KR100999686B1 - Real-time synchronization method for hybrid network - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a real time synchronization method for a hybrid network.

더욱 상세하게는, (a) 코디네이터는 반복적인 슈퍼프레임의 첫 부분에서 비콘 메시지를 상기 코디네이터의 네트워크 영역에 방송을 하고 상기 비콘 메시지를 통해 각 노드는 주파수 오차에 의해 지연된 노드의 클럭을 상기 코디네이터와 근사한 값으로 보정하는 단계와, (b) 순차노드가 타임 슬롯에서 메시지를 코디네이터로 보내기 위해 방송을 하고, 경쟁 접근 노드는 상기 메시지를 통해 채널 전송 지연 1을 얻는 단계와, (c) 상기 (a)단계를 수행한 슈퍼프레임의 다음순서에서 상기 코디네이터가 비콘메시지를 방송하고 상기 방송된 비콘메시지를 통해 채널 전송 지연 2를 얻는 단계 및 (d) 상기 채널 전송지연의 양방향 값을 더하여 평균값을 계산하고 계산된 평균값을 통해 각 노드의 클럭을 보정하는 단계를 포함하는 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법에 관한 것이다.More specifically, (a) the coordinator broadcasts a beacon message to the coordinator's network area at the beginning of a repetitive superframe, and through the beacon message, each node sends the clock of the node delayed by the frequency error to the coordinator. Calibrating to an approximate value, (b) the sequential node broadcasts to send a message to the coordinator in a time slot, and the contention access node obtains channel transmission delay 1 through the message, and (c) the (a) The coordinator broadcasts a beacon message in the next sequence of performing the superframe, and obtains a channel transmission delay 2 through the broadcast beacon message; and (d) calculates an average value by adding bidirectional values of the channel transmission delay. Implementation for a hybrid network comprising calibrating the clock of each node through the calculated mean value It relates to a method of synchronization.

본 발명은 유무선 혼합 상황을 고려한 실시간 동기화 방법을 제공함으로써 이종의 네트워크간의 동기화 데이터 전송 및 제어의 효율성을 향상시키는 효과가 있다.The present invention has an effect of improving the efficiency of the synchronization data transmission and control between heterogeneous networks by providing a real-time synchronization method considering the wired and wireless mixed situation.

하이브리드, 네트워크, 가중치 오프셋, RBS Hybrid, network, weight offset, RBS

Description

하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법{REAL-TIME SYNCHRONIZATION METHOD FOR HYBRID NETWORK}REAL-TIME SYNCHRONIZATION METHOD FOR HYBRID NETWORK}

본 발명은 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개선된 RBS 알고리즘, 가중치 기반의 오프셋 알고리즘 및 차등 BP기법을 적용한 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a real time synchronization method for a hybrid network, and more particularly, to a real time synchronization method for a hybrid network to which an improved RBS algorithm, a weight-based offset algorithm, and a differential BP technique are applied.

일반적으로 공장 자동화 시스템에서 제어기와 센서/구동기(Sensor/Actuator)를 연결시키는 네트워크는 중요한 요소이다. 센서와 구동기는 로봇, 콘베이어, 자동 도장 라인 등에 다수가 혼재되어 사용되어진다. 이들 유기적으로 동작하여야 하므로 각 장치간의 통신과 제어를 위한 네트워크 시스템이 필요하게 된다.In general, the network connecting the controller and the sensor / actuator is an important element in a factory automation system. Many sensors and drivers are used in robots, conveyors, automatic painting lines, etc. Since they must operate organically, a network system for communication and control between devices is required.

현재 산업망에 주로 쓰이는 네트워크 프로토콜은 실시간이 지원되는 유선 필드버스를 사용한다. 유선망을 이용할 경우 안정적인 통신이 가능하지만 배선과 시설 유지 등이 어렵다. 이러한 단점의 대안으로 무선을 이용한 제어 네트워크가 제안되었다.Currently, the network protocol mainly used in the industrial network uses a wired fieldbus that supports real time. If wired network is used, stable communication is possible, but wiring and facility maintenance are difficult. As an alternative to these drawbacks, a control network using wireless has been proposed.

무선 통신 기술은 공장 환경에서 장치 연결의 어려움과 배선비용 등을 절감 하게 하는 장점이 있다. 하지만 전송의 부정확성 때문에 실시간성이 감소되고 채널의 대역폭이 작아 적용이 어려웠다. 최근에는 무선 통신 기술의 성능과 신뢰성이 향상되고, 무선기기들의 가격이 저렴해지면서 무선 통신 기술을 이용한 산업용 네트워크 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Wireless communication technology has the advantage of reducing the difficulty of connecting devices and wiring costs in the factory environment. However, due to transmission inaccuracy, the real-time is reduced and the bandwidth of the channel is small, making it difficult to apply. Recently, as the performance and reliability of the wireless communication technology is improved, and the price of the wireless devices is lowered, researches on the industrial network device using the wireless communication technology are actively conducted.

기존의 산업용 통신망에 무선 통신 기술을 적용하기에 적합한 형태가 유무선 게이트웨이이다. 유선과 무선에 쓰이는 프로토콜은 매체접근에서 방식이 다르므로 단순 연결은 불가능하므로 유무선 게이트웨이는 서로 다른 매체접근에 따른 통신 우선순위와 최대지연 요소에 대해서 제어하는 기능을 가진다. 그리고 유선과 무선의 중간에서 양측 네트워크의 메시지 전송과 노드 제어 역할을 하게 된다.Wired and wireless gateways are a type suitable for applying wireless communication technology to existing industrial communication networks. Since the protocols used for wired and wireless are different in media access, simple connection is impossible, so the wired / wireless gateway has a function to control the communication priority and maximum delay factor according to different media access. And between wired and wireless, it plays the role of message transmission and node control of both networks.

유무선 게이트웨이는 이종 네트워크를 연결하여 무선과 유선의 분산 시스템 구조를 형성한다. 이러한 분산시스템에서 유무선 네트워크 상호간의 메시지 전달 시에 서로간의 매체접근 시간차로 인한 지연은 제어의 실시간성을 감소시킨다. 네트워크의 실시간성을 보장하기 위해서는 게이트웨이를 통한 양측 네트워크의 동기화 제어가 필요하고, 각 노드의 실시간 동기화를 위해 기존의 알고리즘에 추가적인 기법이 요구된다.Wired and wireless gateways connect heterogeneous networks to form a distributed system structure between wireless and wired. In such a distributed system, delays due to media access time differences between wired and wireless networks reduce real-time control. In order to guarantee the network real-time, it is necessary to control the synchronization of both networks through the gateway, and additional techniques are required for the existing algorithm for real-time synchronization of each node.

여러 형태의 분산 시스템 구조에서 각 노드는 일정한 시간 범위 내에서의 동기화가 필요하다. 기존의 유선망과 무선망에 사용되어지는 동기화 알고리즘은 유사하지만, 각 노드의 적용에 다른 방식을 가진다. 무선망은 매체의 공간적인 제약으로 인해 각 노드의 동기화가 유선에 비해 상대적으로 어렵다. 무선망의 노드는 메시지 전송 간격에 따라 동기화가 이루어지기 때문에 장시간 전송이 없을 경우 시간 적인 오차가 커진다. 누적된 오차는 전달하는 메시지의 시간에 영향을 주고, 제어 메시지의 경우 네트워크의 오작동을 유발하게 된다. 또한, 채널 접근을 위한 경쟁구간에서 서로 다른 시간으로 시작하게 되어 채널의 이용률이 감소한다.In many types of distributed system architectures, each node needs synchronization within a certain time frame. Synchronization algorithms used in the existing wired and wireless networks are similar, but have different schemes for the application of each node. In the wireless network, due to the spatial constraints of the medium, synchronization of each node is relatively difficult compared to the wire. Nodes in the wireless network are synchronized according to the message transmission interval, so the time error increases when there is no transmission for a long time. Accumulated errors affect the time of message delivery, and control messages cause network malfunction. In addition, the utilization rate of the channel is reduced by starting at different times in the competition section for channel access.

이러한 동기화 문제들을 해결하기 위해서 동기화 알고리즘을 사용하지만, 이종의 네트워크가 공존하게 되면 양자의 적용방식이 다르기 때문에 정확한 동기화가 어려운 문제점이 있었다.In order to solve these synchronization problems, a synchronization algorithm is used. However, when heterogeneous networks coexist, there is a problem that accurate synchronization is difficult because both applications are different.

[참조 문헌]References

[1] Morel, P., Croisier, A., “A wireless gateway for fieldbus”, IEEE International Symposium of Wireless: Merging onto the Information Superhighway, Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 27-29 Sept, 1995, Page:105 - 109 vol.1[1] Morel, P., Croisier, A., “A wireless gateway for fieldbus”, IEEE International Symposium of Wireless: Merging onto the Information Superhighway, Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 27-29 Sept, 1995, Page: 105-109 vol. 1

[2] IEEE 1588 standard : Precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[2] IEEE 1588 standard: Precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems

[3] J. Elson, L. Girod, D. Estrin, “Fine-grained network time synchronization using reference broadcasts”, ACM Operating Systems Review, Volume 36, Issue SI, December 2002, Pages 47-163[3] J. Elson, L. Girod, D. Estrin, “Fine-grained network time synchronization using reference broadcasts”, ACM Operating Systems Review, Volume 36, Issue SI, December 2002, Pages 47-163

[4] IEEE standards for local area networks: token ring access method and physical layer specifications, 29 Sept, 1989[4] IEEE standards for local area networks: token ring access method and physical layer specifications, 29 Sept, 1989

[5] J. Elson, K. Romer, “Wireless Sensor Networks: A new regime for time synchronization”, ACM SIGCOMM Computer Communication Review, Volume 33, Issue 1, January 2003, Pages 149-154[5] J. Elson, K. Romer, “Wireless Sensor Networks: A new regime for time synchronization”, ACM SIGCOMM Computer Communication Review, Volume 33, Issue 1, January 2003, Pages 149-154

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 이종의 네트워크간의 동기화 데이터 전송 및 제어의 효율성을 향상시키기 위한 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a real-time synchronization method for a hybrid network for improving the efficiency of synchronization data transmission and control between heterogeneous networks.

전술한 본 발명의 목적은, (a) 코디네이터는 반복적인 슈퍼프레임의 첫 부분에서 비콘 메시지를 상기 코디네이터의 네트워크 영역에 방송을 하고 상기 비콘 메시지를 통해 각 노드는 주파수 오차에 의해 지연된 노드의 클럭을 상기 코디네이터와 근사한 값으로 보정하는 단계와, (b) 순차노드가 타임 슬롯에서 메시지를 코디네이터로 보내기 위해 방송을 하고, 경쟁 접근 노드는 상기 메시지를 통해 채널 전송 지연 1을 얻는 단계와, (c) 상기 (a)단계를 수행한 슈퍼프레임의 다음순서에서 상기 코디네이터가 비콘메시지를 방송하고 상기 방송된 비콘메시지를 통해 채널 전송 지연 2를 얻는 단계 및 (d) 상기 채널 전송지연의 양방향 값을 더하여 평균값을 계산하고 계산된 평균값을 통해 각 노드의 클럭을 보정하는 단계를 포함하는 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법을 제공함으로써 달성된다.The object of the present invention described above is that (a) the coordinator broadcasts a beacon message in the network area of the coordinator at the first part of the repetitive superframe, and through the beacon message, each node receives the clock of the node delayed by the frequency error. Calibrating to a value close to the coordinator, (b) the sequential node broadcasts to send a message to the coordinator in a time slot, and the contention access node obtains channel transmission delay 1 through the message, and (c) Acquiring a beacon message by the coordinator in a next sequence of the superframe in which step (a) is performed, and obtaining a channel transmission delay of 2 through the broadcast beacon message; Calculating a value and calibrating the clock of each node using the calculated average value. It is achieved by providing a real-time synchronization method.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법은, (e) 상기 채널전송지연의 평균값을 구하는 단계와, (f) 상기 평균값을 이용하여 상대 노드와의 주파수 오차를 구하는 단계 및 (g) 상기 (f)단계를 통 해 구해진 주파수 오차의 평균값을 유지하는 단계를 더 포함한다.The real-time synchronization method for a hybrid network according to an embodiment of the present invention, (e) calculating the average value of the channel transmission delay, (f) calculating the frequency error with the partner node using the average value and (g) further comprising maintaining an average value of the frequency errors obtained through step (f).

