KR101801801B1 - Ｔｓｃｈ 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬롯프레임의 길이를 직접적으로 변경하지 않고 네트워크 상황에 맞춰 슬롯 스케줄링이 가능하도록 한 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치 및 방법에 관한 것으로, 로컬 네트워크로부터 수집된 정보를 바탕으로 슬롯스케줄링을 수행하고, 요구되는 자원을 확보할 수 있는 가상슬롯프레임 계수를 결정하며, 확장 명령을 네트워크 설정 모듈로 전송하는 네트워크 상태 관리 모듈;모든 통신 노드에 장착되어 네트워크 상태 관리 모듈의 제어 명령에 따라 네트워크 설정을 하고 슬롯 스케줄을 설정하는 네트워크 설정 모듈;을 포함하고, 슬롯프레임의 길이를 직접적으로 변경하지 않고 가상슬롯프레임 계수를 이용하여 네트워크 상황에 맞춰 슬롯 스케줄링을 수행하는 것이다.

Description

ＴＳＣＨ 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치 및 방법{Slot frame virtualization System and Method for ＴＳＣＨ based industrial wireless network}

본 발명은 TSCH 기반 산업 무선 네트워크에 관한 것으로, 구체적으로 슬롯프레임의 길이를 직접적으로 변경하지 않고 네트워크 상황에 맞춰 슬롯 스케줄링이 가능하도록 한 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치 및 방법에 관한 것이다.

현대의 산업 플랜트 시설(발전, 정유, 화학, 해양설비 등과 같은 산업/생산기반시설)에서 생산효율을 향상시키기 위한 설비의 자동화는 필수적인 요소이다.

자동화 설비들은 플랜트의 네트워크 인프라에 연결되어, 상태정보 및 제어명령을 끊임없이 교환하며 통신한다.

초기 플랜트 네트워크는 신뢰도와 안정성의 이유로 유선통신이 주로 사용되었으나 비용, 편의 및 유연성의 측면에서 점차 무선통신의 도입을 검토하게 되었다.

2000년대 중반 HART(Highway Addressable Remote Transducer Protocol)를 기반으로 하는 WirelessHART의 개발이 시작되었으며, 2010년 IEC(International Electrotechnical Commission)의 표준으로 채택되었다.

WirelessHART는 무선통신 기술의 신뢰도와 안정성을 크게 향상시킨 기술로서, IEEE 802.15.4 표준을 기반으로 하며, TSCH(Time Slotted Channel Hopping) MAC(Media Access Control) 프로토콜을 채택하였다.

이후, TSCH MAC 프로토콜은 산업 무선 네트워크를 지원하기 위해, 기존 IEEE 802.15.4-2006 표준의 문제점을 개선한 IEEE 802.15.4e MAC 개정안에 포함되어 표준기술로 채택되었다.

TDMA(Time Division Multiple Access) 기술의 범주에 속하는 TSCH MAC 프로토콜은 네트워크 전역의 노드들이 시각 동기화(Time Synchronization)되어 슬롯프레임(Slotframe)의 시작 시점을 일치시킨다.

하나의 슬롯프레임은 다수의 타임슬롯(Timeslot)으로 구성되며, 하나의 타임슬롯에서 한번의 통신이 수행된다. 슬롯프레임을 구성하는 타임슬롯의 수는 네트워크 관리자 및 사용자에 의해 결정/변경될 수 있다.

무선 통신 매체(Media)의 특성상, 하나의 노드(A)가 특정 타임슬롯에서 데이터를 전송할 경우, 노드(A)의 전파가 닿는 범위 내의 모든 노드들은 노드(A)의 전파를 수신하게 되며, 만약 동일한 시점에서 다른 노드(B)가 데이터를 전송하게 되면 간섭으로 인해 정상적인 데이터 송수신이 불가능하다.

TDMA 기반 MAC 프로토콜에서는 동기화를 통해 매체에 대한 접근 시각을 일치시키며, 슬롯 스케줄링을 통해 각 노드의 통신 시점을 결정하여 이러한 충돌 문제를 해결한다.

산업 무선 네트워크에서 요구되는 신뢰도와 안정성을 확보하기 위해, TSCH MAC에 대한 슬롯 스케줄링은 필수적이며 매우 중요한 요소이다.

하나의 슬롯프레임이 N개의 타임슬롯으로 나누어지고, 가용한 채널이 M개일 경우, 최대 N x M개의 링크가 발생하며, 이에 대한 스케줄링이 수행된다.

하지만, 하나의 노드는 특정 시점에서 하나의 채널에서만 통신을 수행할 수 있으며, 인접 노드와의 간섭관계를 고려하면 실제 가용 링크의 수는 매우 제한적이다.

기본적으로 플랜트 설비에서 자동화를 위해 수천 개의 센서가 설치되며, 비록, 모든 센서 노드들이 하나의 무선 네트워크와 연결되는 것은 아니지만, 상대적으로 큰 규모의 무선 네트워크가 필요하다고 볼 수 있다.

또한, 노드의 추가 설치, 네트워크의 변동 및 성능 요구치의 변동에 따라 슬롯 스케줄링의 변경이 필요할 수 있으며, 상황에 따라 기존의 N x M개의 링크만으로 충분하지 않을 수 있다.

TSCH 기반 네트워크에서 모든 노드들은 동일한 슬롯프레임 길이를 공유하며, 각 슬롯프레임은 동기화되어 동작한다. 이러한 상황에서 슬롯프레임의 길이를 변경하고자 할 경우, 네트워크 전역으로 제어 메시지를 전송해야 하며, 제어 메시지를 수신한 모든 노드들이 변경된 슬롯프레임 길이를 적용하는 시점까지 일치시켜야 하는 문제가 발생한다.

