KR101471440B1 - MAC frame structure for dynamic Ad Hoc network, and operating method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC 프로토콜의 프레임 구조와 그 운용방법에 관한 것으로, 실시간 데이터 전송에 적합한 동적 Ad Hoc 네트워크 구현을 위한 버추얼 타임 슬롯 기반의 MAC 프로토콜 프레임 구조와 그 운용방법에 관한 것이다.The present invention relates to a frame structure and a method of operating a dynamic ad hoc network MAC protocol, and more particularly, to a virtual time slot based MAC protocol frame structure for implementing a dynamic ad hoc network suitable for real time data transmission and a method of operating the same.
IEEE802.15.4 와 IEEE802.15.4a WPAN 표준은 CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance)의 기반의 MAC(Media Access Control)을 권고하고 있으며 저속 센서 네트워크의 구성 및 응용에 적합한 방식이다.IEEE 802.15.4 and IEEE 802.15.4a WPAN standards recommend MAC (Media Access Control) based on Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance (CSMA-CA) and are suitable for the configuration and application of low-speed sensor networks.
따라서, 실시간 (Real-time) 전송을 필요로 하는 음성, 동영상, 실시간-제어 신호들의 경우에는 발생된 신호가 정해진 시간 내에 지속적으로 목적지에 전달되어야만 하는데 CSMA-CA 방식은 패킷 간 무작위한 충돌로 전송 실패가 발생할 수 있다는 것을 전제로 하고 있어 실시간 신호 전송에는 부적합하다.Therefore, in the case of voice, video, and real-time control signals requiring real-time transmission, the generated signal must be continuously transmitted to the destination within a predetermined time. In the CSMA-CA method, It is not suitable for real-time signal transmission.
CSMA-CA 방식 MAC의 평균 Throughput은 물리층(Physical Layer) Data-rate의 36% 수준이며 패킷의 오버헤드 15%와 패킷간 간격에 의한 약 7%의 갭 까지를 고려하면 Throughput은 30% 이하로 저하한다.The average throughput of the CSMA-CA MAC is 36% of the physical layer data rate, and throughput is reduced to less than 30% considering the packet overhead of 15% and the gap of about 7% do.
따라서 실제 필요 전송 속도가 정해지면 CSMA-CA 방식 MAC을 사용하는 경우 물리층의 Data-rate는 필요 전송 데이터 속도의 약 3.3배 이상이 되는 것을 사용하여야 하는 부담이 존재한다.Therefore, if the actual required transmission rate is determined, if the CSMA-CA MAC is used, there is a burden that the data rate of the physical layer should be about 3.3 times or more than the required transmission data rate.
또한, 실시간(Real-time) 전송을 필요로 하는 음성, 동영상, 실시간-제어 신호들의 경우에는 필요한 전송 속도 이외에도 발생된 신호가 정해진 시간 내에 지속적으로 목적지에 전달되어야만 하는데 CSMA-CA 방식은 패킷 간 무작위한 충돌로 전송 실패가 발생할 수 있다는 것을 전제로 하고 있어 QoS((Quality of Service)의 보장이 필요한 실시간 신호의 전송에는 부적합하다.
In the case of voice, video, and real-time control signals requiring real-time transmission, the generated signals must be continuously transmitted to the destination within a predetermined time. In addition, the CSMA- It is premised that a transmission collision may occur in one collision, which is not suitable for transmission of a real-time signal which requires QoS (Quality of Service) guarantee.
본 발명의 목적은 IEEE802.15.4a 표준이 권고하는 CSS(Chirp Spread Spectrum) 물리층을 사용하고, MAC은 표준에서 권고하는 CSMA-CA 방식을 대신 하여 음성, 동영상, 실시간-제어 신호 등 실시간 (Real-time) 전송을 필요로 하는 다채널, 다매체의 신호들을 75% 이상의 높은 Throughput 으로 정해진 시간 내에 목적지로 지속적인 정보 전달을 수행할 수 있는 개선된 버추얼 타임 슬롯 (Virtual Time-Slot) 방식을 사용하여 네트워크를 구축함으로써 실시간 무선 데이터를 효율적으로 목적지에 전송할 수 있는 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조와 그 운용방법을 제공하는 것이다.The object of the present invention is to provide a real-time (Real-time) control system for voice, video, and real-time control signals in place of the CSMA-CA method recommended by the standard, using a CSS (Chirp Spread Spectrum) physical layer recommended by the IEEE802.15.4a standard, time transmission of multi-channel, multi-media signals with high throughput of more than 75%, it is possible to carry out continuous information transmission to the destination within a certain time, using the improved Virtual Time-Slot method. And to provide a frame structure and a method of operating the dynamic ad hoc network MAC that can efficiently transmit real time wireless data to a destination.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조는 CSS(Chirp Spread Spectrum) 물리층(physical layer)을 사용하고, 무선노드들 간의 송수신노드 간의 거리 측정 데이터를 이용하여 동적으로 채널을 할당하는 것에 의해, 단일 무선 주파수 내에 다중 제어신호와 다중 멀티미디어 신호들에 대한 상기 무선노드들의 상호위치가 시간에 따라 변하는 것에 대응하여 버추얼 타임 슬롯(Virtual Time-Slot) 방식이 적용되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a dynamic ad hoc network MAC frame structure using a CSS (Chirp Spread Spectrum) physical layer and using distance measurement data between transmission / reception nodes between wireless nodes, By allocating channels dynamically, a Virtual Time-Slot scheme is applied corresponding to the mutual position of the wireless nodes with respect to multiple control signals and multiple multimedia signals in a single radio frequency changes with time .
