KR101215959B1 - 무선 네트워크에서의 자원 할당 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 토폴로지가 빈번하게 변하는 네트워크 환경에서의 자원을 효율적으로 이용하기 위한 분산적인 자원 할당 방법에 관한 것이다. 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 프레임은 노드 각각이 비콘 메시지를 이웃 노드에게 전송하기 위한 비콘 슬롯(beacon slot), 적어도 하나의 노드가 비콘 슬롯을 예약하기 위해 경쟁하기 위한 경쟁 슬롯(contention slot), 노드 각각이 데이터를 전송하기 위한 데이터 슬롯(data slot)을 포함하고, 노드 각각에 할당된 비콘 슬롯에 매핑(mapping)된 데이터 슬롯을 이용하여 노드 각각이 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 복수의 노드 각각이 프레임 단위로 통신을 수행하는 무선 네트워크에서의 자원 할당 방법을 제공한다.

Description

무선 네트워크에서의 자원 할당 방법 {METHOD FOR ALLOCATING RESOURCES IN A WIRELESS NETWORK}

본 발명은 무선 네트워크에 관한 것으로, 특히 토폴로지가 빈번하게 변하는 네트워크 환경에서의 자원을 효율적으로 이용하기 위한 분산적인 자원 할당 방법에 관한 것이다.

최근에 애드혹(ad-hoc) 네트워크로 알려진 이동 통신 네트워크 유형이 개발되어 왔으며, 애드혹 네트워크에서의 자원 할당은 기존의 셀룰러 네트워크에서의 자원 할당과 다른 특성을 지닌다.

셀룰러 네트워크에서 기지국은 자신의 커버리지 내의 노드들의 자원 할당을 담당하는 중심적인 노드의 역할을 수행하므로, 기지국은 노드들의 QoS(Quality of Service)를 보장하면서 각 노드들에게 공정하게 자원을 할당한다. 한편, 애드혹 네트워크에서는 기지국과 같은 중심적인 노드가 존재하지 않고, 애드혹 네트워크의 노드들 사이에서 같은 채널을 공유하기 때문에 숨은 노드(hidden node) 또는 노출 노드(exposed node) 문제를 고려해야 한다.

기본적으로 애드혹 네트워크에서의 자원할당 방법은 중앙집권적인 방법과 분산적인 방법으로 나뉘어질 수 있으며, 각각은 다음과 같은 장단점을 지닌다.

중앙집권적인 방법은, 하나 또는 소수의 노드가 네트워크 자원을 계산하고 할당하게 되므로 노드들 사이의 공정성을 보장할 수 있으며, 자원 할당을 위한 제어 메시지의 오버헤드(overhead)를 최소화할 수 있는 장점을 지닌다. 한편, 중앙집권적인 방법은 자원 할당을 담당하는 노드에 이상이 발생하거나 파괴되는 경우에는 전체 네트워크가 동작을 멈추게 되기 때문에 견고(robust)하지 않고, 신뢰성(reliability)이 결여되는 단점이 있다. 또한, 어떤 노드가 다른 노드의 자원 할당을 담당할지를 결정함에 있어서도 어려움이 따른다.

한편, 분산적인 방법은, 각 노드가 자신의 이웃 노드로부터 얻은 정보를 기반으로 자원을 할당하게 되므로, 특정 노드에 의존하지 않기 때문에 신뢰성이 향상되는 장점을 가진다. 그러나, 분산적인 방법은 노드들에게 공정하게 자원할당을 하기 어렵고, 애드혹 네트워크의 특성상 각 노드는 주변 노드들의 정보밖에 알지 못하고 모든 노드의 정보를 얻기 위해서는 많은 양의 제어 메시지가 필요하게 되는 단점이 있다.

애드혹 네트워크에서 분산 자원 할당은 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance), TDMA(Time Division Multiple Access), FDMA(Frequency Division Multiple Access) 또는 CDMA(Code Division Multiple Access)를 기반으로 하여 이루어질 수 있으나, 이 중 CSMA/CA와 TDMA 기반의 자원 할당 방안만이 애드혹 네트워크의 숨은 노드 및 노출 노드의 문제를 해결할 수 있다.

CSMA/CA 방식은 IEEE 802.11 DCF (distributed coordination function) 모드로 표준화되어 있으며, CSMA/CA 방식에서 각 노드는 전송을 하기 전에 먼저 채널이 사용되고 있는지 확인하고, 채널이 사용 중이면 진행중인 다른 전송이 끝날 때가지 기다리는 방식으로 동작하게 되어 자원의 독점 문제가 발생하게 된다.

이러한 자원의 독점 문제를 해결하기 위해 TDMA 기반의 자원 할당 방안이 제안되었으며, TDMA 기반의 방안에서는 각 노드가 미리 결정된 타임 슬롯(time slot)에서만 자신의 데이터를 전송할 수 있다. 그러나, TDMA 기반의 방안에서는 노드의 수가 증가할수록 필요한 타임 슬롯의 수도 증가하는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 네트워크에서 공간 자원을 재사용하는 STDMA (Spatial TDMA) 프로토콜이 제안되었다. STDMA 프로토콜에서 서로 2-홉만큼 떨어진 노드에는 같은 타임 슬롯을 할당하지 않으므로 숨은 노드의 문제를 해결할 수 있다. 대표적인 STDMA 기반의 자원 할당 방안의 예로, 간섭 모델에 기반하여 트래픽을 고려한 자원 할당 방안, 제안된 노드의 이동성을 고려한 자원 할당 방안, 컬럼 생성(column generation) 접근성을 사용한 자원 할당 방안이 있다.

