고속 RFID 및 빔포밍 기술 동향

Trends in Technology for High-speed RFID and Beamforming

저자
조광수, 정재영, 최원규, 김현석, 모상현, 한규원, 박찬원 / 사물인지연구실
권호
29권 5호 (통권 149)
논문구분
IT 융합기술 특집
페이지
40-50
발행일자
2014.10.01
DOI
10.22648/ETRI.2014.J.290505
초록
최근에 RFID(Radio Frequency Identification) 기술은 사물인터넷의 기반 기술로 다양한 애플리케이션의 개발과 함께 산업화/정보화에 크게 기여하고 있다. 그러나 산업에서 요구하는 RFID 태그, 리더의 요구사항이 단순한 인식뿐만 아니라 다양한 정보를 장기간 저장하고 관리할 목적으로 태그 메모리 크기가 확장되고 있으며, 해당 정보를 태그에 읽고 쓰기 위하여 간섭 잡음에 강한 신뢰성 있는 성능 향상 무선통신기술이 연구되고 있다. 본고에서는 RFID 태그-리더 간 고속으로 통신하는 기술과 다량의 태그 밀집 환경에서 RFID 인식률 향상을 위한 빔포밍 기술에 대하여 기술한다.
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I. 서론

RFID(Radio Frequency Identification) 기술은 개별 물품, 케이스 그리고 팔레트 등에 부착되어 있는 태그로부터 전파를 이용하여 부착물의 정보를 수집, 저장, 가공, 추적함으로 사용자에게 물품에 대한 다양한 서비스를 제공한다. 이러한 기술은 바코드를 대체하여 상품 관리를 네트워크화, 지능화됨으로써 유통 및 물품 관리뿐만 아니라 보안, 환경관리 등에 사용되어 왔다. 최근에 RFID 기술은 사물인터넷의 기반 기술로 다양한 애플리케이션의 개발과 함께 산업화/정보화에 크게 기여하고 있다[1]. 그러나 산업에서 요구하는 RFID 태그, 리더의 요구사항이 단순한 인식뿐만 아니라 다양한 정보를 장기간 저장하고 관리할 목적으로 태그 메모리 크기가 확장되고 있으며 해당 정보를 태그에 읽고 쓰기 위하여 간섭 잡음에 강한 신뢰성 있는 성능 향상 무선통신기술이 연구되고 있다. 본고에서는 RFID 태그 리더 간 고속으로 통신하는 기술과 다량의 태그 밀집 환경에서 RFID 인식률 향상을 위한 빔포밍 기술에 대하여 기술한다.

II. 고속 RFID 기술

1. 고속 인코딩 기술

항공, 조선, 자동차 등의 중요 부품에 RFID 태그를 부착하여 유지보수 이력을 태그 메모리에 기록하여 MRO(Maintenance Repair and Operation) 관리를 한다거나 센서와 RFID 태그를 융합하여 센싱 데이터를 태그 메모리에 저장함으로써 주변환경 정보를 모니터링 하는 등 대용량 사용자 메모리를 활용하는 RFID 응용분야 수요가 증가하면서 다량의 데이터를 고속으로 주고 받을 수 있는 RFID 통신기술개발의 필요성이 대두되고 있다. 태그와 리더 사이의 통신속도를 높이기 위해서는 기존 인코딩 기술보다 데이터 전송속도가 빠른 새로운 태그 및 리더 인코딩 기술을 개발하여야 하며, 특히 태그에서는 단일 부반송파만(Subcarrier)을 사용하지 않고 이중 부반송파를 동시에 산란시켜서 통신하고, 이중 부반송파 간의 간섭이 발생하지 않도록 직교 모드를 지원하는 태그 인코딩 기술개발이 필요하다.

가. 고속 리더 인코딩 기술

현재 ISO(International Organization for Standardization)/IEC(International Electrotechnical Commission) 18000-63 표준규격을 만족하는 리더는 PIE(Pulse Interval Encoding)를 사용하여 리더 명령 데이터를 인코딩하여 태그에게 송신한다. (그림 1)에 ISO /IEC 18000-63 표준에 정의된 물리규격에 따라 생성된 리더에서 태그로의 PIE 변조신호를 보여준다.

(그림 1)

PIE 변조신호

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PIE 변조방식은 data-0와 data-1 비트들을 구분하기 위해서 에너지 전송시간을 다르게 한다. data-0을 인코딩하는 방식은 에너지가 전송되는 high 구간과 에너지가 전송되지 않는 low 구간(PW: Pulse Width)으로 나누어 두 구간의 합이 1Tari 시간이 되도록 펄스 폭을 조절하여 리더에서 태그로 신호를 전송한다.

