KR100942891B1 - Ｉｅｅｅ 802.15.4의 프로토콜 ｃｓｍａ/ｃａ 방식 하에서채널의 점유 상태를 확인하는 방법 - Google Patents

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Abstract

IEEE 802.15.4의 프로토콜 CSMA/CA 방식하에서 채널의 점유상태를 확인하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에서는 IEEE 802.15.4의 프로토콜 슬롯사용 CSMA/CA 방식하에서 하나의 무선 채널을 다수의 단말기가 공유할 때에 채널 점유 요구가 서로 충돌되지 않도록 채널의 점유상태를 확인하는 방법에 있어서, 프레임을 전송하기 전에 시도하는 CCA를 위해 사용되는 계수기(CW)를 2로 초기화시키는 제 1단계와, 사용하고자 하는 채널이 점유 중인지 여부를 판단하는 제 2 단계와, 제 2 단계에서 채널이 점유 중이지 않은 경우, CW를 1 감소시키는 제 3 단계와, 채널이 점유 중인지 여부를 다시 판단하는 제 4 단계 및 제 4 단계의 판단 결과 채널이 점유 중일 경우, 상기 CW가 '1' 값을 갖는 지의 여부를 판단하는 제 5 단계를 포함함으로써, 첫 번째 CCA가 실패한 경우와 두 번째 CCA가 실패한 경우 랜덤 백오프 시간을 결정하기 위한 백오프 지수(BE)를 상이하게 할당하여 백오프 시간을 서로 다르게 결정하는 것을 특징으로 하는 IEEE 802.15.4의 프로토콜 CSMA/CA 방식하에서 채널의 점유상태를 확인하는 방법이 제시된다.
IEEE 802.15.4; slotted CSMA/CA

Description

ＩＥＥＥ 802.15.4의 프로토콜 ＣＳＭＡ/ＣＡ 방식 하에서 채널의 점유 상태를 확인하는 방법{METHOD FOR RECOGNIZING AVAILABLE CHANNEL IN IEEE 802.15.4 PROTOCOL}
본 발명은 IEEE 802.15.4의 프로토콜 CSMA/CA 방식하에서 채널의 점유상태를 확인하는 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 간단하면서도 효과적으로 slotted CSMA/CA의 성능을 향상시키기 위해 Random Backoff Time 확장 알고리즘을 이용하여 IEEE 802.15.4의 프로토콜 CSMA/CA 방식하에서 채널의 점유상태를 확인하는 방법에 관한 것이다.
IEEE 802.15.4는 저비용, 초저전력 단거리 무선 통신 용으로 설계된 네트워크이며 이는 IEEE 802.15.3과 같은 멀티미디어 응용에 적합한 고속 네트워크나 IEEE 802.15.1과 같은 음성급 QoS를 필요로 하는 블루투스가 사용될 수 없는 저전력, 저비용을 요구하는 응용을 지원하기 위해 설계 되었다.
IEEE 802.15.4 네트워크는 FFD (Full Function Device)와 RFD (Reduced Function Device)들 구성된다. FFD는 IEEE 802.15.4에서 제공하는 모든 MAC 기능들을 가지고 있어 PAN을 관리하는 PAN coordinator와 네트워크 디바이스로 동작이 가 능하다. RFD는 IEEE 802.15.4의 MAC기능 중 일부만이 구현된 디바이스이며 PAN coordinator의 역할은 하지 못하고 단순히 네트워크 디바이스로만 사용된다. RFD는 PAN coordinator 또는 coordinator와의 통신만 가능하다. FFD와 RFD를 사용하여 star 토폴로지 및 peer-to-peer 토폴로지가 구성이 되며 토폴로지 상에서 beacon-enabled 모드와 non beacon-enabled모드 두 가지 방식중 하나를 이용하여 단말들 간에 통신을 하게 된다.
종래기술에서는 IEEE 802.15.4에 따라 코디네이터와 복수개의 네트워크 장치 간의 통신 시 복수 개의 네트워크 장치 중 소정의 네트워크 장치가 소정 채널을 선점하여 통신의 단절 없이 지속적으로 코디네이터와 통신할 수 있는 IEEE 802.15.4에 따른 채널 선점 통신 방법을 제공한다(공개번호: 10-2006-0083654(IEEE 802.15.4에 따른 채널 선점 통신방법(2006년 07월 21일)). 상기 종래 방법은 상기 코디네이터가 소정 네트워크 장치의 소정 채널 선점을 알리는 채널 선점 필드를 기록한 비콘을 작성하는 단계와 상기 코디네이터가 상기 채널 선점 필드가 기록된 비콘을 상기 복수개의 네트워크 장치에 전송하는 단계, 그리고 상기 비콘을 전송받은 복수개의 네트워크 장치 중 상기 비콘의 채널 선점 필드에 기록된 채널 선점 네트워크 장치와 상기 코디네이터가 상기 소정 채널을 선점하여 지속적으로 통신하는 단계로 구성되어있다. 이를 위해서는 기존 비콘 프레임의 구조를 수정이 필요하다. 따라서, 네트워크의 전체적인 수율이 저하되고 단말의 전력 소모가 발생한다.
