KR100904342B1 - Method for protecting slots and expecting performance measures in unslotted CSMA/CA network - Google Patents

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Abstract

본 발명은 IEEE 802.15.4의 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA 방식으로 네트워크 구성 시에 각 디바이스의 ACK 보호 방법 및 성능척도를 예측하는 방법에 관한 것으로서, 디바이스의 CCA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 시간인 전환시간보다 길게 설계하여 ACK를 보호하고, 이러한 네트워크 환경에서 최적의 디바이스 개수 및 배터리 수명을 예측하는 특징을 가진다. IEEE 802.15.4의 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA 방식으로 네트워크 구성 시에 각 디바이스의 ACK를 보호하는 방법에 있어서, 상기 디바이스의 CCA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 시간인 전환시간보다 길게 설계하여 각 디바이스간 패킷 충돌을 방지함을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 성능척도 예측방법은, 상기 디바이스의 CCA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 시간인 전환시간보다 길게 설계한 네트워크에서 구조에서 이용되는 패킷이 λ 레이트(rate)를 가지는 포아송(possion) 과정을 통해 생성되는 제1과정과, 상기 디바이스가 CCA 수행후 패킷전송성공 확률 α, 백오프 시간 주기(backoff time period)인 예상 딜레이 E[D], 패킷손실확률 Ploss를 산출하는 제2과정과, 상기 패킷전송성공 확률 α, 예상 딜레이 E[D], 패킷손실확률 Ploss 를 고려하여 최적의 네트워크 구성을 이루는 디바이스의 개수를 산출하는 제3과정을 포함한다.The present invention relates to a method for predicting ACK protection and a performance measure of each device in a network configuration using an unslotted CSMA / CA scheme of IEEE 802.15.4. It is designed to protect the ACK by designing longer than the switching time, which is the time until transmission, and predicts the optimal number of devices and battery life in such a network environment. A method for protecting an ACK of each device in a network configuration using an unslotted CSMA / CA scheme of IEEE 802.15.4, wherein the CCA execution time of the device is less than the switching time, which is a time from data reception to ACK transmission. The long design prevents packet collisions between devices. In addition, the performance scale prediction method of the present invention is that the packet used in the structure of the network in which the CCA execution time of the device is longer than the switching time, which is the time from data reception to ACK transmission, the Poisson (λ) rate (rate) a first process generated through a process, and a process of calculating a packet transmission probability α, a backoff time period, an expected delay E [D], and a packet loss probability P loss after the device performs CCA. And a third step of calculating the number of devices constituting an optimal network in consideration of the packet transmission probability α, the expected delay E [D], and the packet loss probability P loss .

IEEE 802.15.4, 슬롯, 비슬롯, beacon, non-beacon, WPAN IEEE 802.15.4, slot, nonslot, beacon, non-beacon, WPAN

Description

비슬롯 기반 CSMA/CA 네트워크 구성에서의 ACK 보호 방법 및 성능척도 예측방법{Method for protecting slots and expecting performance measures in unslotted CSMA/CA network} Method for protecting slots and expecting performance measures in unslotted CSMA / CA network

도 1은 종래의 동작 타이밍도로서 각 디바이스간의 충돌 모습을 도시한 그림이다.1 is a diagram showing a conventional operation timing diagram showing a collision state between devices.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 IEEE 802.15.4에서 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA 방식에서 ACK를 보호하기 위한 CCA의 설계 모습을 도시한 타이밍도이다.2 is a timing diagram illustrating a design of a CCA for protecting an ACK in an unslotted CSMA / CA scheme in IEEE 802.15.4 according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 각 디바이스의 CCA 수행 모습과 채널 점유 모습을 도시한 그림이다.3 is a diagram illustrating a CCA performance and channel occupancy of each device according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA 방식에서 CCA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 전환시간보다 길게 설계할 때, 네트워크 상의 최적의 디바이스 개수 및 배터리 수명 예측 등의 성능척도를 산출하는 과정을 도시한 플로차트이다.4 is a diagram illustrating an optimal number of devices and a battery life in a network when a CCA execution time is designed to be longer than a switching time from data reception to ACK transmission in an unslotted CSMA / CA scheme according to an embodiment of the present invention. It is a flowchart showing the process of calculating the performance measure such as.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 백오프 카운트 수행 후 사이클 주기로 전송이 이루어지는 모습을 도시한 그림이다.5 is a diagram illustrating a transmission in a cycle period after performing a backoff count according to an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연산결과 및 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.6 is a graph showing a calculation result and a simulation result according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 IEEE 802.15.4의 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA 방식으로 네트워크 구성 시에 각 디바이스의 ACK 보호 방법 및 성능척도를 예측하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for predicting ACK protection and a performance measure of each device in a network configuration using an unslotted CSMA / CA scheme of IEEE 802.15.4.

IEEE 802.15.4 기술표준은 시장에서 입지를 다투고 있는 Bluetooth, Wi-Fi 등의 여러 무선 네트워킹 표준들과 비교할 때 기술개발과 시장형성 과정에서의 빠른 성장을 보이고 있다. 지그비(Zigbee) 등과 같은 저속 무선 단거리 네트워크(LR-WPAN;Low Rate - Wireless Personal Area Networks)에서의 ISO 레이어는 , 물리PHY 계층, 매체접근제어MAC계층, 그 상위 계층으로 네트워크(NWK)계층, 응용지원(APS)계층, 보안(Security) 및 응용(APL) 계층으로 이루어지는데, 이 중에서, IEEE 802.15.4 기술표준은 PHY계층과 MAC계층을 다룬다.The IEEE 802.15.4 technology standard is showing rapid growth in technology development and market formation compared to other wireless networking standards such as Bluetooth, Wi-Fi, etc., which are struggling in the market. The ISO layer in Low Rate-Wireless Personal Area Networks (LR-WPAN), such as Zigbee, is a physical PHY layer, a medium access control MAC layer, and an upper layer of the network (NWK) layer, applications. It consists of the support (APS) layer, security and application (APL) layer, among which the IEEE 802.15.4 technical standard deals with the PHY layer and the MAC layer.

결국, IEEE 802.15.4 기술표준은 물리 계층인 PHY계층과 데이터의 충돌방지 기술이 적용된 MAC계층을 처리하는데 있어서, 저복잡성, 저전력, 저속 무선 데이터 연결을 지향한 저속 무선 단거리 네트워크(LR-WPAN)의 표준기술이 된다.As a result, the IEEE 802.15.4 technical standard is a low-speed wireless short-range network (LR-WPAN) for low complexity, low power, low speed wireless data connection in processing the physical layer PHY layer and data collision prevention technology MAC layer It becomes standard technology of.

상기와 같이 LR-WPAN의 기본 규약은 IEEE 802.15.4에서 정의된 표준을 따르 며 IEEE 802.11 및 IEEE 802.15.3 기반 무선 네트워크와 마찬가지로 채널 할당에 CSMA/CA 방식을 사용한다. 상기 CSMA/CA 알고리즘의 동작 개념은 프레임 사이의 시간을 정의한 IFS(Inter-Frame-Space)라는 것을 두는 것이다. 즉, MAC은 PHY로 부터 받은 데이터를 처리하기 위해 IFS라는 기간을 둔다. 이 IFS는 데이터의 길이에 따라 SIFS(Short IFS)와 LIFS(Long IFS)로 나눈다As described above, the basic protocol of LR-WPAN follows the standard defined in IEEE 802.15.4 and uses the CSMA / CA scheme for channel allocation as in IEEE 802.11 and IEEE 802.15.3 based wireless networks. The operation concept of the CSMA / CA algorithm is that IFS (Inter-Frame-Space) that defines the time between frames. In other words, MAC has a period of IFS for processing data received from PHY. This IFS is divided into SIFS (Short IFS) and LIFS (Long IFS) depending on the length of the data.

