KR101040218B1 - 무선 개인영역 네트워크에서 주기 음성 데이터 서비스 품질 향상 방법 - Google Patents

무선 개인영역 네트워크에서 주기 음성 데이터 서비스 품질 향상 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 개인영역 네트워크에서 주기 음성 데이터 서비스 품질 향상 방법에 관한 것이다.
본 발명은: IEEE 802.15.4에서 규정된 사항들을 고려하여 음성 데이터에 대한 송신보장슬롯을 할당하고; 음성 데이터 존재 유무에 따른 Unslotted CSMA/CA 채널 접근방식과 송신보장슬롯 채널접근 방식 간 적응적으로 변환하여, 주기적인 음성 데이터의 서비스 품질을 향상시키는 것이다. 이를 위해, 본 발명은 동일망에 존재하는 노드들의 데이터 프레임 트래픽 특성을 고려하여 ‘프레임 간 간격’(InterFrame Spacing: 이하 ‘IFS'라 함) 및 ACK 프레임 송신 시간을 반영한 최적 음성 데이터 송신주기 및 송신보장슬롯의 시간자원을 할당하고; Unslotted CSMA/CA 알고리즘 운용 중 음성 데이터 발생 시 송신보장슬롯 채널 접근방식으로 변환되고; 그리고 상기 송신보장슬롯 채널 접근방식에서 음성 데이터 부재 시엔 Unslotted CSMA/CA 방식으로 전환한다.

Description

무선 개인영역 네트워크에서 주기 음성 데이터 서비스 품질 향상 방법{A METHOD FOR IMPROVING QUALITY OF SERVICE OF PERIODIC VOICE DATA IN WIRELESS PERSONAL AREA NETWORK}
본 발명은 통신 데이터의 서비스 품질을 향상시키는 방법으로서, 특히 무선 개인영역 네트워크에서 주기적인 음성 데이터의 서비스 품질을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
IEEE 802.15.4 프로토콜은 ZigBee라고 불리는 저속 무선 개인영역 네트워크(Wireless Personal Area Network: 이하 ‘WPAN'라 함)기술의 물리계층 및 MAC 계층의 특성 및 기능들을 규정하고 있다. IEEE 802.15.4 저속 WPAN은 무선 센서 네트워크에 가장 적합한 프로토콜 중의 하나이다. 저전력 및 저속 데이터 전송률, 저비용 등의 특성을 가지고 있는 WPAN 기술은 네트워크 구성원 내부에 장착되는 각종 장치들과 같이 선 연결이 힘들거나 이동할 때 연결선이 꼬이는 환경에서 중요성을 발휘하여 작전운용 향상을 위해 필수적으로 적용될 수 있다.
이러한 WPAN의 매체접속제어(Medium Access Control: 이하 ‘MAC'라 함) 방식은 Beacon-enabled 모드의 슬롯화된 충돌회피를 가진 캐리어 감지 다중접속(Slotted Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance: 이하 'Slotted CSMA/CA'라 함)과 Non beacon-enabled 모드의 Unslotted CSMA/CA로 크게 구분할 수 있다. 이 두 가지 방식 모두 백오프 기간(Back-Off period)에 기반을 두고 있으며, 이 기간은 MAC 프로토콜의 기본시간 단위이며 채널 접근은 백오프 기간(Back-Off period)들의 경계에서만 오직 발생할 수 있다. CSMA/CA 알고리즘은 채널 접근을 시도하기 전에 랜덤한 백오프 기간(Back-Off Period) 동안 대기 후 채널 평가를 실시하고 비지(busy) 여부에 따라 각종 파라미터들을 변경하고 다시 랜덤한 백오프 기간(Back-Off Period) 동안 대기하거나 채널에 접근하여 데이터를 송신하게 된다. 이러한 채널 접근 방식은 동일망의 노드 수가 증가하면 잠재적인 충돌 가능성 증가 및 채널 평가 비지(busy)로 인한 송신 지연시간 증가 등으로 시간에 민감한 데이터 운용 시 좋은 서비스 품질을 달성하는데 제한이 있다.
