KR102265692B1 - 무선 네트워크를 구성하는 장치 및 이의 통신 방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 무선 네트워크 통신 시스템에서 데이터 통신하는 허브 장치 및 디바이스의 통신 방법을 제공한다. 무선 통신 시스템을 구성하는 허브 장치의 데이터 통신 방법은, 복수의 디바이스 각각으로부터 디바이스가 허브 장치에 전송하고자 하는 데이터의 크기 정보를 포함하는 GTS(Guaranteed Time Slot) 할당 요청을 수신하는 단계, 상기 복수의 디바이스 각각으로부터 수신한 데이터의 크기 정보를 바탕으로 상기 복수의 디바이스들에 대한 수퍼프레임 오더(SO, Superframe Order)를 판단하는 단계, 및 상기 판단된 수퍼프레임 오더에 대응되는 GTS를 상기 복수의 디바이스의 GTS로 할당하는 단계를 포함한다. 본 개시의 실시 예에 따라, 허브 장치 및 단말장치인 디바이스에서 배터리 전력이 낭비되는 것을 억제할 수 있다.

Description

무선 네트워크를 구성하는 장치 및 이의 통신 방법 {Device for Wireless Network and Communication Method thereof}
본 발명은 무선 네트워크를 구성하는 시스템, 장치 및 이의 통신 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 무선 네트워크 통신 시스템에서 보장된 타임 슬롯을 디바이스에 할당하는 데이터 통신 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 무선 네트워크가 IoT(Internet on Things) 구축, 홈 오토메이션, 산업 자동화 등과 같은 분야에서 핵심 지원 기술 중 하나로 많은 관심을 받고 있다.
예를 들어, IoT가 구축된 기술은 스마트 홈에서 일상 가전 기기들이 무선 개인 영역 통신망(Wireless Personal Area Network, WPAN)에 연결되어 상호간 데이터를 주고 받으며 유기적으로 통신한다.
그러나, 스마트 홈을 구성하는 IoT 장치들 중 코디네이터 역할을 하는 허브 장치는 논비콘(non-beacon) IEEE 802.15.4를 이용한다. 따라서, non-beacon IEEE 802.15.4를 이용하는 허브 장치는 높은 신뢰성, 높은 대역폭 활용도, 높은 스루풋(throughput)및 낮은 전력 소비를 지원하지 않는 문제점이 있다. 또한, 논비콘 모드를 사용하는 허브 장치는 낮은 성능으로 인해, 네트워크 커버리지가 제한적이며 허브 장치에 연결되는 단말 장치들의 숫자도 제한적인 문제점이 있다.
한편, 허브 장치에 연결되는 단말 장치들은 수퍼프레임의 GTS(Guaranteed Time Slot)을 이용하여 QoS(Quality of Service)를 제공할 수 있다. 허브 장치는 단말장치로부터 GTS 요청 메시지(GTS request command)를 접수하고, GTS를 단말장치에 할당하고, 단말장치로부터 GTS할당 해지 메시지를 접수한다. 따라서, 단말장치가 할당된 타임 슬롯 구간에서 데이터를 송수신하지 않더라도, 수퍼프레임의 GTS 구간에서 허브 장치가 단말 장치로부터 GTS 할당 해지 메시지를 수신하기 전까지 단말장치에 할당된 GTS의 타임슬롯 대역폭(bandwidth) 및 소비전력은 낭비되는 문제가 있다.
본 개시는 상술한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 무선 네트워크를 구성하는 허브 장치 및 디바이스의 성능을 향상 시킬 수 있는 GTS할당을 위한 데이터 통신 방법 및 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 본 개시의 다른 목적은 IEEE 802.15.4 무선 네트워크 표준 규격에 따른 호환성을 유지하도록 IEEE 802.15.4 통신 표준을 수정하여 무선 네트워크 시스템을 구성하는 장치들의 성능을 향상시킬 수 있는 GTS할당을 위한 데이터 통신 방법 및 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른, 무선 통신 시스템을 구성하는 허브 장치의 데이터 통신 방법은, 복수의 디바이스 각각으로부터 디바이스가 허브 장치에 전송하고자 하는 데이터의 크기 정보를 포함하는 GTS(Guaranteed Time Slot) 할당 요청을 수신하는 단계, 상기 복수의 디바이스 각각으로부터 수신한 데이터의 크기 정보를 바탕으로 상기 복수의 디바이스들에 대한 수퍼프레임 오더(SO, Superframe Order)를 판단하는 단계, 및 상기 판단된 수퍼프레임 오더에 대응되는 GTS를 상기 복수의 디바이스의 GTS로 할당하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른, 무선 통신 시스템을 구성하는 허브 장치에 있어서, 복수의 디바이스와 데이터를 송수신하기 위한 통신부, 상기 복수의 디바이스 각각으로부터 디바이스가 상기 허브 장치에 전송하고자 하는 데이터의 크기 정보를 포함하는 GTS(Guaranteed Time Slot) 할당 요청을 수신하고, 상기 복수의 디바이스 각각으로부터 수신한 데이터의 크기 정보를 바탕으로 상기 복수의 디바이스들에 대한 수퍼프레임 오더(SO, Superframe Order)를 판단하고, 상기 판단된 수퍼프레임 오더에 대응되는 GTS를 상기 복수의 디바이스의 GTS로 할당하는 프로세서를 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른, 무선 네트워크 시스템을 구성하는 디바이스는, 허브 장치와 데이터를 송수신하기 위한 통신부, 상기 허브 장치에 전송하고자 하는 디바이스의 데이터 크기 정보를 포함하는 GTS(Guaranteed Time Slot) 할당 요청을 상기 허브 장치에 전송하고, 상기 허브 장치로부터 상기 디바이스에 대한 GTS 할당 정보를 수신하고, 상기 수신한 GTS 할당 정보를 바탕으로 상기 디바이스의 송수신 모드를 판단하고, 상기 판단된 송수신 모드에 기초하여 상기 허브 장치와 데이터를 송수신하도록 상기 통신부를 제어하는 프로세서를 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른, 무선 네트워크 시스템은, 복수의 디바이스 각각으로부터 디바이스가 전송하고자 하는 데이터의 크기 정보를 포함하는 GTS(Guaranteed Time Slot) 할당 요청을 수신하고, 상기 복수의 디바이스 각각으로부터 수신한 데이터의 크기 정보를 바탕으로 상기 복수의 디바이스들에 대한 수퍼프레임 오더(SO, Superframe Order)를 판단하고, 상기 판단된 수퍼프레임 오더에 대응되는 GTS를 상기 복수의 디바이스의 GTS로 할당하는 허브 장치, 및 상기 허브 장치에 전송하고자 하는 디바이스의 데이터 크기 정보를 포함하는 GTS(Guaranteed Time Slot) 할당 요청을 전송하고, 상기 허브 장치로부터 상기 디바이스에 대한 GTS 할당 정보를 수신하고, 상기 수신한 GTS 할당 정보를 바탕으로 상기 디바이스의 송수신 모드를 판단하고, 상기 판단된 송수신 모드에 기초하여 상기 허브 장치와 데이터를 송수신하는 디바이스를 포함한다.
이상과 같은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 네트워크를 구성하는 장치 및 이의 데이터 통신 방법은, 디바이스가 할당된 GTS 구간에서 데이터 송수신 모드에 따라 다른 전원 상태를 가짐으로써 디바이스의 전력 소모를 효과적으로 줄일 수 있다.
또한, 이상과 같은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 네트워크를 구성하는 장치 및 이의 데이터 통신 방법은, 허브 장치에 연결되는 디바이스의 개수를 증가시킬 수 있고, 낭비되는 대역폭을 줄이며, 네트워크 커버리지를 확장시킴으로써 네트워크의 성능을 개선시킬 수 있다.
