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윤경 목
5 years ago
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1 한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 10 pp , 2010 김영춘 1, 주해종 2, 최혜길 3*, 조문택 4 1 공주대학교기계자동차공학부, 2 동국대학교산학협력중심대학 3 경희사이버대학교정보통신학과, 4 대원대학전기전자계열 Implementation of Virtual Reader and Tag Emulator System Using DSP Board Young-Choon Kim 1, Hae-Jong Joo 2, Hae-Gill Choi 3* and Moon-Taek Cho 4 1 Division of Mechanical Automotive Engineering, Kongju National University 2 HUNIC, DongKuk University 3 Department of Information & Telecommunication, Kyung Hee Cyber University 4 Division of Electrical & Electronic Engineering, Daewon University College 요약신호를생성할수있는상용신호생성장치그리고데이터수집장비와 DSP 보드를이용하여가상의리더와태그를모델링한에뮬레이터시스템을구현했다. 개발한가상의 UHF RFID(860~960[MHz]) 리더 / 태그모듈을이용하여개발한 RFID 리더와태그의프로토콜및 RF 특성등이국제표준규격 (ISO Type C, EPCglobal C1G2) 에적합여부를검증할수있는방법을제공해줄수있게하였다. 본논문에서제안한가상의리더모델과태그모델을구현하기위해 DSP 보드를이용하여 Visual DSP로구현하였으며, 시스템의신호발생기, 신호분석기, 성능검증대상리더또는태그, RFID 에뮬레이터제어컴퓨터및제어프로그램으로구성하였다. Abstract Modeling a virtual reader and tags, the emulator system is realized by using a commercial signal generation device to make signal, a data collection equipment, and DSP board. By using a Virtual UHF RFID (860 ~ 960 [MHz]) reader/tags module, a developed RFID reader, protocol of tag, and properties of RF support to provide the way how to verify the suitability to international standards (ISO Type C, EPCglobal C1G2). In this paper, to implement a proposed model reader and tag model, Visual DSP is applied by using DSP board, composing the system's signal generators, signal analyzers and performance verification, the target readers or tags, RFID emulator control computesr and control programs Key Words : RFID DSP Emulator 1. 서론 RFID(Radio Frequency IDentification) 는무선신호를통해비접촉식으로사물에부착된얇은평면형태의태그를식별하여정보를처리하는시스템이다. RFID 원천기술의확보및국제적인표준화선도를통한국가경쟁 력의향상, 세계적인 RFID 클러스터조성을통한산업발전에의기여를하기위해현재국내외학계와산업계에서수많은 RFID 관련논문과기술이연구되고있다. 특히지식경제부기술표준원은 RFID/USN의표준화협력체계를강화하기위해 RFID/USN표준화통합협의회 의공식출범회의를갖고본격적인활동을시작하여 * 교신저자 : 최혜길 (hgchoi@khcu.ac.kr) 접수일 10 년 06 월 21 일수정일 (1 차 10 년 10 월 01 일, 2 차 10 년 10 월 14 일 ) 게재확정일 10 년 10 월 15 일 3859