상기 무선노드들을 관리하기 위한 제어관리기가 C패킷(Control Packet)을 생성하여 상기 버추얼 타임 슬롯의 시간기준을 생성하고, 상기 버추얼 타임 슬롯의 시간기준에 의하여 상기 무선노드들 각각은 상기 C패킷의 수신 완료 시각으로부터 사전에 정해진 시간 경과 후 다음 순서의 무선노드로 상기 C패킷을 재전송할 수 있다.A control manager for managing the wireless nodes generates a C packet to generate a time reference of the virtual time slot, and each of the wireless nodes receives a C packet according to a time reference of the virtual time slot, The C packet can be retransmitted to the wireless node in the next step after a predetermined time elapses from the completion time.
상기 무선노드들 각각은 R패킷(Ranging Packet)을 이용하여 상기 무선노드들들 간의 상호 거리 값을 측정하고 상기 무선노드들의 교환 시에 링크성능 값을 측정하며, 상기 측정된 상호 거리 값 및 링크성능 값을 D패킷(Data Packet)을 통해 상기 무선노드를 관리하기 위한 제어관리기로 전송하고, 상기 제어관리기는 상기 D패킷(Data Packet)을 통해 수신된 상기 상호 거리 값과 링크성능 값을 기준으로 상기 무선노드들의 C패킷(Control Packet) 중계 순서를 상기 D패킷을 통해 상기 무선노드들로 전달할 수 있다.Each of the wireless nodes measuring a mutual distance value between the wireless nodes using an R packet and measuring a link performance value at the time of exchanging the wireless nodes, Value to a control manager for managing the wireless node through a D packet, and the control manager transmits the value of the mutual distance and the link performance value received via the D packet And transmit the C packet (Control Packet) relay order of the wireless nodes to the wireless nodes through the D packet.
상기 무선노드들 각각은 상기 D패킷(Data Packet)을 통해 전달되는 상기 C패킷(Control Packet) 중계 순서에 대응하여 자신의 상기 C패킷의 중계 순서를 갱신하고, 상기 갱신되는 C패킷의 중계 순서에 따라 상기 버추얼 타임 슬롯의 할당 순서를 갱신할 수 있다.Each of the wireless nodes updates the relay order of its own C packet in accordance with the C packet (Control Packet) relay order transmitted through the D packet, The allocation order of the virtual time slots can be updated.
상기 무선노드들이 3개이고 상기 무선노드들 각각이 멀티미디어 데이터를 생성하는 경우, 상기 MAC의 프레임들 각각은 3개의 C패킷(Control Packet) 슬롯, 3개의 R패킷(Ranging Packet) 슬롯, 3개의 D패킷(Data Packet) 슬롯, 및 18개의 V패킷 슬롯을 포함하고, 상기 V패킷은 영상 패킷 및 음성패킷 중 적어도 하나일 수 있다.When the wireless nodes are three and each of the wireless nodes generates multimedia data, each of the frames of the MAC includes three C packet (Control Packet) slots, three R packets (Ranging Packet) slots, three D packets (Data Packet) slot, and 18 V packet slots, and the V packet may be at least one of a video packet and a voice packet.
상기 무선노드들을 관리하기 위한 제어관리기와, 상기 3개의 무선노드들이 각각 장착되는 이동체1, 이동체2 및 이동체3이 순서적으로 나열되고, 상기 이동체1, 이동체2 및 이동체3의 각각에는 실시간 동영상 데이터 115.2Kbps를 생성하는 영상 카메라가 장착된 경우, 상기 MAC의 프레임의 프레임 레이트(frame-rate)는 20msec/Frame이고 초당 상기 MAC의 프레임이 50개 발생할 수 있다.A
상기 제어관리기는 상기 C패킷을 생성하여 20msec 시간 간격으로 송출하고, 상기 이동체1의 무선노드는 상기 송출되는 C패킷을 받아 상기 이동체2의 무선노드로 중계하고, 상기 이동체2의 무선노드는 상기 이동체1의 무선노드로부터 중계되는 C패킷을 상기 이동체3의 무선노드로 중계할 수 있다.The control manager generates the C packet and sends it out at intervals of 20 msec. The wireless node of the
상기 이동체3의 무선노드는 상기 V패킷을 생성하여 상기 이동체2의 무선노드로 전달하고, 상기 이동체2의 무선노드는 자체 생성된 상기 V패킷과 전달받은 상기 이동체3의 V패킷을 상기 이동체1의 무선노드로 전달하고, 상기 이동체1의 무선노드는 자체 생성된 V패킷과 전달받은 상기 이동체2의 무선노드와 상기 이동체3의 무선노드의 V패킷을 상기 제어관리기로 전달할 수 있다.The wireless node of the
상기 V패킷이 패킷의 페이로드(payload)가 96byte이고 각 채널에 20msec 당 3회 할당 된 경우, 데이터 전송속도는 115.2 Kbps일 수 있다.If the payload of the packet is 96 bytes and the V packet is allocated to each channel three times per 20 msec, the data transmission rate may be 115.2 Kbps.
상기 V패킷은 그 전송 방향을 전환(Swap)하기 위하여, 상기 무선노드들 중 패킷신호를 생성하는 무선노드에는 앞 시간의 타임 슬롯을 할당하고, 상기 무선노드들 중 중계구간과 최종 전달 받은 무선노드에는 순차적으로 다음 시간의 타임 슬롯을 할당할 수 있다.In order to swap the transmission direction of the V-packet, a time slot of a previous time is allocated to a wireless node that generates a packet signal among the wireless nodes, A time slot of the next time can be sequentially allocated.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조의 운용방법은 CSS(Chirp Spread Spectrum) 물리층(physical layer)을 사용하고, 무선노드들 간의 송수신노드 간의 거리 측정 데이터를 이용하여 동적으로 채널을 할당하는 단계; 및 상기 동적으로 채널을 할당하는 단계에 의해, 단일 무선 주파수 내에 다중 제어신호와 다중 멀티미디어 신호들에 대한 상기 무선노드들의 상호위치가 시간에 따라 변하는 것에 대응하여 버추얼 타임 슬롯(Virtual Time-Slot) 방식을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of operating a frame structure of a dynamic ad hoc network MAC, the method comprising: using a Chirp Spread Spectrum (CSS) physical layer, Allocating channels dynamically using measurement data; And allocating the channel dynamically according to a time-varying mutual position of the wireless nodes with respect to multiple control signals and multiple multimedia signals in a single radio frequency, And a step of applying the method.
