KR102013772B1 - LoRa 기반 다중 채널 예약 TDMA 센서 노드 수집 방법 - Google Patents

LoRa 기반 다중 채널 예약 TDMA 센서 노드 수집 방법 Download PDF

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Abstract

LoRa 기반 다중 채널 예약 TDMA 센서 노드 수집 방법이 개시된다. LoRa 망에서 TDMA(Time Division MultipleAccess) 기반 센싱 정보 수집 방법에 있어서, 상기 LoRa 망에 속하는 복수의 센서 노드들을 대상으로, ISM(Industry-Science-Medical) 대역에 해당하는 복수의 채널들 중 미리 지정된 채널을 통해 상기 복수의 센서 노드들에서 수집한 센싱 정보의 전송 요청을 브로드캐스트(broadcast)하는 단계, 상기 복수의 채널들을 대상으로, 송수신 채널을 상기 TDMA 기반으로 미리 설정된 채널 순서에 기초하여 상기 브로드캐스트가 수행된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널로 변경하는 단계, 변경된 상기 채널을 통해 상기 복수의 센서 노드들 중 상기 변경된 채널과 연관된 어느 하나의 센서 노드로부터 상기 전송 요청에 대한 응답으로서 센싱 정보를 수신하는 단계, 상기 센싱 정보의 수신이 완료됨에 따라, 상기 송수신 채널을 상기 변경된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널로 변경하는 단계, 및 상기 변경된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널을 통해 해당 채널과 연관된 센서 노드로부터 상기 전송 요청에 대한 응답으로서 센싱 정보를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

LoRa 기반 다중 채널 예약 TDMA 센서 노드 수집 방법{METHOD FOR COLLECTION INFORMATION OF SENSEOR NODE BASED ON TDMA MULTIPLE CHANNEL RESERVATION IN LONG RANGE WIDE AREA NETWORK}
본 발명의 실시예들은 저전력 장거리 무선 통신인 LoRa(Long Range Wide Area Network)를 기반으로 센서 노드에서의 센싱 정보를 수집하는 기술에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크에서 MAC(Media Access Control)은 1:1(P2P, Point to Pont) 통신이 아닌 1:N(P2MP, Point to Multipoint) 통신을 지원하기 위해 필요한 기술이다. 무선 센서 네트워크에서는 센서를 통해 데이터를 수집하는 센서 노드(Node), 센서 노드로부터 데이터를 전달받는 게이트웨이(Gateway)를 포함할 수 있다. 여러 센서 노드들이 하나의 게이트웨이로 센싱된 데이터를 성공적으로 전송하기 위해서는 센서 노드들 간 충돌/경합 발생을 제어하는 기술(예컨대, MAC)이 필요하다. 종래에는 센서 네트워크 영역에서 서비스 적용 대상에 따라 다양한 MAC이 제시되었으나, 하나의 MAC 기술을 모든 서비스 영역에 대해 적용되기 어렵다.
최근에는 LPWAN(Low Power Wide Area Network)가 대두되면서, LoRa 및 NB-IoT가 센서 네트워크 분야에서 각광받고 있다. LoRa 및 NB-IoT는 수십 km 대역의 영역의 통신을 지원하는 강점을 가지고 있다. NB-IoT는 주파수 대역이 ISM(Industrial Scientific Medical) 대역이 아니므로 통신사를 통해 비용을 지불하여 이용해야 한다.
그리고, LoRa의 경우, 900MHz 대역의 ISM 대역을 사용하므로 일반 사업자들도 LPWAN을 이용한 서비스를 제공할 수 있다. 기존의 지그비(Zigbee)와 같은 MAC은 LoRa의 경쟁 MAC 에 해당하나, 지그비의 경우, 100개 이상의 센서 노드들로부터 빠르게 센싱 정보를 수집하는데 어려움이 존재한다. 기존의 LoRa MAC은 대규모 시설 구축이 요구되어 일반 사업자가 사용하기 어려우며, 현재는 SKT 등 대형 통신 사업자의 인프라를 통해 요금을 지불해야 서비스를 제공 가능하다.
이에 따라, LoRa 망(Network)을 이용하여 일반 서비스 사업자가 100개 이상의 다수의 센서 노드를 대상으로 주기적으로 센싱 정보를 수집하기 위한 기술, 즉, MAC 프로토콜이 요구된다.
한국등록특허 제10-1731996호는 로라 및 와이파이 통신을 절체시키기 위한 장치에 관한 것으로, 와이파이 통신 프로토콜에 기반하여 단말기와의 무선 통신을 수행하는 와이파이 모듈, 로라(LoRa) 통신 프로토콜에 기반하여 단말기와의 무선 통신을 수행하는 로라 모듈, 단말기와 통신서버 간의 통신 접속을 실행하는 송수신부와, 와이파이 모듈 또는 로라 모듈로부터 접속되는 단말기의 네트워크 신호를 설정된 규정에 따라 통신서버에 전달하는 네트워크 칩셋 사이에 구비되어, MAC 어드레스 정보를 기반으로 IP 주소 검색 및 할당 기능을 수행하는 기술이 개시되어 있다.
