KR20030097187A - Method for selecting packet based on a channel quality estimation in short-distance wireless PAN system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 근거리 무선 팬(PAN : Personal Area Network) 시스템에서 액세스 코드를 이용하여 채널의 상태를 예측하고, 예측한 채널의 상태를 바탕으로 시스템이 요구하는 처리량(throughput) 및 전송 지연 등의 요소들을 고려하여 채널의 상태에 적절한 패킷을 선정하는 근거리 무선 팬 시스템에서 채널 환경에 따른 패킷 선정방법에 관한 것이다.The present invention predicts the state of a channel by using an access code in a personal area network (PAN) system, and calculates elements such as throughput and transmission delay required by the system based on the predicted channel state. The present invention relates to a packet selection method according to a channel environment in a short range wireless fan system that selects a packet suitable for a channel state.
무선 PAN 시스템은 2.4㎓의 주파수 대역에서 동작하는 것으로서 현재 블루투스(bluetooth) 시스템과 무선 LAN(Wireless Local Area Network) 등이 알려져 있다. 상기 블루투스 시스템은 주파수 도약방식을 이용하여 데이터의 송신 및 수신을 수행하고, 상기 무선 LAN 시스템은 주파수 도약방식 및 직접 대역확산 방식을 채택하여 데이터의 송신 및 수신을 수행하고 있다. 그리고 상기 블루투스 시스템은 79개의 RF 주파수 대역을 이용하여 전체 대역에서 주파수 도약을 수행하고 있다.The wireless PAN system operates in a frequency band of 2.4 GHz, and a Bluetooth system and a wireless local area network (LAN) are known. The Bluetooth system transmits and receives data using a frequency hopping method, and the wireless LAN system uses a frequency hopping method and a direct spread spectrum method to perform data transmission and reception. The Bluetooth system performs frequency hopping in all bands by using 79 RF frequency bands.
무선통신에서 소정의 패킷을 전송하는 채널의 환경은 전체 링크의 처리량과 전력 소모에 영향을 주는 가장 큰 원인이다. 그러므로 채널의 상태를 정확하게 판단하고, 판단한 채널의 상태에 따라 적절한 패킷을 선정하는 것이 바람직하다.The environment of a channel for transmitting a predetermined packet in wireless communication is the biggest cause affecting the throughput and power consumption of the entire link. Therefore, it is desirable to accurately determine the state of a channel and to select an appropriate packet according to the determined state of the channel.
채널의 상태에 따라 적절한 패킷을 선정하기 위하여 블루투스 시스템의 스펙에서는 채널의 상태를 분류한 후 전송할 데이터의 양에 따라 패킷을 선정하도록 하고 있다. 즉, 채널의 상태가 좋고 전송할 데이터가 많을 경우에는 에러 코딩 없는 DH(Data High) 패킷을 전송하고, 채널의 상태가 나쁘고 데이터가 적을 경우에는 에러 코딩을 한 DM(Data Medium) 패킷을 전송하도록 하고 있다.In order to select an appropriate packet according to the channel state, the specification of the Bluetooth system classifies the channel state and then selects the packet according to the amount of data to be transmitted. In other words, if the channel is in good condition and there is a lot of data to transmit, the DH (Data High) packet without error coding is transmitted. If the channel is bad and there is little data, the DM packet with error coding is transmitted. have.
이러한 블루투스 시스템의 스펙에 따라 패킷을 선정하는 방법에서 제일 중요한 요소는 채널 상태의 명확한 구분이나, 블루투스 시스템의 스펙에서는 채널 상태의 구분에 대한 기준이 명확하지 않고, 단지 상태가 좋을 때에는 DH 패킷을 전송하고 채널의 상태가 좋지 않을 때는 DM 패킷을 전송한다고 언급되어 있는 것으로서 비트 에러율이 어느 정도 되는 지점이 채널 상태의 좋고 나쁨을 구분할 수 있는 기준점인지를 판단하기는 상당히 어렵다.The most important factor in the method of selecting packets according to the specification of the Bluetooth system is the clear classification of the channel status, but the specification of the channel status is not clear in the specification of the Bluetooth system, and only when the condition is good, DH packets are transmitted. When the channel is not in good condition, it is said that the DM packet is transmitted. It is difficult to determine whether the point where the bit error rate is good is a reference point that can distinguish between good and bad conditions of the channel.
