KR101510899B1 - 근거리 네트워크 통신 환경에서의 자기조직적 자원 접속 장치 및 방법 - Google Patents

근거리 네트워크 통신 환경에서의 자기조직적 자원 접속 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 통신 시스템에서 통신 자원 접속을 위한 것으로, 특히 근거리 통신을 사용하는 주변장치 및 센서의 자원 접속 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 적어도 둘 이상의 노드가 서로 데이터를 송수신하는 근거리 네트워크 통신 환경에서 각 노드가 자기조직적 자원 접속하여 데이터를 전송하는 방법에 있어서, 제1 노드가 상기 근거리 네트워크에 연결된 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송을 인지하는 과정과, 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점이 상기 적어도 하나의 다른 노드의 데이터 전송 시작 시점과 겹치지 않도록 상기 적어도 하나의 다른 노드의 데이터 전송 시작 시점에 따라서 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점을 조정하는 과정을 포함하되, 상기 제1 노드는 상기 조정된 데이터 전송 시작 시점에 상기 적어도 하나의 다른 노드에 데이터를 전송한다.
자기조직적, 위상, 노드

Description

근거리 네트워크 통신 환경에서의 자기조직적 자원 접속 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SELF-ORGANIZING CHANNEL MANAGEMENT IN SHORT RANGE COMMUNICATION ENVIRONMENT}
본 발명은 통신 시스템에서 통신 자원 접속을 위한 것으로, 특히 근거리 통신을 사용하는 주변장치 및 센서의 자원 접속 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로 사용되는 대표적인 근거리 통신은 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee) 및 BAN(Bady Area Network) 등이 있다. 이러한 근거리 통신은 셀룰러 통신과 같이 복잡한 MAC 알고리즘을 구현하기가 어렵기 때문에, 가능한 단순하면서도 시스템의 목적을 당성 할 수 있는 시스템의 설계가 중요시 되고 있다. 특히, BAN은 통신이 가능한 범위가 작은 반면, 초저전력 구현이 가능한 시스템 구현이 가능하다. 상기에 언급된 근거리 통신에 대하여 구체적으로 살펴보면 하기와 같다.
블루투스는 기본적으로 마스터 노드(Master Node)와 슬레이브 노드(Slave Node)를 시간으로 구분한 슬롯에 각각 할당하는 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식을 사용한다. 하나의 슬롯은 시간 구간으로 625usec의 길이를 가지고 있다. 홀수 슬롯은 마스터 노드에게, 짝수 슬롯은 슬레이브 노드에게 할당이 된다. 또한, 다수의 슬레이브 노드를 지원하기 위하여 79개의 1MHz 다중 채널을 주파수 상에서 구성하고, 매 슬롯마다 다른 채널로 홉핑(Hopping)하여 슬레이브 노드 간 충돌 확률을 감소시킨다. 하지만, 잦은 채널 홉핑은 전력소모를 증가시켜 센서 등 전력 제한적인 환경에서 사용이 용이하지 않다. 또한, 서로 다른 트래픽 요구사항을 가지는 다수의 노드를 지원하는 경우, 고정된 TDMA 할당 방식은 비어있는 슬롯을 발생시킬 수 있고, 이를 해결하기 위해 가변적인 TDMA 할당 방식을 사용할 경우, 제어 신호의 부하가 증가하게 되는 문제점이 생긴다.
지그비는 제한된 전력과 낮은 데이터 전송률이 적용되는 환경에서의 무선 접속을 위한 저비용 통신 시스템을 지향한다. 채널 접속 방식은 CSMA/CA(Carrier Sensing Multiple Access/Collision Avoidance) 외에, TDMA 방식에 기초한 GTS(Guaranteed Time Slot)을 제공하여, CSMA/CA의 단점인 실시간 데이터 트래픽을 위한 QoS(Quality of Service) 보장 측면을 보완해주고 있다. 하지만, 마스터 노드에 대한 GTS 요청 과정을 거쳐야하고, 매 수퍼 프레임(Super Framed)마다 GTS 할당 노드 수와 할당 슬롯 정보를 알려줘야 하는 번거로움이 있다. 슬레이브 노드의 수가 자주 변하거나 각 슬레이브 노드의 요구 전송률이 서로 다르거나, 고정 전송률 대신 가변 전송률을 요구할 경우, GTS 할당에 의한 시스템 성능은 감소하게 된다. 또한 CSMA/CA는 노드 개수와 트래픽 부하에 대한 확장성은 우수하지만, 충돌 방지를 위해 다른 노드의 전송을 감지할 경우, IFS(Inter Frame Spacing)와 임의의 슬롯 수의 대기시간이 경과한 후 전송을 수행하기 때문에 시간에 대한 자원 효율성이 좋지 않은 문제점이 생긴다.
BAN은 IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers) 802.15.6 TG6 BAN이라는 국제표준으로 표준화를 진행 중이며, 2미터 내외의 인체 주변에서의 통신 네트워크를 통하여 원격 진료 등 의료 서비스와 착용 컴퓨팅(Wearable Computing)을 위한 착용 장비나 모션 센서를 사용하는 엔터테인먼트 서비스를 지향한다. 다양한 서비스 지원성과 환경변화에 대한 적응성을 제공하면서도 초저전력 요구조건을 만족하기 위하여서 기존의 TDMA나 CSMA/CA 방식만으로는 한계가 있어, BAN 표준에 적합한 새로운 자원접속 방법이 제안될 필요성이 있다.
