KR101330844B1 - 단거리 무선 네트워크의 개선 - Google Patents

Abstract

본 발명은 장치들의 무선 센서 네트워크에서 사용되는 센서에 관한 것으로, 상기 센서는 파라미터의 값들을 검출하도록 동작 가능한 감지 수단, 상기 검출된 값들을 고려하여 상기 센서의 적당한 수면 패턴을 결정하도록 동작 가능한 제어 수단 및 상기 무선 센서 네트워크 내의 또 다른 장치에 상기 적당한 수면 패턴의 표시를 전송하도록 동작 가능한 송신기를 포함한다.

Description

단거리 무선 네트워크의 개선{IMPROVEMENTS TO SHORT-RANGE WIRELESS NETWORKS}

본 발명은 무선 개인 영역 네트워크(wireless personal area networks)에 관한 것으로, 특히, 인간 또는 동물의 신체에 또는 그 주위에 배치된 무선으로 통신하는 센서들을 포함하는 신체 영역 네트워크(body area networks) 및 무선 센서 네트워크에 관한 것이지만, 반드시 이에 관한 것만은 아니다.

소위 신체 영역 네트워크 또는 BAN은 비교적 단거리에 걸쳐서 정보를 전달하기 위해 이용되는 무선 개인 영역 네트워크(WPAN)의 일례이다. 무선 LAN(wireless local area network; WLAN)과 달리, WPAN을 통해 달성되는 연결들은 거의 또는 전혀 인프라스트럭처를 필요로 하지 않는다. 이 특징은 광범위의 장치들에 대하여 작고, 전력 효율적이고, 값싼 솔루션이 구현되는 것을 허용한다. 특히 중요한 것은 환자의 상태를 모니터하기 위해 센서들이 이용되는 의료(medical) BAN(MBAN)의 가능성이다. (네트워크 코디네이터일 수도 있는) 데이터 싱크에 감지된 데이터를 공급하기 위한 센서들을 주로 채용하는 BAN은 무선 센서 네트워크(WSN)의 일례이지만, MBAN으로서 기능하는 WSN에는 액추에이터와 같은 보다 능동적인 장치들이 포함될 수도 있다.

단거리 무선 네트워크의 다른 흥미있는 사용은 산업용 모니터링에 있다. 그러한 무선 네트워크들은 센서들 및 다른 장치들을 포함하도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 하나의 전개(deployment)는 터빈 블레이드(turbine blade) 또는 모니터링을 위한 다른 산업용 부품(industrial part)의 다양한 서로 다른 위치들에서 온도와 같은 파라미터를 측정하도록 배열된 센서들을 포함할 것이다. 다시, 보다 능동적인 장치들이 그러한 무선 네트워크에 포함될 수 있고 거의 또는 전혀 인프라스트럭처가 요구되지 않는다.

표준 IEEE 802.15.4는 낮은 데이터 레이트(low data-rate) WPAN을 위한 물리 계층(PHY) 및 매체 접근 제어(medium access control; MAC) 부계층(sublayer) 명세들을 정의하지만, IEEE 802.15.4 네트워크의 적용 범위(coverage)는 전형적으로 WPAN을 정의하는 개인 행동 영역(personal operating space; POS)을 넘어서 확장할 수 있고 따라서 얼마간 더 큰 규모의 산업용 전개에도 적당하다. 그러한 약간 더 큰 규모의 네트워크들은 이 출원을 목적을 위해 용어들 WSN, WPAN 및 BAN 내에 포함된다. IEEE 802.15.4는 애드혹 피코넷(ad-hoc piconet), IEEE 802.15.3에 대한 표준과 몇몇 유사점들을 갖는다. 사람 또는 물체 주위의 그러한 피코넷들은 전형적으로 모든 방향으로 적어도 10m를 커버하고 움직이지 않든 움직이고 있든 간에 그 사람 또는 물체를 둘러싼다(envelop). 그것들은 더 높은 데이터 레이트 WPAN들을 포함한다. 문서들 IEEE Std 802.15.4-2006 및 IEEE Std 802.15.3-2003은 이로써 온전히 그대로 참고로 포함된다.

IEEE 802.15.4에서 상상되는 유형의 WPAN들은 산업용 모니터링과 같은 응용들에 적당하지만, MBAN들에 대하여 요구되는 종류의 데이터 신뢰성을 제공하지 않는다.

의료 응용에서는, 신뢰성 및 프로세스 자동화를 증가시키고 인간의 오류를 감소시키면서 인간의 노동과 관련된 비용을 감소시키기 위한 요구가 있다. 센서들은 요구되는 지능을 제공할 수 있고, 이미 의료 장비에서 널리 채용되고 있다. 이것은 병원 회복 치료(hospital recuperative care), 자택 치료(home care), 집중 치료(intensive care) 유닛들 및 고급 수술 절차(advanced surgical procedures)를 포함한다. 맥박(pulse), 체온(temperature) 등을 위한 외부 센서들, 체액들(body fluids)과 접촉하는 센서들, (절개(incision)를 통하여) 카테터(catheter)에서 사용되는 센서들, 외부 적용을 위한 센서들, 무선 센서들을 갖는 일회용 스킨 패치들(disposable skin patches), 및 이식형 센서들(implantable sensors)을 포함하는, 의료 응용을 위해 채용되는 다수의 서로 다른 유형의 센서들이 있다.

병원 또는 내과 병동 내의 환자 주위의 센서들의 WPAN은 환자 이동성, 모니티링 융통성, 현재 모니터되지 않는 간호 구역들(care areas)로의 모니터링의 확장, 감소된 임상 오류 및 감소된 전체 모니티링 비용을 포함한 다수의 임상 이익을 제공할 수 있다. 신체 착용 센서들은 단일 환자 신체 상의 다양한 센서 유형들을 포함할 수 있다. 그것들은 환자의 신체에 빠르게 적용되거나 환자의 신체로부터 빠르게 제거되는 능력을 요구한다.

개별적으로, 그러한 센서들은 환자당 1-2 kbps만큼 낮은 비트 레이트를 가질 수 있고 집합적으로 그것들은 10 kbps 비트 레이트를 요구할 수 있다. 1 미터만큼 작은 범위가 적당할 수 있다. 그러나, 의료 WSN 응용들은 임상 환경에서 미션 크리티컬(mission critical) 응용들이다. 의료 WSN 또는 MBAN을 위한 요건들 중에는, 한정된 데이터 손실(bounded data loss) 및 한정된 레이턴시(bounded latency)를 위한 강건한(robust) 무선 링크들, 환자 및 센서 밀도에 대한 용량, 다른 라디오들과의 공존, 여러 날의 연속 동작을 위한 배터리 수명 및 신체 착용 장치를 위한 소형 폼팩터(small form factors)가 있다. 이러한 요건들은 FEC(Forward Error Correction) 및 ARQ(Adaptive Repeat reQuest)를 포함하는, 시간 및 주파수 도메인에서의 다이버시티 및 오류 제어 기술들, 센서 정보 레이트를 위한 낮은 듀티 사이클 TDMA, 및 보다 효율적인 소형 안테나들과 같은 기술들의 이용을 통하여 만족될 수 있다. 따라서 특히 의료 응용을 위한, 신체 영역 네트워크(Body Area Network)들의 특성을 정의하려고 노력하는 또 다른 표준 IEEE 802.15.6을 정의하려는 노력들이 진행 중이다.

장치들 중 적어도 일부가 배터리에 의해 전력을 공급받는, 센서들을 포함하는 무선 네트워크들에 관련된 IEEE 802.15.3, IEEE 802.15.4, IEEE 802.15.6 및 다른 표준들의 중요한 요건들 중 하나는 배터리 수명을 보존하는 것이다. 이것은 환자의 생명이 의료 WSN 응용들에서 무선 링크들의 신뢰성에 의존하는 위급 상황들을 위하여, 또는 발전소(power stations)와 같은, 미션 크리티컬 산업 환경들을 모니터링하기 위해 특히 중요하다. 배터리에 의해 전력을 공급받는 장치들(battery-powered devices)은 전력 소비를 감소시키기 위해 통상적으로 듀티 사이클링(duty-cycling)을 필요로 한다. 듀티 사이클링 장치들은 그것들의 동작 수명의 많은 부분을 수면 상태(sleep state)에서 보내는, 수면 패턴(sleep pattern)을 갖는다. 그러한 장치들은 전송 또는 수신하기 위해 주기적으로 "각성한다"(wake up).

(하기에서 수면 패턴이라 불리는) 수면/각성 패턴(sleep/wake up pattern)은 주기적이고 각각의 시간 주기 동안 장치가 깨어 있는 시간의 길이를 결정한다. 각성 시간 동안에, 장치, 예를 들면 센서는, 그것이 이미 수집한 측정들 또는 다른 데이터를 전송한다. 만약 센서가 각성 시간의 종료 전에 측정의 전송을 완료하면, 그것은 수면으로 되돌아가고 그것을 위해 이미 설정된 수면 패턴을 따른다. 만약 센서가 각성 시간의 종료 전에 데이터 전송을 완료하지 않으면, 그것은 측정의 전송을 계속하고 그 후 수면 패턴에 따라 수면으로 되돌아갈 수 있다. 따라서, 센서에서의 측정의 샘플링 레이트와 측정의 전송 레이트 사이에 차이가 있다(듀티 사이클). 예를 들면 측정 자체가 매우 느리고(예를 들면, 측정 시도에서 수집된 대량의 정보) 정보를 하나씩(on a piece-by-piece basis) 전송하기 위해 많은 전송 시도들을 필요로 하는 시나리오가 있을 수 있다.

우리는 측정들을 위한 주기 또는 랜덤 패턴을 가정할 수 있다. 측정들은 (보다 빠른) 각성 패턴의 보다 적극적인 전송(aggressive transmission)에 의해 보다 빠르게 도착한다. 수면 패턴을 변경하는 주된 이유는 수명 파라미터들에 관하여 보다 최신의(up-to-date) 및 보다 새로운 정보(즉, 보다 빠른 측정들)를 갖기 위한 것이다. 의료 또는 다른 중요한 응용의 본질은 수면 패턴이 얼마나 빠른지를 결정할 것이다. 예를 들면, 심장 응용(cardiac applications)의 경우에 그것은 우리가 다루는 살아 있는 실체(live entity)에 의존한다. 인간의 경우 패턴은 동물의 경우보다 더 느리다(말하자면 극단적인 경우 인간의 경우 4분의 1초 및 쥐의 경우 10분의 1초).

센서 데이터가 적시에 신뢰성 있는 방식으로 네트워크에 전송되도록 하면서 수면 패턴들을 이용하여 배터리 수명을 보존하는 문제를 다룰 필요가 있다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 장치들의 무선 센서 네트워크에서 사용되는 센서로서, 파라미터의 값들을 검출하도록 동작 가능한 감지 수단; 상기 검출된 값들을 고려하여 상기 센서의 적당한 수면 패턴을 결정하도록 동작 가능한 제어 수단; 및 상기 무선 센서 네트워크 내의 또 다른 장치에 상기 적당한 수면 패턴의 표시를 전송하도록 동작 가능한 송신기를 포함하는, 센서가 제공된다.