Tari에 대한 규격은 ISO/IEC 18000-63에 정의된 RF 파라미터 값을 사용한다. data-1을 인코딩하는 방식은 data-0보다 더 긴 에너지 전송 구간을 할당하고 data-0과 같은 길이의 low 구간을 뒤에 붙여 송신신호를 인코딩한다. 태그에서 리더 PIE 신호를 디코딩 할 때에는 high 구간의 길이를 두 high 구간의 평균값을 기준값으로 정하여 기준값보다 작으면 data-0으로 클 경우에는 data-1로 판별한다. ISO/IEC 18000-63의 PIE 변조방식에서는 비트 정보는 고 에너지 전송 시간을 다르게 하는 방식으로 전송하고, 에너지 전송 대기 구간인 PW는 비트 전송완료 신호로만 사용한다.

리더에서 태그로의 전송속도를 향상시키기 위하여 기존의 PIE 방식을 개선한 확장 PIE 기술을 제안하고 현재 확장 PIE 기술을 적용한 리더를 개발 중에 있다. 확장 PIE 변조방식은 리더 송신신호의 고 에너지 전송 구간 길이를 다르게 하는 방식으로 1bit의 정보를 전송할 뿐만 아니라 에너지 전송 대기 구간의 길이를 다르게 하는 방식으로 추가적인 1bit의 정보를 전송하는 방식으로 하나의 확장 PIE 변조 파형에 2bit를 전송하는 방식이다. 좀 더 자세하게 살펴보면, 2bit 정보 중 1bit의 정보는 ‘에너지 전송 구간’과 ‘에너지 전송 대기 구간’을 합친 시간의 길이를 다르게 하여 전송한다. (그림 2)와 같이 첫 번째 bit ‘0’는 전송시간이 짧고, bit ‘1’은 전송시간이 길다. 참고로, 기존 PIE 변조방식은 에너지 전송 시간을 다르게 하여 비트 정보를 구분한다. 한편, 두 번째 bit는 첫 번째 bit에 의해서 정해진 전체 전송 시간 내에서 전송 대기시간을 다르게 한다. 두 번째 bit ‘0’인 경우에는 전송 대기시간이 짧고, 두 번째 bit ‘1’인 경우에는 전송 대기시간이 길다. 이렇게 에너지 전송 구간과 전송 대기 구간 모두를 다르게 하여 하나의 PIE 변조 파형에 2bit를 전송하는 방식이다. 확장 PIE 변조방법은 기존 ISO/IEC 18000-63 표준규격을 만족하면서 전송속도를 향상 시킬 수 있는 장점이 있다.

(그림 2)

확장 PIE 변조신호

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리더의 송신 출력은 보통 4W EIRP(Effective Isotropically Radiated Power)에 해당하는 고출력을 사용하기 때문에 리더에서 태그로 데이터를 송신할 때에는 각국의 전파규격과 ISO/IEC 18000-63에 정의된 스펙트럼 마스크를 준수하여야 한다. 때문에 확장 PIE를 사용함에 있어 앞의 규격들을 만족하면서 최대의 리더 데이터 전송속도를 낼 수 있는 확장 PIE 파라미터값 설정이 중요하다. 다음은 미국의 주파수 규격을 만족하면서 확장 PIE를 적용하여 리더에서 태그로 데이터를 고속으로 전송하는 방법을 설명한다. UHF 미국 전파(902~928MHz) 주파수 대역에서 리더는 최대 52개의 채널을 사용할 수 있으며 채널 대역폭은 500KHz이다. 이러한 채널 대역폭을 만족하면서 최대 데이터 전송이 가능한 PIE 및 확장 PIE 변조신호는 (그림 3)과 같다.

(그림 3)

미국 전파규격에서 PIE 및 확장 PIE 변조신호

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미국 전파규격 내에서 PIE 방식을 사용할 경우 리더의 최대 데이터 전송속도는 160Kbps이고 확장 PIE 방식을 사용할 경우 최대 데이터 전송속도는 240Kbps다. 이처럼 확장 PIE를 사용하여 리더의 데이터 전송속도를 50% 향상시킬 수 있다.

나. 고속 태그 인코딩 기술

태그 인코딩 기술은 리더와 태그 사이에 통신할 때 리더의 명령에 따른 태그 응답신호의 정보를 표현하는 라인 코딩 기술이다. 기존 ISO/IEC 18000-63 표준을 따르는 태그는 FM0와 Miller 인코딩 기술을 사용한다.