도 1a 및 1b는 IoT(Internet on Things) 서비스를 제공하기 위한 무선 네트워크 토폴로지의 일반적인 예시도,
도 2는 IEEE 802도 1a 및 1b는 IoT(Internet on Things) 서비스를 제공하기 위한 무선 네트워크 토폴로지의 일반적인 예시도,
도 2는 IEEE 802.15.4 시스템에서 사용되는 수퍼프레임의 구조를 나타내는 도면,
도 3은 IEEE 802.15.4 시스템에서 허브 장치와 단말 장치 사이의 GTS 할당에 따른 데이터 통신 절차를 도시하는 흐름도,
도 4는, 본 개시의 일 실시 예에 따른, GTS 대역폭 낭비를 감소하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 5는, 본 개시의 일 실시예에 따른, IEEE 802.15.4의 GTS 할당 요청 코맨드 프레임을 설명하기 위한 도면,
도 6은, 본 개시의 일 실시 예에 따른, 허브 장치의 GTS 할당 방법을 도시한 순서도,
도 7은, 본 개시의 일 실시 예에 따른, 단말 장치인 디바이스의 GTS 할당 요청에 따른 데이터 통신 방법을 도시한 순서도,
도 8은, 본 개시의 일 실시 예에 따른, 허브 장치 및 단말 장치의 데이터 통신 방법을 도시한 순서도,
도 9는, 본 개시의 일 실시 예에 따른, 허브 장치 및 단말 장치에서의 소비 전력이 감소되는 것을 설명하기 위한 그래프, 그리고
도 10은, 본 개시의 일 실시 예에 따른, 허브 장치 및 단말 장치를 구성하는 간단한 블록도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 개시에서 "허브 장치"는 무선 통신 네트워크에서 서로 무선 데이터 통신을 하는 디바이스들을 제어하는 "코디네이터"를 나타낼 수 있고, "디바이스"는 무선 통신 네트워크에서 코디네이터 및 다른 디바이스와 무선 네트워크 통신을 하는 "단말 장치"를 나타낼 수 있다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1a 및 1b는 IoT(Internet on Things) 서비스를 제공하기 위한 무선 네트워크 토폴로지의 일반적인 예시도이다.
도 1a는 스타형(star topology) 네트워크 토폴로지를 도시하고, 도 1b는 트리형(tree topology) 네트워크 토폴로지를 도시한다.
WPAN/WLAN(Wireless Personal Area Network/Wireless LAN) 등의 근거리 무선 통신에서 디바이스(100-1 내지 100-6) 및 허브 장치(200)는 수퍼프레임(Super frame)이라는 시간 개념을 이용하여 데이터 통신을 수행한다.
도 1a를 참조하면, 스마트홈(10)에서 스타형 네트워크 토폴로지는 허브 장치(200)가 복수의 디바이스(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, 100-5, 100-6)와 통신을 한다. 허브 장치(200)는 FFD(Full Function Device) 중 하나로서 코디네이터 장치가 되어 비콘 신호를 전송하고, RFD(Reduced Function Device)인 다른 디바이스들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, 100-5, 100-6)을 관리하고 제어한다.
도 1b를 참조하면, 트리형 네트워크 토폴로지는 FFD인 허브 장치(200)가 RFD인 복수의 디바이스(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, 100-5, 100-6, 100-7, 100-8, 100-9)와 통신할 수 있다. 각 디바이스(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, 100-5, 100-6, 100-7, 100-8, 100-9)는 네트워크 내의 어떤 다른 디바이스와도 통신할 수 있다. 따라서, 트리형(피어 투 피어, peer to peer) 토폴로지는 복잡한 형태의 네트워크를 구성할 수 있다. 따라서, 트리형 토폴로지는 높은 데이터 신뢰성과 접속 인식률을 가진다.
예를 들어, 허브 장치(200)는 무선 네트워크 시스템에서 디바이스의 리소스를 처리하는 코디네이터 장치일 수 있다. 허브 장치(200)는 스마트 홈에서 무선 네트워크를 통해 스마트 센서(smart sensors), 전등(lights), 잠금 장치(locks), 카메라(camera) 등과 연결될 수 있다. 상술한 예들은 본 개시를 설명하기 위한 일 실시 예일 뿐 이에 한정되지 않는다.
디바이스(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, 100-5, 100-6, 100-7, 100-8, 100-9)는 허브 장치(200)와 무선 네트워크를 통해 연결되는 단말장치 또는 센서들을 포함하는 장치일 수 있다. 예를 들어, 디바이스는 문의 개폐를 모니터하는 센서들이 부착된 문(doors), 창문(windows), 캐비닛(cabinets), 또는 차고(garage) 등일 수 있다. 또한, 디바이스는 집에서 어떤 물체 또는 사용자의 이동을 모니터하는 센서가 부착된 것일 수 있다. 또한, 디바이스는 전자 장치 등을 제어하는 아웃렛(outlet)일 수도 있다. 디바이스는 허브 장치(200)와 무선 네트워크 상에서 무선 통신하는 수많은 장치들일 수 있다.
현재 스마트홈을 구성하는 장치들은 스타형 토폴로지 형태의 네트워크이다. 그러나, IoT 의 이용 범위가 확장됨에 따라 트리형 토폴로지 형태의 네트워크를 통해 스마트 홈이 구축될 수 있다. 스타형 토폴로지는 트리형 토폴로지보다 네트워크 커버리지가 제한적일 수 있다. 또한, 트리형 토폴로지 형태의 네트워크를 구성하는 디바이스들은 스타형 토폴로지 형태의 네트워크를 구성하는 디바이스들보다 큰 데이터 사이즈를 송수신할 수 있다.
IEEE 802.15.4의 수퍼프레임 구조는 코디네이터 장치인 허브 장치(200)에 의해서 결정된다. 현재의 IEEE 802.15.4의 수퍼프레임의 GTS 할당은 디바이스의 리소스를 고려하지 않는다. 따라서, 본 개시의 일 실시 예에 따라, 디바이스의 리소스를 반영할 수 있고, 트리형 토폴로지에도 적용될 수 있는 IEEE 802.15.4의 표준의 수정이 필요하다. 본 개시의 실시 예에 따른 IEEE 802.15.4 의 변형(modify) 대해서는 도 4 내지 도 10에서 상술한다.
도 2는 IEEE 802.15.4 시스템에서 사용되는 수퍼프레임의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 수퍼프레임 구조는 허브 장치에 의해 결정되고, 비콘 신호를 통해 디바이스에 수퍼프레임 정보를 통보한다. 비콘 신호를 수신하는 디바이스는 근거리 무선 네트워크와 동기화를 이룬다.
비콘 신호와 다음 비콘 신호 사이는 활성 구간과 비활성(inactive) 구간으로 구분된다. 비콘 신호는 수퍼프레임의 구조를 결정하는 SO(Superframe Order) 값 및 BO(Beacon Order) 값을 포함한다. SO 및 BO는 허브 장치(200)가 결정한다. 예를 들어, 보낼 데이터가 많은 경우에는 SO 값 및 BO 값을 큰 값으로 부여하고, 실시간성 트래픽이면 BO 값을 작은 값으로 할 수 있다.
디바이스는 비콘을 수신한 후 BO 값으로 비콘 사이의 간격(BI, Beacon Interval)을 결정하고, SO값으로 액티브 구간(SD, Superframe Duration)을 결정한다.
SD(Superframe Druation) (210)는 동일한 간격의 16개의 슬롯으로 이루어진 활성 구간의 길이이다. 활성 구간(210)은 다른 디바이스와 경쟁을 하며 GSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) 알고리즘 방식으로 통신하는 CAP(Contention Access Period)와 실시간 통신이나 특정 대역폭을 요구하는 통신을 위해 허브 장치로부터 수퍼프레임의 일정 구간을 할당 받는 GTS(Guaranteed Time Slot)로 이루어진 CFP(Contention Free Period)(220)로 이루어진다.
GTS 할당은 디바이스가 허브 장치에 GTS 할당을 요청하여 이루어지며, 디바이스가 GTS 이용을 중지하기 위해서는 GTS 할당 해제(deallocation)를 요청한다. 허브 장치(200)는 GTS를 구성하는 각 GTS가 어느 디바이스에게 할당되는 지 결정한다. GTS는 최대 7개를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 하나의 디바이스에 복수의 GTS가 할당될 수 있다. 즉, 디바이스가 한번 GTS를 할당 받으면 해체 요청을 할 때까지 다른 디바이스들이 해당 GTS를 사용할 수 없다. 또한, GTS 할당 해제는 허브 장치가 기 설정된 특정 규칙에 의해 해제할 수도 있다.
