KR100807529B1 - 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법 - Google Patents

무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법 Download PDF

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KR100807529B1
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이정일
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최동혁
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금오공과대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법을 제공하기 위한 것으로, CAP, CFP, 비콘에 의한 활동 주기를 갖는 슈퍼프레임을 구성하여 무선 필드버스의 전송프레임을 구성하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계 후 실시간 비주기성 데이터, 비실시간 메시지, 실시간 주기성 데이터로 구분하여 CAP, CFP 구간에서 데이터 전송을 수행하는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계 후 스케줄링에 의한 GTS 할당으로 네트워크 유지 관리를 수행하는 제 3 단계;를 포함하여 구성함으로서, IEEE 802.15.4 를 기반으로 하여 필드버스 프레임을 설계하고, 실시간 주기 데이터와 비주기 긴급 데이터의 실시간 전송과 비 실시간성 메시지의 전송방법을 제안할 수 있게 되는 것이다.
무선 필드버스, 실시간 전송, IEEE 802.15.4, 블루투스, 무선 랜

Description

무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법{Method for real-time transmission of wireless fieldbus}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법을 보인 흐름도이다.
도 2는 도 1에서 슈퍼프레임을 구성한 예를 보인 개념도이다.
도 3은 도 1에서 사용하는 IEEE 802.15.4 비콘 프레임의 구조를 보인 개념도이다.
도 4는 도 2에서 CAP와 CFP의 타이밍도이다.
도 5는 도 1에서 사용하는 CAP의 상세 타이밍도이다.
도 6은 도 1에서 조정자와 디바이스에서의 CAP, CFP, 비콘, GTS의 상태 천이도이다.
도 7은 도 1에서 데이터 전송을 수행하는 제 2 단계의 상세흐름도이다.
도 8은 도 1에서 GTS 할당으로 네트워크 유지 관리를 수행하는 제 3 단계에서 수정된 GTS 요구 프레임의 구조도이다.
도 9는 본 발명에 대한 시뮬레이션 수행시 각 주기성 노드의 데드라인, 태스크 구간, 사용가능한 GTS를 보인 표이다.
도 10은 도 9에 의한 GTS 할당 결과를 보인 표이다.
도 11은 도 9에 대해 패킷 분석기를 사용한 시뮬레이션 결과를 보인 도면이다.
[1] Patzke, R., "Fieldbus basics" Computer standards & interfaces, Elsevier Science Vol.19 No. 5/6, pp.275-293, 1998
[2] Kim, D.S., Lee, Y.S., Kwon, W.H. and Park, H.S. 2003. Maximum allowable delay bounds of networked control system, Control Engineering Practice,11, Now., 1301-1313
[3] Willig, A., Matheus, K. and Wolisz, A. "Wireless technology in industrial network" Proceedings of the IEEE, Vol. 93, Issue 6, June 2005
[4] Willig, A. Matheus, K. and Wolisz, A. "Wireless technology in industrial networks" Proceedings of the IEEE, Vol. 93, Issue 6, June 2005
[5] Suk Lee, Kyung Chang Lee, Man Hyung Lee, Harashima, F., "Integration of mobile vehicles for automated material handling using Profibus and IEEE 802.11 networks", Industrial Electronics, IEEE Transactions on Vol. 49, Issue 3, pp. 693-701, June 2002
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[6] Haehniche, J., Rauchhaupt, L., "Radio communication in automation systems: the R-fieldbus approach", Factory Communication Systems, 2000. Proceedings. 2000 IEEE International Workshop on 6-8 pp. 319 - 326, Sept. 2000
[7] Mahlknecht, S., "Virtual wired control networks: a wireless approach with Bluetooth", Africon Conference in Africa, 2002, IEEE AFRICON. 6th Vol. 1, 2-4 pp. 269 - 272, Oct. 2002
본 발명은 네트워크에서의 실시간 전송 방법에 관한 것으로, 특히 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.15.4 를 기반으로 하여 필드버스 프레임을 설계하고, 실시간 주기 데이터와 비주기 긴급 데이터의 실시간 전송과 비 실시간성 메시지의 전송방법을 제안하기에 적당하도록 한 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법에 관한 것이다.
산업용 통신망에서 센서, 구동기 등을 연결하는 하위 레벨의 통신망은 제어에 중요한 역할을 한다. 이러한 하위 레벨의 통신망은 필드버스로 연결되어 있다. 기존의 필드버스는 빠른 자료의 전송과 시스템의 안정성 등을 이유로 유선 기반으로 설계되어 왔다.
