KR102145009B1 - 멀티홉 프로토콜을 지원하는 ＬｏＲａＷＡＮ 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법 - Google Patents

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동의대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템에서 멀티 홉(Multi-hop) 기반의 네트워크 설계를 통하여 LoRaWAN Gateway의 백홀(Back-haul) 사용료 절감 및 효율적인 통신 커버리지 확장이 가능하도록 한 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법에 관한 것으로, LoRaWAN용 Multi-hop 네트워크(NW)를 구성하는 엔드 디바이스(ED)들로부터 받은 패킷을 전달하기 위해 라우팅(Routing)을 하는 게이트웨이(GW)가,엔드 디바이스(ED)들로부터 받은 패킷을 수신하여 다른 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW)에게 해당 패킷을 전달하며 최종적으로 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)로 전송되도록 하는 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW);호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW) 또는 엔드 디바이스(ED)들로부터 받은 패킷을 수신하여 LoRaWAN의 Network Server 표준의 프로토콜로 변환한 뒤 연결된 Back-haul을 통해 인터넷을 통해 해당 서버로 송신하는 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW);를 포함하는 것이다.

Description

멀티홉 프로토콜을 지원하는 ＬｏＲａＷＡＮ 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법{ＬｏＲａＷＡＮ Communication Network System Supporting MultiHop Protocol and Method for Communicating the same}
본 발명은 LoRaWAN 통신 네트워크에 관한 것으로, 구체적으로 멀티 홉(Multi-hop) 기반의 네트워크 설계를 통하여 LoRaWAN Gateway의 백홀(Back-haul) 사용료 절감 및 효율적인 통신 커버리지 확장이 가능하도록 한 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법에 관한 것이다.
무선 데이터 통신 기술의 발전과 하드웨어의 가격하락으로 인해 현재 다양한 용도의 IoT(Internet of Things) 제품이 출시되어 많은 사용자에게 보급되고 있다.
지금의 IoT 제품은 기본적으로 무선 데이터 통신 기능을 탑재하여 인터넷과 연결하고 있다. 무선 데이터 통신 기능을 포함한 가정용 IoT 제품 같은 경우 Wi-Fi(IEEE 802.11) 기술을 이용, 실외용 IoT 제품 같은 경우 대부분이 셀룰러 모뎀(WCDMA, LTE 등)을 이용해 이동통신사들이 구축한 셀룰러 네트워크를 이용해 인터넷에 연결하여 서버와 데이터를 송수신하고 있다.
셀룰러 모뎀을 이용한 IoT 제품은 해당 모뎀 모듈의 가격이 고가여서 다른 IoT 제품의 구매가격 비하면 비싼 편이며, 이동통신사의 셀룰러 네트워크에서 데이터 송·수신을 이루어지기 때문에 비싼 월정료를 지급해야 한다.
또한, 다른 모듈에 비해 셀룰러 모뎀의 전력 소모가 커 배터리 효율이 높지 못하다. 적은 데이터를 송수신하는 IoT 장비를 위한 무선 통신이 현재 출시되고 있다.
특히 저전력으로 광역통신이 가능한 LPWA(Low Power Wide Area) 통신기술이 IoT 장비에 사용되고 있으며, 대표적으로 LoRaWAN(Long Range Wide Area Network) 통신이 있다.
도 1은 LoRaWAN 통신 계층을 나타낸 구성도이고, 도 2는 LoRaWAN 통신방식의 통신 흐름을 나타낸 구성도이다.
LoRaWAN은 End-Device가 한 개 이상의 Gateway 간의 Single-Hop 연결을 통해 데이터 통신이 이루어진다.
LoRaWAN은 End-Device(ED)에서 생성된 패킷을 LoRa 통신방식(무선)을 통해 인접 Gateway로 전송하면, 전달받은 Gateway(GW)는 연결된 Back-haul(예를 들어 셀룰러(3G/4G/5G), Ethernet, 위성, Wi-Fi 등)을 이용해 Internet Protocol(IP)를 기반으로 네트워크 서버로 전송한다.
이때 LoRaWAN 네트워크에 속한 모든 End-Device(Node)는 무선 이동통신 특성상 패킷을 보낼 때 특정 Gateway에 보내지 않고 인접한 GW에 보낸다.
그래서 Node가 전송하는 데이터는 Node와 근접한 GW에서 모두 수신한다. 이때 중복된 패킷은 네트워크 서버에서 필터링 및 보안 검사를 수행하고, 최종 목적지인 애플리케이션 서버에 해당 패킷을 전송한다.
이후 애플리케이션 서버는 네트워크 서버를 통해 Node에게 보내준 패킷을 잘 받았다는 Acknowledgement Message(ACK)를 보내게 되는데, 이때 네트워크 서버는 해당 ACK를 보내기 위한 최적의 GW(Node가 최초로 보낸 Gateway)로 보낸다. 이후 ACK를 받은 GW는 목적지 Node에게 해당 ACK를 전송한다.
LoRaWAN에서 End-Device(ED)가 애플리케이션 서버와 통신을 하기 위해서는 활성화(Activation) 단계를 밟아야 한다. 여기서 말하는 활성화 절차 방식은 LoRaWAN 통신 조인(Join)을 말하며, LoRaWAN에서는 OTAA(Over-The-Air Activation)와 ABP(via Activation By Personalization)의 두 가지 방법 있다.
이는 LoRaWAN에서는 통신 과정이 암호화되는데, 여기서 사용되는 Key 값을 생성하는 방법이 조인 방식마다 다르다. 그래서 ED에서는 데이터 통신에 사용할 LoRaWAN에서 사용되는 조인 방식에 맞추어 통신해야 한다.
국내에서는 현재 LoRa 전국망 서비스를 운영하고 있으며, 만약 해당 네트워크를 사용할 경우 사용 데이터 크기에 맞게 월정료를 내야 한다. 기존 셀룰러 통신망과 비교하면 저렴하나 많은 IoT 장비를 운영하는 곳에서는 지속해서 내어야 하는 월정료가 부담스러운 것은 마찬가지다.
이런 경우에는 독자적으로 여러 대의 Gateway 장비를 설치해 사설 LoRaWAN 네트워크를 구축하여 운영하고 있다. 사설 LoRaWAN 네트워크 구축하면 Gateway마다 인터넷이 연결되어야 하는데, 이를 위해 통신사의 인터넷 통신망을 이용하게 되어 이에 따른 월정료를 해당 통신사에게 내야 한다. 이때 Gateway 장비별로 사용한 데이터 용량만큼 해당 월정료를 내야 한다.
한편, 마이크로그리드는 신재생에너지, 전력저장장치, ICT 산업 등 다양한 산업들과의 시너지를 극대화하고, ICT강국인 한국에 유리한 융복합 기술이다.
2015년 파리 기후변화 협정 이후 친환경 에너지 정책의 세계화 시행원칙에 따라 전력제어 기술과 IT기술을 보유한 우리나라도 마이크로그리드 사업에 대한 관심이 집중되고 있다.
이와 같은 마이크로그리드는 다수의 소규모 부하의 집합체로 구성되며, 안정적인 전기공급 및 양방향 송배전이 가능한 전력 그리드이며, 전력품질 보상을 위한 Power Conditioning System, 계통보호를 위한 전자 계통시스템, 에너지 생산을 제어하는 에너지 관리 시스템으로 구성되는데, 이동통신망 이용으로 인한 요금부담의 극복 및 원격검침과 에너지 설비 관제를 위해 새로운 기술의 저전력광역 무선통신(LPWA: Low Power Wide Area) 기술의 개발이 요구되고 있다.
특히, 저전력광역 무선통신(LPWA: Low Power Wide Area) 기술의 하나인 종래 기술의 LoRaWAN 통신에서는 Gateway는 Single-hop 방식으로 GW는 End-Device(ED)에서 LoRaWAN 통신으로 보낸 패킷을 인터넷을 이용해 최종 서버에 전송한다.
이 과정을 위해 각 GW는 인터넷이 가능한 유/무선 통신이 연결되어 있다. 각 GW에 연결된 인터넷이 가능한 유무선 통신은 통신업체에 월정료(정액 또는 종량)를 지급해야 한다.
