KR101342391B1 - 이기종 네트워크의 공존 방법 및 이를 위한 신호 전송기 - Google Patents

이기종 네트워크의 공존 방법 및 이를 위한 신호 전송기 Download PDF

Info

Publication number
KR101342391B1
KR101342391B1 KR1020120131147A KR20120131147A KR101342391B1 KR 101342391 B1 KR101342391 B1 KR 101342391B1 KR 1020120131147 A KR1020120131147 A KR 1020120131147A KR 20120131147 A KR20120131147 A KR 20120131147A KR 101342391 B1 KR101342391 B1 KR 101342391B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
zigbee
nodes
network
channel
wifi
Prior art date
Application number
KR1020120131147A
Other languages
English (en)
Inventor
임상순
이수철
김종권
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020120131147A priority Critical patent/KR101342391B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101342391B1 publication Critical patent/KR101342391B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W74/00—Wireless channel access
    • H04W74/08—Non-scheduled access, e.g. ALOHA
    • H04W74/0808—Non-scheduled access, e.g. ALOHA using carrier sensing, e.g. carrier sense multiple access [CSMA]
    • H04W74/0816—Non-scheduled access, e.g. ALOHA using carrier sensing, e.g. carrier sense multiple access [CSMA] with collision avoidance

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

ZigBee 네트워크의 프로토콜 수정이 필요없이 WiFi 네트워크로부터 ZigBee 네트워크를 보호하기 위하여 프리앰블 기반의 신호 감지 기법을 통하여 ZigBee 노드들의 전송을 자체적으로 감지하고 WiFi 노드들에게 ZigBee 노드들의 전송 여부를 알려준다. 본 발명에 따른 이기종 네트워크의 공존 방법은, ZigBee 노드들이 전송하는 채널을 지속적으로 탐지하는 단계; 상기 탐지하는 단계 중 프리앰블, SFD 및 패킷 길이 정보로 구성된 임의의 ZigBee 노드의 SHR 필드를 듣게 되면, 임의의 ZigBee 노드가 전송하고 있다고 판단하는 단계; 인접 채널로 채널을 변경하는 단계; 및 상기 임의의 ZigBee 노드의 데이터 및 ACK 프레임을 보호할 수 있는 시간 동안 Busy 톤을 전송하는 단계를 포함한다.

