KR101638425B1 - 다중 홉 무선 통신 시스템의 하향 링크에서 신호 전송 방법 - Google Patents

다중 홉 무선 통신 시스템의 하향 링크에서 신호 전송 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나의 주 통신기기(coordinator)가 다수의 단말기기들과 하나 이상의 홉(hop)으로 연결되어 구성되는 무선 통신 시스템의 하향 링크(downlink)에서 데이터를 전송하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 먼저 주기적으로 전송되는 비컨 신호를 사용하여 시스템을 동기화 하며, 매 비컨 간격마다 관리 프레임(management frame)과 데이터 프레임(data frame)이 구성되는 동적 슈퍼프레임(dynamic super-frame) 구조를 사용하여 신호를 전송한다. 상기 관리 프레임에서는 시스템 관리에 필요한 제어 메시지(control message)를 송/수신하며, 상기 데이터 프레임에서는 데이터를 주고 받는 기기들 만이 데이터를 송/수신하고, 다른 기기들은 송수신 기능을 중지 하여 전력 소모를 최소화한다. 또한 본 발명은 데이터 프레임 사용의 양도/반환 과정을 통하여 다중 홉 하향 링크 데이터 전송을 용이하게 할 수 있다. 한편 본 발명은 관리 프레임에서 비컨 신호 및 데이터 요청 메시지 반복 전송을 통하여 제어 메시지 전송의 신뢰성을 높이고, 데이터 프레임에서 사용할 패킷 길이를 설정하고 채널을 센싱한 후 채널이 비어있을 경우에만 데이터 전송을 시작함으로써 간섭 환경에서 데이터 전송 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

다중 홉 무선 통신 시스템의 하향 링크에서 신호 전송 방법 {A method for signal transmission in the downlink of multi-hop wireless communication systems}
본 발명은 다중 홉으로 구성된 무선 통신 시스템에서 하향 링크 전송에 관한 것이다.
사용의 하향링크 전송 방식으로서 별도의 동기 프레임(frame)을 사용하지 않고 데이터를 수신하기 원하는 자녀 기기가 부모 기기에게 데이터를 요청하는 폴링(polling) 방식이 사용된다. 자녀 기기는 부모 기기에게 폴링 메시지를 전송하며, 상기 메시지를 수신한 부모 기기는 응답 패킷(acknowledgement packet: 이하 ACK) 을 전송한 후, 상기 자녀 기기에 전송할 데이터가 있는 경우 상기 자녀 기기에 데이터를 전송한다. 자녀 기기는 데이터를 성공적으로 수신한 경우 ACK을 전송하여 데이터의 성공적인 수신을 알린다. 폴링 방식은 기기 간 동기화를 필요로 하지 않는다는 장점이 있지만, 그로 인해 부모로 동작하는 기기는 항상 수신단을 동작시켜야 하며, 이에 따라 데이터를 송/수신하지 않는 경우에도 긴 시간 깨어서 듣고 있는 유휴 수신(idle listening) 문제가 발생한다. 또한 하나의 데이터 패킷을 전송하기 위해 매번 폴링 메시지와 ACK을 동반해야 하므로, 대용량의 데이터를 전송하게 되는 경우 심각한 메시지 부하 부담(signaling overhead)을 야기한다. 상기 폴링 방식에서는 하나의 데이터 패킷을 성공적으로 전송하기 위해 상기 4 번의 상호신호교류(4-way handshake)가 모두 성공적으로 완료되어야 하므로 동일 채널 간섭 환경과 같이 전송 오류가 존재하는 운용 환경에서 데이터 전송 성능이 급격하게 나빠진다. 또한, 자녀 기기가 매우 많이 존재하는 환경에서 경쟁 충돌(contention collision) 및 숨은 노드 충돌(hidden node collision)에 의하여 폴링 메시지가 잘 전달되지 않는 문제점이 있다.
상기 폴링 방식의 유휴 수신 문제는 매체 접근 제어(medium access control: 이하 MAC) 방식인 IEEE 802.15.4가 정의하는 고정된 프레임 구조(fixed frame structure: 이하 FFS)를 사용하여 경감시킬 수 있다. 상기 FFS는 시스템을 제어하는 주 통신기기와 다중 홉 네트워크를 형성하는 라우터들이 시간 및 주파수에서 서로 독립적인 슈퍼 프레임을 사용한다. 상기 슈퍼 프레임은 주기적인 비컨(beacon) 신호의 전송과 함께 시작되며 상기 주 통신기기 및 라우터의 자녀 기기는 상기 비컨 신호를 통하여 부모 기기와 동기화한다. 상기 부모 및 자녀 기기는 일정한 길이의 활동 구간(active period)동안 신호를 송/수신하며 활동 구간이 종료되면 일정한 길이의 휴면 구간(inactive period)에서 송수신기 동작을 중지하는 듀티 사이클링(duty-cycling) 구조를 사용 함으로써 전력 소모를 줄일 수 있다. 그러나 FFS의 경우 데이터를 송/수신하지 않을 때에도 고정된 슈퍼프레임 길이를 유지하여 송수신기를 작동하므로 유휴 수신 문제가 여전히 존재한다. 이 문제를 최소화 하기 위해서 FFS의 슈퍼프레임 길이를 비컨 간격에 비해 매우 작게(듀티 사이클링을 줄임)할 수 있으나, 데이터 전송 시 데이터 전송 시간이 매우 길어지는 문제점이 있다. 즉, 데이터를 전송하지 않을 때의 전력 소모와 데이터 전송 시의 데이터 전송 속도간의 상반된 현상(trade-off)이 존재한다. 또한 IEEE 802.15.4 슈퍼프레임 구조에서 제공하는 하향 링크 전송 방식인 펜딩(pending) 방식은 비컨 신호 내 데이터 펜딩 필드를 설정하여 하향 링크 목적지인 자녀 기기가 이를 수신할 경우 데이터 요청 메시지를 부모 기기에 전송하여 하향 링크 데이터를 수신하는 방식이다. 이 또한 매 데이터 패킷 마다 데이터 요청(data request) 메시지와 그에 대한 ACK을 동반하여야 하므로 폴링 방식과 마찬가지로 프로토콜 오버헤드가 존재하며, 간섭 환경에서 데이터 전송 성능이 급격하게 나빠진다.
ZigBee 등과 같은 저 복잡도/저전력 구조의 무선 센서 네트워크(wireless sensor network: 이하 WSN)에서 대용량 데이터를 전송하는 것이 용이하지 못하다. 일례로 대형 마트 등에서 상용화되고 있는 무선 가격표(wireless price tag) 시스템은 상품 가격을 포함한 상품 정보를 무선으로 전송하여 LED같은 표시(display) 장치에 실시간으로 제공한다. 이 때 상품 정보 파일의 크기가 수십 kB에서 수백 kB인 경우, 기존의 ZigBee같은 전송기기를 이용하면 대용량의 데이터를 다수의 표시 장치에 데이터를 전송하는 데 긴 시간이 걸릴 뿐 아니라 극심한 전력 소모를 야기한다.