산업 무선 네트워크의 가장 중요한 특성인 신뢰도와 안정성을 만족시키면서 위와 같은 문제를 해결하기 위해서는, 네트워크 변동에 맞춰 슬롯프레임 설정을 변경할 수 있으며, 네트워크 성능에 영향을 미치지 않는 효율적인 슬롯프레임 관리 기법이 요구된다.

TDMA 기반 MAC 프로토콜인 TSCH기법은 인접 노드와의 전송 충돌을 방지하고, 신뢰성 있는 통신을 확보하기 위해 슬롯 스케줄링이 요구된다. 노드의 추가와 같은 네트워크 변동상황에서 새로운 네트워크 상태에 적합한 슬롯 스케줄링의 변경이 필요하며, 상황에 따라 슬롯프레임 내의 가용 링크가 부족할 수 있다.

네트워크 변동상황에서 가용 링크 부족을 해결하기 위해서는 슬롯 스케줄링의 대상이 되는 링크를 추가적으로 확보해야 하며, 기본적인 방법은 슬롯프레임의 길이를 늘려 추가적인 링크를 확보하는 방법이다.

하지만, 이를 위해서는 새로운 설정(슬롯프레임 길이)을 적용하기 위한 제어 메시지를 네트워크 전역으로 전파해야 하며, 제어 메시지의 손실은 해당 노드 및 모든 자식 노드들의 네트워크 연결을 단절시키는 결과를 발생시킨다.

이를 해결하기 위해서는, 네트워크 전역의 노드에 대한 제어 메시지의 신뢰성있는 전파를 보장해야 하지만, 이는 많은 오버헤드를 발생시키는 작업이다.

또한, 제어 메시지의 전파가 보장된 상황에서도 새로운 슬롯프레임의 길이를 적용하는 시점을 동기화하지 못할 경우, 동기화에 실패한 노드는 네트워크 연결을 잃게 된다.

각 노드의 제어 메시지 수신 시점은 각기 다르며, 제어 메시지의 전파에 걸리는 시간을 고려하여 적용 시점을 결정해야 하지만, 이 역시 매우 복잡한 작업이다.

즉, 슬롯프레임의 길이를 변경하여 가용 링크를 확보하는 방식은 많은 오버헤드를 발생시키며, 산업 무선 네트워크의 신뢰도와 안정성에도 큰 영향을 미치게 된다.

한국등록특허번호 10-1527151호 한국공개특허번호 10-2012-0043359호

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 TSCH 기반 산업 무선 네트워크에서의 슬롯 스케줄링의 문제를 해결하기 위한 것으로, 슬롯프레임의 길이를 직접적으로 변경하지 않고 네트워크 상황에 맞춰 슬롯 스케줄링이 가능하도록 한 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 슬롯 스케줄링을 위한 추가적인 가용 링크 확보를 위해, 네트워크 전역의 노드에 대한 제어 메시지 수신 보장을 요구하지 않도록 하여 제어 메시지로 인한 트래픽 오버헤드를 경감할 수 있도록 한 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 추가적인 가용 링크 확보를 위한 제어 범위를 해당 노드의 부모, 자식 노드로 제한하고, 슬롯프레임 길이의 변동 시 요구되는 설정 변경 적용 시점 동기화를 필요로 하지 않도록 한 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 각 노드의 슬롯 스케줄링 시, 네트워크 전역의 슬롯프레임 설정에 대한 영향을 고려하지 않고 필요한 가용 링크를 자체적으로 확보할 수 있도록 하여 유연하고 효율적인 슬롯 스케줄링 기법의 적용이 가능하도록 한 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치는 로컬 네트워크로부터 수집된 정보를 바탕으로 슬롯스케줄링을 수행하고, 요구되는 자원을 확보할 수 있는 가상슬롯프레임 계수를 결정하며, 확장 명령을 네트워크 설정 모듈로 전송하는 네트워크 상태 관리 모듈;모든 통신 노드에 장착되어 네트워크 상태 관리 모듈의 제어 명령에 따라 네트워크 설정을 하고 슬롯 스케줄을 설정하는 네트워크 설정 모듈;을 포함하고, 슬롯프레임의 길이를 직접적으로 변경하지 않고 가상슬롯프레임 계수를 이용하여 네트워크 상황에 맞춰 슬롯 스케줄링을 수행하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 네트워크 설정 모듈은, 이웃 노드로부터 수집한 네트워크 정보를 저장하는 로컬 저장소와,주기적으로 정보 메시지를 통해 네트워크 상태 관리 모듈의 네트워크 상황 수집부로 지역적인 네트워크 정보를 보고하는 네트워크 상황 보고부와,상위 네트워크 계층 및 각 부에서 전송되는 데이터, 정보 및 제어 메시지를 전송받는 통신 수행부와,네트워크 상태 관리 모듈로부터 네트워크 설정 정보를 받아 전송된 메시지의 내용에 따라 네트워크 설정을 하는 네트워크 설정부와,적용 가능한 것으로 판단된 스케줄 정보를 기록하여 통신에 사용되도록 하는 슬롯스케줄 테이블과,네트워크 상태 관리 모듈로부터 슬롯 스케줄 정보를 받아 전송된 메시지의 내용에 따라 슬롯 스케줄을 설정하는 슬롯스케줄 설정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 네트워크 상태 관리 모듈은, 네트워크 설정 모듈의 네트워크 상황 보고부의 로컬 네트워크 정보를 받아 수집한 정보를 종합하여 네트워크 정보 저장소에 기록하는 네트워크 상황 수집부와,네트워크 상황 수집부에서 수집된 정보를 바탕으로 슬롯스케줄링을 수행하고 슬롯 스케줄링의 결과를 네트워크 자원 관리부로 전달하여 현재 네트워크의 가용 자원으로 계산되도록 하는 슬롯 스케줄링 계산부와,슬롯프레임 크기의 한계로 계산된 스케줄의 적용이 불가능한 것으로 판단되면 요구되는 자원을 확보할 수 있는 가상슬롯프레임 계수를 결정하며, 확장 명령을 네트워크 설정 모듈로 전송하는 네트워크 자원 관리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 네트워크 자원 관리부는, 확장 명령을 자원이 부족한 것으로 판단되는 지역의 네트워크 설정 모듈에 대해서만 전파가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

