KR102115794B1 - 저전력 손실 네트워크에서 에러 내성 트래픽의 효율적인 전송을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

저전력 손실 네트워크에서 에러 내성 트래픽의 효율적인 전송을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저전력 손실 네트워크에서 에러 내성 트래픽의 효율적인 전송을 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 에러 내성 트래픽 전송 방법은, 패킷이 수신되는 경우, 수신 장치의 MAC 계층을 수정하여 심벌 레이트로 RSSI(Received Signal Strength Indication) 샘플링을 수행하고, 샘플링된 RSSI값에 근거하여, 상기 패킷의 심벌 오류율을 추정하는 단계 및 상기 추정된 심벌 오류율이 특정 값 이하인 경우, 상기 수신된 패킷을 상위 계층으로 전달하는 단계를 포함한다.

Description

저전력 손실 네트워크에서 에러 내성 트래픽의 효율적인 전송을 위한 시스템 및 방법{System and method for efficiently transmitting error-tolerant traffic in Low power and Lossy Networks}
본 발명은 모바일 LLNs(Low power and Lossy Networks)에서 error-tolerant(에러 내성) 트래픽(traffic)을 효율적으로 전송하기 위한 새로운 MAC(Medium Access Control) 계층의 기능과 네트워크(network) 계층의 기능에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명에서는 네트워크 계층에서 종단간 홉(hop) 수를 기반으로 원 홉(one-hop)의 최소 SER(Symbol Error Rate, 심벌 오류율)을 설정하며, MAC 계층에서 수신한 패킷 중 PDU(Protocol Data Unit)의 SER을 추정하여 패킷의 수신 여부를 결정한다.
저전력 및 저비용을 요구하는 LLNs에서는 무선 링크의 신호 감쇠 및 간섭에 의한 패킷 내 비트(bit) 정보 손상이 빈번하게 일어난다. 따라서 LLNs의 MAC 계층에서는 일반적으로 신뢰성을 보장하기 위해 송신측에서 오류 검출 필드를 전송할 패킷에 추가하고, 수신측에서는 상기 필드를 통해 비트(bit) 정보가 손상된 패킷을 검출하여 오류가 검출된 패킷의 재전송을 요구하는 ARQ(Automatic Repeqt Request) 기법을 이용한다. 또한 높은 신뢰성이 요구되는 경우 송신측이 redundancy를 전송할 패킷에 추가하고, 수신측에서 오류를 검출 및 정정하는 FEC(Forward Error Control) 기법을 사용한다.
그러나 LLNs이 주로 고려하는 이미지, 음성 트래픽, 혹은 보간이 가능한 아날로그 센싱 데이터 등의 정보는 전체 패킷의 bit sequence 중 일부가 손상되어도 복구가 가능하며, 사용자의 QoE(Quality of Experience)를 저하하지 않는 에러 내성(error-tolerant)의 특성을 지닌 트래픽이다.
