KR100568135B1 - Ｃｓｍａ／ｃｒｒ의 통신방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중계장치와 같은 다른 장치의 도움이 없는 분산로봇시스템을 위한 단채널 무선통신프로토콜인 예약기능이 있는 반송파검출 다중접근법(CSMA/CRR)의 통신방법에 관한 것이다.

본 발명은, 두개 이상의 노드(로봇)가 거의 동시에 송신을 해서 충돌이 발생했을 때, 다시 말해 수신되는 신호가 두개 이상의 노드에서부터 송신된 경우엔 자신의 송신이 끝난 시점에서 하나의 노드로부터만 수신될 때까지의 시간(T_cn)을 측정하고, 충돌이 발생한 후, 수신되는 신호가 한 노드로부터 송신된 신호인 경우에 두번째로 늦게 송신을 마친 노드가 수신되는 신호가 끝날 때 충돌신호(Collision Report and Reservation, 이하 CR-R)를 송신하되, 충돌한 노드들은 충돌이 발생한 후(CR-R을 수신한 후) 각자의 T_cn이 됐을 때 CR-R을 송신하여, 데이터 송신주기에서 두 번째로 늦게 송신을 마친 노드의 T_cn인 T_c0을 뺀 시간(T-T_co) 후에는 CR-R에 의해서 만들어진 순서대로 자신의 데이터를 재송신한다.

CSMA/CCR, 무선 단채널통신프로토콜, 다수 로봇통신

Description

ＣＳＭＡ／ＣＲＲ의 통신방법 {Carrier Sense Multiple Access/Collision Report and Reservation}

도 1은 본 발명에 따른 CSMA/CRR를 이용해서 네 대의 로봇이 통신하는 결과를 시간축에 따라 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 CSMA/CRR의 수신과정을 나타낸 순서도이다.

도 3은 본 발명에 따른 CSMA/CRR의 송신과정을 나타낸 순서도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101,…,104 : 로봇 110 : 채널

본 발명은 중계장치와 같은 다른 장치의 도움이 없는 분산로봇시스템을 위한 단채널 무선통신프로토콜인 예약기능이 있는 반송파검출 다중접근법(Carrier Sense Multiple Access/Collision Report and Reservation, CSMA/CRR)의 통신방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 충돌이 발생한 경우, 이를 확인하여 임의의 시간 후에 다시 송신하는 기존의 방법인 반송파검출 다중접근법을 확장하여 충돌한 로봇이 다음 주기에는 우선순위에 따라 송신순서를 예약하고 송신하는 방법에 관한 것이다.

분산로봇시스템(Distributed Robot System)은 최근에 많은 연구가 이루어지고 있는 분야이다.

각각의 로봇은 자동으로 임무를 수행할 수 있으며, 통신을 통한 협동을 통해서 한 대의 로봇으로는 수행할 수 없는 임무를 수행할 수 있다.

분산로봇시스템은 중앙 컴퓨터나 공유 메모리나 동기신호 등과 같은 중앙 집중식 통신 구조를 쓰지 않는다.

다시 말해서 이동 로봇만으로 이루어져 있으며, 중계 컴퓨터 등과 같은 다른 보조수단을 쓰지 않는다.

분산로봇시스템은 분산 병렬 이론과 같이 임무를 여러 로봇이 동시에 처리할 경우에 더욱 효과적이고, 중앙집중식 시스템에서 발생하기 쉬운 한 개체의 고장이 시스템 전체를 멈추게 하는 경우를 보완할 수 있기 때문에 최근에 활발히 연구되고 있다.

그리고 실제 자연계에서도 사람이나 동물들이 완전히 분산된 시스템처럼 움직이는 것을 볼 수 있으며, 시스템의 규모가 커지면 중앙집중식 시스템은 제어해야 할 경우와 계수들이 기하급수적으로 증가하게 되서 설계 자체가 불가능하게 된다.

로봇 간에 사용되는 대표적인 통신방법인 토큰링방법(token ring method)이나 반송파검출 다중접근법(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)은 시분할 다중채널방법(Time Division Multiplexing) 중의 기본적인 방법으로 분산로봇시스템에서 많이 쓰이고 있다.

상기 토큰링방법은 효율성 측면에서는 뛰어나지만, 로봇이 하나라도 고장이 나면 다음 로봇으로 정보가 전달이 되지 않기 때문에 고장난 로봇 이후에는 정보를 공유하지 못한다.

