KR101634869B1 - 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 시스템 및 방법 - Google Patents

산업용 무선 통신망의 자기 동기화 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는, 각 노드가 이웃 노드들에게 동기화 시간이 포함된 동기화 메시지를 브로드캐스팅하고, 각 노드는 수신된 이웃 노드의 동기화 메시지에 포함된 동기화 시간과 노드 자신의 로컬 클럭을 비교하여 서로 동일하면 로컬 시간을 유지하며, 상기 이웃 노드의 동기화 시간과 상기 로컬 클럭이 서로 동일하지 않으면 시간 오프셋을 계산하여 시간 오프셋만큼 로컬 시간을 갱신하고, 상기 이웃 노드의 동기화 메시지 수신 실패시 로컬 시간을 유지함으로써, 동기화 메시지를 전송한 이웃 노드를 차별하지 않고 수신된 모든 동기화 메시지에 대하여 동기화를 수행하는 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 시스템 및 방법이 개시된다.

Description

산업용 무선 통신망의 자기 동기화 시스템 및 방법{SELF-STABILIZED SYNCHRONIZATION SYSTEM AND METHOD IN INDUSTRIAL WIRELESS NETWORK}
본 발명은 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 슬레이브 노드들 간에 동기화 시간이 포함된 동기화 메시지를 송수신하여 자기 동기화를 수행하는 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
산업 환경에서 사용되는 무선 제어망 기술은 기기 이상, 오작동 알람 등의 비주기적 긴급 데이터와 기기의 상태와 제어를 위한 주기적 입출력 데이터의 전송을 위하여 신뢰성과 실시간성을 만족해야 한다.
이러한 제약들로 인하여 산업 현장에서는 대부분 유선 기반의 제어망과 필드버스 기술들이 사용되었다. 그러나 유선 기반의 제어망과 필드버스 기술들은 특히 제조라인의 변경이 빈번한 산업 현장 시스템에서는 배선의 어려움이 더욱 증가되고 유지보수 비용이 증대되는 등 많은 단점이 있다.
이러한 유선 망 사용으로 인한 단점을 극복하기 위하여 산업 현장에서는 기존 정보통신용 무선 기술을 산업 설비의 조건을 만족하는 안정성과 연속성을 갖추도록 재해석하여 개발되기 시작했으며, 최근 들어 무선통신 기술의 성능과 신뢰성이 향상되고 노드 당 가격이 저렴해지면서, 산업 현장에서는 ISA 100.11a와 같은 산업용 무선 제어 통신 기술이 도입 및 활용되고 있다.
ISA 100.11a 무선 제어 통신 기술은, ISA(International Society of Automation)에 의해서 발전된 무선 네트워킹 기술로서, 기기의 모니터링, 오작동 알람, 그리고 오픈 루프 제어, 폐쇄 루프 제어 등을 통해 기기의 상태와 제어를 위한 주기적 입출력 데이터를 전송하기 위하여 신뢰감 있고 안전한 무선 통신을 제공하도록 제안되고 있다. 또한, ISA 100.11a 무선 제어 통신 기술은, ISA 100.11a 장치 간의 상호 호환성을 제공하면서 산업현장에서 있을 수 있는 다른 무선 장치들(휴대폰 등이 될 수 있음)과의 공존도 허용하도록 제안되고 있다.
ISA 100.11a 무선 제어 통신 기술이 적용된 산업용 무선 통신 망은 무선 산업 자동화를 제공하기 위한 것이며, 특히 공정 제어 및 관련 응용 프로그램을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 ISA 100.11a 무선 제어 통신 기술이 적용된 산업용 무선 통신 망은 마스터-슬레이브 방식으로 모든 노드들을 동기화한다.
즉, 마스터 노드가 시간주기마다 기준 신호를 슬레이브 노드들에게 브로드캐스팅하게 되는데 슬레이브 노드들이 마스터 노드로부터 제공되는 기준 시간을 따라가는 방식으로 동기화가 이루어진다.
그러나, 이와 같은 산업용 무선 통신 망의 종래 동기화 방법은, 마스터 노드에 오류가 발생되거나 마스터 노드가 스위치 오프(off) 되는 등 마스터 노드가 정상적으로 동작되지 않으면, 모든 슬레이브 노드들이 마스터 노드로부터 기준 시간이 포함된 동기화 메시지를 수신할 수 없게 되어 모든 슬레이브 노드들이 동기화가 이루어지지 않아 동작 불능 상태가 되는 문제점이 있다.
