KR101025423B1 - Ｗｐａｎ에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법 - Google Patents

Ｗｐａｎ에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 개인 영역 네트워크상(WPAN)에서 코디네이터가 메시지 구간의 첫 바이트에 각각의 상기 무선 개인 영역 네트워크에 연결되어 있는 FFD의 전송순서를 결정하는 제어정보를 포함하고 있는 하나의 싱크 메세지를 작성하여 상기 FFD들에게 전송하는 단계, 상기 싱크 메세지를 수신한 상기 FFD들은 상기 싱크 메세지의 정보로부터 각자의 타임슬롯을 설정하고 자신에게 할당된 타임슬롯을 기다렸다가 자신의 타임슬롯 구간에서 메세지를 전송하는 단계, 및 상기 모든 FFD들의 통신이 끝이나면 상기 코디네이터는 FFD의 데이터와 다음 싱크 메세지의 충돌을 방지하기 위한 inter-period-space를 기다린 후 다음 사이클을 시작하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 공유 매체상에서 메시지간의 충돌을 방지하여 트래픽이 증가하여도 전송 지연을 허용 전송 지연 이내로 일정하게 유지함으로써 모든 메시지를 시간 제약 없이 전송할 수 있다는 장점이 있다.
무선개인영역네트워크, WPAN, 타임트리거, IEEE 802.15.4

Description

ＷＰＡＮ에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법{Time-triggered message scheduling method in Wireless Personal Area Network}
본 발명은 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법에 관한 것으로써,더욱 상세하게는 IEEE 802.15.4를 능동형 무인지게차 등의 작업할당을 위한 무선 네트워크로 사용하기 위하여 공유 매체상에서 메시지간의 충돌을 방지하고, 전송지연 없이 메세지를 전송하는 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 자동화 시스템에는 이동성(mobility)을 필요로 하는 모바일 로봇(mobile robot)이나 AGVs(Automated Guided Vehicles), 능동형 무인지게차(이하 AUF:Active Unmanned Forklift)와 같은 이동식 장비들(mobile devices)의 사용이 증가하고 있다. 이러한 이동식 장비들은 자동화 시스템을 구성함에 있어 작업물의 이동을 원활하게 함으로써 시스템의 생산성 및 유연성을 향상시키는 역할을 하고 있다.
물류시스템에서 AUF의 원활한 운용을 위해서는 작업 할당(task allocation), 자세 제어(motion control), 충돌 회피(collision avoidance)등과 같은 제어 기능들이 필요하다. 이러한 제어 기능들은 분산되어 있는 여러 개의 센서나 위치인식시스템 등을 통해 측정된 AUF의 현재 위치, 작업 스케줄에 따른 작업 정보, 기계의 작업 상태와 같은 다양한 형태의 정보들을 필요로 한다. 따라서, 이러한 정보들은 시스템이 요구하는 일정한 지연 내에서 다양한 시스템들과 지속적으로 정보를 교환해야 한다.
다른 시스템과의 지속적인 정보교환을 위해 고정된 시스템은 DeviceNet, Profibus-DP, Ethernet과 같은 필드버스와 연결되어 있지만, 이동 장비를 포함하고 있는 시스템에서는 Radio-Frequency(RF) modem과 같은 무선 통신 장비를 필요로 한다.
최근에는 이동 장비가 포함된 자동화 시스템을 위한 무선 통신 기술로서 높은 데이터 전송률과 넓은 통신거리를 가지는 IEEE 802.11b에 대한 많은 연구들이 진행되고 있다. 하지만 IEEE 802.11b 표준의 경우 TCP/IP 스택을 포함하고 있는 상대적으로 큰 오버헤드와 전력 소모량 때문에 실용화를 통한 산업계의 적용이 늦어지고 있다.
따라서, 적은 전력 소모량과 오버헤드로 센서들을 무선으로 연결시키기 위해 개발된 ZigBee 하부 표준인 IEEE 802.15.4와 같은 무선개인영역네트워크(Wireless Personal Area Network:이하 WPAN이라 한다)을 산업용 무선 네트워크로 사용하기 위한 관심이 증가하고 있다. 또한 IEEE 802.15.4는 무선 센서 테트워크, 산업용 무선 모니터링, 스마트 홈과 같은 실질적인 응용에 널리 사용되고 있다.