또한, "MAC Throughput Limit Analysis of Slotted CSMA/CA in IEEE 802.15.4 WPAN."에서는 Embedded Markov 체인을 이용하여 포화상태에서의 slotted CSMA/CA (carrier sense multiple access with collision avoidance)의 MAC 수율을 분석하고 이를 시뮬레이션을 이용하여 검증하였다. 또한, "Priority-based delay mitigation for event-monitoring IEEE 802.15.4 LR-WPANs."에서는 slotted CSMA/CA에서 CCA(Clear Channel Assessment)를 연속적으로 두 번하는 이유를 살펴보고 FRT(Frame Tailoring)와 PRT (Priority Toning)를 제안함으로써 slotted CSMA/CA의 패킷 딜레이 측면에서 성능을 향상 시켰다. 하지만 상기 종래 기술에서 FRT는 하드웨어적으로 구현을 해야 하고 현재의 칩셋에는 구현이 불가능하다는 단점이 있다.
종래기술의 내용을 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 IEEE 802.15.4 네트워크 토폴로지를 나타낸다. IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜의 beacon-enabled 모드에서는 PAN coordinator에 의해서 관리되어지는 슈퍼프레임을 정의한다. 슈퍼프레임은 PAN coordinator에 의해 주기적으로 전송되는 비콘 메시지에 의해서 그 범위가 결정되어지며 활성화 구간(active)구간과 비활성화 구간(inactive)으로 나누어진다. 활성화 구간은 16개의 연속적인 타임 슬롯으로 나누어지며 첫 번째 타임 슬롯은 비콘 프레임의 마지막에서 시작된다. 활성화 구간은 CAP(Contention Access Period)과 CFP(Contention Free Period)로 나뉘며 CFP는 GTS(Guaranteed Time Slot)로 구성이 된다. beacon-enabled 모드에서 각 단말들은 슈퍼프레임의 CAP구간동안 slotted CSMA/CA 알고리즘을 사용하여 채널 접근을 위해 서로 경쟁한다. CFP는 GTS (Guaranteed Time Slot)로 구성 되어있으며 각각의 GTS는 시간 지연에 민감한 데이터들을 전송하기위해 특정한 네트워크 단말에 할당이 된다.
도 2는 IEEE 802.15.4 beacon-enabled 모드에서의 슈퍼프레임의 구조를 나타낸다. 각 단말들은 CAP구간에서 NB, BE 그리고 CW의 3가지 계수기를 사용하여 채널 접근을 시도한다. NB는 단말이 하나의 프레임을 전송하기 위해 채널에 접근을 시도한 횟수를 나타내며, BE(backoff exponent)는 랜덤 백오프 시간을 결정하기 위한 백오프 지수를 나타낸다. CW(connection window)는 프레임을 전송하기 전에 시도하는 CCA를 위해 사용되는 계수기이다.
slotted CSMA/CA의 경우 전송할 데이터가 있는 단말은 NB와 CW를 각각 0과 2로 초기화한다. 단말은 채널 접근을 시도하기 전에 0~2BE-1의 범위에서 랜덤하게 선택된 정수개의 단위 백오프 시간만큼 지연을 한 후 채널이 사용 중인지 검사하기 위해 CCA를 수행한다.
만약 채널이 사용 중이면 CW를 초기화 하고 NB와 BE를 각각 1씩 증가 시킨 후 NB가 macMaxCSMABackoffs 보다 큰지 확인한다. macMaxCSMABackoffs는 4로 설정된다. NB가 macMaxCSMABackoffs 보다 크면 단말은 채널 접근에 실패하게 된다.
CCA를 수행하여 채널이 사용 중이지 않으면 CW를 1 감소시키고 두 번째 CCA를 수행한다. 두 번째 CCA를 수행하여 채널이 사용 중이지 않을 경우 다시 CW를 1 감소시킨 후 CW가 0일 경우 채널 접근에 성공하게 된다. 채널 접근에 실패 하거나 경쟁하는 단말들이 동일한 슬롯에서 CCA를 수행하여 충돌이 발생하는 경우 3번의 재전송 기회가 주어진다.
도 3은 IEEE 802.15.4의 종래 slotted CSMA/CA의 동작방식을 나타내는 순서도를 나타낸다. 도 4는 IEEE 802.15.4의 종래 slotted CSMA/CA 채널 접근 방식의 예를 나타낸다.