본 발명은 전송 용량이 크지 않은 WSN에서 대용량의 데이터 전송을 가능하게 하는 전송 방법에 관한 것이며, 기본 개념은 다음과 같다. 본 발명은 먼저 매 비컨 간격마다 관리 프레임(management frame)과 데이터 프레임(data frame)으로 구성되는 동적인 슈퍼프레임 구조(dynamic frame structure: 이하 DFS)를 사용한다. 상기 관리 프레임에서는 네트워크 관리와 통신에 필요한 제어 메시지(control message)를 송/수신하며, 상기 관리 프레임에서 전송할 메시지가 있는 부모 기기는 비컨 신호 내 데이터 펜딩 필드를 설정하여 전송함으로써 해당 자녀 기기에게 전송할 메시지가 있음을 알린다. 상기 비컨 신호를 수신한 자녀 기기는 자신이 수신해야 할 메시지가 있을 경우에 데이터 요청 메시지를 전송하며, 수신해야 할 메시지가 없는 자녀 기기들은 송수신기 동작을 중지하여 전력 소모를 최소화한다. 상기 데이터 프레임에서는 데이터를 주고 받는 부모-자녀 기기들 만이 데이터를 송/수신하고, 다른 기기들은 송수신기 동작을 중지 하여 전력 소모를 최소화한다. 상기 관리 프레임에서 부모 기기는 비컨 신호를 반복적으로 전송하고, 자녀 기기는 데이터 요청 메시지를 반복적으로 전송함으로써 전송 오류가 존재하는 환경에서도 제어 메시지의 하향 링크 전송의 신뢰성을 높인다. 상기 데이터 프레임에서는 별도의 제어 메시지 없이 데이터만 전송하나, 채널 센싱(channel sensing)을 사용하여 데이터 전송의 신뢰성을 높인다. 이를 통해 본 발명은 기존 폴링 방식 및 FFS에서 발생할 수 있는 유휴 수신 문제를 해결하는 한편, 비컨의 반복 전송 및 채널 센싱을 통한 데이터 전송을 통하여 데이터 전송의 신뢰성을 높여 기존 방식에 비해 전송 시간 및 전력 소모 측면에서 성능 개선을 얻을 수 있다.
보다 구체적으로 본 발명은 네트워크 운영을 제어하는 기기인 하나의 주 통신기기(coordinator), 자녀를 수용할 수 있는 기기인 라우터(router)들과 자녀를 수용할 수 없는 기기인 종단 기기(end device)들로 구성되고, 상기 주 통신기기 및 다수의 상기 라우터들과 상기 종단 기기들이 다중 홉(multiple hop)을 사용하여 클러스터 트리(cluster-tree)구조의 네트워크를 형성하고, 상기 주 통신기기와 상기 라우터들이 비컨(beacon) 신호를 주기적으로 전송하여 네트워크를 동기화하는 무선 통신 시스템에서 상기 주 통신기기가 자신에 속한 기기들에게 데이터를 전송하는, 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법에 있어서, (A) 네트워크 관리를 위한 관리 프레임과 데이터 전송을 위한 데이터 프레임으로 구성되는 전송 프레임을 주기적으로 사용하는 과정과, (B) 상기 관리 프레임의 구간에서 상기 네트워크 내 기기들이 네트워크 관리와 데이터 전송에 필요한 제어 메시지들을 송/수신 하는 과정과, (C) 상기 제어 메시지를 통해 결정된 데이터 송/수신 기기들 만이 상기 데이터 프레임 구간에서 데이터를 송/수신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 (A) 과정은,
Figure 112014062532928-pat00001
를 네트워크의 최대 깊이(즉, 네트워크 내 기기 중 주 통신 기기로부터 가장 많은 홉을 거쳐 연결된 기기와 주 통신기기 사이의 홉 수)라 할 때, 상기 전송 프레임이
Figure 112014062532928-pat00002
개의 관리 프레임과
Figure 112014062532928-pat00003
개의 데이터 프레임으로 시간 축으로 겹치지 않게 구성되고,
Figure 112014062532928-pat00004
(
Figure 112014062532928-pat00005
,
Figure 112014062532928-pat00006
)번째 관리 프레임에서 네트워크 깊이가
Figure 112014062532928-pat00007
인 주 통신기기 또는 라우터가 부모로 동작하며 상기 관리 프레임에서 네트워크 깊이가
Figure 112014062532928-pat00008
인 기기가 자녀로 동작하고,
Figure 112014062532928-pat00009
번째 데이터 프레임에서 네트워크 깊이가
Figure 112014062532928-pat00010
인 주 통신기기 또는 라우터가 부모로 동작하며 상기 관리 프레임에서 네트워크 깊이가
Figure 112014062532928-pat00011
인 기기가 자녀로 동작하고,
Figure 112014062532928-pat00012
번째 관리 프레임이
Figure 112014062532928-pat00013
번째 데이터 프레임보다 시간적으로 선행하고, 각각의 상기 관리 프레임에서 부모로 동작하는 기기가 자신의 자녀로 동작하는 기기에 상기 비컨 신호를 전송 환경에 따라 1회 이상 전송하고 상기 관리 프레임을 시작하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 관리 프레임은 부모로 동작하는 기기(즉, 상기 주 통신기기와 상기 라우터)가 비컨 신호를 전송하는 비컨 구간, 상기 부모로 동작하는 기기가 자녀로 동작하는 기기에 하향 링크 제어 메시지를 전송하는 데 쓰이는 스케쥴링 구간, 상기 자녀로 동작하는 기기가 상기 부모로 동작하는 기기에 상향 링크 제어 메시지를 전송하는 데 쓰이는 경쟁 접속 구간으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 (B) 과정은, 부모로 동작하는 기기가 상기 데이터 프레임에서 데이터를 전송할 수 있는 권한을 가지고 있고 자신의 자녀로 동작하는 기기에게 전송할 데이터가 존재하는 경우(즉, 최종 목적지가 상기 자녀로 동작하는 기기이거나 최종 목적지로 데이터를 전달하기 위해서 상기 자녀로 동작하는 기기에 전송해야 할 데이터가 존재하는 경우) 상기 자녀로 동작하는 기기에게 전송할 데이터의 최종 목적지 주소를 포함한 데이터 프레임 청취 메시지를 전송하는 과정과, 상기 데이터 프레임 청취 메시지를 수신한 상기 자녀로 동작하는 기기가 자신의 상기 부모로 동작하는 기기로부터 상기 데이터 프레임의 구간에서 데이터를 받을 수 있도록 자신의 송수신기를 동작 하는 과정과, 상기 데이터 프레임 청취 메시지를 수신한 상기 자녀로 동작하는 기기가 상기 데이터 프레임 청취 메시지에 기록된 데이터의 최종 목적지가 자신이 아닐 경우 자신의 상기 자녀로 동작하는 기기에 상기 데이터를 전달할 수 있도록 다음 관리 프레임 구간부터 데이터 프레임을 사용할 수 있는 권한을 가지는 부모로 동작하는 기기로 동작하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (B) 과정은, 자녀로 동작하는 기기가 하향 링크 데이터 전송을 완료하였거나 자신의 자녀로 동작하는 