13PI2700, Developement of Poer-Free Near Field High Speed Communication(ZING) Technology,
Moon-Sik Lee
Abstract
1. 단계 목표 o 1차년도 목표: 초저전력 3 Gbps급 근접거리 데이터 무선전송 기술 및 RF 요소기술 개발 - 초저전력 3 Gbps급 근접거리 데이터 무선전송 기술 개발 · 초저전력 3 Gbps급 무선전송 규격 설계 · 초저전력 3 Gbps급 베이스밴드 모뎀 상위/상세 설계 및 FPGA 구현 · 3 Gbps급 전송속도 제공 베이스밴드 모뎀의 FPGA 기반 성능 검증 - 초저전력 3 Gbps급 RF 구조 설계 및 요소기술 개발 · 80 mW급 3 Gbps 제공 태그용 RF 구조 설계 및 요소기술 개발 · 100 mW급 3 Gbps 제공 리더용 RF 구조 설계 및 요소기술 개발
2. 개발내용 및 결과 <1차년도 개발 목표 및 결과 요약> 1. 리더-리더간 최대 전송속도(BB: FPGA, 모뎀-모뎀간 검증) - 1차년도 목표 : 3 Gbps - 1차년도 결과 : 3 Gbps - 달성도 : 100% 2. 태그 RF 소모전력 - 1차년도 목표 : 80 mW - 1차년도 결과 : Tx 23.6 mW, Rx 24 mW - 달성도 : 330% 3. 리더 RF 소모전력 - 1차년도 목표 : 100 mW - 1차년도 결과 : Tx 22 mW, Rx 21.5 mW - 달성도 : 455% 4. 원천특허 (국내/국제) - 1차년도 목표 : 4건/2건 - 1차년도 결과 : 9건/9건 - 달성도 : 225%/450% 5. 논문 - 1차년도 목표 : 11건 - 1차년도 결과 : 13건 - 달성도 : 118%
<개발내용 및 결과> ※ 자세한 내용은 본 연차보고서(3.1절의 2. 연차 연구개발 추진 실적)에 기술되어 있음
□ 초저전력 3 Gbps급 근접거리 데이터 무선전송 기술 - 개발 내용 : o 초저전력 3 Gbps 급 무선전송 규격 설계 - 결과물(실적) : - Zing 통신 규격서 · 초저전력 3 Gbps급 무선전송 MAC 규격 설계 · 초저전력 3 Gbps급 무선전송 PHY 규격 설계 · Zing 통신 전송 프레임 구조 설계 · Zing 통신 메시지 송수신 구조 설계 · Zing 리더-태그, 리더-리더간 송수신 프로토콜 설계
- 개발 내용 : o 초저전력 3 Gbps 급 베이스밴드 모뎀 상위/상세 설계 및 FPGA 구현 - 결과물(실적) : - Zing 베이스밴드 모뎀 상위 설계서 · 초저전력 3 Gbps급 무선전송 시스템구조 설계 · 초저전력 3 Gbps급 무선전송 MAC 상위 설계: MAC H/W 상위 설계, MAC S/W 상위 설계, 호스트 인터페이스 상위 설계 · 초저전력 3 Gbps급 무선전송 PHY 상위 설계: 초저전력 PHY 상위 설계, 초저전력 직병렬변환기 (SerDes) 상위 설계 - Zing 베이스밴드 모뎀 상세 설계서 · 초저전력 3 Gbps급 무선전송 MAC 상세 설계 및 구현: MAC H/W 상세 설계 및 FPGA 구현, MAC S/W 상세 설계 및 구현, 호스트 인터페이스 상세 설계 및 구현 · 초저전력 3 Gbps급 무선전송 PHY 상세 설계 및 구현: 초저전력 PHY 상세 설계 및 FPGA 구현, 초저전력 직병렬변환기 (SerDes) 상세 설계 및 ASIC 구현
- 개발 내용 : o 3 Gbps급 전송속도 제공 베이스밴드 모뎀의 FPGA 기반 성능 검증 - 결과물(실적) : - 3 Gbps급 전송속도 제공 베이스밴드 모뎀 성능 검증용 시뮬레이터 · Reference Model: C/C++ 기반의 시스템 참조 모델을 이용한 시뮬레이션 · Functional Simulation: C/C++ 모델을 기반으로 작성된 HDL을 이용한 동작 시뮬레이션 - 3 Gbps급 초저전력 직병렬변환기 (SerDes) ASIC 칩 성능 검증 · 소모전력: 9.0 mW · 데이터 송수신 성능: 3 Gbps · Size: 950 x 1,950 um2 - 3 Gbps급 Zing 베이스밴드 모뎀 FPGA · Zing 검증용 USB3.0+FPGA 검증 플랫폼 개발 · MAC H/W+PHY 합성 및 FPGA 검증 · FPGA SerDes를 통한 3 Gbps급 전송 검증