한편, 재난 알림 등의 시그널링(signaling) 정보는 전송하는 패킷의 내용보다 전송 성공 여부가 더욱 중요한 트래픽이다. 앞서 살펴본 error-tolerant 트래픽을 전송할 때 현재 사용되는 ARQ 기법은 첫 패킷의 SER이 충분히 낮은 상황에도 패킷 전체의 bit sequence가 손상 없이 전송될 때까지 재전송을 요청하므로, error-tolerant 트래픽을 전송할 시 성능 향상이 미미할 뿐만 아니라 불필요한 재전송이 발생하여 라디오 모듈에서 추가적인 에너지 소모를 발생시킨다. FEC 기법은 에러 정정을 위한 추가적인 계산이 요구되어 에너지 소모를 유발한다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 에러가 포함된 패킷을 재활용하여 추가적인 재전송이나 중복 계산 동작을 생략하여, 배터리 기반으로 동작하는 저전력 손실 네트워크에서 에너지 효율을 향상시키는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에러 내성 트래픽 전송 방법은, 패킷이 수신되는 경우, 수신 장치의 MAC 계층을 수정하여 심벌 레이트로 RSSI(Received Signal Strength Indication) 샘플링을 수행하고, 샘플링된 RSSI값에 근거하여, 상기 패킷의 심벌 오류율을 추정하는 단계 및 상기 추정된 심벌 오류율이 특정 값 이하인 경우, 상기 수신된 패킷을 상위 계층으로 전달하는 단계를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 추정하는 단계는, 상기 샘플링된 RSSI값들 중 최빈값을 상기 수신된 패킷의 RSSI값으로 결정하고, 상기 패킷의 RSSI값보다 높은 RSSI값을 갖는 심벌을 에러 심벌로 결정하며, 전체 심벌의 개수 대비 에러 심벌의 개수의 비율을 상기 패킷의 심벌 오류율로 추정하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 패킷으로 전송하는 정보의 종류에 따라, 송신 장치의 MAC 계층에서 상기 패킷에서 오류 검출을 수행할 필드를 동적으로 설정하는 단계를 더 포함하고, 상기 패킷에서는, 상기 오류 검출을 수행할 필드의 길이를 저장하는 추가 필드가 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 오류 검출을 수행할 필드가 전체 필드 중 일부에 해당되도록 설정되는 경우, 송신 장치의 수정된 MAC 계층에서는 상기 오류 검출을 수행할 필드의 길이를 상기 추가 필드에 저장하고, 상기 오류 검출을 수행할 필드를 입력값으로 FCS(Frame Check Sum) 검출 필드를 계산하여 프레임의 푸터로 설정하는 단계 및 수신 장치의 수정된 MAC 계층에서는 수신된 패킷으로 계산되는 CRC(Cyclical Redundancy Check) 값이 상기 푸터와 일치하고, 상기 패킷의 심벌 오류율이 특정 값 이하인 경우, 상기 수신된 패킷을 상위 계층으로 전달하는 단계를 더 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 추정하는 단계는, 멀티 홉(Multi-hop) 전송 시, 네트워크 내에 존재하는 노드들의 MAC 계층과 네트워크 계층에서의 엔드-투-엔드(end-to-end) 심벌 오류율을 추정하며, 상기 전달하는 단계는, 상기 엔드-투-엔드 심벌 오류율이 미리 설정된 값 이하인 경우, 상기 패킷을 상위 계층으로 전달하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 네트워크 계층에서 상기 엔드-투-엔드 심벌 오류율을 이용하여 상기 엔드-투-엔드 심벌 오류율이 상기 미리 설정된 값 이하를 만족하기 위해 원 홉(one-hop)에서 충족해야 하는 심벌 오류율을 결정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에서는 PER이 높은 LLNs에서 error가 포함된 패킷을 재활용함으로써 추가적인 재전송이나 중복(Redundancy) 계산 동작을 하지 않음으로써 배터리 기반으로 작동하는 LLNs의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는 원-홉(one-hop) 범위에서 패킷을 신뢰성 있게 전송하면서도, RSSI 샘플링을 이용해 MAC 계층이 수신된 패킷의 SER을 추정하여 오류가 검출되더라도 패킷을 드롭(drop)하지 않고 재활용함으로써 재전송 등으로 손실되는 에너지 소모를 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 설계하는 네트워크 계층에서는 만족해야 하는 SER 조건이 주어졌을 때, end-to-end의 홉(hop) 수를 기반으로 원-홉(one-hop)에서 수용할 수 있는 SER 값을 근사하여 계산하는 방법을 제공함으로써, 낮은 계산 복잡도로 end-to-end로 특정 SER 조건을 만족하는 트래픽(traffic)을 전송할 수 있다는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RSSI (Received Signal Strength Indication) 샘플링을 기반으로 패킷의 SER을 추정하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명에서 프레임 포맷(frame format)을 수정하는 것을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 기존 ARQ 기법 대비 각 소스(Source) 노드에서 단축되는 패킷 전송 회수를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 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.
본 발명은 저전력 손실 네트워크에서 에러 내성(error-tolerant) 트래픽을 전송하는 것이 가능한 시스템(또는 네트워크)을 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 수신 장치(수신측) 및 송신 장치(송신측)를 포함할 수 있으며, 각 수신 장치 및 각 송신 장치는, MAC 계층과 네트워크 계층을 포함할 수 있다. 상기 수신 장치와 송신 장치는, 라디오 모듈로 명명될 수 있다.
