KR101032638B1 - 바이너리 시디엠에이 기반 무선 직렬통신 네트워크 장치 - Google Patents

바이너리 시디엠에이 기반 무선 직렬통신 네트워크 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지그비의 취약점을 보완함과 아울러 보다 향상된 USN을 구현할 수 있는 바이너리 시디엠에이(Binary CDMA) 기반 무선 직렬통신 네트워크 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 직렬디바이스들을 연결하기 위한 직렬인터페이스부와, 상기 직렬인터페이스부를 통해 연결된 직렬디바이스들의 데이터를 바이너리 CDMA방식으로 통신하기 위한 프로토콜 제어부와, 상기 프로토콜 제어부의 제어에 따라 무선으로 통신하는 IEEE 802 표준 무선부로 이루어져 수신된 비콘 프레임에 응답하고 데이터 프레임을 통해 상기 직렬인터페이스부를 통해 연결된 직렬 디바이스들의 데이터를 페이로드로하여 전송하는 다수의 노드단말장치; 비콘 프레임을 송신한 후 응답하는 노드단말장치들로 네트워크를 구성하고 라우팅 프로토콜에 따라 노드단말장치들간의 라우팅을 처리하는 마스터장치; 및 상기 노드단말장치와 상기 마스터장치의 바이너리 시디엠에이 패킷을 모니터링하여 상기 노드단말장치와 마스터장치들로 이루어진 유비쿼터스 센서 네트워크의 상태를 모니터링하고 네트워크의 상태를 문자메시지를 통해 관리자에게 전송하며 관리자의 조작에 따라 네트워크를 관리하는 관제장치로 구성된다.
바이너리 CDMA, USN, 노드, 마스터, 관제장치, 지그비

Description

바이너리 시디엠에이 기반 무선 직렬통신 네트워크 장치{ BINARY CDMA BASE WIRELESS SERIAL COMMUNICATION NETWORK APPARATUS }
본 발명은 유비쿼터스 센서 네트워크 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지그비의 취약점을 보완함과 아울러 보다 향상된 USN(Ubiquitous Sensor Network)을 구현할 수 있는 바이너리 시디엠에이(Binary CDMA) 기반 무선 직렬통신 네트워크 장치에 관한 것이다.
일반적으로, USN(Ubiquitous Sensor Network)은 태그와 센서로부터 사물 및 환경정보를 감지, 저장, 가공, 통합하고 상황인식정보 및 지식 콘텐츠 생성을 통하여 언제, 어디서나 누구나 원하는 맞춤형 지식 서비스를 자유로이 이용할 수 있는 첨단 지능형 사회의 기본 인프라이다.
USN 네트워크는 다수의 센서노드들로 이루어져 싱크노드가 각 센서노드로부터 데이터를 수집하여 게이트웨이를 통해 외부 네트워크로 전달하는 구조로 이루어지는데, 교통, 기후, 환경, 행정정보는 물론 개인 특화 서비스를 위한 각종 위치, 상황, 사무환경정보 등을 제공하는 복합적인 유비쿼터스 인프라이다.
이와 같이 유비쿼터스 네트워크는 다양한 분야에서 활용되는데, 예컨대 유비쿼터스 홈 네트워크 기술은 유선기술로 전화선, 전력선, 이더넷, IEEE1394, USB, 무선기술로는 IEEE802.11x 계열의 무선랜, Home RF, Bluetooth, Ultra Wide Band(UWB), Zigbee, Hiper LAN 등 물리적인 네트워크를 구성하는 기술과 센서간의 통신 프로토콜, 단말기간의 상호발견 및 구성을 관리를 위한 미들웨어 기술, 그리고 미들웨어를 기반으로 한 서비스 기술로 이루어진다.
통상, 지그비 기반의 유비쿼터스 센서 네트워크(ZigBee USN)는 ISM Band에서 5MHz 밴드 폭으로 16개의 주파수 채널이 운영 가능하다. 802.15.4의 규정에 따른 최대 출력인 0dbm으로 GTx=RTx=2.45dbi(통상적인 내장 칩안테나 기준)로 신호를 송출하여 수신 감도 -80dbm이 보장되는 경우 LoS상에서의 최대 통신 송달 거리는 이론상 180m이다. 이와 같은 거리상의 취약점을 보강하기 위해 통상적인 ZigBee 네트워크는 ZC(ZigBee Coordinator), ZR(ZigBee Router), ZED(ZigBee End Device)의 3가지 구성 요소를 기반으로 하여 계층적 통신 네트워크을 구성하는데, 이와 같은 구성 방식은 최초의 네트워크 구성시에만 CSMA의 개념이 허용되고 구성된 네트워크에서의 ZED간의 통신은 단순히 GTS(Guaranteed Time Slot)의 허용 개념에서만 운영될 뿐 CA의 개념은 적용될 수 없음을 의미한다. 이에 따라 운영중인 네트워크에 잡음이 간섭되는 경우 네트워크 전체의 통신품질(QoS)은 보장되지 않는다. 그 이유는 ZED와 ZC간의 직접적인 동기 비콘의 전달이 보장되지 않기 때문이다.
