KR102516948B1 - MEDIA ACCESS CONTROL METHOD FOR LoRa-BASED PRIVATE NETWORK OPERATION - Google Patents

MEDIA ACCESS CONTROL METHOD FOR LoRa-BASED PRIVATE NETWORK OPERATION Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라 게이트웨이(200) 및 센서노드(100)는 기본적인 통신(접속/탈퇴/download 정보)을 위하여 base channel을 운용하고, 센싱 데이터의 전달은 게이트웨이(200)에서 할당한 채널, 즉 Data channel을 이용해 전달하며, 게이트웨이(200)는 센싱 데이터의 주기성 및 비주기성을 기반으로 단말의 채널 점유시점을 결정(scheduling)하여 센서노드(100)에 전달하고, 이때, LoRa 망의 복잡성은 게이트웨이(200)가 수신한 센싱 데이터 및 무선채널 상태정보를 분석하여 서버(300)로 전송함으로써 서버(300)가 수집한 정보를 취합하여 결정할 수 있도록 하여, 주변에 산재한 동일 채널을 사용하는 다른 private LoRa 망에 의한 간섭을 최소화할 수 있고, 효율적인 Data channel의 사용을 통하여 센서노드(100)의 소모전력을 절감시키며, LoRa 망의 상태를 서버(300)에서 취합함으로써 후술하는 인공지능 등을 활용한 LoRa 망 사용 효율의 극대화를 도모할 수 있도록 하는 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법에 관한 발명이다.According to the present invention, the gateway 200 and the sensor node 100 operate a base channel for basic communication (connection/leave/download information), and transmission of sensing data is performed through a channel allocated by the gateway 200, that is, a data channel. The gateway 200 determines (scheduling) the terminal's channel occupation point based on the periodicity and non-periodicity of the sensing data and delivers it to the sensor node 100. At this time, the complexity of the LoRa network is the gateway 200 ) analyzes the received sensing data and wireless channel status information and transmits them to the server 300 so that the server 300 can collect and determine the collected information, so that other private LoRa networks using the same channel scattered around can minimize interference, reduce the power consumption of the sensor node 100 through the efficient use of data channels, and collect the status of the LoRa network in the server 300 to use the LoRa network using artificial intelligence, etc. described later The invention relates to a medium access control method for the operation of a LoRa-based private network that can maximize efficiency.

Figure R1020210081732
Figure R1020210081732

Description

ＬｏＲａ 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법{MEDIA ACCESS CONTROL METHOD FOR LoRa-BASED PRIVATE NETWORK OPERATION}Media access control method for LOA-based private network operation {MEDIA ACCESS CONTROL METHOD FOR LoRa-BASED PRIVATE NETWORK OPERATION}

본 발명은 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주변에 산재한 동일 채널을 사용하는 다른 private LoRa 망에 의한 간섭을 최소화할 수 있고, 효율적인 Data channel의 사용을 통하여 센서노드의 소모전력을 절감시키며, LoRa 망의 상태를 서버에서 취합함으로써 인공지능을 활용한 LoRa 망 사용 효율의 극대화를 도모할 수 있는 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a medium access control method for the operation of a LoRa-based private network, and more particularly, it is possible to minimize interference by other private LoRa networks using the same channel scattered around, and through efficient use of a data channel. It relates to a medium access control method for the operation of a LoRa-based private network, which can maximize the efficiency of LoRa network use using artificial intelligence by reducing the power consumption of sensor nodes and collecting the status of the LoRa network in a server.

일반적으로 ISM 대역(Industrial Scientific Medical Band)을 사용하는 저속 IoT 망에서는 다른 무선장치에 의한 간섭을 회피하기 위해서 주로 LBT(Listen Before Talk) 방식 또는 CSMA/CA 방식을 사용하고 있다.In general, in a low-speed IoT network using an Industrial Scientific Medical Band (ISM) band, a Listen Before Talk (LBT) method or a CSMA/CA method is mainly used to avoid interference by other wireless devices.

CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)는 무선 랜(WLAN)에서 센서노드가 무선 매체를 통해 데이터를 전송하려고 할 때, 매체에 있는 반송파를 감지하여 매체가 비어있음을 확인한 뒤 충돌을 회피하기 위하여 임의의 시간을 기다렸다가 데이터를 전송하는 방법으로 매체가 비어있음을 확인한 뒤 바로 데이터를 전송하는 반송파 감지 다중 접속/충돌 탐지(CSMA/CD) 방식과 달리 네트워크에 데이터의 전송이 없는 경우라도 동시 전송에 의한 충돌에 대비하여 확인 신호를 전송하여, 확인 신호가 충돌 없이 전송된 것을 확인할 경우 데이터를 보내는 통신 기술이다.CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) detects the carrier in the medium when a sensor node tries to transmit data through a wireless medium in a wireless LAN (WLAN), and avoids collision after confirming that the medium is empty. Unlike the carrier sensing multiple access/collision detection (CSMA/CD) method, which transmits data immediately after confirming that the medium is empty, it transmits data after waiting for a random time to It is a communication technology that transmits a confirmation signal in preparation for a collision caused by transmission and sends data when it is confirmed that the confirmation signal has been transmitted without collision.

이때, 유선 랜(LAN)에서 충돌(collision)은 전송 매체의 전위 변화로 알 수 있으나, 무선랜에서는 무선 채널 상에서 충돌 감지가 불가능하므로, 사전에 충돌을 가능한 한 회피하는 방식을 사용한다. 다만, 네트워크의 사용 빈도가 많아 네트워크가 복잡해지면 중복 충돌 확인 알고리즘으로 인해 감지에 오랜 시간이 걸리고 데이터의 전송도 지연되는 문제점이 발생하게 된다.In this case, a collision in a wired LAN can be recognized by a change in potential of a transmission medium, but in a wireless LAN, collision detection is impossible on a wireless channel, so a method of avoiding collision as much as possible in advance is used. However, if the network is complicated due to frequent use of the network, it takes a long time to detect and delay data transmission due to the duplicate collision checking algorithm.