기기로부터 하향 링크 데이터 전송 완료 알림 메시지를 수신한 경우 자신의 부모로 동작하는 기기에게 하향 링크 데이터 전송 완료 알림 메시지를 전송하는 과정과, 상기 하향 링크 데이터 전송 완료 알림 메시지를 수신한 상기 부모로 동작하는 기기가 주 통신기기가 아닐 경우 하향 데이터 링크 전송 완료를 주 통신기기에 알리기 위하여 하향 링크 데이터 전송 완료 알림 메시지를 자신의 상기 부모로 동작하는 기기에 전송하기로 결정하고 데이터 프레임 사용 권한을 포기하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 데이터 프레임 청취 메시지를 전송하는 과정은, 상기 부모로 동작하는 기기가 특정 자녀로 동작하는 기기에게 보낼 메시지가 있는 경우 상기 관리 프레임 비컨 신호에 상기 자녀로 동작하는 기기의 주소를 추가하여 상기 자녀로 동작하는 기기에 전송할 제어 메시지가 있음을 알리는 과정과, 상기 특정 자녀로 동작하는 기기가 상기 관리 프레임 비컨 신호를 성공적으로 수신한 경우 상기 부모로 동작하는 기기에 데이터 요청 메시지를 전송하는 과정과, 상기 부모로 동작하는 기기가 상기 데이터 요청 메시지를 수신하면 상기 데이터 프레임 청취 메시지를 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 (C) 과정은, 상기 데이터 프레임의 구간에서 데이터를 송신하려는 기기가 데이터 패킷의 크기를 결정하는 과정과, 상기 데이터 프레임의 구간에서 데이터를 송신하려는 기기가 채널 환경이 양호하다고 판단될 때에만 상기 결정된 패킷의 크기로 데이터를 전송하는 과정과, 상기 데이터 프레임의 구간에서 데이터를 수신하려는 기기가 데이터를 수신하고 자신의 수신 데이터 버퍼가 가득 찼을 경우 응답(acknowledgement) 메시지를 이용하여 이를 알리는 과정과, 상기 데이터 프레임 구간에서 데이터 프레임 시간이 끝나거나, 데이터 송신이 완료되거나, 상기 데이터를 수신하려는 기기의 버퍼가 가득 찼음을 인지할 경우 데이터 프레임 구간 동작을 종료하는 과정과, 상기 데이터 프레임 구간에서 데이터를 송신하려는 기기가 데이터 프레임 구간 동작을 종료한 후에 하향 링크 데이터 전송 완료를 주 통신기기에 알리는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 데이터 프레임 구간에서 데이터를 송신하려는 기기가 데이터 패킷의 크기를 결정하는 과정은, 데이터 패킷 길이에 따른 패킷 전송 실패율을 추정하는 과정과, 상기 추정된 패킷 전송 실패율과 데이터 패킷의 헤더(header) 길이를 고려하여 전송량을 최대화하도록 패킷 길이를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하향링크 데이터 전송 완료를 주 통신기기에 알리는 과정은, 상기 데이터 프레임 구간에서 데이터를 수신한 기기가 하향 링크 데이터의 최종 목적지이고, 상기 하향 링크 데이터를 구성하는 모든 패킷을 상기 데이터를 수신한 기기에 전송한 경우 하향 링크 데이터 전송 완료를 주 통신기기에 알리는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 주 통신기기와 다수의 라우터 및 종단 기기가 하나 이상의 홉으로 연결된 무선 통신 시스템에서 제어 메시지를 전송하는 관리 프레임과 데이터를 전송하는 데이터 프레임으로 이루어진 유동적 하향 링크 데이터 전송 구조, 반복적 비컨 신호 및 데이터 요청 메시지 전송을 통한 하향 링크 제어 메시지 전송의 신뢰성 향상 및 데이터 프레임에서 데이터 패킷 길이 결정 및 채널 센싱을 통한 데이터 전송으로 이루어져 있다. 본 발명은 모든 기기들이 관리 프레임에서만 깨어나 제어 메시지를 송/수신하는 한편 실제 데이터를 주고 받을 부모-자녀 기기 쌍만 데이터 프레임에서 깨어나 데이터를 송/수신하게 함으로써 실제 데이터 전송이 없는 기기들은 낮은 듀티 사이클링으로 동작하게 하는 한편 데이터 전송이 필요한 기기들만이 데이터 프레임에서 통신하므로 유휴 수신 문제를 해결하여 기존 시스템 대비 전력 소모를 크게 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 상기 데이터 전송 구조(DFS)는 데이터 프레임 전송 권한을 획득/포기하는 과정을 통하여 다중 홉 하향 링크 데이터 전송을 용이하게 할 수 있다. 또한 관리 프레임에서 반복적 비컨 신호 및 데이터 요청 메시지 전송을 통하여 제어 메시지 전송의 신뢰성을 높이고 데이터 프레임에서 알맞은 패킷 길이를 설정하고 채널을 센싱한 후 채널이 깨끗할 경우에만 데이터 전송을 시작하므로 간섭 환경에서도 좋은 데이터 전송 성능을 나타낸다.
도 1은 주 통신기기와 다수의 라우터 및 다수의 종단 기기로 구성된 시스템 모델의 예시도
도 2는 본 발명이 제안한 전송 프레임 구조를 사용한 하향 링크 데이터 전송의 예시도
도 3은 부모 기기 및 자녀 기기의 동작 흐름도
도 4는 본 발명이 제안한 전송 프레임 구조의 상세한 설명
도 5는 부모 기기의 비컨 구간 동작 과정
도 6은 부모 기기의 스케쥴링 구간 동작 과정
도 7은 부모 기기의 경쟁 접속 구간 동작 과정
도 8은 자녀 기기의 비컨 구간 동작 과정
도 9는 자녀 기기의 스케쥴링 구간 동작 과정
도 10은 자녀 기기의 경쟁 접속 구간 동작 과정
도 11은 부모 기기의 데이터 프레임 동작 과정
도 12는 자녀 기기의 데이터 프레임 동작 과정
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 발명의 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 하기 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명이 적용되는 클러스터 트리 구조 기반 WSN의 개념을 도시한 것이다. 상기 도 1에서 주 통신기기는 네트워크를 관리하며, 라우터는 자녀 기기를 가질 수 있으며, 종단 기기(end device)는 하나의 주 통신기기 또는 라우터에 연결되고, 자녀 기기를 가질 수 없다. 하나의 홉으로 연결된 임의의 쌍에 대해서, 주 통신기기와 더 적은 홉으로 연결된 기기를 부모 기기, 더 많은 홉으로 연결된 기기를 자녀 기기로 정의한다. 즉, 상기 주 통신기기는 오직 부모기기로써 동작하며, 상기 라우터는 부모기기로써 동작하는 한편 자녀기기로써도 동작하며, 상기 종단 기기는 오직 자녀기기로써 동작한다. 이와 같은 클러스터 트리 구조 기반의 WSN의 구성을 상기 도 1을 참조하여 조금 더 살펴보면, 가령 해당 WSN에 속한 하나의 기기(102)를 기준으로, 상기 기기와 연결된 기기 중 주 통신기기에 더 적은 홉으로 연결된 기기(101)에 대해서는 상기 기기(102)가 자녀 기기가 되고, 주 통신기기에 더 많은 홉으로 연결된 기기(103)에 대해서는 상기 기기(102)가 부모 기기가 된다.