상기 무선노드들을 관리하기 위한 제어관리기가 C패킷(Control Packet)을 생성하여 상기 버추얼 타임 슬롯의 시간기준을 생성하고, 상기 버추얼 타임 슬롯의 시간기준에 의하여 상기 무선노드들 각각은 상기 C패킷의 수신 완료 시각으로부터 사전에 정해진 시간 경과 후 다음 순서의 무선노드로 상기 C패킷을 재전송할 수 있다.A control manager for managing the wireless nodes generates a C packet to generate a time reference of the virtual time slot, and each of the wireless nodes receives a C packet according to a time reference of the virtual time slot, The C packet can be retransmitted to the wireless node in the next step after a predetermined time elapses from the completion time.
상기 무선노드들 각각은 R패킷(Ranging Packet)을 이용하여 상기 무선노드들들 간의 상호 거리 값을 측정하고 상기 무선노드들의 교환 시에 링크성능 값을 측정하며, 상기 측정된 상호 거리 값 및 링크성능 값을 D패킷(Data Packet)을 통해 상기 무선노드를 관리하기 위한 제어관리기로 전송하고, 상기 제어관리기는 상기 D패킷(Data Packet)을 통해 수신된 상기 상호 거리 값과 링크성능 값을 기준으로 상기 무선노드들의 C패킷(Control Packet) 중계 순서를 상기 D패킷을 통해 상기 무선노드들로 전달할 수 있다.Each of the wireless nodes measuring a mutual distance value between the wireless nodes using an R packet and measuring a link performance value at the time of exchanging the wireless nodes, Value to a control manager for managing the wireless node through a D packet, and the control manager transmits the value of the mutual distance and the link performance value received via the D packet And transmit the C packet (Control Packet) relay order of the wireless nodes to the wireless nodes through the D packet.
상기 무선노드들 각각은 상기 D패킷(Data Packet)을 통해 전달되는 상기 C패킷(Control Packet) 중계 순서에 대응하여 자신의 상기 C패킷의 중계 순서를 갱신하고, 상기 갱신되는 C패킷의 중계 순서에 따라 상기 버추얼 타임 슬롯의 할당 순서를 갱신할 수 있다.
Each of the wireless nodes updates the relay order of its own C packet in accordance with the C packet (Control Packet) relay order transmitted through the D packet, The allocation order of the virtual time slots can be updated.
이에 의해 본 발명은 IEEE802.15.4a 표준이 권고하는 CSS(Chirp Spread Spectrum)를 사용하고, 버추얼 타임 슬롯에는 무선노드들 간의 거리 측정 데이터를 이용하여 동적으로 채널을 할당함으로써, 단일 무선 주파수 내에 다중 제어신호와 다중 멀티미디어 신호들에 대하여 CSS(Chirp Spread Spectrum) 무선 송수신 노드(이하 무선노드) 상호간의 상호위치가 시간에 따라 변화하는 것에 적응하는 최적의 동적 Ad Hoc 네트워크를 구성함으로써, 다채널, 다매체의 신호들을 75% 이상의 높은 Throughput 으로 정해진 시간 내에 목적지로 지속적인 정보 전달을 수행할 수 있어, 표준에서 권고하는 CSMA-CA 방식을 대신 하여 음성, 동영상 및 실시간-제어 신호 등 실시간(Real-time)으로 전송할 수 있다.Accordingly, the present invention uses CSS (Chirp Spread Spectrum) recommended by the IEEE802.15.4a standard, allocates channels dynamically using distance measurement data between wireless nodes in a virtual time slot, Channel, multi-media (multi-media) communication system by configuring an optimal dynamic ad hoc network that adapts to the mutual position of CSS (Chirp Spread Spectrum) wireless transmit / receive nodes Signals can be transmitted continuously to the destination within a predetermined time with a high throughput of 75% or more, and can be transmitted in real-time such as voice, video, and real-time control signals in place of the CSMA- .
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조 및 그 운용방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조의 3 HOP 전송경로의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조의 타임 슬롯 전환(Swap)의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 프레임에서 무선노드들 간 상호거리 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 동적 Ad Hoc 네트워크의 다양한 실시예들을 나타내는 도면이다.1 is a diagram for explaining a frame structure of a dynamic ad hoc network MAC according to an embodiment of the present invention and a method of operating the same.
2 is a diagram illustrating a configuration example of a 3 HOP transmission path in a frame structure of a dynamic Ad Hoc network MAC according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining an example of time slot switching (Swap) of a frame structure of a dynamic Ad Hoc network MAC according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining mutual distance measurement between wireless nodes in a multi-frame according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating various embodiments of the dynamic Ad Hoc network of the present invention.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.The present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, a repeated description, a known function that may obscure the gist of the present invention, and a detailed description of the configuration will be omitted. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. Thus, the shape and size of the elements in the figures may be exaggerated for clarity.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조 및 그 운용방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조의 3 HOP 전송경로의 구성예를 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a diagram for explaining a frame structure and a method of operation of a dynamic ad hoc network MAC according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram illustrating a frame structure of a dynamic ad hoc network MAC according to an embodiment of the present invention. 3 HOP transmission path.