그리고 네트워크 상태 관리 모듈은 슬롯 스케줄링을 수행하기 위하여, 각 통신 노드에 대해 통신을 수행할 시점에 관한 슬롯오프셋과, 사용 채널에 관한 채널 오프셋, 몇 개의 슬롯프레임을 묶어서 가상 슬롯프레임을 구성할 것인지 결정하는 가상 슬롯프레임 계수와, 가상 슬롯프레임 내에서 실제 슬롯프레임을 사상(mapping)시키기 위해 사용하는 가상 슬롯프레임오프셋 변수를 사용하는 것을 특징으로 한다.

그리고 각 통신 노드는 확장된 가상 슬롯오프셋을 실제 슬롯프레임 길이로 나눈 나머지 연산을 통해 실제 통신에 사용되는 슬롯오프셋을 계산하고, 나머지 연산의 몫을 통해 가상 슬롯프레임오프셋을 계산하여 통신 시점을 산출하는 것을 특징으로 한다.

그리고 모든 통신 노드에 장착되는 각 네트워크 설정 모듈은, 이웃 노드들의 가상슬롯프레임 계수를 기록하여 각 통신 노드들의 자원, 가상슬롯프레임 계수 및 확장 정도의 차이에도 각각의 통신 노드간의 통신이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

그리고 통신 수행부는, 상위 네트워크 계층 및 각 부에서 전송되는 데이터, 정보 및 제어 메시지를 전송받아 기록하는 메시지 버퍼와,슬롯스케줄링이 적용된 무선 통신의 경우에 슬롯스케줄 테이블의 스케줄 정보를 바탕으로 현재 시점에서 통신 수행이 가능한지 확인하는 통신 수행 결정부를 포함하고, 슬롯 스케줄에 따라 현재 시점에서 통신이 가능하면, 스케줄에 해당하는 메시지가 트랜시버로 전달되어 통신이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 방법은 정렬된 슬롯 스케줄 테이블에서 최상위 엔트리를 획득하여 현재의 슬롯오프셋과 일치하는지 판단하는 제 1 단계;엔트리의 링크에 기록된 가상 슬롯오프셋을 계산하여 해당 링크가 수행되어야 하는 가상 슬롯프레임오프셋을 구하는 제 2 단계;스케줄 엔트리 대상 이웃의 가상 슬롯프레임 계수를 획득하고 스케줄 엔트리의 가상 슬롯프레임오프셋을 계산하는 제 3 단계;가상 슬롯프레임의 시작 시점을 동기화하기 위하여, 제 2 단계와 제 3 단계에서 구해진 가상 슬롯프레임오프셋이 일치하는지를 판단하여 통신을 수행하는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 제 1 단계에서, 현재의 슬롯오프셋과 일치하지 않은 경우, 해당 엔트리의 스케줄이 수행될 시점이 아닌 것으로 판단하여 다음 타임슬롯의 시작을 기다리며 저전력 모드로 동작하는 것을 특징으로 한다.

그리고 가상 슬롯프레임오프셋을 구하는 제 2 단계는,

으로 구하는 것을 특징으로 한다.

그리고 가상 슬롯프레임오프셋을 계산하는 제 3 단계는,

으로 구하고, ASN은 네트워크 전역에서 동일한 값으로 공유되는 변수인 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 슬롯프레임의 길이를 직접적으로 변경하지 않고 네트워크 상황에 맞춰 슬롯 스케줄링이 가능하도록 한다.

둘째,슬롯 스케줄링을 위한 추가적인 가용 링크 확보를 위해, 네트워크 전역의 노드에 대한 제어 메시지 수신 보장을 요구하지 않으므로 제어 메시지로 인한 트래픽 오버헤드를 경감한다.

셋째, 추가적인 가용 링크 확보를 위한 제어 범위가 해당 노드의 부모, 자식 노드로 제한되므로 네트워크 제어 오버헤드를 경감한다.

넷째, 슬롯프레임 길이의 변동 시 요구되는 설정 변경 적용 시점 동기화를 필요로 하지 않으므로 기법의 복잡도를 낮출 수 있다.

다섯째, 각 노드의 슬롯 스케줄링 시, 네트워크 전역의 슬롯프레임 설정에 대한 영향을 고려하지 않아도 되며, 필요한 가용 링크를 자체적으로 확보할 수 있으므로 더욱 유연하고 효율적인 슬롯 스케줄링 기법의 적용이 가능하다.