IEEE 802.15.4는 저속, 저가격, 저전력을 목적으로 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineering)에서 2003년 국제 표준으로 제정된 LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network) 프로토콜이다. IEEE 802.15 task group은 개인이 활동할 수 있는 공간에서 사용할 수 있는 네트워크의 개발을 위해 결성되었으며, 대표적인 WPAN 프로토콜로는 IEEE 802.15.1 기반의 BlueTooth 기술이 있다.
ZigBee 하부표준으로 정의된　 IEEE 802.15.4는 무선 네트워크를 구현함에 있어서 IEEE 802.11에 비해서 시스템의 복잡도가 낮고, 설계비용이 현저히 적다는 장점이 있다. IEEE 802.15.4는 2.4GHZ대역의 ISM(The Industrial, Scientific and Medical)밴드에서 별도의 허가 없이 무선 통신망을 쉽게 구성할 수 있으며 최대 250kbps의 통신 속도로 반경 30m 내·외의 데이터를 송·수신할 수 있다.
도 1은 IEEE 802.15.4 표준을　 OSI 7 계층 구조를 기준으로 응용계층, 네트워크계층, 데이터 연결계층 그리고 물리계층으로 분류하여 나타낸 도면이다.
IEEE 802.15.4에서 데이터 링크 계층은 크게 LLC(Logical Link Control)와 MAC(Medium Access Control) 두 개의 하위계층으로 구성되어 있다. 구성된 하위 계층 중에서 LLC는 IEEE 802.3과 IEEE 802.11 등과 같이 IEEE 802 그룹에서 공통적으로 사용된다.
도 2는 IEEE 802.15.4의 슈퍼프레임 구조를 나타낸 도면이다.
도 2에서 보듯이 경합접근기간(Contention Access Period:이하 CAP라 한다)는 각 네트워크 디바이스가 공유 매체상에 접근을 하기 위해 충돌회피 캐리어 감지 중복접근(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance:이하 CSMA/CA라 한다)를 사용하는 구간이며, 경합자유기간(Contention Free Period:이하 CFP라 한다)은 낮은 통신 지연을 필요로 하는 응용계층을 위해 시간보장슬롯(Guaranteed Time Slots:이하 GTSs라 한다)를 할당하여 공유 매체 상에 접근하는 구간으로 나뉘어진다.
먼저 CAP에서 공유 매체 상에 접근하기 위한 디바이스는 경쟁을 기반으로 하는 CSMA/CA메커니즘을 사용하여 통신 채널에 접근하게 된다. CSMA/CA 메커니즘은 지속적으로 통신 채널을 감시하고 있다가, 응용계층의 요청이 있을 경우 데이터 전송을 시작하는 방식이다. 만약 다른 노드에서 통신 채널을 사용하고 있다면 아래 수식 (1)과 같이 계산되는 랜덤 백오프 시간(Random Backoff Time)과 128us로 정의되어 있는 방해없는 채널접근(Clear Channel Assessment:이하 CCA라 한다)를 기다린 후에 다시 전송을 시작하게 된다.
수식1
InitialbackoffPeriod(초기백오프기간) + CCA
= (2macMinBE - 1)*aUnitbackoffPeriod + CCA
where : macMinBE(최소백오프 지수) = 0,1,..3
CFP에서는 공유 매체상에 접근하기 위한 디바이스가 별도로 할당된 타임슬롯을 이용해 경쟁 없이 데이터 전송을 시작하는 방식이다. 그러나 CFP는 슈퍼프레임 일부만을 사용하도록 제한되어 있으며, 트래픽이 증가해 CAP구간이 길어지면 디바이스의 GTS 요청이 있더라도 별도의 타임슬롯을 할당하지 못하는 문제점이 있다.