전송할 데이터가 있는 단말은 NB와 CW를 각각 0과 2로 초기화한다(s301). BE는 battery life extension을 판단하여(s302), battery life extension을 사용하지 않는 경우 macMinBE로 초기화하고(s303), battery life extension을 사용하는 경우에는 2와 macMinBE 중에 작은 값으로 설정한다(s304). 백오프 피리어드 바운드리(backoff period boundary)를 위치시킨 후(s305), 단말은 채널 접근을 시도하기 전에 0~2BE-1의 범위에서 랜덤하게 선택된 정수 개의 단위 백오프 시간만큼 지연을 한 후(s306), 채널이 사용중인지 검사하기 위해 CCA를 수행한다(s307). CCA를 수행하여 채널이 사용 중인지 검사하고(s308), 채널이 사용 중이지 않으면 CW를 1 감소시키고(s309), 두 번째 CCA 수행인지를 검사한다(s310).
두 번째 CCA 수행이 아닌 경우 s307 단계부터 다시 수행한다. 두 번째 CCA를 수행하여 채널이 사용 중이 아닐 경우 다시 CW를 1 감소시킨 후 CW가 0일 경우 채널 접근에 성공하게 된다(s307, s308, s309, s310, s311). 만약 채널이 사용 중이면 CW값을 2로 셋팅하고, NB값을 1 증가시키고, BE값을 min(BE+1, amaxBE) 값으로 설정한 후(s312), NB값이 macMaxCSMABackoffs보다 큰지를 판단한다(s313). s313 단계에서 NB값이 클 경우 채널 접근이 실패하고(s314), 크지 않을 경우 s306 단계를 수행한다.
slotted CSMA/CA에서 전송할 프레임이 있는 단말은 전송을 시도하기 전 CCA를 수행하여 두 번의 CCA가 연속적으로 성공 하였을 경우 프레임을 전송한다. 두 번의 CCA를 수행하는 이유는 단말이 전송해야할 데이터 프레임과 다른 단말이 데이터 프레임을 성공적으로 전송하여 받게 될 ACK 프레임과의 충돌을 피하기 위해서이다. 단말이 첫 번째 CCA를 성공하고 두 번째 CCA에서 실패한 경우 두 번째 CCA를 수행하기 이전 슬롯에서 채널이 idle하고 두 번째 CCA를 수행한 슬롯은 busy하다는 의미이다. 이것은 두 번째 CCA를 수행한 슬롯에서 다른 단말이 전송을 시작했다는 것을 의미한다.
도 5는 프레임 간의 충돌이 발생한 경우와 단말이 두 번째 CCA에 실패한 경우를 나타낸다. 종래 slotted CSMA/CA의 방식을 따를 경우 단말들이 동일한 슬롯에서 첫 번째 CCA를 할 때 단말들이 보내는 프레임들 사이에 충돌이 발생하게 된다. 또한 첫 번째 CCA를 성공하고도 두 번째 CCA를 실패할 경우 채널 접근에 실패하고도 두 번째 CCA의 수행으로 인한 에너지의 소비가 발생하게 되는 문제점이 있다.
도 6은 2.4GHz 대역의 포화상태조건에서 매체를 공유하는 단말 수의 증가에 따른 slotted CSMA/CA의 수율(Throughput)을 나타낸다.
본 발명에서는 IEEE 802.15.4 beacon-enabled 모드에서 사용되는 slotted CSMA/CA의 문제점을 개선하기 위해 두 번째 CCA에 실패할 경우 사용하는 파라미터인 aBESCB를 새로 도입하여 두 번째 CCA에 실패했을 경우 BE값을 aBESCB로 설정하여 백오프를 하는 IEEE 802.15.4의 프로토콜 CSMA/CA 방식하에서 채널의 점유상태를 확인하는 방법이 제시하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 단말이 첫 번째 CCA에 성공하고 두 번째 CCA에 실패하는 경우 단말의 백오프 시간을 aMaxBE로 확장하는 방법을 사용하여 단말들 간의 충돌 발생 가능성을 줄이고 하나의 프레임을 전송하기 위해 수행하는 CCA의 횟수를 줄여 전체 수율의 향상과 단말의 에너지 소비를 줄이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적은 IEEE 802.15.4의 프로토콜 슬롯사용 CSMA/CA 방식하에서 하나의 무선 채널을 다수의 단말기가 공유할 때에 채널 점유 요구가 서로 충돌되지 않도록 채널의 점유상태를 확인하는 방법에 있어서, 프레임을 전송하기 전에 시도하는 CCA를 위해 사용되는 계수기(CW)를 2로 초기화시키는 제 1단계와, 사용하고자 하는 채널이 점유 중인지 여부를 판단하는 제 2 단계와, 상기 제 2 단계에서 채널이 점유 중이지 않은 경우, CW를 1 감소시키는 제 3 단계와, 상기 채널이 점유 중인지 여부를 다시 판단하는 제 4 단계 및 제 4 단계의 판단 결과 채널이 점유 중일 경우, 상기 CW가 '1' 값을 갖는 지의 여부를 판단하는 제 5 단계를 포함함 으로써, 첫 번째 CCA가 실패한 경우와 두 번째 CCA가 실패한 경우 랜덤 백오프 시간을 결정하기 위한 백오프 지수(BE)를 상이하게 할당하여 백오프 시간을 서로 다르게 결정하는 것을 특징으로 하는 IEEE 802.15.4의 프로토콜 CSMA/CA 방식하에서 채널의 점유상태를 확인하는 방법에 의해서 달성 가능하다.