도 1은 STDMA 기반의 자원 할당 방안의 일 실시예를 나타낸다. 공간적 재사용이 없는 자원 할당을 나타내는 도 1 (a)에서는 6개의 노드가 서로 충돌 없이 통신하기 위해서 총 6개의 자원이 필요하다. 그러나, 공간적 재사용이 있는 경우를 나타내는 도 1 (b)에서는 6개의 노드가 5개의 자원을 사용하여 서로 충돌 없이 통신할 수 있다. 즉, STDMA 프로토콜에서 필요한 타임 슬롯의 개수는 2-홉(two-hop)네트워크 내의 노드의 수와 같다. 그러나, 노드의 이동성에 의하여 네트워크의 토폴로지가 변하면 2-홉 네트워크 또한 변하게 된다.

도 2 는 토폴로지 변화로 인한 데이터 전송 충돌의 일 실시예를 나타낸다. 노드 각각에는 노드의 ID와 할당된 자원을 나타내는 ID 번호/타임 슬롯 번호가 도시되어 있다. 도 2 (a)는 최초 자원 할당을 나타내며 2-홉만큼 떨어진 노드 간에는 다른 자원이 할당되어 있고, 공간 자원을 재사용하기 위해서 노드 2와 3-홉만큼 떨어진 노드 6는 노드 2와 같은 타임 슬롯이 할당되어 있다. 따라서, 최초 자원 할당에서는 각 노드가 자신의 타임 슬롯을 사용하여 데이터 전송 시 충돌이 발생하지 않는다. 그러나, 도 2 (b)에서와 같이 노드 6가 이동하여 토폴로지가 변한 경우, 노드 6과 노드 2가 1-홉 이웃이 되었기 때문에 노드 6과 노드 2가 같은 자원을 사용하여 데이터를 전송하는 경우 충돌이 발생하게 되는 문제점이 발생한다. 이러한 충돌은 네트워크의 성능을 저하하기에 토폴로지 변화에 적응적인 자원 할당 방안이 필요하였다.

한편, 종래의 자원 할당 방안에는 STDMA 프로토콜 외에도 ETDMA(Evolutionary TDMA; C. Zhu and M. Corson, “An Evolutionary-TDMA Scheduling Protocol (E-TDMA) for Mobile Ad Hoc Networks,” Proc. Advanced Telecomm. and Information Distribution Research Program, Mar. 2000)가 있다. ETDMA 프로토콜의 기본 동작은 네트워크의 토폴로지는 부분적으로 변하기 때문에 기존의 자원 할당 중에서 토폴로지 변화에 영향을 받는 일부 스케줄만 업데이트하는 것이다.

도 3은 ETDMA 프로토콜에서 프레임 구조의 일 실시예를 나타낸다. ETDMA 프로토콜에서 프레임은 스케줄을 생성하고 업데이트하는 제어/조직 프레임(COF; Control-Organization frame) 및 정보를 전송하기 위해 사용되는 정보 프레임(Information frame)을 포함한다. 제어/조직 프레임은 경쟁/예약 구간(Contention/Reservation Phase)와 할당/제거 구간(Allocation/Elimination Phase)으로 구성된다. ETDMA 프로토콜에서는 정보 프레임 스케줄을 선택함에 있어서, 영구 컬러(permanent color) 및 임시 컬러(temporary color)가 사용된다. 기존에 있던 모든 노드는 이전 프레임의 제어/조직 프레임을 통해 현재 제어/조직 프레임 스케줄(CFS; Control/Organization frame schedule)에서 할당된 자신만의 슬롯을 갖고 있으며, 이 슬롯을 영구 컬러라 지칭한다. 그러나, 토폴로지 변화로 인해 몇몇 노드들은 영구 컬러를 사용할 수 없게 되며 이러한 노드들은 새로운 슬롯을 할당 받아야 한다. 이때의 새로운 슬롯을 임시 컬러로 지칭한다. 경쟁/예약 구간에서 노드들은 임시 컬러를 얻기 위해 경쟁하며, 할당/제거 구간에서는 노드들이 데이터 프레임 스케줄을 선택한다.

할당/제거 구간에서 임시 컬러를 가진 모든 노드는 새로운 영구 컬러와 정보 프레임을 위한 스케줄을 선택하기 위해, 매 AE(할당/제거) 슬롯마다 영구 컬러를 가진 모든 노드들이 스케줄을 방송한 뒤, 임시 컬러를 가진 노드들이 후순위(n)부터 최우선순위(1)로 그들의 스케줄을 방송한다. 예를 들어, 첫 번째 AE슬롯에서는 영구 컬러를 가진 모든 노드들이 스케줄을 방송한 뒤, 임시 컬러를 가진 노드들이 역순으로 그들의 스케줄을 방송하고, 첫 번째 AE 슬롯이 끝나면, 임시 컬러 1을 가진 노드는 자신의 모든 1-홉 이웃 노드로부터 스케줄을 수신한 상태가 된다. 따라서, 최대 2-홉 거리에 있는 노드들의 ID와 스케줄을 알고 있게 된다. 따라서, 임시 컬러 1을 가진 노드는 새로운 데이터 슬롯과 영구 컬러를 선택할 수 있게 된다. 한편, 임시 컬러 1을 가졌던 노드는 두 번째 AE 슬롯에서 제외되고, 두 번째 AE 슬롯에서는 임시 컬러 2를 가진 노드가 새로운 데이터 슬롯과 영구 컬러를 선택할 수 있게 된다. ETDMA 프로토콜에서는 모든 임시 노드가 각자의 영구 컬러를 얻을 때까지 AE 슬롯이 반복되게 된다.