여섯째, 각 노드에서 슬롯 스케줄링을 위해 요구되는 가용 링크 자원이 균형적이지 않은 경우에도 요구되는 수준만의 가용 링크를 확보할 수 있으므로 네트워크 자원의 효율적인 활용이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 슬롯프레임 가상화 기술이 적용되는 산업 무선 네트워크의 일 예를 나타낸 구성도
도 2는 TSCH 네트워크 슬롯 스케줄링의 일 예를 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 따른 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화를 적용한 슬롯 스케줄링의 일 예를 나타낸 구성도
도 4는 본 발명에 따른 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화를 위한 장치의 구성도
도 5는 통신 수행부 내의 통신 수행 과정을 나타낸 구성도
도 6은 본 발명에 따른 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트

이하, 본 발명에 따른 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화를 적용한 슬롯 스케줄링의 일 예를 나타낸 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화를 위한 장치의 구성도이다.

본 발명은 슬롯프레임의 길이를 직접적으로 변경하지 않고 네트워크 상황에 맞춰 슬롯 스케줄링이 가능하도록 한 것으로,

슬롯 스케줄링을 위한 추가적인 가용 링크 확보를 위해, 네트워크 전역의 노드에 대한 제어 메시지 수신 보장을 요구하지 않도록 하는 구성,

추가적인 가용 링크 확보를 위한 제어 범위를 해당 노드의 부모, 자식 노드로 제한하고, 슬롯프레임 길이의 변동 시 요구되는 설정 변경 적용 시점 동기화를 필요로 하지 않도록 하는 구성을 포함한다.

도 1은 일반적인 산업 무선 네트워크의 구조를 나타낸다.

게이트웨이(G)는 인터넷과 연결되어 산업 무선 네트워크와 기타 네트워크를 연결한다. 네트워크의 루트(Root)가 되는 게이트웨이는 주기적으로 정보 메시지를 전송하며, 각 통신노드(Nx, x=1,2,3……)는 정보 메시지를 통해 네트워크에 참여한다.

게이트웨이의 직접적인 통신 범위에 속하지 않는 통신 노드들(예, N3, N4, N5 등)은 이미 게이트웨이와 연결된 통신 노드(N1, N2)에서 발생시키는 정보 메시지를 통해 네트워크에 참여하게 된다.

이와 같은 방식으로 각 통신 노드는 다중 홉의 산업 무선 네트워크를 구성하며, 수집한 센서 데이터를 서버로 전송하게 된다.

정보를 전달하기 위한 네트워크 경로 결정은 다양한 기법을 통해 결정될 수 있지만, 일반적으로 도 1과 같은 트리(Tree)구조를 형성하며, 네트워크 참여를 위한 정보 메시지를 전송한 노드를 부모 노드로 인식하며, 그 반대 관계를 자식 노드라 칭한다.

예를 들면, 도 1을 기준으로 N1은 N4의 부모 노드이며, N3와 N4는 N1의 자식 노드에 해당한다.

산업 무선 네트워크 구성에 필요한 각종 설정들(경로, 슬롯 스케줄링 등)은 네트워크 매니저가 수행하게 되며, 물리적인 네트워크 매니저의 위치는 도 1과 같이 인터넷을 통해 연결된 서버에 존재할 수도 있으며, 혹은 게이트웨이에 존재할 수도 있는 등 시스템 구현에 따라 달라질 수 있다.

하지만, 기본적으로 네트워크 매니저는 각 노드에서 보고된 네트워크 정보를 바탕으로 경로를 설정하거나, 슬롯 스케줄링을 수행하여 제어 메시지를 발행하는 역할을 수행한다.

도 2는 TSCH기반 네트워크에서 사용되는 슬롯 스케줄링의 예시이며, 도 1의 예시 네트워크를 기준으로 통신 노드 N1의 스케줄링을 나타낸 것이다.

네트워크가 시작된 시점을 기준으로 세어나간 타임슬롯의 숫자를 ASN(Absolute Slot Number)이라 하며, 슬롯프레임에 관계없이 선형적으로 증가한다.

도 2의 예시에서 슬롯프레임의 길이는 4이며, 네트워크 설정에 따라 변경될 수 있다.

슬롯프레임 내에서 상대적인 타임슬롯의 오프셋을 슬롯오프셋이라 하며, 매 슬롯프레임마다 초기화된다. TSCH는 IEEE 802.15.4 PHY의 채널을 사용할 수 있으며, 도 2의 예시에서는 가용 채널이 5개인 상황을 가정한 것이며, 역시 네트워크 설정에 따라 가용채널의 수는 변경될 수 있다.

TSCH 네트워크의 슬롯 스케줄링은 특정 송신 노드가 수신 노드에 대한 통신의 시점과 사용 채널을 결정하는 것이며, 이런 방식으로 결정된 통신 시점과 사용 채널을 링크라고 한다.

예를 들면, 도 2를 기준으로 N4에서 N1으로의 통신은 슬롯오프셋 1번, 채널 3번의 링크를 사용하도록 설정하는 것이다. 슬롯 스케줄링은 하나의 슬롯프레임을 대상으로 수행되며, 슬롯프레임이 끝나게 될 경우, 다시 처음부터 동일하게 반복 적용된다.

이때, 부모와 자식노드 사이에서 일치하는 스케줄은 각 부모와 자식노드의 슬롯 스케줄링에 동일하게 나타나야 한다.

예를 들면, 통신 노드 N4의 슬롯 스케줄링에서도, N1의 슬롯 스케줄링 예시인, 도 2의 슬롯 스케줄링의 슬롯오프셋 1번, 채널 3번 링크에 동일한 "N4 → N1"의 스케줄이 나타나야 한다.

