KR101667248B1 - Ｖｈｆ 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 VHF 주파수 대역의 RF 통신 환경에서 소량의 데이터 통신을 요구하는 소물 인터넷을 비동기적으로 운영하도록 함으로써 주어진 채널 성능을 최대한으로 활용할 수 있도록 한 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법에 관한 것이다.
본 발명은 VHF 대역의 주파수를 사용하여 상호 무선 통신하며, 기저대역 프로세서와 RF 트랜시버를 기본 구성 요소로 하여 외부 기기와 직렬 통신으로 연결되는 단위 노드를 복수 구비한 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법에 있어서, 임의의 한 노드가 송신 모드인 경우에 다른 노드는 모두 수신 모드인 상태에서 각 수신 노드에 의해 수행되되, 일정한 신호 패턴인 프리앰블에 연속되는 특정 데이터 패턴인 싱크 워드를 수신하는 (a1) 단계; 패킷 헤더를 수신하고, 상기 패킷 헤더에 포함된 목적지 MAC 주소가 자기 MAC 주소인지를 판단하는 (a2) 단계 및 상기 (a2) 단계에서 목적지 MAC 주소가 자기 MAC 주소인 경우에는 즉각 응답(RESP_DIRECT)을 송신하는 반면에 자기 MAC 주소가 아닌 경우에는 이를 무시하는 (a3) 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＶＨＦ 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법{method for operating mesh network in VHF frequency band}

본 발명은 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법에 관한 것으로, 특히 VHF 주파수 대역의 RF 통신 환경에서 소량의 데이터 통신을 요구하는 소물 인터넷을 비동기적으로 운영하도록 함으로써 주어진 채널 성능을 최대한으로 활용할 수 있도록 한 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법에 관한 것이다.

원래 모든 기술은 삶과 밀접하다. 최근 '사물인터넷'이라고 등장한 말은 원래 사용되었던 WSN(Wireless Sensor Network)이라는 용어의 범주와 정확하게 일치한다. 한편, 우리가 통상적으로 사용하는 '메쉬'(Mesh)라는 용어는 한정된 통신 공간이라는 암시를 스스로 담고 있고, 그 암시를 벗어나지 못한 오류가 무수한 통신 자원을 폐기 상태로 방치하는 결과로 이어지고 있다.

본 발명과 관련한 내용에 있어 주파수에 관한 내용을 기본 배경으로 전제하여 아래의 표 1의 내용을 풀어본다. 아래의 표 1은 주요 비면허 주파수 대역의 물리적 통신 가능 거리 산출표(Friis Path Loss Equation)이다.

용도	주파수	송신 전력	수신 전력	거리
WiFi	5.8㎓	10dBm	-115dBm	7.7㎞
ISM	2.4㎓	10dBm	-115dBm	18㎞
ISM*	2.4㎓	10dBm	-80dBm	315m
ISM**	2.4㎓	10dBm	-70dBm	100m
Mobile	1.2㎓	10dBm	-115dBm	35㎞
IOT, etc.	950㎒	10dBm	-115dBm	45㎞
Safety Data Communication	447㎒	10dBm	-115dBm	100㎞
VHF(Data Communication)	219㎒	10dBm	-115dBm	200㎞
DMB(KCC)	193㎒	10dBm	-115dBm	230㎞

위 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 제반 사항을 종합적으로 고려할 때 저주파 선택의 쏠림 현상이 충분히 야기될 수 있다. 본 발명에서 VHF(Very High Frequency)를 사용하는 이유는 표 1을 전제로 할 때 방송용을 제외한 화이트 밴드(White Band)에서 전파법이 허용하는 가장 유리한 영역의 주파수이고, 특히 아시아 시장을 겨냥한 글로벌 업체의 부품들이 이 주파수 대역의 장점을 활용할 수 없기 때문이다.

한편, 본 발명에서 사용되는 'VMX'(VHF Mesh Network)라는 용어에 대해 오해가 있을 수 있는데, 그 이유는 메쉬(Mesh)라는 용어의 불확정성에서 기인할 수 있다. 즉 본 발명에서 사용되는 메쉬와 IEEE 802.11, 15 및 16에서 거론되는 메쉬 간의 개념적인 차이에 기인하고 있다. IEEE 802.11, 15 및 16에서 거론되는 메쉬는 구획된 망 내부(Meshed Section)에서의 논리적 운영 문제 및 그 망을 벗어나는 통신에 관한 내용에 주안점으로 다루지만 본 발명에서는 망 속의 사각형 하나가 아니라 그물망 전체(Mesh Infra Structure)의 운영의 합리성을 해결하기 위하여 안출되었다는 것이다. 말하자면 종래의 메쉬 네트워크에서는 이웃집을 방문하는 것이 매우 어려운 문제였지만, 본 발명의 VMX에서는 모든 집들 간의 소통이 기본적으로 해결되어 있는 상태에서 가구 간의 소통 문제를 해결하는 수단을 제시하는 것이다.

표 1을 단순히 해석하자면, 장애물을 투과하지 않는 상태에서도 OFDM 방식에서 100m도 통신을 할 수 없는 WiFi와 같은 개념을 - 그냥 통신에 불과할 뿐 운영이라는 개념은 전제할 수가 없는 - 수천 수만 개의 노드를 운영해야 하는 스마트 시티(Smart City)의 운영 솔루션으로 채택할 수는 없는 노릇이다.

한편, 사물 인터넷(IoT: Internet of Things)이라는 말을 인류가 사용한 것은 불과 2~3년이 채 되지 않고, 소물 인터넷(IoST: Internet of Small Things)이라는 말이 활자화된지도 불과 1년이 채 되지 않는다.

본 발명은 소물 인터넷에 관한 것이고, 더욱이 무의미한 단어 사용을 배제한다면 엄밀한 의미에서의 WSN(Wireless Sensor Network)을 보다 현실화시키는 기술에 관한 것이다. 이와 관련하여, 대인적 네트워크 서비스는 감성적인 유/불리가 존재하지만 센서 네트워크는 오직 적합성만이 요구된다. 즉, 센서 네트워크에서 통신은 단지 센서의 매개체일 뿐이기 때문에 센서와 네트워크를 완전히 독립적인 별개의 개념으로 생각해야 하는 것이다.

다음의 몇 가지 요소들이 소물 인터넷의 해결 과제로 제시되고 있다.

- 간헐적 통신(Rare traffic) : 통신 이벤트가 어쩌면 10년에 한 번 발생할 수도 있다.

- 소량의 데이터(Small data) : 불과 1비트이고 많아야 2바이트 정도가 핵심 정보일 수 있다.

- 장거리(Long distance) : 멀리, 말하자면 100km 너머의 어딘가로 정보를 전송해야 할 수도 있다.

- 유연한 네트워크 구조(Flexible network structure) : 주변의 노드들은 나름 복잡한 관계를 가질 수도 있고, 해당 개체도 그와 같은 복합적인 구조의 한 개체일 것이다.

- 이동 센서 네트워크(Mobile Sensor Network) : 움직이는 것들이 간혹 정보를 보내올 수도 있다.

또한, 모든 기술은 '그럴 수가 있거나' 혹은 '그렇지 않거나' 라는 아주 모호한 경계점에 존재하는데, 본 발명은 일단 '그럴 수가 있거나'라는 인식의 관점을 전제로 한다.

한편, 전술한 표 1은 본 발명의 배경 기술에 관하여 아무것도 제시하지 않고, 단지 VHF 대역의 전파 환경이 소물 인터넷에 있어서 아주 소중한 자원이고 합법적으로 사용할 수 있도록 허용되어 있는데 아무도 사용하지 않고 있다는 사실을 확인시킬 뿐이다.

본 발명의 배경에는 WiFi 같은 것이 존재하지 않는다. 본 발명은 극히 직관적이고 단순한 통신 방식에 근거하며, 상식적인 관념의 범주에서 구성된다. 통상적인 메쉬 네트워크는 물리적인 통신 거리의 한계에 귀속한다. 상대적인 개념의 거리 차이에서는 타당성이 있지만 절대적인 통신 범위의 차이인 수 m와 수십 km간에는 네트워크 구성의 개념적 차이가 존재한다.

가령, 블루투스, WiFi 및 LTE 등과는 전혀 다른 차원의 물리적인 공간에서의 네트워크가 존재한다. 즉, 통신 반경 50km에 달하는 VMX에는 통신 반경이 30m에도 미치지 못하는 블루투스나 100m에도 미치지 못하는 WiFi 등과는 전혀 다른 개념의 네트워크 운영 알고리즘이 요구된다.

본 발명은 최소 50km의 통신 반경을 전제로 하는 VHF 대역 주파수에서의 협대역 통신 한계에서의 소물 인터넷의 운영 알고리즘에 관한 것으로서, 그 기술 배경에는 다음과 같은 전파법상의 규정이 전제된다.

1. 대역폭과 출력을 통신 사업자의 목적에 따라 임의 사용할 수 있는 전용 주파수 대역이 아니라 전파법상 비면허 대역의 주파수를 사용함을 전제로 한다 (Unlicensed Frequency).

2. 대량 및 고속 데이터 통신이 주목적이 아니라 센서 혹은 임의의 기기 간의 소량의 정보를 주고받는 것을 통신의 주목적으로 함을 전제로 한다(Small Things Network).

3. 특히 소출력 장거리 통신이 가능한 VHF 대역의 주파수를 사용함을 전제로 한다(Specific Defined Low Power RF Device).

4. 협대역 저속 통신(예:25khz/ch & 24kbps)을 전제로 한다(Narrow Band RF Communication).

5. 토큰링(Token Ling), 스타 토폴로지(Star Topology), 트리 토폴로지(Tree Topology) 및 M2M(Machine to Machine) 등 다양한 구조의 네트워크가 동일 채널 상에서 구현됨을 전제로 한다(Flexible Mesh Structured Network).

상기한 바를 깊이 고려하더라도 본 발명의 배경 기술로서 고려할 가장 민감한 사항은 협대역 통신에서의 통신 자원의 열악성에 관한 것이다. 즉, 저속 통신에서 네트워크의 운영을 위해 필요한 기기 간의 통신 대상의 식별에 관한 문제이다.

본 발명과 관련된 대표적인 종래의 기술로는 Pure ALOHA, Slotted ALOHA, CSMA 및 Polling 등을 들 수 있다.

이 기술들은 유효 트래픽에 따라 다양한 효율성의 차이를 보이는데, 아래의 표 2는 대표적 프로토콜의 산술적 최대 효율성과 그 효율성에 따라 24kbps의 저속 통신에서 얻을 수 있는 산술적 유효 통신 속도를 보이고 있다.

프로토콜	쓰루풋(Throughput)	Rate in 24kbps
Pure ALOHA	18%	4.32kbps
Slotted ALOHA	37%	8.88kbps
CSMA	80%	19.20kbps
Polling	95%	22.80kbps

상기 표 2를 보면 Polling 방식의 경우 상당히 우수한 효율성을 가지는 것으로 보인다. 그러나 이 방식은 초대 메시지(Inviting Message)의 오버헤드를 극단적으로 무시할 수 있는 고속 데이터 통신(1Mbps 이상)을 가정한 것으로서, 24kbps에 실제로 적용하는 경우 노드의 수가 늘어남에 따라 그 효율성을 급격히 감소하여 사실상 쓰루풋이 0%라고 보아야 할 것이다. 가령 초대 메시지의 크기가 24바이트이고, 트래픽 노드가 1,000개인 경우 초당 발생하는 초대 메시지의 오버헤드는 24,000바이트가 되는데, 이는 24kbps의 초당 트래픽인 24,000바이트와 사실상 일치하기 때문이다.