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법은,하기 식으로 구해진다.A real time synchronization method for a hybrid network according to an embodiment of the present invention is obtained by the following equation.

(수학식)

Figure 112010054246466-pat00001

여기서, T1은 상기 코디네이터의 방송 시각, T2는 해당 노드의 방송 수신 시각, T3은 해당 노드의 방송 시각, T4는 상기 코디네이터의 방송 수신 시각이다.(Mathematical formula)
Figure 112010054246466-pat00001

Here, T1 is a broadcast time of the coordinator, T2 is a broadcast reception time of a corresponding node, T3 is a broadcast time of a corresponding node, and T4 is a broadcast reception time of the coordinator.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법은, 하기 식을 통해 가중치 W를 구한다.,In the real-time synchronization method for a hybrid network according to an embodiment of the present invention, a weight W is obtained through the following equation.

(수학식)

Figure 112010054246466-pat00059
(Mathematical formula)
Figure 112010054246466-pat00059

여기서, BP는 임의의 백오프 값이다 Where BP is any backoff value

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법에서 평균채널 전송지연값은 하기 식을 통해 구해진다. In the real-time synchronization method for a hybrid network according to an embodiment of the present invention, the average channel transmission delay value is obtained through the following equation.

(식)

Figure 112008029833906-pat00003
(expression)
Figure 112008029833906-pat00003

여기서, d 는 평균채널 전송지연값이다. Here, d is an average channel transmission delay value.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법에서 주파수오차의 횟수는 하기 식으로 구해진다. In the real-time synchronization method for a hybrid network according to an embodiment of the present invention, the number of frequency errors is obtained by the following equation.

(수학식)

Figure 112008029833906-pat00004
(Mathematical formula)
Figure 112008029833906-pat00004

여기서, α 는 주파수 오차의 횟수이다. Where α is the number of frequency errors.

상술한 바와 같이 본 발명인 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법은 유무선 혼합 상황을 고려한 실시간 동기화 방법을 제공함으로써 이종 네트워크간의 동기화 데이터 전송 및 제어의 효율성을 향상시키는 효과가 있다.As described above, the real-time synchronization method for the hybrid network of the present invention has an effect of improving the efficiency of synchronization data transmission and control between heterogeneous networks by providing a real-time synchronization method considering the wired and wireless mixed situation.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, a real time synchronization method for a hybrid network according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 서로 다른 전송기술을 가지는 유선과 무선의 네트워크를 중간에서 제어하는 게이트웨이를 설계한다. 양측의 네트워크를 통해 서로 전달되는 메시지에 대해 중간 제어 계층인 게이트웨이 내부에서 실시간적인 동기화를 보장하는 모델을 제시한다. 유선과 무선에 사용된 프로토콜은 CAN(ISO11898)과 LR-WPAN(802.15.4) 이다. The present invention designs a gateway for controlling a wired and wireless network having different transmission technologies in between. We present a model that guarantees real-time synchronization inside the gateway, which is an intermediate control layer, for messages passing through both networks. The protocols used for wired and wireless are CAN (ISO11898) and LR-WPAN (802.15.4).

서로 다른 두개의 매체를 이용하는 네트워크에 대해 전체 기준 시간과 각 노드의 시간 동기화에 대한 문제점을 분석한다. 공유 채널에서의 동기화 문제로 인해 일어나는 채널 사용 효율의 감소와 각 노드의 서로 다른 클럭으로 센싱 시간의 오 차가 일어나는 것을 해결하는 알고리즘에 관한 것이다.For the network using two different media, we analyze the problems of the total reference time and the time synchronization of each node. The present invention relates to an algorithm that solves a reduction in channel usage efficiency caused by synchronization problems in a shared channel and an error in sensing time caused by different clocks of each node.

본 발명은 유무선 각각에 사용된 기존의 동기화 방식과 제안된 알고리즘에 대해 모의실험을 하고 성능에 대해 비교 분석한다.The present invention simulates the existing synchronization scheme and the proposed algorithm used for each of the wired and wireless, and compares and analyzes the performance.

본 발명에서 이용하는 유무선 프로토콜은 마스터와 슬레이브로 구성되는 1차적인 계층구조를 가지며, 중간계층인 게이트웨이가 양측 네트워크의 마스터가 된다.The wired / wireless protocol used in the present invention has a primary hierarchical structure consisting of a master and a slave, and a gateway, which is an intermediate layer, becomes a master of both networks.

산업용 환경에 적용을 위해 비확인(non acknowlegement)의 통신방식을 가진다. 지연요소는 전송지연과 노드의 로컬클럭 주파수지연이 적용되고 외부 지연요소에는 적용하지 않는다.It has a non acknowledgment communication method for application in industrial environment. The delay factor is applied to the transmission delay and local clock frequency delay of the node and not to the external delay factor.

프로세서의 처리로 인한 지연은 상대적으로 작으므로 포함하지 않는다.The delay due to processor processing is relatively small and is not included.

대부분의 산업용 분산 네트워크에서는 시간 동기화를 해결하기 위한 연구들이 이루어져 왔다. 기본적인 방식은 내부적인 궤환을 통해 클럭을 보정하는 것과 노드의 시간 교환을 통해 동기화를 하는 두 가지로 나누어진다. 전자의 경우 절대적인 시간에 각 노드가 스스로 시간을 동기화 하는 것으로 기준클럭이 정밀하여야 한다. 이로 인해 대부분의 네트워크 동기화는 시간을 분배하는 후자의 방식을 취하고 있다. 각 노드간의 진동소자는 성능차이가 있지만 세계협정시각(UTC)은 매우 정확도가 높다. 이러한 기준 클럭을 각 노드에 전달하는 방식은 대표적으로 NTP와 RBS가 있다.Most industrial distributed networks have been studied to solve time synchronization. There are two basic approaches: calibrating the clock through internal feedback and synchronizing through the time exchange of nodes. In the former case, the reference clock must be precise as each node synchronizes its own time in absolute time. As a result, most network synchronizations take the latter way of distributing time. Vibration elements between nodes have performance differences, but Coordinated Time (UTC) is very accurate. Representative methods of delivering such a reference clock to each node are NTP and RBS.

NTP(Network Time Protocol)는 다중 홉의 네트워크에서 좋은 성능을 가지는 동기화 방식이다. 여러 분산 시스템 알고리즘에 참고 모델이 되었으며, 인터넷의 시간 동기화 표준으로 사용되어지고 있다. NTP는 컴퓨터 클럭 시각을 1ms 이하까지 동기화를 보장하며 기준 클럭으로는 세계협정시각(UTC)를 사용한다. 각 노드를 계층별로 분류하고, 서버와 클라이언트 관계로 시간을 분배한다. 동기화를 위한 독립적인 프레임을 사용하고, 프레임 내부에 여러 가지 시간 정보를 보관하게 된다. 기본적인 원리는 도 1에 도시된 바와 같이 타임 스탬프(T1~T4)를 이용하여 타임 스탬프(T1~T4)를 이용하여 하기 식1로 간단히 나타낼 수 있다.Network Time Protocol (NTP) is a synchronization method that performs well on multi-hop networks. It has become a reference model for many distributed system algorithms and is used as a time synchronization standard on the Internet. NTP guarantees synchronization of the computer clock time to less than 1ms and uses Coordinated Time (UTC) as the reference clock. Classify each node by layer and distribute time between server and client. It uses independent frames for synchronization and keeps various time information inside the frames. As shown in FIG. 1, the basic principle may be simply expressed by Equation 1 using time stamps T1 to T4 using time stamps T1 to T4.

Figure 112008029833906-pat00005
Figure 112008029833906-pat00005

마스터가 시간 서버가 되고 슬레이브가 클라이언트가 되는 구조로 채널간의 전송지연(Dp)를 이용한다. 전송지연을 제외한 시간을 비교하여 서버의 시간과 동기화를 하게 된다. 이러한 방식은 대부분의 동기화 알고리즘에 쓰이고 있다.It uses transmission delay (D p ) between channels in a structure where master becomes time server and slave becomes client. It compares the time except transmission delay and synchronizes with the time of server. This approach is used for most synchronization algorithms.

NTP는 각 계층에 대한 시각정보를 계속적으로 유지하여 계층간의 동기화를 하며 다중계층에서 좋은 성능을 보인다.NTP continuously maintains visual information for each layer to synchronize between layers and shows good performance in multiple layers.

무선 네트워크에서 사용되는 통신은 기본적으로 방송(broadcast)을 통해 동작한다. 이런 무선 매체의 특성을 이용하여 시간 메시지 교환 방식을 제안한 기법이 RBS이다. 방송에 의한 송수신은 하나의 채널을 공유하는 의미를 가지기 때문에 여러 노드가 그 정보를 참조할 수 있다.Communication used in a wireless network basically operates through a broadcast. RBS is a technique that proposes a time message exchange method using the characteristics of such a wireless medium. Since transmission and reception by broadcasting have a meaning of sharing one channel, several nodes may refer to the information.

RBS의 방송 참조 방식은 에너지 소모를 감소시키며, 영역내의 기준이 되는 노드와의 동기화를 용이하게 하여 센서 네트워크의 동기화 방법으로 적합하다. 도 2는 RBS의 간단한 시각정보 분배 방식을 나타낸 도면이다.The broadcast reference method of the RBS reduces energy consumption and facilitates synchronization with a node that is a reference in the area, and thus is suitable as a synchronization method of a sensor network. 2 is a diagram illustrating a simple visual information distribution method of the RBS.

센더(sender)가 전송하는 시각정보를 다른 리시버(receiver)들이 참조하는 방식이다. 하나의 영역내에서 빈번한 시각정보의 전송은 여러 노드들의 참조를 요구하게 되어 프로세싱 과정의 부하가 일어나게 된다. This is a method in which other receivers refer to time information transmitted by a sender. Frequent transmission of visual information in one area requires reference of several nodes, which puts a heavy load on the processing process.

이것을 해결하기 위해 각 노드는 전파의 수신감도를 통해 참조하고자 하는 노드를 선별한다.To solve this problem, each node selects a node to refer to through the reception sensitivity of radio waves.

이러한 방식은 유선에서 채널을 공유하는 버스형 네트워크에도 적용될 수 있다. 이더넷(Ethernet)과 산업망의 경우 버스형의 네트워크를 구성하고 채널에서의 프레임 충돌을 감지하기 위해 참조 방식을 사용한다.This approach also applies to bus-like networks that share channels over the wire. Ethernet and industrial networks use a reference scheme to construct a bus-type network and detect frame collisions on channels.

본 발명에서 제안할 환경은 유무선 공유 네트워크이다. 이것은 기존의 단일 프로토콜의 네트워크와는 달리 유선과 무선의 서로 다른 특성의 매체를 사용하는 네트워크이다. The environment proposed in the present invention is a wired / wireless sharing network. This is a network that uses a medium of different characteristics, wired and wireless, unlike a single protocol network.

유선은 일반적으로 하나의 채널을 공유하기 위한 방법으로 CSMA/CD를 이용한다. CSMA/CD는 채널의 선점여부를 확인하고, 전송 후 일어나는 전송 충돌을 감지함으로 매체접근을 확보한다. 이와 달리 무선은 특정한 공간을 공유 매체로 하여 통신을 하게 되므로 유선과 같이 전송 충돌을 확인하기 어렵다. 일반적으로 임의의 시간을 통한 충돌 회피 방법을 적용하는 CSMA/CA를 사용한다. 이러한 서로 다른 매체 접속 특성은 각 노드의 동기화에 영향을 미치게 된다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기본 환경이 되는 네트워크 구성도이다.Wirelines generally use CSMA / CD as a way to share one channel. CSMA / CD secures media access by checking channel preemption and detecting transmission collisions after transmission. On the other hand, since wireless communicates using a specific space as a shared medium, it is difficult to check a transmission collision like a wire. In general, CSMA / CA is used to apply a collision avoidance method through arbitrary time. These different media access characteristics affect the synchronization of each node. 3 is a network diagram illustrating a basic environment according to an embodiment of the present invention.