상기 제 5 단계가 참인 경우에는 백오프 지수(BE)를 aMaxBE로 설정하는 제 6단계를 더 구비하는 것이 바람직하며, 상기 제 5 단계가 거짓인 경우, CW를 초기화하고, BE를 1만큼 증가시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 목적은 IEEE 802.15.4의 프로토콜 슬롯사용 CSMA/CA 방식하에서 하나의 무선 채널을 다수의 단말기가 공유할 때에 채널 점유 요구가 서로 충돌되지 않도록 채널의 점유상태를 확인하는 방법에 있어서, 프레임을 전송하기 전에 시도하는 CCA를 위해 사용되는 계수기(CW) 및 단말이 하나의 프레임을 전송하기 위해 채널에 접근을 시도한 횟수(NB)를 0으로 초기화시키는 제 1 단계와, 0~2BE-1의 범위에서 랜덤하게 선택된 정수 개의 단위 백오프 시간만큼 지연시키는 제 2 단계와, 사용하고자 하는 채널이 점유 중인지 여부를 판단하는 제 3 단계와, 제 3 단계에서 채널이 점유 중이지 않은 경우, CW를 1 감소시키는 제 4 단계와, 채널이 점유 중인지 여부를 다시 판단하는 제 5 단계 및 제 5 단계의 판단 결과 채널이 점유 중일 경우, 상기 CW가 '1' 값을 갖는 지의 여부를 판단하는 제 6 단계를 포함함으로써, 첫 번째 CCA가 실패한 경우와 두 번째 CCA가 실패한 경우 랜덤 백오프 시간을 결정하기 위한 백오프 지수(BE)를 상이하게 할당하여 백오프 시간을 서로 다르게 결정하는 것을 특징으로 하는 IEEE 802.15.4의 프로토콜 CSMA/CA 방식하에서 채널의 점유상태를 확인하는 방법에 의해서도 달성 가능하다.
상기 제 6 단계가 참인 경우, 백오프 지수(BE)를 aMaxBE보다 큰 특정의 값 aBESCB로 설정하는 것이 바람직하며, 상기 제 6 단계가 거짓인 경우, CW를 초기화하고, BE를 1만큼 증가시키는 것이 바람직하다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 가지고 있다.
첫째, 종래의 slotted CSMA/CA 방식을 따를 때의 문제점은 단말이 동일한 슬롯에서 첫 번째 CCA를 수행할 가능성이 많아 경쟁하는 단말수가 증가 할수록 수율이 낮아지는 것이다. 본 발명에서는 첫 번째 CCA에 성공하고 두 번째 CCA에 실패 하였을 경우 BE를 aBESCB값으로 설정하여 백오프구간의 선택 범위를 확장함으로써 단말들이 동일한 슬롯에서 첫 번째 CCA를 수행할 가능성을 줄여 단말들의 충돌 가능성을 줄이는 장점이 있다.
둘째, 본 발명에서는 단말이 첫 번째 CCA에 성공하고 두 번째 CCA에 실패 하였을 경우 BE를 aBESCB값으로 설정하여 백오프구간의 선택 범위를 확장함으로써 단말이 다른 단말이 프레임 전송을 하는 동안 CCA를 수행하는 횟수를 줄여 에너지 소비측면에서 단말의 프레임을 전송하기 위해 수행하는 에너지 소비를 줄이는 장점이 있다.
위의 효과들로 인하여 slotted CSMA/CA의 문제점인 경쟁 단말 수 증가에 따른 수율 감소 및 소비 에너지 증가에 대한 문제점을 해소할 수 있었다.
Slotted CSMA/CA에서 전송할 프레임이 있는 단말은 전송을 시도하기 전 CCA를 수행하여 두 번의 CCA가 연속적으로 성공 하였을 경우 프레임을 전송한다. 두 번의 CCA를 수행하는 이유는 단말이 전송해야할 데이터 프레임과 다른 단말이 데이터 프레임을 성공적으로 전송하여 받게 될 ACK 프레임과의 충돌을 피하기 위해서이다. 단말이 첫 번째 CCA를 성공하고 두 번째 CCA에서 실패한 경우 두 번째 CCA를 수행하기 이전 슬롯에서 채널이 idle하고 두 번째 CCA를 수행한 슬롯은 busy하다는 의미이다. 이것은 두 번째 CCA가 수행된 슬롯에서 다른 단말이 프레임 전송을 시작했다는 것을 의미한다. 이러한 slotted CSMA/CA의 성질을 이용하여 두 번째 CCA를 실패 했을 경우 백오프 시간을 확장시키는 Random Backoff Time 확장 알고리즘을 제안한다.
