KR101312264B1 - 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비컨구간, 메쉬제어구간 및 슬롯구간으로 구성된 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 싸이클릭프레임은 노드의 채널호핑시퀀스를 공유할 수 있는 프레임 구조를 지닌다. 따라서, 추가로 채널호핑시퀀스를 생성하지 않고도 기존의 메쉬 노드로 동작하고 있는 채널호핑시퀀스를 공유할 수 있다. 또한, 네트워크 운용의 효율을 위하여 메쉬와 스타형태의 토폴로지를 함께 지원할 수 있도록 하는 프레임 구조를 갖는다.

무선 네트워크, 채널 호핑, 자원 할당, 무선 애드혹 네트워크

Description

싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크 시스템{Wireless network system using a cyclic frame}

본 발명은 채널 호핑 방법을 이용하는 MAC(medium access control) 시스템에서 사용하는 프레임 구조에 관한 것이다. 보다 상세히, 무선 애드혹 네트워크 상에서 동작하는 MAC 시스템에서 노드 수의 증가함에 따라 채널호핑시퀀스가 고갈되는 문제를 해결하기 위해 새로운 프레임 구조를 제시한다. 또한, 효율적인 네트워크 운용을 위하여 필요할 때에 스타 형태의 네트워크 토폴로지를 구성할 수 있도록 하는 프레임 구조를 제시한다.

본 발명은 지식경제부의 IT원천 기술 개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-053-01, 과제명: QoS 및 확장성지원(S-MoRe) 센서네트워크 고도화 기술개발(표준화 연계)].

무선 센서네트워크 (Wireless Sensor Network)는 저전력 저가의 노드들을 사용하여 센싱정보를 멀티홉으로 중계하여 싱크노드에 전달함으로써 모니터링등과 같은 서비스에 사용될 수 있다. 주로 이러한 네트워크는 독립적으로 고립된 RF(Radio Frequency) 환경에서 설치 및 운용될 수 있지만, 동대역의 RF를 사용하는 이종의 무선 기기들 (예, 무선랜, 블루투스 등)과 같이 사용하게 될 경우, 간섭 신호로 인해 무선 통신 시스템의 성능이 떨어지는 문제점이 발생한다. 또한, 빈번한 재전송에 의한 소비전력 상승과 시급성을 갖는 센싱 정보의 전달 지연 문제를 야기한다.

무선 간섭신호는 크게 자가 간섭 신호 (self-interfering signal)와 상호 간섭 신호 (mutual interfering signal)로 구분된다. 자가 간섭 신호는 동일한 종류의 어플리케이션을 수행하는 무선기기에 의해 발생되는 신호이고, 상호 간섭 신호는 동일한 무선 주파수 대역을 사용하는 다른 종류의 무선 기기에서 발생되는 신호이다. 주로 자가 간섭 신호는 신호의 직교성 (orthogonality)을 이용하는 주파수 분할 방식, 시분할 방식, 코드 분할 방식 등의 매체 접근 방식 (MAC)을 통해 해결한다.

저전력 기반의 무선 센서네트워크 시스템에서 실시간성 및 높은 신뢰성을 요구하는 서비스를 구현하기 위한 MAC 기술중 가장 대표적인 기술로는 IEEE802.15.4 MAC 시스템이 있다.

그러나, MAC 시스템에서는 링크의 사용 기간 동안 단일 주파수를 사용하기 때문에 동일 RF 대역의 간섭 신호에 대해 취약하고, 통신 링크 대역폭을 가변적으로 스케줄하기 어렵다는 문제점을 지닌다. 또한, MAC 시스템에서 제한된 무선 채널을 호핑할 때, 메쉬 노드가 증가함에 따라 가용할 수 있는 채널호핑시퀀스가 고갈되는 문제점을 지닌다.

무선 센서네트워크의 센싱 정보는 사용 어플리케이션에 따라 전달 지연시간이 최소가 되어야 할 필요가 있으며, 이는 센싱 정보를 얻는 네트워크 말단의 노드 들을 하나로 관리하는 수직 형태의 토폴로지인 스타형태와 이들 스타 형태의 말단 그룹에서 수집된 정보를 수평 형태로 연결하여 정보를 중계하는 peer-to-peer (mesh) 토폴로지가 결합된 형태의 신축적인 네트워크 구조를 필요로 한다.