따라서, 마이크로그리드 분야에서 능동적인 실시간 설비제어를 가능하게 하는 양방향 전송 기능과 구축형 자가망에서의 커버리지 제약을 해소할 수 있는 무선 프로토콜 IoT 기술 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2019-0001252호 대한민국 등록특허 제10-1867576호 대한민국 등록특허 제10-1779202호
본 발명은 종래 기술의 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 멀티 홉(Multi-hop) 기반의 네트워크 설계를 통하여 LoRaWAN Gateway의 백홀(Back-haul) 사용료 절감이 가능하도록 한 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 마이크로그리드 분야에서 능동적인 실시간 설비제어를 가능하게 하는 양방향 전송 기능과 구축형 자가망에서의 커버리지 제약을 해소할 수 있는 멀티홉(Multi-Hop) 기능을 추가한 무선 프로토콜 IoT 기술을 제공할 수 있도록 한 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 LoRa를 중심으로 하는 LPWA망에서 망쪽으로 보내는 Up-Link의 횟수제약이 있는 문제, 망에서 상태 확인을 희망하는 시기에 접속이 불가능한 문제를 해결할 수 있도록 한 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 구축형 자가망 확보를 통한 Multi-Hop 실시간 IoT 기반 마이크로그리드 플랫폼을 운영 및 태양광 소규모 발전 및 사업사용자의 전기 수요 관리에 대한 효율성을 높일 수 있도록 한 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 LoRaWAN의 표준에 명시된 통신 방법 및 프로토콜 내용을 바탕으로 LoRaWAN의 Gateway가 서로 간 통신할 수 있는 멀티홉 네트워크(Multi-hop Network)를 구성할 수 있도록 한 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 LoRaWAN의 Single-Hop 방식의 통신방식을 Gateway와 Gateway 간 데이터를 라우팅하여 최종적으로 인터넷으로 전송하는 방식의 Multi-Hop 방식의 네트워크를 구성하여 통신 커버리지를 넓혀 더 많은 End-Device를 처리할 수 있도록 한 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템은 LoRaWAN용 Multi-hop 네트워크(NW)를 구성하는 엔드 디바이스(ED)들로부터 받은 패킷을 전달하기 위해 라우팅(Routing)을 하는 게이트웨이(GW)가, 엔드 디바이스(ED)들로부터 받은 패킷을 수신하여 다른 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW)에게 해당 패킷을 전달하며 최종적으로 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)로 전송되도록 하는 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW);호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW) 또는 엔드 디바이스(ED)들로부터 받은 패킷을 수신하여 LoRaWAN의 Network Server 표준의 프로토콜로 변환한 뒤 연결된 Back-haul을 통해 인터넷을 통해 해당 서버로 송신하는 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 게이트웨이(GW) 프로그램이 부팅해서 메인으로 넘어 갔을 때 맨 처음 소켓을 생성하고 서버와 연결을 시도하여, 상기 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW)는 소켓 통신을 위한 연결이 형성되지 않아 멀티 홉 전송을 하는 게이트웨이이고,상기 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)는 소켓 통신을 위한 연결이 형성되어 멀티 홉 전송을 하지 않는 게이트웨이인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 LoRaWAN용 Multi-hop 네트워크(NW)에서의 라우팅은, 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW)들 간에 레벨(Level)을 두어 낮은 레벨을 가진 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW)에서 높은 레벨을 가진 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)에게 전송하는 방식인 것을 특징으로 한다.
그리고 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)는 hopping level = 3의 값의 값을 가지며, 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)에서 멀어질수록 hopping level 값이 1씩 감소하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상향 링크 멀티 홉은 받아서 다시 재전송해 주는 것이고, 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW)에서 3회 이상 호핑되어 수신되는 메시지는 드롭시키고, 목적지 게이트웨이가 아닌 경우에 next hopping level = 0이면 그 메시지는 drop시키는 것을 특징으로 한다.
그리고 게이트웨이들간의 멀티홉 프로토콜 구조는, 멀티홉 식별자로 1 byte 길이이며 0x5D 값을 갖는 'Multi-Hop Protocol Identifier' 필드, 1 byte 길이를 갖는 멀티홉 제어 필드 'Control Field', 2 byte 길이를 갖고 메시지 ACK 시에 식별자로 사용되는 'MSG Sequence Number' 필드, 2 byte 길이를 갖고 CRC 필드 이하 데이터 길이를 나타내는 'Data length' 필드, 2 byte 길이를 갖고 CRC 필드 이하 데이터의 CRC 계산 값을 나타내는 'CRC field', n byte 길이를 갖는 'Hopping payload' 필드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 Control Field 구조에서 7-3 비트는 primitive ID를 나타내고, Power-On 시에 주변 GW에 방송을 하는 'LocRq', UTC가 확보된 GW는 LocRq에 응답하도록 하는 'LocRs', ED에서 Join Request 수신시 상향으로 CS까지 송신하는 'JoinRq', CS가 Join Request 응답할 때 해당 GW에 DevAddr, Key 정보를 제공하고, GW는 이 정보를 받아서 ED에 Ack를 줄 때 MIC 계산에 사용되는 'JoinRs', 상향링크 메시지에 관한 'UlDataRq', 하향링크 메시지에 관한 'DlDataRq' 및 모든 메시지에 대한 ACK 기능을 수행하는 'DataAck'를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 Control Field 구조에서 'next hopping level 필드' 값은 0에서 3사이의 값을 갖고, Next hopping level 필드 값이 발생할 때마다 상향에서는 자신의 GW에 부여된 hopping level에서 1을 증가시키고, 하향에서는 1을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
그리고 게이트웨이들간의 멀티홉 프로토콜 구조에서 'Hopping Payload'는 각 프리미티브의 ID 값에 따라서 각각 다르고, 프리미티브의 ID 값 'LocRq'에 의해 달라지는 Hopping payload 필드항목의,'Source GW EUI'는 8 byte 길이를 갖고 소스 GW 주소를 나타내는 것을 특징으로 한다.
그리고 프리미티브의 ID 값 'LocRs'에 의해 달라지는 Hopping payload 필드항목의, 'Source GW EUI'는 8 byte 길이를 갖고 소스 GW의 주소를 나타내는 것이고, 'Destination GW EUI'는 8byte 길이를 갖고 목적지 GW의 주소를 나타내는 것이고, 'UTC'는 4byte 길이를 갖고 해당 GW의 망으로부터 또는 자신의 GPS로부터 확보된 UTC 값이고, 'RSSI'는 4byte 길이를 갖고 LocRq 메시지를 수신할 때 측정한 무선 수신 신호의 세기인 것을 특징으로 한다.
그리고 프리미티브의 ID 값 'JoinRq'에 의해 달라지는 Hopping payload 필드 항목의, 'Source GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 소스 GW의 주소이고, 'Destination GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 목적지 GW의 주소, 'UTC'는 4byte 길이를 갖고 해당 GW의 망으로부터 또는 GPS로부터 확보된 UTC 값, 'Tick'는 4byte 길이를 갖는 수신 자체 timer tick(count_us와 동일)이고, 'Freq'는 4byte 길이를 갖는 수신된 주파수, 'SF'는 1byte 길이를 갖는 것으로 LoRa에서 Data rate와 동일하고, 'CodeRate'는 1byte 길이를 갖는 에러 수정 코드의 부호율, 'SNR'은 4byte 길이를 갖는 신호대 잡음비, 'RSSI'는 4byte 길이를 갖는 무선 수신 신호의 세기, 'Join Payload Length'는 1byte 길이를 갖는 Join Payload의 길이이고, nbyte 길이를 갖는 'Join Payload'를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 프리미티브의 ID 값 'JoinRs'에 의해 달라지는 Hopping payload 필드항목의, 'Destination GW'는 8byte 길이를 갖는 EUI 목적지 GW의 주소, 'DevAddr'는 4byte 길이를 갖는 Device Address, 'NwkSkey'는 8byte 길이를 갖는 망 세션 키, 'AppSkey'는 8byte 길이를 갖는 응용 세션 키, 'Tick'은 4byte 길이를 갖는 송신 timer tick이고, 'Freq'는 4byte 길이를 갖는 주파수에 관한 것이고, 'SF'는 1byte 길이를 갖는 것으로 LoRa에서 Data rate와 동일하고, 'CodeRate'는 1byte 길이를 갖는 에러 수정 코드의 부호율, 'Join Payload Length'는 1byte 길이를 갖는 Join Payload의 길이이고, nbyte 길이를 갖는 'Join Payload'를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 프리미티브의 ID 값 'UlDataRq'에 의해 달라지는 Hopping payload 필드항목의, 'Source GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 소스 GW의 주소, 'Destination GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 목적지 GW의 주소, 'UTC'는 4byte 길이를 갖는 해당 GW의 망으로부터 또는 GPS로부터 확보된 UTC 값, 'Tick'은 4byte 길이를 갖는 수신 자체 timer tick(count_us와 동일), 'Freq'는 4byte 길이를 갖는 수신된 주파수, 'SF'는 1byte 길이를 갖는 LoRa에서 Data rate와 동일한 것이고, 'CodeRate'는 1byte 길이를 갖는 에러 수정 코드의 부호율, 'SNR'은 4byte 길이를 갖는 신호대 잡음비, 'RSSI'는 4byte 길이를 갖는 무선 수신 신호의 세기, 'UlData Payload Length'는 1byte 길이를 갖는 Join Payload의 길이, 'UlData Payload'는 nbyte를 갖는 암호화된 데이터인 것을 특징으로 한다.