상기 CSMA/CA 방식은, 슬롯의 사용 여부에 따라 두 가지로 나눈다. 슬롯기반(slotted) CSMA/CA를 사용하는 '비컨(beacon) 모드와, 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA를 사용하는 비컨불능(non-beacon) 모드로 구분된다.The CSMA / CA scheme is divided into two types depending on whether slots are used. It is divided into a 'beacon mode' using a slotted CSMA / CA and a non-beacon mode using an unslotted CSMA / CA.

슬롯기반(slotted) CSMA/CA는 백오프 슬롯(backoff slot)을 비컨 프레임 전송과 동시에 할당받는 방식으로 비컨 가능 네트워크에서 사용한다. 데이터를 전송하기 전에 디바이스는 동기화된 백오프 슬롯(backoff slot)을 기반으로 하는 임의의 횟수(Random number)를 대기하며, 채널이 비지(busy) 상태일 때 디바이스는 임의 횟수의 백오프 슬롯(backoff slot)을 기다리는 방식이다. 여기서 CCA(Clear Channel Assessment)의 실행은 ACK 패킷을 보호하기 위해 필요로 한다.Slotted CSMA / CA is used in a beacon capable network in such a way that a backoff slot is allocated at the same time as the beacon frame transmission. Before sending data, the device waits for a random number based on synchronized backoff slots, and when the channel is busy, the device waits for any number of backoff slots. waiting for a slot). Here, the execution of the Clear Channel Assessment (CCA) is required to protect the ACK packet.

이에 반하여, 상기 슬롯기반 CSMA/CA의 비컨(beacon) 모드와 다르게, 비슬롯 기반 CSMA/CA의 비컨불능(non-beacon) 모드의 경우 백오프(backoff) 슬롯의 단위 시간(unit time)이 동기화되지 않아 다음과 같은 문제가 발생한다. In contrast, unlike the beacon mode of the slot-based CSMA / CA, the unit time of the backoff slot is synchronized in the non-beacon mode of the non-slot-based CSMA / CA. The following problems occur.

즉, 도 1에 도시한 바와 같이, CCA(Clear Channel Assessment) 수행시간(implementation time;TccA)이 데이터의 수신 상태에서 ACK(액크) 전 송(transmission)상태로의 전환시간(turnaround time)보다 짧다. 따라서 제1디바이스(11)가 데이터 전송을 끝내고 PAN 코디네이터(coordinator)로부터의 ACK를 기다리는 동안, 다른 디바이스(12;제2디바이스)가 CCA를 하게 되면 제1디바이스가 통신 중임을 감지하지 못하게 되므로 CCA를 끝낸 후 바로 데이터를 전송하게 되고 이는 곧 제1디바이스(11)를 위한 ACK와의 충돌(collision)로 이어지며 결국 제1디바이스(11), 제2디바이스(12) 모두 데이터 전송에 실패하게 되는 문제가 발생한다.That is, as shown in FIG. 1, the Clear Channel Assessment (CCA) implementation time (T ccA ) is less than the turnaround time from the data reception state to the ACK (acknowledgement) transmission state. short. Therefore, while the first device 11 finishes the data transmission and waits for the ACK from the PAN coordinator, when the other device 12 (the second device) performs the CCA, the first device does not detect that it is in communication. Immediately after the data is transmitted, this leads to a collision with the ACK for the first device 11 and eventually causes both the first device 11 and the second device 12 to fail to transmit data. Occurs.

상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 안출된 것으로서, IEE802.15.4의 비슬롯 기반(비콘불능 모드) CSMA/CA에서의 ACK 보호 방안을 제안한다. 또한, 최적의 네트워크를 구성하기 위한 디바이스의 개수를 산출하는 방안 및 상기 디바이스의 배터리 수명을 예측하는 방안을 제시한다. In order to solve the above problems, the present invention proposes an ACK protection scheme in the non-slot-based (non-beacon mode) CSMA / CA of IEE802.15.4. In addition, a method of calculating the number of devices for configuring an optimal network and a method of predicting battery life of the device are presented.

본 발명의 ACK 보호 방법은, IEEE 802.15.4의 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA 방식으로 네트워크 구성 시에 각 디바이스의 성능척도를 예측하는 방법에 있어서, 상기 디바이스의 CCA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 시간인 전환시간보다 길게 설계하여 각 디바이스간 패킷 충돌을 방지함을 특징으로 한다. 또한, 상기 디바이스는, 채널 비지(busy)로 인해 실패(fail)로 되는 CCA 수행 횟수가 'CCA 수행 최대값+1'의 횟수로 될 때 생성된 패킷을 폐기한다. The ACK protection method of the present invention is a method for estimating the performance measure of each device in a network configuration using an unslotted CSMA / CA scheme of IEEE 802.15.4, wherein the CCA execution time of the device is determined from data reception. It is designed to be longer than the switching time, which is the time until ACK transmission, characterized in that it prevents packet collision between devices. In addition, the device discards the generated packet when the number of CCA executions that fail due to channel busy becomes the number of 'CCA execution maximum value +1'.

또한, IEEE 802.15.4의 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA 방식으로 네트워크 구성 시에 각 디바이스의 성능척도를 예측하는 방법에 있어서, 본 발명의 성능척도 예측방법은, 상기 디바이스의 CCA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 시간인 전환시간보다 길게 설계한 네트워크에서 구조에서 이용되는 패킷이 λ 레이트(rate)를 가지는 포아송(poisson) 과정을 통해 생성되는 제1과정과, 상기 디바이스가 CCA 수행후 패킷전송성공 확률 α, 백오프 시간 주기(backoff time period)인 예상 딜레이 E[D], 패킷손실확률 Ploss를 산출하는 제2과정과, 상기 패킷전송성공 확률 α, 예상 딜레이 E[D], 패킷손실확률 Ploss 를 고려하여 최적의 네트워크 구성을 이루는 디바이스의 개수를 산출하는 제3과정을 포함한다.In addition, in the method of predicting the performance measure of each device in the network configuration by the unslotted CSMA / CA scheme of IEEE 802.15.4, the performance measure prediction method of the present invention, the CCA execution time of the device In the network designed to be longer than the switching time, which is the time from data reception to ACK transmission, a first process in which a packet used in a structure is generated through a Poisson process having a λ rate, and after the device performs CCA A second step of calculating a packet transmission probability α, an expected delay E [D] having a backoff time period, a packet loss probability P loss , the packet transmission probability α, an expected delay E [D], And a third process of calculating the number of devices constituting an optimal network in consideration of the packet loss probability P loss .

상기 패킷전송성공 확률 α는, 제1항에 있어서, TCCA는 CCA 수행시간, TTX는 패킷 전송시간, TACK는 ACK 전송시간, Ploss는 패킷손실확률, E[D]는 백오프 시간 주기(backoff time period)인 예상 딜레이(delay)라 할 때,

Figure 112007055345137-pat00001
에 의해 산출된다.The packet transmission probability α is according to claim 1, wherein T CCA is CCA execution time, T TX is packet transmission time, T ACK is ACK transmission time, P loss is packet loss probability, and E [D] is backoff time. Given an expected delay, which is a backoff time period,
Figure 112007055345137-pat00001
Calculated by

상기 예상 딜레이 E[D]는, M은 백오프 수행 최대값(디폴트로서 4), TCCA는 CCA 수행시간, σ는 백오프 슬롯의 길이를 나타내고, Wj 는 min{2jWmin, Wmax}를 나타 내고 이때 Wmin=2BEmin, Wmax=2BEmax를 나타내며 상기 BEmin, BEmax는 최소 백오프 지수(macMinBE)와 최대 백오프 지수(macMaxBE)를 각각 나타낼 때,

Figure 112007055345137-pat00002
The expected delay E [D] is M, the maximum value of the backoff performance (4 as a default), T CCA is the CCA execution time, σ is the length of the backoff slot, and Wj is min {2 j W min , W max } Where W min = 2 BEmin , W max = 2 BEmax , and BE min and BE max represent the minimum backoff index (macMinBE) and the maximum backoff index (macMaxBE), respectively.
Figure 112007055345137-pat00002