그리고 상기한 바와 같이 모호한 구분을 바탕으로 하여 패킷을 선정한다면 요구되는 QoS(Quality of Service)를 만족시키지 못할 뿐만 아니라 낭비적인 패킷의 재전송이 반복적으로 발생하게 되는 등의 여러 가지 문제점이 있었다.As described above, if the packet is selected based on the ambiguous division, there are various problems such as not only satisfying the required Quality of Service (QoS) but also repeatedly transmitting a wasteful packet.
따라서 본 발명의 목적은 액세스 코드를 이용하여 채널의 상태를 예측하고, 예측한 채널 상태를 바탕으로 시스템에서 요구하는 처리량과 전송 지연을 고려하여 패킷을 선정하는 근거리 무선 팬 시스템에서 채널 환경에 따른 패킷 선정방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to predict the state of a channel using an access code and to select a packet in consideration of the throughput and transmission delay required by the system based on the predicted channel state. To provide a selection method.
이러한 목적을 가지는 본 발명의 근거리 무선 팬 시스템에서 채널 환경에 따른 패킷 선정방법은, 전송 받은 패킷의 액세스 코드로 비트 에러율을 측정하고, 상기 측정한 비트 에러율로 채널의 상태를 예측하며, 예측한 채널의 상태에 따라 패킷을 선정하는 것을 특징으로 한다.In the short-range wireless fan system of the present invention having the above object, the packet selection method according to the channel environment measures a bit error rate using an access code of a received packet, predicts a channel state using the measured bit error rate, and predicts a channel. The packet may be selected according to the state of.
상기 패킷 선정은, 최대 처리량을 만족하거나 또는 요구되는 패킷 에러율을 만족하게 패킷을 선정하는 것을 특징으로 한다.The packet selection is characterized in that the packet is selected to satisfy the maximum throughput or to satisfy the required packet error rate.
도 1은 블루투스 시스템의 패킷 형식을 보인 도면이고,1 is a view showing a packet format of a Bluetooth system,
도 2는 ACL 패킷의 종류에 따른 각각의 파라미터들을 보인 도면이며,2 is a diagram illustrating respective parameters according to types of ACL packets.
도 3은 패킷의 종류에 따른 비트 에러율 및 패킷 에러율의 관계와, 요구되는 패킷 에러율에 따른 채널 상태의 구분을 보인 도면이며,3 is a diagram showing the relationship between the bit error rate and the packet error rate according to the type of packet and the channel state according to the required packet error rate.
도 4는 패킷 종류에 따른 비트 에러율과 처리량의 관계를 보인 도면이며,4 is a diagram illustrating a relationship between a bit error rate and a throughput according to a packet type;
도 5는 채널 예측에 따른 송신 패킷의 선정을 보인 도면이다.5 is a diagram illustrating selection of a transmission packet according to channel prediction.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 근거리 무선 팬 시스템에서 채널 환경에 따른 패킷 선정방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the packet selection method according to the channel environment in the short-range wireless fan system of the present invention.
블루투스 시스템의 스펙에서는 길이와 에러 코딩율(FEC)이 다른 여러 종류의 ACL(Asynchronous Connection Less) 패킷을 정의하고 있다. 상기 패킷은 길이와 에러 코딩율에 따라 처리량과 채널에서의 강인성이 달라지는 것으로 무선 채널의 환경에서는 네트워크 상의 사용자 수, 주파수 사용방법, 에너지 제한 노드의 배터리 수명, 채널의 상태 등에 의하여 상당히 많은 영향을 받게 된다.The Bluetooth system specification defines several types of Asynchronous Connection Less (ACL) packets of different lengths and error code rates (FECs). The packet has varying throughput and channel robustness according to length and error coding rate. In a wireless channel environment, the packet is significantly affected by the number of users on the network, the frequency usage, the battery life of the energy constrained node, and the state of the channel. do.
이러한 영향들 중에서 특히 채널의 상태는 전체 네트워크의 처리량과 전력 소모량 등에 매우 밀접한 관계를 가지고 있다. 블루투스 시스템에서 링크 매니저는 이러한 채널의 상태 정도를 파악하고 상위계층의 제약 조건들을 살펴 채널의 상태에 적합한 패킷의 종류를 선정한다.Among these effects, especially the state of the channel is closely related to the throughput and power consumption of the entire network. In the Bluetooth system, the link manager determines the state of such a channel and looks at the constraints of the upper layer to select a packet type suitable for the state of the channel.