따라서, 본 발명은 BAN 환경에 적합한, 효율적이면서도 단순한 자원 접속 장치 및 방법을 제공하고자 한다. 특히 본 발명은 자기조직화 원리를 응용하여 마스터 노드의 중앙 집중적 제어 없이 각 슬레이브 노드가 동일한 동작 규칙을 수행하여 전송 충돌 없이 자원을 공평하게 접속하는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 견지 따르면, 적어도 둘 이상의 노드가 서로 데이터를 송수신하는 근거리 네트워크 통신 환경에서 각 노드가 자기조직적 자원 접속하여 데이터를 전송하는 방법에 있어서, 제1 노드가 상기 근거리 네트워크에 연결된 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송을 인지하는 과정과, 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점이 상기 적어도 하나의 다른 노드의 데이터 전송 시작 시점과 겹치지 않도록 상기 적어도 하나의 다른 노드의 데이터 전송 시작 시점에 따라서 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점을 조정하는 과정을 포함하되, 상기 제1 노드는 상기 조정된 데이터 전송 시작 시점에 상기 적어도 하나의 다른 노드에 데이터를 전송한다.
본 발명의 다른 견지에 따르면, 적어도 둘 이상의 노드가 서로 데이터를 송수신하는 근거리 네트워크 통신 환경에서 각 노드가 자기조직적 자원 접속하여 데이터를 전송하는 자기조직적 자원 접속 장치에 있어서, 데이터를 송수신하는 입출력부와, 상기 데이터를 송신하기 위해 송신 가능한 신호로 변환하는 변조기(모듈레이터)와, 상기 수신되는 신호를 수신 가능한 데이터로 변환하는 복조기(디모듈레이터)와, 상기 근거리 네트워크에 연결된 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송을 인지하고, 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점이 상기 적어도 하나의 다른 노드의 데이터 전송 시작 시점과 겹치지 않도록 상기 적어도 하나의 다른 노드의 데이터 전송 시작 시점에 따라서 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점의 조정하기 위해 상기 제1 노드를 제어하는 위상 제어부를 포함하되, 상기 위상 제어부는 상기 조정된 데이터 전송 시작 시점에 상기 적어도 하나의 다른 노드에 데이터를 전송한다.
또한, 본 발명의 다른 견지에 따르면, 적어도 둘 이상의 노드가 서로 데리터를 송수신하는 근거리 네트워크 통신 환경에서 각 노드가 자기조직적 자원 접속하여 데이터를 전송하는 자기조직적 자원 접속 시스템에 있어서, 상기 근거리 네트워크에 진입한 적어도 하나의 제2 노드의 적어도 하나의 데이터전송을 인지하는 적어도 하나의 제1 노드와, 상기 적어도 하나의 제1 노드의 적어도 하나의 데이터 전송을 인지하고, 상기 적어도 하나의 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점에 따라서 상기 적어도 하나의 제2 노드의 데이터 전송 시작 시점을 조정하는 상기 적어도 하나의 제2 노드를 포함한다.
본 발명은 인체 주변 통신과 같은 근거리 네트워크 통신 시스템에서 자기조직화의 원리에 따라서 각 노드의 동작 규칙을 정의하여, 이러한 규칙으로부터 결과적으로 나타나는 자원 접속 방법을 통하여 자원할당 부하를 줄이고 노드의 증가에 따른 적응성을 제공하여 충돌을 최소화하는 효과가 있다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
먼저, 각 노드별로 자기 조직화 자원관리를 수행하는 모습을 하기의 도면에 도시하였다. 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기조직화 자원관리 수행을 도시한 예시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, N1부터 N5까지의 5개의 노드들이 자원에 접근하는 상황을 가정한다. 초기에는 임의로 접근을 하게 되지만, 일정 시간이 지나면 시간 자원이 균등하게 나누어지도록 접근하게 된다.
도 1을 참조하면, N1부터 N5까지의 노드들은 각각 자신들만의 동작 규칙을 가지고 있다. 이러한 동작 규칙은 자기조직화 원리에 따라서 전체 변수에 대한 정보 없이 동작이 이루어진다. 예를 들어, 각 노드는 자원에 접근하려는 노드 수가 얼마인지에 대한 정보 없이 전체 시간 주기를 노드 수에 따라 균등하게 나누어 접근한다. 이러한 접근 방법을 자지조직화라고 하고, 전체 변수를 마스터 노드가 제어하거나 각 노드가 알 필요가 없기 때문에 제어 과정에 의한 효율저하를 방지하는 것이 자기조직화 원리에 의한 하나의 장점이다. 각 노드들은 미리 정해진 주기로 동작하기 위해 위상을 제어하기 위한 위상 제어부를 포함하고 있는데, 이를 하기의 구성도 및 흐름도를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 근거리 네트워크 통신에서의 자기조직과 자원할당을 구현한 블록구성도이다.
본 발명에서는 인체 통신(Human Body Communication)과 같은, 모든 노드가 다른 모든 노드의 송신을 비교적 높은 확률로 인지할 수 있는 근거리 통신 환경을 가정하였다.
