KR101439592B1 - 신체 영역 네트워크에 대한 개선 - Google Patents

Abstract

복수의 파라미터를 모니터링하기 위한 센서들을 포함하는 복수의 네트워크 디바이스(11E, 13), 및 스타 프로토콜에서 직접적으로 또는 피어-투-피어 프로토콜에서 간접적으로 네트워크 디바이스들과 통신하기 위한 코디네이터(10)를 갖는 무선 센서 네트워크를 운영하는 방법이 제공되는데, 이 방법은, 상기 네트워크 디바이스들의 적어도 서브세트와의 낮은 우선순위 링크를 통한 통신을 위해 코디네이터(10)를 구성하는 단계; 네트워크 디바이스들의 센서들에 의해 센서 데이터를 수집하고, 그 데이터를 코디네이터에 전송하는 단계; 네트워크 디바이스들(11E) 중 적어도 하나에 대한 응급 상태의 존재를 검출하는 단계; 디바이스들(11E) 중에서 응급 상태에 있는 상기 적어도 하나와 높은 우선순위 링크를 구축하는 단계 - 상기 높은 우선순위 링크는 상기 낮은 우선순위 링크보다 네트워크 자원들에 대해 더 높은 우선순위를 가짐 -; 및 상기 하나의 디바이스가 다른 디바이스들(13)과의 낮은 우선순위 링크들을 위한 릴레이의 역할을 하고 있는 경우, 다른 디바이스들이 응급상황에 있는지의 여부, 높은 우선순위 링크의 QoS 또는 정체 레벨, 및/또는 디바이스들 중 상기 하나(11E)가 이용할 수 있는 전기 전력에 의존하여 그러한 낮은 우선순위 링크들을 유지, 수정 또는 중단하는 단계를 포함한다. 방법은 예를 들어 IEEE 802.15.6에 따라 동작하는 MBAN들을 이용하여 병원 내에서 환자들을 모니터링하는 데에 적용될 수 있다.

Description

신체 영역 네트워크에 대한 개선{IMPROVEMENTS TO BODY AREA NETWORKS}

본 발명은 개인 영역 네트워크(personal area networks)를 포함하는 무선 센서 네트워크, 특히 사람 또는 동물의 신체 상에 또는 그 부근에 배치되거나 거기에 이식된 무선 통신 센서들을 포함하는 신체 영역 네트워크에 관한 것이지만, 그에 제한되지는 않는다.

다양한 타입의 무선 센서 네트워크가 제안되어 왔다. 이들 중에서도, 소위 신체 영역 네트워크(Body Area Network, BAN)는 비교적 짧은 거리에 걸쳐서 정보를 전달하기 위해 이용되는 무선 개인 영역 네트워크(WPAN)의 일례이다. 무선 근거리 네트워크(WLAN)와는 달리, WPAN을 통해 시행되는 접속은 기반구조를 전혀 또는 거의 수반하지 않는다. 이러한 특징은 광범위한 디바이스들에 대하여 소형의 전력 효율적인 저비용 솔루션이 구현되는 것을 허용한다. 1명 이상의 환자의 상태를 모니터링하기 위해 센서들이 이용되는 의료용 BAN(MBAN)의 가능성에 특히 관심이 모아지고 있다. 감지된 데이터를 데이터 싱크에 공급하기 위해 주로 센서들을 이용하는 BAN은 무선 센서 네트워크(WSN)의 일례이지만, 액추에이터와 같은 더 능동적인 디바이스들도 MBAN에 포함될 수 있다.

IEEE 표준 802.15.4는 낮은 데이터 레이트의 WPAN에 대하여 물리층(PHY) 및 매체 액세스 컨트롤(MAC) 부계층(sublayer) 규격을 정의한다. IEEE 802.15.4는 더 높은 데이터 레이트의 WPAN을 위한 표준인 IEEE 802.15.3과 일부 유사성을 갖는다. 문서 IEEE Std 802.15.4-2006 및 IEEE Std 802.15.3-2003은 그 전체가 여기에 참조에 의해 포함된다.

IEEE 802.15.4에서 예상되는 타입의 WPAN은 산업적 모니터링과 같은 응용들에 적합하지만, MBAN에 대해 요구되는 종류의 데이터 신뢰성은 제공하지 않는다. 의료적 응용에서는, 인간의 노동에 관련된 비용을 감소시키면서 신뢰성 및 프로세스 자동화는 증가시키고, 인간의 실수는 감소시킬 것이 요구된다. 센서들은 요구되는 지능을 제공할 수 있으며, 이미 의료 장비에서 널리 이용되고 있다. 이것은 병원 회복실(hospital recuperative care), 자택 요양(home care), 중환자실 및 고급 외과 시술을 포함한다. 맥박, 체온 등을 위한 외부 센서, 체액과 접촉하게 되는 센서, (절개를 통해) 카테테르(catheter) 내에서 이용되는 센서, 외부 응용을 위한 센서, 무선 센서들을 갖는 1회용 피부 패치, 및 이식가능형 센서들을 포함하여, 의료적 응용을 위해 이용되는 다수의 상이한 타입의 센서들이 존재한다.

병원 또는 의료 병동 내의 각각의 환자들 근처에 있는 하나 이상의 센서의 WPAN은 환자 이동성, 모니터링 유연성, 현재 모니터링되고 있지 않은 케어 영역들로의 모니터링 확장, 감소된 임상적 실수, 및 감소된 전체 모니터링 비용을 포함하는 다수의 임상적 혜택을 제공할 수 있다. 신체 착용 센서들은 단일의 환자 신체 상의 다양한 센서 타입들을 포함할 수 있다. 이들은 신속하게 환자의 신체에 부착되거나 그로부터 제거될 능력을 필요로 한다.

그러한 센서들은 개별적으로는 환자당 1-2kbps 정도로 낮은 비트 레이트를 가질 수 있으며, 집합적으로는 10 kbps의 비트레이트를 요구할 수 있다. 몇 미터 정도로 작은 범위가 적당할 수 있다. 그러나, 의료용 WSN 응용들은 임상적 환경에서 미션 크리티컬 애플리케이션들(mission critical applications)이다. 의료용 WSN 또는 MBAN에 대한 요구조건 중에서도, 바운드된(bounded) 데이터 손실 및 바운드된 레이턴시를 위한 강건한 무선 링크, 환자 및 센서 밀도에 대한 용량, 다른 전파들과의 공존, 연속 동작의 기간을 위한 배터리 수명, 및 신체 착용 디바이스들에 대한 작은 폼 팩터(form factor)가 있다. 이러한 요구조건들은 FEC(Forward Error Correction) 및 ARQ(Adaptive Repeat reQuest)를 포함하는 시간 및 주파수 영역에서의 다이버시티 및 에러 제어 기술과 같은 기술들, 센서 정보 레이트에 대한 낮은 듀티 싸이클 TDMA, 및 보다 더 효율적인 작은 안테나들의 이용을 통해 만족될 수 있다.

그러므로, 특히 의료적 응용을 위한 신체 영역 네트워크의 특징들을 정의하는 것을 목표로 하는 추가의 표준 IEEE 802.15.6을 정의하려는 노력이 진행 중이다. IEEE 802.15.6의 주된 요구조건들 중 하나는 의료적 응용에 관여되는 디바이스들이 응급 상황 하에서 무선 센서 네트워크를 통해 데이터를 능동적으로 송신할 때의 높은 신뢰도 및 개선된 서비스 품질(quality-of-service)(QoS)이다. 결과적으로, 무선 의료용 BAN 디바이스들이 의료적 응급 통신을 지원하기 위해 QoS를 적절하게 관리하는 것을 가능하게 하기 위해서는, 트래픽 정체 관리(traffic congestion management) 및 데이터/링크 우선순위 결정(prioritisation)이 중요하다. IEEE 802.15.3 및 IEEE 802.15.4와 같은 현재의 IEEE 표준은 무선 의료용 BAN/WSN을 위한 적합한 트래픽 정체 관리 메커니즘을 포함하지 않는다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 하나 이상의 파라미터를 모니터링하기 위한 센서들을 포함하는 복수의 네트워크 디바이스, 및 낮은 우선순위 링크 또는 높은 우선순위 링크를 통해 상기 네트워크 디바이스들과의 통신을 수행할 수 있는 코디네이터를 갖는 무선 센서 네트워크에서 사용하기 위한 네트워크 디바이스가 제공되는데, 이 네트워크 디바이스는 네트워크 디바이스가 응급 상태에 있는지를 인식하기 위한 인식 수단; 및 응급 상태의 인식에 응답하여 상기 코디네이터와의 높은 우선순위 링크를 확립하기 위한 응답 수단을 포함한다.

높은 우선순위 링크는 낮은 우선순위 링크에 비교하여, 네트워크 자원들의 할당에 대해 더 높은 우선순위를 갖는 링크를 의미한다. 그것은 낮은 우선순위 링크와는 다른 모드 또는 토폴로지, 예를 들면, 가능하다면 피어-투-피어 토폴로지보다는 스타(star) 토폴로지, 및/또는 논-비컨(non-beacon) 모드보다는 비컨 모드 링크일 수 있다. 높은 우선순위 링크는 TDMA 기반의 자원 할당 방식에서 보장된 시간 슬롯(guaranteed time slot)(GTS)을 수반할 수 있는데, 낮은 우선순위 링크는 정상적으로는 그러한 GTS를 갖지 않는다.

일반적으로, 네트워크는 처음에 낮은 우선순위 링크만 가질 것이고, 응급 상태에 있는 디바이스와 높은 우선순위 링크를 확립하는 것은, 그 디바이스와의 기존의 낮은 우선순위 링크를 새로운 높은 우선순위 링크로 교체하는 것을 수반할 것이며, 응급상황에 있지 않은 다른 디바이스들은 이전과 같이 낮은 우선 순위 링크들에 의해 서빙된다. 그러나, 대안으로서, 네트워크가 높은 우선순위 링크로 시작하고, 응급상태에 있지 않은 디바이스들에 대한 링크를 낮은 우선순위 링크로 격하시키고, 응급상황에 있는 디바이스(들)에 대해서는 높은 우선순위 링크(들)를 그대로 두는 것이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명의 제1 양태의 수정안에 따르면, 하나 이상의 파라미터를 모니터링하기 위한 센서들을 포함하는 복수의 네트워크 디바이스, 및 낮은 우선순위 링크 또는 높은 우선순위 링크를 통해 상기 네트워크 디바이스들과의 통신을 수행할 수 있는 코디네이터를 갖는 무선 센서 네트워크에서 사용하기 위한 네트워크 디바이스가 제공되는데, 이 네트워크 디바이스는 다른 네트워크 디바이스가 응급 상태에 있는 반면, 그 네트워크 디바이스 자신은 응급 상태에 있지 않음을 인식하기 위한 인식 수단; 및 그러한 인식에 응답하여 코디네이터와의 낮은 우선순위 링크를 확립하기 위한 응답 수단을 포함한다.

응급 상태의 인식은, 예를 들어 그 네트워크 디바이스 또는 소정의 다른 네트워크 디바이스의 센서에 의해 감지된 파라미터의 값에 기초할 수 있다. 이 경우에서, "응급 상태"는 모니터링되고 있는 소정 엔티티(예를 들어, 생체)의 파라미터의 응급상황 조건을 나타낸다. 네트워크 디바이스는 동일한 엔티티를 모니터링하도록 할당된 복수의 네트워크 디바이스 중 하나일 수 있으며, 이 경우, 응급 상태는 네트워크 디바이스, 또는 동일한 엔티티에 할당된 네트워크 디바이스들 중 임의의 것에 의해 감지된 파라미터의 레벨에 따라 결정될 수 있다. 응급 상태의 존재 또는 부재는 바람직하게는 네트워크 디바이스들의 센서들에 의해 감지되는 하나 이상의 파라미터의 임계 레벨에 기초하여 결정된다. 즉, 예를 들어, 파라미터의 감지된 값이 임계 레벨을 넘었는지가 검출된다.