IEEE 그룹에서 물리계층을 설계할 경우에 상위계층의 문제들 중에서 고려해야 하는 우선순위의 사항들을 발표하였는데 그 중 처리량과 전송 지연을 가장 중요한 요소로 판단하였다.In designing the physical layer, the IEEE group published the priority items to consider among the problems of the upper layer. Among them, throughput and transmission delay were considered as the most important factors.
각각의 슬롯은 마스터와 슬레이브의 사이에 하나의 패킷이 교환된다. 블루투스 시스템의 패킷의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 액세스 코드, 패킷 헤더 및 페이로드(payload)의 세 부분으로 이루어져 있고, 이들 각각의 코딩율은 서로 상이하다.Each slot has one packet exchanged between the master and the slave. The packet structure of the Bluetooth system is composed of three parts, an access code, a packet header, and a payload, as shown in FIG. 1, and their respective coding rates are different from each other.
액세스 코드는 4개의 프리앰블(preamble) 비트와, 64개의 동기 워드비트 그리고 4개의 트레일러(trailer) 비트로서 총 72 비트로 구성되는데 코딩을 하지 않는다.The access code is composed of four preamble bits, 64 synchronous word bits, and four trailer bits, a total of 72 bits, without coding.
패킷 헤더는 1/3 FEC코딩을 하는데 간단하게 1비트를 3번씩 반복하며 3비트 중에서 1비트의 에러를 복원할 수 있으므로 채널 환경이 아주 나쁘더라도 잘 견딜 수 있는 구조로 되어있다. 이는 패킷 헤더가 가진 정보가 매우 중요하다는 것을 의미한다.The packet header performs 1/3 FEC coding, and it repeats 1 bit three times and recovers an error of 1 bit out of 3 bits. Therefore, the packet header has a structure that can withstand even a very bad channel environment. This means that the information in the packet header is very important.
그리고 페이로드(payload)는 두 가지 종류로 나뉜다. DH 패킷에서는 코딩을 하지 않고, DM 패킷에서는 (15, 10)의 짧은 해밍 코드를 이용한 2/3 FEC를 하는데 이는 15비트 중에서 1비트의 에러를 정정할 수 있고, 2 비트의 에러를 검출할 수 있다. 액세스 코드와 헤더는 각기 72비트 및 54비트로 고정된 크기를 가지며, 페이로드는 패킷의 종류에 따라 0∼2745 비트로 크기가 가변된다.Payload is divided into two types. In the DH packet, coding is not performed. In the DM packet, 2/3 FEC using a short Hamming code of (15, 10) is performed. This can correct an error of 1 bit among 15 bits and detect an error of 2 bits. have. The access code and the header have a fixed size of 72 bits and 54 bits, respectively, and the payload varies in size from 0 to 2745 bits depending on the type of packet.
블루투스 시스템에서는 1 슬롯이 625㎲로 구성되고, 송수신의 상호 순서를 바꾸는 TDD(Time Division Duplex)로 쌍방향 통신을 한다. 또 하나의 패킷은 1, 3, 5 복수의 슬롯을 사용하는 것도 가능하고, 에러 코딩과 데이터용 ARQ(Automatic Repeat reQuest)의 에러 정정 방식을 사용한다.In a Bluetooth system, one slot is configured as 625 ms, and bidirectional communication is performed using a time division duplex (TDD) that changes the order of transmission and reception. Another packet may use a plurality of slots of 1, 3, and 5, and uses error coding and an error correction method of automatic repeat request (ARQ) for data.
패킷을 전송할 경우에 비트 에러율(Bit Error Rate : BER)을 y라고 하고, 액세스 코드의 성공 확률을, 패킷 헤더의 성공확률을, 페이로드의 성공확률을이라고 가정하면, 상기 언급한 코딩율에 따라 성공확률,및는 다음의 수학식 1 내지 3과 같이 나타낼 수 있다.When sending a packet, the bit error rate (BER) is y, and the probability of success of the access code is The probability of success in the packet header , The probability of success of the payload Assuming that the probability of success depends on the coding rate mentioned above. , And May be expressed as in Equations 1 to 3 below.