도 2의 구성도는 입출력부(Tx/Rx Electrode, 201), 데이터소스부(Data Source, 205), 모듈레이터(Modulator, 203), 디모듈레이터(Demodulator, 207), 데이터싱크부(Data Sink, 209) 및 하나 이상의 위상 제어기(Phase Controller, 211, 213)로 구성된다. 위상 제어기는 그 구성적인 특징에 따라서 그 수가 달라질 수 있으며 발진기로 대체할 수도 있다. 본 발명에서는 2개의 위상 제어기가 사용되었다. 각 구성요소를 살펴보면 하기와 같다.
송신하고자 하는 데이터는 모듈레이터(203)를 통하여 전송 가능한 신호로 변환되고, 이렇게 변환된 신호는 입출력부(201)의 출력부를 통하여 전송된다. 이 때, 제1, 제2 위상 제어기(211, 213)는 전송되는 시점에서 해당 노드의 위상값 및 다른 노드들의 수신 시점을 추출하여 다음 전송 시까지 다른 노드와의 수신 시간 간격을 조절하는 역할을 한다. 여기서 다른 노드들의 수신 시점 추출은 입출력부(201)의 입력부에서 수신하게 되며, 이 신호를 디모듈레이터(207)를 이용하여 확인 가능한 데이터로 변환한다. 이 후, 데이터 싱크부(209)에서 데이터 싱크를 맞추어 데이터를 활용한다. 데이터는 데이터소스부(205)에서 저장되어 있던 데이터를 불러온 것이며, 입출력부(201)는 무선 통신의 송수신 안테나에 해당하는 기능을 수행한다. 상기의 구성을 이용하여 각 노드별 자기조직적 자원관리를 수행하는 방법을 구체적으로 살펴보면 하기와 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다른 노드의 전송 수행 여부에 따른 위상 제어를 나타낸 그래프이다.
본 발명에서는 위상 제어기를 2개 사용하여 위상값 Φ 및 Φ'를 구할 수 있다. 제1 위상 제어부의 위상값을 Φ로, 제2 위상 제어부의 위상값을 Φ'로 정의하면, 도 3에서 도시된 바와 같이, 해당 노드에서 시간 t에 대한 위상값 Φ(t) 및 Φ'(t)는 t가 증가할수록 점점 증가하다가, Φ(t)가 임계값 Φth 값과 같거나 커지면 전송을 하게 되고, Φ(t) 및 Φ'(t)는 0으로 초기화된다. 임계값 Φth를 1로 가정하면, Φth(t)는 0에서부터 1까지 T 주기 동안 증가하게 된다. 외부로부터 아무런 전송 감지를 하지 않는 경우, Φ(t)가 1일 때마다 전송을 하게 되므로, 미리 정해진 주기 T에 맞추어 주기적인 전송을 수행하게 된다. T와 2T 의 구간을 살펴보면, 다른 노드의 전송을 인지하여 위상이 D(Φ'(Tev))만큼 조정됨을 볼 수 있다. D(Φ'(Tev))는 다른 노드의 전송을 인지한 시간 Tev에서의 제2 위상 제어부의 위상값 D(Φ'(Tev))'(Tev)의 함수로 정의된다. 즉, 제 1 위상 제어부의 위상값 Φ는 다른 노드의 전송에 의해 갱신되는 값이며, 제2 위상 제어부의 위상값 Φ'는 일정 증가율로 계속 증가하고, 해당 노드가 전송을 할 경우 초기화되는 값을 의미한다. 본 도면에서는 Φ 값이 일정 수만큼 증가하여 전송주기가 더 빨라졌음을 알 수 있다. D(Φ)는 Φ(t)의 1차 함수 또는 그 이상의 함수일 수 있다.
도 3에서와 같이, 본 발명에서는 어떤 노드가 다른 노드의 전송을 감지하게 되면, 자원을 자율적으로 공평하게 나누기 위한 알고리즘에 따라, 자신의 위상 Φ(t)를 계산된 값에 따라 조정하게 된다. 이러한 자기조직화 알고리즘은 여러 가지 방법이 있을 수 있으나, 본 발명에서는 성능과 활용도를 고려하여, 몇 가지 알고리즘 중 최적의 알고리즘을 선택하여 제시한다. 알고리즘의 성능은 얼마나 빨리 동등한 시간 간격으로 전송을 시작하였는가에 따르는 수렴 속도로 알 수 있다. 또한 자원 활용도는 구현에 있어서 메모리를 얼마나 적게 사용하였는가에 따른다. 알고리즘을 구현함에 있어서 위상 Φ(t)를 조정하기 위해 오직 현재 상태에서의 정보만을 사용하도록 설계하면, 메모리 등 자원을 아낄 수 있고, 전력 소모를 줄이는 이점이 있다. 본 발명에서는 위상 Φ(t) 외에 다른 변수를 위한 메모리를 사용하지 않는 방법을 일 예로 들고 있으나, 알고리즘에 따라 추가적인 메모리를 사용할 수도 있음은 물론이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기조직화 자원 할당 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4에서는 해당 노드가 전송을 수행하는 시간을 1로 정의한다.
도 4를 참조하면, 먼저 401단계에서 해당 노드의 위상값 Φ와 Φ'는 시간 t가 0에서 T로 진행됨에 따라서, 위상값 Φ, Φ' 모두 0에서 1이 되도록 선형적으로 증가한다. 403단계로 진행하여 Φ가 1인지의 여부를 판단하게 된다. 만약 Φ가 1이 라면, 405단계에서 해당 노드는 데이터 전송을 수행하고, 407단계로 진행하여 Φ 및 Φ'는 모두 0으로 초기화된다. 이 후, 다시 401단계로 돌아간다.