그리고 프리미티브의 ID 값 'DlDataRq'에 의해 달라지는 Hopping payload 필드항목의, 'Destination GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 목적지 GW의 주소, 'UTC'는 4byte 길이를 갖는 수신 UTC, 'Class'는 1byte 길이를 갖는 Class A/B/C, 'DevAddr'는 4byte 길이를 갖는 Device Address, 'DlData Payload Length'는 1byte 길이를 갖는 DlData Payload의 길이, 'DlData Payload'는 nbyte 길이를 갖는 암호화 되어 있는 데이터인 것을 특징으로 한다.
그리고 프리미티브의 ID 값 'DataAck'에 의해 달라지는 Hopping payload 필드항목의, 'Source GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 소스 GW의 주소, 'Destination GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 목적지 GW의 주소, 'Original Seq. #'는 2byte 길이를 갖는 메세지를 보낸 GW의 Seq. #인 것을 특징으로 한다.
그리고 게이트웨이와 서버 간 멀티 홉 프로토콜 구조에서 게이트웨이가 서버로 메시지를 전송할 때 또는 서버가 게이트웨이로 메시지를 전송할 때 사용하는 DataRq 메시지는, 'Protocol Version'은 1byte 길이를 갖고, 'Random number'는 2byte 길이를 갖고 메시지 Ack 시에 사용하는 것이고, 'Multi-hop protocol id'는 1byte 길이를 갖는 Multi-hop을 나타내는 식별자(0x5D), 'Control field'는 1byte 길이를 갖는 Primitive ID(7-3 bit), 'Msg Seq. #'는 2byte 길이를 갖고 멀티 홉 메시지 Ack 시에 사용하는 것이고, 'Data Length'는 2byte 길이를 갖는 CRC 이하 필드 데이터 길이, 'CRC'는 2byte 길이를 갖는 CRC 이하 필드 16 bit CRC 값, 'Hopping Payload'는 nbyte 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.
그리고 게이트웨이와 서버 간 멀티 홉 프로토콜 구조에서 DataRq 메시지를 수신한 후 수신 응답(Ack)을 주기 위해 사용하는 DataRs 메시지는, 'Protocol Version'은 1byte 길이를 갖고, 'Random number'는 2byte 길이를 갖고 메시지 Ack 시에 사용하는 것이고, 'Multi-hop protocol id'는 1byte 길이를 갖는 Multi-hop을 나타내는 식별자(0x5D), 'Control field'는 1byte 길이를 갖는 Primitive ID(7-3 bit)인 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 통신 제어 방법은 가장 낮은 호핑 레벨을 갖는 게이트웨이(GW0)가 엔드 디바이스(ED)에서 메시지를 받으면 멀티홉 헤더를 작성하여 페이로드에 추가하여 게이트웨이(GW1)로 전송하는 단계;게이트웨이(GW0)보다 높은 호핑 레벨을 갖는 게이트웨이(GW1)가 멀티홉 헤더의 멀티홉 프로토콜 ID를 확인하고 목적지 주소가 자신이 아니면, 게이트웨이(GW1)보다 높은 호핑 레벨의 게이트웨이(GW2)로 전송하는 단계;게이트웨이(GW2)가 상향 링크 멀티 홉 메시지를 수신하여 다음 단계의 멀티 홉을 수행하여 게이트웨이(GW2)보다 높은 호핑 레벨의 게이트웨이(GW3)로 전송하는 단계;게이트웨이(GW3)는 목적지 주소가 자신의 주소와 일치하면 멀티 홉 메시지를 수신하여 전송 포맷을 만들어 서버에 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 게이트웨이(GW1)보다 높은 호핑 레벨의 게이트웨이(GW2)로 전송하는 단계 및, 게이트웨이(GW2)보다 높은 호핑 레벨의 게이트웨이(GW3)로 전송하는 단계에서, 멀티 홉을 위한 메시지인 것을 판단하고 목적지 주소가 자신이 아니면 next hopping level를 1 증가시키고 메시지를 자신 보다 높은 호핑 레벨을 갖는 게이트웨이로 전송을 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 임의의 게이트웨이가 상향 멀티 홉 메시지를 수신한 경우 멀티 홉 메시지 헤더의 컨트롤 필드의 next hopping level 값이 자신의 hopping level 값 보다 크면 그 메시지는 드롭시키고, 드롭시키는 메시지가 자신이 전송한 메시지와 일치하는지 확인하고 일치하면 수신 ACK 메시지로 처리하는 것을 특징으로 한다.
그리고 전송 포맷을 만들어 서버에 전송하는 단계에서, 송수신 버퍼의 전송 포맷에서 'Protocol Version'은 1byte 길이를 갖고, 'Random number'는 2byte 길이를 갖고 메시지 Ack 시에 사용되고, 'Multi-hop protocol id'는 1byte 길이를 갖는 Multi-hop을 나타내는 식별자(0x5D), 'Control field'는 1byte 길이를 갖는 Primitive ID(7-3 bit)이고, 'Msg Seq. #'는 2byte 길이를 갖고 멀티 홉 메시지 Ack 시에 사용되고, 'Data Length'는 2byte 길이를 갖는 CRC 이하 필드 데이터 길이, 'CRC'는 2byte 길이를 갖는 CRC 이하 필드 16 bit CRC 값이고, 'Hopping Payload'는 nbyte 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 멀티 홉(Multi-hop) 기반의 네트워크 설계를 통하여 LoRaWAN Gateway의 백홀(Back-haul) 사용료 절감이 가능하도록 한다.
둘째, 마이크로그리드 분야에서 능동적인 실시간 설비제어를 가능하게 하는 양방향 전송 기능과 구축형 자가망에서의 커버리지 제약을 해소할 수 있는 멀티홉(Multi-Hop) 기능을 추가한 무선 프로토콜 IoT 기술을 제공할 수 있다.
셋째, LoRa를 중심으로 하는 LPWA망에서 망쪽으로 보내는 Up-Link의 횟수제약이 있는 문제, 망에서 상태 확인을 희망하는 시기에 접속이 불가능한 문제를 해결할 수 있다.
넷째, 구축형 자가망 확보를 통한 Multi-Hop 실시간 IoT 기반 마이크로그리드 플랫폼을 운영 및 태양광 소규모 발전 및 사업사용자의 전기 수요 관리에 대한 효율성을 높일 수 있도록 한다.
다섯째, LoRaWAN의 표준에 명시된 통신 방법 및 프로토콜 내용을 바탕으로 LoRaWAN의 Gateway가 서로 간 통신할 수 있는 멀티홉 네트워크(Multi-hop Network)를 구성할 수 있도록 한다.
여섯째, LoRaWAN의 Single-Hop 방식의 통신방식을 Gateway와 Gateway 간 데이터를 라우팅하여 최종적으로 인터넷으로 전송하는 방식의 Multi-Hop 방식의 네트워크를 구성하여 통신 커버리지를 넓혀 더 많은 End-Device를 처리할 수 있도록 한다.
도 1은 LoRaWAN 통신 계층을 나타낸 구성도
도 2는 LoRaWAN 통신방식의 통신 흐름을 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 구성도
도 4는 LoRaWAN용 Multi-hop 네트워크(NW)의 전용 프로토콜을 나타낸 테이블
도 5는 무방향성 패킷 처리 방법을 나타낸 구성도
도 6은 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 상세 구성도
도 7은 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 통신 제어 방법을 나타낸 플로우 차트
도 8은 본 발명에 따른 상향링크 수신 ACK 전송 방법을 나타낸 구성도
이하, 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 구성도이고, 도 4는 LoRaWAN용 Multi-hop 네트워크(NW)의 전용 프로토콜을 나타낸 테이블이다.