또한, 로봇에게 통신 ID를 부여해서 순서대로 채널의 권리를 넘겨야 하기 때문에 로봇의 추가나 제거와 같은 확장성 측면에서 좋지 않은 성능을 가진다.

그러므로, 상기 분산로봇시스템에는 반송파검출 다중접근법(CSMA)이 타당하다고 하겠다.

하지만, 이더넷(Ethernet)을 위해서 처음 안출된 CSMA 형태의 통신 프로토콜도 분산로봇시스템을 위한 무선 통신에 쓰일 경우, 해결해야 하는 두 가지 문제를 안고 있다.

첫째, 중계장치나 중앙집중식 장치가 없기 때문에 유선 통신을 위해 안출된 기존의 반송파검출 다중접근법을 쓸 수 없다.

둘째, 로봇이 공유하고 있는 통신채널에서 충돌을 감지하기 위해서는 송신과 수신을 동시에 해야 된다는 제한이 있다.

만약 송신용, 수신용 안테나를 따로 설치한다면 송신용 안테나에서 나오는 전파가 다른 로봇에서 오는 전파보다 상대적으로 강해서 옆에 설치된 수신용 안테나를 방해하게 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본명의 목적은 외부의 중계장치나 중앙 컴퓨터를 필요로 하지 않기 때문에 분산로봇시스템의 무선통신프로토콜로 적당하고 통신채널을 사용할 때 사용하는 노드 번호나 기타 로 봇을 식별하는 방법을 사용하지 않고 어느 로봇이든지 채널을 사용할 수 있으며, 로봇이 임의로 추가되거나 제거되어도 전체 통신시스템에 영향을 받지 않는 CSMA/CRR의 통신방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 종래 이더넷용 중앙집중식 통신프로토콜인 CSMA를 분산로봇시스템에 알맞도록 수정하여 이를 성능면에서 향상시킬 수 있고, 충돌 후 재송신때 우선순위(First In First Out)대로 보내므로 기존의 CSMA보다 우수하며, 비동기식이므로 모든 통신장치의 동기를 맞출 필요가 없는 CSMA/CRR의 통신방법을 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 송수신 장치가 구비되고 반듀플렉스(Half-duplex) 방식을 쓰고 있는 다수 로봇시스템을 위한 단채널 무선통신 네트워크 프로토콜로써, 상기 로봇에서 송신 후 수신모드로 전환하는 순간 수신되는 신호에 통신 충돌이 일어난 경우, 통신 충돌 후에 우선순위에 따라 통신패킷을 재송신함을 특징으로 하는 CSMA/CRR의 통신방법을 제공하고자 한다.

먼저 본 발명의 이해를 돕기 위해 몇몇 가정과 용어를 정의한다.

1. 본 발명은 분산로봇시스템에 적용되고, 모든 통신시스템은 각각의 로봇에 동일하게 장착되며, 중계장치와 같은 외부 기기를 사용하지 않는다.

종래의 CSMA는 중계장치를 통해 채널을 제어하는 방식이며, 분산로봇시스템에 적용시 수정이 필요하다.

2. 모든 로봇에는 송수신 장치가 구비되며 반듀플렉스(half-duplex) 방식이 채용된다.

상기 반듀플렉스 방식이란 송신과 수신이 가능하지만 동시에 이들을 할 수 없는 방식이다.

이것은 보통 무선통신모듈이 갖는 제약 조건이며, 송신을 하면서 수신을 할 수 없기 때문에 송신 중에는 다른 로봇이 송신하는지를 알 수 없다.

통신모듈은 외부의 장치에 의해서 송신모드와 수신모드로 전환이 가능하다.

3. 통신채널을 하나로 제한한다.

상용화된 제품들이 대부분 하나의 주파수로 고정되어 있으며, 주파수 자원 자체가 한정되어 있으므로 로봇마다 고유의 주파수를 부여할 수는 없다.

또한, 소수의 로봇에 각각 다른 주파수를 할당하더라도, 이를 수신하기 위해서는 그 주파수들 모두를 수신할 수 있는 수신기를 설치해야 한다.

4. 로봇이 송신하는 패킷의 길이가 일정하며, 다른 로봇에서 보내는 정보는 다른 로봇의 정보와 구별 가능하다.

정보의 길이는 다음 절의 통신패킷 규약을 정함으로써 일정하게 할 수 있으며, 두 대이상의 로봇이 보내는 통신패킷이 동시에 수신될 때는 잡음과 같이 해석 불가능한 신호로 해석되며, 이는 정보를 포함하는 신호와 구별가능하다.

