KR102178880B1 - 디바이스 클러스터링에 기반한 로라 통신 네트워크 시스템 및 데이터 전송 방법 - Google Patents

디바이스 클러스터링에 기반한 로라 통신 네트워크 시스템 및 데이터 전송 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디바이스 클러스터링에 기반한 로라 통신 네트워크 시스템 및 데이터 전송 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템은, 로라 통신을 통해 업링크 데이터 전송 및 다운링크 데이터 전송이 수행되는 엔드 디바이스, 엔드 디바이스에 비콘 메시지를 전송하며, 엔드 디바이스로부터 수신된 데이터 패킷을 IP 패킷으로 변환하여 중계(broadcast)하기 위한 게이트웨이, 게이트웨이와 연결되어 엔드 디바이스에 대한 개별 접속 네트워크를 제어하기 위한 엣지 클라우드 및 로라 통신 네트워크 시스템의 전반적인 동작을 관리 및 제어하기 위한 네트워크 서버를 포함하며, 엣지 클라우드는 엔드 디바이스에 대한 개별 접속 네트워크를 제어하기 위해 엔드 디바이스의 전송 트래픽을 실시간으로 모니터링하고, 모니터링된 전송 트래픽의 특성을 비지도 학습 알고리즘을 통해 학습함으로써, 엔드 디바이스를 그룹화할 수 있다.

Description

디바이스 클러스터링에 기반한 로라 통신 네트워크 시스템 및 데이터 전송 방법{NETWORK SYSTEM AND DATA TRASMISSION METHOD BASED ON DEVICE CLUSTERING IN LORAWAN COMMUNICATION}
본 발명은 디바이스 클러스터링에 기반한 로라 통신 네트워크 시스템 및 데이터 전송 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 로라 통신 네트워크 시스템에 엔드 디바이스의 개별 접속을 제어하기 위한 엣지 클라우드를 더 포함함으로써 전송 효율을 향상시킨 새로운 로라 통신 네트워크 시스템 및 이의 데이터 전송 방법에 관한 것이다.
컴퓨팅 영역의 최근 발전으로 지능형 서비스가 활성화되고 있다. 소형 장치는 인터넷에 있는 서버에 데이터를 수집하여 전달하고, 서버에서는 데이터를 분석하고 분석 결과에서 정보를 추출한다. 이 정보는 지능형 서비스에 사용되는데, 이러한 지능형 서비스는 IoT (Internet of Things) 서비스로 알려져 있다. IoT 서비스의 초기 단계는 개인 영역만을 고려하여 단거리 네트워크를 구성하는 것에 만족하였으나, 스마트 시티, 스마트 팩토리 등 다양한 형태의 IoT 서비스를 구축하기 위해 최근에는 장거리 네트워크 서비스의 제공이 요구되고 있는 실정이다.
이러한 요구에 따라 저전력 광역 네트워크(LPWAN)가 주목을 받고 있다. 그 중에서도 로라 통신(LoRaWAN)은 최소한의 전력 소모로 10km 이상의 장거리를 통신할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 원거리 사물인터넷을 지원하기 위한 인프라 기술로 더욱 주목을 받고 있다. 이러한 로라 통신을 이용한 종래의 네트워크 시스템은 데이터 프레임을 전송하는 아주 간단한 방법인 슬롯화되지 않은 알로하(ALOHA)를 사용하여 무선 채널에 대한 랜덤 액세스를 통해 데이터 프레임을 전송하고 있다.
다만, 종래의 로라 통신 네트워크는 전술하였듯이 매우 간단한 전송 메커니즘을 사용하기 때문에 저전력으로도 먼 거리의 데이터 전송이 가능하나 데이터 속도가 상당히 낮은 문제가 있으며, 원거리 통신으로 인해 긴 전송 지연 시간이 발생하는 문제를 가지고 있다.
또한, 종래의 로라 통신 네트워크는 랜덤 액세스 방식을 기반으로 하여 연결되는 장치(디바이스)의 특성에 관계없이 데이터를 전송하는데, 이는 단순히 업링크와 다운링크 데이터 전송 사이의 충돌 만을 고려할 뿐이다. 따라서, 한번에 다수의 데이터 전송이 발생하면 업링크 전송 시 데이터 간의 충돌 가능성이 상당히 높아지게 되며, 데이터 간의 충돌은 전송 지연을 증가시키고 전송 효율을 감소시키는 문제를 유발한다.
대한민국 등록특허공보 제10-1779202호 (2017.09.11)
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 네트워크 시스템 상에 연결된 디바이스들을 특성에 따라 그룹화하여 효율적으로 데이터 전송이 이루어질 수 있도록 하는 시스템 및 데이터 전송 방법을 제공함에 목적이 있다.
