KR100797164B1 - Ｃｓｍａ/ｃａ방식의 매체접근제어 프로토콜에서의통신방법 - Google Patents

Ｃｓｍａ/ｃａ방식의 매체접근제어 프로토콜에서의통신방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜을 사용하는 망에 존재하는 다수의 스테이션이 공통의 전송매체를 통해 데이터를 프레임화하여 통신하는 방법으로서, 상기 전송매체를 비경쟁구간과 경쟁구간으로 된 슈퍼 프레임들의 연속적인 조합으로 구성시키고, 상기 비경쟁구간의 시작과 끝을 모든 스테이션들이 각자 감지할 수 있게 하되, 상기 비경쟁구간을, 상기 다수의 스테이션중에서 하나의 스테이션이 예약 가능하고 한번의 데이터 전송 권한이 주어진 적어도 하나 이상의 타임 슬롯으로 구성시키고, 적어도 어느 한 타임 슬롯을 예약한 스테이션만이 해당 타임 슬롯에서의 데이터 전송 권한을 가지게 하며, 상기 경쟁구간을, 적어도 두개 이상의 스테이션의 채널 경쟁에서 데이터 전송 권한을 획득한 하나의 스테이션이 하나의 데이터를 전송하게 함으로써, CSMA/CA방식의 맥 프로토콜에서 분산제어 방식의 비경쟁 통신을 구현하게 된다.

Description

ＣＳＭＡ/ＣＡ방식의 매체접근제어 프로토콜에서의 통신방법{Communication method in MAC protocol of CSMA/CA}
도 1은 IEEE 802.11 DCF에서의 프레임 전송의 예를 설명하기 위한 도면,
도 2는 IEEE 802.11 PCF에서의 프레임 전송의 예를 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 설명에 채용되는 슈퍼프레임의 구조를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 의한 프레임 전송의 예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜에서의 통신방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전송매체의 상태에 대한 판단과 통신제어 기능을 하나의 스테이션에 두지 않고 모든 스테이션에 분산시켜 애드-혹 네트워크에서도 비경쟁 서비스가 가능하고 네트워크내의 스테이션들 사이의 모든 링크에 대해서도 비경쟁 통신이 가능하도록 한 통신방법에 관한 것이다.
무선이나 전력선 등과 같은 환경의 특징은 잡음이 많고 신호전달매체가 공유되어 있다는 것이다. 이와 같은 환경에서 다수의 스테이션(station)들에게 공평한 송신 기회를 부여하고 신뢰성있는 데이터 전송을 보장하려는 목적으로 ARQ(Automatic Repeat reQuest)를 사용하는 충돌회피기능 부착 반송파감지 다중접속(carrier sense multiple access with collision avoidance)(이하, CSMA/CA라고 함)방식의 매체접근제어 프로토콜(Media Access Control protocol; 이하에서는 MAC 프로토콜이라 함)이 주로 사용된다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 무선 인터넷 표준은 IEEE 802.11로서 CSMA/CA를 기본으로 하여 무선환경에서 일대다 통신을 구현하고 있다.
IEEE 802.11표준의 MAC 프로토콜은 크게 분산조정기능(Distributed Coordination Function; 이하에서는 DCF라고 함) 및 점조정기능(Point Coordination Function; 이하에서는 PCF라고 함)로 이루어진다.
DCF는 통신에 참여하는 모든 스테이션들에게 공평한 송신 기회를 부여하기 위해 고안된 MAC 프로토콜로서, 프레임을 송신하고자 하는 모든 스테이션들이 공평하게 채널 경쟁(channel contention)에 참여하고, 경쟁에서 승리한 스테이션이 송신 권한(전송 권한)을 획득하여 프레임을 송신하는 방식으로 동작한다. DCF는 CSMA/CA방식을 기반으로 하고 있다.
도 1에는 스테이션들이 DCF에 의해 프레임을 주고 받는 과정이 예시되어 있다. DCF에서 각 스테이션은 프레임을 송신하기에 앞서 전달매체에 다른 프레임이 전송되고 있는 중인지 확인한다. 다른 프레임이 전송되고 있는 중이라면 해당 전송이 종료될 때까지 대기하며, 프레임의 전송이 종료되고 DIFS(DCF interframe space)만큼의 시간이 지난 후에 새로운 프레임의 전송을 시도할 수 있다. DIFS가 경과한 후에는 경쟁창(contention window)이라고 불리우는 구간이 시작되며, 이 경쟁창 구간내에서 다수의 스테이션들이 서로 프레임을 전송하기 위해 경쟁한다. 경쟁창은 일정한 길이의 타임 슬롯(time slot)으로 구분되어 있다. 다수의 스테이션들이 각자 랜덤하게 프레임을 전송할 타임 슬롯을 선택하여 가장 빠른 타임 슬롯을 선택한 스테이션이 새로운 프레임을 전송하게 된다. 이 과정에서 각각의 타임 슬롯이 선택될 확률은 모두 동일하기 때문에 충분히 긴 시간동안에 DCF를 통해 여러 스테이션들이 공평하게 송신 기회를 나누어 가질 수 있다.