본 발명에서는 단일주파수 기반 채널접근 방식에서 발생하는 채널 간섭으로 인한 문제점을 해결하고자 한다. 또한, MAC 시스템에서 메쉬 노드가 증가함에 따라 가용할 수 있는 채널호핑시퀀스가 고갈되는 문제점을 해결하고자 한다. 마지막으로, 네트워크 운용에 있어 응용 계층의 요구사항에 따라 스타와 메쉬형태의 토폴로지를 신축적으로 적용할 수 있는 수단을 제공하고자 한다.

본 발명에서는 노드의 채널호핑시퀀스를 공유할 수 있는 프레임 구조를 제시한다. 이로써 종래의 채널 간섭으로 인한 문제점을 해결하고, 추가로 채널호핑시퀀스를 생성하지 않고도 기존의 메쉬 노드로 동작하고 있는 채널호핑시퀀스를 공유할 수 있다. 또한, star 토폴로지 플래그를 이용하여 네트워크의 가입시 스타 형태로 접근할 수 있도록 하였다.

본 발명에 의한 시분할 기반 채널 호핑 애드혹 통신 시스템의 프레임 구조는 제한된 호핑 시퀀스 자원을 공유하여 추가의 주파수 자원이 없이도 채널 호핑 기반의 시분할 채널 액세스 방법의 노드수 증가에 따른 네트워크의 확장성을 지원할 수 있는 효과가 있다.

이는 물리적인 채널의 확장없이 논리적 채널수를 증대하여 네트워크의 확장성을 지원함과 동시에 채널 호핑 채널 액세스 방법에서 제공하는 주파수 다이버시 티 이득을 취득할 수 있도록 함으로써 무선 링크의 간섭신호에 대한 강건성을 향상시키고 서비스 품질을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 채널 호핑 자원 공유를 원하는 노드의 채널 접근을 허용하기 위한 제어 프레임 교환 구간과 타임슬롯의 수를 동적으로 할당함으로써, 주파수 채널 이용률을 높이는 효과를 얻을 수 있다.

채널 호핑 자원 공유를 위하여 슬롯구간내의 첫 번째 타임슬롯은 채널 요구 프레임의 청취용으로 사용하고, 모든 CRM의 수신을 마친 후, 두 번째 타임슬롯에서 채널 요청에 성공한 노드에 대한 스케줄을 방송한다. 이를 통해, 채널을 요청하는 노드는 자신의 CRM 전송후 곧바로 휴면상태로 변환하고 두 번째 타임슬롯에서 전송 스케줄을 청취하기 위해 정상상태로 변환하기 때문에 제어 신호 교환 구간동안 무선 송수신기를 상시 켜지않아 통신에 따른 전력 소모를 줄일 수 있다.

그리고 본 발명에서 제시하는 프레임 구조는 링크의 가용 대역폭을 동적으로 활용함으로써 상시 제어채널을 갖는 채널 액세스 방법등에서 갖는 주파수 이용률 저하를 방지할 수 있어 무선 자원의 극심한 제약을 갖는 애드혹 네트워크나 센서 네트워크 등에서 통신 신뢰성과 주파수 이용률의 향상으로 인한 네트워크 수명 연장의 성능 향상 효과를 기대할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크 시스템에서, 상기 싸이클릭프레임은 상기 무선네트워크 시스템에서 노드들 간에 비컨 송신을 수행하는 비컨구간; 상기 노드들 간에 데이터 송신을 수행하는 슬롯구 간;및 상기 비컨구간 및 상기 슬롯구간의 사용을 스케줄링하는 메쉬제어구간;을 포함하고, 상기 비컨구간, 상기 메쉬제어구간, 상기 슬롯구간은 각각 적어도 하나 이상의 타임슬롯으로 구성된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

채널 호핑 기반 시분할 MAC 기술은 다중 주파수 채널 분할 방식을 시분할 방식과 혼용하여 사용한다. 채널 호핑 기반 시분할 MAC 기술은 비교적 그 구현의 간편성 때문에 저전력과 시스템 구성의 간략성을 필요로 하는 무선 센서 네트워크(wireless sensor network)와 개인 무선 네트워크 (wireless personal area network), 저전력 무선 애드혹 네트워크 (wireless ad-hoc network)등에서 사용되고 있다.

