KR101333920B1 - 경쟁 기반으로 신호를 전송하는 다중 사용자 무선 통신 방법 - Google Patents

경쟁 기반으로 신호를 전송하는 다중 사용자 무선 통신 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수의 단말기기들이 carrier sense multiple access with collision avoidance(이하 CSMA/CA) 기반의 경쟁적 방식을 사용하여 주 통신기기(coordinator: 이하 코디네이터)에게 신호를 전송하는 무선 통신 시스템에서 단말기기 간의 신호 전송 충돌 가능성을 완화시켜 통신 성능을 향상시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 전송 성능이 원하는 수준에 미치지 못하는 경우 전송 가능 구간을 여러 개의 소구간으로 분할하여 각 단말기기가 특정 소구간 기간 동안에서만 전송을 시도하게 함으로써 단말기간의 전송 경쟁에서 발생하는 전송 충돌 문제를 효율적으로 완화시켜 전송 성능을 향상시키면서도 전력 소모를 줄일 수 있다.

Description

경쟁 기반으로 신호를 전송하는 다중 사용자 무선 통신 방법 {A method of contention-based transmission in multi-user wireless communication systems}
본 발명은 다수의 단말 통신기기들이 carrier sense multiple access with collision avoidance(이하 CSMA/CA) 기반의 경쟁 방식을 통해 코디네이터에게 신호를 전송하는 무선 통신 시스템에서 단말기기 간 전송 경쟁을 완화하여 전송 성능을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크(wireless sensor network: 이하 WSN)에서 각 센서 기기는 배터리(battery)를 통해 전력을 공급 받으므로, 전력 소모를 최소화하는 통신 기술이 필수적이다. 이를 위해 WSN은 별도의 코디네이터 기반 스케줄링 없이 각 단말기기가 경쟁을 통해 스스로 코디네이터에 데이터를 전송하는 매체 접근 제어(medium access control: 이하 MAC) 방식을 사용한다.
일례로, WSN MAC의 일종인 IEEE 802.15.4의 경우 각 단말기기가 저전력 CSMA/CA 기반의 경쟁적 전송 기법을 사용한다. 상기 IEEE 802.15.4의 저전력 CSMA/CA는 각 단말기기가 데이터를 전송하고자 할 때, 먼저 최대 백오프(backoff) 시간 내에서 임의의 시간을 선택하여 백오프를 수행하고, 상기 백오프가 종료되면 두 백오프 슬롯(backoff slot) 기간 동안 채널 센싱(sensing)을 수행하여 채널이 사용되고 있지 않다고(이하 채널이 clean하다고) 판단되면 데이터을 전송한다. 상기 채널 센싱 결과 채널이 사용되고 있다고(이하 채널이 busy하다고) 판단되는 경우, 다음 백오프를 수행할 때 최대 백오프 시간을 지수적(exponential)으로 증가시킴으로써 경쟁을 완화한다. 상기 백오프 및 채널 센싱 과정을 최대 백오프 횟수 이상 연속으로 수행하고도 여전히 채널이 busy하거나, 데이터 재전송을 최대 재전송 횟수 이상 수행하고도 데이터 전송이 실패한 경우, 해당 데이터를 최종 전송 실패로 판단하고 해당 데이터 전송을 포기한다. 또한 데이터 전송이 성공하거나 최종적으로 실패한 후에는 다시 최대 백오프 시간을 최소값으로 초기화하여 새로운 데이터 전송을 시도한다.
상기 저전력 CSMA/CA는 각 단말기기가 스스로 채널 상태를 파악하고 데이터 충돌을 회피할 수 있는 전송 방법이나, 사용자가 적어 경쟁이 적을 경우 최대 백오프 시간을 비효율적으로 증가시켜 시간 자원을 현저하게 낭비하며, 또한 사용자가 많아 경쟁이 심할 경우 새로운 데이터를 전송 시도할 때마다 최대 백오프 시간을 최소값으로 초기화하기 때문에 데이터 충돌이 빈번하게 발생한다는 단점이 있다.
이러한 문제점을 완화하기 위하여 이전 데이터의 전송 성공 여부에 따른 최대 백오프 시간 적응 기법이 제안되었다. 상기 최대 백오프 시간 적응 기법은 경쟁이 적을 때에 시간 자원 낭비를 최소화하기 위해, 채널이 사용되고 있거나 데이터 전송이 한번 실패해도 상기 저전력 CSMA/CA 기법과 달리 최대 백오프 시간을 같은 값으로 유지하고, 데이터 전송이 최종적으로 실패하면 비로소 최대 백오프 시간을 지수적으로 증가시킨다. 또한 경쟁이 심할 때에 채널 사용 충돌 확률을 줄이기 위해 데이터 전송 성공 시 최대 백오프 시간을 최소값으로 초기화하는 대신 지수적으로 감소시킨다. 상기 최대 백오프 시간 적응 기법은 경쟁이 심할 경우 상기 저전력 CSMA/CA보다 향상된 성능을 제공하나, 경쟁이 적을 경우 최대 백오프 시간을 짧게 유지하여 채널이 busy할 확률이 커지므로 백오프 횟수가 비효율적으로 늘어나 오히려 저전력 CSMA/CA보다 성능이 열화된다는 단점이 있다.
