KR102046161B1

KR102046161B1 - 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법

Info

Publication number: KR102046161B1
Application number: KR1020130050285A
Authority: KR
Inventors: 김영탁
Original assignee: 영남대학교 산학협력단
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2019-11-18
Also published as: KR20140131212A

Abstract

본 발명은 Sub-1GHz 대역의 무선 통신 채널에 있어서, 무선 통신에서의 전력 소모를 줄여 전체 전력 소모를 줄일 수 있는 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법에 관한 것으로, 송신 노드와 수신 노드가 근접된 위치에 존재하는 경우, 송신 전력을 낮추어도 수신 노드에서는 충분히 양호한 신호 세기를 유지할 수 있어 전력소모를 줄일 수 있고, 반면에 수신 노드가 송신 노드로부터 상당히 먼 거리에 위치하는 경우, 송신전력을 충분히 높여서 수신 노드에 도달하는 신호 세기를 일정 수준으로 유지할 수 있게 되어, 패킷 에러율을 일정 수준 이하로 유지하여, 전체 정보 전달 성능을 유지할 수 있다.

Description

저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법{Method for transmit power control for low-power wireless communications context-aware type}

본 발명은 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Sub-1GHz 대역의 무선 통신 채널에 있어서, 무선 통신에서의 전력 소모를 줄여 전체 전력 소모를 줄이도록 하는 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 Sub-1GHz 대역의 무선 통신 채널은 SUN(Smart Metering Utility Network)구조의 센서 네트워크 또는 음성 및 음향 신호 전송을 위한 소출력 무선 기기에 주로 사용되며, 대부분의 경우 전력 공급이 제한된 배터리 용량에 한정되어 전체 전력 소모를 최소화시키는 기능이 필수적이다.

일본 공개특허공보 제10-2001-0080245호(2001.08.22)에는 종래 기술에 따라 송신이 잠시 정지하는 상황으로 되어도, 송신 재개 후에 신속하게 송신 전력값을 이상값으로 복귀시킬 수 있는 기지국 장치, 통신 단말 장치 및 송신 전력 제어 방법이 개시되어 있다.

그러나 이와 같은 종래의 송신 전력 제어 방법은, 무선 채널을 사용하는 센서 노드나 소출력 무선 기기의 경우, 전체 전력 소모에서 무선 통신을 위한 전력소모가 정보처리에 비교하여 상대적으로 크며, 이 때문에 무선 통신에서의 전력 소모를 줄이는 것이 어려워 전체 전력 소모가 증가하게 되는 문제점이 있다.

일본 공개특허공보 제10-2001-0080245호(2001.08.22)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, Sub-1GHz 대역의 무선 통신 채널에 있어서, 무선 통신에서의 전력 소모를 줄여 전체 전력 소모를 줄이도록 하는 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법은, Sub-1GHz 대역의 무선 통신에서 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법에 있어서, 송신단에서 수신단으로의 사용자 정보 전송을 위하여 현재까지의 정보를 기반으로 송신 전력을 설정하고, 사용자 데이터 프레임들을 사전에 정의된 개수만큼 전송하는 단계; 상기 수신단에서 각 프레임 수신에서 해당 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 값을 측정하여 기록하고, 프레임 에러 유무를 판단하여, FER(Frame Error Ration)값을 기록하는 단계; 상기 송신단에서 특정 수신단으로 현재 설정된 무선 전송 채널의 성능 상태 요청(performance status request)을 하고, 상기 수신단에서 각 수신 프레임의 RSSI 값과 FER 값의 통계값을 계산하여, RSSI 리포트와 FER 리포트 정보가 포함된 프레임을 상기 송신단으로 보내는 단계; 및 상기 송신단에서 상기 수신단으로부터의 상기 RSSI 리포트와 FER 리포트 정보를 기반으로 송신 신호 전력 세기를 조정하는 단계를 포함한다.