DCF에서는 데이터 전송의 신뢰성을 확보하기 위해 데이터 프레임을 수신한 스테이션이 응답신호로 ACK(positive acknowledgement) 제어 프레임을 전송하도록 하고 있다. 모든 데이터 프레임이 전송된 후에는 SIFS(Short InterFrame Space)만큼의 시간이 지난 후 ACK 제어 프레임이 전송되며, 이러한 과정이 정상적으로 완료되었을 때 프레임이 성공적으로 전송된 것으로 정의한다.
반면에, PCF는 DCF와는 달리 스테이션들에게 임의로 송신 권한을 부여하기 위해 고안된 MAC 프로토콜이다. PCF에서는 점조정자(Point Coordinator; 이하에서는 PC라고 함)라는 특별한 스테이션을 지정하고, PC가 전체 네트워크의 통신을 관할하도록 한다. PC는 필요에 따라 또는 미리 정해진 방식에 따라 개별 스테이션들에게 송신 권한(전송 권한)을 부여한다. 송신 권한을 부여받은 스테이션은 하나의 프레임을 전송하고, 그 프레임 전송이 완료된 후에는 PC가 새롭게 전송 권한을 부여하는 과정을 반복한다. 이와 같이 PCF에서는 경쟁과정없이 PC에 의해 전송 권한이 부여되기 때문에 특정 스테이션에게 더 많이 부여될 수 있도록 전송 기회를 임의로 조절할 수 있다.
DCF를 이용하여 통신에 참여하는 스테이션은 경쟁을 통한 전송권 획득에 계속적으로 실패할 가능성이 있으므로, 프레임 전송의 최악 경우의 성능(worst-case performance)이 보장되지 않는다. 따라서, DCF는 멀티미디어 컨텐츠 스트리밍 서비스 또는 온라인 게임 등의 타임-크리티컬(time-critical) 응용에 적합하지 않다. 반면, PCF에서는 PC가 전체 트래픽을 통제하기 때문에 PC의 판단에 따라 특정한 스테이션에 필요한 만큼의 밴드폭을 할당할 수 있다.
이러한 이유로 인해, IEEE 802.11 표준에서는 DCF를 기본으로 하고, 통신 시간을 분할하여 주기적으로 PCF를 사용함으로써, 비경쟁(contention-free) 방식의 통신 서비스를 제공한다. 이때, DCF를 이용하는 시간 구간을 경쟁구간(Contention Period; CP)이라고 하고, PCF를 이용하는 시간 구간을 비경쟁구간(Contention-Free Period; CFP)이라고 한다. 따라서, PCF를 이용하는 네트워크의 통신 채널은 반복되는 경쟁구간과 비경쟁구간으로 구성된다. DCF와 PCF가 반복되며 통신이 이루어지는 예가 도 2에 나타나 있다.
비경쟁구간(CFP)은 PC가 스테이션들에게 비콘 프레임(beacon frame)을 전송함으로써 시작된다. PC가 경쟁구간(CP)에서 비콘(beacon)이라는 제어 프레임을 전송하면 다른 스테이션들은 모두 DCF를 중지하고, PC가 네트워크를 관할하도록 채널 접근을 중지한다. 비경쟁구간(CFP)의 종료시점도 동일한 방법을 통해 정의된다. 비경쟁구간(CFP)은 PC가 CF-End라는 제어 프레임을 전송하면 종료되고, 그 시점부터 다른 스테이션들은 DCF를 시작하여 전송권 획득을 위한 경쟁과정을 시작한다.
비경쟁구간(CFP)내에서 PC가 스테이션들에게 전송 권한을 부여하기 위해 폴(poll)이라는 제어 프레임을 이용한다. PC는 어느 스테이션을 지정하여 폴 프레임(poll frame)을 전송하고, 폴 프레임에 의해 지정된 스테이션은 그 순간 자신이 전송할 데이터 프레임이 있으면 SIFS만큼의 시간이 지난 후 데이터 프레임을 전송한다. 만약, 폴 프레임이 전송된 후 PIFS(PCF interframe space)만큼의 시간이 지나도 데이터 프레임의 전송이 없다면 PC는 해당 스테이션이 전송할 데이터 프레임이 없다고 판단하고 다른 스테이션에게 폴 프레임을 전송한다. 이러한 방식을 통해 지정된 스테이션에게만 전송을 허용함으로써 PC가 전체 네트워크의 통신을 관리할 수 있다.
도 2를 보면, 비경쟁구간(CFP)의 시작과 끝, 폴(poll)에 의해 데이터 프레임의 전송이 이루어짐을 알 수 있는데, PC가 비콘을 전송함과 동시에 비경쟁구간(CFP)이 시작되고, PC는 각 스테이션들에게 폴 프레임을 전송하며, 폴에 의해 지정된 스테이션은 상황에 따라 데이터 프레임을 전송하거나 전송하지 않는다. 도 2의 경우는 PC가 한 비경쟁구간(CFP)내에서 세 번의 폴신호를 전송한다. 세 번의 폴신호는 서로 다른 세 개의 스테이션에 한번씩 전송하는 것일 수도 있고 하나의 스테이션에 세 번씩 전송하는 것일 수도 있다. 도 2의 경우는 세 번의 폴신호중 두 번째 폴신호에 의해서만 데이터 프레임의 전송이 이루어진다. 또한, 세 번째의 폴신호에는 두 번째 폴에 의한 데이터 프레임의 전송에 대한 ACK신호가 포함되어 있다. PC는 세 번의 폴신호가 완료되었다고 판단한 후 비경쟁구간을 종료하기 위해 CF-End 프레임을 전송한다. 그 이후에는 모든 스테이션이 DCF를 시작하여 채널 경쟁에 의해 데이터 프레임을 전송하는 모습을 확인할 수 있다.
