WO2014178605A1 - 스마트 가전 장치 및 네트워크 관리 시스템 - Google Patents

스마트 가전 장치 및 네트워크 관리 시스템 Download PDF

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WO2014178605A1
WO2014178605A1 PCT/KR2014/003775 KR2014003775W WO2014178605A1 WO 2014178605 A1 WO2014178605 A1 WO 2014178605A1 KR 2014003775 W KR2014003775 W KR 2014003775W WO 2014178605 A1 WO2014178605 A1 WO 2014178605A1
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area network
smart
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pairing
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이동환
김정호
손주형
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인텔렉추얼디스커버리 주식회사
레이디오펄스 주식회사
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    • H04L63/08—Network architectures or network communication protocols for network security for authentication of entities
    • H04L63/0892—Network architectures or network communication protocols for network security for authentication of entities by using authentication-authorization-accounting [AAA] servers or protocols

Definitions

  • Various embodiments of the present disclosure are generally related to network access in a multi-home area network environment, and more particularly, devices belonging to each home area network in a case where a plurality of home area networks operate in a physically adjacent space are networked.
  • Smart Grid is a technology that uses energy efficiently while minimizing environmental pollution by realizing stable and high efficiency intelligent power grid through convergence of IT and power technology.
  • Smart Grid is a next-generation intelligent power grid that combines information technology with existing power grids, minimizing unnecessary power generation and increasing efficiency of power usage by exchanging real-time information in both directions.
  • power generation facilities include traditional large power plants, such as thermal, hydro and nuclear, as well as solar and wind power plants using new or renewable energy, solar or wind.
  • the large power plants send power to transmission stations through transmission lines, and to the substations, where electricity is distributed to end customers such as homes and offices. Electricity produced in large-scale renewable power generation complexes is also sent to substations for distribution to each customer.
  • Smart Grid connects many electrically powered devices to IT networks and efficiently regulates energy supply and demand through information exchange.
  • the biggest problem with the existing grid was that the unidirectional power supply and simple metering facilities did not know the power usage at the end customer (home, factory, commercial facility) in real time and did not optimize the power supply.
  • the energy meter used in real time can be collected through the smart meter, so that the generation amount can be adjusted and the future power consumption can be predicted. You can do it.
  • ZigBee one of the Low Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN) technology, features low power and low cost, and is a private wireless network specification for smart grid and home automation applications in the 2.4 GHz frequency band. to be.
  • LR-WPAN Low Rate Wireless Personal Area Network
  • 1 illustrates each layer to which ZigBee and the IEEE 802.15.4 standard are applied.
  • ZigBee communication is a communication standard for local area networking.
  • the MAC (Medium Access Control) layer and the physical layer (PHY) layer adopt the IEEE 802.15.4 standard, and the network layer and application layer are standardized by the ZigBee Alliance.
  • ZigBee communication is one of several communication technologies that provide ubiquitous computing by providing Internet of Things (IoT) service in the home and office environment. In particular, the ZigBee communication method can minimize power consumption and can be installed in various battery-based smart grid devices or home sensors.
  • ZigBee can use 2.4GHz, 915MHz, and 868MHz frequency bands, which are Industrial, Scientific and Medical (ISM) bands, and transmits 250Kbps using 16 channels in the 2.4GHz band.
  • ISM Industrial, Scientific and Medical
  • the DSSS Direct Secure Spread Spectrum
  • the Zigbee technology allows data to be exchanged at speeds of 20 to 250kbps within tens of meters, and connects up to 255 devices to a single personal area network (PAN) to form a large-scale wireless sensor network indoors and out. Can be.
  • PAN personal area network
  • An object of the present invention is to provide a method, apparatus, and system for providing a network connection between a federated authentication center and a smart home appliance in a multi-home area network environment.
  • the present invention provides a smart home appliance comprising: a control unit controlling an operation of the smart home appliance; And at least one communication module configured to transmit / receive data based on a command of the controller, wherein the controller transmits a connection request message to a federation authentication center and receives a connection response message corresponding to the connection request. And transmitting a pairing request message including device information of the device to the federated authentication center, and receiving a pairing response message corresponding to the pairing request message.
  • the present invention provides a network management system in which a federation authentication center connects a smart home appliance to a network in a multi-home area network environment, wherein the smart home appliance transmits a connection request message to the federated authentication center.
  • the federation authentication center transmits a connection response message corresponding to the access request message to the smart home appliance, the smart home appliance sends a pairing request message including device information to the federation authentication center, and the federated authentication.
  • the center allocates a virtual home area network to which the smart appliance belongs based on the pairing request message, and the federation authentication center transmits a pairing response message corresponding to the pairing request message to the smart appliance.
  • Article system Ball
  • a network connection between a federated authentication center and a smart appliance is possible in a multi-home area network environment.
  • a multi-home area network environment in which a plurality of home area networks are physically adjacent, it is possible to connect a smart home appliance belonging to an arbitrary home area network to a network using a single federated authentication center. .
  • 1 illustrates each layer to which ZigBee and the IEEE 802.15.4 standard are applied.
  • FIG. 2 is a block diagram of a home area network system of a smart grid according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram schematically illustrating a home area network device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates a communication frame structure defined by the Zigbee standard and the IEEE 802.15.4 standard according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 illustrates a topology of a Zigbee wireless network according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a relationship between a federated authentication center and a home area network device of a pairing cluster according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 illustrates a multi-home area network structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 illustrates a communication step between a federated authentication center and a home area network device (eg, a smart home appliance) according to an embodiment of the present invention.
  • a home area network device eg, a smart home appliance
  • FIG 9 illustrates a data portion of a pairing response message according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a home area network system of a smart grid according to an embodiment of the present invention.
  • devices in a home area network are equipped with ZigBee, Wi-Fi, Bluetooth, Power Line Communication, and Ethernet modules to exchange data with each other. Can send and receive Communication inside the house can be through the wireless or wired.
  • each home area network device can communicate with the HEMS server 101 first, and each home area network device is preferably arranged to communicate with other home area network devices.
  • the home area network device is connected to a smart home appliance 105, an In-Home Display 106, an air conditioning facility 107a, a temperature controller 107 for controlling it, an electric car charger 108 for charging an electric vehicle 108a, A battery inverter 109 connected to the home battery 109a to control charging and discharging, a battery operated device 103 that operates as a battery, and a data mirror device 104 that mirrors data of the battery operating device 103.
  • the solar inverter 120 for converting the direct current electricity generated by the solar generator 120a into alternating current
  • the solar inverter 130 for converting the direct current electricity generated by the wind generator 130a into alternating current, etc.
  • the home energy management system (HEMS) server 101 responsible for real-time power management and real-time prediction of power consumption and the smart meter 102 for real-time measurement of power consumption play a pivotal role. In charge.
  • HEMS home energy management system
  • the home energy management system (HEMS) server 101 is a central device of the home energy management system, and is a home area network in response to energy-related information received from the HEMS management server 301 operated by the power supply service provider 300. I perform load control and energy usage control of my devices.
  • the HEMS server 101 may exist independently as a separate physical device, the corresponding function is built into the smart meter 102, or the corresponding function may be built into the smart home appliance 105 such as a TV. have.
  • the service provider's HEMS management server 105 performs a function of remotely managing and setting up the customer's HEMS server 101.
  • the smart meter 102 is an electronic electricity meter equipped with a communication function having a function of measuring the total usage of the home by time zone and transmitting it to the AMI server 201 operated by the power company 200. Unlike conventional mechanical electricity meters, it can be equipped with an LCD display, and it can measure messages in real time and deliver messages to the utility company and the user in both directions through the neighbor area network 204 and home area network 100 communication functions, respectively. . Therefore, through the smart meter 102, the power company 200 and the user can achieve the effects of reducing the meter reading cost and energy cost through the manpower, respectively.
  • Smart meters installed in offices or homes grasp the amount of real-time power used by each customer and transmit it to the AMI server 201, and on the contrary, receives a real-time electricity rate, load control, notification message, etc. from the AMI server 201 to the user or home. Share to area network devices. Through this, the user can recognize the amount of electricity currently used and the electricity bill, and can find ways to reduce the electricity consumption or the electricity bill according to the situation.
  • the Advanced Metering Infrastructure (AMI) system which monitors consumer power usage in real time, is the core infrastructure of the smart grid.
  • AMI is a system that can collect energy usage in real time, smart meter 102 installed in each home to measure the total power usage, and DCU (intermediate data collection device that collects data from multiple smart meters) Data Collection Unit) 203, and finally an AMI server 201 that collects data from a plurality of DCUs 203 via a large area network 202.