5. 각각의 로봇은 무선통신 네트워크에서의 '노드(node)'라 하고, 모든 노드에 의해서 무선통신채널은 다중접근될 수 있다.

통신 주파수는 하나로 제한되고 오직 하나의 노드만이 송신을 할 수 있으며, 그 외에 하나의 노드 이상이 송신을 한다면 충돌로 간주한다.

컴퓨터의 LAN과는 달리 본 발명에 따른 통신 프로토콜은 상태를 알 수 있는 다른 외부의 장치를 사용하지 않으며, 분산로봇시스템의 기본 개념에 따라서 고정된 마스터 노드를 두지 않는다.

분석을 쉽게 하기 위해서 통신채널은

의 슬롯(slot)으로 나뉘어져 있다고 가정하고 이때 상기

는 각 노드간의 통신지연(delay)이다.

다음 CSMA/CRR에 필요한 변수를 정의한다.

1. CD(Carrier Detect)는 통신채널의 상태를 나타낸다.

2. VOC(Validity of Carrier)는 통신채널의 타당성을 나타낸다.

하나의 노드만 통신채널을 사용한다면 충돌이 일어나지 않으며, 다른 로봇이 수신한 내용을 해석 가능하다.

3. CR-R(Collision Report and Reservation)은 충돌이 있은 후에 충돌한 노드가 보내는 짧은 신호를 나타내고, 길이는 8bit로 0과 1을 번갈아서 보낸다.

이를 통해서 로봇은 충돌 후 우선순위에 따라 재송신하게 된다.

4. T_cn은 충돌이 있을 때, 자신의 송신이 끝난 시점에서 하나의 노드에서만 수신될 때까지의 시간으로서, 여기서 n은 가장 최근에 송신을 끝낸 순서이다.

마지막에 송신을 끝낸 노드는 충돌을 인식하지 못하므로 이를 제외하고 두번 째로 늦게 송신을 끝낸 노드부터 T_cn을 측정한다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

각 노드는 송신할 때를 제외하고는 항상 수신상태이며, 기본적으로 충돌을 줄이기 위해 송신하기에 앞서 채널의 상태를 확인한다.

만약 채널이 사용중이라면 기다린 후, 채널을 아무도 사용하지 않을 때 송신모드로 전환하여 송신한다.

그럼에도 불구하고 두 개이상의 노드가 거의 동시에 송신을 해서 충돌을 일으킬 가능성은 있다.

이 때 송신하는 노드들은 송신모드이기 때문에 다른 노드가 송신하고 있는 중인 것을 모른다.

하지만, 송신을 끝낸 후 수신모드로 전환하는 순간 다른 노드에서 송신된 신호를 수신할 것이며, 이를 통해서 충돌이 있었음을 알 수 있게 된다.

이와 같이 충돌이 일어난 후에는 재송신을 해야 한다.

도 1은 CSMA/CRR를 이용해서 네 대의 로봇이 통신하는 결과를 시간축에 따라 나타낸 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 네 개의 노드(제1로봇(101), 제2로봇(102), 제3로봇(103), 제4로봇(104))가 동시에 송신을 시작해서 충돌이 일어난 상황이다.

각 노드는 송신이 끝난 후엔 바로 수신모드로 바뀌어서 통신채널(110)을 확 인한다.

만약 채널(110)이 사용 중이면(도 1에서 CD = 1) 충돌이 있으며, 다른 노드에서 송신하고 있다는 것을 알게 된다.

가장 늦게 송신을 끝낸 노드(제1로봇(101))는 충돌이 일어났는지를 알 수가 없다.

그러므로, 다른 노드에서 충돌이 있었음을 알려줘야 한다.

도 1에서 제2로봇(102)은 송신이 끝난 다음에 송신모드에서 수신모드로 바꾼 후, 채널(110)이 다른 노드에 의해서 쓰여지고 있음을 알게 된다.

이렇게 송신이 끝난 후에는 채널(110)의 타당성, 즉 VOC를 확인한다.

만약 채널을 통해 송신되고 있는 정보가 해석 가능하면, 이는 하나의 노드에서 송신된 정보이며, 이 때의 VOC는 1이 된다.

하지만, 제3로봇(103)이 송신을 끝내고, 채널(110)의 상태를 확인하면 제1로봇(101)과 제2로봇(103)이 송신을 하고 있으므로, 이 정보들을 수신해도 해석이 불가능하게 된다.

이처럼 채널을 통해 송신되고 있는 정보가 해석 가능하지 않다면, 즉 미리 정해 놓은 통신패킷 규약과 다르다면, 이는 두 개 이상의 노드에서 송신있는 것이며, 이 때의 VOC는 0이 된다.