상기 무선 통신은, 915 ~ 930 Mhz 대역에서 100 ~ 200Kbps 전송 속도를 가지는 무선 전송 채널을 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법에 의하면, Sub-1GHz 대역의 무선 통신 채널에 있어서, 무선 통신에서의 전력 소모를 줄여 전체 전력 소모를 줄이도록 하는 효과가 있다.

또한, 송신 노드와 수신 노드가 근접된 위치에 존재하는 경우, 송신 전력을 낮추어도 수신 노드에서는 충분히 양호한 신호 세기를 유지할 수 있어 전력소모를 줄일 수 있고, 반면에 수신 노드가 송신 노드로부터 상당히 먼 거리에 위치하는 경우, 송신전력을 충분히 높여서 수신 노드에 도달하는 신호 세기를 일정 수준으로 유지할 수 있게 되어, 패킷 에러율을 일정 수준 이하로 유지하여, 전체 정보 전달 성능을 유지할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 Sub-1GHz 무선 통신 채널의 프레임 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법을 나타낸 제어 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변형 및 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 특정한 실시 형태를 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변형, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 또한 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

공간적으로 상대적인 용어인 아래(below, beneath, lower), 위(above, upper) 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관 관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다.

예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 아래(below, beneath)로 기술된 소자는 다른 소자의 위(above, upper)에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 아래는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 Sub-1GHz 무선 통신 채널의 프레임 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법을 나타낸 제어 흐름도이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, Sub-1GHz 대역의 무선 통신에서 저전력 무선 통신을 가능하게 하기 위해서는 송신 노드에서 전송된 무선 통신 프레임 수신 노드에 도착하였을 때의 신호세기(RSSI: Received Signal Strength Indicator) 값과 누적된 패킷 에러율(PER: Packet Error Ration)을 측정하고, 이를 송신측으로 전달하여, 현재 진행 중인 무선 통신이 당초의 성능 목표를 만족하고 있는가를 평가 분석할 수 있다.

따라서, 송신 노드와 수신 노드가 근접된 위치에 존재하는 경우, 송신 전력을 낮추어도 수신 노드에서는 충분히 양호한 신호 세기를 유지할 수 있어 전력소모를 줄일 수 있다.

반면에 수신 노드가 송신 노드로부터 상당히 먼 거리에 위치하는 경우, 송신전력을 충분히 높여서 수신 노드에 도달하는 신호 세기를 일정 수준으로 유지할 수 있게 되고, 패킷 에러율을 일정 수준 이하로 유지하여, 전체 정보 전달 성능을 유지할 수 있다.

여기서, Sub-1GHz 대역의 무선 통신에서는 전송 대역폭이 제한적이고 데이터 전송 속도가 최대 200Kbps로 제한되므로, 프레임 전송에서 채널 관리 정보를 효과적으로 전달할 수 있어야 한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에서, SUN(Smart Metering Utility Network)에서 사용할 수 있는 무선 통신은 915 ~ 930 Mhz 대역에서 100 ~ 200Kbps 전송 속도를 가지는 무선 전송 채널을 사용하며, 물리계층에서의 프레임 구조는 도 1에 도시된 바와 같다.

물리 계층 프레임 구조는 상용 Sub-1GHz RF 송수신 모듈이 제공하는 기능을 최대한 활용하여 구현할 수 있다.

물리 계층 프레임의 전송은 먼저 preamble, SYNC 바이트 스트림을 전송하여, 수신기가 전송 프레임에 동기를 맞출 수 있게 한다. 이어서 전송 프레임의 길이를 나타내는 length 필드가 1 바이트 크기로 전달되며, 물리계층 주소가 1 바이트 전달된다.

물리 계층 주소는 각 무선 방송 노드의 물리적인 그룹 주소를 나타내며, 0x00과 0xFF는 모든 노드들이 모두 수신을 하여야 하는 방송(broadcasting)용 그룹 주소를 나타낸다. 그 외의 물리 계층 주소는 필요에 따라 멀티캐스팅(multicasting) 그룹 주소를 지정하여 사용할 수 있게 한다.