동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조는 CSS(Chirp Spread Spectrum) 물리층(physical layer)을 사용하고, 무선노드들 간의 송수신노드 간의 거리 측정 데이터를 이용하여 동적으로 채널을 할당하는 것에 의해, 단일 무선 주파수 내에 다중 제어신호와 다중 멀티미디어 신호들에 대한 무선노드들의 상호위치가 시간에 따라 변화하는 것에 대응하여 상기 동적 Ad Hoc 네트워크를 구현하는 버추얼 타임 슬롯(Virtual Time-Slot) 방식이 적용될 수 있다.The frame structure of the dynamic Ad Hoc network MAC uses a CSS (Chirp Spread Spectrum) physical layer and allocates the channels dynamically using the distance measurement data between the transmitting and receiving nodes between the wireless nodes, A virtual time-slot scheme that implements the dynamic ad hoc network corresponding to the mutual position of wireless nodes with respect to multiple control signals and multiple multimedia signals changes with time can be applied.
도 1에 예시된 동적 Ad Hoc 네트워크시스템은 제어관리기(12)와 이동체 3기를 포함할 수 있다. 3기의 이동체에 각각에는 동영상 카메라가 실시간 동영상 데이터 115.2Kbps를 생성하고 데이터를 전송하는 무선노드가 장착 된 것을 가정한다. The dynamic Ad Hoc network system illustrated in FIG. 1 may include a
동적 Ad Hoc 네트워크시스템은 제어관리기(12), 이동체1(14), 이동체2(16), 이동체3(18) 순으로 나열될 수 있다. 이동체1(14), 이동체2(16) 및 이동체3(18)의 각각에는 실시간 동영상 데이터 115.2Kbps를 생성하는 영상 카메라가 장착될 수 있다.The dynamic ad hoc network system can be listed in the order of the
도 1을 참조하여 본 실시예에 따른 버추얼 타임 슬롯이 적용되는 MAC 프레임구조를 설명한다. A MAC frame structure to which a virtual time slot according to the present embodiment is applied will be described with reference to FIG.
MAC의 프레임레이트(frame-rate)는 20msec/Frame이고 초당 MAC의 프레임이 50개 발생할 수 있다. 이 경우 한 개의 MAC의 프레임은 3개의 C패킷(Control Packet) 슬롯, 3개의 R패킷(Ranging Packet) 슬롯, 3개의 D패킷(Data Packet) 슬롯, 및 18개의 V패킷(멀티미디어 데이터 패킷) 슬롯을 포함할 수 있다. 여기서 V패킷(멀티미디어 데이터 패킷)은 영상 및 음성 패킷 중 적어도 하나일 수 있다.The frame rate of the MAC is 20 msec / frame and 50 frames of MAC per second can be generated. In this case, one MAC frame includes three C packet (control packet) slots, three R packet slots, three D packet data slots, and 18 V packet (multimedia data packet) slots . Here, the V packet (multimedia data packet) may be at least one of video and audio packets.
제어관리기(12)는 C패킷을 사전에 정해진 시간 간격, 예를 들면 20msec 시간 간격으로 생성하여 버추얼 타임 슬롯의 시간 기준을 정할 수 있다. 그리고 이동체(14, 16, 18)의 무선노드들은 제어관리기(12)가 정한 순서에 따라 C패킷의 수신 시각으로부터 일정 시간 경하 후 다음 순서의 무선노드로 C패킷을 재전송한다.The
이동체1(14)의 무선노드는 송출되는 C패킷을 받아 이동체2(16)의 무선노드로 중계하고, 이동체2(16)의 무선노드는 이동체1(14)의 무선노드로부터 중계되는 C패킷을 이동체3(18)의 무선노드로 중계할 수 있다.The wireless node of the
도 1과 도 2를 참조하면, C패킷은 제어패킷으로서 전체 무선노드들의 타이밍 동기에 사용된다. C패킷은 패킷의 페이로드가 16byte이며 각 채널에 20msec 당 1회 할당 되어 데이터 속도는 6.4 Kbps(16*8/20*10-3 = 6400 bps)이다.Referring to FIGS. 1 and 2, a C packet is used as a control packet for timing synchronization of all wireless nodes. The C packet has a payload of 16 bytes and is allocated to each channel once every 20 msec. The data rate is 6.4 Kbps (16 * 8/20 * 10 -3 = 6400 bps).
이동체들(14, 16, 18) 각각의 무선노드들은 수신한 패킷의 수신 완료 시각으로부터 일정시간(예, 50usec)을 정해 패킷 재전송을 개시할 수 있다.The wireless nodes of the
이에 의해 본 실시예에 따른 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조는 위의 방법으로 전체 무선노드들이 MAC Frame 동기 즉, 버추얼 타임 슬롯의 타이밍 동기를 획득 할 수 있다.Accordingly, the frame structure of the dynamic ad hoc network MAC according to the present embodiment can acquire MAC frame synchronization, that is, timing synchronization of the virtual time slot, by all the wireless nodes in the above manner.