본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법은 멀티 홉(Multi-hop) 기반의 LoRaWAN 통신 네트워크 설계를 통하여 LoRaWAN Gateway의 백홀(Back-haul) 사용료 절감 및 효율적인 통신 커버리지 확장이 가능하도록 한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 Multi-Hop 게이트웨이 프로토콜 S/W 기술, 양방향 실시간 게이트웨이 제어 알고리즘 S/W 기술, 그룹 연계를 위한 Clustering SW 플랫폼 기술에 관한 구성을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 멀티 홉(Multi-hop) 기반의 LoRaWAN 통신 네트워크 기술을 적용하여 멀티 홉(Multi-hop) 기반의 마이크로그리드용 클러스터링( Clustering) 플랫폼을 설계할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법에서, Multi-Hop을 위한 프로토콜은 LoRaWAN 프로토콜에서 Ad-hoc 기능을 추가하는 것으로, 저전력 장거리 통신 모듈에 관한 구성, 센서 데이터 암호화/복호화에 관한 구성, 무선 네트워크 구성을 위한 게이트웨이 연동에 관한 구성, 무선 채널 할당 기술에 관한 구성, 표준 IP를 통한 Backhaul 접속에 관한 구성, 디바이스 인증/관리, 데이터 관리, 보안에 관한 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 LoRaWAN용 Multi-hop 네트워크(NW)에서는 도 3에서와 같이, ED(End Device)(31a)(31b)(31c)(31d)(31e)(31f)는 게이트웨이(GW)와 통신을 하지만 GW들은 ED에서 받은 패킷을 전달하기 위해 라우팅(Routing)을 하는데, 이때 각 GW는 기능적으로 두 가지 유형으로 나뉘게 된다.
두 유형 전부 ED에서 오는 패킷을 전송받지만, 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW)(32a)(32b)(32c)(32d)(32f)(32g)는 다른 HGW에게 해당 패킷을 전달하며 최종적으로 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)(33a)(33b)에 전송한다.
이때 MGW는 HGW(또는 근접 ED)에게 수신한 패킷을 LoRaWAN의 Network Server 표준의 프로토콜(JSON 기반)로 변환한 뒤 연결된 Back-haul을 통해 인터넷을 통해 해당 서버(34a)(34b)로 송신한다.
본 발명에서 NW의 라우팅은 HGW간 레벨(Level)을 두어 낮은 레벨을 가진 HGW에서 높은 레벨을 가진 MGW에게 전송하는 방식을 가진다.
만약, '레벨1'의 HGW(도 3의 H4)에서 ED에게 신호를 받았다면 이후 다음 레벨인 '레벨2'의 HGW(도 3의 H6과 H7)에게 보내게 되고 레벨2 HGW는 최종 '레벨3'의 MGW에게 송신한다.
만약 서버에게 받은 ACK를 ED로 보낼 때 레벨3의 MGW에서 레벨이 낮은 HGW에게 이전과 다른 역방향으로 보내는 방식이다.
본 발명의 NW에서의 HGW는 자신의 레벨, 담당하는 ED 주소들, 최종 패킷 전달 목적지 MGW 주소를 가지도록 설계 및 구현된다. 이는 이동통신의 무지향성 때문이다.
ED에서 만약 패킷을 보내면 인접한 GW로 보내게 된다.
Single-Hop일 경우에는 중복패킷 수가 적을 것이지만, Multi-Hop에서는 많은 GW가 존재해 많은 수의 중복패킷 수가 많이 발생한다. 이는 네트워크 속도가 저하될 수 있는 상황이 발생한다.
이를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 NW에서는 해당 정보를 사전에 각 GW가 가지고 있어 ED 또는 다른 GW에서 수신된 패킷을 확인하고 자신에게 해당하지 않은 패킷이면 자동 삭제하여 중복 전송 패킷을 최소화한다.
이를 지원하는 LoRaWAN용 Multi-hop 네트워크(NW)의 전용 프로토콜은 도 4에서와 같다.
Payload(LoRaWAN MAC Protocol) 앞에 여러 정보가 포함한 Header를 붙여 각 GW 간 통신한다. 이때 ED에서 전송한 패킷을 먼저 수신한 GW 같은 경우 ED의 원래 패킷에서 목적지 MGW를 확인하여 자신이 처리해야 하는 패킷이라면 본 발명에서 제시하는 패킷대로 변환하여 다음 레벨의 HGW에게 전송한다.
그리고 NW에서는 무선통신환경에서의 라우팅이라 여러 상황을 고려해야 한다.
먼저, 반사파 문제로 인해 자기가 보낸 무선 신호를 받을 수 있는 것을 고려해야 한다. 이런 경우에는 GW가 가진 레벨과 무선 신호에 포함된 데이터 중 목적지 레벨을 확인하는데, 만약 자신의 레벨의 메시지라면 해당 메시지를 자동으로 삭제한다.
다음은 무선 통신이라 무지향성이라는 것을 고려해 GW에서는 수신된 메시지 처리 방법을 처리해야 한다.
도 5는 무방향성 패킷 처리 방법을 나타낸 구성도이다.
도 5에서와 같은 시나리오에서와 같이, 자신의 메시지가 아니라면 자동 삭제하고, 자신에게 해당하는 메시지면 그에 맞는 절차를 수행하도록 한다.
이외에도 HGW가 Back-haul이 연결되지 않아 시간 동기화가 어렵다. 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 HGW에서 GPS(Global Positioning System) 센서를 통해 시간 정보를 받아 시간 동기화를 진행하고, NW에서는 항시 통신이 이루어야 하므로 모든 GW는 LoRa Class 3로 구현한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 통신 제어 및 멀티홉 프로토콜에 관하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 상세 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 네트워크 구성을 나타낸 것으로, Main 게이트웨이(61)와 hopping 게이트웨이(62a)(62b)가 있다.
Main 게이트웨이(61)와 hopping 게이트웨이(62a)(62b)에는 엔드 디바이스(ED)(63)들이 연결된다.
Main 게이트웨이(61)는 인터넷에 접속된 게이트웨이를 말하며 hopping 게이트웨이(62a)(62b)는 인터넷에 접속되지 않은 게이트 웨이를 말한다.
Main 게이트 웨이는 hopping level = 3의 값의 값을 가지며 main GW에서 멀어질수록 hopping level 값이 1씩 감소한다.
Main GW와 hopping GW의 구분은 다음과 같이 이루어진다.
GW 프로그램이 부팅해서 메인으로 넘어 갔을 때 맨 처음 소켓을 생성하고 서버와 연결을 시도한다.
이때 서버(64)와 소켓 통신을 위한 연결이 형성되면 멀티 홉 전송을 하지 않는 Main GW가 된다. 만약 서버(64)와 소켓 통신을 위한 연결을 시도해서 실패하면 멀티 홉을 실행하는 hopping GW가 된다.
멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템에서 멀티 홉 구현을 위하여 다음과 같은 사항을 고려한다.
첫째, 상향 링크 멀티 홉은 그냥 받아서 다시 재전송해 주는 것으로 한다.
만약 hopping GW에서 3회 이상 호핑되어 수신되는 메시지는 drop시켜야 한다.
둘째, 하향 링크 멀티 홉은 망 서버에서 ED가 속한 목적지 GW 주소를 주는 것으로 한다. 이것은 망 서버가 join-request 메시지를 멀티 호핑하여 수신하였을 때 멀티 홉 메시지에 딸려오는 source GW EUI 주소 값을 데이터 베이스에 저장하고 관리함으로써 구현 가능하다.
한편, 목적지 GW가 아닌 경우에 next hopping level = 0이면 그 메시지는 drop시켜야 한다.
셋째, 각 GW에 hopping level 값의 부여를 한다.
GW에서 hopping level 값은 0 ~3의 범위의 값을 갖는다. Main GW인 경우 hopping level = 3이며 main GW에서 거리가 멀어질수록 hopping level 값이 감소한다. 각 GW는 power-on시에 자신의 hopping level을 알 수 있어야 한다.
넷째, GW power-on시 목적지 main GW의 EUI 값 부여를 한다.
즉, Hopping GW는 power-on시 목적지 main GW의 EUI 값을 부여받을 수 있어야 한다.
본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템에 적용되는 멀티홉 프로토콜의 구성을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 멀티 홉 프로토콜은 다음과 같은 기준을 갖는다.
첫째, ED, GW, NS 시스템에 대한 최소한의 변화를 필요로 하여야 한다.
따라서, 메시지의 playload에 걸린 암호화는 건드리지 않는 것을 원칙으로 하며 멀티 홉을 위해 첨부되는 멀티 홉 프로토콜은 암호화하지 않는다.
둘째, 주파수 대역폭을 고려하여 최소한의 무선 데이터를 필요로 하여야 한다.
셋째, ED나 GW의 추가 및 삭제 등 시스템 변화에 대한 대응을 고려하여야 한다.