각각의 네트워크 디바이스는 센서를 구비하는 것에 더하여, 적어도 하나의 다른 네트워크 디바이스의 높은 우선순위 링크 또는 낮은 우선순위 링크를 통한 피어-투-피어 통신을 위한 릴레이의 역할을 할 수 있다. 만일 그렇다면, 인식 수단은 다른 네트워크 디바이스 각각이 또한 응급 상태에 있는지를 인식하도록 더 동작할 수 있고, 응답 수단은 네트워크 디바이스 자체에 대한 응급 상태의 인식에 더 응답하여, 적어도 각각의 다른 네트워크 디바이스가 응급 상태에 있는지에 의존하여 피어-투-피어 통신을 유지, 수정 또는 중단(drop)할 수 있는 것이 바람직하다.

이것은 응답 수단이 네트워크 디바이스에 대한 전력의 이용가능성 및 높은 우선순위 링크의 QoS 또는 정체 레벨 중 적어도 하나에 더 의존하여 피어-투-피어 통신을 유지, 수정 또는 중단하는 것을 포함할 수 있다.

이것은 응급 상태에 있지 않은 다른 네트워크 디바이스와의 낮은 우선순위 링크를 통한 피어-투-피어 통신을, 그 레이트를 감소시킴으로써 수정하는 것을 포함할 수 있다. 그를 대신하여, 또는 그에 더하여, 응답 수단은 응급 상태에 있지 않은 다른 네트워크 디바이스와의 낮은 우선순위 링크를 통한 피어-투-피어 통신을 중단하도록 구성될 수 있다. 한편, 바람직하게는, 응답 수단은 응급 상태에 있는 각각의 접속된 네트워크 디바이스와의 높은 우선순위 링크를 통한 피어-투-피어 통신을 유지하도록 구성된다.

네트워크 디바이스는 그 네트워크 디바이스 자신이 릴레이의 역할을 해 주고 있는 다른 네트워크 디바이스들의 개수의 카운트를 유지하기 위한 카운터를 더 포함할 수 있고, 응답 수단은 응급 상태의 인식에 더 응답하여, 카운트의 현재 값에 의존하여 추가의 네트워크 디바이스를 위한 릴레이의 역할을 하라는 요청을 거부한다.

본 발명의 제2 양태에 따르면, 복수의 네트워크 디바이스를 갖는 무선 센서 네트워크 내의 코디네이터가 제공되는데, 코디네이터는 높은 우선순위 링크 또는 낮은 우선순위 링크를 통한 네트워크 디바이스들 각각과의 통신을 위해 구성되고, 높은 우선순위 링크는 낮은 우선순위 링크보다 네트워크 내의 자원들에 대해 더 높은 우선순위를 갖고, 코디네이터는 네트워크 디바이스들 중 임의의 것에 대한 응급 상태의 선언에 응답하여 그 네트워크 디바이스와 높은 우선순위 링크를 확립하는 수단을 포함한다.

본 발명의 제3 양태에 따르면, 복수의 파라미터를 모니터링하기 위한 센서들을 포함하는 복수의 네트워크 디바이스, 및 스타 프로토콜에서 직접적으로 또는 피어-투-피어 프로토콜에서 간접적으로 네트워크 디바이스들과 통신하기 위한 코디네이터를 갖는 무선 센서 네트워크가 제공되는데, 코디네이터는 네트워크 디바이스들의 적어도 서브세트와 낮은 우선순위 링크를 통해 통신하도록 구성되고, 네트워크 디바이스들 중 하나 이상의 응급 상태의 존재의 결정에 응답하여, 디바이스들 중 하나 이상과의 높은 우선순위 링크를 확립하며, 높은 우선순위 링크는 낮은 우선순위 링크보다 네트워크 자원들에 대해 더 높은 우선순위를 갖는다.

상기 양태들 중 임의의 것에서, 네트워크 디바이스에 관한 응급 상태는 네트워크 디바이스의 센서에 의해 감지된 파라미터가 임계값에 도달할 때 인식될 수 있다. 이것은 다수의 방식으로 발생할 수 있으며, 전적으로 네트워크 디바이스 자체에서 결정될 수 있거나, 또는 외부에서 결정되어 네트워크 디바이스에 통지될 수 있다.

본 발명의 상기 양태들 각각의 바람직한 응용에서, 네트워크 디바이스들의 적어도 일부는 생체의 의료적 파라미터들을 모니터링하는 데에 적용된다. 이러한 응용에서, "응급 상태"는 모니터링되고 있는 생체(예를 들어, 환자)의 의료적 응급상황을 의미한다.

상기 양태들은 주파수 분할 또는 시간 분할 중 하나(또는 둘 다)의 무선 통신 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들어, 시간 분할의 경우에서, 네트워크 자원들은 시간 분할 방식으로 구조화되어, 단위 기간 당 하나 이상의 시간 슬롯을 정의하고, 시간 슬롯들 중 하나 이상은 높은 우선순위 링크에서의 사용을 위해 예비된다. 또한, 네트워크 자원들은 적어도 낮은 우선순위 링크에 의한 사용을 위해 단위 기간 당의 경합 액세스 기간을 정의하도록 더 구조화될 수 있다. 대안적으로, 높은 우선순위 링크와 낮은 우선순위 링크 간의 구별은 각각 비컨 모드 또는 논-비컨 모드 통신을 이용하여 이루어질 수 있다.

무선 센서 네트워크는 전형적으로 그 네트워크 내에서 정보가 프레임들의 형태로 된 단위 기간 내에서 무선으로 송신되는 것일 것인데, 각 프레임은 프레임 컨트롤 필드를 갖고, 이 경우에서, 응급 상태의 선언은 프레임 컨트롤 필드 내의 값을 미리 정의된 값으로 설정함으로써 이루어질 수 있다.

바람직하게는, 프레임들은 상이한 타입의 프레임들을 포함하고, 미리 정의된 값은 응급 프레임 타입을 나타낸다. 프레임 컨트롤 필드는 응급상황 조건의 존재 또는 부재를 시그널링하기 위한 적어도 하나의 비트를 포함할 수 있다.

그러한 프레임 기반 네트워크는 IEEE 802.15.6 기반 MBAN을 포함할 수 있다. 바람직한 응용에서, 상기 언급된 엔티티는 생체이며, 각각의 센서는 환자의 생체의 생명 파라미터(life parameter)를 감지하기 위한 것이고, 응급 상태는 의료적 응급상황이다.

본 발명의 제4 양태에 따르면, 복수의 파라미터를 모니터링하기 위한 센서들을 포함하는 복수의 네트워크 디바이스, 및 스타 프로토콜에서 직접적으로 또는 피어-투-피어 프로토콜에서 간접적으로 네트워크 디바이스들과 통신하기 위한 코디네이터를 갖는 무선 센서 네트워크를 운영하는 방법이 제공되는데, 이 방법은,

네트워크 디바이스들의 적어도 서브세트와의 낮은 우선순위 링크를 통한 통신을 위해 상기 코디네이터를 구성하는 단계;

네트워크 디바이스들의 센서들에 의해 센서 데이터를 수집하고, 그 데이터를 코디네이터에 전송하는 단계;

네트워크 디바이스들 중 적어도 하나에 대한 응급 상태의 존재를 검출하는 단계;

응급 상태에 있는 디바이스들 중의 적어도 하나와 높은 우선순위 링크를 확립하는 단계 - 높은 우선순위 링크는 낮은 우선순위 링크보다 네트워크 자원들에 대해 더 높은 우선순위를 가짐 -; 및

디바이스가 다른 디바이스들과의 낮은 우선순위 링크들을 위한 릴레이의 역할을 하고 있는 경우, 다른 디바이스들이 응급상황에 있는지의 여부, 높은 우선순위 링크의 QoS 또는 정체 레벨, 및/또는 이용가능한 전기 전력에 의존하여 그러한 낮은 우선순위 링크들을 유지, 수정 또는 중단하는 단계

를 포함한다.

본 발명의 다른 양태들은 무선 센서 네트워크의 네트워크 디바이스 또는 코디네이터의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 네트워크 디바이스 또는 코디네이터를 각각 제공하는 소프트웨어를 제공한다. 그러한 소프트웨어는 컴퓨터 판독가능 매체 상에 저장될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 무선 의료용 BAN/WSN을 위한 링크 우선순위 결정 및 트래픽 정체 관리 메커니즘(트래픽 관리 프로토콜)을 제공한다. 구체적으로, 프로토콜들은 의료적 응급상황 조건에 있는 환자에 부착된 센서/액추에이터 디바이스들로/로부터 데이터를 전송하고 있는 무선 센서 네트워크 내에서 높은 레벨의 QoS를 유지하고, 트래픽 정체와 무선 링크를 관리하기 위해 제공된다.

본 발명의 보다 더 나은 이해를 위해, 그리고 그것이 어떻게 효과를 내는지를 더 명확하게 보여주기 위해, 이하에서는, 아래의 도면들이 오직 예시로서만 참조될 것이다.
도 1은 IEEE 802.15.4 WPAN의 프로토콜 계층을 도시한 것이다.
도 2는 IEEE 802.15.4 WPAN의 가능한 PHY 대역들을 나타낸 것이다.
도 3은 WPAN의 스타 및 피어-투-피어 토폴로지를 나타낸 것이다.
도 4는 비컨-인에이블드 IEEE 802.15.4 WPAN 내의 수퍼프레임의 구조를 도시한 것이다.
도 5 내지 도 8은 IEEE 802.15.4 WPAN 내에서의 네트워크 디바이스와 코디네이터 간의 데이터 전송의 가능한 모드들을 나타낸 것이다.
도 9는 IEEE 802.15.4 WPAN에서 데이터 프레임을 위해 이용되는 프레임 포맷을 도시한 것이다.
도 10은 도 9의 프레임 포맷에서의 프레임 컨트롤 필드의 구조를 도시한 것이다.
도 11은 도 10의 프레임 컨트롤 필드 내의 프레임 타입 비트의 지금까지 정의된 값들의 테이블이다.
도 12 내지 도 16은 본 발명에 따라 정의된 낮은 우선순위 및 높은 우선순위 링크를 갖는 WPAN 내의 노드들의 개략도이다.
도 17은 높은 우선순위 링크들 및 낮은 우선순위 링크들을 관리하기 위한 본 발명을 구현하는 제1 프로토콜을 위한 흐름도이다.
도 18은 높은 우선순위 링크들 및 낮은 우선순위 링크들을 관리하기 위한 본 발명을 구현하는 제2 프로토콜을 위한 흐름도이다.
도 19은 본 발명의 실시예에서 응급 상태를 나타내기 위해 이용되는 프레임 컨트롤 필드를 도시한 것이다.
도 20은 도 19의 프레임 컨트롤 필드 내의 프레임 타입 비트들의 가능한 값들의 테이블이다.