또한, 데이터 전송 시 업링크 전송과 다운 링크 전송 사이의 충돌을 최소화할 뿐만 아니라 업링크 전송 시 발생할 수 있는 데이터 충돌을 최소화하여 우선 순위에 기반한 디바이스의 효율적인 무선 채널 액세스(access)가 이루어질 수 있도록 하는 시스템 및 데이터 전송 방법을 제공함에 목적이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 디바이스 클러스터링에 기반한 로라 통신 네트워크 시스템은, 로라 통신을 통해 업링크 데이터 전송 및 다운링크 데이터 전송이 수행되는 엔드 디바이스, 엔드 디바이스에 비콘 메시지를 전송하며, 엔드 디바이스로부터 수신된 데이터 패킷을 IP 패킷으로 변환하여 중계(broadcast)하기 위한 게이트웨이, 게이트웨이와 연결되어 엔드 디바이스에 대한 개별 접속 네트워크를 제어하기 위한 엣지 클라우드 및 로라 통신 네트워크 시스템의 전반적인 동작을 관리 및 제어하기 위한 네트워크 서버를 포함하며, 엣지 클라우드는 엔드 디바이스에 대한 개별 접속 네트워크를 제어하기 위해 엔드 디바이스의 전송 트래픽을 실시간으로 모니터링하고, 모니터링된 전송 트래픽의 특성을 비지도 학습 알고리즘을 통해 학습함으로써, 엔드 디바이스를 그룹화할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 엣지 클라우드는 엔드 디바이스의 그룹화를 통해 비지도 학습 알고리즘을 통해 학습된 전송 트래픽의 특성에 기초하여 엔드 디바이스를 우선 순위에 따라 분류할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 엣지 클라우드를 통해 우선 순위에 따라 분류된 엔드 디바이스들에 업링크 데이터 전송을 위한 무선 채널이 액세스(access)되며, 액세스를 위해 엣지 클라우드에서 생성된 업링크 그룹 스케줄 정보는 비콘 메시지에 피기백(piggyback)되어 엔드 디바이스로 전송될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 다운링크 데이터 전송에는 고정된 크기의 수신슬롯이 사용되며, 엔드 디바이스는 비콘 메시지에 기초하여 다운링크 데이터 전송의 주기를 결정하고, 다운링크 데이터 전송의 주기는 비콘 메시지의 주기의 절반 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 엣지 클라우드는 엔드 디바이스에 대한 개별 접속 네트워크의 제어를 위해 다운링크 데이터 전송을 스케줄링하며, 스케줄링에 의해 생성된 다운링크 스케줄 정보는 비콘 메시지에 피기백되어 엔드 디바이스로 전송될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 디바이스 클러스터링에 기반한 로라 통신 네트워크 시스템의 데이터 전송 방법은, 게이트웨이로부터 엔드 디바이스에서 비콘 메시지를 수신하고, 수신된 비콘 메시지에 기초하여 엔드 디바이스에서 다운링크 데이터 전송의 주기가 결정되는 제 1 단계, 결정된 다운링크 데이터 전송의 주기에 따라 엔드 디바이스와 게이트웨이 간에 다운링크 데이터 전송이 수행되는 제 2 단계, 엔드 디바이스에 대한 개별 접속 네트워크를 제어하기 위해 게이트웨이에 연결된 엣지 클라우드에서 엔드 디바이스의 전송 트래픽을 실시간으로 모니터링하고, 모니터링된 전송 트래픽의 특성을 비지도 학습 알고리즘을 통해 학습함으로써, 엔드 디바이스를 그룹화하는 제 3 단계 및 엔드 디바이스의 그룹화에 기초하여 엔드 디바이스와 게이트웨이 간에 업링크 데이터 전송이 수행되는 제 4 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제 3 단계에서는, 엣지 클라우드에서 비지도 학습 알고리즘을 통해 학습된 전송 트래픽의 특성에 기초하여 엔드 디바이스를 우선 순위에 따라 분류할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제 4 단계에서는, 엣지 클라우드를 통해 우선 순위에 따라 분류된 엔드 디바이스들에 업링크 데이터 전송을 위한 무선 채널이 액세스(access)되며, 액세스를 위해 엣지 클라우드에서 생성된 업링크 그룹 스케줄 정보는 비콘 메시지에 피기백(piggyback)되어 엔드 디바이스로 전송될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제 2 단계에서는, 다운링크 데이터 전송을 위해 고정된 크기의 수신슬롯이 사용되며, 다운링크 데이터 전송의 주기는 비콘 메시지의 주기의 절반 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제 1 단계에서는, 엣지 클라우드에서 엔드 디바이스에 대한 개별 접속 네트워크의 제어를 위해 다운링크 데이터 전송을 스케줄링하며, 스케줄링에 의해 생성된 다운링크 스케줄 정보는 비콘 메시지에 피기백되어 엔드 디바이스로 전송될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 전술한 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예로서 제공되는 로라 통신 네트워크 시스템 및 이의 데이터 전송 방법에 따르면, 시스템 상에 연결된 디바이스의 특성을 고려하여 데이터 전송을 수행함으로써, 전송 실패(ex. 데이터 충돌 등)에 의한 재시도로 전송지연이 기하급수적으로 늘어나는 것을 방지할 수 있다. 즉, 데이터 전송의 효율을 종래에 비해 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예로서 제공되는 로라 통신 네트워크 시스템 및 이의 데이터 전송 방법에 따르면, 업링크 전송 시 우선 순위에 따라 디바이스의 무선 채널 액세스를 조절하여 전송 실패 가능성을 줄임으로써, 재전송에 의한 디바이스의 에너지 소모를 낮출 수 있어 데이터 전송 시 에너지 효율 역시 종래에 비해 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 로라 통신 네트워크 시스템의 일 예를 나타낸 순서도이다.
도 2는 종래의 로라 통신 네트워크 시스템에서의 데이터 전송 방식의 일 예들을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 디바이스 클러스터링에 기반한 로라 통신 네트워크 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템의 업링크 데이터 전송 과정을 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템에서 비콘 메시지의 주기에 따른 다운링크 데이터 전송 및 업링크 데이터 전송 주기를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템의 다운링크 데이터 전송 과정을 나타낸 블록도이다.
도 7은 (a) 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템과 종래의 로라 통신 네트워크 시스템의 데이터 충돌 확률을 비교한 결과를 나타낸 그래프, (b) 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템의 엔드 디바이스 그룹별 데이터 충돌 확률을 나타낸 그래프이다.
도 8은 (a) 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템과 종래의 로라 통신 네트워크 시스템의 평균 전송 딜레이를 비교한 결과를 나타낸 그래프, (b) 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템과 종래의 로라 통신 네트워크 시스템의 업링크 전송의 트래픽 양을 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 디바이스 클러스터링에 기반한 로라 통신 네트워크 시스템의 데이터 전송 방법을 나타낸 순서도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 로라 통신 네트워크 시스템의 일 예를 나타낸 순서도이고, 도 2는 종래의 로라 통신 네트워크 시스템에서의 데이터 전송 방식의 일 예들을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 종래의 로라 통신 네트워크 시스템은 IoT 디바이스(1), 게이트웨이(2) 및 네트워크 서버(3)로 구성된다. 무선 영역에서 네트워크는 게이트웨이(2)를 중심으로 하여 싱글홉 스타 토폴로지(single hop star topology)로 구성되며, 게이트웨이(2)와 IoT 디바이스(1)는 로라 무선 통신(LPWAN wireless)를 통해 데이터를 송수신한다. 유선 영역에서 게이트웨이(2)는 네트워크 서버(2)와 연결된다. 네트워크 서버(2)는 LPWAN 관리자 기능을 사용하여 IoT 디바이스(1)와 같은 네트워크 상의 요소들을 관리하고, 게이트웨이(2)는 IoT 디바이스(1)로부터 수신한 데이터를 네트워크 서버(3)로 전달하는 중계기 기능을 수행한다. IoT 디바이스(1)는 LPWAN 기능을 사용하여 네트워크 서버(3)의 제어에 따라 정보를 수집하고 동작을 수행한다.