물리 계층 프레임의 마지막 2 바이트는 프레임의 비트 에러 유무를 점검하기 위한 CRC-16(Cyclic Redundancy Check - 16bit)를 사용하며, Length 필드와 Phy Addr 및 Data Field(데이터 링크 계층 L2PDU)를 포함한 물리계층 프레임 구간에 대한 에러 점검용 CRC를 계산하여 전송한다.

Sub-1GHz 무선 전송 채널의 프레임 구조에서 데이터 링크 계층 프로토콜 데이터 단위(PDU: Protocol Data Unit)는 IEEE 802.15.4 표준에서 정의하고 있는 PDU 구조를 확장하여 설계한다. 먼저, FCF(Frame Control Field)는 데이터 링크 계층 L2PDU의 구조 및 기능을 정의하는 제어 정보를 가진다.

FCF의 각 비트 필드 항목 및 의미는 다음의 [표 1] 및 [표 2]에 도시된 바와 같다.

Sub-1GHz MAC Frame FCF (Frame Control Field)의 비트필드 항목 및 의미

비트 위치	필드 이름	의미
0-2	Frame Type	Frame의 종류를 나타낸다
3	Security Enabled	보안 코드 유무
4	Frame Pending	Frame의 Pending 유무
5	Acknowledge request	ACK 요청
6	Intra PAN	Intra PAN
7	Reserved
8-9	OAM Type	Operation, Administration and Maintenance
10-11	Destination addressing mode	수신자 주소 모드
12-13	OAM Subtype
14-15	Source addressing mode	송신자 주소 모드

Sub-1GHz MAC Frame FCF OAM Type

비트 8-9	비트 12-13	OAM type	OAM Sub-Type
0 0	0 0	Reserved	Reserved
	0 1		Reserved
	1 0		Reserved
	1 1		Reserved
0 1	0 0	Configuration Management	Channel Scan Request
	0 1		Channel Scan Result
	1 0		Channel Switch Request
	1 1		Channel Switch Confirm
1 0	0 0	Performance Management	Performance Status Request
	0 1		RSSI (Receive Signal Strength Indicator) Report
	1 0		FER (Frame Error Ratio) Report
	1 1		Avg Delay Report
1 1	0 0	Fault Notification	LOS (Lost of Signal) Error Notification
	0 1		SFE (Severe Frame Error) Notification
	1 0		Reserved
	1 1		Reserved

L2 MAC PDU의 OAM 필드는 configuration management, performance management, fault management의 OAM sub-type별로 지정된 8-비트 크기 이내의 정보 (예를 들어, channel number, RSSI/FER 값, average delay, LoS duration, severe frame error 값 등)를 piggy-back 방식으로 담아서 상대편 노드로 전달한다.

현재 IEEE 802.15.4에서 정의하고 있는 L2PDU의 FCF에서는 bit 8-9 및 bit 12-13이 reserved로 정의되어 있으며, 이 비트들을 OAM(Operation, Administration and Maintenance) 용도로 사용하도록 제안한다.

Bit 7은 현재와 같이 reserved로 정의하며, bit 8-9는 OAM type (reserved, configuration management, performance management fault management)를 지정한다.

각 bit 12-13은 OAM type별로 세부적으로 지정되는 OAM sub-type을 나타낸다.

Configuration management에서는 channel scan request, channel scan report, channel switch request, channel switch confirm을 지정한다.

Performance management에서는 performance status request, RSSI (receive signal strength indicator) report, FER (frame error ratio) report, average delay report를 지정한다. Fault notification에서는 LOS (lost of signal) error notification, SFE (server frame error) notification을 지정한다.

Sub-1GHz 대역에서의 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력제어 절차는 도 2에 도시된 바와 같다.

송신단(Tx)(10)에서는 수신단(Rx)(20)으로의 사용자 정보 전송을 위하여 현재까지의 정보를 기반으로 송신 전력을 설정하며(S101), 사용자 데이터 프레임들을 사전에 정의된 개수만큼 전송을 하게된다(S102).