FM0 인코딩은 최대 640Kbps의 데이터 전송속도가 가능하지만 대역폭이 넓어 밀집 리더 환경(Dense-Reader Environments)에 적합하지 않고 리더에서의 태그 데이터 복조 성능이 Miller 인코딩보다 떨어진다. Miller 인코딩은 RF 환경 간섭이 많은 환경에 적합하고 FM0 인코딩보다 안정된 통신이 가능하여 실제 RFID 시스템 적용 시에 FM0 인코딩보다 널리 사용되는 인코딩 방식이지만 FM0 인코딩보다 데이터 전송속도가 현저히 떨어지는 단점이 있다. 때문에 Miller의 장점인 우수한 복조 성능을 유지하면서 데이터 전송속도를 향상 시킬 수 있는 새로운 인코딩 기술이 필요하다.

(그림 4)와 같이 Miller 인코딩에서 데이터 매핑에 사용되는 기저 함수가 설명되어 있다. data-0에 사용되는 기저 함수는 Miller 심볼 구간 동안 위상 반전이 없으며 data-1에 사용되는 기저 함수는 Miller 심볼 구간 중 절반에 해당하는 위치에서 위상 반전이 발생한다. 그리고 연속적으로 같은 데이터를 전송할 경우에라도 같은 기저 함수를 계속 사용하는 것이 아니라 이전 Miller 심볼의 상태에 따라 서로 다른 기저 함수를 선택하여 Miller 심볼을 매핑시킨다. 마지막으로 인코딩된 신호에 심볼율의 M배에 해당하는 주파수를 갖는 구형파를 곱하여 Miller 부판송파 신호를 생성하여 리더로 후방 산란한다. 이와 같은 Miller 인코딩 방식을 통해 Miller 인코딩 신호는 총 4가지 종류의 파형을 발생하게 되지만 현재 표준규격에서는 각각의 파형에 하나의 bit만을 할당시켜 전송한다. 예를 들어 S0(t)와 S3(t)를 비교하면 서로 다른 Miller 부반송파 신호를 생성할 수 있지만 위상에 대한 정보를 활용하지 않기 때문에 동일한 하나의 bit만을 전송이 가능하여 데이터 전송속도가 느린 단점이 있다.

(그림 4)

Miller 인코딩 기저 함수

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(그림 5)는 고속 Miller 인코딩에 사용되는 기저 함수를 보여준다. 고속 Miller 인코딩에 사용되는 기저 함수는 Miller 인코딩의 기저 함수와 동일하지만 고속 Miller 인코딩은 2개의 데이터 비트를 하나의 고속 Miller 심볼로 4 종류의 기저 함수를 사용하여 매핑한다. 2개의 데이터 비트가 [bit-0 bit-0]일 경우에는 기저 함수 S0(t)로 심볼을 매핑하고 데이터 비트가 [bit-0 bit-1]일 때는 S1(t), [bit-1 bit-0]일 때는 S2(t), [bit-1 bit-1]일 때는 S3(t)로 각각 매핑한다.

(그림 5)

고속 Miller 인코딩 기저 함수

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이와 같이 고속 Miller 인코딩은 기존 Miller 인코딩에서는 기저 함수 간의 직교 정보만을 활용하여 인코딩하는 것과 다르게 직교성뿐만 아니라 위상 정보를 활용하여 데이터 비트를 인코딩하는 이원 직교신호를 기반으로 데이터를 인코딩하는 방법이다. 기본적으로 고속 Miller 인코딩 신호는 기존의 Miller 인코딩 신호와 기저 함수가 동일하고 최종적으로 생성되는 Miller 부반송파 파형의 종류가 일치하기 때문에 대역폭 등과 같은 주파수 특성이 동일하여 기존 ISO/IEC 18000-63 표준규격과 호환이 가능하면서 2배 빠른 데이터 전송이 가능하다는 장점이 있다.

태그에서 전송한 고속 Miller 인코딩 신호를 리더에서 복조하기 위해서는 인코딩 신호가 위상 정보를 포함하고 있기 때문에 리더에서는 동기 수신기 구조만을 사용하여야 한다. 하지만 현재 대부분의 RFID 리더들은 동기 수신기 구조를 사용하고 있기 때문에 고속 Miller 인코딩 방식을 적용하더라도 큰 문제가 되지 않는다. 그리고 리더에서의 고속 Miller 인코딩 신호의 복조 성능은 기존 Miller 인코딩 방식과 동일하다. <표 1>에 Miller 인코딩 기술과 고속 Miller 인코딩 기술을 비교 정리하였다.

