KR101010877B1 - 비콘－기반의 애드－혹 네트워크에서 노드를 동작시키기위한 방법 및 장치 - Google Patents

비콘－기반의 애드－혹 네트워크에서 노드를 동작시키기위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

동작 동안 네트워크(100)와 관계되는 노드(500)는 슈퍼프레임의 일부로서 비콘 간격 동안 비콘을 주기적으로 브로드캐스팅한다. 이 비콘은 노드들이 네트워크와 연관시키는데 걸리는 시간에 기초하여 제1 시간 기간 동안 주기적으로 브로드캐스팅한다. 제1 시간 기간이 경과된 후, 비콘은 제2 시간 기간 동안 스위치 오프되며, 그 후, 이 비콘은 또 다시 주기적으로 브로드캐스팅될 것이다.
애드-혹 네트워크, 노드, 비콘, 브로드캐스트, 논리 회로

Description

비콘－기반의 애드－혹 네트워크에서 노드를 동작시키기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR OPERATING A NODE IN A BEACON-BASED AD-HOC NETWORK}
본 발명은 일반적으로 애드-혹 네트워크들에 관한 것이며, 특히 애드-혹 네트워크 내에서 노드를 동작시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
비콘 인에이블된 애드-혹 센서 네트워크에서, 네트워크 관계(network association)는 네트워크에 가입하기 위한 초대(invitation)로서 작용하는 비콘들을 발견하고 프록시미티(proximity)를 스캔닝하는 노드로 초기화된다. 노드가 네트워크 관계를 완료할 때, 시간 동기화의 수단으로서 그리고 관계 초대(association invitation)의 신호로서 자체 비콘들을 전송하기 시작한다. 실제로, 많은 시뮬레이션들은 비콘 인에이블된 네트워크를 성공적으로 형성할 가능성은 특히 짧은 프레임 길이의 제약, 즉 활성 윈도우-시간 하에서 비-비콘 인에이블된 네트워크와 비교하여 훨씬 낮다 라는 것을 보여주었다. 그러므로, 비콘들이 노드들을 연관시키는 간섭을 감소시키는 비콘-기반의 애드-혹 네트워크에서 노드를 동작시키기 위한 방법 및 장치가 필요하다.
상술된 요구를 다루기 위하여, 네트워크와 관계된 노드는 슈퍼프레임의 일부로서 비콘 간격(beacon interval) 동안 비콘을 주기적으로 브로드캐스팅할 것이다. 비콘은 이웃하는 노드들이 네트워크와 연관시키는데 걸리는 시간에 기초하여 제1 시간 기간 동안 주기적으로 브로드캐스팅될 것이다. 제1 시간 기간이 경과된 후, 비콘은 제2 시간 기간 동안 스위치 오프될 것이며, 그 후 비콘은 다시 주기적으로 브로드캐스팅될 것이다.
노드가 제1 시간 기간 동안 비콘을 브로드캐스팅할 것이기 때문에, 노드들은 이와 관계될 것이다. 그러나, 노드가 제2 시간 기간 동안 비콘의 브로드캐스팅을 중단할 것이기 때문에, 시스템 내의 간섭은 감소되어 다른 노드들이 네트워와 더욱 효율적으로 관계되도록 한다.
본 발명은 통신 시스템 내의 비콘닝 노드를 제어하는 방법을 포함한다. 이 방법은 네트워크와 관계시키는 단계, 비콘을 브로드캐스팅하기 위한 제1 시간을 결정하는 단계로서, 상기 제1 시간 기간은 노드가 네트워크와 연관시키는데 걸리는 시간에 기초하는, 결정 단계, 및 제1 시간 기간 동안 비콘을 브로드캐스팅하는 단계를 포함한다. 비콘 브로드캐스트들은 제1 시간 기간이 경과된 후 제2 시간 기간 동안 중단되고 다시 제2 시간 기간이 경과된 후 주기적으로 브로드캐스팅한다.
본 발명은 네트워크와 관계하는 단계 및 노드가 네트워크와 연관시키는데 걸리는 시간에 기초하는 제1 시간 기간 동안 비콘을 브로드캐스팅하는 단계를 포함한다. 비콘은 제1 시간 기간이 경과된 후 브로드캐스팅되지 않고 제2 시간 기간이 경과된 후 다시 브로드캐스팅한다.