그러나, 이러한 기존의 ETDMA 방안은 다음과 같은 문제점을 가진다. 우선, 서로 이웃 노드가 아니었던 두 노드가 새로운 노드가 생김으로 인해 2-홉 이웃 노드가 되면, 이 사이에 임시 컬러 할당의 충돌이 발생할 수 있다. 도 4는 ETDMA 프로토콜에서 임시 컬러 할당시의 충돌 문제를 나타낸다. 예를 들어, 서로 이웃 노드가 아닌 노드 A와 노드 B에는 동일한 영구 컬러가 할당 되어 있다. 한편, 토폴로지에 노드 C가 생성된 경우, 노드 C는 이웃 노드들의 전송을 들은 후에 임시 컬러를 선택하게 된다. 그러나, 노드 A와 B가 같은 영구 컬러를 선택했기 때문에 동시에 전송을 하게 되고, 따라서 노드 C는 두 노드로부터 정확히 정보를 수신할 수 없어 자신의 임시 컬러를 선택할 수 없게 된다.

또한, 도 5 (a) 및 (b)는 ETDMA 프로토콜에서 데이터 슬롯 할당 시의 문제를 나타낸다. 도 5 (a)의 최초 토폴로지에서 토폴로지가 변경되어 도 5 (b)에서와 같이, 노드 G가 추가되는 경우, 노드 D, E, G는 토폴로지 변경으로 인해 임시 컬러를 얻기 위해 경쟁할 것이다. 예를 들어, 노드 D가 임시 컬러 3, 노드 G가 임시 컬러 2, 노드 E가 임시 컬러 1을 갖고, 노드 C와 F가 각각 영구 컬러 3 및 2를 갖는 경우를 가정한다. 이 경우, 첫 번째 AE 슬롯에서는 노드 F, C, D, G, E의 순으로 자신의 스케줄을 방송하게 되며, 노드 E는 자신이 수신한 이웃 노드의 스케줄을 바탕으로 충돌이 발생하지 않도록 데이터 슬롯과 영구 컬러를 선택하고 이를 이웃 노드에게 방송한다. 동일한 방법으로 두 번째 AE 슬롯에서는 노드 G가 데이터 슬롯과 영구 컬러를 선택하고 이를 이웃 노드에게 방송하게 된다. 한편, 세 번째 AE 슬롯에서는 노드 D가 데이터 슬롯과 영구 컬러를 선택하게 되나, 노드 D는 노드 G의 1-홉 이웃 노드가 아니기 때문에 노드 G의 스케줄 정보를 알 수 없고, 노드 G와 같은 데이터 슬롯을 선택하여 데이터 전송 시에 충돌이 발생하는 문제점이 발생하게 된다.

한편, ETDMA 토폴로지의 또 다른 문제점은 슬롯 할당 시 많은 오버헤드가 발생한다는 것이다. ETDMA 토폴로지에서 n개의 임시 컬러를 갖는 슬롯이 존재하는 경우, 영구 컬러를 갖는 각 노드는 자신의 정보를 n 번 전송해야 한다.

기존 자원 할당 방안의 문제점을 정리해 보면CSMA/CA 기반의 방안은 노드 간에 공평하게 자원을 분배하기 어려우며, STDMA 기반의 방안은 노드의 이동성에 적응적이지 않고, ETDMA 기반의 방안에서는 네트워크의 토폴로지가 변함에 따라서 할당 받은 제어 슬롯에서 충돌이 발생하지 않더라도 데이터 슬롯에서 충돌이 발생할 수 있으며, 슬롯 할당 시 많은 오버헤드가 발생한다.

전술 이동 메쉬 망(tactical mobile mesh network)은 노드의 이동성으로 인하여 토폴로지가 빈번하게 변한다. 또한, 노드의 추가와 파괴가 빈번하게 발생할 수 있으므로 전술 이동 메쉬 망은 매우 동적인 토폴로지를 지닌다. 또한, 전술 이동 메쉬 망에서는 통신 환경이 혹독하므로, 예를 들어, 부대가 언덕 및 나무로 둘러싸인 지역에 배치되는 경우에는 LOS(Line-of-sight)가 보장되지 않아 통신이 불가능하고, 태풍, 홍수, 지진 등의 재난 지역에 부대가 배치되어 구호 활동을 하는 경우에도 통신 환경이 혹독하다.

이에 본 발명은, 전술 이동 메쉬 네트워크의 특성을 고려하여 토폴로지 변화에 적응적이고 견고한 분산 자원 할당 방안을 제시하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 프레임은 노드 각각이 비콘 메시지를 이웃 노드에게 전송하기 위한 비콘 슬롯(beacon slot), 적어도 하나의 노드가 비콘 슬롯을 예약하기 위해 경쟁하기 위한 경쟁 슬롯(contention slot), 노드 각각이 데이터를 전송하기 위한 데이터 슬롯(data slot)을 포함하고, 노드 각각에 할당된 비콘 슬롯에 매핑(mapping)된 데이터 슬롯을 이용하여 노드 각각이 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 복수의 노드 각각이 프레임 단위로 통신을 수행하는 무선 네트워크에서의 자원 할당 방법을 제공한다.