본 명세서에서 설명하는 에러 내성(error-tolerant) 트래픽을 효율적으로 전송하기 위한 방법은, 상기 시스템(또는 네트워크 또는 네트워크를 제어하는 제어부)에 의해 수행되거나, 상기 시스템에 포함되는 수신 장치 및 송신 장치에 의해 수행되거나, 각 장치에 구비된 MAC 계층 또는 네트워크 계층(또는 이를 제어하는 제어부)에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에서는 저전력 손실 네트워크(Low power and Lossy Networks, LLNs) 환경에서 에러 내성 트래픽(error-tolerant traffic)을 효율적으로 전송하기 위한 MAC 계층 기능과 네트워크 계층 기능을 제공할 수 있다.
LLNs 환경에서는 링크에서의 손실이 다른 네트워크보다 빈번하여 PER(Packet Error Rate)이 높기 때문에 ARQ 기법을 사용할 시 재전송 횟수가 늘어나게 되어 라디오 전력 소모를 발생시키며, 배터리 기반으로 작동하는 LLNs에서는 재전송 횟수가 늘어남에 따라 에너지 소모가 문제가 될 수 있다.
FEC(Forward Error Control) 기법 또한 에러 정정을 위한 불필요한 중복(redundancy)의 계산 작업이 송신측과 수신측 모두 요구되어 추가적인 에너지 소모가 발생된다.
본 발명에서는 저전력 손실 네트워크에서 사용되는 MAC 계층 및 네트워크 계층을 수정하여, PER이 높은 LLNs에서 에러(error)가 포함된 패킷을 재활용함으로써 추가적인 재전송이나 불필요한 중복(redundancy) 계산 동작을 하지 않음으로써 배터리 기반으로 작동하는 LLNs의 에너지 효율을 향상시키는 기법을 제시한다.
본 발명에서 설계하는 MAC 계층에서는 패킷 내 정보를 중요도와 신뢰성 요구도에 따라서 두 가지 종류로 구분한다. 첫 번째로 네트워크 및 MAC 계층 동작을 위하여 100% 신뢰도가 요구되는 정보가 있다. MAC, IP(Internet Protocol) 헤더 정보 및 IP 컨트롤 패킷의 PDU(Protocol Data Unit)가 이러한 정보에 해당된다.
이러한 정보가 손실되거나 변조될 경우, 링크나 네트워크의 오동작이 발생할 수 있으므로 상기 정보를 에러 없이 전송할 필요가 있다.
두 번째로 일부 비트 시퀀스(bit sequence)의 오류가 존재해도 수용할 수 있는 error-tolerant한 정보가 있다. Data 패킷의 PDU가 이러한 정보에 해당된다. 본 발명에서는 원-홉(one-hop) 범위에서 첫 번째 종류의 패킷을 신뢰성 있게 전송하면서도, RSSI 샘플링을 이용해 수신된 패킷의 SER을 추정하여 두 번째 종류의 정보를 전송하는 비트 시퀀스(bit sequence)에서 오류가 검출되더라도 패킷을 드롭(drop)하지 않고 재활용함으로써 재전송 등으로 손실되는 에너지 소모를 절약한다.
본 발명에서 설계하는 네트워크 계층에서는 만족해야 하는 SER 조건이 주어졌을 때, 엔드-투-엔트(end-to-end)의 홉(hop) 수를 기반으로 원-홉(one-hop)에서 수용할 수 있는 SER 값을 계산한다. 상기 계산은 LLNs 환경에 적용하기에 높은 계산 복잡도를 요구하기 때문에 추가적으로 이를 근사할 계산을 정의한다. 이를 통하여 낮은 계산 복잡도로 엔트-투-엔드(end-to-end)로 특정 SER 조건을 만족하는 traffic을 전송하여, 엔트-투-엔드(end-to-end)로 발생하는 재전송 요청 및 재전송 등으로 손실되는 에너지 소모를 절약한다.