만약, Φ가 1이 되기 전에 다른 노드의 데이터 전송이 포착되면, 409단계로 진행하여, 다른 노드의 전송을 인지한다. 409단계의 과정에서 Φ가 1이 되기 전까지 다른 노드의 전송이 포착되지 않는다면, 401단계로 돌아간다. 이 후, 411단계에서 현재 위상값인 Φ'을 A로 정의하고, 1-Φ'를 B로 정의하고, 413단계에서 각각 A와 B값을 도출한다. 구하여진 A와 B값을 이용하여 현재 위상값 Φ를 Φ+ρ(B-A)로 업데이트하게 된다. 413단계의 현재 위상값 Φ는 Φ+ρ(1-2Φ')로 나타낼 수 있으나, 다른 노드의 전송시간과의 간격을 고려하여 위상을 조정함을 표현하기 위하여 두 단계로 나타내었다. 413단계에서 위상값의 업데이트가 완료되면, 410단계로 돌아간다. 상기의 과정은 데이터 전송이 종료될 때까지 반복 수행된다.
즉, 상기의 과정은 Φ(t)=Φ'(t)+SUM(D(Φ'(t')))로 나타낼 수 있고, D(Φ'(t'))=ρ(1-2Φ'(t'))이며, SUM(D(Φ'(t')))은 이전 송신과 다음 송신 사이에 일어나는 다른 노드의 송신 인지 시간 t'={t1, t2, ... ,tm-1}에 대하여 D(Φ'(t'))를 모두 합한 값이 된다. 즉, Φ(t)는 원래 예정되었던 Φ'(t)의 위상 변화에 비해 SUM(D(Φ'(t')))만큼의 변이를 가지게 된다.
상기 도 4의 흐름도의 좀 더 원활한 이해를 위하여 상기 설명한 흐름도에 도시된 과정 이용한 초기 동작을 도 5에 도시하였다. 상기에서도 설명한 바와 같이 본 발명에서는 BAN과 같은 매우 근접한 거리 내에서 통신 네트워크가 형성되므로, 각 노드 간의 송신의 수행을 인지하고 있음을 전제로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 각 노드별 자기조직화 알고리즘에 의한 위상 동작을 나타낸 그래프이다.
도 5에서는 3개의 노드를 고려하였고, 모두 30msec의 주기를 가진다고 가정하고, 각 노드의 초기 전송 시간을 각각 0msec, 5msec 및 10msec로 가정한다. 주기 T=30msec이므로, 위상값 Φ 및 Φ'의 증가율은 공통으로 Δ=1/30임을 알 수 있다. ρ는 위상값 Φ의 갱신 정도를 조절하기 위한 것으로 본 발명에서는 0.1로 설정하였다.
도 5를 참조하면, 노드 1이 0msec부터 동작을 시작하고, 노드 2가 5msec에 전송을 시작하고, 노드 3가 10msec에 전송을 시작한다. 노드 1이 노드 2의 전송을 감지하였을 경우, 노드 1에서 노드 2까지의 시간차가 5msec이므로, 상기 도 4의 흐름도에 따라서 최초, 노드 1에서 A는 5Δ=5/30으로, B는 25Δ=25/30으로 계산이 되고, 이를 바탕으로 위상 Φ는 Φ'+ρ(5/30-25/30)으로 계산된다. 즉, Φ는 Φ'-2/30으로 계산되어 업데이트 된다.
이어서 노드 1에서 노드 3의 전송을 감지하였을 경우, 노드 1에서 노드 3까지의 시간차가 10msec이므로, 상기 도 4의 흐름도에 따라서 노드 1에서 A는 10Δ=10/30으로, B는 20Δ=20/30으로 계산이 되고, 이를 바탕으로 위상 Φ는 노드 2의 전송을 인지하였을 때 업데이트된 위상값을 Φ'+2/30+ρ(10/30-20/30)으로 계산하여 업데이트 한다. 즉, Φ는 Φ'+3/30으로 계산되어 업데이트 된다.
이제 다시 노드 1이 전송할 순서가 되는데, 다른 노드들의 전송을 인지하여 위상값을 업데이트함에 따라서, Φ'+3/30으로 위상값이 업데이트되어 있는 상태이다. 이는 다른 노드들의 전송에 영향을 받지 않았을 경우의 위상값에 비해 3/30만 큼 위상값이 커진 상태이므로, 원래 한 주기에 걸리는 전송시간인 30msec가 27msec로 변경된다. 이와 같은 과정을 각 노드별로 실시하여 반복하게 되면 주기가 지남에 따라서 각 노드들 간의 전송시간 간격이 동일하게 됨을 알 수 있다.
노드 2의 경우에는 노드 3을 먼저 인지하고, 추 후, 한 주기가 지나서 노드 1을 인지하게 된다. 노드 3은 한 주기가 지나고 노드 1을 인지하고, 이 후, 노드 2를 인지한다. 노드 2와 노드 3의 계산 과정은 상기 노드 1의 계산 과정과 동일하므로, 생략한다. 이를 하기의 표에 표시하였다.