LoRa 망을 이용하여 대형의 통신 사업자가 아닌 일반 서비스 사업자가 100개 이상의 복수의 센서 노드들로부터 주기적으로 센싱 정보를 수집하기 위한 MAC 프로토콜을 제공하고자 한다. 특히, 상기 MAC 프로토콜은 고정된 설치 장소에서 주기적으로 빠르게 센서 노드들의 센싱 정보를 수집하기 위한 것이다.
또한, 상기 수집된 센싱 정보를 이용하여 LoRa 망을 기반으로 하는 배터리 관리/진단 시스템 분야, 스마트시티 기간 시설물 유지보수 분야, 스마트 팩토리 등에서 배터리 관리, 시설물 유지보수 등을 위해 효과적으로 이용될 수 있다.
LoRa 망에서 TDMA(Time Division Multiple Access) 기반 센싱 정보 수집 방법에 있어서, 상기 LoRa 망에 속하는 복수의 센서 노드들을 대상으로, ISM(Industry-Science-Medical) 대역에 해당하는 복수의 채널들 중 미리 지정된 채널을 통해 상기 복수의 센서 노드들에서 수집한 센싱 정보의 전송 요청을 브로드캐스트(broadcast)하는 단계, 상기 복수의 채널들을 대상으로, 송수신 채널을 상기 TDMA 기반으로 미리 설정된 채널 순서에 기초하여 상기 브로드캐스트가 수행된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널로 변경하는 단계, 변경된 상기 채널을 통해 상기 복수의 센서 노드들 중 상기 변경된 채널과 연관된 어느 하나의 센서 노드로부터 상기 전송 요청에 대한 응답으로서 센싱 정보를 수신하는 단계, 상기 센싱 정보의 수신이 완료됨에 따라, 상기 송수신 채널을 상기 변경된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널로 변경하는 단계, 및 상기 변경된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널을 통해 해당 채널과 연관된 센서 노드로부터 상기 전송 요청에 대한 응답으로서 센싱 정보를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 복수의 채널들은, LBT(Listen Before Talk)를 기반으로 상기 복수의 센서 노드들 중 어느 하나의 특정 센서 노드에서 채널 1을 통해 센싱 정보를 전송하는 시간 구간 중 일부와 상기 특정 센서 노드의 다음 순서에 해당하는 센서 노드에서 채널 2의 상태를 리슨(listen)하는 시간 구간 중 일부가 교차될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 변경된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널을 통해 상기 센싱 정보를 수신하는 단계는, 상기 복수의 센서 노드들 중 상기 변경된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널과 연관된 센서 노드에서, 상기 전송 요청을 수신한 이후 미리 약속된 전송 시간이 될 때까지 응답을 대기한 이후에, 상기 전송 시간이 됨에 따라 전송한 센싱 정보를 수신할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 센싱 정보의 수신이 완료됨에 따라, 상기 송수신 채널을 상기 변경된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널로 변경하는 단계는, 상기 복수의 센서 노드들 중 송수신 채널에 해당하는 센서 노드로부터 센싱 정보가 수신될 때마다 상기 복수의 채널들을 대상으로 순차적으로 채널 변경을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 LoRa 망에 속하는 상기 복수의 센서 노드들의 개수가 상기 복수의 채널들의 개수보다 많은 경우, 센서 노드의 식별자 정보에 기초하여 상기 복수의 센서 노드들의 개수를 초과하는 적어도 하나의 센서 노드로부터의 센싱 정보 수집을 위해 상기 송수신 채널은 상기 복수의 채널들 중 마지막 채널을 기준으로 역순으로 변경될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, LBT(Listen Before Talk)를 기반으로 채널을 교차시켜 데이터를 송수신하도록 제어함으로써, LoRa 망을 이용하여 대형의 통신 사업자가 아닌 일반 서비스 사업자가 100개 이상의 복수의 센서 노드들로부터 주기적으로 센싱 정보를 보다 빠르게 수집하도록 제공할 수 있다.
또한, LoRa 망을 기반으로 하는 배터리 관리/진단 시스템 분야, 스마트시티 기간 시설물 유지보수 분야, 스마트 팩토리 등에서 센서 노드들로부터 센싱 정보를 수집함으로써, 센싱 정보를 기반으로 배터리 관리, 시설물 유지보수 등을 효과적으로 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 채널 별 중심 주파수의 출력 파워를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, LoRa 망을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 센싱 정보 수집 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 센싱 정보 수집 시스템의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 채널이 변경되는 동작 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, LoRa 망에 속하는 게이트웨이 및 센서 노드들의 타임 슬롯을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예들은 ISM(Industry-Science-Medical) 대역을 이용하여 LoRa 망에 속하는 복수의 센서 노드들로부터 센싱 정보를 수집하는 기술에 관한 것으로, 특히, LBT(Listen Before Talk) 기법을 기반으로 LoRa 망에 속하는 복수의 센서 노드들 각각과 게이트웨이 간의 채널의 일부 구간을 교차시켜 센싱 정보를 수집하는 기술에 관한 것이다.