본 발명의 목적은 지그비 USN의 취약점을 보완함과 아울러 보다 향상된 USN(Ubiquitous Sensor Network)을 구현할 수 있는 바이너리 시디엠에이(Binary CDMA) 기반 무선 직렬통신 네트워크 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 직렬디바이스들을 연결하기 위한 직렬인터페이스부와, 상기 직렬인터페이스부를 통해 연결된 직렬디바이스들의 데이터를 바이너리 CDMA방식으로 통신하기 위한 프로토콜 제어부와, 상기 프로토콜 제어부의 제어에 따라 무선으로 통신하는 IEEE 802 표준 무선부로 이루어져 수신된 비콘 프레임에 응답하고 데이터 프레임을 통해 상기 직렬인터페이스부를 통해 연결된 직렬 디바이스들의 데이터를 페이로드로하여 전송하는 다수의 노드단말장치; 비콘 프레임을 송신한 후 응답하는 노드단말장치들로 네트워크를 구성하고 라우팅 프로토콜에 따라 노드단말장치들간의 라우팅을 처리하는 마스터장치; 및 상기 노드단말장치와 상기 마스터장치의 바이너리 시디엠에이 패킷을 모니터링하여 상기 노드단말장치와 마스터장치들로 이루어진 유비쿼터스 센서 네트워크의 상태를 모니터링하고 네트워크의 상태를 문자메시지를 통해 관리자에게 전송하며 관리자의 조작에 따라 네트워크를 관리하는 관제장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 네트워크장치는 인터넷을 통해 상기 관제장치와 연결되어 원격지에서 상기 노드단말장치와 상기 마스터장치들로 이루어진 유비쿼터스 센서 네트워크의 상태를 감시하는 원격감시장치를 더 구비할 수 있고,
상기 마스터장치는 직렬디바이스들을 연결하기 위한 직렬인터페이스부와, 상기 직렬인터페이스부를 통해 연결된 직렬디바이스들의 데이터를 바이너리 CDMA방식으로 통신하기 위한 프로토콜 제어부와, 상기 프로토콜 제어부를 통해 비콘 주기에 비콘 프레임을 전송하게 하고, 비콘 프레임에 대해 응답한 노드단말장치들로 네트워크를 구성하며, 노드단말장치들의 라우팅을 처리하는 라우팅부와, 상기 프로토콜 제어부의 제어에 따라 무선으로 통신하는 IEEE802 표준 무선부로 이루어지거나 상위 계층의 제어 및 관리 데이터를 바이너리 CDMA방식으로 통신하기 위한 프로토콜 제어부와, 상기 프로토콜 제어부를 통해 비콘 주기에 비콘 프레임을 전송하게 하고, 비콘 프레임에 대해 응답한 노드단말장치들로 네트워크를 구성하며, 노드단말장치들의 라우팅을 처리하는 라우팅부와, 상기 프로토콜 제어부의 제어에 따라 무선으로 통신하는 IEEE802 표준 무선부로 이루어질 수 있다.
상기 관제장치는 인터넷과 접속하기 위한 인터넷 접속부와, 네트워크의 동작상태를 MAC 어드레스로 구분하여 페이징 LED와 상태 LED로 표시하기 위한 관제패널과, 관리자의 조작을 입력받기 위한 조작부와, 네트워크의 상태와 관리 로그를 저장하고 있는 저장장치와, 바이너리 시디엠에이방식의 통신을 위한 프로포콜 제어부와, 상기 프로토콜 제어부의 제어에 따라 무선으로 통신하는 IEEE802 표준 무선부와, 상기 프로토콜 제어부를 통해 바이너리 시디엠에이 방식의 각 노드단말장치나 마스터장치의 통신패킷을 수집하여 MAC 어드레스로 구분한 후 상기 관제패널에 동작상태를 표시하고, 상기 조작부나 상기 인터넷 접속부를 통해 원격감시장치로부터 관리자의 조작을 입력받아 네트워크를 관리하는 마이크로프로세서로 구성된다.