발명의 실시예들의 센서들은 그들 자신의 수면 패턴을 자율적으로 결정할 수 있을 뿐만 아니라, 그것들은 또한 무선 센서 네트워크 내의 또 다른 장치에 적당한 수면 패턴의 표시를 전송하도록 동작 가능하다. 이 표시는 네트워크의 코디네이터에게 직접 전송되거나(예를 들면 그것의 기능에 영향을 끼치는 데 사용하기 위해) 또는, 적절한 경우에, 그 표시를 또한 사용할 수 있는, 다른 장치들을 통해 간접적으로 전송될 수 있다. 숙련된 독자는 그 표시가 다른 정보와 함께 제공되고 전송될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면 (아마 위급 비트(emergency bit)의 형태로) 위급 상태에 관한 개별 정보가 제공될 수 있다.

바람직하게는 상기 표시는 전송 프레임의 컨트롤 필드에서, 예를 들면 MAC 헤더 내의, 예를 들면 프레임 컨트롤 필드 내의 미리 결정된 값으로 설정된 값을 이용하여 전송된다. 하나의 바람직한 실시예에서, 상기 값은 적당한 미리 정의된 수면 패턴을 지정하기 위해 협력하여 동작하는 하나 이상의 비트일 수 있다. 상기 값은 임의의 전송 프레임의 프레임 컨트롤 필드에 있을 수 있다. 대안적으로, 상기 값은 MAC 프레임 내의 장치 상태 기술(device state description)(아마 상기 표시 및 잠재적으로 경고/위급 상태와 같은 다른 정보를 포함하는, 풀 옥텟(full octet))일 수 있다. 이 경우 MAC 프레임 컨트롤은 장치 상태 기술이 판독 및 해석되어야 하는지 여부를 나타내는 장치 상태 비트를 포함할 수 있다.

바람직한 실시예들에서, 상기 표시의 전송은 상기 센서로부터의 다른 전송들보다 높은 우선 순위를 갖는다. 예를 들면, 상기 표시를 포함하는 전송들은 상기 표시를 포함하지 않는 전송들보다 전에 스케줄링될 수 있다. 대안적으로, 상기 표시는 영구적으로, 또는 특정한 시간 기간 동안 상기 장치로부터 전송되는 모든 전송 프레임들에서 전송될 수 있다.

바람직하게는 상기 센서는 상기 표시의 ACK(acknowledgement)를 수신하도록 동작 가능한 수신기를 더 포함할 수 있다. 여기에 사용된 용어 '동작 가능한'(operable)은 정의된 수단이 사용 중에 지정된 기능을 수행하기로 되어 있다는 아이디어를 포함한다. 상기 ACK는 만약 실패가 있다면 상기 표시의 재전송으로 연결될 수 있다.

상기 검출된 값들은 하나 이상의 임계값과의 비교에 의해, 상기 파라미터의 변화의 검출에 의해 또는 변화율(a rate of change)의 검출에 의해 또는 측정되고 있는 파라미터에 대한 임의의 다른 적당한 방법으로 적당한 수면 패턴을 결정하기 위해 고려될 수 있다. 많은 경우에, 하나 이상의 임계값과의 단순 비교가 적절하다.

따라서 발명의 실시예들에 따른 센서는 메모리 및 상기 검출된 값들을 저장된 임계값과 비교하도록 동작 가능한 처리 수단을 더 포함할 수 있고; 상기 제어 수단은 상기 비교의 결과를 고려하여 상기 센서의 적당한 수면 패턴을 결정하도록 동작 가능하다.

상기 수면 패턴은 실시간으로 정의될 수 있다. 예를 들면 퍼센티지 각성 시간(percentage wake-up time), 전송들 사이의 시간 또는 임의의 다른 적당한 정의에 관하여 적당한 수면 패턴을 산출하기 위해 하나 이상의 상이한 임계값들, 상이한 값들 또는 상이한 변화들 및 변화율들이 사용될 수 있다. 다른 경우에, 미리 정의된 수면 패턴들이 상기 센서에 저장될 수 있다.

바람직한 실시예들에서 임계값들의 수에 의해 결정된 다수의 미리 정의된 수면 패턴들이 있고, 각각의 임계값은 하위 각성 수면 패턴(lower wake-up sleep pattern)과 상위 각성 수면 패턴(higher wake-up sleep pattern) 사이의 경계를 정의한다. 여기서, 하위 각성 수면 패턴은 전송들 사이의 보다 낮은 듀티 사이클 또는 보다 긴 시간을 나타낼 수 있고, 상위 각성 수면 패턴은 전송들 사이의 보다 높은 듀티 사이클 및 보다 짧은 시간을 나타낼 수 있다.

(고갈될 수 있고 따라서 교체 및/또는 재충전을 필요로 하는 상기 센서에 전력을 공급하는 임의의 수단을 의미한다고 생각되는) 배터리가 존재하는 경우, 이것을 반영하도록 상기 수면 패턴을 조정하는 것이 유리할 수 있다. 그렇지 않다면, 상기 제어 수단은 단순히 상기 검출된 값들을 고려하여 적당한 것으로 결정된 상기 수면 패턴을 구현할 수 있다.

바람직하게는 위에 설명된 센서는 배터리를 더 포함하고, 상기 제어 수단은 상기 검출된 값들과 상기 센서의 현재 배터리 충전 둘 다를 고려하여 상기 수면 패턴을 제어하도록 동작 가능하다. 예를 들면, 실제 수면 패턴은 이러한 요인들 및 잠재적으로 다른 요인들의 조합에 기초하여 선택될 수 있다.

유리하게는, 상기 송신기는 추가로 상기 현재 배터리 충전에 관한 정보를, 바람직하게는 상기 제어 수단에 의해 선택된 실제 수면 패턴의 표시의 형태로 전송하도록 동작 가능하다. 이 표시는 상기 적당한 수면 패턴 표시 및 상기 장치의 위급 상태와 같은 임의의 다른 정보와 동일한 방식으로/함께 전송될 수 있다.

따라서 예를 들면, 상기 제어 수단은 허용 가능한 배터리 충전의 미리 정의된 한계에 따라서 적당한 수면 패턴들을 허용하거나 거절할 수 있다. 상기 제어 수단은 임의의 거절된 적당한 수면 패턴을 하위 각성 수면 패턴으로 오버라이드(override)하도록 설계될 수 있다. 바람직하게는, 상기 하위 각성 패턴은 상기 배터리에 의해 허용된 최대 각성 패턴을 갖는 미리 정의된 수면 패턴이다.

만약 배터리 충전의 상이한 레벨들 사이에 둘 이상의 한계가 있고, 상기 제어 수단이 각각의 한계 위보다 그것의 아래에 더 적은 수의 수면 패턴들을 허용한다면, 바람직하게는 한계들의 수는 임계값들의 수와 같다.

또 다른 양태에서, 발명의 실시예들은 센서 및 코디네이터를 포함하는 장치들의 무선 센서 네트워크를 제공하고,

상기 센서는 파라미터의 값들을 검출하도록 동작 가능한 감지 수단; 전송 및 수신 수단; 및 상기 센서의 수면 패턴을 제어하도록 동작 가능한 센서 제어 수단을 포함하고;

상기 코디네이터는 전송 및 수신 수단을 포함하고;

상기 센서는 상기 검출된 파라미터 값들을 고려하여 그 자신의 적당한 센서 수면 패턴을 결정하고, 그것의 적당한 수면 패턴의 표시의 전송에 의해 코디네이터 동작에 영향을 끼치도록 동작 가능하다.

바람직하게는, 그러한 무선 센서 네트워크에서, 상기 센서는 메모리 및 상기 검출된 값들을 저장된 임계값과 비교하도록 동작 가능한 처리 수단을 포함하고; 상기 센서 제어 수단은 상기 비교의 결과를 고려하여 상기 센서의 적당한 수면 패턴을 결정하도록 동작 가능하고; 상기 센서 전송 수단은 상기 적당한 수면 패턴의 표시를 전송하도록 동작 가능하고; 상기 코디네이터는 상기 표시를 그것의 채널 액세스 전략에 반영하도록 동작 가능하다.

또 다른 양태들에서, 발명의 실시예들은 센서 및 코디네이터를 포함하는 장치들의 무선 센서 네트워크 내의 상기 코디네이터를 제공하고, 상기 코디네이터는 상기 센서들과의 통신을 위한 전송 및 수신 수단; 및 상기 센서들 중 특정한 센서에 의해 전송된 적당한 수면 패턴의 표시에 응답하여 상기 코디네이터의 기능에 영향을 끼치도록 동작 가능한 코디네이터 제어 수단을 포함한다.

바람직하게는 상기 코디네이터 제어 수단은 상기 표시 및 상기 특정한 센서의 현재 배터리 충전 레벨에 관한 정보 둘 다를 고려하여 상기 코디네이터의 기능에 영향을 끼치도록 동작 가능하다.

유리하게는, 상기 코디네이터는 상기 표시 및/또는 상기 현재 배터리 충전 레벨에 관한 정보를 그것의 채널 액세스 전략에 반영하도록 동작 가능하다.

하나의 방법 양태에서, 본 발명은 장치들의 무선 센서 네트워크의 센서에서의 방법으로서,

파라미터의 값들을 검출하는 단계;

검출된 값들을 고려하여 적당한 센서 수면 패턴을 결정하는 단계; 및

상기 적당한 수면 패턴의 표시를 상기 무선 센서 네트워크 내의 또 다른 장치에 전송하는 단계를 포함하는 방법과 관련이 있다. 이 방법 양태의 바람직한 특징들은 위에 설명된 센서의 바람직한 특징들에 대응한다.

본 발명의 또 다른 양태들은, 무선 센서 네트워크의 센서 또는 코디네이터의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 센서 또는 코디네이터의 기능을 각각 제공하는 소프트웨어(또는 컴퓨터 프로그램) 및 센서 또는 코디네이터에 의해 실행될 때, 이 장치들에 대하여 설명된 방법들을 수행하는 소프트웨어를 제공한다. 그러한 소프트웨어는 컴퓨터 판독가능 매체에 저장될 수 있다.

이러한 양태들 중 임의의 것의 특징들 및 바람직한 특징들은 자유로이 조합 가능하다.

본 발명의 보다 나은 이해를 위해, 그리고 그것이 어떻게 실행될 수 있는지를 보다 명확히 보여주기 위해, 이제 하기의 도면들이 단지 예로서 참조될 것이다.