  • the DCU 203 communicates with a plurality of adjacent smart meters 102 through a neighbor area network (NAN), and communicates with the AMI server 50 through a wide area network (WAN). do.
  • NAN neighbor area network
  • WAN wide area network
  • the smart meter also communicates with home appliances in a home through a home area network (HAN) 100.
  • the AMI server 201 is a server located in the network of the utility company 200, manages the smart meter 102 and transmits real-time energy price information to the smart meter 102, or the real-time energy consumption of the customer from the smart meter 102. Collect it.
  • electricity can be supplied to the house through the solar inverter 120 or the wind inverter 130 which generates electricity through the solar generator 120a or the wind generator 130a and converts it into alternating current.
  • the remaining electricity can be resold outside.
  • the IHD (In-Home Display) 106 is a device for displaying the real-time energy consumption of the home, various power consumption, water consumption, gas usage, household appliances, real-time energy bill, real-time power generation, load control message, power company announcement It is a device that displays information and other information.
  • the mobile device 110 is a portable device capable of wireless communication with home area network devices such as a smartphone and a computer.
  • the HEMS server 101, smart meter 102 and home area network devices send and receive messages via an application standard protocol called an energy profile for demand response.
  • An example of the energy profile is the ZigBee Smart Energy Profile (SEP) energy profile
  • SEP standard is the SEP 1.x version of the standard that only works with ZigBee communication technology and SEP 2 that can work with any communication technology that supports IP (Internet Protocol)
  • IP Internet Protocol
  • the SEP can be standardized through the ZigBee Alliance and mounted on each home appliance, including the smart meter 102 in the home area network area. However, because there are variations in energy profiles by function or country, there may be devices that support these different energy profiles.
  • FIG. 3 is a block diagram schematically illustrating a home area network device according to an embodiment of the present invention.
  • the device may be one of devices inside the home area network 100 shown in FIG. 2.
  • a device includes a ZigBee 101a, a wireless LAN 101b, a PLC 101c, a mobile communication module 101d, and a user input signal for bidirectional communication with home area network devices.
  • a user input (101e) unit for receiving a display unit (101f) for displaying power information received through the communication modules (101a, 101b, 101c, 101d) or information on the home area network devices, the user By receiving the setting information, the power information or information about the home area network devices through the input unit 101e or the communication unit (101a, 101b, 101c, 101d), the display unit 101f and the electrical appliance of The controller 101h for controlling the operation may be provided.
  • the device may include a memory unit 101g in which control commands or programs for electrical appliances are stored.
  • control unit 101h of the device may control the display unit 101f to graphically provide the setting information, the power information, or the information about the electrical appliance to the user.
  • the mobile communication module 101d enables the device to transmit and receive a radio signal with an external device in a mobile communication network.
  • the user input 101e allows a command for controlling the device to be input by the user.
  • the display 101f may display a result and a state according to the operation of the device, and may display information provided from the outside.
  • FIG. 4 illustrates a communication frame structure defined by the Zigbee standard and the IEEE 802.15.4 standard according to an embodiment of the present invention.
  • ZigBee supports both slotted-mode and non slotted-mode.
  • slotted mode all devices in the PAN perform synchronization using a beacon message of a personal area network (PAN) coordinator.
  • PAN personal area network
  • non slotted-mode a preamble signal is used to detect the start of a frame.
  • Slotted-mode has the advantage of increasing network efficiency because it shares the synchronization signal, but it is not used well due to the overhead of the synchronization signal in the actual network environment.
  • the message frame structure is defined in common for slotted-mode and non slotted-mode.
  • the IEEE 802.15.4 standard defines the Physical (PHY) Layer and the Medium Access Control (MAC) Layer.
  • the ZigBee Alliance defines the Network Layer (NWK).
  • NWK Network Layer
  • SHR Synchronization Header
  • PSDU is a data set including all signals of MAC layer, which can be up to 127 bytes.
  • the MAC Layer starts with 2 bytes of Frame Control, and has 1 byte of Sequence Number and Addressing Fields with a minimum of 4 bytes and a maximum of 20 bytes.
  • the length of Addressing Fields depends on whether Short Address or Longer IEEE Address is used in any PAN.
  • FCS Frae Check Sequence
  • Data payload is also called MSDU (MAC layer Service Data Unit). If the PSDU of the PHY Layer has a maximum of 127 bytes, the length of the MSDU is up to 118 bytes since the MAC Header 7 bytes and the FCS 2 bytes are excluded.
  • Mandatory items in NWK Header are Frame Control 2 byte, Destination Address 2 byte, Source Address 2 byte, Radius 1 byte, Sequence Number 1 byte. If the MSDU is up to 118 bytes, the maximum payload that can be used in the NWK layer is 110 bytes minus 8 bytes of the NWK header.
  • FIG. 5 illustrates a topology of a Zigbee wireless network according to an embodiment of the present invention.
  • the ZigBee standard defines three network topologies: Star, Tree, and Mesh.
  • the ZigBee standard defines three types of network nodes.
  • the coordinator plays a central role in the network, manages the information of all devices connected to the network, and only a full function device (FFD) defined in IEEE 802.15.4 can operate as a coordinator.
  • FFD full function device
  • Routers are not in star topologies and can only be applied to tree and mesh topologies.
  • the router connects the coordinator with the end device and is composed of FFD only.
  • the router itself may also act as an end device, in which case it is a router but is treated the same as the end device.
  • End device is an end node of the network, and collects and transmits sensor data or performs a control function by receiving a coordinator's command.
  • An end device is generally composed of a reduced function device (RFD) defined in the IEEE 802.15.4 standard. RFDs use less memory than FFDs, resulting in lower cost and lower power consumption.
  • RFD reduced function device
  • the star topology is the simplest implementation, with a ZigBee coordinator at the center and end devices directly connected below it. In order to transmit data from end device to end device, it needs to go through coordinator. Therefore, two steps transmitted through coordinator are required.
  • Mesh topologies increase network size with the coordinator at the center, end devices or routers connected underneath, other routers connected under the router, and end devices connected directly.
  • the difference from the tree topology is that each node can have multiple parent nodes rather than one parent node.
  • Mesh topology has a disadvantage in that it consumes a lot of memory because the network configuration is complicated and each router needs to have information about all nodes.
  • a bypass path can be secured immediately, thereby improving network stability, and directly transmitting data through the shortest path without going through a coordinator, thereby reducing overall traffic.
  • the tree topology is a topology that can increase the size of the network, with the coordinator at the center, end devices or routers connected underneath, other routers connected under the router, and end devices connected directly.
  • all data must be concentrated in the coordinator, which tends to increase the total traffic.
  • FIG. 6 shows a relationship between a federated authentication center and a home area network device of a pairing cluster according to an embodiment of the present invention.
  • the federated authentication center acts as a server of a pairing cluster, and any home area network device acts as a client.
  • FIG. 7 illustrates a multi-home area network structure according to an embodiment of the present invention.
  • the multi-home area network 100 may be caused as follows.
  • the first case may be a case where the HEMS server 101 provided by the power company and the HEMS server 101 provided by the power additional service provider exist in the same household separately.
  • the second case may be the case of maintaining at least one or more HEMS servers 101 separately for a variety of goods, such as power, gas and water in a single household.
  • the third example may be a case where an apartment environment in which a plurality of home area networks and their smart meters overlap in a physical space and exist simultaneously. In this case, each home area network 100 may communicate with each other by a neighbor area network. In the third case, it is preferable to manage a plurality of home area networks through a federated authentication center.
  • the single certification center is called the Federated Trust Center (FTC), which will control the entire MDU network.
  • FTC Federated Trust Center
  • Each household may include home area network 100 devices, including a HEMS server 101 and a smart home appliance 105.
  • the smart meters 102 for measuring the power consumption of each household may be installed in an easy-to-manage area such as the basement or the first floor for the convenience of management.
  • the arbitrary home area network 102 is a virtual home area network in which the HEMS server 101, the smart home appliance 105, and the smart meter 102, which are remotely located, are the devices existing in the household. Network) can be configured.
  • the types of devices operating in the network include the federation authentication center 205 managing the connection and pairing of all devices, and the smart meters 102 belonging to each virtual home area network. , HEMS server 101 for managing individual home area networks, smart home appliances belonging to individual home area networks, and neighboring area networks 204 connecting them by communication.
  • a function may be coupled to the smart meter 102 without being physically a separate device.
  • the multi-home area network may include the following techniques.