2 한국산학기술학회논문지제 11 권제 10 호, 2010 국내 RFID/USN기술개발과확산사업및인프라구축등관련산업정책과표준화연계를강화하여우리나리원천기술의국제표준반영에주력하고응용산업활성화를위한시장표준화를추진하고있다. 따라서수많은 RFID 관련업체와연구기간에서개발된리더와태그가국제표준규격과각국의 RF 규격에부합되는적합한시스템인지를판단하는것이중요한요소로부각되고있으며, 개발한리더및태그의성능평가도중요한사항이다. 본논문에서는 DSP 보드를이용하여 RFID 리더 / 태그에뮬레이터를구현하고신호생성기, 신호분석기를이용하여대상 RFID 리더또는태그의성능검증및성능모의실험을할수있는환경을개발하였다. RFID기술개요와 ISO 등의규격은각각참고문헌 [1,2] 에상세히정리되어있다. [ 그림 1] 상용장비를이용한 RFID 태그에뮬레이터구성도 2. 에뮬레이터시스템 개발된에뮬레이터는가상의리더와태그의기능이모두가능하며, 태그의적합성을테스트하거나개발중인리더의성능을시뮬레이션하려면가상의태그기능을적용하여측정하고, 태그의성능을시뮬레이션하려면가상의리더기능을적용하여측정할수있다. 에뮬레이션하기위한전체적인구성은신호발생기, 신호분석기, RFID 리더 / 태그에뮬레이터, 제어컴퓨터, 제어프로그램으로이루어진다. 가상의 RFID 리더모듈로동작하기위해서 Visual DSP 프로그램을이용하여 ISO Type C 리더모델에해당하는프로토콜을구현하고구현된데이터를 Baseband로변환하여변환된 I/Q 데이터를상용신호발생기의 Video Out 단자로보내신호발생기에연결된안테나를통하여대상태그로실제무선신호를방사한다. 태그로부터방사된신호를신호분석기에서입력받아에뮬레이터에서데이터를분석하고적합성을판단한다. 가상의 RFID 태그모듈로동작하기위해서 Visual DSP 프로그램을이용하여 ISO type C 태그모델에해당하는프로토콜을구현하고대상리더로부터송출된신호를신호분석기로입력받아수신된 I/Q 데이터를 Video Out 단자를통해에뮬레이터에서입력받아신호를분석하고적합성을판단하고수신된리더명령어에따라가상의태그는모듈에서규격에적합한신호를생성하여신호발생기로송출한다. 이와같은방법으로실제리더및태그설계에대한테스트를할수있다. [ 그림 2] 상용장비를이용한 RFID 리더에뮬레이터구성도 3. 구현 3.1 시스템구성 본논문에서는 RFID baseband 에뮬레이터는 DSP 보드 (Blackfin) 와 Switching Box로구성되어있으며, ISO Type C 규격에적합한지를측정하기위해신호발생기, 신호분석기, 실험대상 RFID 리더또는태그등으로구성된다. 에뮬레이터가가상의리더또는태그로동작하기위해서는 DSP 보드에 Visual DSP 프로그램을이용하여리더 / 태그명령어, 데이터 encoding/decoding, modulation/ Demodulation 기능을구현한다. 대상태그를검증하기위해서는에뮬레이터가가상의리더모듈로동작하여신호를생성하여태그로부터방사된신호를분석하여규격에적합한지를판단한다. 대상리더를검증하기위해서는에뮬레이터가가상의태그모듈로동작하여대상리더로부터송출된신호를신호분석기로수신하여에뮬레이터에서신호분식및규격에적합한지를판단하고리더명령에상응하는데이터를대상리더로송출한다. 전체시스템구성도는그림 3과같다. 3860

Digital I/O 포트를제어하여연속적인 Analog IQ 신호를 Digital I/Q 신호로변환하는기능을수행한다. [ 그림 3] 전체시스템구성도 RFID Emulator는본논문에서구현을하는매우중요한요소이며, RFID Reader 및 Tag의신호를생성및측정을하는매우중요한요소이다.

4 RFID 태그 / 리더에뮬레이터모델 RFID 에뮬레이터에모델을실제리더의명령어를전송하고 Tag로부터응답신호를받아분석하여그에상응하는신호를송출하는 RFID 리더모델과가상의 Tag로동작하여리더로부터수신된신호를분석하여그에상응하는응답을보내는 RFID 태그모델로구성되어있다.