<표 1>

Miller 인코딩과 고속 Miller 인코딩 기술 비교

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*SNR(Signal to Noise Ratio)

다. 이중 채널 전송기술

앞에서 기술한 고속 Miller 부반송파 신호는 태그의 전송모드에 따라 단일 채널을 사용하여 한 개의 부하변조기를 이용하여 후방 산란되거나 이중 채널을 사용하여 두 개의 부하 변조기를 이용하여 후방 산란될 수 있다. 단일 채널을 사용할 경우 고속 Miller 인코딩은 Miller 대비 2배 빠른 데이터 전송이 가능하며 이중 채널을 사용할 경우에는 Miller 대비 3배 빠른 데이터 전송이 가능하다. 이중 채널을 사용할 경우에는 두 부반송파 신호 사이의 간섭이 발생하게 되는데 간섭에 의한 리더에서의 성능 열화를 방지하기 위하여 두 신호 간의 직교성을 보장하는 것이 중요하다. (그림 6)에 태그의 이중 채널 데이터전송 예를 표시하였다.

(그림 6)

태그의 이중 채널 전송 예

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데이터 메모리의 데이터들은 두 개의 비트 당 하나의 고속 Miller 심볼로 매핑된다. 두 개의 부하변조기 및 안테나를 사용하여 데이터를 전송할 경우 매핑된 심볼은 역 다중화기를 거쳐 병렬 심볼로 나뉘게 되며 나뉜 각각의 심볼은 서로 다른 링크 주파수를 갖는 구형파를 사용하여 두 개의 고속 Miller 부판송파 신호를 생성하게 된다. 만약 고속 Miller 부판송파 1보다 2배 빠른 링크 주파수를 사용하여 고속 Miller 부반송파 2를 생성하게 되면 두 부반송파 신호는 직교성을 갖게 되며 이 때문에 리더에서 두 신호를 동시에 수신하더라도 상호 간섭에 의한 성능 열화가 없는 장점이 있다.

2. 대용량 메모리 태그칩 기술동향

단일 물품들의 이력관리를 무선으로 원거리에서 처리하기 위해 도래한 UHF 대역의 RFID 기술 중 하나인 태그칩 설계기술은 읽기 감도(Read Sensitivity)의 성능 향상에 초점을 맞춰 발전되어 왔다. 예를 들어, RFID 태그칩 생산 세계 1위 업체인 Impinj는 최근 Monza R6를 출시했는데, −22.1dBm의 읽기 감도를 갖는다[2]. 이는 제품 초기 −10dBm 정도의 읽기 감도 대비 10년동안 10배 이상의 성능 향상을 가져왔다.

하지만 최근 들어, 단일 물품들의 유통 및 사용시기가 수십 년으로 증가하거나 또는 물품 사용자가 태그 내에 저장하고자 하는 정보의 증가로 인해 메모리의 대용량화를 시장에서는 요구하고 있다. 그 대표적인 일례로써 항공기 부품 내에 부착될 예정인 대용량 메모리 태그를 들 수 있다[3]. 이러한 대용량 메모리 RFID 태그칩은 CMOS 기반의 저전력 회로 설계기술이 지원하는 한도 내에서 최대한의 메모리 용량을 포함할 것으로 예상된다. 특히 RFID Journal LIVE 2014에서는 2Kbit~512Kbit까지의 다양한 제품군들이 Tego, MAINtag, Fujitsu 등의 회사들을 통해 소개되었다[4]. 이들이 소개한 대용량 메모리 태그는 다양한 메모리 용량을 포함하고 있으면서, 공통적인 적용분야로써 (그림 7)과 같이 항공기 부품에 초점을 맞추고 있다[5].

(그림 7)

항공기에서 필요한 RFID 태그 적용분야[5]

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대용량 메모리 태그의 선발주자로서 Tego사는 2011년부터 대용량 메모리 태그를 최초로 선보였으며, 메모리 물리적인 크기에 따라 2Kbit~192Kbit 등 다양한 제품군을 제공하고 있다.

이들에서 공통으로 사용되는 태그칩의 기술적인 특징은 ISO/IEC 18000-63 만족이라는 기존의 상용화된 일반 수동형 태그칩과 공통점 외에 다른 사항으로써, 7Kbit 크기의 대용량 사용자 메모리를 제공한다는 독창성을 지니고 있고, 이에 수반되어 −6dBm이라는 낮은 성능의 읽기 감도를 갖는다. 또한 2014년부터 보잉(Boeing)과 에어버스(Airbus)에 납품을 시작하고 있다.

