KR101093616B1 - 무선 센서 네트워크를 위한 주파수 다중화지원 기반 매체접근제어 프로토콜 구조 및 그 운영 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크를 위한 주파수 다중화지원 기반 매체접근제어 프로토콜 구조 및 그 운영 방법 Download PDF

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Abstract

무선 센서 네트워크를 위한 새로운 주파수 다이버시티 MAC 방식을 구현함으로써, 표준 기술로서 많이 사용되고 있는 IEEE 802.15.4를 대체할 수 있고, 높은 신뢰성이 필요하면서도 제한된 전송 지연을 요구하는 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 프로토콜 구조 및 그 운영 방법이 제공된다. 무선 센서 네트워크를 위한 주파수 다중화지원(Frequency Diversity: FD) 매체접근제어(MAC) 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스는, 네트워크 코디네이터, 다수의 라우터 노드들 및 다수의 엔드 노드들이 메쉬 네트워크를 형성하여 슈퍼프레임을 송수신하는 경우, FD-MAC 슈퍼프레임은, 라우터 노드들이 노드들 간의 동기를 맞추기 위하여 비컨을 전송하는 비컨 구간(BP); 관리 패킷, 브로드캐스팅 패킷, 또는 예비 트래픽에 대한 패킷을 교환하기 위한 구간으로서, 모든 노드가 동일한 채널 상에서 슬롯화된 CSMA(Carrier Sense Multi Access) 방식으로 동작되는 관리 구간(MP); 및 멀티채널 TDMA 방식으로 사용할 수 있는 채널 모두에 대해 동일한 슬롯으로 나누어지는 구간으로서, 노드들이 각각 관리 구간(MP)에서 협상한 채널과 슬롯에서 데이터 및 인증을 주고받는 비활성/예약 접근 구간(IRAP)을 포함한다.
Figure R1020090132921
MAC, 무선 센서, 슈퍼프레임, 다이버시티, 비컨 동기화, 크로스 레이어

Description

무선 센서 네트워크를 위한 주파수 다중화지원 기반 매체접근제어 프로토콜 구조 및 그 운영 방법 {Frequency Diversity based MAC Architecture for Wireless Sensor Network, and operating method for the same}
본 발명은 주파수 다중화지원 기반 MAC에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network)를 위한 주파수 다중화지원 기반의 매체접근제어(Frequency Diversity based Media Access Control: 이하 "FD-MAC") 프로토콜 구조 및 그 운영 방법에 관한 것이다.
일반적으로, IEEE 802.15.4는 물리 레이어(PHY)와 매체 접근제어(Media Access Control: MAC) 레이어를 정의하는 표준으로서, 저속도 무선 개인 통신망(Low Rate Wireless Personal Networks, LR-WPANs)을 위한 표준 중 하나로서, IEEE 802.15 워킹 그룹이 관리하고 있다. 여기서, MAC은 데이터 전송 프로토콜의 하부 레이어로서, OSI 7 레이어 모델에 규정된 데이터 링크 레이어의 서브레이어에 해당한다.
이러한 IEEE 802.15.4는 지그비, 와이어리스하트(WirelessHART), 마이와이(MiWi) 표준의 기저 레이어가 되었다. 이러한 표준 각각은 IEEE 802.15.4 표준 이 커버하고 있지 않은 상위 프로토콜 스택을 정의함으로써 완전한 통신망 솔루션을 제공하고자 한다. 그런데, IEEE 802.15.4를 가지고 6LoWPAN(이른바 센서 네트워크와 IPv6 네트워크를 직접 연동하는 기술)과 표준 인터넷 프로토콜과 함께 사용하여, 무선 임베디드 인터넷(Wireless Embedded Internet)을 만들 수도 하다.
또한, IEEE 표준 802.15.4는 무선 개인 통신망(WPAN)의 기본적인 하위 네트워크 레이어를 제공하기 위해 제정되었으며, 특히, 장치간의 저가격, 저속도 유비쿼터스 통신을 지향하였다. 이러한 IEEE 802.15.4에 들어간 중요한 특징들은, 리얼 타임 응용에 적합하도록 타임 슬롯(guaranteed time slot)을 예약하는 기능, CSMA/CA을 이용한 출돌 회피, 보안성 있는 통신 지원 등이 있다. 또한, 제조사는 디바이스에 링크 품질이나 에너지 검출 등과 같은 전력 관리 기능을 포함시킬 수 있다.
도 1은 IEEE 802.15.4 프로토콜 구조를 예시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, IEEE 802.15.4 프로토콜 스택 각 장치(device)들은 개념적으로는 단순한 무선 네트워크상에서 상호 통신한다. 네트워크 레이어의 정의는 OSI 7 레이어 모델에 기반하고 있다. 비록, IEEE 802.15.4가 표준 문서에서는 하위 레이어만을 정의하고 있으며, 상위 레이어와의 인터액션을 염두하고 그것을 정의하고 있으나, 프로토콜 사용자는 컨버전스 서브레이어를 통해 MAC에 접근하는 IEEE 802.2 논리적 링크 제어 서브레이어를 선택적으로 사용할 수 있다.
도 2는 IEEE 802.15.4 WPAN의 슈퍼프레임의 구조를 예시하는 도면이고, 도 3은 IEEE 802.15.4 WPAN의 네트워크 토폴로지를 예시하는 도면이며, 도 4는 IEEE 802.15.4 MAC 프레임 포맷을 예시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, IEEE 802.15.4 MAC은 연관(Association) 및 비연관(Disassociation)을 지원하고, 인증(ACK) 프레임을 사용하여 프레임 유효성 검사 및 GTS 사용을 지원하며 비컨 관리 등의 특징을 갖는다. 그리고 IEEE 802.15.4 MAC은 16비트 Short Address와 64비트 Extended Address를 사용한다. 채널 접속 메커니즘으로 슈퍼프레임(Superframe)이라는 단위로 시간을 분할하여 사용하는데, 한 개의 슈퍼프레임은 활성(Active) 구간과 비활성(Inactive) 구간으로 나뉘며, 각 구간의 길이는 비컨(Beacon)에 들어 있는 SO(Superframe Order)와 BO(Beacon Order)값을 이용하여 조정할 수 있다. 활성 구간은 CAP(Contention Access Period)과 CFP(Contention Free Period)로 나뉘며, 또한 CFP는 GTS(Guaranteed Time Slot)으로 나뉘어 서비스 품질(QoS)이 보장되어야 하는 데이터 전송을 위해서 사용된다. 이때, 활성 구간과 비활성 구간은 네트워크 내의 노드들의 전력 소모를 최소화하는 중요한 요소가 된다.
하나의 슈퍼프레임은 BO 값과 SO 값에 의해 각각 SD(Superframe Duration) 구간과 BI(Beacon Duration) 구간으로 나뉘며, SD 구간, 즉 활성 구간은 BI의 크기와 상관없이 항상 16개의 슬롯(Slot)으로 나뉘며, 이 구간은 다시 CAP 및 CFP 구간으로 나뉜다. CAP에서는 슬롯화된(Slotted) CSMA/CA 방식을 통해서 데이터를 직접 주고받을 수 있지만, 주기적인 데이터 전송이 필요한 경우, 이 구간에서 GTS 할당을 필요한 만큼 디바이스가 코디네이터에게 요구하거나 또는 코디네이터가 디바이스에게 비컨을 통해서 알리게 된다. 또한, CFP 동안의 데이터 송수신은 각 노드들 이 CAP를 이용해서 PAN 코디네이터에게 예약을 하는 방식으로 이루어진다. 이때, 각 노드들은 GTS 할당 요구 프레임을 PAN 코디네이터에게 전송하면, 차후에 전송되는 비컨을 받아봄으로써 자신들이게 GTS가 할당되었는지 알 수 있다.