  • a multi-homed area network uses the same network security key, and the connection of the network is preferably controlled by a single unified authentication center 205.
  • Devices belonging to any of the same home area network 100 perform a binding procedure through the integrated authentication center 205 and, using the assigned application layer link key, other devices present in the surrounding home area network 205. You can prevent devices from knowing the content of the message.
  • Devices belonging to different home area networks 100 may route messages from devices of other home area networks 100, but may not have a security key that can actually decrypt the messages.
  • each home area network 100 may operate as a plurality of virtual home area networks in the multi-home area network.
  • Each virtual home area network includes a smart meter 102 remotely associated with home area network 100 devices, such as HEMS server 101 and smart home appliance 105.
  • devices existing in a specific home area network 100 form a virtual home area network.
  • the subjects constituting the single virtual home area network will be the smart meter 102, HEMS server 101 and smart appliances 105 of the household.
  • a home network device newly connecting to any home area network 100 does not use a service discovery technique in an existing single network.
  • the message may be delivered to the surrounding home area network 100.
  • the federation authentication center 205 sends a list of which devices can communicate with the new access device.
  • the federation authentication center 205 obtains list information of devices that will constitute the virtual home area network for each household. The information may be received from the AMI server 201 operated by the power company. A device newly joining a multi-home operating network is preferably given information of which virtual home area network it is assigned to. This enables efficient service discovery in new networks. In other words, the service discovery of any new device should be limited to the virtual home area network to which the device belongs.
  • any new device When any new device enters a neighboring area network governed by a single federated authentication center 205, it must first successfully perform a secure key exchange with the federated authentication center.
  • the new device must request pairing information from the federation authentication center 205.
  • the new device may limit service discovery only to the devices listed in the pairing message. That is, the pairing response message received from the federation authentication center may include a device list of the virtual home area network to which the new node belongs. Therefore, the service discovery message is preferably transmitted in a unicast or multicast command, not broadcast.
  • each device belonging to the neighbor area network 204 can inquire the federation authentication center 205 whether new pairing information exists.
  • the novelty of the received pairing information may be determined according to the pairing version information indicated in the message.
  • FIG. 8 illustrates a communication step between a federated authentication center and a home area network device (eg, a smart home appliance) according to an embodiment of the present invention.
  • a home area network device eg, a smart home appliance
  • the smart home appliance 105 is used as an example of a home area network device.
  • other home area network devices such as HEMS servers, IHD and thermostats can perform similar steps.
  • the smart home appliance 105 transmits a connection request message to the federation authentication center 205 (S101).
  • the smart home appliance 105 and the federation authentication center 205 may perform authentication and key exchange.
  • the smart home appliance 105 may obtain a network key (S105).
  • the smart home appliance 105 may transmit a pairing request message to the federation authentication center 205 for communication with other devices of the virtual home area network to which the smart home appliance 105 belongs (S107).
  • the federation authentication center 205 may transmit a device information request to an AMI server to obtain information of the virtual home area network to which the smart home appliance 105 belongs (S109).
  • the device information request may include the MAC address of the smart home appliance.
  • the AMI server 201 may transmit a device information response message corresponding to the device information request to the federation authentication center 205.
  • the device information response message may include information of the virtual home area network to which the smart home appliance 105 belongs.
  • the federation authentication center 205 may use the virtual home area network information corresponding to the smart home appliance 105 through the device database previously stored.
  • the smart home appliance 105 may display the information of the virtual home area network desired by the smart home appliance 105 in the pairing request message.
  • the federation authentication center 205 allocates the virtual home area network to which the smart home appliance 105 belongs (S113), and transmits the information including the pair in a response message (S115).
  • the pairing response message preferably includes a list of other devices existing in the virtual home area network to which the smart home appliance 105 belongs.
  • the smart home appliance 105 may transmit a service discovery message to the devices in the list in the form of unicast or multicast.
  • the devices that receive the message may transmit a service response message corresponding to the service discovery message.
  • the service of the devices and the smart home appliance 105 may perform binding based on the information of the response message.
  • the device wants to change the virtual home area network to which it belongs on the network, the following steps can be performed.
  • FIG 9 illustrates a data portion of a pairing response message according to an embodiment of the present invention.
  • the pairing information version refers to a serial number of pairing information included in a current message. If multiple pairing response messages for a pairing request are sent, they all preferably have the same serial number. In addition, it is preferable to send a pairing response message including the same version information to all devices existing in the same virtual home area network at any time. If a new device joins the virtual home area network successfully, the version can be updated to a high number.
  • the total number of devices may indicate the total number of devices in the virtual home area network to which the device requesting access requests a connection.
  • the total number of devices is preferably arithmetic including the device that sent the pairing request message. This field is increased or decreased when the number of devices in the virtual home area network changes.
  • the device ID indicates the MAC addresses of devices belonging to the virtual home area network.
  • the device ID preferably includes the MAC address of the device that has sent the pairing request.
  • the smart home appliance 105 that has received the pairing response message composed of the fields may perform a service discovery procedure with address nodes of the device ID included in the pairing response message.

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Abstract

본 발명의 일 양상에 따르면, 스마트 가전 장치로써, 상기 스마트 가전의 작동을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부의 명령에 기초하여 데이터를 송/수신하는 적어도 하나의 통신 모듈;을 포함하되, 상기 제어부는, 연합 인증 센터로 접속 요청 메시지를 송신하고, 상기 접속 요청에 대응하는 접속 응답 메시지를 수신하고, 상기 연합 인증 센터로 자신의 기기 정보를 포함하는 페어링 요청 메시지를 송신하고, 상기 페어링 요청 메시지에 대응하는 페어링 응답 메시지를 수신하는 것을 특징으로 하는 스마트 가전 장치를 제공한다.

Description

스마트 가전 장치 및 네트워크 관리 시스템
본 개시의 다양한 실시예들은 일반적으로 다중 홈 영역 네트워크 환경에서의 네트워크 접속에 관련되며, 보다 상세하게는 다수의 홈 영역 네트워크가 물리적으로 인접한 공간에서 동작하는 경우에서 각 홈 영역 네트워크에 속한 기기들이 네트워크에 접속하고 자신이 속한 네트워크에 있는 다른 기기들과 페어링을 수행하는 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다.
인터넷과 초고속 통신과 같은 IT 기술은 최근 눈부신 발전을 거듭하고 있다. 환경 문제에 대한 인식이 변화되고 친환경 기술에 대한 높은 사회적 관심으로 인해 IT와 전력산업의 결합인 스마트 그리드 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 스마트 그리드는 IT와 전력기술의 융합을 통해 안정적이고 고효율의 지능화된 전력망을 구현하여 환경 오염은 최소화하며 효율적으로 에너지를 사용하는 기술이다. 스마트 그리드는 기존의 전력망에 정보기술을 접목하여 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로써 불필요한 발전을 최소화하고 전력 사용의 효율성을 증대시키는 차세대 지능형 전력망이다.
스마트 그리드 시스템에서 발전 시설은 화력발전, 수력발전, 원자력발전 같은 전통적인 거대 발전소들과, 새롭게 각광받고 있는 신재생에너지인 태양열 또는 풍력을 이용한 태양열 발전소와 풍력발전소를 포함한다. 상기 거대 발전소들은 송전선을 통하여 송전소로 전력을 보내고, 송전소에서는 변전소로 전기를 보내어 전기가 가정이나 사무실 같은 최종 수용가로 분배되도록 한다. 대규모 신재생 발전단지에서 생산된 전기도 변전소로 보내져 각 수요처로 분배되도록 한다.
스마트 그리드에서는 전기로 작동되는 많은 기기들을 IT 통신망으로 연결하며 정보 교환을 통하여 에너지 수급을 효율적으로 조절한다. 기존 전력망의 가장 큰 문제점은 단방향 전력 공급 및 단순한 계량 시설로 인해 최종 수용가(집, 공장, 상업시설)에서의 전력 사용량을 실시간으로 알지 못해 전력 공급을 최적화하지 못한다는 것이었다. 스마트 그리드 환경에서는 스마트 미터(Smart Meter)를 통해 실시간으로 사용되는 에너지 사용량을 수집할 수 있게 됨으로써 발전량 조절 및 향후 전력 사용량 예측이 가능하여, 에너지 비용을 차등적으로 할 수 있어 전력 사용을 효율적으로 분배할 수 있게 된다.