한국등록특허 제 695074 호 (2007. 03. 08.) 한국공개특허 제 2013-0081295 호 (2013. 07. 16.)
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 슬레이브 노드들 간에 동기화 시간이 포함된 동기화 메시지를 송수신하여 자기 동기화를 수행함으로써 마스터 노드의 제어 없이도 슬레이브 노드들 간에 동기화를 이룰 수 있는 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 시스템은, 서로 통신하는 다수 개의 노드들을 포함하며, 각 노드는, 노드 자신의 동기화 시간을 포함하는 동기화 메시지를 무선 채널을 통하여 브로드캐스팅하는 송신부; 브로드캐스팅된 이웃 노드의 동기화 메시지를 수신하여 동기화 메시지에 포함된 동기화 시간을 검출하는 수신부; 및 상기 이웃 노드의 동기화 시간과 노드 자신의 로컬 클럭을 비교하여 서로 동일하면 로컬 시간을 유지하고, 서로 동일하지 않으면 시간 오프셋을 계산하여 시간 오프셋만큼 로컬 시간을 갱신하며, 동기화 메시지 수신 실패시 로컬 시간을 유지하는 동기화부를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 의한 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 방법은, 산업용 무선 통신 망의 다수 개 노드들 간 동기화 방법에 있어서, 각 노드가 이웃 노드들에게 동기화 시간이 포함된 동기화 메시지를 브로드캐스팅하는 제 1 단계와; 각 노드가 수신된 이웃 노드의 동기화 메시지에 포함된 동기화 시간과 노드 자신의 로컬 클럭을 비교하여 서로 동일하면 로컬 시간을 유지하는 제 2 단계와; 상기 이웃 노드의 동기화 시간과 상기 로컬 클럭이 서로 동일하지 않으면 시간 오프셋을 계산하여 시간 오프셋만큼 로컬 시간을 갱신하는 제 3 단계; 및 상기 이웃 노드의 동기화 메시지 수신 실패시 로컬 시간을 유지하는 제 4 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 방법은, 상기 로컬 클럭 및 상기 이웃 노드의 동기화 시간 간 위상차를 로컬 위상값에 증분하고 로컬 위상값이 위상임계치에 도달할 때마다 상기 로컬 시간을 조정된 동기화시간으로서 출력하고 위상임계치에 도달한 로컬 위상값을 리셋하는 것을 더 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또다른 실시예에 의한 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 방법은, 마스터 노드와 슬레이브 노드들을 포함하는 산업용 무선 통신망의 동기화 방법에 있어서, 마스터 노드에 장애가 발생되어 일정 시간 이상 동기화 메시지를 수신하지 못하면, 슬레이브 노드들이 이웃 슬레이브 노드들에게 동기화 시간이 포함된 동기화 메시지를 브로드캐스팅하는 제 1 단계와; 각 슬레이브 노드가 수신된 이웃 노드의 동기화 메시지에 포함된 동기화 시간과 노드 자신의 로컬 클럭을 비교하여 서로 동일하면 로컬 시간을 유지하는 제 2 단계와; 상기 이웃 노드의 동기화 시간과 상기 로컬 클럭이 서로 동일하지 않으면 시간 오프셋을 계산하여 시간 오프셋만큼 로컬 시간을 갱신하는 제 3 단계; 및 상기 이웃 노드의 동기화 메시지 수신 실패시 로컬 시간을 유지하는 제 4 단계를 포함한다.
본 발명의 또다른 실시예에 의한 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 방법은, 상기 로컬 클럭 및 상기 이웃 노드의 동기화 시간 간 위상차를 로컬 위상값에 증분하고 로컬 위상값이 위상임계치에 도달할 때마다 상기 로컬 시간을 조정된 동기화시간으로서 출력하고 위상임계치에 도달한 로컬 위상값을 리셋하는 것을 더 포함한다.
각 노드는, 수신된 동기화 메시지가 어떤 이웃 노드로부터 전송되었는지 차별하지 않고 동기화를 수행한다.
본 발명은 슬레이브 노드들 간에 동기화 시간이 포함된 동기화 메시지를 송수신하여 자기 동기화를 수행함으로써 마스터 노드의 제어 없이도 슬레이브 노드들 간에 동기화를 이룰 수 있으므로, 어떠한 중앙 제어 없이도 동기화의 정확도 달성이 가능하며 시스템의 안정성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 마스터-슬레이브 방식 노드들간 동기화에 있어서, 마스터 노드가 오동작 상태가 되었을 때 오동작 복구 동안, 슬레이브 노드들 간에 동기화 시간이 포함된 동기화 메시지를 송수신하여 슬레이브 노드들이 자기 동기화를 수행하므로, 마스터 노드의 장애를 복구하는 동안에도 슬레이브 노드들이 동작 불능 상태가 되지 않고 정상적으로 동작될 수 있어 시스템의 안정성 및 신뢰도가 향상되는 효과가 있다.