도 3과 같이 네트워크 A는 유선으로 구성되며, 네트워크 B는 무선으로 구성 된다. 중간 계층의 역할을 하게 되는 게이트웨이는 네트워크 A와 B의 마스터 역할을 하게되며, 필요한 센싱 데이터를 얻거나 제어를 위한 데이터를 전송한다.As shown in FIG. 3, network A is configured by wire, and network B is configured by wireless. The gateway, which acts as the middle layer, acts as a master of networks A and B, and acquires necessary sensing data or transmits data for control.

네트워크 A에서 발생한 특정 메시지는 네트워크 B의 노드들에게 영향을 줄 수 있으며, 역으로도 가능하다. 그러나 매체 접속의 특성상 무선은 임의의 시간에 의한 충돌 회피로 인해 네트워크 A에서 B로의 전송은 불확정적이다.Certain messages originating from network A can affect nodes in network B and vice versa. However, due to the nature of medium access, the transmission from network A to B is indeterminate due to radio avoidance of collision by arbitrary time.

유선 네트워크 A의 경우 무선 네트워크 B에 비해 상대적으로 매체 접속을 위한 시간이 작으며, 전송속도도 크다. 그러므로 네트워크 A에서 네트워크 B로의 메시지 및 제어신호 전파는 네트워크 B의 채널상황에 의해 제한된다. 실험부분에서도 언급되지만, 유선 네트워크에서의 각 노드 동기화와 채널 접근 지연 은 무선 네트워크에 비해 작다. 그러므로 본 발명은 무선 네트워크의 채널 접속 지연과 각 노드의 시각 오차를 보정하기 위한 알고리즘에 중점을 두었다.In the case of wired network A, the time for accessing the media is relatively shorter and the transmission speed is higher than that of the wireless network B. Therefore, message and control signal propagation from network A to network B is limited by the network condition of network B. As mentioned in the experimental section, each node synchronization and channel access delay in the wired network is small compared to the wireless network. Therefore, the present invention has focused on an algorithm for correcting channel access delay and visual error of each node in a wireless network.

산업용 통신망에서 기존의 유선망에 무선 통신 기술을 적용하면 배선으로 인한 비용이 절감되고, 토폴로지(topology)가 유선에 비해 자유롭게 구성될 수 있다. Application of wireless communication technology to an existing wired network in an industrial communication network reduces costs due to wiring and allows a topology to be freely configured compared to a wired network.

하지만 무선망은 유선망에 비해 전송 대역폭이 작고 재전송에 따른 지연으로 인해 정확한 시간에의 전송이 불확실하다.However, the wireless network has a smaller transmission bandwidth than the wired network and the transmission at the correct time is uncertain due to the delay caused by the retransmission.

산업용 통신망 환경에서는 각 장치 간의 통신이 정확하고 신뢰되는 시간안에 이루어져야 한다. 그러므로 유무선 게이트웨이에서는 유선망과 무선망의 양쪽에 대해 메시지 전송을 위한 관리와 전체 네트워크의 시간 동기화를 위한 기술이 요구된다.In an industrial network environment, communication between devices must occur in a time that is accurate and reliable. Therefore, in wired and wireless gateways, a technique for managing message transmission and time synchronization of the entire network is required for both wired and wireless networks.

무선통신 기법과 산업용 통신망은 밀접한 관계를 가지고 있다. 이는 채널을 공유하는 계층 형태의 네트워크 구조를 가지기 때문이다. CAN통신은 CSMA/CD-NDBA로 통신을 하며, LR-WPAN은 CSMA/CA-CCA로 통신을 한다. CSMA는 공통되는 요소로 하나의 채널을 공유하는 통신에 사용되는 방법이다. 하나의 채널을 공유함으로서 여러 노드는 채널참여를 위해 정확한 시간이 요구되기 때문에 동기화가 필요하다. 이러한 동기화를 위해서는 노드 상호간의 지연요소에 대한 분석이 필요하다.Wireless communication techniques and industrial networks are closely related. This is because it has a hierarchical network structure for sharing channels. CAN communication uses CSMA / CD-NDBA, and LR-WPAN communicates with CSMA / CA-CCA. CSMA is a method used for communication sharing one channel as a common element. By sharing one channel, multiple nodes need synchronization because the exact time is required for channel participation. This synchronization requires analysis of delay between nodes.

도 4는 간단한 유무선 공유네트워크의 전송 지연을 표현한 도면이다.4 is a diagram illustrating a transmission delay of a simple wired / wireless sharing network.

도 4와 같이 유선과 무선은 각각의 네트워크에서 하나의 채널을 공유하여 사용한다. 그리고 유무선 게이트웨이는 중간계층으로 두 네트워크의 마스터 역할을 하게된다. 도 4에서 녹색 선은 마스터와 슬레이브간에 통신이 일어날 때 생기는 전송 지연을 나타낸다.As shown in FIG. 4, wired and wireless share and use one channel in each network. The wired and wireless gateways serve as masters of both networks as the middle layer. In FIG. 4, the green line represents the transmission delay that occurs when communication occurs between the master and the slave.

전송지연에는 여러가지 요인이 있으며, 주로 트랜시버의 처리과정과 채널의 잡음, 신호 충돌로 인한 지연이 원인이다. 위의 두 노드 사이의 전송지연은 다음 도 5와 같이 표현된다.There are many factors in the transmission delay, mainly due to transceiver processing, channel noise and signal collisions. The transmission delay between the above two nodes is expressed as shown in FIG.

유선 네트워크의 센서 1이 게이트웨이에 데이터를 전송할 때의 지연을 Ds p이라 정의하고, 각각의 Ds Pi로 정의할 수 있다. 구동기로 동작하는 드라이브는 각각 DD Pi 로 나타낸다.Delay when the sensor 1 of the wired network transmits data to the gateway can be defined as D s p and each D s Pi . Each drive acting as a driver is represented by D D Pi .

센서와 구동기는 동작의 역할만 다를 뿐 전송지연에서는 큰 차이가 없으므로 아래의 수학식 2에 나타난 바와 같다. Since the sensor and the driver differ only in the role of the operation, there is no significant difference in the transmission delay, as shown in Equation 2 below.

Ds Pi ≒ DD Pi D s Pi ≒ D D Pi

두 전송지연을 동일하게 적용하면 유선에서의 전송지연은 공통적으로 DPi로 표현할 수 있다. 무선 네트워크에서의 전송지연도 마찬가지로 센서와 구동기 간의 지연요소에서 차이가 없으므로 DW Pi와 같이 표현한다.If both transmission delays are applied equally, the transmission delay on the wire can be expressed as D Pi in common. Similarly, the transmission delay in the wireless network is expressed as D W Pi because there is no difference in the delay between the sensor and the driver.

채널의 효율을 감소시키는 다른 하나의 요인은 각 노드의 로컬 클럭 변화이다. 노드 자체의 시간을 처리하는 전동소자는 내외부적인 요인으로 주파수 오차를 가지게 된다.Another factor that reduces the efficiency of the channel is the local clock change at each node. Power elements that process the time of the node itself have frequency errors as internal and external factors.

주로 다음의 표1 와 같이 진동소자는 여러 요인으로 오차가 생긴다.Mainly, as shown in the following Table 1, the vibrating element has errors due to various factors.

Figure 112008029833906-pat00006
Figure 112008029833906-pat00006

위의 표 1에서와 같이 온도와 압력 시간에 따라 오차가 생긴다. 오차의 단위는 PPM(part per million)으로 50ppm은 소자가 백만번 진동할 때 50의 오차가 발생하는 것을 의미한다. 이것을 토대로 하나의 노드에서 사용되는 진동소자에서의 시간 C(t)는 초기 값 C(t0)에서 진동소자의 주파수 k·w(τ))(여기서 k는 상수, w(τ)는 각주파수임)의 합으로 나타내며, 아래와 같은 수학식 3으로 표현되어 진다.As shown in Table 1 above, an error occurs depending on the temperature and pressure time. The unit of error is PPM (part per million), and 50ppm means that 50 errors occur when the device vibrates one million times. Based on this, the time C (t) in the vibrating element used at one node is the frequency k · w (τ) of the vibrating element at the initial value C (t 0 ) (where k is a constant and w (τ) is the angular frequency. The sum is expressed by Equation 3 below.

Figure 112008029833906-pat00007
Figure 112008029833906-pat00007

여기서 k는 상수, w(τ)는 각주파수이다.
이것을 실제 시간 t와 진동소자에 의한 시간 C로 구분하여 시간의 정확도에 대해 표현하면 아래의 수학식 4에 나타난 바와 같다.
Where k is a constant and w (τ) is the angular frequency.
If this is expressed by the time t and the time C by the vibrating element to express the accuracy of the time as shown in Equation 4 below.

Figure 112008029833906-pat00008
Figure 112008029833906-pat00008

실제 시간 t의 변화에 대해 시간 C의 변화가 동일하면 정확도를 1로 표현할 수 있다. ρ는 진동소자의 오차에 의해 생기는 정확도의 오차값이다. 센서 1에서 일어나는 주파수 오차에 의한 지연 시간을 DD1로 표현한다. 주파수 오차는 센서와 구동기에 관계없이 발생하므로 각각의 노드에 대한 주파수 오차는 DDi로 정의할 수 있다.If the change in time C is equal to the change in real time t, the accuracy can be expressed as one. ρ is an error value of accuracy caused by the error of the vibration element. Delay time due to frequency error in sensor 1 is expressed as D D1 . Since frequency error occurs regardless of sensor and driver, the frequency error for each node can be defined as D Di.

위의 두 가지 전송 지연요소는 여러 노드의 공유 채널참여에 지연을 발생시키고 노드의 센싱/구동 시간에 문제를 일으킨다. The above two transmission delay factors cause delays in shared channel participation of multiple nodes and problems in sensing / drive time of nodes.

도 6은 마스터가 각각의 노드에 대해 메시지를 받는 과정이다. 3개의 노드 A, B, C가 최초의 CSMA과정을 거쳐 전송을 하고, 충돌이 일어난다. 충돌이후 CAN프로토콜의 특징인 우선순위 적용으로 노드 A가 채널접근 우선권을 가지고 전송을 한다. 전송 시에 지연이 생기게 되므로 마지막 지연(Delay)의 시간 슬롯에 기록한다. 6 is a process in which a master receives a message for each node. Three nodes A, B, and C transmit through the original CSMA process and a collision occurs. After collision, Node A transmits with channel access priority by applying priority which is characteristic of CAN protocol. Since there is a delay in transmission, it is recorded in the time slot of the last delay.

메시지 전송이 끝난 후 두 개의 노드 B와 C는 다시 경쟁을 하게 되는데 노드 내부의 주파수 오차로 인한 지연이 생기게 된다. 도 6에서는 동일한 크기를 주었고, 이는 최대 크기의 적용을 위한 것이다. 그리고 주파수 오차는 시간이 지남에 따라 누적되지만 그림에서는 짧은 시간이므로 적용하지 않았다. 우선순위가 높은 B 가 A처럼 전송을 하게 되고, 전송지연이 일어나므로 Delay 부분에 기록한다. 기록된 지연요소들은 전체 시간 폭을 기준으로 하였을 때 채널의 효율을 감소시키는 것을 확인할 수 있다.After the message is sent, the two nodes B and C race again, causing a delay due to the frequency error inside the node. In Fig. 6 the same size is given, which is for the application of the maximum size. And the frequency error accumulates over time, but it is not applied because it is a short time in the figure. B, which has a high priority, transmits like A, and because the transmission delay occurs, it is recorded in the delay part. It can be seen that the recorded delay factors reduce the efficiency of the channel based on the overall time width.