가정 내 스마트 그리드 환경에서는 스마트 미터를 포함한 각 가전 기기들 간의 통신을 통하여 에너지 관련 정보를 주고 받게 된다. 상기 목적으로 사용이 가능한 유무선 통신 기술은 여러 방식이 존재하나 현재까지 가장 많은 제품에 탑재된 기술은 지그비(ZigBee) 기술이다. 저속 무선 사설 네트워크(LR-WPAN: Low Rate Wireless Personal Area Network) 기술의 하나인 지그비(ZigBee)는 저전력, 저비용이 특징으로, 2.4GHz 주파수 대역에서 스마트 그리드 및 홈 오토메이션 응용 등을 위한 개인 무선 네트워크 규격이다.
도 1은 지그비(ZigBee)와 IEEE 802.15.4 표준이 적용되는 각 계층을 도시한 것이다.
지그비 통신방식은 근거리 네트워킹을 위한 통신 표준으로 MAC(Medium Access Control) 계층 및 물리(PHY: Physical Layer) 계층은 IEEE 802.15.4 표준을 채용하며, 네트워크 계층 및 응용 계층은 ZigBee Alliance에서 표준을 제정한다. 지그비 통신방식은 가정, 사무실 등의 환경에서 수십 미터 내외의 근거리 통신 서비스를 제공하며, 사물 인터넷(IoT: Internet of Things)를 구현하여 유비쿼터스 컴퓨팅을 실현시킬 통신 기술들 중 하나이다. 특히 지그비 통신방식은 전력소모를 최소화할 수 있어 배터리 기반의 다양한 스마트 그리드용 장치나 가정용 센서들에도 탑재가 가능하다.
지그비 표준을 참조하면, 지그비는 ISM(Industrial, Scientific and Medical) 대역인 2.4GHz, 915MHz, 및 868MHz 주파수 대역들을 사용 가능하며, 주파수별로 2.4GHz 대역에서 16개 채널을 사용하여 250Kbps의 전송 속도를, 915MHz 대역에서 10개 채널을 사용하며 40kbps의 전송 속도를, 868MHz 대역에서 1개 채널을 사용하여 20kbps의 전송 속도를 가질 수 있으며, 물리 계층에서는 DSSS(Direct Secure Spread Spectrum) 기술을 사용한다. 이를 종합하면 지그비 기술을 통하여 수십m 내에서 20~250kbps의 속도로 데이터를 교환하고, 하나의 PAN(Personal Area Network)에 최대 255대까지의 기기를 연결하여, 실내외에 대규모 무선 센서 네트워크를 구성할 수 있다.
본 발명의 목적은 다중 홈 영역 네트워크 환경에서 연합 인증 센터와 스마트 가전간의 네트워크 접속을 제공하는 방법, 장치, 및 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 스마트 가전 장치로써, 상기 스마트 가전의 작동을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부의 명령에 기초하여 데이터를 송/수신하는 적어도 하나의 통신 모듈;을 포함하되, 상기 제어부는, 연합 인증 센터로 접속 요청 메시지를 송신하고, 상기 접속 요청에 대응하는 접속 응답 메시지를 수신하고, 상기 연합 인증 센터로 자신의 기기 정보를 포함하는 페어링 요청 메시지를 송신하고, 상기 페어링 요청 메시지에 대응하는 페어링 응답 메시지를 수신하는 것을 특징으로 하는 스마트 가전 장치를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 다중 홈 영역 네트워크 환경에서 연합 인증 센터가 스마트 가전을 네트워크에 접속시키는 네트워크 관리 시스템에 있어서, 상기 스마트 가전이 상기 연합 인증 센터로 접속 요청 메시지를 송신하고, 상기 연합 인증 센터가 상기 스마트 가전으로 상기 접속 요청 메시지에 대응하는 접속 응답 메시지를 송신하고, 상기 스마트 가전이 상기 연합 인증 센터로 자신의 기기 정보를 포함하는 페어링 요청 메시지를 송신하고, 상기 연합 인증 센터가 상기 페어링 요청 메시지에 기반하여 상기 스마트 가전이 속하는 가상 홈 영역 네트워크를 할당하고, 상기 연합 인증 센터가 상기 스마트 가전으로 상기 페어링 요청 메시지에 대응하는 페어링 응답 메시지를 송신하는 것을 특징으로 하는 네트워크 관리 시스템을 제공한다.
본 발명에 실시예에 따르면 다중 홈 영역 네트워크 환경에서 연합 인증 센터와 스마트 가전간의 네트워크 접속이 가능하다. 특히 본 발명의 실시예에 의하면 다수의 홈 영역 네트워크가 물리적으로 인접해 있는 다중 홈 영역 네트워크 환경에서 단일한 연합 인증 센터를 활용하여 임의의 홈 영역 네트워크에 속하는 스마트 가전을 네트워크에 접속 시키는 것이 가능하다.
도 1은 지그비(ZigBee)와 IEEE 802.15.4 표준이 적용되는 각 계층을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 스마트 그리드의 홈 영역 네트워크 시스템 구성도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 홈 영역 네트워크 기기를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 관련된 지그비 표준 및 IEEE 802.15.4 표준에서 정의하는 통신 프레임 구조를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 관련된 지그비 무선네트워크의 토폴로지(Topology)를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 관련된 페어링 클러스터의 연합 인증 센터와 홈 영역 네트워크 기기간의 관계를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 관련된 다중 홈 영역 네트워크 구조를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 관련된 연합 인증 센터와 홈 영역 네트워크 기기 (예: 스마트 가전)간의 통신 단계를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 관련된 페어링 응답 메시지의 데이터 부분을 도시한 것이다.
본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 명확히 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 본 명세서에 기재된 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 본 발명의 사상을 벗어나지 아니하는 수정예 또는 변형예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어와 첨부된 도면은 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것이고, 도면에 도시된 형상은 필요에 따라 본 발명의 이해를 돕기 위하여 과장되어 표시된 것이므로, 본 발명이 본 명세서에서 사용되는 용어와 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 본 발명에 관련된 공지의 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 이에 관한 자세한 설명은 필요에 따라 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 스마트 그리드의 홈 영역 네트워크 시스템 구성도를 도시한 것이다.
상기 도 2를 참조하면, 홈 영역 네트워크 내 기기들은 지그비(ZigBee), 무선랜(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), PLC(Power Line Communication), 이더넷(Ehternet) 모듈들을 탑재하여 서로 간에 데이터를 송수신할 수 있다. 집안 내부에서의 통신은 상기 무선 또는 유선을 통하여 이루어질 수 있다. 그리고, 각 홈 영역 네트워크 기기들은 우선적으로 HEMS서버(101)와의 통신이 가능한 것이 바람직하며 또한 각 홈 영역 네트워크 기기들은 다른 홈 영역 네트워크 기기들과 상호 연결되어 통신이 가능하도록 배치하는 것이 바람직하다.
상기 홈 영역 네트워크 기기는 스마트 가전(105), In-Home Display(106), 공조설비(107a)와 연결되어 이를 조절하는 온도조절기(107), 전기차(108a)를 충전하는 전기차 충전기(108), 가정용 배터리(109a)와 연결되어 충방전을 제어하는 배터리 인버터(109), 배터리로 동작하는 배터리 운영 기기(103) 및 상기 배터리 운영 기기(103)의 데이터를 미러링 해주는 데이터 미러 기기(104), 사용자의 모바일 기기(110), 태양광 발전기(120a)에서 발전된 직류 전기를 교류로 변환하는 태양광 인버터(120), 풍력 발전기(130a)에서 발전된 직류 전기를 교류로 변환하는 태양광 인버터(130) 등 에너지 제어가 필요한 다양한 기기들을 통칭한다.
상기 가정 내 스마트 그리드에서는 가정의 실시간 전력관리 및 소요전력의 실시간 예측을 담당하는 HEMS(Home Energy Management System)서버(101) 및 전력의 소모량을 실시간으로 계측하는 스마트 미터(102)가 중추적인 역할을 담당한다.
상기 HEMS(Home Energy Management System)서버(101)는 홈 에너지 관리 시스템의 중심 기기로서, 전력 부가 서비스 사업자(300)가 운영하는 HEMS 관리서버(301)로부터 수신한 에너지 관련 정보에 대응하여 홈 영역 네트워크 내 기기들의 부하제어(Load control) 및 에너지 사용량 조절을 수행한다. 상기 HEMS서버(101)는 별도의 물리적인 기기로서 독립적으로 존재할 수도 있으며, 상기 스마트 미터(102)에 해당 기능이 내장되거나, TV와 같은 스마트 가전(105)에 해당 기능이 내장되어 결합될 수 도 있다. 서비스 사업자의 HEMS 관리 서버(105)는 수용가의 HEMS서버(101)를 원격에서 관리하고 설정하는 기능을 수행 한다.