3 Digital I/O 포트를제어하여연속적인 Analog IQ 신호를 Digital I/Q 신호로변환하는기능을수행한다. [ 그림 3] 전체시스템구성도 RFID Emulator는본논문에서구현을하는매우중요한요소이며, RFID Reader 및 Tag의신호를생성및측정을하는매우중요한요소이다. Signal Generator는 RFID Emulator에서생성된 IQ신호를 RF로송출하는데사용되며, Signal Analyzer는 RFID Tag 또는 Reader에서송출되는신호를수신하여신호가정확하게수신되었는지판단하는데사용된다. 3.2 에뮬레이터구현 RFID 태그 / 리더에뮬레이터디자인 3.4 RFID 태그 / 리더에뮬레이터모델 RFID 에뮬레이터에모델을실제리더의명령어를전송하고 Tag로부터응답신호를받아분석하여그에상응하는신호를송출하는 RFID 리더모델과가상의 Tag로동작하여리더로부터수신된신호를분석하여그에상응하는응답을보내는 RFID 태그모델로구성되어있다. RFID 리더 Tx 모델은실제리더가동작되는것과같이리더 Command를베이스밴드신호로변환하고변환된신호를 I/Q 데이터로변환하여신호발생기를이용하여송출한다. 신호생성과정은그림 5와같다. 리더 Command는 ISO Type C에해당하는명령어를구현하고, Data encoding는 ISO Type C 에정의되어있는 PIE, Miller, FM0 구현한다. 또한 Modulation는 ISO Type C에정의되어있는 ASK, PSK Modulation을구현한다. [ 그림 4] 에뮬레이터하드웨어구성 RFID 에뮬레이터는 2개의주요보드로구성되어있다. 하나는 Analog Device의 DSP 프로세서보드이고다른하나는 RFID 태그 / 리더에뮬레이터보드이다. [ 그림 6] RFID 리더 / 태그 Tx, Rx 신호생성및분석과정 RFID 리더 Rx 모델은태그로부터응답신호를신호분석기로수신하여수신된데이터를에뮬레이터로입력하여신호를분석, 태그 UID를추출하고다음명령어를선택하여리더 Tx 모델로송출한다. RFID 태그 Tx/Rx 모델을리더로부터수신된신호를분석하여실제태그가동작하는것과같이리더의명령에따라태그데이터를그림 5와같은과정을통해송출한다. [ 그림 5] 하드웨어함수블럭 4. 실험및응용 DSP 프로세서보드는 RFID 리더 / 태그프로토콜의 Handshaking을수행하기위해신호분석기로부터 Reference Time을입력받고, RFID Baseband I/Q decoding 그리고 encoding 기능을수행한다. RFID 태그 / 리더에뮬레이터보드는 DSP보드의 RFID 에뮬레이터와신호생성장치, 신호분석기를접목하여개발한태그가국제표준규격 (ISO/IEC Type C) 에적합한지를테스트해볼수있다. 또한개발한리더가국제표준규격에적합한지를테스트해볼수있다. 한예로 RFID 에뮬레이터를가상의리더로동작하게 3861