본 발명의 실시예들을 설명하기 전에, 무선 네트워크에서 이용되는 다중 액세스 프로토콜의 일부 배경 설명이 먼저 주어지고, 현재 개발 중인 IEEE 802.15.6 표준 및/또는 MBAN을 포함하는 신체 영역 네트워크에 관련있을 것으로 예상되는 IEEE 802.15.4 표준의 부분들의 개요가 그에 후속할 것이다.

다중 액세스(multiple access)는 무선 네트워크 내의 복수의 네트워크 디바이스가 동일한 무선 채널을 공유할 가능성을 칭하는 것이다. 다중 액세스를 가능하게 하기 위해, 무선 네트워크들은 일반적으로 주파수 분할(개별 네트워크 디바이스로부터의 송신들이 상이한 주파수들을 이용함으로써 분리되어 유지됨) 또는 시간 분할(송신들이 상이한 시간들에서 수행됨으로써 분리됨)에 기초하여 조직된다. 주파수 분할 및 시간 분할 둘 다를 동시에 이용하는 것이 가능하다. 본 명세서의 나머지 부분에 대하여, 시간분할 방식이 참조될 것이지만, 당업자들은 설명된 것과 유사한 기술이 주파수 분할의 경우에도 적용될 수 있음을 알 것이다.

전형적으로, 시간 분할 기반 네트워크들은 시간을 "프레임"이라고 칭해지는 동일 시간 간격으로 분할한다. 네트워크 디바이스들이 이용할 수 있는 정보의 양에 따라, 더 높은 또는 더 낮은 신뢰도(주어진 송신이 성공적으로 수신될 확률을 의미함)의 통신을 제공하는 다양한 프로토콜들이 고안되었다. 그러한 하나의 프로토콜은 ALOHA라고 칭해지고, "퓨어(pure) ALOHA"라고도 칭해지며, 네트워크 디바이스들이 서로에 대한, 또는 미리 정해진 시간 기준에 관한 지식을 갖지 않는 무선 네트워크들에 적합하다.

퓨어 ALOHA 프로토콜을 이용하는 네트워크에서, 임의의 네트워크 디바이스는 시간 프레임 내의 임의의 무작위의 시간에 데이터 송신을 시작할 수 있다. 네트워크 디바이스가 데이터 송신을 시작할 수 있는 무작위의 시간으로 인해, 둘 이상의 네트워크 디바이스가 겹치는 시간들에서 데이터 송신을 시작하여, "충돌"을 야기할 수 있다. 그러한 충돌에 수반되는 송신들은 에러와 함께 수신기에 도달한다. 성공적인 수신을 확인하는 확인응답을 받지 못하고서 적절히 지연된 후, 송신기들은 송신을 재시도한다. 그 다음, 이러한 송신들도 충돌에 직면할 수 있고, 따라서 성공적이지 못할 수 있다. 단말들은 송신들이 에러없이 수신되고 확인응답될 때까지, 송신들 간에 적절한 지연을 두고서 송신을 계속한다. 충돌은 네트워크의 스루풋 효율을 감소시킨다.

Aloha 프로토콜의 한가지 중요한 변형은 "슬롯(slotted) ALOHA"라고 칭해진다. 슬롯 ALOHA를 이용하는 통신 네트워크는 각 프레임을 일련의 시간 슬롯들로 분할하고, (일반적으로) 각 네트워크 디바이스가 슬롯들 중 임의의 것을 이용하여 마음대로 송신하는 것을 허용한다. 임의의 네트워크 디바이스로부터의 모든 데이터 송신은 하나의 시간 슬롯 내에서 시작하고 종료해야 한다. 네트워크 디바이스가 시간 슬롯 기간보다 긴 데이터 송신을 갖는 경우, 그것은 그 데이터 송신을 각각 시간 슬롯 기간 내에 맞는 둘 이상의 더 짧은 데이터 송신으로 분할해야 한다. 송신들을 고정된 슬롯 내로 한정(confining)하는 것은 충돌 확률을 감소시키고, 따라서 네트워크 디바이스들 간의 통신을 더 신뢰할 수 있게 하지만, 충돌을 완전히 회피하지는 않는다. 슬롯 ALOHA의 단점은 슬롯 타이밍을 알기 위해서 모든 네트워크 디바이스가 각 프레임의 시작에 동기화될 필요가 있다는 것이다. 실제에서, 이것은 네트워크 디바이스가 각 프레임의 시작에서의 브로드캐스트 타이밍 기준 신호 또는 "비컨"을 청취(listening)하는 것에 의해 달성된다.

타이밍 기준의 필요성을 회피하는 대안적인 프로토콜은 CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)라고 칭해진다. CSMA-CA에서, 디바이스가 CAP 내에서 송신하기를 원할 때마다, 그 디바이스는 무작위의 기간 동안 기다린다. 무작위의 백오프(back off)에 뒤이어 채널이 유휴인 것으로 발견되면, 디바이스는 그것의 데이터를 송신한다. 무작위의 백오프에 뒤이어 채널이 비지(busy)인 것으로 발견되면, 디바이스는 채널에의 액세스를 다시 시도하기 전에 다른 무작위의 기간 동안 기다린다.

TDMA(Time Division Multiple Access)라고 알려진 다른 프로토콜은 네트워크 제어기 또는 코디네이터가 충돌의 잠재성을 회피하도록 네트워크 디바이스들의 독점적인 사용을 위해 시간 슬롯들을 할당할 것을 요구한다. 그러나, 이것은 중앙의 코디네이터가 제공될 것을 요구할뿐만 아니라, 모든 네트워크 디바이스가 송신을 시작하기 전에 비컨 및 그들에게 할당된 슬롯(들)의 통보를 청취할 것을 요구한다.

예를 들어, 업링크(즉, 코디네이터 또는 기지국과 같은 중앙 포인트로의 데이터 송신) 및 다운링크(센서와 같은 네트워크 디바이스로의 데이터 송신) 각각을 위해, 상이한 프로토콜들이 동일한 네트워크 내에서 이용될 수 있다.

이와 관련하여, WSN의 다운링크를 위한 하나의 제안된 프로토콜은 Wise MAC(Wireless sensor MAC)이라고 칭해진다. 이것은 각각의 네트워크 디바이스가 동일한 일정 주기로 짧은 시간 동안 무선 채널을 청취하는 것을 수반하는 비컨-리스 방식(beacon-less scheme)이다. 네트워크 디바이스가 활동(activity)을 검출하면, 그것은 데이터 프레임이 수신될 때까지, 또는 채널이 다시 유휴로 될 때까지 청취를 계속한다. 한편, 코디네이터는 프레임의 데이터 부분이 도달할 때 수신기가 활성화(awake)될 것을 보장하기 위해, 모든 데이터 프레임의 앞에 웨이크업 프리앰블을 추가한다. 이러한 방식으로, 채널이 유휴일 때, 네트워크 디바이스들의 전력 소비가 매우 낮게 유지된다.

이하에 논의되는 것과 같은 IEEE 802.15.4에서, 비컨-인에이블드 및 비컨-리스 토폴로지 둘 다가 제공된다. 비컨-인에이블드 토폴로지는 프로토콜들의 조합을 이용하는데, "프레임"의 개념은 CSMA-CA를 통한 경합 기반 액세스(contention-based access)와 네트워크 디바이스의 독점적인 이용을 위해 TDMA 기반으로 할당된 GTS(guaranteed time slots) 둘 다를 위한 슬롯들을 포함하는 "수퍼프레임(superframe)"으로 대체된다. 이것은 GTS들의 할당에 의해 데이터의 신뢰할 수 있는 송신을 가능하게 하는 반면, 네트워크 디바이스들이 타이밍 및 슬롯 할당 정보를 위해 코디네이터를 청취하기 위해 파워업(powered-up)되어 있어야("깨어있어야(awake)")만 한다는 단점이 있다.

요약하면, 시간 기준 및 (수퍼) 프레임 구조를 제공하는 비컨 기반 통신 프로토콜은 더 적은 충돌, 따라서 더 신뢰할 수 있는 통신을 허용하는 반면, 이것은 네트워크 디바이스들의 전력 소비를 희생하여 이루어지는 것이다. 반면에, 비컨-리스 방식을 이용하면, 비활성인 기간 동안 전력 소비는 매우 낮게 유지될 수 있지만, 스루풋이 덜 보장되고, 레이턴시 시간(채널 액세스를 획득할 때까지의 지연)이 비컨 기반 방식에 비해 더 높다.

본 발명은 응급상황에 있는 네트워크 디바이스들로의 및 그러한 디바이스들로부터의 통신들의 우선순위를 정하는 것을 허용하는, IEEE 802.15.6을 위한 트래픽 관리 방식을 제안한다. 이러한 방식이 어떻게 작용하는지를 설명하기 전에, 이하에서는 IEEE 802.15.4 네트워크의 일반적인 구성에 관한 약간의 추가 정보가 제공될 것인데, 이는 IEEE 802.15.6에 대해서도 유사한 구성이 이용될 것으로 예상되기 때문이다.

도 1은 참조번호 100으로 표기된 IEEE 802.15.4 WPAN의 일반적인 아키텍처를, 무선 송수신기를 포함하는 PHY층 및 그것의 로우-레벨 컨트롤을 통해 물리적 매체가 액세스되는 계층화된 OSI 모델에 관련하여 도시하고 있다. 나타난 바와 같이, PHY를 위한 2개의 대안적인 주파수 대역(101, 102)이 존재하는데, 이들은 도 2에 도시된다. 낮은 주파수 대역(101)은 868.3㎒에 중심을 두는 단일의 20kb/s 채널, 및/또는 915㎒에 중심을 두는 각각 40kb/s의 10개의 채널을 제공한다. 높은 주파수 대역(102)은 각각 250kb/s이며 2.44㎓의 주파수에 중심을 두는 16개의 채널을 제공한다. 이들 대역들 중 어느 것이 이용되는지는 지역적인 규제 조건에 의존할 것이다.

PHY에의 액세스는 도 1에서 참조번호 105로 나타난 MAC(Medium Access Control) 부계층에 의해 제공된다. 이것의 위에, 그리고 통상의 그러한 WPAN(100)의 외부에, 다른 네트워크들로부터 WPAN으로의 액세스를 허용하는 LLC(Link Layer Control)가 제공되며, 이것은 IEEE 802.2 표준을 따르거나 다른 타입일 수 있다. 마지막으로, LLC 위의 상위 층들(109)은 네트워크 구성, 조작 및 메시지 라우팅을 제공하기 위한 네트워크 층, 및 의도된 전체 기능을 제공하는 애플리케이션 층을 포함한다.

MAC 부계층의 하나의 태스크는 네트워크 토폴로지를 제어하는 것이다. 스타(star) 및 피어-투-피어는 통신 네트워크에서 알려진 2가지의 토폴로지이고, 둘 다 IEEE 802.15.4에서 제공된다. 두 경우 모두에서, 토폴로지는 2가지 기본적인 종류의 네트워크 노드, 즉 디바이스들과 코디네이터들 간을 구별한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 스타 토폴로지에서는 다수의 디바이스(11)가 중앙의 코디네이터(10)와 직접 통신하는 한편, 피어-투-피어 구성에서는, 디바이스(11A)에 의한 커뮤니케이터와의 통신이 릴레이의 역할을 하는 중간 디바이스들(11B 및 11C)을 이용한 1회 이상의 홉(hop)을 따라 이루어진다. 코디네이터는 상위 계층들로의 액세스 포인트로서 기능하며, WSN의 경우에서, 그것은 센서들에 의해 수집되는 데이터를 위한 싱크로서 기능한다. 각 디바이스에 대한 통신 범위가 매우 제한적일 수 있다면(수 미터), 피어-투-피어 토폴로지는 더 큰 영역이 커버되는 것을 허용한다. 따라서, 피어-투-피어는 전형적으로 일부 네트워크 디바이스들이 코디네이터와의 직접적인 무선 통신의 범위 밖에 있을 때 이용될 수 있다. 토폴로지는 동적일 수 있어서, 디바이스들이 추가되거나 네트워크를 떠날 때 변화한다.