상기 저전력 CSMA/CA 및 상기 최대 백오프 시간 적응 기법과 같이 최대 백오프 시간을 조절하여 경쟁을 완화하는 기법들의 한계를 극복하기 위해, 네트워크를 시작할 때 소구간의 개수를 미리 정하고 전체 전송 구간을 상기 개수의 전송 소구간으로 균등 분할한 뒤 각 단말기기가 특정 전송 소구간 만을 통해서만 전송을 시도하게 함으로써 단말기기 간 경쟁을 분산시키는 소구간 고정 분할 기법이 제안되었다. 그러나 상기 소구간 고정 분할 기법은 네트워크 경쟁 환경을 고려하지 않고 소구간 개수를 임의로 결정할 뿐만 아니라 상기 결정된 소구간 개수를 네트워크 운용 도중에 조절할 수 없으므로, 네트워크의 사용자수 환경 변화에 따라 성능이 열화 된다는 단점이 있다. 일례로, 경쟁에 비해 소구간의 개수가 적으면 각 소구간에서도 여전히 경쟁이 심하여 성능이 열화되며, 경쟁에 비해 소구간 개수가 많으면 각 소구간의 경쟁이 너무 적어 데이터 전송보다 백오프에 소모되는 시간의 비율이 커지므로 시간 자원을 낭비한다.
본 발명은 다수의 단말기기가 CSMA/CA 기반의 경쟁을 통해 코디네이터에 데이터를 전송하는 환경에서 단말기간 전송 경쟁으로 인한 전송 성능 저하를 효율적으로 완화하기 위해, 전송 성능에 따라 전송 구간을 적응적으로 분할하여 전송하는 방법에 관한 것이며, 기본 개념은 다음과 같다. 본 발명은 먼저 네트워크의 데이터 전송 실패율과 자원 활용률 같은 전송 성능을 추정하고, 상기 데이터 전송 실패율을 요구 수준보다 낮게, 상기 자원 활용률을 요구 수준보다 높게 유지하면서도 네트워크의 전력 소모를 최소화할 수 있도록 소구간 개수를 결정하고, 전체 전송 구간을 상기 최적 소구간 개수만큼 균등 분할한다. 각 단말기기는 코디네이터 명령에 의존하지 않고 자신의 사용할 소구간을 스스로 결정하며, 상기 결정된 소구간을 통해서만 전송을 시도함으로써 단말기간 전송 경쟁을 효과적으로 완화할 수 있다. 본 발명은 네트워크 운용 환경 변화에 따라 상기 소구간 개수를 적응적으로 최적화함으로써 시변적 네트워크 환경에서도 효율적으로 전송 성능을 높이면서도 전력 소모를 최소화할 수 있다.
본 발명은 경쟁 기반으로 데이터 전송을 시도하는 다수의 단말기기와 코디네이터가 성형 토폴로지(star topology) 구조로 구성된 무선 통신 시스템에서 매 전송 프레임 마다 전송 성능을 추정하고, 추정한 전송 성능이 네트워크의 요구 전송 성능을 만족할 수 있도록 전송 구간을 다수의 소구간으로 나누어 전송 충돌로 인한 성능 저하를 개선한다. 본 발명은 전송 환경에 따라 전송 소구간 개수 결정 기법을 통해 최적으로 소구간 개수를 결정하고, 각 단말기기는 상기 결정된 소구간 개수만큼 전송 구간을 균등 분할하고, 이들 중 사용할 전송 소구간을 스스로 선택한다. 본 발명은 전송 구간을 여러 개의 전송 소구간으로 분할하고 다수의 단말기기가 각각 다른 전송 소구간을 통해 전송을 시도하게 함으로써, 단말기기 간 전송 경쟁을 효과적으로 완화하여 네트워크의 요구 전송 성능을 만족시키면서도 전력 소모를 최소화할 수 있다.