도 1은 IEEE 802.15.4 WPAN에서의 프로토콜 계층들을 도시한다.
도 2는 IEEE 802.15.4 WPAN의 가능한 PHY 대역들을 도시한다.
도 3은 WPAN의 스타(star) 및 P2P(Peer-to-Peer) 토폴로지들을 도시한다.
도 4는 비컨 가능한(beacon-enabled) IEEE 802.15.4 WPAN에서의 슈퍼프레임의 구조를 나타낸다.
도 5 내지 8은 IEEE 802.15.4 WPAN에서의 네트워크 장치와 코디네이터 사이의 데이터 전송의 가능한 모드들을 도시한다.
도 9는 IEEE 802.15.4 WPAN에서의 데이터 프레임을 위해 사용되는 프레임 포맷을 도시한다.
도 10은 도 9의 프레임 포맷 내의 프레임 컨트롤 필드의 구조를 나타낸다.
도 11은 도 10의 프레임 컨트롤 필드 내의 프레임 유형 비트들의 가능한 값들의 표이다.
도 12는 무선 센서를 나타내는 개략도이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 센서를 나타내는 개략도이다.
도 14는 변화하는 파라미터 값과 함께 장치로부터 코디네이터로의 신호 흐름을 나타내는 흐름도이다.
도 15는 변화하는 파라미터 값 및 배터리 충전 상태와 함께 장치로부터 코디네이터로의 신호 흐름을 나타내는 흐름도이다.
도 16은 상이한 배터리 레벨들에서 허용되는 수면 패턴들의 도시이다.
도 17은 변화하는 파라미터 값과 함께 장치로부터 코디네이터로의 신호 흐름을 나타내는 다른 흐름도이다.
도 18a 및 18b는 변화하는 파라미터 값 및 배터리 충전 상태와 함께 장치로부터 코디네이터로의 신호 흐름을 나타내는 다른 흐름도이다.
도 19는 본 발명의 실시예에서 제안된 프레임 컨트롤 필드의 새로운 구조를 나타낸다.
도 20은 배터리 상태 고려를 포함하는 본 발명의 실시예에서 제안된 프레임 컨트롤 필드의 새로운 구조를 나타낸다.
도 21은 배터리 상태 고려 및 다른 개선을 포함하는 본 발명의 실시예에서 제안된 프레임 컨트롤 필드의 새로운 구조를 나타낸다.
도 22는 도 21의 프레임 컨트롤 필드 내의 가능한 프레임 유형 비트들을 도시한다.
도 23은 도 21에 도시된 새로운 비트들을 포함하는 프레임 컨트롤 필드의 다른 새로운 구조를 나타낸다.
도 24는 도 22에 대한 것이지만 도 23에 도시된 새로운 비트들을 포함하는 프레임 컨트롤 필드의 다른 새로운 구조를 나타낸다.
도 25는 현재의 IEEE 802.15.4 표준에서의 MAC 프레임의 기본 포맷을 도시한다.
도 26은 IEEE 802.15.4 표준의 현재의 버전의 명령 프레임 식별자 리스트를 도시한다.

본 발명의 실시예들을 설명하기 전에, 가변적인 수면 패턴을 갖는 장치들을 갖는 (피코넷, WPAN 및 MBAN을 포함하는 BAN과 같은) 무선 네트워크들의 설계에 대한 관련성을 갖는 것으로 기대되고 및/또는 현재 개발 중인 IEEE 802.15.6 표준에 대한 기초로서 사용될 수 있는 IEEE 802.15.4의 부분들에 대한 얼마간의 배경 설명이 주어질 것이다.

도 1은 라디오 트랜스시버를 포함하는 PHY 계층 및 그것의 저레벨 제어를 통해 물리적 매체가 액세스되는, 계층화된 OSI 모델에 의하여, 100이라는 라벨이 붙은, IEEE 802.15.4 WPAN의 일반적인 아키텍처를 나타낸다. 도시된 바와 같이, PHY에 대한 2개의 양자택일의 주파수 대역들(101, 102)이 있고, 그것들은 도 2에 도시되어 있다. 보다 낮은 주파수 대역(101)은 868.3MHz에 중심을 둔 단일의 20kb/s 채널, 및/또는 915MHz에 중심을 둔 각각 40kb/s의 10개의 채널을 제공한다. 보다 높은 주파수 대역(102)은 2.44GHz의 주파수에 중심을 둔 각각 250kb/s의 16개의 채널을 제공한다. 이 대역들 중 어느 것이 사용되는지는 지역 규정 요건들(local regulatory requirements)에 의존할 것이다.

PHY에의 액세스는 도 1에서 105에 의해 표시된 MAC(Medium Access Control) 부계층(sublayer)에 의해 제공된다. 이보다 위에, 그리고 그러한 것으로서 WPAN(100)의 외부에는, 다른 네트워크들로부터 WPAN으로의 액세스를 허용하는 LLC(Link Layer Control)가 제공되고; 이것은 IEEE 802.2 표준에 따르거나, 또는 다른 유형일 수 있다. 마지막으로, LLC보다 위의 상부 계층들(upper layers)(109)은 네트워크 구성, 조작, 및 메시지 라우팅을 제공하는 네트워크 계층, 및 의도된 전체 기능을 제공하는 애플리케이션 계층을 포함한다.

MAC 부계층의 하나의 작업은 네트워크 토폴로지를 제어하는 것이다. 스타(star) 및 P2P(peer-to-peer)는 통신 네트워크에서 2개의 알려진 토폴로지들이고, 양쪽 모두는 IEEE 802.15.4를 위해 제공된다. 양쪽 모두의 경우에, 토폴로지는 네트워크 노드의 2개의 기본적인 종류들: 장치들 및 코디네이터들을 구별한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 스타 토폴로지에서는 다수의 장치들(11)이 중심의 코디네이터(10)와 직접 통신하는 반면; P2P 토폴로지에서는, 장치(11A)에 의한 코디네이터와의 통신은 하나 이상의 홉(hop)을 따라서 행해지고 중간의 장치들(11B 및 11C)은 중계기로서 기능한다. 코디네이터는 상부 계층들로의 액세스 포인트(access point)로서 기능하고; WSN의 경우에, 그것은 센서들에 의해 수집된 데이터에 대한 싱크로서 기능한다. 각각의 장치의 통신 범위가 매우 제한될 수 있다고(몇 미터) 가정하면, P2P 토폴로지는 더 큰 영역이 커버될 수 있게 한다. 그 토폴로지는 동적일 수 있고, 장치들이 네트워크에 추가되거나 네트워크를 떠날 때 변화한다.

예를 들어, 산업용 WSN들의 경우에, 스타 네트워크는 움직이는 부분들을 갖는 기계의 단일의 움직이지 않는 아이템 상의 센서로부터의 판독들을 모니터하기에 적합할 수 있다. 다른 한편으로, P2P 토폴로지는 컨베이어 벨트 상의 물체들을 모니터하기 위해 이용될 수 있다.

예를 들어, MBAN들의 경우에, 스타 네트워크는 (병원 침상과 같은) 각각의 환자 위치에, 한 사람의 환자에 있는 장치들과 신호를 교환하는, 코디네이터가 제공되는 경우에 적합할 것이다. P2P는 다수의 환자들에 도움이 되기 위해 하나의 코디네이터가 제공된 경우에(코디네이터는 병원 병동 내의 고정된 지점에 위치할 수 있다) 더 적절한 토폴로지일 것이다. 따라서, 장치들(11)은 일반적으로 이동 가능할 것이지만, 코디네이터는 이동 가능하거나 고정될 수 있다. P2P 네트워크들은 또한 네트워크를 빠르게 셋업 또는 변경하거나, 또는 네트워크의 자기 조직화(self-organisation) 또는 자기 치유(self-healing)를 허용할 필요가 있는 빠르게 변화하는 환경들에 더 적합할 수 있다. 자기 치유는, 예를 들면, 기존의 코디네이터가 고장났거나 네트워크를 떠난 경우에 새로운 코디네이터를 설정하는 것을 포함할 수 있다.

병원 또는 공장과 같은 동일한 위치에, 각각이 그 자신의 코디네이터를 갖는, 다수의 스타 및 P2P 네트워크들이 셋업될 수 있다. 이 경우 상호 간섭을 피하고 데이터의 공유 또는 대조(collation)를 허용하기 위하여 각각의 코디네이터들이 협력하는 것이 필요할 것이다. IEEE 802.15.4에서 그러한 네트워크들은 클러스터들이라 불리고, 그 클러스터들을 위한 전체적인 코디네이터를 설정하기 위해서뿐만 아니라 클러스터들을 분할하고 병합하기 위한 준비가 이루어진다.

WPAN 내의 노드들은 변화하는 능력들의 유닛들에 의해 구성될 수 있다. 일반적으로, 코디네이터의 역할은 다수의 소스들로부터의 전송들을 동시에 처리할 수 있는 트랜스시버 및 어떤 처리 능력을 갖는 비교적 유능한 장치를 요구할 것이다. 이것은 충분한 전력의 준비를 필요로 할 것이다(어떤 경우에, 그것은 주전원 전력을 공급받을(mains powered) 수 있다). 다른 한편으로, 네트워크 내의 다른 장치들은 더 제한된 처리 능력 및 배터리 전력에의 액세스만을 가질 수 있고, 중계기 홉(relay hop)으로서 기능할 수 없을 정도로 단순할 수도 있다. 매우 낮은 전력 이용 가능성을 갖는 장치들은 대부분의 시간 동안 셧다운될 수 있고, 예를 들면 다른 노드에 센서 데이터를 전송하기 위해, 이따금씩만 "각성한다". 따라서, IEEE 802.15.4 표준은 "전기능"(full-function) 장치와 "축소 기능"(reduced function) 장치를 구별한다. 전력의 이용 가능성은 센서들이 신체 또는 장치 내에 이식될 수 있고 따라서 큰 또는 재충전 가능한 배터리를 가질 수 없는 MBAN들 및 다른 WPAN들에 대하여 특별한 문제이다.

IEEE 802.15.4에서 상상되는 WPAN의 2개의 유형들은 비컨 가능한 것(beacon-enabled)과 비컨 가능하지 않은 것(non beacon-enabled)이다.

비컨 가능한 네트워크에서는, 코디네이터는 주기적으로 비컨을 전송하고 장치들은 네트워크에 동기화하고 채널에 액세스하기 위해 그 비컨을 주기적으로 청취한다. 채널 액세스는 코디네이터에 의해 정의되는, 도 4에 도시된 것과 같은 슈퍼프레임 구조를 따른다. 각각의 슈퍼프레임(30)은 2개의 부분들: 활성(active) 및 비활성(inactive)으로 이루어진다. 활성 부분은 경합 액세스 기간(contention access period; CAP)(36)과, 그 다음에 오는 서비스 품질 요건(quality of service requirement)을 갖는 응용들을 위한 보증된 액세스를 위한 옵션의 경합 없는 기간(contention free period; CFP)(37)으로 나누어진다.

도 4에서 수직 분할들(vertical divisions)에 의해 표시된 바와 같이, 슈퍼프레임은 16개의 등간격(equally-spaced) 타임 슬롯들로 나누어지고, 각각의 타임 슬롯은 코디네이터로부터 또는 장치로부터 데이터의 프레임을 운반할 수 있다. 코디네이터에 의해 전송된 비컨 프레임(아래 참조)에 대한 슬롯(31)이 먼저 온다. 이 뒤에, 알려진 CSMA-CA 알고리즘을 따라, 경합 기반으로(on a contended basis) 장치들에 또는 장치들로부터 데이터 전송을 허용하는, 몇몇 슬롯들(32)이 CAP 내에 제공된다. 간단히 말해서, CSMA-CA에서는, 장치가 CAP 내에서 전송하기를 원할 때마다, 그것은 임의 기간(random period) 동안 대기한다. 만약 임의 백오프(random backoff)에 이어, 채널이 아이들(idle)인 것으로 확인되면, 장치는 그의 데이터를 전송한다. 만약 임의 백오프에 이어 채널이 비지(busy)인 것으로 확인되면, 장치는 다시 채널에 액세스하려고 시도하기 전에 다른 임의 기간 동안 대기한다.