본 발명은 노드가 네트워크와 연관시키는데 걸리는 시간에 기초하는 제1 시간 기간 동안 비콘을 브로드캐스팅하는 송신기로서, 상기 송신기는 제1 시간 기간이 경과된 후 비콘을 브로드캐스팅하는 것을 중단하고 제2 시간 기간이 경과된 후 비콘을 다시 브로드캐스팅하는 송신기를 포함하는 장치를 포함한다.
도 1은 애드-혹 통신 시스템의 블록도.
도 2는 도 1의 통신 시스템의 더욱 상세한 블록도.
도 3은 도 1 및 도 2의 통신 시스템에 대한 슈퍼프레임 구조를 도시한 도면.
도 4는 도 3의 슈퍼프레임 구조의 더욱 상세한 도면.
도 5는 노드의 블록도.
도 6은 도 5의 노드의 동작을 도시한 순서도.
지금부터 도면들을 참조하면, 동일한 구성요소들에는 동일한 참조번호가 병기되고, 도 1은 통신 시스템(100)을 도시한다. 통신 시스템(100)은 802.15.3 고속 데이터 레이트들을 위한 무선 개인용 에어리어 네트워크들 또는 IEEE 802.15.4 저 레이트 무선 개인용 에어리어 네트워크들로 정의되는 통신 시스템 프로토콜을 이용한다. 그러나, 당업자는 다른 통신 시스템 프로토콜들이 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 이용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 예를 들어, 통신 시스템(100)은 애드혹 주문형 거리 벡터 라우팅(AODV), 다이나믹 소스 라우팅(DSR), 시간적으로 순서화된 라우팅 알고리즘(TORA), 블루투스TM 표준(IEEE 표준 802.15.1).... 등과 같은 통신 시스템 프로토콜들을 이용하거나 이로 제한되지 않는다. 도시된 바와 같이, 통신 시스템(100)은 다수의 노드들(20) 및 다수의 좌표 노드들(10)을 포함한다. 노드들(20)은 좌표 노드들(10)에 의해 제공되는 동기화를 통해서 서로 통신하는 노드들을 표시한다. 노드들(20)은 이동될 수 있거나(이동) 이들은 소정 장소에서 고정될 수 있다.
도 2는 2개의 좌표 노드들(205 및 208) 및 이들과 관계된 노드들(203-204 및 207) 각각을 도시한 시스템(100)을 더 상세하게 도시한 도면이다. 이 도면에서, 노드들(203 및 204)은 좌표 노드(205)와 관계된다. 노드(203)는 노드(204)를 통해서 노드(205)로 결국 최종 목적지로 라우팅되는 모든 통신들을 갖는다. 노드(207)는 노드(208)를 통해서 라우팅되는 모든 통신들을 갖는다. 상술된 바와 같이, 관계를 원하는 노드(206)는 네트워크를 결합시키기 위한 초대의 역할을 하는 비콘들을 발견하고 프록시미티를 스캐닝함으로써 관계될 것이다. 노드가 네트워크 관계를 완료하면, 시간 동기화의 수단으로서 및 관계 초대의 신호로서 자신의 비콘들을 송신하기 시작한다. 그러나, 상기 비콘들은 또한 새로운 네트워크 관계들과 간섭할 수 있다. 예를 들어, 노드들(203, 204 및 205)에 의해 브로드캐스팅되는 비콘들은 노드(206)에 의해 브로드캐스팅되는 비콘과 간섭할 수 있다. 이 이슈를 처리하기 위하여, 통신 시스템(100) 내의 모든 노드들은 이웃하는 노드들이 자신들과 관계하도록 하는 시간 기간 후 자신들의 비콘들을 턴오프할 것이다. 비콘은 정상적인 비콘닝(beaconing)이 후에 재개되는 시간 기간까지 오프된 채로 있을 것이다.
도 3은 100을 위한 슈퍼프레임 구조를 도시한다. 노드들 중 통신들 동안, 특정 전송 프로토콜은 통신 시스템(100)에 의해 이용되는데, 각 노드는 본원에 참조된 미국 특허 출원 번호 10/414,838에 서술된 바와 같은 특정 비중첩하는 슈퍼프레임(301, 302) 내에서 통신한다. 도 2를 참조하면, 슈퍼프레임 동안, 특정 노드는 비콘 필드내에서 타이밍 및 제어 정보를 브로드캐스하는 반면에, 각 노드(제어기 포함)는 전송을 위하여 경쟁 액세스 기간(CAP) 및 경쟁 프리 기간(CFT) 슬롯, IEEE 802.15.3 표준의 채널 시간 할당(CTA) 설비의 부분을 가질 것이다. 보장된 시간 슬롯 동안, 특정 노드는 자신의 비콘과 임의의 특정 노드에 실행되기 원하는 임의의 명령(COM)을 브로드캐스팅하거나 단일 노드 또는 노드들의 세트를 위해 의도된 데이터를 전송할 수 있다.