앞서 설명한 것과 같이, 가장 늦게 송신을 끝낸 노드(제1로봇(101))는 충돌이 일어났는지를 알 수가 없으므로, 상기 노드(제1로봇(101))가 송신을 끝낸 후에 두번째로 늦게 끝난 노드(제2로봇(102))가 충돌이 있었음을 알려준다.

이것은 도 1에서와 같이 CR-R 신호를 정해진 길이로 보내는 것이다.

충돌한 각각의 노드들은 충돌을 감지한 후부터 VOC = 0인 구간의 길이, 즉 T_cn을 측정한다.

제2로봇(102)이 CR-R 신호를 송신한 후부터 T_cn만큼 기다린 후 각각의 노드들은 CR-R을 송신하며, 동시에 자신의 CR-R이 몇 번째인지를 센다.

제3로봇(103)의 경우엔 처음 CR-R을 받은 후, T_c1만큼 기다린 후 두번째 CR-R을 송신하고, 제4로봇(104)의 경우엔 T_c2만큼 기다린 후 세번째 CR-R을 송신한다.

(T-T_c0) 만큼 기다리는 동안 더 이상의 CR-R이 없기 때문에 가장 마지막에 보낸 제4로봇(104)은 가장 먼저 패킷을 송신한다.

그 후, 두번째 CR-R을 송신한 제3로봇(103)과 첫번째 CR-R을 송신한 제2로봇(102), 제1로봇이(101) 순서대로 패킷을 송신하게 된다.

이렇게 함으로써, 충돌이 일어나더라도 (T-T_c0) 동안 충돌 난 상황을 정리한 후 재송신을 할 수가 있다.

도 2는 CSMA/CRR의 수신과정을 나타내는 순서도로 통신모듈을 통해 들어온 신호를 확인하는 과정을 나타낸다.

신호의 내용을 분석해서 이것이 정해진 통신 프로토콜 정보를 갖고 있는 신호인지, 여러 노드에서 보낸 정보가 충돌신호(CR-R) 인지를 알아낸다.

송수신기(Transceiver)에서 안테나를 통해 RF신호를 수신하여(S202) 수신된 신호가 정해진 주파수(418/433MHz)인지 아닌지 판별하고(S204), 정해진 주파수이면 상용 통신모듈의 CD(Carrier Detect)가 1이 된다(S206).

정해진 주파수가 아니면 CD가 0이 되어(S214), 이를 통해 현재 채널이 비지(busy) 상태(CD = 1)인지 아이들(idle) 상태(CD = 0)인지 알 수 있다.

다음 신호는 마이크로프로세서(micro-processer)에 보내지고, 마이크로프로세서에서 신호의 내용이 정해진 프로토콜인가 아닌가 판단하여(S208) 정해진 프로토콜이면 VOC는 1이 된다(S210).

상기 VOC가 1이 된 것은 통신 패킷인 경우이므로 필요한 내용을 추출해서 로봇에게 전달한다.

상기 S208단계에서 정해진 프로토콜이 아니면 즉, 신호의 내용이 CR-R인 경우와 해석이 불가능한 잡음인 경우는 VOC가 0이 된다(S216).

이 경우 마이크로프로세서는 다시 이 신호가 CR-R인지 해석이 불가능한지 잡음인지 판단하여(S218) CR-R이 수신된 경우에는 수신 CR-R을 1로 한다(Receive_CR-R = 1)(S220).

도 3은 CSMA/CRR의 송신과정을 나타내는 순서도로 통신모듈을 통해 원하는 신호를 내보내는 과정을 나타낸다.

이 경우 여러 로봇이 한 채널을 통해 송신을 하므로 충돌할 여지가 있다.

송신할 내용은 다른 로봇에게 전달해야 하는 통신패킷과 충돌이 있었음을 알려주는 CR-R로 구분된다.

상기 송신과정의 구조는 크게 세부분으로 구분된다.

첫째 순서도의 위쪽 부분은 채널의 사용여부(CD)를 판단하여(S302), 아이들 상태(CD = 0)인 경우엔 통신패킷을 송신하는(S304) 부분이다.

둘째, 순서도의 왼쪽 부분은 통신패킷을 송신한(S304) 후에 채널의 상황을 파악하여(S306) 채널이 아이들(idle)인 경우 실행하는 과정으로, 이 때는 충돌이 없었거나 충돌이 있었다면 가장 나중에 송신을 끝낸 경우이다.

