KR101508369B1 - 비동기식 무선 통신 네트워크 내에서 정보 패킷들을 전송하기 위한 방법 및 그 방법을 구현하는 네트워크 노드 - Google Patents
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Abstract
무선 통신 네트워크들에서, 특히 WPAN/WSN 네트워크들에서, 네트워크 노드들의 전력 소모를 제한하려는 필요가 존재한다; 비동기식 듀티-싸이클 네트워크에서 특별한 MAC 프로토콜들이 이 목적을 위해서 사용된다. 본 발명에 따르면, 소스 노드 (N1)는 목적지 노드 (N2)의 스케줄 타임 오프셋은 물론이며 그 목적지 노드 (N2)의 클락 드리프트도 추정한다; 이런 방식으로 소스 노드 (N1)는 목적지 노드로 정보 패킷을 전송하는 매우 정확한 시작 시각을 선택할 수 있을 것이며, 그래서, 보통은 단 하나의 아주 짧은 프리앰블만이 전송될 필요가 있다. 두 개의 노드들 (N1, N2) 사이의 클락 드리프트와 타임 오프셋을 추정하는 것은 이런 두 노드들 (N1, N2) 사이에서의 하나 이상의 이전의 전송을 통해서 달성된다; 특히, 이런 파라미터들과 관련된 정보는 소스 노드 (N1)에 의해 목적지 노드 (N2)로 전송된 프리앰블에 응답하여 목적지 노드 (N2)로부터 소스 노드 (N1)로 전송된다
Description
본 발명은 비동기식 무선 통신 네트워크 내에서 제1 노드로부터 제2 노드로 정보 패킷들을 전송하기 위한 방법 및 그 방법을 구현하는 네트워크 노드에 관련된다.
WPAN [Wireless Personal Area Network] 네트워크들은 몇 년 동안 알려져 있으며; PAN [Personal Area Network] 네트워크는 한 사람에게 근접한 기기들 사이에서의 통신을 위한 컴퓨터 네트워크로서 정의될 수 있고; WPAN 네트워크는 무선의 단거리 영역 통신 기술들을 이용하는 PAN 네트워크이다. WPAN 네트워크를 구현하기 위해 아주 자주 사용되는 통신 기술이 지그비 (ZigBee)이다.
WPAN 네트워크들의 주요한 그리고 최근의 애플리케이션들 중의 하나가 WSN (Wireless Sensor Network) 네트워크이다.
WPAN 네트워크에서, 중요한 컴포넌트들은 네트워크의, 기기들로도 불리는, 노드들이다. 일반적으로, WPAN 네트워크는 영구전원으로부터 전력을 공급받는 기기들과 배터리에서 전력을 공급받는 기기들이 섞여있는 것을 포함할 수 있을 것이며; 배터리로 전력을 공급받는 기기들은 자신들의 배터리들의 수명을 길게 할 것을 확실하게 하기 위해 자신들의 전력 소모를 제한하도록 설계된다. WSN 네트워크들에서, 센서 네트워크 노드들은 쉽게 재충전될 수 없을 것이며 또는 자신들의 배터리가 다 소모되었을 때에 쉽게 교체될 수 없을 것이기 때문에, 효율적으로 에너지를 사용하게 하는 것은 애플리케이션들을 긴 시간동안 배치하는 것을 달성하기 위해서 특히 중요하다.
전력 소모에 주로 책임이 있는 WPAN 네트워크의 노드의 컴포넌트는 무선 트랜시버이다 (트랜시버가 전송할 때 그리고 트랜시버가 수신할 때 둘 다의 경우 ); 비동기식 WPAN 네트워크 (이 네트워크에서 노드들은 동기화 클락을 구비하지 않으며 그래서 비동기식으로 전송하고 수신한다)에서의 전력 소모를 줄이는 전형적인 방식은 "듀티 싸이클링 (duty cycling)"을 사용하는 것, 즉, 기기들의 무선 트랜시버들로 하여금 짧은 구간의 시간들 동안 간헐적으로 동작하도록 하는 것이다; 이런 방식으로, 각 노드의 동작은 (짧은) 어웨이크 (awake) 구간들 그리고 (긴) 슬립 구간들의 주기적인 (고정된 트랜시버 동작 주기) 시퀀스이다. 물론, 이는 WPAN 네트워크들에서 사용되는 통신 프로토콜들을 복잡하게 한다.
종래의 기술로부터, 비동기식 WAN 네트워크들이 또한 알려져 있으며, 그 WAN 네트워크에서 모든 (또는 거의 대부분의) 노드들은 배터리로부터 전력을 공급받고, 그러므로 그 노드들은 전력 소모를 제한하도록 설계되며 그리고 그 경우 무선 트랜시버들의 전력 소모를 제한하기 위해 특별한 MAC 프로토콜들이 사용된다.
M. Buetter 등의 "X-MAC: A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks" (SenSys 2006, 1-3 November 2006, Boulder, Colorado, USA)의 논문은 고정된 길이의 프리앰블 (preamble)을 기반으로 하는 "X-MAC"이라고 불리는 그러한 MAC 프로토콜들 중의 하나를 상세하게 설명한다. 이 프로토콜에 따르면, 소스 노드 (source node)가 정보 패킷을 전송해야만 할 때에, 그 노드의 전송기는 각각이 목적지 노드의 주소를 포함하는, 일련의 짧고 고정된 길이의 프리앰블들을 전송하며; 프리앰블들 사이의 작은 중지들은 그 목적지 노드의 수신기로 하여금 (자신의 내부 동작 스케줄에 따라서) 깨어나게 (awake) 하고 그리고 일련의 프리앰블들을 중단시키고 그 목적지 노드가 데이터를 수신할 수 있다는 것을, 즉, 정보 패킷의 페이로드 (payload)를 시그날링하도록 하며; 상기 확인하는 프리앰블들을 엿들은, 목적지가 아닌 수신기들은 데이터를 수신하기 위해 깨어있는 상태로 남아있기보다는 즉각 슬립 상태로 돌아갈 수 있다.
A. El-Hoiydi 와 J. Decotignie의 "WiseMAC: An Ultra Low Power MAC Protocol for Multi-hop Wireless Sensor Networks" (in Proceedings of the First International Workshop on Algorithmic Aspects of Wireless Sensor Networks, Lecture Notes in Computer Science, LNCS 3121 , pp.18-31 , Springer-Verlag, July 2004) 논문은 가변 길이 프리앰블을 기반으로 하는 "WiseMAC"으로 불리는 그와 같은 MAC 프로토콜들 중의 다른 하나의 프로토콜을 상세하게 설명한다. 이 프로토콜에 따르면, 노드에 직접 이웃하는 이웃들의 동작 스케줄이 우선 학습되고 그러면 그 스케줄은 전송될 정보 패킷의 가변 길이 프리앰블의 크기를 줄이기 위해서 사용된다; 수신 확인들은 목적지 노드에 의한 데이터 패킷을 수신한 것을 시그날링하기 위해서만 사용되는 것이 아니라 소스 노드에게 그 소스 노드의 다음의 웨이크-업 (wake-up) 순간까지 남아있는 시간을 알리기 위해 사용된다; 이런 방식으로, 노드는 자신의 일상적인 목적지의 스케줄 타임 오프셋 (time offset)들의 테이블을 최신으로 유지할 수 있다; 이런 정보를 이용하여, 노드는 프리앰블의 크기를 최소로 하면서, 정보 패킷을 정확한 시각에 맞추어서 전송할 수 있을 것이다. 이 논문에 따르면, 상기 프리앰블의 지속시간 (duration)은 상기 소스 노드에서의 시각과 목적지 노드에서의 시각 사이의 잠재적인 클락 드리프트 (clock drift)을 커버해야만 한다; 이 드리프트는 마지막 수신확인 (acknowledgment)이 상기 소스 노드에 의해 수신된 이후, 즉, 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로의 마지막 전송 이후의 시간에 비례한다; 상기 프리앰블의 필요한 지속시간 TP는
TP = min(4θL, TW)
의 식으로 주어지며, 이 경우 θ는 노드들에서 클락 신호들을 생성하는데 사용되는 수정진동자의 주파수 공차 (tolerance)이며, L은 전송들 사이의 시간 간격이며, TW는 네트워크 노드들의 스케줄의 고정된 주기이며, "min"은 "최소 (minium)"을 판별하는 함수이다.