즉, CSMA/CA 방식은 혼잡한 상황에서 더욱 큰 지연을 유발하며, 정보 유실로 이어지는 상황이 빈번하고, 이에 따라, 다중 채널을 사용하여 단말이 사용하고 있는 채널의 혼잡 상황을 회피하고 원활한 통신을 위한 채널 scheduling이 필요하게 된다.In other words, the CSMA/CA method causes a greater delay in congested situations and frequently leads to information loss. Accordingly, it uses multiple channels to avoid congestion in the channel used by the terminal and to ensure smooth communication. channel scheduling is required.

그리고, LoRa(Long Range)는 게이트웨이(Gateway)에서 센서노드에 사용 채널을 할당해 주는 형식으로, 다른 LoRa 망과의 간섭 등에 매우 취약하며, LoRa 단말, 즉 센서노드는 할당된 해당 채널만 사용하여 통신을 수행한다. 또한, 센서노드에서 게이트웨이로 단방향 전달하는 방식을 사용한다.In addition, LoRa (Long Range) is a format in which a gateway assigns a channel to use to a sensor node, and is very vulnerable to interference with other LoRa networks. carry out communication In addition, a one-way transmission method is used from the sensor node to the gateway.

그리고, LoRa 망은 특정 통신사업자가 운영하는 public 망과 국소 지역을 기반으로 자체 망을 구축하여 운영하는 private 망으로 나뉘는데, public LoRa 망은 private LoRa 망과 같은 대역을 사용함으로써 이들의 혼잡도 상승으로 인한 충돌을 야기하게 된다.In addition, the LoRa network is divided into a public network operated by a specific communication service provider and a private network built and operated based on local areas. The public LoRa network uses the same band as the private LoRa network, resulting in increased congestion. cause a collision

충돌이 빈번하게 발생하는 채널은 다른 센서노드들이 사용하고 있는 구간일 확률이 높기 때문에 이를 회피하여 상대적으로 사용 확률이 적은 채널로 바꿀 수 있으나 이와 같은 기능이 없다는 것이 문제로 지적되고 있다.Channels with frequent collisions are likely to be used by other sensor nodes, so they can be avoided and changed to channels with a relatively low probability of use, but the lack of such a function is pointed out as a problem.

대한민국 등록특허공보 제1866977호Republic of Korea Patent Registration No. 1866977 대한민국 공개특허공보 제2019-0074438호Republic of Korea Patent Publication No. 2019-0074438 대한민국 공개특허공보 제2020-0025666호Republic of Korea Patent Publication No. 2020-0025666

본 발명의 목적은 주변에 산재한 동일 채널을 사용하는 다른 private LoRa 망에 의한 간섭을 최소화할 수 있고, 효율적인 Data channel의 사용을 통하여 센서노드의 소모전력을 절감시키며, LoRa 망의 상태를 서버에서 취합함으로써 인공지능 등을 활용한 LoRa 망 사용 효율의 극대화를 도모할 수 있는 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법을 제공함에 있다.It is an object of the present invention to minimize interference by other private LoRa networks using the same channel scattered around, reduce power consumption of sensor nodes through efficient use of data channels, and collect the status of the LoRa network in the server. By doing so, it is to provide a medium access control method for the operation of a LoRa-based private network that can maximize the efficiency of LoRa network use using artificial intelligence.

본 발명의 목적은 게이트웨이에서 센서노드로의 제어에 대한 정확도를 높일 수 있도록 하고, 시분할방식의 양방향통신으로 이루어지도록 하여 실시간 제어를 가능케 하는 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법을 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide a medium access control method for the operation of a LoRa-based private network, which can increase the accuracy of control from a gateway to a sensor node and enable real-time control by enabling time-division two-way communication. .

본 발명의 목적은 게이트웨이가 각 단말의 송/수신을 완전히 통제하므로 각 단말에서 게이트웨이로 전송되는 센싱 데이터의 신뢰도는 센서노드 주도의 통신방법에 비해 훨씬 높은 신뢰도를 갖게 되며, LoRa 통신의 강점인 거리에 따른 SF(Spreading Factor)를 가변으로 사용할 수 있는 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법을 제공함에 있다.The purpose of the present invention is that since the gateway completely controls the transmission/reception of each terminal, the reliability of the sensing data transmitted from each terminal to the gateway has a much higher reliability than the sensor node-driven communication method, and the strength of LoRa communication is distance. It is to provide a medium access control method for the operation of a LoRa-based private network that can use SF (Spreading Factor) according to variably.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving the above object,

서버와 통신하는 Private LoRa 망에서 게이트웨이를 통해 센서노드를 제어하는 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법에 있어서,In the medium access control method for the operation of a LoRa-based private network that controls a sensor node through a gateway in a private LoRa network communicating with a server,

상기 센서노드에서 센싱 데이터가 발생될 경우 Base channel을 통해 Resource request를 상기 게이트웨이로 송신하는 스텝과,Transmitting a resource request to the gateway through a base channel when sensing data is generated by the sensor node;

상기 게이트웨이에서 Base channel을 통해 Data channel을 할당함과 동시에 offset time을 정의한 Resource response를 상기 센서노드로 응답하는 스텝과,A step of allocating a data channel through a base channel in the gateway and responding to the sensor node a resource response defined with an offset time;

상기 센서노드에서 상기 게이트웨이에 의해 할당 및 정의된 Data channel을 통해 offset time 후 센싱 데이터 및 채널 모니터링 정보를 상기 게이트웨이로 전송하는 스텝과,Transmitting sensing data and channel monitoring information from the sensor node to the gateway after an offset time through a data channel allocated and defined by the gateway;

상기 게이트웨이에서 상기 센서노드의 센싱 데이터를 ACK하면서 상기 서버로 전송하는 스텝과,transmitting, in the gateway, the sensing data of the sensor node to the server while ACKing;

상기 서버에서 상기 게이트웨이로부터 전송된 상기 센서노드의 센싱 데이터 및 채널 모니터링 정보를 분석하면서 Data channel의 Traffic을 예상하여 상기 게이트웨이로 하여금 상기 센서노드를 제어토록 Resource response를 정의하는 스텝을 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.The server analyzes the sensing data and channel monitoring information of the sensor node transmitted from the gateway, predicts the traffic of the data channel, and defines a resource response so that the gateway controls the sensor node. It is a basic feature of composition.