다음으로 CFP의 보증된 타임 슬롯들 GTS(33)가 뒤따르고, 도시된 바와 같이, 이들 각각은 둘 이상의 기본 타임 슬롯에 걸쳐 연장할 수 있다. 비활성 기간의 만료 후에, 다음 슈퍼프레임은 다른 비컨 프레임(31)을 전송하는 코디네이터에 의해 마킹된다. 장치들은 슈퍼프레임의 비활성 기간(34) 동안 수면에 들어갈 수 있다. 따라서, 비활성 기간(34)의 길이를 연장함으로써, 장치들의 배터리 전력은 가능한 한 많이 보존될 수 있다.

비컨 가능하지 않은 네트워크에서는, 코디네이터는 (예를 들면, 네트워크 발견을 위해) 그렇게 하도록 요구받지 않는 한 동기화를 위한 비컨을 전송할 필요가 없다. 채널 액세스는 슈퍼프레임 구조에 의해 제한되지 않고 장치들은 비동기적이고, CSMA-CA에 의해 모든 데이터 전송들을 수행한다. 그것들은 센서 - MAC와 같은 특정한 프로토콜에 따라 그들 자신의 수면 패턴(또는 듀티 사이클)을 따를 수 있다.

MBAN 응용에서, 코디네이터는 모니터되고 있는 신체 또는 신체들의 외부에 있다. 그것은 PDA, 휴대폰, 침대 곁 모니터 스테이션일 수 있고, 또는 일시적으로 코디네이터로서 기능하는 충분히 유능한 센서(sufficiently-capable sensor)일 수도 있다. 산업용 WSN에서는, 코디네이터는 PDA, 센서, 랩톱 또는 다른 컴퓨터일 수 있고, 또는 중앙 또는 지역 프로세서일 수도 있다. 위에 언급된 바와 같이, 비컨 가능한 네트워크에서의 코디네이터는 네트워크 장치들에 동기화 및 채널 액세스를 제공하는 것을 맡고 있다. 슈퍼프레임의 시작과 끝도 코디네이터에 의해 정의된다. 코디네이터는 다른 네트워크들에의 잠재적인 통신과, 예를 들면 충전된 배터리들의 쉬운 교체에 의한, 충분한 전력 공급에의 액세스의 2개의 주요 특징들을 갖는다.

도 5 내지 8은 IEEE 802.15.4 네트워크에서 장치와 코디네이터 간의 데이터 전송들을 도시한다. IEEE 802.15.4에서는 3개의 기본적인 전송 유형들이 정의된다:

(ⅰ) 장치(발신자)가 그것의 데이터를 전송하는, 수신자으로서의 코디네이터로의 데이터 전송 - 스타 토폴로지 및 P2P 토롤로지 모두에서 사용됨;

(ⅱ) 장치가 데이터를 수신하는, 발신자로서의 코디네이터로부터의 데이터 전송 - 스타 토폴로지 및 P2P 토롤로지 모두에서 사용됨; 및

(ⅲ) 2개의 피어들 간의 데이터 전송 - P2P 네트워크에서만 사용됨.

도 5 및 6은 각각 비컨 가능한 경우와 비컨 가능하지 않은 경우 모두에 대한 장치(네트워크 장치(11)) 및 코디네이터(코디네이터(10))로부터의 전송을 도시한다. 차이점은 비컨 가능한 경우에는 장치(1)가 CFP에서 CSMA-CA를 이용하여 또는 CAP에서 GTS를 이용하여 데이터(데이터 프레임(42))를 전송하기 전에 코디네이터로부터 비컨 프레임(41)을 수신하기 위해 대기해야 하는 반면, 비컨 가능하지 않은 경우에는 통상적으로 비컨 프레임이 없고 장치(11)가 CSMA-CA를 이용하여 마음대로 데이터 프레임(42)을 전송한다는 것이다. 어느 경우이든, 코디네이터는 옵션의 ACK(acknowledgement) 프레임(43)을 전송하는 것에 의해 데이터의 성공적인 수신을 ACK한다. 이 서로 다른 프레임 유형들은 하기에 더 상세히 설명된다.

만약 수신자가 어떤 이유로 수신된 데이터 프레임을 처리할 수 없다면, 그 메시지는 ACK되지 않는다. 만약 발신자가 어떤 기간 후에 ACK를 수신하지 않는다면, 그것은 전송이 성공하지 못했다고 추정하고 프레임 전송을 재시도한다. 만약 몇 번의 재시도 후에도 ACK가 수신되지 않는다면, 발신자는 트랜잭션을 종료하기로 또는 다시 시도하기로 결정할 수 있다. ACK가 요구되지 않는 경우, 발신자는 전송이 성공했다고 추정한다.

도 7 및 8은 코디네이터(10)로부터 장치(11)로의 데이터 전송을 도시한다. 코디네이터가 비컨 가능한 WPAN(도 7)에서 장치에 데이터를 전송하기를 원할 경우, 그것은 비컨 프레임(41)에서 데이터 메시지가 펜딩(pending)임을 나타낸다. 장치는 주기적으로 비컨 프레임을 청취하고, 만약 메시지가 펜딩이면, CSMA-CA에 의해 데이터를 요청하는 데이터 요청(MAC 명령)(44)을 전송한다. 코디네이터(10)는 ACK 프레임(43)을 전송함으로써 데이터 요청의 성공적인 수신을 ACK한다. 펜딩 데이터 프레임(42)은 그 후 슬롯된(slotted) CSMA-CA를 이용하여 전송되거나, 또는 가능하다면, ACK 후에 즉시 전송된다. 장치(11)는 옵션의 ACK 프레임(43)을 전송함으로써 데이터의 성공적인 수신을 ACK할 수 있다. 트랜잭션이 이제 완료된다. 데이터 트랜잭션이 성공적으로 완료되면, 메시지는 비컨 내의 펜딩 메시지들의 리스트로부터 제거된다.

비컨 가능하지 않은 경우에, 특정한 장치(11)에 대하여 준비된 데이터를 갖는 코디네이터(10)는, 경합 기반으로 전송되는, 관련된 장치로부터의 데이터 요청(44)을 기다려야 한다. 그러한 요청을 수신하면, 코디네이터는 ACK 프레임(43)을 전송하고(이것은 또한 준비된 데이터가 없다는 것(만일 그런 경우라면)을 표명(signify)하기 위해 이용될 수 있다), 그 다음으로 데이터 프레임(42)을 전송하고, 이에 응답하여 장치(11)는 회답으로 다른 ACK 프레임(43)을 전송할 수 있다.

간단함을 위하여, 상기 절차들은 장치와 코디네이터 사이의 데이터 전송의 상기 경우들 (ⅰ) 및 (ⅱ)만을 고려하였지만, P2P 네트워크에서는, 이미 언급된 바와 같이, 데이터 전송들은 일반적으로, 하나 이상의 중간 노드들을 수반하는, 메커니즘 (ⅲ)을 통해 일어날 것이고, 이것은 충돌의 위험 및 관련된 지연을 증가시킨다.

도 5 내지 8에서 지시된 바와 같이, IEEE 802.15.4 네트워크에서의 통신은 4개의 상이한 유형의 프레임들을 수반한다:

― 비컨들을 전송하기 위해 코디네이터에 의해 사용되는, 비컨 프레임(41)

― 데이터의 모든 전송들을 위해 사용되는, 데이터 프레임(42)

― 성공적인 프레임 수신을 확인하기 위해 사용되는, ACK 프레임(43)

― 데이터 요청들과 같은 모든 MAC 피어 엔티티 컨트롤 전송들을 처리하기 위해 사용되는, MAC 명령 프레임(44)

4개의 프레임 유형들 각각의 구조는 상당히 유사하고, 예로서 데이터 프레임(42)에 대하여 도 9에 도시되어 있다. 도면에서, 2개의 수평 막대들은 각각 MAC 부계층 및 PHY 계층을 나타낸다. 시간은 왼쪽에서 오른쪽으로 진행하고, 프레임의 각각의 연속적인 필드의 시간 길이는 관련된 필드의 위에 표시되어 있다(옥텟으로). 모든 프레임은 특정한 순서의 필드들의 시퀀스로 이루어지고, 이것들은 왼쪽에서 오른쪽으로 PHY에 의해 그것들이 전송되는 순서로 도시되어 있고, 가장 왼쪽 비트는 시간에서 첫째로 전송된다. 각각의 필드 내의 비트들은 0(가장 왼쪽 및 최하위(least significant))으로부터 k-1(가장 오른쪽 및 최상위(most significant))까지 번호가 매겨지고, 필드의 길이는 k 비트이다.

데이터 프레임(42)을 통해 전송될 데이터는 상부 계층들로부터 시작된다. 데이터 페이로드는 MAC 부계층에 전달되고 MAC 서비스 데이터 유닛(MSDU)이라 불린다. MAC 페이로드의 앞에 MAC 헤더(Header) MHR이 놓이고(prefixed) MAC 푸터(Footer) MFR이 추가된다(appended). MHR은 프레임 컨트롤 필드(50)(하기 참조), 데이터 시퀀스 넘버(DSN), 어드레싱 필드들, 및 옵션의 보조 보안 헤더(auxiliary security header)를 포함한다. MFR은 16비트 프레임 체크 시퀀스 FCS로 구성된다. MHR, MAC 페이로드, 및 MFR은 함께 MAC 데이터 프레임(즉, MPDU)을 형성한다. MPDU는 PHY 페이로드가 되는 PHY 서비스 데이터 유닛(PSDU)으로서 PHY에 전달된다. PHY 페이로드의 앞에, 프리앰블 시퀀스(Preamble Sequence) 및 프레임 시작 구분 기호(start-of-fram delimiter) SFD를 포함하는, 동기화 헤더 SHR, 및 옥텟으로 PHY 페이로드의 길이를 포함하는 PHY 헤더 PHR이 놓인다. 프리앰블 시퀀스 및 데이터 SFD는 수신기가 심벌 동기화를 달성하는 것을 가능하게 한다. SHR, PHR, 및 PHY 페이로드는 함께 PHY 패킷(PHY 프로토콜 데이터 유닛 PPDU)을 형성한다.

비컨 프레임(41), ACK 프레임(43) 및 MAC 명령 프레임(44)은, MAC 페이로드는 각각의 경우에 상이한 기능을 갖고, ACK 프레임은 MAC 페이로드를 갖지 않는 것을 제외하면, 유사한 구조를 갖는다. 또한, 비컨 프레임(41), ACK 프레임(43) 및 MAC 명령 프레임(44)은 상부 계층들의 관련 없이 MAC 부계층에서 시작된다.

각각의 프레임 유형에서 사용되는 프레임 컨트롤 필드(50)는 도 10에 더 상세히 도시되어 있다. 그것은 도시된 바와 같이 상이한 목적의 서브필드들(subfields)에 할당된 16개 비트로 이루어진다. 특히, 필드의 처음 3개 비트는 프레임 유형(Frame Type)(51): 비컨 프레임(41), 데이터 프레임(42), ACK 프레임(43), 또는 MAC 명령 프레임(44)을 나타낸다. 프레임 유형이 표명되는 방법은 도 11에 도시되어 있다. 프레임 유형 비트들(51)의 다음에는 MAC 부계층에 의해 보안이 인에이블(enable)되는지 여부를 나타내는 단일 비트 보안 인에이블(Security Enabled) 서브필드(52)가 있다. 이것 다음에는 발신자가 수신자를 위한 더 이상의 데이터를 갖는지를 나타내는 프레임 펜딩(Frame Pending) 서브필드(53)가 있다. 다음은 수신자로부터 ACK가 요청되는지를 나타내는 Ack 요청(Ack. Request) 서브필드(54)이다. 이것 뒤에는 어드레싱 목적을 위해 사용되거나 현재 IEEE 802.15.4 명세에서 예비(reserve)되는 어떤 또 다른 서브필드들(55 내지 59)이 따라온다.