Figure 112007055345137-pat00003
Figure 112007055345137-pat00003

에 의해 산출된다.Calculated by

상기 패킷손실확률 Ploss 는, M은 백오프 수행 최대값(디폴트로서 4)이라 할 때 M+1 지점에서 CCA 시도 실패가 이루어진다 할 때,

Figure 112007055345137-pat00004
에 의해 산출된다.The packet loss probability P loss When M is the backoff performance maximum value (4 as the default), when a CCA attempt fails at the point M + 1,
Figure 112007055345137-pat00004
Calculated by

또한, 상기 제3과정은, λ 레이트(rate)를 갖는 포아송(poisson) 과정을 통해 패킷을 생성할 시에 상기 λ 레이트(rate)별로 디바이스 개수에 따른 각각의 패킷전송성공 확률 α, 예상 딜레이 E[D], 패킷손실확률 Ploss 를 산출한 후, 네트워크 구성 환경에 부합하는 디바이스 개수를 선택함을 특징으로 한다.Further, in the third process, when generating a packet through a Poisson process having a λ rate, each packet transmission success probability α according to the number of devices for each λ rate, and an expected delay E [D], after calculating the packet loss probability P loss , the device number corresponding to the network configuration environment is selected.

또한, 본 발명의 상기 성능척도 예측 방법은, 전송할 시에 단위시간당 에너지 소비량(ETX), 수신할 시에 단위시간당 에너지 소비량(ERX), CCA 수행할 시에 단위 시간당 에너지 소비량(ECCA), 아이들(idle) 상태에서의 단위시간당 에너지 소비량(Eidle)과 각각의 동작 시간을 고려하여 하나의 디바이스에서의 단위시간당 에너지 소비량을 산출하는 제4과정과, 상기 디바이스의 배터리의 에너지량을 상기 단위시간당 에너지 소비량으로 나눔으로써 배터리 수명 시간을 산출하는 제5과정을 더 포함한다.In addition, the performance measure prediction method of the present invention, the energy consumption per unit time (E TX ) when transmitting, the energy consumption per unit time (E RX ) when receiving, the energy consumption per unit time (E CCA ) when performing CCA The fourth step of calculating the energy consumption per unit time in one device in consideration of the energy consumption per unit time (E idle ) and each operation time in the idle state, and the energy amount of the battery of the device The method may further include a fifth process of calculating the battery life time by dividing by the energy consumption per unit time.

상기 단위시간당 에너지 소비량은, ETX, ERX, ECCA, Eidle은 전송(TX), 수신(RX), CCA, idle이 이루어질 때 필요로 하는 단위시간당(밀리세커드당) 에너지 소비량이고, TCCA는 CCA 수행시간, TTX는 패킷 전송시간, TACK는 ACK 전송시간, E[D]는 백오프 시간 주기(backoff time period)인 예상 딜레이(delay), NCCA는 성공적인 전송이나 손실이 있을 때까지의 CCA의 평균 개수를 나타낸다 할 때, The energy consumption per unit time, E TX , E RX , E CCA , E idle is the energy consumption per unit time (per millisecond) required when transmitting (TX), receiving (RX), CCA, idle, T CCA is the CCA execution time, T TX is the packet transmission time, T ACK is ACK transmission time, E [D] is the estimated delay (delay) back-off time period (backoff time period), N CCA is successful transmission or loss When we show the mean number of CCA until there is

Figure 112007055345137-pat00005
Figure 112007055345137-pat00005

Figure 112007055345137-pat00006
Figure 112007055345137-pat00006

에 의해 산출된다. Calculated by

상기 NCCA는, M은 백오프 수행 최대값(디폴트로서 4)이라 할 때 M+1 지점에서 CCA 시도 실패가 이루어진다 할 때,

Figure 112007055345137-pat00007
에 의해 산출된다.When N CCA is a maximum value of M performed backoff (4 as a default), when a CCA attempt fails at M + 1,
Figure 112007055345137-pat00007
Calculated by

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. Hereinafter, the detailed description of the preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description of the reference numerals to the components of the drawings it should be noted that the same reference numerals as possible even if displayed on different drawings.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 IEEE 802.15.4에서 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA 방식에서 ACK를 보호하기 위한 CCA의 설계 모습을 도시한 타이밍도이다.2 is a timing diagram illustrating a design of a CCA for protecting an ACK in an unslotted CSMA / CA scheme in IEEE 802.15.4 according to an embodiment of the present invention.

일반적으로 데이터 수신 상태에서 ACK 전송 상태로의 간격인 전환시간(turnaround time)은 220[usec]이고, CCA 수행시간(TccA)은 128[usec]로 알려져 있다. 상기와 같이 CCA 수행시간(TccA)이 전환시간보다 짧기 때문에 디바이스 간에 데이터 충돌이 발생되어 데이터 전송 실패가 발생할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이 제1디바이스의 전환시간 동안 제2디바이스가 CCA를 수행한다면, 제2디바이스는 제1디바이스가 통신 중임을 감지하지 못하여 채널 아이들(idle) 상태로 감지하게 되고 이로 인해 CCA를 끝낸 후 바로 자신의 데이터 패킷을 전송한다. 이는 곧 제1디바이스의 ACK와의 충돌로 이어지며 결국 제1디바이스, 제2디바이 스 모두 데이터 전송에 실패하게 된다.In general, a turnaround time, which is an interval from a data reception state to an ACK transmission state, is 220 [usec], and a CCA execution time T ccA is known as 128 [usec]. As described above, since the CCA execution time T ccA is shorter than the switching time, data collision may occur between devices, thereby causing data transmission failure. For example, as shown in FIG. 1, if the second device performs CCA during the switching time of the first device, the second device does not detect that the first device is in communication and thus detects the channel idle state. As a result, it sends its own data packet immediately after the CCA. This leads to a collision with the ACK of the first device, and eventually, both the first device and the second device fail to transmit data.

이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명은, CCA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 시간인 전환시간보다 길게 설계한다. 따라서 특정 디바이스의 전환시간 동안 CCA를 수행하는 다른 디바이스가 채널 비지(busy)를 감지할 수 있게 되어 다른 디바이스의 데이터 전송을 늦춤으로써, 결과적으로 디바이스 간에 데이터 충돌이 일어나지 않도록 한다. 본 발명의 실시 예인 도 2를 참조하면, 제1디바이스(11)의 전환시간 동안에 제2디바이스(12)가 CCA를 수행한다 하더라도, 제2디바이스(12)의 CCA 수행 시간이 제1디바이스(11)의 전환시간보다 길기 때문에 제2디바이스(12)는 제1디바이스(11)의 ACK로 인한 채널 비지(busy)를 감지하게 되어, 자신의 데이터 패킷 전송을 늦추게 되어 제1디바이스(11)와 제2디바이스(12) 간의 데이터 충돌을 예방할 수 있게 된다. In order to solve this problem, the present invention is designed to make the CCA execution time longer than the switching time which is the time from data reception to ACK transmission. Therefore, other devices performing CCA during the switching time of a specific device can detect the channel busy (busy) to slow down the data transmission of the other device, so that no data collision occurs between the devices. 2, even when the second device 12 performs the CCA during the switching time of the first device 11, the CCA execution time of the second device 12 is the first device 11. Since the second device 12 detects the channel busy due to the ACK of the first device 11, the second device 12 delays the transmission of its data packet so that the second device 12 Data collision between the second devices 12 can be prevented.

