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자기유지 지원 SoC IP 및 MAC 프로토콜 기술

 

■ 기술의 개요

○ 원격 에너지 공급 기반 자기유지 지원 SoC 및 센서노드 플랫폼 기술은 USN 시스템의 센서노드 전원 및 배터리 문제를 해결하기 위한 기술임

○ 짧은 배터리 수명으로 인한 주기적인 배터리 교체문제, 유지보수 비용 증대 등의 문제를 해결함으로서 기존의 배터리 기반으로 동작하는 USN용 부품들을 대체함. 본 자기유지 지원 시스템은 원격 RF 에너지를 공급받아 USN 시스템을 구동하게 됨

자기유지 지원  SoC IP 및 MAC 프로토콜 기술

<RF원격 에너지 공급기반 자기유지 지원 USN 시스템 개요 >

○ 자기유지 지원 SoC IP

- 저전력 RF Front-end 및 Baseband 기능이 하나의 칩 상에 결합된 초저전력 시스템 온칩(SoC)을 개발. USN시스템을 구성하기 위한 통신블록, 마이크로 프로세서 블록, 메모리 블록을 탑재하여 센서의 제어와 통신에 필요한 모든 기능을 처리함. 각 블록단위의 전원 공급제어 및 세밀한 전원버스 설계 등을 통하여 저전력 문제를 해결함

- IEEE 802.15.4 스펙에 호환되며 자기유지 지원을 위한 별도의 변복조 기능을 지원하는 저전력 Baseband/MAC 프로세서, 8051호환 마이크로 컨트롤러, 임베디드 메모리, IEEE 802.15.4 호환 RF Transceiver를 통합. MAC Processor는 하드웨어 가속 기능을 이용해 MAC 프레임 생성 및 CRC 체크, CCM 기능등을 지원하도록 고안. 모뎀 성능의 향상을 위해 적응형 기반의 동기 알고리즘을 이용한 송수신기 시스템 사양을 적용

○ MAC 프로토콜

- 저밀도의 에너지원을 바탕으로 효율적인 USN 노드들간의 통신을 수행하기 위한 멀티홉 자기유지 통신을 지원하는 에너지 적응형 MAC/NWK 프로토콜 개발

- 이 프로토콜은 수신되는 무선에너지의 양을 측정하고 각 노드들간의 통신시 충돌을 최소화하기 위한 기법을 적용하여 RF에너지 에너지 공급환경이 상이한 모든 노드들이 효율적으로 통신을 할 수 있도록 지원함

■ 기술의 현황

○ 자기유지 지원 SoC IP (100% 자체 개발)

· Design compatible with IEEE802.15.4 standard

· Full MAC frame auto generating and parsing

· Include programmable synchronization scheme

· Embedded own smart microcontroller (54MIPs)

· Support for external third party microcontrollers

· Host interface or fully stand alone operation

· Enhanced Power management unit

 

자기유지 지원  SoC IP 및 MAC 프로토콜 기술

<자기유지 지원 SoC Block Diagram 및 그룹별 전원제어 블록>

 

자기유지 지원  SoC IP 및 MAC 프로토콜 기술

<자기유지 지원 SoC Layout>

○ MAC 프로토콜

- MAC/NWK은 기본적으로 에너지 상태에 따라서 라우팅 참여를 미리 결정하고, 라우팅 참여시 에너지 상황에 따라서 동작하도록 설계됨

- MAC/NWK은 송신측 데이터양이 많지 않아 Receiver-Initiated MAC의 구조를 기본적으로 사용하고 원격에너지 전송 시 에너지 도너(Donor)와의 거리에 따라 차이가 매우 크므로 획득된 에너지에 기반한 적응형 동작 알고리즘을 적용함

- MAC/NWK 알고리즘은 에너지의 상태에 따라 라우팅에 참여할 것인지 단순히 자신의 데이터만을 보낼 것인지를 결정. 라우터 노드로 동작하는 적응형 모드 제어 알고리즘과 Active Mode로 동작하는 적응형 비컨 구간 결정 알고리즘 으로 구성됨

 

자기유지 지원  SoC IP 및 MAC 프로토콜 기술

<멀티홉 자기유지 통신지원 에너지 기반 라우팅 참여제어 MAC/NWK 개요>

 

○ 기술 구현수준 : Test

 

자기유지 지원  SoC IP 및 MAC 프로토콜 기술

 

기술의 장점 (경쟁기술과의 차별성)