본 발명에 따른 Random Backoff Time 확장 알고리즘은 종래 slotted CSMA/CA와 마찬가지로 NB, BE 그리고 CW를 사용하며 각 계수기의 용도는 동일하다. 그리고 두 번째 CCA를 실패했을 때 사용하는 파라미터인 aBESCB를 새로 도입한다. aBESCB는 aMaxBE보다 큰 값을 가진다. 종래 slotted CSMA/CA의 경우 순서에 관계없이 CCA를 실패한 경우 BE를 1 증가시키고 백오프를 하게 되지만 Random Backoff Time 확장 알고리즘에서는 두 번째 CCA에 실패했을 경우 BE값을 aBESCB로 설정하여 백오프를 하게 된다. 따라서 단말들이 동일한 슬롯에서 첫 번째 CCA를 수행할 가능성을 줄여 충돌 발생 확률을 줄인다. 또한 백오프 기간을 확장하여 CCA횟수를 줄이는 특징이 있다. Random Backoff Time 확장 알고리즘을 사용하는 단말은 두 번째 CCA를 실패한 이후에는 첫 번째 CCA에 실패할 경우 BE를 aMaxBE값으로 설정하여 사용하게 되고 이것은 백오프 시간을 확장하는 효과를 가진다.
도 7은 IEEE 802.15.4의 본 발명에 따른 랜덤 백오프 확장 타임 통신 방식을 나타내는 순서도이다. Random Backoff Time 확장 알고리즘에서 전송할 데이터가 있는 단말은 NB와 CW를 각각 0과 2로 초기화한다(S701). BE는 battery life extension을 판단하여(S702), battery life extension을 사용하지 않는 경우 macMinBE로 초기화하고(s703), battery life extension을 사용하는 경우에는 2와 macMinBE 중에 작은 값으로 설정한다(s704). 백오프 피리어드 바운드리(backoff period boundary)를 위치시키고(s705), 단말은 채널 접근을 시도하기 전에 0~2BE-1의 범위에서 랜덤하게 선택된 정수 개의 단위 백오프 시간만큼 지연을 한 후(s706), 채널이 사용중인지 검사하기 위해 CCA를 수행한다(s707). CCA를 수행하여 채널이 사용 중인지 검사하고(s708), 채널이 사용 중이지 않으면 CW를 1 감소시키고(s709), 두 번째 CCA 수행인지를 검사한다(s710). 두 번째 CCA 수행이 아닌 경우 s707 단계부터 다시 수행한다. 두 번째 CCA를 수행하여 채널이 사용 중이지 않을 경우 다시 CW를 1 감소시킨 후 CW가 0일 경우 채널 접근에 성공하게 된다(s707, s708, s709, s710, s711). 만약 채널이 사용 중이면 CW값을 확인하여 전에 수행한 CCA가 첫 번째 인지 두 번째인지 판단을 한다(s712). CW값이 1이 아닐 경우 CW를 초기화 하고 NB와 BE를 각각 1씩 증가 시킨다(s713). CW값이 1일 경우는 두 번째 CCA를 실패한 경우이고 따라서 CW를 초기화하고 NB를 1 증가시킨 후 BE 를 aBESCB로 설정한다(s714). NB가 macMaxCSMABackoffs 보다 큰지 여부를 검사하고(s715), 조건을 만족하면 단말은 채널 접근에 실패하고(s716), 조건을 만족하지 않을 경우 s706 단계를 다시 수행하게 된다. 채널 접근에 실패하거나 경쟁하는 단말들이 동일한 슬롯에서 CCA를 수행하여 충돌이 발생하는 경우 3번의 재전송 기회가 주어진다.