TSCH 네트워크의 슬롯 스케줄링은 궁극적으로 각 통신 노드 사이의 간섭관계, 통신 가능 여부, 통신의 효율 등을 고려하여, 각 통신 노드에 대해 위와 같이 통신을 수행할 시점(슬롯오프셋)과 사용 채널(채널 오프셋)을 의미하는 링크를 할당하는 것이다.

새로운 노드가 추가되거나 네트워크가 변경된 상황에서, 새로운 링크의 할당이 요구될 때, 가용 링크가 존재하지 않을 경우, 기존의 슬롯 스케줄링에서는 문제가 발생하게 된다.

예를 들어, 도 2에서 새로운 통신 노드 N9가 N1의 자식으로 네트워크에 참여할 경우, 각 통신 노드는 하나의 슬롯오프셋에서 하나의 채널에서만 통신할 수 있으므로, N1의 경우, 가용 링크가 존재하지 않으며 추가적인 링크를 할당할 수 없다.

슬롯프레임 길이의 직접적인 변경은 산업 무선 네트워크의 성능에 큰 영향을 미치게 되므로, 본 발명에서는 복수 개의 슬롯프레임을 논리적으로 하나의 슬롯프레임처럼 인식하도록 하여 가상의 슬롯프레임을 구성하는 것이다.

복수 개의 슬롯프레임을 논리적으로 다루기 위하여, "슬롯오프셋"과 "채널오프셋"만을 할당하던 기존의 슬롯 스케줄링에서 "가상 슬롯프레임 계수"와 "가상 슬롯프레임오프셋" 변수를 추가적으로 사용한다.

가상 슬롯프레임 계수는 몇 개의 슬롯프레임을 묶어서 가상 슬롯프레임을 구성할 것인지 결정하며, 가상 슬롯프레임오프셋은 가상 슬롯프레임 내에서 실제 슬롯프레임을 사상(mapping)시키기 위해 사용된다.

예를 들면, 도 3의 예시는 2개의 슬롯프레임을 대상으로 슬롯 스케줄링을 수행하므로 가상 슬롯프레임 계수는 2가 되며, N9와 N1 사이의 링크는 가상 슬롯오프셋 1 값을 가지고 기존의 슬롯프레임 구조에 사상된다.

이와 같은 개념으로 기존 슬롯 스케줄링에 해당하는 도 2의 경우는 가상 슬롯프레임 계수가 1인 경우로 볼 수 있다.

도 3의 경우, 슬롯프레임의 길이는 4이지만, 가상 슬롯프레임 확장을 통해 2개의 슬롯프레임을 하나의 가상 슬롯프레임으로 구성하고, 슬롯오프셋을 8개로 확장하였다.

슬롯프레임 길이의 직접적인 변경 없이도 가용 링크를 추가적으로 확보하며, 네트워크 매니저는 확장된 가상 슬롯오프셋을 사용하여 슬롯 스케줄링을 수행할 수 있다.

일반적으로 각 통신노드는 네트워크의 정보를 파악하기 위해 이웃 노드들의 정보를 기록해둔다. 각 통신노드는 가상 슬롯프레임 확장 기법을 위해 이웃 노드의 가상 슬롯프레임 계수 정보를 추가로 기록해두어야 한다.

각 통신노드는 확장된 가상 슬롯오프셋을 실제 슬롯프레임 길이로 나눈 나머지 연산을 통해 실제 통신에 사용되는 슬롯오프셋을 계산할 수 있으며, 나머지 연산의 몫을 통해 가상 슬롯프레임오프셋을 계산할 수 있다.

가상슬롯프레임 기술을 적용하는 경우에는 가상화된 스케줄 정보를 사용하게 되며, 실제 통신 시점에서 가상화된 슬롯스케줄 정보를 실제 적용 가능한 정보로 변환하여야 하며, 수학식 1 및 수학식 2를 사용한다.

각 통신노드는 가상 슬롯오프셋 값의 계산을 통해 실제 슬롯오프셋과 가상 슬롯프레임오프셋을 알 수 있고, 기존 슬롯프레임 구조에서도 정확한 통신 시점을 산출할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화를 위한 장치의 구성도이고, 도 5는 통신 수행부 내의 통신 수행 과정을 나타낸 구성도이다.

본 발명에 따른 가상 슬롯프레임 확장은 네트워크의 실제적인 설정의 변경없이 슬롯프레임을 확장한 것과 유사한 효과를 발생시키는 것이 목적으로, 구체적으로 슬롯프레임의 가상화를 위한 추가적인 정보가 필요하므로 각 저장소에 추가적인 정보를 위한 공간이 필요하며, 통신 수행부 내에서 가상화된 정보들을 사용하기 위한 수행 흐름의 변경이 필요하다.

구체적으로, 본 발명에 따른 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화를 위한 장치는, 모든 통신 노드에 장착되어 각종 네트워크 정보를 저장하고 네트워크 설정을 수행하는 네트워크 설정 모듈(200)과, 네트워크 설정을 제어하는 역할을 수행하는 네트워크 상태 관리 모듈(100)을 포함한다.

네트워크 상태 관리 모듈(100)의 제어 명령에 따라 네트워크 설정 모듈(200)에서 실질적인 네트워크 설정을 수행하고, 네트워크 상태 관리 모듈(100)은 슬롯스케줄링 기법의 종류에 따라 위치가 변경될 수 있다.