이와 같이, IEEE 802.11 표준에서는 DCF와 PCF를 이용하여 경쟁 방식의 통신 서비스와 비경쟁 방식의 통신 서비스를 동시에 제공한다. 그러나, PCF에 의해 제공되는 비경쟁 방식의 통신 서비스는 다음과 같은 몇가지의 문제점을 안고 있다.
첫째, 애드혹 네트워크(ad-hoc network)에 적용할 수 없다. PCF를 이용하기 위해서는 PC라는 중심적인 스테이션이 정의되어야 하며, IEEE 802.11에서는 인프라 구조 네트워크(infra-structure network)의 액세스 포인트(Access Point; AP)가 PC의 역할을 담당한다. 따라서, 중심적인 스테이션없이 모든 스테이션들이 동등한 입장에서 통신을 하는 애드혹 네트워크에서는 PCF를 사용할 수 없다.
둘째, PC가 아닌 스테이션들 사이의 직접적인 비경쟁 통신이 불가능하다. 인프라 구조 네트워크에서는 모든 통신이 액세스 포인트와 스테이션 사이에서만 이루어지므로, 스테이션과 스테이션이 서로 통신을 하기 위해서는 반드시 액세스 포인트를 거쳐야 한다. 이러한 점은 PCF에서도 마찬가지로 적용되므로, PCF에서는 스테이션과 스테이션 사이에 직접적인 비경쟁 통신을 할 수 없다.
셋째, 단일 지점의 실패에 대한 위험성이 크다. PCF에서는 PC의 통제와 조정하에서 모든 비경쟁 통신이 이루어지므로 PC에 오류가 발생하게 되면 네트워크 전체의 기능에 이상이 생기게 된다. 전체의 안정성이 일부분의 안정성에 달려 있으므로 네트워크에 취약점이 있다고 볼 수 있다.
넷째, 두개 이상의 네트워크의 신호가 중첩되는 경우 비경쟁구간의 통신에 혼선이 생긴다. 비경쟁구간의 비경쟁 통신은 한 네트워크내에서 독보적인 제어권을 차지하고 있는 PC에 의해 이루어진다. 따라서, 두 네트워크의 신호에 중첩이 발생할 경우 각각의 네트워크의 PC의 제어신호가 충돌하여 비경쟁 통신을 정상적으로 수행할 수 없게 된다. 이를 방지하기 위해서는 PC의 제어권 충돌을 조정하기 위한 또다른 MAC 프로토콜이 필요하다.
다섯째, 전송매체가 비효율적으로 사용된다. PCF에서는 비경쟁구간의 시작을 알리는 비콘 프레임(beacon frame)과 폴 프레임(poll frame), 및 비경쟁구간(CFP) 의 끝을 알리는 CF-End 프레임 등의 제어 프레임을 사용한다. 이러한 제어 프레임은 데이터 전송에 기여하지 않는 프레임이므로 전송매체의 효율을 낮추는 요인이 된다. 이러한 제어 프레임의 사용을 최소화한다면 전송매체의 사용효율이 극대화될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, CSMA/CA방식의 맥 프로토콜에서 분산제어 방식의 비경쟁 통신을 구현하도록 한 CSMA/CA방식의 맥 프로토콜에서의 통신방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜에서의 통신방법은, CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜을 사용하는 망에 존재하는 다수의 스테이션이 공통의 전송매체를 통해 데이터를 프레임화하여 통신하는 방법으로서,
상기 전송매체를 비경쟁구간과 경쟁구간으로 된 슈퍼 프레임들의 연속적인 조합으로 구성시키고, 상기 비경쟁구간의 시작과 끝을 모든 스테이션들이 각자 감지할 수 있게 하되,
상기 비경쟁구간을, 상기 다수의 스테이션중에서 하나의 스테이션이 예약 가능하고 한번의 데이터 전송 권한이 주어진 적어도 하나 이상의 타임 슬롯으로 구성시키고, 적어도 어느 한 타임 슬롯을 예약한 스테이션만이 해당 타임 슬롯에서의 데이터 전송 권한을 가지게 하며,
상기 경쟁구간을, 적어도 두개 이상의 스테이션의 채널 경쟁에서 데이터 전송 권한을 획득한 하나의 스테이션이 하나의 데이터를 전송하게 한 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 프레임에 구간 정보를 표시하여 통신한다.
그리고, 상기 구간 정보는 해당 프레임이 비경쟁구간에서 전송되는 것인지 경쟁구간에서 전송되는 것인지의 여부, 비경쟁구간의 타임 슬롯의 총 개수, 현재의 프레임이 전송되고 있는 비경쟁구간의 타임 슬롯의 번호를 포함한다.
그리고, 상기 모든 스테이션은 가장 최근에 수신된 프레임에 포함된 구간 정보에 근거하여 자신의 구간 정보를 갱신한다.