여기서 홉(hop)은, 컴퓨터 네트워크에서 출발지와 목적지 사이에 위치한 경로의 한 부분을 의미하는 것으로, 패킷이 다음 네트워크 장비로 이동할 때마다 홉이 하나 발생된다.
홉 카운트(hop count)는 데이터가 출발지와 목적지 사이에서 통과해야 하는 중간 장치들의 개수를 의미할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 RSSI (Received Signal Strength Indication) 샘플링을 기반으로 MAC 계층에서 패킷의 SER(Symbol Error Rate)을 추정하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1은 라디오 모듈(또는 수신 장치)에서 샘플링한 각 심벌(symbol)의 RSSI(수신 신호 강도) 값 및 해당 심벌의 오류 여부사이 관계의 예시를 나타낸다. 푸른색 축은 각 심벌에서 오류가 발생할 경우 1, 그렇지 않은 경우 0의 값을 나타낸다.
붉은색 축은 각 심벌이 수신될 때 RSSI 값을 나타내며 단위는 dBm이다. LLNs에서는 symbol level의 power adaptation 동작을 정의하지 않기 때문에 하나의 패킷 내의 심벌은 같은 RSSI 값을 보인다. 그러나 외부 간섭이 발생할 경우 간섭으로 인해 상기 RSSI 값보다 높은 RSSI 값이 샘플링되며 간섭과 시간 축에서 높은 RSSI값을 갖는 심벌은 높은 확률로 오류를 포함한다. 따라서 높은 RSSI 값이 나타나는 구간의 심벌이 오류가 나는 관계성이 도 1에서 나타난다.
도 2는 본 발명에서 프레임 포맷(frame format)을 수정하는 것을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 표준 프레임(frame) 형태에 추가적인 1-byte 필드("Checksum Range)가 추가된 것을 나타낸다. 추가된 필드를 통하여 프레임 내에서 신뢰성 있게 디코딩(decoding)해야 하는 정보를 표시한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 시스템은, 네트워크 컨트롤 패킷의 경우 도 2의 상단과 같이 헤더와 PDU 전체 구간을 지정하며, 데이터(data) 패킷의 경우 도 2의 하단과 같이, 링크 계층 헤더 구간을 지정할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 LLNs에서 error-tolerant traffic을 효율적으로 전송하기 위한 MAC 계층 및 네트워크 계층의 기능에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시 예에서는, 네트워크가 싱크(sink)(또는 싱크 노드)를 향해 소스(source)(또는 소스 노드)들이 상향 트래픽을 보내는 어플리케이션을 가정하며, 각 노드는 낮은 송신 전력(5 dBm 이하) 및 저비용 장치를 사용하기 때문에 SER(심벌 오류율) 값이 극단적으로 낮은 상황에서도 저전력으로 작동할 수 있어야 한다.
이를 위해 본 발명에서는 3가지 기법 (1. 심벌 단위 RSSI 샘플링을 통한 SER 추정, 2. 신뢰도 요구 조건에 따른 오류 검출 구간 지정, 3. 원-홉(one-hop)에서 요구되는 SER 조건 근사)을 설계한다.
[Part 1. 심벌 단위 RSSI 샘플링을 통한 SER 추정]
도 1은 Part 1 작동의 예시를 보여준다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 시스템에 포함되는 라디오 모듈(또는 수신 장치)은 패킷 수신 시 MCU(Micro Control Unit)의 오버클럭(over-clock)을 통하여 심벌 레이트(symbol rate)로 RSSI를 샘플링한다. 샘플링 된 시퀀스(sequence)는 각 심벌의 RSSI를 나타낸다.
LLNs에서는 symbol level의 power adaptation이나 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 직교 주파수 분할 다중)과 같은 시스템을 사용하지 않는 싱글 캐리어(single carrier) 시스템이기 때문에 단일 패킷 내의 심벌(symbol)당 RSSI는 모두 동일한 값을 지닌다.
그러나 외부 간섭이 발생할 시, 간섭에 의한 신호가 더해져 수신된 패킷의 RSSI 값보다 높은 RSSI 값이 측정된다. 또한 시간 축에서 간섭 신호와 겹치는 심벌(symbol)은 신호가 변조되어 오류가 발생된다.