□ 80 mW급 3 Gbps 제공 태그용 RF 구조 설계 및 요소기술 - 개발 내용 : o Zing 태그용 소형·저전력 RF 구조 설계 및 요소 기술 개발 - 결과물(실적) : - Zing 태그용 RF 구조 및 요소기술 설계서 · 3 Gbps급 데이터 전송을 위한 최적 변조방식/통신방식 구조 설계 ■ Non-coherent 방식 구조로 전력소모(15 mW) 최소화 · 저전력 시스템 구현을 위한 Zing 태그 RF 구조 설계 ■ 스위칭 구조의 Modulator 구조 · 3 Gbps급 데이터 전송을 위한 고속 Clock Generator 설계 ■ 주파수 doubler를 포함한 VCO ■ 소모전력: 16.5 mW, 주파수 범위: 58.3 ~ 66.7 GHz · 60 GHz 대역 송수신을 위한 주파수 혼합기 설계 ■ 스위칭 Modulator ■ 소모전력: 7.2 mW (on-state) / 24 uW (off-state) ■ Demodulator ■ 전력소모: 17 mW, 리미터 대역폭 > 10 GHz · 저전력 시스템 구현을 위한 mmWave 요소기술 설계 ■ 저전력/고이득 Low Noise Amplifier ■ 전력소모: 3 mW, 이득: 12 dB, 잡음지수: 5 dB ■ Cross-coupled 60 GHz VCO ■ Microstrip line으로 inductor 구현, 전력소모: 3 mW
- 개발 내용 : o 태그용 소형·저전력 RF 요소기술 구현 및 검증 - 결과물(실적) : - 80 mW 태그용 Zing RFIC · 3 Gbps급 데이터 전송을 위한 고속 Clock Generator ■ 주파수 doubler를 포함한 VCO ■ 소모전력: 16.6 mW, 주파수 범위: 54.14 ~ 61.53 GHz ■ 출력 파워 : -8.87 dBm (60GHz cable loss, probe loss 포함) · 스위칭 구조의 modulator ■ 소모전력: On : 14 mW, Off : 0 mW ■ 평균 전력소모 : 7 mW ■ 출력 파워 : -13.57 dBm (60GHz cable loss, probe loss 포함) · 저전력 고이득 mmWave Low Noise Amplifier ■ 전력소모: 6 mW, 이득: 8 dB · square-law detection과 limiting amplifier를 포함한 demodulator ■ 소모전력: 18 mW ■ 동작속도 : 3 Gbps · Zing 태그 RF 전력소모 ■ Tx (VCO, modulator) 전력소모: 23.6 mW ■ Rx (LNA, demodulator) 전력소모: 24 mW
□ 100 mW급 3 Gbps 제공 리더용 RF 구조 설계 및 요소기술 - 개발 내용 : o Zing 리더용 소형·저전력 RF 구조 설계 및 요소 기술 개발 - 결과물(실적) : - Zing 리더용 RF 구조 및 요소기술 설계서 · 밀리미터 주파수 Passive Components 개발: on-chip transmission line integration, 80 ~ 200 pH on-chip inductor 모델링 완료, 80 ~ 200 pH(Q ~ 20) on-chip inductor 모델링 완료 · 저 전력, 고 이득 저 잡음 증폭기 설계 : ■ 동작범위 : 50 ~ 69 GHz ■ 최대이득 : 24 dB ■ 잡음지수 : 4 dB ■ 전력 소모 :12 mW · 고 효율 밀리미터 전력 증폭기 설계 ■ 동작범위 : 56 ~ 65 GHz ■ 최대이득 : 16 dB ■ 출력파워 : 6.5 dBm ■ 전력 소모 :36 mW · 밀리미터 광대역 모듈레이터 설계 ■ 동작범위 : 60 GHz ISM ■ 출력파워 : 1 dBm ■ 전력 소모 : 10 mW · 밀리미터 광대역 디모듈레이터 설계 ■ Sensitivity: -33 dBm ■ 전력소모: 2.5 mW · 밀리미터 주파수 전압제어 발진기 설계 ■ 동작 주파수 : 60 GHz ISM ■ 출력 파워 : 12.2 mW · Injection Locked 발진기 설계 ■ 동작 주파수 : 19 ~ 22 GHz ■ 동작 파워 : 2.1 mW · 60 GHz 고이득/광대역 안테나 설계