그리고, 상기 비경쟁구간의 타임 슬롯을 예약하는 경우, 가장 최근에 데이터 전송에 성공한 스테이션이 해당 타임 슬롯을 예약한 것으로 간주한다.
그리고, 상기 비경쟁구간의 타임 슬롯을 예약함에 있어서 두개 이상의 스테이션이 동일한 타임 슬롯에서 동시에 프레임을 전송하여 충돌이 발생하였을 경우, 해당 스테이션들은 각각 랜덤한 개수만큼의 슈퍼프레임이 경과하기를 기다렸다가 다시 타임 슬롯의 예약을 시도한다.
그리고, 상기 예약된 타임 슬롯에서 소정 시간 동안 프레임의 전송이 없으면 모든 스테이션은 해당 타임 슬롯이 예약되지 않은 것으로 판단한다.
그리고, 상기 비경쟁구간의 길이를, 1개의 제어 프레임과 2개의 타임 슬롯과 1개의 SIFS(short interframe space)와 1개의 PIFS(PCF interframe space)와 1개의 데이터 프레임 및 1개의 DIFS(DCF interframe space)로 한다.
그리고, 상기 비경쟁구간의 시작을 상기 경쟁구간이 끝나는 시점으로 하되, 상기 제어 프레임을 제외한 나머지중의 어느 하나로 한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따르면, PC와 같은 독보적인 스테이션없이 통신에 참여하는 모든 스테이션들이 독자적으로 전송매체의 상태를 관찰 및 판단하여 비경쟁구간(CFP)에서 데이터를 전송하도록 함으로써, 기존의 PCF가 가지고 있던 단점들을 극복한다.
그리고, 이처럼 전송 매체의 상태에 대한 판단과 통신제어 기능을 하나의 스테이션에 제한하지 않고 모든 스테이션에 분산시킴으로써, 애드-혹 네트워크(ad-hoc network)에서도 비경쟁 서비스(contention-free service)가 가능하고 네트워크 내의 스테이션들 사이의 모든 링크(link)에 대해서도 비경쟁 통신이 가능하다. 또한, 둘 이상의 네트워크의 신호가 중첩될 때에도 비경쟁 통신이 가능하며, 단일 스테이션의 고장이나 오류가 야기할 수 있는 위험성도 줄일 수 있다. 그리고, 제어 프레임의 사용을 최소화하여 채널을 효율적으로 사용하게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜에서의 통신방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 설명에 채용되는 슈퍼프레임의 구조를 나타낸 도면이다. 각각의 슈퍼프레임(superframe)은 시간적으로 연속된 하나의 비경쟁구간(CFP)과 경쟁구간(CP)으로 구성된다. 전송매체에 실리는 정보는 반복되는 슈퍼프레임의 연속 적인 조합으로 구성된다. 모든 스테이션들은 슈퍼프레임내의 비경쟁구간(CFP)과 경쟁구간(CP)의 시작되는 시점과 끝나는 시점을 인지하여 통신을 행한다. 슈퍼프레임에 대한 정보를 제공하는 제어 프레임은 존재하지 않는다. 따라서, 각 스테이션은 개별적으로 전송매체에 실리는 정보 프레임을 관찰(즉, 다른 스테이션들이 전송하는 프레임을 해독)하여 슈퍼프레임의 시작 및 슈퍼프레임내의 경쟁구간(CP)와 비경쟁구간(CFP)에 대한 정보를 추출한다.
그 슈퍼프레임내의 비경쟁구간(CFP)은 DCF를 사용하는 경쟁구간(CP)의 경쟁창(contention window)과 마찬가지로 일정한 길이의 타임 슬롯(time slot)으로 구성되어 있다. 비경쟁구간(CFP)내의 타임 슬롯(time slot)을 특히 비경쟁 슬롯(Contention-Free Slot; CFS)라고 정의하며, 그 비경쟁 슬롯(CFS)은 비경쟁구간(CFP)내에서 전송 권한이 주어지는 시간적인 기준이 된다. 하나의 비경쟁 슬롯(CFS)에서는 한 번의 전송 권한이 주어지며, 스테이션들은 비경쟁 슬롯(CFS)을 예약하여 전송 권한을 획득한다. 하나의 비경쟁 슬롯(CFS)은 하나의 스테이션만이 예약 가능하고, 예약한 스테이션만이 해당 비경쟁 슬롯(CFS)에서의 전송 권한을 가진다. 그러므로, 비경쟁구간(CFP)에서 전송되는 모든 프레임은 경쟁과정없이 전송되고, 하나의 비경쟁 슬롯(CFS)에서는 오직 한 번의 성공적인 프레임 전송과정이 포함될 수 있다. 비경쟁 슬롯(CFS)을 예약한 스테이션은 비경쟁 통신을 이용하여 전송할 프레임이 있을 경우 예약한 비경쟁 슬롯(CFS)에서 프레임을 전송하고, 전송할 프레임이 없을 경우에는 해당 비경쟁 슬롯(CFS)에서 프레임을 전송하지 않는다. 전송되는 프레임이 없을 경우 해당 비경쟁 슬롯(CFS)은 하나의 타임 슬롯(time slot)으로 간주된다. 따라서, 비경쟁 슬롯(CFS)의 길이는 가변적이며, 하나의 타임 슬롯(time slot)의 길이 또는 하나의 프레임의 성공적인 전송과정의 길이가 된다.