넷째, LoRa Payload 외에 GW가 취득한 시간 정보 및 무선 자원 정보를 전송할 수 있어야 한다.
먼저, 게이트웨이들간의 멀티홉 프로토콜 구조를 설명하면 다음과 같다.
표 1은 게이트웨이들간의 멀티홉 프로토콜 구조를 나타낸 것으로, 멀티홉 식별자로 1 byte 길이이며 0x5D 값을 갖는 'Multi-Hop Protocol Identifier' 필드, 1 byte 길이를 갖는 멀티홉 제어 필드 'Control Field', 2 byte 길이를 갖고 메시지 ACK 시에 식별자로 사용되는 'MSG Sequence Number' 필드, 2 byte 길이를 갖고 CRC 필드 이하 데이터 길이를 나타내는 'Data length' 필드, 2 byte 길이를 갖고 CRC 필드 이하 데이터의 CRC 계산 값을 나타내는 'CRC field', n byte 길이를 갖는 'Hopping payload' 필드를 포함한다.
Figure 112019055827810-pat00001
표 2는 Control Field 구조를 나타낸 것이다.
Figure 112019055827810-pat00002
표 2의 Control Field 구조에서 7-3 비트는 primitive ID를 나타낸다.
표 3은 primitive ID의 구조를 나타낸 것이다.
Figure 112019055827810-pat00003
primitive ID 필드는 Power-On 시에 주변 GW에 방송을 하는 'LocRq', UTC가 확보된 GW는 LocRq에 응답하도록 하는 'LocRs', ED에서 Join Request 수신시 상향으로 CS까지 송신하는 'JoinRq', CS가 Join Request 응답할 때 해당 GW에 DevAddr, Key 정보 등을 제공하고, GW는 이 정보를 받아서 ED에 Ack를 줄 때 MIC 계산에 사용되는 'JoinRs', 상향링크 메시지에 관한 'UlDataRq', 하향링크 메시지에 관한 'DlDataRq', 모든 메시지에 대한 ACK 기능을 수행하는 'DataAck'를 포함한다.
그리고 Control Field 구조에서 'next hopping level 필드' 값은 0에서 3사이의 값을 갖는다. Next hopping level 필드 값이 발생할 때마다 상향에서는 자신의 GW에 부여된 hopping level에서 1을 증가시키고 하향에서는 1을 감소시킨다.
Next hopping level = GW hopping level +1 (상향 링크인 경우),
Next hopping level = GW hopping level -1 (하향 링크인 경우)
여기서, GW hopping level은 0~3까지의 값을 갖는다. GW hopping level = 0이 가장 낮은 레벨이며 Main GW와 가장 멀리 떨어져있는 GW를 의미한다. Main GW와 가까운 GW일수록 큰 GW hopping level 값을 갖는다. Main GW은 더 이상의 멀티 홉이 없으므로 GW hopping level은 3이다.
그리고 Control Field 구조에서 'Up-down 필드'에서,
0: ED--> NS로 향하는 up 링크를 나타낸다.
1: NS--> ED로 향하는 down 링크를 나타낸다.
그리고 게이트웨이들간의 멀티홉 프로토콜 구조에서 'CRC field'는 CRC 필드 이하 데이터의 CRC 계산 값 2 바이트를 나타낸다.
그리고 게이트웨이들간의 멀티홉 프로토콜 구조에서 'Hopping Payload'는 각 프리미티브의 ID 값에 따라서 각각 다르다.
표 4는 프리미티브의 ID 값 'LocRq'에 관한 것으로, Hopping payload 필드항목의 'Source GW EUI'는 8 byte 길이를 갖고 소스 GW 주소를 나타낸다.
Figure 112019055827810-pat00004
표 5는 프리미티브의 ID 값 'LocRs'에 관한 것으로, Hopping payload 필드항목의 'Source GW EUI'는 8 byte 길이를 갖고 소스 GW의 주소를 나타내는 것이고, 'Destination GW EUI'는 8byte 길이를 갖고 목적지 GW의 주소를 나타내는 것이고, 'UTC'는 4byte 길이를 갖고 해당 GW의 망으로부터 또는 자신의 GPS로부터 확보된 UTC 값이고, 'RSSI'는 4byte 길이를 갖고 LocRq 메시지를 수신할 때 측정한 무선 수신 신호의 세기이다.
Figure 112019055827810-pat00005
표 6은 프리미티브의 ID 값 'JoinRq'에 관한 것으로, Hopping payload 필드 항목의 'Source GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 소스 GW의 주소이고, 'Destination GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 목적지 GW의 주소, 'UTC'는 4byte 길이를 갖고 해당 GW의 망으로부터 또는 GPS로부터 확보된 UTC 값, 'Tick'는 4byte 길이를 갖는 수신 자체 timer tick(count_us와 동일)이고, 'Freq'는 4byte 길이를 갖는 수신된 주파수, 'SF'는 1byte 길이를 갖는 것으로 LoRa에서 Data rate와 동일하고, 'CodeRate'는 1byte 길이를 갖는 에러 수정 코드의 부호율, 'SNR'은 4byte 길이를 갖는 신호대 잡음비, 'RSSI'는 4byte 길이를 갖는 무선 수신 신호의 세기, 'Join Payload Length'는 1byte 길이를 갖는 Join Payload의 길이이고, nbyte 길이를 갖는 'Join Payload'를 포함한다.
Figure 112019055827810-pat00006
표 7은 프리미티브의 ID 값 'JoinRs'에 관한 것으로, Hopping payload 필드항목의 'Destination GW'는 8byte 길이를 갖는 EUI 목적지 GW의 주소, 'DevAddr'는 4byte 길이를 갖는 Device Address, 'NwkSkey'는 8byte 길이를 갖는 망 세션 키, 'AppSkey'는 8byte 길이를 갖는 응용 세션 키, 'Tick'은 4byte 길이를 갖는 송신 timer tick이고, 'Freq'는 4byte 길이를 갖는 주파수에 관한 것이고, 'SF'는 1byte 길이를 갖는 것으로 LoRa에서 Data rate와 동일하고, 'CodeRate'는 1byte 길이를 갖는 에러 수정 코드의 부호율, 'Join Payload Length'는 1byte 길이를 갖는 Join Payload의 길이이고, nbyte 길이를 갖는 'Join Payload'를 포함한다.
Figure 112019055827810-pat00007
표 8은 프리미티브의 ID 값 'UlDataRq'에 관한 것으로, Hopping payload 필드항목의 'Source GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 소스 GW의 주소, 'Destination GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 목적지 GW의 주소, 'UTC'는 4byte 길이를 갖는 해당 GW의 망으로부터 또는 GPS로부터 확보된 UTC 값, 'Tick'은 4byte 길이를 갖는 수신 자체 timer tick(count_us와 동일), 'Freq'는 4byte 길이를 갖는 수신된 주파수, 'SF'는 1byte 길이를 갖는 LoRa에서 Data rate와 동일한 것이고, 'CodeRate'는 1byte 길이를 갖는 에러 수정 코드의 부호율, 'SNR'은 4byte 길이를 갖는 신호대 잡음비, 'RSSI'는 4byte 길이를 갖는 무선 수신 신호의 세기, 'UlData Payload Length'는 1byte 길이를 갖는 Join Payload의 길이, 'UlData Payload'는 nbyte를 갖는 암호화된 데이터(GW는 건드리지 않는 것을 원칙으로 함)이다.
Figure 112019055827810-pat00008
표 9는 프리미티브의 ID 값 'DlDataRq'에 관한 것으로, Hopping payload 필드항목의 'Destination GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 목적지 GW의 주소, 'UTC'는 4byte 길이를 갖는 수신 UTC, 'Class'는 1byte 길이를 갖는 Class A/B/C, 'DevAddr'는 4byte 길이를 갖는 Device Address, 'DlData Payload Length'는 1byte 길이를 갖는 DlData Payload의 길이, 'DlData Payload'는 nbyte 길이를 갖는 암호화되어 있는 데이터 (GW는 페이로드 데이터를 건드리지 않는 것을 원칙으로 함)이다.
Figure 112019055827810-pat00009
표 10은 프리미티브의 ID 값 'DataAck'에 관한 것으로, Hopping payload 필드항목의 'Source GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 소스 GW의 주소, 'Destination GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 목적지 GW의 주소, 'Original Seq. #'는 2byte 길이를 갖는 메세지를 보낸 GW의 Seq. #이다.
Figure 112019055827810-pat00010
그리고 게이트웨이와 망 서버 간 멀티 홉 프로토콜을 설명하면 다음과 같다.
