KR101320761B1 - 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법 - Google Patents

상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가시광통신에 적용되는 상호협동적 MAC 구현방법 및 이를 이용한 통신시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 다수개의 장치 및 다수개의 장치를 제어하기 위한 IEEE 802.15.7 근거리 무선 광통신의 MAC 표준에 있어서 다수개의 노드를 상호협동적노드로 이용하여 목적하는 노드까지 데이터를 송신함으로써 가시광통신 품질을 향상시키고, 통신속도를 개선하기 위한 상호협동적 MAC 프로토콜 통신방법에 관한 것이다.
본 발명은 조명광인 가시광선을 매개로 하여 광신호를 송수신하는 가시광통신(Visual Light Communication)의 코디네이터(coordinater node); 상기 코디네이터로부터 광신호를 최종적으로 수신하는 목적지노드(target node); 및 상기 코디네이터 또는 목적지노드로부터 수신한 광신호를 송신하는 상호협동적노드(cooperative node);를 포함하여 구성되는 가시광통신(VLC)시스템에 적용되는 링크 리커버리(link recovery) 방법으로서, (A) 상기 코디네이터와 목적지노드가 광신호를 직접 송수신하는 직접통신을 수행중에 상기 코디네이터와 목적지노드 사이에 ACK(acknowledge)가 수신되지 않는 경우에는 상기 코디네이터가 ACK요청횟수 변수값을 카운팅하는 단계; (B) 상기 ACK요청횟수 변수값이 설정한계값 이하인 경우에는 ACK 신호를 계속 송신하고, 상기 설정한계값을 초과하는 경우에는 직접통신에 의한 데이터송신을 중단하고 상기 코디네이터가 FLR(Fast Link Recovery)신호를 브로드캐스팅(broadcasting)하는 단계; (C) 상기 FLR신호를 수신한 상호협동적노드가 상기 FLR신호를 상기 목적지노드로 송신하고, 상기 FLR신호를 수신한 목적지노드는 상기 상호협동적노드로 FLR RSP(FLR response)를 송신하는 단계 ; (D) 상기 상호협동적노드가 상기 FLR RSP를 상기 코디네이터로 송신하는 단계; 및 (E) 상기 코디네이터가 상호협동적노드를 통하여 상기 목적지노드로 데이터전송을 재개하는 단계;를 포함하여 수행되어, 직접통신에 의한 통신링크에 장애가 발생된 경우에 상호협동적노드를 이용하는 상호협동적 통신방식으로 통신링크를 형성하여 데이터전송을 수행하는 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법을 제공한다.

Description

상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법{Link Recovery Method Using Cooperative Visible Light Communication}
본 발명은 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 가시광통신에 이용되는 다수개의 장치를 제어하기 위한 IEEE 802.15.7 근거리 무선 광통신의 MAC 표준에서 링크 리커버리(Link Recovery)를 위하여 상호협동적노드를 설정하여 목적하는 노드까지 데이터를 송신함으로써 지연시간(Waiting time)을 단축시키고 에러율을 감소시켜 결과적으로는 가시광통신 품질을 향상시키고, 통신속도가 개선될 수 있는 효과를 가지는 링크 리커버리 방법에 관한 것이다.
현재 무선통신 네트워크 기술 중 각광을 받고 있는 광통신 기술인 가시광통신은 LED(Lighti Emitting Diode) 또는 LD(Lasder Diode) 등의 광학 소자를 이용한근거리 광학 무선통신이며, 이는 인체에 무해하고, 보안성이 높아 활용가능성이 큰 미래지향적 친환경 기술에 해당한다.
가시광통신은 근거리 통신에 해당하여 일반적으로 실내에서 이용되게 되는데 이 경우 다양한 장애변수들에 의한 통신장애가 발생하곤 한다. 예를 들면, (1) 특정 물건이나 인체에 의해 가시광이 가려지게 되는 경우 가려진 범위 내에서는 데이터전송이 원활하지 않게 되며, (2) 가시광의 스펙트럼 확산 범위가 한정되어 있어 일정 각도 이면으로는 통신이 어려운 단점이 있다.
이와 같은 통신장애는 링크가 송수신 노드간의 링크가 끊어지는 경우에 해당하고 이 때는 다시 링크를 연결하기 위한 여러가지 방법이 강구되었다.
가시광통신에서는 LOS(line of sight)의 직선거리로 링크가 형성되어 통신이 이루어지는 것이 가장 바람직하고 효율성이 높으나, 이는 다양한 장애요인으로 인해 안정적이지 못한 문제점이 있다. 이러한 점에 대해 가시광통신이 FOV(field of view)가 일정각도 범위에서 유지되는 점을 이용하여 장애가 발생된 각도와 다른 방향으로 FLR(Fast Link Recovery)신호를 송수신하는 방식으로 직접송수신을 유지하는 방법으로 해결하려고 하는 시도가 있었다.