일반적인 산업현장에서 센서와 구동기 등의 개수는 수십에서 수천여개에 이르기까지 다양하다. 이러한 기기들은 하나의 데이터 집중기와 일대일로 데이터를 교환한다. 전송되는 데이터는 통신망의 유지보수에 필요한 데이터를 제외하고 대부분의 입출력 데이터는 1Byte 이하로 구성된다(종래기술의 문헌 정보 [1], 이하에서는 문헌번호만을 기재함).
필드버스는 다음과 같은 세 가지 형태의 데이터를 처리할 수 있어야 한다. 첫째, 유효 시간이 지정된 데이터에 대한 실시간 주기적인 전송 둘째, 기기의 상태나 설정을 표시하는 실시간 비주기적인 데이터의 전송 셋째, 우선순위, 확인, 순서화 등의 비실시간의 데이터 전송 등이다([2]).
이러한 필드버스의 특징들 때문에 기존의 필드버스들은 유선 통신 기반이다.
하지만 근래 들어 무선 통신 기술이 비약적으로 발전함에 따라 무선 통신 기술을 필드버스에 적용하려는 시도가 이루어지고 있다([3]). 무선 필드버스 기술은 장치의 이동성을 제공하는 것은 물론이고, 케이블이 필요 없으므로 장치의 설치와 유지/보수 등이 용이하다는 장점이 있다.
하지만 많은 수의 노드를 지원해야 하고, 주기적인 데이터와 비 주기적인 데이터의 실시간 전송을 보장해야 하는 점 등은 무선 필드버스 개발에 어려움으로 작용하고 있다.
따라서 산업 환경에서 많은 수의 노드를 지원하고, 실시간 전송이 가능한 무선 필드버스의 개발이 필요하다. 현재 무선 필드버스에 적용할 수 있는 상용 무선 통신기술들로는 IEEE 802.11 표준의 무선 랜 기술과 IEEE 802.1 블루투스, 그리고 저속 근거리 무선 통신인 IEEE 802.15.4 기술 등이 있다.
IEEE 802.11 기술을 이용한 무선 필드버스가 가장 많이 제시되었다([4] ~ [7]). [4]와 [5]에서는 Profibus 와 IEEE 802.11 을 결합하여 하이브리드 형태의 무선 필드버스를 제시하였다. [6]과 [7]에서는 R-fieldbus 라고 불리는 FIP(Factory Instrumentation Protocol) 기술을 이용한 IEEE 802.11 기반 무선 필드버스를 제시하였다. 하지만 IEEE 802.11 기술은 노드의 가격이 비싸기 때문에 많은 노드를 사용하는 산업환경에서는 설치비용이 많이 든다.
IEEE 802.1 표준의 블루투스 기술을 이용한 무선 필드버스 역시 제안 되었다([6]). 블루투스는 노드의 가격도 저렴하면서 전송속도 또한 빠르지만, 노드의 수의 제약이 심하고 전송거리가 짧아서 다수의 센서와 구동기가 위치하는 넓은 현장에서 사용하기에는 무리가 있는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 IEEE 802.15.4 를 기반으로 하여 필드버스 프레임을 설계하고, 실시간 주기 데이터와 비주기 긴급 데이터의 실시간 전송과 비 실시간성 메시지의 전송방법을 제안할 수 있는 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법은,
CAP, CFP, 비콘에 의한 활동 주기를 갖는 슈퍼프레임을 구성하여 무선 필드버스의 전송프레임을 구성하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계 후 실시간 비주기성 데이터, 비실시간 메시지, 실시간 주기성 데이터로 구분하여 CAP, CFP 구간에서 데이터 전송을 수행하는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계 후 스케줄링에 의한 GTS 할당으로 네트워크 유지 관리를 수행하는 제 3 단계;를 포함하여 수행함을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
이하, 상기와 같은 본 발명, 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법의 기술적 사상에 따른 일 실시예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법을 보인 흐름도이다.
이에 도시된 바와 같이, CAP(Contention Access Period), CFP(Contention Free Period), 비콘에 의한 활동 주기를 갖는 슈퍼프레임을 구성하여 무선 필드버스의 전송프레임을 구성하는 제 1 단계(ST1)와; 상기 제 1 단계 후 실시간 비주기성 데이터, 비실시간 메시지, 실시간 주기성 데이터로 구분하여 CAP, CFP 구간에서 데이터 전송을 수행하는 제 2 단계(ST2)와; 상기 제 2 단계 후 스케줄링에 의한 GTS(Guaranteed Time Slot) 할당으로 네트워크 유지 관리를 수행하는 제 3 단계(ST3);를 포함하여 수행하는 것을 특징한다.
