 사용하지 않 고 데이터가 전송되고, FEC는 <그림 2-43>과 같은 Constraint length 7의 1/2 Code rate 를 가지는 Convolutional code를 사용한다.
<그림 2-42> TVWS-FOFDM 송신 구성도 [10]
<그림 2-43> TVWS-OFDM Convolutional Encoder [10]
TVWS-OFDM의 Pilot 와 Null Tone의 수는 <표 2-24>과 같이 정의되며, <그림 2-44>
는 Pilot들을 보여 주고 있는데 Pilot와 Data tone를 위한 Subcarrier를 –54 ~ 54 로, DC tone은 가운데 O으로 표시되었다.
<표 2-24> TVWS-OFDM Pilot와 Null tone 수 [10]
<그림 2-44> TVWS-FOFDM Pilot Tones [10]
TVWS-OFDM 최저 수신감도는 <표 2-25>와 같이 규정하고 있다.
<표 2-25> TVWS-OFDM 수신 감도 규정 [10]
(3) TVWS NB-OFDM-PHY 표준 기술
TVWS-NB-OFDM은 TVWS 대역에서 광대역 OFDM을 사용할 수 없을 때, 협대역으로 사 용하기 위한 기술로써 데이터 전송률 156Kbps~1638Kbps를 지원하며, Subcarrier Spacing은 125/126으로 동일하게 고정되어 있다. Mandatory Symbol rate는 0.962KHz 로 심볼당 1039.5us으로 1/32 길이의 cyclic Prefix(31.5us)와 base symbol(1008us)로 구 성되어 있다. 또한 1/16(63us) 혹은 1/8(126.0us)인 Optional Cyclic Prefix는 큰 멀티페스 지연을 지원해 줄 수 있다. 18Mps 이상의 전송속도를 얻기 위해 Channel aggregation은 Optional로 지원한다. <표 2-26>은 TVWS-NB-OFDM 표준의 전송속도별 변조방식 및 채널 변수를 나타내고, <표 2-27>은 전송속도를 보여준다.
<표 2-26> TVWS-NB-OFDM 시스템 변수 [10]
<표 2-27> TVWS-NB-OFDM 전송 속도 [10]
TVWS-NB-OFDM PPDU는 <그림 2-45>와 같이 SHR, PHR PSDU로 구성된다. SHR은 Short Training field(STF)와 Long Training Field(LTF)로 구성되는데 주파수 영역에서 시
간영역으로 변환과 이 시간 영역 Sequence의 CPs나 미리 정해진 반복을 넣는 연산의 규 범적인 집합이다.
<그림 2-45> TVWS-NB-OFDM PPDU Format [10]
PHR 포맷은 <표 2-28>과 같으며, TVWS-OFDM과 동일하며, 추가된 Channel Aggregation Field는 Channel aggregation에 사용된 Subchannel의 총 합을 나타내며, Channel Aggegation을 사용하지 않은 경우 0으로 표시된다.
<표 2-28> TVWS-NB-OFDM PHR Format [10]
TVWS-NB-OFDM의 송신 블록도는 <그림 2-46>과 같으며, FEC는 <그림 2-47>과 같은 RS Convolutional encoder를 사용한다.
<그림 2-46> TVWS-NB-OFDM 송신 구성도 [10]
<그림 2-47> TVWS-NB-OFDM RS Convolution Encoder [10]
TVWS-NB-OFDM 최저 수신감도는 <표 2-29> 과 같이 규정하고 있다.
<표 2-29> TVWS-NB-OFDM 수신감도 규정 [10] 제3장 사물인터넷(IoT) 표준화 및 특허동향
제1절 사물인터넷 표준화 개요
사물인터넷(IoT)은 인터넷을 기반으로 다양한 물리적(physical) 및 가상(virtual)의 사물을 연결하여 언제 어디서나 상황에 맞는 최적의 서비스를 제공하기 위한 글로벌 서비스 인프 라 기술로 정의되고 있다.