MBAN의 경우에서, 예를 들어, 스타 네트워크는 각 환자의 장소(예를 들어, 병원 침대)에 코디네이터가 제공되어, 1명의 환자 상의 디바이스들과 신호를 교환하는 상황에서 적합할 것이다. 피어-투-피어는 하나의 코디네이터가 다수의 환자를 서빙하도록 제공되는 보다 더 적합한 토폴로지일 것이다 (코디네이터는 병동의 고정된 지점에 위치될 수 있음). 따라서, 디바이스들(11)은 일반적으로 이동형일 것인 데에 반하여, 코디네이터는 이동형이거나 고정형일 수 있다. 피어-투-피어 네트워크는 또한 네트워크를 신속하게 셋업 또는 변화시킬 것이 요구되거나 네트워크의 자체 조직(self-organisation) 및 자체 복구(self-healing)를 허용할 것이 요구되는, 빠르게 변화하는 환경에 더 적합할 수 있다. 자체 복구는 예를 들어, 기존 코디네이터가 고장나거나 네트워크를 떠난 경우에 새로운 코디네이터를 구축하는 것을 포함할 수 있다.

병원과 같은 동일한 위치 내에서 다수의 스타 및/또는 피어-투-피어 네트워크가 셋업될 수 있으며, 이들 각각은 자기 자신의 코디네이터를 갖는다. 이 경우, 개별 코디네이터들은 상호 간섭을 회피하고 데이터의 공유 또는 정렬(collation)을 허용하기 위해 협업할 필요가 있을 것이다. IEEE 802.15.4에서, 그러한 네트워크는 클러스터라고 칭해지며, 클러스터들에 대한 전체적인 코디네이터를 구축하고, 클러스터들을 분할 및 병합하기 위해 규정이 이루어진다.

WPAN 내의 노드들은 다양한 능력들의 유닛들에 의해 구성될 수 있다. 일반적으로, 코디네이터의 역할은 소정의 처리 능력 및 다수의 소스로부터의 송신을 동시에 다룰 수 있는 송수신기를 갖는 비교적 유능한 디바이스를 요구할 것이다. 그리고, 이것은 전기 전력의 충분한 제공이 필요하게 할 것이다 (일부 경우에서는, 본관(mains)에 의해 전력을 공급받을 수 있음). 한편, 네트워크 내의 다른 디바이스들은 더 제한적인 처리 능력, 및 배터리 전력으로만의 액세스를 가질 수 있고, 심지어는 릴레이 홉(relay hop)으로서 기능할 수 없을 정도로 단순할 수 있다. 매우 낮은 전력 이용가능성을 갖는 디바이스들은 대부분의 시간에 셧다운될 수 있고, 예를 들어 센서 데이터를 다른 노드에 송신하기 위해 가끔씩만 "웨이크업"할 수 있다. 따라서, IEEE 802.15.4 표준은 "완전 기능(full-function)"과 "축소 기능(reduced function)" 디바이스들 간을 구별한다. 센서들이 신체 내에 삽입될 수 있고, 따라서 대형 또는 재충전가능형 배터리를 가질 수 없는 MBAN에서, 전력의 이용가능성은 특별한 쟁점이다.

이미 언급된 바와 같이, IEEE 802.15.4는 비컨 인에이블드 및 논-비컨 인에이블드 네트워크 토폴로지를 가능하게 한다.

비컨 인에이블드 네트워크에서, 코디네이터는 비컨을 주기적으로 송신하고, 디바이스들은 네트워크에 동기화하고 채널에 액세스하기 위해 그 비컨을 주기적으로 청취한다. 채널 액세스는 도 4에 도시된 것과 같은, 코디네이터에 의해 정의되는 수퍼프레임 구조에 따라 "수퍼프레임" 내에서, "프레임들"의 단위로 순차적으로 송신된다. 각각의 수퍼프레임(30)은 2개의 부분, 즉 활성 부분 및 비활성 부분을 갖는다. 활성 부분은 경합 액세스 기간 CAP(36)과, 서비스 품질 요구조건을 갖는 애플리케이션들에 대한 보장된 액세스를 위한, 그에 후속하는 선택적인 무경합 기간(contention free period) CFP(37)으로 분할된다.

도 4의 수직 분할에 의해 나타난 바와 같이, 수퍼프레임은 각각 코디네이터로부터 또는 디바이스로부터 데이터의 프레임을 전송할 수 있는 16개의 등간격(equally-spaced)의 시간 슬롯으로 분할된다. 따라서, 하나의 코디네이터에 연관된 디바이스들을 고려할 때, 수퍼프레임 내의 각각의 연속적인 시간 슬롯 동안, 한번에 단 하나의 디바이스만이 코디네이터와 통신할 수 있다. 첫번째로, 코디네이터에 의해 송신된 비컨 프레임(아래 참조)을 위한 슬롯(31)이 온다. 이것 다음에, CAP 내에 수개의 슬롯(32)이 제공되어, CSMA-CA를 이용하는 경합 기반으로 디바이스들로 또는 디바이스들로부터 데이터가 송신되는 것을 허용한다.

다음으로, CFP의 보장된 시간 슬롯 GTS(33)에 후속하여, 비컨 기반 네트워크 내의 디바이스들에 대한 채널 액세스를 허용하는데, 도시된 바와 같이, 이들 각각은 하나보다 많은 기본 시간 슬롯에 걸쳐 연장될 수 있다. 비활성 기간의 만료 후에, 다음 수퍼프레임은 다른 비컨 프레임(31)을 송신하는 코디네이터에 의해 마킹된다. 디바이스들은 수퍼프레임의 비활성 기간(34) 동안 슬립 상태로 갈 수 있다. 따라서, 비활성 기간(34)의 길이를 연장시킴으로써, 디바이스들의 배터리 전력이 가능한 한 많이 예비될 수 있다.

논-비컨 인에이블드 네트워크에서, 코디네이터는 (예를 들어, 네트워크 발견을 목적으로) 비컨을 송신할 것을 요청받지 않은 한은 동기화를 위해 그렇게 할 필요가 없다. 채널 액세스는 수퍼프레임 구조에 의해 제한되지 않으며, 디바이스들은 비동기적이어서, CSMA-CA에 의해 모든 데이터 전송을 수행한다. 이들은 WiseMAC과 같은 프로토콜에 따라 자기 자신의 슬립 패턴을 따를 수 있다.

MBAN 응용에 대하여, 코디네이터는 모니터링되고 있는 신체 또는 신체들의 외부에 있다. 그것은 PDA, 이동 전화기, 베드사이드 모니터 스테이션(bedside monitor station), 또는 심지어는 임시적으로 코디네이터로서 기능하는 충분한 능력의 센서일 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 비컨 인에이블드 네트워크 내의 코디네이터는 네트워크 디바이스들에 동기화 및 채널 액세스를 제공하는 것을 담당한다. 또한, 수퍼프레임의 시작과 끝은 코디네이터에 의해 정의된다. 코디네이터는 다른 네트워크들로의 잠재적인 통신, 및 예를 들어 충전된 배터리의 용이한 교체에 의한 충분한 전력 공급에의 액세스라는 2가지 주된 특징을 갖는다.

또한, 아마도 수개의 코디네이터를 포함하는 네트워크의 전체적인 감독을 위해, 중앙 케어 및 모니터링 유닛이 제공될 수 있다. 이것은 여러 명의 환자로부터의 응급 데이터의 연속적인 또는 간헐적인 스트림을 수신할 수 있는 모니터링 장비를 구비하는 방의 형태를 취할 수 있다. 전형적으로, 환자들의 데이터를 끊임없이 보고 모니터링하는 간호사 또는 의료 전문가가 중앙 유닛 내에 상주하고 있을 것이다. 이들은 환자의 상태 변화에 응답하여 조치를 취할 것이다. 중앙 케어 및 모니터링 유닛은 그 코디네이터 또는 각각의 코디네이터에 무선으로 접속될 수 있고(이 경우, 이것은 MBAN의 일부로서 고려될 수 있음), 또는 이것은 각 코디네이터로의 유선 접속을 가질 수 있다(이 경우, 이것은 통상의 그러한 MBAN의 외부에 있는 것으로 고려될 수 있음).

도 5 내지 도 8은 IEEE 802.15.4 네트워크에서의 디바이스와 코디네이터 간의 데이터 전송을 도시한 것이다. IEEE 802.15.4에서는 3가지의 기본적인 전송 타입이 정의된다.

(ⅰ) 디바이스(송신자)가 자신의 데이터를 송신하게 되는, 수신자로서의 코디네이터로의 데이터 전송 - 스타 및 피어-투-피어 토폴로지 둘 다에서 이용됨 -,

(ⅱ) 디바이스가 데이터를 수신하게 되는, 송신자로서의 코디네이터로부터의 데이터 전송 - 스타 및 피어-투-피어 토폴로지 둘 다에서 이용됨 -, 및

(ⅲ) 2개의 피어 간의 데이터 전송 - 피어-투-피어 네트워크에서만 이용됨 -.

도 5 및 도 6은 각각 비컨 인에이블드 및 논-비컨 인에이블드 경우 둘 다에 대해 디바이스(네트워크 디바이스(11)) 및 코디네이터(코디네이터(10))로부터의 전송을 도시하고 있다. 차이는, 비컨 인에이블드의 경우에서는, 디바이스(1)가 CFP에서 CSMA-CA를 이용하여 또는 CAP에서 GTS를 이용하여 데이터(데이터 프레임(42))를 송신하기 전에 코디네이터로부터 비컨 프레임(41)을 수신하기를 기다려야만 하는 반면에, 논-비컨 인에이블드의 경우에서는, 정상적으로 비컨 프레임이 존재하지 않고, 디바이스(11)가 CSMA-CA를 이용하여 마음대로 데이터 프레임(42)을 송신한다는 것이다. 어느 경우에서든, 코디네이터는 선택적인 확인응답 프레임 또는 ACK(43)를 송신함으로써, 데이터의 성공적인 수신을 확인한다. 이러한 프레임의 상이한 타입들은 이하에 더 상세하게 설명된다.

수신자가 수신된 데이터 프레임을 어떠한 이유로 취급할 수 없는 경우, 메시지는 확인응답되지 않는다. 송신자가 소정 기간 이후에 확인응답을 수신하지 않는 경우, 그 송신자는 송신이 성공적이지 않았다고 가정하고, 프레임 송신을 재시도한다. 수회의 재시도 이후에도 확인응답이 여전히 수신되지 않는 경우, 송신자는 트랜잭션을 종료하기 아니면 재시도하기를 선택할 수 있다. 확인응답이 요구되지 않는 경우, 송신자는 송신이 성공적이었다고 가정한다.