여기서 n은 액세스 코드의 싱크워드 64비트 중에서 에러 허용 비트를 나타낸다. 그리고 상기 i 및 j는 도 2에 도시된 ACL 패킷 종류에 따른 각각의 파라미터들을 보인 도표로부터 알 수 있는 것으로 DM1 패킷, DM3 패킷 및 DM5 패킷은 각기 16, 100 및 183이고, DH1 패킷, DH3 패킷 및 DH5 패킷은 240, 1496 및 2744이다.Where n represents an error permission bit among the syncword 64 bits of the access code. And i and j can be seen from the diagram showing the respective parameters according to the ACL packet type shown in Fig. 2, DM1 packet, DM3 packet and DM5 packet are 16, 100 and 183, respectively, DH1 packet, DH3 packet and DH5 packets are 240, 1496 and 2744.
상기 수학식 1 내지 수학식 3을 바탕으로 패킷 에러율(PER)과 처리량을 구하면, 다음의 수학식 4 및 수학식 5와 같다.Based on Equations 1 to 3, the packet error rate (PER) and the throughput are obtained, as shown in Equations 4 and 5 below.
여기서, T는 처리량이고, D는 페이로드의 데이터 크기이며, ES는 슬롯의 크기를 나타내는 것으로서 DM1 및 DH1은 1이고, DM3 및 DH3은 3이며, DM5 및 DH5는 5이며,은 슬롯의 길이로서 625㎲이다.Where T is throughput, D is the data size of the payload, ES is the size of the slot, DM1 and DH1 are 1, DM3 and DH3 are 3, DM5 and DH5 are 5, Is the length of the slot is 625 ㎲.
상기에서 액세스 코드의 에러 허용 비트(n)를 특정하면, 비트 에러율과 패킷 에러율의 관계는 도 3에 도시된 바와 같고, 비트 에러율과 처리량의 관계는 도 4에 도시된 바와 같다.If the error permission bit n of the access code is specified above, the relationship between the bit error rate and the packet error rate is as shown in FIG. 3, and the relationship between the bit error rate and the throughput is shown in FIG.
액세스 코드는 피코넷(piconet) 내의 유닛들이 이미 그 값을 알고 있고 코딩을 하지 않으므로 액세스 코드의 비트 에러율로부터 채널의 상태를 점검할 수 있다.The access code can check the state of the channel from the bit error rate of the access code since the units in the piconet already know its value and do not code it.
더욱이, 연결모드에서는 특정 피코넷 내에서 동일한 액세스 코드를 사용하므로 추가적인 운용 패킷을 사용하지 않고서도 채널 상태에 대한 같은 정보를 가질 수 있다. 각각의 유닛들은 패킷이 특정 채널에서 전송될 때마다 비트 에러율을 계속 갱신한다. 물론, 네트워크에 참여한 각각의 유닛들이 측정하는 채널의 상태가 다를 수 있고, 각자의 위치와 다른 유닛들의 위치에 따라 달라질 수 있지만 그 차가 블루투스의 작은 영역과 낮은 운동성으로 무시할 수 있을 정도이다.Moreover, in the connected mode, the same access code is used within a specific piconet, so that the same information about the channel state can be obtained without using an additional operation packet. Each unit keeps updating the bit error rate each time a packet is sent on a particular channel. Of course, the status of the channel measured by each unit participating in the network may be different, and depending on the location of each unit and other units, the difference is negligible due to the small area of Bluetooth and low mobility.
이와 같이 하여 액세스 코드의 비트 에러율로 채널의 상태를 예측한 후 패킷을 선정할 경우에 블루투스 시스템의 처리량과 전송 지연을 고려하여 선정한다. 다양한 응용과 상위계층의 프로토콜은 링크에 다양한 요구를 한다. 링크 매니저는 이러한 다양한 서비스(음성, 데이터, 멀티미디어 등)를 링크의 상태에 따라서 제공할 수 있어야 한다.In this way, when the packet is selected after predicting the state of the channel by the bit error rate of the access code, it is selected in consideration of the throughput and transmission delay of the Bluetooth system. Different applications and higher layer protocols place different demands on the link. The link manager must be able to provide these various services (voice, data, multimedia, etc.) according to the state of the link.
1) 최대 처리량1) Max throughput
대부분의 시스템들은 성능 평가에서 최대 처리량을 가장 중요한 요소로 취급한다. 본 발명에서는 도 3으로부터 다음의 수학식 6과 같은 기준을 유추할 수 있다.Most systems treat peak throughput as the most important factor in performance evaluation. In the present invention, it is possible to infer a criterion as shown in Equation 6 from FIG.