또 다른 회사로써 MAINtag사는 초기 Tego사의 대용량 메모리 태그칩을 사용해 왔으나, 최근 들어 자체적으로 칩을 생산한 것으로 예상된다. (그림 8)은 MAINtag사의 64Kbit 대용량 메모리 태그칩 사진으로 RFID Journal LIVE 2014에서 공개 되었다. 이것의 특징은 64Kbit라는 대용량 메모리를 가지고 있으며 Tego사보다 4배의 인식거리(Identification Range) 증가를 갖는다는 점이다. 이들은 에어버스와 협력관계를 맺고 있으며, 주로 항공기 좌석의 구명조끼용 태그로 사용하도록 제공하고 있다.

(그림 8)

MAINtag의 64Kbit 대용량 메모리 태그칩

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III. 빔포밍 기술

1. 빔포밍 기술 분석

RFID 태그-리더 간 통신환경이 복잡해짐에 따른 인식률과 정확도, 신뢰도, 효율의 저하 문제가 대두되었으며, 다량의 태그 밀집 환경에서 RFID 인식률 향상을 위한 기술개발 또한 필요하게 되었다. 태그의 인식률이 저하되는 주요 원인으로는 태그 간섭, 다중 리더-태그 간섭 및 리더 간 간섭과 같은 주파수 간섭/충돌 문제와 다중경로 페이딩(Multipath Fading)에 의한 수신 전력의 감소 문제가 있다. RFID 시스템의 주파수 간섭 문제의 경우 이를 해결하기 위한 방안으로 RFID 리더에서 다양한 알고리즘을 이용하여 신호처리 기법을 이용하는 연구가 오랜 기간 동안 이루어져왔으나, RFID 시스템의 다중경로 페이딩의 문제는 신호처리 분야에서 크게 주목 받지 못하였다.

다중경로 환경의 가장 큰 특징은 바로 (그림 9 (a))와 같이 자유공간에서 유일하게 존재하던 전파 경로 외의 전파 경로가 존재한다는 점이다. 이렇게 다양한 경로가 생기는 이유는 보통 송/수신기 주변의 반사체에 의해 송/수신기 사이를 우회해서 도달하는 반사 경로가 생기기 때문이다. (그림 9 (b))의 실내환경과 같은 경우 반사 경로는 주로 실내환경을 구성하는 지면과 천장, 벽면과 같은 반사체에 의해 발생된다[6]-[8].

(그림 9)

RFID 시스템의 전자파 전파

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송/수신기 간의 직접 자유공간 경로 외에 다양한 경로로 수신되는 전파의 크기와 위상, 도달 시각은 각기 다르다. 이렇게 수신기에 도달하는 전파를 모두 더하면 각 경로에 따른 위상차에 의해 수신 전력이 보강되거나 상쇄될 수 있는데, 각 전파 경로의 수신전력 합이 보강될 경우 RFID 태그에서 수신하는 전력이 커져 인식률이 좋아지지만, 만일 상쇄가 될 경우 그 정도가 심하면 가까운 거리임에도 불구하고 RFID 태그가 인식이 되지 않을 수 있다. 이때 수신 전력 간의 상쇄 현상을 페이딩이라 한다. 이러한 다중경로는 반사체가 있는 한 발생할 수밖에 없으며, 주로 보강에 의한 이득보다는 상쇄로 인한 문제점이 훨씬 크다. RFID 통신은 주로 짧은 거리에서 이루어지기 때문에 통신환경 주변의 reflector에 대한 영향을 크게 받는다. 실내공간이 좁을수록 송/수신기와 반사체(지면, 천장, 벽면)의 거리가 가까워지게 되므로 그 영향 또한 커지며 실내에서 송/수신기가 설치되는 위치 또한 경로 손실에 큰 영향을 미친다. 최근 빔포밍(Beamforming) 기술을 RFID 리더에 접목하여 이 두 가지 문제를 하드웨어적으로 동시에 해결하기 위한 다양한 연구가 시도되고 있다.

빔포밍이란 안테나에서 방사된 에너지가 공간에서 특정한 방향으로 집중되도록 송/수신 신호를 처리하는 기술로, 원하는 방향으로부터 보다 세기가 강한 신호를 수신하거나 원하는 방향으로 신호를 전달, 원치 않은 방향으로부터 오는 신호를 받지 않기 위한 통신 시스템이다. 일반적으로 빔포밍 시스템은 다수 사용자에 대한 대용량 데이터의 고속 송/수신 통신, 위성, 항공 등 스마트 안테나를 사용하는 각종 위성항공 통신, 높은 pass-loss 대역에서의 통신 등에 적용되고 있으며, 각종 레이더, 군사 및 항공우주 통신, 실내 및 건물 간 고속 데이터 통신 등의 다양한 분야에서 연구되고 있다. 빔포밍 시스템은 크게 아날로그, 디지털 빔포밍 시스템으로 분류할 수 있다[9].