SD(Superframe Duration)(210)은 디바이스(100)와 허브 장치(200) 사이에 데이터 송수신이 이루어지는 활성구간으로서 수퍼프레임 오더(SO, Superframe Order)가 증가할수록 SD의 길이는 확장된다. SD=aBaseSuperframeDuration*2SO 이고 0=< SO =< BO(Beacon order) =<14 이다. 이때, SD=14 값을 가지면 수퍼프레임에 비활성 구간은 존재하지 않는다. SD(210)에서 GTS의 할당이 결정되고 남은 구간은 CAP으로 사용된다. 따라서, SD(210)에서 GTS의 할당과 GTS의 사용은 수퍼프레임을 결정짓고 비콘 인터벌(BI, Beacon Interval)에도 영향을 미친다. 비콘 인터벌(BI, Beacon Interval) 동안 디바이스들은 비콘 신호를 수신하기 위해 활성 구간에서 액티브 상태이고 비활성 구간에서 슬립 모드를 유지한다.
즉, IEEE 802.15.4 표준에 따른 수퍼프레임 구조에서, SO가 증가할수록 SD 값이 증가한다. SD 값이 증가하는 것은 슬롯당 제공할 수 있는 대역폭이 증가하는 것을 의미한다. 따라서, SO가 증가할수록 디바이스가 요구하는 대역폭 이상으로 자원이 할당되어 대역폭이 낭비될 수 있다. 예를 들어, 디바이스가 전송하고자 하는 데이터(리소스)의 사이즈는 작으나 디바이스가 GTS를 요청한 SO가 높은 값을 가진 경우, 높은 SO 값에 의해 SD 값이 디바이스가 필요로 하는 대역폭보다 클 수 있다. 또한, 디바이스는 CAP 구간 및 자신이 할당된 GTS 구간에서는 반드시 활성 모드로 동작해야 한다. 따라서, 디바이스는 비효율적으로 전력이 소모될 수 있다.
도 3은 IEEE 802.15.4 시스템에서 허브 장치와 단말 장치 사이의 GTS 할당에 따른 데이터 통신 절차를 도시하는 흐름도이다.
S310 단계에서, 단말 장치(100)는 허브 장치(200)로 전송할 데이터가 있는 경우, GTS 할당 요청(GTS request command)이 포함된 메시지를 허브 장치(200)에 전송하여 GTS 할당을 요청할 수 있다. GTS 할당(allocation) 요청(GTS request command)은 GTS 특성(GTS Characteristics) 필드에 포함된 메시지를 통해 허브 장치(200)에 전송된다.
S320 단계에서, 허브 장치(200)는 단말 장치에 대한 GTS 할당을 결정한 경우, ACK(Acknowledgement)를 단말 장치(100)에 전송한다.
S330 단계에서, 허브 장치(200)는 비콘 메시지에 디바이스에 할당한 GTS 정보를 포함하여 단말 장치(100)에 전송한다.
S340 단계에서, 단말 장치(100)는 허브 장치(100)로부터 수신한 비콘 메시지를 바탕으로 할당된 GTS를 이용하여 허브 장치(100)를 포함한 다른 디바이스들과 데이터를 송수신한다.
S350 단계에서, 단말 장치(100)는 단말 장치(100)에 할당된 GTS를 더 이상 이용하지 않고자 하는 경우 허브 장치(200)에 GTS 회수(deallocation) 요청(GTS request command)을 전송한다.
즉, GTS 할당 요청인 "GTS request command"는 S310단계에서의 GTS 할당 요청과 S350 단계에서의 GTS 해제 요청을 포함한다.
S360 단계에서, 허브 장치(200)는 단말 장치(100)로부터 할당한 GTS를 회수하고 단말장치(100)에 ACK를 전송한다.
따라서, 단말 장치(100)가 할당 받은 GTS를 현재 사용하고 있지 않더라도, IEEE 802.15.4 표준에 따른 GTS할당 방법은 단말장치(100)가 허브 장치(200)에 GTS 회수 요청을 할 때까지 할당된 GTS를 다른 단말장치들이 사용할 수 없는 문제점이 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따라 GTS 대역폭 낭비를 감소하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에는 도 2에서 설명한 수퍼프레임의 활성 구간(Active period)인 CAP과 CFP가 도시된다. 도 4에는 CFP 구간에 두 개의 GTS slot(420)이 도시되어 있으나 이는 본 개시를 설명하기 위한 일 실시 예일 뿐, IEEE 802.15.4 통신 표준에서 CFP구간은 최대 7개의 GTS slot(420)을 포함할 수 있다.
GTS slot(420, 420-1)은 데이터 전송 가능 구간(450, 450-1, available transmission period)와 인터프레임 스페이스(IFS, interframe space)를 포함한다. 데이터 전송 가능 구간(450, 450-1)에서 실제 데이터가 전송된 구간(460, 460-1, packet tramsmission period)를 마이너스한 타임 슬롯(430, 430-1)은 데이터 전송에 이용되지 않은 낭비된 대역폭(430, 430-1, wasted BW)을 의미한다.
도 4의 상위 그래프는, IEEE 802.15.4 통신 표준에 따라, 수퍼프레임 오더(SO)가 6일 때, 두 개의 단말 장치가 각각의 GTS에 할당된 것을 도시한 액티브 구간이다. 예를 들어, 각 단말 장치는 90 bytes의 패킷을 허브 장치에 전송하고자 할 수 있다. SO는 6일 때, 각 GTS 길이(420)는 3.84 ms이고, IFS는 0.64 ms이고, 각 단말에서 각 패킷이 허브 장치에 전송되는 데 필요한 시간(460)은 IFS(0.64ms)를 포함하여 1.6ms일 수 있다. 따라서, 종래의 GTS 할당에 의한 데이터 전송 방법에 의하면, 단말 장치는 단말 장치에 할당된 3.84 ms 의 GTS 길이(420)의 58%인 2.24 ms(430) =3.84 ms (420) - 1.6 ms(460)의 대역폭을 낭비할 수 있다.
반면, 도 4의 하위 그래프는, 본 개시의 일 실시 예에 따라, 단말 장치가 전송하고자 하는 데이터 크기를 바탕으로 최적의 SO를 판단하여 GTS가 할당된 것을 도시한 액티브 구간이다.
본 개시의 일 실시 예에 따라, 단말 장치가 90bytes의 데이터를 허브 장치에 전송하고자 하는 경우, 허브 장치는 90 bytes를 전송하는 데 필요한 최적의 GTS 길이를 판단할 수 있다. 허브 장치는 90 bytes를 전송하는 데 필요한 GTS에 대응되는 SO 값을 판단할 수 있다. 예를 들어, SO=1일 때 90 bytes의 데이터를 GTS 구간에서 전송할 수 있다. 따라서, 허브 장치는 SO가 1일 때의 GTS 구간 길이를 각 디바이스의 GTS로 할당할 수 있다. 이때, 도 2에서 상술한 바와 같이, 수퍼프레임에서 액티브 구간의 길이는 CFP의 GTS 구간 길이가 정해진 이후 나머지 길이가 CAP 구간이 된다. 따라서, 90 bytes에 대응되는 GTS 구간 길이가 SO 값이 1일 때의 길이로 짧아졌으므로, CAP 구간의 길이는 도 4의 상위 그래프보다 길어질 수 있다. 또한, SO=1일 때, GTS 길이(420-1)은 1.92ms일 수 있다. 90 bytes의 데이터를 허브 장치에 전송하는데 걸리는 시간은 1.6 ms이므로, GTS 구간에서 낭비되는 대역폭은 1.92ms(420-1)-1.6ms(460-1)=0.32 ms(430-1)일 수 있다. 따라서, 본 개시의 일 실시 예에 따른 GTS 할당 시, 단말 장치에서의 대역폭 낭비는 GTS길이(420-1)의 17%일 수 있다. 상술한 데이터 사이즈 및 시간들은 본 개시를 설명하기 위한 일 실시 예일 뿐 이에 한정되지 않는다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른, IEEE 802.15.4의 GTS 요청 커맨드 프레임(GTS request command frame)을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, IEEE 802.15.4 통신 표준에서 GTS 요청 커맨드(GTS request command)는 GTS 특성 필드(GTS characteristics field)(510)을 포함한다. GTS 특성 필드(510)는 디바이스(100)에서 허브 장치(200)로 요청하는 GTS의 성격 및 특징을 포함한다. GTS 특성 필드(510)는 GTS 길이(GTS length), GTS 방향(GTS Direction), 특성 형태(Characteristics Type), Reserved 필드를 포함한다.
GTS 길이 필드는 해당 GTS가 몇 개의 수퍼프레임 슬롯으로 구성되어야 하는 지 나타낸다. GTS 방향 필드는 해당 GTS가 디바이스에 의해 수신 용도로 사용되는 지 또는 전송 용도로 사용되는 지 나타낸다. 특성 형태 필드는 해당 GTS 요청 커맨드가 GTS 할당을 위해 사용되는 지 또는 GTS 회수를 위해 사용되는 지 나타낸다.