한편, 전술한 IEEE 802.15.4기반 Non beacon-enabled 모드의 WPAN은 채널접속 방식으로서 Unslotted CSMA/CA을 사용한다. 이러한 WPAN에서 주로 사용되는 데이터에는 센서 상태와 같은 주기적 데이터 및 제어 메시지 교환 또는 필요할 때 발생되는 이벤트 기반 메시지와 같은 비주기적 데이터 등이 있다. 이러한 데이터들은 수신 노드로부터 수신확인(Acknowledgment: 이하 ‘ACK'라 함) 프레임을 요구하여 잠재적인 충돌 가능성을 가지고 있는 Unslotted CSMA/CA 채널 접속 방식을 적용해도 전달 실패 시 재전송 과정을 통해 데이터를 전달할 수 있다. 이러한 특성을 갖는 WPAN에 짧은 송신주기(수십 ㎳)를 갖는 음성 데이터를 운용하는 통신 환경을 고려해 볼 수 있다. 동일망에 있는 노드 수가 증가하면 잠재적인 충돌 가능성 증가 및 채널평가 후 비지(busy)에 의한 랜덤 백오프(Back-off)로부터의 지나친 송신지연 등의 상황이 발생하는 Unslotted CSMA/CA 방식만으로는 ACK 프레임을 요구하지 않는 짧은 송신주기 특성을 갖는 음성 데이터의 서비스 품질을 보장할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 음성 데이터 운용 시 서비스 품질 향상을 위해 Unslotted CSMA/CA 채널 접속방식이 아닌 IEEE 802.15.4 프로토콜 규정 사항들을 고려한 적응적인 채널 접속방식을 설계하여 짧은 송신주기를 갖는 음성 데이터의 신뢰성을 확보하고, 음성 데이터의 서비스 품질을 향상시키는 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 IEEE 802.15.4에서 규정된 사항들을 고려하여 음성 데이터에 대한 송신보장슬롯을 할당하고, 음성 데이터 존재 유무에 따른 Unslotted CSMA/CA 채널 접근방식과 송신보장슬롯 채널접근 방식 간 변환되는 기술을 사용한다.
즉, 본 발명에 따른 일 실시 예로서, 본 발명은 동일망에 존재하는 노드들의 데이터 프레임 트래픽 특성을 고려하여 프레임 간 간격(InterFrame Spacing: 이하 ‘IFS'라 함) 및 ACK 프레임 송신 시간을 반영한 최적 음성 데이터 송신주기 도출 및 송신보장슬롯의 시간자원을 할당하고; Unslotted CSMA/CA 알고리즘 운용 중 음성 데이터 발생 시 송신보장슬롯 채널 접근방식으로 변환되며; 그리고 상기 송신보장슬롯 채널 접근방식에서 음성 데이터 부재 시, Unslotted CSMA/CA 방식으로 변환되게 함으로써, 짧은 송신주기를 갖는 음성 데이터의 서비스 품질을 향상시키는 방법을 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 무선 개인영역 네트워크에서의 주기 음성 데이터 서비스 품질 향상 방법은,
비주기 데이터 및 주기 음성 데이터를 사용하는 무선 개인영역 네트워크에서 주기 음성 데이터의 서비스 품질을 향상하는 방법으로서,
(ㄱ) 음성 데이터 운영 시, 최적의 음성 데이터 송신주기 분석하는 단계와;
(ㄴ) 상기 분석한 음성 데이터 송신주기를 이용하여 상기 무선 개인영역 네트워크의 각 노드들에 대한 송신보장슬롯 시간자원을 할당하는 단계와;
(ㄷ) 음성 데이터가 발생하면, 상기 무선 개인영역 네트워크의 모든 노드들이 unslotted CSMA/CA 모드에서 송신보장슬롯 채널 접근모드로 변환되는 단계와;
(ㄹ) 음성 데이터 부재 시에, 상기 송신보장슬롯 채널 접근모드에서 상기 unslotted CSMA/CA 모드로 변환되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다 .
바람직하게는, 상기 (ㄴ)에서
Figure 112010085833552-pat00001
을 이용하여 상기 각 노드들에 대한 송신보장 슬롯의 시간자원을 할당하되, 상기 수학식에서 P는 음성데이터의 송신주기이고, Q는 양자화 정도인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 수학식 7은
주기 음성 데이터에 대해서는 LIFS, 제어/이벤트 데이터 및 센서 데이터에 대해서는 LIFS, Turnaround Time 및 ACK 프레임 송신 시간을 고려하여 음성 데이터 송신주기 P값의 범위를 나타내는 부등식을 도출하는 과정과,
양자화 정도 Q값에 따른 음성 데이터 송신주기 P값 결정함으로써 도출되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (ㄷ) 단계는
unslotted CSMA/CA 모드에서 음성 데이터 발생 시, 송신보장슬롯 채널 접근모드로 변환될 때, 상기 모든 노드들 각각은 참조(reference) 음성 데이터를 이용하여 모드 변환 시간동기를 맞추는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 참조 음성 데이터는
무선 개인영역 네트워크의 코디네이터로부터 송신된 것을 상기 모든 노드들 각각이 수신하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 참조 음성 데이터는
상기 모든 노드들이 참조 데이터임을 판단하기 위한 기준으로서,
MHR 내 프래임 제어(Frame Control) 필드의 프래임 유형(Frame Type) 및 Ack 요청(Request)과,
MHR 내 어드레씽(Addressing) 필드의 목적(Destination) PAN ID 및 목적 주소지(Destination Address)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (ㄹ) 단계는
상기 송신보장슬롯 채널 접근모드에서 코디네이터들 및 장치들 모두가
참조 음성 데이터 및 장치의 음성 데이터를 송수신할 때마다, 송신보장슬롯 할당 모드 타이머를 초기화하여 다시 동작시키는 단계와;