네트워크 설정 모듈(200)은 인근 이웃 노드로부터 수집한 네트워크 정보를 저장하는 로컬 저장소(50)와, 주기적으로 정보 메시지를 통해 네트워크 상태 관리 모듈(100)의 네트워크 상황 수집부(41)로 지역적인 네트워크 정보를 보고하는 네트워크 상황 보고부(49)와, 상위 네트워크 계층 및 각 부에서 전송되는 데이터, 정보 및 제어 메시지를 전송받는 통신 수행부(48)와, 네트워크 상태 관리 모듈(100)로부터 네트워크 설정 정보를 받아 전송된 메시지의 내용에 따라 네트워크 설정을 하는 네트워크 설정부(47)와, 적용 가능한 것으로 판단된 스케줄 정보를 기록하여 통신에 사용되도록 하는 슬롯스케줄 테이블(46)과, 네트워크 상태 관리 모듈(100)로부터 슬롯 스케줄 정보를 받아 전송된 메시지의 내용에 따라 슬롯 스케줄을 설정하는 슬롯스케줄 설정부(45)를 포함한다.

그리고 네트워크 상태 관리 모듈(100)은 네트워크 설정 모듈(200)의 네트워크 상황 보고부(49)의 로컬 네트워크 정보를 받아 수집한 정보를 종합하여 네트워크 정보 저장소(42)에 기록하는 네트워크 상황 수집부(41)와, 네트워크 상황 수집부(41)에서 수집된 정보를 바탕으로 슬롯스케줄링을 수행하고 슬롯 스케줄링의 결과를 네트워크 자원 관리부(43)로 전달하여 현재 네트워크의 가용 자원으로 계산되도록 하는 슬롯 스케줄링 계산부(44)와, 슬롯프레임 크기의 한계로 계산된 스케줄의 적용이 불가능한 것으로 판단되면 요구되는 자원을 확보할 수 있는 가상슬롯프레임 계수를 결정하며, 확장 명령을 네트워크 설정 모듈(200)로 전송하는 네트워크 자원 관리부(43)를 포함한다.

이와 같은 본 발명에 따른 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화를 위한 장치는 다음과 같이 슬롯프레임 가상화를 위한 동작을 수행한다.

각 통신 노드의 네트워크 설정 모듈(200)의 네트워크 상황 보고부(49)는 인근 이웃 노드로부터 수집한 네트워크 정보를 로컬 저장소(50)에 저장하며, 주기적으로 정보 메시지를 통해 네트워크 상태 관리 모듈(100)의 네트워크 상황 수집부(41)로 지역적인 네트워크 정보를 보고하고, 네트워크 상태 관리 모듈(100)은 수집한 정보를 종합하여 네트워크 정보 저장소(42)에 기록한다.

네트워크 상태 관리 모듈(100)은 수집된 정보를 바탕으로 슬롯스케줄링 계산부(44)에서 슬롯스케줄링을 수행한다.

실질적인 슬롯스케줄링 알고리즘은 기법에 따라 다양한 알고리즘을 적용할 수 있음은 당연하다.

슬롯 스케줄링의 결과는 네트워크 자원 관리부(43)로 전달되며, 현재 네트워크의 가용 자원으로 계산된다. 적용 가능한 것으로 판단된 스케줄 정보는 제어 메시지를 통해 각 네트워크 설정 모듈(200)로 전파되어 슬롯스케줄 테이블(46)에 기록되어 통신에 사용된다.

이때, 슬롯스케줄링 계산부(44)에서 산출된 스케줄 정보가, 슬롯프레임 크기의 한계로 계산된 스케줄의 적용이 불가능하다고 판단될 경우, 네트워크 자원 관리부(43)는 추가적인 네트워크 자원의 확보를 시도한다.

기존의 경우 네트워크 자원 관리부(43)는 슬롯프레임의 길이를 변경하는 네트워크 설정에 관련된 제어 메시지를 발생시키고, 이러한 메시지가 네트워크 전역으로 전파되어야 하지만, 본 발명에서는 자원이 부족한 것으로 판단되는 지역의 네트워크 설정 모듈(200)에 대해서만 전파가 이루어지면 된다.

네트워크 자원 관리부(43)는 요구되는 정도의 자원을 확보할 수 있는 가상슬롯프레임 계수를 결정하며, 확장 명령을 전송한다.

이러한 제어 메시지를 수신한 네트워크 설정 모듈(200)은 슬롯스케줄 설정부(45)에서 해당 정보를 받아들이며, 전송된 메시지의 내용에 따라 네트워크 설정을 변경한다.

각 통신 노드들은 필요한 수준의 자원이 각기 상이하므로, 각기 다른 가상슬롯프레임 계수를 가지고, 확장 정도가 다를 수 있다.

이때, 통신 노드 간에 원활한 통신이 가능하기 위해서 각 네트워크 설정 모듈(200)은 이웃 노드들의 가상슬롯프레임 계수를 기록해야 한다.

그리고 도 5는 통신 수행부(48) 내의 통신 수행을 위한 구성을 나타낸 것이다.

상위 네트워크 계층 및 각 부에서는 데이터, 정보 및 제어 메시지를 통신 수행부(48)로 전달하며, 통신 수행부(48)는 이를 메시지 버퍼에 기록해둔다.

슬롯스케줄링이 적용된 무선 통신의 경우, 슬롯스케줄 테이블의 스케줄 정보를 바탕으로 현재 시점에서 통신 수행이 가능한지 확인해야 하며, 이러한 통신 여부를 통신 수행 결정부에서 판단하게 된다.