[참고도 1]
Figure 112012005693853-pat00001
상기 [참고도 1]과 같은 LOS 통신을 통해 링크 리커버리 방법을 이용하는 경우에는 장애물이 없는 다른 각도로 송신하도록 하여야 하는데, 벽과 같이 빛이 투과되지 않는 경우이거나 걸어다니는 사람과 같이 일시적인 장애가 발생되는 경우에는 미리 장애물의 위치를 알 수 없기 때문에 다른 각도로 송신할 경우의 신뢰성이 떨어질 수밖에 없으며, 다수 번의 시도가 필요하게 되므로 지연시간(waiting time)이 길어질 우려가 커진다.
따라서 링크 리커버리를 위하여 다수개의 상호협동적노드를 라우터와 같은 역할을 수행하도록 하여 지연시간을 단축시키면서 송수신을 회복시키는 방법에 대한 구현 필요성이 높아지고 있다.
본 발명의 목적은 가시광통신에서 코디네이터와 목적지노드 양 자간의 통신속도 및 통신품질의 향상에 있다. 이를 위하여 가시광통신이 이루어지는 두 노드 사이에 일시적 또는 장기적으로 존재하는 장애물이 있는 경우에는 다수개의 상호협동적노드 중 통신이 원활한 노드로부터 데이터를 수신할 수 있도록 다중노드를 이용하여 송수신을 재개할 수 있는 링크 리커버리 방법을 구현하는 데 있다.
본 발명은 조명광인 가시광선을 매개로 하여 광신호를 송수신하는 가시광통신(Visual Light Communication)의 코디네이터(coordinater node); 상기 코디네이터로부터 광신호를 최종적으로 수신하는 목적지노드(target node); 및 상기 코디네이터 또는 목적지노드로부터 수신한 광신호를 송신하는 상호협동적노드(cooperative node);를 포함하여 구성되는 가시광통신(VLC)시스템에 적용되는 링크 리커버리(link recovery) 방법으로서, (A) 상기 코디네이터와 목적지노드가 광신호를 직접 송수신하는 직접통신을 수행중에 상기 코디네이터와 목적지노드 사이에 ACK(acknowledge)가 수신되지 않는 경우에는 상기 코디네이터가 ACK요청횟수 변수값을 카운팅하는 단계; (B) 상기 ACK요청횟수 변수값이 설정한계값 이하인 경우에는 ACK 신호를 계속 송신하고, 상기 설정한계값을 초과하는 경우에는 직접통신에 의한 데이터송신을 중단하고 상기 코디네이터가 FLR(Fast Link Recovery)신호를 브로드캐스팅(broadcasting)하는 단계; (C) 상기 FLR신호를 수신한 상호협동적노드가 상기 FLR신호를 상기 목적지노드로 송신하고, 상기 FLR신호를 수신한 목적지노드는 상기 상호협동적노드로 FLR RSP(FLR response)를 송신하는 단계 ; (D) 상기 상호협동적노드가 상기 FLR RSP를 상기 코디네이터로 송신하는 단계; 및 (E) 상기 코디네이터가 상호협동적노드를 통하여 상기 목적지노드로 데이터전송을 재개하는 단계;를 포함하여 수행되어, 직접통신에 의한 통신링크에 장애가 발생된 경우에 상호협동적노드를 이용하는 상호협동적 통신방식으로 통신링크를 형성하여 데이터전송을 수행하는 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
1. 본 발명에 의하면 가시광통신의 송신장치인 코디네이터로부터 데이터를 수신하는 다수의 중간자적 위치에 있는 상호협동적노드(node)들과 함께 상호협동적으로 목적하는 목적지노드(target node)로 송신하므로 링크를 빠르고 신속하게 회복하고 에너지 효율성이 높아 전송신뢰성 및 통신품질이 향상되고 통신속도가 개선되는 장점이 있다.
2. 또한 본 발명에 의하면 가시광통신의 이용시 가시광을 차단하는 방해물이 있는 경우에는 통신이 원활하지 않게 되는 단점을 다수 개로 분산된 노드를 통하여 수신할 수 있도록 함으로써 링크 리커버리(link recovery)가 신속하고 효과적으로 진행될 수 있다.
3. 또한 장애물이 제거되었을 경우에는 자동적으로 NLOS(non line of sight)에서 LOS(line of sight)로 변환되어 직접통신을 수행하므로 통신효율성이 높다.
[도 1]은 본 발명에 따른 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법을 이용한 통신 모식도이다.
[도 2]는 종래의 통신방법인 직접통신방법과 멀티홉통신방법의 대략적인 모식도이다.
[도 3]은 본 발명에 따른 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법에서 상호협동적노드가 결정되는 과정을 설명한 순서도이다.
[도 4]는 본 발명에 따른 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법에서 직접송신방법과 상호협동적 송신방법이 경우에 따라 선택적으로 적용되는 혼합적통신방법을 설명한 순서도이다.
[도 5]는 본 발명에 따른 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법에서 상호협동적노드가 백업패킷을 보유 또는 삭제하는 과정을 설명한 순서도이다.
[도 6]은 직접통신 방식에서 구현되는 링크 리커버리 방법을 표현한 도식도이다.