본 개시의 일 실시 예에 따라, 디바이스(100)가 허브 장치(200)에 전송하고자 하는 데이터(패킷)의 사이즈 정보는 4비트의 GTS 길이 필드(520) 및 2비트의 Reserved 필드(530)에 포함되어 GTS 요청 메시지로서 허브 장치(200)에 전송될 수 있다.
예를 들어, 디바이스(100)가 전송하고자 하는 데이터 사이즈가 20 bytes 이상이고 133 bytes 미만인 경우, 데이터 크기 정보는 4 비트 값을 가지는 GTS 길이(520) 필드에 포함될 수 있다. 이때, 4 비트 값을 가지는 데이터 크기 필드(520)는 스타형 토폴로지 네트워크일 때 적용될 수 있다. 또한, 디바이스(100)가 전송하고자 하는 데이터 사이즈가 133 bytes 이상이고 516 bytes 이하인 경우, 데이터 크기 정보는 2 비트 값을 가지는 Reserved(530) 필드에 포함될 수 있다. 즉, 본 개시의 일 실시 예에 따라, GTS 특성 필드(510)의 Reserved(530)는 기설정된 크기 이상의 데이터 사이즈 정보를 포함하는 서브 필드를 나타낼 수 있다. 이때, 2 비트 값을 가지는 데이터 크기 필드(530)는 트리형 토폴로지 네트워크에 적용될 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따라 데이터 크기 필드(510, 530)에 포함되는 데이터 사이즈는 표 1과 같이 구현될 수 있으나, 이는 본 개시를 설명하기 위한 일 실시 예일 뿐 다양한 방법으로 구현될 수 있다.
Method for Modification of GTS Request Command
Total Data size(bytes) Bits:0-3 Bits: 6-7 Total Data size(bytes) Bits:0-3 Bits: 6-7
20-26 0000 00 261-268 0000 10
27-33 0001 00 269-276 0001 10
34-40 0010 00 277-284 0010 10
41-47 0011 00 285-292 0011 10
48-54 0100 00 293-300 0100 10
55-61 0101 00 301-308 0101 10
62-68 0110 00 309-316 0110 10
69-75 0111 00 317-324 0111 10
76-82 1000 00 325-332 1000 10
83-89 1001 00 333-340 1001 10
90-96 1010 00 341-348 1010 10
97-103 1011 00 349-356 1011 10
104-111 1100 00 357-364 1100 10
112-119 1101 00 365-372 1101 10
119-126 1110 00 373-380 1110 10
127-133 1111 00 381-388 1111 10
133-140 0000 01 389-396 0000 11
141148 0001 01 397-404 0001 11
149-156 0010 01 405-412 0010 11
157-164 0011 01 413-420 0011 11
165-172 0100 01 421-428 0100 11
173-180 0101 01 429-436 0101 11
181-188 0110 01 437-444 0110 11
189-196 0111 01 445-452 0111 11
197-204 1000 01 453-460 1000 11
205-212 1001 01 461-468 1001 11
213-220 1010 01 469-476 1010 11
221-228 1011 01 477-484 1011 11
229-236 1100 01 485-492 1100 11
237-244 1101 01 493-500 1101 11
245-252 1110 01 501-508 1110 11
253-260 1111 01 509-516 1111 11
도 6은, 본 개시의 일 실시 예에 따른, 허브 장치의 GTS 할당 방법을 도시한 순서도이다.
S610 단계에서, 허브 장치(200)는 디바이스(100)로부터 디바이스의 GTS 요청을 도 2에서 도시한 CAP 구간 동안 수신할 수 있다. GTS 요청은 GTS 할당 요청 및 GTS 할당 해지 요청을 포함할 수 있다. 디바이스(100)는 허브 장치(200)에 전송하고자 하는 데이터 사이즈 정보를 포함하여 GTS 요청 메시지를 허브 장치(200)로 전송할 수 있다.
이때, 허브 장치(200)는 적어도 하나의 디바이스(100)로부터 GTS 요청을 수신할 수 있다. 허브 장치(200)가 복수의 디바이스로부터 GTS 요청을 수신할 수 있다. 이때, 허브 장치(200)는 복수의 디바이스로부터 수신 받은 GTS 요청 메시지 중 GTS 할당 해지 요청이 포함된 경우, GTS 할당 해지를 먼저 수행할 수 있다. 허브 장치(200)는 GTS 할당 해지를 수행한 이후 나머지 단계를 진행할 수 있다.
S620 단계에서, 허브 장치(200)는 GTS 요청 메시지에 포함된 디바이스의 데이터 크기를 판단할 수 있다. GTS 요청 메시지에 포함된 데이터 크기 정보는 도 5에서 상술한 바와 같이, 데이터 크기가 기 설정된 제1 값 미만인 경우 4 비트의 데이터 크기 필드에 포함되고, 데이터 크기가 기 설정된 제1 값 이상인 경우 2비트의 데이터 크기 필드에 포함될 수 있다.
S630 단계에서, 허브 장치(200)는 GTS 요청 메시지에 포함된 데이터 크기 정보에 따라 수퍼프레임 오더를 판단할 수 있다. 허브 장치(200)는 데이터 크기를 전송할 수 있는 최적의 GTS의 슬롯 길이를 가지는 수퍼프레임 오더를 판단할 수 있다.
이때, 허브 장치(200)는 수퍼프레임의 GTS가 기 설정된 개수 이하로 할당된 경우에 디바이스(100)의 GTS 요청에 따른 데이터 크기를 판단할 수 있다. 예를 들어, IEEE 802.15.4 통신 표준에서 허브 장치(200)는 최대 7개의 GTS를 디바이스(100)에 할당할 수 있다. 따라서, 허브 장치(200)는 7개의 GTS 중 할당되지 않은 GTS가 7개 이하인 경우에 S630 단계를 수행하도록 할 수 있다. 즉, 7개의 GTS가 모두 할당되고 허브 장치(200)가 디바이스(100)로부터 GTS 요청을 수신한 경우, 허브 장치(200)는 디바이스(100)의 GTS 요청을 수락하지 않는 ACK를 디바이스(100)에 전송할 수 있다.
허브 장치(200)는 GTS 요청 메시지에 포함된 데이터 크기를 가진 데이터가 허브 장치(200)에 도착하는데 필요한 시간을 판단할 수 있다. 허브 장치(200)는 데이터 크기 정보, GTS 할당 지연 시간, GTS 요청 도착 시간, 데이터의 패킷 생성 비율을 이용하여 데이터 도착 시간을 판단할 수 있다. 데이터의 패킷 생성 비율은 디바이스(100)가 전송하고자 하는 데이터 크기를 가진 데이터가 패킷화되는 비율을 나타낼 수 있다. GTS 할당 지연 시간은 도 4에 도시된 인터프레임 스페이싱(IFS) 등과 같은 지연 시간을 포함할 수 있다. 상술한 예는 일 실시 예일 뿐, 허브 장치(200)는 다양한 데이터 및 방법을 이용하여 디바이스(100)가 전송하고자 하는 데이터 크기의 데이터가 허브 장치(200)에 도착하는데 필요한 시간을 판단할 수 있다.
허브 장치(200)는 디바이스가 전송하고자 하는 데이터 크기를 전송할 때 허브 장치의 전력 소비 효율, 할당 지연 효율, 대역폭 이용 효율 및 처리량(throughput) 효율을 이용하여 해당 데이터 크기를 전송하는데 필요한 최적의 수퍼프레임 오더를 판단할 수 있다.
전력 소비 효율은 본 개시의 일 실시 예에 따른 소비전력을 IEEE 802.15.4 표준에 의해 소비되는 소비 전력으로 나눈 값일 수 있다. 할당 지연 효율은 본 개시의 일 실시 예에 따른 GTS할당 지연 시간을 IEEE 802.15.4 표준에 따른 GTS 할당 지연 시간으로 나눈 값일 수 있다. 대역폭 이용 효율은 본 개시의 일 실시 예에 따른 대역폭 이용량을 전체 대역폭 량으로 나눈 값일 수 있다. 처리량 효율은 본 개시의 일 실시 예에 따른 처리량을 최대 처리량으로 나눈 값일 수 있다.