저전력 장거리 무선 통신 기술인 LoRa(Long Range Wide Area Network)는 대기 전력이 적고 모듈 가격이 저렴하여 스마트 시티, 옥외 등에서 데이터 송수신을 위해 사용되는 기술이다. 기존의 LTE와는 다르게 별도의 기지국이나 중계 장비없이 단말에 LoRa를 지원하는 칩셋(chip set)을 부착하여 저전력으로 데이터를 송수신한다. 블루투스(Bluetooth), 지그비(zigbee) 등은 저전력 무선통신 프로토콜이지만, 단거리기반의 데이터 전송 서비스만을 제공하나, LoRa는 저전력으로 블루투스나 지그비보다 장거리의 데이터 전송 서비스를 제공한다.
ISM 대역은 산업, 과학, 의료용 기기에서 사용 가능한 주파수 대역으로서, 국제 전기 통신 연합(ITU)-R에서는 ISM 대역으로 13.553~13.567MHz, 26.975~27.283MHz, 40.66~40.70MHz, 433.05~433.79MHz(1지역), 902~928MHz(2지역), 2.4~2.48GHz, 5.725~5.875GHz, 24~24.25GHz, 61~61.5GHz, 122~123GHz, 244~246GHz를 지정하고 있으며, 본 실시예들에서, ISM 대역은 상기 대역들 중 900MHz 대역에 해당할 수 있다.
본 실시예들에서, "센싱 정보 수집 시스템"은 LoRa 망에 속하는 게이트웨이(gateway)를 나타낼 수 있다. 이외에, "센싱 정보 수집 시스템"은 LoRa 망에 속하며, LoRa 칩셋을 탑재한 단말인 센서 노드를 나타낼 수도 있다. 예컨대, 상기 센서 노드는 스마트폰, 태블릿, 노트북 등을 포함할 수 있다.
본 실시예들에서, LBT 기반으로 센싱 정보를 송수신하기 위해서는 아래의 규제를 만족해야할 수 있다.
예컨대, LBT(Listen Before Talk) 이용 시 송신 전 5msec 이상 수신하여 수신신호의 세기가 -65dBm 이하이면 전파를 전송해야 함. 즉, 최소 5mse 이상 전파 상황을 리슨(listen)한 이후에 아이들(Idle) 상태로 전환하고, 수신신호의 세기가 -65dBm 이하에서 아무도(즉, 다른 센서 노드들이) 송신하지 않는 경우에 센싱 정보를 게이트웨이로 전송해야 함.
이하에서는 센싱 정보 수집 시스템이 LoRa 망에 속하는 게이트웨이인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 채널 별 중심 주파수의 출력 파워를 도시한 그래프이다.
도 1은 한국 규정(Korea regulation)에 따른 각 채널 별 중심 주파수의 출력 파워(output power)를 나타내고 있다.
도 1에 따르면, LoRa 망에 속하는 센서 노드들과 게이트웨이 간의 데이터 송수신을 위한 RF 채널은 ISM 대역에서 전체 32개로 미리 지정될 수 있다.
LoRa 망에 속하는 게이트웨이(gateway)의 최대 EIRP(Effective Isotropically Radiated Power) 출력 파워는 23dBm 내지 100dBm에 해당할 수 있다. 그리고, 대역폭(BW)은 125KHz에 해당할 수 있다.
도 1에서, 대역 110(blue color BW)은 업링크(uplink)및 다운링크(downlink)에서 3mW로 신호를 송출하는 대역을 나타낼 수 있다. 대역 120(green color BW)은 업링크(uplink) 및 다운링크(downlink)에서 10mW로 신호를 송출하는 대역을 나타낼 수 있다. 대역 130(light orange color BW)은 업링크에서는 10mW로 신호를 송출하고 다운링크에서는 200mW로 신호를 송출하는 대역을 나타낼 수 있다. 대역 140(orange color BW)은 업링크에서는 25mW로 신호를 송출하고 다운링크에서는 200mW로 신호를 송출하는 대역을 나타낼 수 있다. 이처럼, 대역 별로 송출 세기가 다르므로, 게이트웨이 및 센서 노드에서 송출 세기(즉, 송신 파워)를 현재 신호를 전송하고자 하는 대역에 따라 조절하여 다양한 채널을 이용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, LoRa 망을 도시한 도면이다.
도 2에 따르면, LoRa 망(200)은 복수의 센서 노드(210), LoRa 게이트웨이(220)를 포함할 수 있다.
센서 노드(210)는 LoRa 망을 통해 미리 정의된 ISM 대역(예컨대, 900MHz 대역의 ISM 대역)을 이용하여 수집된 센싱 정보(즉, 센싱 데이터)를 게이트웨이(220)로 송수신하는 LoRa 통신 서비스가 가능하도록 하는 LoRa 칩셋이 탑재된 전자 장치로서, 하나 이상 존재할 수 있다.
