KR101768360B1 - 클러스터 트리 구조의 무선 통신 시스템에서 동기 신호 전송 방법 - Google Patents

클러스터 트리 구조의 무선 통신 시스템에서 동기 신호 전송 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나의 클러스터 헤드(cluster head; 이하 CH)와 이 CH에 연결된 자녀 기기들로 구성되는 하나의 클러스터 네트워크가 다수 개 모여 클러스터 트리(cluster-tree) 구조의 네트워크를 형성하고, 각 클러스터 네트워크는 동기 신호 전송 구간, 데이터 신호 전송 구간, 신호를 전송하지 않는 휴식(idle) 구간으로 구성되는 전송 프레임을 주기적으로 사용하여 신호를 동기적으로 송수신하는 무선 통신 시스템에서, 각 CH가 자신의 매 전송 프레임마다 동기 신호를 전송하여 신호를 전송하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 각 CH가 자신의 자녀 기기들과의 신호 전송 성능에 따라 채널 탐색(scan)이 필요하다고 결정한 경우, 자신의 휴식 구간에서 채널 탐색을 수행하여 간섭 신호의 특성을 추정하여 기존 채널을 계속 사용할 지 여부를 결정한다. 상기 CH는 채널 탐색의 필요 여부와 기존 채널 사용 계속 여부에 따라, 자녀 기기들과의 신호 전송 성능, 간섭 신호의 특성 및 시스템의 목표 전송 성능을 고려하여 동기 신호를 반복하여 전송한다. 본 발명은 다음 동기 신호를 전송할 때 기 결정된 반복 전송 횟수만큼 동기 신호를 반복적으로 전송함으로써 기존 방식보다 동기 신호 수신 성능을 향상시키며, CH만 채널 탐색을 수행하게 함으로써 자녀 기기들의 전력 소모를 크게 줄일 수 있고, CH의 채널 탐색 수행을 최소화함으로써 CH의 전력 소모를 더욱 줄일 수 있다.

Description

클러스터 트리 구조의 무선 통신 시스템에서 동기 신호 전송 방법 {A method for transmission of network synchronization signal in cluster-tree structured wireless communication systems}
본 발명은 클러스터 트리 구조의 무선 통신 시스템에서 각 클러스터 헤드가 자신의 매 전송 프레임마다 동기 신호를 전송하여 신호를 전송하는 방법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크(wireless sensor network; 이하 WSN)에서 각 센서 기기는 배터리(battery) 같은 제한된 전력 자원을 사용해야 하므로, 전력 소모를 최소화하는 통신 기술 사용이 필수적이다. 일례로 WSN 매체 접근 제어(medium access control; 이하 MAC) 방식의 일종인 IEEE 802.15.4의 경우에는 동기 신호 전송 구간, 데이터 신호 전송 구간, 신호를 전송하지 않는 휴식(idle) 구간으로 구성되는 전송 프레임을 주기적으로 사용하는 비컨 사용 모드(beacon-enabled mode)를 사용하여 시스템 내 통신 기기들이 데이터 신호 전송 구간에서만 신호를 송수신하고 이어지는 휴식 구간에서는 송수신기 동작을 중지시킴으로써 전력 소모를 최소화할 수 있다. 이 때 WSN 내의 각 통신 기기들 간의 신호 전송 구간 동기를 위해 주기적으로 전송되는 네트워크 동기 신호인 비컨 신호는 데이터 신호 전송 구간과 휴식 구간의 시간 길이 정보, 자녀 기기에게 독립된 통신 자원을 할당하는 스케쥴링(scheduling) 정보, 자녀 기기에게 전송할 패킷이 있음을 알리는 정보 등을 포함한다.
같은 주파수 대역을 공유하는 다수의 동/이기종 무선 통신 시스템이 존재하는 경우, 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(direct sequence spread spectrum; 이하 DSSS) 시스템은 대역 확산 기술을 통해 대역 내 간섭 신호의 영향을 최소화한다. 일례로 DSSS 시스템의 일종인 IEEE 802.15.4의 경우 전송 신호를 확산시켜 전송함으로써 협대역 간섭(narrowband interference) 신호에 대해 처리 이득(processing gain)을 얻을 수 있다. 그러나 무선랜(wireless local area network; 이하 WLAN)과 같이 넓은 주파수 대역에서 비교적 긴 시간 동안 간섭을 일으키는 주파수 정적인(frequency static) 간섭 신호가 존재하는 경우에는 IEEE 802.15.4의 DSSS 성능이 크게 유효하지 못하다. 특히 IEEE 802.15.4 비컨 사용 모드의 경우 비컨 신호를 단순히 일정 주기마다(즉, 전송 프레임마다) 한번씩 전송하기 때문에, 사용 중인 채널 내에 간섭 신호가 존재하면 비컨 신호 전송 성능이 크게 저하되어 단말 기기들의 신호 전송 지연 및 동기 신호 수신 재시도 등으로 인하여 심각한 전력 소모와 성능 저하를 야기한다. 또한 단말 기기가 비컨 신호를 연속적으로 수신하지 못하면 시스템의 주 통신 기기(access point; 이하 AP)와 동기를 잃어 고아(orphan) 기기로 전환하기 때문에, 기존 IEEE 802.15.4 비컨 사용 모드는 동/이기종 간섭 신호가 존재하는 경우 네트워크의 연결성(connectivity)이 심각하게 저하되는 문제점이 있다.