비콘 간격(BI) 및 슈퍼프레임 길이 또는 지속기간(SD)은 BI=2^(B0)(여기서 BO=0, 1, 2,...14) 및 SD=2^(SO)(여기서 SO=1,2,..BO)로서 비콘 오더(BO; Beacon Order) 및 슈퍼프레임 오더(SO; Superframe Order) 각각에 의해 결정된다. 듀티-사이클은 SD/BI로서 정의된다. 이는 도 4에 도시되어 있다.
네트워크 액세스 동안, 노드는 잠재적인 네트워크 노드(즉, 연관될 수 있는 노드)의 비콘을 청취할 때까지 이용가능한 채널들을 스캐닝하기 시작할 것이다. 비콘이 청취되면, 관계 요청을 전송하고 잠재적인 패런트로부터 상기 관계 요청을 위한 확인(ack)을 수신한다. 네트워킹된 노드는 네트워크 어드레스/시간 동기 정보를 결정할 것이고 관계 요청을 수신한 후 그것을 관계 응답 메시지로서 송출할 것이다. 관계 응답 메시지는 네트워크 ID 및 시간 동기화 정보를 포함하는 잠재적인 패런트로부터 수신된다. 관계는 자신의 네트워크 ID를 설정하고 비콘-인에이블된 모드에 자신을 배치하는 노드에서 성공적이다.
이 관계 공정 동안, 이 관계는 히든 노드들에 의해 백-오프 및 간접 간섭의 최대 수를 초과하는 반복적인 충돌들에 의해 야기되는 직접 간섭으로 인해 실패할 수 있다. 다른 말로서, 이 고정은 노드 및 잠재적인 패런트 간의 전송들과 간섭하는 통신 시스템 내에서 다른 노드들에 의해 전송들 동안 실패할 수 있다. 이 경우에, 이 관계는 실패로 간주되고 노드는 네트워크와 다시 관계하도록 시도될 것이다.
상술된 바와 같이, 노드는 지속기간 동안 각 슈퍼프레임의 시작에서 비콘들을 전송한다. 노드가 관계될 확률을 증가시키기 위하여 그리고 전체 시스템 간섭을 감소시키기 위하여, 노드는 시간 기간 동안 비콘을 전송하는 것을 중단할 것이다. 노드는 온-보드 타이머가 만료될 때 비콘을 다시 브로드캐스팅한다. 이 시간 기간은 전개되는 노드들의 총수, 총 커버리지 에어리어, 및 공통 전송 범위 및 제어 파라미터들을 포함한 공지된 네트워크 파라미터들의 값들에 기초하여 추정된다. 본 발명의 일 실시예에서, 시간 기간은 이웃하는 노드들의 일부가 관계될 수 있도록 평균 노드 관계 시간 및 제어 파라미터의 곱에 의해 추정된다.이 시간 기간의 끝에서, 노드는 자신의 비콘들을 다시 전송하기 시작하고 정상 데이터 통신들이 진행될 수 있다.
애드-혹 자체-구성 네트워크에서, 네트워크 관계는 자발적이고 동시적이다. 그러나, 동일한 타이머가 네트워크에서 전개된 노드들 각각에 존재하면 좌표화된 행위가 나올 수 있다. 노드가 네트워크 관계를 구할 때, 이는 하나 이상의 채널들을 주사하여 커버리지 에어리어 A 내에서 기존 네트워킹된 노드들(N)을 발견한다. 검출되는 데이터 패킷들 및/또는 비콘들의 수에 기초하여, 노드는 추정된 노드 밀도 함수(F)를 설정할 수 있다.