채널 호핑 기반 시분할 MAC 기술을 사용하는 무선 노드에서는 균일한 크기를 갖는 타임 슬롯마다 각기 다른 무선 채널을 사용하여 네트워크에 이미 작동하는 타 무선 노드들과 무선 간섭이 없도록 채널에 접근한다.

채널 호핑 기반 시분할 MAC 기술을 사용하는 네트워크에서 동작하는 각각의 노드는 이웃 노드와 시간 및 주파수 영역에서 서로 중첩되지 않는 무선 자원을 사 용함으로써 신호의 직교성을 확보할 수 있다. 각각의 노드는 직교성을 유지하기 위하여 개별적으로 채널호핑시퀀스를 부여받는다.

그러나, 무선 네트워크는 통신 매체의 특성상 한번 생성된 무선 링크가 지속적으로 안정적이고 신뢰성을 갖는 무선 상태를 유지하기 어렵다. 따라서, 무선 네트워크에서 각 통신 노드간에 신뢰성 있는 정보를 전달하기 위해서는 통신 경로를 동적으로 수정할 필요가 있다. 따라서, 무선 네트워크 상에서는 수직적인 계층 구조를 갖는 통신 토폴로지 보다는 수평적인 통신 토폴로지인 메쉬 형태의 네트워크 토폴로지, 예를 들어 peer-to-peer 토폴로지,가 더 유리하게 사용될 수 있다.

도 1 은 메쉬 형태의 네트워크 토폴로지 상에서 신규 네트워크 가입 노드가 새로운 채널 호핑 패턴을 요구하는 것을 도시한다.

채널호핑기반의 시분할 MAC기술을 사용하는 무선 네트워크에서 메쉬 토폴로지를 갖는 노드는 각각의 채널호핑시퀀스를 가져야 한다. 그러나 도 1 에 도시된 바와 같이, 제한된 무선 채널을 호핑하는 시스템에서 메쉬 노드의 증가에 따라 가용할 수 있는 채널호핑시퀀스가 고갈되는 문제점이 발생한다.

도 1에서는 채널호핑 기반의 시분할 MAC 시스템에서 노드들의 주파수 채널호핑패턴을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 이미 채널호핑패턴이 포화상태에 있을때 신규 네트워크 가입 노드 G(110), H(120)가 새로운 호핑 패턴을 요구할 경우 추가 호핑 패턴이 생성될 수 없는 경우를 도시한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 채널호핑기반 시분할 방식을 이용하는 무선 채널 접근 방식에서 사용할 프레임 구조를 제시한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 도 2(a) 및 (b)는 채널 호핑을 위한 패턴을 도시한다.

본 발명에서는 채널 호핑을 위한 시퀀스는 전체 네트워크에서 공통으로 사용되며, 각 노드는 n-홉 이웃 노드(n은 양의 정수)들에서 고유한 오프셋(Offset) 을 가짐으로서 n-홉 내의 이웃 노드는 같은 시간에 서로 다른 채널을 사용할 수 있도록 한다.

채널 호핑 구조에서 같은 채널을 사용하는 노드가 충돌 영역 내에 있는 경우(예를 들어, 2-홉 내의 이웃 노드들의 경우), 동시에 패킷을 송신하게 되면 충돌이 발생한다. 이를 방지하기 위하여 충돌 영역 내에 있는 노드들 사이에는 오프셋을 서로 다르게 할당한다.

충돌 영역은 전파의 도달거리, 수신기의 감도 등에 따라 다르게 정의된다. 프로토콜 관점에서의 충돌 영역은 일반적으로 n-홉 이웃 노드로 간주되며, 본 발명에서 프로토콜을 설계할 때에도 충돌을 방지하기 위하여 n-홉 이웃 노드 내의 영역을 고려하도록 하였다. 다만, 본 발명에서 기술하는 프로토콜은 n-홉 이상의 이웃노드를 고려하는 네트워크로 확장할 수 있음을 유의하여야 한다.

도 2(a) 는 offset이 0(영)인 경우(210) 채널호핑의 일 예를 도시한다. 채널 호핑은 미리 정해진 호핑 패턴 (Hopping Pattern)에 따라 채널을 변경하며 동작한다. 예를 들어, 도 2(a)의 호핑 패턴은 20, 25, 13, 22, 17,... 이다.