본 발명에 따라 게이트웨이 및 센서노드는 기본적인 통신(접속/탈퇴/download 정보)을 위하여 base channel을 운용하고, 센싱 데이터의 전달은 게이트웨이에서 할당한 채널, 즉 Data channel을 이용해 전달하며, 게이트웨이는 센싱 데이터의 주기성 및 비주기성을 기반으로 단말의 채널 점유시점을 결정(scheduling)하여 센서노드에 전달하고, 이때, LoRa 망의 복잡성은 게이트웨이가 수신한 센싱 데이터 및 무선 채널 상태를 분석하여 서버로 전송함으로써 서버가 수집한 정보를 취합하여 결정할 수 있도록 하여, 주변에 산재한 동일 채널을 사용하는 다른 private LoRa 망에 의한 간섭을 최소화할 수 있고, 효율적인 Data channel의 사용을 통하여 센서노드의 소모전력을 절감시키며, LoRa 망의 상태를 서버에서 취합함으로써 인공지능 등을 활용한 LoRa 망 사용 효율의 극대화를 도모할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the gateway and the sensor node operate a base channel for basic communication (connection/leave/download information), and the sensing data is transmitted using a channel allocated by the gateway, that is, a data channel, and the gateway transmits the sensing data. Based on the periodicity and non-periodicity of the terminal, the channel occupancy point is determined (scheduled) and transmitted to the sensor node. At this time, the complexity of the LoRa network analyzes the sensing data and wireless channel conditions received by the gateway and transmits them to the server. It is possible to minimize interference by other private LoRa networks using the same channel scattered around the surroundings by collecting the information collected by By collecting the network status in the server, there is an effect of maximizing the efficiency of using the LoRa network using artificial intelligence.

본 발명에 따라 LoRa 망에 접속하는 센서노드는 짧은 frame, 즉 Resource request를 전송하여 게이트웨이에 망 사용 승인을 요청하고, 게이트웨이는 특정 data channel과 offset time을 결정하여 센서노드로 즉시 Resource response로서 응답하고, 이어서 응답을 수신한 센서노드는 offset time 후에 센싱 데이터를 게이트웨이로 전달하고, 이를 수신한 게이트웨이는 이에 대한 ACK를 센서노드로 송신하면서 해당 센싱 데이터를 서버로 전송하고, 서버는 게이트웨이로부터 전송된 센서노드의 센싱 데이터를 분석하면서 Data channel의 Traffic을 예상하여 게이트웨이로 하여금 센서노드로 채널 resource 정보를 제공하여 Resource response를 정의할 수 있도록 함으로써, 주변에 산재한 동일 Data channel을 사용하는 다른 private LoRa 망에 의한 간섭을 최소화할 수 있도록 함과 동시에 효율적인 Data channel의 사용을 통하여 센서노드의 소모전력을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the sensor node accessing the LoRa network transmits a short frame, that is, a resource request, to request permission to use the network to the gateway, and the gateway determines a specific data channel and offset time and immediately responds to the sensor node as a resource response. , Then, the sensor node receiving the response forwards the sensing data to the gateway after offset time, and the gateway that receives it transmits the corresponding sensing data to the server while sending an ACK in response to this to the sensor node, and the server transmits the sensor transmitted from the gateway By analyzing the sensing data of the node and predicting the traffic of the data channel, the gateway provides the channel resource information to the sensor node so that the resource response can be defined. It has the effect of minimizing the interference and reducing the power consumption of the sensor node through the efficient use of the data channel.

본 발명은 게이트웨이에서 센서노드로의 제어에 대한 정확도를 높일 수 있도록 하고, 시분할방식의 양방향통신으로 이루어지도록 하여 실시간 제어를 가능케 하는 효과가 있다.The present invention has an effect of increasing the accuracy of control from a gateway to a sensor node and enabling real-time control by making bi-directional communication in a time division manner.

본 발명은 게이트웨이가 각 단말의 송/수신을 완전히 통제하므로 각 단말에서 게이트웨이로 전송되는 센싱 데이터의 신뢰도는 센서노드 주도의 통신방법에 비해 훨씬 높은 신뢰도를 갖게 되며, LoRa 통신의 강점인 거리에 따른 SF(Spreading Factor)를 가변으로 사용할 수 있는 효과가 있다.In the present invention, since the gateway completely controls the transmission/reception of each terminal, the reliability of the sensing data transmitted from each terminal to the gateway has a much higher reliability than the sensor node-driven communication method, and according to the distance, which is the strength of LoRa communication, It has the effect of using a variable SF (Spreading Factor).

본 발명에 따라 서버는 장시간 게이트웨이에서 수신한 LoRa 망 상태자료를 바탕으로 머신러닝 등의 학습 알고리즘(algorithm) 또는 기타 LoRa 망 사용에 대한 이력 관리 등을 통하여 현재와 미래의 망 사용을 예측하고 판단하여 다시 게이트웨이로 망 scheduling 정보를 feedback 함으로써 LoRa 망 사용을 극대화할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the server predicts and determines current and future network use through learning algorithms such as machine learning or other LoRa network usage history management based on the LoRa network status data received from the long-time gateway There is an effect of maximizing the use of the LoRa network by feeding back network scheduling information back to the gateway.