도 1은 코디네이터와 다수의 단말기기로 이루어진 시스템 모델
도 2는 본 발명에서 고려하는 데이터 프레임 구조
도 3은 CSMA/CA 기반의 전송 경쟁 방식을 이용한 통신 수행의 예시도
도 4는 본 발명의 전체적인 구성도
도 5는 본 발명에서 고려하는 통신 시스템에서 소구간 개수에 따른 전송 성능 예시도
도 6은 중앙 집중형 구조의 순차적 결정 방식에 따른 코디네이터의 전송 소구간 개수 결정 방법
도 7은 분산적 구조의 순차적 결정 방식에 따른 단말기기의 전송 소구간 개수 결정 방법
도 8은 확률적 결정 방식에 따른 코디네이터 및 단말기기가 전송 소구간 개수를 결정하는 방법
도 9는 본 발명에 따른 단말기기의 전송 구간 선택 및 동작 예시도
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 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. 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.
기술의 편의를 위해 도 1과 같이 시스템을 총괄하는 코디네이터와
Figure 112012018543446-pat00001
개의 단말기기로 구성된 성형 토폴로지(star topology) 구조의 통신 시스템을 고려한다. 상기 시스템 내 단말기기들은 도 2와 같은 전송 프레임(frame) 구조를 반복적으로 이용하여 신호를 송수신하며, 상기 전송 프레임은 네트워크 동기 신호인 비컨 신호를 전송하는 비컨 전송 구간, 통신을 수행하는 전송 구간(active period), 그리고 통신을 수행하지 않는 비전송 구간(inactive period)으로 이루어진다. 여기서 한 전송 프레임의 길이는 비컨 간격(beacon interval)이라고 칭하며, 비컨 간격
Figure 112012018543446-pat00002
와 전송 구간 길이
Figure 112012018543446-pat00003
는 각각 <수학식 1> 및 <수학식 2>와 같이 정의한다.
Figure 112012018543446-pat00004
Figure 112012018543446-pat00005
여기서
Figure 112012018543446-pat00006
와
Figure 112012018543446-pat00007
는 각각 전체 전송 프레임 구간의 심볼(symbol) 수와 전송 구간의 심볼 수를 의미하며
Figure 112012018543446-pat00008
은 심볼 시간을 나타낸다. 매 전송 프레임 초기에 코디네이터는 비컨 전송 구간에서 비컨을 전송하고, 각 단말기기는 상기 전송된 비컨을 수신하여 코디네이터와 동기를 맞춘다. 비컨 수신에 성공한 단말기기는 전송 구간 동안 CSMA/CA 기반의 전송 경쟁 방식을 사용하여 코디네이터와 통신을 수행하며, 비전송 구간에서는 송수신기의 전송기능을 멈춤으로써 전력 소모를 최소화한다. 상기 통신 시스템에서
Figure 112012018543446-pat00009
를
Figure 112012018543446-pat00010
번째 전송 구간이 종료된 시간,
Figure 112012018543446-pat00011
및
Figure 112012018543446-pat00012
를 시간
Figure 112012018543446-pat00013
에서 시간
Figure 112012018543446-pat00014
까지 네트워크의 데이터 전송 실패율 및 자원 활용률이라 할 때,
Figure 112012018543446-pat00015
및
Figure 112012018543446-pat00016
는 각각 <수학식 3>, <수학식 4> 및 <수학식 5>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012018543446-pat00017
Figure 112012018543446-pat00018
Figure 112012018543446-pat00019
여기서
Figure 112012018543446-pat00020
,
Figure 112012018543446-pat00021
및
Figure 112012018543446-pat00022
는 각각, 단말기기
Figure 112012018543446-pat00023
가 네트워크 시작 후 시간
Figure 112012018543446-pat00024
까지 전송을 시도한 데이터 개수, 전송에 성공한 데이터 개수 및 전송에 성공한 데이터의 심볼 수이다.
본 발명의 전체적인 구성은 도 4와 같다. 코디네이터와 각 단말기기는 상기 도 4의 401단계에서 전송 구간 동안 통신을 수행하고, 이 후 비전송 구간에서는 상기 도 4의 402단계에서 전송 구간 동안의 네트워크의 데이터 전송 실패율과 자원 활용률을 계산하고 상기 도 4의 403단계에서 다음 전송 프레임에서 사용할 전송 소구간 개수를 결정한다. 각 단말기기는 상기 도 4의 404단계에서 전체 전송 구간을 상기 결정한 소구간 개수만큼의 소구간으로 균등 분할한 뒤 자신이 사용할 소구간을 스스로 결정하고 상기 401단계로 돌아가 전송 구간 중에 상기 결정된 소구간에서만 통신을 수행한다.