언급된 바와 같이, 도 11은 값들 100 및 101은 IEEE 802.15.4 명세에서 사용되지 않는다는 것을 나타내는, 프레임 유형 서브필드(51)에 대한 가능한 비트 값들의 표이다.

본 발명의 배경을 개설하였고, 이제 관련 선행 기술이 언급된다. 도 12는 센서 노드(61)를 이용하여 파라미터를 측정하고 그것을 라디오 회로(62)를 이용하여 다른 장치에 전송하는 선행 기술 센서(60)를 나타내는 개략도이다.

본 발명의 실시예들은 센서 및 그러한 센서를 포함하는 WSN을 제공하고 여기서 센서는 그 자신의 수면 패턴을 선택할 뿐만 아니라, 이 수면 패턴을 WSN 내의 또 다른 장치에 전송한다.

도 13은 그 자신의 수면 패턴을 선택할 수 있는 무선 센서의 개략도이다. 도시된 무선 센서는 파라미터를 측정한다. 예를 들면, 도 13에 도시된 센서(60)는 센서 노드(61)를 이용하여 환자의 혈당 수치(glucose level)와 같은 생명 파라미터를 측정할 수 있다. 혈당 수치(또는 다른 파라미터)는 룩업 테이블(look-up table)로서 센서 메모리(63)에서 이용 가능한 다수의 미리 정의된 임계값들(thresholds)과 비교될 수 있다. 이 비교는 새로운 수면 패턴이 선택되고 그에 따라서 라디오 회로(62)가 미조정되게(fine tuned) 할 수 있다. 일단 새로운 수면 패턴이 선택되면, 센서는 그 수면 패턴의 표시를 P2P 네트워크 내의 다른 센서와 같은 또 다른 장치에 또는 스타 네트워크 내의 코디네이터에 직접 전송한다.

이 시나리오에서 및 다음의 시나리오에서, 수면 패턴의 변경을 나타내는 전송된 메시지들은 그 자체가 높은 우선 순위를 갖는다고 생각되고 따라서 다른 전송들, 예를 들면 장치로부터의 일상적인(routine) 및 유지 관리(maintenance) 전송들 또는 어떤 이유로 수면 패턴의 표시를 포함하지 않는 데이터 전송들보다 높은 우선 순위가 주어진다.

실시예들의 설명은 직접적이든 간접적이든 코디네이터로부터 센서로의 어떤 ACK도 언급하지 않고 본 출원에서 도시된 신호 흐름도들은 그것들을 포함하지 않는다. 그러나, 수면 패턴 메시징은 다른 데이터/정보보다 더 높은 우선 순위를 갖기 때문에, 수면 패턴 메시지들은 바람직하게는 ACK되고, 이상적으로는 수면 패턴의 임의의 변경 전에 ACK된다.

하기의 표 1은 WSN 내의 장치들의 상이한 긴급 레벨들에 기초한 상이한 적당한 미리 정의된 수면 패턴들의 예를 제공한다. 예를 들면, MBAN과 같은 의료 용도를 위한 네트워크에서, 낮은 듀티 사이클 수면 패턴은 비의료 장치들(예를 들면, WSN에 연결되어 있는 의사의 PDA, 환자의 시계 또는 휴대폰)을 위해 이용될 수 있다. 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 그러한 비의료 장치들은 따라서 가장 긴 수면 시간 또는 퍼센티지 수면 시간을 갖는다. 이 수면 패턴의 표시는 WSN을 통하여, 예를 들면 전송 프레임의 프레임 컨트롤 필드 내의 긴급 비트들(urgency bits)로서 전송될 수 있다. 이 예에서, 비의료 장치는 긴급 비트들 00을 갖는 것으로 도시되어 있다. 표 1은 약간 더 높은 듀티 사이클을 갖고 긴급 비트들 01에 의해 나타내어진 정상 의료 수면 패턴을 갖는 정상 상황의 의료 장치를 보여준다. 그러한 의료 장치에서 약간 비정상의 상황에 따라 듀티 사이클은 다시 약간 증가되고 긴급 비트는 10이다. 마지막으로, 위급 상황의 의료 장치에 대해서는 듀티 사이클의 극적인 증가 및 연속적인 각성(continuous wake up)이 있다. 긴급 비트들 11은 이러한 위급 상황을 나타내기 위해 사용된다. 의료 장치에 대한 이 예에서 정상 상황과 약간 비정상의 상황 사이 및 약간 비정상의 상황과 위급 상황 사이의 전이는 측정된 파라미터들이 각각의 경우에 각각의 임계값을 가로지르는 것에 의해 유발될 수 있다. 숙련된 독자라면 이해하는 바와 같이, 만약 파라미터가 허용 가능 범위의 값들을 갖고, 다수의 임계값들에 의해 정의된 허용 가능 범위의 어느 쪽으로든 점점 더 허용할 수 없는 값들을 갖는다면, 증가된 긴급은 파라미터가 떨어지는 것 또는 올라가는 것 또는 양쪽 모두에 달려 있을 수 있다.

의료 및 비의료 장치들의 혼합 네트워크에서의 수면 패턴들 및 긴급 비트들

긴급 비트들	긴급 레벨	수면 패턴
00	비의료 장치	가장 긴 수면 시간
01	정상의 상황의 의료 장치	정상의 의료 수면 패턴
10	약간 비정상의 상황의 의료 장치	듀티 사이클이 약간 증가
11	위급 상황의 의료 장치	극적으로 증가하거나 연속적인 각성

또한, 위에 간단히 설명된 바와 같이, 몇몇 실시예들에서 수면 패턴의 변화는 시간에 걸쳐 파라미터 값들의 또는 시간에 걸쳐 파라미터 값들의 변화율의 변화 또는 임의의 다른 적당한 기준에 의해 유발될 수 있다. 예를 들면, 맥박수(pulse rate)의 매우 빠른 변화는 생리적인 상황보다는 병적인 부정맥(pathological arrhythmia)에 기인할 수 있고 따라서 변화율을 고려하여 변경된 수면 패턴을 유발하기에 적당할 수 있다.

표 1의 비트 값들은 모든 장치들에 대하여 고정되고 그것들의 해석은 코디네이터 또는 컨트롤러에게 알려져 있다. 이 비트들 또는 어떤 다른 표시는 스케줄링 또는 다른 리소스 관리를 위해 컨트롤러에 의해 이용될 수 있다.

예를 들면, 채널 액세스를 고려할 때, 코디네이터는 네트워크 내의 상이한 센서들에 그들의 수면 패턴 및 전송된 수면 패턴의 표시에 따라서 우선 순위를 할당할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 비의료 장치, 정상 상황의 의료 장치 및 위급 상황의 의료 장치를 포함하는 네트워크에서, 코디네이터는 상기 표시를 이용하여 비의료 장치에 낮은 우선 순위를, 정상 상황의 의료 장치에 중간 우선 순위를, 위급 상황의 의료 장치에 최고 우선 순위를 할당할 수 있다.

도 14는 측정된 생명 파라미터 또는 다른 파라미터에 의해 정의된 점점 더 비정상 상황이 주어질 때 장치로부터 코디네이터로의 신호 흐름을 나타내는 흐름도이다. 처음에 센서는 혈당 수치와 같은 생명 파라미터를 측정하고(S100) 그것을 미리 정의된 임계값들과 비교한다(S101). 이 비교에 응답하여 그것은 그 자신의 수면 패턴을 변경하고(S102) 비교의 결과의(따라서 수면 패턴의) 표시를 긴급 비트들 10으로서 코디네이터에 전송한다(S103). 비록 그 전송은 이 도면 및 다음의 도면들에서 센서로부터 코디네이터로 직접 도시되어 있지만, 숙련된 독자는 P2P 네트워크에서, 그 전송은 다른 노드들을 통해 간접적일 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일단 코디네이터가 센서로부터 수면 패턴의 표시를 수신하면, 그것은 이것을 그것의 채널 액세스 전략 및/또는 다른 리소스 관리에 반영할 수 있다(S104). 그 후, 환자는 혈당 수치와 임계값들의 비교에 의해 정의된 바와 같이 위급 상황으로 들어간다(S105). 이 단계에서 센서는 그것의 수면 패턴을 보다 높은 주파수 모드로 변경한다. 그것은 또한 비트 11을 이용하여 심각한 위급 상황의 표시를 코디네이터에 전송하고(S106) 코디네이터는 다시 그 새로운 수면 패턴을 그것의 리소스 관리에 반영한다(S107). 비록 여기서는 리소스 관리가 구체적으로 언급되지만, 상이한 상황들에서는 코디네이터의 상이한 기능들이 영향을 받을 수 있다. 예를 들면 코디네이터는 수면 패턴의 변경의 결과로서 센서 모니터링 유닛에 또는 네트워크 내의 다른 장치에 메시지를 전송할 수 있다.

표 1 및 도 14는 자기 수면 미조정(self sleep fine-tuning)과 관련이 있지만 장치의 배터리 레벨은 고려하지 않는다. 이 실시예에서, 센서는 파라미터 값들에만 기초하여 적당한 수면 패턴을 결정하고 구현한다. 따라서, 의료 상황이 유력한 요소(predominant factor)이고 시나리오는 의료 보조자(medical assistant)가 존재할 때의 집중 치료 상황에 특히 적합하다.

다른 실시예들에서, 수면 패턴은 파라미터 값들뿐만 아니라 배터리 체크에도 의존하여 센서에 의해 자율적으로 수정될 수 있다. 도 15는 변화하는 파라미터 값 및 변화하는 배터리 충전 상태와 함께 장치로부터 코디네이트로의 신호 흐름을 나타내는 흐름도이다. 그러한 실시예는 긴급 의료 보조가 이용 가능하지 않을 수 있는 의료 원격 측정 응용들(medical telemetry applications)에서 유용할 수 있다.

그러한 경우에 보다 높은 듀티 사이클 수면 패턴들로 인해 배터리 충전의 완전한 고갈에 이르지 않도록 하기 위해 수면 패턴 제어에 배터리 레벨이 포함될 수 있다. 이러한 발명 실시예들에서, 측정된 파라미터 값들이 주어질 때 적당한 보다 높은 듀티 사이클 패턴은 배터리 레벨이 적절한 경우에만 선택될 수 있다. 만약 그렇지 않다면, 현재의 수면 패턴이 유지된다. 동등하게, 배터리 레벨이 떨어지면, 측정된 파라미터 값들에 대하여 적당한 것보다 더 낮은 듀티 사이클이 선택될 필요가 있을 수 있다.