본 발명은 제어(control) 메시지를 주고 받는 관리 프레임(management frame)과 데이터 전송이 이루어지는 데이터 프레임(data frame)으로 구성되는 동적 슈퍼프레임 구조 사용을 고려한다. 특히 관리 프레임은 네트워크 동기화를 위한 비컨 신호가 전송되는 비컨 구간(beaconing period)과 데이터 전송 스케쥴링을 위한 제어(control) 메시지를 교환하는 스케쥴링 구간(scheduling period), 네트워크 관리를 위한 제어 메시지를 교환하는 경쟁 접속 구간(contention access period)로 이루어진다. 상기 관리 프레임에서 부모로 동작하는 기기(주 통신기기 또는 라우터)는 비컨 구간에서 비컨 신호를 전송하고 스케쥴링 구간 및 경쟁 접속 구간에서 자녀로 동작하는 기기와 제어 메시지를 송수신한다. 한편 상기 관리 프레임에서 자녀로 동작하는 기기(라우터 또는 종단 기기)는 자신의 부모 기기의 관리 프레임의 비컨 구간에서 비컨 신호를 수신한 후 스케쥴링 구간 및 경쟁 접속 구간에서 자녀 기기로 동작한다. 관리 프레임 내에서는 제어 메시지만이 송수신되며 데이터 전송은 데이터 프레임에서 이루어진다. 하향 링크 데이터의 크기가 하나의 패킷 길이보다 클 경우 상기 데이터는 여러 개의 패킷으로 분할되어 전송되며, 상기 패킷들이 모두 목적지까지 도달한 경우 상기 데이터를 전송 완료하였다고 정의 한다.
관리 프레임에서 사용하는 제어 메시지로는 데이터 프레임 청취 메시지, 하향 링크 데이터 전송 완료 알림 메시지 및 네트워크 연결성 유지에 관련된 제어 메시지가 있다. 상기 데이터 프레임 청취 메시지는 데이터 프레임에서 데이터 전송 권한이 있는 부모 기기가 데이터 프레임을 사용하여 하향 링크 데이터를 전송하고자 하는 자녀 기기에 전송함으로써 데이터 프레임의 사용을 약속하는데 쓰이며 하향 링크 데이터의 최종 목적지 주소가 포함되어 있다. 상기 하향 링크 데이터 전송 완료 알림 메시지는 하향 링크 데이터 전송 완료를 알리는데 쓰이며 전송 완료된 데이터의 최종 목적지 주소가 포함되어 있다.
일례로 본 발명이 제안하는 전송 프레임 구조는 비컨 신호 전송 주기마다
Figure 112014062532928-pat00014
개의 관리 프레임과
Figure 112014062532928-pat00015
개의 데이터 프레임이 반복되는 구조로 구성될 수 있다. 여기서
Figure 112014062532928-pat00016
는 네트워크 내 기기 중 주 통신기기로부터 가장 많은 홉을 거쳐 연결된 기기와 주 통신기기 사이의 홉 수(즉, 네트워크의 최대 깊이)를 의미한다. 이 때
Figure 112014062532928-pat00017
번째 관리 프레임에서 네트워크 깊이가
Figure 112014062532928-pat00018
인 주 통신기기 또는 라우터가 부모로 동작하며 네트워크 깊이가
Figure 112014062532928-pat00019
Figure 112014062532928-pat00020
인 라우터 또는 종단 기기가 자녀로 동작한다. 한편
Figure 112014062532928-pat00021
번째 데이터 프레임에서는 네트워크 깊이가
Figure 112014062532928-pat00022
인 주 통신기기 또는 라우터의 자신의 자녀 기기로의 데이터 전송이 이루어진다. 바람직하게는 상기 관리 프레임들과 데이터 프레임들은 시간 축으로 겹치지 않도록 구성되며, 더욱이 상기 관리 프레임의 비컨 구간에서 비컨 신호 간의 충돌을 예방하기 위하여 인접한 기기는 같은 시간/주파수 축에서 비컨 신호를 전송하지 않도록 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 다중 홉 하향 링크 데이터 전송과정을 조금 더 살펴보기 위하여 도 2를 참고하도록 한다. 상기 도 2는 상기 도 1의 101, 102 및 103기기가 다중 홉을 거쳐 하향 링크 데이터를 전송하는 과정을 도시한 것이다. 이 때 네트워크의 최대 깊이
Figure 112014062532928-pat00023
이므로 비컨 신호 전송 주기마다 3개의 관리 프레임과 3개의 데이터 프레임이 존재한다. 한편, 여기서
Figure 112014062532928-pat00024
는 기기
Figure 112014062532928-pat00025
가 데이터 프레임에서 데이터 전송 권한을 가지고 있는지의 여부를 나타내는 변수로 그 값이 1일 경우에는 데이터 프레임을 사용하여 데이터 프레임에서 자녀 기기에 데이터를 전송할 수 있고, 0일 경우에는 데이터 프레임을 사용할 수 없다.
Figure 112014062532928-pat00026
는 초기에 주 통신기기만이 데이터 프레임을 사용할 권한을 갖도록 가 주 통신기기일 경우 1로, 그렇지 않을 경우 0으로 초기화된다.
Figure 112014062532928-pat00027
는 기기가 데이터 프레임 청취 메시지를 수신할 경우 자신이 최종 목적지가 아니어서 자신의 자녀 기기에 데이터를 전달해 주어야 하는 경우 1로 갱신되어 자신이 부모로 동작하는 데이터 프레임의 데이터 전송 권한을 자동적으로 얻게 된다. 또한
Figure 112014062532928-pat00028
는 하향 링크 데이터를 전송 완료를 판단한 경우 또는 하향 링크 전송 완료 알림 메시지를 수신할 경우 0으로 갱신된다.
Figure 112014062532928-pat00029
는 기기
Figure 112014062532928-pat00030
가 하향 링크 전송 완료 알림 메시지를 부모 기기에 전송해야 함을 나타내는 변수이며, 그 값이 1일 경우 메시지 전송, 0일 경우 메시지를 전송하지 않음을 나타낸다.
Figure 112014062532928-pat00031
는 초기에 0으로 설정되며, 하향 링크 데이터 전송을 완료한 경우 또는 하향 링크 전송 완료 알림 메시지를 수신할 경우 1로 갱신된다. 또한 부모에게 하향 링크 전송 완료 알림 메시지를 성공적으로 전송할 경우 0으로 갱신된다.