도 7은 무선에서의 채널 효율 감소를 보여준다. 유선과 동일하게 하나의 코디네이터와 3개의 노드로 구성된 네트워크에서 비콘과 경쟁구간인 CAP를 나타내고 있다. 비콘이 채널에서 방송된 후 Tack(IFS와 Frequency drift의 합)동안 대기후에 경쟁이 시작되지만 비콘의 전송 지연으로 서로 다른 시간에 경쟁을 시작하게 된다. 경쟁구간의 시작부분에서도 각 노드의 주파수 오차로 인한 지연이 생기게 된다. 이러한 작은 지연들이 누적되어 잘못된 채널참여를 하게 되면 충돌이 일어나게 된다. 도 7의 아래쪽에 지연요소들이 기록된 지연(Delay)부분이 채널의 효율을 감소시키는 것을 볼 수 있다.7 shows the channel efficiency reduction in the radio. Like a wire, it shows a beacon and a CAP in a network composed of one coordinator and three nodes. After the beacon is broadcast on the channel, competition begins after waiting for T ack (the sum of IFS and frequency drift), but the competition starts at different times due to the transmission delay of the beacon. At the beginning of the competition section, there is a delay due to the frequency error of each node. When these small delays accumulate and lead to incorrect channel participation, a collision occurs. It can be seen that the delay portion in which the delay elements are written at the bottom of FIG. 7 reduces the efficiency of the channel.

전송 지연은 다른 노드로부터 채널의 참여를 확인함으로써 계속적으로 누적이 되지 않지만, 주파수 오차는 지속적으로 누적이 되어 노드 자체의 시간에 변화를 준다.The transmission delay is not accumulated continuously by confirming channel participation from other nodes, but the frequency error is continuously accumulated and changes in the time of the node itself.

유선과 무선 네트워크에서 일어나는 채널상의 지연들은 지속적인 누적으로 인해 전송효율을 떨어뜨리므로 지연 제거를 위해서 동기화 알고리즘을 적용한다. 유선 네트워크의 경우 기존 동기화 알고리즘과 프로토콜 자체의 특성으로 인해 빈번한 동기화가 이루어지므로 지연 요소의 누적이 어렵다. 그러나 무선 네트워크에서는 프로토콜의 특성상 충돌회피를 위한 임의의 대기시간과 상대적으로 덜 빈번한 매체 접속 등으로 인해 노드의 시간 동기화가 어렵다. 또한 메시지 전송을 위한 매체 접속의 시간 간격이 넓은 노드의 경우 비콘에 의해서만 동기화가 이루어지므로 정확한 시간 동기가 어렵다.Channel delays in wired and wireless networks reduce transmission efficiency due to continuous accumulation, so a synchronization algorithm is applied to eliminate delays. In the wired network, due to the characteristics of the existing synchronization algorithm and the protocol itself, frequent synchronization is performed, so it is difficult to accumulate delay factors. However, due to the nature of the protocol, the time synchronization of nodes is difficult due to the random latency for avoiding collision and the less frequent media access. In addition, in the case of a node with a large time interval for accessing a message, synchronization is only performed by beacons, so accurate time synchronization is difficult.

네트워크 동기화 알고리즘의 유무선 네트워크 적용에서 문제는 지연요소에서의 설명과 같이 채널지연과 주파수 지연에 있다. The problem in the application of network synchronization algorithms in wired and wireless networks is channel delay and frequency delay as described in the delay factor.

각각의 지연에 대해 본 발명에 적용되는 CAN 네트워크에서는 NTP를 이용하여 채널지연에 대해 계산하여 동기화를 하게 되고, 빈번한 송수신과 채널 공유에서의 동기화로 인해 주파수 지연이 해결된다. For each delay, the CAN network applied to the present invention calculates and synchronizes channel delay using NTP, and frequency delay is solved due to frequent transmission and reception and synchronization in channel sharing.

하지만 무선 네트워크에서는 통신을 위해 충돌회피의 방법으로 쓰므로 각 노드는 최소한만의 매체접근을 하게된다. 본 발명에 적용되는 LR-WPAN과 같은 매체 접근의 간격이 큰 노드의 경우는 동기화 알고리즘을 적용하기에 어렵다. 그리고 LR-WPAN에서는 저전력을 위해 노드 트랜시버의 전력을 송수신에만 사용하기 때문에 전송 간격이 큰 비주기 노드의 경우 동기화가 되지 않는다. 이러한 동기화 문제는 센서네트워크의 공통된 문제로 이에 대한 여러 가지 연구가 있었다. 이러한 기존의 센서네트워크를 위한 동기화 알고리즘에 대해 알아보고, 유무선 공유 네트워크의 적용에 대한 문제점을 알아본다.However, in a wireless network, a collision avoidance method is used for communication, so each node has minimal media access. In the case of a node with a large interval of medium access such as LR-WPAN applied to the present invention, it is difficult to apply a synchronization algorithm. In addition, since LR-WPAN uses node transceiver power only for transmission and reception for low power, aperiodic nodes with large transmission intervals are not synchronized. This synchronization problem is a common problem of sensor networks. The synchronization algorithm for the existing sensor network will be described, and the problems of the application of the wired / wireless sharing network will be discussed.

센서네트워크에 적용되는 다양한 동기화 알고리즘은 내부적 클럭 보정방식과 이벤트 순서화 방식, 클럭 참조방식으로 나누어지며, 서로간의 장단점이 있다.Various synchronization algorithms applied to sensor networks are divided into internal clock correction method, event sequencing method, and clock reference method, and have advantages and disadvantages.

TPSN, TSync, Global sync, FTSP의 경우 내부적 클럭 보정방식으로 센서 노드 내부 클럭의 오류값을 계산을 통해 보정한다. 그리고 기준 시간의 공급원에 따라 내부동기와 외부동기로 나누어 질 수 있다. In the case of TPSN, TSync, Global sync, and FTSP, the internal clock correction method corrects the error value of the internal clock of the sensor node through calculation. And it can be divided into internal synchronous and external synchronous according to the source of reference time.

TPSN은 네트워크의 노드에 대한 레벨 설정으로 순차적인 동기화를 하는 방식 으로 계층적인 구조를 가지게 된다. 유무선 공유 네트워크의 경우 게이트웨이와 유선과 무선 양측의 계층만을 가지므로 TPSN의 레벨 설정 방식은 비효율적이다. 이것을 개선한 TSync의 경우 마스터 노드에서 하위 노드와의 타임스탬프 계산으로 클럭 오차 값을 방송하여 각 노드가 작은 프로세싱으로도 동기화를 하는 알고리즘이다. TPSN has a hierarchical structure by sequential synchronization with the level setting for the nodes of the network. In the case of the wired / wireless shared network, the level setting method of TPSN is inefficient because it has only the layers of both the gateway and the wired and the wireless. TSync, which has improved this, is an algorithm that the master node broadcasts the clock error value by calculating the timestamp with the lower node, so that each node synchronizes even with small processing.

구조적으로는 유무선 공유 네트워크에서는 적용하기에 좋은 알고리즘이지만 LR-WPAN의 경우 오차 값 방송을 위해 다른 노드와의 경쟁이 필요하고, 긴 시간 동안 채널을 이용하지 않는 노드는 동기화가 어렵다. Global sync는 클러스터 구조에 적합한 동기화 알고리즘으로 유무선 공유 네트워크에서는 중간계층의 지연이 크므로 적용하기 어렵다. FTSP는 신뢰할만한 기준 시간을 플러딩 기법을 통해 네트워크에 클럭 정보를 표류시킴으로서 각 노드가 자유롭게 동기화하는 방식으로 무선, 유선의 양쪽 계층만을 가지는 유무선 공유 네트워크에서는 효율을 얻기 힘들다.Structurally, it is a good algorithm to apply in wired / wireless sharing network, but in case of LR-WPAN, competition with other nodes is required for error value broadcasting, and nodes that do not use channel for a long time are difficult to synchronize. Global sync is a synchronization algorithm suitable for the cluster structure, and it is difficult to apply it because the delay of the middle layer is high in the wired / wireless shared network. The FTSP drifts clock information to the network through flooding of reliable reference time, so that each node is freely synchronized so that it is difficult to achieve efficiency in a wired / wireless shared network having only two layers of wireless and wired.

이벤트 순서화 방식은 네트워크 내에서의 이벤트나 메시지의 순서 및 시간적 관계를 유추해 내는 알고리즘으로 TS-ad hoc알고리즘이 있다. 이것은 노드 자체에 대한 시각차에 대해서는 수정을 하지 않는 알고리즘으로 정보가 집중되는 마스터 노드에 의해 상대적인 시간 차만을 보유하는 알고리즘이다. 유무선 공유 네트워크의 경우 각각의 노드가 긴밀하게 센싱/구동 되어야 하기 때문에 알고리즘의 적용이 어렵다.Event sequencing is a TS-ad hoc algorithm that infers the order and temporal relationship of events or messages in the network. This is an algorithm that does not modify the time difference with respect to the node itself. It is an algorithm that holds only the relative time difference by the master node where information is concentrated. In the wired / wireless shared network, the algorithm is difficult to apply because each node must be closely sensed / driven.

클럭 참조 방식은 무선에 많이 적용되는 알고리즘으로 시각 동기화를 위해 각 노드의 시각 정보를 서로 주고 받아 개별 노드에서 시각 차이를 계산하고 유지하는 알고리즘이다. 이 알고리즘에서 무선 센서 네트워크의 채널 공유는 시각 정보 를 교환하기 위한 효율적인 수단으로 단순한 방송을 통해 서로간의 정보를 공유한다. The clock reference method is an algorithm that is widely applied to the radio. The clock reference method is an algorithm that calculates and maintains a time difference at each node by receiving time information of each node for time synchronization. In this algorithm, the channel sharing of the wireless sensor network is an efficient means of exchanging visual information.

참조 방식은 앞에서 설명한 RBS가 대표적인 알고리즘이고, 이를 변형한 Tiny/mini-sync와 LTS, Adaptive sync가 있다. LTS는 정확도 및 정밀도가 떨어지더라도 높은 에너지 효율에 초점이 맞추어진 알고리즘이다. 공장환경에 적용될 유무선 공유 게이트웨이의 경우 한정된 공간에서의 네트워크를 유지하므로 에너지 효율보다는 시간적인 정확성이 요구된다. Tiny/mini-sync는 센서 노드의 낮은 처리 속도와 한정적인 저장공간에 효율적인 동기화 알고리즘으로 LTS와 마찬가지로 공장 환경에서의 노드 특성과 차이가 있다.The reference method is a representative algorithm of RBS described above, and there are Tiny / mini-sync, LTS, and Adaptive sync. LTS is an algorithm that focuses on high energy efficiency, even with poor accuracy and precision. In the case of wired / wireless shared gateways to be applied to the factory environment, the network is maintained in a limited space, so time accuracy is required rather than energy efficiency. Tiny / mini-sync is an efficient synchronization algorithm for low processing speed and limited storage space of sensor nodes, which, unlike LTS, differs from node characteristics in the factory environment.

현재 대부분의 동기화 알고리즘은 산업용 환경의 무선 네트워크에서 실시간적인 효율성이 떨어지므로 실시간성에 대한 보완이 필요하다.Currently, most synchronization algorithms need to be compensated for in real-time because they are not real-time efficient in wireless networks in industrial environments.

그리고 본 발명에 적용되는 LR-WPAN의 경우 채널접근을 위해 경쟁접근과 GTS의 두가지 방식을 가지므로 이에 적합한 알고리즘이 필요하다. 본 발명에서는 RBS를 통한 채널 전파 지연을 해결하고, 오프셋 연산을 통해 각 노드의 주파수 오차를 해결한다.In the case of the LR-WPAN applied to the present invention, since there are two methods of competition access and GTS for channel access, an appropriate algorithm is required. In the present invention, the channel propagation delay through the RBS is solved, and the frequency error of each node is solved through an offset operation.