그 슈퍼프레임의 경쟁구간(CP)은 기존에 설명된 바와 마찬가지로 DCF를 사용하여 경쟁기반의 통신서비스를 제공하는 시간구간이다.
상기 비경쟁구간(CFP)과 경쟁구간(CP)의 시작과 끝은 다음과 같이 정의된다.
비경쟁구간(CFP)의 시작은 경쟁구간(CP)의 끝으로 정의되며, 한 번의 경쟁구간(CP)에서는 한 번의 경쟁(contention) 기회가 주어지는 것으로 정한다. 다시 말해, 경쟁구간(CP)에서 어느 한 개의 스테이션이 채널 경쟁을 통해 전송권한을 획득하여 하나의 프레임을 성공적으로 전송하게 되면 경쟁구간(CP)이 종료됨과 동시에 비경쟁구간(CFP)이 시작된다. 별도의 기준에 의해 비경쟁구간(CFP)이 끝난 후에는 다시 경쟁구간(CP)이 시작되어 채널 경쟁 과정이 이루어지고, 이와 같은 과정이 연속적으로 반복되며 통신이 이루어진다.
비경쟁구간(CFP)의 끝은 일정한 개수의 비경쟁 슬롯(CFS)이 경과하는 것으로 정의한다. 비경쟁구간(CFP)을 구성하는 비경쟁 슬롯(CFS)의 개수가 비경쟁구간(CFP)의 길이이며, 해당 개수만큼의 비경쟁 슬롯(CFS)이 경과하는 시점을 비경쟁구간(CFP)이 끝나고 경쟁구간(CP)이 시작되는 시점으로 정의한다. 따라서, 모든 스테이션들은 비경쟁구간(CFP)내에서 현재까지 경과한 비경쟁 슬롯(CFS)의 수를 관찰함으로써 비경쟁구간(CFP)의 끝과 경쟁구간(CP)의 시작을 판단할 수 있다. 따라서, 네트워크내의 모든 스테이션들은 현재 비경쟁구간(CFP)의 길이, 즉 비경쟁구간(CFP)을 이루고 있는 비경쟁 슬롯(CFS)의 개수를 파악한다. 이러한 파악과정은 전송매체를 끊임없이 관찰함으로써 이루어진다.
이와 같이 본 발명에서는 분산제어 방식(즉, 하나의 특정 장비가 다른 장비를 제어하는 것이 아니라 모든 장비가 각자 스스로 제어를 하는 방식을 의미함)을 사용하여 비경쟁구간(CFP)의 시작과 끝을 모든 스테이션들이 각자 감지할 수 있는 전송매체의 공통적인 사건으로 정의하였기 때문에, PC라는 중심적인 스테이션의 제어없이도 비경쟁 방식의 통신 서비스를 제공할 수 있다.
본 발명에서 제시하는 MAC 프로토콜을 사용했을 경우, 시간에 따라 경쟁구간(CP)과 비경쟁구간(CFP)에서 프레임전송이 이루어지는 예가 도 4에 제시되어 있다.
도 4에 예시된 바와 같이, 비경쟁구간(CFP)은 3개의 비경쟁 슬롯(CFS)로 이루어져 있다. 첫 번째 비경쟁 슬롯(CFS)에서는 프레임이 전송되지 않아 하나의 타임 슬롯(time slot)으로 처리되었고, 두 번째 비경쟁 슬롯(CFS)에서는 하나의 프레임이 경쟁없이 성공적으로 전송되었다. 마지막으로 세 번째 비경쟁 슬롯(CFS)에서도 프레임이 전송되지 않아 하나의 타임 슬롯(time slot)으로 처리되었다. 3 개의 비경쟁 슬롯(CFS)이 경과한 후에는 비경쟁구간이 종료되고 경쟁구간(CP)이 시작된다.
도 4와 도 2를 비교하여 설명하면 다음과 같다. 도 2 및 도 4는 비경쟁구간(CFP)에서 동일한 상황을 가정한다. 즉, 비경쟁구간(CFP)에서 3번의 전송기회가 주어지며, 첫번째와 세번째 전송기회에서는 프레임이 전송되지 않고 두번째 전송기회에서만 성공적인 프레임 전송이 이루어진다. 이 때, 도 2의 상황에서는 전체 비경쟁구간(CFP)의 길이가 5개의 제어 프레임(즉, 1개의 비콘 프레임, 3개의 폴 프레임, 1개의 CF-End 프레임) + 3개의 SIFS + 2개의 PIFS + 1개의 데이터 프레임 + 1개의 DIFS 로 이루어진다. 반면에, 도 4의 상황에서는 비경쟁구간(CFP)의 길이가 1개의 제어 프레임(즉, 1개의 ACK 프레임) + 2개의 타임 슬롯(time slot) + 1개의 SIFS + 1개의 PIFS + 1개의 데이터 프레임 + 1개의 DIFS로 이루어진다. 타임 슬롯(time slot)의 길이가 제어 프레임의 길이보다 작다는 사실을 감안할 때 도 4의 상황이 도 2의 상황보다 효율적으로 채널을 사용하고 있음을 알 수 있다.