Description

이기종 네트워크의 공존 방법 및 이를 위한 신호 전송기{Method for supporting coexistence of ZigBee and WiFi networks and signaler therefor}
본 발명은 이기종 네트워크의 공존 방법 및 이를 위한 신호 전송기에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 ZigBee와 WiFi 네트워크의 공존을 위하여 WiFi 네트워크로부터 ZigBee 네트워크를 보호하는 방법 및 이를 위한 스스로 감지하는 신호 전송기에 관한 것이다.
무선 환경에서 이기종 네트워크들 간의 주파수 공유는 서로에게 심각한 간섭 및 통신의 신뢰성을 감소시킬 수 있는 큰 문제를 야기할 수 있다. 특히 ZigBee 네트워크는 2.4Ghz 대역의 ISM 밴드를 큰 세기의 전송 파워로 통신하는 WiFi 네트워크와 공유할 때 통신이 불가능해질 정도의 심각한 성능 저하를 겪게 된다. ZigBee 네트워크와 WiFi 네트워크가 공존하는 경우, ZigBee 노드와 WiFi 노드가 서로에게 감지되고 통신에 영향을 줄 수 있는 대칭적 간섭 지역(Symmetric Interference Region)과 전송 파워의 차이로 인하여 ZigBee 노드는 WiFi 노드를 발견할 수 있고 WiFi 노드는 ZigBee 노드를 발견할 수 없는 비대칭적 간섭 지역(Asymmetric Interference Region)이 생겨나게 된다. 이러한 상이한 기술들 간의 상호 간섭(Cross Technology Interference)은 결국 ZigBee 네트워크의 채널 이용 효율을 감소시키게 된다.
비록 ZigBee 네트워크와 WiFi 네트워크 모두 무선 네트워크 상에서의 간섭을 줄이기 위하여 전송전 신호 감지 기법(Listen-before-Talk)을 사용하고 있지만, 상이한 PHY/MAC 계층의 특성으로 인하여 이들 간의 상호 간섭을 줄이기 힘들다. WiFi 네트워크는 하나의 타임 슬럿이 9us인 반면, ZigBee 네트워크는 320us이다. 두 네트워크가 동일한 주파수 대역의 채널을 사용하는 경우 ZigBee 노드가 채널 상태가 유휴(Idle)하다고 판단하고 전송하려고 할 때, WiFi 노드가 채널 상태를 탐지하고 채널을 선점하여 전송하는 경우 두 네트워크 간의 간섭이 발생하게 된다. 또한, ZigBee 노드들은 최고 1mW 미만의 전송 파워로 통신을 하는 반면, WiFi 노드들은 약 15mW 이상의 전송 파워로 통신을 한다. 이때 ZigBee 노드들로부터 멀리 떨어진 WiFi 노드들이 ZigBee 노드들의 존재를 인지하지 못하고 통신을 시작하는 경우 ZigBee 노드들에게 큰 간섭을 주게 된다.
위에서 제시한 ZigBee 네트워크와 WiFi 네트워크 간의 상호 간섭 문제를 해결하기 위하여 ZigBee 네트워크 관점에서 동적 채널 할당 방법, 프레임 제어 방법, 시간 예약 방법과 같은 다양한 연구들이 제안되었다.
첫째로, 동적 채널 할당 방법은 ZigBee 노드들이 채널 환경을 주기적으로 탐색하여 WiFi 노드들로부터 간섭이 최소화되는 채널을 찾고 이를 이용하는 방법이다.
하지만 이 방법의 경우 각 채널별 WiFi 네트워크 트래픽 측정 및 ZigBee 네트워크의 채널 변경에 대한 오버헤드가 크며, 모든 채널에 대한 트래픽 측정 및 비교연산으로 인하여 계산 복잡도가 매우 높은 단점이 있다. 또한, ZigBee 네트워크와 WiFi 네트워크가 동시에 사용하고 있는 채널의 겹치는 구간이 많은 경우 여전히 ZigBee 네트워크의 신뢰성 있는 통신을 보장해 줄 수 없으며, 우선순위가 WiFi 네트워크에 있어 두 네트워크 간의 공정한 주파수 공유를 보장해 줄 수 없다.
둘째로, ZigBee 네트워크의 프레임 제어를 통해 WiFi 네트워크의 간섭을 줄이기 위한 방법들이 제안되었다. ZigBee 네트워크의 프레임 제어 방법에서는 실제 다양한 환경에서 측정한 WiFi 네트워크의 트래픽 모델링을 통하여, WiFi 노드들이 패킷을 전송하지 않는 구간을 예측한다. 예측된 트래픽 모델을 활용하여 ZigBee 노드들은 전송 프레임의 크기 및 전송 간격을 동적으로 조절함으로써 WiFi 노드들과의 충돌 확률을 낮추어 처리량을 높일 수 있다.
하지만 이는 WiFi 네트워크가 사용중인 시간을 피하는 방법으로 두 네트워크 간의 공정한 주파수 공유를 보장해 줄 수 없으며, WiFi 네트워크에서 버스트 트래픽이 발생하는 경우 ZigBee 네트워크의 전송지연 시간이 크게 증가할 수 있다. 즉, WiFi 네트워크와의 간섭을 줄이기 위하여 ZigBee 네트워크의 프레임 크기를 줄이거나 전송 간격을 늘릴 경우 병원에서의 환자 모니터링 시스템, 다양한 이벤트 구동형(event-driven) 모니터링 시스템 등의 성능에 민감한 응용을 지원하는 ZigBee 네트워크에 적용될 수 없는 단점이 있다.
셋째로, ZigBee 네트워크 통신 보장을 위한 시간 예약 방법이 있다. 시간 예약 방법에서는 ZigBee 네트워크를 위한 제 3의 장치인 신호전송기(Signaler)가 ZigBee 노드들 주변에 존재하며, ZigBee 노드들로부터 전송 시작을 알리는 패킷을 수신하게 되면 ZigBee 노드들이 전송하는 동안 주변에 있는 WiFi 노드들이 전송하지 못하도록 Busy 톤을 송신함으로서 ZigBee 네트워크를 보호해 준다. 신호전송기는 Xbee처럼 ZigBee 패킷을 수신할 수 있으며, WiFi 네트워크와 비슷한 전송 파워로 통신을 할 수 있는 장치를 의미한다.
이 방법의 경우 신호전송기라는 추가적인 장치가 필요하다는 단점이 있지만, 동등하게 ZigBee 네트워크와 WiFi 네트워크가 경쟁할 수 있는 환경을 제공해 줄 수 있으며, 위의 두 방식보다 제어 오버헤드가 적어 ZigBee 네트워크의 채널 이용 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
