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ZigBee : 저속-저가-저전력의 무선 통신 기술

윤성록, 서상호, 최호석, 황용석, 유형준, 박신종

한국정보통신대학교 시스템집적기술연구소

802.15.4 ZigBee는 저속, 저가, 저전력을 목적으로 하는 근거리 무선 통신 기술이다. 이 기술은MAC(Medium Access Control) 계층과 PHY(Physical) 계층으로 이루어져 있다. 이 중 MAC 계층에서는 전력 소모를 줄이기 위한 방식들이 정의되어 있고, PHY 계층은 매우 간단한 구조로 되어 있어서 저속의 데이터 전송률을 가지지만 저가격을 실현하고 있다. 본 고에서는 저속-저가-저전력에 초점을맞추어 표준을 분석하여, ZigBee라는 기술을 소개하고자 한다.

1. 서론

IEEE 802.15.4 ZigBee는 저속의 저가 저전력 소모를 필요로 하는 응용분야를 목표로 하는 근거리 무선 통신 기술이다. 이러한 응용 분야의 예로서 홈 오토메이션을 들 수있다. 예를 들어, 실내의 온도를 자동으로 조절해 주는 어플리케이션을 생각해 보자. 실내의 곳곳에 전자식 온도계 센서가 위치하여서 온도 정보를 냉난방기에 전달하고, 이 정보를 토대로 냉난방기가 동작하여 실내는 쾌적한 온도를 유지하게 될 것이다. 온도 정보의 크기와 전송 주기는 각각수 byte와 수 분이면 충분할 것이다. 또한, 이러한 장치의가격이 낮아야 할 것이고, 배터리 소모도 적어서, 배터리를자주 갈아주는 번거로움과 비용도 막아야 할 것이다. 기존의 IEEE 802.11 무선랜 기술이나 IEEE 802.15.1 블루투스의 경우 이러한 응용에 적합하지 않다.[1]

ZigBee system은 2.4GHz, 868MHz, 915 MHz의 주파수대역을 사용하며 각각 250kbps, 20kbps, 40kbps의 데이터전송률을 제공한다.

ZigBee의 MAC 계층은 저전력 소모를 위한 방식들을 제공하고 있다. Superframe 구조로 동작하는 것, Datarequest frame을 사용하는 것, backoff 횟수를 줄이는 것,short address를 사용하는 것으로써 이를 실현하고 있다.

PHY 계층은 간단한 구조로 되어 있다. 별도의 channelcoding 기법을 사용하지 않고, Spreading과 PSKmodulation만을 하여 전송하는 구조로 되어 있다. 따라서,근거리의 저속 무선 통신에 한정된 용도를 지녔지만, 낮은원가를 실현하고 있다.본 고에서는 저전력 방식을 중심으로 MAC 계층과, 간단한

PHY 계층에 대해서 더 자세히 소개할 것이다. 2장에서는MAC의 저전력 방식 4가지를 소개할 것이고, 3장에서는PHY 계층을 Baseband와 RF로 나누어 각각의 구조와 특징을 소개할 것이다.

2. MAC의저전력방식

2.1. Superframe 구조

Coordinator는 동일한 PAN(Personal Network Area)내의Device 들에게 beacon frame을 주기적으로 Broadcasting할 수 있다. 이 때, 연속된 두 개의 beacon frame 사이의 시간을 ACTIVE 구간과 INACTIVE 구간으로 분할하여 사용할수 있는데, 이와 같이 분할된 구조를 Superframe 구조(그림2.1-1)라고 한다. Superframe 구조에서 동작하는 PAN 내에서는 ACTIVE 구간의 시간에만 Channel에의 접근이 허용되

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며, INACTIVE 구간에서는 모든 Device들이 sleep mode로동작하기 때문에 Superframe 구조를 조정하여 저전력 소모가 가능해진다.

Superframe 구조는 SD(Slot Duration)와 BI(BeaconInterval)로 기술된다. 그림 2.1-1에서 알 수 있듯이 SD는ACTIVE 구간의 지속시간을, BI는 beacon frame의 시간 간격을 의미한다. 이 중 SD는 다시 16개의 Superframe Slot으로 분할되어 있다. BI와 SD는 고정된 시간이 아니다. 우선, SD는 PIB(PAN Information Base)에 정의된macSuperframeOrder(이하 SO)를 이용하여 정할 수 있다.