노드가 네트워크와 관계되고 네트워킹된 노드가 될 때, 비톤들을 전송하기 시작한 시간이 Tbeacon(통상적으로, Tbeacon=0)으로서 결정된다. 나중 시간, 즉 Toff 에서, 네트워킹된 노드는 비콘을 턴오프시킨다. 이 시간은 Tbeacon 더하기 및 이웃하는 노드들의 일부가 네트워킹된 노드와 관계시키는 시간 지속기간인 오프셋과 동일하다. 따라서, 네트워크(100) 내의 노드는 시간 기간 동안 비콘을 브로드캐스팅하여, 이웃하는 노드들이 이와 관계되도록 한다. 시간 기간은 노드와 관계시키도록 다수의 이웃하는 노드들을 위한 시간 기간에 기초한다. 그 후, 노드는 시간 기간 Toff 에서 비콘을 턴오프할 것이다. Toff는 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Toff = △T + Tbeacon (1)
여기서
[수학식 2]
Figure 712010002846438-pct00008
(2)
여기서 0<β<1은 수치 파라미터이며, R은 노드에 대한 전송 범위이다. A는 노드에 대한 총 커버리지 에어리어를 포함하며, N은 커버리지 에어리어 내에서 전개된 총 노드들의 수이고 △τ는 노드 당 추정된 관계 시간(association time)이다. 모든 이들 파라미터들은 전개 전 공지된 글로벌 네트워크 파라미터들이다.
네트워킹된 노드가 자신의 비콘을 턴오프된 후, 이는 완전히 남게 되는데, 즉 어떤 비콘들도 다음으로 표시될 수 있는 시간 기간 동안 각 다음 슈퍼프레임들의 시작에서 전송되지 않는다.
[수학식 3]
△Toff = α△T (3)
여기서 0<α<1 및 △T는 수학식 (2)로 정의된 바와 같다. △Toff의 끝에서, 네트워킹된 노드는 자신의 비콘을 다시 턴온시켜 정상 데이터 통신들을 허용한다.
도 5는 노드(500)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 노드(500)는 논리 회로(501)에 차례로 결합되는 송신기(503) 및 수신기(505)를 포함한다. 동작 파라미터들 데이터베이스(509)는 β, R, 및 N과 같은 네트워크 파라미터들을 저장하도록 제공된다. 클록(507)은 노드(500)를 적절하게 시간 동기화시키는 타이밍 수단으로 서 작용한다. 노드(500)에 대한 각종 형태들이 포함되었지만, 본 발명의 바람직한 실시예서, 노드(500)는 프리스케일 사로부터 형성된다. MC13192 송수신기(송신기(504) 및 수신기(505))는 모토로라 HC08-8비트 프로세서(501)에 결합된다.
도 6은 도 5의 노드의 동작을 도시한 순서도이다. 논리 흐름은 노드(500)가 애드-혹 네트워크와 관계되는 단계(601)에서 시작한다. 단계(603)에서 논리 회로(501)는 수신기(505)가 이용가능한 채널들을 주사하도록 명령하여 커버리지 에어리어 내에서 다수의 기존 네트워킹된 노드들(N)을 결정한다. 특히, BO가 설정될 때, 장치 주사 채널이 고정되는 시간 지속기간이다. 임의의 장치는 2*BO 시간 동안에만 주사를 하여 이 프록시미티(송신/수신 범위 내에서)에서 모든 비콘들을 캐취한다. 그러나, 비콘 코드가 머무르는 시간 지속기간은 N/Z(총 커버리지 에어리어에 의해 나뉘어지는 총 노드들의 수)로서 도출될 수 있는 추정된 이웃들의 수로 결정되고 전송 범위의 에어리어와 승산된다. 이는 균일한 밀도의 분포를 위해선 참이다. 다른 분포들을 위하여, 대응적으로 노드 밀도 추정치를 얻을 수 있다 제1 시간 기간은 논리 회로(501)에 의해 결정되며, 여기서 시간 기간은 이웃하는 노드들이 네트워크(단계 605)와 관계하도록 하는 시간 기간과 등가이다. 상술된 바와 같이, 이 시간 기간은 Tbeacon+△T와 등가이고. 게다가, △T는 위의 식(2)에서 규정되고 데이터베이스(509)에 저장된 동작 파라미터들에 기초한다. 동작 파라미터들은 노드(500)를 위한 전송 범위, 노드(500)를 위한 총 커버리지 에어리어, 네트워크에서 전개되는 총 노드들의 수, 및 노드 당 관계 시간을 포함하지만 이로 제한되지 않는 다. 논리 회로(501)는 또한 이 때 △Toff를 결정한다.