종래의 로라 통신 네트워크 시스템은 매우 단순한 전송 메커니즘을 통해 데이터 전송을 수행하므로, 네트워크 상에 연결된 모든 IoT 디바이스(1)는 데이터 프레임 전송 시 동일한 기회로 무선 채널에 액세스하게 되고, 이 과정에서 데이터 전송 간 충돌이 발생하여 전송 지연 시간이 길어지는 문제가 발생하게 된다.
도 2의 (a) 및 (b)는 로라 통신의 데이터 전송 유형 중 하나인 클래스 A에 의한 게이트웨이(2)와 디바이스(1) 간 데이터 전송 과정을 나타낸다. 로라 통신은 기본적으로 업링크 및 다운링크에서의 양방향 통신을 허용한다. 디바이스(1)와 게이트웨이(2) 간 데이터 전송을 위해서 슬롯화된 알로하(ALOHA)를 사용한다.
도 2의 (a)는 클래스 A의 업링크 데이터 전송 과정을 도시한다. 도 2의 (a)를 참조하면, 클래스 A에서는 디바이스로부터의 각각의 업링크 전송 시 두 개의 수신창이 생성된다. 네트워크 서버(3)로부터의 다운링크 전송은 디바이스(1)에서의 업링크 전송 후에 수신창에서 발생한다. 수신창은 각각 RECEIVE_DELAY1 시간 및 RECEIVE_DELAY2(i.e. RECEIVE_DELAY1 시간보다 긴 경우) 시간 이후에 오픈된다. 즉, 디바이스(1)가 다른 데이터를 보낼 준비가 된 경우(i.e. 다른 업링크 데이터 전송이 준비된 경우)에도 데이터를 곧바로 전송할 수 없으며, 수신창에서 다운링크 데이터의 수신을 기다려야한다.
도 2의 (b)는 클래스 A의 다운링크 데이터 전송 과정을 도시한다. 다운링크 데이터 전송을 위해서 디바이스(1)는 미확인 데이터 메시지(unconfirmed data)를 전송함으로써 다운 링크 데이터를 게이트웨이(2)에 요청한다. 이와 같이 요청이 수행되면, 디바이스(1)에서 수신창이 오픈되고 다운링크 데이터가 전송된다.
도 2의 (c)는 로라 통신의 데이터 전송 유형 중 하나인 클래스 B에 의한 게이트웨이(2)와 디바이스(1) 간 데이터 전송 과정을 나타낸다. 디바이스(1)는 클래스 A의 로라 응용 프로그램을 통해 데이터 전송 유형을 클래스 B로 전환하도록 요청할 수 있다. 클래스 B에서는 비콘을 브로드캐스트(broadcast)하는 게이트웨이(2)를 통해 데이터 전송이 수행된다. 게이트웨이(2)를 통해 전달되는 비콘 메시지는 로라 통신 네트워크의 디바이스(1)를 동기화 한다. 비콘 메시지을 수신하는 디바이스(1)는 수신창을 주기적인 시간 슬롯으로 사용할 수 있다. 다운링크 데이터 전송은 할당된 수신창에서 발생한다. 클래스 B의 디바이스(1)는 주기적으로 비콘 메시지를 수신하고, 비콘 메시지를 수신하지 않는 경우 클래스 A로 회귀한다.
도 2의 (c)를 참조하면, 클래스 B에서 디바이스(1)는 비콘 슬롯(Beacon Slot)과 수신 슬롯(Receive Slot)을 스케줄한다. 비콘 메시지는 비콘 슬롯에서 전송되고, 다운링크 데이터 메시지는 수신창으로서 스케줄된 슬롯을 따라 게이트웨이(2)로부터 디바이스로 전송된다. 이때, 업링크 데이터 메시지는 스케줄된 비콘 슬롯과 수신 슬롯을 피해 전송될 수 있다.