도 1은 본 발명에 따른 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법에 적용된 Base channel 및 Data channel의 운용 예를 나타내는 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법에 적용된 게이트웨이 및 센서노드 상호간의 동기화된 통신을 설명하기 위한 개념도.1 is a block diagram showing a medium access control method for the operation of a private network based on LoRa according to the present invention.
2 is a conceptual diagram illustrating an example of operation of a base channel and a data channel applied to a medium access control method for operation of a private network based on LoRa according to the present invention.
3 is a conceptual diagram illustrating synchronized communication between a gateway and sensor nodes applied to a method for controlling media access for private network operation based on LoRa according to the present invention.

본 발명에 따른 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법의 바람직한 실시예를 도면을 참조하면서 설명하기로 하고, 그 실시예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 이러한 실시예를 통하여 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 더욱 잘 이해할 수 있게 된다.A preferred embodiment of a medium access control method for LoRa-based private network operation according to the present invention will be described with reference to the drawings, and a plurality of examples may exist. You will gain a better understanding of its features and benefits.

도 1은 본 발명에 따른 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법을 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법에 적용된 Base channel 및 Data channel의 운용 예를 나타내는 개념도이며, 도 3은 본 발명에 따른 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법에 적용된 게이트웨이(200) 및 센서노드(100) 상호간의 동기화된 통신을 설명하기 위한 개념도이다.1 is a block diagram showing a medium access control method for LoRa-based private network operation according to the present invention, and FIG. 2 is a base channel and data channel applied to a medium access control method for LoRa-based private network operation according to the present invention. 3 is a conceptual diagram illustrating an operation example, and FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining synchronized communication between the gateway 200 and the sensor node 100 applied to the medium access control method for LoRa-based private network operation according to the present invention.

본 발명에 따른 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 서버(300)와 통신하는 Private LoRa 망에서 게이트웨이(200)를 통해 센서노드(100)를 제어할 수 있도록 설계된다.As shown in FIGS. 1 to 3 , the media access control method for LoRa-based private network operation according to the present invention controls the sensor node 100 through the gateway 200 in the private LoRa network communicating with the server 300. designed to do

구체적으로, 본 발명에 따른 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법은 센서노드(100)에서 센싱 데이터가 발생될 경우 Base channel을 통해 Resource request를 게이트웨이(200)로 송신하는 스텝(S10)과, 게이트웨이(200)에서 Base channel을 통해 Data channel을 할당함과 동시에 offset time을 정의한 Resource response를 센서노드(100)로 응답하는 스텝(S20)과, 센서노드(100)에서 게이트웨이(200)에 의해 할당 및 정의된 Data channel을 통해 offset time 후 센싱 데이터 및 채널 모니터링 정보를 게이트웨이(200)로 전송하는 스텝(S30)과, 게이트웨이(200)에서 센서노드(100)의 센싱 데이터를 ACK하면서 서버(300)로 전송하는 스텝(S40)과, 서버(300)에서 게이트웨이(200)로부터 전송된 센서노드(100)의 센싱 데이터 및 무선채널 상태정보를 분석하면서 Data channel의 Traffic을 예상하여 게이트웨이(200)로 하여금 센서노드(100)를 제어토록 Resource response를 정의하는 스텝(S50)을 포함한다.Specifically, the medium access control method for LoRa-based private network operation according to the present invention includes the steps of transmitting a resource request to the gateway 200 through a base channel when sensing data is generated in the sensor node 100 (S10) and , The gateway 200 assigns a data channel through the base channel and at the same time responds to the sensor node 100 with a resource response defined with an offset time (S20), and by the gateway 200 in the sensor node 100 Step S30 of transmitting the sensing data and channel monitoring information to the gateway 200 after the offset time through the allocated and defined data channel, and the server 300 while ACKing the sensing data of the sensor node 100 in the gateway 200 ), and the server 300 analyzes the sensing data of the sensor node 100 transmitted from the gateway 200 and the wireless channel state information, predicts the traffic of the data channel, and returns to the gateway 200. A step (S50) of defining a Resource response to control the sensor node 100 is included.

본 발명에 따라 게이트웨이(200) 및 센서노드(100)는 기본적인 통신(접속/탈퇴/download 정보)을 위하여 base channel을 운용하고, 센싱 데이터의 전달은 게이트웨이(200)에서 할당한 채널, 즉 Data channel을 이용해 전달하며, 게이트웨이(200)는 센싱 데이터의 주기성 및 비주기성을 기반으로 단말의 채널 점유시점을 결정(scheduling)하여 센서노드(100)에 전달하고, 이때, LoRa 망의 복잡성은 게이트웨이(200)가 수신한 센싱 데이터 및 무선채널 상태정보를 분석하여 서버(300)로 전송함으로써 서버(300)가 수집한 정보를 취합하여 결정할 수 있도록 하여, 주변에 산재한 동일 채널을 사용하는 다른 private LoRa 망에 의한 간섭을 최소화할 수 있고, 효율적인 Data channel의 사용을 통하여 센서노드(100)의 소모전력을 절감시키며, LoRa 망의 상태를 서버(300)에서 취합함으로써 후술하는 인공지능 등을 활용한 LoRa 망 사용 효율의 극대화를 도모할 수 있도록 한다.According to the present invention, the gateway 200 and the sensor node 100 operate a base channel for basic communication (connection/leave/download information), and transmission of sensing data is performed through a channel allocated by the gateway 200, that is, a data channel. The gateway 200 determines (scheduling) the terminal's channel occupation point based on the periodicity and non-periodicity of the sensing data and delivers it to the sensor node 100. At this time, the complexity of the LoRa network is the gateway 200 ) analyzes the received sensing data and wireless channel status information and transmits them to the server 300 so that the server 300 can collect and determine the collected information, so that other private LoRa networks using the same channel scattered around can minimize interference, reduce the power consumption of the sensor node 100 through the efficient use of data channels, and collect the status of the LoRa network in the server 300 to use the LoRa network using artificial intelligence, etc. described later to maximize efficiency.