상기 동작시킨 타이머가 만료되면 상기 송신보장슬롯 채널 접근모드에서상기 unslotted CSMA/CA 모드로 변환되는 단계;를 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 무선 개인영역 네트워크에서의 주기 음성 데이터 서비스 품질 향상 방법은,
비주기 데이터 및 주기 음성 데이터를 사용하는 무선 개인영역 네트워크에서 주기 음성 데이터의 서비스 품질을 향상하는 방법으로서,
음성 데이터가 발생하기 시작하면, 음성 데이터의 충돌 방지 및 적절한 송신지연을 보장하기 위해, 모든 노드들에 대한 송신보장슬롯의 시간자원을 도출하는 단계와;
상기 무선 개인영역 네트워크의 모든 노드들이 송신보장슬롯 채널접근 모드로 변환하기 위해, 상기 코디네이터가 상기 무선 개인영역 네트워크의 모든 노드들에게 참조 음성 데이터를 송신하는 단계와;
상기 무선 개인영역 네트워크의 모든 노드들 각각이, 상기 참조 음성 데이터의 MHR 내 프래임 제어(Frame Control) 필드 및 MHR 내 어드레씽(Addressing) 필드의 설정값을 분석하는 단계와;
상기 분석한 참조 음성 데이터의 설정값에 따라, 상기 무선 개인영역 네트워크의 모든 노드들 각각이 unslotted CSMA/CA 모드에서 송신보장슬롯 채널접근 모드로 시간 동기적으로 변환하는 단계와;
상기 무선 개인영역 네트워크의 모든 노드들 각각이 상기 코디네이터로부터 참조 음성 데이터를 수신한 후, 송신보장슬롯 할당 모드 타이머를 동작시키는 단계와;
상기 타이머가 만료되면, 상기 모든 노드들 각각은 상기 송신보장슬롯 할당 모드에서 상기 unslotted CSMA/CA 모드로 변환되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따라서, 네트워크 구성원들 간 음성 데이터 통신을 실시하기 위해 개인 구성원 내 음성 데이터 발생 장치와 상기 음성 데이터를 외부 타 구성원으로 전송시키는 장치 간에 형성되는 WPAN과, 또한 상기 WPAN과 동일 채널을 사용하면서 상기 구성원 내에 장착되는 다른 장치들 간의 센서 데이터 및 제어/이벤트 기반 데이터가 운용되는 WPAN 환경에서 짧은 송신 주기를 갖는 음성 데이터의 서비스 품질을 극대화시킴으로써, 군 작전 운용에 있어서 정확성과 효율성을 제공하는 효과가 있다.
본 발명에 따라 상기 WPAN 환경에서 음성 데이터 존재 시 송신보장슬롯의 시간자원을 할당하여 적응적인 채널 접근방식을 적용하게 되면 단순히 CSMA/CA 채널 접근방식을 적용하였을 경우보다 데이터 충돌 방지 및 적절한 송신지연을 통하여 음성 데이터의 서비스 품질 및 신뢰성을 증가시켜 시스템의 성능이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 무선 개인영역 네트워크 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따라 송신보장슬롯 시간자원 할당 후 전체적인 데이터 송신 타이밍도이다.
도 3은 본 발명에 따라 최적 음성 데이터 송신주기 도출 및 송신보장슬롯 시간자원을 할당하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따라 Unslotted CSMA/CA 방식과 송신보장슬롯 채널 접근 방식 간 변환 흐름도이다.
본 발명은 주기 음성 데이터 서비스 품질을 향상시키기 위한 무선 개인영역 네트워크에 적용된다. 그러나, 본 발명은 이에 한정하지 않고 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 모든 관련 기술에도 적용될 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 설명고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항복들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 기본 개념은: IEEE 802.15.4에서 규정된 사항들을 고려하여 음성 데이터에 대한 송신보장슬롯을 할당하고; 음성 데이터 존재 유무에 따른 Unslotted CSMA/CA 채널 접근방식과 송신보장슬롯 채널접근 방식 간 적응적으로 변환하여, 주기적인 음성 데이터의 서비스 품질을 향상시키는 것이다. 이를 위해, 본 발명은 동일망에 존재하는 노드들의 데이터 프레임 트래픽 특성을 고려하여 ‘프레임 간 간격’(InterFrame Spacing: 이하 ‘IFS'라 함) 및 ACK 프레임 송신 시간을 반영한 최적 음성 데이터 송신주기 및 송신보장슬롯의 시간자원을 할당하고; Unslotted CSMA/CA 알고리즘 운용 중 음성 데이터 발생 시 송신보장슬롯 채널 접근방식으로 변환되고; 그리고 상기 송신보장슬롯 채널 접근방식에서 음성 데이터 부재 시엔 Unslotted CSMA/CA 방식으로 전환한다.
이하, 첨부한 표들 및 도면들을 참조하여 본 발명에 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예로서, 본 발명에 따른 개인영역 네트워크 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 네트워크는 2개의 코디네이터(Coordinator)(100 및 200) 및 3개의 장치(Device)(300, 400, 500)들로 구성되어 있다. 코디네이터 1(100)과 장치 1(300)은 PAN ID 1을 가지는 WPAN을 구성하고, 코디네이터 2(200)와 장치 2(400)와 장치 3(500)은 PAN ID 2를 가지는 WPAN을 구성한다. 도 1에서 실선 화살표는 데이터 흐름을 표시하고, 점선 화살표는 MAC 명령(command) 프레임 및 ACK 프레임 등을 표시한다.