전술한 클래스 A 및 클래스 B 방식의 로라 데이터 전송은 랜덤 액세스 방식을 기반으로 한다. 따라서, 네트워크 시스템 상에 연결된 디바이스(1)의 특성에 관계없이 데이터를 전송하며, 단순히 업링크와 다운링크 데이터 전송 사이의 충돌만을 고려한다. 즉, 이러한 방식을 이용한 종래의 로라 통신 네트워크 시스템은 여러 디바이스(1)가 연결되는 경우 업링크 데이터 전송 시 데이터 간의 충돌이 발생하게 되고, 이에 따라 전송 효율이 감소할 수 밖에 없는 문제를 가진다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 디바이스 클러스터링에 기반한 로라 통신 네트워크 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 디바이스 클러스터링에 기반한 로라 통신 네트워크 시스템은, 로라 통신을 통해 업링크 데이터 전송 및 다운링크 데이터 전송이 수행되는 엔드 디바이스(100), 엔드 디바이스(100)에 비콘 메시지를 전송하며, 엔드 디바이스(100)로부터 수신된 데이터 패킷을 IP 패킷으로 변환하여 중계(broadcast)하기 위한 게이트웨이(200), 게이트웨이(200)와 연결되어 엔드 디바이스(100)에 대한 개별 접속 네트워크를 제어하기 위한 엣지 클라우드(300) 및 로라 통신 네트워크 시스템의 전반적인 동작을 관리 및 제어하기 위한 네트워크 서버(400)를 포함하며, 엣지 클라우드(300)는 엔드 디바이스(100)에 대한 개별 접속 네트워크를 제어하기 위해 엔드 디바이스(100)의 전송 트래픽을 실시간으로 모니터링하고, 모니터링된 전송 트래픽의 특성을 비지도 학습 알고리즘을 통해 학습함으로써, 엔드 디바이스(100)를 그룹화할 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔드 디바이스(100)는 사물인터넷 서비스가 제공될 수 있도록 무선 네트워크 연결이 가능한 장치를 말한다. 예를 들어, 엔드 디바이스(100)는 스마트폰, 태블릿 PC, 스마트 TV, 인공지능 스피커, 스마트 자동차 등일 수 있으며, 이에 한정되지 않고 사물인터넷 서비스를 위한 어플리케이션의 구동이 가능한 장치가 모두 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 게이트웨이(200)는 로라 통신의 데이터 전송 유형 중 클래스 B를 기초로 하여 데이터 전송을 수행하므로, 엔드 디바이스(100)에 비콘 메시지를 전달할 수 있다. 즉, 다운링크 데이터 전송의 보장을 위해 클래스 B에 기초하여 게이트웨이(200)는 엔드 디바이스(100)에 네트워크 서버(400) 또는 엣지 클라우드(300)의 제어명령이 포함된 비콘 메시지를 전달할 수 있다. 클래스 B에 기초한 다운링크 및 업링크 데이터 전송(i.e. 비콘 주기에 따라 네트워크 상에 할당되는 다운링크 및 업링크 슬롯 등)과 관련된 본 발명의 구체적인 내용은 아래의 도 5 및 도 6을 참조하여 후술하도록 한다.
도 1과 도 3을 비교하면, 종래의 로라 통신 네트워크 시스템과 달리 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템은 엣지 클라우드(300)를 추가적으로 포함하는 것을 알 수 있다. 종래에는 시스템 상에 연결되는 모든 디바이스들의 업링크 또는 다운링크 데이터 전송 및 관리를 네트워크 서버(400)에서 수행하였으나, 이는 전술하였듯이 데이터 전송 충돌과 같은 문제들을 야기한다. 이에 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템은 게이트웨이(200)와 연결되는 디바이스들의 데이터 전송을 위한 무선 채널 액세스(access)를 제어하기 위해서 엣지 클라우드(300)를 포함한다. 엣지 클라우드(300)는 개별 게이트웨이(200)마다 연결되어 시스템 상에서 형성될 수 있으며, 리소스가 부족한 엔드 디바이스(100)에 컴퓨팅 리소스를 제공할 수 있다.
더불어, 본 발명의 일 실시 예에 따른 엣지 클라우드(300)는 엔드 디바이스(100)에 대한 개별 접속 네트워크를 제어하기 위해 엔드 디바이스(100)의 전송 트래픽을 실시간으로 모니터링하고, 모니터링된 전송 트래픽의 특성을 비지도 학습 알고리즘을 통해 학습함으로써, 엔드 디바이스(100)를 그룹화할 수 있다. 이와 같은 엣지 클라우드(300)를 통한 업링크 및 다운링크 데이터 전송의 구체적인 제어 방법(i.e. 비지도 학습 알고리즘을 통한 학습 및 엔드 디바이스(100) 그룹화)은 도 4 내지 도 6을 참조하여 후술하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템의 업링크 데이터 전송 과정을 나타낸 블록도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템에서 비콘 메시지의 주기에 따른 다운링크 데이터 전송 및 업링크 데이터 전송 주기를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 엣지 클라우드(300)는 엔드 디바이스(100)의 그룹화를 통해 비지도 학습 알고리즘을 통해 학습된 전송 트래픽의 특성에 기초하여 엔드 디바이스(100)를 우선 순위에 따라 분류할 수 있다.
이때, 엣지 클라우드(300)에서 엔드 디바이스(100)의 전송 트래픽의 특성을 학습하기 위해 이용되는 비지도 학습 알고리즘은 k-means 클러스터링 알고리즘일 수 있다. k-means 클러스터링 알고리즘은 그룹 수가 미리 결정되지 않은 경우에 대한 자율 학습 알고리즘 중 하나이다. k-means 클러스터링 알고리즘을 나타내는 아래의 [표 1]을 참조하면, k-means 클러스터링 알고리즘에서는 먼저 그룹화를 위한 클러스터 중심(cluster centroids, μj)이 선택된다. 클러스터 중심은 각 그룹의 예상 중심점을 의미한다. 클러스터 중심은 학습 예제 데이터(training examples, X(i)) 중 k 샘플을 말하며, 무작위로 선택된다. 클러스터 중심이 선택되면 클러스터 중심과 학습 예제 데이터 사이의 데이터 생성 빈도 및 데이터 특성의 유클리드 거리(Euclidian distance)가 각 학습 예제 데이터에 대하여 계산된다. 그리고, 각 학습 예제 데이터에 대해 최소 유클리드 거리를 갖는 클러스터 중심이 학습 예제에 할당된다. 즉, 각 학습 데이터는 가장 가까운 클러스터 중심을 기준으로 그룹화된다. 그 후에 클러스터 중심은 학습 예제에 할당된 클러스터 중심 값을 의미하도록 업데이트된다. 유킬리드 거리 계산 및 클러스터 중심의 업데이트는 수렴될 때까지 반복되고, 이러한 과정을 통해 엔드 디바이스 그룹을 얻을 수 있다.
[표 1]
Figure 112018031749401-pat00001
전술한 바와 같은 비지도 학습 알고리즘을 통한 전송 트래픽 특성의 학습 과정을 통해 엔드 디바이스(100)의 그룹화가 수행됨과 동시에 엔드 디바이스(100)별로 데이터 전송의 우선 순위가 할당될 수 있다. 즉, 엣지 클라우드(300)에서는 엔드 디바이스(100)의 개별 접속 네트워크를 효율적으로 제어하기 위해 게이트웨이(200)에 연결된 엔드 디바이스(100)의 그룹화를 통해 엔드 디바이스(100)를 데이터 전송의 우선 순위에 따라 분류할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 엣지 클라우드(300)를 통해 우선 순위에 따라 분류된 엔드 디바이스들(100)에 업링크 데이터 전송을 위한 무선 채널이 액세스(access)되며, 액세스를 위해 엣지 클라우드(300)에서 생성된 업링크 그룹 스케줄 정보는 비콘 메시지에 피기백(piggyback)되어 엔드 디바이스(100)로 전송될 수 있다.