예를 들어, 허브 장치(200)에 두 개의 디바이스가 연결되고, 두 개의 디바이스에 GTS를 할당하는 경우에는 2ms의 지연 시간이 발생할 수 있다. 그러나, 허브 장치(200)에 7개의 디바이스가 연결되고, 7개의 디바이스에 GTS를 각각 할당하는 경우에는 20ms의 지연 시간이 발생할 수 있다. 따라서, 허브 장치(200)는 허브 장치(200)에 연결된 디바이스의 개수 및 각 디바이스의 데이터 사이즈에 따른 대역폭 이용 효율 및 처리량 등을 바탕으로 각 디바이스가 요청한 GTS에 적합한 최적의 SO를 판단할 수 있다. 그러나, 상술한 예들은 본 개시를 설명하기 위한 일 실시 예일 뿐 이에 한정되지 않는다.
S640 단계에서, 허브 장치(200)는 판단된 수퍼프레임 오더를 바탕으로 디바이스(100)에 GTS를 할당할 수 있다.
허브 장치(200)는 디바이스(100)의 데이터 도착 시간이 GTS 슬롯 중 할당되지 않은 슬롯의 총 시간보다 작거나 같은 경우, 디바이스(100)에 GTS를 할당할 수 있다.
S650 단계에서, 허브 장치(200)는 GTS 할당 정보를 포함하는 비콘 신호를 디바이스(100)에 전송할 수 있다.
예를 들어, 현재의 수퍼프레임 오더는 SO=6이고, 제1 디바이스가 전송하고자 하는 데이터 사이즈는 90 bytes이고, 제2 디바이스가 전송하고자 하는 데이터 사이즈는 120 bytes일 수 있다. 이때, 제1 디바이스의 데이터 사이즈 정보 및 제2 디바이스의 데이터 사이즈 정보는 GTS 특성 필드의 서브 필드인 4비트의 데이터 크기 필드에 포함되어 GTS 요청 메시지로서 허브 장치(200)에 전송될 수 있다.
허브 장치(200)는 제1 디바이스 및 제2 디바이스 각각의 데이터 크기 정보를 바탕으로 각각의 데이터들이 허브 장치(200)에 도착하는 시간을 판단할 수 있고, 각 데이터들의 크기에 따른 최적의 수퍼프레임 오더를 판단할 수 있다. 허브 장치(200)는 제1 디바이스의 90 bytes에 대응되는 최적의 수퍼프레임 오더에 해당되는 GTS 슬롯 길이를 제1 디바이스에 할당하고, 제2 디바이스의 120 bytes에 대응되는 최적의 수퍼프레임 오더에 해당되는 GTS 슬롯 길이를 제2 디바이스에 할당할 수 있다. 허브 장치(200)는 각 디바이스에 할당된 GTS 정보를 포함하는 비콘 신호를 각 디바이스에 전송할 수 있다. 각 디바이스는 허브 장치(200)로부터 수신한 비콘 신호를 바탕으로 할당된 GTS 구간에서 데이터를 송수신할 수 있다.
도 7은, 본 개시의 일 실시 예에 따른, 단말 장치인 디바이스의 GTS 할당 요청에 따른 데이터 통신 방법을 도시한 순서도이다.
S710 단계에서, 디바이스(100)는 허브 장치(200)로부터 수퍼프레임의 시작을 통지하는 비콘 신호를 수신할 수 있다.
S720 단계에서, 디바이스(100)는 허브 장치(200)에 전송하고자 하는 데이터 크기 정보를 포함하는 GTS 요청 메시지를 허브 장치(200)로 전송할 수 있다.
GTS 요청은 GTS 할당 요청 및 GTS 해지 요청을 포함할 수 있다. GTS 요청이 GTS 해지 요청인 경우, 디바이스(100)는 데이터 크기 정보를 전송하지 않을 수 있다. 데이터 크기 정보는 도 5에 도시된 GTS 특성 필드 중 4비트의 크기 정보 필드(520) 및 2비트의 크기 정보 필드(530)에 포함될 수 있다. 이때, 데이터 크기가 기 설정된 값 미만인 경우, 데이터 크기 정보는 4비트의 크기 정보 필드(520)에 포함되어 GTS 요청을 허브 장치(200)에 전송될 수 있다. 데이터 크기가 기 설정된 값 이상인 경우, 데이터 크기 정보는 2비트의 크기 정보 필드(530)에 포함되어 GTS 요청을 허브 장치(200)에 전송될 수 있다.
S730 단계에서, 디바이스(100)는 허브 장치(200)로부터 GTS 할당 응답(ACK) 메시지를 수신할 수 있다.
S740 단계에서, 디바이스(100)는 허브 장치(200)로부터 GTS 할당 정보가 포함된 비콘 신호를 수신할 수 있다.
S750 단계에서, 디바이스(100)는 할당된 GTS에서 데이터를 송수신하기 위한 데이터 송수신 모드를 판단할 수 있다. 도 5에서 GTS Direction 필드는 디바이스(100)에 할당된 GTS가 수신 용도로 사용되는 지 전송 용도로 사용되는 지 나타낸다.
할당된 GTS 구간에서 허브 장치(200)로부터 데이터를 수신하는 경우, 디바이스(100)는 송수신 모드를 제1 모드인 수신 모드로 판단할 수 있다. 반면, 할당된 타임 슬롯 동안 허브 장치(200)에 데이터를 전송하는 경우, 디바이스(100)는 송수신 모드를 제2 모드인 전송 모드로 판단할 수 있다.
S760 단계에서, 디바이스(100)는 판단된 데이터 송수신 모드에 따라 통신부의 RX/TX의 On/Off를 제어할 수 있다.
제1 모드인 수신 모드에서, 디바이스(100)는 할당된 타임 슬롯 동안 디바이스(100)에 포함된 RF(Radio Frequency) receive(RX)는 온(ON)하고, RF transmit(TX)는 오프(OFF)하도록 RF 통신부를 제어할 수 있다. 제1 모드인 전송 모드에서, 디바이스(100)는 할당된 타임 슬롯 동안 디바이스(100)의 통신부의 TX는 온(ON)하고, 통신부의 RX는 오프(OFF)하도록 통신부를 제어할 수 있다.
따라서, 본 개시의 실시 예들에 따라, 디바이스(100)는 할당된 GTS 구간 동안 통신부의 RX/TX를 계속해서 동시에 ON시키지 않으므로 디바이스(100)에서 소비되는 전력을 감소시킬 수 있다.
이 때, 본 발명의 다양한 실시 예들에서, "온(on)" 및 "오프(off)"는 디바이스(100)에 내장된 RF 트랜스시버 또는 디바이스(100)에 부착된 센서의 RF 트랜스시버를 온/오프하는 것을 의미할 수 있다. 그러나, 이것은 본 발명의 설명을 돕기 위한 일 실시예일 뿐, 디바이스(100)가 허브 장치(200)와 통신을 수행할 때 디바이스(100)의 통신 전원을 제어하는 다른 칩에서 온/오프를 통해서도 구현될 수 있다.
도 8은, 본 개시의 일 실시 예에 따른, 허브 장치 및 단말 장치의 데이터 통신 방법을 도시한 순서도이다.
S810 단계에서, 단말 장치(100)는 단말장치(100)가 허브 장치(200)에 전송하고자 하는 데이터 크기 정보를 GTS 특성 필드를 통해 허브 장치(200)에 전송할 수 있다.
S820 단계에서, 단말 장치(100)는 데이터 크기 정보를 포함하는 GTS 요청 메시지를 허브 장치(200)에 전송할 수 있다. GTS 요청 메시지는 GTS 할당 요청 및 GTS 해지 요청을 포함할 수 있다.
GTS 요청은 수퍼프레임의 액티브 구간 중 CAP 구간 동안 허브 장치(200)에 전송될 수 있다. GTS 요청에 포함된 정보(I)는 집합(set)으로 표현될 수 있으나, 집합에 포함된 데이터들을 본 개시를 설명하기 위한 일 실시 예일 뿐 이에 한정되지 않는다.
I={(Di, Ai, Ti, Ri)}, 여기서 i는 1=< i <= N, N은 CAP 구간 동안 GTS 요청 총 숫자, Di는 GTS 할당 요청에 포함된 데이터 사이즈(bytes)이며 GTS 해지 요청에서는 데이터 사이즈가 고려되지 않음, Ai는 최대 허용 지연 시간(ms), Ti는 GTS 요청 도착 시간(ms), Ri는 단말 장치로부터 데이터가 패킷으로 생성되는 생성 레이트 (packet generation rate)일 수 있다.