일례로 도 5는 하나의 코디네이터와 20개의 단말기기로 구성된 통신 시스템에서 단말기기에 각 단위 백오프 슬롯마다 10% 확률의 푸아송(Poisson) 분포로 데이터가 생성될 때, 소구간 개수에 따른 네트워크의 전송 실패율, 자원 활용률 및 전력 소모를 보인다. 도 5에서 볼 수 있듯이 전송 소구간 개수가 늘어남에 따라 전송 실패율 및 전력 소모는 감소하는 반면 자원 활용률은 증가하다가 다시 감소하는 경향을 갖기 때문에, 본 발명은 상기 402단계 및 상기 403단계에 전송 성능 요구조건을 만족하면서도 전력소모를 최소화하기 위해 네트워크가 요구하는 최소 자원 활용률을 만족시키도록 전송 소구간 개수를 결정한다. 상기 전송 소구간 개수를 결정함에 있어 중앙집중형 구조의 순차적 결정, 분산적 구조의 순차적 결정, 확률적 결정 방식 등 세 가지 실시 예를 고려한다.
본 발명의 실시 예 1인 중앙 집중형 구조의 순차적 결정 방식에 따라 상기 402단계에서 코디네이터가 전송 실패율과 자원 활용률을 계산하는 방법은 다음과 같다. 각 단말기기가 전송을 시도하는 데이터마다 고유 data sequence number(이하 DSN)를 할당한다고 가정한다. 즉, IEEE 802.15.4 시스템과 같이 최초의 데이터의 DSN을 0으로 초기화하고 이후 데이터에 대해 DSN을 1씩 증가시킨다고 가정하면, 상기 코디네이터는 자신의 전송 정보를 이용하여
Figure 112012018543446-pat00025
를 <수학식 6>의
Figure 112012018543446-pat00026
와 같이 추정하고
Figure 112012018543446-pat00027
를 <수학식 7>과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112012018543446-pat00028
Figure 112012018543446-pat00029
여기서
Figure 112012018543446-pat00030
및
Figure 112012018543446-pat00031
는 네트워크 시작 후 시간
Figure 112012018543446-pat00032
까지 코디네이터가 수신 성공한 총 데이터 개수 및 데이터 심볼 수이고
Figure 112012018543446-pat00033
는 시간
Figure 112012018543446-pat00034
에서 코디네이터가 가지고 있는 단말기기
Figure 112012018543446-pat00035
데이터의 DSN(즉, 단말기기
Figure 112012018543446-pat00036
가 가장 최근에 전송 성공한 데이터의 DSN)이다.
본 발명의 실시 예 1에 따른 상기 403단계에서 코디네이터 및 단말기기가 전송 소구간 개수를 결정하는 방법은 도 6과 같다. 상기 코디네이터는
Figure 112012018543446-pat00037
번째 전송 구간이 종료된 후 상기 전송 구간의 전송 성능(즉,
Figure 112012018543446-pat00038
및
Figure 112012018543446-pat00039
)에 따라 전송 소구간 개수를 결정한다.
Figure 112012018543446-pat00040
를
Figure 112012018543446-pat00041
번째 전송 구간에서 사용되는 전송 소구간 개수,
Figure 112012018543446-pat00042
를 네트워크가 허용하는 최대 전송 실패율이라 하면, 상기 코디네이터는 상기 도 6의 601단계에서
Figure 112012018543446-pat00043
이면 전송 실패율을 감소시키기 위해 다음 전송 구간에서의 소구간 개수를 하나 증가시키고(즉,
Figure 112012018543446-pat00044
) 상기 도 6의 604 단계로 넘어가며, 반대로 전송 실패율 요구조건을 만족하면(즉,
Figure 112012018543446-pat00045
) 상기 도 6의 602단계에서 현재 자원 활용률의 증감도
Figure 112012018543446-pat00046
을 <수학식 8>과 같이 계산하고 상기 도 6의 603단계를 수행한다.