IoT 서비스는 물리/가상 사물 연계, 협업하여 지능형 서비스를 제공하는 IoT 플랫폼, 모든 사물을 인터넷을 통해 상호 연결하여 소통하는 IoT 네트워크, 사물을 지능화시켜 스마트 인 터렉션을 제공하는 IoT 디바이스, 프라이버시 보호와 안전한 시스템 운영을 보장하는 IoT 보안 등을 통해 제공된다.
<그림 3-1> IoT 개요도
출처: IoT 표준화전략맵 추진경과 참고, K-ICT 표준화전략맵 2016
지금까지 정보통신기술 환경은 인간이 개입하여 인터넷을 중심으로 하는 멀티미디어 콘텐 트 기반이었으나, 인터넷을 기반으로 다양한 물리적 및 가상의 사물들을 연결하여 진보된 서비스를 제공하는 글로벌 서비스 인프라 기술인 IoT로 진화하고 있다. ITU-T에서 IoT, USN 및 MOC, 3GPP에서 MTC, ETSI에서 M2M, IETF/IRTF에서 IoT, Smart object, constrained node/network, 6lowpan, Roll, Core, oneM2M에서 M2M으로 다양한 형태로 표준화가 진행되고 있다. 특히 M2M 기술은 이미 오래전부터 여러 표준화 기구에서 잘 정 리된 개념으로 기술개발이 되고 있으나, IoT는 다양한 기술이 융복합되고 다양한 도메인이 연결되어 있다. 이와 같은 IoT 관련 기술들을 체계적으로 개발하고 상호운용성을 확보하기 위해서 표준화가 필요하다.
대량 제조에 대한 생산성 혁신과 다양한 소비자 요구를 충족시키기 위한 즉시 적응적 다 품종 제조 및 공급 환경을 제공하기 위해, 기존 제조 공정에 사물인터넷, 빅데이터, 클라우 드컴퓨팅 등과 같은 ICT 기술의 융합은 이질적 요소들 간의 상호운용성 복잡도를 대폭 증 대시키므로 표준을 기반으로 추진하여야 하며, ICT 기술을 통해 기존 제조 시스템을 융합 시키는 데에 표준 기반 추진이 필요하다.
IoT 기술은 IoT 기반의 융합 서비스 신산업 창출로 인해서, 개방화, 수평화, 상호호환성 요구가 증대되고 오픈소스 디바이스 플랫폼/개발 도구가 필요하다. 인터넷에 연결되는 사물 의 수가 증가함으로 대용량 트래픽 최적화 제어 및 저전력/비면허 통신이 요구되고 경제적/
물리적 안전 보장을 위한 보안, 프라이버시가 필요하다. 공적 표준화 기구와 사실 표준화 기구, 기업간 연합체 중심으로 표준화 주도권 확보를 위해 경쟁 중이며, 다양한 종류의 사 물이 상호 연결되어 정보를 교류하게 되는 IoT 환경은 상호
운용성 지원을 위한 표준 개발이 필요하다.
■ 중점 표준화 항목
IoT는 ITU-T, ISO, JTC 1, IETF, oneM2M, IEEE, 3GPP 등의 국제표준화기구 및 해외 국 가정책에서 다양한 분야에서 기술개발 및 표준화가 진행되고 있다. 국내 미래창조과학부의 사물인터넷 기본계획/사물인터넷 R&D 추진계획/K-ICT 전략/K-ICT 시큐리티 발전전략 및 산업체의 개발이 인터넷신산업을 창출하는 방향으로 진행되고 있어, 국제표준화기구 및 국 내외 정책에 맞추어 IoT 서비스/플랫폼/네트워크/디바이스/보안 중심으로 표준화 진행되고 있다.