도 2(b) 는 16 개의 채널을 사용하는 2 개의 노드에서 오프셋이 2인 경우 호핑 순서를 도시한다. 이 경우, 오프셋이 0인 시퀀스(220)의 호핑 패턴은 20, 25, 13, 22, 17...이 되고, 오프셋이 2인 시퀀스(230)의 호핑 패턴은 13, 22, 17, 15,...이 된다.

본 발명에서는 도 2(a) 및 (b)에 제시된 바와 같은 채널 호핑 방법을 TDMA 방법과 결합하여 이용함으로써, 인접 노드들의 비컨 송신은 서로 다른 채널에서 일어나게 된다. 따라서 본 발명에서는 비컨의 충돌을 사전에 예방할 수 있다. 또한, 서로 다른 이웃 노드로부터 서로 다른 채널을 통하여 비컨을 수신하므로 간섭 신호가 존재할 때에도 안정적인 네트워크 운용이 가능하다.

도 3 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 싸이클릭프레임을 도시한다.

싸이클릭프레임은 비컨구간(310), 메쉬제어구간(320) 및 슬롯구간(330)을 포함한다. 비컨구간(310), 메쉬제어구간(320) 및 슬롯구간(330)은 각각 적어도 하나 이상의 타임슬롯으로 구성되어 있고, 각 구간을 구성하는 타임슬롯의 개수는 네트워크가 달성하고자 하는 목적에 따라 유연하게 변경될 수 있다.

비컨구간(310)은 노드 간 비컨 송신을 위하여 사용되는 구간으로서, 해당 구간에는 비컨 프레임만이 송신될 수 있다. 비컨구간(310)은 싸이클릭프레임 구조 정보를 포함한다. 싸이클릭프레임 구조 정보는 싸이클릭프레임 전체 길이를 나타내는 비컨구간 인터벌(Beacon Period Interval, BI)(340), 비컨 구간 길 이(Beacon Period), 스타 토폴로지(star topology)를 지원하는지를 나타내는 플래그, 시간 정보, 채널호핑시퀀스, 오프셋 값 등과 같은 채널 호핑 정보 등을 포함한다. 채널호핑시퀀스 정보나 시각 정보는 사용하는 애플리케이션이나 무선 환경에 따라 갱신주기가 동적으로 변경될 필요가 있다.

비컨구간(310)에 포함된 시간 정보는 시분할 방식의 채널 액세스를 위하여 사용한다. 비컨구간(310)은 하나 이상의 타임슬롯이 모여진 구조를 지니며, 각 타임슬롯의 길이는 하나의 비컨 프레임을 송신하는데 필요한 시간보다 길어야 한다.

싸이클릭프레임은 비컨 타임슬롯의 개수에 대응되는 메쉬제어구간(320) 및 슬롯구간(330)을 지닐 수 있다. 설명의 편의를 위하여 비컨 타임슬롯의 개수를 N개(N 은 자연수)라고 가정하자. 비컨 구간(310)에 포함된 비컨 타임슬롯의 개수가 N개인 경우, 싸이클릭 프레임은 메쉬제어구간(320)과 슬롯구간(330)을 각각 N개씩 포함할 수 있다. 따라서, 비컨구간(310)의 길이는 해당 애플리케이션에 따라 가변적으로 정해지며, 이에 따라 싸이클릭 프레임 전체 길이인 비컨구간 인터벌(340)도 가변적으로 변경된다.

비컨 타임슬롯의 개수 N은 네트워크 조정자 (PAN 코디네이터)가 설정하는 값을 따르며, 네트워크의 크기, 네트워크를 구성하고 있는 노드의 수에 따라 바뀔 수 있다. 대규모의 네트워크일수록, 혹은 네트워크를 구성하는 노드의 수가 많을수록 N은 커져야 하고, 소규모의 네트워크일수록 적은 수의 N이 필요하다.

필요 이상으로 큰 비컨 슬롯은 전체 시간에서 비컨 구간의 비율을 크게 하여, 네트워크의 효율성을 떨어뜨릴 수 있다. 하지만, 본 발명에서의 비컨 구간은 스케줄 기반 채널 접근을 하기 때문에 스케줄 되지 않은 비컨 구간이 존재할 경우에도 추가적인 전력의 손실은 없다고 할 수 있다.