4 한국산학기술학회논문지제 11 권제 10 호, 2010 하고생성된신호를신호발생기로송출하면그태그에서방사된신호를신호분석기에서수신하여 RFID 에뮬레이터에보내어분석할수있다. 수신된신호가국제표준규격에명시되어있는요구사항에적합한지 ASK modulation depth, SAK RF Envelop, Timing 등을측정할수있다. 4.1 RFID 리더 RF 특성테스트및태그인식성능실험본논문에서는 RFID 에뮬레이터와신호발생기, 신호분석기, 오실로스코프를이용하여실제리더의 RF특성테스트및태그의인식성능을실험하였다. 실험구성은그림 1과같이제작한 RFID 에뮬레이터, 신호분석기, 오실로스코우프, RFID 패치안테나그리고실험대상리더로이루어져있다. 또한신호분석을위해 VSA(Vector Signal Analysis) Software를이용하였다. 표준적합성표준규격 [3] 에서는전자파차폐실등과같은 RFID전파의간섭이발생하지않는장소에서실시하는것을권고하고있으나환경구성여건상최대한전파간섭이발생하지않는실험실에서측정한다. [ 그림 7] ASK 변조지수측정결과 ASK 변지지수도출공식 D=( /B)x100에따라 D=(165.4/173.6)x100 = 95.27% 가나오는것을확인할수있다. ASK RF Envelop 리더에서송신하는 ASK 변조신호의포락선 (Envelop) 이표준에서정한파형으로동작하는가를측정한다. 측정결과는아래그림과같다 RFID 리더 RF 특성테스트리더는국제표준별로아래그림과같이데이터전송조건을설정하여시험한다. [ 표 1] 리더테스트설정조건 Falling Time Rising Time 또한리더시험항목중 ASK 변조지수, ASK RF Envelop, 스팩트럼마스크, 리더명령 Preamble, 리더명령 T2 송신타이밍, 리더명령 T3 & T4 송신타이밍만을측정하였다. ASK 변조지수표준명령 (ISO Type C: Select : Query) 에대한 ASK 변조신호를최대파워로송출한다. Data-0 및 data-1의 ASK 변조도를오실로스코프에서측정하고 ISO Type C에서권고 [1] 에적합한지판정한다. Pulse width Ripple [ 그림 8] ASK RF Envelop 측정결과 ASK RF Envelop 표준요구규격사양과비교하면아래표와같다. [ 표 2] ASK RF Envelop 측정결과 항목규격요구사양측정결과 RF Pulsewidth Min: Max(0.265 Tari, 2us) Max:0.525Tari us Rise time Max 500us us Fall time Max 500us us 3862

스팩트럼마스크리더에서통신채널로변조신호를송출하는동안, 통신채널과인접채널에걸친스팩트럼마스트가표준규격기준을만족하는가를측정한다.

( 신호분석을위해 VSA를이용 ) Delimiter [ 그림 11] 리더 Preamble 측정결과 리더의명령송신타이밍이국제표준규격에적합하게동작하는가를확인한다.

T2 Timing [ 그림 12] T2, T4 측정결과 T4 Timing [ 그림 10] 스팩트럼마스크측정결과 [ 표 3] 스팩트럼마스크측정결과 항목 규격사양

-59dB 4.1.2 표준규격요구사항및측정결과비교 ISO 18000-6 규격 [1] 에정의된규격사항과본논문에서시험한결과가국제표준규격에적합한지를비교한다.

5 스팩트럼마스크리더에서통신채널로변조신호를송출하는동안, 통신채널과인접채널에걸친스팩트럼마스트가표준규격기준을만족하는가를측정한다. Tari TRcal [ 그림 9] Spectrum Mask 규격사양 측정결과는아래와같다. ( 신호분석을위해 VSA를이용 ) Delimiter [ 그림 11] 리더 Preamble 측정결과 리더의명령송신타이밍이국제표준규격에적합하게동작하는가를확인한다. T2 Timing 과 T4 Timing만을측정. T2 Timing [ 그림 12] T2, T4 측정결과 T4 Timing [ 그림 10] 스팩트럼마스크측정결과 [ 표 3] 스팩트럼마스크측정결과 항목 규격사양 측정결과 Reference Frequency 200K 200K fc-200k power -20dBch -30dB fc-400k power -50dBch -59dB 표준규격요구사항및측정결과비교 ISO 규격 [1] 에정의된규격사항과본논문에서시험한결과가국제표준규격에적합한지를비교한다. [ 표 4] 측정결과및표준규격만족항목 fc-600k power -60dBch -70dB fc-2800k power -65dBch -72dB 리더명령 Preamble 리더에서송신하는명령신호의프리앰블 (Preamble) 구조와데이터의정확도를확인하며, 측정결과는아래와같다. 표 3에서보여주는것과같이 ISO/IEC 에서요구하는 RFID 신호에관한사양들을만족하고있는것을볼수있다. 3863

한국산학기술학회논문지제 11 권제 10 호, 2010 4.1.3 태그인식성능시험본논문에서는표준규격에근거한태그인식성능시험을수행하지못했으며다만 Lab 환경에서가까운거리에따른태그인식시험및신호특성만을시험하였다. 국제표준에준하는태그인식성능시험을하기위해서는전자파차폐실과같은전파간섭이없어야하며각거리별, 태그의방향등과같은조건들을충족시켜주어야만한다.