이러한 사실을 이용하여, 본 발명의 시스템은, RSSI 시퀀스(sequence)의 최빈값을 패킷의 RSSI 값으로 정의하며, 상기 RSSI 값보다 높은 RSSI 값을 가지는 심벌(symbol)을 에러 심벌(error symbol)로 정의한다.
또한, 상기 시스템(또는 수신 장치)은, 저전력 손실 네트워크의 MAC 계층을 수정하여, 물리 계층에서 얻어진 RSSI 값을 이용하여 전체 심벌(symbol) 개수 대비 에러 심벌(error symbol)의 비율을 계산함으로써 수신된 패킷의 SER(심벌 오류율)을 추정(계산, 산출)할 수 있다.
구체적으로, 수신 장치는, 수신 장치의 MAC 계층을 수정함으로써 심벌 레이트로 RSSI(Received Signal Strength Indication) 샘플링을 수행하고, 샘플링된 RSSI값에 근거하여, 상기 패킷의 심벌 오류율을 추정하고 상기 추정된 심벌 오류율이 특정 값 이하인 경우, 상기 수신된 패킷을 상위 계층으로 전달할 수 있다.
수신 장치의 MAC 계층에서는 추정되는 SER 값과 Part 2와 Part 3의 조건을 고려하여 수신된 패킷을 상위 계층으로 전달 여부를 결정한다.
이 때, 수신 장치는, 상기 샘플링된 RSSI값들 중 최빈값을 상기 수신된 패킷의 RSSI값으로 결정하고, 상기 패킷의 RSSI값보다 높은 RSSI값을 갖는 심벌을 에러 심벌로 결정하며, 전체 심벌의 개수 대비 에러 심벌의 개수의 비율을 상기 패킷의 심벌 오류율로 추정할 수 있다.
[Part 2. 신뢰도 요구 조건에 따른 오류 검출 구간 지정]
본 발명에서는 패킷으로 전송하는 정보의 종류를 중요도와 신뢰성 요구도 기준에 따라 두 가지로 분류한다. 패킷 내 MAC, IP 헤더는 올바른 패킷의 전송 및 포워딩을 위하여 신뢰성 있게 전송되어야 한다. 네트워크 컨트롤 패킷도 네트워크의 정상적인 동작 및 관리를 위하여 신뢰성 있게 전송되어야 한다. 상기 언급한 정보는 오류가 발생할 경우 통신 기능 및 네트워크 기능이 오작동할 수 있기 때문에 높은 신뢰도가 요구되며 오류를 검출해야 한다.
한편, 에러 내성 트래픽(error-tolerant traffic)을 전송하는 데이터(data) 패킷의 PDU에 남긴 정보는 일부 비트 시퀀스(bit sequence)가 손상되어도 Part 1에서 서술한 특정 조건(예를 들어, 추정된 패킷의 SER이 특정 값보다 낮은 경우)을 만족할 때 해당 정보를 재활용할 수 있다.
즉, 정보의 종류에 따라서 프레임 간, 혹은 프레임 내의 필드 간에 요구되는 신뢰도가 상이하며 다른 오류 검출 방식이 요구된다.
따라서 본 발명에서는 도 2에서 나타난 것과 같이 프레임에서 오류 검출을 수행할 영역을 동적으로 설정하며 "checksum range"라는 프레임 포맷에 추가적인 필드를 설정한다.
송신 장치는, 패킷으로 전송하는 정보의 종류에 따라, MAC계층이 상기 패킷에서 오류 검출을 수행할 필드를 동적으로 설정할 수 있다. 이 때, 상기 패킷에는, 오류 검출을 수행할 필드의 길이를 저장하는 추가 필드가 형성될 수 있다.
네트워크 컨트롤 패킷의 경우 헤더와 PDU에 담긴 정보 모두 높은 신뢰도를 요구하므로 송신측에서는 기존의 FCS(Frame Check Sum)와 동일한 에러 검출 필드를 계산하며, checksum range에 전체 패킷 길이를 저장하여 전송한다. 수신측에서는 전송된 패킷의 checksum range의 길이를 대상으로 CRC(Cyclical Redundancy check) 계산을 하여 전체 패킷 내 에러 검출 여부를 판단하여 에러가 검출되지 않은 패킷을 상위 계층으로 전달한다.