[도 7]은 동기화방식과 타이슬롯에 기반한 맥 프로토콜에서 구현되는 링크 리커버리 방법의 도식도이다.
[도 8]은 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법에서 코디네이터로부터 링크 리커버리가 이루어지는 과정을 표현한 순서도이다.
[도 9]는 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법에서 목적지노드로부터 링크 리커버리가 이루어지는 과정을 표현한 순서도이다.
[도 10]은 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법에 적용되는 슈퍼프레임의 구조이다.
[도 11]은 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법의 성능평가실험을 위하여 기본적 링크 리커버리 시나리오의 도식도이다.
[도 12]는 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법의 성능평가실험을 위한 네트워크 구성 변수표이다.
[도 13]는 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법의 성능평가실험에서 GTS 자원할당을 위한 GTS 구성도이다.
[도 14]는 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법의 성능평가실험에 따른 결과 그래프로서, PHY TYPE Ｉ : 2Mbps에서의 에러율의 그래프이다.
[도 15]는 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법의 성능평가실험에 따른 결과 그래프로서, 링크 리커버리에 필요한 시간에 대한 그래프이다.
본 발명은 조명광인 가시광선을 매개로 하여 광신호를 송수신하는 가시광통신(Visual Light Communication)의 코디네이터(coordinater node); 상기 코디네이터로부터 광신호를 최종적으로 수신하는 목적지노드(target node); 및 상기 코디네이터 또는 목적지노드로부터 수신한 광신호를 송신하는 상호협동적노드(cooperative node);를 포함하여 구성되는 가시광통신(VLC)시스템에 적용되는 링크 리커버리(link recovery) 방법으로서, (A) 상기 코디네이터와 목적지노드가 광신호를 직접 송수신하는 직접통신을 수행중에 상기 코디네이터와 목적지노드 사이에 ACK(acknowledge)가 수신되지 않는 경우에는 상기 코디네이터가 ACK요청횟수 변수값을 카운팅하는 단계; (B) 상기 ACK요청횟수 변수값이 설정한계값 이하인 경우에는 ACK 신호를 계속 송신하고, 상기 설정한계값을 초과하는 경우에는 직접통신에 의한 데이터송신을 중단하고 상기 코디네이터가 FLR(Fast Link Recovery)신호를 브로드캐스팅(broadcasting)하는 단계; (C) 상기 FLR신호를 수신한 상호협동적노드가 상기 FLR신호를 상기 목적지노드로 송신하고, 상기 FLR신호를 수신한 목적지노드는 상기 상호협동적노드로 FLR RSP(FLR response)를 송신하는 단계 ; (D) 상기 상호협동적노드가 상기 FLR RSP를 상기 코디네이터로 송신하는 단계; 및 (E) 상기 코디네이터가 상호협동적노드를 통하여 상기 목적지노드로 데이터전송을 재개하는 단계;를 포함하여 수행되어, 직접통신에 의한 통신링크에 장애가 발생된 경우에 상호협동적노드를 이용하는 상호협동적 통신방식으로 통신링크를 형성하여 데이터전송을 수행하는 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 조명광인 가시광선을 매개로 하여 광신호를 송수신하는 가시광통신(Visual Light Communication)의 코디네이터(coordinater node); 상기 코디네이터로부터 광신호를 최종적으로 수신하는 목적지노드(target node); 및 상기 코디네이터 또는 목적지노드로부터 수신한 광신호를 송신하는 상호협동적노드(cooperative node);를 포함하여 구성되는 가시광통신(VLC)시스템에 적용되는 링크 리커버리(link recovery) 방법으로서, (a) 상기 코디네이터와 목적지노드가 광신호를 직접 송수신하는 직접통신을 수행중에 상기 코디네이터와 목적지노드 사이에 ACK(acknowledge)가 수신되지 않는 경우에는 상기 목적지노드가 ACK요청횟수 변수값을 카운팅하는 단계; (b) 상기 ACK요청횟수 변수값이 설정한계값 이하인 경우에는 ACK 신호를 계속 송신하고, 상기 설정한계값을 초과하는 경우에는 직접통신에 의한 데이터송신을 중단하고 상기 목적지노드가 FLR(Fast Link Recovery)신호를 브로드캐스팅(broadcasting)하는 단계; (c) 상기 FLR신호를 수신한 상호협동적노드가 상기 FLR신호를 상기 코디네이터로 송신하고, 상기 FLR신호를 수신한 코디네이터는 상기 상호협동적노드로 FLR RSP(FLR response)를 송신하는 단계 ; (d) 상기 상호협동적노드가 상기 FLR RSP를 상기 목적지노드로 송신하는 단계; 및 (e) 상기 목적지노드가 상호협동적노드를 통하여 상기 코디네이터로 데이터전송을 재개하는 단계;를 포함하여 수행되어, 직접통신에 의한 통신링크에 장애가 발생된 경우에 상호협동적노드를 이용하는 상호협동적 통신방식으로 통신링크를 형성하여 데이터전송을 수행하는 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법을 함께 제공한다.