이와 같은 IEEE 802.15.4 비컨 사용 모드에서 주기적 동기 신호 전송 기법의 문제점들을 해결하기 위해 IEEE 802.15.4e MAC enhancement는 채널 센싱(sensing) 기반의 동기 신호 전송 기법인 지연된 비컨 전송 방법(deferred beacon method; 이하 DBM)을 사용한다. 상기 DBM은 AP가 동기 신호를 전송하기 전에 채널 센싱을 수행하여 채널이 사용되고 있지 않다고 판단되는 경우에만 동기 신호를 전송한다. 만약 채널 센싱 결과 채널이 사용되고 있다고 판단되는 경우에는 동기 신호를 전송하지 않고, 채널이 사용되고 있지 않다고 판단될 때까지 채널 센싱을 수행한 뒤 동기 신호를 전송함으로써 동기 신호와 간섭 신호의 충돌 문제를 완화시킨다. 그러나 상기 DBM은 오직 AP의 채널 센싱 결과에만 의존하므로 간섭 신호 영향이 단말 기기에만 큰 환경(hidden node 환경)에서 성능이 크게 저하될 수 있다. 또한 하나의 전송 프레임 동안 비컨을 1회 전송할 뿐이므로 간섭 신호가 극심한 환경에서는 네트워킹 성능을 개선할 수 없다.
이와 같은 기존 동기 신호 전송 기법들의 문제점을 해결하기 위해 동기 신호를 반복적으로 전송하는 방법이 제안되었다(특허 10-1481867). 상기 방법은 AP와 단말 기기들이 채널 특성을 인지하여 시스템의 목표 전송 성능에 따라 동기 신호의 반복 전송 횟수를 결정하여 다음 동기 신호를 전송할 때 동기 신호를 반복적으로 전송함으로써 단말 기기의 동기 신호 수신 성능을 향상시킬 수 있다. 그러나 상기 방법은 AP 뿐만 아니라 단말 기기들 역시 채널 특성을 추정하기 위해 채널 탐색을 수행하기 때문에 AP 뿐만 아니라 단말 기기들 역시 전력 소모가 증가한다는 문제점이 있다. 또한 상기 방법은 동기 신호의 반복 전송 횟수를 갱신하기 전에는 항상 채널 탐색을 동반하므로 기기들의 전력 소모가 크다. 따라서 기기들이 채널 탐색을 수행하지 않고도 동기 신호 반복 전송 횟수를 조절할 수 있는 방법을 고려하는 것이 바람직하다. 마지막으로 상기 방법은 기기들이 채널 탐색을 수행하는 시간에 대한 정확한 설계가 없어, 같은 네트워크에 존재하는 기기들의 신호를 간섭 신호로 오인하여 채널 특성을 잘못 추정할 가능성이 크다. 따라서 상기 방법을 일반적인 다중 홉(hop) 클러스터 트리(cluster-tree) 구조의 네트워크에 적용할 경우 동기 신호 전송 횟수가 지나치게 크거나, 채널 변경(hand-off)을 빈번하게 수행하는 문제점이 발생할 수 있다.
　　　　　　　본 발명은 전술한 종래의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 클러스터 트리 구조 기반의 무선 통신 시스템에서 같은 주파수 대역을 사용하는 동/이기종 통신 시스템으로부터 간섭 신호가 존재하는 환경에서 동기 신호를 전송하는 개선된 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 통신 시스템을 제어하는 주 통신 기기(access point; 이하 AP), 자신의 자녀 기기를 수용할 수 있는 기기인 라우터(router)들과 그렇지 못한 기기인 종단 기기(end device)들로 구성되고, 상기 AP와 라우터들이 각각 클러스터 헤드(cluster head; 이하 CH)로 동작하고, 각각의 상기 CH와 이 CH에 연결된 자녀 기기들이 하나의 클러스터 네트워크를 구성하고, 상기 각각의 클러스터 네트워크들이 서로 트리 구조로 연결된 다중 홉(hop) 클러스터 트리(cluster-tree) 구조로 형성된 무선 통신 시스템에서, 상기 각 CH가 동기 신호 전송 구간, 데이터 신호 전송 구간, 신호를 전송하지 않는 휴식(idle) 구간으로 구성되는 전송 프레임을 주기적으로 사용하여 신호를 송수신하기 위해 자신의 매 전송 프레임마다 동기 신호를 전송하는 방법에 있어서, (A) 상기 CH가 상기 자녀 기기들과의 신호 전송 성능에 따라 채널 탐색(scan)의 필요 여부를 결정하는 과정과, (B) 상기 CH가 채널 탐색이 필요하다고 결정한 경우 자신의 휴식 구간에서 채널 탐색을 수행하여 간섭 신호의 특성을 추정하여 기존 채널을 계속 사용하여 동기 신호를 전송할 지 여부를 결정하는 과정과, (C) 상기 CH가 채널 탐색의 필요 여부와 기존 채널 사용 계속 여부 결정에 따라, 상기 자녀 기기들과의 신호 전송 성능, 상기 추정한 간섭 신호의 특성 및 시스템의 목표 전송 성능을 고려하여 동기 신호를 반복하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 (A) 과정은, (A-I) 상기 CH가 상기 자녀 기기들로부터 전송 오류가 발생된 횟수가 일정 기준 값보다 크거나, 자녀 기기들에게 전송한 신호에 대한 수신 응답(reception acknowledgement; 이하 ACK)을 자녀 기기들로부터 받지 못한 횟수가 일정 기준 값보다 크면 채널 탐색이 필요하다고 결정하는 과정과, (A-II) 상기 자녀 기기가 상기 CH로부터 전송된 신호의 수신 오류 발생 횟수가 일정 기준 값보다 크거나, 상기 CH에게 전송한 신호에 대한 ACK를 상기 CH로부터 받지 못한 횟수가 일정 기준 값보다 큰 경우 채널 탐색을 상기 CH에 요청하는 과정과, (A-III) 상기 CH가 자신의 자녀 기기로부터 채널 탐색 요청을 받으면 채널 탐색이 필요하다고 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (B) 과정은, (B-I) 상기 CH가 자신의 휴식 구간 중 다른 클러스터 네트워크들이 신호 전송을 하지 않는 구간에서 채널 탐색을