상기와 같이 CA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 시간인 전환시간보다 길게 설계한 구조에서, 제1디바이스(11)는 CCA 수행시간 TCCA동안 아이들 채널을 감지하면 패킷을 성공적으로 전송한다. 다른 제2디바이스(12)는 생성된 패킷을 전송하기 위하여 CCA 수행할 때, 제1디바이스(11)의 패킷 전송으로 인한 비지 채널을 감지하게 되고 이때 백오프 지수를 증가시키고 랜덤 백오프를 반복한다. 제2디바이스는(12)는 상기 CCA 시도가 M+1 실패(fail)로 이루어진다면 상기 생성된 패킷을 폐기하여 손실시킨다. 상기에서 M은 CCA 수행 최대값(macMaxCSMABackoffs)으로서 디폴트(default)로서 4의 값을 가진다.In the structure in which the CA execution time is longer than the switching time, which is the time from data reception to ACK transmission, as described above, when the idle device detects an idle channel during CCA execution time T CCA , the first device 11 successfully transmits a packet. When the second device 12 performs CCA to transmit the generated packet, the second device 12 detects a busy channel due to the packet transmission of the first device 11 and increases the backoff index and repeats the random backoff. . The second device 12 discards and discards the generated packet if the CCA attempt is made with M + 1 failure. In the above, M has a value of 4 as a default value as the CCA performance maximum value (macMaxCSMABackoffs).

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 IEEE 802.15.4에서 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA 방식으로 동작할 때의 각 디바이스의 타이밍도이다.3 is a timing diagram of each device when operating in an unslotted CSMA / CA scheme in IEEE 802.15.4 according to an embodiment of the present invention.

CCA 수행 동안 채널이 아이들(idle)이 될 때, 제1디바이스(11)는 자신이 생성한 패킷을 즉각 전송한다. 그런데, 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA에서는 백오프 슬롯 단위 시간이 동기화되어 있지 않기 때문에, 도 3과 같이 다른 제2디바이스(12) 또는 제3디바이스(13)가 제1디바이스(11)의 패킷 전송 중에 CCA를 시도하는 경우가 발생할 수 있다. When the channel becomes idle during CCA, the first device 11 immediately transmits the packet generated by itself. However, in the unslotted CSMA / CA, since the backoff slot unit time is not synchronized, as shown in FIG. 3, the other second device 12 or the third device 13 is connected to the first device 11. Attempting CCA during packet transmission may occur.

즉, 도 3과 같이 3개의 디바이스(11,12,13)가 있다고 가정할 경우, 제1디바이스(11)는 패킷을 전송하기 전에 CCA를 수행하고 CCA 수행 시간 동안 아이들 채널을 감지하면 패킷을 전송한다. 이때 제2디바이스(12)가 CCA를 수행할 때 비지 채널을 감지하고 백오프 지수를 증가시켜 랜덤 백오프를 반복한다. 또한, 제3디바이스(13)가 CCA를 수행하게 되면, 제1디바이스의 ACK 전송으로 인해 비지(busy) 상태의 채널을 감지한다. 결국, CCA 수행시간 동안 채널이 아이들(idle) 상태라면 패킷 전송은 항상 성공하게 된다.That is, if there are three devices 11, 12, and 13 as shown in FIG. 3, the first device 11 performs a CCA before transmitting the packet and transmits the packet when the idle channel is detected during the CCA execution time. do. At this time, when the second device 12 performs CCA, the busy device detects the busy channel and increases the backoff index to repeat the random backoff. In addition, when the third device 13 performs the CCA, the busy device detects a busy channel due to the ACK transmission of the first device. As a result, if the channel is idle during the CCA execution time, the packet transmission is always successful.

비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA는 모든 디바이스의 백오프 슬롯 단위 시간은 비동기화되기 때문에, 하나의 디바이스를 위한 백오프 슬롯 단위 시간은 네트워크 상에서의 다른 디바이스의 백오프 슬롯 단위 시간과 동기화되지 못한다. 비슬롯 기반 CSMA/CA 알고리즘은 다음과 같다. 디바이스는 매번마다 전송할 패킷을 생성하 는데, 0에서 2BE - 1(BE는 백오프 지수를 나타냄)의 범위에서 백오프 카운터로 불리는 백오프 슬롯의 랜덤 번호를 기다린다. 상기 BE는 백오프 지수를 나타내는 것으로서, macMinBE(디폴트 값 '3')으로 초기화된다. Because unslotted CSMA / CA is asynchronous with backoff slot time of all devices, the backoff slot time for one device is not synchronized with the backoff slot time of another device on the network. . The nonslot based CSMA / CA algorithm is as follows. The device generates a packet to send each time, waiting for a random number of backoff slots, called backoff counters, in the range of 0 to 2 BE -1, where BE represents the backoff exponent. The BE represents a backoff index and is initialized to macMinBE (default '3').

상기 백오프 카운터는 채널 상태와 상관없이 감소되며, 백오프 카운터가 0(zero)에 도달할 때, 제1디바이스는 채널이 비지(busy)인지 아닌지를 체크하기 위하여 도 3과 같이 하나의 CCA를 수행한다.The backoff counter is decremented regardless of the channel state, and when the backoff counter reaches zero, the first device uses one CCA as shown in FIG. 3 to check whether the channel is busy or not. To perform.

각 디바이스는 한 개의 패킷만 생성하여 저장 후 전송 시도가 이루어지는데, 가지고 있는 패킷이 전송되지 않으면 생성한 패킷은 손실된다. 즉, 각 디바이스는 CCA 수행에 있어 M+1번 실패가 있을 시에는 생성되는 패킷을 손실한다. 상기 M은 CCA 수행 최대 값(macMaxCSMABackoffs)으로서 디폴트로서 '4'의 값을 가진다. 각 패킷은 M+1번의 백오프 과정( =M+1번의 CCA 시도)에서 실패하면 손실되므로 패킷 손실 확률(Ploss)이 구해질 수 있다.Each device generates only one packet and attempts to store and send it. If the packet is not transmitted, the generated packet is lost. That is, each device loses a packet generated when M + 1 failures occur in performing CCA. M is the CCA performance maximum value (macMaxCSMABackoffs) and has a value of '4' as a default. Each packet is lost when it fails in M + 1 backoff processes (= M + 1 CCA attempts), so a packet loss probability (P loss ) can be obtained.

한편, 상기와 같이, IEEE 802.15.4에서 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA 방식에서 CCA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 전환시간보다 길게 설계하여 동작시킬 때, 상기 패킷 손실 확률(Ploss)과 전송 지연 시간을 고려하여 WPAN 네트워크 구성 시에 최적의 디바이스 개수를 결정하고 배터리 수명 등의 성능척도를 예측하는 것이 중요하다. 즉, CCA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 전환시간보다 길게 설계할 때, 최적의 디바이스 개수 및 배터리 수명을 예측함으로써 최적의 WPAN 네트워크 구성할 수 있다. 이러한 최적의 디바이스 개수 및 배터리 수 명 예측 알고리즘을 도 4의 플로차트와 함께 설명한다. Meanwhile, as described above, when the CCA execution time is designed to be longer than the switching time from data reception to ACK transmission in the unslotted CSMA / CA scheme in IEEE 802.15.4, the packet loss probability (P loss) ) And transmission delay time, it is important to determine the optimal number of devices in the WPAN network configuration and to predict performance measures such as battery life. That is, when the CCA execution time is designed to be longer than the switching time from data reception to ACK transmission, the optimal WPAN network can be configured by predicting the optimal number of devices and battery life. This optimal number of device and battery life prediction algorithms will be described with the flowchart of FIG.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA 방식에서 CCA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 전환시간보다 길게 설계할 때, 네트워크 상의 최적의 디바이스 개수 및 배터리 수명 예측 등의 성능척도를 산출하는 과정을 도시한 플로차트이다.4 is a diagram illustrating an optimal number of devices and a battery life in a network when a CCA execution time is designed to be longer than a switching time from data reception to ACK transmission in an unslotted CSMA / CA scheme according to an embodiment of the present invention. It is a flowchart showing the process of calculating the performance measure such as.