슬롯 스케줄에 따라 현재 시점에서 통신이 가능하다면, 스케줄에 해당하는 메시지가 트랜시버로 전달되며, 통신이 수행된다.

이때, 본 발명에 따른 가상 슬롯프레임 기법을 사용할 경우, 통신 수행 결정부의 통신 여부 결정 알고리즘의 변경이 필요하며, 도 6은 가상 슬롯프레임 확장 기법이 적용된 상황에서의 통신 수행 결정 과정을 나타낸다.

도 6은 본 발명에 따른 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트이다.

각 통신노드는 할당받은 슬롯 스케줄의 각 링크를 수학식 1을 통해 계산된 실제 슬롯오프셋 순서로 정렬하며, 같은 실제 슬롯오프셋을 가지는 링크들을 묶어 엔트리로 관리하고 스케줄 테이블을 작성한다.

먼저, 새 타임슬롯이 시작되면(S601), 정렬된 테이블에서 최상위 엔트리를 획득하며(S602) 해당 엔트리가 현재의 슬롯오프셋과 일치하는지 판단한다.(S603)

일치하지 않은 경우, 아직 해당 엔트리의 스케줄이 수행될 시점이 도래하지 않은 것이므로, 다음 타임슬롯의 시작을 기다리며 저전력모드로 동작한다. 이러한 방식은 스케줄 관리기법에 일종이므로 구현에 따라 다른 방식이 될 수 있다.

엔트리의 슬롯오프셋과 실제 슬롯오프셋이 일치하는 경우, 해당 엔트리의 수행 시점이 도래한 것으로 가상 슬롯프레임오프셋이 일치하는 경우, 실제 통신이 수행될 수 있다.

하지만, 각 통신 노드는 각자의 링크 요구량에 따라 가상 슬롯프레임을 확장시킬 수 있으며, 경우에 따라 각 통신 노드의 가상 슬롯프레임 계수가 상이할 수 있다.

이 경우, 가상 슬롯프레임의 시작 시점을 동기화해야 한다.

이를 위하여 스케줄 엔트리 대상 이웃의 가상 슬롯프레임 계수를 획득하고(S605), 수학식 3을 통하여 스케줄 엔트리의 가상 슬롯프레임오프셋을 계산한다.(S606)

예를 들어, N4는 n번째 슬롯프레임을 가상 슬롯프레임오프셋 0으로 판단하였지만, N1은 이를 가상 슬롯프레임오프셋 1로 판단할 경우, 정상적인 통신을 수행할 수 없다.

이러한 동기화 문제는 네트워크 전역에서 절대적인 시간 기준으로 사용할 수 있는 ASN을 통해 해결할 수 있다.

ASN은 네트워크 전역에서 동일한 값으로 공유되는 변수이며, 이를 슬롯프레임 길이로 나누어 나온 몫에 대해 가상 슬롯오프셋 계수로 나머지 연산을 취하면 네트워크 전역에서 일치되는 가상 슬롯프레임오프셋을 산출할 수 있다.

각 통신 노드는 할당된 슬롯 스케줄과 현재의 시점이 일치하는지 여부를 위의 계산식을 통해 판단할 수 있다.

그리고 엔트리의 링크에 기록된 가상 슬롯오프셋을 수학식 2를 통해 계산하여 해당 링크가 수행되어야 하는 가상 슬롯프레임오프셋을 계산할 수 있으며(S604), 현재 ASN을 수학식 3으로 산출한 현재의 가상 슬롯프레임오프셋과 일치할 경우(S607) 현재 시점과 일치하므로 통신을 수행하게 된다.(S608)

이상에서 설명한 본 발명에 따른 SCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치 및 방법은 복수 개의 슬롯프레임을 논리적으로 하나의 슬롯프레임처럼 인식하도록 하여 가상의 슬롯프레임을 구성하는 것이다.

이와 같이 복수 개의 슬롯프레임을 논리적으로 다루기 위하여, "슬롯오프셋"과 "채널오프셋"만을 할당하던 기존의 슬롯 스케줄링에서 "가상 슬롯프레임 계수"와 "가상 슬롯프레임오프셋" 변수를 추가적으로 사용한다.

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100. 네트워크 상태 관리 모듈
200. 네트워크 설정 모듈

Claims (12)