Figure 112016014456809-pat00001
번 반복 수행하여 간섭 신호 존재가
Figure 112016014456809-pat00002
번 검출되었다고 할 때, 이들 간의 비
Figure 112016014456809-pat00003
를 간섭 신호 특성으로 추정하는 과정과, (B-II) 상기 CH가 상기 추정된 간섭 신호 특성과 수신 신호 세기를 고려하여 현재 사용 중인 채널을 계속 사용하여 시스템의 전송 성능 목표를 만족시킬 수 있다고 판단하면 사용 중인 채널을 계속 사용하되 동기 신호를 반복하여 전송하도록 하고, 그렇지 않은 경우 채널을 변경하여 동기 신호를 전송하도록 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (C) 과정은, (C-I) 상기 CH가 상기 (B) 과정에서 기존 채널 계속 사용을 결정한 경우, 상기 CH가 상기 추정한 간섭 신호의 특성이
Figure 112017035640044-pat00110
인 환경에서 동기 신호를 n회 반복 전송했을 때의 동기 신호 전송 실패율이 일정 기준의 동기 신호 전송 실패율(transmission failure rate)을 넘지 않는 가장 작은 정수 n을 동기 신호의 반복 전송 횟수
Figure 112017035640044-pat00005
로 결정하는 과정과, (C-II) 상기 CH가 상기 (B) 과정에서 채널 변경을 결정한 경우, 상기 CH가 채널 변경 과정 중에 사용 중인 채널의 간섭 신호의 특성을 고려하여 상기 (C-I) 과정을 통해 동기 신호의 반복 전송 횟수를 결정하거나, 상기 (C-I) 과정을 수행하지 않고 고정된 횟수
Figure 112017035640044-pat00006
를 동기 신호의 반복 전송 횟수로 결정하는 과정과, (C-III) 상기 CH가 상기 (A) 과정에서 채널 탐색이 필요하지 않다고 결정한 경우, 상기 CH가 상기 자녀 기기들로부터 데이터 신호를 성공적으로 수신한 횟수가 일정 기준 값보다 크면
Figure 112017035640044-pat00007
을 하나 증가시키고, 만약
Figure 112017035640044-pat00008
이 일정 기준 값과 같아지면
Figure 112017035640044-pat00009
를 0으로 초기화하고 동기 신호의 반복 전송 횟수를 감소시키고, 기존의 반복 전송 횟수가 1인 경우에는 변경하지 않는 과정과, 상기 CH가 상기 자녀 기기들로부터 데이터 신호를 성공적으로 수신한 횟수가 일정 기준 값보다 작으면
Figure 112017035640044-pat00010
를 하나 증가시키고, 만약
Figure 112017035640044-pat00011
가 일정 기준 값과 같아지면
Figure 112017035640044-pat00012
를 0으로 초기화하고 동기 신호의 반복 전송 횟수를 증가시키고, 일정 기준 값보다 큰 경우에는 변경하지 않는 과정과, (C-IV) 상기 CH가
Figure 112017035640044-pat00111
(여기서 1 ≤ i ≤Nsync) 번째 반복하여 전송하는 동기 신호에 상기
Figure 112017035640044-pat00015
, 동기 신호의 전송 시간
Figure 112017035640044-pat00016
그리고 반복 전송 횟수
Figure 112017035640044-pat00017
정보를 포함시켜 전송하는 과정과, (C-V) 상기 CH의 자녀 기기가 상기
Figure 112017035640044-pat00018
번째 동기 신호를 성공적으로 수신하면 상기 CH가 동기 신호 반복 전송을
Figure 112017035640044-pat00019
번 할 때까지
Figure 112017035640044-pat00112
(여기서
Figure 112017035640044-pat00021
는 반복적으로 전송되는 동기 신호의 전송 시간 간격) 동안 기다린 후 데이터 신호 전송을 시작하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상의 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 클러스터 헤드(cluster head; 이하 CH)가 자녀 기기들과의 신호 전송 성능을 분석하여 채널 탐색이 필요한지 여부를 분산적으로 결정한다. CH가 채널 탐색이 필요하다고 결정한 경우 자신의 휴식 구간 중 다른 클러스터 네트워크들이 동작하지 않는 구간 내에서 채널 탐색을 수행함으로써 간섭 신호의 특성을 추정하고, 상기 인지된 채널 정보와 시스템의 목표 전송 성능에 따라 동기 신호의 반복 전송 횟수를 결정한다. 본 발명은 CH가 채널 탐색이 필요하지 않다고 결정한 경우에도 자녀 기기들과의 신호 전송 성능을 분석하여 동기 신호의 반복 전송 횟수를 조절함으로써 기존 동기 신호 전송 기법들보다 전력 효율이 매우 우수하다.