본 발명은 비동기식 무선 통신 네트워크에 있어서 적절한 통신 방식을 통해서 네트워크 노드들의 전력 소모를 더 감소시키기 위한 방법을 찾는 것을 그 목적으로 한다.
본원의 출원인은 무선 통신 네트워크들에서, 특히 WPAN/WSN 네트워크들에서, 알려진 프로토콜들에 대하여 네트워크 노드들의 전력 소모를 더 줄어들게 할 필요가 있다고 간주했으며, 그 이유는 적어도 다음과 같다.
현재의 X-MAC의 경우, 일반적으로, 고정된 길이의 많은 프리앰블들은 전송될 필요가 있다; 실제, 전력을 절약하기 위해, 트랜시버 동작 주기는 오히려 길어야 하며 (예를 들면, 수 초) 그리고 어웨이크 (awake) 간격은 매우 짧아야만 (예를 들면, 수 밀리미터 초) 한다. 그러나, 주기가 더 길수록 노드가 깨어나서 프리앰블을 검출하여 자신으로 향하는 정보 패킷을 검출하기 전에 전송되어야 할 필요가 있는 프리앰블들의 개수는 더 많아진다.
WiseMAC의 경우, 일반적으로, 긴 가변-길이의 프리앰블이 전송될 필요가 있다; 실제, 전력을 절약하기 위해, 트랜시버 동작 주기는 오히려 길어야 하며 (예를 들면, 수 초) 그리고 어웨이크 (awake) 간격은 매우 짧아야만 (예를 들면, 수 밀리미터 초) 한다. 그리고 이런 무선 통신 네트워크 (특히 WSN 네트워크들)에서, 두 노드들 사이에서 정보 패킷들을 전송하는 것은 매우 빈번하지는 않으며 그래서 수정진동자 (quartz)는 아주 정밀하지는 않고, 그러므로, 프리앰블의 필요한 지속시간 (상기의 공식에서의 TP)은 아주 길며 상기 트랜시버 동작 주기 (상기의 공식에서의 TW)에 근접하게 되는 경향이 있다.
추가로, 본원의 출원인은 고정된 길이의 프리앰블을 기반으로 하는 프로토콜이 바람직하다고 간주하며, 이는 그 프로토콜이 계층방식의 계층 (hierarchic layer)들에 따라서 통신 애플리케이션들이 더 양호하게 조직되도록 허용하기 때문이다. 실제로, 가변-길이 프리앰블이 관리되려면, 수신하고 전송되는 가공하지 않은 (raw) 비트 스트림, 즉, 낮은 레벨 데이터는, 자신의 전송 동안에 상기 프리앰블을 검출하는 것을 가능하게 하기 위해 (수신기 측) 그리고 필요한 경우 상기 프리앰블을 전송하는 것을 방해하는 것을 가능하게 하기 위해 (전송기 측) 상위 레벨 프리미티브(primitive)들에 의해 알려지고 모니터링될 필요가 있다.
그러므로, 본 발명 배후의 일반적인 기술적 문제는 비동기식 무선 통신 네트워크에 있어서 적절한 통신 방식을 통해서 네트워크 노드들의 전력 소모를 어떻게 더 감소시키는가 이다.
더 상세하게는, 본 발명은 고정된 길이의 프리앰블을 사용하는 것을 기반으로 하는 해결책을 찾는 것을 목적으로 한다. 상기에서 언급된 문제들을 해결하기 위해, 정보 패킷들을 전송하는 것을 개선하기 위해 소스 노드는 목적지 노드의 스케줄 타임 오프셋만이 아니라 그 목적지 노드의 클락 드리프트도 추정 (estimate)해야만 한다고 본원의 출원인은 고안하였으며; 이런 방식으로, 소스 노드는 이 목적지 노드로의 정보 패킷의 전송 시작 시각을 매우 정확하게 선택하여 보통은 오직 하나의 매우 짧은 프리앰블만이 전송될 필요가 있도록 할 수 있을 것이다.
그러므로, 본 발명은 동기식 무선 통신 네트워크들의 전력 소모와 근접한 전력 소모라는 관점에서, 그러나, 네트워크 노드들의 모든 클락 신호들을 동기화하는 것을 필요로 하지 않는 더 간단한 해결책을 통해서 결과를 얻는다.
추가로, 본 발명은 네트워크의 상이한 노드들에서의 상이한 트랜시버 동작 주기들을 고려할 수 있을 것이다.
두 개의 노드들 사이에서의 타임 오프셋 및 클락 드리프트를 추정하는 것은 이 두 개의 노드들 사이에서의 하나 또는 그 이상의 이전의 전송들을 통해서 달성되며; 특히, 이런 파라미터들에 관련된 정보는 상기 소스 노드에 의해 상기 목적지 노드로 전송되는 프리앰블에 응답하여 상기 목적지 노드로부터 전송된다. 그런 응답은 목적지 노드의 트랜시버 동작 주기에 관련된 정보를 또한 포함할 수 있을 것이다.
모든 수신된 동기화 정보 또는 그 정보로부터 유도된 정보는, 일련의 데이터가 모든 또는 주요한 이웃하는 노드들을 위해 제공되는, 소스 노드 내의 테이블로 저장될 수 있을 것이다.
추정들은 그 추정들이 수많은 이전의 전송들을 기반으로 한다면 더욱 정확하다.
상기 추정들에 신뢰성이 있는 것으로 고려하기 위해, 선행 시간 (advance of time)이 전송 시각에 제공될 수 있을 것이며; 이전의 많은 전송들이 추정들을 위해서 사용되었다면 그런 선행 시간은 줄어들 수 있을 것이다.
다른 모습에 따르면, 본 발명은 상기에서 설명된 통신 방법을 구현하기에 특히 적합하도록 배치된 네트워크 노드에 또한 관련된다.
실제로, 그런 네트워크 노드는 하나 또는 그 이상의 네트워크 노드들에 대한 타임 오프셋 정보 및 클락 드리프트 정보를 저장하도록 구성된 메모리를 포함하며; (하나 또는 그 이상의 노드들에 대한) 트랜시버 동작 주기 정보 또한 그런 메모리에 저장될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 무선 통신 네트워크에 있어서 배터리로 전력을 공급받는 네트워크 노드들의 전력 소모를 효과적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면들과 결합하여 고려되는 다음의 설명으로부터 더 명확하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른, WPAN 네트워크, 특히 WSN 네트워크의 일 실시예를 개략적으로 그리고 부분적으로 도시한 것이다.
도 2는 짧은 고정된 길이 프리앰블 샘플링 기술에 따른 소스 노드에 대한 그리고 목적지 노드에 대한 타임 도면들을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 사용되는, 특정한 시간 순간들이 강조되는 도 2의 타임 도면들을 도시한다.
도 4는 정보 패킷을 교환할 때에 도 1의 네트워크의 소스 노드에 의해 수행되는 절차의 흐름도를 도시한다.
도 5는 정보 패킷을 교환할 때에 도 1의 네트워크의 목적지 노드에 의해 수행되는 절차의 흐름도를 도시한다.
도 6은 가장 최근에 깨어난 (awake) 구간의 시작을 추정하기 위한 절차의 흐름도를 도시한다.
도 7은 도 1의 네트워크의 소스 노드를 위한 이웃하는 노드들의 테이블을 도시한다.
도 8은 도 1의 네트워크의 목적지 노드에 의해 전송되는 프리앰블에 대한 수신확인에 포함된 동기화 정보를 도시한다.
도 9는 도 7의 테이블을 업데이트하기 위해 도 1의 네트워크의 소스 노드에 의해 사용되는 절차의 흐름도를 도시한다.
도 10은 다음의 어웨이크 (awake) 구간의 시작을 추정하고 전송의 시작을 결정하기 위해서 도 1의 네트워크의 소스 노드에 의해 사용되는 절차의 흐름도를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 네트워크 노드의 구조를 개략적으로 도시한다.