메쉬제어구간(320)은 메쉬 토폴로지 구성을 위해 사용되는 구간으로서, 비컨구간(310) 또는 슬롯구간(330)의 타임슬롯의 사용을 스케줄 한다. 다만, 단발성의 긴급 메시지나 스케줄링이 비효율적인 메시지에 대한 데이터 교환도 이루어질 수 있음을 유의하여야 한다. 메쉬제어구간(320)에서 메쉬 토폴로지를 구성하는 일 예는 도 4를 참고한다.

메쉬제어구간(320)의 길이 역시 동적인 값을 지니고, 이에 대한 정보는 비컨구간(310)에 기술되어 있다. 메쉬제어구간(320)은 제어 신호만을 포함하고, 전달하고자 하는 데이터는 슬롯구간(330)의 타임슬롯에 실어 송신한다.

메쉬제어구간(320)에서 제어 메시지 또는 제어 신호는 스케줄링이 필요없는 경쟁 기반 채널 접근방식을 사용하여 전송한다. 그러나, 데이터를 전송하기 위하여 슬롯 구간(330)의 타임슬롯을 사용하기 위해서는 메쉬제어구간(320)에서 미리 스케줄을 약속하는 과정이 필요하다.

본 발명에서는 메쉬제어구간(320)에 데이터를 제어하는 제어신호를(예를 들어 데이터가 실려있는 곳을 알려주는 링크 정보)실어 보내고 데이터 메시지를 최소화함으로써 종래 메쉬제어구간에서 발생하던 패킷 충돌 확률을 최소화한다.

슬롯구간(330)은 노드 간 데이터 송신을 위한 구간이다. 슬롯구간(330)은 주로 메쉬제어구간(320) 구간에서 채널 접근이 허용된 노드들의 데이터 프레임을 교환하기 위하여 사용된다. 메쉬제어구간(320) 구간에서 경합을 통해 대역폭을 할당 받는데 성공한 노드들은 슬롯구간(330) 동안 한 개 혹은 복수개의 타임 슬롯을 할당받는 스케줄대로 데이터 프레임을 전송하는데 사용한다.

도 4 은 본 발명의 싸이클릭프레임의 메쉬제어구간에서 수행되는 동작을 도시한다.

네트워크에 진입을 원하는 노드(410, 420)는 채널에 접근하기 위해 싸이클릭프레임의 메쉬제어구간 동안 채널 요구 프레임 CRM(channel request message)(411, 421)을 전송한다. 채널 요구 프레임 CRM은 보내는 노드의 주소, 수신 노드의 주소, TLI (traffic length indicator), 추가 정보 필드 등을 포함한다.

TLI가 True로 설정되어 있는 경우, 추가 정보 필드에는 보낼 정보의 긴급도, 요구 대역폭, 센싱 정보 타입, 보내는 노드의 채널호핑시퀀스 값, 채널호핑시퀀스 오프셋 값등을 포함한다.

채널에 접속하고자 하는 노드가 여러 개인 경우(410, 420) 복수 개의 채널 요구 프레임 CRM 이 전송될 수 있다. 이 경우 프레임의 충돌을 막기 위하여 각 노드들은 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)를 이용하여 채널에 접근한다.

채널 요구 프레임 CRM을 수신한 노드(430)는 채널 요구 프레임 CRM에 명기된 요구 대역폭과 자신의 큐에 존재하는 가용 주파수 채널 및 가용 타임 슬롯 갯수과 비교하여 수용이 가능한 경우 곧바로 ACK 프레임(412)을 전송한다.

도 5 는 TDMA와 채널 호핑을 결합하여 스케줄링이 이루어지는 비컨 구간의 일 예를 도시한다.

각 라우터 노드들은 자신에게 주어진 오프셋을 기반으로 각 타임 슬롯에 사용하는 채널을 선택함으로써, 인접 노드간 간섭 현상을 방지한다. 처음으로 비컨을 송신하는 코디네이터 노드 A는 첫번째 타임슬롯에 비컨을 송신한다. 이를 수신하는 라우터 노드(B,C)는 코디네이터 노드의 오프셋과 첫번째 타임슬롯에 송신하는 것을 알고, 첫 번째 타임슬롯에 코디네이터가 사용하는 채널로 바꾸어 비컨을 수신한다.