본 발명은 동기 신호 전송 구간, 데이터 신호 전송 구간, 휴식 구간으로 구성되는 전송 프레임을 주기적으로 사용하여 신호를 전송하는 클러스터 트리 구조의 무선 통신 시스템에서 채널 탐색 필요 여부 결정 기법, 채널 탐색 구간 결정 기법, 간섭 신호의 특성 추정 기법, 동기 신호 전송 횟수 결정 기법 및 동기 신호 반복 송수신 기법으로 이루어져 있다. 본 발명은 동기 신호를 반복적으로 송수신함으로써 동/이기종 간섭 환경 하에서도 네트워크 동기 성능을 안정적으로 유지할 수 있다. 특히 통신 채널을 변경하는 중에도 CH가 평상 시와 같이 동기 신호를 주기적으로 발생시키며, 한 주기에 동기 신호를 반복적으로 전송하기 때문에 기존의 채널 변경 방법들과 다르게 네트워크를 재시작할 필요가 없어 매우 효율적이다. 본 발명은 클러스터 그룹 단위로 동작하므로 신호 부담을 거의 요구하지 않는다. 또한 본 발명은 CH만 채널 탐색을 수행하게 함으로써 기존의 동기 신호 반복 전송 방법과 비교하여 기기들의 전력 소모를 크게 줄일 수 있고, CH가 채널 탐색을 수행하지 않고도 동기 신호 반복 전송 횟수를 조절할 수 있으므로 CH의 전력 소모 역시 더욱 줄일 수 있다.
　　　　　　　도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하나의 주 통신 기기와 다수의 단말 기기들로 구성된 클러스터 트리 구조의 무선 통신 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전송 프레임을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 신호 전송 방법의 전체 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 클러스터 헤드(CH)가 채널 탐색을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 5는 CH가 동기 신호의 전송 횟수를 결정하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 클러스터 내 기기들이 동기 신호를 반복적으로 송수신하는 과정을 설명하기 위한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하의 설명에서 'CH'는 클러스터 헤드(cluster head)를 의미한다.
기술의 편의를 위해 도 1과 같이 네트워크 운영을 제어하는 하나의 주 통신 기기(access point; 이하 AP)(101)와 다수의 단말 기기(102)들로 구성된 클러스터 트리 구조의 무선 통신 시스템을 고려한다. 단말 기기는 자녀 기기를 수용할 수 있는 기기인 라우터(router)와 자녀 기기를 수용할 수 없는 기기인 종단 기기(end device)로 구분된다. 상기 AP와 라우터는 CH로 동작하고, 하나의 CH와 이 CH에 연결된 자녀 기기들이 하나의 클러스터 네트워크를 구성한다(103). 각 클러스터 네트워크는 사용 가능한 다수의 통신 채널 중 한 채널에서 도 2와 같은 구조를 갖는 전송 프레임을 주기적으로 사용하여 동기적으로 신호를 송수신하며, 상기 전송 프레임은 네트워크 동기 신호 전송 구간, 데이터 신호를 송수신하는 데이터 신호 전송 구간, 그리고 신호를 송수신하지 않는 휴식 구간으로 구성된다. 전송 프레임의 단위 길이
Figure 112016014456809-pat00022
는 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016014456809-pat00023
여기서
Figure 112016014456809-pat00024
및
Figure 112016014456809-pat00025
은 각각 동기 신호 전송 구간, 데이터 신호 전송 구간, 그리고 휴식 구간의 길이를 의미한다.
Figure 112016014456809-pat00026
을 동기 신호의 시간 길이라고 할 때, 도 2에서
Figure 112016014456809-pat00027
이다.