또한, IEEE 802.15.4 네트워크 토폴로지는 Star 토폴로지 또는 Peer-to-Peer 토폴로지로 구성되며, 도 3에 도시된 바와 같이, PAN 코디네이터를 거쳐서 모든 데이터 송수신이 이루어진다. 반면에 점대 점 토폴로지에서는 FFD(Full Function Device) 간에는 직접 송수신이 가능하지만, RFD(Reduced Function Device)들은 PAN 코디네이터를 통해서만 송수신을 할 수 있다.
또한, 도 4는 IEEE 802.15.4 표준이 사용하는 프레임 포맷의 전형적인 형태를 예시하며, IEEE 802.15.4 표준의 MAC 프레임은 "Frame Control" 필드와 "Sequence Number" 필드, 그리고 4개의 "Addressing" 필드, "Frame Payload" 필드와 에러 검출을 위한 "Frame Check Sequence(FCS)" 필드로 구성될 수 있다.
한편, 도 5a는 통상적으로 메쉬 네트워크에서 각 노드 간의 통신이 단일 채널(Single Channel)에 이루어지는 경우를 나타내는 도면이고, 도 5b는 통상적인 메쉬 네트워크에서 각 노드 간의 통신이 다중 채널(Multiple Channel)에 이루어지는 경우를 나타내는 도면이다.
통상적으로 메쉬 네트워크에서 각 노드 간의 통신은 도 5a에 도시된 바와 같이 단일 채널(Single Channel)을 사용하거나 도 5b에 도시된 바와 같이 다중 채널(Multiple Channel)을 사용하고 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 단일 채널을 사용하는 경우는 인접한 노드에 의해 채널이 사용되면, 상기 노드와의 간섭이 발생 할 수 있는 다른 노드에서는 해당 채널을 사용할 수가 없었다. 하지만 도 3b에 도시된 바와 같이, 다중 채널을 사용하는 경우는 사용 가능한 채널 수의 범위 내에서 노드들 간의 통신이 동시에 이루어질 수 있다.
도 6은 종래 메쉬 네트워크의 데이터 전송 구간에서 노드 간에 이루어질 수 있는 시그널링을 나타내는 도면으로서, 도 6에서는 제3 노드(13)가 제1 노드(11)와의 통신을 수행하고 있는 제2 노드(12)로 통신을 시도하는 상황을 가정한다. 따라서 초기에는 제1 노드(11)와 제2 노드(12)는 동일한 채널을 사용하나 제3 노드(13)는 상이한 채널을 사용한다.
도 6을 참조하면, 제1 노드(11)는 전송할 데이터가 존재할 시 송신 예약 요청(Request to Send: RTS) 메시지를 방송한다(S11). 이때, 상기 RTS 메시지는 제2 노드(122)에 의해 수신된다.
다음으로, 제2 노드(12)는 RTS 메시지에 대응하여 송신 예약 응답(Clear to Send: CTS) 메시지를 방송한다(S12).
다음으로, 제1 노드(11)는 CTS 메시지를 수신하면, 상기 제2 노드(12)로 데이터(DATA)를 전송한다(S13). 이후, 제2 노드(12)는 상기 데이터(DATA)를 수신하면, 데이터의 수신에 대한 응답으로 인증(ACK) 신호를 제1 노드(11)로 전송한다(S16).
하지만, 제1 노드(11) 및 제2 노드(12)와 다른 채널을 듣고 있던 제3 노드(13)는 제1 노드(11)와 상기 제2 노드(12)의 상황을 알 수 없다. 따라서 제3 노드(13)는 데이터 전송이 필요할 시 인접 노드와의 통신을 위해 채널을 전환한 후 전환된 채널을 통해 RTS 메시지를 전송할 수 있다(S14, S15). 이 경우, 제3 노드(13)에 의해 제1 노드(11) 및 제2 노드(12)에서 사용하는 채널로의 전환이 이루어진다면, 심각한 간섭 현상이 발생한다. 이를 통상적으로 다중 채널 사용시의 히든 터미널 문제(Hidden Terminal Problem)라고 한다.
한편, 최근 들어 센서 네트워크(Sensor Network)가 산업제어, 안전시설 모니터링, 재난경보/재해경보 등과 같은 응용분야로 확대되면서 높은 신뢰성 및 전송지연 최소화를 지원하는 센서 네트워크 기술에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 센서 네트워크용 MAC 프로토콜 기술 중에서 멀티채널(Multi-channel)을 이용하는 기술은 대표적으로 다음과 같은 기술들이 있다.
먼저, 제1 선행 논문으로서, 2006년에 Gang Zhou 등에 의해 발표된 "MMSN: Multi-Frequency Media Access Control for Wireless Sensor Networks"라는 명칭의 논문이 25th IEEE International Conference on Computer Communications(INFOCOM2006)에 게재되어 있다.
제1 선행 논문에 따른 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 MAC 프로토콜인 MMSN(Multi-frequency Media access control for wireless Sensor Networks) 프로토콜에서는 전체 노드들의 개수보다 사용 가능한 채널의 수가 적을 때 사용할 수 있도록 두 홉(Hop) 기반으로, 즉, 두 홉 이상 떨어진 노드들은 서로 다른 채널을 사용하게 하는 이븐 선택 방식(Even Selection Scheme)을 제공한다.
이러한 MMSN 프로토콜은 채널 할당 작업이 끝나게 되면 매체 접근(Media Access) 단계로 넘어가게 되는데, 이때, 모든 노드들은 서로 동기화를 맞추게 되 고, 각 노드들의 주기는 브로드캐스트 경쟁 구간(Broadcast Contention Period: "Tbc")과 전송 구간(Transmission Period; "Ttran")으로 나누어진다. 여기서, Tbc는 모든 노드들이 기준 채널로 이동하여 브로드캐스팅 패킷을 수신 받기 위한 주기가 되고, Ttran은 자신에게 오는 유니캐스트 패킷(Unicast Packet)을 받거나 다른 노드에게 유니캐스트 패킷을 송신하는 주기가 된다.
또한, 제2 선행 논문으로서, Chen xun 등에 의해서 발표된 "A Multi-Channel MAC Protocol for Wireless Sensor Networks"라는 명칭의 논문이 The Sixth IEEE International Conference on Computer and Information Technology(CIT2006)에 게재되어 있다.
제2 선행 논문에 따른 MCMAC(Multi-Channel MAC)은 데이터 충돌(Data Collision), 오버히어링(Overhearing), 제어 패킷 오버헤드(Control Packet Overhead), 및 아이들 리스닝(Idle Listening)으로 인한 에너지 소비를 줄이기 위해 설계되었다.