도 7 및 도 8은 코디네이터(10)로부터 디바이스(11)로의 데이터 전송을 도시한 것이다. 비컨 인에이블드 WPAN에서 코디네이터가 디바이스에 데이터를 전송하기를 원할 때(도 7), 그 코디네이터는 데이터 메시지가 계류 중임을 비컨 프레임(41) 내에 나타낸다. 디바이스는 비컨 프레임을 주기적으로 청취하고, 메시지가 계류 중인 경우에는, CSMA-CA에 의해 데이터를 요청하는 데이터 요청(MAC 커맨드)(44)을 송신한다. 코디네이터(10)는 확인응답 프레임(43)을 송신함으로써 데이터 요청의 성공적인 수신을 확인응답한다. 그 다음, 계류 중인 데이터 프레임(42)은 슬롯 CSMA-CA를 이용하여, 또는 가능하다면 확인응답 직후에 송신된다. 디바이스(11)는 선택적인 확인응답 프레임(43)을 송신함으로써 데이터의 성공적인 수신을 확인응답할 수 있다. 이제, 트랜잭션이 완료된다. 데이터 트랜잭션의 성공적인 완료 시, 메시지는 비컨 내의 계류 중인 메시지들의 목록으로부터 제거된다.

논-비컨 인에이블드의 경우에서, 특정 디바이스(11)에 대해 준비된 데이터를 갖는 코디네이터(10)는 경합 기반으로 송신되는 관련 디바이스로부터의 데이터 요청(44)을 기다려야만 한다. 그러한 요청을 수신하면, 코디네이터는 확인응답 프레임(43)(이것은 데이터가 준비되지 않은 경우에 그러한 사실을 알리기 위해서도 이용될 수 있음)과 그에 후속하는 데이터 프레임(42)을 송신하고, 그에 응답하여 디바이스(11)는 답신으로 다른 확인응답 프레임(43)을 송신할 수 있다.

단순하게 하기 위해, 위의 절차들은 디바이스와 코디네이터 간의 데이터 전송의 상기 경우들 (ⅰ) 및 (ⅱ)만을 고려했지만, 이미 언급된 바와 같이, 피어-투-피어 네트워크에서는, 일반적으로 하나 이상의 중간 노드를 수반하는 메커니즘 (ⅲ)을 통해 데이터 전송이 발생할 것이고, 이것은 수반되는 지연 및 충돌의 위험을 증가시킨다.

도 5 내지 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, IEEE 802.15.4 네트워크에서의 통신은 4가지 상이한 타입의 프레임을 수반한다:

- 비컨을 송신하기 위해 비컨-타입 코디네이터에 의해 이용되는 비컨 프레임(41),

- 모든 데이터 전송을 위해 이용되는 데이터 프레임(42),

- 성공적인 프레임 수신을 확인하기 위해 이용되는 확인응답 프레임(43),

- 데이터 요청과 같은 모든 MAC 피어 엔티티 제어 전송을 다루기 위해 이용되는 MAC 커맨드 프레임(44).

4개의 프레임 타입 각각의 구조는 상당히 유사하며, 예로서 데이터 프레임(42)에 대하여 도 9에 도시되어 있다. 도면에서, 2개의 수평 막대는 각각 MAC 부계층 및 PHY 계층을 나타낸다. 왼쪽으로부터 오른쪽으로의 시간 진행, 및 프레임의 각각의 연속적인 필드의 시간 길이는 관련 필드 위에 나타나 있다(옥텟). 모든 프레임은 특정 순서로 된 필드들의 시퀀스로 구성되며, 이들은 그들이 PHY에 의해 송신되는 순서로 왼쪽으로부터 오른쪽으로 도시되어 있고, 여기에서 가장 왼쪽의 비트가 시간상 가장 먼저 송신된다. 각 필드 내의 비트들은 0(가장 왼쪽의 최하위)으로부터 k-1(가장 오른쪽의 최상위)까지 번호가 매겨지며, 필드의 길이는 k 비트이다.

데이터 프레임(42)을 통해 송신될 데이터는 상위 층들로부터 발원된다. 데이터 페이로드는 MAC 부계층에 전달되고, MAC 서비스 데이터 유닛(MSDU)이라고 칭해진다. MAC 페이로드의 앞에는 MAC 헤더 MHR이 있고, 뒤에는 MAC 풋터 MFR이 있다. MHR은 프레임 컨트롤 필드(50)(이하 참조), 데이터 시퀀스 번호(DSN), 어드레싱 필드, 및 선택적인 보조 보안 헤더를 포함한다. MFR은 16비트 프레임 체크 시퀀스 FCS로 구성된다. MHR, MAC 페이로드 및 MFR은 함께 모여 MAC 데이터 프레임(즉, MPDU)을 형성한다. MPDU는 PHY 서비스 데이터 유닛 PSDU로서 PHY에 전달되고, 이것이 PHY 페이로드가 된다. PHY 페이로드 앞에는 프리앰블 시퀀스 및 프레임 시작 구획자(start-of-frame delimiter) SFD를 포함하는 동기화 헤더 SHR, 및 PHY 페이로드의 길이를 옥텟으로 포함하는 PHY 헤더 PHR이 온다. 프리앰블 시퀀스 및 데이터 SFD는 수신기가 심볼 동기화를 달성하는 것을 가능하게 한다. SHR, PHR 및 PHY 페이로드는 함께 모여 PHY 패킷(PHY 프로토콜 데이터 유닛 PPDU)을 형성한다.

비컨 프레임(41), 확인응답 프레임(43) 및 MAC 커맨드 프레임(44)은, 각 경우에서 MAC 페이로드가 상이한 기능을 가지며, 확인응답 프레임이 MAC 페이로드를 갖지 않는다는 점을 제외하고는 유사한 구조를 갖는다. 또한, 비컨 프레임(41), 확인응답 프레임(43) 및 MAC 커맨드 프레임(44)은 상위 층들의 관여 없이 MAC 부계층에서 발원한다.

각 프레임 타입에서 이용되는 프레임 컨트롤 필드(50)가 도 10에 더 상세하게 도시되어 있다. 이것은 도시된 바와 같이 상이한 목적들을 위한 서브필드들에 할당된 16 비트로 구성된다. 구체적으로, 필드의 처음 세 비트는 프레임 타입(51), 즉 비컨 프레임(41), 데이터 프레임(42), 확인응답 프레임(43) 또는 MAC 커맨드 프레임(44)을 나타낸다. 프레임 타입이 나타내어지는 방식은 도 11에 도시되어 있다. 프레임 타입 비트(51) 뒤에는, MAC 부계층에 의해 보안이 인에이블되는지를 나타내는 싱글-비트 보안 인에이블드 서브필드(52)가 온다. 그 다음에는, 송신자가 수신자를 위한 추가의 데이터를 가지고 있는지를 나타내는 프레임 계류 서브필드(53)가 온다. 다음은 Ack이다. 요청 서브필드(54)는 수신자로부터의 확인응답이 요청되는지를 나타낸다. 그 다음으로, 현재의 IEEE 802.15.4 규격에서 예비되거나 어드레싱 목적으로 사용되는 소정의 추가의 서브필드들(55 내지 59)이 온다.

언급된 바와 같이, 도 11은 프레임 타입 서브필드(51)를 위한 가능한 비트값들의 테이블로서, IEEE 802.15.4 규격에서는 값 100 내지 111이 사용되지 않음을 보여주고 있다.

본 발명의 배경이 개략적으로 설명되었고, 이하에서는 의료적 모니터링 시나리오를 예로 들어, 도 12 내지 도 20을 참조하여 일부 실시예들이 설명될 것이다.

본 발명은 예를 들어 환자들이 각 환자의 신체 상에 또는 그 부근에 배치되거나 거기에 이식된 센서들의 MBAN을 통해 모니터링되고 있는 상황을 다룬다. 그리고, 이하의 설명에서, "MBAN" 또는 "네트워크"와 같은 용어들은 주어진 위치에서의 무선 디바이스들 전체를 참조하기 위해 이용되지만, 전체 네트워크 내의 서브네트워크들을 정의하는 것도 가능할 수 있다. 예를 들어, 병동의 경우에서, 센서들 및 코디네이터들은 단일 네트워크를 형성하는 것으로서 간주될 수 있지만, 단일 환자를 모니터링하고 있는 센서들도 그들 자신의 권리로서 네트워크로서 간주될 수 있다.

도 12 내지 도 16은 MBAN 내의 3가지 타입의 노드를 개략적으로 도시하고 있는데, 이들은 위에서 설명된 것과 같은 코디네이터(10), 및 환자의 의료적 모니터링에 관여되는 디바이스들 및 비의료적 응용들을 위한 디바이스들(13)을 포함하는, 위에서 설명된 것과 같은 2가지 타입의 네트워크 디바이스이다. 의료적 모니터링을 위한 디바이스들 중에서, 적어도 하나의 그러한 디바이스(11E)는 "응급상태에 있는 것"으로 가정된다. 즉, 그것은 모니터링되고 있는 하나 이상의 의료적 파라미터에 대하여 응급 상황에 있는 환자로부터/로 데이터를 감지 또는 전송하는 것에 관여된다.

도 12에 도시된 바와 같이, 스타 및 피어-투-피어 토폴로지 둘 다가 지원된다. 일반적으로, 스타 토폴로지는 코디네이터와의 직접적인 무선 통신의 범위 내에 있는 네트워크 디바이스들에 대해 바람직한 반면에, 피어-투-피어는 직접적인 통신의 범위 밖에 있는 디바이스들을 위해 이용될 것이다.

본 실시예에서는 2가지 타입의 토폴로지 및 2가지 타입의 접속 링크가 제공된다 (응급상황 토폴로지, 및 비-응급상황 토폴로지). 응급상황 토폴로지는 2가지의 구별되는 특징들, 즉 1. 응급상황에 있는 디바이스들, 및 2. 높은 우선순위 통신 링크를 가짐으로써, 비-응급상황 토폴로지로부터 구별된다. 통신, 및 추후의 모든 채널 액세스 절차들에 대하여, 응급상황 토폴로지는 비-응급상황 토폴로지에 대하여 더 높은 우선순위를 갖는다. 응급상황 토폴로지는 바람직하게는 비컨 기반인데, 왜냐하면 위에서 설명된 바와 같이, 이것은 코디네이터가 특정 통신 링크들의 독점적인 사용을 위해 GTS를 할당하는 능력을 제공하기 때문이다.

따라서, 도 12는 코디네이터(10)가 스타 토폴로지를 통해 응급상황에 있는 디바이스들(11E)과 높은 우선순위 링크(14)를 통해 통신을 수행하는 동시에, 다른 디바이스들(13)(현재 응급 상황에 관여되지 않는 의료용 디바이스들이거나, 현재의 목적을 위해서는 어떠한 응급 상태도 존재하지 않을 수 있다고 가정되는 비-의료용 디바이스들)과 낮은 우선순위(또는 "정상" 우선순위) 링크(15)를 통해 통신을 수행하는 상황을 나타내고 있다.

도 13은 높은 우선순위 링크(14)가 피어-투-피어 접속을 통한다는 점을 제외하고는 유사한 구성을 도시하고 있는데, 이것은 스타 및 피어-투-피어 토폴로지 둘 다가 응급상황에 있는 디바이스들에 대한 높은 우선순위, 높은 QoS 링크를 위해 이용될 수 있음을 나타낸다. 한편, 낮은 우선순위 링크(15)는 스타 및 피어-투-피어 접속 둘 다에 의해 이루어진다.