CH는 매 전송 프레임의 시작 시간에 동기 신호를 전송하여 자신의 자녀 기기들과 동기를 맞춘다. 자녀 기기는 CH가
Figure 112016014456809-pat00028
에 전송하는 동기 신호를 수신하기 위하여 자신의 동기 신호 수신 예상 시간을 전후로 최대
Figure 112016014456809-pat00029
만큼 수신기를 동작시키며(
Figure 112016014456809-pat00030
), 이 시간 내에 동기 신호를 수신하지 못하는 경우 CH와의 동기가 실패했다고 판단한다. 또한 자녀 기기가 네트워크 동기 신호 수신을 연속적으로 실패하면 네트워크에서 분리된 고아 기기로 처리되어 이후 네트워크 재가입 과정을 통해 네트워크에 다시 연결 된다.
본 발명에 대한 전체적인 구성은 도 3과 같다. 각 CH는 상기 도 3의 301 단계에서 자신의 자녀 기기들과의 신호 전송 성능을 분석하여 채널 탐색이 필요한지 여부를 결정한다. 상기 CH가 채널 탐색이 필요하다고 결정한 경우, 상기 도 3의 302 단계에서 자신의 휴식 구간에서 채널 탐색을 수행하여 간섭 신호의 특성을 추정하고, 상기 도 3의 303 단계에서 상기 추정한 간섭 신호의 특성, 및 시스템의 목표 전송 성능을 고려하여 동기 신호의 반복 전송 횟수를 결정한다. 상기 CH가 상기 301 단계에서 채널 탐색이 필요하지 않다고 결정한 경우, 상기 303 단계에서 자녀 기기들과의 신호 전송 성능을 분석하여 동기 신호의 반복 전송 횟수를 결정한다. 상기 도 3의 304 단계에서 CH가 다음 동기 신호 전송 시에 상기 결정된 동기 신호 반복 전송 횟수만큼 동기 신호를 반복적으로 전송함으로써 자녀 기기들의 동기 신호 수신 성능을 크게 향상시킨다. 상기 도 3의 305 단계에서(데이터 신호 전송 구간) CH와 (동기 신호를 성공적으로 수신한) 자녀 기기들이 데이터 신호를 송수신한다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 301 단계에서 CH가 채널 탐색이 필요한지 여부를 결정하는 과정은 다음과 같다. CH는 데이터 신호 전송 구간에서 자녀 기기들로부터 수신한 패킷에서 오류가 발생된 횟수가 일정 기준 값보다 크거나, 자녀 기기들에게 전송한 패킷에 대한 수신 응답(reception acknowledgement)을 자녀 기기들로부터 받지 못한 횟수가 일정 기준 값보다 크면 채널 탐색이 필요하다고 결정한다. 또한 자녀 기기가 CH로부터 수신한 패킷에서 오류가 발생된 횟수가 일정 기준 값보다 크거나, CH에게 전송한 패킷에 대한 수신 응답을 CH로부터 받지 못한 횟수가 일정 기준 값보다 큰 경우 채널 탐색을 CH에게 요청한다. CH는 상기 자녀 기기의 채널 탐색 요청을 받으면 채널 탐색이 필요하다고 결정한다.
상기 301 단계에서 CH가 채널 탐색이 필요하다고 결정한 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 302 단계에서 CH가 채널 탐색을 수행하는 과정은 다음과 같다. CH는 자신의 휴식 구간 중 채널 탐색을 수행할 구간을 결정한다. 일례로 AP의 데이터 신호 전송 구간을 기준으로 시스템 내 어떤 클러스터 네트워크도 신호 송수신을 하지 않는 '공통 휴식 구간(common idle period)'의 시작 시간과 종료 시간을 정의하고 모든 기기들이 이를 공유한다(도 4). CH는 자신의 데이터 신호 전송 구간과 상기 AP의 데이터 신호 전송 구간의 시차(time difference)를 기반으로, 자신의 데이터 신호 전송 구간을 기준으로 한 채널 탐색 구간의 시작 시간과 종료 시간을 결정할 수 있다. 상기 CH는 상기 결정된 채널 탐색 구간 동안에 에너지 검출기(energy detector)와 같은 상용의 채널 센싱 기법을 통해 사용 중인 통신 채널 내 간섭 신호의 특성을 추정할 수 있다. 일례로 CH는 채널 센싱을 수행하여 간섭 신호의 채널 점유율(channel occupancy ratio)을 [수학식 2]와 같이 추정할 수 있다.
Figure 112016014456809-pat00031
여기서
Figure 112016014456809-pat00032
는 단위 계단 함수(unit step function)를,
Figure 112016014456809-pat00033
는
Figure 112016014456809-pat00034
번째 채널 센싱 과정에서 수신된 신호의 크기,
Figure 112016014456809-pat00035
는 간섭 신호 존재 여부 판정을 위한 임계값,
Figure 112016014456809-pat00036
Figure 112016014456809-pat00037
는 채널 센싱 수행 횟수를 나타낸다. 그리고 상기 채널 센싱 수행 결과로부터 간섭 신호의 지속 시간(duration time)을 [수학식 3]과 같이 추정할 수 있다.