상기 도 2에서, 초기에
Figure 112014062532928-pat00032
이므로 101기기는 데이터 프레임을 사용할 권한을 가지고 있으며, 104기기가 최종 목적지인 하향 링크 데이터를 전송하기 위하여 102기기에 데이터 프레임 청취 메시지를 관리 프레임에서 하향 링크로 전송한다. 상기 메시지를 하향 링크로 전송하기 위하여 비컨 구간에서 102기기의 주소를 포함 시킨 비컨을 전송하고(201), 스케쥴링 구간에서 102기기로부터 데이터 요청 메시지를 수신한 뒤 102기기에 데이터 프레임 청취 메시지를 전송하여 데이터 프레임의 사용을 약속한다(202). 이때 102기기는 하향 링크 청취 메시지를 수신하여
Figure 112014062532928-pat00033
한다. 이후 데이터 프레임에서 101기기는 102기기에 하향 링크 데이터를 전송한다(203). 102기기는 네트워크 깊이가 1인 기기가 부모로 동작하는 관리 프레임에서 부모 기기로 동작하며, 이 때
Figure 112014062532928-pat00034
이므로 104기기가 최종 목적지인 하향 링크 데이터를 전송하기 위하여 103기기에 데이터 프레임 청취 메시지를 하향 링크로 전송한다(204, 205). 이때
Figure 112014062532928-pat00035
하고, 이후 데이터 프레임에서 102기기와 103기기 간의 데이터 전송이 이루어진다(206). 103기기와 104기기간의 하향 링크 데이터 전송 역시 위와 같은 방법으로 이루어진다(207, 208, 209). 한편, 104기기에 모든 데이터를 전송한 경우(즉, 데이터 전송을 완료한 경우) 103기기는
Figure 112014062532928-pat00036
하고
Figure 112014062532928-pat00037
한다(210). 이후 103기기는 102 기기가 부모로 동작하는 관리 프레임의 경쟁 접속 구간에서 하향 링크 데이터 전송 완료 알림 메시지를 전송하여 데이터 전송 완료를 부모에게 알리고, 비슷한 방법으로 상기 메시지가 주 통신기기로 전송된다. 주 통신기기는 하향 링크 전송 완료 알림 메시지를 수신할 경우 다음 하향 링크 데이터 전송을 시작한다. 본 발명은 상술한 데이터 프레임 사용 및 하향 링크 데이터 전송 완료 알림을 통하여 대량의 데이터를 다중 홉으로 전송할 수 있도록 한다.
본 발명의 부모 및 자녀 기기의 전체적인 동작 과정은 도 3과 같다. 관리 프레임은 비컨 신호 송/수신 및 상/하향 링크 제어 메시지를 전송하기 위하여 사용된다. 관리 프레임이 시작되면 먼저 부모 기기는 상기 도 3의 301단계에서 자신의 비컨 전송 슬롯에서 비컨 신호를 전송하며, 하향 링크 제어 메시지를 전송해야 하는 경우 펜딩(pending) 정보(즉, 하향 링크 메시지를 전송하고자 하는 자녀 기기의 주소를 표시하여 상기 자녀 기기에 수신해야 할 하향 링크 메시지가 있음을 알림)를 포함한 비컨 신호를 전송한다. 자녀 기기는 상기 도 3의 304단계에서 부모 기기의 비컨 전송 슬롯에서 비컨 신호를 수신하여 펜딩 정보를 확인하고, 자신을 목적지로 한 하향 링크 제어 메시지가 있을 경우 상기 제어 메시지 수신을 위하여 스케쥴링 구간에서 동작한다. 스케쥴링 구간에서 동작하는 자녀 기기는 상기 도 3의 305단계에서 데이터 요청 메시지를 부모 기기에 전송한 후, 상기 도 3의 306단계에서 하향 링크 제어 메시지를 수신한다. 부모 기기는 데이터 요청 메시지를 수신하면 상기 도 3의 302단계에서 자녀 기기에 하향 링크 제어 메시지를 전송한다. 상향 링크로 전송할 제어 메시지가 존재하는 자녀 기기는 상기 도 3의 307단계에서 제어 메시지를 부모에 전송하고, 부모 기기는 상기 도 3의 303단계에서 상향 링크 제어 메시지 수신을 기다린다. 관리 프레임 동작이 끝나면 부모 및 자녀 기기는 상기 도 3의 308단계에서 다음 동작 구간까지 송수신기 동작을 중지하여 전력 소모를 줄인다. 한편, 한 쌍의 부모/자녀 기기는 상기 관리 프레임에서 데이터 프레임 청취 메시지의 송/수신을 통하여 데이터 프레임 사용을 약속할 수 있으며, 데이터 프레임에서의 동작이 약속된 경우 해당 부모 및 자녀 기기는 데이터 프레임 시작과 함께 깨어난다. 데이터 프레임에서 부모 기기는 상기 도 3의 309단계에서 채널 센싱 후 데이터를 전송하며, 자녀 기기는 상기 도 3의 310단계에서 데이터를 수신하고 성공적으로 수신한 경우 ACK을 전송한다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 301, 302 및 303 단계에서 부모 기기의 관리 프레임 동작 과정은 도 5, 도 6 및 도 7과 같다.
상기 301단계에서 상기 관리 프레임에서 부모로 동작하는 기기
Figure 112014062532928-pat00038
가 비컨 구간에서 하향 링크 메시지를 전송할 자녀를 선택하고 동기화를 위한 비컨 신호를 전송하는 과정은 도 5와 같다. 상기 관리 프레임에서 부모 기기
Figure 112014062532928-pat00039
는 상기 도 5의 501단계에서
Figure 112014062532928-pat00040
인 경우(즉, 데이터 프레임에서 데이터 전송을 위하여 이번 관리 프레임에서 데이터 프레임 청취 메시지를 하향 링크로 전송해야 하는 경우) 상기 도 5의 502단계로 넘어가 하향 링크 메시지를 전송할 자녀를 선택한다. 상기 부모 기기는 자신의 버퍼에서 최초로 저장된 데이터의 목적지를 참조하여 상기 데이터의 목적지가 자신의 단일 홉 자녀 기기인 경우 상기 자녀 기기를 하향 링크 메시지를 전송할 자녀로 선택한다. 상기 데이터의 목적지가 자신에게서 두 홉 이상 떨어진 자녀일 경우 자신의 단일 홉 자녀 라우터 중 상기 데이터의 목적지인 기기를 자녀로 가지는 자녀 기기를 하향 링크 메시지를 전송할 자녀로 선택한다. 상기 라우터 선택은 일례로 주소 체계 기반의 트리 라우팅(tree routing) 기법이나 라우팅 테이블(routing table)기반의 소스 라우팅(source routing) 기법 등으로 이루어 질 수 있다. 상기 부모 기기는 상기 도 5의 503단계에서 상기 502단계에서 선택한 자녀 기기의 주소를 비컨 신호 내 데이터 펜딩 필드에 추가하고, 상기 비컨 신호를 자신의 비컨 전송 슬롯에서 전송함으로써 해당 자녀 기기에 전송할 메시지가 있음을 알린다. 한편 상기 501 단계에서
Figure 112014062532928-pat00041
인 경우 상기 도 5의 505단계에서 동기화를 위하여 비컨 신호를 전송하고 스케쥴링 구간 동작을 생략하고 상기 도 5의 506단계에서 경쟁 접속 구간에 진입한다. 상기 503 및 505 단계에서 상기 비컨은 전송 신뢰성을 향상시키기 위하여 비컨 전송 슬롯 내에서 반복적으로 전송될 수 있다(도 4 참조).