여기서, 비콘 슬롯에는 적어도 하나의 데이터 슬롯이 매핑되고, 프레임은 제어 서브프레임(control subframe) 및 데이터 서브프레임(data subframe)을 포함하고, 제어 서브프레임이 복수의 비콘 슬롯 및 복수의 경쟁 슬롯을 포함하고, 데이터 서브프레임이 복수의 데이터 슬롯을 포함할 수 있다.

또한, 적어도 하나의 노드는, 무선 네트워크에 추가된 노드 및 데이터 전송시 충돌이 발생한 노드 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 비콘 메시지는, 상기 비콘 메시지를 전송하는 노드의 신원(ID), 상기 비콘 메시지를 전송하는 노드에 할당된 비콘 슬롯 정보와 데이터 슬롯 정보, 이웃 노드에 할당된 비콘 슬롯 정보와 데이터 슬롯 정보를 포함할 수 있고, 유휴(idle) 슬롯 정보를 더 포함할 수도 있다. 여기서, 유휴 슬롯 정보는 현재 사용되지 않는 데이터 슬롯을 나타내는 정보이다.

또한, 상기 무선 네트워크에서의 자원 할당 방법은 유휴 슬롯이 할당된 소스 노드가 존재하는 경우, 소스 노드가, 비콘 슬롯을 이용하여 유휴 슬롯 정보를 포함하는 비콘 메시지를 전송하는 단계; 유휴 슬롯을 사용하고자 하는 노드가, 경쟁 슬롯을 이용하여 소스 노드에게 요청 메시지를 전송하는 단계; 요청 메시지에 대한 승인 메시지를 받은 후, 유휴 슬롯을 사용하고자 하는 노드가, 유휴 슬롯의 사용을 비콘 슬롯을 이용하여 비콘 메시지로 공지하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 무선 네트워크에서의 자원 할당 방법은, 무선 네트워크에서 파괴된 파괴 노드가 있는 경우, 파괴 노드에 할당되었던 데이터 슬롯을 사용하고자 하는 노드가, 이웃 노드에게 요청 메시지를 전송하는 단계; 요청 메시지에 대한 승인 메시지를 받은 후, 데이터 슬롯을 사용하고자 하는 노드가 상기 파괴 노드에 할당된 데이터 슬롯을 사용하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 무선 네트워크에서의 자원 할당 방법은, 무선 네트워크에 추가된 추가 노드가 있는 경우, 추가 노드가 이웃 노드로부터 비콘 메시지를 수신하는 단계; 추가 노드가 경쟁 슬롯을 이용하여 비콘 슬롯을 예약하기 위해 경쟁하는 단계; 추가 노드가 데이터 충돌 발생 여부를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 무선 네트워크에서의 자원 할당 방법은, 데이터 충돌이 검출된 경우, 추가 노드가 충돌 발생을 공지하는 단계; 또는 데이터 충돌이 검출되지 않은 경우, 추가 노드가 예약된 비콘 슬롯을 선택하고 이웃 노드에게 비콘 메시지를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 무선 네트워크에서의 자원 할당 방법은, 복수의 노드 중 기존 노드가 데이터 충돌 발생 여부를 검출하는 단계; 데이터 충돌이 검출된 경우, 기존 노드가 충돌 발생을 공지하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 무선 네트워크에서의 자원 할당 방법은, 복수의 노드 중 기존 노드가 데이터 충돌 발생을 나타내는 메시지를 수신한 경우, 기존 노드가 경쟁 슬롯을 이용하여 비콘 슬롯을 예약하기 위해 경쟁하는 단계; 기존 노드가 예약된 비콘 슬롯을 선택하고 이웃 노드에게 비콘 메시지를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 전송하는 단계는, 노드 각각이 추가적인 데이터 슬롯을 필요로 하는지 여부를 판단하는 단계; 추가적인 데이터 슬롯을 필요로 하는 노드가 있는 경우, 경쟁 슬롯에서 경쟁하는 단계; 추가적인 데이터 슬롯을 이용하여 데이터를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 각 노드가 토폴로지 변화에 적응적으로 자원 할당을 실행하여 데이터 전송의 충돌을 줄임으로써 전체 네트워크의 용량을 증대시킬 수 있다.

또한, 노드가 파괴된 경우 주변 노드에서 이를 빠르게 인지하여 해당 노드가 사용하는 자원을 효율적으로 재사용함으로써 자원의 낭비를 막아 네트워크의 용량을 증대시킬 수 있다.