이와 같은 사실은 궁극적으로 저속 통신망에서는 초대 메시지를 오버헤드로 하는 동기식 네트워크의 운영이 불가능함을 보여준다. 따라서 통상적인 저속 RF 모뎀으로 운영하는 센서 네트워크는 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition) 방식으로만 운영하는 것이 일반적인 관례였다. 즉, 감독 노드(Supervisor Node)가 질의(Query)를 하면 해당 노드가 순차적으로 응답함으로써 신호의 충돌을 방지하는 운영 방식이 일반적이었다.

그러나 이 방식은 네트워크에서 운영되는 모든 기기들이 수동 모드(Passive mode)로 운영되어야 한다는 제한을 가진다. 즉, 센서에서 발생하는 변화에 따라 센서가 능동적으로 센서 정보를 송출하는 네트워크를 구성하기에는 부적합하다는 문제점이 있으며, 일대일 통신 목적을 갖는 다수의 노드가 동일한 주파수 대역에서 통신을 수행하는 경우 사실상 Pure ALOHA 방식으로 운영되기 때문에 산술적으로 18% 정도의 트래픽 효율성을 얻을 수밖에 없다는 문제점이 있었다.

특허문헌 1 : 10-1572029호 등록특허공보(발명의 명칭 : 실시간 무선 신호 증폭 중계기)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, VHF 주파수 대역의 RF 통신 환경에서 소량의 데이터 통신을 요구하는 소물 인터넷을 비동기적으로 운영하도록 함으로써 주어진 채널 성능을 최대한으로 활용할 수 있도록 한 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법을 제공함을 목적으로 한다.

본 발명은 VHF 대역의 주파수를 사용하여 상호 무선 통신하며, 기저대역 프로세서와 RF 트랜시버를 기본 구성 요소로 하여 외부 기기와 직렬 통신으로 연결되는 단위 노드를 복수 구비한 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법에 있어서, 임의의 한 노드가 송신 모드인 경우에 다른 노드는 모두 수신 모드인 상태에서 각 수신 노드에 의해 수행되되, 일정한 신호 패턴인 프리앰블에 연속되는 특정 데이터 패턴인 싱크 워드를 수신하는 (a1) 단계; 패킷 헤더를 수신하고, 상기 패킷 헤더에 포함된 목적지 MAC 주소가 자기 MAC 주소인지를 판단하는 (a2) 단계 및 상기 (a2) 단계에서 목적지 MAC 주소가 자기 MAC 주소인 경우에는 즉각 응답(RESP_DIRECT)을 송신하는 반면에 자기 MAC 주소가 아닌 경우에는 이를 무시하는 (a3) 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

전술한 구성에서, 상기 패킷 헤더를 수신한 후에 상기 패킷 헤더에 대한 헤더 CRC 체크를 수행하는 단계를 더 구비하고, 상기 헤더 CRC가 일치하는 경우에는 패킷 데이터를 수신하는 반면에 일치하지 않는 경우에는 상기 (a1) 단계를 반복하는 것을 특징으로 한다.

상기 패킷 헤더 및 상기 패킷 데이터 모두에 대한 헤더와 데이터 CRC 체크를 수행하는 단계를 더 구비하고, 상기 헤더와 데이터 CRC가 일치하는 경우에는 상기 (a2) 단계에서 목적지 MAC이 자기 MAC인지를 판단하는 반면에 일치하지 않는 경우에는 이를 무시하는 것을 특징으로 한다.

상기 패킷 데이터의 사이즈는 가변적이되, 상기 패킷 헤더를 통해 그 사이즈 정보가 주어지는 것을 특징으로 한다.

송신 노드에 의해 수행되되, RF 송신 버퍼에 데이터가 대기중인 경우 송신 가능 상태(TX Enable)인지를 판단하는 (b1) 단계; 상기 (b1) 단계에서의 판단 결과, 송신 가능 상태이면 적어도 상기 패킷 헤더를 포함하는 송신 패킷을 생성하여 송신하는 (b2) 단계 및 수신 노드로부터 응답을 수신하는 (b3) 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

송신 노드는 수신 노드가 수행해야 할 응답 방법을 상기 패킷 헤더에 지정하여 송신하고, 수신 노드는 지정된 상기 응답 방법에 따른 응답을 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 응답 방법은 상기 즉각 응답, 무응답(RESP_NO), 최초 수신 노드 응답 이후 무응답(RESP_1ST) 및 모든 수신 노드 응답(RESP_ALL) 중 하나인 것을 특징으로 한다.

송신 노드는 브로드캐스트용 MAC 주소를 목적지 MAC 주소로 하여 상기 패킷 헤더를 송신하고, 각 수신 노드는 목적지 MAC 주소가 상기 브로드캐스트용 MAC 주소인 경우에 이를 수신하는 것을 특징으로 한다.

송신 노드는 브로드캐스트용 MAC 주소를 목적지 MAC 주소로 하는 경우에 상기 응답 방법으로 상기 무응답, 상기 최초 수신 노드 응답 이후 무응답 또는 모든 수신 노드 응답 중 하나를 지정하는 것을 특징으로 한다.

모든 노드는 그룹캐스트를 위한 하나 이상의 그룹에 속하되, 송신 노드는 특정 그룹캐스트용 MAC 주소를 목적지 MAC 주소로 하여 상기 패킷 헤더를 송신하고, 각 수신 노드는 목적지 MAC 주소가 자기가 속하는 상기 그룹캐스트용 MAC 주소인 경우에 이를 수신하는 것을 특징으로 한다.

송신 노드는 그룹캐스트용 MAC 주소를 목적지 MAC 주소로 하는 경우에 상기 응답 방법으로 상기 최초 수신 노드 응답 이후 무응답 또는 모든 수신 노드 응답 중 하나를 지정하는 것을 특징으로 한다.

MAC 주소가 3바이트인 경우에 브로드캐스트용 MAC 주소는 FFFF00h이고, 그룹캐스트용 MAC 주소는 FFFFnnh인 것을 특징으로 한다.

상기 응답 방법으로 상기 즉각 응답이 지정된 상태에서 송신 노드가 상기 수신 노드로부터 상기 즉각 응답을 수신하지 못한 경우 응답을 수신할 때까지 미리 설정된 횟수만큼 송신 패킷을 송신하는 것을 특징으로 한다.

수신 노드는 패킷 수신 완료시부터 RF 트랜시버가 수신 모드에서 송신 모드로 전환되기 위해 필요한 물리적인 시간과 기저대역 프로세서가 RF 트랜시버에 데이터를 전송하고 이에 대한 응답으로 RF 트랜시버가 반송파를 송출하기까지의 시간으로 설정된 T1이 경과한 후에 응답을 송신하는 것을 특징으로 한다.

송신 노드는, 수신되는 모든 패킷의 RSSI의 누적 계산치를 1차 근거로 하고, 타 노드의 난수 산출 결과를 근거로 하는 SeqID의 누적 계산치를 2차 근거로 하여 산출된 시간이 경과한 상태에서 자기의 송신 가능 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.

송신 노드는, T2 = T1 + T_RSSI * (T_RND+1)가 경과한 상태에서 측정한 RSSI가 미리 설정된 최소 한계치(mRSSI_LOW_LIMIT)보다 큰 경우에 송신 불가능 상태라고 판단하는 반면에 반대인 경우에는 송신 가능 상태라고 판단하되, 상기 T_RSSI는 RF 트랜시버가 안정적인 수신 강도를 계측하기 위한 시간으로 설정되고, T_RND는 랜덤 값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.

송신 노드는 전체 송신 데이터를 복수의 데이터 블록으로 분할하여 송신하되, 각 데이터 블록의 상기 패킷 헤더에는 송신하는 전체 데이터 블록의 수(TtlPkts), 현재 송신하는 데이터 블록의 순서(CrntPktCnt) 및 분할된 데이터 블록 공간에서의 현재 데이터 패킷의 주소(DataBlkAdr) 정보가 포함되는 것을 특징으로 한다.

수신 노드는 상기 전체 데이터 블록의 수 정보에 의해 복수의 데이터 블록을 수신해야 하는 것으로 판단하는 경우 전체 데이터 블록이 수신될 시간이 경과한 후에야 비로소 통합 응답을 송신하는 것을 특징으로 한다.

상기 통합 응답에는 수신 에러가 발생한 패킷의 주소 정보가 포함되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법에 따르면, VHF 주파수 대역의 대략 25kHz 정도의 협대역 RF 통신 환경에서 소량의 데이터 통신을 요구하는 소물 인터넷을 비동기적으로 운영하도록 함으로써 주어진 채널 성능을 최대한으로 활용할 수가 있다.

도 1은 본 발명의 VMX에서의 기본적인 M2M 통신 구조도.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 소물 인터넷(IoST) 공간의 단일 채널 상에서 요구되는 다양한 네트워크 구조도.
도 3은 본 발명의 VMX 채널 상에서의 통신 진행 과정 예시도.
도 4는 도 3의 예시에서의 VMX 노드들 간의 P2P 통신 순서에 따른 타이밍 차트.
도 5는 도 3의 예시에서 수신 상태 노드의 운영 흐름도(P2P 모드).
도 6은 도 3의 예시에서 송신 상태 노드의 운영 흐름도(P2P 모드).
도 7은 본 발명에서 충돌 방지 체크 로직의 흐름도.
도 8은 본 발명의 비동기식 브로드캐스트(유니캐스트 포함) 통신 환경 문제를 해결하기 위한 VMX의 가상적인 공간 설정도.
도 9는 본 발명의 VMX AP와 단말 노드들 간의 응답 모드에 따른 타이밍 차트로서, 도 9a는 AP#1이 브로드캐스트 RESP_NO 모드로 데이터를 전송하는 경우의 타이밍 차트, 도 9b는 AP#2가 브로드캐스트 RESP_1ST 모드로 데이터를 전송한 경우의 타이밍 차트, 도 9c는 AP#3이 브로드캐스트 RESP_ALL 모드로 데이터를 전송한 경우의 타이밍 차트, 도 9d는 Node#2가 멀티캐스트 RESP_1ST 모드로 제1 그룹에 대해 데이터를 전송한 경우의 타이밍 차트, 도 9e는 AP#1이 멀티캐스트 RESP_ALL 모드로 제2 그룹에 대해 데이터를 전송한 경우의 타이밍 차트.
도 10은 본 발명에서 P2P+브로드캐스트 모드에 있어서의 수신 상태의 운영 흐름도.
도 11은 본 발명에서 P2P+브로드캐스트 모드에 있어서의 송신 상태의 운영 흐름도.
도 12는 본 발명에서 VMX 노드들 간의 멀티 패킷 스트리밍 전송 타이밍 차트(P2P 모드).
도 13은 본 발명에서 멀티 패킷 스트리밍 수신 상태의 노드의 운영 흐름도(P2P 모드)로서, 도 13a는 단위 패킷의 수신 흐름도이고, 도 13b는 스트리밍 수신 운영 흐름도.
도 14는 본 발명에서 멀티 패킷 스트리밍 송신 상태의 노드의 운영 흐름도(P2P 모드).