하지만 ZigBee 네트워크가 신호전송기에 전송 요청을 하기 위하여 ZigBee 노드들의 프로토콜 수정이 필요하고, 추가적인 제어 오버헤드가 발생하며, 신호전송기가 WiFi 노드들과의 경쟁을 통해 채널을 선점한 후 전송 시작을 알리는 CTS(Clear-to-Send) 신호를 전송 대기중인 ZigBee 노드에게 보내게 되는데, 이 때 패킷 손실이 발생하는 경우 ZigBee 네트워크와 WiFi 네트워크 모두 성능이 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 본 발명에서는 ZigBee와 WiFi 네트워크의 공존을 위하여 WiFi 네트워크로부터 ZigBee 네트워크를 보호하는 방법을 제공하는 것을 그 과제로 한다.
본 발명의 다른 과제는 ZigBee 네트워크의 프로토콜 수정이 필요없이 스스로 ZigBee 트래픽을 감지하고 이를 보호할 수 있으며, 제어 오버헤드를 최소화하고 ZigBee 네트워크의 성능을 향상시킬 수 있는 방법과 이를 위한 신호전송기(signaler)를 제공하는 것이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 프리앰블 기반의 신호 감지 기법을 통하여 ZigBee 노드들의 전송을 자체적으로 감지하고 WiFi 노드들에게 ZigBee 노드들의 전송 여부를 알려준다.
즉, 본 발명의 일 면에 따른 이기종 네트워크의 공존 방법은, ZigBee 노드들이 전송하는 채널을 지속적으로 탐지하는 단계; 상기 탐지하는 단계 중 프리앰블, SFD 및 패킷 길이 정보로 구성된 임의의 ZigBee 노드의 SHR 필드를 듣게 되면, 임의의 ZigBee 노드가 전송하고 있다고 판단하는 단계; 인접 채널로 채널을 변경하는 단계; 및 상기 임의의 ZigBee 노드의 데이터 및 ACK 프레임을 보호할 수 있는 시간 동안 Busy 톤을 전송하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 Busy 톤을 전송하는 시간 γz는 다음의 수학식에 의해 정해질 수 있다.
Figure 112012095181012-pat00001
여기에서, τz는 ZigBee 노드의 데이터 프레임 전송 시간, Jz는 CCA를 측정하는 상태에서 송신 가능한 상태로 전환하는 시간 및 채널 변경 시간, τza는 ZigBee 노드의 ACK 프레임 전송 시간이다.
본 발명의 다른 면에 따른 네트워크 시스템은, 다수의 ZigBee 노드; 다수의 WiFi 노드; 및 신호전송기를 포함하며, 상기 신호전송기는 ZigBee 패킷을 수신할 수 있고 WiFi 네트워크와 동등한 전송 파워로 통신할 수 있는 장치이고, 상기 신호전송기는, 상기 ZigBee 노드들이 전송하는 채널을 지속적으로 탐지하고, 상기 탐지하는 단계 중 프리앰블, SFD 및 패킷 길이 정보로 구성된 임의의 ZigBee 노드의 SHR 필드를 듣게 되면, 임의의 ZigBee 노드가 전송하고 있다고 판단하여 인접 채널로 채널을 변경하고, 상기 임의의 ZigBee 노드의 데이터 및 ACK 프레임을 보호할 수 있는 시간 동안 Busy 톤을 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 면에 따른 신호전송기는, 다수의 ZigBee 노드와 다수의 WiFi 노드가 공존하는 네트워크 시스템에서 ZigBee 네트워크 통신보장을 위해 사용하는 신호전송기로서, ZigBee 패킷을 수신하는 수신부; 및 WiFi 네트워크와 동등한 전송 파워로 송신하는 송신부를 포함하며, 상기 신호전송기는, 상기 ZigBee 노드들이 전송하는 채널을 지속적으로 탐지하고, 상기 탐지하는 단계 중 프리앰블, SFD 및 패킷 길이 정보로 구성된 임의의 ZigBee 노드의 SHR 필드를 듣게 되면, 임의의 ZigBee 노드가 전송하고 있다고 판단하여 인접 채널로 채널을 변경하고, 상기 임의의 ZigBee 노드의 데이터 및 ACK 프레임을 보호할 수 있는 시간 동안 Busy 톤을 전송한다.
본 발명에 의한 스스로 감지하는 신호전송기는 프리앰블 기반의 신호 감지 기법을 통하여 ZigBee 노드들의 전송을 자체적으로 감지하고 WiFi 노드들에게 ZigBee 노드들의 전송 여부를 알려줌으로서 무의미하게 채널을 선점하는 시간을 줄일 수 있으므로 기존에 제안된 상호 협력 Busy 톤 방식보다 더욱 효율적으로 ZigBee 네트워크를 보호해 줄 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기에 대해 수학적 분석 및 NS-2 기반의 시뮬레이션을 진행한 결과, 기존에 제안된 상호 협력 Busy 톤 전송방식 보다 최대 약 180% 이상 Zigbee 네트워크의 처리량을 높일 수 있으며, ZigBee 네트워크를 위한 채널 보호구간을 줄여 공유된 채널 선점 시간을 현저히 줄임으로서 WiFi 네트워크의 처리량을 최대 약 160% 이상 높일 수 있음을 확인할 수 있었다.
도 1은 802.15.4와 802.11 표준의 채널 구성을 나타낸다.
도 2는 ZigBee 노드와 WiFi 노드의 기본적인 동작을 나타낸다.
도 3은 상호 협력 Busy 톤 신호전송기 및 스스로 감지하는 신호전송기의 동작을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기에서 충돌이 발생하는 경우의 동작을 나타낸다.
도 5는 ZigBee 네트워크의 처리량을 나타낸다.
도 6은 WiFi 네트워크의 처리량을 나타낸다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 이기종 네트워크의 공존 방법 및 이를 위한 신호 전송기에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
1. 스스로 감지하는 신호전송기
먼저 802.15.4 와 802.11 표준에 대하여 설명한다.
802.15.4와 802.11 표준은 unlicensed 2.4 Ghz 대역에서 적용되도록 제안되었다. 802.15.4는 16개의 2 Mhz 채널을 정의하고 있으며 802.11b/g 표준은 13개의 20 Mhz 채널을 정의하고 있다.
도 1은 802.15.4와 802.11 표준의 채널 구성을 나타낸다.
도 1에서 보는 바와 같이, 802.11 1개의 채널은 4개의 802.15.4 채널과 오버랩되어 있다. 따라서 802.11 한 채널에 대해 4개의 802.15.4 채널이 신호 간섭을 받게 된다.
도 2는 ZigBee 노드와 WiFi 노드의 기본적인 동작을 나타낸다.