한편, LoRa 망에서 제시하는 통신방식은 LBT(Listen Before Talk)로, 송신 전에 일정 시간 동안 채널점유를 확인하고 송신을 수행하는 방식을 사용하고 있다.On the other hand, the communication method proposed by the LoRa network is LBT (Listen Before Talk), which uses a method of checking channel occupancy for a certain period of time before transmission and performing transmission.

센서노드(100)는 주기성 데이터 또는 비주기성 데이터를 발생시키며, 주기성 데이터의 경우 정해진 채널로 주기적인 통신을 수행하기 때문에 traffic을 예측할 수 있으나, 비주기성 데이터는 이를 예측할 수 없는 문제가 있다.The sensor node 100 generates periodic data or aperiodic data, and in the case of periodic data, traffic can be predicted because periodic communication is performed through a predetermined channel. However, aperiodic data has a problem in that it cannot be predicted.

다만, 비주기성 데이터의 발생을 관찰함으로써 주로 사용되는 Data channel을 알 수 있으며, 이를 통해 각 Data channel의 복잡도를 판단하고 관리하고 있는 센서노드(100)의 통신을 제어할 수 있도록 한다.However, by observing the generation of aperiodic data, it is possible to know the data channel that is mainly used, and through this, the complexity of each data channel can be determined and the communication of the managed sensor node 100 can be controlled.

도 1은 특정 센서노드(100)가 센싱 데이터를 서버(300)로 전달하기 위한 절차를 설명하고 있다. LoRa에서 하나의 게이트웨이(200)는 도 2에 도시된 바와 같이 8개의 채널을 동시에 사용 가능하며, 이 중에서 한 채널을 "base channel"로 정의하고, 나머지 채널을 "data channel"로 정의한다.1 illustrates a procedure for a specific sensor node 100 to transmit sensing data to the server 300. In LoRa, one gateway 200 can simultaneously use 8 channels as shown in FIG. 2, and among them, one channel is defined as a “base channel” and the remaining channels are defined as a “data channel”.

Base channel은 CSMA/CA와 같은 LBT 방식을 사용하여 기본적인 충돌을 회피하여 통신하며, 망의 가입/탈퇴, data channel의 할당 등의 용도로 활용된다.The base channel uses LBT methods such as CSMA/CA to communicate by avoiding basic collisions, and is used for joining/leaving networks and allocating data channels.

Data channel은 offset time을 가진 LBT 방식으로 동작한다. offset time은 게이트웨이(200)에서 할당하며, 센서노드(100)는 해당 offset time 후에 통신을 수행하도록 함으로써 게이트웨이(200) 할당 시간에 정확하게 동작할 수 있도록 정의한다.Data channel operates in LBT method with offset time. The offset time is allocated by the gateway 200, and the sensor node 100 performs communication after the corresponding offset time, so that it can operate accurately at the allocated time of the gateway 200.

이때, LoRa 망에 접속하는 센서노드(100)는 짧은 frame, 즉 Resource request를 전송하여 게이트웨이(200)에 망 사용 승인을 요청하고, 게이트웨이(200)는 특정 data channel과 offset time을 결정하여 센서노드(100)로 즉시 Resource response로서 응답하고, 이어서 응답을 수신한 센서노드(100)는 offset time 후에 센싱 데이터를 게이트웨이(200)로 전달한다. 이를 수신한 게이트웨이(200)는 이에 대한 ACK를 센서노드(100)로 송신하고 해당 센싱 데이터를 서버(300)로 전송한다. 이에 따라 서버(300)는 게이트웨이(200)로부터 전송된 센서노드(100)의 센싱 데이터 및 무선채널 상태정보를 분석하면서 Data channel의 Traffic을 예상하여 게이트웨이(200)로 하여금 센서노드(100)를 제어할 수 있도록 Resource response를 정의할 수 있도록 함으로써, 주변에 산재한 동일 Data channel을 사용하는 다른 private LoRa 망에 의한 간섭을 최소화할 수 있도록 함과 동시에 효율적인 Data channel의 사용을 통하여 센서노드(100)의 소모전력을 절감시킬 수 있도록 하는 것이다.At this time, the sensor node 100 accessing the LoRa network transmits a short frame, that is, a resource request, and requests permission to use the network from the gateway 200, and the gateway 200 determines a specific data channel and offset time, (100) immediately responds as a Resource response, and then the sensor node 100 receiving the response transmits the sensing data to the gateway 200 after an offset time. Upon receiving this, the gateway 200 transmits an ACK for this to the sensor node 100 and transmits the corresponding sensing data to the server 300. Accordingly, the server 300 predicts the traffic of the data channel while analyzing the sensing data of the sensor node 100 transmitted from the gateway 200 and the wireless channel state information, and controls the sensor node 100 through the gateway 200. By allowing the resource response to be defined so as to minimize interference by other private LoRa networks using the same data channel scattered around, and at the same time, consumption of the sensor node 100 through efficient use of the data channel is to save power.

그리고, 상기 S20 스텝에서 게이트웨이(200)로부터 센서노드(100)로의 응답이 이루어지지 않을 경우 ARQ(Automatic Repeat reQuest) 방식으로 반복하여 응답을 실현토록 하여 게이트웨이(200)에서 센서노드(100)로의 제어에 대한 정확도를 높일 수 있도록 한다.And, if the response from the gateway 200 to the sensor node 100 is not made in step S20, the control from the gateway 200 to the sensor node 100 is realized by repeating the response in ARQ (Automatic Repeat request) method to increase the accuracy of

또한, 게이트웨이(200) 및 센서노드(100)는 시분할방식의 양방향통신으로 이루어지도록 하여 실시간 제어를 가능케 한다.In addition, the gateway 200 and the sensor node 100 enable real-time control by enabling bi-directional communication in a time division manner.

한편, 상기 S20 스텝에서 게이트웨이(200) 및 센서노드(100)는 상호 CSMA/CA의 LBT(Listen Before Talk) 방식으로 통신할 수 있도록 한다.Meanwhile, in step S20, the gateway 200 and the sensor node 100 can communicate with each other in a CSMA/CA LBT (Listen Before Talk) method.