또한 본 발명은 상기 코디네이터는 상기 목적지노드로부터, 상기 목적지노드는 상기 코디네이터로부터 직접 상기 FLR 신호를 수신하는 경우에는 상기 통신링크의 장애가 해소된 것으로 보아 상기 코디네이터와 목적지노드간의 직접통신이 재개되는 것을 특징으로 하는 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법을 함께 제공한다.
또한 본 발명은 상기 MAC 프로토콜은 IEEE 802.15.7 근거리 무선광통신의 MAC 표준을 기반으로 하는 것을 특징으로 하는 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법을 함께 제공한다.
본 발명은 VLC 통신에서 이루어지는 링크 리커버리 방법에 관한 것으로서, VLC 통신에서 장애물에 의해 발생되는 통신장애, 즉 링크가 끊어지는 문제점을 종래 기술과는 달리 상호협동적 가시광 통신방식을 이용하여 해결하도록 한다.
[도 1]은 본 발명에 따른 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법의 대략적인 모식도이다. 본 발명의 가시광통신은 가시광을 이용하는 포괄적인 통신기술을 의미하며 LED, LS 등 다양한 가시광이 적용될 수 있을 것이나, 특히 전력소모가 적은 LED-ID시스템을 이용한 가시광통신에 적용될 수 있을 것이다.
근거리 가시광 통신에서 링크 리커버리 방법은 IEEE 802.15.7 표준에 기반하여 구현된다. 코디네이터와 목적지노드가 통신 수행중 장애물과 같이 예기치 않은 상황에서 통신에 장애가 발생하게 되는 경우에는 자동으로 상호협동적 가시광 통신방식을 이용하여 상호협동적노드를 라우터와 같은 역할로 활용하여 우회적인 통신경로를 확립할 수 있음을 [도 1]에서 확인할 수 있다.
본 발명의 통신방법의 핵심은 광통신 데이터를 송신하는 LED-ID광통신장치와 상기 데이터를 수신하는 목적지노드 사이에 한 개 이상의 상호협동적노드가 존재하여 통신 링크가 깨진 경우에는 직접통신을 배제하고 상호협동적노드를 이용한 상호협동적 통신으로 우회적인 통신링크를 생성한다는 점에 있다.
[도 2]의 종래의 통신방법인 직접통신방법과 멀티홉통신방법의 대략적인 모식도에서 확인할 수 있는데, 가시광 통신방식으로 기존에 이용되는 방식은 단순히 송신노드와 목적지노드간 직접적으로 가시광통신을 수행하는 경우(1)와 가시광통신이 이루어지는 반경 밖에 있는 노드로 송신시키는 멀티홉통신방식(2)을 이용하는 기술이 있다. 이와 같이 종래에는 직접송신이나 가시광통신범위 밖의 노드에게 전달해주기 위한 방식으로 노드를 응용하였으나, 본 발명에서는 가시광통신에서 중간자적 역할을 수행하는 다수개의 상호협동적노드를 이용하여 가시광영역에서 발생될 수 있는 다양한 장애를 극복할 수 있도록 구성하고 있다.
[도 3]은 본 발명에 따른 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법에서 상호협동적노드가 결정되는 과정을 설명한 순서도이다. [도 3]을 참고하면, 본 발명에서 구현되는 상호협력적 통신방식의 구성요소인 상호협동적노드가 어떠한 과정을 통하여 선택되는지를 확인할 수 있다.
상기 코디네이터 및 상기 목적지노드가 릴레이 리퀘스트 패킷(Relay Request packet)을 유포하는 단계에서 통신채널환경이 좋은 상호협동적노드가 상기 릴레이 리퀘스트 패킷을 수신하고, 상기 릴레이 리퀘스트 패킷을 수신한 상호협동적노드가 ID주소를 보유하면서 리플라이(reply)정보를 상기 코디네이터 및 목적지노드에 송신하고, 상기 상호협동적노드가 상기 코디네이터 및 목적지노드로부터 ACK신호를 수신하는 단계를 거쳐서 상호협력적 통신에 이용될 상호협동적노드가 선택된다.
[도 4]는 본 발명에 따른 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법에서 직접통신에서 상호협동적 통신방식으로 변경되도록 구현되어 링크를 리커버리하는 방식에 이용되는 가시광통신방식을 설명하는 순서도이다.
[도 4]의 순서도를 참고하면, 먼저 상기 코디네이터(100)와 상기 목적지노드(300)는 직접통신방식으로 정보처리하는 것을 디폴트로 하는 것을 확인할 수 있다. 이 경우 상기 목적지노드(300)로부터 ACK신호를 수신하지 못한 상기 코디네이터는 패킷손실횟수(Nloss _ of _ packets)를 가산하여 반복적으로 ACK신호가 수신되지 않는 경우로서 패킷손실횟수가 설정한계치(Threshold)를 초과하는 경우에는 상호협력적 통신방식으로 통신방식을 변경하는 알고리즘이 구현될 수 있다. 상기 패킷손실회수는 ACK요청횟수와 같은 의미로 사용될 수 있다.