주기 노드 1 노드 2 노드 3
1 0 5 10
2 27 34.4 42.28
3 55.536 64.203 73.316
4 84.825 94.150 103.785
표 1에 표시된 바와 같이, 3개의 노드를 고려한 환경에서 도 4에서 설명한 바와 같이, 총 30msec의 주기를 가지고, 노드 1이 0msec부터 동작을 시작하고, 노드 2가 5msec에 전송을 시작하고, 노드 3이 10msec에 전송을 시작함을 전제로 하였을 경우, 전송 시간의 추적 결과를 알 수 있다. 단위는 상기와 같은 msec로 통일한다. 상기 표 1을 이용하여 각 노드 간 전송시간 간격을 수치로 나타내면 하기의 표와 같이 나타낼 수 있다.
주기 노드1 - 노드2 노드2 - 노드3 노드3 - 노드1
1 5 5 17
2 7.4 7.88 13.256
3 8.667 9.113 11.509
4 9.325 9.635 10.698
표 2에 표시된 바와 같이, 주기가 증가하면 증가할수록 각 노드간 전송시간의 간격 차가 줄어듦을 알 수 있다. 이는 노드 숫자가 증가하여도 같은 원리로 진행되므로 동등 분할이 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주기 횟수에 따른 위상 동작을 나타낸 그래프이다.
도 6에서는 노드의 개수를 10으로 가정하고, 주기 시간을 1.5msec으로 가정하여 시뮬레이션을 수행하여 그 수행한 동작의 주기횟수에 따른 그래프를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 15 주기(0.75msec) 이후에서부터 0.01 위상의 오차 내로 진입함을 알 수 있고, 이는 시간 단위로 15usec의 오차를 가지며, 보통의 센서 네트워크에서 목표하는 시간동기 오차가 수십 usec인 점을 감안할 경우, 더 우수한 성능을 보임을 알 수 있다. 또한, 시간동기를 위한 제어신호와 지원할당을 위한 제어신호를 사용하지 않으므로 실제 사용 가능한 데이터 전송성능은 더 우수함이 당연하다.
상기의 본 발명에서 제시한 실시예의 알고리즘은 접속 지연이나 자원 할당 정보를 감소시킴으로써 전력 감소 효과를 얻을 수 있지만, 알고리즘의 구성 상 모든 노드들이 송신 시간 외의 시간에 항상 다른 노드의 송신 여부를 알아채기 위한 인지(Listening)상태를 유지하여야 하는 부가적인 전력소비가 예상될 수 있다. 이에, 인지 제어부의 제어동작을 다른 방법으로 구현하여 성능저하가 없는 한 인지 상태를 가능한 줄임으로써, 상당한 전력 감소 효과를 추가적으로 얻는 방법을 또 다른 실시예로써 제안한다.
도 7 의 앞서 제시한 자기조직적 자원접속 알고리즘의 동작을 참조하면, 송신구간 외 모든 시구간이 인지 구간으로 설정되어 있다. 항상 인지상태를 유지하면서 다른 노드의 송신 여부를 인지할 때 위상값을 제어하여야 목적하는 동등 간격 자원 접속이 가능해지기 때문이다. 다라서 초기의 자기조직적 자원접속 알고리즘은 인지상태에서 필요전력이 큰 시스템일 경우, 상당한 전력소모가 예상된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 슬롯(slot)단위에 한번씩 짧은 구간에 걸쳐 인지를 행하는 방식을 적용하고자 한다. 인지구간은 슬롯 시간(slot time length)마다 반복되므로 인지 가능성을 100%로 높이기 위해서, 송신 시에 적어도 슬롯 길이만큼의 자원점유가 필요하다. 도 8는 이러한 슬롯 기반 자기조직적 자원접속 알고리즘의 기본적인 동작을 보여주고 있다. 예를 들어 슬롯 시간이 20msec, 인지시간이 1msec이 소요되므로, 대략 1/20만큼의 작은 전력소모를 하게 된다. 하지만 도 9에서 알 수 있듯이, 슬롯 기반에서는 송신을 슬롯에 맞춰서 수행하려고 하면 원하는 만큼 세밀한 제어가 어렵게 되는 것이다. 또한, 송신 시각을 정밀하게 제어하되, 송신 시각 변화에 따라 인지주기를 변경하게 되면, 시간에 걸쳐 공평한 인지 기회를 제공할 수 없다. 따라서, 도 9의 하단부 혼합(Hybrid)방식과 같이, 송신 시각은 연속적인 값으로 세밀하게 제어를 하고, 인지주기는 처음 시스템에 참여했을 때 정해진 대로, 도중에 변경이 없이 주기적인 인지를 하는 방식을 고안하였다.
도 10,11은 슬롯 기반 자기조직적 자원접속 알고리즘의 성능을 나타낸 것이다.
10개의 노드들이 모두 400msec의 시스템 주기를 가지고 동작할 때, 가로축의 슬롯 시구간 또는 인지주기를 1msec부터 12msec까지 늘리면서 성능을 보여주고 있다. 슬롯 시구간이 4msec이상 커지면서 모든 노드들이 시간적으로 주기성을 확보하지 못하고 흘러가는(drifting) 양상을 보이다가 10msec이상에서는 노드들의 송신시간이 겹치면서 정상적인 동작을 보이지 못한다. 반면 도 11는 혼합방식(Hybrid) 자기조직적 자원접속 알고리즘이 구동되었을 때 10msec이상에서도 안정성을 확보한 동작 모습을 보여준다. 하지만, 여전히 흐르기(drift)양상을 보여주고 있는데, 이는 혼합방식에서라도 인지시각과 실제 송신시각과 차이가 발생할 수 있기 때문이다.