도 1의 WPAN은 클러스터 트리(Cluster Tree) 구조를 갖는 토폴로지를 형성하며, Non beacon-enabled 모드에서 동작한다. 코디네이터 1(100)과 장치 1(300) 간 에는 양방향으로 음성 데이터가 송수신된다. 장치 1(300)로부터 송신된 주기적 음성 데이터는 코디네이터 1(100)을 거쳐 무선랜과 같은 통신방식을 이용해 타 구성원의 코디네이터 1(100)로 전달되고, 상기 음성 데이터는 상기 타 구성원의 장치 1(300)로 전달된다. 또한, 코디네이터 2(200)를 제어하기 위해 장치 2(400)로부터 송신되는 제어/이벤트 데이터는 상기 코디네이터 2(200)로부터 ACK 프레임을 요구한다. 센서 데이터는 장치 3(500)에서 코디네이터 2(200)로 송신되고, 코디네이터 2(200)로부터 ACK 프레임을 요구한다.
이러한 운용 개념은 다음과 같이 구체적으로 대응될 수 있다. 장치 1(300)은 음성 데이터를 생성시키고, 최종적으로 음성 데이터를 수신하는 장치로서 음성 데이터의 송수신기 기능을 할 수 있다. 코디네이터 1(100)은 음성 데이터 및, 이더넷(Ethernet)을 통해 코디네이터 2(200)로부터 수신한 영상/센서 및 전문 데이터를 타 구성원들 내의 장치들과 송수신하는 장치가 될 수 있다. 코디네이터 2(200)는 지도기반 전술 데이터/전문/타 구성원의 영상 및 생체 정보 제공 등 종합적인 기능을 수행하는 장치가 될 수 있다. 장치 2(400)는 코디네이터 2(200)의 기능을 제어하는 장치가 될 수 있다. 장치 3(500)은 구성원의 센서 측정 데이터를 코디네이터 2(200)에게 송신하는 센서 장치가 될 수 있다.
상기의 설명과 같이 도 1의 WPAN에서는 주기 및 비주기적인 특성을 갖는 데이터들이 혼재하게 되며 음성 데이터의 좋은 서비스 품질을 위한 최적 음성 데이터 송신주기 및 송신보장슬롯의 시간자원을 계산하여 할당하기 위해 다음과 같은 사항들이 고려되어야 한다:
즉, IEEE 802.15.4 프로토콜에서는 데이터 송수신과 관련하여 데이터 링크 계층에서 IFS(InterFrame Spacing)와 ACK 프레임 송신 시간을 다음과 같이 규정하고 있다.
1-1. IFS
수신노드의 MAC 계층은 물리계층에 의해 수신된 데이터를 처리할 일정시간이 필요하므로, 송신노드에서는 적어도 IFS 만큼 간격을 두어 연속 데이터 프레임 송신이 요구된다. ACK 프레임을 요구하는 데이터 송신 경우, ACK 프레임과 그 다음 송신 프레임 사이 간격은 적어도 IFS가 되어야 한다. IFS 길이는 바로 직전에 송신된 프레임 크기에 달려있다. aMaxSIFSFrameSize(18bytes)까지의 MPDU(MHR+MAC Payload+MFR) 다음에는 적어도 macMinSIFSPeriod(12 symbols) 기간의 쇼트(short) IFS(SIFS)가 따라와야 한다. 18바이트(bytes)보다 큰 길이의 MPDU 다음에는 적어도 macMinLIFSPeriod(40 symbols) 기간의 롱(long) IFS(LIFS)가 따라와야 한다. ACK 프레임을 요구하지 않는 데이터 송신 경우에도 동일한 원리가 적용된다.
1-2. ACK 프레임 송신 시간
도 1에서 장치 2(400)와 장치 3(500)으로부터 코디네이터 2(200)로 송신되는 ACK 프레임을 요구하는 데이터들에 대한 코디네이터 2(200)의 ACK 프레임 송신 시간은 다음과 같다. Non beacon-enabled 모드에서 ACK 프레임 송신은 데이터 프레임 또는 MAC 명령(command) 프레임의 최종 심벌 수신 후 aTurnaround Time(12 symbols) 후에 시작되어야 한다.
본 발명은 2.4G 대역의 WPAN을 기준으로 하였고, 이 대역에서 데이터 전송률은 250kbps이며 하나의 데이터 심벌은 4개의 비트로 구성되어 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예로서, 본 발명에 따라 최적 음성 데이터 송신주기 및 송신 보장슬롯 시간자원을 도출하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 도 3을 참조하여, 최적 음성 데이터 송신주기 및 송신 보장슬롯 시간자원을 도출하는 방법을 설명한다.