이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 VHF 협대역 메쉬 네트워크에서 소물 인터넷이 요구하는 다양한 방식의 통신 문제, 특히 VHF 주파수 대역의 채널당 25kHz의 대역폭을 갖는 RF 통신 환경에서 발생해 온 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 소량의 데이터 통신을 요구하는 소물 인터넷을 비동기적으로 운영하도록 함으로써 주어진 채널 성능을 최대한으로 활용하는 비동기 메쉬 네트워크를 운영하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은,

1) 비동기식 유니캐스트(Unicast) 통신 환경에서의 단위 통신 이벤트의 보호 및 노드 간의 통신 충돌 방지(Communication Event Protection & Anti-collision of Asynchronous Communication)의 문제,

2) 비동기식 브로드캐스트(Broadcast; Multicast 포함) 통신 환경에서의 응답 처리(Response Process of Broadcasting)의 문제,

3) 멀티 패킷 통신의 연속성 보호 및 보장(Flow Protection & Error Correction of Streaming Communication)의 문제,

4) 저주파 대역의 장거리 통신 특성을 제한하기 위한 공간 분할(SDM:Space Division Modulation)의 문제 등을 해결하여야 한다.

도 1은 본 발명의 VMX에서의 기본적인 M2M 통신 구조도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명은 무선 센서 네트워크 모듈 간의 통신을 기본 요소로 하는데, 각각의 단위 통신 노드(VMX Node #1, VMX Node #2)는 기저대역 프로세서(Baseband Processor(MCU))와 RF 트랜시버(VHF RF Transciver)를 기본 구성 요소로 하여 외부 기기(External Device)와 직렬 통신(Serial Interface)으로 연결될 수 있다.

전술한 구성에서, RF 트랜시버는 다시 원하는 주파수 채널의 주파수를 발생하는 RF 신디사이져(RF Synthesizer), 송출하고자 하는 디지털 신호를 가공하여 협대역의 채널 폭에 적합한 변조 신호를 발생시키는 FSK(Frequency Shift Keying; 2FSK, 3FSK 또는 4FSK) 변조기(FSK Modulator), 수신된 RF 반송파 신호로부터 디지털 신호를 검출하는 FSK 복조기(FSK Demodulator), 수신된 신호의 수신 강도를 측정하는 RSSI(Received Signal Strength Indication) 검출기(RSSI Detector), 임의의 디지털 데이터 전송 속도로 기저대역 프로세서와의 사이에서 디지털 신호를 송수신하는 I2C 프로세서(I2C Processor)로 구성될 수 있다. 여기에서, RF 트랜시버가 그 데이터 입출력 방식으로 I2C 통신 방식을 사용하는 것은 RF 트랜시버의 성능에 따라 반송파 신호의 송수신 속도가 달라지더라도 통상적인 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 시리얼 통신의 규격 적 통신 속도에 구속받지 않도록 하기 위함이다.

한편, 기저대역 프로세서는 해당 노드가 주변의 전파 환경이 다른 임의의 기기에 의해 점유되어 있는 지의 여부를 판별하는 RSSI 분석기(RSSI Analyzer), 전파 환경에 따라 신호의 충돌을 방지(Anti-Collision)하도록 그 송출 여부를 결정하는 PHY(Physical Layer) 프로세서(PHY Processor), 수신된 신호의 MAC(Madia Access Protocol)을 분석하여 해당 노드가 통신 대상에 포함되어 있는지를 판별하고, 그에 따른 노드의 행위를 결정하여 수행하는 MAC 프로세서(MAC Processor), 기저대역 프로세서의 운영에 관한 각종 설정이나 통신 모듈 간의 네트워크 운영 명령 등을 처리하는 디바이스 명령 프로세서(Device Command Processor), 주변 기기와의 사이에서 직렬 통신을 위한 UART 프로세서(UART Processor) 및 RF 트랜시버와의 신호 처리를 위한 I2C 프로세서(I2C Processor)를 구비할 수 있다.

비록 도시하지 않았으나 기저대역 프로세서에는 이외에도 프로그램 저장을 휘한 프래시 메모리(Flash Memory), 각종 변수 및 데이터 처리를 위한 램(RAM) 및 해당 노드의 운영에 관한 제반 설정 정보를 저장하는 EEPROM 등이 더 구비되어야 할 것이다.

한편, 도 1에 도시한 외부 기기(External Device)는 센서 네트워크에서 통상적으로 지칭하는 제반 센서(Sensor)만이 아니라 각종 산업용 장비(Industrial Machines), 제반 스위치(Switch), 조명(Light), 자동차(Traffic Status), 드론(Drone) 류와 같은 원격 제어 장치(Remote Controlled Devices) 등일 수도 있고, 이외에도 LTE, 이더넷(Ethernet), USB, RS485 또는 RS-232C 등과 같은 이종 통신 간의 브릿지 장치(Communication Bridge Device) 등일 수도 있다. 특히 스마트 센서 네트워크에서는 궁극적으로 서버와의 데이터 통신이 요구되는 경우가 많은데, 이에 따라 이더넷 브릿지(Ethernet Bridge)나 USB 브릿지 등이 특별히 필수적인 외부 기기로 간주될 수 있다.

도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 소물 인터넷(IoST) 공간의 단일 채널 상에서 요구되는 다양한 네트워크 구조도이다. 본 발명은 도 1에 도시한 바와 같은 VMX 노드들을 물리적 요소로 하는 논리적 네트워크 공간을 전제로 할 수 있는데, VMX 노드들(이하 간단히 '노드'라고도 한다)은 네트워크의 구조를 설정하는 형태에 따라 도 2에 도시한 바와 같은 다양한 구조의 네트워크 단위를 단일 주파수 채널 공간에서 형성할 수 있다.

기본적으로는 도 2의 a)에 도시한 바와 같이 특정 장치들 간의 독립적인 무선 통신을 위주로 하는 N대N 구조(M2M(Machine to Machine) Structure), 도 2의 b)에 도시한 바와 같이 AP(Access Point) 역할의 노드, 예를 들어 이더넷 브릿지가 수동 모드인 상태에서 대개는 슬립 모드(sleep mode)로 동작하는 다수의 노드들이 타이머 혹은 센서 상태의 이벤트에 따라 임의로 데이터를 전송하는 N대1 구조(Event structure) 및 도 1의 c)에 도시한 바와 같이 AP 역할의 노드가 능동 모드인 상태에서 다수의 노드들과 양방향 통신을 하는 1대N 구조(SCADA structure)를 들 수 있다. 본 발명의 VMX는 이와 같이 다양한 구조의 네트워크들이 중복적으로 단일 채널에 혼재하는 것을 기본적인 통신 환경으로 간주한다.

한편, 전술한 네트워크 환경에서 먼저 상기한 해결 과제 중 첫 번째 과제인 비동기식 P2P(Peer to Peer: Unicast) 통신 환경에서의 단위 통신 이벤트의 보호 및 노드 간의 통신 충돌 방지(Communication Event Protection & Anti-collision of Asynchronous Communication)의 문제를 해결하기 위하여 도 3과 같이 4개의 노드가 통신을 진행하는 일련의 과정을 예시하여 그 해결 수단을 설명한다.

도 3은 본 발명의 VMX 채널 상에서의 통신 진행 과정 예시도이다. 도 3에서 예시하는 상황은 노드#1이 노드#2에게 데이터를 송신하는 동안 먼저 노드#N에서 노드#2에게 데이터 송신 이벤트가 발생하고, 역시 같은 통신 진행 중에 노드#3에서 노드#2에게 데이터 송신 이벤트가 발생했을 경우의 실행 과정이다.

도 4는 도 3의 예시에서의 VMX 노드들 간의 P2P 통신 순서에 따른 타이밍 차트이다. 도 5는 도 3의 예시에서 수신 상태 노드의 운영 흐름도(P2P 모드)이고, 도 6은 도 3의 예시에서 송신 상태 노드의 운영 흐름도(P2P 모드)이다.

본 발명에서 모든 노드는 항상 2가지 상태 중 하나의 상태에 존재하는데, 그 하나는 송신 상태이고 다른 하나는 수신 상태이다. 채널 공간에서 어떤 하나의 노드라도 송신 상태에 있다면 다른 모든 노드는 수신 상태이다. 즉, 모든 노드는 항상 도 5 또는 도 6의 어느 한가지 상태인 것으로 취급되는데, 대부분의 경우는 도 5에 도시한 수신 상태로 취급되는 것이 바람직하다.

한편, 도 4는 도 5와 도 6을 전제로 하여 각 노드의 시간적 상태의 흐름을 보여주는데, 도 4의 (A) 시점은 노드#1이 도 6에 도시한 송신 상태이고, 노드#2, 노드#3 및 노드#N은 도 5에 도시한 수신 상태임을 보이고 있다. 이 상태에서, 노드#N의 RF 송신 버퍼에 데이터가 수신됨에 따라 노드#N은 TX_F(송신 요구 플래그)를 세트하고, 현재 진행중인 통신이 종료되는 시점을 대기한다.

도 4의 (B) 시점에서도 각 노드의 상태는 전술한 바와 동일한데, 노드#3의 TX_F가 세트된 상태로서 노드#3도 역시 노드#N과 같이 현재 진행 중인 통신이 종료되는 시점을 대기한다. 도 5의 흐름도 상 수신 종료가 확인된 도 4의 (C) 시점에서 TX_F가 세트되어 있는 노드#3과 노드#N은 후술하는 도 7에 도시한 바와 같은 충돌 방지(Anti-collision) 알고리즘에 따라 송신 가능 여부를 판단한다. 본 예시에서는 노드#3의 T2가 노드#N의 T2보다 작은 값으로 산출되어 실제로는 노드#3의 TX_F가 노드#N의 TX_F보다 더 늦게 세트 되었음에도 불구하고, 노드#3이 더 빨리 송신 기회를 확보하는 경우를 보이고 있다. 마지막으로, 도 4의 시점 (D)에서 노드#N은 수신 종료 확인 후 다시 도 7의 과정을 통하여 송신 기회를 확보하는데, 만일 이 시점에 앞서 다른 임의의 노드의 TX_F가 세트되어 있었다면 도 4의 시점 (C)와 같은 과정이 반복될 수도 있다.

여기에서 중요한 것은 T1, T2, T3의 산출 기준이다.

위 수학식 1은 상기한 해결 과제 1)에 있어서 단위 통신 이벤트의 보호(Communication Event Protection)에 관련된 것으로서, RF 트랜시버가 수신 모드에서 송신 모드로 전환되기 위해 필요한 물리적인 시간과 기저대역 프로세서가 RF 트랜시버에 최초의 데이터(Preamble)를 전송하고 이에 대한 응답으로 RF 트랜시버가 반송파를 송출하기까지의 시간을 의미한다. 즉, 단위 통신에 대하여 수신 노드가 수신 상태가 양호한지를 송신 노드에게 응답하는 경우에는 주변 전파 환경을 고려하지 않고 RF 트랜시버를 송신 모드로 전환하여 즉각적으로 반송파를 송출하는데, 이는 송신 노드를 제외한 모든 주변 노드들이 수신 모드에 있었음을 전제로 하여 최우선적으로 송신 기회를 확보하기 위한 시간 단위이다.

위의 수학식 2는 전술한 해결 과제 1)에 있어서 노드 간의 통신 충돌 방지(Communication Event Protection & Anti-collision of Asynchronous Communication)에 관한 것으로서, 도 7의 흐름도에서 가장 중요한 요소이다.