다음의 설명 및 첨부된 도면들은 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며 예시일 뿐이라는 것을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른, WPAN 네트워크, 특히 WSN 네트워크의 일 실시예를 개략적으로 그리고 부분적으로 도시한 것이다.
도 2는 짧은 고정된 길이 프리앰블 샘플링 기술에 따른 소스 노드에 대한 그리고 목적지 노드에 대한 타임 도면들을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 사용되는, 특정한 시간 순간들이 강조되는 도 2의 타임 도면들을 도시한다.
도 4는 정보 패킷을 교환할 때에 도 1의 네트워크의 소스 노드에 의해 수행되는 절차의 흐름도를 도시한다.
도 5는 정보 패킷을 교환할 때에 도 1의 네트워크의 목적지 노드에 의해 수행되는 절차의 흐름도를 도시한다.
도 6은 가장 최근에 깨어난 (awake) 구간의 시작을 추정하기 위한 절차의 흐름도를 도시한다.
도 7은 도 1의 네트워크의 소스 노드를 위한 이웃하는 노드들의 테이블을 도시한다.
도 8은 도 1의 네트워크의 목적지 노드에 의해 전송되는 프리앰블에 대한 수신확인에 포함된 동기화 정보를 도시한다.
도 9는 도 7의 테이블을 업데이트하기 위해 도 1의 네트워크의 소스 노드에 의해 사용되는 절차의 흐름도를 도시한다.
도 10은 다음의 어웨이크 (awake) 구간의 시작을 추정하고 전송의 시작을 결정하기 위해서 도 1의 네트워크의 소스 노드에 의해 사용되는 절차의 흐름도를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 네트워크 노드의 구조를 개략적으로 도시한다.
다음의 설명 및 첨부된 도면들은 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며 예시일 뿐이라는 것을 이해하여야 한다.
비록 본 발명이 비동기식 무선 통신 네트워크에 일반적으로 더 적용될 수 있을 것이지만, 상기 설명된 본 발명의 실시예는 WPAN (Wireless Personal Area Network), 특히 지그비 (ZigBee) 기술을 이용하는 WSN (Wireless Sensor Network)에 관련된 것이며, 도 1을 참조한다. 네트워크 노드의 동작은 수정진동자를 통해서 타이머 (보통은 로컬 타이머)에 의해 생성되는 자신의 클락 신호에 의해 시기가 맞추어지고; 그 타이머는 시간 구간들의 지속시간을 측정하기 위해서도 또한 상기 네트워크 노드에 의해 사용된다. 이미 설명된 것과 같이, 네트워크는 자신의 노드가 동기화된 클락을 가지고 있지 않고 그래서 동기하여 전송하고 수신하지 않으면 "비동기식 (asynchronous)"으로 정의된다.
도 1에서, 비동기식 무선 통신 네트워크 (NTWK)의 오직 4개의 이웃하는 노드들만이, 즉, 노드 N1, N2, N3 및 N4가 도시된다; 이 4개의 노드들은 그들 사이에서의 통신을 나타내는 3개의 화살표에 의해 연결된다. 이 화살들은 노드 N1이 정보 패킷들의 소스로서만 동작하고 그리고 노드 N2, N3 및 N4는 이런 정보 패킷들의 목적지로서만 동작하는 특정 상황에 대응한다; 물론, 이는 일반적인 경우는 아니며 본 발명을 설명하려는 관점에서만 수행되었다.
도 1의 예에서, 4개 노드들 N1, N2, N3 및 N4 모두는 배터리에 의해 전력을 공급받으며, "듀티-싸이클링"을 이용한다. 즉, 그 노드들의 트랜시버들은 (짧은) 어웨이크 구간들 및 (긴) 슬립 구간들의 주기적인 (고정된 트랜시버 동작 주기) 시퀀스에 따라서 간헐적으로 동작한다. 본 발명에 대한 이어지는 설명의 목적으로, 정보 패킷들의 소스로서 동작하는 노드 N1은 계속하여 동작하는 트랜시버를 또한 구비하여 그래서, 예를 들면, 영구전원으로부터 전력을 공급받을 (mains powered) 수 있을 것이다.
각 네트워크 노드는 자신의 통신을 포함하는 노드의 동작을 결정하는 적합한 컴퓨터 프로그램을 저장하는 메모리와 연관된 제어 및 프로세싱 유닛 (예를 들면, 마이크로프로세서)을 포함한다. 상기 컴퓨터 프로그램의 일부인 통신 애플리케이션은 계층방식의 계층 (hierarchic layer)들에 따라서 조직된다; 그러므로, 상기 통신 애플리케이션이, 예를 들면, 특정 계층에서의 전송을 요청할 때에, 전송에 대한 이런 요청은 하위 계층들에 의해 처리되며, 이런 프리앰블의 물리적인 전송은 정밀하지는 않지만 (상기 제어 및 프로세싱 유닛에 의해 수행되는 많은 서로 다른 동작들이 병행하여 수행된다는 사실 때문에) 통계적으로만 알려진 지연과 함께만 발생할 수 있을 것이며, 그리고, 예를 들면 수신확인이 노드에서 물리적으로 수신될 때에, 이 수신은 하위 계층들에 의해 우선 처리되며, 그러면 정밀하게는 아니지만 통계적으로만 알려진 지연을 가지고 상위 계층들로 전달된다.
네트워크 NTWK에서 사용되는 MAC 프로토콜은 프리앰블 샘플링과 짧은 고정된 길이의 프리앰블들 그리고 수신확인들을 기반으로 한다.
짧은 고정된-길이 프리앰블 샘플링 프로토콜들에서, 수신기 (즉, 수신기로서 동작하는 상기 트랜시버)는 통신 매체를 샘플링하기 위해 짧은 시간동안 주기적으로 깨어난다. 슬립 상태에서 네트워크 노드에 의해 소모되는 시간은 "슬립 구간"으로 불리며, 깨어있는 (awake) 상태에서 네트워크 노드에 의해 소모되는 시간은 "어웨이크 (awake) 구간"으로 불린다; 어떤 어웨이크 구간과 그 다음의 슬립 구간의 합은 "트랜시버 동작 주기"로 부리며 보통은 고정되며 미리 정해진다; 이들 모두는 그 네트워크 노드의 동작 스케줄에 대응한다.
도 2 및 도 3에서, 다음의 심볼들이 사용된다: RA = 랜덤 액세스 (random access), PS = 프리앰블 송신 (preamble send), PC = 프리앰블 확인 (preamble confirm), PR = 프리앰블 수신 (preamble received) , AS = 수신확인 송신 (acknowledge send), AC = 수신확인 확인 (acknowledge confirm), AR = 수신확인 수신 (acknowledge received), DS = 데이터 송신 (data send) , DC = 데이터 확인 (data confirm) , DR = 데이터 수신 (data received).
도 2를 참조하면, 네트워크 노드 (소스)가 전송될 정보 패킷을 가지면, 그 노드는 그 정보 패킷의 짧은 일련의 프리앰블들을 공중 (air)을 통해서 물리적으로 전송하며, 그 프리앰블들 각각은 목적지 노드 (목적지)의 식별자를 포함한다 (도 2 및 도 3의 PS 동작); 이런 방식에서, 네트워크의 많은 노드들 (적어도 이웃하고 있는 노드들)이 그 프리앰블들을 수신한다. 프리앰블을 수신했던 노드가 목적지 노드가 아니라면, 그것은 즉각 슬립으로 돌아간다. 프리앰블을 수신한 노드가 목적지 노드라면, 그 노드는 상기 소스 노드에 의해 다른 프리앰블이 송신되기 전에 그 소스 노드로 수신확인 (ACK)을 되돌려 전송한다 (도 2 및 도 3의 AS 동작). (전송 요청과 수신확인의 물리적인 전송 사이에서의 최대 지연에 대응할 수도 있는) 타임아웃 내에 어떤 노드도 그 프리앰블에 응답하지 않으면, 상기 노드는 다른 프리앰블을 나중에 전송한다 (도 2에서의 PS 동작). 수신확인을 받으면, 상기 소스 노드는 정보 패킷 (데이터)의 페이로드 (payload)를 그 목적지 노드로 전송한다 (도 2 및 도 3에서의 DS 동작).