도 2는 도 1에서 슈퍼프레임을 구성한 예를 보인 개념도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 단계에서 슈퍼프레임은, 비콘 프레임과; 상기 비콘 프레임 이후에 구성되고, 실시간 비주기성 데이터와 비실시간 메시지가 전송되도록 하는 CAP 프레임과; 상기 CAP 프레임 이후에 구성되고, GTS를 포함하며, 실시간 주기성 데이터가 전송되도록 하는 CFP 프레임;으로 구성된 것을 특징으로 한다.
도 3은 도 1에서 사용하는 IEEE 802.15.4 비콘 프레임의 구조를 보인 개념도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 비콘 프레임은, CAP와 CFP의 길이 정보, GTS를 할당받는 노드의 주소 정보를 포함한 정보가 포함된 것을 특징으로 한다.
상기 비콘 프레임은, 2바이트의 어드레스를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 비콘 프레임은, 3바이트 크기의 GTS 리스트를 구비한 것을 특징으로 한다.
도 4는 도 2에서 CAP와 CFP의 타이밍도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 CFP 프레임은, GTS로 설정할 수 있는 슬롯은 최대 7개로 설정한 것을 특징으로 한다.
상기 CAP 프레임은, CAP 구간에서 비주기 긴급 데이터 전송을 위한 구간과 비 실시간 메시지 전송 구간으로 나누어 사용되도록 구성된 것을 특징으로 한다,
도 7은 도 1에서 데이터 전송을 수행하는 제 2 단계의 상세흐름도이다.
이에 도시된 바와 같이, 비콘 프레임 전송 후 채널을 리스닝하여 그 동안 비주기 긴급 데이터 노드는 채널 접근을 시도하고 채널 접근에 성공한다면 데이터를 전송하고, 일정 시간 동안 채널에 접근하는 비주기 긴급 데이터 전송 노드가 없다 면 조정자 노드는 리스닝을 중단하고 네트워크의 유지 및 관리를 위한 메시지 데이터를 전송하고 수신하며, 비주기 긴급 데이터 전송이 실패할 경우에는 다음 슈퍼프레임의 CAP에서 다시 접근을 시도하는 것을 특징으로 한다.
도 8은 도 1에서 GTS 할당으로 네트워크 유지 관리를 수행하는 제 3 단계에서 수정된 GTS 요구 프레임의 구조도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 제 3 단계는, 삽입된 주기성 노드는 비콘 이후에 조정자에 의해 수정된 GTS 요구 프레임을 전송하도록 하고, 조정자 노드는 태스크 주기 결정과 GTS 할당을 점검하며, 재 스케줄링과 재 할당을 수행하며, 주기성 노드의 GTS 요구의 거절 처리를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 단계에서 태스크 주기 결정은,
Figure 112007013333701-pat00001
에 의해 수행하고, 여기서
Figure 112007013333701-pat00002
,
Figure 112007013333701-pat00003
,
Figure 112007013333701-pat00004
는 각각 슈퍼프레임 구간, I번째 태스크 구간, I번째 노드의 데드라인을 나타낸 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 단계에서 GTS 할당 점검은,
Figure 112007013333701-pat00005
에 의해 수행하고, 여기서 UGTS 는 GTS 이용(Utilization)을 나타낸 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 단계에서 조정자 노드는,
Figure 112007013333701-pat00006
이면, 재 스케줄링과 재 할당을 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 단계에서 조정자 노드는,
Figure 112007013333701-pat00007
이면, 주기성 노드의 GTS 요구의 거절 처리를 수행하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.
먼저 본 발명은 저속 근거리 무선 통신인 IEEE 802.15.4를 기반으로 하는 무선 필드버스를 제안한다. IEEE 802.15.4 는 센서를 통한 자료의 수집과 제어를 목적으로 제안된 무선 통신 기술이다. IEEE 802.15.4 는 전송속도는 느리지만 많은 수의 노드 구성이 가능하고, 각 노드 간에 매쉬 네트워크를 형성하여 넓은 통신 거리를 확보할 수 있다. 노드의 가격 또한 저렴하여 경제적이다. 이러한 장점은 무선 필드버스로 사용되기에 아주 적합하다. 따라서 IEEE 802.15.4 를 기반으로 하여 필드버스 프레임을 설계하고, 실시간 주기 데이터와 비주기 긴급 데이터의 실시간 전송과 비 실시간성 메시지의 전송방법을 제안한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법을 보인 흐름도이다.
그래서 CAP(contention access period), CFP(contention-free period), 비콘(Beacon)에 의한 활동 주기를 갖는 슈퍼프레임을 구성하여 무선 필드버스의 전송 프레임을 구성한다(ST1).
그리고 실시간 비주기성 데이터, 비실시간 메시지, 실시간 주기성 데이터로 데이터를 구분하고, 실시간 비주기성 데이터와 비실시간 메시지는 CAP 구간에서 전송하고 실시간 주기성 데이터는 CFP 구간에서 전송한다(ST2).