아날로그 빔포밍 시스템은 (그림 10 (a))와 같이 RF 대역에서 캐리어(Carrier) 신호의 진폭 및 위상의 차이를 이용하여 빔의 형태 및 방향을 조절하는 시스템으로, 각 안테나에 위상 천이기(Phase Shifter), 감쇄기(Attenuator) 등의 제어 소자가 요구되며, 저잡음증폭기 와 주파수 하향처리 단계를 수행한 후 하나의 신호가 출력된다. 이것은 디지털 구조에 비해 상대적으로 구현이 간편한 장점이 있지만, 위상 천이기 및 감쇄기의 분해능력에 따라 빔 방향 및 형태에 대한 정교함이 결정되기 때문에 디지털 빔포밍 시스템에 비해 빔포밍 간 정교함이 떨어지고 안테나 패턴의 부엽 레벨(Side Lobe Level)의 제어가 어렵다는 단점이 있다.

디지털 빔포밍 시스템은 (그림 10 (b))와 같이 RF 송/수신기등을 통해 디지털화된 신호에 각각의 가중치 벡터(Weight Vector)를 가해서 신호를 처리하는 시스템으로 각 안테나로부터의 RF 신호가 개별 RF 송/수신기를 통해 디지털 대역으로 넘어가게 된다. 디지털 시스템은 디지털 신호처리를 통해 빔포밍을 구현할 수 있어 신호처리 능력에 따라 통신 요구에 따른 정교한 빔을 생성시킬 수 있는 장점이 있으나, 다수의 RF 송/수신기 체인(Chain)이 요구되어 상대적으로 구현이 복잡해지고, 신호처리 알고리즘에 따라 계산이 복잡해져 처리시간이 증가하게 되는 단점이 있다. 한편, 빔포밍을 제어하는 방법으로는 (그림 11)에 가장 기본적인 구조인 위상 배열 안테나와 원하는 빔의 형태를 다양한 제어방법을 통해 형성하는 적응형(Adaptive) 빔포밍 배열 안테나로 분류할 수 있다[10].

(그림 10)

빔포밍 시스템 구조

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위상 배열 안테나의 경우, (그림 11 (a))와 같이 각 안테나 요소에 대해 일정한 위상 차를 갖도록 제어하는 구조로, 위상 차에 따라 빔의 방향을 결정할 수 있다. 위상 배열 안테나의 경우 각 안테나 원소별로 위상 천이기가 요구되어 배열 수가 늘어날수록 구조가 복잡해질 수 있다는 단점이 있다.

이와 같은 문제점을 개선하기 위해 위상 천이기를 이용하지 않고 입력에 따라 빔의 방향을 조절할 수 있는 고정형 위상 배열 안테나가 제안되었고, 대표적인 구조가 Butler matrix와 Bless matrix이다[11][12]. 이들은 고정된 입력을 통해 빔을 제어할 수 있으나, 빔의 방향이 고정되어 있어, 분해능이 떨어지는 단점이 있다. 위상 배열 안테나의 경우, 적응형 빔포밍 안테나에 비해 상대적으로 구현과 제어가 간편한 장점이 있으나, 방사 패턴의 부엽 레벨 제거에는 한계가 있다.

적응형 빔포밍 배열 안테나의 경우 (그림 11 (b))와 같이, 위상 배열 안테나의 단점인 부엽 제거 기능 강화 및 빔의 정교함을 높이기 위해 구현하는 방법으로, 폐루프 회로를 이용하여 원하는 빔 패턴에 수렴하도록 각각의 가중치 벡터를 계산하여 나가는 구조로 되어 있다. 이는 LMS(Least Mean Squares)와 같은 빔포밍 알고리즘을 통해 구현할 수 있다.

(그림 11)

빔포밍 제어 시스템 구조

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RFID 시스템의 간섭/충돌 문제 혹은 다중경로 페이딩문제를 극복하기 위하여 RFID 리더에 빔포밍 기술을 접목하고자 하는 연구가 2000년대 후반부터 본격적으로 진행되어 왔으나 이슈화된지 얼마 되지 않은 분야라 이 효과를 심층적으로 분석한 논문 혹은 자료가 많지 않다는 점에서는 아쉬운 점이 있다. 다만 RFID 빔포밍 시스템 구현 관련 특허가 해외에서 꾸준히 등록되고 있으며, 미국의 RFID 시스템 개발 회사인 Impinj는 2013년 IEEE RFID 국제학회에서 900MHz 대역 수동형 태그 위치 인식이 가능한 빔포밍 기술을 적용한 RFID 리더를 선보임에 따라 수년 내에 보편적으로 상용화될 가능성이 높다.