도 2에서, 아래쪽으로 향하는 작은 화살표들 (PS, AS, DS 참조)은 상위 계층으로부터 MAC 프로토콜로 송신되는 메시지들을 나타내며, 위쪽으로 향하는 작은 화살표들 (PC, AC, DC, PR, AR, DR)은 MAC 프로토콜로부터 상위 계층들로 송신되는 메시지들을 나타낸다; 예를 들면, 아래쪽으로 향하는 작은 화살표들은 예컨대 프리앰블 또는 페이로드에 관련된 데이터를 전송하라는 요청에 대응하며, 위쪽으로 향하는 작은 화살표는 데이터가 실제로 전송되었다는 확인 또는 데이터가 실제로 수신되었다는 통지에 대응할 수 있을 것이다; 블랙 박스들은 수신되고 전송된 데이터에 대응한다; 블랙 박스가 수평선 둘 다의 위에 존재할 때에, 이는 데이터가 물리적으로 전송되고 물리적으로 수신된 것을 의미하며 (그것들 사이의 지연은 아주 짧으며 본 발명과 관련된 것은 아니다) 그리고 두 박스들을 연결하는 큰 블랙 화살표는 어느 것이 전송하는 엔티티 (entity)이고 어느 것이 수신하는 엔티티인가를 분명하게 한다.
짧은 고정된 길이의 프리앰블 샘플링은 랜덤 액세스 (RA)를 기반으로 하며, 그래서 MAC 계층으로 데이터를 송신하고 공중을 통해 그것들을 수신하는 것 사이의 지속시간은 무작위 (random)이다. 랜덤 액세스 구간의 지속시간은 데이터 트래픽 및 MAC 프로토콜의 파라미터들에 종속적이며, 전송 간격의 지속시간보다는 아주 더 길 수 있을 것이다. 프리앰블이 MAC 계층으로 송신될 때에, 그것이 실제로 공중을 통해서 전송될 때까지, 내부적인 소프트웨어 지연에 추가하여 랜덤 지연이 존재한다. 프리앰블이 수신되어 수신확인이 되돌려져 송신될 때에, 그 수신확인이 실제로 공중을 통해서 전송될 때까지는 랜덤 지연이 또한 존재한다. 이런 지연들은 통신 프로토콜의 파라미터들의 값들을 특히 타임아웃들을 선택하는데 영향을 미친다. 정보 패킷의 목적지 노드는 어웨이크 (awake) 구간 동안에 적어도 하나의 프리앰블을 수신해야만 하기 때문에, 상기 어웨이크 구간의 지속시간은 패킷의 성공적인 배송 비율을 결정한다. 여기에서는, 상기 네트워크가 어떤 지연 및 신뢰성 제한들을 만족시킬 수 있도록 어웨이크 구간과 슬립 구간의 지속시간이 미리 결정되는 것으로 가정한다.
상기에서 설명된 이벤트들은, 예를 들면, 아래에서 더 상세하게 설명될 것과 같이 노드들 중의 어느 하나에 예상치 못한 이벤트가 발생하면, 보통은 두 네트워크 노드들 사이에서의 통신 시작 시에 또는 더 나중에 종래 기술에 따라서 발생할 뿐만이 아니라 본 발명에 따라서도 또한 발생할 수 있을 것이다.
본 발명에 의해 (비록 선호되지는 않을지라도) 배제되지 않는 대안의 프리앰블 샘플링 기술은 가변-길이 프리앰블들을 이용하는 것일 수 있다.
본 발명은, (짧은 고정된 길이의 프리앰블들이 사용될 때에는) 복수의 프리앰블들을 전송할 필요를 없애거나 적어도 줄이기 위해 또는 (가변 길이의 프리앰블들이 사용될 때에는) 프리앰블들의 지속시간을 없애거나 적어도 줄이기 위해 노드들이 깨어나는 시각 또는 더 자세하게는 어웨이크 구간들이 시작하는 시각에 관하여 학습함으로써 네트워크 노드들 (더 상세하게는 전송하는 노드들)의 에너지 소모를 줄이기 위한 방법에 관한 것이다.
다음에는, 정보의 소스로서 동작하는 노드 N1과 정보의 목적지로서 동작하는 노드 N2 사이의 통신이 본 발명에 따라서 고려될 것이다.
노드 N1이 복수의 프리앰블들을 전송하는 것을 피하기 위해, 노드 N1은 노드 N2가 언제 깨어나는지를 학습해야만 한다; 이런 일이 발생하기 전에, 노드 N1은 다중의 고정된 길이 프리앰블 전송들을 기반으로 하는 전통적인 접근 방식을 이용한다. 그런 지식은 통계적으로만 획득할 수 있다; 그러므로, 노드 N1이 노드 N2의 스케줄에 대해서 아는 것은 완벽하지 않을 것이다; 어쨌건, 노드 N1은 시간이 경과할수록 점점 더 많이 학습할 수 있을 것이며, 이는 아래에서 설명될 것이다.
도 3에서, 3개의 시간 순간들이 강조되어 있다:
- 어웨이크 구간이 목적지 노드 예를 들면 N2에서 시작하는 순간으로, "tw"로 라벨 붙여짐,
- 프리앰블이 목적지 노드, 예를 들면 N2에서 완전하게 수신될 때의 순간으로, "tp,rec"로 라벨 붙여짐,
- 프리앰블이 소스 노드, 예를 들면, N1에서 완전하게 수신될 때의 순간으로, "tp,trans"로 라벨이 붙여진다.
정확하게 하기 위해, 이런 시간 순간들은 대응하는 이벤트들이 물리적으로 발생할 때의 시간 순간에 대응하지는 않지만, 이런 이벤트들이 MAC 프로토콜에 의해 더 상위의 소프트웨어 계층들에게 알려질 때의 시각에는 대응한다; 이런 이유로 인해서, 예를 들면, "tp,rec" 및 "tp,trans"는 그것들이 서로 아주 크게 다르다고 하더라도 정확하게 대응하지 않는다.
도 3으로부터, 노드 N1이 정확하게 "tw"에서 전송을 시작하여 첫 번째 프리앰블을 전송했다면, 그것은 단 하나의 프리앰블을 전송한 것이다; "tw"에서 시작하여 "tp,rec"에서 종료하는 구간의 지속시간은 노드 N1과 노드 N2 사이의 타임 오프셋이다, 그러므로, 본 발명의 기본적인 아이디어들 중의 하나는 목적지 노드로부터 소스 노드로 타임 오프셋 정보를 전송한다는 것이다; 이는, 예를 들면, 상기 소스 노드로부터의 프리앰블을 목적지 노드가 수신한 것에 응답하여 실행될 수 있을 것이다.
소스 노드 N1이 목적지 노드 N2의 동작 스케줄에 대한 이런 타임 오프셋 그리고 노드 N2의 동작 스케줄의 주기를 안다면, 나중에 노드 N1이 노드 N2로 정보 패킷을 전송할 필요가 있을 때마다, 그것은 자신의 내부 타이머를 통해서 전송을 시작할 때에, 노드 N2의 타임 오프셋을 노드 N2 주기의 배수에 더하여 노드 N2 트랜시버의 다음 어웨이크 주기의 시작을 계산할 수 있다.
어쨌든, 소스 노드 N1의 클락 주파수는 목적지 노드 N2의 클락 주파수와 완전하게 동일하지 않으며; 그래서, 두 노드들 N1 및 N2의 타이머들은 정확하게 같은 시간을 카운트하지 않는다. 종래 기술에 따라, 소스 노드에 의한 목적지 노드로의 전송의 시작에 있어서의 오차들을 피하기 위해서, 고정된 그리고 미리 정해진 안전 여유 (safety margin)가 사용되었다. 본 발명은 이런 문제에 대한 더욱 진보된 해결책을 교시한다; 본 발명의 기본적인 아이디어들의 다른 하나는 목적지 노드로부터 소스 노드로 클락 드리프트 정보 (다른 말로 하면, 클락 주파수들에서의 차이에 관련된 정보)를 전송하는 것이며; 이는, 예를 들면, 소스 노드로부터의 프리앰블을 목적지 노드에서 수신한 것에 응답하여 수행될 수 있을 것이다.