상기 최적의 디바이스 개수 및 배터리 수명 예측 등의 성능척도를 산출하는 과정의 설명에 앞서, 다음과 같은 사항을 가정한다. i) n 센서 디바이스가 PAN 코디네이터와 관련되고, ii) 동일한 정보를 갖는 패킷의 비정기적인 도달 또는 연속적인 도달 시에, 각 디바이스는 λ 레이트(rate)를 따르는 포아송(poisson) 프로세스를 가진 패킷을 생성하고 단지 하나의 패킷에 부합하고, iii) 데이터 패킷의 전송 시간이 Ttx로 고정되도록 하기 위하여 데이터 패킷 사이즈는 불변의 값이고, iv) 수신 데이터로부터 전송 데이터까지 PAN 코디네이터의 스위칭 타임은 무시된다.Prior to the description of the process of calculating the performance measures such as the optimum number of devices and battery life prediction, the following matters are assumed. i) n sensor device is associated with a PAN coordinator, and ii) at irregular or continuous arrival of a packet with the same information, each device generates a packet with a Poisson process following the λ rate. Iii) the data packet size is invariant so that the transmission time of the data packet is fixed at T tx , and iv) the switching time of the PAN coordinator from the received data to the transmitted data is ignored.

상기와 같은 가정하에서, 각 디바이스의 패킷 생성 과정(S41)은 λ 레이트(rate)를 가지는 포아송 (poisson) 과정을 통해 생성된다. 즉, 하기 식1과 같이 한 개 디바이스의 상황을 확률 프로세스 {X(t); t≥0}로 나타내고, 상기 디바이스의 패킷 이탈(전송 완료 또는 최대 백오프 횟수를 넘어서서 패킷 손실) 시점을 바라보면 X(t)는 재생성 프로세스가 되고 내부 이탈 시간대(inter-departure time)의 재생성 사이클(regenerative cycle)을 가지게 된다. 즉, {X(t); t≥tk+1} 프로세스 가 {X(t); t≥tk}의 확률 개연성 있는 복제라 볼 수 있고, {t(k); n=1,2,3....}은 재생성 지점이다. 따라서 {X(t); t≥0}은 패킷 내부 이탈(inter- departure) 시간에 대응하는 재생성 사이클을 가진 재생성 프로세스이다. Under the above assumption, the packet generation process S41 of each device is generated through a Poisson process having a λ rate. That is, the probability process {X (t); If t≥0} and looking at the point of packet departure (packet loss beyond the completion or maximum backoff count) of the device, X (t) becomes a regeneration process and a regeneration cycle of the inter-departure time. (regenerative cycle). That is, {X (t); t≥t k + 1 } The process is {X (t); probable probabilistic replication of t ≧ t k }, where {t (k); n = 1,2,3 ....} is the regeneration point. Thus {X (t); t≥0} is a regeneration process with regeneration cycles corresponding to packet inter-departure times.

[식 1][Equation 1]

X(t) = { Idle: 디바이스가 시간 t 시점에 전송하는 패킷이 없을 때, X (t) = {Idle: When no device transmits at time t,

Backoff: 디바이스가 시간 t 시점에 백오프 프로세스를 할 때,         Backoff: When the device does a backoff process at time t,

CCA: 디바이스가 시간 t 시점에 CCA 상태일 때,          CCA: When the device is in CCA state at time t,

Transmission: 디바이스가 시간 t 시점에 패킷 전송하고 있을 때}         Transmission: when the device is transmitting a packet at time t}

상기 λ 레이트(rate)를 가지는 포아송 (poisson) 과정을 통해 생성된 패킷은 상기 디바이스의 CCA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 시간인 전환시간보다 길게 설계된 네트워크 구조에서, CCA 수행 시에 비지(busy)가 아닌 아이들(idle) 상태가 감지될 시에 패킷 전송이 이루어진다.The packet generated through the Poisson process having the λ rate is busy when the CCA is performed in a network structure in which the CCA execution time of the device is longer than the switching time which is a time from data reception to ACK transmission. Packet transmission occurs when an idle state is detected that is not busy.

패킷 생성(S41)이 이루어진 후에는, 최적의 디바이스 개수 및 배터리 수명 예측 등을 포함하는 성능척도를 산출하는데 이용되는 CCA 수행후 패킷전송성공 확률 α, 백오프 시간 주기(backoff time period)인 예상 딜레이 E[D], 패킷손실확률 Ploss를 산출하는 과정(S42)을 가진다. 특히, 최적의 디바이스 개수 및 배터리 수명 예측 등을 포함하는 성능척도를 산출하는데 있어서, CCA 시행 시에 채널을 점 유(busy)할 확률인 패킷전송성공 확률α가 가장 중요한 요소이다. 모든 디바이스들은 확률적으로 동일한 전송 기회를 가지고 있으므로 CCA 시행 시에 성공할 확률 α는 하기 [식 2]와 같이 나타난다. After the packet generation (S41) is made, the estimated delay of the packet transmission success probability α, the backoff time period after performing the CCA used to calculate a performance measure including the optimal number of devices, battery life prediction, etc. E [D], packet loss probability P loss is calculated (S42). In particular, in calculating the performance measure including the optimal number of devices and battery life prediction, the probability of packet transmission success α, which is the probability of occupying a channel during CCA enforcement, is the most important factor. Since all devices have the same probability of transmission, the probability α of success in CCA enforcement is expressed as shown in Equation 2 below.

[식 2][Equation 2]

Figure 112007055345137-pat00008
Figure 112007055345137-pat00008

상기에서, λ는 패킷 생성 시의 포아송 프로세스에서 사용되는 레이트이고, TCCA는 CCA 수행시간, TTX는 패킷 전송시간, TACK는 ACK 전송시간, Ploss는 패킷손실확률, E[D]는 백오프 시간 주기(backoff time period)로서 디바이스에 도달점으로부터 패킷의 전송 또는 손실되기 직전까지 예상되는 딜레이(delay)를 나타낸다. In the above, λ is the rate used in the Poisson process at the time of packet generation, T CCA is the CCA execution time, T TX is the packet transmission time, T ACK is the ACK transmission time, P loss is the packet loss probability, E [D] is A backoff time period, which represents the expected delay from the arrival point to the device just before the packet is sent or lost.

도 5에 도시한 바와 같이 CCA를 수행, 데이터 전송, ACK 전송을 하는 제1디바이스(11)가 있는 경우, 다른 디바이스(12,13)는 CCA를 수행시간(TCCA), 데이터 전송시간(TTX), ACK 전송시간(TACK) 동안 채널 비지를 감지한다. 모든 디바이스는 태그된 디바이스의 재생성 사이클(cycle of our regenerative process) 동안 전송하기 위한 동등한 기회를 가지기 때문에 모든 다른 n-1 디바이스는 하나의 재생성 지점(패킷 손실 확률인 Ploss로 손실될 것이며, 1 - Ploss 확률로 성공적으로 전송될 것임)을 통계적으로 가질 것이다. 따라서 성공적인 평균 개수는 (n-1)(1-Ploss)가 될 것이고, 그러므로 n-1 디바이스에 의한 채널 점유 시간은 (n-1)(1- Ploss)(TCCA+TTX+TACK)가 되어 상기 [식 2]와 같은 수식을 구할 수 있다.As shown in FIG. 5, when there is a first device 11 that performs CCA, transmits data, and transmits ACK, the other devices 12 and 13 perform a CCA at a time T CCA and a data transmission time T TX ) and channel busy during ACK transmission time (T ACK ). Since every device has an equal opportunity to transmit during the regeneration cycle of the tagged device, every other n-1 device will be lost to one regeneration point (P loss , the probability of packet loss, Will be transmitted successfully with a probability of P loss ). Therefore, the successful average number will be (n-1) (1-P loss ), so the channel occupancy time by n-1 devices is (n-1) (1-P loss ) (T CCA + T TX + T ACK ) to obtain an equation such as [Equation 2].

상기 예상 딜레이인 E[D]를 산출하는 수식은 하기 [식 3]과 같다.The equation for calculating E [D], which is the expected delay, is shown in Equation 3 below.