상호협력적 통신방식은 하나 이상의 상호협동적노드(200)를 이용하는 방식인데, 상기 상호협동적노드는 채널상황이 좋은 상호협동적노드를 선택하는 것이 바람직하고, 이러한 선택권은 상기 코디네이터 또는 목적지노드(300)에 부여되는 것이 가능하다.
상기 상호협동적노드가 송신자가 될 수 있으면서 동시에 수신자이기도 하는 이론적 성능분석은 이하의 [식 1] 내지 [식 5]에서 확인할 수 있다.
[식 1]
Figure 112012005693853-pat00002
Figure 112012005693853-pat00003
:직접통신에서의 평균 전송횟수
Figure 112012005693853-pat00004
: 직접통신에서의 양 노드간의 전송 에러률
LED-ID시스템에서 직접통신에 의한 전송평균값은 상기 [식 1]과 같이 계산된다. 또한 광통신을 통하나 전송에러율은 수신된 광강도에 의해 좌우되는데, H(0)Los계산에 따른 양 노드간 거리에 영향을 받게 된다. n-홉으로 불리는 멀티홉에서 에러율은 홉의 개수에 따라 에러율이 줄어들 것이다. 따라서 2-홉에서의 전송평균값은 다음의 [식 2]와 같이 계산된다.
[식 2]
Figure 112012005693853-pat00005
Figure 112012005693853-pat00006
: 멀티홉 중 2홉에 의한 평균 전송횟수
코디네이터와 상호협동적노드 사이의 링크에러율과 상호협동적노드와 목적지노드 사이의 에러율이 동일하다고 가정하면, 프레임전송은 각 노드간의 통신은 직접통신과 같이 이루어지고, 1-p의 확률은 상호협동적노드에서 목적지노드가의 멀티홉통신방식과 같게 된다. 따라서 [식 3]과 같은 평균 전송횟수이 계산된다.
[식 3]
Figure 112012005693853-pat00007
Figure 112012005693853-pat00008
:상호협동적 평균 전송횟수
직접통신과 상호협동적통신의 평균 전송횟수의 차이는 다음과 같이 계산될 수 있다.
[식 4]
Figure 112012005693853-pat00009
Figure 112012005693853-pat00010
Figure 112012005693853-pat00011
Figure 112012005693853-pat00012
: 직접통신과 상호협동적통신의 평균 전송횟수의 차이
Figure 112012005693853-pat00013
: 직접통신시의 전송 횟수
Figure 112012005693853-pat00014
: 상호협동적통신의 전송 횟수
또한 멀티홉통신과 상호협동적통신의 평균전송값의 차이는 다음과 같이 계산된다.
[식 5]
Figure 112012005693853-pat00015
Figure 112012005693853-pat00016
Figure 112012005693853-pat00017
Figure 112012005693853-pat00018
:멀티홉통신과 상호협동적통신의 평균 전송횟수의 차이
Figure 112012005693853-pat00019
:멀티홉통신시의 평균 전송횟수
본 발명의 통신방법을 볼 때,
Figure 112012005693853-pat00020
,
Figure 112012005693853-pat00021
,
Figure 112012005693853-pat00022
에러율이 모두 양수로 산정되어 직접통신이나 멀티홉통신에 비해 통신속도 및 통신품질이 향상되어 있음을 이론적으로 추정할 수 있다.
[도 5]는 본 발명에 따른 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법에서 상호협동적노드가 백업패킷을 보유 또는 삭제하는 과정을 설명한 순서도이다. 이는 직접통신에서 상호협동적 통신으로 전환되면서 링크 리커버리가 진행되는 모습을 표현하고 있다.
만약 불안정한 링크상태를 위한 상호협동적 링크 리커버리가 이루어질 때 지연시간이 멀티홉 통신인 경우처럼 늘어날 수도 있다. 직접 통신에서는 MAC 계층이 각 패킷프레임에 통신재개(retry) 실행을 지지하는데, 이는 macMaxFrameRetries와 같은 변수값에 영향을 많이 받게 된다. 사실 그러한 변수값이 없는 것이 가장 바람직하므로 본 발명과 같은 상호협동적 통신은 직접통신으로의 예약시간을 동적으로 제어하는 해결방법이 될 수 있다. 특히 상호협동적 링크 리커버리 방식은 엄격한 Qos(통신 품질)을 지원하는 예정된 자원(reservation resource application)에 적용시킬 수 있다. 특히 Qos는 스타 토폴로지의 GTS에서 적용될 수 있다.
[도 6]은 직접통신 방식에서 구현되는 링크 리커버리 방법을 표현한 도식도이다. 근거리 무선 광통신에서는 주로 스타 토폴로지나 피어투피어(peer to peer) 토폴로지를 사용한다. 패스트 링크 리커버리(fast link recovery) 프로세스는 MAC PIB가 제공하는 일정 횟수동안 ACK를 받지 못한 경우에 개시되는데, 이때 직접통신을 수행하던 노드는 데이터송신을 중지하고 FLR(Fast Link Recovery) 신호를 송신하고 상대편 노드는 FLR RSP(FLR Response)신호를 송신함으로써 링크를 복구한다.