도 1은 STDMA 기반의 자원 할당 방안의 일 실시예를 나타낸다.
도 2 는 토폴로지 변화로 인한 데이터 전송 충돌의 일 실시예를 나타낸다.
도 3은 ETDMA 프로토콜에서 프레임 구조의 일 실시예를 나타낸다.
도 4는 ETDMA 프로토콜에서 임시 컬러 할당시의 충돌 문제가 발생하는 일 실시예를 나타낸다.
도 5는 ETDMA 프로토콜에서 데이터 슬롯 할당 시의 문제가 발생하는 일 실시예를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따르는 프레임을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따르는 비콘 메시지를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따르는 새로운 노드가 추가된 경우 비콘 슬롯 할당 흐름도를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따르는 기존 노드의 비콘 슬롯 할당 흐름도를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따르는 기존 노드의 데이터 슬롯 선택 흐름도를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따르는 토폴로지가 변경된 경우 자원 재할당 방법을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따르는 노드가 파괴된 경우 자원 재할당 방법을 나타낸다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따르는 프레임을 나타낸다. 프레임은 제어 서브프레임과 데이터 서브프레임으로 구성되며, 제어 서브프레임은 비콘 전송 구간(BTP; Beacon Transmission Period) 및 경쟁 구간(CP; Contention Period)로 구성된다. 데이터 서브프레임 동안 각 노드는 자신에게 할당된 데이터 슬롯(DS; data slot)을 사용하여 이웃(neighbor) 노드에게 데이터를 전송할 수 있다. BTP는 n개의 비콘 슬롯(BS; beacon slot)으로 구성되며, BTP 동안 각 노드는 자신의 신원(ID; identity)와 다음 프레임에서 자신 및 1-홉 이웃 노드가 사용할 비콘 슬롯 정보 및 데이터 슬롯 정보가 포함된 비콘 메시지를 전송한다. CP는 경쟁 슬롯(CS; Contention slot)으로 구성되어 있으며, CP 동안에는 새로운 노드 또는 전송에서 충돌이 발생한 노드들이 비콘 슬롯을 얻기 위해서 경쟁한다.

본 발명에서는 비콘 슬롯과 데이터 슬롯 사이의 미리 정해진(pre-determined) 매핑(mapping)이 존재한다. 따라서, 비콘 슬롯이 할당된 노드는 즉시 사용될 수 있는 적어도 하나의 데이터 슬롯을 가지게 된다. 또한, 노드에 할당된 데이터 슬롯이 사용되지 않는 경우 노드는 이러한 내용을 비콘 메시지에 포함하여 방송할 수 있으며, 이러한 내용은 유휴(idle) 슬롯 정보로 지칭된다. 이러한, 다른 노드에 할당된 유휴 데이터 슬롯을 사용하기 위해서, 노드는 데이터 슬롯이 할당된 노드의 승인을 받아야 하며, 이와 관련된 자세한 내용은 도 11과 관련하여 설명하기로 한다.

본 발명에서 기존의 토폴로지에 새로 추가된 노드는 비콘 슬롯을 선택하기 전에 이웃 노드로부터 비콘 메시지를 수신한다. 만약, 충돌이 감지되면 추가된 노드는 충돌을 알리게 되며, 충돌이 감지되지 않는 경우 추가된 노드는 남아있는 비콘 슬롯 중 하나를 선택하는 방식으로 동작하며, 이와 관련된 자세한 내용은 도8과 관련되어 설명하기로 한다. 또한, 기존의 노드들은 충돌을 감지하기 위하여 이웃 노드로부터 주기적으로 비콘 메시지를 수신하며, 충돌이 감지되는 경우 기존 노드는 다음 비콘 메시지의 전송 시 충돌을 알린다. 또한, 기존 노드는 다른 노드로부터 충돌 알림을 듣고 새로운 비콘 슬롯을 선택할 수도 있으며, 이와 관련된 자세한 내용은 도9와 관련하여 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따르는 비콘 메시지를 나타낸다. BTP 동안에 노드들은 자신에게 할당된 타임 슬롯을 이용해서 자신의 비콘 메시지를 방송하며 비콘 메시지는 비콘 메시지를 방송하는 노드의 ID, 자신과 이웃 노드에게 할당된 비콘 슬롯 정보 및 데이터 슬롯 정보, 유휴 슬롯 정보, 시스템 정보를 포함할 수 있다. 각 노드는 자신과 이웃 노드가 사용중인 비콘 슬롯의 정보를 비콘 메시지에 포함시켜 주기적으로 방송하며, 기존의 토폴로지에 추가된 노드는 이를 기반으로 자신이 사용할 비콘 슬롯을 선택할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 경쟁 구간 동안 비콘 슬롯의 예약이 발생하는데 각 노드는 p의 확률로서 특정 경쟁 슬롯에서 경쟁을 할지 여부를 결정한다. 만약 경쟁에서 이기는 경우 해당 노드는 자신의 1-홉 이웃 노드에게 요청(request) 메시지를 전송한다. 요청 메시지를 수신한 1-홉 이웃 노드들은 해당 노드에게 승인(grant) 메시지를 보내 응답하며, 이는 해당 노드가 비콘 슬롯의 예약에 선공했음을 의미한다. 그 다음, 해당 노드는 비콘 슬롯 예약의 성공을 알리기 위해서 1-홉 이웃 노드에게 확인(confirm) 메시지를 전송한다. 확인 메시지를 수신한 1-홉 이웃 노드는 해당 노드의 비콘 슬롯 정보를 비콘 메시지에 포함하여 자신의 1-홉 이웃 노드에게 전송한다. 만약, 노드가 현재의 경쟁 슬롯에서의 경쟁에서 지게 되면 다음 경쟁 슬롯의 경쟁에 참여해서 위와 같은 과정을 수행하게 된다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따르는 새로운 노드가 추가된 경우 비콘 슬롯 할당 흐름도를 나타낸다. 기존의 토폴로지에서 새로운 노드가 추가된 경우 (S800), 해당 노드는 이웃 노드로부터 비콘 메시지를 청취하게 된다 (S810). 이후, 해당 노드는 비콘 슬롯을 예약하기 위하여 이웃 노드들과 경쟁한다 (S820). 해당 노드는 충돌이 발생했는지 여부를 검출하고 (S830), 충돌이 발생한 경우에는 비콘 전송 구간 동안 충돌을 알린다 (S840). 한편, 충돌이 발생하지 않은 경우에 해당 노드는 비콘 슬롯을 선택하고 (S850), 선택한 비콘 슬롯을 1-홉 이웃 노드에게 알린다 (S860). 이 후, 1-홉 이웃 노드가 해당 노드가 선택한 비콘 슬롯 정보를 자신의 1-홉 이웃 노드에게 알리므로, 해당 노드의 2-홉 노드가 해당 노드가 비콘 슬롯을 선택했음을 알게 된다 (S870).