상기 스마트 미터(102)는 시간대별 가정의 전체 사용량을 측정하여 이를 전력회사(200)가 운영하는 AMI 서버(201)로 송신할 수 있는 기능을 갖추고 있는 통신 기능이 장착된 전자식 전력량계이다. 기존 기계식 전력량계와 다르게 LCD 디스플레이를 구비할 수 있으며, 전력 사용량을 실시간으로 측정하여 전력회사 및 사용자에게 각각 이웃 영역 네트워크(204) 및 홈 영역 네트워크(100) 통신 기능을 통해 양방향으로 메시지 전달이 가능하다. 따라서, 상기 스마트 미터(102)를 통해, 전력회사(200)와 사용자는 인력을 통한 검침 비용의 절감 및 에너지 비용 절약 등의 효과를 각각 거둘 수 있다.
사무실이나 가정에 설치된 스마트 미터는 각 수용가에서 사용되는 실시간 전력량을 파악하여 AMI서버(201)로 송신하며, 반대로 AMI서버(201)로부터 실시간 전기요금, 부하제어, 알림 메시지 등을 수신하여 사용자나 홈 영역 네트워크 기기들에게 공유할 수 있다. 이를 통하여 사용자는 현재 사용되는 전력량 및 전기요금을 인지하여 상황에 따라 전력소모량이나 전기요금을 줄이는 방안을 강구할 수 있다.
수용가의 전력 사용량을 실시간으로 모니터링 하는 AMI(Advanced Metering Infrastructure) 시스템은 스마트 그리드의 핵심 인프라라고 할 수 있다. AMI는 실시간으로 에너지 사용량을 수집할 수 있는 시스템으로서, 각 가정에 설치되어 전체 전력 이용량을 측정하는 스마트 미터(102)와, 다수의 스마트 미터들로부터 데이터를 수집하는 중간 데이터 수집장치인 DCU(Data Collection Unit)(203), 최종적으로 다수의 DCU(203)들로부터 대규모 영역 네트워크(202)를 통해 데이터를 수집하는 AMI 서버(201)로 구성된다. 여기서, DCU(203)는 인접한 다수의 스마트 미터(102)와 이웃 영역 네트워크 (NAN: Neighborhood Area Network)를 통해서 통신하고, AMI 서버(50)와는 대규모 영역 네트워크 (WAN: Wide Area network)을 통해서 통신한다. 또한 스마트 미터는 집안의 가전 기기들과 홈 영역 네트워크 (HAN: Home Area Network)(100)을 통해서 통신한다. AMI 서버(201)는 전력회사(200) 의 망 내에 위치한 서버로서 스마트 미터(102)를 관리하고 상기 스마트 미터(102)에 실시간 에너지 가격 정보를 전송하거나 스마트 미터(102)로부터 수용가의 실시간 에너지 사용량을 수집한다.
홈 영역 네트워크에서 태양광 발전기(120a)나 풍력 발전기(130a)를 통하여 전기를 자체적으로 생산한 후 이를 교류로 변환하는 태양광 인버터(120)나 풍력 인버터(130)를 통하여 집안에 전기를 자체 공급할 수 있고, 남는 전기는 외부에 되팔수도 있다.
상기 IHD(In-Home Display)(106)는 가정의 실시간 에너지 사용량을 디스플레이하는 장치로써 각종 전력 사용량, 수도 사용량, 가스 사용량, 가전별 사용량, 실시간 에너지 요금, 실시간 발전량, 부하 제어 메시지, 전력 회사 공지 사항 및 기타 정보들을 표시하는 장치이다.
모바일 기기(110)는 스마트폰, 컴퓨터 등 홈 영역 네트워크 기기들과 무선통신이 가능한 휴대용 장치이다.
수용가에서 HEMS서버(101)와 스마트 미터(102)와 홈 영역 네트워크 기기들은 수요반응을 위해 에너지 프로파일이라 불리는 응용 표준 프로토콜을 통해 메시지를 주고 받는다. 상기 에너지 프로파일의 일례로 ZigBee SEP(Smart Energy Profile) 에너지 프로파일이 있으며 SEP 표준은 ZigBee 통신 기술에서만 동작하는 SEP 1.x 버전의 표준과 IP(Internet Protocol)을 지원하는 어떤 통신 기술에서도 동작 가능한 SEP 2.x 표준이 별도로 존재한다. SEP는 ZigBee Alliance를 통해 표준화 되어 홈 영역 네트워크 영역내의 스마트 미터(102)를 포함한 각 가전 기기들에 탑재될 수 있다. 하지만 기능별 또는 국가별 다양한 에너지 프로파일의 변형이 존재하므로 이러한 다양한 에너지 프로파일을 지원하는 기기들도 존재할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 홈 영역 네트워크 기기를 개략적으로 도시한 블록도이다.
상기 기기는 상기 도2에서 표시한 홈 영역 네트워크(100) 내부의 기기 중 하나일 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 기기는, 홈 영역 네트워크 기기들과 양방향 통신을 위한 ZigBee(101a), 무선랜(101b), PLC(101c), 이동통신모듈(101d), 사용자의 입력신호를 수신하는 사용자 입력(101e)부, 상기 통신모듈들(101a, 101b, 101c, 101d)을 통하여 수신된 전력정보 또는 상기 홈 영역 네트워크 기기들에 대한 정보를 표시하는 디스플레이부(101f), 상기 사용자 입력부(101e) 또는 상기 통신부(101a, 101b, 101c, 101d)를 통하여 상기 설정정보, 상기 전력정보 또는 상기 홈 영역 네트워크 기기들에 대한 정보를 수신하여, 상기 디스플레이부(101f) 및 상기 전기제품의 동작을 제어하는 제어부(101h)를 구비할 수 있다.
상기 기기는 전기제품에 대한 제어 명령어 또는 프로그램이 저장된 메모리부(101g)를 구비할 수 있다.
바람직하게는 상기 기기의 제어부(101h)는 사용자에게 상기 설정정보, 상기 전력정보 또는 상기 전기제품에 대한 정보를 그래픽화하여 제공하도록 상기 디스플레이부(101f)를 제어할 수 있다.
이동통신 모듈(101d)은 상기 기기가 이동통신망에서 외부기기와 무선신호를 송수신할 수 있게 한다.
사용자 입력(101e)부는 기기를 제어하기 위한 명령이 사용자에 의해 입력될 수 있게 한다.
디스플레이(101f)부는 상기 기기의 동작에 따른 결과 및 상태를 표시하며, 외부로부터 제공받은 정보를 표시할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 관련된 지그비 표준 및 IEEE 802.15.4 표준에서 정의하는 통신 프레임 구조를 도시한 것이다.
지그비는 slotted-mode 와 non slotted-mode를 모두 지원한다. Slotted mode에서는 PAN(Personal Area Network) 코디네이터의 비콘(Beacon) 메시지를 사용하여 PAN안의 모든 기기들이 동기를 수행하며, non slotted-mode에서는 Preamble 신호를 이용해 프레임의 시작을 알아낸다. Slotted-mode는 동기신호를 공유하므로 네트워크 효율이 올라가는 장점이 있지만, 실제 네트워크 환경에서는 동기신호의 오버헤드로 인하여 잘 사용되지 않는다. 상기 메시지 프레임 구조는 slotted-mode와 non slotted-mode에 공통으로 규정된 것이다.
IEEE 802.15.4 표준에서는 PHY(Physical) Layer와 MAC(Medium Access Control) Layer를 규정하고 있고, ZigBee Alliance에서는 NWK(Network) Layer를 규정하고 있다. PHY Layer의 맨 처음에 위치한 4 바이트의 Preamble Sequence와 1 바이트의 Start of Frame Delimiter가 있는데 이들은 프레임의 시작을 알려준다. 상기 5 바이트는 SHR(Synchronization Header)라 불린다. 그 뒤로 1 바이트의 Frame Length 가 있어서 뒤에 따라오는 PSDU(PHY Layer Service Data Unit)의 길이를 알려준다. PSDU는 MAC 계층의 신호를 모두 포함한 데이터 집합으로 최대 127 바이트까지 가능하다.