표 11은 'DataRq' 메시지를 나타낸 것이다.
DataRq 메시지 형태는 GW가 NS로 메시지를 전송할 때 또는 NS가 GW로 메시지를 전송할 때 사용하며 다음과 같은 구조를 갖는다.
Figure 112019055827810-pat00011
'Protocol Version'은 1byte 길이를 갖고, 'Random number'는 2byte 길이를 갖고 메시지 Ack 시에 사용하는 것이고, 'Multi-hop protocol id'는 1byte 길이를 갖는 Multi-hop을 나타내는 식별자(0x5D), 'Control field'는 1byte 길이를 갖는 Primitive ID(7-3 bit), 'Msg Seq. #'는 2byte 길이를 갖고 멀티 홉 메시지 Ack 시에 사용하는 것이고, 'Data Length'는 2byte 길이를 갖는 CRC 이하 필드 데이터 길이, 'CRC'는 2byte 길이를 갖는 CRC 이하 필드 16 bit CRC 값, 'Hopping Payload'는 nbyte 길이를 갖는다.
표 12는 'DataRs' 메시지를 나타낸 것이다.
DataRs 메시지 형태는 DataRq 메시지를 수신한 후 수신 응답(Ack)을 주기 위해 사용하며 다음과 같은 구조를 갖는다.
Figure 112019055827810-pat00012
'Protocol Version'은 1byte 길이를 갖고, 'Random number'는 2byte 길이를 갖고 메시지 Ack 시에 사용하는 것이고, 'Multi-hop protocol id'는 1byte 길이를 갖는 Multi-hop을 나타내는 식별자(0x5D), 'Control field'는 1byte 길이를 갖는 Primitive ID(7-3 bit)이다.
DataRs 메시지를 사용하여 Ack 신호를 주기 위해 control field의 Primitive ID는 0x1F의 값을 가지며 이 값은 모든 메시지에 대한 Ack 기능을 갖는다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법에서의 멀티 홉 프로토콜의 적용에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 통신 제어 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 통신 제어 방법은 도 7에서와 같이, 먼저 멀티홉을 하지 않는 기존의 구조로 ED --> GW0 단계 수행한다.(S701)
이어, GW0 --> GW1 단계에서 GW0는 ED에서 메시지를 받으면 멀티홉 헤더를 작성하여 기존의 페이로드에 추가하여 무선으로 전송한다.(S702)
그리고 GW1은 메시지를 받아서 multi-hop header의 Multi-Hop Protocol Identifier를 확인하고 이 메시지가 멀티 홉을 위한 메시지인 것을 판단한다.(S703)
이어, GW1 -> GW2 단계에서 GW1은 목적지 주소가 자신이 아니면, 상향 링크로 멀티 홉을 전송할 때 next hopping level = 2 (= GW1 hopping level +1)를 만들어 전송한다.(S704)
그리고 GW2는 GW1으로부터 next hopping level = 2인 상향 링크 멀티 홉 메시지를 수신하고 자신의 hopping level 값과 next hopping level 값이 일치하므로 그 메시지를 받아들이고 다음 단계의 멀티 홉을 수행한다.(S705)
이어, GW2 --> GW3 단계에서 메시지를 받아서 multi-hop header의 Multi-Hop Protocol Identifier를 확인하고 이 메시지가 멀티 홉을 위한 메시지인 것을 판단하고 목적지 주소가 자신이 아니면 GW2는 next hopping level를 1 증가시키고 메시지를 인접 GW3에 전송한다.(S706)
그리고 GW3 --> Network Server(NS) 단계에서 GW3는 목적지 주소가 자신의 주소와 일치하므로 멀티 홉 메시지를 수신하여 전송 포맷을 만들어 망 서버에 전송한다.(S707)
이와 같은 구성을 포함하는 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 통신 제어 방법에서 상향 메시지인 경우에서의 프로토콜 적용 예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
ED --> GW0에서 메시지 구조는 멀티 홉을 하지 않는 기존의 구조와 같다.
그리고 GW0 --> GW1에서 메시지 구조는 다음과 같다.
GW0는 자신이 인터넷과 연결되지 않은 hopping GW라는 것을 알고 있다.
따라서, GW0는 ED에서 메시지를 받으면 멀티홉 헤더를 작성하여 기존의 페이로드에 추가하여 무선으로 전송한다.
Control 필드에서 next hopping level를 1 증가시키고, up-down 비트를 0으로 놓아 상향임을 알린다.
다음 URCI 필드는 ED에서 수신된 무선채널 정보를 기본으로 만든다.
GW0는 표 13과 같은 메시지를 인접 GW1에 전송하게 된다.
여기서 Destination GW Address는 각 게이트웨이가 기본적으로 Activation되기 전에 configuration 파일을 통해 내부적으로 저장되어 있다고 가정한다.
Figure 112019055827810-pat00013
상향으로 멀티 홉된 메시지가 다시 하향으로 역수신되는 것을 방지하기 위하여 각 GW는 자신의 Hopping Level(HL) 값을 가지고 있다.
임의의 GW가 상향 멀티 홉 메시지를 수신한 경우 멀티 홉 메시지 헤더의 컨트롤 필드의 next hopping level 값이 자신의 hopping level 값 보다 크면 그 메시지는 드롭시키고 같은 경우에는 수신하여 다음 단계의 멀티 홉을 수행한다.
예를 들어, GW1은 상향 링크로 멀티 홉을 전송할 때 next hopping level = 2 (= GW1 hopping level +1)를 만들어 전송한다.
이 메시지는 전방향으로 무선 송신되므로 GW0과 GW2에 수신될 수 있다.
GW0는 GW1으로부터 next hopping level = 2인 상향 링크 멀티 홉 메시지를 수신하지만 자신의 hopping level 값보다 next hopping level 값이 크므로 드롭시킨다.
여기서, 드롭된 메시지를 수신 ACK 메시지로 활용하는 방법은 다음과 같다.
도 8은 본 발명에 따른 상향링크 수신 ACK 전송 방법을 나타낸 구성도이다.
GW0가 도 8에서와 같이, 멀티 홉 메시지 수신하고 hopping level이 맞지 않아 드롭시킬 때 이 메시지가 자신이 전송한 메시지와 일치하는지 확인하고 일치하면 수신 ACK 메시지로 처리해도 된다.
만약, 드롭된 메시지를 활용하지 않으면 별도의 수신 ACK메시지를 만들어 따로 전송해야 한다.
이어, GW2는 GW1으로부터 next hopping level = 2인 상향 링크 멀티 홉 메시지를 수신하고 자신의 hopping level 값과 next hopping level 값이 일치하므로 그 메시지를 받아들이고 다음 단계의 멀티 홉을 수행한다.
GW1 -> GW2에서 메시지 구조는 표 14에서와 같다.
Figure 112019055827810-pat00014
GW1은 자신이 hopping GW라는 것을 알고 있다. GW1이 표 13에서와 같은 메시지를 받아서 multi-hop header의 Multi-Hop Protocol Identifier를 확인하고 이 메시지가 멀티 홉을 위한 메시지인 것을 파악한다.
목적지 주소가 자신이 아니면 GW1은 next hopping level를 1 증가시키고 표 14와 같은 메시지를 인접 GW2에 전송하게 된다.
Figure 112019055827810-pat00015
GW2 --> GW3 단계서 GW2는 자신이 hopping GW라는 것을 알고 있다. GW2가 표 14와 같은 메시지를 받아서 multi-hop header의 Multi-Hop Protocol Identifier를 확인하고 이 메시지가 멀티 홉을 위한 메시지인 것을 파악한다. 목적지 주소가 자신이 아니면 GW2는 next hopping level를 1 증가시키고 표 15에서와 같은 메시지를 인접 GW3에 전송하게 된다.
만약, 임의의 GW가 멀티 홉 메시지를 수신하였을 때 목적지 주소가 자신의 것이 아니면서 next hopping level = 3이면 그 메시지를 drop 시키면 된다.
GW3 --> Network Server(NS)에서 메시지 구조는 표 16에서와 같다.
이 경우에 GW3는 자신이 인터넷에 연결된 main GW라는 것을 알고 있다. GW3가 표 15과 같은 메시지를 받아서 multi-hop header를 열어보았을 때 hopping 메시지라는 것을 알 수 있다.
목적지 주소가 자신의 주소와 일치하므로 멀티 홉 메시지를 수신하여 표 16에서와 같은 포맷을 만들어 망 서버에 전송한다. 이때 GW3는 URCI 필드를 분석하여 기존의 NS로 전송하는 JSON 방식과 동일하게 메시지를 전송한다.