업링크 데이터 전송 시에 엔드 디바이스(100)가 동시에 무선 채널을 확보하려고 시도하는 경우 충돌을 피할 수 없으므로, 데이터 전송 효율 및 무선 채널 활용도를 높여 충돌을 최소화하기 위해 엣지 클라우드(300)에서는 엔드 디바이스(100) 그룹별로 우선 순위에 따라 무선 채널을 액세스할 수 있다. 이때, 액세스를 위한 상위 순서는 엔드 디바이스 그룹 중에서 높은 우선 순위가 많은 엔드 디바이스 그룹에 할당될 수 있다. 다시 말해서, 그룹을 구성하는 엔드 디바이스(100)의 평균 우선 순위가 가장 높은 엔드 디바이스 그룹에 상위 순서로 무선 채널이 액세스 되고, 평균 우선 순위가 가장 높은 엔드 디바이스 그룹에 대한 데이터 전송 시간은 업링크 주기의 시작 부분에 할당될 수 있다.
예를 들어, 도 4 및 도 5를 참조하면, 엔드 디바이스(100)가 엔드 디바이스 그룹 A(110), 엔드 디바이스 그룹 B(120) 및 엔드 디바이스 그룹 C(130) 등으로 그룹화된 경우, 평균 우선 순위가 가장 높은 그룹 A(110)가 업링크 데이터 전송 주기의 첫번째에 할당되고, 두번째로 높은 그룹 B(120)가 업링크 데이터 전송 주기의 두번째, 세번째로 높은 그룹 C(130)가 업링크 데이터 주기의 세번째에 할당될 수 있다. 각 엔드 디바이스 그룹은 할당된 업링크 데이터 전송 주기에 맞춰 무선 채널이 액세스되고, 게이트웨이(200)로의 업링크 데이터 전송을 수행할 수 있게 된다.
이와 같이 엔드 디바이스 그룹별로 할당되는 업링크 데이터 전송 주기(전송 시간)는 엣지 클라우드(300)에 의해 스케줄링되고, 스케줄링을 통해 생성된 업링크 그룹 스케줄 정보는 게이트웨이(200)에서 전송되는 비콘 메시지와 함께 피기백되어 주기적으로 엔드 디바이스(100)로 전달된다. 엔드 디바이스(100)는 전달받은 업링크 그룹 스케줄 정보에 기초하여 할당된 업링크 주기에 맞게 업링크 데이터 전송을 수행할 수 있다.
만약 엔드 디바이스 그룹 내의 엔드 디바이스(100) 간 데이터 전송 충돌, 백 오프(backoff), 무선 채널 획득 실패 등의 문제로 엔드 디바이스(100)가 업링크 데이터 전송을 수행할 수 없는 경우, 엔드 디바이스(100)는 다음 데이터 프레임의 다운링크 기간에 업링크 데이터(또는 메시지)를 전송할 수 있다. 즉, 다운링크 데이터 전송 시 엔드 디바이스(100)는 게이트웨이(200)로 응답 메시지를 전송하여 다운링크 데이터 수신을 응답해야 하므로, 엔드 디바이스(100)에서 이전 프레임(주기)에 전송되지 않은 업링크 데이터(또는 메시지)가 있는 경우, 이전 프레임(주기)에 전송되지 않은 업링크 데이터(또는 메시지)는 다운링크 주기에 응답 메시지와 함께 피기백되어 게이트웨이(200)로 전송될 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 다운링크 데이터 전송에는 고정된 크기의 수신슬롯이 사용되며, 엔드 디바이스(100)는 비콘 메시지에 기초하여 다운링크 데이터 전송의 주기를 결정하고, 다운링크 데이터 전송의 주기는 비콘 메시지의 주기의 절반 이하일 수 있다.
예를 들어, 도 5를 참조하면, 네트워크 상에서 다운링크 슬롯은 고정된 크기의 수신슬롯(RCV_SLOT)으로 비콘 슬롯 다음에 위치할 수 있으며, 비콘 메시지를 수신하는 엔드 디바이스(100)의 수에 따라 다운링크 슬롯의 크기(i.e. 다운링크 데이터 전송의 주기)가 가변적으로 결정될 수 있다. 다만, 다운링크 데이터 전송과 업링크 데이터 전송의 공정성을 위해 전체 다운링크 슬롯은 비컨 메시지의 주기의 절반을 초과해서는 안된다. 따라서, 다운링크 데이터 전송의 주기는 비콘 메시지의 주기의 절반 이하일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템의 다운링크 데이터 전송 과정을 나타낸 블록도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 엣지 클라우드(300)는 엔드 디바이스(100)에 대한 개별 접속 네트워크의 제어를 위해 다운링크 데이터 전송을 스케줄링하며, 스케줄링에 의해 생성된 다운링크 스케줄 정보는 비콘 메시지에 피기백되어 엔드 디바이스(100)로 전송될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 게이트웨이(200)는 클래스 B에 기초하여 데이터 전송을 수행하므로, 다운링크 데이터 전송을 스케줄링하기 위해 엣지 클라우드(300)에서 생성된 다운링크 스케줄 정보는 비콘 메시지에 피기백되어 엔드 디바이스(100)로 전송될 수 있다. 또한, 네트워크 서버(400)에서 생성된 시스템 전체의 데이터 전송 동작을 관리하기 위한 제어명령 역시 비콘 메시지에 피기백되어 엔드 디바이스(100)로 전송될 수 있다. 게이트웨이(200)에서 엔드 디바이스(100)로 주기적으로 전달되는 비콘 메시지에 피기백된 다운링크 스케줄 정보, 제어 명령 등을 엔드 다바이스에서 수신하고 이를 인식할 수 있으며, 인식된 정보 및 명령 등에 따라 엔드 디바이스(100)의 업링크 또는 다운링크 데이터 전송 등의 동작이 수행될 수 있다.