S830 단계에서, 허브 장치(200)는 단말 장치(100)로부터 수신한 GTS 요청 메시지에 GTS 해제 요청이 있는 지 판단할 수 있다. 예를 들어, 허브 장치(200)는 복수의 단말 장치로부터 GTS 요청을 수신할 수 있다. 허브 장치(200)는 복수의 단말장치로부터 요청 순서대로 GTS 요청을 수신할 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따라, 복수의 단말 장치로부터 수신한 복수의 GTS 요청 중 적어도 하나의 GTS 해제 요청이 포함된 경우, 허브 장치(200)는 GTS 해제를 먼저 수행한 이후 나머지 GTS 할당 요청을 위한 처리 단계를 수행할 수 있다. 따라서, 본 개시의 일 실시 예에 따른 허브 장치(200)는 종래의 FIFO(first in first out) 방식에 의해 GTS 할당/해지 요청을 처리하던 방법보다 디바이스(100)에서의 소비 전력 및 대역폭 낭비를 감소시킬 수 있다.
S840 단계에서, 허브 장치(200)는 단말 장치(100)에 GTS 요청을 수신했다는 확인 메시지(ACK)을 전송할 수 있다.
S850 단계에서, 허브 장치(200)는 GTS 할당 요청 메시지에 포함된 데이터 크기 정보에 따라 수퍼프레임 오더를 판단할 수 있다.
수퍼프레임 오더는 1부터 14까지의 값을 가지는 집합(set) SO={1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14} 중 하나일 수 있다.
허브 장치(200)는 퍼포먼스 메트릭(performance metric)을 이용하여 디바이스(100)의 데이터 크기에 대응되는 최적의 수퍼프레임 오더를 판단할 수 있다. 퍼포먼스 메트릭 M= a1* Power efficiency + a2*Delay efficiency + a3* Bandwidth utilization + a4*Throughput efficiency일 수 있다. 여기서, a1, a2, a3, a4는 계수인자(co-efficient factors)로서 a1+ a2+ a3+a4 =1 일 수 있다. 상술한 퍼포먼스 메트릭은 다른 퍼포먼스 메트릭 및 계수로 확장될 수 있으며 이에 한정되지 않는다.
다른 퍼포먼스 메트릭은 예를 들어, 도 6의 630 단계에서 설명한 디바이스(100)가 전송하고자 하는 데이터 크기를 전송할 때 허브 장치(200)의 전력 소비 효율, 할당 지연 효율, 대역폭 이용 효율 및 처리량(throughput) 효율일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 허브 장치(200)의 퍼포먼스 메트릭을 계산하기 위해 다양한 성능 산출 방법 등을 이용할 수 있다. 또한, 데이터 사이즈의 패킷 생성률을 판단하기 위해 IEEE 802.15.4 패킷을 캡쳐하는 다양한 방법을 이용할 수 있다.
허브 장치(200)는 복수의 단말 장치 중 각 단말장치로부터 GTS 요청을 수신한 경우, 할당되지 않은 GTS에 First In First out 순서에 의해 단말 장치에 GTS를 할당할 수 있다.
이때, 각 디바이스의 현재 SO(Superframe Order)에서의 슬롯 길이(slot length)는 SD(Superframe Duration) = aBaseSuperframeDuration*2SO 공식을 이용하여 계산될 수 있다. SO는 1부터 14까지의 값을 가질 수 있다.
허브 장치(200)는 각각의 디바이스로부터 수신한 GTS 요청 정보를 바탕으로 각각의 디바이스가 허브 장치(200)에 전송하고자 하는 데이터 크기를 가진 데이터가 허브 장치(200)에 전송되는 데 필요한 시간을 판단할 수 있다. 예를 들어, 데이터가 전송되는 데 필요한 시간 t= 데이터 크기*2.28 + 0.64 (ms)일 수 있다. 허브 장치(200)는 필요한 시간(t)이 GTS의 최대 슬롯 개수(예: 7개) 중 이미 할당된 슬롯 개수를 마이너스한 아직 할당되지 않은 슬롯 개수에 slot length를 곱한 시간보다 큰 경우 GTS 요청을 수락하지 않을 수 있다. 예를 들어, 허브 장치(200)는 t>(7-#of allocated slot)*slot length (ms) 이면 GTS 요청을 거절할 수 있다.
반면, t =< (7-#of allocated slot)*slot length (ms) 이면, 허브 장치(200)는 아직 할당되지 않은 GTS 슬롯부터 순서대로 각각의 디바이스에 GTS를 할당할 수 있다.
상술한 방법을 통해서 허브 장치(200)는 각 단말 장치의 데이터 사이즈에서 최적의 효율을 가지는 SO 값을 판단하고, SO 값에 대응되는 GTS 슬롯 길이를 단말장치에 GTS로 할당할 수 있다.
S860 단계에서, 허브 장치(200)는 판단된 수퍼프레임 오더에 대응되는 GTS를 할당한 정보를 포함하는 비콘 신호를 단말 장치(100)에 전송할 수 있다.
S870 단계에서, 단말 장치(100)는 비콘 신호 수신한 후 할당된 GTS에 데이터 송수신을 할 수 있고, 데이터의 수신 및 전송 정보를 바탕으로 데이터 송수신 모드를 판단할 수 있다. 할당된 GTS 구간에서 허브장치(200)로부터 데이터가 수신된 경우, 단말 장치(100)는 데이터 수신 모드인 제1 모드로 판단할 수 있다. 또한, 할당된 GTS 구간에서 허브 장치(200)로 데이터를 전송하는 경우, 단말 장치(100)는 데이터 전송 모드인 제2 모드로 판단할 수 있다.
S880 단계에서, 단말 장치(100)는 GTS 구간에서 데이터를 송신(전송)할 때 단말 장치(100)의 통신부의 RX(Receive)를 오프(off)하고, TX(transmit)을 온(ON)할 수 있다.
S890 단계에서, 단말 장치(100)는 GTS 구간에서 데이터를 수신할 때, 단말장치(100)의 통신부의 RX를 온(on)하고, TX를 오프(off)할 수 있다.
S895 단계에서, 단말 장치(100)는 할당된 GTS를 더 이상 이용하지 않고자 하는 경우, GTS 할당 해제 요청을 허브 장치(200)에 전송할 수 있다.
S897 단계에서, 허브 장치(200)는 단말 장치(100)에 GTS 해제 확인(ACK) 메시지를 전송할 수 있다.
상술한 방법을 통해 본 개시의 실시 예들에 따른 무선 네트워크를 구성하는 장치들은 GTS 슬롯에서 네트워크 신뢰성을 향상 시킬 수 있고, 소비 전력을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 개시의 실시 예들에 따른 장치들은 대역폭 이용 효율이 증가되므로 네트워크에 더 많은 수의 단말 장치들을 연결할 수 있고 스루풋을 증가시킬 수 있다. 또한, 상술한 방법들은 스타 토폴로지 네트워크 및 트리 토폴로지 네트워크에 모두 적용될 수 있다.
도 9는, 본 개시의 일 실시 예에 따른, 허브 장치 및 단말 장치에서의 소비 전력이 감소되는 것을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 7개의 (센서) 디바이스가 허브 장치(200)에 연결되고, 각 디바이스가 전송하고자 하는 데이터 크기는 95 bytes일 때의 비콘 프레임 오더에 따른 소비 전력을 도시한 그래프이다. 본 개시의 일 실시 예에 따라, 데이터 사이즈가 95 bytes일 때 최적의 수퍼프레임 오더는 2(SO=2)로 판단되어 각 디바이스(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)의 GTS 슬롯을 SO=2일 때의 슬롯을 할당한 경우의 각 디바이스에서의 소비 전력을 도시된다.
도 9를 참조하면, 논비콘 모드를 이용하는 스마트 홈 장치(940)는 비콘 프레임 오더(BO, Beacon Frame Order)가 증가하는 것과 관계없이 모든 디바이스(1,2,3,4,5,6,7)에서 동일하게 높은 전력을(약 60 mW) 소비한다. IEEE 802.15.4 통신 표준에 따른 비콘 모드를 이용하는 스마트 홈 장치(930)는 본 개시의 실시 예에 따른 장치의 소비전력 상한 선(upper bound)(920) 및 소비전력 하한선(lower bound)(910)보다 더 높은 소비 전력을 소모한다.