본 발명에 따른 바이너리 CDMA를 기반으로 한 USN 직렬 통신네트워크는 종래의 지그비 방식의 네트워크에 비해 최대 송달 거리가 넓어 별도의 라우터가 필요하지 않고 마스터가 라우터의 역할을 대신하는 기능을 가진다. 이에 따라 Binary CDMA의 마스터는 매 동기 비콘 신호의 송출시 마다 CDMA/CA의 원론적 기능을 수행하여 점유 채널 상에 잡음이 간섭되는 경우 사용 가능한 여타 채널로 점유 채널을 이동하여 잡음의 간섭을 피할 수 있고, 허용된 모든 채널의 사용이 불가능한 경우 적시에 시스템의 장애를 파악하여 관리자에게 통지할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 바이너리 CDMA를 기반으로 한 USN 직렬 통신네트워크는 지그비 방식에 비해 통신속도가 빠르고 통신용량이 크며, 최소 6배의 빠른 반응 속도를 얻을 수 있다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제 한하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 바이너리(Binary) CDMA 기반 무선 직렬통신 네트워크의 전체 구성을 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 바이너리(Binary) CDMA 기반 무선 직렬통신 네트워크의 통신 프로토콜 스택을 도시한 개략도이며, 도 3은 본 발명에 따른 바이너리 CDMA 기반 무선 직렬통신 네트워크에서 슈퍼 프레임구조의 예이고, 도 4는 본 발명에 따른 Binary CDMA 기반 무선 직렬통신 네트워크에서 MAC 계층의 데이터 프레임 구조의 예이다.
본 발명에 따른 바이너리 시디엠에이(Binary CDMA) 기반 무선 직렬통신 네트워크는 도 1에 도시된 바와 같이, 수신된 비콘 프레임에 응답하고 데이터 프레임을 통해 직렬 디바이스들의 데이터를 페이로드로 하여 전송하는 다수의 노드단말장치(110)와, 코디네이터로서 동작하여 비콘 프레임을 송신한 후 응답하는 노드단말장치들로 USN 네트워크(100)를 구성하고 라우팅 프로토콜에 따라 노드단말장치들간의 라우팅을 처리하는 마스터장치(120)와, 노드단말장치(110)와 마스터장치(120)의 바이너리 CDMA 패킷을 모니터링하여 노드단말장치와 마스터장치들로 이루어진 유비쿼터스 센서 네트워크(100)의 상태를 모니터링하는 관제장치(130)와, 인터넷(102)을 통해 관제장치(130)와 연결되어 원격지에서 유비쿼터스 센서 네트워크(100)의 상태를 감시하고, 네트워크(100)의 상태를 게이트웨이(104)를 통해 연결된 이동통신망(106)을 거쳐 문자메시지(SMS)를 통해 관리자의 휴대폰(30)으로 전송하는 원격감시장치(20)로 구성된다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초고속 Binary CDMA를 이용한 무선 직렬통 신 네트워크(100)는 ZigBee 네트워크의 취약점을 보완함과 아울러 보다 향상된 성능의 USN을 구현하는 장치 및 장치들간의 운영 요소들을 말하는데, 기본적으로는 RS-232C, RS-485 및 TTL 로직의 연결장치, Binary CDMA 프로토콜 제어장치, IEEE 표준 RF 통신장치를 기본 구성요소로 하며, 이와 같은 기본 요소들의 관리를 위한 Ad-Hoc 네트워크 운영장치, 통신 상황 감시 장치, 통신 상태에 대한 휴대폰용 문자 메시지 중계장치, 인터넷을 통한 원격 네트워크 제어 장치에 이르기까지의 포괄적인 운영 장치들을 부가적 구성요소로 한다.
이러한 본 발명에 따른 바이너리(Binary) CDMA 기반 무선 직렬통신 네트워크는 도 2에 도시된 바와 같이, 물리계층과, MAC 계층, 네트워크 계층, 트랜스포트 계층, 응용 계층, 및 망관리계층으로 이루어진다. 여기서 물리계층과 MAC 계층은 IEEE 802.15.4 표준을 따르는데, IEEE 802.15.4 표준에 따른 네트워크는 2.4GHz 대역에서 250Kbps, 915MHz 대역에서 40Kbps, 868MHz 대역에서 20KHz의 전송대역폭을 갖는다.