위에서 획득한 버추얼 타임 슬롯의 타이밍 동기를 바탕으로 이동체3(18)의 무선노드가 V패킷(Video and/or Voice Packet)을 생성하여 이동체2(16)의 무선노드로 전달하고, 이동체2(16)의 무선노드는 자체 생성된 V패킷과 전달받은 이동체3(18)의 무선노드의 V패킷을 이동체1(14)의 무선노드로 전달하고, 이동체1(14)의 무선노드는 자체 생성된 V패킷과 전달받은 이동체2(16)의 무선노드와 이동체3(18)의 무선노드의 V패킷을 제어관리기(12)로 전달한다.Based on the timing synchronization of the virtual time slot obtained above, the wireless node of the
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, V패킷은 동영상 패킷 혹은 음성 패킷 (Video and/or Voice Packet)이다. V패킷은 패킷의 페이로드가 96byte이며 각 채널에 20msec 당 3회 할당 되어 데이터 전송속도는 115.2 Kbps(96*8*3/20*10-3 = 115200) 이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조의 타임 슬롯 전환(Swap)의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.1, 2, and 3, the V packet is a video packet or a voice packet. V packet has a payload of 96 bytes and is allocated to each channel three times per 20 msec, and the data transmission rate is 115.2 Kbps (96 * 8 * 3/20 * 10 -3 = 115200). 3 is a view for explaining an example of time slot switching (Swap) of a frame structure of a dynamic Ad Hoc network MAC according to an embodiment of the present invention.
V패킷은 도 3에 도시된 바와 같이, 필요에 따라 그 전송 방향을 전환(Swap) 할 수 있는 특징이 있으며 방향을 전환하는 경우에는 패킷신호를 생성하는 이동체의 무선노드에는 앞 시간의 타임 슬롯을 할당하고 중계구간과 최종 전달 받은 이동체의 무선노드에는 순차적으로 다음 시간의 타임 슬롯을 할당한다.V packet has a feature of swapping its transmission direction as required, as shown in FIG. 3. In the case of switching directions, a wireless node of a mobile station generating a packet signal transmits a time slot of a previous time And a time slot of the next time is sequentially allocated to the wireless node of the relaying section and the finally delivered mobile object.
제어관리기(12)와 3기의 이동체(14, 16, 18)의 무선노드들 각각은 상호 공간상의 물리적 거리를 CSS(Chirp Spread Spectrum) 거리측정 기능(Ranging)을 이용하여 측정한다. 대부분의 실 응용에서 이동체의 무선노드들간 거리 측정은 매초 1회이면 충분하고 제어관리기(12)와 3기의 이동체(14, 16, 18)의 무선노드들 간의 모든 거리 값 조합의 수는 도 4에 도시된 바와 같이 6개이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 프레임에서 무선노드들 간 상호거리 측정을 설명하기 위한 도면이다.Each of the wireless nodes of the
따라서 MAC의 프레임들 내에서 모든 거리 측정을 수행 할 필요는 없으며, 도 4에 도시된 바와 같이 초당 50개의 프레임 중 6개의 프레임만을 사용하면 된다.Therefore, it is not necessary to perform all the distance measurements within the MAC frames, and only six frames out of 50 frames per second need to be used as shown in FIG.
즉 MAC의 프레임들 중 6개를 이용하여 CSS 거리측정 기능에 의해 이동체1(14) 및 이동체2(16) 및 이동체3(18)들에 장착되는 무선노드들 사이의 거리를 측정할 수 있다.That is, the distance between the wireless nodes installed in the
R패킷은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 거리측정 패킷(Ranging Packet)이다. C패킷은 패킷의 페이로드가 16byte이며 매 거리측정에 20msec 당 3회 할당 된다.The R packet is a ranging packet, as shown in FIGS. 1 and 2. The C packet has a payload of 16 bytes and is allocated 3 times per 20 msec for each distance measurement.
이동체들(14, 16, 18)의 무선노드들 각각은 위와 같이 측정한 거리 값과, R패킷 교환 시에 측정 되는 SNR(Signal to Noise Ratio)과 PER(Packet Error Rate) 등 링크성능 값을 도 1 및 도 2에 나타난 D패킷(Data Packet)을 통하여 제어관리기(12)로 전달한다.Each of the wireless nodes of the
제어관리기(12)는 위와 같이 D패킷을 통하여 이동체들(14, 16, 18)의 무선노드들 각각에서 전달 받은 이동체들 사이의 거리 값과 링크성능 값을 기준으로 이동체들(14, 16, 18) 각각의 무선노드들의 C패킷 중계 순서를 최적화 하여 D패킷을 통해 이동체들(14, 16, 18) 각각의 무선노드들로 전달한다. 이에 의해 무선노드들의 실시간 데이터 전송 순서를 정할 수 있다.Based on the distance value and the link performance value between the moving objects received from the wireless nodes of the
제어관리기(12)로부터 D패킷을 통해 C패킷 중계 순서 정보를 전달 받으면, 이동체들(14, 16, 18)의 무선노드들 각각은 그 전달되는 C패킷 중계 순서에 대응하여 자신의 C패킷의 중계 순서를 갱신하고 그 갱신되는 C패킷의 중계 순서에 따라 버추얼 타임 슬롯의 할당 순서를 갱신한다.Upon receipt of the C packet relay sequence information from the
이와 같은 본 실시예에 따른 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조에 의해 구성될 수 있는 동적 Ad Hoc 네트워크는 도 5에 도시된 바와 같이 3가지 형태로 구현될 수 있다. 도 5는 본 발명의 동적 Ad Hoc 네트워크의 다양한 실시예들을 나타내는 도면이다.The dynamic ad hoc network that can be configured by the frame structure of the dynamic ad hoc network MAC according to this embodiment can be implemented in three forms as shown in FIG. 5 is a diagram illustrating various embodiments of the dynamic Ad Hoc network of the present invention.