또한, 각 라우터들은 자신이 수신한 비컨을 자신의 채널에서 중계하고, 사전에 이를 주변 노드들에게 알려 주변 노드가 이에 맞추어 수신할 수 있게 한다. 이러한 방식으로 네트워크의 모든 노드가 비컨 수신 시간과 송신 시간을 설정하게 한다.

보다 구체적으로, 채널의 개수는 4개이고, 채널호핑 패턴은 {1, 2, 3, 4} 인 경우를 가정한다. 4개의 노드 A, B, C, D가 존재하고 각 노드의 오프셋은 각각 0, 1, 2, 3으로 할당한 경우에 대해서 생각하면 다음과 같다.

먼저, PAN 코디네이터 노드인 노드 A는 비컨 구간의 첫번째 타임슬롯에 자신의 비컨을 송신하도록 스케줄 되어 있다. 네트워크의 조정자(예, PAN 코디네이터)로부터 시작된 비컨 프레임이 네트워크로 전파될 수 있도록, 네트워크 조정자를 제외한 모든 노드는 최소한 하나 이상의 이웃 노드의 비컨 프레임을 수신한 후, 다시 자신의 비컨 프레임을 보낸다. 이로써 네트워크의 조정자로부터 전달되는 정보가 네트워크 전체로 빠르게 전파될 수 있게 된다.

이를 위하여 노드 A는 첫번째 타임슬롯에서 자신이 사용하는 채널인 1번 채널을 사용하여 자신의 비컨을 브로드캐스팅 한다. 이 때, 이웃 노드인 B와 C는 첫번째 타임슬롯에 A의 비컨을 수신하도록 되어 있다. 이를 위하여 노드 A의 오프셋을 이용하여 첫번째 타임슬롯에 노드 A가 사용하는 채널인 1번 채널로 변경한 후 비컨을 수신한다.

노드 B와 노드 C는 각각 두 번째 타임슬롯에 자신들의 비컨을 송신한다. 노 드 B는 두번째 타임슬롯에서 자신의 채널인 3번 채널을 이용하여 자신의 비컨을 브로드캐스팅 하고, 노드 C는 역시 자신의 채널인 4번 채널에서 자신의 비컨을 브로드캐스팅 한다. 이 때, 충돌 영역 내에 존재하는 두 노드가 동시에 비컨을 브로드캐스팅 할 수 있는 이유는 본 발명에서 채널 호핑 방법을 사용하기 때문이다.

이 때, 노드 D는 노드 B로부터 비컨을 수신하도록 스케줄이 되어 있다. 이를 위하여 노드 D는 노드 B의 오프셋을 이용하여 두번째 타임슬롯에 노드 B가 사용하는 채널인 3번 채널로 변경한 후 비컨을 수신한다.

노드 D는 세번째 타임슬롯에서 자신의 비컨을 송신한다. 앞에서 설명한 방식과 마찬가지로 자신의 오프셋을 사용하여 세번째 타임슬롯에서 자신의 채널인 2번 채널에서 비컨을 브로드캐스팅 한다.

도 6 은 채널 호핑 패턴을 노드간에 공유하는 일 예를 도시한다.

도 4 및 5와 관련하여 설명한 바에 따라 스케줄링이 이루어지면, 슬롯 구간에서는 데이터 프레임을 교환한다. 본 발명에서는 데이터 프레임을 교환하기 위하여 두 노드는 특정 타임 슬롯에 동일 채널을 공유하여야 하는데, 본 발명에서는 송신 노드가 수신 노드의 채널로 이동하여 데이터 프레임을 전송하도록 한다. 전송이 끝난 후 송신 노드는 다시 본래의 채널 호핑 패턴으로 복귀한다.

수신 노드는 송신 프레임이 전송된 타임 슬롯과 동일한 타임 슬롯에 프레임을 수신한 후 ACK 프레임을 전송하여 데이터 전송이 성공되었음을 송신 노드측에 알린다. 이때 노드는 채널 호핑을 이용하여 데이터 프레임을 전송하게 된다.

각 노드는 다른 노드와 중첩되지 않는 특정 채널 호핑 패턴을 갖게 되며, 이 는 채널 호핑 시퀀스와 채널 호핑 시퀀스 오프셋 값으로 설정된다.

그러나, 새로운 노드가 네트워크에 가입할 때 중첩되지 않는 채널 호핑 패턴이 존재하지 않을 수 있다. 이는 사용할 수 있는 물리적 주파수 채널 수가 한정되어 있기 때문이다. 이 경우, 노드는 더 이상 메쉬 형태를 지니는 채널호핑기반 채널 접근을 수행할 수 없다.