나아가, 상기 S30 스텝에서 센서노드(100)로부터 게이트웨이(200)로 전송된 센싱 데이터는 센서노드(100)의 수신세기(RSSI), 수신시간(time offset) 및 수신데이터 길이를 포함하고, 상기 S40 스텝에서 게이트웨이(200)는 센서노드(100)의 센싱 데이터를 취합하여 서버(300)로 전송하고, 상기 S50 스텝에서 서버(300)는 게이트웨이(200)에서 취합된 센싱 데이터를 AI(Artificial Intelligence) 알고리즘으로 분석하여 Data channel을 할당함과 동시에 offset time으로 정의되는 Resource response를 게이트웨이(200)로 분배하여 게이트웨이(200)로 하여금 센서노드(100)를 제어토록 한다.Furthermore, the sensing data transmitted from the sensor node 100 to the gateway 200 in step S30 includes the RSSI of the sensor node 100, the reception time (time offset), and the length of the received data. In step S50, the gateway 200 collects the sensing data of the sensor node 100 and transmits the collected data to the server 300. Data channels are analyzed by algorithm and at the same time, resource responses defined as offset time are distributed to the gateway 200 so that the gateway 200 controls the sensor node 100.

더 나아가, 상기 S30 스텝에서 센서노드(100)로부터 게이트웨이(200)로 전송된 센싱 데이터는 주기성 데이터 및 비주기성 데이터로 이루어지고, 상기 S40 스텝에서 게이트웨이(200)는 센서노드(100)의 Data channel의 점유현황을 취합하여 서버(300)로 전송하고, 상기 S50 스텝에서 서버(300)는 게이트웨이(200)에서 취합된 센서노드(100)의 Data channel의 점유현황을 분석하면서 각 채널의 복잡도를 판단하여 Data channel의 할당 및 offset time의 정의를 결정한 Resource response를 게이트웨이(200)로 분배할 수 있도록 한다.Furthermore, the sensing data transmitted from the sensor node 100 to the gateway 200 in step S30 is composed of periodic data and non-periodic data, and in step S40 the gateway 200 transmits the data channel of the sensor node 100 The occupancy status of is collected and transmitted to the server 300, and in step S50, the server 300 determines the complexity of each channel while analyzing the occupancy status of the data channels of the sensor node 100 collected by the gateway 200 Thus, the resource response determined by the allocation of the data channel and the definition of the offset time can be distributed to the gateway 200.

이때, 상기 S50 스텝에서 서버(300)는 게이트웨이(200)에서 취합된 센싱 데이터와 채널의 점유 상태정보를 분석하여 다른 Private LoRa 망의 간섭을 회피할 수 있도록 Data channel 할당 및 offset time이 포함된 Resource response를 게이트웨이(200)에 분배토록 한다.At this time, in the step S50, the server 300 analyzes the sensing data collected by the gateway 200 and the channel occupancy status information to avoid interference with other private LoRa networks by assigning data channels and resources including offset time. The response is distributed to the gateway 200.

도 2를 참조하여 본 발명에 따른 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법을 더욱 구체적으로 설명하면, 특정 센서노드(100)가 Resource request를 Base channel을 통해 요청하면 게이트웨이(200)는 자신의 Data channel 정보를 이용하여 해당 센서노드(100)에 Resource response를 할당한다. 게이트웨이(200)에서 할당하는 Resource response(무선자원 정보)는 Data channel의 번호와 offset time을 포함하며, Data channel의 번호는 센서노드(100)가 게이트웨이(200)와 통신을 위해 사용할 해당 Data channel로서 부여하며, offset time은 해당 센서노드(100)가 송신을 원하는 센싱 데이터를 송신하는 시점의 시간차로 정의된다.Referring to FIG. 2, the medium access control method for the operation of a LoRa-based private network according to the present invention will be described in more detail. When a specific sensor node 100 requests a Resource request through a base channel, the gateway 200 A resource response is allocated to the corresponding sensor node 100 using data channel information. The resource response (radio resource information) allocated by the gateway 200 includes the data channel number and offset time, and the data channel number is the corresponding data channel that the sensor node 100 will use for communication with the gateway 200. offset time is defined as a time difference at the time when the corresponding sensor node 100 transmits the desired sensing data.

이때, offset time은 도 3의 beacon을 통해서 공유한 동기화된 기준 시각의 offset 값을 의미한다.At this time, the offset time means an offset value of the synchronized reference time shared through the beacon of FIG. 3 .

Resource response(무선자원의 할당 정보)를 수신한 센서노드(100)는 Resource response에 포함된 Data channel을 통해 기준 sync 시간에서 offset time 후에 데이터 frame을 송신한다.The sensor node 100 receiving the resource response (wireless resource allocation information) transmits a data frame after an offset time from the reference sync time through a data channel included in the resource response.

센서노드(100)에서 송신한 frame을 게이트웨이(200)에서 정상적으로 수신 완료하면, 게이트웨이(200)는 ACK frame을 즉시 단말에게 송신한다.When the frame transmitted by the sensor node 100 is normally received by the gateway 200, the gateway 200 immediately transmits an ACK frame to the terminal.

이러한 송/수신의 절차에서 정상적으로 송/수신이 이루어지지 않을 경우를 대비하여 ARQ(Automatic Repeat Request) 방식을 이용하여 오류 제어를 수행토록 한다.Error control is performed using ARQ (Automatic Repeat Request) method in case transmission/reception is not normally performed in this transmission/reception procedure.

게이트웨이(200)가 각 단말의 송/수신을 완전히 통제하므로 각 단말에서 게이트웨이(200)로 전송되는 센싱 데이터의 신뢰도는 센서노드(100) 주도의 통신방법에 비해 훨씬 높은 신뢰도를 갖게 된다. 또한, LoRa 통신의 강점인 거리에 따른 SF(Spreading Factor)를 가변으로 사용할 수 있다는 장점을 제공한다.Since the gateway 200 completely controls transmission/reception of each terminal, the reliability of sensing data transmitted from each terminal to the gateway 200 is much higher than that of the sensor node 100-led communication method. In addition, it provides the advantage of being able to use SF (Spreading Factor) variable according to the distance, which is the strength of LoRa communication.