MAC Layer는 2 바이트의 Frame Control로 시작하고, 1 바이트의 Sequence Number와 최소 4 바이트에서 최대 20 바이트를 가진 Addressing Fields가 있다. 임의의 PAN에서 Short Address를 사용할 것인가 이보다 긴 IEEE Address를 사용할 것인가에 따라 Addressing Fields의 길이가 달라진다. 그 뒤로 NWK Layer의 데이터가 실려있는 Frame Body 가 따라오고 마지막으로 FCS(Frame Check Sequence)를 이용해 프레임의 오류를 찾아낸다. Data Payload는 MSDU(MAC layer Service Data Unit)라고도 한다. PHY Layer의 PSDU가 최대 127 바이트라고 하면, MAC Header 7 바이트와 FCS 2 바이트를 제외하므로, MSDU의 길이는 최대 118 바이트이다.
NWK Header에서 필수 항목은 Frame Control 2 바이트, Destination Address 2 바이트, Source Address 2 바이트, Radius 1 바이트, Sequence Number 1 바이트로 총 8 바이트가 필수항목이다. MSDU가 최대 118 바이트인 경우, NWK 층에서 사용할 수 있는 최대 Payload는 NWK Header 8 바이트를 뺀 110 바이트가 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 관련된 지그비 무선네트워크의 토폴로지(Topology)를 도시한 것이다.
지그비 표준은 스타(Star), 트리(Tree), 메쉬(Mesh)의 3가지 네트워크 토폴로지(Topology)를 규정한다. 지그비 표준은 네트워크 노드의 형태를 세가지로 규정하고 있다.
코디네이터는 네트워크의 중심 역할을 하며 네트워크에 연결된 모든 기기의 정보를 관리하며 IEEE 802.15.4에서 정의된 FFD(Full Function Device)만 코디네이터로 동작할 수 있다.
라우터(Router)는 스타 토폴로지에는 없으며, 트리 토폴로지과 메쉬 토폴로지에만 적용할 수 있다. 라우터는 코디네이터와 종단기기(End Device)를 연결해 주는 역할을 하며 FFD로만 구성한다. 라우터 자체적으로 종단기기의 역할을 병행할 수도 있으며, 이 경우 이름은 라우터이지만 종단기기와 동일하게 취급되기도 한다.
종단기기(End Device)는 네크워크의 종단 노드를 구성하는 것으로 센서 데이터를 수집해서 전송하거나 코디네이터의 명령을 받아서 제어 기능을 수행하는 등의 역할을 수행한다. 종단기기는 일반적으로 IEEE 802.15.4 표준에서 정의된 RFD(Reduced Function Device)로 구성한다. RFD는 FFD와 비교해서 적은 메모리를 사용하여 가격을 낮추고 전력소모를 줄인 것이 특징이다.
스타 토폴로지는 지그비 코디네이터가 중심에 있고, 그 밑으로 종단기기들이 직접 연결된 망으로, 구현이 제일 간단하다. 종단기기에서 종단기기로 데이터를 전송하기 위해서는 코디네이터를 거쳐야 하므로 코디네이터를 통해서 전달되는 두 단계가 필요하므로 주변 노드끼리 통신할 경우 비효율이 발생한다.
메쉬 토폴로지는 코디네이터가 중심에 있고, 그 밑으로 종단기기들이나 라우터들이 연결되고, 라우터 밑으로 또 다른 라우터들이 연결되기도 하고 종단기기가 직접 연결되기도 하면서 네트워크 크기를 늘려나간다. 다만 트리 토폴로지와 다른 점은 각각의 노드가 하나의 부모노드를 가지는 것이 아니라 여러 개의 부모노드를 가질 수 있다는 점이다. 메쉬 토폴로지는 네트워크 구성이 복잡하고 모든 노드에 대한 정보를 각각의 라우터가 모두 가지고 있어야 하므로 메모리를 많이 소비하는 단점이 있다. 그러나, 하나의 노드가 손실되더라도 우회경로를 즉시 확보할 수 있어서 네트워크 안정성이 향상되고, 코디네이터를 거치지 않고도 최단 경로로 데이터를 직접 전송할 수 있어서 전체 트래픽을 줄이는 장점이 있다.
트리 토폴로지는 코디네이터가 중심에 있고, 그 밑으로 종단기기 들이나 라우터 들이 연결되어 있고, 라우터 밑으로 또 다른 라우터들이 연결되기도 하고 종단기기가 직접 연결되기도 하면서 네트워크의 크기를 늘려갈 수 있는 토폴로지이다. 트리 토폴로지의 네트워크에서는 모든 데이터가 코디네이터로 집중되어야 하므로 전체 트래픽이 많아지는 경향이 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 관련된 페어링 클러스터의 연합 인증 센터와 홈 영역 네트워크 기기간의 관계를 도시한 것이다.
상기 연합 인증 센터는 페어링 클러스터의 서버로서 동작하며, 임의의 홈 영역 네트워크 기기는 클라이언트로 동작한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 관련된 다중 홈 영역 네트워크 구조를 도시한 것이다.
물리적으로 동일한 위치에서 다중 홈 영역 네트워크(100)가 존재하는 경우는 하기와 같은 원인일 수 있다. 제1 사례는 단일 가구에서 전력 회사가 공급하는 HEMS서버(101)와 전력 부가 서비스 사업자가 제공하는 HEMS서버(101)가 별도로 동시에 존재하는 경우일 수 있다. 제2 사례는 단일 가구에서 전력, 가스, 수도와 같은 다종의 재화에 대한 적어도 하나 이상의HEMS서버(101)들을 별도로 유지하는 경우일 수 있다. 제3 사례는 다수의 홈 영역 네트워크 및 이들에 속한 스마트 미터들이 물리적 공간에 중첩되어동시에 존재하는 아파트 환경과 같은 경우일 수 있다. 이 때 각 홈 영역 네트워크(100)들은 이웃 영역 네트워크에 의해 상호 통신이 가능하다.상기 제3 사례의 경우 연합 인증 센터를 통해 다수의 홈 영역 네트워크들을 하나로 관리하는 것이 바람직하다.
이 경우 각각의 홈 영역 네트워크(100)를 별도로 유지할 때 각각의 인증 센터(도2의 102) 가 존재했던 것과 달리 단일 인증 센터를 유지하는 것이 각 홈 영역 네트워크 별로 사용자의 불필요한 개입을 최소화하여 바람직하다. 상기 단일 인증 센터를 연합 인증 센터(FTC: Federated Trust Center)라 부르며 연합 인증 센터는 전체 MDU 네트워크를 제어하게 된다.
상기 도 7을 참조하면 하나의 빌딩에 다수의 가구 (도7 에서는 4가구의 환경을 도시함)가 함께 거주하는 사례를 나타낸다. 각 가구는 HEMS서버(101) 및 스마트 가전(105)를 비롯한 홈 영역 네트워크(100) 기기들을 포함할 수 있다.
그러나 상기와 같은 상황에서 각 가구의 전력 사용량을 측정하는 스마트 미터(102)는 관리의 편의를 위해 지하나 1층과 같은 관리가 용이한 지역에 모여서 설치되어 있을 수 있다. 이 경우 임의의 홈 영역 네트워크(102)는 해당 가구 내에 존재하는 기기들인 HEMS서버(101), 스마트 가전(105)와 원격에 존재하는 스마트 미터(102)가 결합되어 가상 홈 영역 네트워크(Virtual Home Area Network)를 구성할 수 있다. 이 경우 원격에 있는 기기들간의 연결을 위하여 통신 거리 확장기(Range Extender)를 각 층별로 배치하여 통신 연결을 유지하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성으로 다중 홈 영역 네트워크가 구성되는 경우 네트워크 내에 동작하는 기기들의 종류는, 전체 기기들의 접속 및 페어링을 관리하는 연합 인증 센터(205), 각 가상 홈 영역 네트워크에 속하는 스마트 미터(102), 개별 홈 영역 네트워크를 관리하는 HEMS서버(101), 개별 홈 영역 네트워크에 속하는 스마트 가전(105) 및 이들을 통신으로 연결하는 이웃 영역 네트워크(204)이다.
상기 HEMS서버(102)의 경우 물리적으로 별도의 기기로 존재하지 않고 상기 스마트 미터(102)에 기능이 결합될 수도 있다.
상기 다중 홈 영역 네트워크는 다음과 같은 기술들을 내재할 수 있다.
물리적으로는 다중 홈 영역 네트워크의 모든 기기들이 통신이 가능한 단일 지그비 네트워크로 전체 지역을 커버하는 것이 바람직하다. 이를 위해 각 지그비 기기들 중 종단 기기가 아닌 기기들의 경우 라우팅 기능을 활성화하여 전체 빌딩이 메쉬 네트워크로 연결되도록 도움을 주는 것이 바람직하다.