본 발명에 따르면 노드는 설정된 사이클(주기) 동안 로컬 위상값이 0부터 위상임계치(동기화 시간이 조정되는데 도달되어야 하는 최소크기값)까지 선형적으로 변화하는 위상함수를 이용하고 로컬 위상값이 위상임계치에 도달하면 조정된 동기화 시간을 출력함과 동시에 로컬 위상값을 0으로 리셋하여 사이클이 반복될 수 있도록 하고, 이웃 노드로부터 동기화 메시지가 수신되면 동기화 메시지에 포함된 동기화 시간과 로컬 클럭 간 위상차를 로컬 위상값에 증분하여 로컬 위상값이 위상임계치에 도달하는 시간을 단축시킴으로써 사이클을 조정하게 되고 노드 자신과 이웃 노드 간 동기화 시간 간 차이를 서로 조정하여 노드들이 상호 동기화될 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 노드들은 자신의 동기화 시간이 포함된 동기화 메시지를 브로드캐스팅하고 이웃 노드들의 동기화 메시지를 수신하며 수신된 동기화 메시지를 어떤 노드가 전송했는지를 차별하지 않고 서로의 동기화 시간을 조정함으로써, 특정 노드의 동기화 시간에 이웃 노드들이 동기화되는 것이 아니라 모든 노드들이 각자의 동기화 시간들 간의 차를 서로 조정하여 동기화 시간을 찾아가는 것이다.
도 1은 ISA100.11a 통신 기술이 적용된 산업용 무선 통신망의 대략적인 구성도
도 2는 ISA100.11a 통신 기술이 적용된 산업용 무선 통신망에서 사용되는 채널 호핑 방법을 나타내는 도면
도 3은 본 발명에 의한 자기 동기화 노드의 자기 동기화 동작 원리를 개념적으로 이해할 수 있도록 나타낸 위상 함수의 전개(time evolution) 그래프
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 노드의 블럭 구성도
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 방법을 나타내는 흐름도
도 6은 도 5의 자기 동기화 방법을 구현한 알고리즘 예시도
본 발명은 인접한 반딧불이의 발광에 점차 모든 반딧불이들이 동기화되는 현상을 보이는 남아프리카의 반딧불이 수컷 개체의 행동으로부터 영감을 얻은 동기화 기법을 제안한다. 본 발명은 각 슬레이브 노드가 이웃 노드들에게 동기화 시간이 포함된 동기화 메시지를 브로드캐스팅하고 수신된 동기화 메시지의 동기화 시간이 로컬 클럭의 값과 같으면 로컬 시간을 업데이트하지 않고, 로컬 클럭의 값과 다르면 시간 오프셋 계산하여 새로운 로컬 시간으로 업데이트하며, 동기화 메시지 수신 실패시 소유한 로컬 클럭을 조정하고 로컬 시간을 유지한다. 따라서 산업용 무선 통신 망의 노드들이 어떠한 중앙 제어 없이도 자기 조직화 방식으로 서로 협력하여 자기 동기화를 이루게 된다.
도 1은 ISA100.11a 통신 기술이 적용된 산업용 무선 통신망의 대략적인 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, ISA100.11a 통신망은, 게이트웨이(31) 및 싱크노드(sink node)(32)를 포함하여 구성되는 백본망(30), 상기 백본망(30)에 연결되는 데이터링크 서브넷, 및 상기 백본망(30)에 연결되어 망관리를 수행하는 관리망으로 구성되어 있다. 상기 데이터링크 서브넷은 입출력(I/O) 디바이스(51)와 라우터(41)를 포함하여 구성된다. I/O 디바이스(51)와 라우터(41)는 무선 통신을 수행한다. 상기 관리망은 시스템관리장치(11), 보안관리장치(12) 및 제어시스템(13)을 포함하여 구성된다.
도 2는 ISA100.11a 통신 기술이 적용된 산업용 무선 통신망에서 사용되는 채널 호핑 방법을 나타내는 도면이다. 산업용 무선 통신망에서 사용되는 채널 호핑 방법에는, 슬롯 호핑(Slotted hopping), 슬로우 호핑(Slow hopping) 및 하이브리드 호핑(Hybrid hopping)이 있다.