단계(607)에서, 논리 회로(501)는 송신기(503)가 제1 시간 기간 동안 비콘들을 주기적으로 브로드캐스팅하도록 명령한다. 단계(609)에서, 논리 회로(501)는 시간 기간이 경과되었는 지를 결정하고 논리 흐름이 단계(607)로 복귀하지 않으면, 논리 흐름은 단계(609)로 계속되는데, 여기서 비콘 전송은 제2 시간 기간 동안 중단된다. 단계(611)에서, 논리 회로(501)는 클록(507)에 액세스하고 비콘 전송이 △Toff 와 동일한 제2 시간 기간 동안 중단되고, 그렇치 않다면, 논리 흐름은 단계(609)로 리턴되며, 그렇치 않다면 논리 흐름은 단계(613)로 계속 진행하는데, 여기서 정상적인 네트워크 동작(비콘 전송)이 재개된다.
상기 논리 흐름은 제1 시간 기간 동안 비콘을 브로드캐스팅하는 송신기(503)에서 발생되는데, 여기서 제1 시간 기간은 노드가 네트워크와 연관시키는데 걸리는 시간에 기초한다. 이 시간은 시뮬레이션 또는 다른 수단으로부터 얻어질 수 있다. 송신기 (503)는 제1 시간 기간이 경과된 후 비콘을 브로드캐스팅하는 것을 중단하고 제2 시간 기간이 경과된 후 비콘을 다시 브로드캐스팅한다.
본 발명이 특정 실시예와 관련하여 도시되고 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 원리 및 범위를 벗어남이 없이 다양한 형태들의 변경을 행할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이와 같은 변경들은 본 발명의 범위 내에 있다.

Claims (10)

  1. 통신 시스템 내의 비콘닝 노드(beaconing node)를 제어하는 방법에 있어서:
    상기 방법은,
    상기 비콘닝 노드를 네트워크에 접속하는 단계;
    비콘을 브로드캐스팅하기 위한 제 1 시간 기간(ΔΤ)을 결정하는 단계로서, 상기 제 1 시간 기간은 비콘닝 노드가 상기 네트워크에 접속되는데 걸리는 시간에 기초하는, 상기 제 1 시간 기간 결정 단계;
    상기 제 1 시간 기간 동안 상기 비콘을 브로드캐스팅하는 단계;
    상기 제 1 시간 기간이 경과된 후 제 2 시간 기간(ΔΤoff) 동안 비콘 브로드캐스트들을 중단하는 단계; 및
    상기 제 2 시간 기간이 경과된 후 상기 비콘을 주기적으로 브로드캐스팅하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 시간 기간(ΔΤ)은 또한 상기 비콘닝 노드에 대한 전송 범위(R) 및 상기 비콘닝 노드에 대한 커버리지 에어리어(coverage area)(A)에 기초하고,
    Figure 712010002846438-pct00009
    이고,
    0<β<1은 수치 파라미터이며, Δτ는 노드 당 관계 시간이며, N은 커버리지 에어리어(A) 내에 배치된 노드들의 총 개수인, 비콘닝 노드 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비콘닝 노드를 상기 네트워크에 접속하는 단계는 상기 비콘닝 노드를 애드-혹 네트워크(ad-hoc network)에 접속하는 단계를 포함하는, 비콘닝 노드 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 시간 기간(△Toff)은 △T에 기초하는, 비콘닝 노드 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    △Toff=α△T이고, 0<α<1인, 비콘닝 노드 제어 방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 시간 기간(ΔΤ) 동안 비콘을 브로드캐스팅하는 송신기를 포함하고, 상기 제 1 시간 기간은 비콘닝 노드가 네트워크에 접속되는데 걸리는 시간에 기초하고, 상기 송신기는 상기 제 1 시간 기간이 경과된 후 상기 비콘을 브로드캐스팅하는 것을 중단하고 제 2 시간 기간이 경과된 후 상기 비콘을 다시 브로드캐스팅하고, 상기 제 1 시간 기간(ΔΤ)은 또한 상기 비콘닝 노드에 대한 전송 범위(R) 및 상기 비콘닝 노드에 대한 커버리지 에어리어(A)에 기초하고,
    Figure 112010070380474-pct00010
    이고,
    0<β<1은 수치 파라미터이며, Δτ는 노드 당 관계 시간이며, N은 커버리지 에어리어(A) 내에 배치된 노드들의 총 개수인, 장치.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 시간 기간은 상기 제 1 시간 기간에 기초하는, 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 송신기는 슈퍼프레임(superframe)의 비콘 간격(beacon interval) 동안 상기 비콘을 브로드캐스팅하는, 장치.
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