N2의 타임 오프셋, N2의 동작 스케줄 주기 및 N2의 클락 드리프트를 알거나 또는 더 양호하게 말하면, 추정함으로써, 노드 N1은 높은 정밀도를 구비하여 그래서 전력을 절약하면서 노드 N2로 향하는 정보 패킷 전송을 시작할 수 있다. 노드 N1에 의한 추정들이 완전하게 잘못되었다면 (예를 들면, 노드 N2의 동작 스케줄에서의 예상치 못했던 변경으로 인해서), 노드 N1은 프리앰블에 대해서 노드 N2로부터 전송된 어떤 응답도 수신하지 않을 것이며 그리고 나중에 그 프리앰블을 다시 전송할 것이며 그리고 학습 프로세스가 처음부터 다시 시작될 것이다; 이런 방식에서, 일부 시간만을 제외하면, 어떤 데이터도 유실되지 않을 것이다. 본 발명의 교시가 통신에서의 강건함을 감소시키지 않는다는 것은 명백하다.
그러므로, 본 발명에 따르면, 한 비동기 무선 통신 네트워크 내에서 제1 노드 (소스 노드)로부터 제2 노드 (목적지 노드)로 정보 패킷을 전송하는 방법이 제공되며, 이 경우 상기 노드들은 각각 자신들의 동작 타이밍을 위한 클락 신호들을 수신하며, 적어도 상기 제2 노드는 간헐적인 동작을 하는 무선 트랜시버를 포함하며, 상기 간헐적인 동작은 어웨이크 (awake) 구간들과 슬립 구간들의 주기적인 시퀀스에 대응하며, 상기 정보 패킷은 상기 제1 노드에 의해 전송될 준비가 되어 있을 때에:
- 상기 제1 노드는, 상기 제1 노드로부터 상기 제2 노드로의 적어도 하나의 이전의 정보 패킷 전송을 통해, 상기 제2 노드의 어웨이크 구간의 시작 시각을 추정하며,
- 상기 제1 노드는 적어도 상기 추정된 시작 시각을 기반으로 하여 전송 시각을 결정하고, 그리고
- 상기 제1 노드는 상기 결정된 시각에 상기 제2 노드로 상기 정보 패킷을 전송하는 것을 시작하며;
특히, 상기 제1 노드는, 예를 들면, 상기 제1 노드로부터의 프리앰블을 상기 제2 노드에 의해 수신한 것에 응답하여, 상기 적어도 하나의 이전의 전송 시에 상기 제2 노드로부터 상기 제1 노드로 전송된 타임 오프셋 (offset) 정보 및 클락 드리프트 (clock drift)를 적어도 기반으로 하여 상기 시작 시각을 추정한다.
전형적으로 또한 상기 제1 노드는 어웨이크 구간들 및 슬립 구간들의 주기적인 시퀀스 (즉, "듀티-싸이클링"을 이용한다)에 대응하는 간헐적인 동작을 구비한 무선 트랜시버를 포함하며 그리고 상기 두 개 노드들의 동작 스케줄의 주기들은 서로 동일 (또는 거의 동일)하다고 해도, 그것은 상기 제1 노드가 연속적인 동작을 구비하는 트랜시버를 구비하는가 또는 간헐적인 동작을 구비하는 트랜시버를 구비하는가의 여부에 관계없다는 것은 주목할 가치가 있다; 마지막의 경우에, 타임 오프셋은 상기 두 노드들의 동작 스케줄 사이의 타임 오프셋으로 간주될 수 있을 것이다.
본 발명은 실시예의 이어지는 설명으로부터 명백할 추가의 유리한 특징들을 제공한다.
도 4 및 도 5는 정보 패킷을 교환할 때에 네트워크 NTWK의 소스 노드 N1과 네트워크 NTWK의 목적지 노드 N2에 의해 각각 수행되는 절차들의 흐름도를 도시한다.
도 4를 참조하면, 소스 노드, 예를 들면 N1이 목적지 노드, 예를 들면 N2로 정보 패킷을 전송해야 할 때에, 상기 소스 노드는 다음의 웨이크-업 시간 순간을 추정하고 (도 4의 단계 401), 상기 목적지 노드로 프리앰블을 전송하며 (도 4의 단계 402), 자신의 내부 MAC 계층으로부터 프리앰블 확인을 수신하며 (도 4의 단계 403), 미리 정해진 타임아웃이 시간 만료되기 전에 상기 목적지 노드로부터 수신확인 (acknowledge)이 수신되는가의 여부를 검사한다 (도 4의 단계 404); 그 검사의 결과가 예 (YES) 라면, 상기 소스 노드는 가장 최근의 웨이크-업 시간 순간을 추정하고 (도 4의 단계 406) 그리고 상기 정보 패킷의 페이로드를 상기 목적지 노드로 전송한다 (도 4의 단계 407); 그 검사의 결과가 아니오 (NO)이면, 상기 소스 노드는 프리앰블 전송들의 시작 이래의 시간 지속시간이 상기 목적지 노드의 최대 슬립 시간보다 더 작은가의 여부를 검사하며; 그 검사의 결과가 예 (YES)이면 새로운 프리앰블이 전송되며 (이 흐름은 단계 402와 같이 진행한다); 그 검사의 결과가 아니오 (NO)이면, "전송 실패" 메시지가 그 소스 노드의 내부 MAC 계층에 의해 발행된다 (도 4의 단계 408).
도 5를 참조하면, 목적지 노드, 예를 들면, N2는 이중의 루프를 계속한다; 그 목적지 노드는 "슬립 구간" 동안 슬립하며 (도 5의 단계 501), "어웨이크 구간" 동안에는 깨어나서 깨어난 상태로 유지하며 (도 5의 단계 502), 어떤 소스 노드로부터 프리앰블이 수신되었는가의 여부를 검사한다 (도 5의 단계 503); 그 검사의 결과가 아니오 (NO)이면, 그 목적지 노드는 슬립으로 돌아간다 (그 흐름은 단계 501과 함께 계속된다); 그 검사의 결과가 예 (YES)이면, 그 목적지 노드는 상기 소스 노드로 적절한 수신확인을 전송하고 (도 5의 단계 504), 그러면 그 목적지 노드는 상기 소스 노드로부터 정보 패킷의 페이로드를 수신하며 (도 5의 단계 505) 그리고 마지막으로 슬립으로 돌아간다 (그 흐름은 단계 501과 함께 계속된다).
이 실시예에 따르면, 실행되어야 할 첫 번째 일은 가장 최근의 어웨이크 구간의 시작을 추정하는 것이다.
이 절차의 흐름도는 도 6에 도시된다.
목적지 노드 N2의 가장 최근의 어웨이크 구간의 시작을 "tw" (도 3)라고 부르기로 한다; 이 시간 순간은 상기 목적지 노드 N2에 의해 탐지되고 저장된다 (도 6의 단계 601); 목적지 노드 N2는 자신이 MAC 위쪽의 계층에서 프리앰블을 수신할 때의 그 순간을 타임스탬프로 하며 (도 6의 단계 602), 이 시각을 "tp,rec" (도 3)라고 부르기로 한다; 상기 목적지 노드 N2는 이 프리앰블의 수신과 가장 최근의 어웨이크 구간의 시작 사이의 시간 간격을 계산하며 (도 6의 단계 603), tp,rec - tw 에 대응하는 이 차이를 "td,rec"로 부르기로 한다; 이 정보는 상기 목적지 노드 N2에 의해 상기 수신확인 (ACK)에 포함되며 (도 6의 단계604), 이는 상기 목적지 노드 N2에 의해 소스 노드 N1 로 전달된다 (도 6의 단계 605).
이제 목표는 전송기 측 (또는 소스 노드 측)에서 tw 를 추정하는 것이다
소스 노드 N1의 트랜시버가 프리앰블을 전송할 때에, 그 전송의 끝에서, MAC 위쪽의 상기 소스 노드 N1의 소프트웨어 계층은 상기 프리앰블의 성공적인 전송에 대한 확인을 수신하며, 이 시간 순간을 "tp,trans" 라고 부르기로 한다 (도 3); 이 시간 순간은 소스 노드 N1에 의해 탐지되고 저장된다 (e 6의 단계 606); 소스 노드와 수신 노드가 서로 아주 다를지라도 그 소스 노드와 수신 노드 둘 다의 운영 시스템에서의 랜덤 프로세싱 때문에, tp,trans 는 꼭 tp,rec 와 동일할 필요는 없다.