RBS는 센서네트워크에 적용하기에 적합한 알고리즘으로 LR-WPAN의 경우와 같이 채널 접근이 제한되는 CAP(경쟁접근) 노드들에 대해 시간 동기화가 적용 가능하다. CAP 노드들은 채널의 접근 없이 가장 가까운 GTS(순차접근)의 방송 신호를 참조함으로 채널 전파 지연을 계산할 수 있다. 이것은 긴 시간 동안 잠복하는 노드에 대해서도 적용이 가능하다. 도 8은 RBS의 참조방식을 개선하여 LR-WPAN에 적용한 도면이다.RBS is an algorithm suitable for applying to the sensor network. As in the case of LR-WPAN, time synchronization is applicable to CAP (competitive access) nodes where channel access is limited. CAP nodes can calculate the channel propagation delay by referring to the broadcast signal of the nearest GTS (sequential access) without accessing the channel. This is also true for nodes that linger for a long time. FIG. 8 is a diagram of an improved RBS reference method and applied to an LR-WPAN.

도 8에서와 같이 RBS의 방송 정보 참조 방식을 통해 CAP 노드들이 동기화 된다. 순차노드와 코디네이터 간의 동기화 정보는 같은 채널을 이용하는 CAP 노드들에게 시간 동기화 정보로 적합하다. CAP 노드는 참조하는 노드와의 거리가 가까울수록 정확한 동기화 정보를 얻을 수 있다. 위 도면의 동작 시나리오는 도 9을 참조하여 설명한다.As shown in FIG. 8, CAP nodes are synchronized through the broadcast information reference scheme of the RBS. The synchronization information between the sequential node and the coordinator is suitable as time synchronization information for CAP nodes using the same channel. The closer the CAP node is to the reference node, the more accurate synchronization information can be obtained. An operation scenario of the above drawings will be described with reference to FIG. 9.

도 9을 참조하면, (a) 코디네이터는 반복적인 슈퍼프레임의 첫부분에서 비콘 메시지를 자신의 네트워크 영역에 방송을 하고 이것을 통해 각 노드는 주파수 오차에 의해 지연된 노드의 클럭을 코디네이터와 근사한 값으로 보정한다. Referring to FIG. 9, (a) the coordinator broadcasts a beacon message to its network area at the beginning of a repetitive superframe, through which each node corrects the clock of the node delayed by the frequency error to be close to the coordinator. do.

(b) 참조되는 순차노드가 자신의 타임 슬롯에서 메시지를 코디네이터로 보내기 위해 방송을 하고, 경쟁 접근 노드는 그 메시지를 통해 채널 전송 지연 1을 얻는다.(b) The referenced sequential node broadcasts to send a message to its coordinator in its time slot, and the contention access node obtains channel transmission delay 1 through that message.

(c) 다음 순서의 슈퍼프레임에서 코디네이터가 비콘을 방송하고, 이것으로 채널 전송 지연 2를 얻게된다.(c) In the next superframe, the coordinator broadcasts the beacons, resulting in channel transmission delay 2.

(d) 채널 전송지연의 양방향 값을 더하여 평균을 얻고 이것으로 노드 자체의 클럭을 보정한다.(d) Add the bidirectional values of the channel transmission delays to get an average and correct the clock of the node itself.

위의 알고리즘은 RBS를 이용한 간단한 시간 동기화 알고리즘으로 센서/구동기 노드에서의 연산 부하가 적은 장점이 있다. The above algorithm is a simple time synchronization algorithm using RBS and has the advantage of low computational load at the sensor / driver node.

RBS는 채널을 공유하는 버스형 네트워크에 적합한 알고리즘으로 채널 접근이 제한되는 COS노드나 CAP노드에 적용이 가능하다. 상기 RBS는 채널의 접근없이 인접 한 Polling(순차발생서비스)과 GTS(순차접근)의 방송신호를 참조하여 양방향 채널 전파지연을 계산할 수 있고 이러한 과정은 긴 시간동안 잠복하는 노드에 대해서도 적용이 가능하다.RBS is an algorithm suitable for sharing a bus-type network and can be applied to COS node or CAP node where channel access is restricted. The RBS can calculate the bidirectional channel propagation delay by referring to the broadcast signals of adjacent polling (sequential generation service) and GTS (sequential access) without accessing the channel. .

도 10a는 RBS의 참조방식을 통해 양방향의 전파지연을 구하고 이를 이용하여 주기적인 노드와 비주기적인 노드가 동기화되는 과정을 나타낸 도면이다.10A is a diagram illustrating a process of obtaining a bidirectional propagation delay through a reference method of RBS and synchronizing a periodic node and an aperiodic node using the same.

도 10a에 나타난 바와 같이 주기적인 노드의 방송정보를 참조 방식을 통해 비주기적인 노드가 동기화된다.As shown in FIG. 10A, the non-periodic node is synchronized through the reference method of the broadcast information of the periodic node.

우선 게이트웨이에서의 송신을 각 노드의 시간과 교환을 하고 주기적인 노드의 송신 메시지를 게이트웨이가 수신하여 인접한 노드가 수신된 메시지를 참조한다.First, the gateway exchanges the transmission with the time of each node, and the gateway receives the transmission message of the periodic node and the neighbor node refers to the received message.

참조를 통해 노드에서 게이트웨이로의 한쪽 방향 전송지연 DP1을 구하고 게이트웨이에서 노드로 전송하는 방향의 지연 DP2를 구하고, DP1과 DP2를 이용하여 노드를 동기화한다.Obtaining a one-way transmission delay D P1 to the gateway from the node via a reference to obtain the delay D in the direction P2 transmitted from the gateway to the node, the node synchronizes with the D and D P1 P2.

본 발명에서는 상기의 과정을 이용하기 위해서 참조하기 위한 주기노드를 선택하는 과정이 필요하다.In the present invention, a process of selecting a periodic node for reference is required in order to use the above process.

CAN의 경우에는 채널에서의 지연이 모든 노드에서 거의 동일하므로, 단순히 가까운 거리의 노드를 참조할 수 있다. 따라서 네트워크 초기화 상태에서 인접노드를 미리 정의할 수 있게 된다.In the case of CAN, the delay in the channel is nearly the same at all nodes, so you can simply refer to nodes at close range. Therefore, the neighbor node can be predefined in the network initialization state.

LR-WPAN의 경우 채널은 공유하지만 무선에서의 잡음으로 인한 전송오류 및 송수신 감도의 감소가 발생한다. 따라서 일정한 주기마다 수신 감도가 큰 참조노드를 찾아서 동기화에 적용한다.In the case of LR-WPAN, although the channel is shared, transmission errors and transmission / reception sensitivity decrease due to noise in the wireless. Therefore, a reference node with a large reception sensitivity is found and applied to synchronization at regular intervals.

참조되는 GTS는 최대 7개의 노드가 15.36ms마다 반복된다.In the referenced GTS, up to seven nodes are repeated every 15.36 ms.

게이트웨이를 이용한 네트워크간의 메시지 전달에서는 도 8의 과정이 두 개의 네트워크에 연결되어 적용되어야 한다. 따라서 메시지 전달과정은 방향에 따라 두 개로 나누어지며 이때 게이트웨이 내부에서의 메시지 변환과정으로 인한 지연을 고려해야 한다.In message transmission between networks using a gateway, the process of FIG. 8 should be connected to two networks and applied. Therefore, the message delivery process is divided into two according to directions, and the delay due to the message conversion process in the gateway should be considered.

도 10b는 LR-WPAN에서 CAN으로의 메시지 전달과정을 나타내고 있다.10B shows a message transfer process from LR-WPAN to CAN.

도 10b를 참조하면, LR-WPAN에서 CAN노드까지의 총 전송지연은 하기 식 5에 의해서 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 10B, the total transmission delay from the LR-WPAN to the CAN node may be represented by Equation 5 below.

Figure 112008029833906-pat00009
Figure 112008029833906-pat00009

각각의 지연은 타임스탬프 t1, t2....,t10의 차로 구하며, Dpi는 전송지연(여기서 i는 지연 구간의 순서임)을 DC는 변환지연을 나타낸다. DC는 게이트웨이 내부에서 메시지와 관련된 데이터를 CAN으로의 프레임으로 변환하는 과정이며 대부분 일정한 시간을 갖는다.Each delay is obtained by the difference of timestamps t1, t2 ...., t10, where D pi represents a transmission delay (where i is a sequence of delay intervals) and D C represents a conversion delay. D C is a process of converting data related to a message into a frame in CAN inside the gateway, and most of them have a fixed time.

각 지연들의 합을 통해 메시지의 시간 동기화를 하게 되고, 게이트웨이와 CAN노드 간의 양방향 전송 지연은 아래의 식 6로부터 얻을 수 있다.The sum of the delays result in time synchronization of the message, and the bidirectional transmission delay between the gateway and the CAN node can be obtained from Equation 6 below.

Figure 112008029833906-pat00010
Figure 112008029833906-pat00010

상기의 식은 COS연결방식의 노드와 게이트웨이간의 양방향 지연을 구하는 식이다.The above equation is a formula for obtaining a bidirectional delay between a COS connection node and a gateway.

CAN에서는 유선으로 채널이 공유되고, 시간 t3에서 전송한 메시지에 대한 각 노드의 지연시간이 수μs내에서 거의 동일하므로 DP2로 나타낸다.In CAN, the channel is shared over the wire and represented by D P2 because the delay of each node for a message sent at time t3 is nearly the same within a few μs.

COS연결은 채널접근간격이 일정하지 않으므로 긴 시간동안 전송이 없을때 Polling 연결노드를 참조한다.The COS connection does not have a constant channel access interval, so refer to the polling connection node when there is no transmission for a long time.

도 10b에서의 시간 t8에서 전송하는 메시지의 전송지연을 COS연결노드가 지연 DP4로 참조하여 동기화한다.The transmission delay of the message transmitted at time t8 in FIG. 10B is synchronized by the COS connection node with the delay D P4 .

도 10c는 CAN에서 LR-WPAN으로의 메시지 전달과정을 나타낸 것이다. 10c shows a message transfer process from CAN to LR-WPAN.

도 10c을 참조하면, LR-WPAN프로토콜은 코디네이터에서 메시지를 전송하기 위해서는 노드가 메시지 수신요청의 절차를 갖게 된다. 따라서 도 10c에 시간 t2에 게이트웨이에 도착한 CAN의 메시지는 다음 비콘의 전송까지 전송 버퍼에 대기상태로 있게 된다. 그리고 비콘의 전송에서 메시지의 크기와 도착 주소를 전송주소영역에 기록하여 해당 노드로 전송하게 된다.Referring to FIG. 10C, the LR-WPAN protocol allows a node to have a procedure of receiving a message in order to transmit a message in a coordinator. Therefore, the message of the CAN arriving at the gateway at time t2 in FIG. 10c is in the transmission buffer until the transmission of the next beacon. In the beacon transmission, the size and destination address of the message are recorded in the transmission address area and transmitted to the corresponding node.

비콘을 받은 노드가 CFP노드일 경우 자신의 GTS슬롯에서 전송요청을 하게되고, CAP노드의 경우 경쟁구간에 참여하여 채널을 선점하고 전송을 요청하게 된다. 게이트웨이 내부에서의 총 지연 DW 후 시간 t7에서 전송요청을 받고, 트랜시버의 지연 DT 후 시간 t8에 전송한다.If the node receiving the beacon is a CFP node, a transmission request is made in its GTS slot. In the case of a CAP node, the node participates in a competition section and preempts a channel and requests transmission. Total Delay D W Inside Gateway After receiving the transmit request at time t7, the transceiver's delay D T Then transfer at time t8.