이 시나리오에서, 위급 데이터는 여전히 전송되지만 이상적인 것보다는 느린 페이스(pace)로 전송된다. 이것은 장치가 예를 들면 이식된 것(implant)이고 배터리가 즉시 교체될 수 없는(배터리에 접근하기 위해 수술이 필요하기 때문에) 경우에 특히 유리하다. 그것은 또한 비이식 응용들에서 배터리를 교환하기 위해 야간에 간호 또는 의료 보조자가 주위에 없는 경우의 원격 측정 위급 응용들에 대하여 유익하다. 예를 들면, 자택 치료(homecare)에서는 보다 높은 정확도 및 샘플링 레이트로 야간에만 몇 분 동안 일어날 수 있는 임의의 드문 의료 또는 위급 상황들을 코디네이터에서 계속 기록하는 것이 유리하다. 도 15는 혈당 수치와 같은 생명 파라미터가 올라갈 때 위급 상태로의 진행을 보여준다. 정상 상황의 의료 장치로부터 시작하여, 표 1에 제시된 긴급 비트들 01이 하나 이상의 전송 프레임들에서 전송될 수 있다. 전과 같이 파라미터가 측정되고(S200) 임계값들과 비교된다(S201). 만약 생명 파라미터가 미리 정의된 임계값들과 비교하여 약간 비정상의 상황을 나타낸다면, 다음 단계는 배터리 레벨이 더 빈번한 각성(보다 높은 레벨 듀티 사이클)을 허용하는지를 체크하는 것이다(S202). 만약 그렇지 않다면, 수면 패턴은 변경되지 않고(S203) 배터리 비트들 00으로 배터리 로우(battery low) 신호가 코디네이터에 전송되고, 이 단계에서 코디네이터는 센트럴 케어(central care)에 경보를 전송할 수 있다(S204). 만약 배터리 레벨이 수면 패턴의 변경을 허용한다면, 장치는 그것의 패턴을 변경하고(S205) 하나 이상의 전송 프레임들에서 새로운 긴급 비트들을 코디네이터에 전송한다(S206). 이 단계에서 코디네이터는 새로운 수면 패턴을 그것의 채널 액세스 전략 및/또는 다른 기능들에 반영할 수 있다(S207). 다음 국면에서, 환자는 생명 파라미터가 다른 임계값을 가로지르는 것에 의해 정의된 위급 상황에 들어간다(S208). 이 단계에서 센서는 다시 더 빈번한 각성들이 배터리 레벨에 의해 허용되는지를 체크한다(S209). 만약 그렇지 않다면, 배터리 비트들 00으로 배터리 로우 경고가 코디네이터에 전송되고(S210) 코디네이터는, 예를 들면, 배터리를 교환하기 위한 신호 또는 경보를 전송하기 위한, 배터리에 대한 조치를 취할 수 있다(S211). 만약 배터리 레벨이 더 빈번한 각성을 허용한다면, 센서는 그것의 수면 패턴을 다시 변경하고(S212) 비트들 11을 이용하여 심각한 위급 상황의 표시를 코디네이터에 전송한다(S213). 코디네이터는 그 후 다시 수면 패턴 변경을 그것의 기능에 반영한다(S214).

도 16은 배터리 충전의 레벨들에 수면 패턴들을 연관시키는 하나의 방법을 증명하는 표(70)이다. 퍼센티지 충전은 각각이 25%의 범위를 갖는 4개의 상이한 레벨들로 나누어진다. 대안적으로 더 적은 또는 더 많은 레벨이 선택될 수 있고 스케일은 선형적으로 나누어질 필요는 없다. 예를 들면, 최고 충전 레벨(top charge level)은 예를 들면 50 내지 100%일 수 있고 다른 충전 레벨들은 더 작은 범위를 커버할 수 있다. 도 16에는, 배터리 비트들이 제시되어 있다. 이것들은 현재 배터리 충전에 관한 정보를 코디네이터 쪽으로 전송하는 수단이다. 긴급 비트의 경우와 같이, 2개의 비트가 사용되어, 배터리 충전을 4개의 레벨로 나누는 것을 허용한다. 여기서 제시된 수면 패턴들은 단일 부류의 장치에 대한 것일 수 있고 따라서 이전의 도면들 및 표 1에서 제시된 의료 및 비의료 장치들로 나누는 것은 더 이상 적용될 수 없다. 최저 레벨 L1(0 내지 25%)은 임계값 비교의 결과가 무엇이든 낮은 각성 수면 패턴(low wake up sleep pattern)만을 허용하고; 제2 레벨 L2는 중간 각성 패턴(medium wake up pattern)을 추가로 허용하고; 제3 레벨 L3(50 내지 75%)는 더 높은 각성 레벨을 추가로 허용하고 최고 레벨 L4(75 내지 100%)는 모든 가능한 수면 패턴들이 허용되도록 연속적인 각성 패턴을 추가로 허용한다. 따라서 배터리 충전 레벨은 필요하다면 파라미터 값들에 따라서 선택된 수면 패턴을 오버라이드한다(override). 실용성의 이유로, 레벨들 L1 내지 L4 사이의 한계들(limits)과 파라미터들에 대하여 정의된 임계값들 사이에는 일대일 대응 관계가 있고, 따라서 2개의 레벨들 사이에 교차되는 각각의 한계는 허용 가능한 수면 패턴들에 대한 경계를 하나의 미리 정의된 수면 패턴만큼 이동시킨다.

도 17은 배터리 레벨을 고려하지 않고 수면 패턴을 선택하는 장치의 다른 방법을 나타내는 흐름도이다. 여기서는, 도 16의 경우와 같이, 하나의 부류의 장치만이 고려된다. 장치는 아래 제시된 표 2에 따라서 설정되는 긴급 비트들을 갖는 프레임들을 전송한다.

동일한 유형의 장치들의 네트워크에서의 수면 패턴들 및 긴급 비트들

긴급 비트들: u1u2	긴급 레벨	상위 임계값	수면/각성 패턴
00	정상 상황의 장치	Th1	정상 수면/각성 패턴; 가장 긴 수면 시간, 매우 낮은 듀티 사이클
01	약간 비정상의 상황의 장치	Th2	약간 비정상의 수면/각성 패턴; 듀티 사이클이 약간 증가
10	비정상 상황의 장치	Th3	비정상의 수면/각성 패턴; 듀티 사이클의 증가
11	위급 상황의 장치		위급 상황 수면/각성 패턴; 듀티 사이클의 극적인 증가 또는 연속적인 각성

정상 상황에서 장치는 긴급 비트들 00을 전송한다(파라미터 값들이 임계값 TH1까지). 약간 비정상에서(측정된 파라미터가 Th1으로부터 임계값 TH2까지), 긴급 비트들 01이 전송된다. 측정된 파라미터가 임계값 Th3까지의 비정상 상황에서 장치는 긴급 비트들 10을 전송한다. Th3 이상의 측정된 파라미터 값에서, 장치는 위급 상황에 있고 긴급 비트들 11을 전송한다.

도 17의 처음에 센서가 정상 수면 패턴을 갖는 정상 상황에서 시작한다고 가정하여, 코디네이터에 전송되는(S300) 수면 패턴 표시는 00 메시지이다. 센서는 그 후 이전에 언급된 임계값들과 대조하여 생명 파라미터를 측정한다(S301). 만약 장치가 정상 상황에 있다면, 수면 패턴에 변화가 없다(S302). 임계값들 Th1와 Th2 사이에 정의된 약간 비정상의 상황에서, 센서는 듀티 사이클의 증가를 겪고(S303) 새로운 수면 패턴의 표시가 비트들 01로서 코디네이터에 전송된다(S304). 코디네이터는 그 후 적절히 응답하는데, 예를 들면 그것의 채널 액세스 전략을 변경한다(S305). 만약 파라미터가 제2 임계값과 제3 임계값 Th2와 Th3 사이에 있다면 장치는 비정상 상황에 있고 수면 패턴은 다시 변경되고(S306) 긴급 비트들 10을 갖는 대응하는 메시지가 코디네이터에 전송된다(S307). 코디네이터는 그 후 다시 이것을 그것의 리소스 관리에 반영한다(S308). 마지막으로, 측정된 파라미터가 파라미터 Th3보다 높다면, 장치는 위급 상황에 있고 그것의 듀티 사이클을 다시 최고 레벨로 변경하고(S309), 긴급 비트들 11을 갖는 메시지를 코디네이터에 전송하고(S310), 코디네이터는 다시 그것의 채널 액세스 전략을 변경한다(S311).

도 18a 및 18b는 이제 배터리 레벨이 고려되는 도 17에 대응하는 흐름도이다. 이 실시예에서는, 배터리 비트들 및 긴급 비트들이 센서로부터 전송된다. 긴급 비트들은 파라미터 측정만을 고려하는 적당한 수면 패턴을 나타내고 배터리 비트들은, 최대 허용 수면 패턴인, 동작 중의 실제 수면 패턴을 나타낸다. Th1보다 높은 임의의 파라미터 값들에 대한 프로세스의 끝에, 일단 배터리 및 긴급 비트들이 전송되었다면, (코디네이터에서) 전송된 비트들에 기초한 추가적인 배터리 레벨 체크가 있을 수 있다. 만약 배터리가 낮다면 이것은 보고되고, 만약 아니라면 채널 액세스가 조정된다. 이해의 용이함을 위하여, 이러한 단계들은 각각의 파라미터 레벨에 대한 단계들과 함께 고려된다. 절차의 처음에 우리는 센서가 정상 수면-각성 패턴 및 완전히 충전된 배터리를 갖는다고 가정하고, 00으로 설정된 긴급 비트들 및 11로 설정된 배터리 비트들을 갖는 대응하는 메시지가 코디네이터에 전송된다(S400). 센서는 그 후 생명 파라미터가 Th1보다 낮은지, Th1과 Th2 사이에 있는지, Th2와 Th3 사이에 있는지, 또는 Th3보다 높은지를 확인하기 위해 생명 파라미터를 측정한다(S401). 만약 파라미터가 Th1보다 낮다면 수면 각성 패턴에서 어떤 변화도 요구되지 않고(S402) 배터리 레벨이 로우 상태(low state)로 떨어지지 않는 한 어떤 새로운 메시지도 요구되지 않는다. 이 시나리오는 흐름도에서 고려되지 않는다.

만약 생명 파라미터가 제1 임계치와 제2 임계치 Th1과 Th2 사이에 있다면, 배터리 레벨이 체크된다(S403). 만약 이 파라미터 측정에 의해 선택된 수면 패턴이 도 16의 표에 따라 제어 수단에 의해 허용된다면(즉, 이 경우, 만약 배터리 충전이 L2, L3 또는 L4에 있다면) 수면 패턴은 약간 비정상으로 변경되고(S404), 이것을 반영하도록 01로 설정된 긴급 비트들 및 01로 설정된 배터리 비트들을 갖는 메시지가 코디네이터에 전송된다(S404). 코디네이터에서, 채널 액세스가 적절히 조정된다. 만약 배터리가 L1에 있다면, 수면 패턴의 변화는 없을 수 있지만 파라미터의 상승을 고려하여(예를 들면 약간 비정상의 상황) 적당할 수면 패턴 01을 나타내는 메시지가 전송되고 배터리 레벨 L1이 주어졌을 때 실제 수면 패턴을 반영하도록 배터리 비트들은 00으로 설정된다. 코디네이터는 로우 배터리를 보고한다. 만약 그렇지 않다면 수면 패턴은 배터리에 의해 허용되는 최대 레벨로 변경되고 01로 설정된 긴급 비트들 및 최대 허용 수면-각성 패턴에 대한 배터리 레벨인 xx로 설정된 배터리 비트들을 갖는 메시지가 코디네이터에 전송된다. 이 단계는 여기서 중복(redundant)일 수 있는데, 그 이유는 만약 배터리 레벨이 비정상의 상황의 장치에 대하여 적절하다면(ok), 이것은 레벨 L2, L3 및 L4를 커버할 것이기 때문이다. 따라서, 유일한 다른 대안은 배터리 레벨이 L1인 것이다. 그럼에도 불구하고 다른 파라미터 레벨들과 조화하여 구현의 용이함을 위해 배터리 레벨이 L1인지를 묻는 단계가 여기에 포함될 수 있고, 또는 그것이 생략될 수 있다.