즉, 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 비콘 프레임 오더가 증가되더라도 95bytes 크기에 최적인 수퍼프레임 오더 2의 값에 대응되는 GTS 슬롯 길이를 할당함으로써 수퍼프레임의 액티브 구간이 증가될 수 있다. 또한, 단말 장치(100)는 할당된 GTS에서의 데이터 송수신 모드에 따라 통신부를 온/오프 제어함으로써 종래의 비콘모드 장치(930)들보다 소비되는 전력을 감소시킬 수 있다.
도 10은, 본 개시의 일 실시 예에 따른, 허브 장치 및 단말 장치를 구성하는 간단한 블록도이다. 도 10에서 도시된 블록도는 일 실시 예에 불과할 뿐 다른 블록도가 추가될 수도 있다.
도 10을 참조하면, 단말장치(100)는 통신부(110), 프로세서(120), 및 기능부(130) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 단말 장치(100)는 다양한 센서를 포함하여 허브 장치(200)와 무선 네트워크 상에서 통신하는 다양한 디바이스일 수 있다.
통신부(110)는, 허브 장치(200)로부터 비콘 메시지를 수신하고, 허브 장치(200)에 GTS 요청 메시지를 전송하며, 프로세서(120)의 제어에 따라 할당된 GTS 타임 슬롯에서 허브 장치(200)와 데이터를 송수신할 수 있다. 통신부(110)는 와이파이, 블루투스, NFC 등 근거리 무선 통신을 할 수 있는 무선통신 칩을 적어도 하나 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 IEEE 802.15.4 무선 통신을 사용하였으나, 이는 일 실시예에 불과할 뿐, 다른 무선 통신칩으로 본 발명을 응용 변경하여 구현할 수 있다.
기능부(130)는, 단말장치(100)의 유형에 따라 대응되는 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 사물인터넷(IoT) 환경의 스마트 홈 무선 네트워크에서 단말 장치(100)가 수행할 수 있는 다양한 기능을 포함할 수 있다. 예를 들어, 워터 리키지(water leakage)를 감지할 수 있는 센서를 포함하는 단말 장치(100)는 물을 감지하여 사용자에게 알려주는 기능을 포함할 수 있다. 또 다른 예로, 단말 장치(100)가 램프를 제어하는 센서를 포함하는 경우, 특정 환경에서 램프를 자동으로 켜고 끄거나 램프의 빛 양을 조절할 수 있는 기능을 포함할 수 있다. 그러나, 이는 일 실시예에 불과할 뿐, 단말 장치(100)가 다른 장치로 구현되면, 기능부(130)는 구현된 장치의 유형에 따라 해당 기능을 수행할 수 있다. 또한, 구현된 무선 네트워크 환경은 가정이 아닌, 병원, 공장, 사무실 등 다양한 유형의 IoT 기술 기반의 네트워크 환경일 수 있다.
프로세서(120)는 허브 장치(200)에 전송하고자 하는 디바이스의 데이터 크기 정보를 포함하는 GTS(Guaranteed Time Slot) 할당 요청을 허브 장치(200)에 통신부(110)를 통해 전송하고, 허브 장치(200)로부터 디바이스(100)에 대한 GTS 할당 정보를 수신하고, 수신한 GTS 할당 정보를 바탕으로 디바이스(100)의 송수신 모드를 판단하고, 판단된 송수신 모드에 기초하여 허브 장치(200)와 데이터를 송수신하도록 통신부(110)를 제어할 수 있다.
이때, GTS 할당 요청은, 데이터 크기가 제1 값 미만인 경우 4 비트(bits) 길이의 제1 데이터 크기 필드에 포함되고, 데이터 크기가 제1 값 이상인 경우 2비트(bits) 길이의 제2 데이터 크기 필드에 포함되며, 데이터 크기 필드는 허브 장치(200)에 전송하고자 하는 데이터의 크기 정보를 나타낼 수 있다.
프로세서(130)는, GTS가 할당되고 할당된 GTS 구간에서 허브 장치(200)로부터 데이터가 수신되는 경우, 송수신 모드는 제1 모드로 판단하고, GTS 중 할당된 타임 슬롯 동안 통신부(110)의 RX(Receive)는 온(on)하고, 통신부(110)의 TX(Transmit)는 오프(Off)하도록 통신부(110)를 제어할 수 있다.
프로세서(130)는, GTS가 할당되고 할당된 GTS 구간에서 허브 장치(200)로 데이터가 전송되는 경우, 송수신 모드는 제2 모드로 판단하고, GTS 중 할당된 타임 슬롯 동안 통신부(110)의 RX는 오프(off)하고, 통신부(110)의 TX는 온(on)하도록 상기 통신부(110)를 제어할 수 있다.
허브 장치(200)는 통신부(210) 및 프로세서(220)을 포함할 수 있다.
통신부(210)는, 단말 장치(100)로부터 GTS 요청 메시지를 수신할 수 있고, 단말장치(100)와 데이터 통신을 수행할 수 있다. 통신부(210)는 와이파이, 블루투스, NFC 등 근거리 무선 통신을 할 수 있는 무선통신 칩을 적어도 하나 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 IEEE 802.15.4 무선 통신을 사용하였으나, 이는 일 실시예에 불과할 뿐, 다른 무선 통신칩으로 본 발명을 응용 변경하여 구현할 수 있다.
프로세서(220)는 복수의 디바이스 (또는 적어도 하나의 디바이스) 각각으로부터 디바이스(100)가 전송하고자 하는 데이터의 크기 정보를 포함하는 GTS(Guaranteed Time Slot) 할당 요청을 수신하고, 복수의 디바이스 각각으로부터 수신한 데이터의 크기 정보를 바탕으로 복수의 디바이스들에 대한 수퍼프레임 오더(SO, Superframe Order)를 판단하고, 판단된 수퍼프레임 오더에 대응되는 GTS를 복수의 디바이스의 GTS로 할당할 수 있다.
프로세서(220)는, 복수의 디바이스로부터 수신한 GTS 할당 요청 중 적어도 하나에 GTS 할당 해제(deallocation) 요청이 포함된 경우, GTS 할당 해제 요청에 대응하여 GTS 할당 해제를 수행한 후, 나머지 GTS 할당 요청에 대한 타임 슬롯을 할당하는 처리를 수행할 수 있다.
프로세서(220)는, GTS 중 할당된 타임 슬롯이 기 설정된 개수 이하인 경우, 데이터의 크기 정보를 바탕으로 복수의 디바이스가 전송하고자 하는 데이터가 허브 장치(200)로 도착하는데 걸리는 각각의 데이터 도착 시간을 판단할 수 있다.
프로세서(220)는, 데이터 도착 시간이 GTS 중 할당되지 않은 타임 슬롯의 총 시간보다 작거나 같은 경우, 복수의 디바이스 중 데이터 크기 정보를 포함하는 디바이스에 대한 GTS 할당을 수행할 수 있다.
프로세서(220)는, 데이터의 크기 정보, GTS 할당 지연 시간, 상기 GTS 요청 도착 시간, 및 디바이스로부터 데이터의 패킷 생성 비율을 이용하여 데이터 도착 시간을 판단할 수 있다.
프로세서(220)는, 허브 장치(200)의 전력 소비 효율, 할당 지연 효율, 대역폭 이용 효율, 및 처리량 효율을 이용하여 복수의 디바이스에 대한 수퍼프레임 오더를 판단할 수 있다.
프로세서(220)는, 복수의 디바이스 각각에 할당된 GTS 할당 정보 및 수퍼프레임 오더에 대한 수퍼프레임을 포함하는 비콘을 통신부(210)를 통해 복수의 디바이스 각각에 전송할 수 있다.
또한, 단말 장치(100) 및 허브 장치(200)는 각각 메모리(미도시)를 포함할 수 있으며, 메모리는, 단말 장치(100) 및 허브 장치(200) 각각을 제어하는 다양한 기능이 구현된 프로그램 및 데이터를 저장할 수 있다.