도 12는 송신시각 인지 오차 상황에 대한 도해이다. 항상 인지 상태에 있지 않고 주기적으로 깨어나서 인지를 하기 때문에, 그림과 같이 실제 송신 시각과 인지한 시각에 슬롯 시구간보다 작은 값의 오차가 발생하게 된다. 이 오차가 알고리즘의 동작에 영향을 주어 원하는 목표를 달성하기 어렵게 한다. 따라서, 전력을 다소 사용하더라도 정확한 송신 시각을 파악하기 위해, 부인지(sub-listening)알고리즘을 추가하여 문제를 해결하고자 한다.
도 13는 부인지 알고리즘의 대략적인 동작을 나타낸다.
각 노드는 슬롯이 시작할 때 다른 노드의 송신 여부 인지를 시도한다. 만약, 다른 노드가 송신하고 있음을 인지하면, 해당 슬롯 내에서 슬롯 시구간 내에서 동일간격으로 추가적인 인지시도를 한다. 본 실시예 에서는 부인지 사이 간격을 3.333msec라 할 때, 슬롯 내에서 5번의 추가적인 인지 시도를 하여, 총 6번의 부인지를 수행하게 된다. 실시 횟수는 본 발명에서 정확도를 향상하기 위한 복수의 횟수를 선택적으로 실시한 것이지 횟수를 한정하는 것은 아니다.
이러한 부인지 알고리즘을 추가함으로 인해, 도 14에서와 같이, 부인지 횟수에 따라 성능이 향상됨을 알 수가 있다. 본 실시 예에서는 슬롯 시구간이 10msec이며, 10개의 노드가 참여하는 상황에서 한 슬롯 내의 부인지 횟수가 5이상부터 정상적인 동작을 보임을 알 수 있다.
상기 제안한 방법은 혼합방식에 부인지 알고리즘을 추가하여, 전력소모를 최소한으로 줄이면서도 발명이 목적하는 바를 달성할 수 있도록 고안된 것이다. 이 방법을 '초저전력을 위한 자기조직적 자원접속 알고리즘'이라고 한다. 상기 제안한 방법에 대한 논리도는 도 15와 같다. 사용된 변수에 대한 설명은 아래와 같다.
Φ : 위상제어기 1의 위상값
Φ` : 위상제어기 2의 위상값
Φslot : 슬롯 시구간만큼의 위상변화값
Tsub : 슬롯이 시작할 때 0으로 설정되어, 시간에 따라 증가하는 타이머
Dsub : (슬롯시구간)/(한 슬롯 내 부인지 횟수) 로 정의되는 시간 값
도 15를 참조하면, 1501단계에서 해당 노드의 위상값 Φ와 Φ'는 시간 t가 0에서 T로 진행됨에 따라서, 위상값 Φ, Φ' 모두 0에서 1이 되도록 선형적으로 증가한다. 150303단계로 진행하여 Φ가 1이상인지의 여부를 판단하게 된다. 만약 Φ가 1이상이라면, 1505단계에서 해당 노드는 데이터 전송을 수행하고, 1507단계로 진행하여 Φ 및 Φ'는 모두 0으로 초기화된다. 이후 다시 1501단계로 돌아간다.
만약, Φ가 1이하인 경우에는 1509단계로 진행하여 슬롯의 시작 여부를 판단한다. 1509단계에서 슬롯이 시작되면, 1515단계로 진행하여 다른 노드 송신 인지여부를 판단하고, 다른 노드 송신이 인지되지 않으면 다시 1501단계로 돌아간다. 만약 다른 노드 송신이 인지된다면 1517단계로 진행하여 부인지 구간을 시작하여 Tsub을 0으로 설정하여 1501단계로 돌아간다.
1509단계에서 슬롯이 시작되지 않았다면 1511단계로 진행하여 Tsub 값이 n* Dsub 값 이상인지의 여부를 판단한다. 만약 n* Dsub 값이 더 크다면 1523단계로 진행하여 부인지 구간을 유지하면서 Tsub 값을 갱신하고, Tsub 값이 더 크다면 1513단계에서 n 값을 1만큼 증가시킨 후 1519단계로 진행하여 다시 다른 노드 송신 인지여부를 판단한다. 여기서n 값은 부인지 시도 횟수의 증가에 따른 카운터 값으로 정의할 수 있다. 다른 노드 송신이 인지되면 1521단계로 진행하여 슬롯이 끝나는지의 여부를 판단하고 끝나지 않았다면 1523단계로 진행하여 부인지 구간을 유지하면서 Tsub 값을 갱신한다. 1519단계에서 다른 노드 송신이 인지되지 않거나, 1521단계에서 슬롯이 끝나면 1525단계로 진행하여 부인지 구간이 끝났음을 알린다.
1527단계에서 P 값을 구한 뒤 1529단계로 진행하여 구하여진 P값을 이용하여 A와 B를 구한다. 상기의 과정은 데이터 전송이 종료될 때까지 반복 수행된다. 1531단계에서 구하여진 A와 B값을 이용하여 현재 위상값 Φ를 Φ+Φ(B-A)로 갱신하고 1501단계로 돌아간다. 상기의 과정은 데이터 전송이 종료될 때까지 반복 수행된다.
초저전력을 위한 자기조직적 자원접속 알고리즘을 구현하기 위하여 도 2의 블록구성도에 도 16과 같이 인지 제어부(1601)가 추가될 필요가 있다.