2. RFID 빔포밍 응용사례

RFID 주요 개발사인 미국의 Impinj사에서는 빔포밍 배열 안테나 시스템(xArray)를 이용하여, 직경 12m의 영역 내에서 RFID 태그의 움직임을 추적, 관리할 수 있는 RFID 시스템을 개발하여 RFID Journal Live 2013에서 시연하였다. RFID 빔포밍 시스템은 지면에서 약 4.5m 높이에 있는 4개의 배열 안테나를 이용하여 수직방향과 수평방향으로 각각 2차원 방사 빔을 형성한다. 이와 같은 안테나 방사빔을 조합하여 직경 12m의 인식영역을 52개의 인식영역으로 분할하여 RFID 태그를 구분 인식하는 기술이다. 이 시스템은 안테나의 기울기와 Alignment를 감지하는 센서와 배열 안테나가 가려졌음을 알려주는 Hysteresis Feedback 개념을 사용하여 태그 위치 정보에 대한 정확도를 높였다.

IV. 표준화 동향

자동인식기술(AIDC: Automatic Identification and Data Capture)에 대한 표준화의 중요성이 인식되면서 국제표준을 주도하는 양대 표준화 기구인 ISO와 IEC는 JTC1내에 AIDC 기술 표준화를 위한 SC31을 설립하고 바코드 및 RFID에 대한 국제표준화 활동을 시작하였다. RFID 기술 표준화는 SC31의 워킹그룹 중 WG4에서 추진되고 있으며 세부적으로는 SC31/WG4내에 6개의 서브그룹이 있어 분야별로 표준화가 진행되고 있다. 특히 RFID 무선접속 규격의 국제 표준화를 담당하는 서브그룹인 SG3에서는 각 주파수 대역 별로 RFID 태그와 리더의 통신을 위한 물리계층 규격과 프로토콜 규격을 규정하고 있다. 대부분의 UHF 대역 RFID 태그와 리더는 ISO/IEC 18000-63 표준을 주로 사용하며 현재 SG3에서는 기존 ISO/IEC 18000-63 표준에 파일관리 및 보안기능을 지원하는 규격으로 표준 개정을 추진하고 있으며 현재 CD 단계에 있다. 앞의 보안 기능과 관련된 표준화 작업은 SC31/WG7에서 이루어지며 현재 9개의 후보 기술에 대한 표준화 작업이 진행되고 있으며, ETRI에서도 AES-OFB(Advanced Encryption Standard-Output Feed Back) like 방식의 보안 암호기술을 제안하여 표준화를 추진하고 있다.

SG3 표준화 회의는 RFID 기술의 핵심이라 할 수 있는 각 주파수 대역별 물리규격 및 통신 프로토콜과 관련된 기술적인 논의가 활발한 회의로 현재 진행 중인 대부분의 표준문서 에디터들이 참석하기 때문에 기술적인 논쟁을 펼치고, 자국 또는 자사의 기술을 포함시키기 위해 직접 표준화 활동을 하기에 가장 좋은 자리이다. ETRI에서는 SG3를 통해 고속 RFID 기술 표준화를 추진하고 있으며 이를 통해 수동형 RFID 원천 기술을 보유한 해외 RFID 기업으로부터 국내 RFID 제조기업을 보호할 수 있을 것으로 기대된다. 작년에는 원활한 신규 표준화 추진을 위해 고속 RFID 기술의 국제표준 기반을 조성하기 위한 표준화 활동을 수행하였으며 국외 표준화 전문기관과의 국제 공동연구를 수행하였다. 그리고 지난 2013년 12월 영국에서 개최된 SG3 표준화 회의에서 대용량 메모리 태그 시장동향 및 응용분야, 대용량 데이터를 고속으로 처리할 수 있는 고속 RFID 기술 필요성에 대한 표준 기고서를 발표하였다. 2014년 6월 네덜란드에서 개최된 WG4 표준화 회의에서는 ETRI에서 제안한 신규 고속 인코딩 기술과 고속 프로토콜 기술을 상세히 소개하였고 제안 기술과 관련하여 표준화 회의에서 미국, 네덜란드, 오스트리아 등의 각국 대표와 열띤 토론을 펼쳤으며 향후 SG3 멤버들과 이메일 및 화상회의를 통해 고속 RFID 기술에 대한 기술적 토론을 정기적으로 실시하기로 협의가 된 상태이다.