도 5의 (a)에 도시된 동적 Ad Hoc 네트워크은 전술한 바와 같이, 제어관리기(12), 이동체1(14)의 무선노드, 이동체2(16)의 무선노드 및 이동체3(18)의 무선노드가 순서적으로 배열된 형태이다. 도 5의 (b)에 도시된 동적 Ad Hoc 네트워크은 제어관리기(12)와 이동체1(14)의 무선노드가 연결되고, 이동체1(14)의 무선노드에 이동체2(16)의 무선노드 및 이동체3(18)의 무선노드가 직접 연결되는 형태이다. 도 5의 (c)에 도시된 동적 Ad Hoc 네트워크은 제어관리기(12), 이동체3(18)의 무선노드, 이동체1(14)의 무선노드 및 이동체2(16)의 무선노드가 순서적으로 배열된 형태이다.The dynamic ad hoc network shown in Fig. 5 (a) is configured by the
이와 같이 동적 Ad Hoc 네트워크를 구성하는 제어관리기(12) 및 이동체들(14, 16, 18)의 무선노드들의 연결 형태가 변경되는 경우, 제어관리기(12)는 이동체들(14, 16, 18)의 무선노드들과의 통신 경로가 최적 경로(또는 최단 경로)가 되도록 통신 경로를 동적으로 갱신(Dynamic Re-Routing)한다.When the connection types of the wireless nodes of the
구체적으로, 전술한 통신 경로의 갱신은 이동체들 간 측정된 거리값을 기반으로 제어관리기(12)에 의해 수행될 수 있다.Specifically, the update of the communication path described above can be performed by the
통신 경로의 갱신이 이루어지는 경우, 이동체들(14, 16, 18)의 무선노드들 각각에 대한 버추얼 타임 슬롯의 할당도 위의 갱신되는 통신 경로에 대응하여 변경될 수 있다.When the communication path is updated, the assignment of virtual time slots to each of the wireless nodes of the
전술한 설명과 도 1의 타이밍도를 참조하면, 필요로 하는 전체 데이터 속도는 아래 수학식 1 및 2에 따라 계산 할 수 있다.Referring to the above description and the timing diagram of FIG. 1, the total data rate required can be calculated according to the following equations (1) and (2).
이 계산식에서 C패킷, R패킷, 및 D패킷은 모두 16byte를 사용하며 Frame 당 총 9개 패킷이 사용되고, V패킷은 96byte를 사용하여 Frame 당 총 18개 패킷이 사용될 수 있다. 패킷 오버헤드는 15%, 패킷 간 최소간격의 비중은 7%로 계산할 수 있다.In this calculation formula, C packet, R packet, and D packet all use 16 bytes. A total of 9 packets are used per frame. A total of 18 packets can be used per frame using 96 bytes of V packets. Packet overhead is 15%, and the minimum interval between packets is 7%.
Payload만의 Data-rate는 748,800 bps이고, 등가적으로 필요로 하는 물리층의 Data-rate는 IEEE 표준 CSMA-CA 방식의 MAC을 사용하는 경우에는 필요로 하는 전송 속도가 약 2.47 Mbps를 필요로 하나, 본 발명의 실시예에 따른 버추얼 타임 슬롯 방식의 MAC Frame을 사용하는 경우에는 필요로 하는 물리층의 Data-rate가 960 Kbps로서 IEEE802.15.4a CSS 표준 방식의 물리층의 데이터 속도인 1 Mbps 사용으로 실현 가능하다.The data rate of only the payload is 748,800 bps, and the data rate of the physical layer required equivalently requires about 2.47 Mbps when the IEEE standard CSMA-CA type MAC is used, In the case of using the virtual time slot type MAC frame according to the embodiment of the present invention, the required data-rate of the physical layer is 960 Kbps and can be realized by using 1 Mbps, which is the data rate of the physical layer of the IEEE802.15.4a CSS standard method .
또한 본 발명의 실시예에 따른 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조는 CSMA-CA 방식과는 달리 사전에 패킷 상호간의 충돌이 발생하지 않도록 버추얼 타임 슬롯 할당 방법으로 시간 배열하여 실시간 데이터 전송을 위한 QoS(Quality of Service)를 확보할 수 있다.In addition, unlike the CSMA-CA method, the dynamic ad hoc network MAC frame structure according to the embodiment of the present invention is time-ordered by a virtual time slot allocation method so that collision between packets does not occur in advance, Quality of Service) can be ensured.
본 발명의 일 실시예에 따른 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조 및 그 운용방법은 위에서 설명한 실시예들의 구성과 방법에 한정되지 않으며, 사용자의 필요에 따라 실시예의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.The frame structure and the operation method of the dynamic Ad Hoc network MAC according to an embodiment of the present invention are not limited to the configurations and the methods of the embodiments described above, and all or part of the embodiments may be selectively combined .
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described with reference to particular embodiments, such as specific elements, and specific embodiments and drawings. However, it should be understood that the present invention is not limited to the above- And various modifications and changes may be made thereto by those skilled in the art to which the present invention pertains.
12: 제어관리기
14: 이동체1
16: 이동체2
18: 이동체312: Control Manager
14: mobile 1
16:
18:
Claims (14)
CSS(Chirp Spread Spectrum) 물리층(physical layer)을 사용하고, 무선노드들 간의 거리 측정 데이터를 이용하여 동적으로 채널을 할당하는 것에 의해, 단일 무선 주파수 내에 다중 제어신호와 다중 멀티미디어 신호들에 대한 상기 무선노드들의 상호위치가 시간에 따라 변하는 것에 대응하여 버추얼 타임 슬롯(Virtual Time-Slot) 방식이 적용되는 것을 특징으로 하는 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조.The present invention relates to a frame structure of a dynamic Ad Hoc network MAC,
By using a Chirp Spread Spectrum (CSS) physical layer and dynamically allocating channels using distance measurement data between wireless nodes, it is possible to provide multiple channels for multiple control signals and multiple multimedia signals within a single radio frequency, Wherein a Virtual Time-Slot scheme is applied corresponding to a mutual position of nodes changing with time.