또한 IEEE 802.15.4는 매체 접속 방법(Medium Access Control:이하 MAC라 한다)으로 경쟁을 기반으로 하는 CSMA/CA를 사용하기 때문에, 트래픽이 증가함에 따라 전송지연이 급격히 증가하며, 통신 노드가 데이터를 전송하기 위하여 랜덤 백오프 시간을 기다려야 하기 때문에 트래픽이 낮을 때에도 전송지연이 일정하지 못하는 불안정한 성능으로 인하여 산업용으로는 적합하지 않다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, IEEE 802.15.4를 능동형 무인지게차 등의 작업할당을 위한 무선 네트워크로 사용하기 위하여 응용계층에서 TDMA(time division multiple access)방법을 적용함으로써 공유 매체상에서 메시지간의 충돌을 방지하고, 전송지연 없이 메세지를 전송하는 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법은 무선 개인 영역 네트워크상(WPAN)에서 코디네이터가 메시지 구간의 첫 바이트에 각각의 상기 무선 개인 영역 네트워크에 연결되어 있는 FFD의 전송순서를 결정하는 제어정보를 포함하고 있는 하나의 싱크 메세지를 작성하여 상기 FFD들에게 전송하는 단계, 상기 싱크 메세지를 수신한 상기 FFD들은 상기 싱크 메세지의 정보로부터 각자의 타임슬롯을 설정하고 자신에게 할당된 타임슬롯을 기다렸다가 자신의 타임슬롯 구간에서 메세지를 전송하는 단계, 및 상기 모든 FFD들의 통신이 끝이나면 상기 코디네이터는 FFD의 데이터와 다음 싱크 메세지의 충돌을 방지하기 위한 inter-period-space를 기다린 후 다음 사이클을 시작하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 코디네이터는 스케줄링 리스트를 가지고 무선 개인 영역 네트워크 에 연결되어 있는 FFD의 전송순서를 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법은 macMinBE(최소백오프 지수)를 0으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법은 TDMA방식을 이용하므로 메세지간 충돌이 발생하지 않기 때문에 ACK프레임을 사용하지 않으므로 해서 불필요한 전송시간을 줄이는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법에 의하면 공유 매체상에서 메시지간의 충돌을 방지하여 트래픽이 증가하여도 전송 지연을 허용 전송 지연 이내로 일정하게 유지함으로써 모든 메시지를 시간 제약 없이 전송할 수 있다는 장점이 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법은 어플리케이션 레이어에서 TDMA(time division multiple access)방법을 적용하여 전기능 디바이스(Full-Function Device:이하 FFD라 한다)간 데이터 충돌을 방지할 수 있으며, 각각의 FFD들은 주기적인 실시간 데이터를 처리할 수 있다.
이하 본 발명의 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법이 개시된다.
도 3은 본 발명에 따른 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법에 의하여 각 노드간 통신하는 과정을 나타내는 구조도이며, 도 4는 도 3의 과정을 나타내는 순서도이다.
타임 트리거 기반의 IEEE 802.15.4 네트워크에 참여하는 모든 노드는 코디네이터(10) 역할을 하는 하나의 전기능 디바이스(Full-Function Device:이하 FFD라 한다)와 또 다른 여러 개의 FFD(20,21,22)가 WPAN에 연결되어 있다. 이하 FFD 중 스케줄링 리스트를 가지고 다른 FFD의 전송순서를 결정할 수 있는 FFD를 코디네이터(10)라 정의한다.
도 3에서 보듯이 하나의 사이클은 하나의 메세지를 전송하기에 효율적인 시간으로 정의된 여러개의 고정된 타임 슬롯으로 구성되어 있다. 스케줄링 리스트는 FFD전송순서에 따른 16bit ID를 포함하고 있다. 즉 코디네이터는 네트워크에 참여하고 있는 모든 FFD 노드의 수를 알고 있으며, 이를 기준으로 스케줄링 사이클을 관리한다.
본 발명의 일실시예로서 도 3에서 코디네이터(10)는 3개의 FFD(20,21,22)가 네트워크에 연결됨을 인지하고 이를 기준으로 하나의 사이클에 4개의 고정된 타임 슬롯을 할당하고 있다. 또한 코디네이터(10)는 현재 네트워크에 연결되어 있는 FFD 노드의 정보를 가지고 전송 순서를 결정하여 메시지 구간의 첫 바이트에 각각의 FFD 노드의 전송순서를 결정하는 제어정보를 포함하고 있는 하나의 싱크 메시지(S)를 전송한다(S100).
FFD 노드들(20,21,22)은 상기 싱크 메시지를 수신하면, 각자의 타임슬롯을 설정하고 자신에게 할당된 타임슬롯을 기다렸다가 자신의 타임슬롯 구간에서 메시지를 전송한다. 만약 FFD 노드가 전송할 데이터가 없으면 그 타임슬롯을 건너뛰게 된다.
모든 FFD 노드들의 통신이 끝나면 코디네이터(10)는 FFD 노드의 데이터와 다음 싱크 메시지의 충돌을 방지하기 위한 현재 사이클과 다음 사이클을 구분하기 위한 inter-period space(IPS)를 기다린 후 다음 사이클을 시작한다.