한편, 에러 내성 트래픽(error-tolerant traffic)을 전송하는 데이터 패킷이 전송될 경우 송신 장치의 framer는 PDU 내에서도 신뢰도가 요구되는 정보를 PDU 앞 구간으로 재정렬한다. 송신 장치의 framer는 frame control 필드부터 신뢰도가 요구되는 정보(예를 들어, Source address)가 담긴 구간까지의 길이를 checksum range 필드에 저장하며, 해당 구간을 입력값으로 FCS 검출 필드를 계산하여 프레임의 푸터(footer)로 설정한다.
즉, 송신 장치는, 오류 검출을 수행할 필드가 전체 필드 중 일부에 해당되도록 설정되는 경우, 송신 장치의 수정된 MAC계층에서는 오류 검출을 수행할 필드의 길이를 상기 추가 필드에 저장하고, 상기 오류 검출을 수행할 필드를 입력값으로 FCS(Frame Check Sum) 검출 필드를 계산하여 프레임의 푸터로 설정할 수 있다.
수신 장치에서는, 수신된 패킷으로 계산되는 CRC(Cyclical Redundancy Check) 값이 상기 푸터와 일치하고, 상기 패킷의 심벌 오류율이 특정 값 이하인 경우, 상기 수신된 패킷을 상위 계층으로 전달할 수 있다.
즉, 수신 장치의 MAC 계층에서는 checksum range 필드의 값과 frame 전체 길이의 값을 비교하여 차이가 있음을 확인하고 Part1의 조건(예를 들어, 추정된 패킷의 SER이 특정 값보다 낮은 경우) 및 수신된 패킷으로 계산되는 CRC 값이 송신측에서 보낸 푸터(footer)와 일치하는지 확인하여 패킷의 수용여부를 결정한다.
오류 검출을 수행할 필드가 전체 필드 중 일부에 해당되도록 설정되는 경우(예를 들어, 에러 내성 트래픽을 전송하는 데이터 패킷이 전송되는 경우), 송신 장치의 MAC 계층(또는 송신 장치의 수정된 MAC 계층)에서는 상기 오류 검출을 수행할 필드의 길이를 상기 추가 필드(checksum range)에 저장하고, 상기 오류 검출을 수행할 필드를 입력값으로 FCS(Frame Check Sum) 검출 필드를 계산하여 프레임의 푸터로 설정할 수 있다.
수신 장치의 MAC 계층(또는 수신 장치의 수정된 MAC 계층)에서는 수신된 패킷으로 계산되는 CRC(Cyclical Redundancy Check) 값이 상기 푸터와 일치하고, 상기 패킷의 심벌 오류율이 특정 값 이하인 경우, 상기 수신된 패킷을 수용 또는 상위 계층으로 전달할 수 있다.
[Part 3. One-hop에서 요구되는 SER 조건 근사]
Part 1에서 언급한 SER 추정은 원-홉(one-hop) 내에서 이루어지나, LLNs에서 실제 데이터 전송은 라우팅을 기반으로 멀티-홉(multi-hop)으로 전송된다. 멀티-홉(multi-hop) 전송 시, 각 홉에서의 전송마다 오류가 독립적으로 발생하므로, 소스(source) 노드와 싱크(sink) 노드의 전체 엔드-투-엔드(end-to-end) 전송이 미리 설정된 SER 값 이하를 만족하는 것이 요구된다.
멀티-홉(Multi-hop) 상에서 엔트-투-엔트(end-to-end) SER 조건은 원-홉(one-hop)의 SER 조건들의 함수로 나타낼 수 있다. 이러한 함수 관계는 수학식 1을 따른다. 수학식 1에서 N은 소스(source) 노드와 싱크(sink) 노드 사이의 hop 수를 의미하고 입력값으로 설정되는 SER_N은 엔드-투-엔트(end-to-end) SER 값을 의미하며, SER_1은 각 원-홉(one-hop)에서 충족해야하는 SER 값을 의미하고 값은 알파(α)는 배리어(barrier) 값을 의미한다.