도 8은 IEEE 802.15.4의 본 발명에 따른 또 다른 랜덤 백오프 확장 타임 통신 방식을 나타내는 순서도이고, 도 9는 본 발명의 채널 접근 방식의 예를 나타낸다. 본 발명에 따른 Random Backoff Time 확장 알고리즘에서 전송할 데이터가 있는 단말은 NB와 CW를 각각 0과 2로 초기화한다(S801). BE는 battery life extension을 판단하여(S802), battery life extension을 사용하지 않는 경우 macMinBE로 초기화하고(s803), battery life extension을 사용하는 경우에는 2와 macMinBE 중에 작은 값으로 설정한다(s804). 백오프 피리어드 바운드리(backoff period boundary)를 위치시키고(s805), 단말은 채널 접근을 시도하기 전에 0~2BE-1의 범위에서 랜덤하게 선택된 정수 개의 단위 백오프 시간만큼 지연을 한 후(s806), 채널이 사용중인지 검사하기 위해 CCA를 수행한다(s807). CCA를 수행하여 채널이 사용 중인지 검사하고(s808), 채널이 사용 중이지 않으면 CW를 1 감소시키고(s809), 두 번째 CCA 수행인지를 검사한다(s810). 두 번째 CCA 수행이 아닌 경우 s807 단계부터 다시 수행한다. 두 번째 CCA를 수행하여 채널이 사용 중이지 않을 경우 다시 CW를 1 감소시킨 후 CW가 0일 경우 채널 접근에 성공하게 된 다(s807, s808, s809, s810, s811). 만약 채널이 사용 중이면 CW값을 확인하여 전에 수행한 CCA가 첫 번째 인지 두 번째인지 판단을 한다(s812). CW값이 1이 아닐 경우 CW를 초기화 하고 NB와 BE를 각각 1씩 증가 시킨다(s813). CW값이 1일 경우는 첫 번째 CCA는 성공하고 두 번째 CCA를 실패한 경우이므로 CW를 초기화하고 NB를 1 증가시킨 후 BE를 aMaxBE로 설정한다(s814). NB가 macMaxCSMABackoffs 보다 큰지 여부를 검사하고(s815), 조건을 만족하면 단말은 채널 접근에 실패하고(s816), 조건을 만족하지 않을 경우 s806 단계를 다시 수행하게 된다. 채널 접근에 실패하거나 경쟁하는 단말들이 동일한 슬롯에서 CCA를 수행하여 충돌이 발생하는 경우 3번의 재전송 기회가 주어진다. 도 7의 단계와 차이점은 도 8의 경우는 aBESCB라는 파라미터를 별도로 사용할 필요가 없다는 것이다.
<성능평가>
본 발명에 따른 IEEE 802.15.4의 프로토콜 CSMA/CA 방식하에서 채널의 점유상태를 확인하는 방법에 따른 Random Backoff Time 확장 알고리즘의 성능을 평가하기 위해 N개의 단말이 한 개의 coordinator와 통신하기 위해 경쟁하는 star 토폴로지를 가정하였다. 그리고 각 단말은 프레임 전송을 성공적으로 끝낸 후에도 항상 전송할 프레임을 가지는 포화상태로 가정하였다. 슈퍼프레임은 CAP구간으로만 형성된다고 가정하며 BO (Beacon Order)는 14를 사용하였다. 시뮬레이션에 사용된 대역은 2.4GHz이며 250Kbps의 데이터 전송률과 O-QPSK(4bits/symbol)를 사용한다. 그리고 Random Backoff Time 확장 알고리즘에서 사용되는 aBESCB의 값은 6으로 설 정하였다. 표 1은 시뮬레이션에 사용된 MAC 파라미터를 나타낸다.
파라미터 값
T slot 슬롯 시간 20 symbols
T H MAC header+PHY header 전송시간 15 bytes
T P MAC payload 전송시간 25, 50, 75 bytes
T Prop propagation delay 1 μsec
t ack Data 프레임과 ACK 프레임 사이의 시간 12∼32 symbols
T Ack ACK 프레임 전송시간 11 bytes
T LIFS long IFS duration 40 symbols
도 10은 포화상태에서의 종래 slotted CSMA/CA와 본 발명에 따른 Random Backoff Time 확장 통신 방식에 따른 정규화 수율을 나타낸다. 종래 slotted CSMA/CA를 사용하는 경우 포화상태에서는 경쟁하는 단말의 수가 증가할수록 두 번째 CCA를 시도할 가능성과 전송한 프레임의 충돌 발생 가능성이 높아진다. 따라서 경쟁하는 단말의 수가 증가 할수록 포화상태에서의 정규화 수율은 낮아진다. 본 발명에 따른 om Backoff Time 확장 통신 방법을 사용하는 경우 두 번째 CCA를 실패 했을 때 BE값을 aBESCB로 설정하여 백오프를 하게 된다. 따라서 단말들이 이후에 동일한 슬롯에서 첫 번째 CCA를 수행할 가능성을 줄여 충돌 발생 확률을 줄인다. 본 발명에 따른 Random Backoff Time 확장 알고리즘을 사용하는 경우 종래 slotted CSMA/CA와 마찬 가지로 경쟁하는 단말수가 증가할수록 정규화 수율이 낮아지는 경향을 보이지만 본 발명에 따른 Random Backoff Time 확장 통신 방식의 정규화 수율이 종래 slotted CSMA/CA를 사용하는 경우보다 더 높으며 이는 본 발명의 통신 방식을 사용하는 경우에 채널이 더 효율적으로 이용된다는 것을 의미한다. 따라서 본 발명에 따른 Random Backoff Time 확장 통신 방식의 충돌 해결 능력이 종래 slotted CSMA/CA보다 더 좋은 것을 알 수 있다.