도 3에서 보듯이 FFD1 노드(20)는 코디네이터가 전송한 싱크 메세지(S)의 정보로부터 하나의 사이클 내에서 자신에게 할당된 두번째 타임슬롯을 설정하고 상기 두번째 타임슬롯에서 데이터(D)를 FFD2 노드(21)에 전송한다(S200). 이는 FFD와 FFD간의 통신을 보여준다.
마찬가지로 FFD2 노드(21)는 하나의 사이클 내에서 세번째 타임슬롯을 설정 하나 전송하고자 하는 데이터가 없음으로 상기 세번째 타임슬롯은 건너뛰게 된다(S300).
마찬가지로 FFD3 노드(22)는 하나의 사이클 내에서 네번째 타임슬롯을 설정하고 데이터(D)를 코디네이터(10)에 전송한다(S400). 이는 FFD와 코디네이터간의 통신을 보여준다.
따라서 본 발명의 타임 트리거 구조를 이용하여 FFD 간의 데이터 충돌을 방지할 수 있으며, 각각의 FFD는 주기적인 실시간 데이터를 처리할 수 있다.
본 발명에 있어, 종래의 IEEE 802.15.4의 불확실성을 줄이기 위한 필요한 두 가지 요소가 있다.
첫 번째로, 일정한 전송지연을 보장하기 위해 macMinBE(최소백오프지수)를 0으로 설정해야 한다. 종래의 IEEE 802.15.4에서 초기의 데이터 충돌을 방지하기 위해 사용된 macMinBE의 설정에 있어, 각각의 FFD는 상기 macMinBE를 3으로 정의된 랜덤 값을 사용함으로서 서로 다른 초기 백오프 타임을 설정할 수 있고 이로 인해 충돌을 방지할 수 있기 때문이다.
그러나 본 발명의 타임 트리거 구조에서는 TDMA방식을 사용함으로써 데이터간의 충돌을 완벽히 방지할 수 있기 때문에 macMinBE값을 0으로 설정하여 전송지연의 편차를 일정하게 유지시킬 수 있다.
두 번째로, 네트워크 트래픽을 줄이기 위해 ACK프레임을 삭제해야 한다. 종래의 구조에서 성공적인 데이터 전송을 보장하기 위하여 ACK프레임을 사용하였다. 만약 송신 노드에서 ACK를 수신하지 못한다면 데이터 전송 중 충돌이 발생하였다고 가정하고 랜덤 백오프 타임을 다시 기다린 후 다시 데이터를 전송하게 된다.
그러나 본 발명에 있어서는 TDMA방식을 이용함으로써, 데이터 전송 중 충돌이 발생하지 않기 때문에 ACK프레임을 사용하지 않으므로 해서 불필요한 전송시간을 줄일 수 있다.
본 발명의 타임 트리거 기반의 IEEE 802.15.4의 성능을 평가하기 위하여 제닉(Jennic)사의 JN5121 MCU를 사용한 7개의 무선 노드로 구성된 테스트 베드를 제작하였다. 이 테스트베드에서 1개의 무선 노드는 가상 싱크 마스터로 동작하고 나머지 6개의 무선 노드는 일반 노드로 동작하도록 구현하였다. JN5121 MCU의 IEEE 802.15.4 스택은 제닉사에서 지원하는 MAC 버전 2.6, 스택 버전 1.6의 라이브러리(library)를 사용하였고, 윈도우 XP기반 코드블록(CodeBlock)에서 컴파일하여 구현하였다.
종래의 IEEE 802.15.4의 성능과 본 발명에서 제안하는 타임 트리거 기반의 IEEE 802.15.4의 성능을 비교 평가하기 위하여 일반 노드에서 10msec주기로 22- byte의 메시지 300개를 생성하여 전송하였다. IEEE 802.15.4 표준에서 정의하고 있는 오버헤드는 14byte이며, 메시지 길이는 공정한 성능평가를 위하여 동일하게 8yte로 가정하였다.
도 5는 종래의 IEEE 802.15.4와 본 발명에서 제안하는 타임 트리거 기반의 IEEE 802.15.4의 end-to-end 전송지연을 나타낸 것이다.