[도 7]은 동기화방식과 타이슬롯에 기반한 맥 프로토콜에서 구현되는 링크 리커버리 방법의 도식도이다. 각 프레임은 여러개의 타임슬롯으로 나누어져 고정되어 있다. VLAN 시스템은 풀 듀플렉스 모드(Full Duplex Mode) 또는 해프(half) 듀플렉스 모드를 모두 지원한다. 풀 듀플렉스 모드인 경우에는 타임슬롯은 동시에 업링크 또는 다운링크의 전송을 위하여 할당된다. 만약 [도 7]에 적시된 AP가 리퀘스트 리소스(request resource)를 감지한 경우에는 연결이 해제될 때까지 MN(mobile node)에게 미니슬롯을 할당한다. AP가 미니슬롯에서 첫 신호를 수신하는 경우에는 업링크 동기화에 답하고 연동을 위한 자원을 할당한다. 만약 AP가 신호를 수신하지 못한 경우에는 VLC 링크가 깨진 것으로 보고 UL-UNSYNC 메세지를 MN으로 보낸다.
추후 VLC 링크가 복구되면 AP는 미니슬롯에 동기화된 신호를 감지하여 UL-SYNC 메세지를 MN으로 보내고 데이터송신이 재개된다.
반면 [도 8]은 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법에서 코디네이터로부터 링크 리커버리가 이루어지는 과정을 표현한 순서도이며, [도 9]는 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법에서 목적지노드로부터 링크 리커버리가 이루어지는 과정을 표현한 순서도이다.
[도 8]과 [도 9]는 중단된 통신을 재개할 수 있도록 링크를 회복시키는 과정을 설명하고 있는데, 직접 통신을 수행하던 코디네이터와 목적지 노드에 통신장애가 발생하는 경우, 즉 N_ACKS와 같은 파라미터에 의해 주어진 다수번의 기회동안 ACK를 받지 못하는 경우에 본 발명의 통신 리커버리 방식이 개시된다. 특히 멀티 포인트에 해당하는 상호협동적노드를 이용하여 통신 링크를 리커버리한다는 점에 특징이 있는데, 상기 코디네이터와 목적지노드가 하나 이상의 상호협동적노드를 링크 리커버리를 위하여 선택하는 과정에 대해서는 [도 3]에서 도시한 바와 같다.
먼저 직접통신이 수행되고 있다가 일정한 장애물에 의해 LOS 링크가 깨진 경우에는 데이터전송을 중단하더라도 계속적으로 직접통신방식으로 FLR신호를 송신하는데, 일정횟수 또는 일정시간 내에 FLR RSP가 수신이 있는 경우에는 해당 장애물이 제거된 것으로서 다시 직접통신이 재개되어 데이터전송이 이루어진다.
다만 FLR RSP의 수신이 없는 경우에는 [도 8]에서 볼 수 있듯이 목적지노드가 아무런 FLR(Fast Link Recovery)를 수신하지 못한 경우에는 상기 코디네이터는 LOS(line of sight) 링크가 깨진 것으로 판단하고 FOV(field of view)를 확대시켜 목적지노드로 NLOS(non-line of sight) 링크를 위한 FLR신호를 송신한다. 이로써 코디네이터는 통신재개를 위해 NLOS를 송신할 준비가 된 것이며, NLOS링크를 위한 FLR신호를 수신한 목적지노드는 FLR RSP(FLR response)를 코디네이터로 송신하고, 상기 코디네이터와 목적지노드는 NLOS 링크를 개시하게 된다.
결국 FOV 범위에서 브로드캐스팅되는 FLR을 수신한 상호협동적노드는 코디네이터로 상기 FLR을 송신하고, 상기 코디네이터가 상기 상호협동적노드로 다시 FLR RSP를 송신하과, 상기 상호협동적노드가 상기 목적지노드까지 FLR RSP를 송신한다.
이 경우 상기 코디네이터와 목적지노드간의 NLOS링크가 형성되고, 이를 통하여 데이터전송이 개시되고 이러한 형태가 상호협동적 통신방식에 해당한다.
만약 목적지노드가 주어진 시간내에 NLOS를 위한 어떤 FLR도 받지 못하는 경우에는 링크가 복구되지 않는 것으로 보게 된다.
또한 상호협동적 통신이 이루어지고 있는 경우에도 지속적으로 FLR신호를 상기 목적지노드로 송신하여 상기 목적지노드에서 FLR RSP가 수신되면 직접통신모드로 전환될 수 있다. 이는 직접통신과 같은 LOS 모드가 장애물이 없는 경우에는 가장 효율성이 높기 때문이다.