도 10c에 나타난 바와 같이 본 발명에서는 CAP노드가 도착 노드로 전송요청을 하게 된다.As shown in FIG. 10C, in the present invention, the CAP node transmits a request to the destination node.

메시지의 시간동기화를 위한 지연은 아래의 식 7로 부터 얻게 된다.The delay for time synchronization of messages is obtained from Equation 7 below.

Figure 112008029833906-pat00011
Figure 112008029833906-pat00011

또한 게이트웨이와 LR-WPAN노드 간의 양방향 전송지연은 아래의 식8로 부터 얻게 된다.Also, the bidirectional transmission delay between the gateway and the LR-WPAN node can be obtained from Equation 8 below.

Figure 112008029833906-pat00012
Figure 112008029833906-pat00012

도 10c의 경우 식 9가 적용되어 메시지 수신요청시간 t6과 수신시간 t9사이에서 동기화 과정이 수행된다.In the case of FIG. 10C, Equation 9 is applied to perform a synchronization process between the message reception request time t6 and the reception time t9.

Figure 112008029833906-pat00013
Figure 112008029833906-pat00013

하기 식 10은 메시지 수신이 없을 경우에 적용되며, 또한 비콘의 전송지연 DP2와 노드의 메시지 전송지연을 통해 동기화되는 경우 적용된다.Equation 10 is applied when there is no message reception, and is also applied when the beacon transmission delay D P2 is synchronized with the node transmission delay.

Figure 112008029833906-pat00014
Figure 112008029833906-pat00014

CFP노드는 최소 15,36ms를 주기로 데이터 송수신이 이루어지며 지속적인 동기화가 가능하고 CAP노드는 인접 CFP노드를 참조하는 RBS방식을 통해 동기화가 가능하게 된다.The CFP node transmits and receives data at a minimum of 15,36ms and can be continuously synchronized. The CAP node can be synchronized through an RBS method referring to an adjacent CFP node.

노드의 주파수 오차에 관한 하기 식11을 실제 시간과 클럭에 의한 시간으로 구분하여 정확도에 대해 표현하면 하기 식 12와 같다. Equation 11 regarding the frequency error of the node is expressed by Equation 12 below by dividing the accuracy into real time and time by a clock.

Figure 112008029833906-pat00015
Figure 112008029833906-pat00015

Figure 112008029833906-pat00016
Figure 112008029833906-pat00016

실제 시간 t의 변화에 대한 클럭의 변화가 동일하면 실제 시간에 대해 동기화가 되고 있으므로 정확도를 1로 표현할 수 있다. 진동소자의 오차에 의해 생기는 정확도의 오차값을 ρ라 정의한다. 오차값 ρ는 여러 가지 요인에 의해 발생될 수 있는데, 진동소자에 대한 온도, 압력, 시간의 변화에 따라 약 20~100ppm으로 변 화된다.If the clock change with respect to the change in the real time t is the same, the accuracy can be expressed as 1 since the synchronization is made with respect to the real time. The error value of accuracy caused by the error of the vibration element is defined as ρ. The error value ρ can be caused by various factors. The value ρ is changed to about 20 ~ 100ppm according to the change of temperature, pressure and time for the vibrating element.

하기 식 13로부터 클럭과 실제 시간의 범위를 구할 수 있으며 아래의 식 14과 같이 나타낸다.The range of the clock and the actual time can be obtained from Equation 13 below, as shown in Equation 14 below.

Figure 112008029833906-pat00017
Figure 112008029833906-pat00017

Figure 112008029833906-pat00018
Figure 112008029833906-pat00018

Figure 112008029833906-pat00019
Figure 112008029833906-pat00019

노드가 하나 일 때의 시간의 범위는 아래의 식 15과 같다.The time range when there is only one node is shown in Equation 15 below.

Figure 112008029833906-pat00020
Figure 112008029833906-pat00020

두 개의 노드 1과 노드 2가 있을 때, 노드 1에 대한 노드 2의 시간 범위는 아래의 식 16과 같이 나타낼 수 있다.When there are two nodes 1 and 2, the time range of node 2 with respect to node 1 may be expressed as in Equation 16 below.

Figure 112008029833906-pat00021
Figure 112008029833906-pat00021

이것을 두 개의 노드 간에 메시지 교환에 적용하여 실제 시간에 대한 두 노드의 전송 지연값 d를 구할 수 있다.This can be applied to the message exchange between two nodes to find the transmission delay value d of two nodes over the actual time.

도 11은 두 개의 노드사이에서 데이터와 확인 메시지가 교환되는 과정을 나타내고 있다. 시간은 t1~t4로 변화하며 이 시간은 각각의 노드에서 클럭에 따라 변화하는 시간(C(t1)~C(t4))을 기록하는 것이다. 전송 지연값 d를 구하면 아래의 식 17으로 나타난다.11 shows a process in which data and acknowledgment messages are exchanged between two nodes. The time changes from t1 to t4, which records the time (C (t1) to C (t4)) that changes with the clock at each node. When the transmission delay value d is obtained, Equation 17 below is used.

Figure 112010010105912-pat00022

여기서 ρS는 송신단의 진동소자에 의한 오차, ρR은 수신단의 진동소자에 의한 오차이다.
DS는 측정된 센더(sender)기준의 전송 지연값으로 계속해서 변화하는 전송 시간값에 대해 연산의 부하를 초래한다. 또한 오랜 시간동안 잠복기를 가지는 노드의 경우 이전에 측정된 전송 지연을 기준으로 연산을 할 수는 없다. 그러므로 두 노드간의 전송지연은 구간 t1~t2, t3~t4를 더하여 평균으로 만든 값으로 한다. 평균 전송지연을 반영한 식 18은 다음과 같다.
Figure 112010010105912-pat00022

Where ρ S is the error due to the oscillation element at the transmitter and ρ R is the error due to the oscillation element at the receiver.
D S is a measured sender reference transmission delay value, which incurs computational loads on continuously changing transmission time values. In addition, a node with a long latency may not be able to compute based on the previously measured transmission delay. Therefore, the transmission delay between two nodes is the average value of the intervals t1 to t2 and t3 to t4. Equation 18 reflecting the average transmission delay is

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Figure 112008029833906-pat00023
Figure 112008029833906-pat00023

위의 식과 같이 센더(sender)의 내부 클럭의 오차는 여전히 남아있다. 이것은 노드내부의 주파수가 계속해서 일으키는 오차이므로 전송의 횟수가 늘어날수록 누적이 된다. As in the equation above, the error of the sender's internal clock still remains. This is an error caused by the frequency inside the node, and accumulates as the number of transmissions increases.

동기화 오차의 누적 정도는 네트워크의 프로토콜과 동기화알고리즘 적용에 따라 다르다. CAN에서는 잦은 전송과 다수의 참조 노드로 인하여 LR-WPAN에 비해 동기화 적용이 쉽고, 오차 누적이 잦다. 그러므로 동기화된 CAN에서는 동기화 오차가 채널의 효율에 미치는 영향이 작다.The cumulative degree of synchronization error depends on the protocol of the network and the application of the synchronization algorithm. In CAN, it is easier to apply synchronization and accumulates more errors than LR-WPAN due to frequent transmission and multiple reference nodes. Therefore, in synchronized CAN, the synchronization error has a small effect on the channel efficiency.

LR-WPAN에서는 최소 메시지 발생주기가 슈퍼프레임(super-frame)의 최소 길이 15∼36ms이고, 이것은 CFP에 참여하여 GTS를 할당받는 최대 7개의 노드에 적용된다.In LR-WPAN, the minimum message generation period is a minimum length of 15 to 36ms of a super-frame, and this is applied to a maximum of seven nodes that participate in CFP and are assigned a GTS.

CAP에 참여하는 노드들은 전송의 정확성을 보장받지 못한다. CAN에 비해 긴 채널접속 시간으로 인해 동기화 알고리즘 적용 후에도 오차의 누적이 크게 나타나 CAP의 효율이 감소되고, 전체 네트워크의 처리량이 감소한다.Nodes participating in the CAP are not guaranteed the accuracy of the transmission. Due to the longer channel access time than the CAN, the accumulation of errors is large even after the synchronization algorithm is applied, which reduces the efficiency of the CAP and reduces the throughput of the entire network.

다음의 계산과정으로 주파수 오차에 의한 채널의 효율 감소를 구하고 그 오차율을 구한다.The following calculation process finds the efficiency reduction of the channel due to the frequency error and calculates the error rate.

LR-WPAN에서 한 개의 슬롯에 한 번의 전송이 이루어지고, 아래의 표 2와 같이 채널과 노드의 주파수와 오차율을 가정한다.In LR-WPAN, one transmission is performed in one slot, and the frequency and error rate of channels and nodes are assumed as shown in Table 2 below.

Figure 112008029833906-pat00024
Figure 112008029833906-pat00024

하나의 수퍼프레임 동안의 로컬클럭 주파수는 아래의 식 19과 같다.The local clock frequency for one superframe is shown in Equation 19 below.

Figure 112008029833906-pat00025
Figure 112008029833906-pat00025

전체 주파수 오차의 합을 계산하려면 다음의 식 20과 같이 각 슬롯에서 한번 일어나는 최대 오차값을 모두 더해야한다.To calculate the sum of the total frequency errors, we need to add all the maximum error values that occur once in each slot, as shown in Equation 20 below.

Figure 112008029833906-pat00026
Figure 112008029833906-pat00026

각 노드가 한 슬롯에서 전송할 때 일어나는 자신의 최대 주파수 오차 값은 하기 식 21과 같다.The maximum frequency error value generated when each node transmits in one slot is expressed by Equation 21 below.

Figure 112008029833906-pat00027
Figure 112008029833906-pat00027

주파수 오차가 ± 40ppm이기 때문에 최대로는 2 * 40 ppm이 된다. 각각의 최대 주파수 오차값을 모두 더하면 하기 식 22와 같이 Total max drift를 알 수 있다. 여기서, I는 슬롯의 배열이고, i는 슬롯 넘버이다.Since the frequency error is ± 40 ppm, the maximum is 2 * 40 ppm. If the sum of each maximum frequency error value is obtained, the total max drift can be obtained as shown in Equation 22 below. Where I is the array of slots and i is the slot number.

Figure 112008029833906-pat00028
Figure 112008029833906-pat00028

채널의 최대 주파수 오차율은 아래의 식 23과 같이 수퍼프레임 동안의 주파수에 대해 오차가 일어난 주파수 값의 비율로 나타낸다. 여기서 ∑I는 슬롯 배열의 합이다.The maximum frequency error rate of the channel is expressed as the ratio of the frequency value of the error to the frequency during the superframe as shown in Equation 23 below. Where ∑I is the sum of the slot arrays.

Figure 112008029833906-pat00029
Figure 112008029833906-pat00029

여기서, i는 채널 접속의 빈도라고 할 수 있으며, i가 16에서는 0.00068%이고, 256일 때는 0.16448%이다. Here, i may be referred to as the frequency of channel access, i is 0.00068% at 16, and 0.16448% at 256.

매우 작은 비율을 차지하고 있지만 LR-WPAN에서는 수퍼프레임이 1초에 65번 반복되므로 지속적인 누적으로 인해 채널의 효율을 감소시킨다. 또한 채널 내에서는 데이터 전송만 일어나는 것이 아니라 IFS, ACK, Collision등의 다양한 동작이 일어난다. 센싱과 드라이브 구동에서도 주파수 오차 때문에 지연이 되므로 이를 개선할 알고리즘이 필요하다.Although very small, in LR-WPAN, the superframe repeats 65 times per second, reducing the efficiency of the channel due to continuous accumulation. In addition, various operations such as IFS, ACK, Collision, etc. occur not only in data transmission within a channel. Sensing and drive driving are also delayed due to frequency error, so an algorithm is needed to improve this.

이러한 각 노드의 시간을 제어하기 위해 본 발명에서는 오프셋 알고리즘을 제안한다. In order to control the time of each node, the present invention proposes an offset algorithm.