또한 스케줄링에 의한 GTS(guaranteed time slot) 할당으로 네트워크 유지 관리를 수행한다(ST3).
1. 무선 필드버스 프레임 구성
1-1. 슈퍼 프레임 구성
도 2는 도 1에서 슈퍼프레임을 구성한 예를 보인 개념도이다.
일반적으로 IEEE 802.15.4 의 슈퍼프레임은 전력 소모를 줄이기 위해 활동주기와 비 활동 주기로 나누어지게 된다. 활동 주기는 비콘 프레임 전송부터 CFP의 마지막 까지를 말하며, 비 활동 주기는 CFP 이후 다음 비콘 프레임 전송 전까지를 의미한다. 비활동 주기에서 모든 노드들은 수면상태로 들어가 전력소모를 줄이게 된다. 하지만 산업현장에서는 저 전력 보다는 자료의 실시간 전송이 더욱 중요하다. 따라서 비활동 주기가 없도록 도 2에서와 같이 슈퍼프레임을 구성하도록 한다.
조정자 노드는 비콘 프레임을 브로드캐스트 하면서 네트워크의 노드들을 동기화 하고, 슈퍼프레임을 구성한다. IEEE 802.15.4의 슈퍼프레임은 비콘 프레임, CAP(Contention Access Period), CFP(Contention Free Period) 등 크게 세 부분으로 구성된다. CFP는 최대 7개의 GTS(Guaranteed Time Slot)로 구성된다. CAP 구간에서는 실시간 비주기 데이터와 비 실시간 데이터 등이 전송되고, CFP 에서는 실시간 주기 데이터를 전송한다.
1-2. 비콘 프레임 설정
도 3은 도 1에서 사용하는 IEEE 802.15.4 비콘 프레임의 구조를 보인 개념도이다.
비콘 프레임에는 CAP와 CFP의 길이 등에 관한 정보와 GTS를 할당 받는 노드의 주소 등이 포함되어 있다. 도 3은 IEEE 802.15.4 비콘 프레임의 구조를 보여준다. 데이터 전송의 실시간성을 향상시키기 위해서는 전송 프레임의 오버헤드를 최소화 하여야 한다. 따라서 어드레스는 2바이트의 어드레스를 사용한다. payload, address list, GTS direction 은 사용하지 않는다. GTS 리스트는 3 Byte 의 크기로 GTS를 할당 받는 노드 하나를 표현하게 된다. 최대 7개의 GTS를 할당할 수 있으므로, GTS 리스트의 크기는 최대 21 Byte 이다. 이렇게 구성된 비콘 프레임의 크기는 최대 40 Byte의 크기를 가지게 되다.
1-3. Contention Free Period
IEEE 802.15.4 슈퍼프레임은 총 16개의 슬롯으로 이루어진다. 이중 CFP에서 GTS로 설정할 수 있는 슬롯은 최대 7개이다. 나머지 슬롯은 비콘 프레임과 CAP 구 간에 사용된다. GTS는 실시간 주기성 데이터를 전송하는 노드에게 할당된다. 비콘 프레임을 수신한 노드들은 GTS list 를 확인하여, 자신의 GTS에서 실시간 주기 데이터를 전송하게 된다. CFP에서 데이터를 전송하는 노드들은 자신의 GTS가 끝나기 전에 데이터를 전송과 IFS(Inter Frame Space)를 마쳐야 한다. IFS 의 크기는 전송 데이터의 길이가 24 Byte 이상일 경우 최소 20 Byte 이상이어야 하고, 24 Byte 이하일 경우 최소 6 Byte 이상이어야 한다. IEEE 802.15.4 의 데이터 프레임은 2 Byte의 어드레스와 PAN ID를 사용한다고 가정할 때 19 Byte의 오버헤드가 생기게 된다. 따라서 한 노드가 사용하는 GTS의 수는 5 Byte 이하의 데이터를 전송할 경우 하나의 GTS 로도 전송이 가능하지만, 5 Byte 이상일 경우 2개 이상의 GTS를 사용하여야 한다.
1-4. Contention Access Period
도 4는 도 2에서 CAP와 CFP의 타이밍도이다.
CAP는 비콘 프레임 전송 이후부터 CFP의 시작까지의 구간을 차지한다. CAP 구간에서는 비주기 긴급 데이터의 전송과 비 실시간 메시지의 전송이 이루어진다. 그 외에 조정자 노드가 네트워크를 구성하고, 노드의 추가 탈퇴 등을 확인하는데 사용하게 된다.