이러한 MCMAC는 총 N개의 사용 가능한 채널이 존재하고, 그 중 하나는 채널 협상을 위한 제어 채널로 사용하고, 나머지 N-1개는 데이터 채널로 사용한다. 그리고 에너지 효율을 높이고자 클러스터 안에서 낮은 듀티 사이클(Low Duty-cycle)로 통신할 수 있도록 설계하였다. 그래서 전체 프레임 구조는 활성 구간(Active Period)과 슬립 구간(Sleep Period)으로 구성되어, 대부분의 시간동안 노드들은 슬립 모드(Sleep Mode)로 진입하게 되어 저전력으로 통신을 수행한다.
제2 선행 논문에 따른 MCMAC 프로토콜은 다중 채널들을 노드들에 동적으로 할당함으로써 네트워크 에너지 효율, 네트워크 수명 및 데이터 처리량을 상당하게 증가시킬 수 있다. 이러한 MCMAC 프로토콜은 노드당 하나의 트랜시버(Transceiver)만 필요하지만, 분배된 코디네이터 노드를 통해 다중채널 히든 터미널 문제를 해결한다.
전술한 종래의 기술에 따른 멀티채널 기반의 무선통신 방식은 여러 가지 장점을 제공하지만, 그 반면에 여러 가지 문제점들을 가지고 있다. 대표적인 문제점으로 멀티채널 방식의 무선통신에서는 통신하고자 하는 링크를 구성하는 두 노드간의 정확한 동기가 이루어져야 하며, 또한 채널 및 시간에 대한 적절한 약속이 이루어져야 한다. 이외에도 채널의 선택의 문제, 브로드캐스팅 메시지 지원에 대한 문제점 등이 존재하게 된다.
따라서 종래의 기술에 따른 멀티채널 기반의 통신 방식은 이러한 문제점에 대한 효율적인 해결책을 제시하여야 한다. 그리고 지금까지 제안된 멀티채널 방식은 상위 레이어간의 연동을 통한 유연한 스케줄링을 지원하지 못하며, 특히, 멀티홉(Multi Hop) 전송시에 신뢰성 및 전송지연을 효율적으로 해결할 수 없다는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 무선 센서 네트워크를 위한 새로운 주파수 다이버시티 MAC 방식을 구현함으로써, 표준 기술로서 많이 사용되고 있는 IEEE 802.15.4를 대체할 수 있는 무선 센서 네트 워크를 위한 FD-MAC 프로토콜 구조 및 그 운영 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 높은 신뢰성이 필요하면서도 제한된 전송 지연을 요구하는 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 프로토콜 구조 및 그 운영 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 상위 레이어간의 연동을 통한 유연한 스케줄링을 지원하고, 멀티홉(Multi Hop) 전송시에 신뢰성 및 전송지연을 효율적으로 해결할 수 있는 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 프로토콜 구조 및 그 운영 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스는, 무선 센서 네트워크를 위한 주파수 다중화지원(Frequency Diversity: FD) 매체접근제어(MAC) 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스에 있어서, 네트워크 코디네이터, 다수의 라우터 노드들 및 다수의 엔드 노드들이 메쉬 네트워크를 형성하여 상기 슈퍼프레임을 송수신하는 경우, 상기 FD-MAC 슈퍼프레임(Superframe)은, 상기 라우터 노드들이 상기 노드들 간의 동기를 맞추기 위하여 비컨을 전송하는 비컨 구간(Beacon Period: BP); 관리 패킷(Management Packet), 브로드캐스팅 패킷(Broadcasting Packet), 또는 예비 트래픽(Occasional Traffic)에 대한 패킷을 교환하기 위한 구간으로서, 모든 노드가 동일한 채널 상에서 슬롯화된(Slotted) CSMA(Carrier Sense Multi Access) 방식으로 동작되는 관리 구간(Management Period: MP); 및 멀티채널 시분할 주파수 다중화(TDMA) 방식으로 사용할 수 있는 채널 모두에 대해 동일한 슬롯으로 나누어지는 구간으로서, 상기 노드들이 각각 상기 관리 구간(MP)에서 협상한 채널과 슬롯에서 데이터 및 인증(ACK)을 주고받는 비활성/예약 접근 구간(Inactive/Reserved Access Period: IRAP)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 비컨 구간은 2홉의 인접 테이블(Two-hop Neighbors Table)을 사용하여 비컨 스케줄링을 수행하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 비컨 구간에서 상기 라우터 노드들은 중심 채널(Central Channel)에서 자신에게 전송되는 비컨이 있는지 스캔하여, 상기 비컨이 있는 경우 비컨(Beacon)과 비트맵(Bitmap) 정보를 수신하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 라우터 노드들은, 인접 노드들로부터 받은 비컨이 특정 임계치를 초과할 경우, 동기화를 맞추기 위한 충분한 정보가 있다고 판단하여 더 이상 비컨을 보내지 않는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 특정 임계치는 상기 비컨 구간의 슬롯 개수의 절반을 넘거나 또는 상기 비트맵(Bitmap)이 꽉 찬 것을 조건으로 설정될 수 있다.
여기서, 상기 관리 패킷은 네트워크 관리를 위한 패킷, 라우팅 관리를 위한 패킷, 및 상기 IRAP의 슬롯을 할당하기 위한 스케줄링 패킷을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 스케줄링 패킷에 의한 슬롯 스케줄링은 슬립 지연(Sleep Delay)을 최소화하도록 네트워크 레이어와의 연동을 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 비활성/예약 접근 구간에서, 상기 노드들은 자신이 할당된 슬 롯에서만 할당 채널로 활성(Active) 상태로 동작하고, 자신이 미할당된 슬롯에서는 아이들 리스닝(Idle Listening) 시간을 줄이기 위해 슬립 모드(Sleep Mode)로 진입하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 노드들은 상기 IRAP를 사용하기 위한 슬롯 예약 커맨드로서, 슬롯 예약 요구(Slot Reservation Request: SRQ), 슬롯 예약 응답(Slot Reservation Reply: SRP) 및 슬롯 예약 인식(Slot Reservation Notify: SRN)의 커맨드 프레임(Command Frame)을 포함할 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 FD-MAC 비컨의 최소 동기화 방법은, 네트워크 코디네이터, 다수의 라우터 노드 및 엔드/모바일 노드가 메쉬 토폴로지를 형성할 경우, 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 비컨의 최소 동기화 방법에 있어서, a) 네트워크 코디네이터가 주변 노드들을 위하여 네트워크 정보전송 및 동기화를 맞추기 위한 비컨 프레임(Beacon Frame)을 주기적으로 전송하는 단계; b) 제1 라우터 노드가 상기 비컨 프레임 및 자신의 정보를 전송하거나 또는 다른 노드로부터 오는 정보를 중계(Relay)하는 단계; c) 상기 제1 라우터 노드가 인접 라우터 노드들로부터 수신한 비컨 프레임이 특정 임계치를 초과하는지 판단하는 단계; d) 상기 제1 라우터 노드가 동기화를 위한 정보가 주변에 충분하다고 판단하여 자신의 비컨 프레임을 전송하지 않는 단계; 및 e) 상기 제1 라우터 노드가 동기화를 위한 정보가 주변에 충분하지 않다고 판단하여 자신의 비컨 프레임을 전송하는 단계를 포함하여 이루어진다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따 른 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법은, 