수학식 2에서 T_RSSI는 RF 트랜시버가 안정적인 수신 강도를 계측하기 위한 시간으로서 작은 값일수록 적합하고, T_RND는 제반 환경 조건과 수신 상태에서 취득한 다른 노드들의 랜덤(RND) 값들을 종합한 값으로서, 이 값이 크면 클수록 충돌 방지의 확률이 높아지지만 상대적으로 통신 자원의 낭비 요소로 작용될 수 있으므로 네트워크상의 노드의 수를 감안하여 최적값을 산정하는 것이 바람직하다.

한편, 도 5의 수신 상태의 노드는 에어(Air) 상의 무수한 전파 신호를 모니터링하는데, 이를 위해 싱크 워드의 수신을 대기(Wait Sync Word)한다. 임의의 노드로부터의 통상적인 패킷은 일정한 신호 패턴의 프리앰블(Preamble)에 연속하여 특정 데이터 패턴인 싱크 워드(Sync Word)를 송출함으로써 패킷의 전송이 개시되었음을 주변에 알린다. 즉, 임의의 노드로부터 프리앰블(Preamble) -> 싱크 워드(Sync Word) -> 패킷 헤더(Packet Header) -> 패킷 데이터(Packet Data)의 순서로 단위 패킷의 정보가 송출된다.

무한정한 시간의 흐름 속에서 비동기식 네트워크에서는 바로 이 싱크 워드의 식별 시점에서 모든 수신 노드들의 동기화(Synchronization)가 이루어진다. 즉 비동기식 네트워크의 동기화 과정이 도 5에서는 싱크 워드 수신 대기(Wait Sync Word)의 단계에 의해 수행된다. 이와 같이 하여 동기화가 진행된 이후에는 바로 패킷 헤더를 수신(Receive Packet Header)하는데, 이러한 패킷 헤더는 아래의 표 3에 기재한 정보를 포함한다.

기호	설명
SrcMAC	송신 노드의 MAC Address
DstMAC	수신 노드의 MAC Address
TtlPkts	전송하는 전체 데이터 블럭의 수
CrntPktCnt	현재 전송하는 데이터 블럭의 순서
DataBlkAdr	분할된 데이터 블럭 공간에서의 현재 데이터 패킷의 주소
PktSize	패킷 데이터의 크기
SeqID	전송하는 블럭 스트림의 고유 식별자
RespMethod	수신측의 응답 방법
CRC	패킷 헤더에 대한 16비트 CRC(Cyclic Redundancy Check)

위의 표 3에서 DstMAC은 본 발명 내용에 있어 상당히 중요한 의미를 갖는데, 유니캐스트(P2P) 모드에서는 특정 노드의 주소가 DstMAC에 송출되지만 브로드캐스트 혹은 멀티캐스트에서는 이 주소가 가상적 의미를 갖기 때문이다. 즉 가상 주소(Pseudo Address)의 개념인데, 본 발명의 VMX에서는 MAC에 부여할 수 있는 최상위의 256비트가 이에 해당한다. 가령 3바이트 MAC의 경우 FFFF00h ~ FFFFFFh의 256비트가 가상 MAC(Pseudo MAC)으로 사용될 수 있다.

여기에서 DstMAC이 FFFF00h인 경우는 브로드캐스트를 의미, 즉 수신하는 모든 노드에 대해 전송하는 패킷 데이터를 유효 정보로 수신하라는 의미를 갖는다. 또한 VMX의 각 노드는 중복적으로 그룹 ID를 설정하는데, 그 값은 01h ~ FFh이다. 즉 임의의 A라는 노드는 해당 노드의 고유 MAC을 부여받음과 동시에 그룹 ID로서 07h, 1Fh 또는 88h 등의 다수의 그룹 ID를 부여받을 수 있다.

DstMAC의 상위 2바이트가 FFFFh인 경우 수신 노드는 브로드캐스트 혹은 멀티캐스트의 수신 대상인지를 분석하여 해당 노드가 이에 해당되는 경우 수신된 정보를 유효 데이터로 수신한 후에 응답 방법에 명시된 방식으로 응답 처리를 한다. 이 내용은 다음의 해결 과제인 비동기식 브로드캐스트(멀티캐스트 포함) 통신 환경에서의 응답 처리(Response Process of Broadcasting)에서 상세히 설명하는 것으로 한다. 또한 TtlPkts가 1 이상인 경우에 대해서도 멀티 패킷 통신의 연속성 보호 및 보장(Flow Protection & Error Correction of Streaming Communication)의 문제 해결 수단에서 설명하기로 하고, 본 해결 수단의 주제는 P2P 단일 패킷 전송의 범위에서 설명한다.

한편, 패킷 헤더의 정상 수신 여부는 16비트 CRC로 체크하는데, CRC를 구성하는 폴리노미널(Polynomial), 프리셋(Preset) 및 레시듀(Residue)는 호환성과 보안성의 대립적 관점에서 설정한다. 호환성을 위해서는 아래의 표 4의 내용을 기본으로 한다.

파라미터	수식	값
Polynomial	X16+X12+X5+X0	10001000000100001b
Preset		1111111111111111b
Residue	X12+X11+X10+X8+X4+X3+X2+X1	0001110100001111b

물론 특정 네트워크의 보안성을 위해서라면 이 값을 임의 설정하는 것으로 한다.

도 5에서, 패킷 헤더의 CRC가 일치하지 않는 경우 노드는 동기화(Synchronization)에 실패한 것으로 간주, 싱크 워드 수신 대기 단계를 계속 수행한다. 반면에, 패킷 헤더의 CRC가 일치하는 경우에는 패킷 데이터를 수신(Receive Packet Data)하는데 이 패킷 데이터는 패킷 헤더에서 명시하는 크기에 따라 가변적이다. 즉, 가능한 한 통신량을 줄여서 VMX의 자원 운영의 효율성을 극대화할 수 있도록 패킷 데이터를 가변적으로 운영한다.

한편, 패킷 데이터의 마지막에도 CRC가 수반되는데, 이 CRC는 패킷 데이터만에 대한 것이 아니라, 패킷 헤더를 포함한 전체적인 CRC인 것이 바람직하다. 대개의 성공적인 경우의 응답 메시지(Response Message)는 항상 같은 내용으로 구성되기 때문에 일정한 CRC가 산출되는 것을 방지하기 위하여 패킷 헤더를 포함한 전체적인 CRC를 취함으로써 정보의 일관성을 방지한다.

도 4에 도시한 바와 같이 패킷이 성공적으로 수신된 경우 수신 노드는 즉각적으로 수신이 성공했음을 송신 노드에게 알리는데, 이 시점에서는 T1 이상의 시간을 사용하지 않음으로써 도 6의 LBT 전송(Listen Before Talk Transmission)이 특정 노드간의 단위 송수신 과정에 개입할 여지를 차단한다. 이와 같은 처리 방식으로 해결하고자 하는 과제인 비동기식 유니캐스트 통신 환경에서의 단위 통신 이벤트의 보호 및 노드 간의 통신 충돌 방지(Communication Event Protection & Anti-collision of Asynchronous Communication)의 문제를 해결한다.

그러나 이와 같은 문제의 해결은 단순히 수신 노드의 처리만으로 완결되는 것이 아니라 송수신 노드를 제외한 다수의 주변 노드들의 처리 방식이 동시에 약속됨으로써 성립된다. 도 6은 그에 관한 것으로서, 임의의 노드에 RF 송신 이벤트가 발생된 시점으로부터의 처리 과정을 설명한다.

도 6에서 임의의 노드는 RF 송신 버퍼에 데이터가 대기 중인지의 여부를 TX_F라는 플래그를 통하여 표시한다. 만일 TX_F가 거짓(false)이라면 해당 노드는 도 5의 절차를 계속 수행하게 될 것이다. 그런데 현 시점에서는 도 4의 (C)의 시점을 전제로 하여 문제의 해결 과정을 설명한다.

도 4의 (C)의 시점에서는 이미 노드#N과 노드#3의 TX_F가 참(true)으로 세트되어 있는 상태이다. 물론 노드#N은 도 4의 (A)의 시점에 그리고 노드#3은 도 4의 (B)의 시점에 송신 이벤트가 발생하였기 때문에 합리적이라면 노드#N이 (C)의 시점에서 그리고 노드#3이 (D)의 시점에서 순서대로 데이터를 송출하는 것이 당연하다. 그러나 그와 같은 합리성은 동기식 네트워크에서 가능한 상황이고 비동기식 네트워크에서는 네트워크상의 모든 노드의 내면적 상황을 상호 파악하는 것이 불가능하기 때문에 임의성을 전제로 하여 문제를 해결한다. 도 7은 바로 그 임의성의 해결 절차를 보인 것이다.

다시 도 4 (C)의 시점에서 도 6을 통해 노드#N과 노드#3의 관점을 고려하자면 노드#3은 송신 인에이블 체크 단계(Check TX Enable)의 처리 결과로서 TX_EN_F 플래그를 참(true)으로, 노드#N은 TX_EN_F 플래그를 거짓(false)으로 설정한 상태이다. 이에 따라 노드#N은 송신 인에이블 체크 단계의 판단 결과가 "NO"가 되기 때문에 도 5의 수신 상태로 진행되고, 노드#3은 도 6의 패킷 생성 단계(Build Packet(s))를 수행한다.

상기 패킷 생성 단계는 RF 송신 버퍼의 내용을 분석하여 패킷 테이블(Pkt Table)을 구성하는 단계인데, 그 내용은 3) 멀티 패킷 통신의 연속성 보호 및 보장(Flow Protection & Error Correction of Streaming Communication)의 문제의 해결 수단을 설명하는 과정에서 상세하게 기술하는 것으로 하고, 여기에서는 P2P 단일 패킷에 대한 처리 수단에 대해서만 설명한다.

다음으로, 도 6에서 최대 시도 설정 단계(mTry=MAX_TRY)는 물리 계층(PHY layer)에서 통신 에러의 발생시 응용 계층(APL layer)에 바로 결과를 리턴할 것이 아니라 나름의 융통성을 가지고 통신을 재시도하는 여지를 확보하는 수단으로 주어진다. 여기에서, 상수 MAX_TRY는 그와 같은 관점에서 설정되는데 프로그램상에서 상수화할 수도 있고, EEPROM의 외부 설정 정보로 하여 통신 환경에 따른 운영의 융통성을 확보할 수도 있다.

다음으로, 도 6에서 패킷 송신 단계(Send Packet(s))에서는 통신 대상과 통신 진행 상황, 전송할 패킷 사이즈에 따라 패킷 헤더를 구성하고 패킷 생성 단계(Build Packet(s))에서 구획된 패킷 블록을 패킷 데이터 영역에 구성하고 각종 CRC 등을 첨부하여 RF로 패킷을 송출한다.

여기에서 패킷 헤더의 내용 중 응답 방법(RespMethod)에 대한 내용을 설명하자면, P2P 모드에서는 아래의 표 5에 도시한 바와 같은 총 4가지 방법 중에서 RESP_DIRECT를 설정한다.

기호	설명	비고
RESP_DIRECT	최소 시간 내에 즉각 응답	P2P
RESP_NO	응답하지 않음	브로드캐스트
RESP_1ST	최초 노드 응답 이후 응답 않음	브로드캐스트
RESP_ALL	수신한 모든 노드 응답할 것	브로드캐스트

한편, 도 5와 관련하여 보면 노드#3의 송신 내용에 대하여 노드#1, 노드#2 및 노드#N이 모두 노드#3의 신호를 수신하지만 오직 노드#1만이 도 5의 자기 MAC 체크 단계(My MAC ?)에서 'YES' 조건으로 판단되어 즉각 응답 단계(Response Direct)를 수행한다. 이제 노드#3은 정상적으로 응답이 수신(Receive Response)되었으므로 도 6의 성공 판단 단계(Success ?)에서 도 5의 수신 상태로 진행된다.