도 3을 참조하여 구체적으로 설명하면, 게이트웨이(200)는 주기적으로 beacon을 송신하며, 이 beacon은 동기 정보 및 하향 데이터 정보 등을 포함하여 송신된다.Referring to FIG. 3 in detail, the gateway 200 periodically transmits a beacon, and the beacon is transmitted including synchronization information and downlink data information.

Beacon을 수신한 센서노드(100)는 beacon 수신 시점을 이용하여 동기 정보를 추출하고 이를 자신의 시스템에 반영하여 게이트웨이(200)와 동기를 유지시킨다.Upon receiving the beacon, the sensor node 100 extracts synchronization information using the beacon reception time and reflects it to its own system to maintain synchronization with the gateway 200.

양방향 통신을 위해서 게이트웨이(200)가 beacon을 통해 sleep 상태인 센서노드(100)에 전달할 데이터가 있음을 알리고, 이를 위해 beacon에는 candidate down list를 가지고 있으며, 이 정보를 이용해 특정 센서노드(100)가 수신할 데이터가 있음을 표시한다.For bidirectional communication, the gateway 200 informs the sensor node 100 in sleep state that there is data to be transmitted through a beacon. For this, the beacon has a candidate down list, and a specific sensor node 100 uses this information. Indicates that there is data to be received.

수신할 데이터가 있음을 감지한 센서노드(100)는 게이트웨이(200)에 무선 자원을 요청하고 수신대기 모드로 전환함으로써 자신이 수신할 데이터를 수신한다.Sensing that there is data to be received, the sensor node 100 requests wireless resources from the gateway 200 and switches to a reception standby mode to receive data to be received.

이때, 센서노드(100)의 통신은 게이트웨이(200)의 무선자원 분배에 의해 이루어지며, 게이트웨이(200)는 서버(300)에서 전달되는 무선자원 schedule 정보를 기반으로 이를 배분한다. 무선자원 schedule 정보는 시간 단위의 예상 유휴 회선에 대한 정보를 담고 있으며, 해당 정보는 시간 + 채널의 구성요소를 갖는다.At this time, communication of the sensor node 100 is performed by radio resource distribution of the gateway 200, and the gateway 200 distributes radio resource schedule information transmitted from the server 300. The radio resource schedule information contains information about expected idle lines in units of time, and the corresponding information has a component of time + channel.

게이트웨이(200)는 자신이 수신해야 할 정보는 물론이고 회선을 점유하고 있는 수신 정보들에 대한 신호세기, 전송시간, 전송 데이터 길이 등의 정보를 실시간 모니터링하고, 이 정보를 서버(300)로 실시간 전송한다.The gateway 200 monitors, in real time, information such as signal strength, transmission time, and transmission data length for received information occupying the line as well as information to be received by the gateway 200, and transmits this information to the server 300 in real time. send.

게이트웨이(200)의 LoRa 망에 대한 모니터링 정보를 기반으로 서버(300)는 회선 점유정보를 데이터화하고, 이를 이용하여 향후 발생할 traffic을 예상하여 게이트웨이(200)가 단말에 무선자원을 효율적으로 분배할 수 있도록 제공한다.Based on the monitoring information on the LoRa network of the gateway 200, the server 300 converts line occupancy information into data, and by using this data, the gateway 200 can efficiently distribute wireless resources to terminals by predicting future traffic. provide so that

서버(300)는 장시간 게이트웨이(200)에서 수신한 LoRa 망 상태자료를 바탕으로 머신러닝 등의 학습 알로리즘(algorithm) 또는 기타 LoRa 망 사용에 대한 이력 관리 등을 통하여 현재와 미래의 망 사용을 예측하고 판단하여 다시 게이트웨이(200)로 망 scheduling 정보를 feedback 함으로써 LoRa 망 사용을 극대화할 수 있도록 하는 것이다.The server 300 predicts current and future network use through a learning algorithm such as machine learning or other LoRa network use history management based on the LoRa network state data received from the long-time gateway 200. This is to maximize the use of the LoRa network by feeding back the network scheduling information back to the gateway 200.

본 발명은 ISM 대역(Industrial Scientific Medical Band)을 사용하는 LoRa 망 통신 관련 산업분야에 이용될 수 있다.The present invention can be used in industries related to LoRa network communication using the ISM band (Industrial Scientific Medical Band).

100 : 센서노드
200 : 게이트웨이
300 : 서버100: sensor node
200: gateway
300: server

Claims (8)