도 12를 참조하여 설명하면 (e) 채널 지연을 해결하기 위한 기본적인 타임스탬프 동기화 알고리즘으로 평균 채널 지연을 구한다. (f)평균 채널 지연을 통해 상대 노드와의 주파수 오차를 구하고, (g) 오차의 평균값을 계속 유지 시킨다. 이는 장기적으로 채널을 사용하지 않는 노드의 주파수 오차를 해결할 수 있다. 도 13은 마스터 노드인 센서(Sender)를 기준으로 슬레이브 노드인 리시버(Receiver)에서의 주파수 오차를 나타낸다.Referring to FIG. 12, (e) an average channel delay is obtained using a basic timestamp synchronization algorithm for solving channel delay. (f) Find the frequency error with the other node through the average channel delay, and (g) Keep the average value of the error. This can solve the frequency error of nodes that do not use channels in the long run. FIG. 13 illustrates a frequency error in a receiver, which is a slave node, based on a sensor, which is a master node.

슬레이브의 주파수는 마스터를 기준하여 일정한 비율로 나타나며, 이에 따라 가변하는 α가 존재한다. 특정 시점에서의 α는 아래의 식 24와 식 25와 같이 계산되어진다.The frequency of the slave is represented at a constant rate with respect to the master, and thus there is a variable α. Α at a specific time is calculated as in Equation 24 and Equation 25 below.

Figure 112008029833906-pat00030
Figure 112008029833906-pat00030

Figure 112008029833906-pat00031
Figure 112008029833906-pat00031

여기서, α는 주파수 오차가 일어난 횟수가 되며 ρ는 시간C(t2)에 대한 주파수 오차 비율이다. Where α is the number of times the frequency error has occurred and ρ is the frequency error ratio over time C (t2).

오차 비율을 이용하여 α를 구하는 것은 노드의 연산 부하가 크므로 비효율적이다. 본 발명에서는 α를 간단히 구하기 위해서 평균 채널 지연 E[DPi]를 이용하여 하기 27과 같이 구한다.It is inefficient to calculate α using the error ratio because the computational load of the node is large. In the present invention, the average channel delay E [D Pi ] is used to obtain α as shown below.

Figure 112008029833906-pat00032
Figure 112008029833906-pat00032

평균 채널 지연 E[DPi]는 타임스탬프 동기화 알고리즘에서와 같이 주파수 오차에 영향을 받지 않으므로 지연의 평균값을 구하면 간단히 α를 구할 수 있다. 하지만 계속해서 변화하는 채널의 상황에서 E[DPi]가 변화함으로 적절한 평균값이 필요하다. 새로운 지연 값으로 평균 채널 지연을 구하기 위해 아래의 식 27을 단순 적용하는 것은 이전의 채널 지연의 편차들을 적용하지 못한다.Since the average channel delay E [D Pi ] is not affected by the frequency error as in the timestamp synchronization algorithm, we can simply find α by taking the average of the delays. However, in the context of ever-changing channels, E [D Pi ] changes, so an appropriate average value is needed. Simply applying Equation 27 below to find the average channel delay with the new delay value does not apply deviations from the previous channel delay.

Figure 112008029833906-pat00033
Figure 112008029833906-pat00033

E[DPi]가 포함하는 이전의 채널 지연 편차 값을 모두 적용하기 위해서는 평균을 구하기 위해 나누어진 전체 지연 횟수를 곱하는 것이다. 아래의 식 28은 모든 지연 값들에 대한 E[DPi]를 구하는 식이다.To apply all of the previous channel delay deviation values contained in E [D Pi ], multiply the total number of delays divided by the average to find the average. Equation 28 below calculates E [D Pi ] for all delay values.

Figure 112008029833906-pat00034
Figure 112008029833906-pat00034

새로운 채널 전송지연 Dpn과 E[DPi]를 더하여 N+1로 나누어 주면 새로운 E[DPi]를 적용할 수 있다. 하지만 모든 N에 대한 E[DPi]를 계산하는 것은 변화하는 채널의 지연으로의 적응을 느리게 한다. 그러므로 전체 N에 대한 적용 범위의 적절한 가중치 값 W가 필요하다. W를 이용한 평균을 구하는 식 29는 다음과 같다.The new channel transmission delay D pn and E [D Pi ] can be added and divided by N + 1 to apply the new E [D Pi ]. However, calculating E [D Pi ] for all N slows the adaptation to the delay of the changing channel. Therefore, an appropriate weight value W of the coverage for the entire N is needed. Equation 29 to obtain the average using W is as follows.

Figure 112008029833906-pat00035
Figure 112008029833906-pat00035

가중치 W는 변화하는 채널의 지연을 반영하여야 하므로 노드의 채널 접근까지 지연되는 시간과 메시지 전송 간격을 이용할 수 있다. 채널 접속 빈도가 높은 노드의 경우 전송 간격이 작기 때문에 동기화가 빈번하게 일어나므로 매체 접속에 지연되는 시간만을 고려한다. 경쟁 구간의 노드들은 충돌 회피를 위해 임의의 값을 통해 백오프 과정을 거치게 되고, 이것으로 채널 접근까지의 지연 정도를 알 수 있 다. 하기 식 30은 임의의 백오프 값 BP를 구하는 식이다. 경쟁 노드는 채널 접속 성공까지의 총BP값을 통해 채널 접근 지연을 알 수 있다.Since the weight W must reflect the delay of the changing channel, the time delayed until the node accesses the channel and the message transmission interval can be used. In the case of a node with a high frequency of channel access, synchronization occurs frequently because the transmission interval is small, so only the delay time for the medium access is considered. The nodes in the contention period go back off through random values in order to avoid collisions, which shows the degree of delay to channel access. Equation 30 below calculates an arbitrary backoff value BP. The contention node can know the channel access delay through the total BP value until the channel access success.

Figure 112008029833906-pat00036
Figure 112008029833906-pat00036

여기서, BE(Backoff Exponent)는 랜덤 지연값(Random delay value)을 결정하는데 사용되는 변수이다. BP는 변수인 aUnitBackoffPeriod(백오프 과정을 한번 거치는데 소요되는 심벌(symbol)의 수)의 값으로 계산되며, 이는 20 symbols에 해당하며 LR-WPAN은 62.5 Ksymbols/s의 통신 속도를 가진다. 노드의 기본적인 주파수는 표준에 권장된 32MHz이고 오차 정도는 ± 40ppm이다. 이것을 1Hz 오차에 대한 심볼 수를 구하고, BP에 적용하여 1Hz 오차를 가중치 1로 적용한다.Here, BE (Backoff Exponent) is a variable used to determine the random delay value (Random delay value). The BP is calculated by the value of the variable aUnitBackoffPeriod (the number of symbols it takes to go through the backoff process once), which corresponds to 20 symbols, and the LR-WPAN has a communication speed of 62.5 Ksymbols / s. The fundamental frequency of the node is 32MHz, recommended for the standard, with ± 40ppm error. The number of symbols for the 1Hz error is obtained and applied to the BP to apply the 1Hz error as the weight 1.

32MHz 동안 총 2560Hz의 최대 오차가 나타날 수 있으며, 1 symbol은 512Hz에 해당함으로 약 24.414symbol 당 1 Hz의 오차가 생긴다. 이것을 적용하여 아래의 식 31로 가중치 W를 구한다.A maximum error of 2560Hz can be seen for 32MHz, and 1 symbol corresponds to 512Hz, resulting in an error of 1 Hz per 24.414 symbols. Applying this, the weight W is obtained by Equation 31 below.

Figure 112010054246466-pat00060
Figure 112010054246466-pat00060

전송 간격이 큰 노드와 비주기 노드의 경우 긴 시간동안 매체 접속을 하지 않으므로 동기화 간격도 커진다. 그러므로 긴 동기화 간격에 비례한 가중치W의 적용이 필요하다. 위의 식에서 BP*SYMBOLS 의 값을 동기화 간격의 심볼 개수로 바꾸어 적용한다.Nodes with large transmission intervals and aperiodic nodes do not have medium access for a long time, so the synchronization interval increases. Therefore, it is necessary to apply the weight W proportional to the long synchronization interval. In the above equation, apply the value of BP * SYMBOLS by changing the number of symbols in the synchronization interval.

가중치를 통해 구한 α는 주파수 오차의 범위를 벗어나는 경우 오차의 최대값으로 적용한다. 하기 식 32는 표준에서 권장하는 α의 범위이다.Α obtained by the weight is applied as the maximum value of the error when it is out of the range of the frequency error. Equation 32 below is the range of α recommended in the standard.

Figure 112008029833906-pat00038
Figure 112008029833906-pat00038

유선과 무선은 서로 다른 방식의 채널접속방식으로 인해 서로 간에 메시지 전송에 실시간성을 보장하기 어렵다. 산업용 통신망에 쓰이는 CAN의 경우 채널접근시간이 작고 전송의 확정성으로 인해 높은 수준의 실시간성을 만족한다. LR-WPAN의 경우 노드가 메시지를 수신하기 위해서는 다른 노드들과 경쟁을 하게 되고, 경쟁에서 채널접근을 위해 임의의 시간동안 회피하는 방식을 사용하게 된다. Wired and wireless do not guarantee real-time transmission of messages between each other due to different channel access methods. CAN, which is used in industrial communication networks, satisfies the high level of real-time due to the short channel access time and the deterministic transmission. In the case of LR-WPAN, a node competes with other nodes in order to receive a message, and uses a scheme of avoiding for a certain time for channel access in the race.

이러한 방식은 경쟁에서 실패할 경우 다음의 수퍼프레임으로 수신이 넘어가서 CFP의 전송 구간과 비콘의 방송시간 동안 대기하는 시간이 발생한다. 이 시간은 네트워크 자원에 따라 다르지만 약 7.7㎳가 소요되므로 CAN에 비해 상대적으로 실시간성이 떨어진다. 또한 전송의 불확정성으로 인해 전송 오류에 대해 재전송 방식을 가지더라도 전송실패가 CAN에 비해 많이 일어난다. 이러한 무선의 제약을 개선하기 위해 채널접근시간 감소로 실시간 메시지를 전송시키는 연구가 있었다.In this method, when the competition fails, reception is transferred to the next superframe, and a waiting time occurs during the transmission period of the CFP and the broadcast time of the beacon. This time depends on network resources, but it takes about 7.7㎳, which is less real-time compared to CAN. In addition, due to the uncertainty of transmission, transmission failure occurs more frequently than CAN even when retransmission method is used for transmission errors. In order to improve such wireless limitations, there has been a study of transmitting a real-time message by reducing the channel access time.

본 발명은 유선과 무선 네트워크 간의 실시간 메시지 전송을 위해 유무선 게이트웨이에서 각 네트워크의 노드에 등급을 준다. CAN에서는 전송을 위한 우선순위를 높여주고 충돌 감지시에 일어나는 임의의 대기시간을 감소시켜 채널접근시간을 감소시켰다. LR-WPAN에서는 충돌회피를 위해 임의의 시간동안 대기하는 시간을 일 정하게 감소시켜 다른 노드보다 채널접근이 빠르게 되도록 하였다.The present invention ranks the nodes of each network in wired and wireless gateways for real-time message transmission between wired and wireless networks. In CAN, the channel access time is reduced by increasing the priority for transmission and reducing the latency of collision detection. In LR-WPAN, the waiting time for random time for collision avoidance is reduced regularly so that the channel access is faster than other nodes.

CAN 네트워크에서의 메시지 송수신은 노드의 ID와 메시지 종류에 따라 채널 접근 우선순위가 달라진다. 그러므로 LR-WPAN에서 CAN으로 메시지를 전달하게 된다면, 게이트웨이에서는 LR-WPAN의 노드에 미리 정의된 등급에 CAN에서의 전송 우선순위를 결정하면 된다. Message transmission and reception in the CAN network depends on the node ID and message type, and the channel access priority is different. Therefore, if a message is transmitted from the LR-WPAN to the CAN, the gateway may determine the transmission priority in the CAN at a predefined class at the node of the LR-WPAN.