<표 3-1> IoT 표준화 중점 항목
중전 표준화 항목 표준화 내용 Target SDOs 전략목표
IoT 서비스
맞춤형 제조 서비스 시나리오
및 요구사항
- 다품종 제품들의 맞춤형 생산 및 제조 서비스
- 실현을 위한 요구사항 및 참조모델
국내표준, ISO/TC 184/SC 5, IEC/TC 65/SC 65E
차세대공략
e-Call 서비스
- 교통사고 사망자 감소를 위해 긴급 상황 발생 시 사고를 자동 감지하 고 인명구조 및 사고조치를 위한 e-Call 서비스 기술
TTA, ITU-T SG16, ETSI, TC MSG
차세대공략
IoT 네트워크
이종 서비스 상호연동 기술
- oneM2M-AllSeen/OIC 연동 기술 - 서로 다른 데이터 포맷을 사용하는
oneM2M,OMA, OIC, AllSeen 표준 간 상호 연동 지원 기술
oneM2M, OIC, AllSeen,
IETF
적극공략
IoT 네트워크
저전력 IoT 데이터 전달
및 통신제어기술
- IoT 단말간 IP (Internet Protocol) 통신을 위한 저전력 데이터 전달 및 통신 기능 제어 기술
- 다양한 무선 기반 6lowpan 최적화 기술 - CoAP 프로토콜 확장 기술
ITU-T SG20, IETF 6lo, core
WG
다각화 협력
IoT 서비스 지향 네트워크
기술
- IoT service-oriented 네트워크 구 성 및 데이터전달 기술
- IoT service discovery 기술
ITU-T SG20 적극공략
Infra-less 환경에서의 IoT 통신기술
- IoT 디바이스간 직접/간접통신을 위한 네트워크/전송 계층 프로토콜 및 네트워크 구성 기술
- Infra-less 기반 IoT 네트워크 구축기술 - IoT Device discovery 기술 - IPv6 주소 설정 을 위한 light-weight 기술
ITU-T SG20, IETF anima
WG
적극공략
이기종 LPWA 단말 연동기술
- 다양한 LPWA(Low Power Wide Area) 기술(Sigfox, LoRa, LTE-M)이 적용된 End-Device 개발시 적용 가능 한 단말 연동 공통 인터페이스 기술
3GPP, ETSI,
ITU-T SG20 차세대공략
착용형 스마트 IoT 기기 연동 및 제어 기술
- 다양한 착용형 스마트 IoT 기기 간 의 메시지 전달, 장치 리소스 공유 및 원격 제어 등의 연동 기술
ITU-T SG20, OIC, IEEE 802,
IEEE 11073
적극공략
IoT 디바이스
개방형 DIY IoT HW/SW서비스
기술
- IoT 제품 및 서비스를 누구나 쉽게 구상, 개발, 제품화하기 위해 참고 할 수 있는 HW/SW 가이드라인, 기본 규격, 요구사항
ITU-T SG20, OIC 국내표준
차세대공략
IoT 보안
IoT디바이스 상호인증 기술
- 네트워크 또는 서비스 접근을 허용 하는 IoT 디바이스 상호인증 기술
ITU-T SG17,
JTC1 SC27, IETF 적극공략 IoT 빅데이터
프라이버시 보호기술
- 센서를 통해 수집되거나 디바이스를 통해 전달되는 IoT 데이터 분석에서 야기되는 프라이버시 문제 해결기술
ITU-T SG17, JTC1 SC27, NIST, ETSI
차세대공략
출처: IoT 표준화전략맵 추진경과 참고, K-ICT 표준화전략맵 2016
제2절 사물인터넷 특허 현황
사물인터넷 특허분석은 IoT 기술 분과 표준화 항목 기술들에 대한 특허동향 분석 결과 로, 총 11개의 표준화 항목 기술 중 표준화/특허 이슈가 큰 “e-Call 서비스 기술”, “이종 서 비스 상호연동 기술”, “Infra-less 환경에서의 IoT 통신 기술”, “저전력 IoT 데이터 전달 및 통신 제어기술”, “ 이기종 LPWA 단말 연동 기술” 및 “개방형 DIY IoT HW/SW 서비스 기 술” 총 6개의 표준화 항목 기술에 대해서 특허동향 분석을 진행하였다. 상기 6개의 표준화 항목에 대한 과거에서부터 2015년 8월 현재까지 공개된 특허들을 표준화 항목별로 나누어 추출하고, 이에 대한 정량적 분석을 실시하였다. 분석대상 표준화 항목 기술에 대한 주요 키워드를 조합하여 검색식을 작성하였고, 작성된 검색식을 이용하여 검색된 최조 Raw Date 약 1만 여건을 개별 스캐닝 하여 각 국가별 특허들을 추출/분류하였다.