Figure 112016014456809-pat00038
여기서
Figure 112016014456809-pat00039
는 간섭 신호의 최대 연속 검출 횟수,
Figure 112016014456809-pat00040
는 채널 센싱을 수행하는 주기를 나타낸다. 예를 들어
Figure 112016014456809-pat00041
이고, 만약
Figure 112016014456809-pat00042
번의 채널 센싱 결과가 {O, X, X, O, O, O, X, X, X, X}인 경우(여기서 O은 채널 내에 간섭 신호 존재를 인지한 경우를 나타냄), 간섭 신호의 채널 점유율
Figure 112016014456809-pat00043
은 0.4(
Figure 112016014456809-pat00044
), 간섭 신호의 지속 시간
Figure 112016014456809-pat00045
은 960us(
Figure 112016014456809-pat00046
)로 추정한다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 303 단계에서 CH가 동기 신호의 전송 횟수를 결정하는 과정은 다음과 같다. CH는 상기 302 단계에서 추정한 간섭 신호 특성과 목표 전송 성능에 따라 동기 신호의 전송 횟수를 결정한다. 사용 중인 채널 내에 간섭이 존재하는 환경에서 상기 간섭의 유휴 시간(idle period of interference signal)이 지수 분포(exponential distribution)를 따른다고 가정할 때, IEEE 802.15.4 비컨 사용 모드와 같이 네트워크 동기 신호를 단순히 한번만 전송하는 경우, 동기 신호 전송 실패율(transmission failure rate)은 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016014456809-pat00047
여기서
Figure 112016014456809-pat00048
는 간섭 신호의 채널 점유율,
Figure 112016014456809-pat00049
는 간섭 신호의 지속 시간을 의미한다. 만약 CH가 동기 신호를
Figure 112016014456809-pat00050
회 반복해서 전송한다면, 단말 기기의 동기 신호 수신 성공률을 향상시킬 수 있다. 각 동기 신호의 전송 성공 여부가 서로 독립적(statistically independent)이라고 가정하면,
Figure 112016014456809-pat00051
회 반복해서 동기 신호를 전송하는 경우의 동기 신호 전송 실패율(즉, 단말 기기가 n 개의 동기 신호를 모두 수신하지 못할 확률)은 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016014456809-pat00052
본 발명은 최대 동기 신호 전송 실패율
Figure 112016014456809-pat00053
을 만족하는 동시에 최소 전송 구간 길이
Figure 112016014456809-pat00054
을 만족하도록 동기 신호 전송 횟수를 [수학식 6]과 같이 결정한다.
Figure 112016014456809-pat00055
여기서
Figure 112016014456809-pat00056
는 반복적으로 전송되는 동기 신호의 전송 시간 간격,
Figure 112016014456809-pat00057
은 간섭 신호의 채널 점유율이
Figure 112016014456809-pat00058
인 환경에서 동기 신호를
Figure 112016014456809-pat00059
회 전송했을 때의 동기 신호 전송 실패율 추정치로서 간섭 신호의 채널 점유율 추정치
Figure 112016014456809-pat00060
를 사용하여 [수학식 7]과 같이 계산된다.
Figure 112016014456809-pat00061
만약 상기 조건을 만족하는
Figure 112016014456809-pat00062
이 존재하지 않는 경우에는 현재 사용 중인 채널에서 간섭의 수준이 매우 심각하여 시스템의 전송 성능 목표를 만족시킬 수 없다고 판단하고 상용의 채널 변경 기법을 통해 현재 사용 중인 통신 채널을 변경한다. 본 발명은 상기 CH가 채널 변경이 필요하다고 결정한 경우 평상 시와 같이 동기 신호를 주기적으로 발생시켜 자녀 기기들과 동기를 유지하며 통신 채널을 변경하며, 이 때 동기 신호를 반복적으로 송수신함으로써 통신 채널 변경의 신뢰성을 매우 크게 개선할 수 있다.