일례로, 배터리 관리, 스마트시티 기간 시설물의 유지보수, 스마트 팩토리 등에서 센싱 정보 수집하여 이용하고자 하는 경우, LoRa 망(200)은 센서 노드(210)에서 수집한 정보를 게이트웨이(220)를 통해 수신하는 LoRa 서버(미도시)를 더 포함할 수 있다. 여기서, LoRa 서버(미도시)는 게이트웨이(220)와 유/무선 네트워크로 연결될 수 있다. 예컨대, 가스검침, 수도검침, 전기검침 등과 같이 스마트 팩토리 또는 스마트시티 기간 시설물 내에 설치된 전등들의 동작 상태, 에어콘의 동작 상태 등을 확인하여 유지 보수하는 경우, 댁내 또는 스마트 팩토리에 설치된 검침계량기, 스마트 시티에 설치된 가로등, 전등, 에어콘 등에 장착된 센서가 센서 노드(210)로 이용될 수도 있다. 그러면, 센서 노드(210)에서 미리 정의된 일정기간동안 수집된 데이터(즉, 센싱 정보)가 게이트웨이(220)로 전송될 수 있다. 그러면, LoRa 서버(미도시)는 게이트웨이(200)로부터 센싱 정보를 수신하고, 수신된 센싱 정보를 기반으로 스마트시티 기간 시설물의 유지보수를 관리할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 센싱 정보 수집 방법을 도시한 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 센싱 정보 수집 시스템의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 4에서, 센싱 정보 수집 시스템(400)은 도 2의 LoRa 망에 속하는 게이트웨이(220)를 나타내는 것으로서, 송수신 제어부(410) 및 채널 변경부(420)를 포함할 수 있다. 그리고, 도 3의 각 단계들(310 내지 350 단계)은 도 4의 센싱 정보 수집 시스템(400)의 구성 요소인 송수신 제어부(410) 및 채널 변경부(420)에 의해 수행될 수 있다. 게이트웨이인 센싱 정보 수집 시스템(400)과 마찬가지로 복수의 센서 노드들(401, 402, 403) 각각은 송수신 제어부 및 채널 변경부를 포함할 수 있다. 즉, 센서 노드는 게이트웨이(400)와 마찬가지로 메인 채널을 통해 게이트웨이(400)로부터 전송 요청을 수신하면, 미리 정의된 약속에 따라 해당 시간이 되면 채널을 변경하고, 자신의 슬롯 시간에 응답을 수행한 이후, 메인 채널로 복귀할 수 있다. 이때, 센서 노드의 송수신제어부에서 전송 요청 수신 및 미리 정의된 전송 시간을 기반으로 상기 슬롯 시간에 응답을 수행할 수 있으며, 센서노드의 채널변경부에서 채널 변경 및 메인 채널로 복귀 등을 수행할 수 있다.
도 3 및 도 4에서, LoRa 망에 속하는 게이트웨이(400)와 복수의 센서 노드들(401, 402, 403)은 센싱 정보를 수신하기 이전에 센싱 정보의 전송 요청 및 센싱 정보를 송수신하기 위한 송수신 채널 정보, 전송 시간 등의 정보를 미리 알고 있음을 가정할 수 있다. 즉, 게이트웨이(400)는 자신이 센싱 정보를 각 센서 노드들(401, 402, 403)로 요청하기 위해 이용되는 채널 정보(예컨대, 채널 0), 각 센서 노드들(401, 402, 403)의 센싱 정보를 수신하기 위해 이용되는 채널 정보를 미리 알고 있을 수 있으며, 각 센서 노드의 식별자 정보(예컨대, 센서 노드의 ID)와 함께 해당 센서 노드의 채널 정보 및 센싱 정보 전송 시간 정보를 연관시켜 저장 및 유지하고 있을 수 있다. 마찬가지로, 각 센서 노드들(401, 402, 403)은 자신이 센싱한 정보를 전송하는 시간 정보 및 센싱 정보를 전송하기 위해 이용될 채널 정보를 연관시켜 저장 및 유지하고 있을 수 있다.
도 3 및 도 4에서는 송수신 채널의 개수는 0번부터 N-1번까지 N개이고, 복수의 센서 노드들의 개수는 M개인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
310 단계에서, 송수신 제어부(410)는 LoRa 망에 속하는 복수의 센서 노드들(401, 402, 403)을 대상으로, 미리 지정된 ISM 대역에 해당하는 복수의 채널들 중 브로드캐스트 채널로 지정된 채널을 통해 상기 복수의 센서 노드들(401, 402, 403)에서 수집한 센싱 정보의 전송 요청을 브로드캐스트(broadcast)할 수 있다.