Figure 112012018543446-pat00047
여기서
Figure 112012018543446-pat00048
이면 소구간 개수가 변하지 않은 경우이고,
Figure 112012018543446-pat00049
이면
Figure 112012018543446-pat00050
번째 전송 구간에서 전송 소구간 개수를 증가시킨 결과(즉,
Figure 112012018543446-pat00051
)
Figure 112012018543446-pat00052
번째 전송 구간에서 자원활용률이 증가했거나, 전송 소구간 개수를 감소시킨 결과(즉,
Figure 112012018543446-pat00053
)
Figure 112012018543446-pat00054
번째 전송 구간에서 자원활용률이 감소한 경우를 의미한다. 만약
Figure 112012018543446-pat00055
이면,
Figure 112012018543446-pat00056
번째 전송 구간에서 전송 소구간 개수를 증가시킨 결과 (즉,
Figure 112012018543446-pat00057
)
Figure 112012018543446-pat00058
번째 전송 구간에서 자원활용률이 감소했거나 전송 소구간 개수를 감소시킨 결과(즉,
Figure 112012018543446-pat00059
)
Figure 112012018543446-pat00060
번째 전송 구간에서 자원활용률이 증가한 경우다. 상기 코디네이터는 상기 603단계에서 네트워크가 요구하는 최소 자원 활용률
Figure 112012018543446-pat00061
를 만족하면서도 전력 소모를 최소화하도록 소구간 개수를 결정한다. 자원 활용률 요구 조건이 만족되지 못한 경우(즉,
Figure 112012018543446-pat00062
) 자원 활용률을 최대화하기 위해
Figure 112012018543446-pat00063
또는
Figure 112012018543446-pat00064
이면
Figure 112012018543446-pat00065
하고, 반대로
Figure 112012018543446-pat00066
이면
Figure 112012018543446-pat00067
한다. 반대로 자원 활용률 요구 조건을 만족하는 경우(즉,
Figure 112012018543446-pat00068
) 전력 소모를 최소화하기 위해
Figure 112012018543446-pat00069
이거나
Figure 112012018543446-pat00070
이고
Figure 112012018543446-pat00071
이면 전송 소구간 개수를 유지하고(즉,
Figure 112012018543446-pat00072
), 반대로
Figure 112012018543446-pat00073
이거나
Figure 112012018543446-pat00074
이고
Figure 112012018543446-pat00075
이면 전송 소구간 개수를 증가시킨다(즉,
Figure 112012018543446-pat00076
). 상기 코디네이터는 상기 604단계에서 다음 전송 구간의 소구간 갯수 정보
Figure 112012018543446-pat00077
를
Figure 112012018543446-pat00078
번째 슈퍼프레임의 비컨 신호에 넣어 단말기기들에게 전송하며, 상기 비컨 신호를 수신한 단말기기
Figure 112012018543446-pat00079
는 자신의 전송 소구간 개수
Figure 112012018543446-pat00080
을
Figure 112012018543446-pat00081
로 결정한다. 본 발명의 실시 예 1은 상기 코디네이터가 매 전송 구간마다 전송 성능을 인지하여 전송 소구간 개수를 한 개씩 증가 또는 감소시킴으로써 순차적으로 전송 소구간 개수를 최적화 시키며, 상기 단말기기는 비컨 신호를 수신하여 상기 코디네이터가 결정한 전송 소구간 개수를 공유함으로써 경쟁을 효과적으로 완화할 수 있다.
본 발명의 실시 예 2인 분산적 구조의 순차적 결정 방식에 따라 상기 402단계에서 코디네이터 및 단말기기가 전송 실패율과 자원 활용률을 계산하는 방법은 다음과 같다. 코디네이터는
Figure 112012018543446-pat00082
의 추정 값
Figure 112012018543446-pat00083
과
Figure 112012018543446-pat00084
를 상기 실시 예 1과 같은 방법으로 계산한다. 단말기기
Figure 112012018543446-pat00085
는 자신의 전송 실패율
Figure 112012018543446-pat00086
와 자원 활용률
Figure 112012018543446-pat00087
를 각각 <수학식 9> 및 <수학식 10>과 같이 계산한다.
Figure 112012018543446-pat00088
Figure 112012018543446-pat00089
본 발명의 실시 예 2에 따른 상기 403단계에서 코디네이터 및 단말기기가 전송 소구간 개수를 결정하는 방법은 다음과 같다. 상기 코디네이터는
Figure 112012018543446-pat00090
번째 전송 구간이 종료된 후
Figure 112012018543446-pat00091
번째 전송 구간 종료 이후부터 자신이 추정한 전송 성능
Figure 112012018543446-pat00092
및
Figure 112012018543446-pat00093
을 각각 시스템의 요구 조건인
Figure 112012018543446-pat00094
및
Figure 112012018543446-pat00095
와 비교하여
Figure 112012018543446-pat00096
번째 슈퍼프레임에서 전송 소구간 개수 변경 필요성 여부를 나타내는 변수
Figure 112012018543446-pat00097
를 <수학식 11>과 같이 결정하며, 상기
Figure 112012018543446-pat00098
을
Figure 112012018543446-pat00099
번째 슈퍼프레임의 비컨 신호를 통해 각 단말기기에 전송한다.