CAP 구간의 효율적인 사용을 위해서 비주기 긴급 데이터 전송을 위한 구간과 비 실시간 메시지 전송 구간으로 나누어 사용한다. 비콘 프레임 전송 후 조정자 노드는 일정시간 동안 채널을 감시 한다. 이 기간 동안 비주기 긴급 데이터 전송 노드들은 채널에 접근하여 자신들의 데이터를 전송한다. 만일 일정시간동안 비주기 긴급 데이터 전송 노드의 접근이 감지되지 않는다면, 조정자 노드는 채널 감시를 중단하고, CFP가 시작되기 전까지 네트워크의 관리를 위한 메시지 데이터를 전송한다.
2. 실시간 전송 방법과 네트워크의 관리
2-1. 실시간 전송
산업환경에서 발생하는 데이터는 실시간 주기 데이터가 대부분을 차지한다. 실시간 주기 데이터의 전송은 GTS에서 이루어지고 최대 GTS는 7개로 제한되어 있다. 따라서 제한된 시간에 최대한 많은 실시간 주기 데이터를 전송하기 위해서는 CFP에 GTS를 최대한 할당하면서 슈퍼 프레임의 크기는 최소화 하여야 한다. 슈퍼프레임의 크기를 최소로 했을 때, 그 길이는 480 Byte 이다. 한 슬롯의 길이는 30 Byte 이다. 그림 3. 은 250 kbps 의 전송속도에서 40 Byte의 비콘 프레임을 가질 경우 슈퍼프레임에서 각 구간들이 차지하는 시간을 나타내고 있다.
조정자 노드는 실시간 주기 데이터의 전송 주기를 기준으로 각 노드들을 스케줄링 한 후 스케줄링 결과에 따라 전송 노드들에게 GTS를 할당한다. 고려하여야 할 사항은 Beacon 과 CAP 구간의 영향으로 노드의 전송 주기는 수십 ms 이상이어야 원활한 전송이 가능하다.
비주기 긴급 데이터의 전송은 CAP 내에서 이루어진다. 비콘 프레임 전송 후 조정자 노드는 일정 시간 동안 채널을 리스닝 한다. 그 동안 비주기 긴급 데이터 노드는 채널 접근을 시도하고 채널 접근에 성공한다면 데이터를 전송하게 된다. 일 정 시간 동안 채널에 접근하는 비주기 긴급 데이터 전송 노드가 없다면 조정자 노드는 리스닝을 중단하고 네트워크의 유지 및 관리를 위한 메시지 데이터를 전송하고, 수신한다. 비주기 긴급 데이터 전송이 실패할 경우는 다른 비주기 긴급 데이터 전송 노드나 조정자 노드가 채널을 사용하고 있을 경우인데 이럴 경우 다음 슈퍼프레임의 CAP에서 다시 접근을 시도한다. 이럴 경우 지연시간은 최대 15.36ms 이다.
2-2. 3개의 데이터 형태의 전송방법
무선 필드버스의 목적은 스타형 토폴로지에 의해 구현될 수 있다. 3개 타입의 데이터(실시간 주기성 데이터, 실시간 비주기성 데이터, 비실시간 데이터)를 전송할 때, 실시간 주기성 데이터는 CFP에서 전송되도록 하고, 실시간 비주기성 데이터와 비실시간 데이터는 CAP에서 전송되도록 한다. 비활동 주기는 시간 지연을 제거하여 0으로 정의된다.
산업현장에서 발생하는 대부분의 데이터가 실시간성을 갖기 때문에 CFP로 할당될 수 있는 최대수인 7개의 슬롯은 CFP에 할당된다. 조정자(Coordinator)는 데이터 길이와 IFS(interframe space)를 모두 고려하여 노드의 GTS 할당 수를 결정하여야 한다. 만약 IEEE 802.15.4의 데이터 프레임 포맷이 알려지지 않은 모드로 전송된다면, GTS 할당 수는 다음의 수학식 1에 의해 계산된다.
Figure 112007013333701-pat00008
여기서 TNGT 는 GTS 할당수이고, TO 는 페이로드를 제외한 남은 프레임의 길이다. 또한 Td 는 전송된 데이터의 길이이고, Tslot 과 TBslot 은 각각 하나의 슬롯 구간과 베이스 슬롯 구간을 나타낸다. 수학식 1에서 2바이트의 어드레스 모드일 경우 데이터 크기는 5바이트 보다 작고, TNGT 는 Tslot 에 상관없이 1 값을 갖는다.
CAP는 슈퍼프레임의 절반 크기 이상을 차지한다. 그러므로 실시간 전송을 향상시키도록 CAP의 대역폭을 관리하는 것이 필요하다. CAP에서, 실시간 비주기성 데이터와 비실시간 메시지 데이터는 한 번에 전송될 수 있다.