320 단계에서, 채널 변경부(420)는 복수의 채널들을 대상으로, 센싱 정보의 송수신을 위해 이용되는 송수신 채널을 TDMA 기반으로 미리 설정된 채널 순서에 기초하여 상기 브로드캐스트가 수행된 채널(즉, 브로드캐스트 채널)의 다음 순서에 해당하는 채널로 변경할 수 있다. 예컨대, N개의 채널 중 채널 0를 통해 상기 전송 요청이 브로드캐스트된 경우, 채널 변경부(420)는 송수신 채널을 채널 1로 변경할 수 있다. 이때, 현재 주기 동안, 이전에 센서 노드로부터 수신된 센싱 정보가 존재하지 않아 송수신 채널이 채널 1로 설정된 경우(즉, 현재 주기에서 처음으로 센싱 정보를 수신하는 시간에 해당하여 송수신 채널이 채널 1로 이미 설정되어 있는 경우), 송수신 채널을 채널 1로 그대로 유지할 수 있다.
330 단계에서, 송수신 제어부(410)는 복수의 센서 노드들(401, 402, 403) 중 센서 노드(401)로부터 변경된 상기 채널을 통해 센싱 정보를 수신할 수 있다. 예컨대, 현재 주기에 속하는 복수의 전송 시간들 중 전송 시간 1에서 채널 1로 센싱 정보를 게이트웨이(400)로 전송할 센서 노드의 식별자 정보(ID)가 서로 연관되어 해당 센서 노드 및 게이트웨이(400)에 각각에 저장 및 유지될 수 있다. 이에 따라, 채널 0을 통해 센싱 정보의 전송 요청을 수신한 이후, 센서 노드 1(401)은 자신이 시간 1에 센싱 정보를 게이트웨이(400)로 전송해야 함을 미리 알고 있을 수 있다. 그리고, 시간 1이 되면, 센서 노드 1(401)은 자신이 수집한 센싱 정보를 채널 1을 통해 게이트웨이(400)로 전송할 수 있다. 그러면, 송수신 제어부(410)는 채널 1을 통해 센서 노드 1(401)에서 전송한 센싱 정보를 수신할 수 있다.
340 단계에서, 채널 1을 통해 센서 노드 1(401)로부터 센싱 정보의 수신이 완료되면, 채널 변경부(420)는 송수신 채널을 채널 1에서 채널 2로 변경할 수 있다. 즉, 게이트웨이(400)에서 복수의 센서 노드들(401, 402, 403)로 센싱 정보의 전송 요청을 브로드캐스트하는 채널은 채널 0 등과 같이 특정 채널로 미리 지정되어 고정될 수 있으며, 브로드캐스트 채널을 제외한 나머지 채널들(예컨대, 채널 1 내지 채널 N-1)을 대상으로, 해당 센서 노드로부터의 센싱 정보의 수신이 완료될 때마다 송수신 채널이 순차적으로 변경될 수 있다.
이때, LBT 기반으로 센싱 정보를 송수신함에 따라, 채널 변경부(420)은 복수의 채널들 각각을 대상으로 순차적으로 변경을 수행함에 있어서, 복수의 센서 노드들 중 어느 하나의 특정 센서 노드에서 특정 채널을 통해 센싱 정보를 전송하는 시간 구간 중 일부와 특정 센서 노드의 다음 순서에 해당하는 센서 노드에서 해당 채널의 상태를 리슨(listen)하는 시간 구간 중 일부가 교차하도록, 즉, 중첩되도록 채널 변경을 수행할 수 있다. 즉, 채널 1을 통해 센서 노드 1(401)로부터 센싱 정보를 수신하는 전체 시간 구간 중 센싱 정보의 수신이 완료되는 시간을 기준으로 미리 지정된 일정 시간 이전부터 상기 채널 2를 통해 센서 노드 2(402)의 채널 상태를 리슨(listen)하는 시간 구간 중 리슨(listen)을 시작하는 시점부터 미리 지정된 시간 시간에 해당하는 일부 구간이 교차될 수 있다. 예컨대, 채널 2를 통해 리슨하는 시간 구간인 5ms 중 리슨을 시작하는 시점부터 2~3ms의 시간 구간과 채널 1의 센싱 정보가 종료는 시점을 기준으로 2~3ms 이전에 해당하는 시간 구간 동안 채널 1 및 채널 2가 교차될 수 있다. 이러한 채널 교차를 통해 리슨(listen) 이후 아이들(Idle) 상태로 진입하는 LBT에 따른 전송시간 손해를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 100개의 센서 노드들로부터 센싱 정보를 수집하는 경우, 100Х5ms=500ms의 LBT 전송으로 인한 전송 시간 손해를 감소시킬 수 있다.
350 단계에서, 송수신 제어부(410)는 변경된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널을 통해 해당 채널과 연관된 센서 노드로부터 전송 요청에 대한 응답으로서 센싱 정보를 수신할 수 있다. 예컨대, 송수신 제어부(410)는 브로드캐스트 채널을 통해 전송한 전송 요청에 대한 응답으로서, 센서 노드 2(402)에서 수집된 센싱 정보를 채널 2를 통해 센서 노드 2(402)로부터 수신할 수 있다.