목적지 노드 N2로부터 소스 노드 N1으로 송신되는 수신확인 ACK 내에 포함된 td,rec 정보를 목적지 노드로부터 수신하면 (도 6의 단계 607), 상기 소스 노드 N1은 tw 를 tp,trans - td,rec 로서 추정한다 (도 6의 단계 608).
(이 식은 도 6의 단계 608에서 계산된다)
여기에서 
는 상기 목적지 노드와 소스 노드의 상단의 계층에서 패킷을 수신하는 사이에서의 확률적인 시간 구간의 지속시간을 나타낸다; 이 확률적인 변수는 E와 동일한 평균값 그리고 
과 동일한 분산을 갖는다; 이 확률적인 변수의 파라미터들은 상기 노드 상에서의 충분한 개수의 테스트들을 수행함으로써 결정될 수 있을 것이다. 이 실시예에 따르면, 실행하여야 할 두 번째 일은 다음의 어웨이크 구간의 시작의 시간 순간을 추정하는 것이며, 해야 할 세 번째 일은 전송의 시작의 시간 순간을 결정하는 것이다.
이 절차의 흐름도 (즉, 추정 및 결정)는 도 10에 도시된다. 소스 노드 N1에 의한 그런 추정은 목적지 노드 N2의 어웨이크 구간들의 이력 그리고 소스 노드 N1에 의한 그 구간들의 추정들을 기반으로 하여 목적지 노드 N2의 다음의 어웨이크 구간을 위한 특정 신뢰성 구간을 결정하는 것을 필요로 한다 (이전의 단락들 참조).
소스 노드, 예를 들면 N1 (그리고 더 일반적으로는, 간헐적인 동작을 가지는 트랜시버를 포함하는 네트워크 NTWK의 다른 노드로 정보 패킷들을 송신할 것을 필요로 하는 상기 네트워크의 각 노드)은 바람직하게는 이웃하는 각 노드, 예를 들면, 노드 N2 그리고 N3 그리고 N4에 대한 웨이크-업 순간들을 추정한 것들의 이력에 관한 정보를 도 7에서 도시된 것과 같이 이웃하는 노드들 테이블에 저장한다. 상기 테이블의 각 이웃하는 노드 엔트리 각각은 소스 노드로부터 목적지 노드로의 정보 패킷의 제일 마지막 "K" 전송들 "w"에 관련된 (예를 들면, 하나의 행으로 배열된) 정보를 포함한다; 그런 정보는 소스 노드에 의해 만들어진 각 전송의 직전의 웨이크-업 순간들의 추정들 (
로 표시됨), 상기 목적지 노드에 의해 만들어진 연속의 웨이크-업 순간들 사이의 구간의 지속시간 측정들 (
로 표시됨), 목적지 노드의 동작 스케줄 주기 (P로 표시)를 포함한다. 그 주기는 오랜 시간 동안에 대해서는 (심지어는 영원하게) 일정한 것으로 간주되며, 그러므로, 각 엔트리에 대해 하나의 값만이 저장된다; 어쨌든, 그런 테이블은 어떤 이유에서건 (예를 들면, 배터리들의 로우 레벨) 상기 주기가 상기 목적지 노드에 의해 시간마다 변경될 수 있을 확률을 제공한다.
바람직하게는 상기 소스 노드, 예를 들면 N1 로부터 목적지 노드, 예를 들면 N2로의 정보 패킷의 각 전송 "w"에서 (또는 적어도 몇몇의 전송들에서), 상기 소스 노드로부터의 프리앰블의 수신한 것에 응답하여 상기 목적지 노드에 의해 상기 소스 노드로 전송되는 수신확인 ACK에 적절한 정보가 포함된다; 상기 정보 패킷의 페이로드를 전송하기 이전에, 적어도 하나의 프리앰블이 상기 소스 노드에 의하여 상기 목적지 노드로 항상 전송된다.
그런 정보의 예는 도 8에 도시되며, 
, 
, P를 포함한다. 상기 목적지 노드의 주기 P는 그 주기가 상기 소스 노드에 의해 고정되며, 미리 결정되고 그리고 알려진다면 수신확인 ACK에 포함되지 않을 수 있을 것이다; 어쨌든, 도 8에 도시된 정보는 어떤 이유에서건 (예를 들면, 배터리들의 로우 레벨) 상기 주기가 상기 목적지 노드에 의해 시간마다 변경될 수 있을 확률을 제공한다.
수신확인 ACK 내에 포함된 그런 측정된 정보 (
, 
로 표시됨)를 기반으로 하여, 소스 노드, 예를 들면, N1에서 추정들 (
로 표시됨)이 만들어진다.
목적지 노드, 예를 들면, N2로부터 수신한 정보의 일부 (
, 
, P로 표시됨)는 상기 테이블의 (상기 목적지 노드에 대응하는) 적절한 행에 그와 같이 저장되며, 몇몇의 추정들 (
로 표시됨) 또한 상기 테이블의 (상기 목적지 행에 대응하는) 적절한 행에 또한 저장된다; 어떤 목적지 노드로부터의 마지막 K 개의 전송들만이 고려되며, 그러므로, 가장 오래된 데이터는 가장 최근의 데이터로 교체된다.
상이하지만 동등한 정보가 상기 목적지 노드에 의해 상기 수신확인 ACK로 포함되어 전송되며, 상이하지만 동등한 정보가 소스 노드에 의해 상기 테이블에 저장될 수 있을 것이라는 것에 유의해야 한다.
수신확인에 포함된 정보 (도 8)를 기반으로 하여 테이블 (도 7)을 업데이트하기 위해 소스 노드, 예를 들면, N1에 의해 사용되는 절차의 흐름도가 도 9에 도시된다.
상기 목적지 노드, 예를 들면 N2로부터의 수신확인 ACK를 소스 노드, 예를 들면, N1에 의해 수신하면 (도 9의 단계 901), 상기 목적지 노드, 예를 들면, N2에 대응하는 상기 테이블의 행에 있는 데이터는 업데이트된다; 상기 소스 노드, 예를 들면, N1은 각 엔트리 wj 를 wj-1 (
)로 대체하며 (도 9의 단계 902), 그리고 수학식 1을 이용하여 
을 추정하며 (도 9의 단계 903) (도 6의 흐름도 참조), 결국 
그리고 
(그리고 만일 수신했다면 P) 값을 이웃하는 노드들의 테이블로 삽입한다 (도 9의 단계 904); 테이블의 행 내에서 데이터를 이동시키는 것 대신에, 포인터-시프트 (pointer-shift) 접근방식이 원형 버퍼들에 대한 것처럼 대안으로 사용될 수 있을 것이다.
웨이크-업 순간 추정들의 이력을 프로세싱하는 동안 고려해야만 하는 두 가지 유형의 오차들이 존재한다: 타임 오프셋 오차 및 클락 드리프트 오차. 타임 오프셋 오차는 상기에서 언급된 변수 
에 대응한다. 상기 테이블 내의 각 이웃 엔트리에 대한 웨이크-업 순간 "j" 추정 
과 연관된 상기 오차는 
로 라벨이 붙여지며, 
에 대응한다.
클락 드리프트는 소스 노드와 전송기 노드의 클락 주파수들에서의 차이로부터 유래된다.
숫자 K의 값은 어떤 두 노드들 사이에서의 패킷 전송들의 빈도와 시간에 따른 클락 주파수 편차를 기초로 하여 선택될 것이다.
노드가 정보 패킷을 전송하기를 원할 때에, 그 노드는 목적지 노드의 다음의 웨이크-업 순간을 추정한다 (도 10).
다음에, 목적지 노드의 동작 스케줄 주기 P (어웨이크 (awake) 구간 및 다음의 슬립 구간의 합)는 소스 노드로부터 목적지 노드로의 두 개의 연속적인 정보 패킷들 전송 사이 동안에는 적어도 일정하다고 가정한다.