슬롯 호핑은, 통신을 위하여 각 타임슬롯이 다른 채널을 사용하는 것이다.
슬로우 호핑은, 동일한 채널을 사용하는 많은 타임슬롯들을 그룹화하는 것이다. 즉, 시스템 관리자에 의하여 지정된 100~400ms 구간으로 한 개의 채널이 연속적인 타임슬롯들의 집합을 점유한다. 슬로우 호핑 방법의 단점은 수신측이 수신 트래픽에 대한 채널을 계속 주시하고 있어야 하므로 슬롯 호핑에 비하여 전력 소모가 크다는 것이다.
하이브리드 호핑은, 슬롯 호핑과 슬로우 호핑을 조합하여 사용하는 것이다. 슬롯 호핑은 주기적인 데이터를 수용하고, 슬로우 호핑은 경보 및 재시도와 같은 산발적인 데이터를 기반으로 하는 경쟁(contention) 방식에 사용 가능하다.
반딧불이의 발광 동기화 행동으로부터 영감을 얻은 본 발명에서는 언제 플래시(flash)가 발광하는지를 지시하는 반딧불이의 내부 클럭은 오실레이터(pulse-coupled oscillator)로서 모델링되었다. 이 오실레이터의 위상은 외부 플래시 수신시 수정된다. 이웃 노드로부터 전송되는 동기화 메시지에 포함된 동기화 시간의 검출에 대응하여 본 발명의 자기 동기화 방법이 수행된다.
도 3은 본 발명에 의한 자기 동기화 노드의 자기 동기화 동작 원리를 개념적으로 이해할 수 있도록 나타낸 위상 함수의 전개(time evolution) 그래프이다.
도 3의 (a)는 오실레이터가 고립되어 있는 구간(진동주기 T) 동안 위상함수 φ(t)의 전개 상태를 나타낸다. 즉, (a) 구간은 동기화에 아무런 영향을 주지 않은 상태, 즉, 산업용 무선 통신 망에 새로운 동기화 시간을 갖는 노드가 없을 경우(새로운 동기화 시간을 갖는 반딧불이의 등장이 없을 경우)의 시간변화에 따른 위상함수의 상태를 나타낸다. 진동주기 T 동안 위상함수 φ(t)가 선형적으로 전개되어 노드의 위상이 위상임계치(φth)에 도달하면 펄스가 발생(도 3에서는 "fire"로 표시됨)되며, 펄스 발생 이후 위상은 "0"으로 리셋된다. 상기 위상임계치는 fire되기 위해 도달해야 하는 최소 위상값이다.
도 3의 (b)는 현재 노드에 이웃 노드로부터 동기화 시간이 수신될 경우(다른 불빛 싱크로율을 갖는 반딧불이가 등장할 경우) 위상 변화 및 이로 인한 펄스 발생 시간(즉, 동기화 시간)의 변화를 나타낸다.
이웃 노드로부터 새로운 펄스가 수신되면, 현재의 노드는 수신된 펄스에 담긴 위상차(△φ)만큼 로컬 위상을 조정하고, 위상차만큼 조정된 위상이 위상함수를 통하여 시간 전개(지연)되어 위상임계치에 도달하면 fire가 발생되는 것이다.
따라서, 다른 동기화 시간을 갖는 노드의 등장은 진동주기를 T보다 더 단축시켜서, 두 번째 진동주기 2T에서 펄스가 발생되는 것이 아니라, 2T보다 더 이른 Ti 시점에서 펄스가 발생되는 것이다. 즉, 새로운 동기화 시간을 갖는 이웃 노드의 동기화 시간에 현재 노드가 동기화되는 것이다. 이와 같이 본 발명에 의한 자기 동기화 방법은 이웃 노드의 펄스가 도착하는 순간에 대응되어 동기화가 수행된다. 즉, 펄스 도착 시점(Ti), 펄스 도착 시점(Ti)의 노드 로컬 위상, 도착 펄스에 기반한 위상차를 이용하여 현재 위상을 조정함으로써 현재 노드와 이웃 노드가 서로 타협하여 동기화된다. [수학식 1]은 이웃 노드의 펄스가 도착시 이웃 노드의 펄스와 현재 노드의 펄스 간 위상차에 의한 현재 노드의 위상 변화를 나타낸다.