여기에서 충돌 방지(Anti-Collision)의 가장 중요한 기능을 수행하는 도 7의 송신 인에이블 체크 단계(Check TX Enable)를 도 4의 (C)의 시점에서 살펴보면 T2의 산출 결과가 본 과제에서 가장 중요한 해결 수단인 임의성을 결정함을 알 수 있다.

도 7은 본 발명에서 충돌 방지 체크 로직의 흐름도이다. 도 7에서 지연 단계(DELAY(T1))는 위의 수학식 2에서의 선행 처리 요소이다. 우선적으로 T1만큼을 지연(Delay)하는데, 이후 RSSI 체크 단계(Check RSSI)를 수행하는 이유는 즉각 응답 단계(RESP_DIRECT)를 수행하는 임의의 노드 간의 통신에 개입하는 것을 근본적으로 차단하기 위한 것이다. T1만큼을 지연한 이후 측정한 RSSI 값에 의해 그 최소 한계치(mRSSI_LOW_LIMIT)보다 강한 신호가 존재하는 것으로 판단되면 현재의 채널이 다른 임의의 노드에 의해 점유되어 있거나 전파 간섭 등에 의한 통신 장애 상황 등이 발행한 것으로 간주하여 혼잡 상태(BUSY)인 것으로 판단한다. 상기 최소 한계치(mRSSI_LOW_LIMIT)는 상수가 아니라 EEPROM에 설정되는 변수인데, 이 내용은 해결 과제중 4) 저주파 대역의 장거리 통신 특성을 제한하기 위한 공간 분할(SDM:Space Division Modulation)의 문제의 해결 수단과 밀접한 내용이기 때문에 해당 과제의 해결 수단을 설명하는 과정에서 상세히 기술한다.

노드#N과 노드#3은 도 4의 (C)의 시점에서 첫 번째 혼잡 판단 단계(BUSY ?)에서 모두 "NO"의 결과를 얻는다. 이후 T_RND 계산 단계(Calculate T_RND)가 중요한데, 난수의 산출 방식은 ISO 24153:2009의 규정을 준수한다. 즉, 시스템 내부의 하드웨어 상태나 프로그램상의 변수에 의존하지 않고 독립적이고 임의적인 외부의 요인을 난수 산출의 근거로 한다. 본 발명에서는 이를 위하여 RSSI와 SeqID의 누적 결과를 기본적인 난수 산출의 근거로 사용한다.

즉, 수신되는 모든 패킷의 RSSI의 누적 계산치를 1차 근거로 하고, 동시에 타 노드의 난수 산출 결과를 근거로 하는 SeqID의 누적 계산치를 2차 근거로 한다. 이와 같은 산출 근거는 네트워크 전체의 물리적 상태에 따라 임의적이고 독립적으로 발생되는 수치이며 특히 같은 근거를 산출 요소로 하는 타 노드들의 SeqID와 연계됨으로써 복합성 면에 있어 ISO 24153:2009의 규정에 부합한다.

이를 근거로 하여 수학식 2의 2차 요소인 T_RSSI * (T_RND+1)을 산출함으로써 난수의 임의성을 확보한다. 도 7에서 T_RND는 수학식 2의 2차 산출 요소를 편의상 간략히 기술한 것이다. 도 4에서는 (C)의 시점에서 노드#N의 T_RND가 노드#3의 T_RND보다 큰 값이 산출되어 T_RND 지연 단계(DELAY(T_RND)) 이후의 RSSI 체크 단계(Check RSSI)에서 노드#N은 혼잡 상태(BUSY)를, 노드#3은 클린 상태(CLEAN)를 결과로 취득한 과정을 보여준다. 실제로 노드#N이 RSSI 체크 단계(Check RSSI)를 수행하는 시점에서는 노드#3이 신호를 송출중이기 때문에 혼잡 상태(BUSY)로 판단되는 상황이 도 4의 (C) 시점 이후의 노드#3과 노드#N의 T2 구간의 차이로 보여진다.

물론 최악의 경우, 가령 1/256의 확률로 노드#N의 T_RND와 노드#3의 T_RND가 같은 값으로 산출될 수도 있다. 이 경우에 도 6의 모든 과정이 노드#N과 노드#3에서 동시에 진행되기 때문에 어떠한 노드도 정상적인 데이터를 수신할 수 없는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우에는 응용 계층의 판단에 따라 두 노드가 다시 통신을 시도할 수도 있는데, 역시 그 실패 확률은 1/256에 따른다.

예시에서는 노드#N과 노드#3의 2개의 노드가 충돌 방지(Anti-Collision) 절차를 실행하는 과정을 보였는데, 실제로는 수십 개의 노드가 동시에 같은 시도를 할 수도 있다. 하지만 임의성의 관점에 비추어 볼 때, 발생하는 수십 개의 난수 중 중요한 의미를 갖는 것은 최소값의 중복성이다. 최소 난수를 발생시킨 노드 이외의 모든 노드에서 발생한 난수는 실제로 무의미한 효력을 가진다.

도 4에서는 시간 크기의 시각적 표현에 따라 T_PKT와 T1 혹은 T2가 큰 차이가 없는 것으로 보여지지만 현실적으로는 T1과 T2는 T_PKT에 비하자면 상대적으로 엄청나게 작은 값에 불과하다. 통상적으로 T1은 500㎲ 미만이고, T_RSSI는 15㎲ 미만이기 때문에 RND가 255로 산출된다고 하더라도 T2_MAX는 (500+3840)㎲ 정도이다. 4FSK 방식에서 데이터는 2비트 단위로 부호화(Symbolized)되므로 24kbps일 경우 물리적인 RF 데이터 레이트는 12kHz이다. 즉, 4FSK에서 1바이트의 전송시간이 3333㎲이므로 T2_MAX가 아무리 큰 값으로 산출되더라도 T_PKT에 비하면 극히 사소한 정도에 그친다. 4FSK에서는 통상적으로 4바이트를 프리앰블로 사용하기 때문에 T2가 아무리 큰 경우라도 최소 T_RND를 취득한 노드가 프리램블을 송출하는 동안에 다른 노드들이 수신 상태로 진입하므로 도 5의 싱크 워드 대기 단계(Wait Sync Word)에 의한 수신 동기화에는 전혀 지장이 없다고 보아도 무관하다.

이와 같은 해결 수단에 의하여 각 노드들이 다른 노드와의 신호 충돌 문제를 해결함으로써 본 발명의 해결 과제 중의 한 과제로 제시한 1) 비동기식 P2P(Peer to Peer : Unicast) 통신 환경에서의 단위 통신 이벤트의 보호 및 노드 간의 통신 충돌 방지(Communication Event Protection & Anti-collision of Asynchronous Communication)의 문제의 해결 수단을 설명한다.

또한, 상기한 네트워크 환경에서 상기한 해결 과제 중 2) 비동기식 브로드캐스트(유니캐스트 포함) 통신 환경에서의 응답 처리의 문제를 해결하기 위하여 도 8과 같이 3개의 AP 노드와 4개의 단말 노드가 놓여진 VMX의 가상 공간을 설정하여 VMX의 핵심적인 운영 알고리즘을 설명한다.

도면을 설명하기에 앞서 본 도면에서 설명하는 AP1와 노드의 개념을 명확히 정리하자면 AP와 노드는 기능적으로 동일한 VMX 통신 모듈을 기반으로 한다는 것이다. 다시 도 1을 살펴보면 AP의 경우는 외부 디바이스가 이종통신 브릿지(Different Communication Bridge : Ethernet, LTE, USB, RS485, RS232C, etc.)로 연계되는 경우를 가정하는 것이고, 노드(엄밀하게는 단말 노드 : Terminal Node)는 외부 디바이스가 각종 센서 혹은 제어 장치류와 연계된 경우를 가정하는 것이다. 가령 온습도, 기상, 재난 혹은 안전 관리용 센서일 수도 있고, 자전거나 버스 혹은 반려견과 같은 움직이는 사물들의 GPS 센서일 수도 있고, 스마트 가로등의 무선 제어장치일 수도 있는 것이다.

실제로 도 8의 확장된 모델이 VMX(VHF Mesh Network)의 실체로서 그간 소물 인터넷의 신뢰성에 관해 제시되었던 다양한 문제들의 해결 수단을 증거한다.

상기 제 1)항의 해결 수단으로 임의성을 제시하였다면 해결 과제 제 2)항의 해결 수단은 불확실성에 근거한다. 이제껏 대부분의 통신 신뢰성에 대한 논제는 A와 B 간의 통신의 확실성에 관한 갑론을박의 범주에 있었다. 이와 같은 문제의 해결 수단에 대한 접근 방식은 그 자체적인 모순을 시작점으로 한다. 즉, 세상 일은 알 수가 없는 것인데, 세상 일을 예단하여 '반드시 같은 경우'가 존재하고 그러므로 같은 결과가 보장된다는 필연성을 주장하는 측과 '그러나 다른 경우'를 예견하는 양자 대립적 논리의 모순이 통상적인 흐름이었다. 사실 전파를 전혀 모르는 일반인들도 휴대폰을 사용하는 과정에서 막연하게나마 그 필연성의 모순을 인정하고 있다.

본 발명의 두 번째 해결 과제는 그와 같은 필연성의 모순을 최소화하는 것이다. 전제적으로 그 방안을 불확실성으로 제시하는바, 도 9의 다양한 경우를 예시하여, 도 5와 도 6의 확장된 개념인 도 10과 도 11을 통하여 그 해결 수단을 설명한다. 도 10은 본 발명에서 P2P+브로드캐스트 모드에 있어서의 수신 상태의 운영 흐름도이고, 도 11은 본 발명에서 P2P+브로드캐스트 모드에 있어서의 송신 상태의 운영 흐름도이다.

도 8에서 제시하는 가상적 VMX 공간에는 3개의 AP 노드와 4개의 단말 노드가 존재한다. 물론 실제로는 엄청나게 많은 단말 노드가 존재할 것을 염두에 두고서 작은 상황 모델을 통하여 본 발명의 핵심 해결 수단을 기술한다.

상기 제 1)항의 해결 수단에서 거론하였던 내용 중 브로드캐스트의 개념은 VMX를 구성하는 가장 중요한 논리적 요소이다.

즉, VMX의 메쉬 네트워크는 한정된 논리 구조의 근거리 통신망을 전제로 하는 것이 아니라 반경 100km 이상의 영역에서 동작하는 무수한 단말 노드들, 특히 고정적일 뿐 아니라 이동적인 모든 단말 노드들과의 통신을 전제로 한다. 해결 과제 제 2)항의 해결 수단으로서 불확실성의 확실성을 설명하는 대표적 사유는 이동적인 단말 노드들 및 고정적인 단말 노드라고 하더라도 이동적인 장애 요소들이 유발하는 다양한 통신의 불확실성을 해결하는 수단을 설명하기 위함이다.

도 8의 단순한 상황에서 발생할 수 있는 임의적 상황이 도 9의 a), b), c), d) 및 e)를 통해 예시된다. 여기에서 전술한 표 5의 응답 방법(RespMethod)에 관한 구체적인 내용을 정의한다.