2. 최적 음성 데이터 송신주기 및 송신보장슬롯 시간자원 도출 방법
음성 데이터의 서비스 품질을 위한 최적 음성 데이터 송신주기 및 각각의 데이터에 대한 송신보장슬롯 시간자원을 도출하기 위해 다음과 같은 음성 데이터 송신처리 과정을 고려한다. 우선 음성 데이터는 아날로그 음성신호의 샘플링 율(Sampling rate)을 8㎑, 양자화 정도를 Q비트로 하여 생성된다(S31 및 S32). 여기서 음성 데이터 전송률은 (8Q)kbps가 되며 제 1버퍼로 입력되어, P(㎳) 시간동안 음성 데이터가 누적된다(S33), P(㎳)동안 Q*P(bytes)의 음성 데이터가 누적되는 즉시 동일 기능의 제 2버퍼로 스위칭시켜 P(㎳) 시간동안 그 다음의 Q*P(bytes)의 음성 데이터를 누적시킨다(S34). S34 과정에서 제 2버퍼로 스위칭됨과 동시에 제 1버퍼에 누적된 Q*P(bytes)의 음성 데이터는 압축률 1/2인 음성압축 모듈로 입력되고, P(㎳) 이후 제 2버퍼에 누적된 Q*P(bytes)의 음성 데이터가 압축률 1/2인 음성압축 모듈로 입력된다(S35). 즉 제1 혹은 2버퍼에 P(㎳) 시간동안 Q*P(bytes)의 음성 데이터가 누적되는 즉시 다른 버퍼로 스위칭 동작을 반복하고, 스위칭됨과 동시에 버퍼에 누적된 Q*P(bytes)의 음성 데이터는 압축률 1/2인 음성압축 모듈로 P(㎳) 주기마다 입력된다. 결국, 버퍼 대기시간인 P(㎳)가 음성 데이터 송신주기가 된다. (Q*P)/2 bytes의 음성 데이터가 음성압축 모듈로부터 출력되어 WPAN 모듈로 입력된다(S36). WPAN 모듈에서는 동기헤더(Synchronization Header: 이하 ‘SHR'라 함) 5 바이트(bytes), 물리계층 헤더(Physical layer Header: 이하 ’PHR'라 함) 1 바이트(byte), MAC 헤더(MAC Header: 이하 ‘MHR'라 함) 9 바이트(bytes) 및 MAC 마지막(MAC Footer: 이하 ’MFR'라 함) 2 바이트(bytes) 등 총 17 바이트(bytes)의 오버헤더가 추가된다(S37). 따라서 WPAN 모듈에서 무선으로 송신되는 전체 음성 데이터 패킷 크기는 [(Q*P)/2+17] 바이트(bytes)가 된다(S37). 이 음성 데이터는 수신 노드로부터 ACK 프레임을 요구하지 않는다.
장치 2(400)로부터 코디네이터 2(200)로 송신되는 제어/이벤트 데이터와 장치 3(500)으로부터 코디네이터 2(200)로 송신되는 센서 데이터는 코디네이터 2(200)로부터 ACK 프레임을 요구한다. 각각의 데이터의 순수 길이를 10 바이트(bytes)로 가정하고, WPAN 모듈의 17 바이트(bytes) 오버헤드를 고려하면 전체 데이터 길이는 27 바이트(bytes)가 된다. 전송속도 250kbps 기준으로 데이터 송신시간은 0.864㎳가 된다. ACK 프레임 길이는 SHR(5bytes), PHR(1byte), MHR(3bytes) 및 MFR(2bytes) 등을 고려하면 총 11바이트(bytes)가 되고, 전송속도 250kbps 기준으로 송신시간은 0.352㎳가 된다.
음성 데이터의 MPDU의 크기를 계산하면 총 [(Q*P)/2+11] 바이트(bytes)가 된다. 여기서 MAC 패이로드(Payload)에는 상위계층 헤더를 적재하지 않고, 순수 음성 데이터만 탑재된다고 가정한다. 음성 데이터 다음에 LIFS가 삽입되고, 물리 계층이 수신 가능한 최대 MPDU의 크기가 aMaxPHYPacketSize(127bytes)인 것을 고려하면 수학식 1과 같은 부등식이 도출된다.
Figure 112010085833552-pat00002
수학식 1은 수학식 2와 같이 정리될 수 있다(S38).
Figure 112010085833552-pat00003
또한, 음성 데이터 송신주기 P(㎳)는 코디네이터 1(100)과 장치 1(300) 간 양방향 음성 데이터, 제어/이벤트 데이터 및 센서 데이터의 처리시간 총합보다 커야한다. 전체 음성 데이터 패킷 크기는 [(Q*P)/2+17] 바이트(bytes)이고, LIFS의 길이는 40 심볼(symbols)이므로 전송속도 250kbps를 고려하면 하나의 음성 데이터 처리요구 시간(V)은 수학식 3과 같다.