WiFi 네트워크와 ZigBee 네트워크의 타임슬럿은 각각 9us, 320us으로 다르며 ZigBee 네트워크의 경우 128us 동안 채널 감지 후 채널 상태를 결정하는 반면 WiFi 네트워크는 28us 동안 채널 감지 후 상태를 결정하게 된다. 따라서 도 2에 나타난 것과 같이, ZigBee 노드들이 채널을 감지한 시점에서 유휴하다고 판단하여 전송을 하기 위해 송신 상태로 전환하는 192us이내에 WiFi 노드가 채널이 유휴하다고 판단하여 전송을 시작할 때 충돌이 발생하게 된다(ZigBee 노드의 하드웨어 특성상 채널 감지 후 송신상태로 전환하거나 송신상태에서 수신상태로 전환할 때 192us의 상태 변환 시간이 필요하다).
또한, WiFi 노드가 ZigBee 노드들의 통신 반경 범위 밖에 있으면서 ZigBee 노드들에게 간섭을 줄 수 있는 범위 안에 있는 경우 ZigBee 노드들의 통신을 방해하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 XBee와 같은 높은 파워로 전송 가능한 ZigBee 노드를 신호전송기로 사용하여 WiFi 네트워크에게 Busy 톤을 전송함으로서 ZigBee 노드들을 위해 채널을 예약하는 방식이 제안되었다.
도 3은 신호 전송기의 동작을 나타내는 것으로서, 도 3의 (a)는 종래의 상호 협력 Busy 톤 신호전송기의 동작을 나타내고, 도 3의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기의 구성을 나타낸다.
도 3의 (a)에서 보는 바와 같이, 상호 협력 Busy 톤 신호전송기는 일반적인 ZigBee 노드들과 동일하게 랜덤 백오프를 수행하고 채널 감지 후 채널이 유휴하다고 판단되면 송신 상태로 전환하여 CTS 패킷을 전송하여 주변 ZigBee 노드들에게 전송을 시도하라는 명령을 내린다. 명령을 내린 후에 주변 ZigBee 노드들의 데이터 전송을 방해하지 않고 오직 인근에 있는 WiFi 노드들의 전송만 지연시키기 위하여 인접 채널로 채널 변경 후 Busy 톤을 전송하게 된다. 이때 신호전송기는 ZigBee 네트워크의 조정자(Coordinator)로부터 인접 ZigBee 노드들의 전송 요청을 전달받은 것을 가정한다.
하지만 이 경우, 신호전송기가 CTS 전송을 위해 송신 상태로 전환하는 구간에 WiFi 트래픽이 발생하게 되면 ZigBee 노드들이 CTS를 수신하지 못하여 신호전송기가 Busy 톤을 전송하는 시간 동안 ZigBee 노드들이 전송 시도를 하지 않게 된다. 이때 신호전송기도 CTS 전송 실패 여부를 알지 못하고 인접 채널로 채널을 변환하여 Busy 톤을 전송하게 됨으로써 ZigBee 노드들이 전송하지 않는 구간임에도 불구하고 WiFi 노드들을 전송하지 못하게 하는 현상이 발생한다.
또한, 신호전송기가 채널을 선점한 후 Busy 톤을 전송하여 하나의 ZigBee 패킷을 완벽하게 보호해 주기 위해서는 Tb cbt=B1+2(Cz+Jz)+τz+τza 시간 동안 Busy 톤을 전송하여야 한다. B1은 1단계 백오프에서의 최대 경쟁 윈도우(Contention window)를 나타내며, Cz는 CCA 시간, Jz는 CCA를 측정하는 상태에서 송신 가능한 상태로 전환하는 시간 및 채널 변경 시간을 나타낸다. 또한, τz와 τza는 각각 ZigBee 노드의 데이터 프레임 및 ACK 프레임 전송 시간을 나타낸다. 802.15.4 표준에 따르면 각 ZigBee 노드들은 1단계 백오프에서 최대 2minBE개의 백오프 타임 슬럿을 갖게 된다(minBE의 기본값은 3이다). 경쟁하는 ZigBee 노드들중 채널 선점하는 노드는 1단계 백오프에서 채널 경쟁에 이긴다고 가정하므로 ZigBee 노드들 간 채널 경쟁 시점부터 신호전송기가 채널을 선점해야 한다. 이러한 백오프 시간은 ZigBee 노드의 최대 패킷(134 Bytes) 전송 시간의 약 62%에 달할 정도로 큰 오버헤드이며 이로 인하여 WiFi 네트워크에 심각한 성능저하를 초래하게 된다.
이러한 문제들을 해결하고자 본 발명에서는 스스로 감지하는 신호전송기를 제안한다.
도 3의 (b)에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 신호전송기는 일반 ZigBee 노드들이 전송하는 채널을 지속적으로 탐지하여 프리앰블, SFD, 그리고 패킷 길이 정보로 구성된 ZigBee 노드의 SHR 필드를 듣게 되면, ZigBee 노드가 전송하고 있다고 판단하고, 인접 채널로 채널을 변경하여 ZigBee 노드의 데이터 및 ACK 프레임을 보호할 수 있을 만큼 충분한 시간 동안 Busy 톤을 전송한다. 신호전송기가 스스로 ZigBee 노드의 통신을 감지하므로 기존의 제어 패킷 손실로 인하여 유휴시간 동안 ZigBee와 WiFi 노드들이 모두 전송하지 못하는 문제를 해결할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기에서의 충돌이 발생하는 경우의 동작을 나타낸다.
도 4의 (a)에서와 같이, 스스로 감지하는 신호전송기가 SHR 필드 발견을 완료하고 채널을 변경하는 중에 WiFi 패킷이 발생하는 경우 ZigBee 패킷의 앞부분과 겹쳐 충돌이 일어나게 된다. 하지만 일반 ZigBee 노드들이 랜덤 백오프를 완료하고 채널 탐지한 이후에 신호전송기가 프리앰블을 발견하고 Busy 톤을 보내게 됨으로써 기존의 상호 협력 Busy 톤 신호전송기를 사용할 때보다 하나의 ZigBee 패킷을 보호하기 위해 Busy 톤을 전송하는 기간이 현저히 줄어들게 된다.
즉, 기존 신호전송기에서의 CTS 전송 실패와 유사한 확률로 ZigBee 패킷에 대해 충돌이 발생하는 반면, Busy 톤 전송 구간이 짧아, 매우 적은 오버헤드로 ZigBee 노드들의 전송을 보호해 줄 수 있다. 짧은 Busy 톤 전송 시간은 후술할 성능평가 결과에서도 알 수 있듯이 WiFi 네트워크의 성능에도 긍정적인 영향을 준다.
또한, 도 4의 (b)에서 보는 바와 같이, SHR 필드를 발견하는 단계에서 WiFi 패킷과 충돌이 나는 경우, 신호전송기가 이를 감지하여 Busy 톤을 전송하지 않음으로써 WiFi 네트워크의 성능 저하를 상당 부분 줄일 수 있는 장점이 있다.
2. 성능 분석