도 7은 (a) 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템과 종래의 로라 통신 네트워크 시스템의 데이터 충돌 확률을 비교한 결과를 나타낸 그래프, (b) 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템의 엔드 디바이스 그룹별 데이터 충돌 확률을 나타낸 그래프이다.
또한, 도 8은 (a) 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템과 종래의 로라 통신 네트워크 시스템의 평균 전송 딜레이를 비교한 결과를 나타낸 그래프, (b) 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템과 종래의 로라 통신 네트워크 시스템의 업링크 전송의 트래픽 양을 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8을 참조한 아래의 설명은 종래의 로라 통신 네트워크 시스템에서의 데이터 전송과 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템에서의 데이터 전송의 성능을 평가한 시뮬레이션 결과에 기초한 것이다.
<성능 평가 환경>
성능 평가는 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 수행되었으며, SMPL 라이브러리를 사용하여 C 언어로 구현된다. 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 데이터 전송 방법의 성능 평가는 종래의 로라 통신에서의 클래스 A 및 클래스 B와 비교를 통해 수행되었다. 클래스 A는 데이터 전송을 위해 퓨어 ALOHA를 사용하였으며, 수신 지연은 1초로 설정하였다. 클래스 B 및 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 데이터 전송 방법의 다운링크 전송을 위한 수신 슬롯의 크기는 5초로 가정하였으며, 다운링크 전송을 수행하는 엔드 디바이스(100)의 수는 비컨 메시지의 주기마다 1개 내지 10개 사이에서 무작위로 선택된다. 이때, 비컨 메시지의 주기는 125초로 설정되었다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 데이터 전송 방법에서는 세 종류의 엔드 디바이스 그룹을 가정하였으며, 세 종류의 엔드 디바이스 그룹은 각각 0.004, 0.002 및 0.001의 서로 다른 도착 비율(interarrival rate)을 가지는 포아송(poisson) 분포를 사용하여 데이터를 생성한다. 각 엔드 디바이스 그룹은 5:3:2의 비율로 분포되며, 데이터의 크기는 250 바이트(byte)로 설정되고, 시뮬레이션은 최대 1000회의 비콘 주기로 수행되었다.
<성능 매트릭스>
성능 평가를 위한 성능 매트릭스로서 무선 채널에서의 충돌 확률, 예상되는 전송 지연 및 성공적으로 전송된 데이터의 기대값이 사용되었으며, 각각의 매트릭스는 다음과 같이 추정할 수 있다.
- 충돌 확률(Collision probability)
무선 채널에서 포아송 분포로 데이터가 생성될 때, 채널에서의 데이터 생성 확률은 아래의 [식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[식 1]
Figure 112018031749401-pat00002
[식 1]에서 X는 시간 t에서 데이터를 표현하는 랜덤 변수이고, n은 무선 채널에서의 데이터 수를 의미한다. 이때, 도착 비율(interarrival rate, λ)가 주어지면, 데이터 생성 확률은 지수 함수로 나타낼 수 있다.
충돌은 무선 채널에서 여러 번 전송을 시도할 때 발생하므로, 충돌 확률을 구하기 위해서 성공적인 데이터 전송 확률이 사용된다. 이는 무선 채널에서 데이터가 없는 랜덤 변수 X로 [식 2]와 같이 표현된다.
[식 2]
Figure 112018031749401-pat00003
그러면, 충돌 확률은 아래의 [식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
[식 3]
Figure 112018031749401-pat00004
[식 3]을 통해 알 수 있듯이, 충돌 확률은 무선 채널에서 입력 데이터의 도착 비율(interarrival rate, λ)에 의존한다.
- 예상되는 전송 지연(Expected transmission delay)
전술한 바와 같이, 네트워크 상에서 다운링크 전송을 위해서 전용 슬롯이 사용된다. 업링크 전송에서 다운링크 전송에서와 같이 전용 슬롯은 사용되지 않지만, 데이터가 전송되어 확인 응답이 수신될 때까지 다운링크 슬롯 크기만큼의 시간이 요구된다고 가정한다. 또한, 충돌이 발생하는 경우 재전송이 최대 두 번 시도되고, 재전송은 랜덤 백오프 후에 수행되는 것으로 가정한다. 그렇다면 예상되는 전송 지연은 [식 4]와 같이 충돌 확률을 이용하여 표현될 수 있다.
[식 4]
Figure 112018031749401-pat00005
이 때, TS는 성공적으로 전송된 시간으로 5초로 가정된다. TBO는 백오프 시간을 나타내고, 나머지 업링크 전송 시간에서 랜덤하게 결정된다. r은 재전송 시도 횟수를 의미한다.
- 성공적으로 전송된 데이터의 기대값(Expected value of successfully transmitted data)
충돌 확률에 의해 성공적으로 전송된 데이터의 기대값을 얻을 수 있다. 재전송이 고려될 때, 성공적으로 전송된 데이터의 기대값은 아래의 [식 5]와 같이 표현될 수 있다.
[식 5]
Figure 112018031749401-pat00006
여기서 BYTE는 데이터의 크기를 의미하며, [식 5]를 통해 네트워크 서버에서 수신된 데이터의 양이 추정될 수 있다.
<시뮬레이션 결과>
전술한 성능 매트릭스를 사용하여 평가된 결과는 다음과 같다.
도 7의 (a)와 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 데이터 전송 방법은 가장 낮은 충돌 확률을 보임을 확인할 수 있다. 클래스 A는 가장 높은 충돌 확률을 나타냄을 알 수 있으며, 이는 동일한 무선 채널에서 업링크 및 다운링크 데이터 전송을 수행하기 때문임을 알 수 있다. 그에 비해 클래스 B는 무선 채널을 다운링크와 업링크로 구분하므로 다운링크 및 업링크 전송 사이의 충돌은 발생하지 않는다. 다만, 업링크 전송 기간에서 각 엔드 디바이스(100)가 데이터를 전송하는 경우 충돌이 발생하므로 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 데이터 전송 방법에 비해 높은 충돌 확률을 보임을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템에서는 엔드 디바이스(100)의 우선 순위에 따라 그룹별로 전송주기를 제공하므로, 충돌 확률을 클래스 A 및 클래스 B에 비해 현저히 감소시킬 수 있다.