처음에, 네트워크 디바이스들 중 어느 것도 응급상황에 있지 않은 것으로 가정될 수 있다 (예를 들어, 의료적 모니터링 시나리오에서, 모니터링되고 있는 복수의 환자 중 누구도 임계 조건 내에 있지 않음). 따라서, 도 14에 도시된 바와 같이, 모든 링크가 낮은 우선순위 모드에서 시작한다. 이제, 디바이스들(11E) 중 하나(디바이스 A로 표기됨)가 응급상황에 들어간다고 가정한다. 예를 들어, 그것은 허용가능한 범위를 벗어나는 혈압의 값을 감지하는 혈압 센서일 수 있다. 응급 상태가 인식되고, 소정의 방식으로(일례에 대해서는 이하를 참조) 코디네이터에 시그널링될 수 있다. 그 다음, 도 15에 도시된 바와 같이, 코디네이터(10)는 응급상황에 있는 의료용 디바이스(11E)에 대하여 높은 우선순위 링크를 할당한다. 예를 들어, 보장된 타입 슬롯이 TDMA를 이용하여 디바이스들에 할당되어야 하는 경우, 디바이스(11E)는 최초의 송신 기회를 얻을 것이다.

도 16은 이미 릴레이 홉(relay hop)의 역할을 하고 있는 네트워크 디바이스가 응급상황에 들어가는 피어-투-피어 토폴로지의 경우에서 발생하는 것을 도시한 것이다. 프로토콜은, 응급상황에 있는 네트워크 디바이스(11E)(디바이스 A)가 (a) 제2 홉 비-응급 디바이스들로부터의 더 적은 정체를 갖고, (b) 다른 디바이스들도 응급상황에 있고 디바이스 A를 통한 피어-투-피어 루트를 요구하고 있으며 응급 액세스를 얻을 것임을 확인하고, (c) 높은 우선순위 응급 링크를 보장받을 기회를 제공받아야 한다는 사실을 염두에 두고서 설계된다.

따라서, 도 16의 예에 도시된 바와 같이, 높은 우선순위 링크(14)는 코디네이터(10)와 네트워크 디바이스(11E) 사이에 셋업된다. 본 예에서, 디바이스(11E)와 피어-투-피어 통신을 하고 있는 네트워크 디바이스들 중 어느 것도 그 자신이 응급상황에 있지 않으며, 따라서 이 경우에서는 낮은 우선순위 링크들(14)이면 충분하다. 트래픽 관리를 더 개선하기 위해, 다른 루트에 의해 코디네이터(10)에 도달하도록 디바이스(11E)를 통한 낮은 우선순위 트래픽의 일부를 우회시키는 것이 가능할 수 있다. 이것은 또한 응급 상태로 인해 (예를 들어, 센서 판독값을 더 자주 얻도록 요구받는 것에 의해) 보통보다 더 많은 전력을 사용하고 있을 디바이스(11E)에서의 임의의 불필요한 전력 소비를 최소화할 것이다.

도 17은 상기 트래픽 관리 프로토콜에서의 프로세스 흐름을 도시하고 있다. 이 도면에서 (그리고 도 18에서), 수직 열들은 프로토콜에 관여되는 디바이스들, 즉 코디네이터(10), 응급상황에 있는(있을) 네트워크 디바이스(11E), 및 비-의료용/비-응급상황 디바이스들(13)과 같은 다른 디바이스들 각각을 나타낸다. 수직 방향은 시간의 흐름을 나타낸다. 프로세스는 이하와 같이 진행한다.

S10: 모든 디바이스가 비-응급 상태에서 시작하며, 따라서 코디네이터(10)와 낮은 우선순위(스타 또는 피어-투-피어) 접속을 갖는 것으로 가정된다.

S11: 디바이스(11E)는 응급 상태에 있는 것으로 선언된다. 이것은 다수의 방식으로 발생할 수 있는데, 이는 본 명세서의 범위는 벗어나지만, 동일 출원인에 의한 공동 계류 중인 출원에 설명되어 있다. 전형적인 시나리오는 네트워크 디바이스 자체의 센서에 의해 감지된 값이 소정 종류의 임계값에 도달하는 것일 것이다. 어쨌든, 코디네이터(10)와 디바이스(11E) 둘 다가, 디바이스(11E)가 "응급상황에 있음"을 인식하고 선언하는데, 예를 들면 집중적인 모니터링을 요구하는 것 등을 위해 소정의 임계 레벨에 있는 의료적 파라미터를 감지하는 데에 관여된다.

S12: 코디네이터(10) 및 응급상황에 있는 디바이스(11E)는 응급 상태가 선언된 것에 응답하여(이 선언은 사실은 코디네이터 자체로부터 온 것일 수 있음), 응급 링크(높은 우선순위 링크)를 구축하도록 협동한다. 예를 들어, 코디네이터는 송신을 위하여 어느 GTS를 이용할 것인지를 디바이스(11E)에게 알릴 수 있다.

S13: 다른 디바이스들이 이미 그것을 알아차리지 않은 경우, 디바이스(11E)는 현재 디바이스(11E)(디바이스 A)를 통해 라우팅되고 있는 통신을 갖는 다른 디바이스들에게 응급 상태를 선언한다. 이러한 선언은 사실은 디바이스(11E)를 통해 다른 피어-투-피어 접속된 디바이스들에 전달하기 위해 코디네이터(10)에서 발원할 수 있다.

S14: 도 16에 도시된 바와 같이, 네트워크 디바이스(11E)는 현재 그것의 피어-투-피어 접속된 다른 디바이스들의 통신 링크를 지원하는 상황에 있다. 이러한 다른 디바이스들 중 임의의 것이 그 자체가 응급상황에 있는 경우, 디바이스(11E)는 그것을 계속한다.

S15: 한편, 디바이스(11E)는 그것이 다른 피어-투-피어 디바이스들과의 기존의 낮은 우선순위 링크들을 유지하기에 충분한 자원을 갖고 있는지를 체크한다(무선 채널 및 배터리 전력 둘 다에 관련하여). 대안적으로 또는 추가적으로, 디바이스(11E)는 응급 링크(들) 상에서의 QoS 또는 정체의 레벨에 관련하여 낮은 우선순위 트래픽을 유지하는 것의 효과가 무엇일지를 체크한다.

S16: 단계 S15에서의 응답이 "예"인 경우(이용가능한 자원이 충분함), 충분한 무선 및 디바이스 자원이 이용가능하다면, 디바이스(11E)는 비록 감소된 레이트에서라도 낮은 우선순위 링크들을 계속하여 지원한다. 예를 들어, 디바이스(11E)에 대한 응급상황의 선언은 디바이스(11E)가 센서 데이터를 코디네이터(10)에 더 빈번하게 보내야함을 의미할 수 있고, 이것은 업링크 상의 이용가능한 공간의 부분을 차지하는 동시에, 배터리 전력을 이용한다.

S17: S15에서의 응답이 아니오인 경우(이용가능한 자원이 충분하지 않음), 디바이스(11E)는 다른 디바이스들(13)과의 기존의 낮은 우선순위 피어-투-피어 링크들을, 바람직하게는 데이터 손실을 회피하기 위해 다른 코디네이터에 넘김으로써 중단시킨다. 구현에 따라, 다른 네트워크 디바이스들(13) 중 일부 또는 전부가 2차 코디네이터의 역할을 하는 것이 가능할 수 있다. 대안적으로, 디바이스(11E)는 예를 들어 각 링크의 데이터 레이트를 감소시킴으로써, 낮은 우선순위 링크에 충당되는 자원들을 감소시킬 수 있다.

S18: 한편, 다른 디바이스들(13) 자신은 디바이스(11E) 및 코디네이터(10)에 의한 트래픽 우선순위 결정의 결과로서 감소된 QoS를 검출할 수 있다. 이러한 경우에서, 다른 디바이스들(13)은 그 자신이 예를 들어 디바이스(11E)를 피하는 대안적인 피어-투-피어 통신 루트를 찾으려고 시도함으로써 토폴로지의 변화를 개시하려고 할 수 있다.

네트워크 디바이스들의 능력에 따라, 응급상황에 있는 디바이스(11E)가 단계 S15 - S17에서 요구되는 결정들을 내리는 것, 또는 다른 디바이스들(13)이 단계 S18에서의 조치를 취하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 이러한 경우에서, 코디네이터(10)가 그러한 단계들을 인계받아서, 필요한 결과들을 네트워크 디바이스들에 알려줄 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 프로토콜은 아래와 같이 단순화될 수 있다.

도 18은 디바이스(11E)가 응급상황으로 가는 상기의 상황에 대안적으로 적용될 수 있는 단순화된 프로토콜을 도시한 것이다. 이 프로토콜에서, 디바이스(11E)는 다른 이웃 디바이스들에게 자신의 응급 상태에 관해 알려주지 않는다. 그것은 어떠한 높은 우선순위 피어-투-피어 링크도 허용하지 않으며, 이는 응급상황에 있는 임의의 디바이스를 통해 통신하기를 원하는 다른 디바이스들에게 낮은 우선순위 링크만이 허가될 것임을 의미한다. 대신에, 디바이스(11E)는 요청되는 링크의 개수를 제어한다. 절차는 아래와 같다.

S20: 앞에서와 같이, 디바이스(11E)는 아마도 코디네이터(10)에 의해 응급상황에 있는 것으로 선언된다.

S21: 따라서, 코디네이터(10) 및 디바이스(11E)는 그들 사이에 높은 우선순위 링크를 구축한다.

S22: 이제, 소정의 다른 디바이스(13)로부터 낮은 우선순위 링크에 대한 요청이 수신된다.

S23: 디바이스(11E)는 다른 디바이스들과의 기존 링크들의 수가 미리 정해진 한계를 초과하는지(또는 거기에 도달했는지)를 체크한다. 비교적 단순한 네트워크 디바이스라도 예를 들어 카운터 내에 카운트를 유지함으로써 이것을 알아낼 수 있을 것이다.

S24: S23에 대한 응답이 예이면, 즉 한계가 초과되었으면, 디바이스(11E)는 링크 요청을 거부하고, 현재의 토폴로지에 따른 동작을 계속한다. 이것은 의료용 응급 디바이스를 통한 트래픽의 흐름을 감소시키는 것을 도울 것이고, 응급상황에 있는 의료용 디바이스가 다룰 것으로 여겨지는 릴레이 송신 또는 재송신의 수를 감소시켜서, 의료용 응급 디바이스 내에서 충돌 및 정체가 회피되게 한다.

S25: 한편, S23에 대한 응답이 아니오인 경우, 디바이스(11E)는 요청된 낮은 우선순위 링크를 허가한다.

S26 내지 S30: 단계 S23 내지 S25 프로세스는 링크의 개수에 관한 미리 정해진 한계에 도달될 때까지, 임의의 회수만큼 반복될 수 있다.

이하에서는, 상기 프로토콜들이 IEEE 802.15.4로부터 나와서 현재 개발 중인 IEEE 802.15.6과 같은 통신 표준 내에 어떻게 수용될 수 있는지에 대한 일부 설명이 제공될 것이다.

도 19 및 도 20은 "응급상황"이라고 표기된 새로운 비트의 추가를 통해 응급 상황을 수용하고, 그것이 IEEE 802.15.6에 적합해지게 하기 위한, 본 발명의 일 실시예에서의 IEEE 802.15.4 프레임 포맷에 대한 가능한 수정안을 도시한 것이다. 이러한 수정안에서, IEEE 802.15.4에서의 프레임 타입들에 대한 임의의 다른 변경을 행하지 않고서, 신규한 응급상황 프레임 타입에 대한 허용이 이루어진다.

이미 간략하게 설명된 바와 같이, IEEE 802.15.4는 비컨 프레임(41), 데이터 프레임(42), 확인응답 프레임(43) 및 MAC 커맨드 프레임(44)을 포함하는 다양한 프레임 타입들을 제공한다. IEEE 802.15.6에서, 상기 설명된 절차들을 구현하는 하나의 방식은, 목적지 디바이스에 응급 상태(또는 비-응급 상태)를 선언하기 위해, 추가의 프레임 타입인 응급상황 프레임을 도입하는 것이다.