상기 무선노드들을 관리하기 위한 제어관리기가 C패킷(Control Packet)을 생성하여 상기 버추얼 타임 슬롯의 시간기준을 생성하고,
상기 버추얼 타임 슬롯의 시간기준에 의하여 상기 무선노드들 각각은 상기 C패킷의 수신 완료 시각으로부터 사전에 정해진 시간 경과 후 다음 순서의 무선노드로 상기 C패킷을 재전송하는 것을 특징으로 하는 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조.The method according to claim 1,
A control manager for managing the wireless nodes generates a C packet (Control Packet) to generate a time reference of the virtual time slot,
Wherein each of the wireless nodes retransmits the C packet to a wireless node in the next sequence after a predetermined time elapses from the reception completion time of the C packet according to the time reference of the virtual time slot. Frame structure.
상기 무선노드들 각각은 R패킷(Ranging Packet)을 이용하여 상기 무선노드들간의 상호 거리 값을 측정하고 상기 무선노드들의 측정된 상호 거리값의 교환 시에 링크성능 값을 측정하며, 상기 측정된 상호 거리 값 및 링크성능 값을 D패킷(Data Packet)을 통해 상기 무선노드를 관리하기 위한 제어관리기로 전송하고,
상기 제어관리기는 상기 D패킷(Data Packet)을 통해 수신된 상기 상호 거리 값과 링크성능 값을 기준으로 상기 무선노드들의 C패킷(Control Packet) 중계 순서를 상기 D패킷을 통해 상기 무선노드들로 전달하는 것을 특징으로 하는 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조.The method according to claim 1,
Each of the wireless nodes measuring a mutual distance value between the wireless nodes using an R packet and measuring a link performance value when exchanging measured mutual distance values of the wireless nodes, A distance value, and a link performance value to a control manager for managing the wireless node through a D packet (Data Packet)
The control manager transmits a C packet (Control Packet) relay order of the wireless nodes to the wireless nodes through the D packet on the basis of the mutual distance value and the link capability value received through the D packet (Data Packet) Wherein the frame structure of the dynamic Ad Hoc network MAC is characterized in that
상기 무선노드들 각각은 상기 D패킷(Data Packet)을 통해 전달되는 상기 C패킷(Control Packet) 중계 순서에 대응하여 자신의 상기 C패킷의 중계 순서를 갱신하고, 상기 갱신되는 C패킷의 중계 순서에 따라 상기 버추얼 타임 슬롯의 할당 순서를 갱신하는 것을 특징으로 하는 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조.The method of claim 3,
Each of the wireless nodes updates the relay order of its own C packet in accordance with the C packet (Control Packet) relay order transmitted through the D packet, And the allocation order of the virtual time slots is updated according to the allocation order of the virtual time slots.
상기 무선노드들이 3개이고 상기 무선노드들 각각이 멀티미디어 데이터를 생성하는 경우, 상기 MAC의 프레임들 각각은 3개의 C패킷(Control Packet) 슬롯, 3개의 R패킷(Ranging Packet) 슬롯, 3개의 D패킷(Data Packet) 슬롯, 및 18개의 V패킷 슬롯을 포함하고, 상기 V패킷은 영상 패킷 및 음성패킷 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조.The method according to claim 1,
When the wireless nodes are three and each of the wireless nodes generates multimedia data, each of the frames of the MAC includes three C packet (Control Packet) slots, three R packets (Ranging Packet) slots, three D packets (Data Packet) slot, and 18 V packet slots, and the V packet is at least one of an image packet and a voice packet.
상기 무선노드들을 관리하기 위한 제어관리기와, 상기 3개의 무선노드들이 각각 장착되는 이동체1, 이동체2 및 이동체3이 순서적으로 나열되고, 상기 이동체1, 이동체2 및 이동체3의 각각에는 실시간 동영상 데이터 115.2Kbps를 생성하는 영상 카메라가 장착된 경우, 상기 MAC의 프레임의 프레임 레이트(frame-rate)는 20msec/Frame이고 초당 상기 MAC의 프레임이 50개 발생하는 것을 특징으로 하는 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조.6. The method of claim 5,
A moving object 1, a moving object 2, and a moving object 3 on which the three wireless nodes are respectively mounted are sequentially listed, and each of the moving object 1, the moving object 2, and the moving object 3 includes real- A frame of the MAC frame is 20 msec / frame, and 50 frames of the MAC are generated per second, when a video camera generating 115.2 Kbps is installed. rescue.
상기 제어관리기는 상기 C패킷을 생성하여 20msec 시간 간격으로 송출하고,
상기 이동체1의 무선노드는 상기 송출되는 C패킷을 받아 상기 이동체2의 무선노드로 중계하고, 상기 이동체2의 무선노드는 상기 이동체1의 무선노드로부터 중계되는 C패킷을 상기 이동체3의 무선노드로 중계하는 것을 특징으로 하는 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조.The method according to claim 6,
The control manager generates the C packets and transmits them at intervals of 20 msec,
The wireless node of the moving object 1 receives the transmitted C packet and relays the received C packet to the wireless node of the moving object 2. The wireless node of the moving object 2 transmits the C packet relayed from the wireless node of the moving object 1 to the wireless node of the moving object 3 A frame structure of a dynamic ad hoc network MAC is characterized in that it relays.
상기 이동체3의 무선노드는 상기 V패킷을 생성하여 상기 이동체2의 무선노드로 전달하고, 상기 이동체2의 무선노드는 자체 생성된 상기 V패킷과 전달받은 상기 이동체3의 V패킷을 상기 이동체1의 무선노드로 전달하고, 상기 이동체1의 무선노드는 자체 생성된 V패킷과 전달받은 상기 이동체2의 무선노드와 상기 이동체3의 무선노드의 V패킷을 상기 제어관리기로 전달하는 것을 특징으로 하는 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조.8. The method of claim 7,
The wireless node of the mobile unit 3 generates and transmits the V packet to the wireless node of the mobile unit 2. The wireless node of the mobile unit 2 transmits the generated V packet and the V packet of the mobile unit 3, And transmits the generated V packet to the wireless node of the moving object 1. The wireless node of the moving object 1 transmits the generated V packet and the received wireless node of the moving object 2 and the V packet of the wireless node of the moving object 3 to the control manager Frame structure of Hoc network MAC.