또한 IEEE802.15.4에 따른 MAC 프레임은 비콘, 데이터, 응답(ACK) 및 명령 프레임의 네가지 형태로 구분되는데, 데이터 프레임과 비콘 프레임만이 상위계층에 전달할 정보를 가지고 있으며, 응답 프레임과 명령 프레임은 MAC 계층간의 일대일 통신에 사용된다. 그리고 IEEE 802.15.4 표준은 보다 짧은 처리시간을 요구하는 서비스에 적합한 도 3에 도시된 바와 같은 슈퍼 프레임 구조를 정의하고 있는데, 슈퍼 프레임 모드에서는 네트워크 코디네이터로 지정된 마스터장치(120)가 주기적으로 비콘을 다른 노드단말장치(110)들에게 방송한다. 비콘 프레임은 각 슈퍼프레임 의 첫번째 슬롯에서 마스터 장치(120)에 의해 전송되며, 노드단말장치(110)들을 동기화시키고 네트워크를 구별시키며, 슈퍼 프레임 구조를 알려주는데 사용된다. 두 비콘 사이에 충돌접속기간(CAP:Contention Access Period) 동안에 통신하기를 희망하는 노드는 슬롯형 CSMA-CA 메커니즘을 통해 다른 기기들과 경쟁한다. 슈퍼 프레임은 비콘 프레임의 전송으로 경계가 지어지며, 활성부분과 비활성 부분으로 구성된다. 적은 지연시간을 요구하는 응용이나 특수한 대역폭을 요청하는 응용에서 사용되는 보장시간슬롯(GTS)은 충돌없는 기간(CFP: Contention Free Period)을 CAP의 바로 뒤에 있는 슬롯부터 시작한다. 그리고 슈퍼 프레임 구조는 비콘 차수(BO)와 슈퍼프레임 차수(SO)로 이루어지는데, 비콘차수(BO)는 마스터장치(120)가 비콘 프레임을 전송하는 주기를 알려주고, 슈퍼 프레임 차수(SO)는 슈퍼프레임의 활성부분의 길이를 알려준다.
일반적인 MAC 계층의 데이터 프레임은 도 4에 도시된 바와 같은 구조를 가지며, 네트워크 토포로지에 관계없이 모든 노드단말장치(110)들이 사용할 수 있다. 응답(ACK) 프레임은 프레임의 성공적인 수신을 메시지의 원 송신노드에 알리는 프레임으로서, FCS 검사결과 이상이 없을 때 응답 프레임을 생성하고, 명령 프레임은 명령어 타입과 명령어 페이로드 필드로 이루어져 MAC 제어 전송을 담당한다.
도 5는 본 발명에 따른 Binary CDMA를 이용한 무선 직렬통신 네트워크에서노드단말장치의 구성을 도시한 구성 블럭도이다.
본 발명에 따른 네트워크의 기본 구성요소인 노드단말장치(110)의 개념적인 구성은 도 5에 도시된 바와 같이, 직렬디바이스들을 연결하기 위한 직렬인터페이스 부(111)와, 직렬인터페이스부(111)를 통해 연결된 직렬디바이스들의 데이터를 바이너리 CDMA방식으로 통신하기 위한 프로토콜 제어부(112)와, 프로토콜 제어부(112)의 제어에 따라 안테나(114)를 통해 무선으로 통신하는 IEEE 802 표준 무선부(113)로 이루어진다. 직렬인터페이스부(111)는 기존 직렬 통신장치와의 연결을 위한 RS-485(111-1), RS-232C(111-2), TTL 로직으로의 연결장치(111-3), 셋업을 위한 RS-232C(111-4) 등으로 구성되고, Binary CDMA 프로토콜 제어부(112), IEEE 802 표준 RF통신부(113) 및 안테나(114)가 하나의 단말장치로 일체화되어 있다.
도 6은 본 발명에 따른 네트워크에서 마스터 기능을 갖는 단말장치의 구성블럭도이고, 도 7은 마스터 기능을 갖는 단말장치로 소규모 망을 구성한 예이다.