이와 같은 효율성은 본 발명이 제시하는 MAC 프로토콜의 장점으로, ① 비경쟁구간(CFP)의 시작과 끝이 특정 제어 프레임에 의존하지 않는다는 점, ② 폴링(polling)을 위한 제어 프레임을 사용하지 않는다는 점, ③ 하나하나의 타임 슬롯을 비경쟁구간(CFP)의 전송기회로 생각한다는 점 등의 특징에서 비롯된 것이다.
스테이션이 비경쟁 슬롯(CFS)을 예약하여 프레임을 전송하고, 또 예약된 비경쟁 슬롯(CFS)을 더 이상 사용할 필요가 없을 때 예약을 해지하는 방법은 다음과 같다.
어느 스테이션이 비경쟁 통신이 필요한 타임-크리티컬 프레임(time-critical frame)을 가지고 있을 때, 비경쟁 슬롯(CFS)을 예약하여 해당 프레임을 전송한다. 비경쟁 슬롯(CFS)의 예약은 선점유 우선의 원칙에 따라 이루어진다. 해당 비경쟁 슬롯(CFS)이 어느 스테이션에게도 예약되어 있지 않다고 판단되는 경우, 가장 먼저 프레임을 성공적으로 전송하는 스테이션이 그 비경쟁 슬롯(CFS)을 예약한 것이 된다. 다시 말해, 어떤 스테이션이 어느 비경쟁 슬롯(CFS)에서 성공적으로 프레임을 전송했다는 것은 해당 비경쟁 슬롯(CFS)을 예약했다는 것을 의미한다. 즉, 상기 비경쟁구간의 타임 슬롯을 예약하는 경우, 가장 먼저 데이터 전송에 성공한 스테이션이 해당 타임 슬롯을 예약한 것으로 간주하고 그 예약이 해지되기 전까지는 다른 스테이션은 해당 타임 슬롯에서의 데이터 전송이 불가하게 된다.
이 때, 최초에 예약되지 않은 비경쟁 슬롯(CFS)을 예약하는 과정에서 우연히 두 스테이션이 동시에 프레임을 전송하여 충돌이 일어날 수 있다. 이 경우 각각의 스테이션은 프레임 전송이 성공적이지 못함을 감지하고, 비경쟁 슬롯(CFS)을 점유하지 못한 것으로 판단하게 된다. 이 때에는 전송을 시도했던 스테이션들이 각각 슈퍼프레임 단위의 랜덤 백오프(random backoff) 과정을 거쳐 비경쟁 슬롯(CFS)의 점유를 재차 시도한다. 즉, 전송을 시도했던 각각의 스테이션들은 일정한 범위 안에서 랜덤한 숫자를 결정하고, 결정된 숫자만큼의 슈퍼프레임이 경과한 후에 해당 비경쟁 슬롯(CFS)에 대해 다시 점유를 시도한다. 이 과정에서 가장 작은 숫자를 결정한 스테이션이 해당 비경쟁 슬롯(CFS)을 점유하게 된다.
상기 비경쟁 슬롯(CFS)에 대한 예약의 해제는, 아무런 프레임도 전송하지 않음으로써 이루어진다. 즉, 어느 비경쟁 슬롯(CFS)을 점유하고 있던 스테이션이 일 정 시간 이상 해당 비경쟁 슬롯(CFS)에서 아무런 프레임을 전송하지 않으면 모든 스테이션들은 그 비경쟁 슬롯(CFS)이 예약되지 않았다고 판단한다. 이 비경쟁 슬롯(CFS)은 향후 필요에 따라 또 다른 스테이션에 의해 예약되어 사용된다.
스테이션들이 경쟁구간(CP)과 비경쟁구간(CFP)에 대한 판단 및 개별 비경쟁 슬롯(CFS)에 대한 판단을 정확하게 하기 위해서 전송매체를 관찰하는 과정은 다음과 같다.
본 발명에서는 전송매체의 관찰을 위해 모든 프레임에 구간 정보를 표시하여 전송하도록 한다. 다시 말해서, 프레임을 송신하는 스테이션은 해당 프레임이 비경쟁구간(CFP)에서 전송되는 것인지 경쟁구간(CP)에서 전송되는 것인지, 또 비경쟁구간(CFP)의 총 길이와 현재 프레임이 전송되고 있는 비경쟁 슬롯(CFS)의 번호(number) 등을 프레임에 표시한다. 모든 스테이션은 수신된 현재의 프레임을 수신하여 자신이 알고자 하는 슈퍼프레임내의 구간 정보를 현재 수신된 프레임의 구간 정보로 갱신한다. 즉, 모든 스테이션들의 슈퍼프레임내의 구간 정보는 현재 수신된 프레임의 구간 정보로 동기화된다. 이와 같은 방법을 통해 개별 스테이션들이 일시적인 장애나 잘못된 추론을 통해 채널 관찰에 오류를 일으키는 것을 최소화할 수 있다.
경우에 따라 비경쟁구간(CFP)은 고정된 길이를 가질 수도 있고 가변적인 길이를 가질 수도 있다. 비경쟁구간(CFP)이 가변적인 길이를 가질 경우, 그 길이의 증가와 감소는 다음과 같은 방법을 통해 이루어진다.