도 5는 도 1에서 사용하는 CAP의 상세 타이밍도이다.
CAP는 비콘 프레임 이후에 시작되고, 비주기성 노드는 채널에 액세스하도록 즉각적으로 시도한다. 비주기성 노드는 채널을 계속적으로 액세스하여 도 5의 Case 1에서와 같이 CAP에서 남은 슬롯으로 전송에 필요한 슬롯수를 비교한다. 비실시간 메시지 노드는 도 5의 Case 2에서와 같이 오프셋 슬롯 이후에 채널을 액세스 할 수 있다. 오프셋 슬롯은 비주기성 노드가 채널을 액세스하도록 우선권을 부여할 수 있다. 비주기성 데이터와 비실시간 메시지 사이의 우선권은 상위 계층의 프로토콜에 의해 할당될 수 있다.
도 6은 도 1에서 조정자와 디바이스에서의 CAP, CFP, 비콘, GTS의 상태 천이도이다.
조정자는 디바이스와는 달리 대기(WAIT)와 GTS 할당 상태를 갖는다. 대기(WAIT) 상태 동안 조정자는 비주기성 데이터의 발생을 점검한다. 조정자는 GTS 할당 상태에서 실시간 주기성 데이터를 위한 GTS 리스트를 감지한다.
2-3. 네트워크의 관리
도 7은 도 1에서 데이터 전송을 수행하는 제 2 단계의 상세흐름도이다.
산업 환경의 특성상 무선 필드버스는 별도의 조작 없이 새로운 노드의 추가나 탈퇴가 가능하여야 한다. 새로운 노드가 추가된 경우 새롭게 추가되는 노드는 리스닝 상태를 유지하다가 조정자 노드의 비콘 프레임을 수신하면 조정자 노드에게 자신이 네트워크에 추가되었음을 GTS request 프레임을 이용하여 알린다. 프레임을 수신한 조정자 노드는 새로 가입된 노드의 정보를 추가하여 스케줄링 한 후 노드들에게 GTS를 할당한다.
노드의 고장 등의 이유로 노드가 네트워크에서 사라진 경우를 확인하기 위해 조정자 노드는 CAP 구간에서 비주기 긴급 데이터의 전송이 없을 때 네트워크의 노드들을 폴링한다. 만일 응답이 없는 노드가 발생하면 그 노드는 네트워크에서 사라진 것으로 판단하고 해당 노드의 정보를 지운 후 다시 스케줄링 하여 GTS를 할당한다.
또한 실시간 주기성 데이터의 전송을 위해서 각각의 노드는 조정자에 의한 데드라인을 통지한다.
도 8은 도 1에서 GTS 할당으로 네트워크 유지 관리를 수행하는 제 3 단계에서 수정된 GTS 요구 프레임의 구조도이다.
도 8에서와 같이 수정된 GTS 요구 프레임은 데드라인 정보를 위해 사용될 수 있다. 수정된 GTS 요구 프레임에서, 1바이트 데드라인 필드는 존재하는 GTS 요구 프레임에 추가된다. 데드라인 필드는 실시간 주기성 데이터의 데드라인 정보를 포함한다. 조정자는 어드레스와 주기성 노드의 네트라인을 포함한 GTS 할당 테이블을 가지고 있다. 이 테이블에 의해 조정자는 GTS를 주기성 노드에 할당한다.
실시간 실행은 기본 구간의 길이에 의존한다. 본 발명에서 슈퍼프레임 구간은 기본 구간으로 사용된다. 기본 구간은 주기성 노드의 스케줄링과 실시간 주기성 데이터의 태스크 구간 결정에 사용된다. GTS 할당을 위해서, 슈퍼프레임 구간의 다중화는 각 노드의 태스크 구간으로 결정된다. i번째 실시간 주기성 데이터의 태스크 구간은 다음의 수학식 2에 의해 계산된다.
Figure 112007013333701-pat00009
여기서
Figure 112007013333701-pat00010
,
Figure 112007013333701-pat00011
,
Figure 112007013333701-pat00012
는 각각 슈퍼프레임 구간, I번째 태스크 구간, I번째 노드의 데드라인을 나타낸다.
I번째 주기성 노드에서 사용가능한 GTS 수는 다음의 수학식 3에서와 같이 태 스크 구간 이내에서 사용할 수 있다.
Figure 112007013333701-pat00013
여기서
Figure 112007013333701-pat00014
는 I번째 노드의 사용가능한 GTS를 의미한다. 각 노드에서 사용가능한 GTS 수에 의해 GTS 할당은 다음의 수학식 4에 의해 점검될 수 있다.
Figure 112007013333701-pat00015
여기서 UGTS 는 GTS 이용(Utilization)을 나타낸다. 만약 수학식 4를 만족하지 못하면, GTS는 할당될 수 없다.