본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기의 성능을 검증하기 위하여 수학적 모델을 통해 본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기와 기존의 상호 협력 Busy 톤 신호전송기의 성능을 비교하였다. 즉, 각각의 동작에 대한 충돌 확률을 분석하고 WiFi 네트워크와 ZigBee 네트워크의 트래픽양 변화에 따른 성능을 분석하였다.
2.1 네트워크 모델
본 명세서에서는 ZigBee 네트워크와 WiFi 네트워크가 같은 주파수 대역을 공유하는 상황에서 에너지 레벨을 감지하여 채널 상태를 판단하는 채널 감지 기법을 사용하는 것을 고려하며, ZigBee네트워크와 WiFi 네트워크의 패킷 도착은 Poisson 분포를 따름을 가정하였다. τw와 τwa는 각각 WiFi 노드의 데이터와 ACK 프레임을 전송하는 시간을 의미하며, Tw와 λw는 WiFi 노드의 데이터 프레임에 대한 평균 패킷 도착 간격, 도착율을 나타낸다. Tbo w는 WiFi 네트워크의 백오프 기간으로 0부터 경쟁 윈도우 크기 사이에서 유니폼하게 분포한다. WiFi 노드는 백오프 수행 후 전송전에 28us DIFS 기간동안 유휴상태로 대기한다. βw는 백오프 단계에서부터 WiFi 노드가 하나의 데이터 프레임을 전송하고 ACK 프레임을 받는데까지 드는 시간을 나타낸다. ZigBee 네트워크의 경우 파라메터들의 정의는 위와 동일하며 각각 τz, τza, Tz, λz, Tbo z로 나타낸다. 추가적으로 γz는 ZigBee 노드가 순수하게 데이터 프레임을 보내고 ACK을 받는데까지 걸리는 시간으로 γz = τz + Jz +τza로 나타내며, Rz는 ZigBee 노드들의 재전송 한계를 나타낸다(재전송 한계의 기본값은 3이다).
2.2 충돌 확률
기존에 제안된 상호 협력 Busy 톤 신호전송기의 경우 Busy 톤의 길이를 ZigBee 노드의 백오프부터 ACK 프레임 수신하는 기간을 모두 포함하도록 설정할 경우 데이터 및 ACK 프레임의 충돌 확률은 0이 된다. 하지만 신호전송기가 CTS 패킷을 전송하기 직전 채널 변경 기간 이내에 WiFi 패킷이 발생하면 CTS 전송 실패가 발생하며 ZigBee 네트워크의 처리량이 줄어들게 된다. 신호전송기는 높은 전송 파워로 Busy 톤을 보내기 때문에 비대칭 간섭 지역이 발생하지 않으며, 이때 CTS 패킷 충돌 확률은 다음의 [수학식 1]과 같다.
Figure 112012095181012-pat00002
본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기는 ZigBee 노드들에게 CTS 패킷을 전송하지 않으므로 이에 대한 충돌확률을 고려할 필요가 없다. 하지만 도 4에서와 같이 신호전송기가 ZigBee 패킷의 프리앰블을 발견하는 구간에서 WiFi 패킷이 발생하여 충돌이 날 경우 ZigBee 네트워크의 처리량이 마찬가지로 줄어들게 된다. 따라서, 스스로 감지하는 신호전송기가 존재함에도 ZigBee 데이터 프레임의 충돌 발생 확률은 다음의 [수학식 2]와 같다.
Figure 112012095181012-pat00003
2.3 네트워크 성능
본 명세서에서는 ZigBee 네트워크와 WiFi 네트워크의 전송 시도를 리뉴얼 리워드 프로세스(Renewal reward process)로 모델링한다. 각 리뉴얼 간격(renewal interval)은 패킷 하나에 대해 전송 시도 후 전송 성공할 때까지 걸린 시간 혹은 재전송 한계를 초과하여 전송 실패할 때까지 걸린 시간으로 나타낸다. 리워드(Reward)는 충돌없이 하나의 데이터 패킷을 전송하는데 드는 시간으로 나타낸다. 기본적인 리뉴얼 리워드 프로세스에서의 일반화된 처리량은 다음의 [수학식 3]과 같이 나타낸다.
Figure 112012095181012-pat00004
R(t)는 t시간까지 얻은 총 리워드를 의미하며, E[R]은 한 리워드 간격에서의 평균 리워드를 의미하며, E[D]는 평균 리워드 간격을 의미한다. 따라서 ZigBee 네트워크에서의 일반화된 처리량은 다음의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012095181012-pat00005
본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기를 사용하는 환경에서 ZigBee 네트워크의 평균 리워드는 [1-(1-PNBP d)Rz]τz이다. 또한,
Figure 112012095181012-pat00006
는 본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기를 사용하는 환경에서 ZigBee 노드의 평균 리워드 간격으로 다음의 [수학식 5]와 같다.
Figure 112012095181012-pat00007
여기서 E[Bz]는 2번의 CCA를 포함한 ZigBee 노드의 평균 백오프 시간을 나타내며, γnbp = 2Jz + τz + τza로 백오프가 끝난 후 데이터 프레임을 보내고 ACK 프레임을 받는데까지 걸리는 시간을 의미한다.
상호 협력 Busy 톤 신호전송기에서는 앞서 설명한 바와 같이 ACK 프레임 전송 완료 시점까지 충분히 Busy 톤을 설정하면 데이터 및 ACK 프레임 실패가 발생하지 않는다. 따라서, 평균 리워드는 τz이다. 또한, 신호전송기로부터 CTS 패킷을 수신하지 못할 확률을 고려하면 상호 협력 Busy 톤 신호전송기를 사용하는 환경에서의 ZigBee 노드의 평균 리워드 간격은 다음의 [수학식 6]과 같다.
Figure 112012095181012-pat00008
여기서 E[Bz]는 위의 경우와 동일하며, γcbt = Jz + Tcts + Tb cbt로서 신호전송기가 ZigBee 패킷 보호를 위해 채널 경쟁을 끝낸 순간부터 ZigBee 노드가 전송을 완료하고 ACK 프레임을 받는데까지 걸리는 시간을 의미한다.
상기 [수학식 4]에서와 마찬가지로 상호 협력 Busy 톤 신호전송기를 사용하는 환경에서의 평균 리워드 및 리워드 간격을 상기 [수학식 3]에 적용하여 처리량을 구할 수 있다.