Figure 112012018543446-pat00100
각 단말기기는
Figure 112012018543446-pat00101
번째 슈퍼프레임의 비컨 신호를 수신한 뒤
Figure 112012018543446-pat00102
이면 기존의 전송 소구간 개수를 유지하고 (즉,
Figure 112012018543446-pat00103
), 반대로
Figure 112012018543446-pat00104
이면
Figure 112012018543446-pat00105
번째 전송 구간이 시작할 때 도 7과 같이 전송 소구간 개수 변경 과정을 수행한다. 단말기기
Figure 112012018543446-pat00106
가 가장 최근에
Figure 112012018543446-pat00107
번째 와
Figure 112012018543446-pat00108
번째 전송 구간에서 전송 소구간 개수를 변경했다고 가정한다(여기서,
Figure 112012018543446-pat00109
). 상기 단말기기
Figure 112012018543446-pat00110
는 상기 도 7의 701단계에서 전송한 데이터 수가 적으면 (즉,
Figure 112012018543446-pat00111
)
Figure 112012018543446-pat00112
한 뒤 상기 도 7의 705단계에서 상기 전송 소구간 개수 변경 과정을 종료한다. 여기서
Figure 112012018543446-pat00113
는 임의의 임계 값을 나타낸다. 반대로
Figure 112012018543446-pat00114
이면 상기 도 7의 702단계에서 705단계까지 각 단말기기가
Figure 112012018543446-pat00115
를 만족하면서 자신의 자원 활용률
Figure 112012018543446-pat00116
를 최대화하도록 전송 소구간 개수를 변경한다. 상기 702단계에서
Figure 112012018543446-pat00117
이면 전송 실패율을 감소시키기 위해 전송 소구간 개수를 한 개 증가시킨(즉,
Figure 112012018543446-pat00118
) 뒤 상기 705단계에서 전송 소구간 개수 변경 과정을 종료한다. 반대로
Figure 112012018543446-pat00119
이면 상기 703단계에서 단말기기
Figure 112012018543446-pat00120
의 자원 활용률 증감 경향성
Figure 112012018543446-pat00121
를 <수학식 12>와 같이 계산하고 상기 704단계에서 자원 활용률을 최대화하기 위해
Figure 112012018543446-pat00122
이면 전송 소구간 개수를 한 개 증가시키며(즉,
Figure 112012018543446-pat00123
),
Figure 112012018543446-pat00124
이면 전송 소구간 개수를 한 개 감소시키고(즉,
Figure 112012018543446-pat00125
) 상기 705단계에서 소구간 개수 변경 과정을 종료한다.
Figure 112012018543446-pat00126
본 발명의 상기 실시 예 2는 상기 실시 예 1과 달리 상기 코디네이터가 소구간 개수 변경의 필요성 여부만 판단하고 상기 판단 정보만 비컨 신호를 통해 각 단말기기에 전송하면 단말기기 자신의 정보만을 바탕으로 전송 소구간 개수를 결정하므로, 코디네이터의 연산 및 메시지교환 부담을 줄일 수 있다.
본 발명의 실시 예 3인 확률적 결정 방식에 따른 상기 402단계에서 코디네이터 및 단말기기가 전송 실패율과 자원 활용률을 계산하는 방법은 다음과 같다. 상기 코디네이터는 시스템의 운용 환경에 따라 분석적으로 네트워크의 전송 실패율
Figure 112012018543446-pat00127
및 자원 활용률
Figure 112012018543446-pat00128
을 각각 <수학식 13> 및 <수학식 14>와 같이 추정한다.
Figure 112012018543446-pat00129
Figure 112012018543446-pat00130
여기서
Figure 112012018543446-pat00131
는 최대 백오프 횟수 기간을 넘겨 채널이 사용되고 있어 전송이 실패할 확률
Figure 112012018543446-pat00132
의 추정 값을,
Figure 112012018543446-pat00133
는 최대 재전송 횟수 초과로 인한 전송 실패 확률
Figure 112012018543446-pat00134
의 추정 값을,
Figure 112012018543446-pat00135
은 전송 성공한 데이터의 평균 심볼 수를,
Figure 112012018543446-pat00136
는 전송 구간에서 데이터 전송을 성공할 확률
Figure 112012018543446-pat00137
의 추정 값을 의미한다. 일례로 CSMA/CA 기반의 전송 시스템의 경우, 상기
Figure 112012018543446-pat00138
,
Figure 112012018543446-pat00139
및
Figure 112012018543446-pat00140
는 마르코프 체인 모델(Markov chain model)을 이용하여 각각 <수학식 15>, <수학식 16> 및 <수학식 17>과 같이 계산할 수 있다[1,2].
Figure 112012018543446-pat00141
Figure 112012018543446-pat00142
Figure 112012018543446-pat00143
여기서
Figure 112012018543446-pat00144
와
Figure 112012018543446-pat00145
는 각각 채널 센싱 결과 채널이 busy하다고 판단하여 다시 백오프를 수행할 확률과 채널이 clean하다고 판단하고 데이터를 전송하였으나 재전송을 시도할 확률을 의미하고,
Figure 112012018543446-pat00146
와
Figure 112012018543446-pat00147
는 각각 상기 저전력 CSMA/CA가 허용하는 최대 백오프 횟수와 최대 재전송 횟수를 의미한다. 또한
Figure 112012018543446-pat00148
와
Figure 112012018543446-pat00149
는 한 단말기기가 백오프를 종료하고 채널 센싱을 시작할 확률 및 백오프 이후 연속된 두 단위 백오프 슬롯의 채널 센싱 결과 채널이 clean하다고 판단할 확률을 나타낸다.