앞에서, aBaseSuperframeDuration, aNumSuperframeSlots,aBaseSlotDuration은 MAC의 상수 값이다. BI는 PIB에 정의된 macBeaconOrder(이하 BO)를 이용하여 정할 수 있다.

이를 시간으로 환산하면 다음과 같다. (1 symbol = 16 us)

따라서, SD와 BI는 SO와 BO 값에따라, 15.36 ms에서 4min 11 sec까지 변하게 된다. 또한, SO와 BO값에 따라,ACTIVE와 INACTIVE 구간의 비가 2BO - SO가 된다.

2.2. Downlink

Superframe 구조로 동작하는 PAN 내에서 Data의Downlink는 Coordinator가 beacon frame을 broadcasting하

면서 시작된다. 그림 2.2-1은 Downlink의 과정을 나타낸다.

Coordinator는 beacon frame을 통해 특정 Device에 전송할 data가 있다는 정보를 보낸다. 이 정보는 beacon frame의 pending address field에 있다.

그림 2.2-2는 pending address field를 나타낸다. PendingAddress Specification field에는 Coordinator가 보내야 할data가 몇 개 있는지의 정보가 short address와 longaddress 각각에 대하여 기록되어 있다. Address List에는Coordinator가 보내야 할 data의 destination address가short address부터 long address의 순서로 차례대로 저장이되며, Device는 Address Specification field 정보를 가지고,Address List에서 short address와 long address를 구별하여 판별한 후에, 자신의 address와 일치하는 것이 있으면,Downlink를 준비한다.

Channel 접근 권한을 얻기 위해, CSMA-CA 알고리즘에의해서 임의로 정해진 backoff slot 개수만큼의 지연 후에,두 slot 동안의 contention window 동안 추가적인CCA(Channel Clear Assessment)를 하게 된다. backoff와contention window의 1 slot duration은 320 us이다.

Channel 접근 권한을 획득하면, Device는 data requestframe을 전송한다. 그림 2.2-3은 data request frame을 나타내는데, 이 frame을 수신한 Coordinator는 Frame Identifier

<그림 2.1-1. Superframe 구조><그림 2.2-1. Data의 수신>

<그림 2.2-2. beacon frame의 pending address field>

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정보를 가지고, 이 frame이 data request frame 임을 식별하며, MHR(MAC Header)의 addressing field의 sourceaddress를 해석하여 어떤 Device에 data를 전송할 지 결정한다. 16-bit CRC로 되어 있는 FCS(Frame CheckSequence) 결과 error가 없으면, tACK(= 512 us) 이후에ACK frame을 전송하여, Device의 data 요청이 성공적으로되었음을 알린다.

Coordinator는 ACK frame을 전송하고, SIFS(= 192 us)이후에 data frame을 전송한다. Device는 data frame의FCS 결과 error가 없으면, tACK 이후에 ACK frame을 전송하여, Coordinator에 data frame을 성공적으로 수신하 음을 알린다.

이상의 일련의 과정을 통해서, Device는 Data frame을수신하는 시점을 알 수 있다. 즉, 주기적인 beacon을 수신하는 시점과 그림 2.2-1에서처럼 자신이 수신할 data가 있어서 ACK frame와 data frame을 수신 받는 시점에만 PHY계층의 수신기를 ON 하면 된다. 그 외의 구간에서는 항상수신기를 OFF 시킬 수 있으므로, 이러한 Downlink 방식에서는 저전력 소모가 가능하다.

2.3. Battery life Extension mode

Superframe 구조로 동작하는 PAN 내에서는 battery lifeextension mode를 지원하는데, 이는 CSMA-CA에서 사용되는 방식으로 전송 기회를 얻기 위한 backoff delay를 줄이는 방법이다. 그림 2.3-1은 전송이 실패할 때 마다 계산되는 backoff delay의 최대값을 Battery Extension mode와Normal mode의 경우로 나누어서 나타내었다.