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따르는 기존 노드의 비콘 슬롯 할당 흐름도를 나타낸다. 기존의 노드 (S900)는 이웃 노드로부터 비콘 메시지를 수신하고 (S910), 충돌 발생 여부를 검출하게 된다 (S920). 충돌이 발생한 경우에는 비콘 전송 구간 동안 충돌을 알리고 (S930), 기존의 노드가 다른 노드로부터 충돌 관련 메시지를 수신 받은 경우에는 (S940), 기존 노드는 경쟁에 참여하여 (S950), 새로운 비콘 슬롯 (S960)을 선택하게 된다. 이 경우, 기존 노드는 새로 선택한 비콘 슬롯을 자신의 1-홉 이웃 노드에게 공지하고 (S970), 기존 노드의 1-홉 이웃 노드는 자신의 1-홉 이웃 노드에게 기존 노드가 새로 선택한 비콘 슬롯을 공지하게 된다 (S980).

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따르는 기존 노드의 데이터 슬롯 선택 흐름도를 나타낸다. 일반적으로, 비콘 슬롯이 할당되어 있는 기존의 노드에는 비콘 슬롯에 매핑 되는 데이터 슬롯이 할당되어 있다. 기존 노드에 새로운 패킷이 도착하는 경우 (S1010), 해당 노드는 이미 예약된 자신의 데이터 슬롯을 확인한다 (S1020). 아직 데이터 슬롯이 해당 노드에 예약되지 않은 경우, 해당 노드는 이웃 노드에게 데이터 슬롯의 사용 의사를 알려서 (S1030) 이웃 노드가 동일한 데이터 슬롯을 사용할 수 없게 한 후 해당 데이터 슬롯을 사용하여 패킷을 전송한다 (S1040).

한편, 해당 노드에 이미 예약된 데이터 슬롯이 있는 경우, 해당 노드는 현재 받은 패킷을 전송하기 위해 추가적인 데이터 슬롯을 예약해야 하는지 여부를 확인한다 (S1050). 추가적인 데이터 슬롯을 예약할 필요가 없는 경우에는 이전에 예약된 데이터 슬롯을 사용하여 패킷을 전송한다 (S1090). 한편, 이전의 패킷 전송이 끝나지 않은 경우와 같이 추가적인 데이터 슬롯을 예약할 필요가 있는 경우에는 경쟁 구간 동안 새로운 데이터 슬롯을 예약하기 위하여 경쟁한다 (S1060). 경쟁을 통해 추가적인 데이터 슬롯을 선택한 경우 (S1070), 선택한 데이터 슬롯을 사용하여 패킷을 전송한다 (S1080).

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따르는 토폴로지가 변경된 경우 자원 재할당 방법을 나타낸다. 도 11에서 비콘 슬롯이 할당된 노드는 비콘 슬롯과 동일한 넘버를 갖는 데이터 슬롯을 사용한다고 가정한다. 예를 들어, k 번째 비콘 슬롯이 할당된 노드는 k 번째 데이터 슬롯을 사용하게 된다. 도 11 (a)에서와 같은 최초 토폴로지가 도 11 (b)에서와 같이 변경되는 경우, 토폴로지가 변경되었기 때문에, 노드 D, E 및 G는 비콘 슬롯을 다시 예약하여야 한다. 예를 들어, 노드 D가 첫 번째 경쟁 슬롯에서의 경쟁에서 승리하고, 노드 E가 두 번째 경쟁 슬롯의 경쟁에서 승리하고, 노드 G가 세 번째 경쟁 슬롯에서 승리한 경우, 노드 D, E, G는 각각 첫 번째, 두 번째, 및 세 번째 데이터 슬롯을 할당 받게 된다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따르는 자원 할당 방법에서는 비콘 슬롯의 할당에 기초하여 데이터 슬롯의 할당이 자동적으로 이루어지기 때문에 종래의 ETDMA 프로토콜과 같이 데이터 슬롯에서 충돌이 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르는 자원 할당 방법은 토폴로지를 변하게 하는 노드가 자신의 데이터 전송 스케줄을 방해 받기 이전에 새로운 데이터 슬롯을 바로 사용하므로, 이동 전술 메쉬 네트워크와 같이 토폴로지가 자주 변하는 환경에서 유리하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르는 자원 할당 방법에서는 데이터 슬롯의 낭비를 막기 위하여, 노드에 할당된 데이터 슬롯이 사용되지 않는 경우 노드가 이러한 유휴 데이터 슬롯에 대한 정보를 비콘 메시지에 포함시켜 주변 노드에게 알리고, 해당 유휴 데이터 슬롯을 사용하기 원하는 이웃 노드는 경쟁 구간 동안에 해당 유휴 데이터 슬롯이 할당된 노드에게 자원을 요청하고 승인 받은 후에 사용할 수 있다.