수학식 1에서 각 hop의 링크 특성의 확률 분포가 모두 독립이라는 가정을 만족할 시 등호가 성립하며 엔드-투-엔트(end-to-end) SER의 상계(upper bound)를 형성한다. 본 발명의 시스템은, 네트워크 계층이 hop 정보와 수학식 1을 이용하여 SER_N과 α이 외부의 입력값으로 주어졌을 때 SER_1의 값을 수학적으로 구할 수 있다.
또한, 본 발명의 시스템(예를 들어, 수신 장치)은, 일 예로, 원-홉의 SER이 특정값 이하이면서, 상기 엔드-투-엔드 SER값이 미리 설정된 값 이하인 경우, 패킷을 상위 계층으로 전달할 수 있다.
즉, 수신 장치는, 멀티 홉(Multi-hop) 전송 시, 네트워크 내에 존재하는 노드들의 MAC 계층과 네트워크 계층이 협력적으로 엔드-투-엔드(end-to-end) 심벌 오류율을 추정하며, 상기 엔드-투-엔드 심벌 오류율이 미리 설정된 값 이하인 경우, 상기 패킷을 상위 계층으로 전달할 수 있다.
한편, 본 발명의 시스템은 상기 수학식 1의 복잡한 연산을 간소화하기 위해, 수학식 2를 이용할 수 있다.
예를 들어, 수학식 1을 계산하기 위해서는 누승근의 연산이 요구되나, LLNs 환경에서의 저전력 노드는 저비용의 MCU를 사용하기 때문에 부동 소수점(floating point) 연산이 어려울 수 있다.
이를 해결하기 본 발명에서는 수치 해석적인 방법을 통해 수학식 1을 근사하는 수학식 2를 도출하여 값을 반복적으로(iterative) 구하는 방법을 제시할 수 있다. 수학식 2에서 SER_1,n은 n번째 반복의(iterative) 단계에서의 SER_1의 근사값을 의미하며, SER_1,n+1은 n+1번째 반복의(iterative) 단계에서의 SER_1의 근사값을 의미한다.
본 발명의 시스템은, 네트워크 내 장치들의 각 네트워크 계층에서 n+1의 반복(iteration)을 통해 최종적인 SER_1의 근사값을 도출할 수 있다. 해당 근사는 O(Nn)의 계산 복잡도를 가지며, hop 수를 의미하는 N값이 일반적으로 작은 값을 지니므로 낮은 계산 복잡도를 보인다.
Figure 112018126070896-pat00001
Figure 112018126070896-pat00002
즉 본 발명의 시스템(수신 장치)은, 멀티 홉(Multi-hop) 전송 시, MAC 계층과 네트워크 계층이 협력적으로 엔드-투-엔드(end-to-end) 심벌 오류율을 추정할 수 있다.
다른 말로, 수신 장치는, 멀티 홉(Multi-hop) 전송 시, 네트워크 내에 존재하는 노드들의 MAC 계층과 네트워크 계층에서의 엔드-투-엔드(end-to-end) 심벌 오류율을 추정할 수 있다.
이후, 시스템(수신 장치)은, 상기 엔드-투-엔드 심벌 오류율이 미리 설정된 값 이하인 경우, 상기 패킷을 상위 계층으로 전달할 수 있다.
이 때, 본 발명의 시스템(수신 장치)은, 네트워크 계층에서 상기 엔드-투-엔드 심벌 오류율을 이용하여, 상기 엔드-투-엔드 심벌 오류율이 상기 미리 설정된 값 이하를 만족하기 위해 원 홉(one-hop)에서 충족해야 하는 심벌 오류율을 결정할 수 있다.
[실험을 통한 성능 검증]
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 기존 ARQ 기법 대비 각 소스(Source) 노드에서 단축되는 패킷 전송 회수를 나타낸 그래프이다.