본 발명에 따른 단말장치들 간의 통신을 관리하는 네트워크 마스터의 제1 실시예는 도 6에 도시된 바와 같이, 직렬디바이스들을 연결하기 위한 직렬인터페이스부(121)와, 직렬인터페이스부(121)를 통해 연결된 직렬디바이스들의 데이터를 바이너리 CDMA방식으로 통신하기 위한 프로토콜 제어부(122)와, 프로토콜 제어부(122)를 통해 비콘 주기에 비콘 프레임을 전송하게 하고, 비콘 프레임에 대해 응답한 노드단말장치들로 네트워크를 구성하며, 노드단말장치들의 라우팅을 처리하는 라우팅부(125)와, 프로토콜 제어부(122)의 제어에 따라 안테나(124)를 통해 무선으로 통신하는 IEEE 802 표준 무선부(123)로 이루어지는 로 구성된다.
그리고 이와 같은 제1 실시예의 마스터 장치를 이용하여 구성한 네트워크의 예는 도 7에 도시된 바와 같이 단말장치가 마스터의 역할을 하여 소규모 네트워크를 구성하는 경우이다.
도 8은 본 발명에 따른 네트워크에서 전용 마스터의 구성 블럭도이고, 도 9는 전용 마스터를 이용하여 네트워크를 구성한 예이다.
본 발명에 따른 단말장치들 간의 통신을 관리하는 네트워크 마스터의 제 2 예는 도 8에 도시된 바와 같이, 상위 계층의 제어 및 관리 데이터를 바이너리 CDMA방식으로 통신하기 위한 프로토콜 제어부(122)와, 프로토콜 제어부(122)를 통해 비콘 주기에 비콘 프레임을 전송하게 하고, 비콘 프레임에 대해 응답한 노드단말장치들로 네트워크를 구성하며, 노드단말장치들의 라우팅을 처리하는 라우팅부(125)와, 프로토콜 제어부(122)의 제어에 따라 안테나(124)를 통해 무선으로 통신하는 IEEE802 표준 무선부(123)로 구성되고, 이와 같은 제 2 실시예의 마스터 장치(120)를 이용하여 구성한 네트워크의 예는 도 9에 도시된 바와 같다.
도 9를 참조하면, 다수의 단말장치(110)가 광범위한 영역에 배치되는 경우의 전용 마스터(120)에 의한 네트워크 구성 예로서, 전용 마스터(120)가 단말장치(110)들 간의 네트워크 합류, 자원 할당, 통신 동기화 및 라우터의 기능을 수행하는 구성을 보인다.
도 10은 본 발명에 따른 네트워크에 사용되는 바이너리 CDMA 네트워크 관제장치를 도시한 구성 블럭도이고, 도 11은 도 10에 도시된 관제패널의 예이다.
본 발명에 따른 네트워크(100)를 관리하기 위한 관제장치(130)는 도 10에 도시된 바와 같이, 인터넷(102)과 접속하기 위한 인터넷 접속부(131)와, 네트워크의 동작상태를 MAC 어드레스로 구분하여 페이징 LED와 상태 LED로 표시하기 위한 관제패널(133)과, 관리자가 조작하는 조작부(138), 네트워크의 상태와 관리 로그를 저 장하고 있는 저장장치(134)와, 바이너리 CDMA방식의 통신을 위한 프로포콜 제어부(135)와, 프로토콜 제어부(135)의 제어에 따라 안테나(137)를 통해 무선으로 통신하는 IEEE 802 표준 무선부(136)와, 프로토콜 제어부(132)를 통해 바이너리 CDMA 방식의 각 노드단말장치나 마스터장치의 통신패킷을 수집하여 MAC 어드레스로 구분한 후 관제패널(133)에 동작상태를 표시하고, 관리자의 조작부 입력이나 인터넷 접속부(131)를 통한 원격감시장치(20)의 원격제어에 따라 망을 관리하는 마이크로프로세서(132)로 구성된다.
도 10을 참조하면, 관제장치(130)는 네트워크(100)의 상태를 실시간으로 감시하여 도 11에 도시된 바와 같이 관제패널(133)에 출력하여 관리자가 항상 통신 상태의 이상 유무를 확인할 수 있도록 하고, 단말장치(110)의 작동 상태에 따라 이상 발생시 경고 메시지를 표시하는데, 경고 메시지는 음향, LED, 휴대폰 문자 메시지의 형태로 관리자에게 전달된다. 동시에 이 관제장치(130)는 인터넷(102)에 연결되어 설치회사 혹은 장치 관리자가 원격제어장치(20)를 통해 통신 시스템을 관리할 수 있도록 한다.
이어서, 본 발명에 따른 네트워크장치들의 동작예를 도 12를 참조하여 간단히 살펴보면 다음과 같다.
도 12는 본 발명에 따른 네트워크장치들의 동작 절차를 도시한 순서도로서, 노드단말장치(110)와 마스터장치(120), 관제장치(130), 원격제어장치(20)의 동작 예가 도시되어 있다.