네트워크 코디네이터, 다수의 라우터 노드 및 엔드/모바일 노드가 메쉬 토폴로지를 형성하고 있는 FD-MAC 프로토콜에서 네트워크 레이어와 MAC 서브레이어 간에 FD-MAC 리소스를 예약하는 방법에 있어서, a) 채널 및 슬롯으로 이루어진 리소스 예약을 위해 제1 네트워크 레이어가 제1 네트워크 커맨드를 수신하는 단계; b) 제1 네트워크 레이어는 네트워크의 목적지 노드로의 라우팅 경로상의 다음 노드에 대하여 제1 MAC 프리미티브(Primitive) 커맨드를 전송하는 단계; c) 상기 제1 MAC 프리미티브 커맨드를 수신한 제1 MAC 서브레이어가 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷을 제2 MAC 서브레이어에게 전송하는 단계; d) 상기 제2 MAC 서브레이어가 상기 제1 MAC 서브레이어에게 슬롯 예약 응답(SRP) 패킷을 전송하는 단계; e) 상기 제1 MAC 서브레이어가 상기 제2 MAC 서브레이어에게 슬롯 예약 인지(SRN) 패킷을 전송하는 단계; 및 f) 상기 MAC 리소스(채널 및 슬롯) 예약이 완료되면, 상기 제1 MAC 서브레이어가 상기 제1 네트워크 레이어에게 제2 MAC 프리미티브 커맨드를 통하여 예약 확인(Confirm)을 하는 단계를 포함하되, 상기 FD-MAC 리소스에 대한 예약을 위해 상기 네트워크 레이어와 상기 MAC 서브레이어 사이에 크로스 레이어(Cross Layer) 구조로 동작하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 a) 내지 f) 단계의 모든 커맨드는 비컨 구간(BP), 관리 구간(MP) 및 비활성/예약 접근 구간(IRAP)으로 이루어진 FD MAC 슈퍼프레임에서 상기 관리 구간(MP)을 통하여 전송되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 c) 단계에서, IRAP를 통하여 데이터를 전송하고자 하는 노드는 슬롯을 할당받기 위해서 소스 노드가 상기 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷(Packet)을 목적지 노드에게 유니캐스트(Unicast)로 전송하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷은 몇 번째 슬롯을 기준으로 몇 개의 슬롯을 할당할 것인지를 명시하고, 이미 사용되고 있는 슬롯에 대한 블랙리스트(Black List)를 추가하여 전송하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 d) 단계의 슬롯 예약 응답(SRP)은 목적지 노드가 소스 노드의 블랙리스트(Black List)를 확인하여 사용 가능한 채널과 시작 슬롯에 대한 정보를 포함하게 되고, 소스 노드가 보낸 SRQ 패킷에 대한 성공과 실패에 대한 정보가 포함되어 전송되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 e) 단계의 슬롯 예약 인지(SRN) 패킷은 소스 노드가 목적지 노드로부터 받은 슬롯 예약 응답(SRP) 패킷에 대한 최종 응답으로서, 브로드캐스팅으로 전송되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 e) 단계는 히든 터미널 문제를 해결하도록 상기 소스 노드 주변 노드들이 해당 채널과 슬롯을 사용하지 못하게 하여 히든 터미널 문제를 해결할 수 있다.
본 발명에 따르면, 표준 기술로서 많이 사용되고 있는 IEEE 802.15.4를 대체하기 위한 새로운 주파수 다이버시티 MAC 기술을 제공할 수 있다. 특히, 데이터 전송률의 향상, 전송지연의 최소화, 신뢰성의 향상을 위한 무선 센서 네트워크에 있어서 FD-MAC 프로토콜 구조를 제공하고, 이러한 FD-MAC을 크로스 레이어(Cross Layer) 기반으로 효율적으로 운영하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 산업제어, 안전시설 모니터링, 재난경보/재해경보 등과 같은 높은 신뢰성이 필요하면서도 제한된 전송 지연을 요구하는 다양한 응용분야에 적용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상위 레이어간의 연동을 통한 유연한 스케줄링을 지원하고, 멀티홉(Multi Hop) 전송시에 신뢰성 및 전송지연을 효율적으로 해결할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 주파수 다중화지원 기 반 MAC 프로토콜 구조 및 그 운영 방법으로서, FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스, FD-MAC 프로토콜 및 슈퍼프레임 구조, FD-MAC의 최소 비컨 동기화 방법, FD-MAC의 크로스 레이어 예약 방법이 제공된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 슈퍼프레임의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 슈퍼프레임(100)의 한 사이클은 비컨 구간(Beacon Period: BP)(110), 관리 구간(Management Period: MP)(120), 및 비활성/예약 접근 구간(Inactive or Reserved Access Period: IRAP)(130)로 구성된다. 여기서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 채널을 나타낸다.
비컨 구간(BP: 110)은 노드들 간의 동기를 맞추기 위하여 라우터 노드들이 비컨을 전송하는 구간으로서, 2홉의 인접 테이블(Two-hop Neighbors Table)을 사용하여 비컨 스케줄링을 한다. 여기서, 비컨(Beacon)이란 네트워크의 규격에서 송신단과 수신단 사이에 미리 약속된 알고 있는 신호로서, 네트워크 사이의 통신 과정에서 이루어지는 동기화 또는 채널 추정 과정에 사용된다.
예를 들면, 모든 노드들은 중심 채널(Central Channel)에서 자신에게 전송되는 비컨이 있는지 스캔하게 되고, 만약 비컨이 있다면, 비컨(Beacon)과 비트맵(Bitmap) 정보를 수신한다. 이후, 모든 노드들은 수신된 정보를 바탕으로 자신의 비컨맵(Beacon Map)을 갱신하고, 자신의 비컨을 보내기 위한 스케줄링을 수행하여 첫 번째 사용가능한 슬롯을 선택한다.
이와 같이 선택된 슬롯을 이용하여 수신된 정보와 자신의 정보를 포함하여 인접 노드에게 비컨을 전송한다. 만약 인접 노드들로부터 받은 비컨이 특정 임계치를 초과하면, 예를 들면, 비컨 구간(110)의 슬롯 개수의 절반을 넘거나 또는 비트맵(Bitmap)이 꽉 찼을 경우, 동기화를 맞추기 위한 충분한 정보가 있다고 판단하여 더 이상 비컨을 보내지 않는다. 이에 따라 불필요한 오버헤드를 줄일 수 있다.
또한, 비컨 구간(110)의 길이는 SlotDuration*(2B_Order)로 정의하며, 상기 슬롯 구간인 SlotDuration은 하나의 슬롯에 보낼 적합한 프레임의 크기에 따라 결정된다. 이때, B_Order는 Beacon Order를 나타낸다.
관리 구간(MP: 120)은 관리 패킷(Management Packet), 브로드캐스팅 패킷(Broadcasting Packet), 또는 예비 트래픽(Occasional Traffic)에 대한 패킷을 교환하기 위한 구간으로서, 모든 노드가 동일한 채널 상에서 슬롯화된(Slotted) CSMA 방식으로 동작한다.
여기서, 상기 관리 패킷(Management Packet)은 네트워크 관리를 위한 패킷, 라우팅 관리를 위한 패킷, 및 상기 IRAP(130)의 슬롯을 할당하기 위한 스케줄링 패킷 등을 포함할 수 있다. 이러한 슬롯 스케줄링은 전송 지연을 최소한으로 줄일 수 있도록 슬립 지연(Sleep Delay)을 최소화하도록 네트워크 레이어와의 연동을 통해 이루어진다. 이때, 관리 구간(120)의 길이는 SlotDuration*(2M_Order)로 정의되며, M_Order는 Management Order를 나타낸다.