상기 302단계에서 상기 관리 프레임에서 부모로 동작하는 기기
Figure 112014062532928-pat00042
가 스케쥴링 구간에서 하향 링크 메시지를 전송하는 과정은 도 6과 같다. 상기 부모 기기
Figure 112014062532928-pat00043
는 상기 도 6의 601단계에서 데이터 요청 메시지를 수신하기 위하여 수신기를 동작한다. 상기 도 6의 602 단계에서 데이터 요청 메시지를 수신하지 못하였을 경우 하향 링크 메시지 전송을 포기하고 상기 도 6의 606단계에서 경쟁 접속 구간으로 진입한다. 상기 602단계에서 데이터 요청 메시지를 수신하였을 경우 상기 도 6의 603단계에서 하향 링크 메시지를 전송한다. 상기 도 6의 604 단계에서 상기 하향 링크 메시지를 성공적으로 전송하였고 상기 하향 링크 메시지가 데이터 프레임 청취 메시지일 경우 상기 도 6의 605단계에서 데이터 프레임에서 동작할 수 있도록 타이머를 조정하고 상기 606단계로 넘어간다. 그렇지 않을 경우 별도의 타이머 조정 없이 상기 606단계로 넘어가 경쟁 접속 구간 동작을 수행한다.
상기 303단계에서 상기 관리 프레임에서 부모로 동작하는 기기
Figure 112014062532928-pat00044
가 경쟁 접속 구간에서 상향 링크 메시지를 수신하는 과정은 도 7과 같다. 상기 부모 기기 는 경쟁 접속 구간 시간 동안 상기 도 7의 701단계에서 수신기를 동작하여 상향 링크 메시지를 수신할 수 있도록 한다. 상기 도 7의 702단계에서 상향 링크 메시지를 수신한 경우 상기 도 7의 703단계에서 상향 링크 메시지의 종류를 판단한다. 상기 상향 링크 메시지가 하향 링크 전송 완료 알림 메시지일 경우 상기 도 7의 704단계에서
Figure 112014062532928-pat00046
하고
Figure 112014062532928-pat00047
하여 주 통신기기에 하향 링크 전송 완료 알림 메시지를 전송할 수 있도록 한다. 반면 상기 703단계에서 상기 상향 링크 메시지가 하향 링크 전송 완료 알림 메시지가 아닐 경우(즉, 상기 상향 링크 메시지가 네트워크 연결성 유지 등에 관련한 제어 메시지일 경우) 상기 도 7의 705단계에서 상기 상향 링크 메시지의 종류에 따른 동작을 수행한다. 상기 704 및 705단계 동작을 끝낸 부모 기기는 상기 701단계로 돌아가 경쟁 접속 구간이 종료할 때까지 상기 과정을 반복한다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 304, 305, 306 및 307단계에서 자녀 기기의 관리 프레임 동작 과정은 도 8, 도 9, 도10과 같다.
상기 304단계에서 상기 관리 프레임에서 자녀로 동작하는 기기
Figure 112014062532928-pat00048
가 비컨 신호를 수신하고 비컨 신호 내 펜딩 필드를 조사하여 수신할 하향 링크 메시지가 존재하는 지 확인하는 과정은 도 8과 같다. 상기 자녀 기기
Figure 112014062532928-pat00049
는 상기 도 8의 801단계에서
Figure 112014062532928-pat00050
초 동안 수신기를 작동하여 비컨 신호 수신을 기다린다. 상기 도 8의 802단계에서 비컨 신호를 수신하지 못한 경우 상기 도 8의 803단계로 넘어가 송수신기 작동을 중지하고 다음 관리 프레임의 비컨 신호를 기다린다. 반면 상기 802단계에서 비컨 신호를 수신한 경우 상기 도 8의 804단계로 넘어가 비컨 신호 내 데이터 펜딩 필드를 조사하여 자신이 목적지인 하향 링크 메시지가 존재하는지 판단한다. 상기 804단계에서 자신이 수신해야 할 하향 링크 메시지가 있을 경우 상기 도 8의 805단계에서 스케쥴링 구간 동작을 결정한다. 반면 상기 804단계에서 자신이 수신해야 할 하향 링크 메시지가 없을 경우 상기 도 8의 806단계에서 스케쥴링 구간 동작을 생략하고 경쟁 접속 구간에 진입할 것을 결정한다.
상기 305 및 306단계에서 상기 관리 프레임에서 자녀로 동작하는 기기
Figure 112014062532928-pat00051
가 스케쥴링 구간에서 하향 링크 메시지 수신을 위한 데이터 요청 메시지를 전송하고, 하향 링크 메시지를 수신하는 과정은 도 9와 같다. 상기 자녀 기기
Figure 112014062532928-pat00052
는 상기 도 9의 901단계에서 데이터 요청 메시지를 전송하고 상기 도 9의 902단계로 넘어가 하향 링크 메시지를 수신한다. 하향 링크 메시지를 수신하지 못한 경우 상기 901단계로 돌아가 데이터 요청 메시지를 재전송한다(도 4 참조). 반면 하향 링크 메시지를 수신한 경우 상기 도 9의 903단계로 넘어가 데이터 프레임 청취 메시지를 수신한 경우 데이터 프레임 청취 메시지에 기록된 하향 링크 데이터의 최종 목적지 주소와 자신의 주소를 비교한다. 자신이 하향 링크 데이터의 최종 목적지일 경우 상기 도 9의 906단계로 넘어가 데이터 프레임에서 깨어나 데이터를 수신할 수 있도록 타이머를 조정한다. 자신이 하향 링크 데이터의 최종 목적지가 아닐 경우(즉, 하향 링크로 데이터를 전달하여야 하는 경우)
Figure 112014062532928-pat00053
하여 자신이 부모로 동작하는 데이터 프레임의 데이터 전송 권한을 얻은 후 상기 906단계로 넘어간다. 한편, 상기 903단계에서 수신한 하향 링크 메시지가 데이터 프레임 청취 메시지가 아닐 경우(즉, 상기 하향 링크 메시지가 네트워크 연결성 유지 등에 관련한 제어 메시지일 경우) 상기 도 9의 905단계에서 상기 하향 링크 메시지의 종류에 따른 동작을 수행한다. 상기 905 및 906단계의 동작이 끝나면 상기 도 9의 907단계에서 스케쥴링 구간의 동작을 종료하고 경쟁 접속 구간 동작을 시작한다.
상기 307단계에서 상기 관리 프레임에서 자녀로 동작하는 기기
Figure 112014062532928-pat00054
가 경쟁 접속 구간에서 상향 링크 메시지를 송신하는 과정은 도 10과 같다. 상기 자녀 기기
Figure 112014062532928-pat00055
는 상기 도 10의 1001단계에서
Figure 112014062532928-pat00056
를 검사하여
Figure 112014062532928-pat00057
인 경우(즉, 하향 링크 데이터 전송 완료를 부모 기기에 알려야 하는 경우) 상기 도 10의 1002단계에서 부모에게 하향 링크 전송 완료 알림 메시지를 전송한다. 상기 메시지를 부모 기기에 성공적으로 전송한 경우,
Figure 112014062532928-pat00058
하고 상기 도 10의 1005단계로 넘어간다. 반면 상기 메시지를 부모 기기에 성공적으로 전송하지 못한 경우 상기 1002단계로 돌아가 상기 메시지를 다시 전송한다. 상기 1005단계에서 자녀 기기는 하향 링크 전송 완료 알림 메시지 외 전송할 상향 링크 메시지(즉, 네트워크 연결성 유지 등을 위한 메시지)를 전송하고, 상기 도 10의 1006단계에서 관리 프레임 동작을 종료하고 전력 소모를 줄이기 위하여 송수신기 동작을 중지한다. 여기서 상향 링크 메시지 전송은 일례로 반송파 감지 다중 접근/충돌 회피(carrier sense multiple access with collision avoidance)등의 MAC 기술을 이용하여 수행할 수 있다.