도 12를 참조하면, 마스터장치(120)가 슈퍼 프레임의 비콘 주기에 비콘 프 레임을 생성하여 방송한다(S1). 비콘 프레임을 수신한 노드단말장치들(110)은 응답하고, 마스터장치(120)는 응답한 노드단말장치들(110)로 망을 구성함과 아울러 라우팅 프로토콜에 따른 라우팅 테이블을 생성한다(S2~S4).
관제장치(130)는 노드단말장치(110)와 마스터장치(120) 사이의 통신 패킷을 수집하여 패킷을 분석한 후 관리자에게 문자메시지(SMS)로 전송하고 관리자의 제어에 따라 망을 관리함과 아울러 모니터링 정보를 인터넷을 통해 원격제어장치(20)로 전송한다(S5~S8). 원격제어장치(20)는 원격지에서 망의 상태를 표시함과 아울러 원격제어가 입력되면 관제장치(130)로 전달하고, 이에 따라 관제장치(130)는 관리자의 직접 입력이나 원격입력에 따라 USN망(100)을 제어한다(S9~S11).
한편, 본 발명에 따라 바이너리 CDMA를 기반으로 구현된 USN과 지그비 방식의 USN의 주요 특성을 항목별로 구분하여 대비해보면 다음과 같다.
1. CSMA 방식에 의한 채널 간섭 회피
통상 ZigBee는 ISM Band에서 5MHz 밴드 폭으로 16개의 주파수 채널이 운영 가능하다. 802.15.4의 규정 최대 출력인 0dbm으로 GTx=RTx=2.45dbi로 신호를 송출하여 수신 감도 -80dbm이 보장되는 경우 LoS상에서의 최대 통신 송달 거리는 이론상 180m이다. 이와 같은 거리상의 취약점을 보강하기 위해 통상적인 ZigBee 네트워크은 ZC(ZigBee Coordinator), ZR(ZigBee Router), ZED(ZigBee End Device)의 3가지 구성 요소를 기반으로 하여 계층적 통신 네트워크을 구성하는데 이와 같은 구성 방식은 최초의 네트워크 구성시에만 CSMA의 개념이 허용되고 구성된 네트워크에서의 ZED간의 통신은 단순히 GTS(Guaranteed Time Slot)의 허용 개념에서만 운영될 뿐 CA의 개념은 적용될 수 없음을 의미한다. 이에 따라 운영중인 네트워크에 잡음이 간섭되는 경우 네트워크 전체의 통신품질은 보장되지 않는다. 그 이유는 ZED와 ZC간의 직접적인 동기 비콘의 전달이 보장되지 않기 때문이다. 이에 반해 Binary CDMA 방식은 ISM Band에서 7.5MHz 밴드 폭으로 11개의 주파수 채널이 운영 가능하다. 802.15.3의 통상 출력 기준인 15dbm으로 GTx=RTx=2.45dbi로 신호를 송출하여 수신감도 -80dbm이 보장되는 경우 Los상에서의 최대 송달 거리는 이론상 1000m이다. 이와 같이 넓은 통신반경으로 인해 Binary CDMA에서는 별도의 라우터가 필요하지 않고 마스터가 라우터의 역할을 대신하는 기능을 가진다. 이에 따라 Binary CDMA의 마스터는 매 동기 비콘 신호의 송출시 마다 CDMA/CA의 원론적 기능을 수행하여 점유 채널 상에 잡음이 간섭되는 경우 사용 가능한 여타 채널로 점유 채널을 이동하여 잡음의 간섭을 피할 수 있고, 허용된 모든 채널의 사용이 불가능한 경우 적시에 시스템의 장애를 파악하여 관리자에게 통지할 수 있다. 물론 일단 채널이 옮겨지면 모든 슬레이브는 동일한 CSMA 방식에 따라 새로 형성된 네트워크에 합류하고, 이후의 운영은 마스터의 동기 비콘에 따른 GTS내에서 동기적으로 통신을 수행한다. 이와 같은 비교는 다음 표1과 같다.