본 발명의 실시 예 3에 따른 상기 403단계에서 코디네이터 및 단말기기가 전송 소구간 개수를 결정하는 방법은 도 8과 같다. 상기 코디네이터는 도 8의 801단계에서 전송 소구간 개수
Figure 112012018543446-pat00150
을 1로 초기화하고 이전 자원 활용률인
Figure 112012018543446-pat00151
를 0으로 초기화한다. 도 8의 802단계에서
Figure 112012018543446-pat00152
이면 데이터 전송 실패율을 낮추기 위해 전송 소구간 개수를 한 개 증가시키고(즉,
Figure 112012018543446-pat00153
) 도 8의 805단계에서 상기 증가에 따른 네트워크 전송 실패율
Figure 112012018543446-pat00154
및 자원 활용률
Figure 112012018543446-pat00155
를 각각 <수학식 13> 및 <수학식 14>와 같이 갱신하고 다시 도 8의 802단계로 돌아간다. 반대로
Figure 112012018543446-pat00156
면 도 8의 803단계에서
Figure 112012018543446-pat00157
이면 도 8의 804단계로 진행한다. 상기 804단계에서
Figure 112012018543446-pat00158
이면 네트워크가 요구하는 데이터 전송 실패율 및 자원 활용률 조건을 동시에 만족시키는 전송 소구간 개수가 존재하지 않으므로,
Figure 112012018543446-pat00159
로 한 뒤 도 8의 808단계에서 전송 소구간 개수 변경을 종료한다. 반대로 상기 804단계에서
Figure 112012018543446-pat00160
이면, 자원 활용률을 증가시키기 위해 전송 소구간 개수를 한 개 증가시키고(즉,
Figure 112012018543446-pat00161
)
Figure 112012018543446-pat00162
를
Figure 112012018543446-pat00163
로 결정한 뒤, 상기 805단계에서
Figure 112012018543446-pat00164
와
Figure 112012018543446-pat00165
를 갱신하고 다시 상기 802단계로 돌아간다. 한편 상기 803단계에서
Figure 112012018543446-pat00166
이면 전송 소구간 개수를 한 개 증가시키고(즉,
Figure 112012018543446-pat00167
) 상기 도 8의 806단계에서 자원 활용률
Figure 112012018543446-pat00168
를 갱신하고, 상기 도 8의 807단계에서 여전히
Figure 112012018543446-pat00169
이면 전력 소모를 최소화하기 위해 다시 상기 806단계로 돌아간다. 반대로 상기 807단계에서
Figure 112012018543446-pat00170
이면 전송 소구간 개수를 한 개 감소시키고(즉,
Figure 112012018543446-pat00171
) 상기 808단계에서 전송 소구간 개수 변경을 종료한다. 상기 코디네이터는 상기 808단계에서 전송 소구간 개수 변경이 종료되면
Figure 112012018543446-pat00172
정보를
Figure 112012018543446-pat00173
번째 슈퍼프레임의 비컨 신호를 통해 단말기기들에 전송하며, 상기 동기 신호를 수신한 단말기기
Figure 112012018543446-pat00174
는 자신의 전송 소구간 개수
Figure 112012018543446-pat00175
를
Figure 112012018543446-pat00176
로 결정한다. 본 발명의 실시 예3은 상기 실시 예1 및 실시 예2와 달리 매 전송 구간마다 분석적으로 전송 성능을 추정하여 전송 소구간 개수를 결정하고, 단말기기와 코디네이터가 전송 소구간 개수를 공유함으로써 경쟁을 빠르게 완화할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 도 4의 404단계에서 각 단말기기가 자신이 동작할 전송 소구간을 스스로 결정하는 방법은 다음과 같다. 단말기기
Figure 112012018543446-pat00177
는
Figure 112012018543446-pat00178
번째 전송 구간이 시작할 때 도 9와 같이 전체 전송 구간을 상기 403단계에서 결정된
Figure 112012018543446-pat00179
개의 전송 소구간으로 균등 분할한다. 이 때 각 전송 소구간의 길이
Figure 112012018543446-pat00180
는 <수학식 18>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012018543446-pat00181
단말기기
Figure 112012018543446-pat00182
는 자신이 사용할 전송 소구간을 결정하기 위해 자신의 주소
Figure 112012018543446-pat00183
를 바탕으로 <수학식 19>와 같이
Figure 112012018543446-pat00184
를 계산할 수 있다.