Figure 112010085833552-pat00004
양방향의 두 개의 음성 데이터 처리요구 시간은 2V(ms)가 된다. 제어/이벤트 데이터 및 센서 데이터 처리요구 시간을 분석하면 다음과 같다. 27 바이트(bytes) 길이의 데이터 패킷, 11 바이트(bytes) 길이의 ACK 프레임, 12 심볼(symbols) 길이의 aTurnaroundTime 및 40 심볼(symbols) 길이의 LIFS를 고려하면 한 데이터 당 총 처리시간은 2.048㎳가 되고, 두 가지 데이터를 고려하면 4.096㎳가 요구된다. 음성 데이터 송신주기 P(㎳)는 전체 데이터 패킷 처리시간 총합보다 커야한다는 조건에 의해 수학식 4와 같은 부등식이 생성된다(S39).
Figure 112010085833552-pat00005
수학식 4는 수학식 5와 같이 정리될 수 있다.
Figure 112010085833552-pat00006
수학식 2와 수학식 5를 만족하는 P값의 범위를 구하면 수학식 6과 같고, 이때 Q의 범위는 0<Q<31.25 이다.
Figure 112010085833552-pat00007
Q의 범위를 고려하여 수학식 6의 부등식을 정리하면, 수학식 7과 같다(S40).
Figure 112010085833552-pat00008
수학식 7의 부등식으로부터 양자화 정도가 16비트를 초과하게 되면, 만족하는 P의 범위는 존재하지 않는다는 사실을 알 수 있다. 여기서 양자화 정도를 16비트로 하게 되면, 수학식 7에서 부등식 (b)가 적용되어 음성 데이터 송신주기 P는 14㎳가 된다. 따라서, 상기와 같이 Q 값에 따라 P값이 결정된 후에, 각 노드에 대한 송신보장 슬롯 시간자원을 할당할 수 있다(S41). 만일 P값이 14㎳이면, 전체 음성 데이터 패킷 크기는 [(Q*P)/2+17] 바이트(bytes)에 의해 129 바이트(bytes)가 되며, 250kbps 전송속도 기준으로 송신시간은 4.128㎳가 된다. 또한, 0.64㎳의 LIFS를 고려하면 하나의 음성 데이터 처리요구 시간은 4.768㎳가 된다. 그러므로 두 개의 음성 데이터 처리요구 시간 총합은 9.536㎳가 된다.
상기에서 언급되었던 바와 같이 제어/이벤트 데이터 및 센서 데이터 처리를 위한 총 요구 시간은 4.096㎳이므로 모든 데이터 처리를 위한 총 요구 시간은 13.632㎳가 된다. IFS은 프레임 간 최소요구 간격을 의미하므로 나머지 시간자원(14-13.632=0.368㎳)은 각 데이터에 대한 IFS에게 균등하게 할당된다. 그러면 도 2와 같은 전체적인 데이터 송신 타이밍을 나타내는 도면를 얻을 수 있다. 음성 데이터에 대해 4.86㎳의 시간 슬롯과 제어/이벤트 데이터 및 센서 데이터에 대해서는 각각 2.14㎳의 시간 슬롯이 할당된다. 그리하여 코디네이터 1(100)로부터 장치 1(300)로 송신되는 음성 데이터의 최종 심벌 수신 후, 장치 3(500)은 0.732㎳ 이후 센서 데이터를 송신하고, 장치 1(300)은 2.872㎳ 이후 음성 데이터를 송신하고, 장치 2(400)는 7.732㎳ 이후 제어/이벤트 데이터를 송신할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예로서, 본 발명에 따른 unslotted CSMA/CA 방식에서 송신보장슬롯 채널 접근 방식으로 변환 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 도 4를 참조하여, unslotted CSMA/CA 방식에서 송신보장슬롯 채널 접근 방식으로 변환 방법을 설명한다.
3. unslotted CSMA/CA 방식에서 송신보장슬롯 채널 접근 방식으로 변환 방법
음성 데이터가 운용되지 않는 네트워크 상황에서는, 각 노드들이 채널에 접근하고 패킷들을 송신하기 위해 unslotted CSMA/CA 모드로 운용된다(S51). 음성 데이터 프레임이 발생하기 시작하면, 음성 데이터의 충돌 방지 및 적절한 송신지연을 보장하기 위해 WPAN 내 모든 노드들은 상기의 송신보장슬롯의 시간자원 도출 방법에 근거하여, 자신의 패킷 송신보장을 위한 슬롯할당 모드로 변환된다. 여기서, WPAN 내 모든 노드들이 시간 동기적으로 송신보장슬롯 채널접근 모드로 변환을 위한 참조(Reference) 데이터로서 코디네이터 1(100)로부터 송신되는 음성 데이터가 사용된다(S52). 이에 따라 나머지 모든 노드들이 참조(Reference) 데이터임을 판단하기 위한 기준으로서 상기 참조(Reference) 음성 데이터의 MHR 특정 영역을 다음과 같이 설정한다:
- MHR 내 프레임 제어(Frame Control) 영역의 프레임 유형(Frame Type) 값은 데이터를 의미하는 ‘001’이고;
- MHR 내 프레임 제어(Frame Control) 영역의 Ack 요청(Request) 비트는 ‘0’이고;
- MHR 내 어드레싱(Addressing) 영역의 목적(Destination) PAN ID는 브로드캐스트(Broadcast)를 의미하는‘0xffff’이고;
- MHR 내 어드레싱(Addressing) 영역의 목적 주소(Destination Address)는 브로드캐스트(Broadcast)를 의미하는‘0xffff’이다.