즉, 전체 사용자의 데이터 처리량은 채널 상태가 나쁠 경우에 세그먼트 타입 1이나 2인 DM1 패킷을 전송하고, 채널 상태가 좋을 경우에는 DM3 패킷, DM5 패킷, DH3 패킷 및 DH5 패킷 등의 세그먼트 타입 3나 4의 패킷을 전송하는 것이다. 패킷의 선정은 원래의 주파수 시퀀스와 RF 채널 상태에 따라 결정되는데 이의 주체는 링크 매니저와 링크 컨트롤러이다.That is, the data throughput of all users transmits DM1 packets of segment type 1 or 2 when the channel state is bad, and segment types 3 or 4 such as DM3 packet, DM5 packet, DH3 packet and DH5 packet when the channel state is good. Is to send a packet. The selection of the packet depends on the original frequency sequence and the RF channel state. The subjects are the link manager and the link controller.
만약 네트워크의 구성이 일대일이고 두 유닛이 전송할 데이터가 많고 소비 전력이나 전송 지연 등을 무시할 수 있을 때에는 상기한 방법은 최대 처리량을 얻기 위해서 직접적으로 적용될 수 있다.If the network configuration is one-to-one and the two units have a lot of data to transmit and can ignore power consumption or transmission delay, the above method can be applied directly to obtain maximum throughput.
2) 요구하는 패킷 에러율 만족2) meets the required packet error rate
채널 상태가 나쁜 높은 비트 에러율의 환경에서는 데이터의 손실을 방지하기 위하여 많은 소모적인 재전송이 발생하게 된다. 재전송 회수를 줄이고 전송 지연을 줄이기 위해서는 주어진 채널환경에서 요구하는 패킷 에러율의 정도는 고려해야 할 중요한 요소이다. 압축 비디오나 오디오 신호 같은 주기적인 데이터는 메시지간 간격의 오차가 크지 않고 일정 시간 후의 데이터 전송은 이미 쓸모가 없기 때문에 일정 지연 이상의 차가 생기는 것을 용인할 수 없다.In a high bit error rate environment where the channel condition is bad, a lot of retransmissions occur to prevent data loss. To reduce the number of retransmissions and reduce the transmission delay, the degree of packet error rate required in a given channel environment is an important factor to consider. Periodic data such as compressed video or audio signals do not have a large error in the interval between messages, and data transmission after a certain period of time is already useless, and thus it is unacceptable to cause a difference over a certain delay.
응용 예에 따라서 가변하는 요구되는 패킷 에러율에 따라 채널의 상태는 도4에 도시된 바와 같이로 몇 개의 구간으로 구분할 수 있다. 일정한 전송 성공률을 보장하기 위해서 채널 상태의 구분을 바탕으로 하여 다음의 수학식 7과 기준을 설정할 수 있다.As shown in Fig. 4, the state of the channel is changed according to the required packet error rate which varies according to the application example. It can be divided into several sections. In order to guarantee a constant transmission success rate, the following Equation 7 and a criterion may be set based on the classification of the channel state.
여기서,는 패킷을 전송하지 않는 것을 나타낸다.here, Indicates not to send a packet.
위에서 주의할 점은 특정 채널의 상태에서 임의의 패킷 전송을 금하진 않지만 이런 방법은 요구하는 패킷 에러율을 만족시킬 수 없다.Note that the above does not prohibit any packet transmission under the condition of a particular channel, but this method cannot satisfy the required packet error rate.
블루투스 시스템에서는 인식(ACK) 신호를 받아야 전송이 성공한 것으로 인정하므로 인식신호를 받지 못하면 재전송을 해야 한다. 그러므로 최적 패킷 선정은 송신/수신 페어 채널의 상태를 고려해야 하는 것으로서 그 결과는 도 5에 도시된 도표와 같다.In the Bluetooth system, the acknowledgment (ACK) signal is recognized as a successful transmission. Therefore, the optimal packet selection should consider the state of the transmit / receive pair channel, and the result is as shown in the diagram of FIG.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 블루투스 시스템에서 데이터 전송률과 스펙트럼 효율을 저하시키지 않고, 규격에서 명시된 엑세스 코드로 채널 상태에 따른 패킷을 선정하여 전송할 수 있는 것으로서 요구되는 최대 처리량과 패킷 에러율을 만족할 수 있다.As described in detail above, the present invention can satisfy the maximum throughput and packet error rate required as it is possible to select and transmit a packet according to a channel state with an access code specified in the standard without degrading data rate and spectral efficiency in a Bluetooth system. have.
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