도 11은 종래 slotted CSMA/CA와 본 발명에 따른 Random Backoff Time 확장 통신 방식을 사용한 단말의 평균 MAC지연을 나타내며 MAC 지연은 전송할 프레임을 가진 단말이 채널 접근을 시도하여 프레임 전송을 성공적으로 끝마치는 시점까지의 시간을 나타낸다. 도 11에서 본 발명의 Random Backoff Time 확장 알고리즘을 사용한 단말의 평균 MAC지연이 종래 slotted CSMA/CA를 이용한 단말의 평균 MAC 지연보다 큰 것을 알 수 있다. 이는 Random Backoff Time 확장 알고리즘이 두 번째 CCA를 실패한 이후에는 첫 번째 CCA에 실패할 경우 BE를 aMaxBE값으로 설정하여 사용하게 되어 백오프로 인한 지연 시간이 늘어나기 때문이며 또한 Drop되는 프레임의 수가 종래 slotted CSMA/CA보다 작기 때문에 발생하는 결과이다.
도 12는 각 단말의 폐기된 프레임 수와 전송을 시도한 프레임의 수의 비율을 나타낸다. 본 발명에 따른 Random Backoff Time 확장 알고리즘을 사용한 단말의 경우 프레임 전송에 성공할 가능성이 종래 slotted CSMA/CA 알고리즘을 사용한 단말보다 크고 이는 종래의 알고리즘을 사용한 단말의 경우 폐기된 프레임의 개수가 본 발명에 따른 Random Backoff Time 확장 알고리즘을 사용한 단말의 폐기된 프레임보다 많다는 것을 나타낸다. 본 발명에 따른 Random Backoff Time 확장 알고리즘을 사용한 단말의 평균 MAC지연이 종래 slotted CSMA/CA를 이용한 단말의 평균 MAC 지연보다 큰 이유는 시뮬레이션 시간동안 폐기된 프레임의 수가 작기 때문이다.
도 13는 자신과 경쟁하는 단말이 존재할 때 단말이 수행한 CCA횟수와 자신과 경쟁하는 단말이 존재하지 않을 때 수행한 CCA횟수의 비율을 나타낸다. 단말이 CCA에 실패할 경우 다음에 수행하게 되는 평균 백오프 시간이 길어지기 때문에 단말이 1대 있을 경우 보다 단말 수가 증가함에 따라서 수행하게 되는 CCA횟수는 줄어들게 된다. 도 13에서 slotted CSMA/CA를 사용한 단말과 Random Backoff Time 확장 알고리즘을 사용한 단말 모두 경쟁하는 단말 수가 증가 할수록 CCA횟수가 줄어드는 경향을 보이지만 Random Backoff Time 확장 알고리즘을 사용한 단말의 CCA횟수가 종래 slotted CSMA/CA를 사용한 단말이 수행한 CCA횟수보다 더 작은 것을 알 수 있다. 프레임 전송을 위해 단위 시간당 사용하는 에너지 중에서 CCA를 위해 사용하는 에너지가 채널이 휴지할 때 소비하는 에너지보다 더 크기 때문에 CCA횟수의 감소는 에너지 측면에서의 효율성을 높이는 효과를 가진다. 따라서 본 발명에 ㄸ따따른 om Backoff Time 확장 알고리즘이 종래 slotted CSMA/CA보다 에너지 효율 측면에서 더 좋음을 확인할 수 있다.
도 1은 일반적인 IEEE 802.15.4 네트워크 토폴로지를 나타낸다.
도 2는 일반적인 IEEE 802.15.4 슈퍼프레임의 구성을 나타내는 도면.
도 3은 IEEE 802.15.4의 종래 slotted CSMA/CA의 동작방식을 나타내는 순서도를 나타낸다.
도 4는 IEEE 802.15.4의 종래 slotted CSMA/CA 채널 접근 방식의 예를 나타낸다.
도 5는 프레임 간의 충돌이 발생한 경우와 단말이 두 번째 CCA에 실패한 경우를 나타낸다.
도 6은 2.4GHz 대역의 포화상태조건에서 매체를 공유하는 단말 수의 증가에 따른 slotted CSMA/CA의 수율(Throughput)을 나타낸다.
도 7은 IEEE 802.15.4의 본 발명에 따른 랜덤 백오프 확장 타임 통신 방식을 나타내는 순서도이다.
도 8은 IEEE 802.15.4의 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 랜덤 백오프 확장 타임 통신 방식을 나타내는 순서도이다.