도 8의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 데이터 전송 방법은 클래스 A 및 클래스 B에 비해 가장 짧은 전송 지연을 보여줌을 확인할 수 있다. 평균 전송 지연 그래프는 충돌 확률 그래프와 유사한 것을 알 수 있는데, 이는 충돌 가능성이 증가함에 따라 재전송으로 인한 전송 지연이 증가하기 때문이다.
리소스가 부족한 LPWAN에서는 안정적인 데이터 전송을 위해 충돌을 최소화해야 한다. 저전력 및 저속으로 데이터를 장거리 전송해야하는 경우, 많은 메시지 교환을 필요로 하는 복잡한 데이터 전송 기술을 적용할 수 없다. 즉, 로라 통신에서의 데이터 전송 기술은 간단하면서도 효과적이여야 한다. 따라서, 도 7 및 도 8의 (a)에 도시된 결과를 통해서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템을 이용하면 충돌 가능성을 현저히 줄여 저전력 및 저속으로도 효과적으로 장거리 데이터 전송을 수행할 수 있다.
도 8의 (b)는 충돌 확률을 기반으로 예상되는 업링크 전송의 트래픽 양을 도시한다. 이 때, Y축의 업링크 바이트 양은 서버에서 성공적으로 전송된 데이터 기대값을 의미한다. 클래스 A에서는 업링크 및 다운링크 데이터 전송이 동시에 발생하여 충돌 확률이 높기 때문에 전송 성공률이 매우 낮은 것을 확인할 수 있다. 클래스 B와 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 데이터 전송 방식은 업링크와 다운링크 전송을 분리하여 업링크와 다운링크 간의 충돌을 피할 수 있도록 함으로써 전송 성공률를 높일 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 데이터 전송 방식은 업링크 데이터 전송에서의 충돌 확률 또한 감소시킬 수 있으므로, 시간이 지날수록 클래스 B에 비해 성공적으로 전송된 데이터 기대값이 더 커짐을 알 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하여 살펴보았듯이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템에서의 데이터 전송 방식은 종래의 로라 통신 네트워크 시스템에서의 클래스 A 및 클래스 B에 비해 충돌 확률, 전송 지연, 성공적으로 전송된 데이터 기대값 등의 지표에 있어서 상당히 개선된 성능을 보여줌을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 로라 통신 네트워크 시스템을 통해 엔드 디바이스(100)의 데이터 전송 간 충돌을 감소시킴으로써, 데이터 전송의 효율을 종래 대비 크게 향상시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 디바이스 클러스터링에 기반한 로라 통신 네트워크 시스템의 데이터 전송 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 디바이스 클러스터링에 기반한 로라 통신 네트워크 시스템의 데이터 전송 방법은, 게이트웨이(200)로부터 엔드 디바이스(100)에서 비콘 메시지를 수신하고, 수신된 비콘 메시지에 기초하여 엔드 디바이스(100)에서 다운링크 데이터 전송의 주기가 결정되는 제 1 단계(S100), 결정된 다운링크 데이터 전송의 주기에 따라 엔드 디바이스(100)와 게이트웨이(200) 간에 다운링크 데이터 전송이 수행되는 제 2 단계(S200), 엔드 디바이스(100)에 대한 개별 접속 네트워크를 제어하기 위해 게이트웨이(200)에 연결된 엣지 클라우드(300)에서 엔드 디바이스(100)의 전송 트래픽을 실시간으로 모니터링하고, 모니터링된 전송 트래픽의 특성을 비지도 학습 알고리즘을 통해 학습함으로써, 엔드 디바이스(100)를 그룹화하는 제 3 단계(S300) 및 엔드 디바이스(100)의 그룹화에 기초하여 엔드 디바이스(100)와 게이트웨이(200) 간에 업링크 데이터 전송이 수행되는 제 4 단계(S400)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제 3 단계(S300)에서는, 엣지 클라우드(300)에서 비지도 학습 알고리즘을 통해 학습된 전송 트래픽의 특성에 기초하여 엔드 디바이스(100)를 우선 순위에 따라 분류할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제 4 단계(S400)에서는, 엣지 클라우드(300)를 통해 우선 순위에 따라 분류된 엔드 디바이스들(100)에 업링크 데이터 전송을 위한 무선 채널이 액세스(access)되며, 액세스를 위해 엣지 클라우드(300)에서 생성된 업링크 그룹 스케줄 정보는 비콘 메시지에 피기백(piggyback)되어 엔드 디바이스(100)로 전송될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제 2 단계에서(S200)는, 다운링크 데이터 전송을 위해 고정된 크기의 수신슬롯이 사용되며, 다운링크 데이터 전송의 주기는 비콘 메시지의 주기의 절반 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 제 1 단계(S100)에서는, 엣지 클라우드(300)에서 엔드 디바이스(100)에 대한 개별 접속 네트워크의 제어를 위해 다운링크 데이터 전송을 스케줄링하며, 스케줄링에 의해 생성된 다운링크 스케줄 정보는 비콘 메시지에 피기백되어 엔드 디바이스(100)로 전송될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 방법과 관련하여서는 전술한 시스템에 대한 내용이 적용될 수 있다. 따라서, 방법과 관련하여, 전술한 시스템에 대한 내용과 동일한 내용에 대하여는 설명을 생략하였다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 전술한 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공할 수 있다. 다시 말해서, 전술한 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터 판독 가능 매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 방법에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터 판독 가능 매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 본 발명의 다양한 방법들을 수행하기 위한 실행 가능한 컴퓨터 프로그램이나 코드를 기록하는 기록 매체는, 반송파(carrier waves)나 신호들과 같이 일시적인 대상들은 포함하는 것으로 이해되지는 않아야 한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, DVD 등)와 같은 저장 매체를 포함할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 엔드 디바이스 110: 엔드 디바이스 그룹 A