특성 ZigBee Binary CDMA
주파수 대역 2.4GHz, 915HMHz, 868MHz 2.4GHz, 5.8GHz
ISM 채널 밴드 폭 5MHz 7.5MHz
ISM 점유 채널 수 16Ch 11Ch
최대 출력 0 dbm 17dbm
통신 거리 180m 1000m
네트워크 구성 요소 ZC, ZR, ZED BN(BS or BM)*
CDMA 네크워크 형성 시점 비콘 동기 시점
CA 네크워크 형성 시점 슬롯 통신 점
2. 통신 속도
현재 구현되어 있는 Binary CDMA는 11채널 사용시 10Mbps, 6 채널 사용시 16Mbps(2009.04 기준)의 throughput 트래픽 성능을 가진다. 물리적으로는 33/44Mbps의 성능을 16/32QAM 방식으로 지원한다. ZigBee의 단일 트래픽 최대 속도가 250kbps인 것을 감안할 때 최대 16Mbps의 성능을 가지는 Binary CDMA는 통신 속도상 64배의 통신 속도를 보장한다.
통상 ZigBee는 214=16,384개의 노드를 지원하고 Binary CDMA는 커맨드 ID를 제외한 250개의 노드를 단일 주파수 채널에서 지원하는데, 기본 트래픽 성능은 다음 표2와 같고 250 노드 기준의 각 메쉬가 통신할 수 있는 메쉬 네트워크의 10분당 전체적인 트래픽은 표3과 같다.
통신 방식 통신 속도 최대 노드 수 슬롯 시간
(MAS)		 슬롯당
통신 데이터		 최대 동기 간격
ZigBee 256k bps 214=16,384 15.36ms 3840 bits 251.658 sec
40k bps 214=16,384 24ms 960 bits 393.216 sec
20k bps 214=16,384 48ms 960 bits 786.432 sec
Binary CDMA 10M bps 250 2ms 20000 bits 0.5 sec
16Mbps 250 2ms 32000 bits 0.5 sec
Baud Rate ZigBee Binary CDMA
10분당
전송 데이터		 동기 간격 10분당
전송 데이터		 동기 간격
250k bps 9,155 bits 3,815 ms x
40k bps 1,,465 bits 6,000 ms x
20k bps 733 bits 12,000 ms x
10M bps x 24,000,000 bits 500 ms
16M bps x 38,400,000 bits 500 ms
3. 패킷 용량
상기 표1에서는 GTS 공간상에서 송수신이 가능한 기본 패킷의 크기를 나타낸다. ZigBee의 경우 단위 슬롯 공간상의 최대 송신 패킷은 380 바이트임을 의미하고 Binary CDMA의 경우는 3,200 바이트임을 의미한다. 단 이와 같은 수치상의 차이는 다음 4항의 통신 동기 간격의 현격한 차이로 인하여 10분간 최대 송수신 데이터양에 있어서 표3과 같은 차이를 보인다.
4. 통신 동기 간격(Beacon Interval)
상기 표1에서는 IEEE 표준 Beacon 최대 동기 구간을 보이고, 상기 표3은 동일 수량의 노드일 경우에 대한 통신 동기 간격을 보인다.
이와 같은 통신 동기 간격의 차이는 예외 상황의 발생에 대한 시스템의 민감성을 결정하는 요소로서, 상기 표3의 결과에 보이는 것처럼 Binary CDMA 기반 USN은 ZigBee 기반 네트워크에 비해 최소 6배의 반응 속도를 보인다. 즉, 250개의 노드가 있는 상황에서 이상 상황이 발생하는 경우 ZigBee는 최소 3.815초 후에 상황이 감지되는 반면 Binary CDMA는 0.5초 이내에 상황의 전파가 이루어짐을 의미한다.