도 9은 본 발명의 채널 접근 방식의 예를 나타낸다.
도 10은 포화상태에서의 종래 slotted CSMA/CA와 본 발명에 따른 Random Backoff Time 확장 통신 방식에 따른 정규화 수율을 나타낸다.
도 11은 종래 slotted CSMA/CA와 본 발명에 따른 Random Backoff Time 확장 통신 방식을 사용한 단말의 평균 MAC지연을 나타낸다.
도 12는 각 단말의 폐기된 프레임 수와 전송을 시도한 프레임의 수의 비율을 나타낸다.
도 13은 자신과 경쟁하는 단말이 존재할 때 단말이 수행한 CCA횟수와 자신과 경쟁하는 단말이 존재하지 않을 때 수행한 CCA횟수의 비율을 나타낸다.

Claims (6)

  1. IEEE 802.15.4의 프로토콜 슬롯사용 CSMA/CA 방식하에서 하나의 무선 채널을 다수의 단말기가 공유할 때에 채널 점유 요구가 서로 충돌되지 않도록 채널의 점유상태를 확인하는 방법에 있어서,
    프레임을 전송하기 전에 시도하는 CCA를 위해 사용되는 계수기(CW)를 2로 초기화시키는 제 1단계;
    사용하고자 하는 채널이 점유 중인지 여부를 판단하는 제 2 단계;
    상기 제 2 단계에서 채널이 점유 중이지 않은 경우, CW를 1 감소시키는 제 3 단계;
    상기 채널이 점유 중인지 여부를 다시 판단하는 제 4 단계; 및
    상기 제 4 단계의 판단 결과 채널이 점유 중일 경우, 상기 CW가 '1' 값을 갖는 지의 여부를 판단하는 제 5 단계를 포함함으로써, 첫 번째 CCA가 실패한 경우와 두 번째 CCA가 실패한 경우 랜덤 백오프 시간을 결정하기 위한 백오프 지수(BE)를 상이하게 할당하여 백오프 시간을 서로 다르게 결정하는 것을 특징으로 하는 IEEE 802.15.4의 프로토콜 CSMA/CA 방식하에서 채널의 점유상태를 확인하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 5 단계가 참인 경우, 백오프 지수(BE)를 aMaxBE로 설정하는 제 6단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 IEEE 802.15.4의 프로토콜 CSMA/CA 방식하에 서 채널의 점유상태를 확인하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 5 단계가 거짓인 경우, CW를 초기화하고, BE를 1만큼 증가시키는 것을 특징으로 하는 IEEE 802.15.4의 프로토콜 CSMA/CA 방식하에서 채널의 점유상태를 확인하는 방법.
  4. IEEE 802.15.4의 프로토콜 슬롯사용 CSMA/CA 방식하에서 하나의 무선 채널을 다수의 단말기가 공유할 때에 채널 점유 요구가 서로 충돌되지 않도록 채널의 점유상태를 확인하는 방법에 있어서,
    프레임을 전송하기 전에 시도하는 CCA를 위해 사용되는 계수기(CW) 및 단말이 하나의 프레임을 전송하기 위해 채널에 접근을 시도한 횟수(NB)를 0으로 초기화시키는 제 1 단계;
    0~2BE-1의 범위에서 랜덤하게 선택된 정수 개의 단위 백오프 시간만큼 지연시키는 제 2 단계;
    사용하고자 하는 채널이 점유 중인지 여부를 판단하는 제 3 단계;
    상기 제 3 단계에서 채널이 점유 중이지 않은 경우, CW를 1 감소시키는 제 4 단계;
    상기 채널이 점유 중인지 여부를 다시 판단하는 제 5 단계; 및
    상기 제 5 단계의 판단 결과 채널이 점유 중일 경우, 상기 CW가 '1' 값을 갖는 지의 여부를 판단하는 제 6 단계를 포함함으로써, 첫 번째 CCA가 실패한 경우와 두 번째 CCA가 실패한 경우 랜덤 백오프 시간을 결정하기 위한 백오프 지수(BE)를 상이하게 할당하여 백오프 시간을 서로 다르게 결정하는 것을 특징으로 하는 IEEE 802.15.4의 프로토콜 CSMA/CA 방식하에서 채널의 점유상태를 확인하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 6 단계가 참인 경우, 백오프 지수(BE)를 aMaxBE보다 큰 특정의 값 aBESCB로 설정하는 제 7단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 IEEE 802.15.4의 프로토콜 CSMA/CA 방식하에서 채널의 점유상태를 확인하는 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제 6 단계가 거짓인 경우, CW를 초기화하고, BE를 1만큼 증가시키는 것을 특징으로 하는 IEEE 802.15.4의 프로토콜 CSMA/CA 방식하에서 채널의 점유상태를 확인하는 방법.
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