그러면, 센서 노드 2(402)로부터 센싱 정보의 수신이 완료되면, 채널 변경부(420)는 송수신 채널을 채널 2에서 채널 3으로 변경할 수 있으며, 송수신 제어부(410)는 채널 3을 통해 센서 노드 3(미도시)으로부터 센싱 정보를 수신할 수 있다. 동일한 방식으로, 센서 노드 M(403)으로부터 센싱 정보 수신이 완료될 때까지, 센서 노드 4(미도시) 내지 센서 노드 M(403)을 위한 채널 변경, 변경 채널을 통한 센싱 정보 수집이 반복 수행될 수 있다. 이때, LBT 기반으로 센싱 정보가 수집됨에 따라, 각 채널들은 센싱 정보를 전송하는 시간 구간 중 일부와 리슨(listen) 시간 구간 중 일부가 교차될 수 있다. 여기서, LBT 기반 채널 교차 동작은 도 6을 참고하여 상세히 설명하기로 한다.
이처럼, 복수의 센서 노드들(401, 402, 403) 각각에 해당하는 채널들을 통해 센싱 정보를 수신함에 있어서, 미리 정의된 시간에 해당 센서 노드로부터 해당 채널을 통해 센싱 정보를 수신하기 위해, 즉, 해당 센서 노드에서는 게이트웨이(400)로 센싱 정보를 전송하기 위해, 미리 약속된 전송 시간이 될 때까지 상기 전송 요청에 대한 응답을 대기할 수 있다. 그리고, 자신의 전송 시간이 되면, 자신이 수집한 센싱 정보를 게이트웨이(400)로 해당 채널을 통해 전송할 수 있다. 예컨대, 센서 노드 2(402)는 브로드캐스트 채널을 통해 전송 요청을 수신하였으나, 게이트웨이(400)에서 채널 1을 통해 센서 노드 1(401)로부터 센싱 정보의 수신을 완료할 때까지 자신의 센싱 정보를 전송하지 않고 대기할 수 있다. 그리고, 상기 센서 노드 1(401)의 센싱 정보 전송이 완료되면, 센서 노드 2(402)는 자신에게 할당된 채널 2를 통해 게이트웨이(400)로 센싱 정보를 전송할 수 있다. 마찬가지로, 센서 노드 3은 브로드캐스트 채널을 통해 센싱 정보의 전송 요청을 수신하였으나, 채널 1 및 채널 2 각각을 통해 센서 노드 1(401)과 센서 노드 2(402)가 센싱 정보를 전송할 때 센싱 정보의 전송을 대기할 수 있다. 이처럼, 응답을 대기하였다가, 자신(즉, 센싱노드 3)의 전송 시간이 되면, 센싱 정보를 채널 3을 통해 게이트웨이(400)로 전송할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 채널이 변경되는 동작 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 LoRa 망에 속하는 게이트웨이 및 센서 노드들 간의 센싱 정보 전송 요청 및 센싱 정보 송/수신을 위해 이용되는 다중 채널의 예약을 수행하는 TDMA MAC 동작을 나타낼 수 있다. 도 5에 따르면, 게이트웨이(400)는 LBT 기반으로 센싱 정보를 송/수신 시 리슨(listen)으로 인한 수신 대기 시간이 센서 노드마다 5ms 절약되어, 센서 노드가 100개인 경우 500ms의 수신 대기 시간이 절약될 수 있다.
도 5에서, LoRa 망을 위한 ISM 대역에 해당하는 미리 지정된 32개의 채널 중 N개의 채널이 전송 요청 및 센싱 정보의 송수신을 위한 송수신 채널로 미리 지정될 수 있다. 그리고, N개의 채널을 대상으로 TDMA MAC 프로토콜에 따라 채널 변경이 순차적으로 수행될 수 있다.
도 5를 참고하면, 채널 0는 브로드캐스트 채널로 미리 지정될 수 있다. 즉, 게이트웨이(400)는 채널 0를 통해 복수의 센서 노드들(401, 402, 403)로 센싱 정보의 전송 요청을 브로드캐스트할 수 있다. 예컨대, 복수의 센서 노드들(401, 402, 403) 각각에 설치된 어플리케이션(application)을 통해 해당 센서 노드에서 수집된 정보를 게이트웨이(400)로 전송할 것을 요청하는 명령을 브로드캐스트할 수 있다. 이외에, 특성 센서 노드의 ID를 지정하여, 특정 센서 노드에서 수집된 센싱 정보의 전송 요청을 유니캐스트(unicast)할 수도 있다.