3 방사된신호는신호분석기를통해수신한다. 4 수신한데이터를분석하여 Tag의 UID가정확한지를판단한다. 위와같은방법을태그의거리를이동시켜거리에따른인식이정확한지여부를판단한다. 테스트한결과는아래와같다. [ 그림 13] Tag 인식신호확인 [ 표 5] 인식거리에따른인식 Power 인식거리 인식 Power (Mean) 1.96m 29.16dBm 2.46m 27.

6 한국산학기술학회논문지제 11 권제 10 호, 태그인식성능시험본논문에서는표준규격에근거한태그인식성능시험을수행하지못했으며다만 Lab 환경에서가까운거리에따른태그인식시험및신호특성만을시험하였다. 국제표준에준하는태그인식성능시험을하기위해서는전자파차폐실과같은전파간섭이없어야하며각거리별, 태그의방향등과같은조건들을충족시켜주어야만한다. 태그인식성능시험을하기위한실험구성은그림 2 와같이제작한 RFID 에뮬레이터, 신호분석기, 오실로스코우프, RFID 패치안테나그리고실험대상태그로이루어져있다. 태그인식시험을하기위한절차는아래와같다. 1 에뮬레이터를리더모델로동작시켜표준규격에서정의한명령어를생성하여데이터를신호발생기를통하여송출하게한다. 2 대상 Tag에서는리더의신호에따라응답신호를방사한다. 3 방사된신호는신호분석기를통해수신한다. 4 수신한데이터를분석하여 Tag의 UID가정확한지를판단한다. 위와같은방법을태그의거리를이동시켜거리에따른인식이정확한지여부를판단한다. 테스트한결과는아래와같다. [ 그림 13] Tag 인식신호확인 [ 표 5] 인식거리에따른인식 Power 인식거리 인식 Power (Mean) 1.96m 29.16dBm 2.46m 27.2dBm 3.22m 24.85m 3.83m m m m 인식안됨 표 5에서보여지는것과같이인식 Power가 20dBm 이하고떨어지게되면 Tag 인식이안되는것을볼수있다. 5. 결론 본논문에서는자체제작한 RFID 에뮬레이터와신호발생기, 신호분석기를연동하여최근활발히개발중인 ISO Type C의 860MHz~960MHz RFID 리더또는태그를측정할수있는시스템을개발하였다. 제작한에뮬레이터는가상의리더와가상의태그모델을이용하여베이스밴드신호를생성, 분석하는기능을구현하여실제리더또는태그가국제표준규격에적합한지를시험할수있다. 또한에뮬레이터에서생성된데이터를신호발생기및신호분석기를이용하여가상의리더또는태그로동작할수있게하였다. 가상의태그로동작할경우대상리더에서전송된 RF 신호를국제표준규격에서명시한테스트항목을따라측정하여대상리더가국제표준규격을만족하는지를테스트할수있게하였다. 에뮬레이터가가상의리더로동작할경우국제표준규격을만족하는리더명령어를신호발생기를이용하여송출하면대상태그는그에따른응답신호를방사한다. 이신호를신호분석기로수신하여 RF 특성을분석하고대상태그의 UID를추출하여정확하게인식되었는지를테스트할수있다. 향후과제는국제표준규격에정의되어있는요소를더반영하여보다완벽한 RFID 에뮬레이터와국제표준규격에서요구하는 Conformance 테스트시스템과소프트웨어개발이필요하며, 국제표준규격에서요구하는테스트환경을구현하는것이필요하다. [ 그림 14] Tag ID 확인 3864

참고문헌 [1] ISO/IEC ISO/IEC 18000-6 Parameters for air interface communications at 860MHz to 960MHz [2] EPCglobal Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol for

0132/R1 모바일 RFID Air Interface RF 표준적합성시험규격 2007년 [4] ISO/IEC ISO/IEC Radio frequency identification device performance test methods - part3: test methods for tag performance [5] 표. 철. 식. 외. 2명.