[도 9]와 같이 목적지노드에서도 동일한 방식으로 본 발명의 링크 리커버리가 개시될 수 있다. 목적지노드가 ACK를 다수번의 기회에도 수신하지 못하면 코디네이터는 동일한 방식으로 링크를 리커버리하게 된다. 코디네이터 노드가 ACK를 받지 못하는 경우, 목적지노드는 데이터전송을 중지하고, FLR 신호를 보내고 코디네이터로 보내는 업링크를 유지한다. FLR LOS 시그널을 받으면 코디네이터는 FLR RSP를 송신하고 통신이 재개된다.
만약 FLR RSP 신호를 받지못하는 경우에는 NLOS RSP를 받기 위하여 일정기간 대기하였다가 데이터전송을 중지하고 NLOS 모드로 들어가서 NLOS RSP를 목적지 노드로 송신한다. 만약 목적지 노드가 NLOS RSP를 수신하면 통신이 다시 재개된다.
또한 상기와 같은 상호협동적 가시광 통신방법을 이용하여 링크가 리커버리된 후에도 직접통신이 가능한지를 감지하여 직접통신이 수행될 수 있도록 장애물이 제거된 경우에는 상호협동적 통신에서 직접통신으로 자동적으로 전환될 수 있다.
[도 10]은 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법에 적용되는 슈퍼프레임의 구조인데 [도 10]에는 이러한 링크 리커버리 방법을 위한 슈퍼프레임 구조가 도시되어 있다. 이는 대역 할당에 대한 새로운 요청은 CFP(Contention Free Period)의 비어있는 슬롯에 기반하는데, 슈퍼프레임의 16개의 타임 슬롯 중 CFP는 비이콘(beacon)을 위한 슬롯, CAP(Contention Access Period)를위한 슬롯을 제외하고 적용된다. CAP의 슬롯개수는 PAN 코디네이터에 의해서 제어된다. CAP에서 리소스가 필요한 노드들은 코디네이터로 요청신호를 송신하고, 이러한 요청을 수신하면 코디네이터가 충분한 타임슬롯이 있는지를 체크한다.
슈퍼프레임에 요청보다 슬롯이 적은 경우에는 GTS 할당요청은 거절된다. 반대로 슬롯이 충분하여 GTS 할당요청은 승인된 경우에는 승인된 노드는 할당된 타임슬롯을 체크하기 위하여 비이콘 프레임을 인지하고 유지하여야 한다.
IEEE 802.15.7 내역의 GTS 성능을 살펴보았을 때 데이터 패킹처리에서, 하나의 GTS를 할당한 노드는 데이터전송, IFS(Intra-Frame Spacing) 및 인지신호 등의 모든 전송을 GTS가 끝나기 전에 수행하여야 한다. 이러한 전송이 지연된 경우에는 결국 다음 GTS를 기다려야 한다.
할당된 GTS에 의해 데이터 프레임의 길이는 제한될 수도 있다. 또한 GTS의 일부만이 데이터 전송에 이용되고 나머지는 잠재적인 인지 프레임으로서 사용되거나 비활성화가 될 수 있다.
본 발명에 따른 링크 리커버리 방법의 성능평가실험에 따른 결과내용은 [도 11] 내지 [도 15]에 도시되어 있다.
[도 11]은 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법의 성능평가실험을 위하여 기본적 링크 리커버리 시나리오의 도식도이며, [도 12]는 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법의 성능평가실험을 위한 네트워크 구성 변수표이다.
또한 [도 13]는 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법의 성능평가실험에서 GTS 자원할당을 위한 GTS 구성도이다. 이에 따른 실험에서 MAC 프로토콜은 IEEE 802.15.7 표준을 준수하였다.
상기 성능평가실험에서 장애물은 LED트랜스시버와 PD 리시버를 연결하는 링크 사이를 움직이고 있으며, VLC LOS(line of sight)에 기반하 연결링크는 GTS 모드에서 상기 [도 12]의 변수값에 따라 통신이 수행된다. GTS 자원은 [도 13]과 같이 할당되어 있음을 전제로 한다.
[도 14]는 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법의 성능평가실험에 따른 결과 그래프로서, PHY TYPE Ｉ : 2Mbps에서의 에러율과 처리량의 관계에 관한그래프이다.
링크 리커버리 방법은 할당된 자원(resource)의 연결을 유지한다는 점에 있다. 링크가 갑자기 깨지는 경우에 코디네이터 또는 목적지노드는 링크 리커버리 요청신호를 브로드캐스팅하고 연결을 보증하는 리플라이(reply) 신호, 즉 FLR RSP를 기다려야 한다. 본 발명의 상호협동적 링크 리커버리 방법은 재개되기 위한 지연시간을 제어하는 데 큰 이점이 있다. [도 14]는 이러한 이점을 직접통신과 비교하여 측정한 것으로서, 링크 리커버리 패킷의 전송의 성공확률이 직접통신인 경우보다 상호협력적 통신인 경우가 더 높은 것을 확인할 수 있다. 반대로 같은 처리량에 대해서 직접통신의 경우가 에러율이 높은 것을 보았을 때 지연시간이 직접통신이 훨씬 더 길다는 점을 확인할 수 있다.