각각의 신호전송기와 WiFi 네트워크가 공존할 경우 WiFi 네트워크의 처리량은 ZigBee 노드들로부터 발생하는 트래픽 양과 Busy 톤의 길이에 영향을 받는다. 본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기와 WiFi 네트워크가 공존할 경우 WiFi 노드가 패킷 하나를 전송하는데 드는 평균 서비스 시간은 다음의 [수학식 7]과 같다.
Figure 112012095181012-pat00009
여기서 Nnbp는 ZigBee 노드의 리뉴얼 간격에서 ZigBee 노드가 평균적으로 전송시도 하는 횟수를 의미하며 다음의 [수학식 8]과 같이 나타낸다.
Figure 112012095181012-pat00010
상호 협력 Busy 톤 신호전송기의 경우에는 다음의 [수학식 9]와 같다.
Figure 112012095181012-pat00011
본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기를 사용하는 환경에서 WiFi 네트워크의 처리량은 상기 [수학식 3]의 모델을 적용하면, 다음의 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있으며, 상호 협력 Busy 톤 신호전송기를 사용하는 환경의 경우 해당 평균 서비스 시간을 고려하여 유사하게 정의할 수 있다.
Figure 112012095181012-pat00012
3. 성능 평가
이제 분석적인 모델과 NS-2 시뮬레이션을 통하여 신호전송기들의 성능을 비교한다. 각 신호전송기는 NS-2 2.35 버전의 802.15.4 MAC 프로토콜을 수정하여 구현하였으며, 기본적인 파라메터들은 802.15.4 표준을 따라서 설정하였다. 또한, WiFi 네트워크는 802.11g의 표준에 맞게 설정하였으며, 두 네트워크가 동일한 주파수 대역을 공유하며 경쟁하도록 시뮬레이션 환경을 설정하였다.
3.1 ZigBee 네트워크의 성능평가
본 명세서에서는 트래픽 양을 다음의 [수학식 11]과 같이 정의한다.
Figure 112012095181012-pat00013
시뮬레이션에서 ZigBee 노드들은 280kbps의 전송속도로 63 Bytes 크기의 패킷을 전송하였으며, WiFi 노드들은 18Mbps의 전송속도로 1Kbytes 크기의 패킷을 전송하였다.
도 5는 WiFi 네트워크의 트래픽양 변화에 따른 ZigBee 네트워크의 일반화된 처리량을 보여준다. WiFi 네트워크의 트래픽양이 증가할수록 ZigBee 네트워크에서는 충돌로 인한 서비스 시간이 증가하게 됨으로 결국 채널 이용률이 낮아지게 된다. 상호 협력 Busy톤 신호전송기를 사용하는 환경에서는 ZigBee 노드들이 전송경쟁하는 시간이 Busy 톤 기간에 포함되어 있으며, ZigBee 노드들이 CTS 패킷을 수신하지 못하였을 경우, 본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기 환경보다 성능이 낮은 것을 알 수 있다. 상호 협력 Busy 톤 신호전송기를 사용하는 환경에서 CTS 패킷이 충돌할 확률에 비해 스스로 감지하는 신호전송기를 사용하는 환경에서 데이터 프레임이 충돌할 확률이 더 크기 때문에, WiFi 트래픽 양이 0.43보다 커지는 경우에는 본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기의 성능이 낮아지는 것을 알 수 있다.
실제 WiFi 네트워크의 트래픽 양을 측정한 연구결과를 보면 평균 30% 정도의 트래픽 양이 관측되는 것으로 볼 때, 본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기가 실제 WiFi 네트워크 환경에서 더욱 효율적이며, WiFi 트래픽 양이 적을수록 더욱 높은 성능을 내는 것을 알 수 있다. WiFi 트래픽 양이 매우 적은 경우 최대 180% 정도 ZigBee 네트워크의 성능이 향상됨을 알 수 있다.
도 6은 ZigBee 네트워크의 트래픽 양 변화에 따른 WiFi 네트워크의 일반화된 처리량을 보여준다. ZigBee 네트워크의 트래픽 양이 증가할수록 각 신호전송기가 Zigbee 네트워크를 보호하기 위해 채널을 선점을 더욱 빈번하게 하므로 WiFi 네트워크의 성능이 낮아지는 것을 알 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기의 경우, 신호전송기가 WiFi 네트워크와 채널 선점 경쟁에 참여하지 않고 ZigBee 노드들이 직접 WiFi 네트워크와 채널 선점 경쟁을 하고, 채널 선점 후 데이터 프레임을 전송하는 시점에서부터 Busy 톤을 전송해주게 되므로, Busy 톤을 보내는 오버헤드를 줄여 ZigBee 네트워크의 채널 선점 시간을 줄일 수 있는 장점이 있다. 다양한 ZigBee 응용들이 1%~10% 정도의 트래픽을 발생시키는 것을 감안하였을 때, 본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기가 직접 채널 선점 경쟁에 참여하는 상호 협력 Busy톤 신호전송기보다 WiFi 처리량 감소를 줄일 수 있는 것을 알 수 있다. 또한 ZigBee의 트래픽 양이 20%일 때 기존 방식보다 약 160% 정도의 WiFi 처리량 감소를 줄일 수 있는 것을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 스스로 감지하는 신호전송기는 WiFi 네트워크로부터 ZigBee 네트워크를 적은 오버헤드로도 보호할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 수학적 분석 모델 및 NS-2 시뮬레이션을 통하여 기존에 제안되었던 상호 협력 Busy 톤 전송 방식보다 ZigBee 네트워크에 대해 높은 처리량을 보장해 줄 수 있음을 확인할 수 있었다.
뿐만 아니라, 신호감지기 스스로 ZigBee 네트워크의 전송 요청을 감지하여 WiFi 네트워크로부터 보호를 해 줌으로써 일반적인 ZigBee 노드들이 프로토콜 수정없이 보호받을 수 있는 장점이 있음을 알 수 있다.
이상에서 바람직한 실시예를 기준으로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 장치 및 방법은 반드시 상술된 실시예에 제한되는 것은 아니며 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (5)