120: 엔드 디바이스 그룹 B 130: 엔드 디바이스 그룹 C
200: 게이트웨이 300: 엣지 클라우드
400: 네트워크 서버

Claims (11)

  1. 디바이스 클러스터링에 기반한 로라 통신 네트워크 시스템에 있어서,
    로라 통신을 통해 업링크 데이터 전송 및 다운링크 데이터 전송이 수행되는 엔드 디바이스;
    상기 엔드 디바이스에 비콘 메시지를 전송하며, 상기 엔드 디바이스로부터 수신된 데이터 패킷을 IP 패킷으로 변환하여 중계(broadcast)하기 위한 게이트웨이;
    상기 게이트웨이와 연결되어 상기 엔드 디바이스에 대한 개별 접속 네트워크를 제어하기 위한 엣지 클라우드; 및
    상기 로라 통신 네트워크 시스템의 전반적인 동작을 관리 및 제어하기 위한 네트워크 서버를 포함하며,
    상기 엣지 클라우드는 상기 엔드 디바이스에 대한 개별 접속 네트워크를 제어하기 위해 상기 엔드 디바이스의 전송 트래픽을 실시간으로 모니터링하고, 상기 모니터링된 전송 트래픽의 특성을 비지도 학습 알고리즘을 통해 학습함으로써, 상기 엔드 디바이스를 그룹화하며,
    상기 엣지 클라우드는 상기 엔드 디바이스의 그룹화를 통해 상기 비지도 학습 알고리즘을 통해 학습된 전송 트래픽의 특성에 기초하여 상기 엔드 디바이스를 우선 순위에 따라 분류하는 것을 특징으로 하는 로라 통신 네트워크 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 엣지 클라우드를 통해 상기 우선 순위에 따라 분류된 엔드 디바이스들에 상기 업링크 데이터 전송을 위한 무선 채널이 액세스(access)되며,
    상기 액세스를 위해 상기 엣지 클라우드에서 생성된 업링크 그룹 스케줄 정보는 상기 비콘 메시지에 피기백(piggyback)되어 상기 엔드 디바이스로 전송되는 것을 특징으로 하는 로라 통신 네트워크 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다운링크 데이터 전송에는 고정된 크기의 수신슬롯이 사용되며,
    상기 엔드 디바이스는 상기 비콘 메시지에 기초하여 상기 다운링크 데이터 전송의 주기를 결정하고,
    상기 다운링크 데이터 전송의 주기는 상기 비콘 메시지의 주기의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 로라 통신 네트워크 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 엣지 클라우드는 상기 엔드 디바이스에 대한 개별 접속 네트워크의 제어를 위해 상기 다운링크 데이터 전송을 스케줄링하며,
    상기 스케줄링에 의해 생성된 다운링크 스케줄 정보는 상기 비콘 메시지에 피기백되어 상기 엔드 디바이스로 전송되는 것을 특징으로 하는 로라 통신 네트워크 시스템.
  6. 디바이스 클러스터링에 기반한 로라 통신 네트워크 시스템의 데이터 전송 방법에 있어서,
    게이트웨이로부터 엔드 디바이스에서 비콘 메시지를 수신하고, 상기 수신된 비콘 메시지에 기초하여 상기 엔드 디바이스에서 다운링크 데이터 전송의 주기가 결정되는 제 1 단계;
    상기 결정된 다운링크 데이터 전송의 주기에 따라 상기 엔드 디바이스와 상기 게이트웨이 간에 다운링크 데이터 전송이 수행되는 제 2 단계;
    상기 엔드 디바이스에 대한 개별 접속 네트워크를 제어하기 위해 상기 게이트웨이에 연결된 엣지 클라우드에서 상기 엔드 디바이스의 전송 트래픽을 실시간으로 모니터링하고, 상기 모니터링된 전송 트래픽의 특성을 비지도 학습 알고리즘을 통해 학습함으로써, 상기 엔드 디바이스를 그룹화하는 제 3 단계; 및
    상기 엔드 디바이스의 그룹화에 기초하여 상기 엔드 디바이스와 상기 게이트웨이 간에 업링크 데이터 전송이 수행되는 제 4 단계를 포함하며,
    상기 제 3 단계에서는, 상기 엣지 클라우드에서 상기 비지도 학습 알고리즘을 통해 학습된 전송 트래픽의 특성에 기초하여 상기 엔드 디바이스를 우선 순위에 따라 분류하는 것을 특징으로 하는 로라 통신 네트워크 시스템의 데이터 전송 방법.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 4 단계에서는, 상기 엣지 클라우드를 통해 상기 우선 순위에 따라 분류된 엔드 디바이스들에 상기 업링크 데이터 전송을 위한 무선 채널이 액세스(access)되며,
    상기 액세스를 위해 상기 엣지 클라우드에서 생성된 업링크 그룹 스케줄 정보는 상기 비콘 메시지에 피기백(piggyback)되어 상기 엔드 디바이스로 전송되는 것을 특징으로 하는 로라 통신 네트워크 시스템의 데이터 전송 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서는, 상기 다운링크 데이터 전송을 위해 고정된 크기의 수신슬롯이 사용되며,
    상기 다운링크 데이터 전송의 주기는 상기 비콘 메시지의 주기의 절반 이하인 것을 특징으로 하는 로라 통신 네트워크 시스템의 데이터 전송 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 단계에서는, 상기 엣지 클라우드에서 상기 엔드 디바이스에 대한 개별 접속 네트워크의 제어를 위해 상기 다운링크 데이터 전송을 스케줄링하며,
    상기 스케줄링에 의해 생성된 다운링크 스케줄 정보는 상기 비콘 메시지에 피기백되어 상기 엔드 디바이스로 전송되는 것을 특징으로 하는 로라 통신 네트워크 시스템의 데이터 전송 방법.
  11. 제 6 항, 제 8 항, 제 9 항 또는 제 10 항 중 어느 한 항의 방법을 구현하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
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