상기 관리 프레임에서 데이터 프레임 청취 메시지를 통해 하향 링크 데이터 전송 협상을 마친 기기는 관리 프레임 종료 후 송수신기의 작동을 중지하였다가 데이터 프레임에서 깨어나 하향 링크 데이터를 송/수신 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 309단계에서 데이터 프레임에서 부모로 동작하는 기기
Figure 112014062532928-pat00059
의 동작 과정은 도 11과 같다. 여기서
Figure 112014062532928-pat00060
은 ACK 신호 내 버퍼 풀 플래그(buffer full flag)를 나타내며, ACK을 전송하는 기기의 버퍼에 더 이상 여유 공간이 없는 경우 1로, 그렇지 아니한 경우 0으로 설정된다. 상기 부모 기기
Figure 112014062532928-pat00061
는 우선 상기 도 11의 1101단계에서 버퍼에 남은 데이터가 있는 지 검사한다. 버퍼에 남은 데이터가 있을 경우 상기 부모 기기는 상기 도 11의 1102단계에서 채널을 센싱한 후 채널이 깨끗하면 하향 링크 목적지인 자녀 기기에게 데이터를 전송한 후 ACK대기 단계로 넘어간다. 상기 도 11의 1103단계에서 ACK을 수신한 경우 상기 도 11의 1104단계에서
Figure 112014062532928-pat00062
하고 상기 도 11의 1105단계로 넘어간다. 상기 1105단계에서
Figure 112014062532928-pat00063
인 경우 상기 도 11의 1110단계로 넘어가 데이터 프레임 동작을 종료하고 전력 소모를 줄이기 위하여 송수신기 동작을 중지한다. 반면 상기 1105단계에서
Figure 112014062532928-pat00064
인 경우 상기 1101단계로 돌아가 다음 데이터 패킷을 전송하며 상기 동작을 반복한다. 한편 상기 1103단계에서 ACK이 도달하지 않은 경우 상기 도 11의 1106단계에서
Figure 112014062532928-pat00065
하고, 상기 도 11의 1107단계에서
Figure 112014062532928-pat00066
이면 상기 1101단계로 돌아가 데이터 패킷을 재전송한다. 반면 상기 1107단계에서
Figure 112014062532928-pat00067
인 경우 해당 자녀 기기와의 연결성에 문제가 생겼다고 판단, 더 이상 데이터를 보내지 않고 상기 도 11의 1110단계로 넘어가 데이터 프레임 동작을 종료한다. 상기 1101단계에서 버퍼에 남은 데이터가 없을 경우 상기 도 11의 1108단계에서 하향 링크 데이터를 전송 완료하였는지(즉, 현재 데이터 프레임에서 전송한 데이터의 최종 목적지가 자녀 기기이고 모든 하향 링크 데이터를 전달하였는지) 판단한다. 하향 링크 데이터를 전송 완료하였을 경우 상기 도 11의 1109단계에서
Figure 112014062532928-pat00068
하여 하향 링크 데이터의 전송 완료를 주 통신기기에 알릴 수 있도록 하는 한편, 데이터 프레임의 전송 권한을 포기함으로써 더 이상 데이터 프레임을 사용하지 않도록 한다. 이후 1110단계로 넘어가 데이터 프레임 동작을 종료한다. 상기 1108단계에서 하향 링크 데이터를 전송 완료하지 않았을 경우(즉, 현재 데이터 프레임에서 전송한 데이터의 최종 목적지가 자녀 기기가 아니어서 다음 홉 데이터 전달이 더 필요한 경우 또는 하향 링크 데이터를 전송 완료하기 위해서 추가적으로 패킷을 수신하여 자녀 기기에 전달하여야 하는 경우) 상기 도 11의 1110단계로 넘어가 데이터 프레임 동작을 종료한다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 310단계에서 데이터 프레임에서 자녀로 동작하는 기기
Figure 112014062532928-pat00069
의 동작 과정은 도 12와 같다. 상기 자녀 기기
Figure 112014062532928-pat00070
는 상기 도 12의 1201단계에서 부모 기기로부터의 데이터 패킷을 수신한다. 데이터가 도착한 경우 자신의 버퍼에 데이터를 기록한 후 상기 도 12의 1202단계로 넘어가 자신의 버퍼를 확인한다. 버퍼가 가득 찬 경우 상기 도 12의 1205단계에서
Figure 112014062532928-pat00071
로 한 ACK을 전송하고 상기 도 12의 1206단계에서 데이터 프레임 동작을 종료하고 전력 소모를 줄이기 위해 송수신기 동작을 중지한다. 상기 1202단계에서 버퍼가 가득 차지 않은 경우 상기 도 12의 1203단계에서
Figure 112014062532928-pat00072
으로 한 ACK을 전송하고 상기 도 12의 1204단계로 넘어간다. 상기 1204단계에서 수신한 패킷이 마지막 데이터 패킷인지(즉, 데이터의 크기가 패킷의 크기보다 클 경우 데이터가 복수의 패킷으로 분할되어 전송되는데, 상기 데이터를 구성하는 마지막 패킷인지) 확인한 후 마지막 데이터 패킷이 아닐 경우 상기 1201단계로 넘어가 다음 데이터 패킷을 기다린다. 그렇지 않을 경우 상기 1206단계로 넘어가 데이터 프레임 동작을 종료한다.
본 발명은 부모 기기가 비컨 신호를 반복적으로 전송하고 자녀 기기가 데이터 요청 메시지를 반복적으로 전송함으로써 간섭 환경에서도 제어 메시지의 하향 링크 전송의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 상대적으로 짧은 관리 프레임만 모든 기기가 사용하여 동기를 유지하는 한편 데이터 프레임에서 동작하기로 약속한 부모 및 자녀 기기 한 쌍 만이 데이터 프레임에서 동작하여 데이터를 송/수신하므로 기존 IEEE 802.15.4 기반 ZigBee FFS와 같은 자원 낭비를 줄이고, 데이터 전송 속도 및 에너지 소모를 줄여 성능 이득을 얻을 수 있다.