비활성/예약 접근 구간(IRAP: 130)은 멀티채널 TDMA 방식으로 사용할 수 있 는 채널 모두에 대해 동일한 슬롯(131, 132)으로 나누어지며, 각 노드들이 상기 관리 구간(MP: 120)에서 협상한 채널과 슬롯에서 데이터 및 인증(ACK)을 주고받는 구간이다. 이때, 노드들은 자신이 할당된 슬롯(132)에서만 할당 채널로 활성(Active) 상태로 동작하고, 그 이외의 시간에서는 자신이 미할당된 슬롯(131)이므로 아이들 리스닝(Idle Listening) 시간을 줄이기 위해 슬립 모드(Sleep Mode)로 진입하며, 이에 따라 네트워크 수명시간을 연장할 수 있다. 이때, IRAP의 길이는 SlotDuration*(2I_Order)로 정의되며, 이때, I_Order는 IRAP Order를 나타낸다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 프로토콜에서, 데이터 타입별로 서비스 품질(Quality of Service: QoS)을 지원하기 위하여 데이터를 트래픽(Traffic) 종류별로 구분한다. 즉, 트래픽 패턴(Traffic Pattern)에 따라서 구간 트래픽(Periodic Traffic), 버스트 트래픽(Burst Traffic), 예비 트래픽(Occasional Traffic)으로 나누고, 지연(Delay) 측면을 고려한 실시간 데이터와 신뢰성 측면을 고려한 신뢰성 요구 데이터로 구분하여 각 트래픽 종류별로 상이한 전송 메커니즘을 통해 서비스 품질(QoS)을 지원할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 프로토콜은 2홉(Hop) 인접노드 기반의 비컨 스케줄링(Beacon Scheduling)을 통해 동기화를 맞추게 되고, 메시 토폴로지(Mesh Topology)로 구성되어 동작하며, 전송 지연을 줄이기 위해 슬롯 스케줄링과 동일한 슈퍼프레임에서 실패한 데이터에 대해 재전송할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 프로토콜은 높은 신뢰성을 보장하기 위해 여러 개의 가용한 채널을 호핑(Hopping)하며, 데이터를 전송하고 주파수를 바꾸어 가면서 재전송이 가능하도록 하여 시간에 대한 다이버시티(Diversity)를 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 프로토콜은 슬립 구간(Slip Period)을 두어 아이들 리스닝(Idle Listening) 시간을 줄임으로써 네트워크의 수명시간을 향상시킬 수 있고, 네트워크 상황에 따라 유연하게 대응함으로써 확장성을 가질 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예로서, 센서 네트워크가 높은 신뢰성을 요구하는 응용분야에 사용할 수 있도록 주파수 다이버시티를 이용한 메쉬 네트워크 지원 프로토콜(FD-MAC)의 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스가 제공될 수 있고, 지연을 최소화하기 위하여 라우팅 경로에 기반한 슬롯 예약을 할 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 토폴로지를 예시하는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 토폴로지는, 도 8에 도시된 바와 같이, 네트워크 코디네이터(Network Coordinator: NC)(210), 라우터 노드(Router Node: RN)(220a, 220b), 엔드 노드 또는 모바일 노드(End Node or Mobile Node: EN)(230)의 메시 네트워크(Mesh Network)로 구성될 수 있다.
네트워크 코디네이터(210)는 IEEE 802.15.4 MAC의 PAN 코디네이터(Coordinator)와 비슷한 역할을 하는 노드로서, 전체 네트워크에서 공통으로 사용되는 파라미터(Parameter)를 설정하는 역할과 네트워크를 관리하는 역할을 한다. 네트워크 코디네이터(210)는 주변 노드들을 위하여 네트워크 정보전송 및 동기화를 맞추기 위한 비컨 프레임(Beacon Frame)을 주기적으로 전송한다.
라우터 노드(220a, 220b)는 FD-MAC의 고정 환경에서 서비스를 제공하는 일반적인 노드로서, 네트워크 코디네이터(210)처럼 비컨 프레임 및 자신의 정보를 전송하거나 또는 다른 노드로부터 오는 정보를 중계(Relay)하는 중간 노드의 역할도 한다.
엔드 노드 또는 모바일 노드(230)는 네트워크 코디네이터(210)나 라우터 노드(220a, 220b)와 달리 비컨 프레임을 전송하지 않고, 일반적인 데이터를 송신 및 수신하는 역할만 담당하며 이동성을 보장한다.
종래의 기술에 따른 프로토콜들은, 노드(210, 220a, 220b, 230)간의 동기화를 위하여 기본적으로 모든 RN들(220a, 220b)이 비컨 프레임을 전송하게 된다. 이러한 종래 기술에 따른 비컨 전송 메커니즘에서는 네트워크 밀도가 높을 경우, 모든 RN들(220a, 220b)이 비컨을 전송할 수 있도록 상당히 긴 시간의 비컨 전송구간이 필요하게 된다.
하지만, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 프로토콜을 이용한 비컨 전송 메커니즘에서는 네트워크의 효율적인 관리를 위하여 상기 라우터 노드들(220a, 220b) 중에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 비컨 프레임을 전송하지 않는 라우터 노드(220b)가 존재한다. 이것은 인접 라우터 노드들(220a)로부터 수신한 비컨 프레임이 특정 임계치를 넘게 되면, 예를 들면, 예를 들면, 비컨 구간(110)의 슬롯 개수의 절반을 넘거나 또는 비트맵(Bitmap)이 꽉 찼을 경우, 동기화를 위한 정보가 주변에 충분하다고 판단하여 자신의 비컨 프레임을 전송하지 않는 메커니즘을 사용 한다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 슈퍼프레임의 비컨 구간(BP) 내의 비컨 슬롯을 구체적으로 예시하는 도면이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 슈퍼프레임의 관리 구간(MP)을 구체적으로 예시하는 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 슈퍼프레임의 비컨 구간(BP) 내의 비컨 슬롯(111)은 MAC 헤더(Header)(111a), MAC 페이로드(Payload)(111b) 및 MAC 푸터(111c)를 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
상기 MAC 헤더(111a)는 비콘 식별자를 포함하는 프레임 제어필드(Frame Control field), 현재 프레임에 대한 시퀀스 넘버를 나타내는 시퀀스 넘버필드(Sequence Number field), 소스 어드레스를 포함하는 어드레싱 필드(Addressing field)를 포함할 수 있다.
상기 MAC 페이로드(MAC payload)(111b)는 송수신의 시간 관리를 위해 논리적 시간슬롯을 정의하는 슈퍼프레임 상세정보 필드(Superframe Specification field), 특정 네트워크 디바이스에게 보장된 시간 슬롯을 제공하기 위한 정보를 포함하는 GTS(Guaranteed Time Slot) 필드, 네트워크 디바이스에 전송할 데이터가 발생한 경우에 전송할 네트워크 디바이스의 주소를 포함하는 펜딩 주소 필드(Pending Address Field) 및 비콘 페이로드 필드(Beacon Payload)를 포함할 수 있다.