[8] 최길영외 4명 RFID 기술및표준화동향 전자통신동향분석제 22권제3호 2007년 6월 [9] Klaus Finkenzeller RFID Handbook Second Edition, WILEY, 2004.

7 참고문헌 [1] ISO/IEC ISO/IEC Parameters for air interface communications at 860MHz to 960MHz [2] EPCglobal Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol for communications at 860MHz 960MHz Version 1.2.0" [3] 한국정보통신기술협회 TTAS.KO /R1 모바일 RFID Air Interface RF 표준적합성시험규격 2007년 [4] ISO/IEC ISO/IEC Radio frequency identification device performance test methods - part3: test methods for tag performance [5] 표. 철. 식. 외. 2명., RFID 시I스템기술, 한국전자파학회지제5권제호 2004년 [6] 변상기 RFID Tag 기술, 한국전자파학회지, 제5권5 제호 2004년 [7] 박용재외 2명 RFID/USN 시장동향및서비스수요분석 전자통신동향분석제24권제2호 2009년 4월. [8] 최길영외 4명 RFID 기술및표준화동향 전자통신동향분석제 22권제3호 2007년 6월 [9] Klaus Finkenzeller RFID Handbook Second Edition, WILEY, 김영춘 (Young-Choon Kim) [ 정회원 ] 1987 년 2 월 : 대전공업대학교전기공학과 ( 공학사 ) 1989 년 8 월 : 명지대학교전기공학과 ( 공학석사 ) 1997 년 2 월 : 명지대학교전기공학과 ( 공학박사 ) 2006 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교기계자동차공학부교수 전기자동차전력변환, 전장제어, 하이브리드자동차 주해종 (Hae-Jong Joo) [ 정회원 ] 2008 년 6 월 : ( 美 )Cumberland University ( 교육학박사 ) 2010 년 2 월 : 명지대학교컴퓨터공학과 ( 공학박사 ) 1997 년 3 월 ~ 2005 년 2 월 : 대원대학멀티미디어과조교수 2010 년년 1 월 ~ 현재 : 동국대학교산학협력중심대학교수 데이터엔지니어링, IT 융합기술, 유비쿼터스비즈니스 최혜길 (Hae-Gill Choi) [ 정회원 ] 1980 년 2 월 : 연세대학교생화학과 ( 이학사 ) 1986 년 5 월 : Northern Illinois Univ.(USA) (MS) 1999 년 2 월 : 충남대학교컴퓨터과학과 ( 이학박사 ) 2002 년 3 월 ~ 현재 : 경희사이버대학교정보통신학과교수 멀티미디어 DB, 소프트웨어공학, e-learning 표준화 조문택 (Moong-Taek Cho) [ 정회원 ] 1988 년 2 월 : 명지대학교전기공학과 ( 공학사 ) 1990 년 2 월 : 명지대학교전기공학과 ( 공학석사 ) 1999 년 2 월 : 명지대학교전기공학과 ( 공학박사 ) 2006 년 3 월 ~ 현재 : 대원대학전기전자계열부교수 신재생에너지, 시뮬레이션 3865

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<313920C0CCB1E2BFF82E687770> 韓國電磁波學會論文誌第 19 卷第 8 號 2008 年 8 月論文 2008-19-8-19 K 대역 브릭형 능동 송수신 모듈의 설계 및 제작 A Design and Fabrication of the Brick Transmit/Receive Module for K Band 이 기 원 문 주 영 윤 상 원 Ki-Won Lee Ju-Young Moon