도 19는 IEEE 802.15.4에 대해 이미 제안되어 있는 도 10의 프레임 컨트롤 필드(50)에 대응하는 프레임 컨트롤 필드(500)의 구조를 도시한 것이다. 도 19를 도 10과 비교해보면 알 수 있는 바와 같이, 비트 0-2는 IEEE 802.15.4에서와 같이 프레임 타입(501)을 나타내지만, 가능한 프레임 타입 값들은 도 20에 나타낸 바와 같이 변화된다. 이전에 예비되었던 값들 100-111(도 10 참조) 중에서, 비트값 "111"은 이제 신규한 응급상황 프레임 타입을 나타내기 위해 이용된다. 값 100 내지 110은 장래의 사용을 위해 예비된 값으로 남아있는다.

프레임 컨트롤 필드(500)의 남아있는 서브필드들에서, 비트 넘버 7이 응급 상태를 위한 플래그로서 새롭게 이용된다(예를 들어, "1"= 응급상황, "0"= 비 응급상황)는 점을 제외하고는, 도 10의 프레임 컨트롤 필드(50)에서와 기본적으로 동일한 컴포넌트들이 존재한다. 비트 8은 이제 (도 10의 Ack 요청 서브필드에 대응하는) Ack 정책을 나타내기 위해 이용된다. 보안 인에이블드 비트(502), 프레임 계류 비트(503), PAN ID 압축(506), 목적지 어드레싱 모드(507), 프레임 버전(508) 및 소스 어드레싱 모드(509)를 위한 서브필드들은 IEEE 802.15.4의 프레임 컨트롤 필드(50)에서의 대응 부분들과 동일한 기능을 갖는다.

요약하면, 본 발명의 실시예는 이하의 특징들 및 이점들을 제공할 수 있다.

＊ 링크 우선순위들을 결정하기 위해, MAC 프레임 컨트롤 헤더 내의 "응급" 상태 비트를 통한 링크 우선순위 할당을 이용.

＊ 스타 토폴로지 내에서 범위 내에 있고 응급상황 하에 있으며, 다른 디바이스들로의 어떠한 활성 접속도 갖지 않는 의료용 디바이스들이 자동적으로 높은 우선순위 응급 링크, 및 비컨 모드(예를 들어, TDMA-ALOHA) 채널 액세스 모드에서의 제1 GTS(또는 초기의 GTS들 중 하나)를 획득하는 방식으로 토폴로지가 관리된다.

＊ 낮은 우선순위 디바이스들이 그들의 루트 내에서 높은 우선순위의 의료용 응급 디바이스를 릴레이로서 포함하는 것을 회피하게 하는 전환 프로토콜(diversion protocol).

＊ 이웃 센서 디바이스들을 위한 중간 홉 노드로서의 역할을 하고 있는 응급 의료용 디바이스가 자신의 낮은/보통 우선순위 트래픽의 트래픽 부하를 감소시키고, 심각한 경우들에서는, 낮은 또는 보통의 우선순위 링크조차도 중단하게 하는 정체 및 충돌 회피 메커니즘/프로토콜.

＊ 제안된 프로토콜은 의료적 응급 상황들을 다루기 위한 개선된 지원을 가능하게 한다.

본 발명의 실시예들은 MBAN을 이용함으로써 응급상황 관리를 용이하게 하는 데에 있어서 필수적인 역할을 할 수 있다. 이하의 시나리오들이 주목될 수 있다.

(ⅰ) 심장 및 가슴에 문제를 갖는 전세계의 수억명의 환자들은 그들의 신체 상에 MBAN을 형성하는 무선 센서들을 이용함으로써 병원에서 또는 가정에서 모니터링될 수 있다. MBAN은 그러한 환자들에 대해 추가의 이동성을 제공할 수 있다. 그러나, 비정상적인 심장 기능, 또는 심장 발작 등의 더 심각한 경우들과 같은 상황 하에 있는 이러한 환자들의 그룹에 대해서는, 어떠한 응급상황 또는 경고 신호도 상실되지 않을 것을 확실하게 하기 위한 신뢰할 수 있는 통신 채널을 보장하는 것이 필수적이다. 본 발명은 "응급상황 응답확인"을 송신함으로써, 관여된 모든 엔티티들이 응급상황에 대해 알아차리게 하기 위해, 안전한 응급상황 트리거 메커니즘을 제공한다.

(ⅱ) 전세계의 수억명의 사람들이 당뇨병으로 고통받고 있다. 혈당 측정을 위한 이식가능한 또는 비-외과적인 방법들이 최근에 고려되고 있다. 환자의 혈당 레벨 정보를 24시간 모니터링하기 위해 MBAN이 이용될 수 있다. 환자의 혈당 레벨이 정상치를 벗어나고, 응급상황의 지리적 위치 확인(geolocation) 및 환자에 대한 다른 필요한 긴급 의료 절차들이 요구되는 상황들이 존재한다.

(ⅲ) MBAN은 데이터 손실이 생명을 위협할 수 있는 중환자실의 환자를 모니터링하는 동안, 감지된 데이터를 수집하기 위해 이용될 수 있다.

(ⅳ) 의료 시스템에서 인건비 및 응급상황 대응의 효율성을 개선한다.

(ⅴ) 의료용 MBAN 시스템에서 응급상황 인식을 개선한다.

(ⅵ) 응급상황 대응 프로세스를 자동화함으로써 인건비를 감소시킨다.

(ⅶ) 주로 낮은 데이터 레이트의 응용들에 대해 예상되긴 하지만, MBAN들은 개별 패킷의 상실이 결정적이고 품질에 영향을 주는 스트리밍 비디오/오디오 데이터의 전송에 적용될 수 있다. 에러가 있는 데이터는 응급상황의 경우들에서 질환의 진단에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

(ⅷ) 의료적 진단에 대하여, 의사가 환자를 적절하게 진단하기 위해서는 MMR 또는 X-레이 이미지가 매우 선명할 필요가 있다. 따라서, 마찬가지로, 신뢰할 수 있는 데이터 전송이 필수적이다.

요약하면, 본 발명은 복수의 파라미터를 모니터링하기 위한 센서들을 포함하는 복수의 네트워크 디바이스, 및 스타 프로토콜에서 직접적으로, 또는 피어-투-피어 프로토콜에서 간접적으로 네트워크 디바이스들과 통신하기 위한 코디네이터를 갖는 무선 센서 네트워크를 운영하기 위한 기술을 제공할 수 있는데, 이 기술은

네트워크 디바이스들의 적어도 서브세트와의 낮은 우선순위 링크를 통한 통신을 위해 코디네이터를 구성하는 단계,

네트워크 디바이스들의 센서들에 의해 센서 데이터를 수집하고, 데이터를 코디네이터에 전송하는 단계,

네트워크 디바이스들 중 적어도 하나에 관한 응급 상태의 존재를 검출하는 단계,

응급 상태에 있는 디바이스들 중 적어도 하나와의 높은 우선순위 링크를 구축하는 단계 - 높은 우선순위 링크는 낮은 우선순위 링크보다 네트워크 자원들에 대해 더 높은 우선순위를 가짐 -, 및

그 하나의 디바이스가 다른 디바이스들과의 낮은 우선순위 링크를 위한 릴레이 홉 노드로서의 역할을 하고 있는 경우에, 그 다른 디바이스들이 응급상황에 있는지의 여부, 높은 우선순위 링크의 QoS 또는 정체 레벨, 및/또는 디바이스들 중 하나가 이용할 수 있는 전기 전력에 의존하여, 그러한 낮은 우선순위 링크들을 유지, 수정 또는 중단하는 단계

를 포함한다. 이 기술은 예를 들어 IEEE 802.15.6에 따라 동작하는 MBAN을 이용하는 병원에서 환자들을 모니터링하기 위해 적용될 수 있다.

본 발명은 신규한 네트워크 디바이스(센서), 코디네이터, 또는 그것을 위한 하드웨어 모듈의 형태를 취할 수 있으며, 네트워크 디바이스들 및/또는 각각의 코디네이터의 프로세서들에 의해 실행되는 소프트웨어를 대체 또는 수정함으로써 구현될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예들은 하드웨어로, 또는 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 소프트웨어 모듈들로서, 또는 그들의 조합으로 구현될 수 있다. 본 발명은 또한 여기에 설명된 기술들 중 임의의 것의 일부 또는 전부를 수행하기 위한 하나 이상의 디바이스 또는 장치 프로그램(apparatus programs)(예를 들어, 컴퓨터 프로그램 및 컴퓨터 프로그램 제품)으로서 구현될 수 있다. 본 발명을 구현하는 그러한 프로그램들은 컴퓨터 판독가능한 매체 상에 저장될 수 있으며, 또는 예를 들어 하나 이상의 신호의 형태로 있을 수 있다. 그러한 신호들은 인터넷 웹사이트로부터 다운로드가능한 데이터 신호들일 수 있고, 또는 캐리어 신호 상에 제공될 수 있고, 또는 임의의 다른 형태일 수 있다.

상기 설명이 무선 센서 네트워크 내의 센서들 및 코디네이터들만을 참조하였지만, MBAN이 이러한 종류와는 다른 디바이스들을 포함하는 것이 가능하다. 잠재적으로는, 투약 메커니즘과 같이, 환자의 보살핌에 개입하는 소정의 수단이 코디네이터의 무선 제어 하에 있는 네트워크 내에 배치될 수 있다. 따라서, 높은 우선순위 링크는 센서들의 제어 및 그들의 통신으로 한정될 필요가 없고, 예를 들어 응급 상태에서 생명 파라미터(예를 들어, 심박동수)를 안정화하기 위해 환자에게 약을 전달하기 위한 커맨드들을 위해 이용될 수 있다.

상기 실시예들에서, 네트워크는 초기에 낮은 우선순위 링크만을 가질 것이고, 응급 상태에 있는 디바이스와 높은 우선순위 링크를 구축하는 것은 그 디바이스와의 기존의 낮은 우선순위 링크를 새로운 높은 우선순위 링크로 대체하는 것을 수반할 것이며, 응급상황에 있지 않은 다른 디바이스들은 낮은 우선순위 링크에 의해 서빙된다고 가정된다. 그러나, "정상적인" 동작 조건들 하에서, 대역폭 및 전력이 비교적 풍부하여, 높은 우선순위 링크가 모든 네트워크 디바이스들에 의한 코디네이터와의 디폴트 통신 모드가 되는 것을 허용하는 구현이 존재할 수 있다. 이러한 경우에서, 네트워크가 모든 네트워크 디바이스에 대해 높은 우선순위 링크를 시작하고, 응급상황에 있지 않은 디바이스들에 대한 링크를 낮은 우선순위 링크로 격하시키고, 응급상황에 있는 각 디바이스에 대해서는 높은 우선순위 링크를 그대로 두는 것이 가능할 수 있다. 이것은 그 자신이 응급 상태에 있지 않은 네트워크 디바이스가 소정의 다른 디바이스가 응급상황에 있음을 인식하고, 자신의 코디네이터와의 링크를 격하시켜서, 응급 디바이스에 우선권을 주는 것을 수반할 수 있다.