Figure 112014097300413-pat00001
[수학식 1]에서, φj(t)는 펄스 도착 시점의 노드 j(현재 노드)의 로컬 위상을 나타내고, △φ(φj(t))는 도착 펄스에 기반한 위상차(도착 펄스의 위상과 로컬 위상 간 차이값)를 나타내며, φj(t+)는 노드 j(현재 노드)의 조정된 위상을 나타낸다. 위상차(즉, 위상 증가분) △φ(φj(t))는 [수학식 2]와 같은 특정 함수에 의하여 결정된다.
Figure 112014097300413-pat00002
[수학식 2]에 나타낸 바와 같은 특정 함수는, "α+φ+β" 와 "1" 중 더 작은 값으로 선정한다. 여기서, α,β는 커플파라미터로서 상수이고 "α+φ+β" 는 새로운 위상차 값이며, "1"은 기존의 값을 나타낸다.
이와 같이, 노드들은 동기화 펄스의 소스(source)를 차별화할 필요가 없으며, 어떠한 펄스라도 수신시 현재 위상을 조정하는 것이며, 따라서 가장 정확한 동기화 펄스에 동기화가 이루어지는 기술을 적용하는 것이다. 이와 같은 펄스 결합 오실레이터의 동작 방법의 이론을 무선 센서 망이나 산업용 무선 통신망에 적용할 경우에, 수신 노드가 발광의 소스를 식별할 필요가 없기 때문에, 간섭이나 충돌이 발생되지 않는다. 게다가, 동시에 발광된 두 개의 펄스들은 구조상으로 중첩되므로 크기가 큰 값을 가지게 되어 멀리 떨어져 있는 수신 노드 동기화에 도움을 준다.
결과적으로 본 발명에 의한 노드들은 동기화 시간의 소스를 구별할 필요없이 이웃노드로부터 전송되는 동기화 시간을 수신하여 노드 자신의 동기화 시간(로컬 시간)을 조정하는 것이다.
본 발명에 의한 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 시스템은, 다수 개의 노드들을 포함하여 구성되며, 다수 개 노드들 각각은 도 4에 도시된 바와 같은 블럭 구성을 포함한다. 다수 개의 노드들은 서로 자신의 동기화 시간이 포함된 동기화 메시지를 브로드캐스팅하고, 동기화 메시지에 포함된 동기화 시간을 이용하여 다수 개 노드들의 각 로컬 클럭을 시간 오프셋만큼 조정함으로써 서로 다른 동기화 시간의 중간 지점으로 조정하여 자기 안정 클럭 동기화를 수행한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 노드의 블록 구성도를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 의한 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 노드는, 송신부(100), 수신부(200) 및 동기화부(300)를 포함하여 구성된다.
송신부(100)는, 노드 자신의 동기화 시간을 포함하여 동기화 메시지를 무선 채널을 통하여 브로드캐스팅한다.
수신부(200)는, 브로드캐스팅된 이웃노드의 동기화 메시지를 수신하여 동기화 메시지에 포함된 동기화 시간을 검출한다.
동기화부(300)는, 수신부(200)에 수신된 이웃노드의 동기화 메시지에 포함된 동기화 시간과 노드 자신의 로컬 클럭을 비교하여 서로 동일하면 로컬 시간을 유지하고, 서로 동일하지 않으면 시간 오프셋을 계산하여 시간 오프셋만큼 로컬 시간을 갱신하며, 동기화 메시지 수신 실패시 소유한 로컬 클럭을 조정하고 로컬 시간을 유지한다.
상기 동기화부(300)는 상기 로컬 클럭 및 상기 동기화 시간 간 위상차를 로컬 위상값에 증분하며 로컬 위상값이 동기화시간을 조정하는데 도달해야 하는 최소크기값(위상임계치)에 도달할 때마다 상기 로컬 시간을 동기화시간으로서 출력하고 로컬 위상값을 0으로 리셋한다.
수신부(200)는 상기 동기화부(300)에서 조정된 로컬 시간을 수신하고 상기 조정된 로컬 시간에 동기화되어 데이터를 함께 MAC계층부(400)로 전송한다.
내부 블럭 구성을 좀더 상세히 설명하면, 송신부(100)는, 맥(MAC; Media Access Control; 매체접근제어)계층부(400)로부터 전달되는 데이터(a[k])와 노드 자신의 동기화 시간(c[k])을 이용하여 디지털 형태의 동기화메시지(h[k])를 생성하는 프레임생성부(110)와, 프레임생성부(110)에서 생성된 동기화메시지(h[k])를 변조하여 아날로그 동기화메시지 신호(h(t))로 변환한 후 무선 채널을 통하여 전송하는 변복조부(120)를 포함한다.