상기의 4가지 조건들을 동시에 만족하는 데이터 프레임을 처음에 수신하면, 모든 노드들은 unslotted CSMA/CA 모드에서 송신보장슬롯 할당 모드로 시간 동기적으로 변환된다(S53). 그리고, 자신의 송신보장슬롯은 상기의 송신보장슬롯의 시간자원 도출 방법에 따라 할당된다. 코디네이터 1(100)은 처음 음성 데이터 송신 성공 후, 송신보장슬롯 할당 모드로 변환되어 음성 데이터 송신주기 P마다 음성 데이터를 송신한다. 장치 1(300), 장치 2(400) 및 장치 3(500)은 송신보장슬롯 할당 모드 동안, 음성 데이터 송신주기인 P마다 자신의 송신보장슬롯을 할당받아 송신될 데이터가 있으면 송신하고, 송신될 데이터가 없으면 그냥 넘어간다.
이하, 도 4를 참조하여, 음성 데이터가 없는 경우에, 송신보장슬롯 채널 접근 방식에서 unslotted CSMA/CA 방식으로 변환 방법을 설명한다.
4. 송신보장슬롯 채널 접근 방식에서 unslotted CSMA/CA 방식으로 변환 방법:
코디네이터 1(100)로부터 송신된 참조(Reference) 음성 데이터를 수신한 모든 노드들은 송신보장슬롯 할당 모드로 변환되고, 송신보장슬롯 할당 모드 타이머를 동작시킨다(S54). 코디네이터 1(100) 및 장치 1(300)을 제외한 모든 노드들은 코디네이터 1(100)로부터 송신되는 참조(Reference) 음성 데이터와 장치 1(300)로부터 송신되는 음성 데이터 수신여부를 항시 모니터링하여, 상기 두 개의 음성 데이터들 중 한 가지를 수신할 때마다 타이머를 초기화시키고 다시 동작시킨다(S55). 상기 두 개의 음성 데이터들 중 하나의 음성 데이터 수신 후 일정시간(즉, 타이머의 세팅시간)이 초과되어 타이머가 만료되면, 상기 모든 노드들은 송신보장슬롯 할당 모드에서 unslotted CSMA/CA 모드로 변환된다(S56).
또한, 코디네이터 1(100) 및 장치 1(300)에서는 송신보장슬롯 할당 모드로 동작하고 있는 동안, 코디네이터 1(100)의 송신보장슬롯 할당 모드 타이머는 자신이 참조 음성 데이터를 송신할 때마다, 또는 장치 1(300)로부터 음성 데이터를 수신할 때마다, 타이머를 초기화시키고 다시 동작시킨다. 마찬가지로 장치 1(300)의 송신보장슬롯 할당 모드 타이머는 자신이 음성 데이터를 송신할 때마다 또는 코디네이터 1(100)로부터 음성 데이터를 수신할 때마다 타이머를 초기화시키고 다시 동작시킨다. 이러한 과정을 거치면서 타이머가 동작되다가, 음성 데이터가 운용되지 않아 일정시간(즉, 타이머의 세팅시간)이 초과되어 타이머가 만료되면 송신보장슬롯 할당 모드에서 unslotted CSMA/CA 모드로 변환된다.
결국, 정지 상태의 송신보장슬롯 할당 모드 타이머를 동작시키는 것은 코디네이터 1(100)로부터 송신되는 참조(Reference) 음성 데이터 뿐이고, 동작하고 있는 상기 타이머를 초기화시키는 것은 상기 참조(Reference) 음성 데이터 및 장치 1(300)로부터 송신되는 음성 데이터이다. 참고로 동작하고 있는 상기 타이머를 초기화 시켜주는 상기 두 가지 음성 데이터 조건은 다음과 같다:
- MHR 내 프레임 제어(Frame Control) 영역의 프레임 유형(Frame Type) 값은 데이터를 의미하는 ‘001’이고;
- MHR 내 프레임 제어(Frame Control) 영역의 Ack 요청(Request) 비트는 ‘0’이다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시 예에만 한정되는 것은 아니므로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.