[식 3][Equation 3]

Figure 112007055345137-pat00009
Figure 112007055345137-pat00009

Figure 112007055345137-pat00010
Figure 112007055345137-pat00010

상기에서, Wj = min{2jWmin, Wmax}를 나타내고 Wmin=2BEmin, Wmax=2BEmax를 나타낸다. 상기 BEmin, BEmax는 최소 백오프 지수(macMinBE)와 최대 백오프 지수(macMaxBE)를 각각 의미한다. 이들의 디폴트 값(default values)은 각각 3, 5를 가진다.In the above, Wj = min {2 j W min , W max } and W min = 2 BEmin , W max = 2 BEmax . BE min and BE max mean a minimum backoff index macMinBE and a maximum backoff index macMaxBE, respectively. Their default values have 3 and 5 respectively.

또한, σ는 백오프 슬롯(backoff slot)의 길이를 나타낸다. 상기 [식 3]의 첫번째 합산항목은 패킷이 성공적으로 전송(transmit)되는 상황에 부합되고, 상기 [식 3]의 두번째 합산항목은 CCA 실패를 M+1번 시도한 후 패킷이 손실(discard)되는 상황에 부합된다.In addition, sigma represents the length of a backoff slot. The first summation of Equation 3 corresponds to the situation in which the packet is successfully transmitted, and the second summation of Equation 3 is packet lost after M + 1 attempts of CCA failure. It fits the situation.

상기와 같이 각 패킷이 M+1번의 백오프 과정(=M+1번의 CCA 시도)에서 실패하 면 손실되므로 패킷 손실 확률(Ploss)은 하기 [식 4]와 같이 구해진다.As described above, each packet is lost when it fails in the M + 1 backoff process (= M + 1 CCA attempts), and thus the packet loss probability (P loss ) is obtained as shown in Equation 4 below.

[식 4][Equation 4]

Figure 112007055345137-pat00011
Figure 112007055345137-pat00011

상기 [식 2], [식 3], [식 4]를 보면, [식 2]의 α는 E[D]와 Ploss의 인자 항목으로서 표현된다. 또한, [식 3]의 E[D]와 [식 4]의 Ploss는 α의 인자 항목으로서 표현된다. 그러므로, 비선형 수식인 [식 2], [식 3], [식 4]를 연산(iteration)함으로써, 우리는 모든 필요한 값 α를 산출할 수 있다. 나아가 예상 딜레이(expected delay) E[D]와 패킷 손실 확률 Ploss를 구할 수 있게 된다. [Equation 2], [Equation 3] and [Equation 4], [alpha] in [Equation 2] is expressed as a factor item of E [D] and P loss . In addition, P loss of E [D] and [Equation 4] of [Equation 3] is expressed as a factor item of α. Therefore, by iterating the nonlinear formulas [Formula 2], [Formula 3] and [Formula 4], we can calculate all the necessary values α. In addition, the expected delay E [D] and the packet loss probability P loss can be obtained.

결국, 비선형 수식인 [식 2], [식 3], [식 4]를 연산(iteration)하면,도 5(b), 도 5(c)와 같은 연산(numerical) 결과를 얻게 된다. 이러한 결과로부터 이들 모두를 고려하여, 특정 환경의 제한성을 만족하는 최적의 디바이스 개수를 산출(S43)한다. 즉, λ 레이트(rate)를 갖는 포아송(poisson) 과정을 통해 패킷을 생성할 시에 상기 λ 레이트(rate)별로 디바이스 개수에 따른 각각의 패킷전송성공 확률 α, 예상 딜레이 E[D], 패킷손실확률 Ploss 를 산출하여 도 5와 같은 관계를 알 수 있게 되고, 해당 네트워크 구성 환경에 부합되는 디바이스 개수를 선택(S43)하는 것이다. 상기 산출(S43)된 디바이스 개수를 이용하여 최적의 네트워크를 구성할 수 있는 것이다.As a result, when the equations [Equation 2], [Equation 3] and [Equation 4] which are nonlinear equations are iterated, numerical results as shown in FIGS. 5 (b) and 5 (c) are obtained. In consideration of all of these results, an optimal number of devices satisfying the limitations of a specific environment is calculated (S43). That is, when generating a packet through a Poisson process having a λ rate, each packet transmission probability α according to the number of devices for each λ rate, an expected delay E [D], and a packet loss By calculating the probability P loss , the relationship as shown in FIG. 5 can be known, and the number of devices meeting the network configuration environment is selected (S43). The optimal network can be configured using the calculated number of devices (S43).

한편, 상기 디바이스 개수 산출 이외에도 본 발명은 상기 산출된 개수의 디바이스 각각의 배터리 수명을 상기 파라미터 값들을 이용하여 예측할 수 있다. 이를 위하여 디바이스에서 단위시간당 소비되는 에너지량을 산출(S44)한 후 이를 이용하여 디바이스의 배터리 수명을 예측(S45)한다.In addition to calculating the number of devices, the present invention may predict battery life of each of the calculated number of devices using the parameter values. To this end, the amount of energy consumed per unit time in the device is calculated (S44), and the battery life of the device is predicted using the calculated amount (S44).

상기 단위시간당 소비되는 에너지량을 산출(S44)은 전송할 시에 단위시간당 에너지 소비량(ETX), 수신할 시에 단위시간당 에너지 소비량(ERX), CCA 수행할 시에 단위시간당 에너지 소비량(ECC), 아이들(idle) 상태에서의 단위시간당 에너지 소비량(Eidle)과 각각의 동작 시간을 고려하여 하나의 디바이스에서의 단위시간당 에너지 소비량을 산출한다. The calculation of the amount of energy consumed per unit time (S44) includes the energy consumption per unit time (ETX) at the time of transmission, the energy consumption per unit time (ERX) at the time of reception, the energy consumption per unit time (ECC) at the time of performing CCA, children The energy consumption per unit time in one device is calculated in consideration of the energy consumption per unit time in the idle state and each operation time.

즉, 디바이스 개수가 결정되면, 단위시간당 소모되는 에너지량을 산출한다. 에너지 소비는 가장 중요한 성능척도이기 때문에, 밀리세컨드 당(per millisecond) 평균 에너지 소비량을 산출하는 것이다. 여기에서 단위시간은 밀리세컨드 단위로 하였다.That is, when the number of devices is determined, the amount of energy consumed per unit time is calculated. Since energy consumption is the most important measure of performance, it is the average energy consumption per millisecond. Here, unit time was made in milliseconds.

ETX, ERX, ECCA, Eidle은 전송(TX), 수신(RX), CCA, idle을 하기 위해 필요로 하는 밀리세커드당 에너지 소비량이다. 상기 Eidle은 밀리세컨드당 백오프 프로세스(backoff process per millisecond) 동안 소비된다. E TX , E RX , E CCA , and E idle are the energy consumption per millisecond required to transmit (TX), receive (RX), CCA, and idle. The E idle is consumed during the backoff process per millisecond.

따라서 단위시간당 소모되는 에너지량(E)을 산출(S44)은 하기 [식 5]와 같다.Therefore, the amount of energy consumed per unit time (E) is calculated (S44) as shown in [Equation 5].

[식 5][Equation 5]

Figure 112007055345137-pat00012
Figure 112007055345137-pat00012

Figure 112007055345137-pat00013
Figure 112007055345137-pat00013

상기 NCCA는 하기 [식 6]에 나타낸 바와 같이, 성공적인 전송이나 손실이 있을 때까지의 CCA의 평균 개수이다. The N CCA is an average number of CCAs until successful transmission or loss, as shown in Equation 6 below.

[식 6][Equation 6]

Figure 112007055345137-pat00014
Figure 112007055345137-pat00014

상기 [식 5]에 의하여 산출된 단위시간당 소모되는 에너지량(E)을 이용하여 배터리의 예측수명 시간인 Lbattery을 하기 [식 7]에 의하여 구할 수 있다(S45). Using the amount of energy (E) consumed per unit time calculated by Equation 5, L battery which is a life expectancy time of the battery may be obtained by Equation 7 below (S45).