수신부(200)의 동기화시간 검출부(210)는 무선 채널을 통해 수신된 이웃 노드의 동기화 메시지 신호(hi(t))로부터 이웃 노드의 동기화 시간을 검출한다. 수신부(200)의 데이터 검출부(220)는 상기 동기화부(300)에서 조정된 로컬 시간(cj[k])을 수신하고 상기 조정된 로컬 시간에 동기화되어 데이터를 함께 MAC계층부(400)로 전송한다.
동기화부(300)는, 로컬 위상을 수신하고 로컬 클럭 및 이웃 노드의 동기화 시간 간 위상차를 감지하는 간섭제거부(310)와, 상기 위상차가 증분된 로컬 위상값이 동기화시간을 조정하는데 도달해야 하는 최소크기값에 도달할 때까지 지연시간을 계산하는 지연부(Delay T)(320), 및 상기 이웃 노드의 동기화 시간과 로컬 클럭을 비교하여 서로 동일하면 로컬 시간을 유지하고, 서로 동일하지 않으면 시간 오프셋을 계산하여 시간 오프셋만큼 로컬 시간을 갱신하며, 동기화 메시지 수신 실패시 소유한 로컬 클럭을 조정하고 로컬 시간을 유지하며, 상기 로컬 위상값이 상기 최소크기값에 도달할 때마다 상기 로컬 시간을 동기화시간으로서 출력하는 동기화시간 조정부(330)를 포함한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 6은 도 5의 자기 동기화 방법을 구현한 알고리즘 예시도이다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 방법은, 다수 개 노드 각각은 자신들의 동기화 시간이 포함된 동기화 메시지를 브로드캐스팅하는 단계(S10)와, 수신된 이웃 노드의 동기화 메시지에 포함된 동기화 시간과 노드 자신의 로컬 클럭을 비교하여 서로 동일하면 로컬 시간을 유지하는 단계(S12,S14,S16)와, 상기 수신된 동기화 시간과 상기 로컬 클럭이 서로 동일하지 않으면 시간 오프셋을 계산하여 시간 오프셋만큼 로컬 시간을 갱신하는 단계(S18), 및 상기 동기화 메시지의 수신 실패시 소유한 로컬 클럭을 조정하고 로컬 시간을 유지하는 단계(S20)를 포함한다.
이제, 본 발명의 다른 실시예에 의한 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
다수개의 노드를 포함하는 산업용 무선 통신망에서 다수개의 노드 각각은 동기화 시간을 포함하는 동기화메시지를 송신부(100)를 통하여 무선채널로 브로드캐스팅한다(S10).
노드는 무선채널을 통하여 수신부(200)에 이웃 노드의 동기화 메시지를 수신하고 수신부(200)의 동기화시간 검출부(210)는 수신된 동기화 메시지로부터 이웃 노드의 동기화 시간을 검출한다(S12).
노드의 동기화부(300)는 상기 이웃 노드의 동기화 시간과 노드 자신의 로컬 클럭을 비교하여 서로 동일하면 로컬 시간을 변경없이 유지한다(S14,S16).
그러나, 동기화부(300)는 상기 이웃 노드의 동기화 시간과 로컬 클럭을 비교하여 서로 동일하지 않으면 이웃 노드의 동기화 시간과 로컬 클럭 간 시간 오프셋을 계산하고 시간 오프셋만큼 로컬 시간을 갱신한다(S14,S18).
예를 들어, 시간 오프셋 ε=(clockj - clocki +1) 을 계산한 후
"clockj + ε" 와 같이 자신의 로컬 클럭에 시간 오프셋을 가산한 다음, 가산된 로컬 클럭값으로 로컬 시간을 갱신할 수 있다. 여기서 clocki 는 이웃 노드의 동기화 시간 값을 나타내고 clockj 는 노드 자신의 로컬 클럭 값을 나타낸다.
이웃 노드로부터 동기화 메시지의 수신이 실패시(S12), 노드의 동기화부(300)는 소유한 로컬 클럭을 조정하며 로컬 시간을 유지한다(S20).
즉, 노드는 "clockj + 1" 과 같이, 다음 사이클에서 이용하기 위하여 자신의 로컬 클럭에 1을 가산하고 로컬 시간은 변경하지 않는다.