존재하는 네트워크에서 추가되는 새로운 주기성 노드의 경우에, GTS 할당 절차는 다음과 같다.
1) 삽입된 주기성 노드는 비콘 이후에 조정자에 의해 수정된 GTS 요구 프레임을 전송한다.
2) 조정자는 수학식 2에 의해 태스크 주기를 결정하고, 수학식 4에 의해 GTS 할당을 점검한다.
3)
Figure 112007013333701-pat00016
이면 조정자는 재 스케줄링과 재 할당을 수행한다.
4)
Figure 112007013333701-pat00017
이면 조정자는 주기성 노드의 GTS 요구를 거절한다.
주기성 노드는 EDF(Earliest Deadline First) 알고리즘에 의해 스케줄링될 수 있다. 비콘 프레임이 전송되기 전에, 조정자는 EDF 알고리즘에 의해 주기성 노드를 재 스케줄링하고, GTS를 주기성 노드에 할당한다. 주기성 노드의 전송 데이터를 GTS에 할당한 후, 다음의 슈퍼프레임의 새로운 HTS 정보를 얻기 위하여 할당된 GTS 정보를 제거한다.
3. 시뮬레이션
시뮬레이션을 위하여 다음의 가정을 사용하였다.
1) 멀티홉(multi-hop) 통신은 고려하지 않는다.
2) 2.4Ghz/250kbps에서 동작한다.
3) CFP에서, 실시간 주기성 데이터는 데이터 프레임 포맷으로 전송되고 알려지지 않은 모드를 사용한다.
4) 실시간 주기성 데이터의 길이는 5바이트 보다 작다.
첫 번째와 두 번째 가정은 전송 지연을 감소시키기 위하여 고려한 것이다. 세 번째와 네 번째 가정은 GTS를 주기성 노드에 할당하기 위하여 사용된다.
도 9는 본 발명에 대한 시뮬레이션 수행시 각 주기성 노드의 데드라인, 태스크 구간, 사용가능한 GTS를 보인 표이다.
그래서 시뮬레이션에서 네트워크는 도 9에서 실시간 주기성 데이터를 위한 10개의 노드로 구성된다. 도 9에서 각 노드의 TD, TTP, TUGT 를 기재하고 있다. TTP와 TUGT 는 각각 수학식 2와 수학식 3에 의해 획득할 수 있다. 수학식 4에 의해 UGTS 는 다음의 수학식 5와 같이 획득할 수 있다.
Figure 112007013333701-pat00018
0.71
따라서 GTS는 주기성 노드에 할당될 수 있다.
도 10은 도 9에 의한 GTS 할당 결과를 보인 표이다.
그래서 도 10에서는 연속적인 여섯 개의 슈퍼프레임을 보여주고 있다. CFP 노드 수는 도 9의 표에서 보여주고 있다. 빈 GTS는 조정자에 의해 네트워크 관리를 위해 할당된다.
비주기성 데이터는 오프셋 슬롯에 의한 지연 시간을 이용하여 비실시간 메시지 보다 우선권을 획득할 수 있다.
도 11은 도 9에 대해 패킷 분석기를 사용한 시뮬레이션 결과를 보인 도면이다.
만약 오프셋 슬롯이 '3 x UnitBackoffSlot'의 크기로 결정되는 경우, 도 11은 비주기성 데이터와 비실시간 메시지의 액세스 결과를 보여준다. 10,000개의 패킷을 분석함으로서, 비주기성 패킷과 비실시간 메시지 패킷은 수가는 각각 6856개와 3144개로 추정되었다.
4. 결론
본 발명에서는 IEEE 802.15.4의 슈퍼프레임을 이용하여 무선 필드버스를 제안하였다. 제안된 무선 필드버스는 실시간 주기 데이터, 비주기 긴급 데이터, 비실시간 메시지 데이터와 같은 세 가지 형태의 실시간 전송을 보장한다. 또한 제안된 무선 필드버스는 많은 수의 노드로 네트워크를 구성할 수 있다. 실제 산업현장에서는 많은 수의 노드가 필요하다. 제안된 무선 필드버스는 2 Byte의 어드레스를 사용할 경우 하나의 조정자 노드가 200여개의 노드를 관리할 수 있다. 따라서 많은 수의 노드가 필요하면서 전송 주기가 수십 ms 이상인 산업현장에서는 제안된 무선 필드버스가 유용하게 사용될 수 있다.
하지만 수 ms 이내의 짧은 응답시간을 요구하는 시스템에서는 IEEE 802.15.4 기반의 무선 필드 버스를 사용할 수 없다. 250 kbps 의 전송 속도를 가진 IEEE 802.15.4 에서는 수 ms 이내의 전송이 사실상 불가능 하다. 이러한 경우 더욱 고속의 프로토콜을 사용하여야 한다.