비경쟁구간(CFP)이 가변적인 길이를 가질 경우에는 데이터 전송의 필요에 의해 동적으로 결정된다. 즉, 어떤 시점에 비경쟁 서비스(contention-free service)가 필요한 데이터가 많을 경우 비경쟁구간(CFP)은 그에 맞게 늘어나고, 그 비경쟁 서비스가 필요한 데이터가 적을 경우에는 비경쟁구간(CFP)의 길이가 줄어든다. 비경쟁구간(CFP)의 길이가 매 순간마다 동적으로 결정됨에 따라 데이터 전송의 수요가 급격히 변하고, 예측하기 어려운 상황에서도 시간의 낭비 없이 효율적으로 통신을 할 수 있다. 이 경우, 비경쟁구간(CFP)의 길이에 상한을 두어서 비경쟁구간(CFP)의 데이터 전송이 경쟁구간(CP)의 데이터 전송을 일정 수준 이하로 억누르는 것을 방지한다.
비경쟁구간(CFP)의 증가는 새로운 비경쟁 슬롯(CFS)을 추가함으로써 이루어진다. 기존의 비경쟁구간(CFP)에 더 이상 예약할 수 있는 비경쟁 슬롯(CFS)이 없을 때에는, 비경쟁구간(CFP)에서 통신을 하고자 하는 스테이션은 기존의 비경쟁구간(CFP)이 종료한 직후에 타임-크리티컬 프레임(time-critical frame)(즉, 비경쟁구간(CFP)을 이용하여 전송하고자 하는 프레임)을 전송한다. 이때, 프레임에 현재 프레임이 비경쟁구간(CFP)에 의한 전송이라는 정보와 추가된 비경쟁 슬롯(CFS)의 번호(number)를 표시하여 다른 스테이션이 비경쟁구간(CFP)의 길이가 하나의 비경쟁 슬롯(CFS)만큼 증가했음을 감지하도록 한다.
비경쟁구간(CFP)의 감소는 가장 마지막에 위치한 비경쟁 슬롯(CFS)이 예약에서 해제되었을 때 각각의 스테이션에서 해당 비경쟁 슬롯(CFS)을 하나씩 감소시킴으로써 이루어진다. 만약, 예약에서 해제된 비경쟁 슬롯(CFS)이 비경쟁구간(CFP)의 중간에 위치한다면 마지막의 비경쟁 슬롯(CFS)을 예약한 스테이션이 예약을 해제하고 중간의 비경쟁 슬롯(CFS)에 재예약을 시도함으로써 비경쟁 슬롯(CFS)의 위치를 조정하게 된다. 비경쟁구간(CFP)을 감소시킬 때에도 차후의 안정성을 위해 비경쟁구간(CFP)의 길이의 하한을 정의해 둘 수 있다.
상술한 본 발명을 가정용 무선 네트워크 또는 가정용 전력선 네트워크에 적용하게 되면 동일한 네트워크에서 실시간 멀티미디어 데이터와 일반 데이터를 동시에 전송하면서도 실시간 멀티미디어 데이터에 일정 비율의 통신속도를 보장할 수 있게 된다.
그리고, 상술한 본 발명은 공유된 통신매체를 사용하는 네트워크에 범용적으로 적용할 수 있는 방법으로서, 무선 네트워크를 이용한 가정용 제어 네트워크 및 센서 네트워크에서도 사용할 수 있다. 제어 네트워크에 사용될 때는 데이터를 긴급신호와 보통신호로 구분하여 긴급신호에 우선순위를 부여할 수 있고, 센서 네트워크에서도 마찬가지로 데이터를 구분하여 우선순위에 차등을 두어 전송할 수 있다. 더 높은 우선순위를 가진 데이터들은 더 빠른 시간 안에 전달될 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명을 CSMA/CA 기반의 MAC 프로토콜을 사용하는 네트워크에 대해 적용함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 애드-혹(ad-hoc) 네트워크에서도 비경쟁 방식의 통신을 구현할 수 있다. 즉, 본 발명은 PCF와 같은 집중제어방식을 사용하지 않고, 모든 스테이션들이 동등한 판단기능을 가지고 비경쟁구간(CFP)에 참여하는 분산제어방식을 사용하기 때문에 중심적인 스테이션이 없는 애드-혹 네트워크(ad-hoc network)에서도 비경쟁 방식의 통신 서비스가 구현된다.
둘째, 모든 스테이션들 사이의 통신에 비경쟁 방식을 적용할 수 있다. 본 발명은 앞서 설명한 바와 같이 애드-혹 네트워크에서도 적용할 수 있기 때문에, PCF와 달리 프레임의 전송 과정이 어느 한 스테이션만으로 집중되지 않는다. 따라서, 어느 스테이션 사이에서나 비경쟁 방식으로 통신할 수 있고, 그로 인해 네트워크를 활용할 수 있는 유연성이 더욱 커지게 된다.
셋째, 안정성이 높다. 하나의 스테이션에 비경쟁구간(CFP)의 제어기능이 집중되어 있는 PCF 와는 달리, 본 발명에서는 모든 스테이션에 비경쟁구간(CFP)의 제어기능이 분산되어 있다. 따라서, 하나의 스테이션의 기능에 이상이 생겼을 경우라도 전체 MAC 프로토콜의 기능이 정지될 위험성이 없다.