고속 RFID 기술에 대한 기술적 협의가 마무리되는 대로 NWIP(New Working Item Proposal)를 SC31에 제출할 계획이며 올해 안에 NWIP 승인 및 WD(Working Draft) 제출을 목표로 표준화를 추진 중이다.

V. 결론

본고에서는 수동형 RFID의 신뢰성을 향상할 수 있는 고속 RFID 전송기술과 빔포밍 기술 및 표준화 동향을 설명하였다. 현재 수동형 RFID 기술은 의약품, 의류, 주류, 전자 등의 특정 산업에서만 폭넓게 사용하고 있으나, 특수 철강산업, 항공분야, 자동차, 조선 등에서 대용량 메모리 태그 적용 시 속도와 성능이 낮아 사용하기 어려운 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 고속 RFID 및 빔포밍 기술에 대한 관련 업계의 요구가 높아지고 있어 새로운 RFID 산업 활성화가 예상된다[13].

용어해설

RFID 변조 RFID 데이터를 전송할 목적으로 주파수파형을 디지털 형태로 변경하는 기술

Tari RFID 리더와 태그통신에서 데이터 0값을 전송하기 위한 참조시간 구간(reference time interval)

약어 정리

AES-OFB

Advanced Encryption Standard-Output Feed Back

AIDC

Automatic Identification and Data Capture

EIRP

Effective Isotropically Radiated Power

IEC

International Electrotechnical Commission

ISO

International Organization for Standardization

LMS

Least Mean Squares

MRO

Maintenance Repair and Operation

NWIP

New Working Item Proposal

PIE

Pulse Interval Encoding

PW

Pulse Width

RFID

Radio Frequency IDentification

SNR

Signal to Noise Ratio

Tari

Type A Reference Interval

WD

Working Draft

[1] 

G. Andrechak, J.C. Wilson, and C. Zimmardi, “RFID Item Level Management A Practical Approach,” Mullaney Publishing Group, 2007.

[2] 

Monza R6, http://www.impinj.com/products/monza

[3] 

R. wessel, “Airbus signs contract for high-memory RFID tags,” RFID J., Jan. 19th, 2010.

[4] 

RFID Journal LIVE 2014, http://www.rfidjournalevents.com/live/news/products

[5] 

T. Sato, “Fujitsu new RFID solution offering for Aviation industry,” RFID Journal LIVE 2014, pp. 1-22.

[6] 

A. Lázaro, D. Girbau, and D. Salinas, “Radio Link Budgets for UHF RFID on Multipath Environments,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 57, no. 4, Jan. 2012, pp. 1241-1251.

[7] 

P.V. Nikitin and K.V.S. Rao, “Antennas and Propagation in UHF RFID Systems,” IEEE International Conf. RFID, Apr. 2008, pp. 277-288.

[8] 

J. Mitsugi, and Y. Shibao, “Multipath Identification using Steepest Gradient Method for Dynamic Inventory in UHF RFID,” SAINTW, Jan. 2007, p. 24.

[9] 

배창호, “Digital Beamforming(DBF) 안테나 기술 동향,” 전자통신동향분석, vol. 21, no. 2, 2006. 4.

[10] 

C.B. Dietrich, “Adaptive Arrays and Diversity Antenna Configurations for Handheld Wireless Communication Terminals,” Ph.D. Dissertation, Virginia Tech University, Feb. 2000, pp. 31-41.

[11] 

J. Butler and R. Howe, “Beam-forming matrix simplifies design of electronically scanned antennas,” Electron. Design, no. 9, Apr. 1961, pp. 170-173.

[12] 

J. Blass, “The multidirectional antenna: A new approach to stacked beams,” IRE International Convention Record, Mar. 1996, pp. 48–50.

[13] 

IDTechEx, “RFID Forecasts, Players and Opportunities 2011-2012,” 2013.

(그림 1)

PIE 변조신호

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(그림 2)

확장 PIE 변조신호

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(그림 3)

미국 전파규격에서 PIE 및 확장 PIE 변조신호

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(그림 4)

Miller 인코딩 기저 함수

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(그림 5)

고속 Miller 인코딩 기저 함수

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(그림 6)

태그의 이중 채널 전송 예

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(그림 7)

항공기에서 필요한 RFID 태그 적용분야[5]

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(그림 8)

MAINtag의 64Kbit 대용량 메모리 태그칩

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(그림 9)

RFID 시스템의 전자파 전파

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(그림 10)

빔포밍 시스템 구조

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(그림 11)

빔포밍 제어 시스템 구조

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<표 1>

Miller 인코딩과 고속 Miller 인코딩 기술 비교

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*SNR(Signal to Noise Ratio)

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