또한 본 개시에 따른 실시 예들은, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현 될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예는 판독 전용 메모리 (ROM), 랜덤 액세스 메모리 (RAM), CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치를 포함한다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 컴퓨터 판독 가능 코드가 분산 방식으로 저장되고 실행되도록, 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산 될 수 있다. 또한, 일 실시 예는 반송파 (carrier wave)와 같은 컴퓨터 판독 가능한 전송 매체를 통해 전송된 컴퓨터 프로그램으로서 기록될 수 있고, 프로그램을 실행하는 범용 또는 특수 목적의 디지털 컴퓨터에 수신되고 구현될 수 있다. 또한, 실시 예들에서, 상술한 장치들(apparatuses and devices)의 하나 이상의 유닛들(units)은, 회로, 프로세서, 마이크로 프로세서 등을 포함 할 수 있고, 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 실행할 수 있는 것으로 이해된다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
100: 디바이스, 단말 장치
200: 허브 장치, 코디네이터
510: GTS Characteristics
520: 4 비트 데이터 크기 필드
530: 2 비트 데이터 크기 필드

Claims (20)

  1. 무선 통신 시스템을 구성하는 허브 장치의 데이터 통신 방법에 있어서,
    복수의 디바이스 각각으로부터 디바이스가 허브 장치에 전송하고자 하는 데이터의 크기 정보를 포함하는 GTS(Guaranteed Time Slot) 할당 요청을 수신하는 단계;
    상기 복수의 디바이스 각각으로부터 수신한 데이터의 크기 정보를 바탕으로 상기 복수의 디바이스들에 대한 수퍼프레임 오더(SO, Superframe Order)를 판단하는 단계; 및
    상기 판단된 수퍼프레임 오더에 대응되는 GTS를 상기 복수의 디바이스의 GTS로 할당하는 단계;를 포함하고,
    상기 GTS 할당 요청은, 상기 데이터 크기가 제1 값 미만인 경우 4 비트(bits) 길이의 제1 데이터 크기 필드에 포함되고, 상기 데이터 크기가 제1 값 이상인 경우 2비트(bits) 길이의 제2 데이터 크기 필드에 포함되고, 상기 데이터 크기 필드는 상기 디바이스가 상기 허브 장치에 전송하고자 하는 데이터의 크기 정보를 나타내는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 할당하는 단계는,
    상기 복수의 디바이스로부터 수신한 GTS 할당 요청 중 적어도 하나에 GTS 할당 해제(deallocation) 요청이 포함된 경우, 상기 GTS 할당 해제 요청에 대응하여 GTS 할당 해제를 수행한 후, 나머지 GTS 할당 요청에 대한 타임 슬롯을 할당하는 단계;를 더 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    GTS 중 할당된 타임 슬롯이 기 설정된 개수 이하인 경우, 상기 데이터의 크기 정보를 바탕으로 상기 복수의 디바이스가 전송하고자 하는 데이터가 상기 허브 장치로 도착하는데 걸리는 각각의 데이터 도착 시간을 판단하는 단계;를 더 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 할당하는 단계는,
    상기 데이터 도착 시간이 상기 GTS 중 할당되지 않은 타임 슬롯의 총 시간보다 작거나 같은 경우, 상기 복수의 디바이스 중 상기 데이터 크기 정보를 포함하는 디바이스에 대한 GTS 할당을 수행하는 단계;를 더 포함하는 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 도착 시간을 판단하는 단계는,
    상기 데이터의 크기 정보, GTS 할당 지연 시간, GTS 할당 요청 도착 시간, 및 상기 디바이스로부터 상기 데이터의 패킷 생성 비율을 이용하여 상기 데이터 도착 시간을 판단하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    상기 허브 장치의 전력 소비 효율, 할당 지연 효율, 대역폭 이용 효율, 및 처리량 효율을 이용하여 상기 복수의 디바이스에 대한 수퍼프레임 오더를 판단하는 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 디바이스 각각에 할당된 GTS 할당 정보 및 수퍼프레임 오더에 대한 수퍼프레임을 포함하는 비콘을 상기 복수의 디바이스 각각에 전송하는 단계;를 더 포함하는 방법.
  9. 무선 통신 시스템을 구성하는 허브 장치에 있어서,
    복수의 디바이스와 데이터를 송수신하기 위한 통신부;
    상기 복수의 디바이스 각각으로부터 디바이스가 상기 허브 장치에 전송하고자 하는 데이터의 크기 정보를 포함하는 GTS(Guaranteed Time Slot) 할당 요청을 수신하고, 상기 복수의 디바이스 각각으로부터 수신한 데이터의 크기 정보를 바탕으로 상기 복수의 디바이스들에 대한 수퍼프레임 오더(SO, Superframe Order)를 판단하고, 상기 판단된 수퍼프레임 오더에 대응되는 GTS를 상기 복수의 디바이스의 GTS로 할당하는 프로세서;를 포함하고,
    상기 GTS 할당 요청은, 상기 데이터 크기가 제1 값 미만인 경우 4 비트(bits) 길이의 제1 데이터 크기 필드에 포함되고, 상기 데이터 크기가 제1 값 이상인 경우 2비트(bits) 길이의 제2 데이터 크기 필드에 포함되고, 상기 데이터 크기 필드는 상기 디바이스가 전송하고자 하는 데이터의 크기 정보를 나타내는 허브 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 복수의 디바이스로부터 수신한 GTS 할당 요청 중 적어도 하나에 GTS 할당 해제(deallocation) 요청이 포함된 경우, 상기 GTS 할당 해제 요청에 대응하여 GTS 할당 해제를 수행한 후, 나머지 GTS 할당 요청에 대한 타임 슬롯을 할당하는 허브 장치.
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    GTS 중 할당된 타임 슬롯이 기 설정된 개수 이하인 경우, 상기 데이터의 크기 정보를 바탕으로 상기 복수의 디바이스가 전송하고자 하는 데이터가 상기 허브 장치로 도착하는데 걸리는 각각의 데이터 도착 시간을 판단하는 허브 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 데이터 도착 시간이 상기 GTS 중 할당되지 않은 타임 슬롯의 총 시간보다 작거나 같은 경우, 상기 복수의 디바이스 중 상기 데이터 크기 정보를 포함하는 디바이스에 대한 GTS 할당을 수행하는 허브 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 데이터의 크기 정보, GTS 할당 지연 시간, GTS 할당 요청 도착 시간, 및 상기 디바이스로부터 상기 데이터의 패킷 생성 비율을 이용하여 상기 데이터 도착 시간을 판단하는 허브 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 허브 장치의 전력 소비 효율, 할당 지연 효율, 대역폭 이용 효율, 및 처리량 효율을 이용하여 상기 복수의 디바이스에 대한 수퍼프레임 오더를 판단하는 허브 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 복수의 디바이스 각각에 할당된 GTS 할당 정보 및 수퍼프레임 오더에 대한 수퍼프레임을 포함하는 비콘을 통신부를 통해 상기 복수의 디바이스 각각에 전송하는 허브 장치.
  17. 무선 네트워크 시스템을 구성하는 디바이스에 있어서,
    허브 장치와 데이터를 송수신하기 위한 통신부;
    상기 허브 장치에 전송하고자 하는 디바이스의 데이터 크기 정보를 포함하는 GTS(Guaranteed Time Slot) 할당 요청을 상기 허브 장치에 전송하고, 상기 허브 장치로부터 상기 디바이스에 대한 GTS 할당 정보를 수신하고, 상기 GTS 할당 정보를 바탕으로 상기 디바이스의 송수신 모드를 판단하고, 상기 판단된 송수신 모드에 기초하여 상기 허브 장치와 데이터를 송수신하도록 상기 통신부를 제어하는 프로세서;를 포함하고,
    상기 GTS 할당 요청은, 상기 데이터 크기가 제1 값 미만인 경우 4 비트(bits) 길이의 제1 데이터 크기 필드에 포함되고, 상기 데이터 크기가 제1 값 이상인 경우 2비트(bits) 길이의 제2 데이터 크기 필드에 포함되고, 상기 데이터 크기 필드는 상기 허브 장치에 전송하고자 하는 데이터의 크기 정보를 나타내는 디바이스.
  18. 삭제
  19. 제17항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 GTS가 할당되고 상기 허브 장치로부터 데이터가 수신되는 경우, 상기 송수신 모드는 제1 모드로 판단하고, 상기 GTS 중 할당된 타임 슬롯 동안 상기 통신부의 RX(Receive)는 온(on)하고, 상기 통신부의 TX(Transmit)는 오프(Off)하도록 상기 통신부를 제어하는 디바이스.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 GTS가 할당되고 상기 허브 장치로 데이터가 전송되는 경우, 상기 송수신 모드는 제2 모드로 판단하고, 상기 GTS 중 할당된 타임 슬롯 동안 상기 통신부의 RX는 오프(off)하고, 상기 통신부의 TX는 온(on)하도록 상기 통신부를 제어하는 디바이스.
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