- 개발 내용 : o 리더용 소형·저전력 RF 요소기술 구현 및 검증 - 결과물(실적) : - 100 mW 리더용 Zing RFIC · 저 전력, 고 이득 저 잡음 증폭기 설계 : ■ 동작범위 : 55 ~ 66 GHz ■ 최대이득 : 24 dB ■ 잡음지수 : 4 dB ■ 전력 소모 :14 mW · 고 효율 밀리미터 전력 증폭기 설계 ■ 동작범위 : 57 ~ 69 GHz ■ 최대이득 : 14 dB ■ 출력파워 : 6.4 dBm ■ 전력 소모 : 36 mW · 밀리미터 광대역 모듈레이터 설계 ■ 동작범위 : 55 ~ 65 GHz ■ 출력파워 : 0 dBm ■ 전력 소모 : 10 mW · 밀리미터 광대역 디모듈레이터 설계 ■ Sensitivity: ■ 전력소모: 2.5 mW · 밀리미터 주파수 전압제어 발진기 설계 ■ 동작 주파수 : 60 GHz ISM ■ 출력 파워 : 12.2 mW · Injection Locked 발진기 설계 ■ 동작 주파수 : 17.8 ~ 21.2 GHz ■ 동작 파워 : 2.1 mW - 60 GHz 대역 안테나 구현 및 검증 · 60 GHz 광대역 안테나 구조 설계 ■ 광대역 (대역폭: >7GHz), 저왜곡/고이득 배열 안테나 구조 설계 · 고밀도 패키지를 위한 다층기판 기반 Cavity Backed안테나 ■ Surface Wave에 의한 복사패턴 왜곡 및 이득 감소 Metal Cavity Backed 안테나 · 2x2 Metal Cavity Backed 안테나 성능 ■ 대역폭(반사계수(S11) < 10 dB): 54.1~63.9 GHz, 안테나 이득: 7.5~9.4 dBi
□ 특허/논문/프로그램/기술문서 o 특허: 총 18건 (국내 9건, 국제 9건) - 국내특허 2건 출원, 국제특허 1건 출원 - 국내특허 7건 출원 중, 국제특허 8건 출원 중 o 논문: 총 13건 (SCI 2건, 비SCI 11건) - 국외학술지(SCI) 2건 (심사 중), 국외학술대회 2건 (발표), - 국내학술지 3건 (게재 2건, 심사 중 1건), 국내학술대회 6건 (발표) o 프로그램: 8건 o 기술문서: 63건
3. 기대효과(기술적 및 경제적 효과) o 기술적 효과 - 차세대 NFC 기술의 선도 개발을 통한 국내 정보가전 산업 경쟁력 강화 (선개발 후표준화전략) - 모바일 단말기간 직접통신을 통한 트래픽 분산으로 네트워크 효율화 및 단말기의 저전력화 o 경제적 효과 - 스마트폰을 포함한 모바일 장치, 태그, 사이니지 제품 등의 새로운 NFC 생태계 구축 - 근접거리의 트래픽 폭주 예방을 통한 통신요금 절감 o 사회적 효과 - 새로운 전시 및 광고 기법: 안내판 및 광고 전달 기법의 새로운 패러다임 변화 - 다양한 외부 공간(사물)과 원활한 소통: “Touch & Get” 직관적 방식으로 인해 편리하고 다양한 생활밀착형서비스 확산
4. 적용분야 o 모바일 기기(스마트폰/태블렛/캠코더/디지털카메라 등) o 무선USB를 내장한 이동저장매체 o 태그를 내장한 스마트카드(음악, 영화, 게임, 교육, 완구 등) o 각종 안내판(교통정보, 등산지도, 박물관이나 전시관 작품, 각종 공연 및 광고 정보 등) 및 미디어 도서와 잡지
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J. Kim et. al, "Trends in Lightweight Kernel for Many core Based High-Performance Computing", Electronics and Telecommunications Trends. Vol. 32, No. 4, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
J. Sim et.al, “the Fourth Industrial Revolution and ICT – IDX Strategy for leading the Fourth Industrial Revolution”, ETRI Insight, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
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