VMX가 아닌 모든 네트워크는 P2P를 전제로 설계되었고, P2P 간의 통신의 신뢰성이 네트워크의 품질을 좌우하는 요소로 인식되었다. 예기치 않은 상황이 항시 임의적으로 발생할 수 있다는 점을 고려하자면 그와 같은 시스템은 항상 불안하다. VMX는 그 불안함을 해결하고자 안출된 것으로서 상기 표 5의 내용을 설명하면서 그 해결 수단을 설명한다.

전술한 것처럼 VMX는 가상의 MAC(Pseudo MAC)을 브로드캐스트 혹은 멀티캐스트의 수단으로 사용한다. 3바이트 MAC의 경우 가상적인 FFFF00h는 브로드캐스트를 의미하고, FFFFnnh는 특정 그룹에 대한 멀티캐스트를 의미한다. AP와 단말 노드 모두는 도 2에서 설명한 디바이스 명령 프로세서에 의하여 EEPROM에 해당 노드의 그룹을 설정할 수 있다. 여기에서 주목할 점은 특정 노드가 반드시 하나의 그룹에 종속되는 것이 아니라 필요에 따라 다양한 그룹으로 설정될 수 있다는 점이다. 가령 도 8의 AP1은 AP1G1으로 예시되어 있지만 실제로는 AP1G(1,8,98)과 같이 설정될 수 있음을 의미한다. 가령 반려 견 GPS의 수신 AP 그룹을 1로 설정하고, 공공 자전거의 위치 정보 수신 AP 그룹을 98로 설정하였다면 AP1은 두 가지 목적의 AP로서의 기능을 수행할 수 있는 것이다. AP의 그룹 설정이 필요한 이유는 게이트웨이 상위 단의 정보 전달 경로와 밀접한 관계를 형성하기 때문이다.

도 9는 본 발명의 VMX AP와 단말 노드들 간의 응답 모드에 따른 타이밍 차트로서, AP#1, AP#2 및 AP#3은 1그룹으로, 노드#1 및 노드#2는 2그룹으로, 노드#3 및 노드#4는 3그릅으로 설정된 경우를 예시하고 있다.

구체적으로, 도 9a는 AP#1이 브로드캐스트 RESP_NO 모드로 데이터를 전송하는 경우의 타이밍 차트이고, 도 9b는 AP#2가 브로드캐스트 RESP_1ST 모드로 데이터를 전송한 경우의 타이밍 차트이며, 도 9c는 AP#3이 브로드캐스트 RESP_ALL 모드로 데이터를 전송한 경우의 타이밍 차트이다. 도 9d는 노드#2가 멀티캐스트 RESP_1ST 모드로 제1 그룹에 대해 데이터를 전송한 경우의 타이밍 차트이고, 도 9e는 AP#1이 멀티캐스트 RESP_ALL 모드로 제2 그룹에 대해 데이터를 전송한 경우의 타이밍 차트이다.

먼저, 도 9의 a)를 시작으로 그 해결 수단을 설명한다. 이와 같은 상황은 VMX 뿐만이 아니라 기존의 모든 통신 네트워크의 공통적인 상황이다. 즉, 브로드캐스트는 무작위적으로 모든 노드에 대하여 공통적인 정보를 송신하기 때문에 해결 수단 1)에서 설명하였던 수단으로는 어떠한 노드도 대응할 수가 없다. 따라서 브로드캐스트에 대하여는 어떠한 노드도 응답할 수 없는 것이 통념적인 기술이었다. 그러나 VMX에서는 다양한 응답 방법(RespMethod)을 패킷 헤더를 통해 수신 노드에 전달함으로써 네트워크 운영의 불확실성을 감소시킨다.

만일 통신 노드의 송신 기능이 고장 난 상태에서 브로드캐스트 RESP-NO의 설정으로 데이터를 송신한다면 행위의 결과에 대한 신뢰성을 어떻게 보장받을 것인가. 마치 고장 난 무전기로 구조 신호를 보내는 것과 유사한 상황일 것이다. 그래서 RESP_1ST은 주변에 존재하는 어느 하나의 AP라도 수신하였음을 확인해 준다면 해당 노드는 통상적인 기능(Normal System Process)에 복귀할 수 있는 논리적 근거를 확보함과 동시에 해당 노드의 송신 기능이 정상적임을 확인하는 간접적 수단으로 기능한다. RESP_ALL은 RFID의 쿼리(Query) 기능과 같은 것으로서 통신 가능한 모든 노드들을 확인하는 절차에서 필요하다. 즉, 버스 관련 LBS(Location Based Service)에 있어 서비스의 관제 대상인 단말 노드의 작동 여부를 파악하기 위하여 관제 서버는 몇 개의 AP를 사용하여 RESP_ALL 방식의 임의의 명령(대표적으로는 PING)을 송출함으로써 관제 가능한 단말 노드의 리스트를 파악할 수 있고, 동시에 파악되지 않는 서비스 대상에 대한 조치 방식을 결정할 수 있는 것이다.

전술한 바와 같이 도 9a는 AP#1이 RESP_NO 방법으로 DstMAC FFFF00h로 임의의 데이터를 송출한 경우이다. 브로드캐스트는 절대로 RESP_DIRECT를 사용할 수 없을 뿐 아니라 응답 방법(RespMethod)이 RESP_NO로 설정되어 있기 때문에 어떤 노드도 물리 계층에서 응답하지 않고, 단순히 수신한 정보를 응용 계층에 전달한다. 이 기능은 기존의 RS485 멀티드롭(Multidrop) 네트워크와 동일한 기능을 무선화함에 있어 필수적인 기능이다. 즉, 통신 매개체는 단순한 무선 케이블의 역할만 수행할 뿐, 통신 기기로서의 어떠한 부가적인 행위도 하지 않는 대체 역할만을 수행해야 하는 경우에 필수적이다. 즉, 유무선 네트워크의 호환성을 보장하기 위하여 기존 네트워크의 기능을 완벽히 보조하는 기능성을 보장하는 것이다.

만일 도 9a의 경우에서 단말 노드 그룹이 기존의 특정 RS485 멀티드롭 네트워크에 연결된 장치였다면, 해당 그룹의 외부 다비이스(도 2 참조)들은 수신된 정보로부터 멀티드롭 ID를 식별하고, 해당되는 ID의 외부 디바이스가 종래의 유선상의 행위를 VMX를 통하여 수행하는 것이다.

도 9b는 AP#2가 목적지 MAC(DstMAC)을 FFFF00h로, 응답 방법(RespMethod)을 RESP_1ST로 설정하여 송신한 경우이다. 도면에 나타낸 바와 같이 수신한 모든 노드(AP 포함)들은 수신한 정보를 유효 수신 정보로 인식하고, 응용 계층에 전달한다. 단, 해당 정보를 수신하였음을 송신 측에 전달하는 방식이 즉각 응답 방법(RESP_DIRECT)과는 다르다. 말하자면 즉각 응답 방법(RESP_DIRECT)이 폐쇄적 응답 기회를 보장받는다면, RESP_1ST는 개방적 경쟁 부문에서 통신 기회를 확보해야 하는 것이다. 그 과정은 도 6의 과정과 동일하다. 단지 RESP_1ST의 응답에 있어 최초의 T2를 확보하지 못한 여타 노드들이 도 10의 내 응답 방법과 동일한지를 판단하는 단계(Equal My Resp ?)의 판단 근거에 따라 TX_F를 거짓으로 전환하는 과정이 본 해결 수단의 확장된 기능이다.

통신의 시작이 P2P이건 브로드캐스트이건 간에 필연적으로 응답은 P2P 통신 방식을 사용하기 때문에 어떤 노드이건 간에 동일한 근원지 MAC(SrcMAC)에 대한 응답 패킷의 내용은 동일하다. 이를 근거로 단계(Equal My Resp ?)의 판단이 수행되기 때문에 이 해결 수단은 유효하다.

이 기능은 고정 또는 이동하는 어떠한 단말 노드에 대해서도 네트워크의 안정성을 보장하는 VMX의 가장 중요한 특징적인 기능이다. 제한된 공간과 제한된 경로에 국한되었던 종래의 특정 통신 경로의 의존성을 탈피하여 다수의 통신 경로를 확보함으로써 장애 여건에서의 통신의 불확실성을 최소화하는 VMX의 중요한 수단이다.

특별히, 공공 자전거 서비스, 대중교통 수단의 실질적인 GPS 기반 LBS, 복지 관리 대상의 케어(care), 반려 견 등의 위치 관리에 있어 수신측의 중복적인 응답을 방지하고, 통신 자원 운영의 효율성을 향상시키는 기능이다.

도 9c는 AP#3이 목적지 MAC(DstMAC)를 FFFF00h로, 응답 방법(RespMethod)을 RESP_ALL로 설정하여 송신한 경우이다. 수신한 모든 노드(AP 포함)들은 수신 내용을 응용 게층에 전달하지만 물리 계층에서의 응답은 도 6의 경쟁 섹션(Competitive section)에 의하여 순차적으로 진행된다. 도 9c의 내용을 요약하자면 최초의 응답은 노드#2가 하고 이후 순차적으로 AP#1, 노드#3, 노드#1, 노드#4, AP#2가 응답하는 과정을 보인다. 이와 같은 상황은 지연 응답(Redundancy Response)에 해당하는 것으로서, 통신 모듈의 영역을 벗어나서 응용 계층의 역할이 중요하다.

특히 통신 모듈의 RF 송신 버퍼가 큐 구조(Que Structure)가 아닌 경우, 이벤트에 의하여 통신 버퍼의 내용이 재기록(rewrite)되거나 혹은 기록 불가(write unable)의 상태에 놓여질 수 있다. 따라서 RF 송신 버퍼는 큐 구조가 보장되어야 하며, 그와 같은 경우 지연 응답의 결과를 담보 받는다(Gauranteed Response).

상기한 브로드캐스트의 운영 개념은 소규모적 단말 노드의 구조에서는 무작위적 목적의 타당성을 가지지만, 단말 노드의 유형과 수량이 증가할수록 브로드캐스트 방식의 부담은 상대적으로 증가한다. 즉, 광범위한 MAC 관리 서버(MAC Management Server)를 운영하지 않는 한 국지적인 서비스(Localization Service)의 운영 한계에 상시적으로 도달할 수밖에 없다. 그래서 네트워크 로드의 가중점을 분산, 최소화하기 위하여 멀티캐스트 방식을 주로 사용해야 할 것이다. 본 발명자는 원론적으로 이를 그룹캐스트(Groupcast)라고 명명하였지만, IEEE 등등 구현하지 않은 기술을 주장하는 측에서 멀티캐스트라고 명명하였기 때문에 용어상 멀티캐스트를 같은 개념으로 사용한다.

한편, 노드의 식별 방식을 부여함에 있어 MAC은 가장 원초적인 식별 방식이다. 그러나 사람을 식별함에 있어 이름만이 중요한 것이 아니라 다양한 사회적 소속성이 통상적으로 존재하는 것처럼 수천, 수만 개의 노드(AP 포함)도 역할의 다양성에 따라 다양한 소속성의 부여가 필요하다. 이것을 본 발명자는 그룹캐스팅(Groupcasting)을 위한 그룹 구성(Group Configuration)으로 명명한다.