예를 들어, 도 11에서 노드 D가 자신의 데이터 슬롯을 사용하지 않는 경우, 노드 D에 할당된 데이터 슬롯 번호 1이 유휴 상태에 있다는 정보가 비콘 메시지에 포함되어 비콘 슬롯을 사용하여 이웃 노드에게 전달되게 된다. 이 경우, 노드 E는 비콘 메시지를 수신하고 노드 D로부터 유휴 데이터 슬롯을 경쟁 기간 동안 요청할 수 있다. 해당 요청에 대한 승인을 받은 후에 노드 E는 자신의 비콘 메시지에 데이터 슬롯 번호 1을 포함시키고, 다음 프레임부터 해당 데이터 슬롯을 사용할 수 있게 된다. 한편, 노드 D가 자신의 데이터 슬롯을 다시 돌려받기를 원하는 경우에 노드 E는 해당 데이터 슬롯을 다시 돌려주어야 한다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따르는 노드가 파괴된 경우 자원 재할당 방법을 나타낸다. 토폴로지에서 하나 이상의 노드가 파괴된 경우 해당 노드로부터 비콘 메시지가 전송되지 않기 때문에 해당 노드의 이웃 노드들은 해당 노드가 파괴된 것을 즉시 알 수 있다. 따라서, 각 노드는 자신의 이웃 노드가 파괴된 경우에는 해당 노드의 정보를 비콘 메시지에 포함시키지 않아야 한다. 파괴된 노드의 비콘 슬롯과 데이터 슬롯은 주변 노드들에 의해서 재사용될 수 있다. 또한, 파괴된 노드의 자원을 사용하기 전에 노드들은 자신의 1-홉 이웃 노드로부터 승인 메시지를 받아야 한다.

예를 들어, 도 12에서 노드 D가 파괴됨에 따라서 주변 노드들은 데이터 슬롯 번호 3을 사용할 수 있게 된다. 노드 C 및 F는 노드 D의 1-홉 이웃 노드이기 때문에 노드 D가 파괴된 것을 알 수 있다. 노드 C와 노드 F가 데이터 슬롯 3을 사용하고자 하는 경우를 가정해 보면, 노드 C 및 F는 각각 자신의 1-홉 이웃 노드에게 요청 메시지를 방송하여 승인을 받아야 한다. 이때 노드 C는 제 1 경쟁 슬롯을 노드 F는 제 2 경쟁 슬롯을 선택한 경우, 제 1 경쟁 슬롯에서는 노드 A, B 및 E가 승인 메시지를 보내게 된다. 한편, 제 2 경쟁 슬롯에서는 노드 F가 노드 E에게 요청 메시지를 보내지만, 노드 E는 이미 노드 C에게 승인 메시지를 보낸 후가 된다. 따라서, 노드 E는 노드 F의 요청을 거절하고, 결국 데이터 슬롯 3은 노드 C가 사용하게 된다.

전술한 자원 할당 방법은 각 노드가 토폴로지 변화에 적응적으로 자원 할당을 실행하여 데이터 전송의 충돌을 줄임으로써 전체 네트워크의 용량을 증대시킬 수 있다. 또한, 노드가 파괴된 경우 주변 노드에서 이를 빠르게 인지하여 해당 노드가 사용하는 자원을 효율적으로 재사용함으로써 자원의 낭비를 막아 네트워크의 용량을 증대시킬 수 있다.

본 실시형태의 모듈, 기능 블록들 또는 수단들은 전자 회로, 집적 회로, ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 등 공지된 다양한 소자들로 구현될 수 있으며, 각각 별개로 구현되거나 2 이상이 하나로 통합되어 구현될 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 이해를 위하여 그 실시예를 기술하였으나, 당업자라면 알 수 있듯이, 본 발명은 본 명세서에서 기술된 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형, 변경 및 대체될 수 있다. 예를 들어, 문자 대신 기타 LCD 등 디스플레이에 의해 표시될 수 있는 그림, 영상 등에도 본 발명의 기술이 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 사상 및 범주에 속하는 모든 변형 및 변경을 특허청구범위에 의하여 모두 포괄하고자 한다.

BTP : 비콘 전송 구간
CP : 경쟁 구간
DS : 데이터 슬롯
CS : 경쟁 슬롯

Claims (13)