[도 15]는 본 발명의 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법의 성능평가실험에 따른 결과 그래프로서, 링크 리커버리에 필요한 시간에 대한 그래프이다. [도 15]에서는 재전송시 요구되는 시간과 장애물이 특정 속도로 움직이는 경우에 링크를 커버하기 위한 최소요구시간에 대한 측정값을 표현하였는 바 움직이는 장애물에 대한 지연시간이 점차로 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 위에서 언급한 바와 같이 첨부된 도면과 관련하여 설명되었으나 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이 건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.
100 : 코디네이터 200 : 상호협동적노드
300 : 목적지노드

Claims (4)

  1. 조명광인 가시광선을 매개로 하여 광신호를 송수신하는 가시광통신(Visual Light Communication)의 코디네이터(coordinater node); 상기 코디네이터로부터 광신호를 최종적으로 수신하는 목적지노드(target node); 및 상기 코디네이터 또는 목적지노드로부터 수신한 광신호를 송신하는 상호협동적노드(cooperative node);를 포함하여 구성되는 가시광통신(VLC)시스템에 적용되는 링크 리커버리(link recovery) 방법으로서,
    (A) 상기 코디네이터와 목적지노드가 광신호를 직접 송수신하는 직접통신을 수행중에 상기 코디네이터와 목적지노드 사이에 ACK(acknowledge)가 수신되지 않는 경우에는 상기 코디네이터가 ACK요청횟수 변수값을 카운팅하는 단계;
    (B) 상기 ACK요청횟수 변수값이 설정한계값 이하인 경우에는 ACK 신호를 계속 송신하고, 상기 설정한계값을 초과하는 경우에는 직접통신에 의한 데이터송신을 중단하고 상기 코디네이터가 FLR(Fast Link Recovery)신호를 브로드캐스팅(broadcasting)하는 단계;
    (C) 상기 FLR신호를 수신한 상호협동적노드가 상기 FLR신호를 상기 목적지노드로 송신하고, 상기 FLR신호를 수신한 목적지노드는 상기 상호협동적노드로 FLR RSP(FLR response)를 송신하는 단계 ;
    (D) 상기 상호협동적노드가 상기 FLR RSP를 상기 코디네이터로 송신하는 단계; 및
    (E) 상기 코디네이터가 상호협동적노드를 통하여 상기 목적지노드로 데이터전송을 재개하는 단계;
    를 포함하여 수행되어, 직접통신에 의한 통신링크에 장애가 발생된 경우에 상호협동적노드를 이용하는 상호협동적 통신방식으로 통신링크를 형성하여 데이터전송을 수행하는 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법.
  2. 조명광인 가시광선을 매개로 하여 광신호를 송수신하는 가시광통신(Visual Light Communication)의 코디네이터(coordinater node); 상기 코디네이터로부터 광신호를 최종적으로 수신하는 목적지노드(target node); 및 상기 코디네이터 또는 목적지노드로부터 수신한 광신호를 송신하는 상호협동적노드(cooperative node);를 포함하여 구성되는 가시광통신(VLC)시스템에 적용되는 링크 리커버리(link recovery) 방법으로서,
    (a) 상기 코디네이터와 목적지노드가 광신호를 직접 송수신하는 직접통신을 수행중에 상기 코디네이터와 목적지노드 사이에 ACK(acknowledge)가 수신되지 않는 경우에는 상기 목적지노드가 ACK요청횟수 변수값을 카운팅하는 단계;
    (b) 상기 ACK요청횟수 변수값이 설정한계값 이하인 경우에는 ACK 신호를 계속 송신하고, 상기 설정한계값을 초과하는 경우에는 직접통신에 의한 데이터송신을 중단하고 상기 목적지노드가 FLR(Fast Link Recovery)신호를 브로드캐스팅(broadcasting)하는 단계;
    (c) 상기 FLR신호를 수신한 상호협동적노드가 상기 FLR신호를 상기 코디네이터로 송신하고, 상기 FLR신호를 수신한 코디네이터는 상기 상호협동적노드로 FLR RSP(FLR response)를 송신하는 단계 ;
    (d) 상기 상호협동적노드가 상기 FLR RSP를 상기 목적지노드로 송신하는 단계; 및
    (e) 상기 목적지노드가 상호협동적노드를 통하여 상기 코디네이터로 데이터전송을 재개하는 단계;
    를 포함하여 수행되어, 직접통신에 의한 통신링크에 장애가 발생된 경우에 상호협동적노드를 이용하는 상호협동적 통신방식으로 통신링크를 형성하여 데이터전송을 수행하는 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 코디네이터는 상기 목적지노드로부터, 상기 목적지노드는 상기 코디네이터로부터 직접 상기 FLR 신호를 수신하는 경우에는 상기 통신링크의 장애가 해소된 것으로 보아 상기 코디네이터와 목적지노드간의 직접통신이 재개되는 것을 특징으로 하는 상호협동적 가시광 통신방식을 이용한 링크 리커버리 방법.
  4. 삭제
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