기능적으로 동일한 통신 기능을 가진 동등한 노드들이 외부 디바이스의 기능에 따라 전혀 다른 고유의 기능을 구현하게 되는 내용은 전술한 바 있다. 그것이 물리적 기능에 의해 형성되는 구조적 요소라고 한다면, 같은 기능을 가지더라도 운영의 목적성에 따른 또 다른 요소가 VMX의 결과적인 구조를 결정지어야 한다.

도 9d 및 도 9e는 그러한 의미에서 브로드캐스트가 세분화된 멀티캐스트의 운영 개념을 예시한다. 단적으로 임의의 노드는 다수의 그룹에 소속될 수가 있고, 멀티캐스트의 대상으로 판명되는 경우 전술한 브로드캐스트와 같은 방식의 기능을 수행할 수 있다. 그룹의 설정이나 해제는 도 2의 디바이스 명령 프로세서에 의하여 EEPROM의 정보를 추가 혹은 갱신하는 방식으로 수행된다. 물론 디바이스 명령 프프로세서는 RF를 통하여 제어가 가능하기 때문에 관리 서버의 직접적인 접근 방식이 허용된다.

도 9d는 노드#2가 가상 MAC(Pseudo MAC)인 FFFF01h를 목적지 MAC(DstMAC)으로 하고, 응답 방법(RespMethod)을 RESP_1ST로 하여 임의의 데이터를 전송한 경우를 보이고 있다. 물론 이 명령은 해당 그룹의 RF 채널을 다른 채널로 변경하거나, 새로운 그룹을 추가하는 등 다비이스 명령 계층에서 유용하게 활용된다.

도 9b와 유사하게, 도 9d에서는 제1그룹의 AP#1이 응답하는 과정이 도시된다. 이 도면에서 유의할 점은 T2의 구간이 AP#2 및 AP#3에서만 AP#1과 다르다는 것이다. 즉, 노드#1, 노드#3 및 노드#4는 T2 자체를 산출하지도 않았다는 점이다.

도 10의 자기 MAC 판단 단계(My MAC ?)에서 "NO"로 판단되고, 이어지는 자기 그룹 판단 단계(My Group ?)에서 "YES"로 판단되며, 응답 모드 판단 단계(RESP_NO ?)에서 "NO"로 판단되는 일련의 경로는 AP#1, AP#2 및 AP#3이 제 1그룹에 해당되기 때문에 진행되는 경로이고, 도 6의 과정을 AP#1이 수행하는 과정에서 AP#2와 AP#3은 도 10의 자기 MAC 판단 단계(My MAC ?)에서 "NO"로 판단되고, 자기 그룹 판단 단계(My Group ?)에서 "NO"로 판단되며, 응답 모드 판단 단계(RESP_1ST ?)에서 "YES"로 판단되고, 내 응답과 동일 여부 판단 단계(Equal My Resp ?)에서 "YES"로 판단되어 송신 플래그를 거짓으로 설정(TX_F=FALSE)하는 경로 에 따라 불필요한 응답 행위를 무효화하는 과정이 도 9d에 보여진다.

다음으로, 도 9e는 특정 그룹의 노드들에 대한 쿼리 혹은 확실한 제어 기능의 확인을 멀티캐스트로 수행하는 과정의 예시이다. 예를 들어, AP#1은 목적지 MAC(DstMAC)을 FFFF02h로 하고, 응답 방법(RespMethod)을 RESP_ALL 방식으로 하여 송출한다. 본 케이스에서는 노드#1과 노드#2가 제2 그룹으로 설정되어 있으므로 노드#1과 노드#2는 도 10의 자기 MAC 판단 단계(My MAC ?)에서 "NO"로 판단되고, 자기 그룹 판단 단계(My Group ?)에서 "YES"로 판단되며, 응답 모드 판단 단계(RESP_NO ?)에서 "NO"로 판단되어 응답 패킷 생성 단계(Build Response Packet) 및 송신 플래그를 참으로 설정하는 단계(TX_F = TRUE)의 과정을 진행한다. 물론 이후의 진행은 도 5 및 도 6의 절차와 동일하다.

한편, 실상 본 발명의 VMX는 근간, 즉 2015년 이후에 회자되는 스마트 시티(Smart City)에서 요구되는 다양한 요구 사항들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, VHF 주파수 대역의 물리적인 장점을 기반으로 하는 운영 논리의 타당성을 담보하기 위하여 설계된 것이다. 종래의 P2P 기반의 데이터 통신망과는 전혀 다른 관점에서의 고찰이 브로드캐스트 혹은 멀티캐스트의 효율적인 운용에 있다고 할 것이다. 현실적으로 존재 가능한 1%의 불확실성을 제거하기 위한 99%의 기능이 실상 제 2)항의 운영 알고리즘에 집중되었다고 할 것이다.

다음 해결 과제인 3) 멀티 패킷 통신의 연속성 보호 및 보장(Flow Protection & Error Correction of Streaming Communication)의 문제는 기술의 배경에 전제한 'Small Data'라는 가정의 예외적인 경우에 대한 것이다.

과연 '소물 인터넷은 소량의 데이터만을 취급하는 영역에 한정되어야 하는가?'라는 논제가 있다면 그 타당한 답변은 당연히 "NO"이다. 본 발명의 VMX는 기본적으로 고전적인 단거리 통신망의 메쉬 기능을 구현하는

Repeat to Node#X(Repeat to Node#Y(Repeat to Node#Z(Data))) 네스티드 명령(Nested Command)을 지원하는데, 협대역에서 이와 같은 버퍼드 리피트(Buffered Repeat) 방식을 사용하는 것은 자원 운영의 효율성 면에서 치명적인 결과를 초래한다. 이에 따라 본 발명의 VMX는 물리적 중계 기술로서 선행 기술 문헌인 특허 제10-1572029호의 실시간 무선 신호 증폭 중계기를 활용하여 물리적인 문제를 해결함을 원칙으로 한다.

단지 본 발명에서 해결하고자 하는 문제는 또한 예외적인 상황에 대한 것으로서, 인트라넷이 존재하지 않는 공간의 로컬 AP(Local AP)가 주변으로부터 수집한 대량의 정보를 인트라넷과 연계된 브릿지 AP(Bridged AP)까지 전달하는 과정에 관한 것이다.

본 발명의 VMX의 전제적 제한 요소로서 협대역 단일 채널 반 이중(Narrow Band Single Channel Half Duplex)이 전체적인 다양한 문제의 시작점이었고, 본 발명이 그에 대한 해결 수단을 설명하는 것이라면 스트리밍 구조의 데이터 전송 문제를 효율적으로 해결하는 수단이 고안되어야 한다.

도 12는 본 발명에서 VMX 노드들 간의 멀티 패킷 스트리밍 전송 타이밍 차트(P2P 모드)이다. 도 13은 본 발명에서 멀티 패킷 스트리밍 수신 상태의 노드의 운영 흐름도(P2P 모드)로서, 도 13a는 단위 패킷의 수신 흐름도이고, 도 13b는 스트리밍 수신 운영 흐름도이다. 도 14는 본 발명에서 멀티 패킷 스트리밍 송신 상태의 노드의 운영 흐름도(P2P 모드)이다.

도 12에 예시하는 스트리밍 전송 방식은 상기한 과제 1)과 2)에서 전제하였던 단일 데이터 패킷에 관한 것이 아니라 다수의 데이터 블록들이 다양한 장애 요소가 존재하더라도 통신의 성공적인 결과를 도출하는 과정을 예시한 것이다. 본 발명자는 이와 같은 반 이중 통신 방식에서의 멀티 패킷 스트리밍 전송 개념을 고안하여 리버스 피라미드 프로토콜(Reverse Pyramid Protocol)로 명명한 바 있는데, VMX의 문제 해결 수단으로 이를 제시한다.

리버스 피라미드 프로토콜은 본 발명의 VMX의 모든 P2P 통신에서 적용되며 그에 따라 패킷 헤더는 리버스 피라미드 프로토콜에 관련한 기본적인 파라미터를 포함하고 있다.

표 3의 내용 중 TtlPkts, CrntPktCnt, DataBlkAdr, PktSize 및 SeqID가 리버스 피라미드 프로토콜과 관련된 핵심 파라미터들이다.

만일 리버스 피라미드 프로토콜을 채택하지 않는다면 패킷 헤더의 내용 중 TtlPkts, CrntPktCnt, DataBlkAdr 및 SeqID는 존재할 이유가 없다. 그냥 단순히 PktSize만으로 데이터 패킷에 관한 내용이 정의될 수 있는 것이다.

'왜 VMX는 리버스 피라미드 프로토콜을 사용하는가?'라는 질문에 대한 답변을 통하여 과제 3)의 해결 수단을 설명한다.

우선 '리버스 피라미드'라는 용어를 통하여, 거꾸로 서 있는 피라미드가 통신의 불확실성을 통하여 제거하는 에러의 크기와 시각적인 유사성을 제시하는 것을 연상한다. 프로세스가 진행될수록 에러의 양은 감소되고, 결국 소멸한다. 물론 통상적인 경우라면 이런 알고리즘이 불필요하지만 최악의 경우를 감안한 개념이다.

도 12의 예시는 노드#1이 노드#2에게 일련의 패킷 스트리밍을 전송하는, 아주 열악한 통신 환경을 전제로 한다. 패킷 헤더를 제외한 순수 데이터 패킷의 최대 크기가 100바이트라는 가정하에서 전송하고자 하는 데이터가 610바이트 정도인 경우를 가정하면, 노드#1은 100바이트씩 여섯 번, 그리고 마무리로 10바이트를 전송해야 한다.

도 12에서 처음의 전송 과정에서 2 5 및 6번 패킷이 전송중 에러가 발생하였고, 노드#2는 에러가 난 패킷의 수와 테이블 목록 주소를 노드#1에게 응답하고, 노드#1은 패킷 2, 5 및 6을 재전송하며, 이 과정에서 또 에러가 발생하였기 때문에 노드#2가 노드#1에게 5번째 패킷을 다시 보내달라고 요청하고, 마지막으로 노드#2가 노드#1로부터 610바이트를 전송받는 과정을 예시하고 있다.

실제 상황에서 이런 경우가 발생한다면, 채널을 변경하거나 전파국에 의심 간섭 전파의 발생 여부를 확인하는 것이 타당하지만, 본 발명에서는 이러한 경우에도 VMX가 어떻게 문제를 해결하는가 하는 내용을 설명하는 것에 주목한다.

전이중 통신은 유선 통신 환경에서 상식적으로 사용되며, 통상 핸드쉐이크(Handshake)라는 개념을 통신의 기본으로 한다. 물론 VMX도 이러한 핸드쉐이크 방식을 사용한다. 전문 용어를 쉽게 표현하자면 "알았다, 오바" 혹은 "Copy" 같은 응답을 이야기하는 것이다.

T1을 설명함에 있어서, T_Turnaround라는 표현과 RF 트랜시버가 수신 모드에서 송신 모드로 전환되기 위해 필요한 물리적인 시간과 기저대역 프로세서가 RF 트랜시버에 최초의 데이터(Preamble)를 전송하여 RF 트랜시버가 반송파를 송출하기까지의 시간이라고 설명한 바 있다.

. 만일 이 T1이라는 시간이 모든 패킷의 플로우에 항상 사용되어야 한다면 논리적으로나 기술적으로나 다양한 부작용(side effect)을 야기시킬 수 있다. 그래서 본 발명의 VMX는 대량의 정보 통신을 함에 있어 리버스 피라미드 프로토콜을 사용한다.