상기 MAC 푸터(MFR)(111c)는 전송되는 프레임의 에러 확인을 위한 프레임 체크 섬(Frame Check Sum: FCS)을 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 슈퍼프레임의 관리 구간(120)은, 관리 패킷(121), 브로드캐스팅 패킷(122), 또는 예비 트래픽에 대한 패킷(123)을 교환하기 위한 구간으로서, 모든 노드가 동일한 채널 상에서 슬롯화된(Slotted) CSMA 방식으로 동작한다. 예를 들면, 상기 관리 패킷(121)은 네트워크 관리를 위한 패킷(121a), 라우팅 관리를 위한 패킷(121b) 및 IRAP의 슬롯을 할당하기 위한 스케줄링 패킷(121c) 등을 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
한편, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC의 최소 비컨 동기화 방법의 동작흐름도이다.
전술한 도 8 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC의 최소 비컨 동기화 방법은, 먼저 네트워크 코디네이터(210), 다수의 라우터 노드(220a, 220b) 및 엔드 노드 또는 모바일 노드(230)가 메쉬 네트워크를 구성하여 통신이 이루어지는 경우(S110), 상기 네트워크 코디네이터(210)가 파라미터(Parameter) 설정 및 네트워크 관리하고(S120), 상기 네트워크 코디네이터(210)가 주변 노드들을 위하여 네트워크 정보전송 및 동기화를 맞추기 위한 비컨 프레임(Beacon Frame)을 주기적으로 전송한다(S130).
다음으로, 제1 라우터 노드(220a, 220b)가 상기 비컨 프레임 및 자신의 정보를 전송하거나 또는 다른 노드로부터 오는 정보를 중계(Relay)한다(S140).
다음으로, 제1 라우터 노드(220a, 220b)가 인접 라우터 노드들로부터 수신한 비컨 프레임이 특정 임계치를 초과하는지 판단하고(S150), 만일 특정 임계치를 초 과하는 경우, 예를 들면, 비컨 구간(110)의 슬롯 개수의 절반을 넘거나 또는 비트맵(Bitmap)이 꽉 찼을 경우, 상기 제1 라우터 노드가 동기화를 위한 정보가 주변에 충분하다고 판단하여 자신의 비컨 프레임을 전송하지 않게 된다(S160).
만일, 특정 임계치를 초과하지 않는 경우, 상기 제1 라우터 노드가 동기화를 위한 정보가 주변에 충분하지 않다고 판단하여 자신의 비컨 프레임을 전송하게 된다(S170).
본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC의 최소 비컨 동기화 방법은, 비컨 전송구간을 최소화하기 위하여 상기 라우터 노드(220a, 220b)가 주변으로부터 수신된 비컨 정보가 특정 임계치를 넘을 경우, 자신이 비컨 프레임을 전송하지 않음으로써 비컨의 전송을 최소화하면서도 공간 기반에 충분한 비컨을 갖는다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC의 최소 비컨 동기화 방법에 따르면, 특정 공간에 충분한 비컨들이 전송되고 있을 경우, 새로운 라우터 노드(220a, 220b)는 비컨을 송신하지 않음으로써, 비컨 구간의 최소화를 통하여 배터리 소모를 최소화하고, 전송 지연을 줄일 수 있게 된다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC의 최소 비컨 동기화 방법은, 네트워크가 전술한 바와 같이 메쉬 네트워크를 지향하고 있기 때문에 가능하다. 이때, 비컨을 송신하지 않는 노드에는 결합(Join)이 이루어질 수 없는 문제점이 존재할 수 있지만, 이러한 문제점은 메쉬 네트워크의 특성을 통하여 자연스럽게 해결될 수 있다. 즉, 상기 메쉬 네트워크에서 통신이 수행될 경우, 결합 노드(Join Node)와 관계없이 인접 노드들 중에서 라우팅에서 사용하는 메트릭(Metric)에 기반 하여 통신하는 인접 노드를 선택할 수 있으므로 어떤 노드로 결합하든지 문제가 되지 않는다.
한편, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC의 크로스 레이어 예약 기법을 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC의 크로스 레이어 예약 방법의 동작흐름도이다.
본 발명의 실시예에서, FD-MAC의 IRAP(130)을 사용하기 위해서는 두 노드간의 채널과 타임 슬롯을 약속함으로서 사용할 수 있다. 이러한 약속을 위하여 예약기반 전송 메커니즘을 전술한 비컨 구간(BP), 관리 구간(MP) 및 비활성/예약 접근 구간(IRAP)으로 이루어진 슈퍼프레임에서 IRAP(130)에 사용한다.
본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 프로토콜이 멀티채널 TDMA 기반 하에 IRAP를 사용하기 때문에, 이러한 예약기반 전송 메커니즘은 멀티채널에 대한 히든 터미널 문제를 해결할 수 있어야 한다. 본 발명의 실시예에서는 IEEE 802.15.4의 커맨드 프레임(Command Frame)을 다음과 같은 표 1에 도시된 바와 같이 확장함으로써 멀티채널 히든 터미널 문제를 해결할 수 있다. 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 슬롯 예약 커맨드(Slot Reservation Commands)를 예시하는 테이블이다.
Figure 112009081258041-pat00001
표 1에 도시된 바와 같이, 상기 IRAP(130)의 사용을 위해서 슬롯 예약 요구(Slot Reservation Request: SRQ), 슬롯 예약 응답(Slot Reservation Reply: SRP), 슬롯 예약 인식(Slot Reservation Notify: SRN)라는 3개의 커맨드 프레임(Command Frame)이 추가된다.
구체적으로, 상기 IRAP(130)를 통하여 데이터를 전송하고자 하는 노드는 슬롯을 할당받기 위해서 소스 노드는 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷(Packet)을 목적지 노드에게 유니캐스트(Unicast)로 전송하게 된다. 이때, 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷은 몇 번째 슬롯을 기준으로 몇 개의 슬롯을 할당할 것인지를 명시하게 되고, 이미 사용되고 있는 슬롯에 대한 블랙리스트(Black List)를 추가하여 보내게 된다.
슬롯 예약 응답(SRP)은 목적지 노드가 소스 노드의 블랙리스트(Black List)를 확인하여 사용 가능한 채널과 시작 슬롯에 대한 정보를 포함하게 되고, 소스 노드가 보낸 SRQ 패킷에 대한 성공과 실패에 대한 정보가 포함되어 전송된다.
슬롯 예약 인지(SRN) 패킷은 소스 노드가 목적지 노드로부터 받은 슬롯 예약 응답(SRP) 패킷에 대한 응답을 나타낸다. 이때, 상기 슬롯 예약 인지(SRN) 커맨드는 슬롯 예약 응답(SRP) 커맨드와 동일한 형식(Format)으로, 상기 슬롯 예약에 대한 최종 응답으로서, 브로드캐스팅으로 전송되며, 상기 소스 노드 주변 노드들이 해당 채널과 슬롯을 사용하지 못하도록 함으로써 전술한 히든 터미널 문제를 해결할 수 있다.
또한, 각각의 노드는 주변 노드들의 채널 및 슬롯 사용정보를 가지고 있는 슬롯 할당 테이블(Slot Allocation Table)을 관리하게 된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 예약절차에서 ③~⑤는 각각 슬롯 예약 요청(SRQ), 슬롯 예약 응답(SRP) 및 슬롯 예약 인지(SRN) 커맨드를 나타내는데, 도 13을 참조하여 구체적으로 설명한다.