1. 복수의 노드 각각이 프레임 단위로 통신을 수행하는 무선 네트워크에서 자원을 할당하는 방법에 있어서,
   상기 프레임은 노드 각각이 비콘 메시지를 이웃 노드에게 전송하기 위한 비콘 슬롯(beacon slot), 적어도 하나의 노드가 비콘 슬롯을 예약하기 위해 경쟁하기 위한 경쟁 슬롯(contention slot), 노드 각각이 데이터를 전송하기 위한 데이터 슬롯(data slot)을 포함하고,
   노드 각각에 할당된 비콘 슬롯에 매핑(mapping)된 데이터 슬롯을 이용하여 노드 각각이 데이터를 전송하는 단계를 포함하되,
   유휴 슬롯이 할당된 소스 노드가 존재하는 경우,
   상기 소스 노드가, 비콘 슬롯을 이용하여 유휴 슬롯 정보를 포함하는 비콘 메시지를 전송하는 단계;
   상기 유휴 슬롯을 사용하고자 하는 노드가, 경쟁 슬롯을 이용하여 상기 소스 노드에게 요청 메시지를 전송하는 단계;
   상기 요청 메시지에 대한 승인 메시지를 받은 후, 상기 유휴 슬롯을 사용하고자 하는 노드가, 상기 유휴 슬롯의 사용을 비콘 슬롯을 이용하여 비콘 메시지로 공지하는 단계를 포함하는
   무선 네트워크에서의 자원 할당 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 비콘 슬롯에는 적어도 하나의 데이터 슬롯이 매핑되는
   무선 네트워크에서의 자원 할당 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 프레임은 제어 서브프레임(control subframe) 및 데이터 서브프레임(data subframe)을 포함하고,
   상기 제어 서브프레임이 복수의 비콘 슬롯 및 복수의 경쟁 슬롯을 포함하고,
   상기 데이터 서브프레임이 복수의 데이터 슬롯을 포함하는
   무선 네트워크에서의 자원 할당 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 노드는, 상기 무선 네트워크에 추가된 노드 및 데이터 전송시 충돌이 발생한 노드 중 하나 이상을 포함하는
   무선 네트워크에서의 자원 할당 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 비콘 메시지는, 상기 비콘 메시지를 전송하는 노드의 신원(ID), 상기 비콘 메시지를 전송하는 노드에 할당된 비콘 슬롯 정보와 데이터 슬롯 정보, 이웃 노드에 할당된 비콘 슬롯 정보와 데이터 슬롯 정보를 포함하는
   무선 네트워크에서의 자원 할당 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 비콘 메시지는 유휴(idle) 슬롯 정보를 더 포함하고,
   상기 유휴 슬롯 정보는 현재 사용되지 않는 데이터 슬롯을 나타내는 정보인
   무선 네트워크에서의 자원 할당 방법.
7. 삭제
8. 복수의 노드 각각이 프레임 단위로 통신을 수행하는 무선 네트워크에서 자원을 할당하는 방법에 있어서,
   상기 프레임은 노드 각각이 비콘 메시지를 이웃 노드에게 전송하기 위한 비콘 슬롯(beacon slot), 적어도 하나의 노드가 비콘 슬롯을 예약하기 위해 경쟁하기 위한 경쟁 슬롯(contention slot), 노드 각각이 데이터를 전송하기 위한 데이터 슬롯(data slot)을 포함하고,
   노드 각각에 할당된 비콘 슬롯에 매핑(mapping)된 데이터 슬롯을 이용하여 노드 각각이 데이터를 전송하는 단계를 포함하되,
   상기 무선 네트워크에서 파괴된 파괴 노드가 있는 경우,
   상기 파괴 노드에 할당되었던 데이터 슬롯을 사용하고자 하는 노드가, 이웃 노드에게 요청 메시지를 전송하는 단계;
   상기 요청 메시지에 대한 승인 메시지를 받은 후, 상기 데이터 슬롯을 사용하고자 하는 노드가 상기 파괴 노드에 할당된 데이터 슬롯을 사용하는 단계를 포함하는
   무선 네트워크에서의 자원 할당 방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 무선 네트워크에 추가된 추가 노드가 있는 경우,
   상기 추가 노드가 이웃 노드로부터 비콘 메시지를 수신하는 단계;
   상기 추가 노드가 경쟁 슬롯을 이용하여 비콘 슬롯을 예약하기 위해 경쟁하는 단계;
   상기 추가 노드가 데이터 충돌 발생 여부를 검출하는 단계를 포함하는
   무선 네트워크에서의 자원 할당 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    데이터 충돌이 검출된 경우, 상기 추가 노드가 충돌 발생을 공지하는 단계; 또는
    데이터 충돌이 검출되지 않은 경우, 상기 추가 노드가 예약된 비콘 슬롯을 선택하고 이웃 노드에게 비콘 메시지를 전송하는 단계를 포함하는
    무선 네트워크에서의 자원 할당 방법.
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 노드 중 기존 노드가 데이터 충돌 발생 여부를 검출하는 단계;
    데이터 충돌이 검출된 경우, 상기 기존 노드가 충돌 발생을 공지하는 단계를 포함하는
    무선 네트워크에서의 자원 할당 방법.
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 노드 중 기존 노드가 데이터 충돌 발생을 나타내는 메시지를 수신한 경우,
    상기 기존 노드가 경쟁 슬롯을 이용하여 비콘 슬롯을 예약하기 위해 경쟁하는 단계;
    상기 기존 노드가 예약된 비콘 슬롯을 선택하고 이웃 노드에게 비콘 메시지를 전송하는 단계를 포함하는
    무선 네트워크에서의 자원 할당 방법.
13. 제 8 항에 있어서,
    상기 전송하는 단계는,
    상기 노드 각각이 추가적인 데이터 슬롯을 필요로 하는지 여부를 판단하는 단계;
    추가적인 데이터 슬롯을 필요로 하는 노드가 있는 경우, 경쟁 슬롯에서 경쟁하는 단계;
    추가적인 데이터 슬롯을 이용하여 데이터를 전송하는 단계를 포함하는
    무선 네트워크에서의 자원 할당 방법.

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