특정 실험 환경에서 제안한 초저전력을 위한 자기조직 자원접속 알고리즘의 성능을 살펴보았다. 특정 실험 환경은 주기 400msec, 인지시간 1msec, 송신 전력소모 33mW, 인지 전력소모 30mW, 참여노드수 10이라는 가정에서 수행되었다. 표 3에서 알 수 있듯이, 개선된 실시예에 의한 알고리즘은 본 발명에 처음 실시예에 언급된 알고리즘에 비해 77.5%의 전력절감 효과를 보이면서도 운용상의 성능에 있어서는 동등함을 알 수 있다.
제1 실시 예 시스템 부인지 추가 시스템
슬롯 길이 - 10 10 10 10
부인지 - 1 3 5 10
전력소모 30.0075 3.75 5.1 6.45 9.825
표 3에서 제 1 실시 예 시스템에 해당하는 그래프 및 부인지 추가 시스템에 해당하는 그래프를 도 17의 (a) 및 (b)에 각각 도시하였다. 도 17에 도시된 바와 같이 제1 실시 예 시스템에 비하여 부인지 추가 시스템을 이용한 알고리즘을 적용할 경우 많은 전력절감 효과를 보이는 것을 확인 할 수 있다
상기와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 근거리 네트워크 통신 환경에서의 자기조직적 자원 접속 장치 및 방법의 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기조직화 자원관리 수행을 도시한 예시도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 근거리 네트워크 통신에서의 자기조직과 자원할당을 구현한 블록구성도
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다른 노드의 전송 수행 여부에 따른 위상 제어를 나타낸 그래프
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기조직화 자원 할당 과정을 나타낸 흐름도
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 각 노드별 자기조직화 알고리즘에 의한 위상 동작을 나타낸 그래프
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주기 횟수에 따른 위상 동작을 나타낸 그래프
도 7 은 본 발명의 일 시시 예에 따른 자기조직화 자원접속 알고리즘을 나타낸 그래프
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 슬롯 기반 자기조직화 자원접속 알고리즘을 나타낸 그래프
도 9 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 슬롯 기반 자기조직화 자원접속 알고리즘의 문제점과 혼합방식을 나타낸 그래프
도 10 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 슬롯 기반 자기조직화 자원접속 알 고리즘의 성능을 나타낸 그래프
도 11 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 혼합방식 자기조기화 자원접속 알고리즘의 성능을 나타낸 그래프
도 12 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 주기적 인지에 의한 다른 노드 송신 시간 인지 오차를 나타낸 그래프
도 13 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인지 오차를 최소화하기 위한 부인지를 적용한 알고리즘을 나타낸 그래프
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 부인지 알고리즘에 의한 성능을 나타낸 그래프
도 15 는 초저전력을 위한 자기조직화 자원접속 알고리즘의 흐름도
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 근거리 네트워크 통신에서의 자기조직과 자원할당을 구현한 블록구성도
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초저전력을 위한 자기조직화 자원접속 알고리즘을 나타낸 그래프

Claims (22)

  1. 적어도 둘 이상의 노드가 서로 데이터를 송수신하는 근거리 네트워크 통신 환경에서 각 노드가 자기조직적 자원 접속하여 데이터를 전송하는 방법에 있어서,
    제1 노드가 상기 근거리 네트워크에 연결된 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송을 인지하는 과정과,
    상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점이 상기 적어도 하나의 다른 노드의 데이터 전송 시작 시점과 겹치지 않도록 상기 적어도 하나의 다른 노드의 데이터 전송 시작 시점에 따라서 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점을 조정하는 과정을 포함하되,
    상기 제1 노드는 상기 조정된 데이터 전송 시작 시점에 상기 적어도 하나의 다른 노드에 데이터를 전송하며,
    상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점은 상기 제1 노드 내에 제공된 제1 위상 제어부 및 제2 위상 제어부를 사용하는 상기 제1 노드에 의해 조정되며,
    상기 제1 위상 제어부는 상기 제어된 데이터 전송 시작 시점에 상기 데이터를 전송하기 위해 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점을 제어하고, 상기 제2 위상 제어부는 상기 제1 노드의 데이터 전송이 발생될 때까지 일정한 비율로 지속적으로 증가하는 위상을 제어하는 것을 특징으로 하는 자기조직적 자원 접속 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 둘 이상의 노드들은 서로 동일한 데이터 전송 주기를 갖는 것을 특징으로 하는 자기조직적 자원 접속 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 노드의 데이터 전송 시점은 상기 제1 노드의 데이터 전송 주기 내에서 조정되는 것을 특징으로 하는 자기조직적 자원 접속 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점은 상기 제1 노드의 데이터 전송 주기의 위상을 제어하여 조정되는 것을 특징으로 하는 자기조직적 자원 접속 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 데이터 전송을 인지하는 과정은,
    상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점까지 상기 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송을 인지하는 과정과,
    상기 데이터 전송 시작 시점까지 상기 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송이 인지되면, 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점을 업데이트 하는 과정을 포함 하는 자기조직적 자원 접속 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 노드는 시간 동기 및 자원 할당을 위한 제어신호 없이 상기 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송을 인지하는 것을 특징으로 하는 자기조직적 자원 접속 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점을 조정하는 과정은,
    상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점과 상기 적어도 하나의 다른 노드의 데이터 전송 시작 시점간의 데이터 전송 시간 간격을 분석하는 과정과,
    상기 분석된 데이터 전송 시간 간격을 이용하여 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점을 업데이트하는 과정을 포함하는 자기조직적 자원 접속 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점을 조정하는 과정에서,
    상기 근거리 네트워크에 포함된 모든 노드들 중에서 데이터 전송 시간 간격은 시간 주기 내에서 균일하게 분배되고 수렴되는 것을 특징으로 하는 자기조직적 자원 접속 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 노드는 주기적인 인지 시간을 설정하고, 상기 주기적인 인지 시간에서 상기 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송을 인지하는 것을 특징으로 하는 자기조직적 자원 접속 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송을 인지하는 과정에서,
    상기 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송 시간이 상기 주기적인 인지 시간보다 긴 경우, 상기 제1 노드는 상기 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송이 완료될 때 까지 기 설정된 시간 간격으로 추가적인 인지를 시도하는 것을 특징으로 하는 자기조직적 자원 접속 방법.