[식 7][Equation 7]

Figure 112007055345137-pat00015
Figure 112007055345137-pat00015

이때, Ebattery는 배터리 에너지량이다.In this case, E battery is a battery energy amount.

결국, IEEE 802.15.4에서 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA 방식에서 ACK를 보호하기 위해 CCA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 전환시간보다 길게 설계할 시에, 네트워크 구성 시에 각 디바이스의 배터리 수명은, 상기 [식 7]에 의해 구할 수 있는 것이다.As a result, when the CCA execution time is designed to be longer than the switching time from data reception to ACK transmission in order to protect the ACK in the unslotted CSMA / CA scheme in IEEE 802.15.4, Battery life can be calculated | required by said Formula (7).

한편, 상기에서 설명한 내용의 입증을 위하여, 연산결과와 시뮬레이션 결과를 비교하며 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 연산할 시의 연산 결과와, 이를 직접 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다.On the other hand, in order to prove the above description, it will be described by comparing the calculation result and the simulation result. 5 is a graph illustrating a result of a calculation and a result of directly simulating the calculation, according to an embodiment of the present invention.

도 5의 그래프를 참조하면, 2.4GHz 주파수 채널에서 디폴트 파라미터 값으로 우리는 macMinBE, macMaxBE, macaxCSMABackoff, α를 3,5,4, 0.32(ms)로 각각 이용한다. 파라미터 TCCA, TTX, TACK는 0.25ms, 1.12ms, 0.352ms를 각각 이용한다. 도 5는 밀리세컨드 당 λ=0.01, λ=0.02, λ=0.03일 때 결과를 도시한 것이다. Referring to the graph of FIG. 5, as the default parameter values in the 2.4 GHz frequency channel, we use macMinBE, macMaxBE, macaxCSMABackoff, and α as 3, 5, 4, and 0.32 (ms), respectively. The parameters T CCA , T TX , and T ACK use 0.25 ms, 1.12 ms, and 0.352 ms, respectively. 5 shows the results when λ = 0.01, λ = 0.02, and λ = 0.03 per millisecond.

채널이 데이터 부하를 전송하는 시간 분수로서 정상 시스템 처리량 S로 정의한다. 하나의 재생성 사이클 동안 n(1-Ploss) 패킷이 평균적으로 전송된다. 따라서 상기 정상 시스템 처리량인 S는 하기 [식 8]에 의하여 구해질 수 있다.The fraction of time that a channel transmits a data load, defined as normal system throughput S. N (1-P loss ) packets are transmitted on average during one regeneration cycle. Therefore, the normal system throughput S can be obtained by the following [Equation 8].

[식 8][Equation 8]

Figure 112007055345137-pat00016
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모든 성능척도의 경우, 연산결과는 시뮬레이션 결과와 근접하게 매칭됨을 알 수 있다. 노드의 수와 패킷 수신 비율이 증가할 때, 우리의 예상과 같이, 정상 시스템 처리량 S, 예상 딜레이 E[D], 패킷손실확률 Ploss는 증가한다. For all performance measures, it can be seen that the calculation results closely match the simulation results. As the number of nodes and the packet reception rate increase, as we expected, the normal system throughput S, the expected delay E [D], and the packet loss probability P loss increase.

패킷 도착이 많지않기 때문에, λ=0.01, λ=0.02일 때 에너지 소비가 디바이스의 개수에 의존하지 않음을 알 수 있다. 디바이스의 개수가 증가하여 λ=0.03이 될 때, 더 많은 디바이스는 채널 비지(busy)를 발견하고 에너지 소비를 줄이도록 더 많은 랜덤 백오프를 수행한다. 도 5(e)는 λ=0.01, λ=0.02, λ=0.03이고 배터리 용량이 3.0V에서 560mAh일 때, 디바이스의 개수가 증가하는 만큼 수명시간 Lbattery를 도시하였다.Since there are not many packet arrivals, it can be seen that the energy consumption does not depend on the number of devices when [lambda] = 0.01 and [lambda] = 0.02. As the number of devices increases to λ = 0.03, more devices find more channel busy and perform more random backoffs to reduce energy consumption. 5 (e) shows the life time L battery as the number of devices increases when λ = 0.01, λ = 0.02, λ = 0.03 and the battery capacity is 560mAh at 3.0V.

ETX, ERX, ECCC, Eidle가 0.0100224mJ, 0.0113472mJ, 0.0113472mJ, 0.000057637mJ로 에너지 소비 비율을 가짐을 알 수 있다. 따라서 배터리 수명이 디바이스 개수에 의존되지 않고 패킷 도착 비율에 더 큰 영향을 받음을 알 수 있다. 이것은 최소한 에너지 소비가 백오프 프로세스 동안 필요로 하는 이유가 되고, 따라서 에너지 소비가 딜레이 증가에 의해 덜 영향받는다. 결론적으로, 예상 딜레이(E[D])와 패킷손실확률(Ploss)에서 요구되는 QoS를 지원하는 시스템에 의해 부합될 수 있는 디바이스의 최적의 개수를 결정하는데 유용하다. 예를 들면, 밀리 세컨드 당 λ=0.02일 때 Ploss ≤ 2%, E[D] ≤ 10ms가 요구된다고 하면, 네트워크 상에서 디바이스의 최적의 개수는 도 5(b)와 도 5(c)로부터 16으로 결정된다. 이러한 케이 스를 통하여, 하나의 백오프 슬롯당 평균 에너지 소비 Eslot은 5(d)로부터 1.18*10-4 mJ/slot이 되고 배터리 수명은 도 5(e)로부터 60일이 됨을 알 수 있다.E TX , E RX , E CCC , and E idle are 0.0100224mJ, 0.0113472mJ, 0.0113472mJ, and 0.000057637mJ. This shows that battery life is more dependent on the packet arrival rate than on the number of devices. This is the reason why at least energy consumption is needed during the backoff process, so energy consumption is less affected by increased delay. In conclusion, it is useful to determine the optimal number of devices that can be met by the system supporting QoS required in the expected delay (E [D]) and packet loss probability (P loss ). For example, if P loss ≤ 2% and E [D] ≤ 10 ms are required when λ = 0.02 per millisecond, the optimal number of devices on the network is 16 from FIGS. 5 (b) and 5 (c). Is determined. Through this case, it can be seen that the average energy consumption E slot per backoff slot is 1.18 * 10 −4 mJ / slot from 5 (d) and the battery life is 60 days from FIG. 5 (e).

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 특허 범위는 상기 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위뿐 아니라 균등 범위에도 미침은 자명할 것이다.In the above description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not to be determined by the embodiments described above, but will be apparent in the claims as well as equivalent scope.

상기에서 기술한 바와 같이 본 발명은, IEEE 802.15.4의 비슬롯 기반(비콘불능 모드) CSMA/CA에서 CCA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 시간인 전환시간보다 길게 설계함으로써 ACK 보호를 통해 각 디바이스간의 충돌을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 특정 네트워크 환경하에서 디바이스의 최적의 개수를 산출할 수 있으며, 이러한 디바이스의 배터리 수명을 예측함으로써, 최적의 네트워크 환경을 구축할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention provides the ACK protection by designing a CCA execution time longer than the switching time from data reception to ACK transmission in a non-slot-based (non-beacon mode) CSMA / CA of IEEE 802.15.4. There is an effect that can prevent the collision between each device. In addition, it is possible to calculate the optimal number of devices under a specific network environment, and by predicting the battery life of such a device, there is an effect that can build an optimal network environment.