도 5에서 보는 바와 같이 본 발명의 타임 트리거 기반의 IEEE 802.15.4는 300개의 메시지가 모두 4msec의 전송지연을 가지는 일정한 전송지연을 보이고 있다. 반면에 종래의 IEEE 802.15.4는 최소 2msec에서 100msec까지 불확실한 전송지연을 나타내는 것을 볼 수 있으며, 일부 구간에서는 반복된 메시지 충돌로 인하여 메시지 전송을 포기하는 경우(Lost Time)도 다수 발생하였다. 이는 본 발명에서 제안하는 스케줄링 알고리즘에 의해 메시지간의 충돌이 발생하지 않기 때문이다.
도 6은 종래의 IEEE 802.15.4와 본 발명에서 제안하는 타임 트리거 기반의 IEEE 802.15.4의 최대전송지연을 나타낸 것이다.
도 6에서 보는 바와 같이 종래의 IEEE 802.15.4에서는 트래픽이 증가함에 따라(메시지 전송주기가 빨라짐에 따라) 최대 전송지연이 점차 증가하는 경향을 보이고 있는데, 이는 네트워크 트래픽이 증가하면서 공유 매체상의 메시지 충돌이 빈번해져 랜덤 백오프 타임이 지수적으로 증가하기 때문이다.
반면에 타임 트리거 기반의 IEEE 802.15.4는 트래픽이 증감함에도 최대 전송 지연이 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 이는 본 발명에서 제안하는 타임 트리거 기반의 IEEE 802.15.4에 의해 메시지간의 충돌이 발생하지 않고, macMinBE값을 0으로 설정함에 따라 전송지연의 편차가 발생하지 않기 때문이다.
따라서 응용계층에서 고정된 타임 슬롯을 할당함으로써 공유 매체상에서 메시지간의 충돌을 방지하여 트래픽이 증가하여도 전송 지연을 허용 전송 지연 이내로 일정하게 유지함으로써 모든 메시지를 시간 제약 없이 전송할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정·변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
도 1은 IEEE 802.15.4 표준을　 OSI 7 계층 구조를 기준으로 응용계층, 네트워크계층, 데이터 연결계층 그리고 물리계층으로 분류하여 나타낸 도면이다.
도 2는 IEEE 802.15.4의 슈퍼프레임 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 3은 본 발명에 따른 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법에 의하여 각 노드간 통신하는 과정을 나타내는 구조도이다.
도 4는 종래의 IEEE 802.15.4와 본 발명에서 제안하는 타임 트리거 기반의 IEEE 802.15.4의 end-to-end 전송지연을 나타낸 것이다.
도 5는 종래의 IEEE 802.15.4와 본 발명에서 제안하는 타임 트리거 기반의 IEEE 802.15.4의 최대전송지연을 나타낸 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10:코디네이터 20,21,22:전기능 디바이스

Claims (4)

  1. 무선 개인 영역 네트워크상(WPAN)에서 코디네이터가 메시지 구간의 첫 바이트에 각각의 상기 무선 개인 영역 네트워크에 연결되어 있는 FFD(Full Function Device)의 전송순서를 결정하는 제어정보를 포함하고 있는 하나의 싱크 메세지를 작성하여 상기 FFD들에게 전송하는 단계;
    상기 싱크 메세지를 수신한 상기 FFD들은 상기 싱크 메세지의 정보로부터 각자의 타임슬롯을 설정하고 자신에게 할당된 타임슬롯을 기다렸다가 자신의 타임슬롯 구간에서 메세지를 전송하는 단계; 및
    상기 모든 FFD들의 통신이 끝이나면 상기 코디네이터는 FFD의 메시지와 다음 싱크 메시지의 충돌을 방지하기 위한 주기간 유휴시간(inter-period-space)을 기다린 후 다음 사이클을 시작하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법.
  2. 제 1항에 있어서, WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법은
    하나의 사이클은 하나의 메세지를 전송하기 위한 적어도 하나 이상의 고정된 타임슬롯을 포함하는 TDMA(Time Division Multiple Access)방법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법.
  3. 제 1항에 있어서, WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법은
    macMinBE(최소백오프 지수)를 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법.
  4. 제 1항에 있어서, WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법은
    TDMA(Time Division Multiple Access)방식을 이용하므로 메세지간 충돌이 발생하지 않기 때문에 ACK프레임을 사용하지 않으므로 해서 전송시간을 줄이는 것을 특징으로 하는 WPAN에서 타임트리거 기반의 메세지 스케줄링 방법.
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