Claims (9)

  1. 네트워크 운영을 제어하는 기기인 하나의 주 통신기기(coordinator), 자녀를 수용할 수 있는 기기인 라우터(router)들과 자녀를 수용할 수 없는 기기인 종단 기기(end device)들로 구성되고, 상기 주 통신기기 및 다수의 상기 라우터들과 상기 종단 기기들이 다중 홉(multiple hop)을 사용하여 클러스터 트리(cluster-tree)구조의 네트워크를 형성하고, 상기 주 통신기기와 상기 라우터들이 비컨(beacon) 신호를 주기적으로 전송하여 네트워크를 동기화하는 무선 통신 시스템에서 상기 주 통신기기가 자신에 속한 기기들에게 데이터를 전송하는, 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법에 있어서,
    (A) 각 비컨 신호 주기마다 네트워크 최대 깊이와 같은 수의 네트워크 관리를 위한 관리 프레임과 데이터 전송을 위한 데이터 프레임이 시간적으로 중복되지 않도록 나뉘어 반복적으로 구성되는 전송 프레임을 상기 주 통신 기기가 자신에 속한 상기 네트워크 내 기기들에게 사용하도록 하는 과정과,
    (B) 상기 관리 프레임의 구간에서 상기 네트워크 내 기기들이 네트워크 관리와 데이터 전송에 필요한 제어 메시지들을 송/수신 하는 과정과,
    (C) 상기 제어 메시지를 통해 결정된 데이터 송/수신 기기들 만이 상기 데이터 프레임 구간에서 데이터를 송/수신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (A) 과정은,
    Figure 112015108602614-pat00073
    를 네트워크의 최대 깊이라 할 때,
    Figure 112015108602614-pat00076
    (
    Figure 112015108602614-pat00077
    ,
    Figure 112015108602614-pat00078
    )번째 관리 프레임에서 네트워크 깊이가
    Figure 112015108602614-pat00079
    인 주 통신기기 또는 라우터가 부모로 동작하도록 하며 상기 관리 프레임에서 네트워크 깊이가
    Figure 112015108602614-pat00080
    인 기기가 자녀로 동작하도록 하고,
    Figure 112015108602614-pat00081
    번째 데이터 프레임에서 네트워크 깊이가
    Figure 112015108602614-pat00082
    인 주 통신기기 또는 라우터가 부모로 동작하도록 하며 상기 관리 프레임에서 네트워크 깊이가
    Figure 112015108602614-pat00083
    인 기기가 자녀로 동작하도록 하고,
    Figure 112015108602614-pat00084
    번째 관리 프레임이
    Figure 112015108602614-pat00085
    번째 데이터 프레임보다 시간 적으로 선행하도록 하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법.
  3. 제 1항 내지 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관리 프레임은 부모로 동작하는 기기(즉, 상기 주 통신기기와 상기 라우터)가 비컨 신호를 전송하는 비컨 구간, 상기 부모로 동작하는 기기가 자녀로 동작하는 기기에 하향 링크 제어 메시지를 전송하는 데 쓰이는 스케쥴링 구간, 상기 자녀로 동작하는 기기가 상기 부모로 동작하는 기기에 상향 링크 제어 메시지를 전송하는 데 쓰이는 경쟁 접속 구간으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 (B) 과정은,
    부모로 동작하는 기기가 상기 데이터 프레임에서 데이터를 전송할 수 있는 권한을 가지고 있고 자신의 자녀로 동작하는 기기에게 전송할 데이터가 존재하는 경우(즉, 최종 목적지가 상기 자녀로 동작하는 기기이거나 최종 목적지로 데이터를 전달하기 위해서 상기 자녀로 동작하는 기기에 전송해야 할 데이터가 존재하는 경우) 상기 자녀로 동작하는 기기에게 전송할 데이터의 최종 목적지 주소를 포함한 데이터 프레임 청취 메시지를 전송하는 과정과,
    상기 데이터 프레임 청취 메시지를 수신한 상기 자녀로 동작하는 기기가 자신의 상기 부모로 동작하는 기기로부터 상기 데이터 프레임의 구간에서 데이터를 받을 수 있도록 자신의 송수신기를 동작 하는 과정과,
    상기 데이터 프레임 청취 메시지를 수신한 상기 자녀로 동작하는 기기가 상기 데이터 프레임 청취 메시지에 기록된 데이터의 최종 목적지가 자신이 아닐 경우 자신의 상기 자녀로 동작하는 기기에 상기 데이터를 전달할 수 있도록 다음 관리 프레임 구간부터 데이터 프레임을 사용할 수 있는 권한을 가지는 부모로 동작하는 기기로 동작하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 (B) 과정은,
    자녀로 동작하는 기기가 하향 링크 데이터 전송을 완료하였거나 자신의 자녀로 동작하는 기기로부터 하향 링크 데이터 전송 완료 알림 메시지를 수신한 경우 자신의 부모로 동작하는 기기에게 하향 링크 데이터 전송 완료 알림 메시지를 전송하는 과정과,
    상기 하향 링크 데이터 전송 완료 알림 메시지를 수신한 상기 부모로 동작하는 기기가 주 통신기기가 아닐 경우 하향 데이터 링크 전송 완료를 주 통신기기에 알리기 위하여 하향 링크 데이터 전송 완료 알림 메시지를 자신의 상기 부모로 동작하는 기기에 전송하기로 결정하고 데이터 프레임 사용 권한을 포기하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 데이터 프레임 청취 메시지를 전송하는 과정은,
    상기 부모로 동작하는 기기가 특정 자녀로 동작하는 기기에게 보낼 메시지가 있는 경우 상기 관리 프레임 비컨 신호에 상기 자녀로 동작하는 기기의 주소를 추가하여 상기 자녀로 동작하는 기기에 전송할 제어 메시지가 있음을 알리는 과정과,
    상기 특정 자녀로 동작하는 기기가 상기 관리 프레임 비컨 신호를 성공적으로 수신한 경우 상기 부모로 동작하는 기기에 데이터 요청 메시지를 전송하는 과정과,
    상기 부모로 동작하는 기기가 상기 데이터 요청 메시지를 수신하면 상기 데이터 프레임 청취 메시지를 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 (C) 과정은,
    상기 데이터 프레임의 구간에서 데이터를 송신하려는 기기가 데이터 패킷의 크기를 결정하는 과정과,
    상기 데이터 프레임의 구간에서 데이터를 송신하려는 기기가 채널 환경이 양호하다고 판단될 때에만 상기 결정된 패킷의 크기로 데이터를 전송하는 과정과,
    상기 데이터 프레임의 구간에서 데이터를 수신하려는 기기가 데이터를 수신하고 자신의 수신 데이터 버퍼가 가득 찼을 경우 응답(acknowledgement) 메시지를 이용하여 이를 알리는 과정과,
    상기 데이터 프레임 구간에서 데이터 프레임 시간이 끝나거나, 데이터 송신이 완료되거나, 상기 데이터를 수신하려는 기기의 버퍼가 가득 찼음을 인지할 경우 데이터 프레임 구간 동작을 종료하는 과정과,
    상기 데이터 프레임 구간에서 데이터를 송신하려는 기기가 데이터 프레임 구간 동작을 종료한 후에 하향 링크 데이터 전송 완료를 주 통신기기에 알리는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 데이터 프레임 구간에서 데이터를 송신하려는 기기가 데이터 패킷의 크기를 결정하는 과정은,
    데이터 패킷 길이에 따른 패킷 전송 실패율을 추정하는 과정과,
    상기 추정된 패킷 전송 실패율과 데이터 패킷의 헤더(header) 길이를 고려하여 전송량을 최대화하도록 패킷 길이를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 하향링크 데이터 전송 완료를 주 통신기기에 알리는 과정은,
    상기 데이터 프레임 구간에서 데이터를 수신한 기기가 하향 링크 데이터의 최종 목적지이고, 상기 하향 링크 데이터를 구성하는 모든 패킷을 상기 데이터를 수신한 기기에 전송한 경우 하향 링크 데이터 전송 완료를 주 통신기기에 알리는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법.
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