보안적으로는 다중 홈 영역 네트워크의 모든 기기들은 동일한 네트워크 보안 키를 사용하며 네트워크의 접속은 단일한 통합 인증 센터(205)가 관할하는 것이 바람직하다. 임의의 동일한 홈 영역 네트워크(100)에 속해있는 기기들은 상기 통합 인증 센터(205)를 통하여 바인딩 절차를 수행하며 할당된 응용 계층 링크 키를 사용하여, 주변의 홈 영역 네트워크(205)에 존재하는 다른 기기들이 메시지 내용을 알지 못하도록 할 수 있다. 서로 다른 홈 영역 네트워크(100)에 속해 있는 기기들은 다른 홈 영역 네트워크(100) 기기들의 메시지를 라우팅 해 줄 수 있지만 실제로 해당 메시지를 복호화할 수 있는 보안 키를 갖고 있지는 않는 것이라 할 수 있다.
이러한 보안키를 이용한 네트워크의 논리적 분할을 통해 각 홈 영역 네트워크(100)는 상기 다중 홈 영역 네트워크 내부의 다수의 가상 홈 영역 네트워크로서 동작할 수 있다. 각 가상 홈 영역 네트워크는 HEMS서버(101)와 스마트 가전(105)과 같은 홈 영역 네트워크(100) 기기들과 원격의 대응되는 스마트 미터(102)를 포함한다. 다중 홈 영역 네트워크 환경에서 특정 홈 영역 네트워크(100)에 존재하는 기기들간에는 가상 홈 영역 네트워크를 구성하게 된다. 이 때 단일 가상 홈 영역 네트워크를 구성하는 주체들은 해당 가구의 스마트 미터(102), HEMS서버(101) 및 스마트 가전(105)들일 것이다.
임의의 홈 영역 네트워크(100)에 신규로 접속하는 홈 네트워크 기기는 기존 단일 네트워크에서의 서비스 디스커버리 기법을 사용하지 않는 것이 바람직하다. 기존 서비스 디스커버리 기법을 사용할 경우, 해당 메시지가 주변 홈 영역 네트워크(100)로 전달될 전달될 수 있다. 이를 방지하기 위해 상기 연합 인증 센터(205)에서 신규 접속 기기에게 어떤 기기들과 통신이 가능한지의 리스트를 송부해 주는 것이 바람직하다.
연합 인증 센터(205)는 각각의 가구별로 가상 홈 영역 네트워크를 구성할 기기들의 리스트 정보를 획득하게 된다. 해당 정보는 전력회사가 운영하는 AMI서버(201)로부터 수신할 수도 있다. 새롭게 다중 홈 운영 네트워크에 join하는 기기는 자신이 어떤 가상 홈 영역 네트워크에 할당될 지의 정보를 부여 받는 것이 바람직하다. 이를 통해 신규 네트워크에서의 서비스 디스커버리를 효율적으로 할 수 있다. 즉 임의의 신규 기기의 서비스 디스커버리는 해당 기기가 속하게 될 가상 홈 영역 네트워크로 한정해야 한다고 할 수 있다.
임의의 신규 기기가 단일 연합 인증 센터(205)가 관할하는 이웃 영역 네트워크에 진입하는 경우, 우선 상기 연합 인증 센터와 성공적으로 보안 키 교환을 수행해야 한다.
이후에 상기 신규 기기는 상기 연합 인증 센터(205)로 부터 페어링 정보를 요청해야 한다. 상기 신규 기기가 상기 연합 인증 센터(205)로부터 상기 페어링 정보를 수신하면, 상기 신규 기기는 상기 페어링 메시지에 나열되어 있는 기기들로만 서비스 디스커버리를 한정할 수 있다. 즉 상기 연합 인증 센터로부터 수신되는 상기 페어링 응답 메시지에는 상기 신규 노드가 속해 있는 가상 홈 영역 네트워크의 기기 리스트가 포함될 수 있다. 따라서 해당 서비스 디스커버리 메시지는 브로드캐스트가 아닌 유니캐스트 또는 멀티캐스트 명령으로 송신하는 것이 바람직하다.
기기들은 상기 가상 홈 영역 네트워크를 탈퇴하거나 주변 가상 홈 영역 네트워크로 이동할 수 있다. 이를 위해서 상기 이웃 영역 네트워크(204)에 속한 각 기기들은 상기 연합 인증 센터(205)에게 신규 페어링 정보가 존재하는 지의 여부를 문의할 수 있다. 상기 메시지에 표기되어 있는 페어링 버전 정보에 따라 수신되는 페어링 정보의 신규성을 판단할 수 있다
도 8은 본 발명의 일 실시예에 관련된 연합 인증 센터와 홈 영역 네트워크 기기 (예: 스마트 가전)간의 통신 단계를 도시한 것이다.
본 예시에서는 홈 영역 네트워크 기기의 한 예로 스마트 가전(105)를 활용한다. 스마트 가전 이외에도 HEMS서버, IHD, 온도 조절기 등 다른 홈 영역 네트워크 기기들도 유사한 단계를 수행할 수 있다.
스마트 가전(105)은 상기 연합 인증 센터(205)에 접속 요청 메시지를 송신한다(S101). 상기 단계에서는 상기 스마트 가전(105)과 상기 연합 인증 센터(205)는 인증 및 키 교환을 수행할 수 있다. 이를 통해 상기 스마트 가전(105)는 네트워크 키를 획득할 수 있다(S105).
상기 스마트 가전(105)는 자신이 속한 가상 홈 영역 네트워크의 다른 기기들과의 통신을 위해상기 연합 인증 센터(205)에 페어링 요청 메시지를 송신할 수 있다(S107).
상기 연합 인증 센터(205)는 상기 스마트 가전(105)가 속한 가상 홈 영역 네트워크의 정보를 획득하기 위해 AMI 서버에게 기기 정보 요청을 송신할 수 있다(S109). 상기 기기 정보 요청에는 상기 스마트 가전의 MAC 주소를 포함할 수 있다. AMI 서버(201)는 상기 기기 정보 요청에 대응하는 기기 정보 응답 메시지를 연합 인증 센터(205)에게 송신할 수 있다. 상기 기기 정보 응답 메시지에는 상기 스마트 가전(105)이 속한 가상 홈 영역 네트워크의 정보가 포함될 수 있다.
발명의 또 다른 실시예로, 상기 단계에서 연합 인증 센터(205)는 자신이 미리 저장하고 있던 기기 데이터 베이스를 통하여 상기 스마트 가전(105)에 대응하는 가상 홈 영역 네트워크 정보를 이용하는 것도 가능하다.
발명의 또 다른 실시예로, 상기 단계에서 스마트 가전(105)이 페어링 요청 메시지에 자신이 원하는 가상 홈 영역 네트워크의 정보를 표시하는 것도 가능하다.
상기 연합 인증 센터(205)는 상기 스마트 가전(105)가 속하는 가상 홈 영역 네트워크를 할당하고(S113), 해당 정보를 페어랑 응답 메시지에 포함하여 송신하다(S115).
상기 페어링 응답 메시지에는 상기 스마트 가전(105)이 속한 가상 홈 영역 네트워크내에 존재하는 다른 기기들의 리스트가 포함되는 것이 바람직하다.
상기 스마트 가전(105)은 상기 리스트의 기기들에게 유니캐스트 또는 멀티캐스트의 형태로 서비스 디스커버리 메시지를 송신할 수 있다. 이를 수신한 기기들은 상기 서비스 디스커버리 메시지에 대응하는 서비스 응답 메시지를 송신할 수 있다. 상기 응답 메시지의 정보를 바탕으로 상기 기기들의 서비스와 상기 스마트 가전(105)이 바인딩을 수행할 수 있다.
상기 기기가 네트워크 상에서 자신이 속해 있는 가상 홈 영역 네트워크를 변경하고 싶을 경우는 다음과 같은 단계를 수행할 수 있다.
연합 인증 센터에게 페어링 요청 메시지를 송신하는 단계, 연합 인증 센터가 상기 기기의 가상 홈 영역 네트워크 변경이 가능한지를 분석하는 단계, 상기 분석의 결과로 접속 가능한 기기 리스트를 페어링 응답 메시지에 포함하여 송신하는 단계, 만약 상기 프로브 리스폰스 메시지의 기기 리스트가 이전과 동일한 경우에는 상기 기기는 바인딩 요청을 수행하지 않는 단계, 만약 상기 프로브 리스폰스 메시지의 기기 리스트가 이전과 다른 경우 상기 기기는 신규 바인딩 요청을 수행하는 단계로 수행될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 관련된 페어링 응답 메시지의 데이터 부분을 도시한 것이다.