Backoff delay는 0과 maximum backoff 값 사이의 임의의값으로 결정된다. 따라서, maximum backoff 값이 작을수록,평균적인 backoff delay는 작아지고, 그만큼 MAC의 처리 시간이 줄어들기 때문에, 파워 소모를 줄일 수 있다. Batteryextension mode에서 동작은 coordinator가 설정해 줄 수 있으며, 이는 Beacon frame의 superframe specification field가 '1'로 하여 broadcasting 함으로써 이루어진다. 그림 2.3-2는 backoff delay가 결정되는 순서도를 나타낸다.

2.4. Short address의 사용

802.15.4 zigbee에서는 extended address mode와, shortaddress mode의 두 가지 address mode를 지원하고 있다.Extended address는 device가 본래 가지고 있는 64bit의address이고, short address는 device가 coordinator에association 과정에서 부여 받은 16 bit의 address 이다.Short address를 사용하면, 전체적인 프레임 길이가 6 byte~ 12 byte 짧아지기 때문에 때문에, 전송하는데 걸리는 시간이 단축되어 파워 소모를 줄일 수 있는 이점이 있다.

3. 저속, 저가의PHY

3.1. Baseband

Zigbee PHY는 기존의 무선 통신 시스템의 PHY에 비해 낮은 data rate을 사용하므로 간단한 구조로 이루어져 있다.

<그림 2.3-1 busy channel에서 maximum Backoff 값 증가>

<그림 2.3-2 Backoff Number의 generation>

<그림 2.2-3 data request frame format>

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표 3.1-1은 ZigBee PHY 계층의 특징을 나타낸다. 2.4GHzISM 대역에서는 250kbps의 데이터 전송률과 16개의channel을, 915MHz ISM 대역에서는 40kbps의 데이터 전송률로 10개 채널을 사용한다. 868MHz 대역은 유럽지역에서사용하는 주파수 대역으로 20kbps 데이터 전송률과 1개의채널을 사용한다.

2.4GHz 대역에서 사용하는 16-ary orthogonal symbol은4bits의 raw data를 한 symbol로 하여 32 PN chip sequence로 대응 시킨 후, 이를 2 chips 당 1 개의 O-QPSK symbol로 mapping하여 생성된 symbol을 의미한다.그림 3.1-1은 PHY 계층과 MAC 계층의 계층 구조를 나타

낸다. 상위 계층인 MAC 계층으로부터 PD-SAP(PHY Data-Service Access Point)를 통해 PSDU(PHY Service DataUnit)를 받아서 PPDU(PHY Protocol Data Unit)를 만들고, 이를 RF-SAP를 통해 RF단으로 넘겨준다. 그리고 각종management data들은 PHY PIB(PAN Information Base)에저장되어 있으며 PLME-SAP(PHY Layer ManagementEntity SAP)를 통해 주고 받을 수 있다. PLME sublayer는RF-SAP를 통해 channel 정보인 ED(Energy Detection)나CCA 값을 받아서 PHY PIB에 저장하고, 이 정보를 다른 계층에서 활용할 수 있도록 한다.

PHY 계층에서 생성된 PPDU format은 그림3.1-2와 같다.preamble field는 synchronization을 위해 사용되고,SFD(Start of Frame Delimiter)는 preamble field가 끝났음을 알려준다. Frame length field는 payload(PSDU)의 길이를 알려준다. PPDU의 최대 크기는 133 octet이다.

그림3.1-3은 2.4GHz대역을 사용하는 PHY 계층의 blockdiagram을 나타낸다. MAC layer에서 받은 bit stream data를 4bits 당 1개의 symbol로 만들고, DSSS 방식으로 32개의 pn chip-sequence로 spreading 시킨다. Spreading된chip은 O-QPSK modulation 된다.

표 3.1-2는 2.4GHz를 사용하는 PHY 계층의 pn sequence를 나타낸다. pn-sequence는 4 chip씩 우측으로 회전하는특징을 보인다.