<표 3-2> IoT 기술 국가별 특허출원량 발행국
표준화 항목 KR US JP EP WO 합계
IoT
e-Call 서비스 기술 97 62 37 13 16 225
개방형 DIY IoT HW/SW 서비스
기술 10 14 1 3 7 35
Intra-less 환경에서의 IoT 통신
기술 76 235 20 18 48 397
이기종 LPWA 단말 연동기술 9 66 5 6 21 107
이동 서비스 상호 연동 기술 33 72 18 7 19 149
저전력 IoT 데이터 전달 및
통신제어 기술 151 232 38 18 38 477
합계 376 681 119 65 149 1390
출처: K-ICT 표준화전략맵, TTA, 2016
IoT기술 특허 분석대상 표준화 항목 관련하여, 최종 필터링 된 분석대상 특허(2015년 8 월까지 공개된 특허)의 총량은 1390건으로 나타났으며, 특히 미국과 한국특허의 출원량이 681건, 376건으로 가장 많이 특허출원된 것으로 나타났다. 표준화 항목 기술 중 Infra-less 환경에서의 IoT 통신 기술과 저전력 IoT 데이터 전달 및 통신 제어 기술이 397건, 477건으 로 가장 많은 것으로 나타났으며, 개방형 DIY IoT HW/SW 서비스 기술의 경우 35건으로
그 특허 출원량이 미비한 것으로 조사되었다.
■ IoT기술 국가 연도별 특허출원 동향
<그림 3-2> IoT 기술분야 연도별 특허출원 동향
2015년 8월까지 공개된 특허들의 국가 연도별 특허출원 동향으로 유효구간은 2014년 2월 이며, 유효구간은 특허출원 후 18개월의 미공개 기간을 고려하여 설정하였다. IoT 기술 관 련 특허출원에 있어, 미국특허가 681건(49%)로 전체 특허출원의 절반 가까이를 차지하고 있으며, 그 다음으로 한국 376건(27%), 국제특허 149건(11%), 일본 119건(8%), 유럽 65건 (5%) 순으로 특허출원량을 보이고 있다.
연도별 특허출원 동향을 살펴보면, 한국에서 e-Call 서비스 기술 관련하여 1990년대 초반 부터 특허출원이 이루어지고 있으며, 전체적으로는 2000년대 들어 특허출원량이 증가하는 추세를 보이고 있으며 미공개 구간을 고려 시 미국, 한국 및 국제출원의 경우 그 특허출원 량이 계속 증가할 것으로 예상된다. 미국의 경우 전체 출원량의 절반가량을 차지하고 있음, 또한 2000년대 들어 본격적으로 특허 출원량이 증가하기 시작하였으며 2008년부터 그 특 허출원량이 급격한 증가를 보이고 있다. 한국의 경우 미국 다음으로 많은 특허출원을 수행 하고 있으며, 2003년부터 그 출원량이 점진적으로 증가하고 있으며 2010년 이후 더욱 출원
증가율이 높아지고 있다. 국제출원은 한국과 비슷한 양상으로 그 출원량이 증가하고 있으 며, 일본과 유럽은 최근까지 출원량 증가 후 현재는 감소하는 추세에 있다.