○ 자기유지 지원 SoC IP

- 100% 자체 개발 IP

- IEEE802.15.4 RF Transceiver, 8051호환 MCU, Embedded Memory, PMIC 내장 SoC

- 원격에너지 공급환경 기반한 초저전력 동작

- 소모전류: 10mA @ Tx 0 dBm

- 대기전류: < 1uA

- EVM 4.6%, Pout: 1.2 dBm, PER 0.8%

- 다단계 전원관리를 통한 저전력화

- leakage power 감소 구조의 embedded memory

 

○ MAC 프로토콜

- 저밀도 에너지원을 공급받는 원격에너지 공급환경에 최적화된 통신 프로토콜

- 수집되는 에너지량에 따른 능동적 모드 전환

- 에너지량에 기반한 통신제어를 통한 통신효율성 증대

 

활용범위 및 응용분야

USN기반 스마트 빌딩관리 서비스, USN기반 구조물 및 교통 관리 서비스, 재난재해 관리 서비스, 원격에너지 공급 기반 U-Home 서비스, 원격에너지 공급 기반 환경 모니터링, 국방 분야 감시정찰 및 경계 서비스, 초저전력 자기유지 지원 USN 솔루션 등

RF 기반 무선전력 전송, 능동형 셔터글라스 제어, 3D 안경 충전 등

마우스, 키보드, 모바일 디바이스 등 컴퓨터 주변기기/휴대용 기기의 무선 충전 등

 

시장동향 및 전망

무선 전력 전송 시장분석 (출처 : Pike Research)

2010년 Pike Research사의 Wireless Power자료에 의하면 무선 전력 전송 시장은 편리성 (Convenience) 및 비용절감 (Cost) 측면에서 시장확대 요인이 있다고 분석하고 세계 무선 전력 전송 및 충전 시스템 시장은 2020년까지 약 118억 달러의 규모로 성장을 예상

※ 연평균 성장률 (CAGR, Compound Annual Growth Rate) : 36%

 

USN 시장분석

USN 전체시장은 2008년 약 35억불에서 2017년에는 723억불 시장으로 급속한 성장추세를 이어갈 것으로 전망됨. USN 전체 국내 시장 규모는 2008년 1,730억 수준에서 2017년에는 14조 4천 4백 억원이 될 것으로 전망

※ IDTechEx(2006,2007), BCC(2006), VDC(2007), FUji-Kezai(2006), Frost & Sullivan(2006), 한국소프트웨어진흥원(2007) 자료를 기반으로 추정, ETRI, 2008. 5

 

지식재산권 현황 및 기술이전 내용

○ 지식재산권 현황

구분

발명의 명칭

출원번호

(출원일)

등록번호

(등록일)

특허

공정변화를 보정하기 위한 퓨징장치

2009-0131631

(2009.12.28)

10-174406

특허

에너지 획득 기반 센서 네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법

2010-0034239

(2010.04.14.)

10-1174406

(2012.08.09)

특허

개별적인 전원 관리가 가능한 센서노드

2010-0138305

(2010.12.29.)

 

특허

무선센서네트워크에서의 하이브리드 방식을 이용한 링크 품질 평가 방법

2011-0037706

(2011.04.22.)

 

특허/국외

FUSING APPARATUS FOR CORRECTING PROCESS VARIATION

US12/648,908

(2009.12.29.)

US8,026,737

특허/국외

A Low Power MAC Architecture for Wireless Sensor Network with Wireless Power Transfer

KR2010-009192

(2010.12.22.)

 

특허/국외

Wireless sensor node SoC with a profiled Power Management Unit for IR Controllable Digital Consumer Devices

US13/117,207

(2011.5.27)

 

 

○ 기술이전 내용 및 방법

구 분

기술이전 내용

형식

제공방법

자기유지지원 SoC IP

IEEE802.15.4 RF Transceiver, 8051호환 MCU, Embedded Memory, PMIC를 내장한 자기유지 SoC에 대한 IP 기술 이전

반도체 IP

파일 제공 및 기술교육

MAC 프로토콜

원격에너지 공급기반 초저전력 환경에서의 자기유지 MAC 프로토콜 기술

SW

소스코드 제공 및 기술교육

 

○ 용어설명

ㅇMAC/NWK : Media Access Control Network

 

 

파일 다운로드 : 자기유지 지원 SoC IP 및 MAC 프로토콜 기술.hwp
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