Figure 112012018543446-pat00185
여기서 “
Figure 112012018543446-pat00186
”는 나머지 연산을 의미한다. 단말기기
Figure 112012018543446-pat00187
는
Figure 112012018543446-pat00188
가 결정되면
Figure 112012018543446-pat00189
번째 전송 소구간에서만 통신을 수행한다. 즉, 전송 구간이 시작된 후 [0,
Figure 112012018543446-pat00190
]동안 전송을 시도하지 않고, (
Figure 112012018543446-pat00191
,
Figure 112012018543446-pat00192
] 동안(즉,
Figure 112012018543446-pat00193
번째 전송 소구간)에만 상기 CSMA/CA 기반의 경쟁 방식으로 데이터 전송을 시도하며, 나머지 전송 프레임 구간인 (
Figure 112012018543446-pat00194
,
Figure 112012018543446-pat00195
]동안에도 다시 전송 시도를 멈춘다. 본 발명은 각 단말기기가 주소에 기반하여 서로 다른 소구간에서 동작하도록 유도함으로써 경쟁을 완화하여 네트워크에서 요구하는 전송 성능을 만족시키는 한편, 각 단말기기의 동작 구간을 전송 구간 전체에서 전송 소구간으로 축소시킴으로써 전력 소모도 최소화할 수 있다.

Claims (5)

  1. 다수의 단말기기가 주기적인 신호 전송 가능 구간(active period) 동안에 carrier sense multiple access with collision avoidance(이하 CSMA/CA)와 같은 경쟁 기반의 전송 기법을 사용하여 주 통신 기기(coordinator: 이하 코디네이터)에게 신호를 전송하는 다중 사용자 통신 시스템의 신호 전송 방법에 있어서,
    (A) 상기 코디네이터가 상기 신호 전송 가능 구간을 전송 성능에 따라 다수의 신호 전송 가능 소구간으로 나누는 과정,
    (B) 상기 단말기기가 상기 다수의 신호 전송 가능 소구간들 중 하나를 자신이 사용할 신호 전송 가능 구간으로 스스로 결정하는 과정,
    (C) 상기 단말기기가 상기 결정한 신호 전송 가능 소구간에서만 경쟁 기반의 전송 기법을 사용하여 상기 코디네이터에게 신호를 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 통신 시스템의 신호 전송 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (A) 과정은,
    상기 코디네이터가 평균 전송 성공률 또는 평균 자원 활용률과 같은 전송 성능이 기준 성능에 미치지 못하는 경우 상기 신호 전송 가능 구간을 다수의 신호 전송 가능 소구간으로 분할할 것을 결정하는 과정과,
    상기 코디네이터가 상기 신호 전송 가능 구간을 다수의 신호 전송 가능 소구간으로 분할할 것을 결정한 정보를 단말기기에게 알려주어 단말기기 스스로 상기 신호 전송 가능 소구간 개수를 변경하게 하거나, 상기 코디네이터가 상기 신호 전송 가능 구간을 전력 소모를 최소화 하면서 전송 성능을 만족하도록 다수의 신호 전송 가능 소구간으로 나누고 이 정보를 단말기기에 알리는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 통신 시스템의 신호 전송 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    단말기기 스스로 상기 신호 전송 가능 소구간 개수를 변경하게 하는 과정은,
    상기 단말기기가 상기 신호 전송 가능 소구간 개수 변경 결정 정보를 수신하고, 자신의 전송 성공률이 기준 임계 값보다 낮은 경우 신호 전송 가능 소구간 개수를 증가시키며,
    상기 전송 성공률이 기준 임계 값보다 높은 경우
    Figure 112013097838137-pat00210
    로 정의되는 자원 활용률이 최대가 되도록 신호 전송 가능 소구간 개수를 변화시키고,
    여기서
    Figure 112013097838137-pat00211
    은
    Figure 112013097838137-pat00212
    번째 신호 전송 가능 구간에서 지난
    Figure 112013097838137-pat00213
    신호 전송 가능 구간 기간 동안에 단말기기가 전송 성공한 심볼 수,
    Figure 112013097838137-pat00214
    은 신호 전송 가능 구간의 심볼 수를 의미함을 특징으로 하는 다중 사용자 통신 시스템의 신호 전송 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 코디네이터가 전력 소모를 최소화 하면서 전송 성능을 만족하도록 상기 신호 전송 가능 구간을 다수의 신호 전송 가능 소구간으로 나누는 과정은,
    상기 코디네이터가 통신 시스템의 전송 성공률이 기준 임계 값보다 낮은 경우 신호 전송 가능 소구간 개수를 증가시키고,
    통신 시스템의 자원 활용률이 기준 임계 값보다 낮은 경우 자원 활용률 증감도를 기반으로 자원 활용률이 증가하도록 신호 전송 가능 소구간 개수를 증감하며,
    상기 통신 시스템의 자원 활용률이 기준 임계 값보다 크게 하는 신호 전송 가능 소구간 개수 중 최대값을 선택하여 전력 소모를 최소화 하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 통신 시스템의 신호 전송 방법.
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