송신 후 일정시간(T_CR-R)동안 CR-R이 수신되었나 되지 않았나를 판단하여(S308) 수신되지 않았으면(Receive_CR-R = 0), 충돌이 없었으므로 송신을 끝내게 된다(S310).

CR-R이 수신이 되어 충돌이 있었고 가장 나중에 송신을 끝낸 경우라면, 두번째로 송신을 끝낸 노드에서 CR-R 신호를 송신하며(S312), 이를 감지한 노드에서는 순서도의 오른쪽 부분의 단계(S326)를 수행하게 된다.

순서도의 오른쪽 부분은 통신패킷을 송신한(S304) 후에 채널의 상황을 파악하여(S306) 채널이 비지(busy)인 경우 실행하는 과정으로, 충돌이 일어난 후의 과정을 나타낸다.

S306단계에서 충돌 후 각 노드는 T_cn 후에 CR-R을 보내게 된다(S322).

이 경우, 두번째로 늦게 송신을 끝낸 노드는 CD가 0이 되는 순간(S320) CR-R을 보내게 되며(S322), 가장 늦게 송신을 끝낸 노드의 경우는 앞서 설명한 것과 같이, CR-R을 보내지 않고 다른 노드에서 보낸 CR-R을 수신(Receive_CR-R = 1)하게 된다(S324).

충돌한 모든 노드가 CR-R을 보낸(S326) 후 다른 노드가 보낸 CR-R의 수를 계산해서(S328) 자신의 차례(S330)를 정할 수 있다.

이때 (T-T_c0) 동안 CR-R을 하나도 받지 않았다면 가장 먼저 재송신을 하고(S332), 이후 CR-R을 하나 받은 노드가 재송신을 하는 등 차례대로 재송신하면(S332), 충돌 후 모든 노드는 자신의 통신패킷을 채널을 통해 송신할 수 있게 된다.

이상에서와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 얻게 된다.

1. 외부의 중계 장치나 중앙 컴퓨터를 필요로 하지 않기 때문에 분산로봇시스템의 무선통신프로토콜로 적당하다. 따라서 분산시스템이 갖는 장점인 강인성을 그대로 유지할 수 있다.

2. 본 발명을 확장성의 측면에서 살펴보면, 통신채널을 사용할 때 사용하는 노드 번호나 기타 로봇을 식별하는 방법을 사용하지 않고 어느 로봇이든지 채널을 사용할 수 있으며, 로봇이 임의로 추가되거나 제거되어도 전체 통신시스템에 영향을 받지 않으므로, 확장성이 이론상 무한하다.

3. 종래 이더넷용 중앙집중식 통신프로토콜인 CSMA를 분산로봇시스템의 무선통신프로토콜에 알맞도록 수정했으며, 이를 성능면에서 향상시켰다.

4. 충돌 후 재송신때 우선순위(First In First Out)대로 보내므로 기존의 CSMA보다 우수하다.

5. 비동기식이므로, 모든 통신장치의 동기를 맞출 필요가 없다.

Claims (6)

1. 송수신 장치가 구비되고 반듀플렉스(Half-duplex) 방식을 쓰고 있는 다수 로봇시스템을 위한 단채널 무선통신 네트워크 프로토콜로써, 상기 로봇에서 송신 후 수신모드로 전환하는 순간 수신되는 신호에 통신 충돌이 일어난 경우,

   상기 다수의 로봇 중 두 번째로 송신을 끝낸 로봇이 충돌이 있었다는 신호(Collision Report and Reservation, CR-R)을 송신하는 단계와,

   이후 충돌을 감지한 각 로봇은 자신이 송신을 끝낸 후부터 두 번째로 늦게 송신을 하는 로봇이 송신을 끝날 때까지의 시간만큼을 기다려서 CR-R을 송신하는 단계와,

   상기 각 로봇은 자신이 CR-R을 보낸 이후 수신한 CR-R의 수를 세서 자신의 우선순위를 결정하는 단계와,

   상기 결정된 우선순위에 따라서 통신패킷을 재송신하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 CSMA/CRR의 통신방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서, 상기 우선순위를 결정하는 단계는 상기 수신한 CR-R의 수가 적은 로봇에서부터 많은 로봇 순서로 통신패킷을 재송신하도록 우선순위를 결정하는 단계임을 특징으로 하는 CSMA/CRR의 통신방법.
6. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서, 상기 CR-R은 8bit의 단위로 0과 1을 반복하여 전송됨을 특징으로 하는 CSMA/CRR의 통신방법.

Images