  1. ZigBee 노드들이 전송하는 채널을 지속적으로 탐지하는 단계;
    상기 탐지하는 단계 중 프리앰블, SFD 및 패킷 길이 정보로 구성된 임의의 ZigBee 노드의 SHR 필드를 듣게 되면, 임의의 ZigBee 노드가 전송하고 있다고 판단하는 단계;
    인접 채널로 채널을 변경하는 단계; 및
    상기 임의의 ZigBee 노드의 데이터 및 ACK 프레임을 보호할 수 있는 시간 동안 Busy 톤을 전송하는 단계를 포함하는 이기종 네트워크의 공존 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Busy 톤을 전송하는 시간 γz는 다음의 [수학식 12]에 의해 정해지는 이기종 네트워크의 공존 방법.
    [수학식 12]
    Figure 112012095181012-pat00014

    (τz: ZigBee 노드의 데이터 프레임 전송 시간,
    Jz: CCA를 측정하는 상태에서 송신 가능한 상태로 전환하는 시간 및 채널 변경 시간,
    τza: ZigBee 노드의 ACK 프레임 전송 시간)
  3. 다수의 ZigBee 노드;
    다수의 WiFi 노드; 및
    신호전송기를 포함하는 네트워크 시스템으로서,
    상기 신호전송기는 ZigBee 패킷을 수신할 수 있고 WiFi 네트워크와 동등한 전송 파워로 통신할 수 있는 장치이며,
    상기 신호전송기는,
    상기 ZigBee 노드들이 전송하는 채널을 지속적으로 탐지하고, 상기 탐지하는 단계 중 프리앰블, SFD 및 패킷 길이 정보로 구성된 임의의 ZigBee 노드의 SHR 필드를 듣게 되면, 임의의 ZigBee 노드가 전송하고 있다고 판단하여 인접 채널로 채널을 변경하고, 상기 임의의 ZigBee 노드의 데이터 및 ACK 프레임을 보호할 수 있는 시간 동안 Busy 톤을 전송하는 네트워크 시스템.
  4. 다수의 ZigBee 노드와 다수의 WiFi 노드가 공존하는 네트워크 시스템에서 ZigBee 네트워크 통신보장을 위해 사용하는 신호전송기로서,
    ZigBee 패킷을 수신하는 수신부; 및
    WiFi 네트워크와 동등한 전송 파워로 송신하는 송신부를 포함하며,
    상기 신호전송기는,
    상기 ZigBee 노드들이 전송하는 채널을 지속적으로 탐지하고, 상기 탐지하는 단계 중 프리앰블, SFD 및 패킷 길이 정보로 구성된 임의의 ZigBee 노드의 SHR 필드를 듣게 되면, 임의의 ZigBee 노드가 전송하고 있다고 판단하여 인접 채널로 채널을 변경하고, 상기 임의의 ZigBee 노드의 데이터 및 ACK 프레임을 보호할 수 있는 시간 동안 Busy 톤을 전송하는 신호전송기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 Busy 톤을 전송하는 시간 γz는 다음의 [수학식 12]에 의해 정해지는 신호전송기.
    [수학식 12]
    Figure 112012095181012-pat00015