즉, 매번 "알았다, 오버"를 반복하는 것이 아니라 일련의 메시지를 수신한 이후, "그런데 아까 말이야"라는 방식으로 통신의 오류에 관하여 상호 논의하는 방식을 사용한다. 결국 오류의 결과만을 정정하는 과정에서 리버스 피라미드적인 오류의 해결 과정을 구현하는 것이다.

이제 마지막 해결 과제인 4) 저주파 대역의 장거리 통신 특성을 제한하기 위한 공간 분할(SDM:Space Division Modulation)의 문제를 거론함에 있어 기본적으로 전제하여야 하는 사항은 표 1의 경로 손실 방정식(Path Loss Equation)과 환경적 요인의 감쇄 작용(Environmental Attenuation)에 관한 것이다.

통념적으로 전파는 투과성, 회절성 혹은 굴절성의 고유 특성을 갖는다. 일단 물리학적 결론을 이야기하자면 우선적으로 '출력이 강하면 전파는 멀리 간다'라는 명제의 상식적인 오류를 거론해야 한다. 이 명제는 맞는 말이기는 하지만, 그 자체적인 모순을 내포한다. 전파는 물결 같은 파동이다. 조약돌을 던지건, 바윗돌을 던지건, 물결이 어디까지 가겠는가. 파동의 매질이 물(H₂O)인지, 휘발유인지 아니면 참기름인지가 더 중요하지 않겠는가.

통신 공학에서는 최초의 파동으로부터 일정한 어느 정도까지는 선형 구간(Linear Territory)이라고 부른다. 즉 파동의 강도는 로그(LOG) 함수로 산출되는데, 로그건 뭐건 간에 1차 방정식과 근사한 구간이 초기에는 항상 존재하는 것이다. 그래서 출력의 세기라는 것은 기껏해야 그 선형 구간을 조금 연장하는 것이고, 궁극적으로는 전파 그 자체의 특성이 신호의 물리적인 도달 거리를 결정하는 것이다. 그와 같은 차이점을 표 1에서 설명한 바 있다.

이제 본 해결 과제의 개념을 정의하자면 단적으로는 전파를 멀리 가지 않도록 하거나, 너무 멀리서 온 전파는 무시하고자 하는 내용이다.

본 발명의 VMX의 모든 통신 모듈은 전파의 공간 분할을 위하여 EEPROM에 mPLL_Gain과 mRSSI_LOW_LIMIT을 설정한다. 물론 그와 같은 기능은 도 2의 디바이스 명령 프로세서가 수행한다.

이 두 변수는 출력의 강도와 수신 신호의 강도를 동시에 결정한다. 아래의 표 6는 VMX의 출력 신호 강도에 따른 통신 도달 거리를 기본적으로 샘플링한 것이다.

송신 출력(dBm)	거리(m)
10	200,000
5	110,000
0	60,000
-10	20,000
-20	6,000
-30	2,000
-40	600
-50	200
-80	6

가령 스마트 시티를 구현하는 관점이라면, 송신 출력(Ptx)을 10dBm으로 설정하는 것이 타당하다. 그러나 가정 자동화(Home Automation)가 목적이라면 송신 출력(Ptx)을 -80dBm으로 설정해도 무관하다.

이와 같이 출력의 세기를 강제적으로 조정하여 통신 도달 거리를 최소화하는 것이 기본적인 공간 분할(Space Division Modulation)의 개념이다. 본 발명의 VMX는 mPLL_Gain이라는 EEPROM의 변수를 도 2의 디바이스 명령 프로세서를 통하여 설정함으로써 구현한다.

그런데 전술한 내용이 송신 노드의 측면에서라면 수신 노드의 측면에서는 어떻게 공간 분할을 할 것인지가 상대적인 과제로 제시된다. 전술한 바와 같이, "너무 멀리서 온 전파는 무시"하고자 하는 내용이다. 동시에 주변 신호와의 간섭도를 유발할 수도 있기 때문에 이에 유념하여 사용해야 하는 기능인데, VMX의 SDM(Space Division Modulation)의 한 방편으로서 제시되는 기능이다. 가령 어떠한 신호든 간에 특정 RSSI 값보다 낮으면 무효 신호로 간주하는 것이다. 물론 전제는 송신 출력의 SDM을 하지 않았다는 것일 수도 있고 선형 구간만의 근거리 데이터만을 수신하겠다는 의도일 수도 있다.

VMX는 mRSSI_LOW_LIMIT이라는 EEPROM의 변수를 도 2의 디바이스 명령 프로세서를 통하여 설정함으로써 구현한다.

이상, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 변형과 변경이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (19)

1. VHF 대역의 주파수를 사용하여 상호 무선 통신하며, 기저대역 프로세서와 RF 트랜시버를 기본 구성 요소로 하여 외부 기기와 직렬 통신으로 연결되는 단위 노드를 복수 구비한 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법에 있어서,
   일정한 신호 패턴인 프리앰블에 연속되는 특정 데이터 패턴인 싱크 워드를 수신하는 (a1) 단계;
   패킷 헤더를 수신하고, 상기 패킷 헤더에 포함된 목적지 MAC 주소가 자기 MAC 주소인지를 판단하는 (a2) 단계;
   상기 (a2) 단계에서 목적지 MAC 주소가 자기 MAC 주소인 경우에는 즉각 응답(RESP_DIRECT)을 송신하는 반면에 자기 MAC 주소가 아닌 경우에는 이를 무시하는 (a3) 단계;
   RF 송신 버퍼에 데이터가 대기중인 경우 송신 가능 상태(TX Enable)인지를 판단하는 (b1) 단계;
   상기 (b1) 단계에서의 판단 결과, 송신 가능 상태이면 적어도 상기 패킷 헤더를 포함하는 송신 패킷을 생성하여 송신하는 (b2) 단계 및
   수신 노드로부터 응답을 수신하는 (b3) 단계를 포함하여 이루어지며,
   상기 (a1) 내지 (a3) 단계는 임의의 한 노드가 송신 모드인 경우에 다른 노드는 모두 수신 모드인 상태에서 각 수신 노드에 의해 수행되고,
   상기 (b1) 내지 (b3) 단계는 송신 노드에 의해 수행되며,
   송신 노드는 수신 노드가 수행해야 할 응답 방법을 상기 패킷 헤더에 지정하여 송신하고,
   수신 노드는 지정된 상기 응답 방법에 따른 응답을 수행하는 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 패킷 헤더를 수신한 후에 상기 패킷 헤더에 대한 헤더 CRC 체크를 수행하는 단계를 더 구비하고,
   상기 헤더 CRC가 일치하는 경우에는 패킷 데이터를 수신하는 반면에 일치하지 않는 경우에는 상기 (a1) 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 패킷 헤더 및 상기 패킷 데이터 모두에 대한 헤더와 데이터 CRC 체크를 수행하는 단계를 더 구비하고,
   상기 헤더와 데이터 CRC가 일치하는 경우에는 상기 (a2) 단계에서 목적지 MAC이 자기 MAC인지를 판단하는 반면에 일치하지 않는 경우에는 이를 무시하는 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 패킷 데이터의 사이즈는 가변적이되, 상기 패킷 헤더를 통해 그 사이즈 정보가 주어지는 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 응답 방법은 상기 즉각 응답, 무응답(RESP_NO), 최초 수신 노드 응답 이후 무응답(RESP_1ST) 및 모든 수신 노드 응답(RESP_ALL) 중 하나인 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   송신 노드는 브로드캐스트용 MAC 주소를 목적지 MAC 주소로 하여 상기 패킷 헤더를 송신하고,
   각 수신 노드는 목적지 MAC 주소가 상기 브로드캐스트용 MAC 주소인 경우에 이를 수신하는 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   송신 노드는 브로드캐스트용 MAC 주소를 목적지 MAC 주소로 하는 경우에 상기 응답 방법으로 상기 무응답, 상기 최초 수신 노드 응답 이후 무응답 또는 모든 수신 노드 응답 중 하나를 지정하는 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    모든 노드는 그룹캐스트를 위한 하나 이상의 그룹에 속하되,
    송신 노드는 특정 그룹캐스트용 MAC 주소를 목적지 MAC 주소로 하여 상기 패킷 헤더를 송신하고,
    각 수신 노드는 목적지 MAC 주소가 자기가 속하는 상기 그룹캐스트용 MAC 주소인 경우에 이를 수신하는 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    송신 노드는 그룹캐스트용 MAC 주소를 목적지 MAC 주소로 하는 경우에 상기 응답 방법으로 상기 최초 수신 노드 응답 이후 무응답 또는 모든 수신 노드 응답 중 하나를 지정하는 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    MAC 주소가 3바이트인 경우에 브로드캐스트용 MAC 주소는 FFFF00h이고, 그룹캐스트용 MAC 주소는 FFFFnnh인 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
13. 제 7 항에 있어서,
    상기 응답 방법으로 상기 즉각 응답이 지정된 상태에서 송신 노드가 상기 수신 노드로부터 상기 즉각 응답을 수신하지 못한 경우 응답을 수신할 때까지 미리 설정된 횟수만큼 송신 패킷을 송신하는 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
14. 제 4 항에 있어서,
    수신 노드는 패킷 수신 완료시부터 RF 트랜시버가 수신 모드에서 송신 모드로 전환되기 위해 필요한 물리적인 시간과 기저대역 프로세서가 RF 트랜시버에 데이터를 전송하고 이에 대한 응답으로 RF 트랜시버가 반송파를 송출하기까지의 시간으로 설정된 T1이 경과한 후에 응답을 송신하는 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
15. 제 14 항에 있어서,
    송신 노드는, 수신되는 모든 패킷의 RSSI의 누적 계산치를 1차 근거로 하고, 타 노드의 난수 산출 결과를 근거로 하는 SeqID의 누적 계산치를 2차 근거로 하여 산출된 시간이 경과한 상태에서 자기의 송신 가능 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
16. 제 14 항에 있어서,
    송신 노드는, T2 = T1 + T_RSSI * (T_RND+1)가 경과한 상태에서 측정한 RSSI가 미리 설정된 최소 한계치(mRSSI_LOW_LIMIT)보다 큰 경우에 송신 불가능 상태라고 판단하는 반면에 반대인 경우에는 송신 가능 상태라고 판단하되,
    상기 T_RSSI는 RF 트랜시버가 안정적인 수신 강도를 계측하기 위한 시간으로 설정되고, T_RND는 랜덤 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
17. 제 1 항 내지 제 4 항, 제 7 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    송신 노드는 전체 송신 데이터를 복수의 데이터 블록으로 분할하여 송신하되,
    각 데이터 블록의 상기 패킷 헤더에는 송신하는 전체 데이터 블록의 수(TtlPkts), 현재 송신하는 데이터 블록의 순서(CrntPktCnt) 및 분할된 데이터 블록 공간에서의 현재 데이터 패킷의 주소(DataBlkAdr) 정보가 포함되는 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
18. 제 17 항에 있어서,
    수신 노드는 상기 전체 데이터 블록의 수 정보에 의해 복수의 데이터 블록을 수신해야 하는 것으로 판단하는 경우 전체 데이터 블록이 수신될 시간이 경과한 후에야 비로소 통합 응답을 송신하는 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 통합 응답에는 수신 에러가 발생한 패킷의 주소 정보가 포함되는 것을 특징으로 하는 VHF 주파수 대역에서의 메쉬 네트워크 운영 방법.

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