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 바이너리(Binary) CDMA 기반 무선 직렬통신 네트워크의 전체 구성을 도시한 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 바이너리(Binary) CDMA 기반 무선 직렬통신 네트워크의 통신 프로토콜 스택을 도시한 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 바이너리 CDMA 기반 무선 직렬통신 네트워크에서 슈퍼 프레임구조의 예,
도 4는 본 발명에 따른 Binary CDMA 기반 무선 직렬통신 네트워크에서 MAC 계층의 데이터 프레임 구조의 예,
도 5는 본 발명에 따른 Binary CDMA를 이용한 무선 직렬통신 네트워크에서노드단말장치의 구성을 도시한 구성 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 네트워크에서 마스터 기능을 갖는 단말장치의 구성블럭도,
도 7은 마스터 기능을 갖는 단말장치로 소규모 망을 구성한 예,
도 8은 본 발명에 따른 네트워크에서 전용 마스터의 구성 블럭도,
도 9는 전용 마스터를 이용하여 네트워크를 구성한 예,
도 10은 본 발명에 따른 네트워크에 사용되는 바이너리 CDMA 네트워크 관제장치를 도시한 구성 블럭도,
도 11은 도 10에 도시된 관제패널의 예,
도 12는 본 발명에 따른 네트워크장치들의 동작 절차를 도시한 순서도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20: 원격감시장치 30: 휴대폰
100: USN
102: 인터넷 104: 게이트웨이
106: 이동통신망 110: 노드단말장치
120: 마스터장치 130: 관제장치

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 직렬디바이스들을 연결하기 위한 직렬인터페이스부와, 상기 직렬인터페이스부를 통해 연결된 직렬디바이스들의 데이터를 바이너리 CDMA방식으로 통신하기 위한 프로토콜 제어부와, 상기 프로토콜 제어부의 제어에 따라 무선으로 통신하는 IEEE 802 표준 무선부로 이루어져 수신된 비콘 프레임에 응답하고 데이터 프레임을 통해 상기 직렬인터페이스부를 통해 연결된 직렬 디바이스들의 데이터를 페이로드로하여 전송하는 다수의 노드단말장치;
    비콘 프레임을 송신한 후 응답하는 노드단말장치들로 네트워크를 구성하고 라우팅 프로토콜에 따라 노드단말장치들간의 라우팅을 처리하는 마스터장치;
    상기 노드단말장치와 상기 마스터장치의 바이너리 시디엠에이 패킷을 모니터링하여 상기 노드단말장치와 마스터장치들로 이루어진 유비쿼터스 센서 네트워크의 상태를 모니터링하고 네트워크의 상태를 문자메시지를 통해 관리자에게 전송하며 관리자의 조작에 따라 네트워크를 관리하는 관제장치; 및
    인터넷을 통해 상기 관제장치와 연결되어 원격지에서 상기 노드단말장치와 상기 마스터장치들로 이루어진 유비쿼터스 센서 네트워크의 상태를 감시하는 원격감시장치를 구비한 것을 특징으로 하는 바이너리 시디엠에이 기반 무선 직렬통신 네트워크 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 마스터장치는
    직렬디바이스들을 연결하기 위한 직렬인터페이스부와,
    상기 직렬인터페이스부를 통해 연결된 직렬디바이스들의 데이터를 바이너리 CDMA방식으로 통신하기 위한 프로토콜 제어부와,
    상기 프로토콜 제어부를 통해 비콘 주기에 비콘 프레임을 전송하게 하고, 비콘 프레임에 대해 응답한 노드단말장치들로 네트워크를 구성하며, 노드단말장치들의 라우팅을 처리하는 라우팅부와,
    상기 프로토콜 제어부의 제어에 따라 무선으로 통신하는 IEEE802 표준 무선부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이너리 시디엠에이 기반 무선 직렬통신 네트워크 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 마스터장치는
    상위 계층의 제어 및 관리 데이터를 바이너리 CDMA방식으로 통신하기 위한 프로토콜 제어부와,
    상기 프로토콜 제어부를 통해 비콘 주기에 비콘 프레임을 전송하게 하고, 비콘 프레임에 대해 응답한 노드단말장치들로 네트워크를 구성하며, 노드단말장치들의 라우팅을 처리하는 라우팅부와,
    상기 프로토콜 제어부의 제어에 따라 무선으로 통신하는 IEEE802 표준 무선부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이너리 시디엠에이 기반 무선 직렬통신 네트워크 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 관제장치는
    인터넷과 접속하기 위한 인터넷 접속부와,
    네트워크의 동작상태를 MAC 어드레스로 구분하여 페이징 LED와 상태 LED로 표시하기 위한 관제패널과,
    관리자의 조작을 입력받기 위한 조작부와,
    네트워크의 상태와 관리 로그를 저장하고 있는 저장장치와,
    바이너리 시디엠에이방식의 통신을 위한 프로포콜 제어부와,
    상기 프로토콜 제어부의 제어에 따라 무선으로 통신하는 IEEE802 표준 무선부와,
    상기 프로토콜 제어부를 통해 바이너리 시디엠에이 방식의 각 노드단말장치나 마스터장치의 통신패킷을 수집하여 MAC 어드레스로 구분한 후 상기 관제패널에 동작상태를 표시하고, 상기 조작부나 상기 인터넷 접속부를 통해 원격감시장치로부터 관리자의 조작을 입력받아 네트워크를 관리하는 마이크로프로세서로 구성된 것을 특징으로 하는 바이너리 시디엠에이 기반 무선 직렬통신 네트워크 장치.
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