넷째, 둘 이상의 네트워크의 신호가 중첩되는 상황에서도 비경쟁 방식의 통 신이 가능하다. 본 발명에서는 비경쟁 방식 통신이 네트워크를 관할하는 중심적인 스테이션에 의해 이루어지는 것이 아니라, 모든 스테이션들이 전송매체 상태를 관찰하여 이루어지기 때문에 서로 다른 네트워크에 속하는 스테이션들이라 하더라도 전송매체에서 이루어지고 있는 프레임의 전송상황을 관찰하여 적절히 비경쟁구간(CFP)과 경쟁구간(CP)에서 프레임을 전송할 수 있다.
다섯째, 전송매체를 효율적으로 사용한다. 본 발명에서는 비경쟁 방식의 통신을 구현하는 데 있어서 제어 프레임의 개수를 최소화하고, 비경쟁 구간의 정의를 단순화 하였기 때문에 기존 PCF에서 제시되었던 것보다 더 효율적으로 전송매체를 사용할 수 있다. 따라서 기존의 방식보다 더 많은 대역폭이 실제 데이터의 전송에 활용될 것이라고 기대할 수 있다.
본 발명은 이러한 장점들을 바탕으로 홈 네트워크와 P2P 통신 등 빠르게 증가하는 애드-혹(ad-hoc) 방식의 네트워크 수요에 보다 효율적이고 효과적인 방법으로 비경쟁 방식의 통신 서비스를 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜을 사용하는 망에 존재하는 다수의 스테이션이 공통의 전송매체를 통해 데이터를 프레임화하여 통신하는 방법으로서,
    상기 전송매체를 비경쟁구간과 경쟁구간으로 된 슈퍼 프레임들의 연속적인 조합으로 구성시키고, 상기 다수의 스테이션들 모두가 각자 상기 비경쟁구간과 경쟁구간의 시작과 끝을 감지하되,
    상기 비경쟁구간을, 상기 다수의 스테이션중에서 하나의 스테이션이 예약 가능하고 한번의 데이터 전송 권한이 주어진 적어도 하나 이상의 타임 슬롯으로 구성시키고, 적어도 어느 한 타임 슬롯을 예약한 스테이션만이 해당 타임 슬롯에서의 데이터 전송 권한을 가지게 하며,
    상기 경쟁구간을, 적어도 두개 이상의 스테이션의 채널 경쟁에서 데이터 전송 권한을 획득한 하나의 스테이션이 하나의 데이터를 전송하게 한 것을 특징으로 하는 CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜에서의 통신방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 프레임에 구간 정보를 표시하여 통신하는 것을 특징으로 하는 CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜에서의 통신방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 구간 정보는 해당 프레임이 비경쟁구간에서 전송되는 것인지 경쟁구간에서 전송되는 것인지의 여부, 비경쟁구간의 타임 슬롯의 총 개수, 현재의 프레임이 전송되고 있는 비경쟁구간의 타임 슬롯의 번호를 포함하는 것을 특징으로 하는 CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜에서의 통신방법.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3항에 있어서,
    상기 모든 스테이션은 가장 최근에 수신된 프레임에 포함된 구간 정보에 근거하여 자신의 구간 정보를 갱신하는 것을 특징으로 하는 CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜에서의 통신방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 비경쟁구간의 타임 슬롯을 예약하는 경우, 가장 최근에 데이터 전송에 성공한 스테이션이 해당 타임 슬롯을 예약한 것으로 간주하는 것을 특징으로 하는 CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜에서의 통신방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 비경쟁구간의 타임 슬롯을 예약함에 있어서 두개 이상의 스테이션이 동일한 타임 슬롯에서 동시에 프레임을 전송하여 충돌이 발생하였을 경우, 해당 스테이션들은 각각 랜덤한 개수만큼의 슈퍼프레임이 경과하기를 기다렸다가 다시 타임 슬롯의 예약을 시도하는 것을 특징으로 하는 CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜 에서의 통신방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 예약된 타임 슬롯에서 소정 시간 동안 프레임의 전송이 없으면 모든 스테이션은 해당 타임 슬롯이 예약되지 않은 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜에서의 통신방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 비경쟁구간의 길이를, 1개의 제어 프레임과 2개의 타임 슬롯과 1개의 SIFS(short interframe space)와 1개의 PIFS(PCF interframe space)와 1개의 데이터 프레임 및 1개의 DIFS(DCF interframe space)로 하는 것을 특징으로 하는 CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜에서의 통신방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 비경쟁구간의 시작을 상기 경쟁구간이 끝나는 시점으로 하되, 상기 제어 프레임을 제외한 나머지중의 어느 하나로 하는 것을 특징으로 하는 CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜에서의 통신방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 비경쟁구간의 시작을 상기 2개의 타임 슬롯중 어느 한 타임 슬롯으로 하는 것을 특징으로 하는 CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜에서의 통신방법.
  11. 청구항 8 내지 청구항 10중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 비경쟁구간의 길이를 시간에 따라 가변시키는 것을 특징으로 하는 CSMA/CA방식의 매체접근제어 프로토콜에서의 통신방법.
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