<그림3.1-1. PHY reference model>

<그림3.1-2. PHY Protocol Data Unit>

(LSB)

<그림3.1-3. 2.4GHz baseband>

<표3.1-1. Frequency bands and data rates>

<표3.1-2 symbol-to-chip mapping>

PHY(MHz)

868/915

2450

868-868.6

902-928

2400-2483.5

300

600

2000

20

40

250

20

40

62.5

Binary

Binary16-ary

Orthogonal

BPSK

BPSK

O-QPSK

Frequencyband(MHz)

Spreading parameterChip rate(kchip/s)

modulation Bit rate SymbolsSymbol rate(ksymbol/s)

Data parameter

O-QPSK modulation된 symbol은 다음 식에 정의된 것과같이 pulse shaping을 하게 된다.

868/915MHz 대역의 baseband는 그림 3.1-4와 같다.

differential encoding은 다음 식과 같이 수행된다.

decoding은 다음 식과 같이 이루어진다. 여기에서, Rn은encoding 될 데이터 bit, En은 differential encoding된 bit,En-1은 이전에 encoding된 bit을 각각 의미한다.

encoding된 값은 표3.1-3과 같이 bit-to-chip mapping을거쳐 pulse shaping이 된다.

다음 식은 여기에서 정의된 pulse shaping을 나타낸다.

3.2. RF

이 부분에서는 RF transceiver의 표준을 receiver와transmitter로 나누어 분석하 다.

3.2.1. Receiver Specification

ZigBee 표준에 따른 receiver의 특징은 표3.2-1과 같다.이를 이용하여 receiver의 NF(Noise Figure)와 Selectivity를구할 수 있다.

NNFFReceiver의 NF는 다음과 같이 구할 수 있다.

여기서 BW=2 MHz, SNRreq=6 dB, MDS= -85 dBm이므로, NF 0dB가 되고, Margin을 9dB로 정하면, NF는 11dB가 된다. Margin을 9dB로 하는 이유는 802.15.4a에서의default NF가 11dB이기 때문이다.

SSeelleeccttiivviittyyNoise equation을 사용하여 selectivity를 구할 수 있다.

위 식에서 외부 잡음 원으로는 NiRM 과 Ni

int만을 고려하다. 이를 각각 계산하면,

<그림3.1-4. 868/915MHz baseband>

<표3.1-3 bit-to-chip mapping>

<표3.2-1 ZigBee receiver 특징>

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SNR requirement 5~6 dB

-85 dBm

-20 dBm

0 dB

30 dB

1% 이하

Sensitivity

Maximum input power

PER

Receiver jammingresistance

Adjacent channel

Alternate channel

표준의 정의에 따라서 입력 신호의 power는 -82dBm이다.은 다음과 같이 구할 수 있다.

앞에서 구한 값들로 noise equation을 정리하면 다음과 같다.

그림3.2-1은 adjacent channel selectivity를 나타낸다.Selectivity는 약 9dB 정도임을 알 수 있다.

이상과 유사한 방법으로 alternate channel에 대한selectivity를 구할 수 있다. Alternate channel의 power는 -82dBm보다 30dB 큰 -52dBm이다. 앞의 adjacent channel의 selectivity를 구한 방법을 적용하면 다음과 같다.

그림3.2-2 은 alternate channel selectivity를 나타낸다.

alternate channel selectivity는 약 40dB 이다. 계산된selectivity에 margin을 3dB씩 주어 selectivity를 정하면,adjacent channel selectivity는 약 12dB, alternate channelselectivity는 약 43dB가 될 것이다.

■IIP3 and input P1dB설계할 ZigBee receiver의 최대 input power는 -20dBm

이다. 일반적으로 P1dB는 Maximum input level 보다 4dB가으므로 약 -16dBm 이다.

IIP3는 일반적으로 P1dB에 비해 10dB 높은 값을 가지므로 margin을 3dB를 감안하여 -3dBm로 결정할 수 있다.

■Block level design이상에서 구한 Gain, NF, IIP3를 이용하여 receiver를 설

계해 보자. 그림 3.2-3은 receiver의 block diagram이다.

표 3.2-2는 Gain, NF, IIP3를 Receiver block을 설계한 것이다. ADC의 입력 저항은 7k 을 사용하 다.

3.2.2. Transmitter Specification

■Output powerZigBee 표준에 따른 transmitter의 특징은 표 3.2-3과 같다.