상기 V패킷이 패킷의 페이로드(payload)가 96byte이고 각 채널에 20msec 당 3회 할당 된 경우, 데이터 전송속도는 115.2 Kbps인 것을 특징으로 하는 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조.9. The method of claim 8,
Wherein the V-packet has a data payload of 115.2 Kbps when the packet has a payload of 96 bytes and is allocated to each channel three times per 20 msec.
상기 V패킷은 그 전송 방향을 전환(Swap)하기 위하여, 상기 무선노드들 중 패킷신호를 생성하는 무선노드에는 앞 시간의 타임 슬롯을 할당하고, 상기 무선노드들 중 중계구간과 최종 전달 받은 무선노드에는 순차적으로 다음 시간의 타임 슬롯을 할당하는 것을 특징으로 하는 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조.9. The method of claim 8,
In order to swap the transmission direction of the V-packet, a time slot of a previous time is allocated to a wireless node that generates a packet signal among the wireless nodes, And a time slot of a next time is sequentially assigned to the frame of the MAC of the dynamic Ad Hoc network MAC.
CSS(Chirp Spread Spectrum) 물리층(physical layer)을 사용하고, 무선노드들 간의 거리 측정 데이터를 이용하여 동적으로 채널을 할당하는 단계; 및
상기 동적으로 채널을 할당하는 단계에 의해, 단일 무선 주파수 내에 다중 제어신호와 다중 멀티미디어 신호들에 대한 상기 무선노드들의 상호위치가 시간에 따라 변하는 것에 대응하여 버추얼 타임 슬롯(Virtual Time-Slot) 방식을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조의 운용방법.The present invention relates to a method of operating a frame structure of a dynamic ad hoc network MAC,
Using a Chirp Spread Spectrum (CSS) physical layer and dynamically allocating channels using distance measurement data between wireless nodes; And
The method of claim 1, wherein the step of allocating a channel dynamically allocates a virtual time-slot scheme corresponding to a mutual position of the wireless nodes with respect to multiple control signals and multiple multimedia signals in a single radio frequency with time, The method comprising the steps of: (a) applying a frame structure of a dynamic ad hoc network MAC to a MAC frame;
상기 무선노드들을 관리하기 위한 제어관리기가 C패킷(Control Packet)을 생성하여 상기 버추얼 타임 슬롯의 시간기준을 생성하고,
상기 버추얼 타임 슬롯의 시간기준에 의하여 상기 무선노드들 각각은 상기 C패킷의 수신 완료 시각으로부터 사전에 정해진 시간 경과 후 다음 순서의 무선노드로 상기 C패킷을 재전송하는 것을 특징으로 하는 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조의 운용방법.12. The method of claim 11,
A control manager for managing the wireless nodes generates a C packet (Control Packet) to generate a time reference of the virtual time slot,
Wherein each of the wireless nodes retransmits the C packet to a wireless node in the next sequence after a predetermined time elapses from the reception completion time of the C packet according to the time reference of the virtual time slot. Of the frame structure.
상기 무선노드들 각각은 R패킷(Ranging Packet)을 이용하여 상기 무선노드들들 간의 상호 거리 값을 측정하고 상기 무선노드들의 측정된 상호 거리값의 교환 시에 링크성능 값을 측정하며, 상기 측정된 상호 거리 값 및 링크성능 값을 D패킷(Data Packet)을 통해 상기 무선노드를 관리하기 위한 제어관리기로 전송하고,
상기 제어관리기는 상기 D패킷(Data Packet)을 통해 수신된 상기 상호 거리 값과 링크성능 값을 기준으로 상기 무선노드들의 C패킷(Control Packet) 중계 순서를 상기 D패킷을 통해 상기 무선노드들로 전달하는 것을 특징으로 하는 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조의 운용방법.12. The method of claim 11,
Each of the wireless nodes measuring a mutual distance value between the wireless nodes using an R packet and measuring a link performance value when exchanging measured mutual distance values of the wireless nodes, A mutual distance value, and a link performance value to a control manager for managing the wireless node through a D packet (Data Packet)
The control manager transmits a C packet (Control Packet) relay order of the wireless nodes to the wireless nodes through the D packet on the basis of the mutual distance value and the link capability value received through the D packet (Data Packet) Wherein the frame structure of the dynamic ad hoc network MAC frame is configured to perform a frame structure of the dynamic ad hoc network MAC.
상기 무선노드들 각각은 D패킷(Data Packet)을 통해 전달되는 상기 C패킷(Control Packet) 중계 순서에 대응하여 자신의 상기 C패킷의 중계 순서를 갱신하고, 상기 갱신되는 C패킷의 중계 순서에 따라 상기 버추얼 타임 슬롯의 할당 순서를 갱신하는 것을 특징으로 하는 동적 Ad Hoc 네트워크 MAC의 프레임 구조의 운용방법.
13. The method of claim 12,
Each of the wireless nodes updates the relay order of its own C packet in accordance with the C packet (Control Packet) relay order transmitted through a D packet, And the allocation order of the virtual time slots is updated.
Priority Applications (1)
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KR1020130145268A KR101471440B1 (en) | 2013-11-27 | 2013-11-27 | MAC frame structure for dynamic Ad Hoc network, and operating method thereof |
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