Claims (9)

  1. 비주기 데이터 및 주기 음성 데이터를 사용하는 무선 개인영역 네트워크에 있어서 넌비이콘 모드(non beacon-enabled mode)에서 주기 음성 데이터의 서비스 품질을 향상하는 방법으로서,
    (ㄱ) 음성 데이터 운영 시, 음성 데이터의 송신주기를 분석하는 단계와;
    (ㄴ) 상기 분석한 음성 데이터의 송신주기를 이용하여 상기 무선 개인영역 네트워크의 각 노드들에 대한 송신보장슬롯 시간자원을 할당하는 단계와;
    (ㄷ) 음성 데이터가 발생하면, 상기 무선 개인영역 네트워크의 모든 노드들이 unslotted CSMA/CA 모드에서 송신보장슬롯 채널 접근모드로 변환되는 단계와;
    (ㄹ) 음성 데이터 부재 시에, 상기 송신보장슬롯 채널 접근모드에서 상기 unslotted CSMA/CA 모드로 변환되는 단계;를 포함하되,
    상기 (ㄹ) 단계는
    상기 송신보장슬롯 채널 접근모드에서 코디네이터들 및 장치들 모두가
    참조 음성 데이터 및 장치의 음성 데이터를 송수신할 때마다, 송신보장슬롯 할당 모드 타이머를 초기화하여 다시 동작시키는 단계와;
    상기 동작시킨 타이머가 만료되면 상기 송신보장슬롯 채널 접근모드에서 상기 unslotted CSMA/CA 모드로 변환되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 개인영역 네트워크에서의 주기 음성 데이터 서비스 품질 향상 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 (ㄴ)에서
    Figure 112010085833552-pat00009

    을 이용하여 상기 각 노드들에 대한 송신보장 슬롯의 시간자원을 할당하되, 상기 수학식 7에서 P는 음성데이터의 송신주기이고, Q는 양자화 정도인 것을 특징으로 하는 무선 개인영역 네트워크에서의 주기 음성 데이터 서비스 품질 향상 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 수학식 7은
    양자화 정도 Q값에 따른 음성 데이터 송신주기 P값을 결정함으로써 도출되는 것을 특징으로 하는 무선 개인영역 네트워크에서의 주기 음성 데이터 서비스 품질 향상 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 (ㄷ) 단계는
    unslotted CSMA/CA 모드에서 음성 데이터 발생 시, 송신보장슬롯 채널 접근모드로 변환될 때, 상기 모든 노드들 각각은 참조(reference) 음성 데이터를 이용하여 모드 변환 시간동기를 맞추는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 개인영역 네트워크에서의 주기 음성 데이터 서비스 품질 향상 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 참조 음성 데이터는
    무선 개인영역 네트워크의 코디네이터로부터 송신된 것을 상기 모든 노드들 각각이 수신하는 것을 특징으로 하는 무선 개인영역 네트워크에서의 주기 음성 데이터 서비스 품질 향상 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 참조 음성 데이터는
    상기 모든 노드들이 참조 데이터임을 판단하기 위한 기준으로서,
    MHR 내 프래임 제어(Frame Control) 필드의 프래임 유형(Frame Type) 및 Ack 요청(Request)과,
    MHR 내 어드레씽(Addressing) 필드의 목적(Destination) PAN ID 및 목적 주소지(Destination Address)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 개인영역 네트워크에서의 주기 음성 데이터 서비스 품질 향상 방법.
  7. 삭제
  8. 비주기 데이터 및 주기 음성 데이터를 사용하는 무선 개인영역 네트워크에서 주기 음성 데이터의 서비스 품질을 향상하는 방법으로서,
    음성 데이터가 발생하기 시작하면, 음성 데이터의 충돌 방지 및 송신지연을 보장하기 위해, 네트워크 내 모든 노드들에 대한 송신보장슬롯의 시간자원을 도출하는 단계와;
    상기 무선 개인영역 네트워크의 모든 노드들이 송신보장슬롯 채널접근 모드로 변환하기 위해, 코디네이터가 상기 무선 개인영역 네트워크의 모든 노드들에게 참조 음성 데이터를 송신하는 단계와;
    상기 무선 개인영역 네트워크의 모든 노드들 각각이, 상기 참조 음성 데이터의 MHR 내 프래임 제어(Frame Control) 필드 및 MHR 내 어드레씽(Addressing) 필드의 설정값을 분석하는 단계와;
    상기 분석한 참조 음성 데이터의 설정값에 따라, 상기 무선 개인영역 네트워크의 모든 노드들 각각이 unslotted CSMA/CA 모드에서 송신보장슬롯 채널접근 모드로 시간 동기적으로 변환하는 단계와;
    상기 무선 개인영역 네트워크의 모든 노드들 각각이 상기 코디네이터로부터 참조 음성 데이터를 수신한 후, 송신보장슬롯 할당 모드 타이머를 동작시키는 단계와;
    상기 타이머가 만료되면, 상기 모든 노드들 각각은 상기 송신보장슬롯 할당 모드에서 상기 unslotted CSMA/CA 모드로 변환되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 개인영역 네트워크에서의 주기 음성 데이터 서비스 품질 향상 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 송신보장슬롯의 시간자원을 도출하는 단계에서
    Figure 112010085833552-pat00010

    을 이용하여 상기 각 노드들에 대한 송신보장 슬롯의 시간자원을 할당하되, 상기 수학식 7에서 P는 음성데이터의 송신주기이고, Q는 양자화 정도인 것을 특징으로 하는 무선 개인영역 네트워크에서의 주기 음성 데이터 서비스 품질 향상 방법.
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