상기 301 단계에서 CH가 채널 탐색이 필요하지 않다고 결정한 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 303 단계에서 CH가 동기 신호의 전송 횟수를 결정하는 과정은 다음과 같다. 상기 CH가 자녀 기기들로부터 데이터 신호를 성공적으로 수신한 횟수가 일정 기준 값보다 크면
Figure 112016014456809-pat00063
을 1만큼 증가시키고,
Figure 112016014456809-pat00064
이 일정 기준 값에 다다르면 동기 신호의 반복 전송 횟수를 감소시킨다. 상기 CH가 자녀 기기들로부터 데이터 신호를 성공적으로 수신한 횟수가 일정 기준 값보다 작으면
Figure 112016014456809-pat00065
를 1만큼 증가시키고,
Figure 112016014456809-pat00066
가 일정 기준 값에 다다르면 동기 신호의 반복 전송 횟수를 증가시킨다. 상기 CH가 상기 과정에서 동기 신호의 반복 전송 횟수를 갱신한 경우
Figure 112016014456809-pat00067
과
Figure 112016014456809-pat00068
를 초기화한다(도 5 참고). 본 발명은 CH가 긴 시간 동안 자녀 기기들로부터 채널 탐색 요청이 없고, 스스로도 채널 탐색이 필요하다고 결정하지 않았으면서, 데이터 신호 송수신이 원활하다고 판단하면 동기 신호 전송 횟수를 감소시킴으로써 데이터 신호 전송 구간의 시간 길이를 증가시킬 수 있다. 또한 본 발명은 CH가 긴 시간 동안 자녀 기기들로부터 채널 탐색 요청이 없고, 스스로도 채널 탐색이 필요하다고 결정하지 않았지만, 송수신되는 데이터 신호의 수가 적다고 판단하면 동기 신호 전송 횟수를 증가시킴으로써 데이터 신호 전송 구간 동안 유휴 수신(idle listening) 상태로 머무르기 보다는 더 많은 수의 동기 신호를 전송하여 자녀 기기들의 동기 신호 수신율을 극대화 시킨다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 304 단계에서 클러스터 내 기기들이 동기 신호를 반복적으로 송수신하는 과정은 다음과 같다. 상기 303 단계에서 결정된 동기 신호의 전송 횟수를 사용하여 CH는 다음 전송 프레임에서 동기 신호를 반복적으로 전송한다(도 6 참고). 이 때,
Figure 112016014456809-pat00069
번째 전송되는 동기 신호에는 동기 신호 전송 횟수
Figure 112016014456809-pat00070
, 전송 간격
Figure 112016014456809-pat00071
, 그리고
Figure 112016014456809-pat00072
값이 포함되며(여기서
Figure 112016014456809-pat00073
), 자녀 기기는 수신한 동기 신호에 포함된 정보를 사용하여 해당 전송 프레임에서의 전송 구간 시작 시간을 [수학식 8]과 같이 보정한다.
Figure 112016014456809-pat00074
예를 들어 자녀 기기가 수신한 동기 신호에서
Figure 112016014456809-pat00075
인 경우, 앞으로 동기 신호가 3회 더 전송되므로, 바로 신호 전송을 시작하지 않고
Figure 112016014456809-pat00076
시간만큼 기다린 후에 (즉, CH로부터의 모든 동기 신호 전송이 끝난 후에) 통신을 시작함으로써 CH의 동기 신호 전송이 방해되지 않도록 한다(도 6 참고).
이상 본 발명의 실시예에 대해서 상술하였으나, 본 문서에 개시된 실시예는 개시된, 기술 내용의 설명 및 이해를 위해 제시된 것이며, 본 문서에서 기재된 기술의 범위를 한정하는 것은 아니다. 따라서, 본 문서의 범위는, 본 문서의 기술적 사상에 근거한 모든 변경 또는 다양한 다른 실시예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
101: 주 통신 기기
102: 단말 기기
103: 클러스터 네트워크

Claims (4)

  1. 통신 시스템을 제어하는 주 통신 기기(access point; 이하 AP), 자신의 자녀 기기를 수용할 수 있는 기기인 라우터(router)들과 그렇지 못한 기기인 종단 기기(end device)들로 구성되고, 상기 AP와 라우터들이 각각 클러스터 헤드(cluster head; 이하 CH)로 동작하고, 각각의 상기 CH와 이 CH에 연결된 자녀 기기들이 하나의 클러스터 네트워크를 구성하고, 상기 각각의 클러스터 네트워크들이 서로 트리 구조로 연결된 다중 홉(hop) 클러스터 트리(cluster-tree) 구조로 형성된 무선 통신 시스템에서, 상기 각 CH가 동기 신호 전송 구간, 데이터 신호 전송 구간, 신호를 전송하지 않는 휴식(idle) 구간으로 구성되는 전송 프레임을 주기적으로 사용하여 신호를 송수신하기 위해 자신의 매 전송 프레임마다 동기 신호를 전송하는 방법에 있어서,
    (A) 상기 CH가 상기 자녀 기기들과의 신호 전송 성능에 따라 채널 탐색(scan)의 필요 여부를 결정하는 과정과,
    (B) 상기 CH가 채널 탐색이 필요하다고 결정한 경우 자신의 휴식 구간에서 채널 탐색을 수행하여 간섭 신호의 특성을 추정하여 기존 채널을 계속 사용하여 동기 신호를 전송할 지 여부를 결정하는 과정과,
    (C) 상기 CH가 채널 탐색의 필요 여부와 기존 채널 사용 계속 여부 결정에 따라, 상기 자녀 기기들과의 신호 전송 성능, 상기 추정한 간섭 신호의 특성 및 시스템의 목표 전송 성능을 고려하여 동기 신호를 반복하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (A) 과정은,