전술한 채널 및 슬롯으로 이루어진 FD-MAC 리소스에 대한 예약은 네트워크 레이어(410)와 MAC 서브레이어(510) 사이에는 크로스 레이어(Cross Layer) 구조로 동작하게 된다. 이때, 이러한 크로스 레이어는 계층적 구조의 단점을 극복하도록 레이어간 정보 교환을 통해 변화하는 네트워크 상황에 대처하기 위한 개념이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC의 크로스 레이어 예약 방법은, 먼저, 제1 네트워크 레이어(410)는 리소스 예약을 위한 제1 네트워크(NWK) 커맨드를 수신하고(S310), 이후, 제1 네트워크 레이어(410)는 네트워크의 목적지 노드로의 라우팅 경로상의 다음 노드에 대하여 제1 MAC 프리미티브(Primitive) 커맨드를 전송하게 된다(S320).
다음으로, 제1 MAC 서브레이어(510)에 대한 상기 리소스의 예약 절차가 진행되는데, 먼저, 상기 제1 MAC 프리미티브 커맨드를 수신한 제1 MAC 서브레이어(510)는 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷을 제2 MAC 서브레이어(520)에게 전송한다(S330). 이후, 제2 MAC 서브레이어(520)는 제1 MAC 서브레이어(510)에게 슬롯 예약 응답(SRP) 패킷을 전송한다(S340). 이후, 제1 MAC 서브레이어(510)는 제2 MAC 서브레이어(520)에게 슬롯 예약 인지(SRN) 패킷을 전송한다(S350).
다음으로, 전술한 S330 내지 S350 단계의 MAC 리소스(채널 및 슬롯) 예약이 완료되면, 제1 MAC 서브레이어(510)는 제1 네트워크 레이어(410)에게 제2 MAC 프리미티브 커맨드를 통하여 예약 확인(Confirm)을 하게 된다(S360).
다음으로, 제1 네트워크 레이어(410)가 제2 네트워크 레이어(420)가 다음 홉(Hop)으로 제2 네트워크 커맨드를 전송하게 된다(S370). 이때, 이러한 모든 커맨드는 슈퍼프레임의 관리 구간(MP)을 통하여 전송된다.
또한, 이러한 FD-MAC의 IRAP 구간의 예약기반 전송 메커니즘을 이용한 방법은 여러 가지 스케줄링 알고리즘에 따라 적용이 가능하다. 네트워크 레이어에서 요구하는 서비스품질(QoS) 파라미터에 따라서 해당 링크의 채널 및 슬롯 스케줄 시에 해당 서비스품질(QoS)을 최대로 만족할 수 있는 스케줄링 알고리즘을 사용하게 된다.
이때, 대표적인 서비스품질(QoS) 기반 스케줄링 방식으로 전송 신뢰성을 최대화하기 위해서는 채널 상태 우선 스케줄링을 선택하거나, 또는, 전송 지연 최소화를 위해서는 슬롯 우선 스케줄링을 선택할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 센서네트워크가 높은 QoS를 요구하는 응용분야에 사용이 가능하도록 주파수 다이버시티를 이용한 메쉬 네트워크 지원 프로토콜을 제공한다. 특히, 높은 신뢰성, 전송 지연 최소화 등과 같은 다양한 QoS를 지원 가능한 스케줄링 기법에 따라 라우팅 경로에 기반하여 채널 및 슬롯을 예약할 수 있도록 하였다. 이를 통하여 제안된 프로토콜을 산업제어, 안전시설 모니터링, 재난경보/재해경보 등과 같은 높은 신뢰성이 필요하면서도 전송 지연이 낮을 필요가 있는 응용분야에 적용할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 IEEE 802.15.4 프로토콜 구조를 예시하는 도면이다.
도 2는 IEEE 802.15.4 WPAN의 슈퍼프레임의 구조를 예시하는 도면이다.
도 3은 IEEE 802.15.4 WPAN의 네트워크 토폴로지를 예시하는 도면이다.
도 4는 IEEE 802.15.4 MAC 프레임 포맷을 예시하는 도면이다.
도 5a는 통상적으로 메쉬 네트워크에서 각 노드 간의 통신이 단일 채널(Single Channel)에 이루어지는 경우를 나타내는 도면이고, 도 5b는 통상적인 메쉬 네트워크에서 각 노드 간의 통신이 다중 채널(Multiple Channel)에 이루어지는 경우를 나타내는 도면이다.
도 6은 종래 메쉬 네트워크의 데이터 전송 구간에서 노드 간에 이루어질 수 있는 시그널링을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 슈퍼프레임의 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 토폴로지를 예시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 슈퍼프레임의 비컨 구간(BP) 내의 비컨 슬롯을 구체적으로 예시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 슈퍼프레임의 관리 구간(MP)을 구체적으로 예시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC의 최소 비컨 동기화 방법의 동작흐름도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC의 크로스 레이어 예약 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC의 크로스 레이어 예약 방법의 동작흐름도이다.
< 도면 부호의 간단한 설명 >
100: FD-MAC 슈퍼프레임
110: 비컨 구간(Beacon Period: BP)
120: 관리 구간(Management Period: MP)
130: 비활성/예약 접근 구간(IRAP)
111: 비컨 구간 슬롯
111a: MAC 헤더(Header)
111b: MAC 페이로드(Payload)
111c: MAC 푸터(FooteR)(MFR)
121a: 관리 패킷
121b: 브로드캐스팅 패킷
121c: 예비 트래픽을 위한 패킷
131: 비할당 슬롯
132: 할당 슬롯
210: 네트워크 코디네이터(Network Coordinator: NC)
220a: 비컨 송신 라우터 노드(Router Node: RN)
220b: 비컨 미송신 라우터 노드
230: 엔드 노드/모바일 노드
410: 제1 네트워크 레이어
420: 제2 네트워크 레이어
510: 제1 MAC 서브레이어
520: 제2 MAC 서브레이어

Claims (22)

  1. 무선 센서 네트워크를 위한 주파수 다중화지원(Frequency Diversity: FD) 매체접근제어(MAC) 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스에 있어서, 네트워크 코디네이터, 다수의 라우터 노드들 및 다수의 엔드 노드들이 메쉬 네트워크를 형성하여 상기 슈퍼프레임을 송수신하는 경우, 상기 FD-MAC 슈퍼프레임(Superframe)은,
    상기 라우터 노드들이 상기 라우터 노드들과 상기 엔드 노드들 간의 동기를 맞추기 위하여 비컨을 전송하는 비컨 구간(Beacon Period: BP);
    관리 패킷(Management Packet), 브로드캐스팅 패킷(Broadcasting Packet), 또는 예비 트래픽(Occasional Traffic)에 대한 패킷을 교환하기 위한 구간으로서, 모든 노드가 동일한 채널 상에서 슬롯화된(Slotted) CSMA(Carrier Sense Multi Access) 방식으로 동작되는 관리 구간(Management Period: MP); 및
    멀티채널 시분할 주파수 다중화(TDMA) 방식으로 사용할 수 있는 채널 모두에 대해 동일한 슬롯으로 나누어지는 구간으로서, 상기 라우터 노드들과 상기 엔드 노드들이 각각 상기 관리 구간(MP)에서 협상한 채널과 슬롯에서 데이터 및 인증(ACK)을 주고받는 비활성/예약 접근 구간(Inactive/Reserved Access Period: IRAP)