Claims (10)

IEEE 802.15.4의 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA 방식으로 네트워크 구성 시에 각 디바이스의 ACK를 보호하는 방법에 있어서,In the method for protecting the ACK of each device in the network configuration by the unslotted CSMA / CA scheme of IEEE 802.15.4, 상기 디바이스의 CCA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 시간인 전환시간보다 길게 설계하여 각 디바이스간 패킷 충돌을 방지함을 특징으로 하는 ACK 보호 방법.The CCA execution time of the device is designed to be longer than the switching time, which is the time from the data reception to the ACK transmission to prevent the packet collision between each device, characterized in that the ACK protection method. 제1항에 있어서, 상기 디바이스는, 채널 비지(busy)로 인해 실패(fail)로 되는 CCA 수행 횟수가 'CCA 수행 최대값+1'의 횟수로 될 때 생성된 패킷을 폐기하는 ACK 보호 방법. The method of claim 1, wherein the device discards the generated packet when the number of CCA executions to be failed due to channel busy becomes the number of 'CCA execution maximum value + 1'. IEEE 802.15.4의 비슬롯 기반(unslotted) CSMA/CA 방식으로 네트워크 구성 시에 각 디바이스의 성능척도를 예측하는 방법에 있어서,In the method of predicting the performance measure of each device in the network configuration by the unslotted CSMA / CA scheme of IEEE 802.15.4, 상기 디바이스의 CCA 수행시간을 데이터 수신부터 ACK 전송까지의 시간인 전환시간보다 길게 설계한 구조 하에서 이용되는 패킷이 λ 레이트(rate)를 가지는 포아송(poisson) 과정을 통해 생성되는 제1과정과,A first process in which a packet used under a structure in which a CCA execution time of the device is designed to be longer than a switching time from a data reception to an ACK transmission is generated through a Poisson process having a λ rate; 상기 디바이스가 CCA 수행후 패킷전송성공 확률 α, 백오프 시간 주기(backoff time period)인 예상 딜레이 E[D], 패킷손실확률 Ploss를 산출하는 제2과정과,A second step of calculating a packet transmission probability α, an expected delay E [D] having a backoff time period, and a packet loss probability P loss after the device performs CCA; 상기 패킷전송성공 확률 α, 예상 딜레이 E[D], 패킷손실확률 Ploss 를 고려하여 네트워크 구성 환경에 부합하는 디바이스의 개수를 산출하는 제3과정A third process of calculating the number of devices corresponding to the network configuration environment in consideration of the packet transmission probability α, the expected delay E [D], and the packet loss probability P loss 을 포함하는 성능척도 예측 방법.Performance measure prediction method comprising a. 제3항에 있어서, TCCA는 CCA 수행시간, TTX는 패킷 전송시간, TACK는 ACK 전송시간, Ploss는 패킷손실확률, E[D]는 백오프 시간 주기(backoff time period)인 예상 딜레이(delay)라 할 때, 상기 패킷전송성공 확률 α는,4. The method of claim 3, wherein T CCA is CCA execution time, T TX is packet transmission time, T ACK is ACK transmission time, P loss is packet loss probability, and E [D] is a backoff time period. When the delay (delay), the packet transmission success probability α,
Figure 112007055345137-pat00017
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에 의해 산출되는 성능척도 예측방법.Performance scale prediction method calculated by
제3항에 있어서, M은 백오프 수행 최대값(디폴트로서 4), TCCA는 CCA 수행시간, σ는 백오프 슬롯의 길이를 나타내고, Wj 는 min{2jWmin, Wmax}를 나타내고 이때 Wmin=2BEmin, Wmax=2BEmax를 나타내며 상기 BEmin, BEmax는 최소 백오프 지수(macMinBE)와 최대 백오프 지수(macMaxBE)를 각각 나타낼 때, 상기 예상 딜레이 E[D]는, 4. The method of claim 3, wherein M is the maximum backoff performance (4 as the default), T CCA is the CCA execution time, sigma represents the length of the backoff slot, and Wj represents min {2 j W min , W max }. In this case, when W min = 2 BEmin and W max = 2 BEmax , and BE min and BE max represent the minimum backoff index macMinBE and the maximum backoff index macMaxBE, respectively, the expected delay E [D] is
Figure 112007055345137-pat00018
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Figure 112007055345137-pat00019
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에 의해 산출되는 성능척도 예측방법.Performance scale prediction method calculated by
제3항에 있어서, M은 백오프 수행 최대값(디폴트로서 4)이라 할 때 M+1 지점에서 CCA 시도 실패가 이루어진다 할 때, 상기 패킷손실확률 Ploss 는, 4. The packet loss probability P loss of claim 3, wherein when M is a backoff performance maximum value (4 as a default), when a CCA attempt fails at a point M + 1, Is,
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에 의해 산출되는 성능척도 예측방법.Performance scale prediction method calculated by
제3항에 있어서, 상기 제3과정은, λ 레이트(rate)를 갖는 포아송(poisson) 과정을 통해 패킷을 생성할 시에 상기 λ 레이트(rate)별로 디바이스 개수에 따른 각각의 패킷전송성공 확률 α, 예상 딜레이 E[D], 패킷손실확률 Ploss 를 산출한 후, 네트워크 구성 환경에 부합하는 디바이스 개수를 선택하는 성능척도 예측방법.The probability of each packet transmission success α according to the number of devices for each λ rate when generating a packet through a Poisson process having a λ rate. Predictive Delay E [D], Packet Loss Probability P loss , and then select the number of devices that meet the network configuration. 제3항에 있어서, 상기 성능척도 예측 방법은,The method of claim 3, wherein the performance scale prediction method is as follows. 전송할 시에 단위시간당 에너지 소비량(ETX), 수신할 시에 단위시간당 에너지 소비량(ERX), CCA 수행할 시에 단위시간당 에너지 소비량(ECCA), 아이들(idle) 상태에서의 단위시간당 에너지 소비량(Eidle)과 각각의 동작 시간을 고려하여 하나의 디바이스에서의 단위시간당 에너지 소비량을 산출하는 제4과정과,Energy consumption per unit time (E TX ) when transmitting, energy consumption per unit time (E RX ) when receiving, energy consumption per unit time (E CCA ) when performing CCA, energy consumption per unit time when idle A fourth process of calculating energy consumption per unit time in one device in consideration of E idle and each operating time; 상기 디바이스의 배터리의 에너지량을 상기 단위시간당 에너지 소비량으로 나눔으로써 배터리 수명 시간을 산출하는 제5과정A fifth process of calculating a battery life time by dividing an energy amount of a battery of the device by the energy consumption per unit time 을 더 포함하는 성능척도 예측 방법. Performance measure prediction method further comprising. 제8항에 있어서, ETX, ERX, ECCA, Eidle은 전송(TX), 수신(RX), CCA, idle이 이루어질 때 필요로 하는 단위시간당(밀리세커드당) 에너지 소비량이고, TCCA는 CCA 수행시간, TTX는 패킷 전송시간, TACK는 ACK 전송시간, E[D]는 백오프 시간 주기(backoff time period)인 예상 딜레이(delay), NCCA는 성공적인 전송이나 손실이 있을 때까지의 CCA의 평균 개수를 나타낼 때, 상기 단위시간당 에너지 소비량은,The method of claim 8, wherein E TX , E RX , E CCA , and E idle are energy consumption per unit time (per millisecond) required when transmit (TX), receive (RX), CCA, and idle are performed. CCA is the CCA execution time, T TX is the packet transmission time, T ACK is the ACK transmission time, E [D] is the expected delay, which is the backoff time period, and N CCA may be a successful transmission or loss. When indicating the average number of CCA until, the energy consumption per unit time,
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에 의해 산출되는 성능척도 예측 방법. A method of predicting performance scale calculated by.
제9항에 있어서, M은 백오프 수행 최대값(디폴트로서 4)이라 할 때 M+1 지점에서 CCA 시도 실패가 이루어진다 할 때, 상기 NCCA는,10. The method of claim 9, wherein when M is the backoff performance maximum value (4 as the default), when the CCA attempt fails at the M + 1 point, the N CCA is
Figure 112007055345137-pat00023
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에 의해 산출되는 성능척도 예측 방법. A method of predicting performance scale calculated by.
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