게이트웨이와 서버 사이에 약속된 송수신 버퍼의 데이터 포맷은 표 16에서와 같다.
Figure 112019055827810-pat00016
송수신 버퍼의 데이터 포맷에서 'Protocol Version'은 1byte 길이를 갖고, 'Random number'는 2byte 길이를 갖고 메시지 Ack 시에 사용되고, 'Multi-hop protocol id'는 1byte 길이를 갖는 Multi-hop을 나타내는 식별자(0x5D), 'Control field'는 1byte 길이를 갖는 Primitive ID(7-3 bit)이고, 'Msg Seq. #'는 2byte 길이를 갖고 멀티 홉 메시지 Ack 시에 사용되고, 'Data Length'는 2byte 길이를 갖는 CRC 이하 필드 데이터 길이, 'CRC'는 2byte 길이를 갖는 CRC 이하 필드 16 bit CRC 값이고, 'Hopping Payload'는 nbyte 길이를 갖는다.
GW3에서 GW2에 수신 ACK 신호를 주는 방법은 다음과 같다.
GW3는 GW2로 별도의 수신 ACK 신호를 주어야 한다. Primitive ID =0x1F로 하여 GW2에 Ack 메시지를 전송한다.
Figure 112019055827810-pat00017
GW2는 표 17에서와 같은 메시지를 받으면 자신이 보낸 시퀀스 넘버를 확인하고 같으면 수신 ACK로 처리한다.
그리고 NS에서 hopping 메시지 처리는 다음과 같다.
ED는 Power ON 상태에서 등록 메시지를 NS에 전송한다. NS는 ED의 등록 메시지를 처리할 때 multi-hop protocol header를 검사해서 몇 번의 multi-hop을 수행하였고 어떤 GW가 소스인지를 데이타 베이스(DB)에 저장하고 또 관리한다.
이상에서 설명한 과정은하향 메시지인 경우에서도 적용되며 Hopping이 수행되며 next hopping level이 줄어드는 것을 제외하면 상향과 동일한 과정을 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템 및 이의 통신 제어 방법은 멀티 홉(Multi-hop) 기반의 LoRaWAN 통신 네트워크 설계를 통하여 LoRaWAN Gateway의 백홀(Back-haul) 사용료 절감 및 효율적인 통신 커버리지 확장이 가능하도록 한 것이다.
이와 같은 본 발명은 마이크로그리드 분야에서 능동적인 실시간 설비제어를 가능하게 하는 양방향 전송 기능과 구축형 자가망에서의 커버리지 제약을 해소할 수 있는 멀티홉(Multi-Hop) 기능을 추가한 무선 프로토콜 IoT 기술을 제공할 수 있도록 한다.
특히, 구축형 자가망 확보를 통한 Multi-Hop 실시간 IoT 기반 마이크로그리드 플랫폼을 운영 및 태양광 소규모 발전 및 사업사용자의 전기 수요 관리에 대한 효율성을 높일 수 있도록 하고, 본 발명의 적용 분야는 이로 제한되지 않는다.
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.
61. 메인 게이트웨이
62a.62b. 호핑 게이트웨이
63. 엔드 디바이스
64. 서버

Claims (21)

  1. LoRaWAN용 Multi-hop 네트워크(NW)를 구성하는 엔드 디바이스(ED)들로부터 받은 패킷을 전달하기 위해 라우팅(Routing)을 하는 게이트웨이(GW)가,
    엔드 디바이스(ED)들로부터 받은 패킷을 수신하여 다른 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW)에게 해당 패킷을 전달하며 최종적으로 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)로 전송되도록 하는 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW);
    호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW) 또는 엔드 디바이스(ED)들로부터 받은 패킷을 수신하여 LoRaWAN의 Network Server 표준의 프로토콜로 변환한 뒤 연결된 Back-haul을 통해 인터넷을 통해 해당 서버로 송신하는 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW);를 포함하고,
    상기 LoRaWAN용 Multi-hop 네트워크(NW)에서의 라우팅은 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW)들 간에 레벨(Level)을 두어 낮은 레벨을 가진 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW)에서 높은 레벨을 가진 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)에게 전송하는 방식이고, 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)는 hopping level = 3의 값의 값을 가지며, 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)에서 멀어질수록 hopping level 값이 1씩 감소하는 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 게이트웨이(GW) 프로그램이 부팅해서 메인으로 넘어 갔을 때 맨 처음 소켓을 생성하고 서버와 연결을 시도하여,
    상기 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW)는 소켓 통신을 위한 연결이 형성되지 않아 멀티 홉 전송을 하는 게이트웨이이고,
    상기 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)는 소켓 통신을 위한 연결이 형성되어 멀티 홉 전송을 하지 않는 게이트웨이인 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상향 링크 멀티 홉은 받아서 다시 재전송해 주는 것이고,
    호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW)에서 3회 이상 호핑되어 수신되는 메시지는 드롭시키고,
    목적지 게이트웨이가 아닌 경우에 next hopping level = 0이면 그 메시지는 drop시키는 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 게이트웨이들간의 멀티홉 프로토콜 구조는,
    멀티홉 식별자로 1 byte 길이이며 0x5D 값을 갖는 'Multi-Hop Protocol Identifier' 필드, 1 byte 길이를 갖는 멀티홉 제어 필드 'Control Field', 2 byte 길이를 갖고 메시지 ACK 시에 식별자로 사용되는 'MSG Sequence Number' 필드, 2 byte 길이를 갖고 CRC 필드 이하 데이터 길이를 나타내는 'Data length' 필드, 2 byte 길이를 갖고 CRC 필드 이하 데이터의 CRC 계산 값을 나타내는 'CRC field', n byte 길이를 갖는 'Hopping payload' 필드를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, Control Field 구조에서 7-3 비트는 primitive ID를 나타내고,
    Power-On 시에 주변 GW에 방송을 하는 'LocRq', UTC가 확보된 GW는 LocRq에 응답하도록 하는 'LocRs', ED에서 Join Request 수신시 상향으로 CS까지 송신하는 'JoinRq', CS가 Join Request 응답할 때 해당 GW에 DevAddr, Key 정보를 제공하고, GW는 이 정보를 받아서 ED에 Ack를 줄 때 MIC 계산에 사용되는 'JoinRs', 상향링크 메시지에 관한 'UlDataRq', 하향링크 메시지에 관한 'DlDataRq' 및 모든 메시지에 대한 ACK 기능을 수행하는 'DataAck'를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서, Control Field 구조에서 'next hopping level 필드' 값은 0에서 3사이의 값을 갖고,
    Next hopping level 필드 값이 발생할 때마다 상향에서는 자신의 GW에 부여된 hopping level에서 1을 증가시키고, 하향에서는 1을 감소시키는 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서, 게이트웨이들간의 멀티홉 프로토콜 구조에서 'Hopping Payload'는 각 프리미티브의 ID 값에 따라서 각각 다르고,
    프리미티브의 ID 값 'LocRq'에 의해 달라지는 Hopping payload 필드항목의,
    'Source GW EUI'는 8 byte 길이를 갖고 소스 GW 주소를 나타내는 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 프리미티브의 ID 값 'LocRs'에 의해 달라지는 Hopping payload 필드항목의,
    'Source GW EUI'는 8 byte 길이를 갖고 소스 GW의 주소를 나타내는 것이고, 'Destination GW EUI'는 8byte 길이를 갖고 목적지 GW의 주소를 나타내는 것이고, 'UTC'는 4byte 길이를 갖고 해당 GW의 망으로부터 또는 자신의 GPS로부터 확보된 UTC 값이고, 'RSSI'는 4byte 길이를 갖고 LocRq 메시지를 수신할 때 측정한 무선 수신 신호의 세기인 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서, 프리미티브의 ID 값 'JoinRq'에 의해 달라지는 Hopping payload 필드 항목의,
    'Source GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 소스 GW의 주소이고, 'Destination GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 목적지 GW의 주소, 'UTC'는 4byte 길이를 갖고 해당 GW의 망으로부터 또는 GPS로부터 확보된 UTC 값, 'Tick'는 4byte 길이를 갖는 수신 자체 timer tick(count_us와 동일)이고, 'Freq'는 4byte 길이를 갖는 수신된 주파수, 'SF'는 1byte 길이를 갖는 것으로 LoRa에서 Data rate와 동일하고, 'CodeRate'는 1byte 길이를 갖는 에러 수정 코드의 부호율, 'SNR'은 4byte 길이를 갖는 신호대 잡음비, 'RSSI'는 4byte 길이를 갖는 무선 수신 신호의 세기, 'Join Payload Length'는 1byte 길이를 갖는 Join Payload의 길이이고, nbyte 길이를 갖는 'Join Payload'를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서, 프리미티브의 ID 값 'JoinRs'에 의해 달라지는 Hopping payload 필드항목의,
    'Destination GW'는 8byte 길이를 갖는 EUI 목적지 GW의 주소, 'DevAddr'는 4byte 길이를 갖는 Device Address, 'NwkSkey'는 8byte 길이를 갖는 망 세션 키, 'AppSkey'는 8byte 길이를 갖는 응용 세션 키, 'Tick'은 4byte 길이를 갖는 송신 timer tick이고, 'Freq'는 4byte 길이를 갖는 주파수에 관한 것이고, 'SF'는 1byte 길이를 갖는 것으로 LoRa에서 Data rate와 동일하고, 'CodeRate'는 1byte 길이를 갖는 에러 수정 코드의 부호율, 'Join Payload Length'는 1byte 길이를 갖는 Join Payload의 길이이고, nbyte 길이를 갖는 'Join Payload'를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템.