만약 파라미터가 Th2와 Th3 사이에 있고 따라서 장치가 비정상 상황에 있다면, 배터리 레벨이 허용 가능한지를 확인하기 위해 배터리 레벨이 다시 체크된다(S409). 만약 그것이 요구되는 수면 패턴 변화에 대하여 적절하다면(ok)(즉 L3 또는 L4에 있다면), 장치는 비정상 수면 패턴으로 변경하고(S410) 10으로 설정된 긴급 비트들 및 10으로 설정된 배터리 비트들을 갖는 메시지가 코디네이터에 전송한다(S411). 채널 액세스가 조정된다(S412). 다른 한편으로 만약 배터리 레벨이 L1에 있다면, 수면 패턴의 어떤 변경도 이용 가능하지 않고 측정된 파라미터에 대한 적당한 수면 패턴 10을 반영하는 긴급 비트들을 갖는 메시지가 코디네이터에 전송된다(S413)(그러나 이것은 이용 가능하지 않다). 배터리 비트들은 00으로 설정된다. 배터리 로우가 보고된다(S414). 만약 그렇지 않다면, (만약 배터리 레벨이 L2에 있다면), 수면 패턴은 배터리(01)에 의해 허용되는 최대로 변경되고(S415) 10으로 설정된 긴급 비트들 및 최대 허용 수면 패턴인 xx로 설정된 배터리 비트들을 갖는 메시지가 전송되고(S416) 채널 액세스가 조정된다(S417). 여기서 남아 있는 유일한 가능성은 레벨 L2(01)인데 그 이유는 다른 레벨들은 이전의 단계들에서 설명되기 때문이다.

마지막으로, 만약 파라미터가 임계값 Th3보다 위에 있다면, 배터리 레벨이 체크된다(S418). 그것은 레벨 L4에 있는 경우에만 적절하다(ok). 이 경우 장치는 그 자신의 수면 패턴을 위급으로 변경하고(S419) 11로 설정된 긴급 비트들 및 11로 설정된 배터리 비트들을 갖는 메시지를 전송한다(S420). 채널 액세스가 조정된다(S421). 다른 한편으로 만약 배터리 레벨이 L1에 있다면, 11로 설정된 긴급 비트들 및 00으로 설정된 배터리 비트들을 갖는 메시지가 전송된다. 배터리 로우가 보고된다(S423). 어떤 다른 레벨(여기서 L2 및 L3)에 대해서는 수면 패턴은 허용되는 최대 패턴으로 변경되고(S424) 11로 설정된 긴급 비트들 및 최대 허용 수면 패턴인 xx로 설정된 배터리 비트들이 전송된다(S425). 전과 같이 채널 액세스가 조정된다(S426).

대안적으로, 배터리 비트들은 파라미터 측정과는 개별적으로, 순전히 배터리 레벨의 표시자로서 이용될 수 있고 긴급 비트들은 파라미터의 값을 표시하고, 따라서 배터리 레벨을 고려하지 않고 센서에 적당한 수면 패턴을 표시하기 위해 이용될 수 있다. 코디네이터는 그 후 이러한 값들의 조합으로부터 선택된 실제 수면 패턴을 산출할 수 있다. 이 대안은 배터리 레벨들에 관한 보다 상세한 정보를 제공하지만 코디네이터에서 증가된 처리 능력을 요구한다.

하기의 설명은 상기 시그널링 프로토콜들이 IEEE 802.15.4에 기초하여 현재 개발중인 IEEE 802.15.6과 같은 통신 표준 내에서 어떻게 수용될 수 있는지를 나타낸다. 도 19는 긴급 메시지가 다른 것들보다 높은 우선 순위를 할당받도록 메시지의 긴급을 나타내는 IEEE 802.15.4 포맷의 변형을 설명한다. 2개의 긴급 비트들(81, 82)이 도시되어 있고 센서의 변화하는 수면 패턴을 코디네이터에 나타내기 위해 데이터 프레임, ACK 프레임 및 MAC 명령 프레임 중 임의의 것 또는 모두와 같은 전송 프레임들에서 센서에 의해 사용된다.

이러한 긴급 비트들은 또한 예를 들면 표 1에 제시된 것과 같은 비의료 장치와 의료 장치를 구별하기 위해 또는 산업 응용에서 상이한 장치 유형들 사이의 우선 순위의 차별화를 위해 사용될 수 있다. 도 10과의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 프레임 컨트롤은 하나의 옥텟만큼 확장되고 여기서 2개의 비트들(긴급 U1 및 긴급 U2)은 상이한 수면 패턴들에 대응하는 상이한 긴급 레벨들을 표시하기 위해 사용된다.

도 20은 배터리 레벨에 관련된 2개의 비트들(83, 84)을 추가로 포함한다. 이 비트들은 배터리 레벨 1, L1 및 레벨 2, L2로서 도시되어 있다. 도 18a 및 18b에 관련하여 설명된 바와 같이, 이 경우 긴급 비트들은 동작 중에 실제 수면 패턴을 반영하지 않을 수 있고 대신에, 비록 배터리 레벨 고려로 인해 그것이 허용되지 않기 때문에 그것이 구현될 수 없다 할지라도, 적당한 수면 패턴을 나타낼 수 있다. 동등하게 배터리 비트들은 긴급 비트들과 함께 배터리 레벨을 고려하여 구현된 실제 수면 패턴의 표시로서 간주될 필요가 있을 수 있다.

상기 실시예들은 IEEE 802.15.4에 대한 개선으로서 또는 BAN을 위한 표준인 IEEE 802.15.6과 같은 제안된 특징들을 필요로 하는 개발 중인 새로운 표준의 필수 부분으로서 통합될 수 있다.

이 수면 패턴 개선은 다수의 연계된 개선들 중 하나일 수 있다. 도 21은 위급 비트 및 ACK 유형을 나타내는 2개의 비트와 함께, 여기에 언급된 긴급 비트들 및 배터리 비트들을 포함하는 IEEE 802.15.4 프레임 컨트롤 필드들에 대한 요구되는 수정들을 보여준다. 이전 버전과의 호환성(backward compatibility)을 위하여, IEEE 802.15.4의 예비된 비트들(7-9)은 이러한 위급 및 ACK 유형을 위해 사용된다. 게다가, 프레임 컨트롤은 하나의 옥텟만큼 확장되었고 그 중 2개의 비트는 다양한 긴급 레벨들을 구별하기 위해 사용되고 다른 2개의 배터리 비트는 위에 설명된 바와 같다. 옥텟의 나머지 2개의 비트는 예비된다. IEEE 802.15.4 수정된 프레임 유형이 도 22에 도시되어 있다. 이전 버전과의 호환성을 위하여, 예비된 비트들 100-111은 상이한 유형의 ACK 프레임들 및 위급 상황을 위하여 생성된 새로운 유형의 프레임인 위급 프레임을 표시하기 위해 사용된다.

"그린 필드"(green field) 접근법으로부터 표준을 시작하여, 개선들은 아마 프레임 컨트롤 내에 하기의 것을 포함할 것이다:

★ ACK 유형을 위한 2 비트

★ 긴급 레벨을 위한 2 비트

★ 배터리 레벨을 위한 2 비트

★ 프레임의 유형을 나타내기 위한 3 비트

더욱이 컨트롤 프레임 내의 프레임 유형은 데이터 프레임, MAC 프레임 및 비컨 프레임과 같은 다른 유형 프레임들에 더하여 하기의 것 중 임의의 것을 표시하기 위한 값들을 포함할 수 있다:

★ 위급 프레임

★ ACK 프레임

★ 즉시 ACK 프레임

★ 지연된 ACK 프레임

도 23은 IEEE 802.15.6과 같은 새로운 표준의 일부로서 개선들을 도시한다. 이 도는 MAC 계층에서 헤더 프레임의 제안된 부분을 도시한다. 숙련된 독자는 긴급 레벨들 및 배터리 레벨들은 본 출원의 실시예들을 참조하고, 그 실시예들은 완전한 시스템에서 또 다른 실시예들을 형성하기 위해 다른 개선들의 임의의 조합과 조합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 하나의 실시예에서, 긴급 비트들 및 옵션으로 배터리 레벨 비트들(적당한 수면 패턴 표시 및 옵션으로 배터리 충전 표시)과 함께 사용되는 위급 비트(또는 다른 위급 표시)가 위급 상태를 보충 및/또는 확인할 수 있다. 도 24는 가능한 프레임 유형 비트들의 대응하는 표를 나타낸다.

도 25는 MAC 명령 옥텟들의 위치를 나타내는 현재의 IEEE 802.15.4 표준에서의 MAC 프레임의 기본 포맷을 도시한다. 도 26은 IEEE 802.15.4 표준의 현재의 버전의 명령 프레임 식별자(Command Frame Identifier) 리스트를 도시한다.

위에 설명된 본 발명의 프레임 컨트롤 실시예들은 BAN 장치의 상태들을 상술하기 위해 MAC 프레임 헤더의 MAC 프레임 컨트롤 내의 적어도 4개의 비트(u1 u2 b1 b2)를 사용한다. 이 상태 정보 비트들은 모두 독립적으로 설정될 수 있고 일반적으로 위급 상황(이에 제한되지는 않지만)에서 BAN, BAN 트래픽 및 BAN 장치 관리를 위해 다양한 방법으로 조합될 수 있다. 그것들은 도 25에 도시된 것과 같은 MAC 명령 프레임, 또는 임의의 다른 유형의 전송 프레임에서 전송될 수 있다.

대안적인 해법에서는, 도 26의 리스트에 새로운 명령 프레임 식별자가 추가된, 새로운 MAC 명령 프레임이 추가될 수 있다. 페이로드는 앞에 언급된 비트들을 이용하여 또는 어떤 다른 방법으로 장치 상태들을 구별하기 위해 이용될 수 있다.

MAC 명령 프레임들을 나타내는 임의의 전송 프레임 유형에 적합한 또 다른 대안적인 및 바람직한 접근법은 프레임 컨트롤의 외부이면서도 MAC 헤더 내에 앞에 언급된 비트들을 갖는 단일 옥텟, 바람직하게는 하기에 나타낸 것과 같은 장치 상태들의 열거된 리스트를 도입하는 것이다. 이 옥텟은 총 256개의 가능한 장치 상태들을 제공할 것이고, 그 장치 상태들은, 예를 들면, 하기와 같지만, 이에 제한되지 않는다:

상태 ID - 장치 상태 설명

-----------------------

0x01 - 정상(즉, 위급 아님, 배터리 정상)

0x02 - 위급 아님, 배터리 중간

0x03 - 위급 아님, 배터리 로우

0x04 - 위급, 배터리 정상

0x05 - 위급, 배터리 중간

0x06 - 위급, 배터리 로우

수신 장치가 이 필드를 판독 및 해석할지 여부를 알기 위하여, 판독 및 해석 장치 상태(ds = 1) 또는 무시 장치 상태(ds = 0)를 나타내는 단일의 "장치 상태"(Device State; ds) 비트가 MAC 프레임 컨트롤에 도입될 수 있다.