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<그림3.2-1. Adjacent channel selectivity>

<그림3.2-2. Alternate channel selectivity>

<그림3.2-3. Receiver block diagram>

<표3.2-2 ZigBee Block specification>

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GainMax mode

Max NF(dB)

Min IIP3(dBm)Min mode

BPFLNAMixerLPFAGC1AGC2Total

53

30.531

67.846

53

-2-1.52.846

53

77

11.055

42

1212-3.0

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일반적으로 ZigBee system이 10m의 근거리에서 동작할 것으로 예측되기 때문에 10m 거리에서의 감쇄가 약 70~80dB사이로 감쇄가 일어나게 된다. 따라서 margin을 감안한desired output power는 0dBm으로 정할수 있다.

OOIIPP33기본적으로 OIP3는 P1dB보다 9.6 dB 높은 값이고, P1dB

는 일반적으로 output power에 비해 약 4dB 크다.따라서 output power는 0dBm이므로 OIP3는 약 14dBm이될 것이다. 여기서 margin 3dB를 감안하여 OIP3를 정하면약 17dBm이 될 것이다.

BBlloocckk lleevveell ddeessiiggnn

일반적으로 Low power에서 동작하는 DAC의 outputcurrent는 약 4mA~0.2mA 이다. 따라서 출력 저항을 50,output current를 1mA로 놓고 계산하면 다음과 같다.

4dB margin을 고려하면, 약-17dBm이 된다. 여기에서output power는 0dBm이므로, 따라서 gain은 17 dB 가 되어야 한다. 각 block의 특성을 감안하여 각 block level의 중요 specification은 표 3.2-4와 같다.

앞의 표에서 Driver amplifier가 빠져 있는 이유는, ZigBeetransmitter의 gain이 약 18dBm 이기 때문이다. 또한transmitter의 경우에는 NF가 크게 중요하지 않기 때문에specification에는 빠져있다.

4. Conclusion

무선 통신 기술의 발전과 이를 이용하는 어플리케이션들이 증가하면서 무선 통신 기술은 고속으로 다량의 data를전송하는 기술 말고도 저속의 저전력을 사용하는 기술도 요구하게 되었다. 이 기술은 유비쿼터스 시대의 센서 네트워크에 활용되어 Home Automation, Personal Health care,sensoring과 monitoring을 이용하는 industrial &commercial 등의 다양한 분야에 활용될 수 있다. Zigbee는간단한 PHY layer와 battery로 동작할 때 battery의 power소모를 고려한 MAC protocol로 저가의 저전력 장비를 구성할 수 있도록 개발되었다.

본 고에서는 이러한 Zigbee system에 대한 전반적인overview와 저전력 system 구성을 위한 MAC에서의 4가지power save scheme과 간단한 PHY layer를 살펴보았다. 현재 Zigbee system 구현을 위해 필립스, 모토롤라, 에릭슨 등의 기업이 참여해 Zigbee aliance를 구성하여 여러 분야에서활용할 수 있도록 경주하고 있다. SoC 기술을 활용하여 저전력의 보다 나은 성능의 system 개발이 이루어져야 할 것이다.

References

[1] ZigBee Web site: http://www.zigbee.com[2] IEEE Std. 802.15.4-2003.[3]Pilsoon Choi , Hyungchul Park, Ilku Nam, KyucheolKang, Yeonwo Ku, Sangho Shin, Sungchung Park,Taewook Kim, Hyokjae Choi, Sohyeong Kim, Sook MinPark, Myungsoo Kim, Seokjong Park, Kwyro Lee, "Anexperimental coin-sized radio for extremely low powerWPAN(802.15.4) application at 2.4 GHz " , IEEE Journalof Solid-state Circuits , DEC. 2003, vol.38 pp. 2258-2268.

<표 3.2-4 ZigBee Transmitter block diagram>

<표3.2-3 ZigBee Transmitter 특징>

<그림3.2-4 ZigBee Transmitter block diagram>

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Gain(dB)

OIP3(BM)

Mixer

4

3

Power Amp

13.5

15

Total

18

17

Minimum output power 20 dB

-3 dBm0 dBm

±96.2 kHz35% 이하

Maximum output powerDesired output power

Prequency stabilityEVM value