■ IoT 기술의 주요출원인 동향
<그림 3-3> IoT 표준화 항목 다출원 상위 기업의 특허출원량
IoT 표준화 항목 기술 중 특허분석 대상인 6개의 표준화 항목 기술 분야에서 Qualcomm 이 99건으로 가장 많은 특허출원을 수행하고 있으며, 그 다음으로는 국내 기업인 ETRI, LG 전자가 다출원을 수행하고 있다. 다출원 기업 중 국내 기업으로는 ETRI, LG전자, 삼성전자, KT가 상위 출원인으로 랭크되어 있어 국내 기업들이 본 기술 관련하여 활발한 R&D 투자 및 특허출원을 수행하고 있는 것으로 예측된다. 본 특허분석 시 중국은 특허분석 대상 국가 에 포함되지 않았으나, HUAWEI, ZTE 등 중국기업이 미국, 국제출원 등에 활발한 특허출원 을 통해 상위 출원인에 랭크되어 있어, 특허분석 대상 국가로 중국을 포함시킬 경우 그 출 원량은 더욱 많을 것으로 예상된다. 다출원 상위 기업 중 InterDigital의 경우 대표적인 특 허관리전문회사(Non-Practicing Entity)로 향후 본 기술 분야 관련하여 기술 라이센싱, 특 허분쟁 발생 소지가 높다고 예상할 수 있다.
■ IoT 표준화 항목 국가별 특허출원 동향
<그림 3-4> 표준화 항목 국가별 특허출원 동향
e-Call 서비스 기술의 경우 한국 97건(43%)로 가장 많은 특허출원이 이루어지고 있다. 이 는 한국 내 발달된 IT 기술과 글로벌 완성체 업체가 있어 타 국가에 비해 특허출원량이 많
은 것으로 예측된다. HW/SW DIY 플랫폼 기술의 경우 전세계적으로 그렇게 많은 특허출원 이 이루어지고 있지는 않으며 다만 타 국가에 비해 상대적으로 미국에서 다수의 특허출원 이 이루어지고 있다. Infra-less, 이기종 LPWA, 이기종 플랫폼 연동 및 저전력 IoT 기술의 경우 미국에서 가장 높은 비율로 특허출원이 이루어지고 있으며, 그 다음으로 한국 또는 국 제출원이 많은 비중을 차지하고 있다.
■ IoT 표준화 항목 주요출원인 동향
<그림 3-5> IoT 표준화 항목 주요출원인 동향
e-Call 서비스 기술의 경우, 차량 사고 등에 따른 긴급통신 방법에 관한 기술로서 Continental, 현대자동차 등 세계적 기업들이 다수 특허출원을 수행하고 있으며, 현대자동 차, LG전자, 현대모비스, 현대오토넷, ETRI 등 국내 기업들이 활발한 R&D 투자 및 특허출 원을 수행하고 있다. HW/SW DIY 플랫폼 기술, Infra-less 기술, 이기종 플랫폼 연동 기술 분야의 경우 국내 대기업인 KT, LG전자, ETRI, 삼성전자에서 다출원 상위를 차지하고 있 다. 이기종 LPWA 기술 분야의 경우 Qualcomm이 독보적인 출원 우위를 보이고 있으며, 저전력 IoT 기술의 경우 Qualcomm, ETRI 및 삼성전자가 공동 특허출원 우위를 보이고 있 다.
제3절 사물인터넷 표준화 항목별 특허 전망
e-Call 서비스 표준은 1990년대 초부터 현재까지 계속적으로 특허출원량이 증가하고 있으 며, 국내외 완성차 업체와 Qualcomm, Ericsson 및 LG전자 등 글로벌 기업들이 관심을 가 지고 있는 기술분야로 지속적인 특허출원량 증가가 예상된다.
HW/SW DIY 플랫폼 및 개발 기술은 2010년 이후 특허출원이 진행되고 있는 최신 기술로 서 표준화 이슈 또는 기술적 수요 여부에 따라 특허출원량 증가 또는 감소 예측이 가능할 것으로 판단된다.
Infra-less 환경에서 IoT 통신 기술은 2000년대 들어 서서히 특허출원량이 증가하기 시작 하였고 최근 들어서는 그 출원 증가율이 급격하게 높아지고 있어 향후에도 계속적인 특허 출원량 증가가 예상됨 또한 LG전자, ETRI 및 삼성전자 등 국내 기업이 타 기술에 비해 강 한 면모를 보이고 있다.
이기종 LPWA 단말 연동 기술 역시 최근 들어 특허출원량이 증가하는 모습을 보이고 있