노드의 동기화부(300)는 간섭제거부(310)를 통하여 로컬 위상(φ(t))을 감지하고 노드 자신의 로컬 클럭 및 상기 이웃 노드의 동기화 시간 간 위상차를 감지한다. 로컬 위상은 시간 변화에 따라 위상함수를 통하여 값이 계속 변화(증가)하며, 로컬 위상값이 동기화 시간을 조정하는데 도달해야 하는 최소크기값(위상 임계치)에 도달했을 때마다 동기화부(300)는 조정된 로컬 시간을 동기화 시간으로서 수신부(200)의 데이터검출부(220)에 출력하는 것이다. 최소크기값에 도달된 로컬 위상값은 '0'으로 리셋된다.
동기화부(300)는 상기 로컬 클럭 및 상기 이웃 노드의 동기화 시간 간 위상차를 로컬 위상값에 증분하고 로컬 위상값이 위상임계치에 도달하면, 로컬 시간을 동기화시간으로서 출력하고 로컬 위상값을 0으로 리셋한다. 동기화부(300)는 이웃 노드로부터 동기화 메시지를 수신하지 못했을 때에는 로컬 클럭 및 이웃 노드의 동기화 시간 간 위상차를 감지하지 못하므로 로컬 위상값에 위상차를 증분하지 않으며 사이클이 단축되지 않고 설정된 사이클에 대응되어 로컬 위상값이 최소크기값에 도달할 때 로컬 시간을 동기화 시간으로서 출력하는 것이다.
이에 동기화부(300)는 동기화 시간을 조정하는 사이클을 완료하기에 걸리는 시간을 로컬 위상값을 기반으로 한다.
수신부(200)의 데이터 검출부(220)는 동기화부(300)로부터 출력되는 조정된 로컬 시간(즉, 조정된 동기화 시간)에 동기화되어 데이터를 함께 MAC 계층부(400)에 전달한다.
이와 같이 본 발명에 따른 노드들은 자신의 동기화 시간이 포함된 동기화 메시지를 브로드캐스팅하고 이웃 노드들의 동기화 메시지를 수신하며 수신된 동기화 메시지를 어떤 노드가 전송했는지를 차별하지 않고 서로의 동기화 시간을 조정함으로써, 특정 노드의 동기화 시간에 이웃 노드들이 동기화되는 것이 아니라 모든 노드들이 이웃 노드들과 동기화 시간이 상호 조정되어 모든 노드들이 동기화되는 것이다. 따라서, 마스터 노드 없이도 슬레이브 노드들이 서로 자기 조직화 방식으로 서로 협력하여 자기 동기화를 이루게 되는 것이다.
한편, 마스터-슬레이브 모드로 동기화가 수행되던 중에 마스터 노드에 이상이 발생되어 마스터 노드로부터 일정 시간 이상 동기화시간이 포함된 비콘 메시지를 수신하지 못했을 경우에 슬레이브 노드들은 본 발명에 의한 자기 동기화 모드로 전환되어 자기 동기화를 수행할 수 있다.
100: 송신부 110: 프레임생성부
120: 변복조부 200: 수신부
210: 동기화시간 검출부 220: 데이터검출부
300: 동기화부 310: 간섭제거부
320: 지연부 330: 동기화시간 조정부
400: MAC 계층부

Claims (10)

  1. 서로 통신하는 다수 개의 노드들을 포함하며, 각 노드는,
    노드 자신의 동기화 시간을 포함하는 동기화 메시지를 무선 채널을 통하여 브로드캐스팅하는 송신부;
    브로드캐스팅된 이웃 노드의 동기화 메시지를 수신하여 동기화 메시지에 포함된 동기화 시간을 검출하는 수신부; 및
    상기 이웃 노드의 동기화 시간과 노드 자신의 로컬 클럭을 비교하여 서로 동일하면 로컬 시간을 유지하고, 서로 동일하지 않으면 시간 오프셋을 계산하여 시간 오프셋만큼 로컬 시간을 갱신하며, 동기화 메시지 수신 실패시 로컬 시간을 유지하는 동기화부를 포함하며;
    상기 동기화부는,
    상기 로컬 클럭 및 상기 이웃 노드의 동기화 시간 간 위상차를 로컬 위상값에 증분하고 로컬 위상값이 위상임계치에 도달할 때마다 상기 로컬 시간을 동기화시간으로서 출력하고 위상임계치에 도달된 로컬 위상값을 리셋하는 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 노드는, 수신된 동기화 메시지가 어떤 이웃 노드로부터 전송되었는지 차별하지 않고 동기화를 수행하는 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 수신부는,
    브로드캐스팅된 이웃 노드의 동기화 메시지를 수신하여 동기화 메시지에 포함된 동기화 시간을 검출하는 동기화시간 검출부; 및