CAN에서 LR-WPAN로의 메시지 전달에서는 무선의 특성상 게이트웨이(코디네이터)가 먼저 보낼 메시지가 있음을 알리는 과정이 필요하다. 그리고 해당 노드는 메시지 수신을 위한 채널 접근을 해야 하며, 이것은 다른 노드와의 경쟁이 필요하다. In the transmission of messages from CAN to LR-WPAN, due to the nature of wireless, the gateway (coordinator) needs to inform that there is a message to send first. The node must have channel access for receiving messages, which requires competition with other nodes.

그러므로 게이트웨이는 CAN에서 미리 정의된 등급의 노드에서 오는 메시지를 송신하기 위해 비콘의 수신 목적지 주소부분에 등급을 첨부한다. Therefore, the gateway attaches a class to the destination address of the beacon in order to send messages from nodes of a predefined class in CAN.

이것은 표준에서 긴 수신주소에 짧은 주소와 해당 등급을 함께 실어서 적용한다. 수신 알림을 받은 노드는 등급에 따라 차등적으로 BP의 최대값이 제한되며, 이에 따라 채널접근 시간이 줄어들게 된다. 그리고 하나의 노드가 전송하는 동안 채널을 선점하게 된다면, 그 이후 BP의 제한값을 받게된 노드가 채널을 선점할 기회를 높이는 것이다. This applies in the standard by putting a short address and its class on a long receiving address. Nodes that receive the reception notification are limited to the maximum value of the BP differentially according to the class, thereby reducing the channel access time. If one node preempts the channel during transmission, then the node that has been restricted by the BP then increases the chance of preempting the channel.

하지만 무선의 특성상 하나의 채널을 공유하고, 회피를 위한 방식을 쓰므로 하나의 수퍼프레임에서 하나의 노드만이 이러한 우선순위를 가지는 것이 적절하다. However, due to the nature of radio, it is appropriate to have only one node in one superframe because it shares a channel and uses a scheme for avoiding it.

다음은 차등 BP 적용의 시나리오이다.The following is a scenario of differential BP application.

(1) 네트워크 초기화 전에 모든 노드의 운영에 대한 적절한 최소 BP와 CW값을 찾는다.(1) Find the minimum BP and CW values appropriate for the operation of all nodes before network initialization.

(2) 네트워크B에서 네트워크A로의 긴급 메시지 발생 시에 게이트웨이는 네트워크B의 메시지를 받아 네트워크A로 최우선 메시지 ID를 부여하여 전송한다.(2) When an emergency message is generated from Network B to Network A, the Gateway receives the message from Network B and assigns the highest priority message ID to Network A.

(3) 네트워크A에서 네트워크B로의 긴급 메시지 발생 시에 게이트웨이는 네트워크B로의 비콘의 확장 주소영역에 긴급 전달 메시지가 있음을 대상 노드 ID와 함께 전송하여 알린다.(3) When an emergency message is generated from network A to network B, the gateway notifies that there is an emergency delivery message in the extended address area of the beacon to network B with the target node ID.

(4) 대상 노드는 빠른 채널접근을 위해 미리 설정된 최소 BP와 CW를 적용하여 채널에 접근한다.(4) The target node accesses the channel by applying the predetermined minimum BP and CW for fast channel access.

(5) 대상 노드가 채널을 선점 후에 게이트웨이로 메시지 요청을 전송한다.(5) After the target node preempts the channel, it sends a message request to the gateway.

(6) 게이트웨이는 긴급 메시지를 전송한다.(6) The gateway sends an emergency message.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있고, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, it is clear that the present invention may use various changes, modifications, and equivalents, and that the above embodiments may be appropriately modified to apply the same.

따라서 상기 기재내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.Accordingly, the above description does not limit the scope of the invention as defined by the limitations of the following claims.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 NTP의 기본원리를 나타낸 도면.1 is a view showing the basic principle of NTP according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 RBS의 간단한 시각정보 분배 방식을 나타낸 도면.2 is a diagram illustrating a simple visual information distribution method of an RBS according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기본 환경이 되는 네트워크 구성도를 나타낸 도면.3 is a diagram illustrating a network configuration serving as a basic environment according to an embodiment of the present invention.

도 4는 간단한 유무선 공유네트워크의 전송 지연을 나타낸 도면.4 is a diagram illustrating a transmission delay of a simple wired / wireless sharing network.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마스터와 슬레이브사이의 전송지연을 나타낸 도면.5 is a diagram illustrating a transmission delay between a master and a slave according to an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마스터가 각각의 노드에 대해 메시지를 받는 과정을 나타낸 도면.6 is a diagram illustrating a process in which a master receives a message for each node according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무선에서의 채널 효율 감소를 나타낸 도면.7 is a diagram illustrating channel efficiency reduction in the radio according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 802.15.4에서의 RBS 적용 방식을 나타낸 도면.8 illustrates an RBS application scheme in 802.15.4 according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법에 관한 순서도.9 is a flowchart of a real time synchronization method for a hybrid network according to a preferred embodiment of the present invention.

도 10a은 본 발명의 실시예에 따른 RBS를 이용한 양방향 전파 지연 동기화를 나타낸 도면.10A illustrates bidirectional propagation delay synchronization using RBS in accordance with an embodiment of the present invention.

도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 LR-WPAN에서 CAN으로의 메시지 전달과정을 나타낸 도면.10B is a diagram illustrating a message transfer process from LR-WPAN to CAN according to an embodiment of the present invention.

도 10c는 본 발명의 실시예에 따른 CAN에서 LR-WPAN으로의 메시지 전달과정을 나타낸 도면.10C is a diagram illustrating a message transfer process from CAN to LR-WPAN according to an embodiment of the present invention.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 노드사이에서 데이터와 확인 메시지가 교환되는 과정을 나타낸 도면.11 is a diagram illustrating a process of exchanging data and acknowledgment messages between two nodes according to an embodiment of the present invention.

도 12는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법에 관한 순서도.12 is a flowchart of a real-time synchronization method for a hybrid network according to another preferred embodiment of the present invention.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 LR-WPAN에서의 주파수 오차를 나타낸 도면.13 is a view showing a frequency error in the LR-WPAN according to an embodiment of the present invention.

Claims (6)

(a) 코디네이터가 슈퍼프레임의 첫 부분에서 비콘 메시지를 상기 코디네이터의 네트워크 영역에 방송을 하고 상기 네트워크 영역 내에 존재하는 각 노드는 상기 비콘 메시지를 이용하여 진동소자의 주파수 오차에 의해 지연된 해당 노드의 클럭을 상기 코디네이터의 클럭에 대응하는 값으로 보정하는 단계;(a) The coordinator broadcasts a beacon message to the coordinator's network area at the beginning of the superframe, and each node in the network area uses the beacon message to clock the corresponding node delayed by the frequency error of the vibration device. Correcting the value to a value corresponding to the clock of the coordinator; (b) 상기 네트워크 영역 내의 순차노드가 타임 슬롯에서의 메시지를 코디네이터로 보내기 위해 방송을 하고, 상기 네트워크 영역내의 경쟁 접근 노드는 상기 메시지를 이용하여 채널 전송 지연1을 얻는 단계;(b) a sequential node in the network area broadcasts to send a message in a time slot to a coordinator, and the contention access node in the network area obtains a channel transmission delay 1 using the message; (c) 상기 (a)단계를 수행한 슈퍼프레임의 다음 순서에서 상기 코디네이터가 비콘메시지를 방송하고 상기 경쟁 접근 노드는 상기 방송된 비콘메시지를 이용하여 채널 전송 지연2를 얻는 단계; 및(c) the coordinator broadcasting a beacon message in a next sequence of the superframe in which step (a) is performed, and the contention access node obtaining a channel transmission delay 2 using the broadcast beacon message; And (d) 상기 경쟁 접근 노드는 상기 채널 전송지연 1 및 채널 전송 지연 2를 더하여 평균값을 계산하고 상기 계산된 평균값을 이용하여 해당 노드의 클럭을 보정하는 단계를 포함하는 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법.(d) wherein the contention access node calculates an average value by adding the channel transmission delay 1 and the channel transmission delay 2 and corrects the clock of the node using the calculated average value. 제1항에 있어서,The method of claim 1, (e) 타임 스탬프 동기화 알고리즘에 의해 상기 네트워크 내의 송신 노드와 수신 노드 사이의 평균 채널 지연을 구하는 단계;(e) obtaining an average channel delay between a transmitting node and a receiving node in the network by a time stamp synchronization algorithm; (f) 상기 평균 채널지연을 이용하여 상기 송신 노드와 수신 노드 사이의 각 진동소자에 따른 주파수 오차를 구하는 단계; 및(f) obtaining a frequency error of each vibrating element between the transmitting node and the receiving node using the average channel delay; And (g) 상기(f)단계를 통해 구해진 상기 주파수 오차의 평균값을 유지하는 단계를 더 포함하는 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법.(g) maintaining a mean value of the frequency errors obtained through step (f). 제1항에 있어서, 상기 채널전송지연 1 및 채널 전송지연 2는 타임 스탬프(T1~T4)를 이용하여 하기 식으로 구해짐을 특징으로 하는 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법.The method of claim 1, wherein the channel transmission delay 1 and the channel transmission delay 2 are obtained by the following equation using time stamps T1 to T4. (수학식)
Figure 112010054246466-pat00039
(Mathematical formula)
Figure 112010054246466-pat00039
여기서, T1은 상기 코디네이터의 방송 시각, T2는 해당 노드의 방송 수신 시각, T3은 해당 노드의 방송 시각, T4는 상기 코디네이터의 방송 수신 시각Here, T1 is a broadcast time of the coordinator, T2 is a broadcast reception time of a corresponding node, T3 is a broadcast time of a corresponding node, and T4 is a broadcast reception time of the coordinator.
제2항에 있어서, 상기 주파수 오차(α)는 하나의 슈퍼프레임 동안 발생한 이전의 지연 값들에 대한 평균 채널 전송지연(E[Dp])과 새로 발생한 채널 전송지연(DPN)과, 채널의 지연의 변화를 반영한 가중치(W)를 기초로 구함을 특징으로 하는 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법.3. The method of claim 2, wherein the frequency error [alpha] is an average channel transmission delay E [Dp], a newly generated channel transmission delay D PN for previous delay values occurring during one superframe, and a channel delay. The real-time synchronization method for a hybrid network, characterized in that it is obtained based on a weight (W) reflecting the change of. 제2항에 있어서, 상기 평균 채널 지연은 하기 식으로 구함을 특징으로 하는 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법.The method of claim 2, wherein the average channel delay is obtained by the following equation. (수학식 )
Figure 112010054246466-pat00041
Equation
Figure 112010054246466-pat00041
여기서 d는 평균 채널 지연, ρS는 송신단의 진동소자에 의한 오차, ρR은 수신단의 진동소자에 의한 오차, C(t1)~C(t4)는 실제시간 t1~t4에 대하여 상기 상기 송신 노드 및 수신 노드의 내부 클럭에 따른 시간Where d is the average channel delay, ρ S is the error due to the oscillation element at the transmitting end, ρ R is the error due to the oscillating element at the receiving end, and C (t1) to C (t4) is the transmission node for the actual time t1 to t4. And time according to the internal clock of the receiving node
제4항에 있어서, 상기 가중치(W)는 하기 식을 통해 구함을 특징을 하는 하이브리드 네트워크를 위한 실시간 동기화 방법.5. The method of claim 4, wherein the weight (W) is obtained by the following equation. (수학식)
Figure 112010054246466-pat00061
(Mathematical formula)
Figure 112010054246466-pat00061
여기서, BP는 임의의 백오프 값, N은 하나의 슈퍼프레임 동안 발생한 이전의 채널 지연 횟수, symbols는 동기화 간격의 심볼 개수 Where BP is an arbitrary backoff value, N is the number of previous channel delays occurring during one superframe, and symbols is the number of symbols in the synchronization interval.
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