따라서, 본 발명에서는 노드 간에 이미 사용하고 있는 채널 호핑 패턴을 공유하는 방법을 제시한다.

먼저 노드 G, H(510, 520)가 네트워크에 가입할 때 노드는 최소한 1 주기(예를 들어, 1 Beacon Interval)동안 채널을 청취한다. 메쉬제어구간(320) 구간에는 노드들이 채널 호핑을 하지 않고, 이미 기설정된 채널(공유채널)에서 CSMA/CA를 통해 기존의 노드들이 채널에 접근하므로, 새로 가입하려고 하는 노드는 메쉬제어구간(320) 구간 동안 공유채널을 통해 제어 신호를 청취한다.

기존에 네트워크에 이미 가입되어 있는 노드들은 슬롯구간(330)에서 타임슬롯을 요구하기 위해 CRM 프레임을 전송한다. 새로 가입하려는 노드 G, H(510, 520)가 채널 호핑패턴을 공유하고자 하는 노드 F(530)에서 방송하는 비컨 프레임 정보를 청취하고, 노드 F(530)가 슬롯구간(330)에서 호핑하게 되는 채널 호핑 정보를 취득한다.

노드 F(530)가 여분의 타임슬롯을 지닌 경우, 노드 F(530)는 비컨 프레임의 star 토폴로지 지원 플래그를 true로 설정하고 슬롯구간(330)내의 첫 번째와 두 번째 타임슬롯을 자신의 채널 호핑 시퀀스를 공유하고자 하는 노드의 제어 프레임을 주고 받는데 사용한다.

즉, 노드 F의 star 토폴로지 지원 플래그가 True로 설정되었다면, 슬롯구간(330)에서 노드 F(330)가 사용할 호핑패턴(640) 중 첫 번째 타임 슬롯(641)은 채널 호핑 패턴을 공유하기 원하는 노드 G, H(610, 620) 등의 CRM을 청취하는데 사용된다. 그리고, 두 번째 타임슬롯(642)(642)은 첫 번째 타임슬롯(641)에 CRM을 전송한 노드들 중 채널 요구가 성공한 노드들에게 타임슬롯 스케줄을 방송하는데 사용된다.

즉, 첫 번째 타임 슬롯(641)은 채널 호핑 자원의 공유를 원하는 다수의 노드의 채널 요청 메시지를 청취하는데 사용된다. 이 때, 공유를 원하는 다수 노드의 채널 접근을 허용하기 위하여 CSMA/CA형태의 매체접근 방식을 사용하여 CRM 프레임을 전송한다. 또한, 메쉬제어구간(320)구간과는 달리, 요청된 CRM 프레임에 대한 ACK는 곧바로 회신되지 아니하고, 모든 CRM을 청취한 후, 다음 타임슬롯에서 일괄적으로 채널 요구에 성공한 노드들을 알리게 된다.

만약, 여분의 타임슬롯이 없는 경우, 노드는 star 토폴로지 지원 플래그를 False로 설정하고, 첫 번째 타임슬롯(641)과 두 번째 타임슬롯(642)을 메쉬 통신을 하기 위해 데이터 프레임 교환하는데 사용한다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플라피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.

그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1 은 메쉬 형태의 네트워크 토폴로지 상에서 신규 네트워크 가입 노드가 새로운 채널 호핑 패턴을 요구하는 것을 도시한다.

도 2(a) 및 (b)는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 도 2(a) 및 (b)는 채널 호핑을 위한 패턴을 도시한다.

도 3 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 싸이클릭프레임을 도시한다.

도 4 은 본 발명의 싸이클릭프레임의 메쉬제어구간에서 수행되는 동작을 도시한다.

도 5 는 TDMA와 채널 호핑을 결합하여 스케줄링이 이루어지는 비컨 구간의 일 예를 도시한다.

도 6 은 채널 호핑 패턴을 노드간에 공유하는 일 예를 도시한다.