본 발명을 통해 얻을 수 있는 성능향상을 확인하기 위하여 test-bed 기반의 실험을 진행하였다. 실험은 30개의 source 노드와 1개의 sink 노드로 구성된 Contiki OS 기반 test-bed에서 진행하였으며 각 노드는 IEEE 802.15.4 기반 CC2420 라디오 모듈을 포함한다. 각 source 노드는 고정되어 이동성이 없으며, 5분의 IPI로 80 bytes payload를 어플리케이션에서 상향 트래픽으로 발생시킨다. 모든 노드들은 0 dBm의 전송전력을 사용하며, 5 dBi gain의 안테나가 부착되었다. 패킷 전송에 사용되는 채널은 IEEE 802.15.4의 26번 채널이며, Wi-Fi 채널 중 13번 채널과 주파수 대역이 겹친다.
이러한 실험 환경에서 본 발명에서 제안하는 기법을 통해 기존 ARQ 대비 각 source 노드에서 단축되는 패킷 전송 횟수는 도 3의 그래프와 같다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 방법에 의해 오류율을 만족하는 에러 내성 트래픽을 갖는 패킷이 재활용되어 재전송이 줄어든 것을 알 수 있으며, 이를 통해, 재전송으로 발생되는 에너지 소모를 방지할 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 본 명세서에서 설명한 시스템을 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (6)

  1. 패킷이 수신되는 경우, 수신 장치의 MAC 계층을 수정하여 심벌 레이트로 RSSI(Received Signal Strength Indication) 샘플링을 수행하고, 샘플링된 RSSI값에 근거하여, MAC 계층에서 상기 패킷의 심벌 오류율을 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 심벌 오류율이 특정 값 이하인 경우, 상기 수신된 패킷을 상위 계층으로 전달하는 단계를 포함하며,
    상기 추정하는 단계는,
    상기 샘플링된 RSSI값들 중 최빈값을 상기 수신된 패킷의 RSSI값으로 결정하고,
    상기 패킷의 RSSI값보다 높은 RSSI값을 갖는 심벌을 에러 심벌로 결정하며,
    전체 심벌의 개수 대비 에러 심벌의 개수의 비율을 상기 패킷의 심벌 오류율로 추정하는 것을 특징으로 하는 에러 내성 트래픽 전송 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 패킷으로 전송하는 정보의 종류에 따라, 송신 장치의 MAC 계층에서 상기 패킷에서 오류 검출을 수행할 필드를 동적으로 설정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 패킷에서는, 상기 오류 검출을 수행할 필드의 길이를 저장하는 추가 필드가 형성되는 것을 특징으로 하는 에러 내성 트래픽 전송 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 오류 검출을 수행할 필드가 전체 필드 중 일부에 해당되도록 설정되는 경우, 송신 장치의 MAC 계층에서는 상기 오류 검출을 수행할 필드의 길이를 상기 추가 필드에 저장하고, 상기 오류 검출을 수행할 필드를 입력값으로 FCS(Frame Check Sum) 검출 필드를 계산하여 프레임의 푸터로 설정하는 단계; 및
    수신 장치의 MAC 계층에서는 수신된 패킷으로 계산되는 CRC(Cyclical Redundancy Check) 값이 상기 푸터와 일치하고, 상기 패킷의 심벌 오류율이 특정 값 이하인 경우, 상기 수신된 패킷을 상위 계층으로 전달하는 단계를 더 포함하는 에러 내성 트래픽 전송 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 추정하는 단계는,
    멀티 홉(Multi-hop) 전송 시, 네트워크 내에 존재하는 노드들의 MAC 계층과 네트워크 계층에서의 엔드-투-엔드(end-to-end) 심벌 오류율을 추정하며,
    상기 전달하는 단계는,
    상기 엔드-투-엔드 심벌 오류율이 미리 설정된 값 이하인 경우, 상기 패킷을 상위 계층으로 전달하는 것을 특징으로 하는 에러 내성 트래픽 전송 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    네트워크 계층에서 상기 엔드-투-엔드 심벌 오류율을 이용하여 상기 엔드-투-엔드 심벌 오류율이 상기 미리 설정된 값 이하를 만족하기 위해 원 홉(one-hop)에서 충족해야 하는 심벌 오류율을 결정하는 단계를 더 포함하는 에러 내성 트래픽 전송 방법.
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