마지막 웨이크-업 순간 이후의 주기들의 개수는 다음의 수학식 2에 의해 계산되는 숫자보다 더 크거나 같은 정수이다.
(이 식은 도 10의 단계 1001에서 계산된다)
이 경우 curr_time 은 정보 패킷이 전송될 준비가 된 시점을 나타낸다. 그러면 그 다음의 웨이크-업 순간이 다음의 수학식 3에 의해 추정된다.
(도 10의 단계 1003에서 계산됨)
이 경우 
는 목적지 노드의 클락 주파수와 소스 노드의 클락 주파수간의 추정된 차이이다; 그런 추정은 웨이크-업 순간들 사이의 시간 구간들을 기반으로 하여 그리고 목적지 노드에서 측정된 이런 구간들의 지속시간을 다음과 같이 비교한 것을 기반으로 하여 만들어질 수 있을 것이다:
(이 식은 도 10의 단계 1002에서 계산된다)
예를 들면, 
(
)가 독립적인 정규 분포 
를 구비한다고 가정하면, 
에 대한 99% 신뢰성 구간은 
이다.
더 나아가, 
에 대해 
이고, 계산을 쉽게 하기 위해 T=NP이면, 
에 대한 99% 신뢰성 구간은 
이다.
그러므로, 다음의 관계가 성립한다.
(이 식은 도 10의 단계 1004에서 계산된다)
이는 K 가 충분하게 크게 선택되면, 예를 들어, 10으로 선택되면, 클락 드리프트로 인한 오차는 충분하게 보상될 것이며, 그래서 그 오차는 신뢰성 구간 계산에서는 무시될 수 있다.
소스 노드, 예를 들면, N1은 실제의 시각이 시간 순간 
보다 이미 더 늦었는가의 여부를 검사하고 (도 10의 단계 1005); 만일 예 (YES)이면, 전송은 즉시 시작되며 (도 10의 단계 1006); 만일 아니오 (NO)이면, 전송은 그 시간 순간에 시작된다 (도 10의 단계 1006); 전송을 즉각적으로 시작하는 것 대신에 추가의 주기 P 동안 전송을 지연시키는 것이 가능할 수 있을 것이다.
표준 편차 
가 1 msec 이면, 노드는 전송이 0.99보다 더 높은 확률을 가지고 시작된 이후에 목적지 노드가 깨어나는 것을 보장하기 위해, 추정된 웨이크-업 순간 이전의 약 5 msec에 상기 전송을 시작해야만 하며, 이는 목적지 노드의 슬립 시간보다 아주 더 작다 (WPAN/WSN 네트워크에서의 노드의 슬립 시간은 보통은 초의 차수이다).
듀티-싸이클 (duty-cycled) WSN 네트워크들에 대한 MAC 프로토콜의 알려진 특징들은 본 발명의 상세한 설명의 시작 부분에서 X-MAC과 WiseMAC에 관련하여 언급한 두 개의 논문들에서 찾아볼 수 있다. 이미 말한 것과 같이, 본 발명의 다른 모습에 따르면, 본 발명은 네트워크 노드에도 또한 관련된다. 도 11은 그런 네트워크 노드 (NN)의 일 실시예의 구조를 개략적으로 도시한다.
이 노드는 노드 (NN)의 모든 회로에 전력을 공급하기 위한 배터리 (BAT)를 포함한다. 트랜시버 (RTX) (안테나에 연결된다)는 노드 (NN)가 다른 네트워크 노드들과 통신하도록 한다.
노드 (NN)의 듀티-싸이클 동작은 상기 트랜시버 (RTX)에 연결된 제어 및 프로세싱 유닛 (CPU)에 의해 제어된다; 유닛 (CPU)은 데이터 및 프로그램용의 메모리 (MEM)에 또한 연결된다 (이 메모리는 휘발성 섹션과 비휘발성 섹션을 포함할 수 있을 것이다).
메모리 (MEM)는 도 7에 도시된 것과 같은 테이블 (TAB)을 또한 포함한다; 테이블 (TAB)은 노드 (NN)에 이웃하는 노드들의 일부 또는 모두에 관련된 동작 스케줄 주기 정보 그리고 클락 드리프트 정보 그리고 타임 오프셋 정보 (또는 그 정보들로부터 유도되는 정보)를 적어도 포함하며; 테이블 (TAB)의 내용은 다른 네트워크 노드들로, 그 다른 네트워크들의 동작 스케줄들과 함께 실질적으로 동기되어 정보 패킷들을 전송하는 것을 허용하기 위해 유닛 (CPU)에 의해 사용된다.
노드 (NN)는 자신의 동작 타이밍을 위한 그리고 시간을 측정하기 위한 클락 신호 (CLK)를 수신하는 타이머 (TM)를 포함한다; 클락 신호 (CLK)는 석영 결정 (X)을 통해서 생성된다.
타이머 (TM)는 트랜시버 (RTX)에 연결되어, 노드 (NN)의 듀티-사이클 동작을 결정한다.
유닛 (CPU)은 타이머 (TM)와 메모리 (MEM) (특히 테이블 (TAB))에 연결되어, 시간 구간들의 지속시간 측정하고 그리고 정보 패킷들의 전송의 시간 순간들을 결정하도록 한다.
메모리 (M)는 프로그램을 포함하여, 이 프로그램을 동작시킬 때에 유닛 (CPU)은 본 발명에 따라서 전송 방법을 구현할 것이다.
Claims (22)
- 비동기식 무선 통신 네트워크 내에서 제1 노드 (N1)로부터 제2 노드 (N2)로, 프리앰블 (preamble) 섹션을 포함하는 정보 패킷을 전송하는 방법으로서,
상기 노드들 각각은 자신의 동작의 타이밍을 위해 클락 (clock) 신호들을 이용하고,
적어도 상기 제2 노드 (N2)는 간헐적인 동작을 하는 무선 트랜시버를 포함하며,
상기 간헐적인 동작은 어웨이크 (awake) 구간들과 슬립 (sleep) 구간들의 주기적인 시퀀스에 대응하며,
상기 정보 패킷은 상기 제1 노드 (N1)에 의해 전송될 준비가 되어 있을 때에,
- 상기 제1 노드 (N1)는, 상기 제1 노드 (N1)로부터 상기 제2 노드 (N2)로의 적어도 하나의 이전의 정보 패킷 전송을 통해, 상기 제2 노드 (N2)의 어웨이크 구간의 시작 시각을 추정하며,
- 상기 제1 노드 (N1)는 적어도 상기 추정된 시작 시각을 기반으로 하여 전송 시각을 결정하고, 그리고
- 상기 제1 노드 (N1)는 상기 결정된 전송 시각에 상기 제2 노드 (N2)로 상기 정보 패킷을 전송하는 것을 시작하며,
상기 제1 노드 (N1)는 상기 적어도 하나의 이전의 전송 시에 상기 제2 노드 (N2)로부터 상기 제1 노드 (N1)로 전송된 타임 오프셋 (offset) 정보 및 클락 드리프트 (clock drift)를 적어도 기반으로 하여 상기 시작 시각을 추정하며,
상기 타임 오프셋 정보는 상기 제1 노드 (N1)로부터 상기 제2 노드 (N2)로 전송되는 정보 패킷의 프리앰블 섹션의 수신과 상기 수신 이전의 상기 제2 노드 (N2)의 어웨이크 구간 시작의 사이 구간의 제1 지속시간 (duration)에 대응하며,
상기 제1 지속시간은 상기 제2 노드 (N2)에 의해 측정되며,
상기 클락 드리프트 정보 (C)는 상기 제2 노드 (N2)에 의해 만들어진 연속의 웨이크-업 순간들 사이의 제2 구간의 제2 지속시간에 대응하며,
상기 제2 구간은 상기 제1 노드 (N1) 그리고 상기 제2 노드 (N2)에게 알려져 있으며,
상기 제2 지속시간은 상기 제2 노드 (N2)에 의해 측정되거나 추정되는 것을 특징으로 하는, 정보 패킷 전송 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 노드 (N1)로부터 상기 제2 노드 (N2)로의 정보 패킷 전송 시에, 상기 제1 노드 (N1)는 상기 제2 노드 (N2)로부터 적어도 상기 타임 오프셋 정보와 상기 클락 드리프트 정보를 수신하며, 그리고
상기 제1 노드 (N1)는 상기 제1 노드 (N1)로부터 상기 제2 노드 (N2)로의 정보 패킷들의 여러 이전의 전송들을 통해 그리고 상기 수신한 타임 오프셋 정보와 클락 드리프트 정보를 적어도 기반으로 하여 상기 시작 시각을 추정하는, 정보 패킷 전송 방법. - 제1항에 있어서,