  11. 삭제
  12. 적어도 둘 이상의 노드가 서로 데이터를 송수신하는 근거리 네트워크 통신 환경에서 각 노드가 자기조직적 자원 접속하여 데이터를 전송하는 자기조직적 자원 접속 장치에 있어서,
    데이터를 송수신하는 입출력부와,
    상기 데이터를 송신하기 위해 송신 가능한 신호로 변환하는 변조기(모듈레이터)와,
    수신되는 신호를 수신 가능한 데이터로 변환하는 복조기(디모듈레이터)와,
    상기 근거리 네트워크에 연결된 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송을 인지하고, 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점이 상기 적어도 하나의 다른 노드의 데이터 전송 시작 시점과 겹치지 않도록 상기 적어도 하나의 다른 노드의 데이터 전송 시작 시점에 따라서 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점의 조정하기 위해 상기 제1 노드를 제어하는 위상 제어부를 포함하되,
    상기 위상 제어부는 상기 조정된 데이터 전송 시작 시점에 상기 적어도 하나의 다른 노드에 데이터를 전송하고,
    상기 위상 제어부는,
    상기 제어된 데이터 전송 시작 시점에 상기 데이터를 전송하기 위해 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점을 제어하는 제1 위상 제어부와,
    상기 제1 노드의 데이터 전송이 발생될 때까지 일정한 비율로 지속적으로 증가하는 위상을 제어하는 제2 위상 제어부를 포함하는 자기조직적 자원 접속 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 위상 제어부는
    상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점이 상기 적어도 하나의 다른 노드의 데이터 전송 시작 시점과 겹치지 않기 위해 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점을 조정하여 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점의 위상을 조절하는 것을 특징으로 하는 자기조직적 자원 접속 장치.
  14. 삭제
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 위상 제어부는 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점까지 상기 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송을 인지하고, 상기 데이터 전송 시작 시점까지 상기 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송이 인지되면, 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점을 새로 업데이트하는 자기조직적 자원 접속 장치.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 노드는 시간 동기 및 자원 할당을 위한 제어 신호 없이 상기 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송을 인지하는 자기조직적 자원 접속 장치.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 위상 제어부는,
    상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점과 상기 적어도 하나의 다른 노드의 데이터 전송 시작 시점간의 데이터 전송 시간 간격을 분석하고, 상기 분석된 데이터 전송 시간 간격을 이용하여 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점을 업데이트하는 자기조직적 자원 접속 장치.
  18. 제12 항에 있어서,
    상기 위상 제어부는 시간 주기 내에서 상기 근거리 네트워크에 포함된 모든 노드들 중에서 데이터 전송 시간 간격이 균일하게 분배되고 수렴되도록 제어하는 자기조직적 자원 접속 장치.
  19. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 노드는 주기적인 인지 시간을 설정하고, 상기 주기적인 인지 시간에서 상기 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송을 인지하는 자기조직적 자원 접속 장치.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송이 인지되면, 상기 제1 노드는 상기 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송 시간이 상기 주기적인 인지 시간보다 긴 경우, 상기 적어도 하나의 다른 노드의 적어도 하나의 데이터 전송이 완료될 때 까지 기 설정된 시간 간격으로 추가적인 인지를 시도하는 자기조직적 자원 접속 장치.
  21. 적어도 둘 이상의 노드가 서로 데리터를 송수신하는 근거리 네트워크 통신 환경에서 각 노드가 자기조직적 자원 접속하여 데이터를 전송하는 자기조직적 자원 접속 시스템에 있어서,
    상기 근거리 네트워크에 진입한 적어도 하나의 제2 노드의 적어도 하나의 데이터전송을 인지하는 적어도 하나의 제1 노드와,
    상기 적어도 하나의 제1 노드의 적어도 하나의 데이터 전송을 인지하고, 상기 적어도 하나의 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점에 따라서 상기 적어도 하나의 제2 노드의 데이터 전송 시작 시점을 조정하는 상기 적어도 하나의 제2 노드를 포함하며,
    상기 제1 노드는,
    상기 조정된 데이터 전송 시작 시점에 상기 데이터를 전송하기 위해 상기 제1 노드의 데이터 전송 시작 시점을 제어하는 제1 위상 제어부와,
    상기 제1 노드의 데이터 전송이 발생될 때까지 일정한 비율로 지속적으로 증가하는 위상을 제어하는 제2 위상 제어부를 포함하는 자기조직적 자원 접속 시스템.
  22. 삭제
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