그러면, 복수의 센서 노드들 각각은 미리 지정된 채널을 통해 미리 지정된 해당 전송 시간에 자신이 수집한 센싱 정보를 게이트웨이(400)로 전송할 수 있다. 예컨대, 센서 노드 1 내지 센서 노드 8은 채널 1내지 채널 8를 통해 해당 전송 시간에 게이트웨이(400)로 센싱 정보를 순차적으로 전송할 수 있다. 이때, 센서 노드의 개수가 미리 정의된 채널의 개수보다 큰 경우, 마지막 채널을 기준으로 마지막 채널의 다음 채널부터 첫번째 채널까지 역순으로 나머지 센서 노드들을 위한 채널 변경이 순차적으로 수행될 수 있다. 예컨대, 센서 노드 9부터 센서 노드 15까지 채널 9부터 채널 1까지 역순으로 해당 전송 시간에 순차적으로 채널 변경이 수행될 수 있다. 이어, 채널 1에 도달하면, 센서 노드 16 내지 센서 노드 22와의 통신을 위해, 다시 순서를 바꾸어 순서대로 채널 1부터 채널 9까지 순차적으로 채널 변경이 수행될 수 있다. 동일한 방법으로, 마지막 센서 노드 M까지 순차적으로 채널 변경이 반복 수행될 수 있다. 즉, 게이트웨이(400)는 전체 센서 노드의 개수 M개에 대해 미리 알고 있으므로, M개의 센서 노드들 각각에 해당하는 M개의 시간 슬롯(time slot) 동안 채널 1부터 채널 9, 다시 채널 8부터 채널 1까지 역순으로, 다시 채널 2부터 채널 9까지 등과 같이 순차적으로 채널 변경을 수행할 수 있다. 그리고, M개의 센서 노드들로부터 센싱 정보를 수신하면 채널 변경을 종료할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, LoRa 망에 속하는 게이트웨이 및 센서 노드들의 타임 슬롯을 도시한 도면이다.
도 6에서, PIFS(Period Inter Frame Space)는 현재 주기가 종료되는 시점에 모든 센서 노드들(예컨대, Node #1 내지 Node #100)이 게이트웨이(400)의 다음 메시지를 수신하기 위해 슬립(sleep) 모드에서 웨이크업(wakeup) 모드로 동작 모드를 변경하기 위해 요구되는 시간을 나타낼 수 있다.
SIFS(Slot Inter Frame Space)는 각 센서 노드의 송신 타이밍(즉, 미리 정의된 전송 시간)에 따라 게이트웨이(400)의 채널을 변경하고, 해당 센서 노드에서는 수신 대기(즉, 응답 대기)를 위해 요구되는 시간을 나타낼 수 있다.
도 6을 참고하면, LoRa 망에 속하는 게이트웨이(400) 및 복수의 센서 노드들이 LBT 기반으로 센싱 정보를 송수신 시, 최소 5ms는 전파 상황, 즉, 자신(특정 센서 노드)에게 할당된 채널의 상태를 리슨(listen)한 이후, 아이들(idle) 상태로 진입하여 센싱 정보를 송수신해야 하며, -65dBm 이하의 신호 세기로 해당 채널을 통해 아무도 송수신을 하고 있지 않을 때에 해당 채널을 통해 센싱 정보의 송수신을 시작할 수 있다. 예컨대, 900 MHz 대역의 ISM 대역을 이용 가능한 다른 전자 기기들(예컨대, 지그비 통신 장비 등)이 -65dBm 이하의 신호 세기로 특정 채널을 통해 송수신하고 있지 않고, 비어있음을 리슨 상태에서 확인하면, 해당 채널을 통해 자신의 센싱 정보를 게이트웨이(400)로 전송할 수 있다.
이때, 센서 노드 별로 센싱 정보 전송 이전에 리슨(listen)에 5ms의 시간을 소요하므로, 전송 시간이 센서 노드의 개수 Х 5ms 낭비될 수 있다. 이에 따라, 이전 센서 노드(예컨대, 센서 노드 1)에서 해당 채널(예컨대, 채널 1)을 통해 센싱 정보를 전송하여 전송이 완료되는 시간(ToA)을 기준으로 미리 정의된 일정 시간 이전부터 전송 완료 시점까지와 센서 노드 2에 해당하는 채널 2에서 해당 채널의 상태를 리슨하는 시간 구간의 일부가 교차하도록, 게이트웨이(400)는 송수신 채널을 채널 2로 변경할 수 있다.