서버(300)와 통신하는 Private LoRa 망에서 게이트웨이(200)를 통해 센서노드(100)를 제어하는 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법에 있어서,
상기 센서노드(100)에서 센싱 데이터가 발생될 경우 Base channel을 통해 Resource request를 상기 게이트웨이(200)로 송신하는 스텝(S10)과, 상기 게이트웨이(200)에서 Base channel을 통해 Data channel을 할당함과 동시에 offset time을 정의한 Resource response를 상기 센서노드(100)로 응답하는 스텝(S20)과, 상기 센서노드(100)에서 상기 게이트웨이(200)에 의해 할당 및 정의된 Data channel을 통해 offset time 후 센싱 데이터 및 채널 모니터링 정보를 상기 게이트웨이(200)로 전송하는 스텝(S30)과, 상기 게이트웨이(200)에서 상기 센서노드(100)의 센싱 데이터를 ACK하면서 상기 서버(300)로 전송하는 스텝(S40)과, 상기 서버(300)에서 상기 게이트웨이(200)로부터 전송된 상기 센서노드(100)의 센싱 데이터 및 채널 모니터링 정보를 분석하면서 Data channel의 Traffic을 예상하여 상기 게이트웨이(200)로 하여금 상기 센서노드(100)를 제어토록 Resource response를 정의하는 스텝(S50)을 포함하고,
상기 S30 스텝에서 상기 센서노드(100)로부터 상기 게이트웨이(200)로 전송된 센싱 데이터는 상기 센서노드(100)의 수신세기(RSSI), 수신시간(time offset) 및 수신데이터 길이를 포함하고,
상기 S40 스텝에서 상기 게이트웨이(200)는 상기 센서노드(100)의 센싱 데이터를 취합하여 상기 서버(300)로 전송하고,
상기 S50 스텝에서 상기 서버(300)는 상기 게이트웨이(200)에서 취합된 센싱 데이터를 AI(Artificial Intelligence) 알고리즘으로 분석하여 Data channel을 할당함과 동시에 offset time으로 정의되는 Resource response를 상기 게이트웨이(200)로 분배하여 상기 게이트웨이(200)로 하여금 상기 센서노드(100)를 제어토록 하고,
상기 S30 스텝에서 상기 센서노드(100)로부터 상기 게이트웨이(200)로 전송된 센싱 데이터는 주기성 데이터 및 비주기성 데이터로 이루어지고,
상기 S40 스텝에서 상기 게이트웨이(200)는 상기 센서노드(100)의 Data channel의 점유현황을 취합하여 상기 서버(300)로 전송하고,
상기 S50 스텝에서 상기 서버(300)는 상기 게이트웨이(200)에서 취합된 상기 센서노드(100)의 Data channel의 점유현황을 분석하면서 각 채널의 복잡도를 판단하여 Data channel의 할당 및 offset time의 정의를 결정한 Resource response를 상기 게이트웨이(200)로 분배하는 것을 특징으로 하는 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법.In the medium access control method for LoRa-based private network operation that controls the sensor node 100 through the gateway 200 in the private LoRa network communicating with the server 300,
When sensing data is generated in the sensor node 100, a step (S10) of transmitting a resource request to the gateway 200 through a base channel, and allocating a data channel through the base channel in the gateway 200; At the same time, the step (S20) of responding to the sensor node 100 a Resource response defined by the offset time, and sensing data after the offset time through the data channel allocated and defined by the gateway 200 in the sensor node 100 and transmitting channel monitoring information to the gateway 200 (S30) and transmitting the sensing data of the sensor node 100 to the server 300 while ACKing in the gateway 200 (S40). , The server 300 analyzes the sensing data and channel monitoring information of the sensor node 100 transmitted from the gateway 200, predicts the traffic of the data channel, and causes the gateway 200 to detect the sensor node 100. ) Including the step (S50) of defining a Resource response to control,
The sensing data transmitted from the sensor node 100 to the gateway 200 in step S30 includes the RSSI of the sensor node 100, the reception time (time offset), and the length of the received data,
In step S40, the gateway 200 collects the sensing data of the sensor node 100 and transmits it to the server 300,
In the step S50, the server 300 analyzes the sensing data collected by the gateway 200 with AI (Artificial Intelligence) algorithm, allocates a data channel, and at the same time sends a resource response defined as an offset time to the gateway 200. distributed to the gateway 200 to control the sensor node 100,
The sensing data transmitted from the sensor node 100 to the gateway 200 in step S30 is composed of periodic data and aperiodic data,
In the step S40, the gateway 200 collects the occupancy status of the data channel of the sensor node 100 and transmits it to the server 300,
In the step S50, the server 300 determines the complexity of each channel while analyzing the occupancy status of the data channels of the sensor node 100 collected by the gateway 200, allocates the data channels, and defines the offset time. A medium access control method for operating a LoRa-based private network, characterized in that for distributing the determined Resource response to the gateway (200). 제1항에 있어서,
상기 S20 스텝에서 상기 게이트웨이(200) 및 센서노드(100)는 1개의 Base channel 및 7개의 Data channel로 통신하는 것을 특징으로 하는 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법.According to claim 1,
In step S20, the gateway 200 and the sensor node 100 communicate with one base channel and seven data channels. 제1항에 있어서,
상기 S20 스텝에서 상기 게이트웨이(200)로부터 상기 센서노드(100)로의 응답이 이루어지지 않을 경우 ARQ(Automatic Repeat reQuest) 방식으로 반복하여 응답을 실현하는 것을 특징으로 하는 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법.According to claim 1,
Media access for LoRa-based private network operation, characterized in that in step S20, when a response is not made from the gateway 200 to the sensor node 100, the response is repeatedly realized in an ARQ (Automatic Repeat request) method. control method. 제1항에 있어서,
상기 게이트웨이(200) 및 센서노드(100)는 시분할방식의 양방향통신으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법.According to claim 1,
The medium access control method for the operation of a LoRa-based private network, characterized in that the gateway (200) and the sensor node (100) are made of two-way communication in a time division manner. 제2항에 있어서,
상기 S20 스텝에서,
상기 게이트웨이(200) 및 센서노드(100)는 상호 CSMA/CA의 LBT(Listen Before Talk) 방식으로 통신하는 것을 특징으로 하는 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법.According to claim 2,
In the step S20,
The medium access control method for LoRa-based private network operation, characterized in that the gateway 200 and the sensor node 100 communicate with each other in a CSMA / CA LBT (Listen Before Talk) method. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 S50 스텝에서 상기 서버(300)는 상기 게이트웨이(200)에서 취합된 센싱 데이터를 분석하여 다른 Private LoRa 망의 간섭을 없앨 수 있도록 Data channel 할당 및 offset time 정의의 Resource response를 상기 게이트웨이(200)에 분배하는 것을 특징으로 하는 LoRa 기반의 사설망 운용을 위한 매체접속 제어 방법.
According to claim 1,
In the step S50, the server 300 analyzes the sensing data collected by the gateway 200 and transmits a resource response of data channel allocation and offset time definition to the gateway 200 in order to eliminate interference from other private LoRa networks. A medium access control method for the operation of a private network based on LoRa, characterized by distributing.
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