또한, MBAN은 위에서 이미 언급된 바와 같이, 코디네이터들과의 통신(반드시 MBAN 자체를 경유할 필요는 없음)에서, 소정 형태의 중앙 제어 및 모니터링 유닛을 구비할 수 있다. 그러한 중앙 제어는 예를 들어 응급 상태를 선언하는 데에 수반될 수 있다.

상기 설명은 환자의 의료적 응급상황을 결정하기 위한 기술에 관한 것이었는데, 왜냐하면 이것이 본 발명의 중요한 응용으로 보여지기 때문이다. 그러나, 이것이 유일한 가능한 응용은 아니다. 센서들은 비의료적 상황에 있는 신체를 모니터링하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 위험에 처한 어떠한 사람이라도(예를 들어, 노약자 또는 어린이, 또는 위험한 환경에 있는 사람들 등) 위에서 설명된 것과 동일한 기술을 이용하여 모니터링될 수 있다. 이러한 경우에서, 응급상황 조건은 사고와 같은 소정 형태의 물리적 위협을 나타낼 것이다. 맥박, 체온, 가속도 등과 같은 그러한 생명 파라미터를 위한 센서들은 이러한 상황에서 특히 유용할 것이다. 응급 상태에서는, 의료적 시나리오에서와 마찬가지로, 가능하다면 높은 우선순위 링크를 제공하는 것이 바람직할 것이다.

사람 또는 다른 생체의 BAN을 벗어나서 본 발명을 적용하기 위한 많은 가능성들이 존재한다. 한가지 가능성은 미션 크리티컬 산업적 환경(예를 들어, 발전소)에서의 많은 잠재적인 시나리오들과 같은 산업적 응급상황들을 검출할 수 있는 WSN이다. 이것은 공장 환경 내의 다수의 제어 포인트에 적용될 수 있다. 예를 들면, 공장의 가열 설비 내의 온도 센서들, 또는 식료품 제조 라인의 압력 임계를 고려할 수 있다. 그러한 WSN에서의 낮은(보통) 및 높은 우선순위 링크의 이중적인 사용은 의료적 응급상황들에서와 마찬가지로 이러한 시스템들에서의 응급상황들에 적용될 수 있다. 따라서, 청구항들에서의 "엔티티"라는 용어는 생물에 더하여 임의의 그러한 산업적 환경을 커버하는 것으로 해석되어야 한다.

상기의 설명이 IEEE 802.15.4 및 IEEE 802.15.6을 예로서 참조하였지만, 본 발명은 IEEE 802.15.6에 따라 동작하는지의 여부에 상관없이, 임의의 타입의 프레임 기반 무선 센서 네트워크 또는 MBAN에, 그리고 심지어는 의료적 신체 영역 네트워크가 아니더라도 응급 상황에서의 통신의 신뢰도의 개선을 요구하는 다른 타입의 BAN에도 적용될 수 있다.

Claims (23)

1. 하나 이상의 파라미터를 모니터링하기 위한 센서들을 포함하는 복수의 네트워크 디바이스, 및 낮은 우선순위 링크 또는 높은 우선순위 링크를 통해 상기 네트워크 디바이스들과의 통신을 수행할 수 있는 코디네이터를 갖는 무선 센서 네트워크에서 사용하기 위한 네트워크 디바이스로서,
   상기 네트워크 디바이스가 응급 상태에 있는지를 인식하기 위한 인식 수단; 및
   상기 응급 상태의 인식에 응답하여 상기 코디네이터와의 높은 우선순위 링크를 구축하기 위한 응답 수단을 포함하고,
   상기 네트워크 디바이스는 적어도 하나의 다른 상기 네트워크 디바이스의 높은 우선순위 링크 또는 낮은 우선순위 링크를 통한 피어-투-피어(peer-to-peer) 통신들을 위한 릴레이(relay)로서 역할을 하도록 구성되고, 상기 인식 수단은 각각의 상기 다른 네트워크 디바이스도 상기 응급 상태에 있는지를 인식하도록 더 동작할 수 있는 네트워크 디바이스.
2. 제1항에 있어서,
   상기 응답 수단은 상기 네트워크 디바이스 자신에 대한 상기 응급 상태의 인식에 더 응답하여, 적어도 각각의 상기 다른 네트워크 디바이스가 상기 응급 상태에 있는지의 여부에 의존하여, 상기 피어-투-피어 통신들을 유지, 수정 또는 중단(drop)하는 네트워크 디바이스.
3. 제2항에 있어서,
   상기 응답 수단은 상기 네트워크 디바이스에 대한 전력의 이용가능성 및 상기 높은 우선순위 링크의 QoS 또는 정체(congestion) 레벨 중 적어도 하나에 더 의존하여, 상기 피어-투-피어 통신들을 유지, 수정 또는 중단하도록 구성되는 네트워크 디바이스.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 응답 수단은 상기 응급 상태에 있지 않은 다른 상기 네트워크 디바이스와의 낮은 우선순위 링크를 통한 피어-투-피어 통신들을, 그 레이트를 감소시킴으로써 수정하도록 구성되는 네트워크 디바이스.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 응답 수단은 상기 응급 상태에 있지 않은 다른 상기 네트워크 디바이스와의 낮은 우선순위 링크를 통한 피어-투-피어 통신들을 중단하도록 구성되는 네트워크 디바이스.
6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 응답 수단은 상기 응급 상태에 있는 다른 상기 네트워크 디바이스와의 높은 우선순위 링크를 통한 피어-투-피어 통신들을 유지하도록 구성되는 네트워크 디바이스.
7. 제1항에 있어서,
   상기 네트워크 디바이스 자신이 릴레이의 역할을 하고 있는 상기 다른 네트워크 디바이스들의 개수의 카운트를 유지하기 위한 카운팅 수단을 더 포함하고, 상기 응답 수단은 상기 응급 상태의 인식에 더 응답하여, 상기 카운트의 현재 값에 의존하여 추가의 네트워크 디바이스를 위한 릴레이로서 역할을 하라는 요청을 거부하는 네트워크 디바이스.
8. 복수의 네트워크 디바이스를 갖는 무선 센서 네트워크 - 각각의 네트워크 디바이스는 적어도 하나의 다른 상기 네트워크 디바이스의 높은 우선순위 링크 또는 낮은 우선순위 링크를 통한 피어-투-피어 통신들을 위한 릴레이로서 역할을 하도록 구성되고, 상기 높은 우선순위 링크는 상기 낮은 우선순위 링크보다 상기 네트워크 내의 자원들에 대해 더 높은 우선순위를 가짐 - 내의 코디네이터로서,
   상기 코디네이터는 높은 우선순위 링크 또는 낮은 우선순위 링크를 통한 상기 네트워크 디바이스들 각각과의 통신을 위해 구성되고, 상기 코디네이터는 상기 네트워크 디바이스들 중 임의의 네트워크 디바이스에 대한 응급 상태의 선언에 응답하여 그 네트워크 디바이스와 높은 우선순위 링크를 구축하고, 필요하면 그 네트워크 디바이스가 릴레이로서 역할을 하는 상기 피어-투-피어 통신들을 위한 대안적인 루트를 찾기 위한 수단을 포함하는 코디네이터.
9. 복수의 파라미터를 모니터링하기 위한 센서들을 포함하는 복수의 네트워크 디바이스, 및 피어-투-피어 프로토콜에서 간접적으로 상기 네트워크 디바이스들과 통신하기 위한 코디네이터를 갖는 무선 센서 시스템으로서,
   상기 코디네이터는 상기 네트워크 디바이스들의 적어도 서브세트와 낮은 우선순위 링크를 통해 통신하도록 구성되고, 상기 네트워크 디바이스들 중 하나 이상의 응급 상태의 존재의 결정에 응답하여, 상기 디바이스들 중 상기 하나 이상과의 높은 우선순위 링크를 구축하며, 상기 높은 우선순위 링크는 상기 낮은 우선순위 링크보다 네트워크 자원들에 대해 더 높은 우선순위를 가지고,
   상기 네트워크 디바이스들의 각각은,
   상기 네트워크 디바이스가 응급 상태에 있는지를 인식하기 위한 인식 수단; 및
   상기 응급 상태의 인식에 응답하여 상기 코디네이터와의 높은 우선순위 링크를 구축하기 위한 응답 수단을 포함하고,
   상기 네트워크 디바이스는 적어도 하나의 다른 상기 네트워크 디바이스의 높은 우선순위 링크 또는 낮은 우선순위 링크를 통한 피어-투-피어 통신들을 위한 릴레이로서 역할을 하도록 구성되고, 상기 인식 수단은 각각의 상기 다른 네트워크 디바이스도 상기 응급 상태에 있는지를 인식하도록 더 동작할 수 있는 무선 센서 시스템.
10. 제1항 내지 제3항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 네트워크 디바이스에 대한 상기 응급 상태는 상기 네트워크 디바이스의 센서에 의해 감지된 파라미터가 임계값에 도달할 때 인식되는 네트워크 디바이스.
11. 제10항에 있어서,
    생체(living body)의 의료적 파라미터들을 모니터링하는 데에 적용되는 네트워크 디바이스.
12. 제1항 내지 제3항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 네트워크 내의 자원들은 시간 분할 방식으로 구조화되어, 단위 기간 당 하나 이상의 시간 슬롯을 정의하고, 상기 시간 슬롯들 중 하나 이상은 상기 높은 우선순위 링크에서의 사용을 위해 예비되는 네트워크 디바이스.
13. 제12항에 있어서,
    상기 네트워크 내의 자원들은 적어도 상기 낮은 우선순위 링크에 의한 사용을 위해 단위 기간 당의 경합 액세스 기간(contention access period)을 정의하도록 더 구조화되는 네트워크 디바이스.
14. 제8항에 있어서,
    네트워크 디바이스에 대한 상기 응급 상태는 상기 네트워크 디바이스의 센서에 의해 감지된 파라미터가 임계값에 도달할 때 인식되는 코디네이터.
15. 제14항에 있어서,
    생체(living body)의 의료적 파라미터들을 모니터링하는 데에 적용되는 코디네이터.
16. 제8항, 제14항 및 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 네트워크 내의 자원들은 시간 분할 방식으로 구조화되어, 단위 기간 당 하나 이상의 시간 슬롯을 정의하고, 상기 시간 슬롯들 중 하나 이상은 상기 높은 우선순위 링크에서의 사용을 위해 예비되는 코디네이터.
17. 제16항에 있어서,
    상기 네트워크 내의 자원들은 적어도 상기 낮은 우선순위 링크에 의한 사용을 위해 단위 기간 당의 경합 액세스 기간(contention access period)을 정의하도록 더 구조화되는 코디네이터.
18. 제9항에 있어서,
    네트워크 디바이스에 대한 상기 응급 상태는 상기 네트워크 디바이스의 센서에 의해 감지된 파라미터가 임계값에 도달할 때 인식되는 무선 센서 시스템.
19. 제18항에 있어서,
    생체(living body)의 의료적 파라미터들을 모니터링하는 데에 적용되는 무선 센서 시스템.
20. 제9항, 제18항 및 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 네트워크 내의 자원들은 시간 분할 방식으로 구조화되어, 단위 기간 당 하나 이상의 시간 슬롯을 정의하고, 상기 시간 슬롯들 중 하나 이상은 상기 높은 우선순위 링크에서의 사용을 위해 예비되는 무선 센서 시스템.
21. 제20항에 있어서,
    상기 네트워크 내의 자원들은 적어도 상기 낮은 우선순위 링크에 의한 사용을 위해 단위 기간 당의 경합 액세스 기간(contention access period)을 정의하도록 더 구조화되는 무선 센서 시스템.
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