예컨대, 타임 슬롯 1(slot #1)을 참고하면, 게이트웨이(400)의 채널 변경부(420)는 채널 1을 통해 센서 노드 1로부터의 센싱 정보 수신이 완료되는 시점(ToA, 601)으로부터 미리 정의된 일정 시간 이전에 해당하는 시점(602)에, 센서 노드 2에 해당하는 채널 2의 상태를 리슨(listen)을 시작하도록 센서 노드 2를 제어할 수 있다. 그리고, 센서 노드 1로부터의 센싱 정보 수신이 완료되면, 즉, 상기 시점 601부터 상기 리슨이 완료되는 시점(603)에 해당하는 시간 구간 동안, 즉, SIFS에 해당하는 시간 구간에 게이트웨이(400)의 채널 변경부(420)는 송수신 채널을 채널 1에서 채널 2로 변경할 수 있다. 즉, 센서 노드 2에서 상기 채널 2의 상태를 리슨(listen)하는 시간 구간 동안, 리슨이 완료되는 시점(603)부터 미리 정의된 일정 시간 이전부터 미리 송수신 채널을 채널 1에서 채널 2로 변경함으로써, LBT 기반 전송에 따른 수신 대기 시간 5ms를 센서 노드의 개수만큼 일정 시간 절약할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (5)

  1. LoRa 망에서 TDMA(Time Division Multiple Access) 기반 센싱 정보 수집 방법에 있어서,
    상기 LoRa 망에 속하는 복수의 센서 노드들을 대상으로, ISM(Industry-Science-Medical) 대역에 해당하는 복수의 채널들 중 미리 지정된 채널을 통해 상기 복수의 센서 노드들에서 수집한 센싱 정보의 전송 요청을 브로드캐스트(broadcast)하는 단계;
    상기 복수의 채널들을 대상으로, 송수신 채널을 상기 TDMA 기반으로 미리 설정된 채널 순서에 기초하여 상기 브로드캐스트가 수행된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널로 변경하는 단계;
    변경된 상기 채널을 통해 상기 복수의 센서 노드들 중 상기 변경된 채널과 연관된 어느 하나의 센서 노드로부터 상기 전송 요청에 대한 응답으로서 센싱 정보를 수신하는 단계;
    상기 센싱 정보의 수신이 완료됨에 따라, 상기 송수신 채널을 상기 변경된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널로 변경하는 단계; 및
    상기 변경된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널을 통해 해당 채널과 연관된 센서 노드로부터 상기 전송 요청에 대한 응답으로서 센싱 정보를 수신하는 단계
    를 포함하고,
    상기 복수의 채널들은, LBT(Listen Before Talk)를 기반으로 상기 복수의 센서 노드들 중 어느 하나의 특정 센서 노드에서 채널 1을 통해 센싱 정보를 전송하는 시간 구간 중 일부와 상기 특정 센서 노드의 다음 순서에 해당하는 센서 노드에서 채널 2의 상태를 리슨(listen)하는 시간 구간 중 일부가 교차되는 것
    을 특징으로 하는 센싱 정보 수집 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 변경된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널을 통해 상기 센싱 정보를 수신하는 단계는,
    상기 복수의 센서 노드들 중 상기 변경된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널과 연관된 센서 노드에서, 상기 전송 요청을 수신한 이후 미리 약속된 전송 시간이 될 때까지 응답을 대기한 이후에, 상기 전송 시간이 됨에 따라 전송한 센싱 정보를 수신하는 것
    을 특징으로 하는 센싱 정보 수집 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 정보의 수신이 완료됨에 따라, 상기 송수신 채널을 상기 변경된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널로 변경하는 단계는,
    상기 복수의 센서 노드들 중 송수신 채널에 해당하는 센서 노드로부터 센싱 정보가 수신될 때마다 상기 복수의 채널들을 대상으로 순차적으로 채널 변경을 수행하는 단계
    를 포함하는 센싱 정보 수집 방법.
  5. LoRa 망에서 TDMA(Time Division Multiple Access) 기반 센싱 정보 수집 방법에 있어서,
    상기 LoRa 망에 속하는 복수의 센서 노드들을 대상으로, ISM(Industry-Science-Medical) 대역에 해당하는 복수의 채널들 중 미리 지정된 채널을 통해 상기 복수의 센서 노드들에서 수집한 센싱 정보의 전송 요청을 브로드캐스트(broadcast)하는 단계;
    상기 복수의 채널들을 대상으로, 송수신 채널을 상기 TDMA 기반으로 미리 설정된 채널 순서에 기초하여 상기 브로드캐스트가 수행된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널로 변경하는 단계;
    변경된 상기 채널을 통해 상기 복수의 센서 노드들 중 상기 변경된 채널과 연관된 어느 하나의 센서 노드로부터 상기 전송 요청에 대한 응답으로서 센싱 정보를 수신하는 단계;
    상기 센싱 정보의 수신이 완료됨에 따라, 상기 송수신 채널을 상기 변경된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널로 변경하는 단계; 및
    상기 변경된 채널의 다음 순서에 해당하는 채널을 통해 해당 채널과 연관된 센서 노드로부터 상기 전송 요청에 대한 응답으로서 센싱 정보를 수신하는 단계
    를 포함하고,
    상기 LoRa 망에 속하는 상기 복수의 센서 노드들의 개수가 상기 복수의 채널들의 개수보다 많은 경우, 센서 노드의 식별자 정보에 기초하여 상기 복수의 센서 노드들의 개수를 초과하는 적어도 하나의 센서 노드로부터의 센싱 정보 수집을 위해 상기 송수신 채널은 상기 복수의 채널들 중 마지막 채널을 기준으로 역순으로 변경되는 것
    을 특징으로 하는 센싱 정보 수집 방법.
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