본 발명의 일 실시예에서는 하나의 조정자 노드만을 사용한 경우를 설명하고 있다. IEEE 802.15.4b에서는 다수의 조정자 노드가 서로 영향을 끼치지 않으면서 비콘 프레임을 전송하는 방법이 제시되었다. 이를 이용하여 다수의 조정자 노드를 위치시킬 수 있으며, 더욱 많은 노드들로 네트워크를 구성할 수 있을 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법은 IEEE 802.15.4 를 기반으로 하여 필드버스 프레임을 설계하고, 실시간 주기 데이터와 비주기 긴급 데이터의 실시간 전송과 비 실시간성 메시지의 전송방법을 제안할 수 있는 효과가 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.

Claims (13)

  1. CAP, CFP, 비콘에 의한 활동 주기를 갖는 슈퍼프레임을 구성하여 무선 필드버스의 전송프레임을 구성하는 제 1 단계와;
    상기 제 1 단계 후 실시간 비주기성 데이터, 비실시간 메시지, 실시간 주기성 데이터로 구분하여 CAP, CFP 구간에서 데이터 전송을 수행하는 제 2 단계와;
    상기 제 2 단계 후 스케줄링에 의한 GTS 할당으로 네트워크 유지 관리를 수행하는 제 3 단계;
    를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 단계에서 슈퍼프레임은,
    비콘 프레임과;
    상기 비콘 프레임 이후에 구성되고, 실시간 비주기성 데이터와 비실시간 메시지가 전송되도록 하는 CAP 프레임과;
    상기 CAP 프레임 이후에 구성되고, GTS를 포함하며, 실시간 주기성 데이터가 전송되도록 하는 CFP 프레임;
    으로 구성된 것을 특징으로 하는 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 비콘 프레임은,
    CAP와 CFP의 길이 정보, GTS를 할당받는 노드의 주소 정보를 포함한 정보가 포함된 것을 특징으로 하는 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 비콘 프레임은,
    2바이트의 어드레스를 사용하는 것을 특징으로 하는 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 비콘 프레임은,
    3바이트 크기의 GTS 리스트를 구비한 것을 특징으로 하는 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 CFP 프레임은,
    GTS로 설정할 수 있는 슬롯은 최대 7개로 설정한 것을 특징으로 하는 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 CAP 프레임은,
    CAP 구간에서 비주기 긴급 데이터 전송을 위한 구간과 비 실시간 메시지 전송 구간으로 나누어 사용되도록 구성된 것을 특징으로 하는 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 단계는,
    비콘 프레임 전송 후 채널을 리스닝하여 그 동안 비주기 긴급 데이터 노드는 채널 접근을 시도하고 채널 접근에 성공한다면 데이터를 전송하고, 일정 시간 동안 채널에 접근하는 비주기 긴급 데이터 전송 노드가 없다면 조정자 노드는 리스닝을 중단하고 네트워크의 유지 및 관리를 위한 메시지 데이터를 전송하고 수신하며, 비주기 긴급 데이터 전송이 실패할 경우에는 다음 슈퍼프레임의 CAP에서 다시 접근을 시도하는 것을 특징으로 하는 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제 3 단계는,
    삽입된 주기성 노드는 비콘 이후에 조정자에 의해 수정된 GTS 요구 프레임을 전송하도록 하고, 조정자 노드는 태스크 주기 결정과 GTS 할당을 점검하며, 재 스케줄링과 재 할당을 수행하며, 주기성 노드의 GTS 요구의 거절 처리를 수행하는 것 을 특징으로 하는 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 3 단계에서 태스크 주기 결정은,
    Figure 112007013333701-pat00019
    에 의해 수행하고, 여기서
    Figure 112007013333701-pat00020
    ,
    Figure 112007013333701-pat00021
    ,
    Figure 112007013333701-pat00022
    는 각각 슈퍼프레임 구간, I번째 태스크 구간, I번째 노드의 데드라인을 나타낸 것을 특징으로 하는 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 3 단계에서 GTS 할당 점검은,
    Figure 112007013333701-pat00023
    에 의해 수행하고, 여기서 UGTS 는 GTS 이용을 나타낸 것을 특징으로 하는 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 3 단계에서 조정자 노드는,
    Figure 112007013333701-pat00024
    이면, 재 스케줄링과 재 할당을 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 3 단계에서 조정자 노드는,
    Figure 112007013333701-pat00025
    이면, 주기성 노드의 GTS 요구의 거절 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 필드버스를 이용한 실시간 전송 방법.
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