    상기 동기화부에서 조정된 로컬 시간을 수신하고 상기 조정된 로컬 시간에 동기화되어 데이터를 함께 MAC계층부로 전송하는 데이터검출부를 포함하는 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 송신부는,
    MAC계층부로부터 전달되는 데이터와 노드 자신의 동기화 시간을 이용하여 디지털 형태의 동기화 메시지를 생성하는 프레임생성부; 및
    상기 디지털 형태의 동기화 메시지를 변조하여 아날로그 형태의 동기화 메시지 신호로 변환한 후 무선 채널을 통하여 전송하는 변복조부를 포함하는 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 동기화부는,
    로컬 위상을 수신하고 로컬 클럭 및 이웃 노드의 동기화 시간 간 위상차를 감지하는 간섭제거부와;
    상기 위상차가 증분된 로컬 위상값이 위상임계치에 도달할 때까지 지연시간을 계산하는 지연부; 및
    상기 이웃 노드의 동기화 시간과 로컬 클럭을 비교하여 서로 동일하면 로컬 시간을 유지하고, 서로 동일하지 않으면 시간 오프셋을 계산하여 시간 오프셋만큼 로컬 시간을 갱신하며, 동기화 메시지 수신 실패시 로컬 클럭을 조정하고 로컬 시간을 유지하고, 상기 로컬 위상값이 상기 위상임계치에 도달할 때마다 상기 로컬 시간을 동기화시간으로서 출력하는 동기화시간 조정부를 포함하는 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 시스템.
  7. 산업용 무선 통신 망의 다수 개 노드들 간 동기화 방법에 있어서,
    각 노드가 이웃 노드들에게 동기화 시간이 포함된 동기화 메시지를 브로드캐스팅하는 제 1 단계와;
    각 노드가 수신된 이웃 노드의 동기화 메시지에 포함된 동기화 시간과 노드 자신의 로컬 클럭을 비교하여 서로 동일하면 로컬 시간을 유지하는 제 2 단계와;
    상기 이웃 노드의 동기화 시간과 상기 로컬 클럭이 서로 동일하지 않으면 시간 오프셋을 계산하여 시간 오프셋만큼 로컬 시간을 갱신하는 제 3 단계; 및
    상기 이웃 노드의 동기화 메시지 수신 실패시 로컬 시간을 유지하는 제 4 단계를 포함하며;
    상기 로컬 클럭 및 상기 이웃 노드의 동기화 시간 간 위상차를 로컬 위상값에 증분하고 로컬 위상값이 위상임계치에 도달할 때마다 상기 로컬 시간을 조정된 동기화시간으로서 출력하고 위상임계치에 도달한 로컬 위상값을 리셋하는 것을 더 포함하는 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 방법.
  8. 마스터 노드와 슬레이브 노드들을 포함하는 산업용 무선 통신망의 동기화 방법에 있어서,
    마스터 노드에 장애가 발생되어 일정 시간 이상 동기화 메시지를 수신하지 못하면, 슬레이브 노드들이 이웃 슬레이브 노드들에게 동기화 시간이 포함된 동기화 메시지를 브로드캐스팅하는 제 1 단계와;
    각 슬레이브 노드가 수신된 이웃 노드의 동기화 메시지에 포함된 동기화 시간과 노드 자신의 로컬 클럭을 비교하여 서로 동일하면 로컬 시간을 유지하는 제 2 단계와;
    상기 이웃 노드의 동기화 시간과 상기 로컬 클럭이 서로 동일하지 않으면 시간 오프셋을 계산하여 시간 오프셋만큼 로컬 시간을 갱신하는 제 3 단계; 및
    상기 이웃 노드의 동기화 메시지 수신 실패시 로컬 시간을 유지하는 제 4 단계를 포함하며;
    상기 로컬 클럭 및 상기 이웃 노드의 동기화 시간 간 위상차를 로컬 위상값에 증분하고 로컬 위상값이 위상임계치에 도달할 때마다 상기 로컬 시간을 조정된 동기화시간으로서 출력하고 위상임계치에 도달한 로컬 위상값을 리셋하는 것을 더 포함하는 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 방법.
  9. 삭제
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    각 노드는, 수신된 동기화 메시지가 어떤 이웃 노드로부터 전송되었는지 차별하지 않고 동기화를 수행하는 산업용 무선 통신망의 자기 동기화 방법.
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