    (A-I) 상기 CH가 상기 자녀 기기들로부터 전송 오류가 발생된 횟수가 일정 기준 값보다 크거나, 자녀 기기들에게 전송한 신호에 대한 수신 응답(reception acknowledgement; 이하 ACK)을 자녀 기기들로부터 받지 못한 횟수가 일정 기준 값보다 크면 채널 탐색이 필요하다고 결정하는 과정과,
    (A-II) 상기 자녀 기기가 상기 CH로부터 전송된 신호의 수신 오류 발생 횟수가 일정 기준 값보다 크거나, 상기 CH에게 전송한 신호에 대한 ACK를 상기 CH로부터 받지 못한 횟수가 일정 기준 값보다 큰 경우 채널 탐색을 상기 CH에 요청하는 과정과,
    (A-III) 상기 CH가 자신의 자녀 기기로부터 채널 탐색 요청을 받으면 채널 탐색이 필요하다고 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 전송 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (B) 과정은,
    (B-I) 상기 CH가 자신의 휴식 구간 중 다른 클러스터 네트워크들이 신호 전송을 하지 않는 구간에서 채널 탐색을
    Figure 112016014456809-pat00077
    번 반복 수행하여 간섭 신호 존재가
    Figure 112016014456809-pat00078
    번 검출되었다고 할 때, 이들 간의 비
    Figure 112016014456809-pat00079
    를 간섭 신호 특성으로 추정하는 과정과,
    (B-II) 상기 CH가 상기 추정된 간섭 신호 특성과 수신 신호 세기를 고려하여 현재 사용 중인 채널을 계속 사용하여 시스템의 전송 성능 목표를 만족시킬 수 있다고 판단하면 사용 중인 채널을 계속 사용하되 동기 신호를 반복하여 전송하도록 하고, 그렇지 않은 경우 채널을 변경하여 동기 신호를 전송하도록 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 전송 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (C) 과정은,
    (C-I) 상기 CH가 상기 (B) 과정에서 기존 채널 계속 사용을 결정한 경우,
    상기 CH가 상기 추정한 간섭 신호의 특성이
    Figure 112017035640044-pat00080
    인 환경에서 동기 신호를 n회 반복 전송했을 때의 동기 신호 전송 실패율이 일정 기준의 동기 신호 전송 실패율(transmission failure rate)을 넘지 않는 가장 작은 정수 n을 동기 신호의 반복 전송 횟수
    Figure 112017035640044-pat00081
    로 결정하는 과정과,
    (C-II) 상기 CH가 상기 (B) 과정에서 채널 변경을 결정한 경우,
    상기 CH가 채널 변경 과정 중에 사용 중인 채널의 간섭 신호의 특성을 고려하여 상기 (C-I) 과정을 통해 동기 신호의 반복 전송 횟수를 결정하거나, 상기 (C-I) 과정을 수행하지 않고 고정된 횟수
    Figure 112017035640044-pat00082
    를 동기 신호의 반복 전송 횟수로 결정하는 과정과,
    (C-III) 상기 CH가 상기 (A) 과정에서 채널 탐색이 필요하지 않다고 결정한 경우,
    상기 CH가 상기 자녀 기기들로부터 데이터 신호를 성공적으로 수신한 횟수가 일정 기준 값보다 크면
    Figure 112017035640044-pat00104
    을 하나 증가시키고, 만약
    Figure 112017035640044-pat00105
    이 일정 기준 값과 같아지면
    Figure 112017035640044-pat00106
    를 0으로 초기화하고 기존의 반복 전송 횟수가 일정 기준 값보다 큰 경우 동기 신호의 반복 전송 횟수를 감소시키는 과정과,
    상기 CH가 상기 자녀 기기들로부터 데이터 신호를 성공적으로 수신한 횟수가 일정 기준 값보다 작으면
    Figure 112017035640044-pat00107
    를 하나 증가시키고, 만약
    Figure 112017035640044-pat00108
    가 일정 기준 값과 같아지면
    Figure 112017035640044-pat00109
    를 0으로 초기화하고 기존의 반복 전송 횟수가 일정 기준 값보다 작은 경우 동기 신호의 반복 전송 횟수를 증가시키는 과정과,
    (C-IV) 상기 CH가
    Figure 112017035640044-pat00089
    (여기서
    Figure 112017035640044-pat00090
    ) 번째 반복하여 전송하는 동기 신호에 상기
    Figure 112017035640044-pat00091
    , 동기 신호의 전송 시간
    Figure 112017035640044-pat00092
    그리고 반복 전송 횟수
    Figure 112017035640044-pat00093
    정보를 포함시켜 전송하는 과정과,
    (C-V) 상기 CH의 자녀 기기가 상기
    Figure 112017035640044-pat00094
    번째 동기 신호를 성공적으로 수신하면 상기 CH가 동기 신호 반복 전송을
    Figure 112017035640044-pat00095
    번 할 때까지
    Figure 112017035640044-pat00096
    (여기서
    Figure 112017035640044-pat00097
    는 반복적으로 전송되는 동기 신호의 전송 시간 간격) 동안 기다린 후 데이터 신호 전송을 시작하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 전송 방법.
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