    을 포함하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비컨 구간은 2홉의 인접 테이블(Two-hop Neighbors Table)을 사용하여 비컨 스케줄링을 수행하는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비컨 구간에서 상기 라우터 노드들은 중심 채널(Central Channel)에서 자신에게 전송되는 비컨이 있는지 스캔하여, 상기 비컨이 있는 경우 비컨(Beacon)과 비트맵(Bitmap) 정보를 수신하는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 라우터 노드들은, 인접 노드들로부터 받은 비컨이 특정 임계치를 초과할 경우, 동기화를 맞추기 위한 충분한 정보가 있다고 판단하여 더 이상 비컨을 보내지 않는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 특정 임계치는 상기 비컨 구간의 슬롯 개수의 절반을 넘거나 또는 상기 비트맵(Bitmap)이 꽉 찬 것을 조건으로 설정되는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 비컨 구간의 길이는 SlotDuration*(2B_Order)로 정의되고, 여기서, SlotDuration은 슬롯 구간을 나타내고, B_Order는 비컨 수(Beacon Order)를 나타내는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 관리 패킷은 네트워크 관리를 위한 패킷, 라우팅 관리를 위한 패킷, 및 상기 IRAP의 슬롯을 할당하기 위한 스케줄링 패킷을 포함하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스케줄링 패킷에 의한 슬롯 스케줄링은 슬립 지연(Sleep Delay)을 최소화하도록 네트워크 레이어와의 연동을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 관리 구간의 길이는 SlotDuration*(2M_Order)로 정의되며, 여기서, M_Order는 Management Order를 나타내는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 비활성/예약 접근 구간에서, 상기 라우터 노드들과 상기 엔드 노드들은 자신이 할당된 슬롯에서만 할당 채널로 활성(Active) 상태로 동작하고, 자신이 미할당된 슬롯에서는 아이들 리스닝(Idle Listening) 시간을 줄이기 위해 슬립 모드(Sleep Mode)로 진입하는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 IRAP의 길이는 SlotDuration*(2I_Order)로 정의되며, 여기서, I_Order는 IRAP Order를 나타내는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 라우터 노드들과 상기 엔드 노드들은 상기 IRAP를 사용하기 위한 슬롯 예약 커맨드로서, 슬롯 예약 요구(Slot Reservation Request: SRQ), 슬롯 예약 응답(Slot Reservation Reply: SRP) 및 슬롯 예약 인식(Slot Reservation Notify: SRN)의 커맨드 프레임(Command Frame)을 포함하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.
  13. 네트워크 코디네이터, 다수의 라우터 노드 및 엔드/모바일 노드가 메쉬 토폴로지를 형성할 경우, 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 비컨 동기화 방법에 있어서,
    a) 네트워크 코디네이터가 주변 노드들을 위하여 네트워크 정보전송 및 동기화를 맞추기 위한 비컨 프레임(Beacon Frame)을 주기적으로 전송하는 단계;
    b) 제1 라우터 노드가 상기 비컨 프레임 및 자신의 정보를 전송하거나 또는 다른 노드로부터 오는 정보를 중계(Relay)하는 단계;
    c) 상기 제1 라우터 노드가 인접 라우터 노드들로부터 수신한 비컨 프레임이 특정 임계치를 초과하는지 판단하는 단계;
    d) 상기 비컨 프레임이 상기 특정 임계치를 초과하면, 상기 제1 라우터 노드가 자신의 비컨 프레임을 전송하지 않는 단계; 및
    e) 상기 비컨 프레임이 상기 특정 임계치를 초과하지 않으면, 상기 제1 라우터 노드가 자신의 비컨 프레임을 전송하는 단계
    를 포함하는 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 비컨 동기화 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 d) 단계에서 상기 제1 라우터 노드는 결합 노드(Join Node)와 관계없이 라우팅에서 사용하는 메트릭(Metric)에 기반하여 통신하는 인접 노드를 선택하는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 비컨 동기화 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 c) 단계의 특정 임계치는 비컨 구간의 슬롯 개수의 절반을 넘거나 또는 비트맵(Bitmap)이 꽉 찬 경우를 조건으로 설정되는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 비컨 동기화 방법.
  16. 네트워크 코디네이터, 다수의 라우터 노드 및 엔드/모바일 노드가 메쉬 토폴로지를 형성하고 있는 FD-MAC 프로토콜에서 네트워크 레이어와 MAC 서브레이어 간에 FD-MAC 리소스를 예약하는 방법에 있어서,
    a) 채널 및 슬롯으로 이루어진 리소스 예약을 위해 제1 네트워크 레이어가 제1 네트워크 커맨드를 수신하는 단계;
    b) 제1 네트워크 레이어는 네트워크의 목적지 노드로의 라우팅 경로상의 다음 노드에 대하여 제1 MAC 프리미티브(Primitive) 커맨드를 전송하는 단계;
    c) 상기 제1 MAC 프리미티브 커맨드를 수신한 제1 MAC 서브레이어가 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷을 제2 MAC 서브레이어에게 전송하는 단계;
    d) 상기 제2 MAC 서브레이어가 상기 제1 MAC 서브레이어에게 슬롯 예약 응답(SRP) 패킷을 전송하는 단계;
    e) 상기 제1 MAC 서브레이어가 상기 제2 MAC 서브레이어에게 슬롯 예약 인지(SRN) 패킷을 전송하는 단계; 및
    f) 상기 MAC 리소스(채널 및 슬롯) 예약이 완료되면, 상기 제1 MAC 서브레이어가 상기 제1 네트워크 레이어에게 제2 MAC 프리미티브 커맨드를 통하여 예약 확인(Confirm)을 하는 단계
    를 포함하되,
    상기 FD-MAC 리소스에 대한 예약을 위해 상기 네트워크 레이어와 상기 MAC 서브레이어 사이에 크로스 레이어(Cross Layer) 구조로 동작하는 것을 특징으로 하는 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 a) 내지 f) 단계의 모든 커맨드는 비컨 구간(BP), 관리 구간(MP) 및 비활성/예약 접근 구간(IRAP)으로 이루어진 FD MAC 슈퍼프레임에서 상기 관리 구간(MP)을 통하여 전송되는 것을 특징으로 하는 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 c) 단계에서, IRAP를 통하여 데이터를 전송하고자 하는 노드는 슬롯을 할당받기 위해서 소스 노드가 상기 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷(Packet)을 목적지 노드에게 유니캐스트(Unicast)로 전송하는 것을 특징으로 하는 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷은 몇 번째 슬롯을 기준으로 몇 개의 슬롯을 할당할 것인지를 명시하고, 이미 사용되고 있는 슬롯에 대한 블랙리스트(Black List)를 추가하여 전송하는 것을 특징으로 하는 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 d) 단계의 슬롯 예약 응답(SRP)은 목적지 노드가 소스 노드의 상기 블랙리스트(Black List)를 확인하여 사용 가능한 채널과 시작 슬롯에 대한 정보를 포함하게 되고, 소스 노드가 보낸 SRQ 패킷에 대한 성공과 실패에 대한 정보가 포함되어 전송되는 것을 특징으로 하는 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 e) 단계의 슬롯 예약 인지(SRN) 패킷은 소스 노드가 목적지 노드로부터 받은 슬롯 예약 응답(SRP) 패킷에 대한 최종 응답으로서, 브로드캐스팅으로 전송되는 것을 특징으로 하는 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 e) 단계는 히든 터미널 문제를 해결하도록 상기 소스 노드 주변 노드들이 해당 채널과 슬롯을 사용하지 못하게 하여 히든 터미널 문제를 해결하는 것을 특징으로 하는 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법.
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