1. 로컬 네트워크로부터 수집된 정보를 바탕으로 슬롯스케줄링을 수행하고, 요구되는 자원을 확보할 수 있는 가상슬롯프레임 계수를 결정하며, 확장 명령을 네트워크 설정 모듈로 전송하는 네트워크 상태 관리 모듈;
   모든 통신 노드에 장착되어 네트워크 상태 관리 모듈의 제어 명령에 따라 네트워크 설정을 하고 슬롯 스케줄을 설정하는 네트워크 설정 모듈;을 포함하고,
   슬롯프레임의 길이를 직접적으로 변경하지 않고 가상슬롯프레임 계수를 이용하여 네트워크 상황에 맞춰 슬롯 스케줄링을 수행하는 것을 특징으로 하는 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 네트워크 설정 모듈은,
   이웃 노드로부터 수집한 네트워크 정보를 저장하는 로컬 저장소와,
   주기적으로 정보 메시지를 통해 네트워크 상태 관리 모듈의 네트워크 상황 수집부로 지역적인 네트워크 정보를 보고하는 네트워크 상황 보고부와,
   상위 네트워크 계층 및 각 부에서 전송되는 데이터, 정보 및 제어 메시지를 전송받는 통신 수행부와,
   네트워크 상태 관리 모듈로부터 네트워크 설정 정보를 받아 전송된 메시지의 내용에 따라 네트워크 설정을 하는 네트워크 설정부와,
   적용 가능한 것으로 판단된 스케줄 정보를 기록하여 통신에 사용되도록 하는 슬롯스케줄 테이블과,
   네트워크 상태 관리 모듈로부터 슬롯 스케줄 정보를 받아 전송된 메시지의 내용에 따라 슬롯 스케줄을 설정하는 슬롯스케줄 설정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 네트워크 상태 관리 모듈은,
   네트워크 설정 모듈의 네트워크 상황 보고부의 로컬 네트워크 정보를 받아 수집한 정보를 종합하여 네트워크 정보 저장소에 기록하는 네트워크 상황 수집부와,
   네트워크 상황 수집부에서 수집된 정보를 바탕으로 슬롯스케줄링을 수행하고 슬롯 스케줄링의 결과를 네트워크 자원 관리부로 전달하여 현재 네트워크의 가용 자원으로 계산되도록 하는 슬롯 스케줄링 계산부와,
   슬롯프레임 크기의 한계로 계산된 스케줄의 적용이 불가능한 것으로 판단되면 요구되는 자원을 확보할 수 있는 가상슬롯프레임 계수를 결정하며, 확장 명령을 네트워크 설정 모듈로 전송하는 네트워크 자원 관리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 네트워크 자원 관리부는,
   확장 명령을 자원이 부족한 것으로 판단되는 지역의 네트워크 설정 모듈에 대해서만 전파가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 네트워크 상태 관리 모듈은 슬롯 스케줄링을 수행하기 위하여,
   각 통신 노드에 대해 통신을 수행할 시점에 관한 슬롯오프셋과,
   사용 채널에 관한 채널 오프셋,
   몇 개의 슬롯프레임을 묶어서 가상 슬롯프레임을 구성할 것인지 결정하는 가상 슬롯프레임 계수와,
   가상 슬롯프레임 내에서 실제 슬롯프레임을 사상(mapping)시키기 위해 사용하는 가상 슬롯프레임오프셋 변수를 사용하는 것을 특징으로 하는 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 각 통신 노드는 확장된 가상 슬롯오프셋을 실제 슬롯프레임 길이로 나눈 나머지 연산을 통해 실제 통신에 사용되는 슬롯오프셋을 계산하고,
   나머지 연산의 몫을 통해 가상 슬롯프레임오프셋을 계산하여 통신 시점을 산출하는 것을 특징으로 하는 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 모든 통신 노드에 장착되는 각 네트워크 설정 모듈은,
   이웃 노드들의 가상슬롯프레임 계수를 기록하여 각 통신 노드들의 자원, 가상슬롯프레임 계수 및 확장 정도의 차이에도 각각의 통신 노드간의 통신이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치.
8. 제 2 항에 있어서, 통신 수행부는,
   상위 네트워크 계층 및 각 부에서 전송되는 데이터, 정보 및 제어 메시지를 전송받아 기록하는 메시지 버퍼와,
   슬롯스케줄링이 적용된 무선 통신의 경우에 슬롯스케줄 테이블의 스케줄 정보를 바탕으로 현재 시점에서 통신 수행이 가능한지 확인하는 통신 수행 결정부를 포함하고,
   슬롯 스케줄에 따라 현재 시점에서 통신이 가능하면, 스케줄에 해당하는 메시지가 트랜시버로 전달되어 통신이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치.
9. 로컬 네트워크로부터 수집된 정보를 바탕으로 슬롯스케줄링을 수행하고, 요구되는 자원을 확보할 수 있는 가상슬롯프레임 계수를 결정하는 네트워크 상태 관리 모듈을 포함하는 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 장치에서, 슬롯프레임의 길이를 직접적으로 변경하지 않고 가상슬롯프레임 계수를 이용하여 네트워크 상황에 맞춰 슬롯 스케줄링을 수행하기 위하여,
   정렬된 슬롯 스케줄 테이블에서 최상위 엔트리를 획득하여 현재의 슬롯오프셋과 일치하는지 판단하는 제 1 단계;
   엔트리의 링크에 기록된 가상 슬롯오프셋을 계산하여 해당 링크가 수행되어야 하는 가상 슬롯프레임오프셋을 구하는 제 2 단계;
   스케줄 엔트리 대상 이웃의 가상 슬롯프레임 계수를 획득하고 스케줄 엔트리의 가상 슬롯프레임오프셋을 계산하는 제 3 단계;
   가상 슬롯프레임의 시작 시점을 동기화하기 위하여, 제 2 단계와 제 3 단계에서 구해진 가상 슬롯프레임오프셋이 일치하는지를 판단하여 통신을 수행하는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 제 1 단계에서,
    현재의 슬롯오프셋과 일치하지 않은 경우, 해당 엔트리의 스케줄이 수행될 시점이 아닌 것으로 판단하여 다음 타임슬롯의 시작을 기다리며 저전력 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 방법.
11. 제 9 항에 있어서, 가상 슬롯프레임오프셋을 구하는 제 2 단계는,
    

    

    으로 구하는 것을 특징으로 하는 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 방법.
12. 제 9 항에 있어서, 가상 슬롯프레임오프셋을 계산하는 제 3 단계는,
    

    

    으로 구하고,
    ASN은 네트워크 전역에서 동일한 값으로 공유되는 변수인 것을 특징으로 하는 TSCH 기반 산업 무선 네트워크의 슬롯프레임 가상화 방법.
    

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