수신단(20)에서는 각 프레임 수신에서 해당 RSSI 값을 측정하여 기록하고, 프레임 에러 유무를 판단하여, FER값을 기록한다(S103).

송신단(10)에서 특정 수신단(20)으로 현재 설정된 무선 전송 채널의 성능 상태 요청(performance status request)을 하면(S104), 수신단(20)에서는 각 수신 프레임의 RSSI 값과 FER 값의 통계값을 계산하며(S105), RSSI report와 FER report 정보가 포함된 프레임을 송신단(10)으로 보내게 된다(S106).

송신단(10)에서는 수신단(20)으로 부터의 RSSI report와 FER report 정보를 기반으로 송신 신호 전력 세기를 조정한다(S107).

이때 송신 신호 전력 세기는 전달하여야 하는 정보의 종류에 따라 다르게 설정할 수 있다.

본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 관한 것이고, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.

10 : 송신단
20 : 수신단

Claims

송신단이 사용자 데이터 프레임을 수신단에 전송하는 데이터 프레임 전송 단계;
상기 수신단이 상기 사용자 데이터 프레임을 분석하는 분석 단계;
상기 송신단이 상기 수신단으로부터 상기 사용자 데이터 프레임에 대한 분석결과를 수신하는 분석결과 수신 단계; 및
상기 송신단이 상기 분석결과를 이용하여 송신 신호 전력 세기를 조정하는 조정 단계를 포함하며,
상기 데이터 프레임 전송 단계에서의 사용자 데이터 프레임은,
preamble 필드, SYNC 바이트 스트림 필드, 8비트 length 필드, 8비트 물리계층 주소, 16비트 프레임 제어필드(FCF)와 데이터 링크 계층의 PDU의 구조 및 기능을 정의하는 제어정보를 포함하는 데이터 필드, 16비트 CRC 정보를 포함하며,
상기 프레임 제어필드는, Frame Type, Security Enabled, Frame Pending, Acknowledge request, Intra PAN, Reserved, OAM Type, Destination addressing mode, OAM Subtype, Source addressing mode를 포함하고,
상기 제어정보는 채널에 관한 정보(Configuration Management), 성능에 관한 정보(Performance Management) 및 오류에 관한 정보(Fault Notification)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법.
제1 항에 있어서,
상기 데이터 프레임 전송 단계에서,
상기 송신단은 기 수신한 분석결과를 이용하여 상기 송신 신호 전력 세기를 결정한 후에 상기 사용자 데이터 프레임을 전송하는 것을 특징으로 하는 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법.
제1 항에 있어서,
상기 데이터 프레임 전송 단계에서,
상기 송신단은 기 정의된 프레임들을 순서대로 전송하는 것을 특징으로 하는 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 사용자 데이터 프레임은 성능 상태 요청(Performance Status Request)에 관한 정보를 포함할 수 있고,
상기 분석 단계, 상기 분석결과 수신 단계 및 상기 조정 단계는,
상기 사용자 데이터 프레임에 상기 성능 상태 요청을 포함한 경우에만 수행되는 것을 특징으로 하는 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법.
제1 항에 있어서,
상기 분석 단계에서,
상기 수신단은 상기 사용자 데이터 프레임의 신호 세기와 에러 발생 여부를 이용하여 분석하는 것을 특징으로 하는 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법.
삭제
삭제
제1 항에 있어서,
상기 조정 단계에서,
상기 송신단은 전달하고자 하는 정보의 종류를 함께 고려하여 상기 송신 신호 전력 세기를 조정하는 것을 특징으로 하는 저전력 무선 통신을 위한 상황 인지형 송신 전력 제어 방법.
하드웨어와 결합하여 제1 항, 제2 항, 제3 항, 제5 항, 제6 항, 제9 항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키는 컴퓨터 프로그램을 기록한 기록매체.