상기 도 9를 참조하여 설명하면, 상기 페어링 정보 버전(Pairing Information Version)은 현재 메시지에 포함된 페어링 정보의 일련번호를 의미한다. 만약 페어링 요청에 대한 다수의 페어링 응답 메시지가 송신되는 경우 이들은 모두 동일한 일련번호를 갖는 것이 바람직하다. 또한 임의의 시간에 동일한 가상 홈 영역 네트워크 내에 존재하는 모든 기기들에게는 동일한 버전 정보를 포함하여 페어링 응답 메시지를 송부하는 것이 바람직하다. 만약 해당 가상 홈 영역 네트워크에 신규 기기가 성공적으로 join하는 경우 상기 버전을 높은 숫자로 업데이트 할 수 있다.
상기 전체 기기 수(Total Number of Devices)는 접속을 요청하는 상기 기기가 접속을 요청하는 가상 홈 영역 네트워크의 전체 기기 수를 나타낼 수 있다. 상기 전체 기기 수는 페어링 리퀘스트 메시지를 보낸 기기를 포함하여 산술하는 것이 바람직하다. 이 필드는 상기 가상 홈 영역 네트워크의 기기 수가 변경되는 경우에 증감된다.
기기 아이디(Device ID)는 상기 가상 홈 영역 네트워크에 속해있는 기기들의 MAC 주소를 표기한다. 이 때 상기 전체 기기 수 필드와 마찬가지로, 상기 기기 아이디는 페어링 리퀘스트를 송신한 기기의 MAC 주소도 포함하여 기술하는 것이 바람직하다.
상기 필드들로 구성된 페어링 리스폰스 메시지를 수신한 상기 스마트 가전(105)은 상기 페어링리스폰스 메시지에 포함된 기기 아이디의 주소 노드들로 서비스 디스커버리 절차를 수행할 수 있다.

Claims (20)

  1. 스마트 가전 장치로써,
    상기 스마트 가전의 작동을 제어하는 제어부; 및
    상기 제어부의 명령에 기초하여 데이터를 송/수신하는 적어도 하나의 통신 모듈; 을 포함하되,
    상기 제어부는,
    연합 인증 센터로 접속 요청 메시지를 송신하고, 상기 접속 요청에 대응하는 접속 응답 메시지를 수신하고,
    상기 연합 인증 센터로 자신의 기기 정보를 포함하는 페어링 요청 메시지를 송신하고,
    상기 페어링 요청 메시지에 대응하는 페어링 응답 메시지를 수신하는 것을 특징으로 하는 스마트 가전 장치.
  2. 상기 제1항에서,
    상기 접속 응답 메시지에 다중 홈 영역 네트워크의 네트워크 키가 포함되는 것을 특징으로 하는 스마트 가전 장치.
  3. 상기 제1항에서,
    상기 페어링 요청 메시지에 상기 스마트 가전이 속한 가상 홈 영역 네트워크에 관한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 가전 장치.
  4. 상기 제1항에서,
    상기 페어링 요청 메시지에서 획득한 상기 스마트 가전의 기기 정보를 이용하여 AMI서버로부터 상기 스마트 가전의 가상 홈 영역 네트워크 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 스마트 가전 장치.
  5. 상기 제1항에서,
    상기 페어링 응답 메시지에 상기 스마트 가전이 속한 가상 홈 영역 네트워크에 속한 기기들의 리스트 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 가전 장치.
  6. 다중 홈 영역 네트워크 환경에서 연합 인증 센터가 스마트 가전을 네트워크에 접속시키는 네트워크 관리 시스템에 있어서,
    상기 스마트 가전이 상기 연합 인증 센터로 접속 요청 메시지를 송신하고,
    상기 연합 인증 센터가 상기 스마트 가전으로 상기 접속 요청 메시지에 대응하는 접속 응답 메시지를 송신하고,
    상기 스마트 가전이 상기 연합 인증 센터로 자신의 기기 정보를 포함하는 페어링 요청 메시지를 송신하고,
    상기 연합 인증 센터가 상기 페어링 요청 메시지에 기반하여 상기 스마트 가전이 속하는 가상 홈 영역 네트워크를 할당하고,
    상기 연합 인증 센터가 상기 스마트 가전으로 상기 페어링 요청 메시지에 대응하는 페어링 응답 메시지를 송신하는 것을 특징으로 하는 네트워크 관리 시스템.
  7. 상기 제6항에서,
    상기 접속 응답 메시지에 다중 홈 영역 네트워크의 네트워크 키가 포함되는 것을 특징으로 하는 네트워크 관리 시스템.
  8. 상기 제6항에서,
    상기 페어링 요청 메시지에 상기 스마트 가전이 속한 가상 홈 영역 네트워크에 관한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 관리 시스템.
  9. 상기 제6항에서,
    상기 페어링 요청 메시지에서 획득한 상기 스마트 가전의 기기 정보를 이용하여 AMI서버로부터 상기 스마트 가전의 가상 홈 영역 네트워크 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 네트워크 관리 시스템.
  10. 상기 제6항에서,
    상기 페어링 응답 메시지에 상기 스마트 가전이 속한 가상 홈 영역 네트워크에 속한 기기들의 리스트 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 관리 시스템.
  11. 다중 홈 영역 네트워크 환경에서 연합 인증 센터와 스마트 가전간의 네트워크 접속 방법에 있어서,
    상기 연합 인증 센터가 스마트 가전으로부터 접속 요청 메시지를 수신하는 단계;
    상기 접속 요청에 대응하는 접속 응답 메시지를 송신하는 단계;
    상기 스마트 가전으로부터 자신의 기기 정보를 포함하는 페어링 요청 메시지를 수신하는 단계;
    상기 페어링 요청 메시지에 기반하여 상기 스마트 가전이 속하는 가상 홈 영역 네트워크를 할당하는 단계;
    상기 페어링 요청 메시지에 대응하는 페어링 응답 메시지를 송신하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 접속 방법.
  12. 상기 제11항에서,
    상기 접속 응답 메시지에 다중 홈 영역 네트워크의 네트워크 키가 포함되는 것을 특징으로 하는 네트워크 접속 방법.
  13. 상기 제11항에서,
    상기 페어링 요청 메시지에 상기 스마트 가전이 속한 가상 홈 영역 네트워크에 관한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 접속 방법.
  14. 상기 제11항에서,
    상기 페어링 요청 메시지에서 획득한 상기 스마트 가전의 기기 정보를 이용하여 AMI서버로부터 상기 스마트 가전의 가상 홈 영역 네트워크 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 네트워크 접속 방법.
  15. 상기 제11항에서,
    상기 페어링 응답 메시지에 상기 스마트 가전이 속한 가상 홈 영역 네트워크에 속한 기기들의 리스트 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 접속 방법.
  16. 연합 인증 센터 장치로써,
    상기 연합 인증 센터의 작동을 제어하는 제어부; 및
    상기 제어부의 명령에 기초하여 데이터를 송/수신하는 적어도 하나의 통신 모듈;을 포함하되,
    상기 제어부는,
    스마트 가전으로부터 접속 요청 메시지를 수신하고, 상기 접속 요청에 대응하는 접속 응답 메시지를 송신하고,
    상기 스마트 가전으로부터 자신의 기기 정보를 포함하는 페어링 요청 메시지를 수신하고,
    상기 페어링 요청 메시지에 기반하여 상기 스마트 가전이 속하는 가상 홈 영역 네트워크를 할당하고,
    상기 페어링 요청 메시지에 대응하는 페어링 응답 메시지를 송신하는 것을 특징으로 하는 연합 인증 센터 장치.
  17. 상기 제16항에서,
    상기 접속 응답 메시지에 다중 홈 영역 네트워크의 네트워크 키가 포함되는 것을 특징으로 하는 연합 인증 센터 장치.
  18. 상기 제16항에서,
    상기 페어링 요청 메시지에 상기 스마트 가전이 속한 가상 홈 영역 네트워크에 관한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 연합 인증 센터 장치.
  19. 상기 제16항에서,
    상기 페어링 요청 메시지에서 획득한 상기 스마트 가전의 기기 정보를 이용하여 AMI서버로부터 상기 스마트 가전의 가상 홈 영역 네트워크 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 연합 인증 센터 장치.
  20. 상기 제16항에서,
    상기 페어링 응답 메시지에 상기 스마트 가전이 속한 가상 홈 영역 네트워크에 속한 기기들의 리스트 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 연합 인증 센터 장치.
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