발명의 실시예들은 하기의 유리한 양태들을 가질 수 있다:

1. 그것들은 위급 상황에 응답하여 그 자신의 수면 각성 패턴을 변경할 수 있는 새로운 센서 회로를 도입할 수 있다.

2. 각성 라디오 회로는 혈압 또는 혈당 수치와 같은 생명 파라미터 또는 크리티컬 산업 파라미터로부터 직접 입력을 가질 수 있다.

3. 배터리 상태를 고려하는, 자체 조정 수면 패턴(self-tuning sleep pattern)이 제공된다.

4. 코디네이터에 통지하는 수면/각성 패턴의 자체 조정을 위한 새로운 프로토콜이 도입된다.

5. 코디네이터에 통지하고 배터리 상태를 고려하는 센서에서의 수면/각성 패턴의 자체 조정을 위한 또 다른 새로운 프로토콜이 도입된다.

본 발명의 실시예들은 MBAN들의 사용에 의한 위급 관리를 용이하게 하는 데 중대한 역할을 가질 수 있다. 하기의 시나리오들이 주목될 수 있다:

1. 세계적으로 수억 명의 사람들이 당뇨병을 앓고 있다. 혈당 측정을 위한 이식형(implantable) 또는 비침투적(non-invasive) 방법들에 최근에 고려되었다. WSN은 24 시간 체제로(on a 24 hours basis) 환자의 혈당 수치 정보를 제공하는 데 도움이 될 것이다. 환자 혈당이 차트에서 벗어나서 환자에 대한 위급 지오로케이션(emergency geolocation) 및 다른 필요한 긴급 의료 절차가 요구되는 상황들이 있다. 심장 문제를 가진 세계적으로 수억 명의 환자들의 상황은 그들의 신체에 있는 무선 센서들 및 MBAN을 사용함으로써 병원에서 또는 집에서 모니터될 수 있다. MBAN은 그러한 환자들을 위한 특별한 이동성(extra mobility)을 제공한다. 비정상 심장 기능과 같은 상황 또는 심장 마비(heart attack)와 같은 더 심한 경우의 이 환자들의 그룹에 대하여 생명을 위협하는 의료 위급 상황 동안에 생명 유지에 필요한(vital) 어떤 의료 데이터도 놓치거나 지연되지 않도록 하는 것은 중요하다. 발명의 실시예들은 센서가 위급 상황들에 응답하여 그것의 수면/각성 패턴을 자체 조정하는 가능성을 안출한다. 이것은 위급 의료 수술 동안에 구명 효과를 갖는 보다 정확하고 최신의 데이터가 위급 상황 동안에 이용 가능하도록 할 것이다.

2. 발명의 실시예들은 의료 직원이 주위에 없을 때 위급 상황을 겪을 수 있는 수천 명의 환자들의 생명을 구할 수 있다.

3. 발명의 실시예들은 의료 시스템에서 위급 응답의 효율을 개선할 수 있다.

4. 발명의 실시예들은 의료 MBAN 시스템에서 위급 인식을 개선할 수 있다.

5. 발명의 실시예들은 위급 응답 프로세스를 자동화함으로써 노동 비용을 감소시킬 수 있다.

6. 환자 신체로부터 페치(fetch)되는 위급 데이터의 정확성을 개선한다.

7. 센서와 코디네이터를 조화시킴으로써 발명의 실시예들은 현재의 배터리 레벨을 고려하여 최적의 수면 패턴을 달성하는 것을 가능하게 한다.

본 발명은 그것을 위한 새로운 센서, 코디네이터, 또는 하드웨어 모듈들의 형태를 취할 수 있고, 센서(들) 및/또는 코디네이터의 프로세서들에 의해 실행되는 소프트웨어를 교체 또는 수정하는 것에 의해 구현될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예들은 하드웨어로, 또는 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 소프트웨어 모듈들로서, 또는 그의 조합으로 구현될 수 있다. 본 발명은 또한 여기에 설명된 기술들 중 임의의 기술의 일부 또는 전부를 수행하기 위한 하나 이상의 디바이스 또는 장치 프로그램들(예컨대, 컴퓨터 프로그램들 및 컴퓨터 프로그램 제품들)로서 구현될 수 있다. 본 발명을 구현하는 그러한 프로그램들은 컴퓨터 판독가능 매체에 저장될 수 있고, 예를 들면, 하나 이상의 신호의 형태일 수 있다. 그러한 신호들은 인터넷 웹사이트로부터 다운로드 가능한 데이터 신호들일 수 있고, 또는 반송파 신호에서, 또는 임의의 다른 형태로 제공될 수 있다.

비록 상기 설명은 예로서 IEEE 802.15.4 및 IEEE 802.15.6을 언급하였지만, 본 발명은 IEEE 802.15.6에 따라서 동작하든 아니든 임의의 유형의 MBAN에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 비록 의료 신체 영역 네트워크(medical body area networks)가 아닐지라도 위급 상황에서 통신의 개선된 신뢰도에 대한 요구를 갖는 다른 유형의 BAN 및 다른 단거리 WSN들에도 적용될 수 있다.

Claims (15)

1. 장치들의 무선 센서 네트워크에서 사용되는 센서로서,
   파라미터의 값들을 검출하도록 동작 가능한 감지 수단;
   상기 검출된 값들을 임계값들과 비교함으로써 상기 센서의 수면 패턴(sleep pattern)을 결정하도록 동작 가능한 제어 수단; 및
   상기 무선 센서 네트워크 내의 또 다른 장치에 상기 수면 패턴의 표시를 전송하도록 동작 가능한 송신기
   를 포함하며,
   상기 임계값들의 수에 의해 결정된 다수의 미리 정의된 수면 패턴들이 있고, 각각의 임계값은 하위 각성 수면 패턴(lower wake-up sleep pattern)과 상위 각성 수면 패턴(higher wake-up sleep pattern) 사이의 경계를 정의하며,
   상기 센서는 배터리를 더 포함하고, 상기 제어 수단은 허용 가능한 배터리 충전(acceptable battery charge)의 미리 정의된 한계에 따라서 수면 패턴들을 허용하거나 거절하고, 임의의 거절된 수면 패턴을 하위 각성 수면 패턴으로 오버라이드(override)함으로써 상기 검출된 값들과 상기 센서의 현재 배터리 충전 둘 다를 고려하여 상기 수면 패턴을 제어하도록 동작 가능하며,
   상기 한계들의 수는 상기 임계값들의 수와 같으며, 상기 제어 수단은 각각의 한계 위보다는 아래에 하나 더 적은 수의 수면 패턴을 허용하는 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 표시는 전송 프레임의 적어도 하나의 컨트롤 필드에서, MAC 헤더 내의 미리 결정된 값으로 설정된 값으로 전송되는 센서.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 표시의 전송은 상기 센서로부터의 다른 전송들보다 높은 우선 순위를 갖는 센서.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 센서는 상기 표시의 ACK(acknowledgement)를 수신하도록 동작 가능한 수신기를 더 포함하는 센서.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   메모리 및 상기 검출된 값들을 저장된 임계값(threshold)과 비교하도록 동작 가능한 처리 수단을 더 포함하고,
   상기 제어 수단은 상기 비교의 결과를 고려하여 상기 센서의 수면 패턴을 결정하도록 동작 가능한 센서.
6. 제5항에 있어서,
   둘 이상의 저장된 임계값이 있는 센서.
7. 제1항에 있어서,
   상기 송신기는 또한 상기 현재 배터리 충전에 관한 정보를, 상기 제어 수단에 의해 선택된 실제 수면 패턴의 표시의 형태로 전송하도록 동작 가능한 센서.
8. 센서 및 코디네이터를 포함하는 장치들의 무선 센서 네트워크로서,
   상기 센서는 파라미터의 값들을 검출하도록 동작 가능한 감지 수단; 전송 및 수신 수단; 및 상기 센서의 수면 패턴을 제어하도록 동작 가능한 센서 제어 수단을 포함하고;
   상기 코디네이터는 전송 및 수신 수단을 포함하고;
   상기 센서는 상기 검출된 파라미터 값들을 임계값들과 비교함으로써 상기 센서의 수면 패턴을 결정하도록 동작 가능하고;
   상기 임계값들의 수에 의해 결정된 다수의 미리 정의된 수면 패턴들이 있고, 각각의 임계값은 하위 각성 수면 패턴과 상위 각성 수면 패턴 사이의 경계를 정의하며;
   상기 센서는 또한 상기 센서의 수면 패턴의 표시의 전송에 의해 코디네이터 동작에 영향을 끼치도록 동작 가능하며;
   상기 센서는 배터리를 더 포함하고, 상기 제어 수단은 허용 가능한 배터리 충전의 미리 정의된 한계에 따라서 수면 패턴들을 허용하거나 거절하고, 임의의 거절된 수면 패턴을 하위 각성 수면 패턴으로 오버라이드함으로써 상기 검출된 값들과 상기 센서의 현재 배터리 충전 둘 다를 고려하여 상기 수면 패턴을 제어하도록 동작 가능하며, 상기 한계들의 수는 상기 임계값들의 수와 같으며, 상기 제어 수단은 각각의 한계 위보다는 아래에 하나 더 적은 수의 수면 패턴을 허용하는 무선 센서 네트워크.
9. 센서들 및 코디네이터를 포함하는 장치들의 무선 센서 네트워크 내의 상기 코디네이터로서, 상기 코디네이터는,
   상기 센서들과의 통신을 위한 전송 및 수신 수단; 및
   상기 센서들 중 특정한 센서에 의해 전송된 수면 패턴의 표시에 응답하여 상기 코디네이터의 기능에 영향을 끼치도록 동작 가능한 코디네이터 제어 수단
   을 포함하며,
   상기 특정한 센서는 검출된 값들을 임계값들과 비교함으로써 수면 패턴을 결정하고, 상기 수면 패턴들의 수는 상기 임계값들의 수에 의해 결정되고, 각각의 임계값은 하위 각성 수면 패턴과 상위 각성 수면 패턴 사이의 경계를 정의하며,
   상기 센서는 허용 가능한 배터리 충전의 미리 정의된 한계에 따라서 수면 패턴들을 허용하거나 거절하고, 임의의 거절된 수면 패턴을 하위 각성 수면 패턴으로 오버라이드하고, 상기 한계들의 수는 상기 임계값들의 수와 같으며, 상기 제어 수단은 각각의 한계 위보다는 아래에 하나 더 적은 수의 수면 패턴을 허용하며,
   상기 코디네이터 제어 수단은 상기 표시를 상기 특정한 센서의 현재 배터리 충전 레벨에 관한 정보로서 고려하여 상기 코디네이터의 기능에 영향을 끼치도록 동작 가능한 코디네이터.
10. 제9항에 있어서,
    상기 코디네이터는 현재 배터리 충전 레벨에 관한 정보를 상기 코디네이터의 채널 액세스 전략에 반영하도록 동작 가능한 코디네이터.
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