  13. 제 9 항에 있어서, 프리미티브의 ID 값 'UlDataRq'에 의해 달라지는 Hopping payload 필드항목의,
    'Source GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 소스 GW의 주소, 'Destination GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 목적지 GW의 주소, 'UTC'는 4byte 길이를 갖는 해당 GW의 망으로부터 또는 GPS로부터 확보된 UTC 값, 'Tick'은 4byte 길이를 갖는 수신 자체 timer tick(count_us와 동일), 'Freq'는 4byte 길이를 갖는 수신된 주파수, 'SF'는 1byte 길이를 갖는 LoRa에서 Data rate와 동일한 것이고, 'CodeRate'는 1byte 길이를 갖는 에러 수정 코드의 부호율, 'SNR'은 4byte 길이를 갖는 신호대 잡음비, 'RSSI'는 4byte 길이를 갖는 무선 수신 신호의 세기, 'UlData Payload Length'는 1byte 길이를 갖는 Join Payload의 길이, 'UlData Payload'는 nbyte를 갖는 암호화된 데이터인 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템.
  14. 제 9 항에 있어서, 프리미티브의 ID 값 'DlDataRq'에 의해 달라지는 Hopping payload 필드항목의,
    'Destination GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 목적지 GW의 주소, 'UTC'는 4byte 길이를 갖는 수신 UTC, 'Class'는 1byte 길이를 갖는 Class A/B/C, 'DevAddr'는 4byte 길이를 갖는 Device Address, 'DlData Payload Length'는 1byte 길이를 갖는 DlData Payload의 길이, 'DlData Payload'는 nbyte 길이를 갖는 암호화되어 있는 데이터인 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템.
  15. 제 9 항에 있어서, 프리미티브의 ID 값 'DataAck'에 의해 달라지는 Hopping payload 필드항목의,
    'Source GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 소스 GW의 주소, 'Destination GW EUI'는 8byte 길이를 갖는 목적지 GW의 주소, 'Original Seq. #'는 2byte 길이를 갖는 메세지를 보낸 GW의 Seq. #인 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서, 게이트웨이와 서버 간 멀티 홉 프로토콜 구조에서 게이트웨이가 서버로 메시지를 전송할 때 또는 서버가 게이트웨이로 메시지를 전송할 때 사용하는 DataRq 메시지는,
    'Protocol Version'은 1byte 길이를 갖고, 'Random number'는 2byte 길이를 갖고 메시지 Ack 시에 사용하는 것이고, 'Multi-hop protocol id'는 1byte 길이를 갖는 Multi-hop을 나타내는 식별자(0x5D), 'Control field'는 1byte 길이를 갖는 Primitive ID(7-3 bit), 'Msg Seq. #'는 2byte 길이를 갖고 멀티 홉 메시지 Ack 시에 사용하는 것이고, 'Data Length'는 2byte 길이를 갖는 CRC 이하 필드 데이터 길이, 'CRC'는 2byte 길이를 갖는 CRC 이하 필드 16 bit CRC 값, 'Hopping Payload'는 nbyte 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서, 게이트웨이와 서버 간 멀티 홉 프로토콜 구조에서 DataRq 메시지를 수신한 후 수신 응답(Ack)을 주기 위해 사용하는 DataRs 메시지는,
    'Protocol Version'은 1byte 길이를 갖고, 'Random number'는 2byte 길이를 갖고 메시지 Ack 시에 사용하는 것이고, 'Multi-hop protocol id'는 1byte 길이를 갖는 Multi-hop을 나타내는 식별자(0x5D), 'Control field'는 1byte 길이를 갖는 Primitive ID(7-3 bit)인 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템.
  18. LoRaWAN용 Multi-hop 네트워크(NW)를 구성하는 엔드 디바이스(ED)들로부터 받은 패킷을 전달하기 위해 라우팅(Routing)을 하는 게이트웨이(GW)가 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW) 및 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)를 포함하고, 가장 낮은 호핑 레벨을 갖는 게이트웨이(GW0)가 엔드 디바이스(ED)에서 메시지를 받으면 멀티홉 헤더를 작성하여 페이로드에 추가하여 게이트웨이(GW1)로 전송하는 단계;
    게이트웨이(GW0)보다 높은 호핑 레벨을 갖는 게이트웨이(GW1)가 멀티홉 헤더의 멀티홉 프로토콜 ID를 확인하고 목적지 주소가 자신이 아니면, 게이트웨이(GW1)보다 높은 호핑 레벨의 게이트웨이(GW2)로 전송하는 단계;
    게이트웨이(GW2)가 상향 링크 멀티 홉 메시지를 수신하여 다음 단계의 멀티 홉을 수행하여 게이트웨이(GW2)보다 높은 호핑 레벨의 게이트웨이(GW3)로 전송하는 단계;
    게이트웨이(GW3)는 목적지 주소가 자신의 주소와 일치하면 멀티 홉 메시지를 수신하여 전송 포맷을 만들어 서버에 전송하는 단계;를 포함하고,
    상기 LoRaWAN용 Multi-hop 네트워크(NW)에서의 라우팅은 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW)들 간에 레벨(Level)을 두어 낮은 레벨을 가진 호핑 게이트웨이(Hopping Gateway;HGW)에서 높은 레벨을 가진 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)에게 전송하는 방식이고, 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)는 hopping level = 3의 값의 값을 가지며, 메인 게이트웨이(Main Gateway;MGW)에서 멀어질수록 hopping level 값이 1씩 감소하는 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 통신 제어 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 게이트웨이(GW1)보다 높은 호핑 레벨의 게이트웨이(GW2)로 전송하는 단계 및,
    게이트웨이(GW2)보다 높은 호핑 레벨의 게이트웨이(GW3)로 전송하는 단계에서,
    멀티 홉을 위한 메시지인 것을 판단하고 목적지 주소가 자신이 아니면 next hopping level를 1 증가시키고 메시지를 자신 보다 높은 호핑 레벨을 갖는 게이트웨이로 전송을 하는 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 통신 제어 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 임의의 게이트웨이가 상향 멀티 홉 메시지를 수신한 경우 멀티 홉 메시지 헤더의 컨트롤 필드의 next hopping level 값이 자신의 hopping level 값 보다 크면 그 메시지는 드롭시키고,
    드롭시키는 메시지가 자신이 전송한 메시지와 일치하는지 확인하고 일치하면 수신 ACK 메시지로 처리하는 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 통신 제어 방법.
  21. 제 18 항에 있어서, 전송 포맷을 만들어 서버에 전송하는 단계에서,
    송수신 버퍼의 전송 포맷에서 'Protocol Version'은 1byte 길이를 갖고, 'Random number'는 2byte 길이를 갖고 메시지 Ack 시에 사용되고, 'Multi-hop protocol id'는 1byte 길이를 갖는 Multi-hop을 나타내는 식별자(0x5D), 'Control field'는 1byte 길이를 갖는 Primitive ID(7-3 bit)이고, 'Msg Seq. #'는 2byte 길이를 갖고 멀티 홉 메시지 Ack 시에 사용되고, 'Data Length'는 2byte 길이를 갖는 CRC 이하 필드 데이터 길이, 'CRC'는 2byte 길이를 갖는 CRC 이하 필드 16 bit CRC 값이고, 'Hopping Payload'는 nbyte 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 멀티홉 프로토콜을 지원하는 LoRaWAN 통신 네트워크 시스템의 통신 제어 방법.
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