Claims (12)

1. 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크 시스템으로서, 상기 싸이클릭프레임은

   상기 무선네트워크 시스템에서 노드들 간에 비컨 송신을 수행하는 비컨구간;

   상기 노드들 간에 데이터 송신을 수행하는 슬롯구간;및

   상기 비컨구간 및 상기 슬롯구간의 사용을 스케줄링하는 메쉬제어구간;을 포함하고, 상기 비컨구간, 상기 메쉬제어구간, 상기 슬롯구간은 각각 적어도 하나 이상의 타임슬롯으로 구성되는 것을 특징으로 하는 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크시스템.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 싸이클릭프레임 내에 포함될 상기 메쉬제어구간, 상기 슬롯구간 각각의 개수는 네트워크 조정자의 설정에 따라 가변적으로 정해지는 것을 특징으로 하는 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 비컨구간은 상기 싸이클릭프레임의 구조 정보를 포함하고,

   상기 싸이클릭프레임 구조 정보는 싸이클릭프레임 전체 길이를 나타내는 비컨구간 인터벌(Beacon Period Interval), 비컨구간 길이(Beacon Period), 스타 토폴로지(star topology)를 지원하는지를 나타내는 플래그, 시간 정보, 채널호핑시퀀스 및 오프셋 값을 포함하는 채널 호핑 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크시스템.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 메쉬제어구간은 데이터 송신을 제어하는 제어신호를 포함하고, 스케쥴이 필요한 데이터는 상기 슬롯구간에서 전달되는 것을 특징으로 하는 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크시스템.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 스타 토폴로지를 지원하는지 나타내는 플래그가 True로 설정된 경우, 상기 슬롯구간을 구성하는 타임슬롯의 일부를 채널 요구 프레임 CRM 및 타임슬롯 요구만을 청취하거나, 타임슬롯 스케줄을 방송하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크시스템.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 무선네트워크에 진입을 원하는 노드는 경쟁 기반 채널 접근방식을 통해 상기 메쉬제어구간 동안 채널 요구 프레임 CRM(channel request message)을 전송하고,

   상기 채널 요구 프레임 CRM을 수신한 상기 무선네트워크 내의 노드는 바로 ACK 메시지를 회신하는 것을 특징으로 하는 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크시스템.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 채널 요구 프레임 CRM은

   송신 노드 주소, 수신 노드 주소, 전송 데이터 길이, 데이터 종류, 채널 호핑 시퀀스 및 채널 호핑 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크시스템.
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서, 상기 무선네트워크 시스템에서 노드들 각각은

    기설정된 오프셋을 지니고 미리 정해진 호핑 패턴에 따라 채널을 변경하며, 이를 기초로 이웃노드에서 비컨을 송신할 타임슬롯의 위치가 결정되면, 각 노드에서는 결정된 해당 타임슬롯에서 상기 이웃노드의 상기 호핑 패턴 중 해당하는 채널 로부터 비컨을 수신하는 것을 특징으로 하는 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크시스템.
11. 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크 시스템으로서, 상기 싸이클릭프레임은

    상기 무선네트워크 시스템에서 노드들 간에 비컨 송신을 수행하는 비컨구간;

    상기 노드들 간에 데이터 송신을 수행하는 슬롯구간;및

    상기 비컨구간 및 상기 슬롯구간의 사용을 스케줄링하는 메쉬제어구간;을 포함하고, 상기 비컨구간, 상기 메쉬제어구간, 상기 슬롯구간은 각각 적어도 하나 이상의 타임슬롯으로 구성되고, 상기 비컨구간을 구성하고 있는 타임슬롯의 개수는 네트워크의 크기 및 네트워크를 구성하고 있는 노드의 수에 따라 가변적으로 정해지는 것는 것을 특징으로 하는 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크시스템.
12. 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크 시스템으로서, 상기 싸이클릭프레임은

    상기 무선네트워크 시스템에서 노드들 간에 비컨 송신을 수행하는 비컨구간;

    상기 노드들 간에 데이터 송신을 수행하는 슬롯구간;및

    상기 비컨구간 및 상기 슬롯구간의 사용을 스케줄링하는 메쉬제어구간;을 포함하고, 상기 비컨구간, 상기 메쉬제어구간, 상기 슬롯구간은 각각 적어도 하나 이상의 타임슬롯으로 구성되고, 상기 비컨구간 및 상기 슬롯구간을 구성하는 타임슬롯의 스케줄은 시간분할방식(TDMA)을 이용하여 스케줄링되는 것을 특징으로 하는 싸이클릭프레임을 이용하는 무선네트워크시스템.

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