    (τz: ZigBee 노드의 데이터 프레임 전송 시간,
    Jz: CCA를 측정하는 상태에서 송신 가능한 상태로 전환하는 시간 및 채널 변경 시간,
    τza: ZigBee 노드의 ACK 프레임 전송 시간)
KR1020120131147A 2012-11-19 2012-11-19 이기종 네트워크의 공존 방법 및 이를 위한 신호 전송기 KR101342391B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120131147A KR101342391B1 (ko) 2012-11-19 2012-11-19 이기종 네트워크의 공존 방법 및 이를 위한 신호 전송기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120131147A KR101342391B1 (ko) 2012-11-19 2012-11-19 이기종 네트워크의 공존 방법 및 이를 위한 신호 전송기

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101342391B1 true KR101342391B1 (ko) 2013-12-17

Family

ID=49988501

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120131147A KR101342391B1 (ko) 2012-11-19 2012-11-19 이기종 네트워크의 공존 방법 및 이를 위한 신호 전송기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101342391B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113163385A (zh) * 2020-12-31 2021-07-23 博流智能科技（南京）有限公司 信道快速接入方法及系统
CN115549705A (zh) * 2021-06-30 2022-12-30 中国科学技术大学 一种实现ZigBee信号和WiFi信号共存的方法和设备

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100653368B1 (ko) 2005-12-14 2006-12-05 (주)한국무선네트워크 무선랜과 지그비간 상호간섭을 회피하는 방법 및 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100653368B1 (ko) 2005-12-14 2006-12-05 (주)한국무선네트워크 무선랜과 지그비간 상호간섭을 회피하는 방법 및 장치

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113163385A (zh) * 2020-12-31 2021-07-23 博流智能科技（南京）有限公司 信道快速接入方法及系统
CN115549705A (zh) * 2021-06-30 2022-12-30 中国科学技术大学 一种实现ZigBee信号和WiFi信号共存的方法和设备

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2016161710A1 (zh) 信道占用概率的调整方法、调整系统和设备
US7995548B2 (en) Radio communication system, radio communication apparatus, radio communication method, and computer program
KR101176028B1 (ko) 무선 랜 시스템 및 그 통신 방법
JP7224542B2 (ja) Ｉｅｅｅ８０２．１１とのよりよい共存を実現するための、ｉｅｅｅ８０２．１５．４のための衝突回避付きハイブリッドキャリアセンスマルチプルアクセスシステム
KR20130022038A (ko) 무선 네트워크에서 충돌 회피 방법 및 장치
EP1433288A1 (en) A wireless communications system with detection of foreign radiation sources
KR20140069328A (ko) 무선 통신 네트워크들을 위한 충돌 감소 매커니즘들
WO2016155563A1 (zh) 一种非授权载波上传输资源的抢占方法及设备
KR20070015380A (ko) 무선 네트워크에서 매체 접근 오버헤드를 줄이기 위한 방법
US9532381B2 (en) Hidden node detection method and apparatus in wireless communication system
KR20140104382A (ko) 무선 통신 시스템에서 통신을 수행하는 방법 및 장치
KR100972588B1 (ko) Ｉｅｅｅ 802.11의 ｍａｃ 프로토콜에 따른 무선 채널의접속 제어 방법
US20080181192A1 (en) Radio communication apparatus and radio communication method
WO2017050060A1 (zh) 一种实现先听后说的方法和装置
KR101342391B1 (ko) 이기종 네트워크의 공존 방법 및 이를 위한 신호 전송기
EP3915310B1 (en) Cooperative inter-network channel selection
US20170325098A1 (en) Preamble-based channel reservation and self-organized fairness mechanisms for long term evolution (lte) over shared spectrum
KR100904342B1 (ko) 비슬롯 기반 ｃｓｍａ/ｃａ 네트워크 구성에서의 ａｃｋ보호 방법 및 성능척도 예측방법
US20220210829A1 (en) Method and device for transmitting frame through determination of channel expansion in broadband wireless communication network
KR20060081017A (ko) Ｗｌａｎ 시스템의 간섭 감지 장치 및 그 방법
KR20100125035A (ko) 셀피쉬 노드를 검출하는 통신 장치 및 그 방법
WO2021139793A1 (zh) 信道接入方法及相关产品
JP4333347B2 (ja) 無線通信システム、無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラム
KR101338335B1 (ko) 슬롯기반 ｃｓｍａ／ｃａ 네트워크 구성에서의 듀얼 ｒｆ를 이용한 태그 충돌 방지 방법
EP1698111B1 (en) Methods and apparatuses for transmit latency reduction in wireless communication systems

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160222

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171124

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181203

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191203

Year of fee payment: 7