상기 시작 시각은, 상기 제2 노드 (N2)로의 이전의 정보 패킷 전송에 관련된 시각을 타임 오프셋 오차에 더하고, 그리고 클락 드리프트 오차 (C)와 상기 제1 노드 (N2)의 상기 주기적인 시퀀스에 관련된 주기 (P)의 곱 그리고 정수 (N)의 곱에 더하여 계산되며,
상기 정수 (N)는 상기 시작 시각이 현재의 시각보다 더 늦도록 선택되는, 정보 패킷 전송 방법. - 제1항에 있어서,
상기 전송 시각은 상기 추정들에서의 신뢰성을 고려한 선행 시간을 또한 기반으로 하는, 정보 패킷 전송 방법. - 제2항에 있어서,
상기 제1 노드 (N1)는 발생된 이전의 전송 중 가장 최근의 전송을 통해서 상기 시작 시각을 추정하는, 정보 패킷 전송 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 노드 (N1)로부터 상기 제2 노드 (N2)로의 정보 패킷 전송 시에,
상기 제1 노드 (N1)는 상기 제2 노드 (N2)로부터 적어도 상기 타임 오프셋 정보와 상기 클락 드리프트 정보를 수신하며 그리고 그 수신한 정보를 저장하거나 또는 그 수신한 정보로부터 유도되는 정보를 저장하는, 정보 패킷 전송 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 노드 (N1)로부터 상기 제2 노드 (N2)로의 정보 패킷 전송 시에,
상기 제1 노드 (N1)는 상기 제2 노드 (N2)로부터 상기 제2 노드 (N2)의 주기적인 시퀀스에 관련된 주기 정보 (P)를 수신하여 또한 저장하며, 그리고
상기 제1 노드 (N1)는 상기 저장된 주기 정보 (P)를 또한 기반으로 하여 상기 시작 시각을 추정하는, 정보 패킷 전송 방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제2 지속시간은 상기 제1 노드 (N1)에 의해서도 또한 측정되거나 추정되며, 그리고
상기 클락 드리프트 (C)는 상기 제1 노드 (N1)에 의한 상기 제2 지속시간의 측정이나 추정과 상기 제2 노드 (N2)에 의한 상기 제2 지속시간의 측정이나 추정 간의 비율에 비례하는, 정보 패킷 전송 방법. - 제10항에 있어서,
상기 클락 드리프트 (C)는 상이한 제2 지속시간들에 대응하는 비율들의 평균값에 비례하는, 정보 패킷 전송 방법. - 제1항에 있어서,
상기 클락 드리프트 정보는, 상기 제2 노드 (N2)의 제1 어웨이크 구간 [이 구간 동안에 상기 제1 노드 (N1)로부터의 정보 패킷이 상기 제2 노드 (N2)에 의해 수신된다] 의 시작과 상기 제2 노드 (N2)의 제2 어웨이크 구간 [이 구간 동안에 상기 제1 노드 (N1)로부터 다음 정보 패킷이 상기 제2 노드 (N2)에 의해 수신된다] 의 시작의 사이 구간의 지속시간에 대응하는, 정보 패킷 전송 방법. - 제1항에 있어서,
정보 패킷은 프리앰블 섹션을 포함하며,
상기 프리앰블 섹션은 고정된 미리 정해진 지속시간을 갖는, 정보 패킷 전송 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 노드 (N1)는 상기 타임 오프셋 정보와 상기 클락 드리프트 정보 또는 복수의 이웃하는 노드들에 대해서 상기 정보들로부터 유도되는 정보를 저장하는, 정보 패킷 전송 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 노드 (N1)는 상기 타임 오프셋 정보와 상기 클락 드리프트 정보 그리고 주기 정보 또는 복수의 이웃하는 노드들에 대해서 상기 정보들로부터 유도되는 정보를 저장하는, 정보 패킷 전송 방법. - 제1항에 있어서,
상기 비동기식 무선 통신 네트워크는 WPAN (Wireless Personal Area Network) 네트워크이며, 특히 지그비 (ZigBee) 네트워크인, 정보 패킷 전송 방법. - 동작 타이밍 및 시간 측정을 위한 클락 신호 (CLK)를 생성하는 타이머 (TM)를 포함하는, 비동기식 무선 통신 네트워크용의 네트워크 노드 (N1)로서,
다른 네트워크 노드 (N2)로부터 그 다른 네트워크 노드 (N2)에 관련된 타임 오프셋 정보와 클락 드리프트 정보를 적어도 수신하도록 구성된 트랜시버 (RTX),
적어도 상기 수신한 타임 오프셋 정보 및 클락 드리프트 정보 또는 상기 수신한 타임 오프셋 정보 및 클락 드리프트 정보로부터 유도된 정보를 저장하도록 구성된 메모리 (MEM), 및
상기 타이머 (TM)에 그리고 상기 메모리 (MEM)에 연결되어 상기 저장된 정보를 기반으로 하여 상기 다른 네트워크 노드 (N2)에 정보 패킷들을 전송하는 시각을 결정하는 제어 및 프로세싱 유닛 (CPU)을 포함하며,
상기 정보 패킷은 프리앰블 (preamble) 섹션을 포함하며,
상기 타임 오프셋 정보는 상기 제1 노드 (N1)로부터 상기 제2 노드 (N2)로 전송되는 정보 패킷의 프리앰블 섹션의 수신과 상기 수신 이전의 상기 제2 노드 (N2)의 어웨이크 구간 시작의 사이 구간의 제1 지속시간 (duration)에 대응하며,
상기 제1 지속시간은 상기 제2 노드 (N2)에 의해 측정되며,
상기 클락 드리프트 정보 (C)는 상기 제2 노드 (N2)에 의해 만들어진 연속의 웨이크-업 순간들 사이의 제2 구간의 제2 지속시간에 대응하며,
상기 제2 구간은 상기 제1 노드 (N1) 그리고 상기 제2 노드 (N2)에게 알려져 있으며,
상기 제2 지속시간은 상기 제2 노드 (N2)에 의해 측정되거나 추정되는 것을 특징으로 하는, 네트워크 노드. - 제17항에 있어서,
상기 메모리 (MEM)는 상기 다른 네트워크 노드 (N2)로부터 수신한 타임 오프셋 정보와 클락 드리프트 정보 그리고 주기 정보 (P) 또는 상기 다른 네트워크 노드 (N2)에 관련하여 상기 정보들로부터 유도되는 정보를 저장하도록 구성된, 네트워크 노드. - 제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 메모리 (TAB)는 하나 이상의 이웃하는 노드들 (N2, N3, N4)에 관련된 동기화 정보를 저장하도록 구성되며, 상기 동기화 정보는 상기 하나 이상의 이웃하는 노드들 (N2, N3, N4) 각각으로 정보 패킷들을 전송하기 위해 사용될 것인, 네트워크 노드. - 제17항에 있어서,
상기 제어 및 프로세싱 유닛 (CPU)은 제1항 내지 제7항, 제10항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 프로그램된, 네트워크 노드. - 제17항에 있어서,
상기 제어 및 프로세싱 유닛 (CPU)은 다른 네트워크 노드 (N2)로부터 정보 패킷들을 수신할 때에 그 다른 네트워크 노드 (N2)에 관한 타임 오프셋 정보 그리고 클락 드리프트 정보를 결정하도록 구성되며, 그리고
상기 트랜시버 (RTX)는 적어도 상기 결정된 정보를 상기 다른 네트워크 노드 (N2)로 전송하도록 구성된, 네트워크 노드. - 제21항에 있어서,
상기 트랜시버 (RTX)는 상기 다른 네트워크 노드 (N2)로 주기 정보 (P)를 또한 전송하도록 구성된, 네트워크 노드.
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