KR20040102956A - 피코넷 내부 그룹에 채널 시간을 할당하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 PNC에게 집중되어 있던 채널 시간 할당 부담을 줄이고, TDMA방식 이외에 다른 시간 할당 방식을 적용할 수 있도록 하여 피코넷 전반의 성능을 제고하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따른 피코넷 내부 그룹에 채널 시간을 할당하는 방법은 그룹장 디바이스가 그룹원 전체의 시간 슬롯 요구를 추정하는 단계, 추정한 시간 슬롯을 PNC에 시간 슬롯을 요청하는 단계, PNC가 채널 시간 할당 정보 엘리먼트를 구성하여 피코넷에 브로드캐스트하는 단계, 및 그룹에 할당된 채널 시간을 각 그룹원 디바이스간에 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 한다.

본 발명에 따른 피코넷 내부 그룹에 채널 시간을 할당하는 시스템은 피코넷을 구성하는 디바이스들에 대하여 시간 슬롯을 할당하고 페이로드 보호를 위한 키를 배포하는 PNC, PNC에 시간 슬롯을 요청하고 상기 할당된 시간 슬롯을 동안 키를 이용하여 암호화된 데이터를 송수신하는 피코넷을 구성하는 디바이스, 및 피코넷을 구성하는 디바이스 중 하나의 디바이스를 그룹장 디바이스로 설정하고 상기 그룹장 디바이스와 더불어 피코넷 내부에 그룹을 구성하며, 상기 그룹장 디바이스에 할당된 채널 시간을 다시 할당하고 그룹내 다른 디바이스와 데이터를 송수신하는 것을 특징으로 하는 그룹원 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

피코넷 내부 그룹에 채널 시간을 할당하는 방법{Channel Allocating Method for Inner Group of Piconet}

본 발명은 IEEE 802.15.3 MAC에서의 채널 시간 할당 방식을 개선하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 기존의 PNC에게 집중되어 있던 채널 시간 할당 부담을 줄이고, TDMA(Time Division Multiple Access) 방식 이외에 다른 시간 할당 방식을 적용할 수 있도록 하여 피코넷 전반의 성능을 제고하는 방법에 관한 것이다.

IEEE 802.15.3(이하 '15.3'이라고 한다)에서의 통신그룹인 피코넷(Piconet)을 형성하는 과정을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 우선 디바이스들 사이에서 어느 것이 PNC(Piconet Coordinator)에 최적인지 결정한다. 상기 PNC는 EEE802.11에서 말하는 AP(Access Point; 접속포인트)에 해당한다. 각 디바이스는 피코넷에 참여하기 위한 요구를 도모하고, PNC와의 상호 인증을 실시한다. PNC는 각 디바이스들에 대해 시간 슬롯(time slot)을 할당, 페이로드(payload) 보호를 위한 키(key)를 배포한다. 도 2에서 보는 바와 같이 각 디바이스는 할당된 시간 슬롯을 사용해 키를 이용해 암호화된 데이터를 서로간에 송수신한다. 또 15.3의 특징 중 하나는 네트워크의 참가와 퇴출이 원활하게 이루어 진다는 점이며, 특히 네트워크에 참가하는 시간을 1초 이내로 매우 짧게 하는 것을 목표로 하고 있다. 그 이유는 디바이스들 간의 전송속도가 아무리 빠르다 하더라도 피코넷에 참여하기까지의시간이 많이 걸려서는 본래의 목적을 달성할 수 없기 때문이다.

15.3의 MAC(Media Access Control; 매체 접근 제어) 방식은 스트리밍 데이터(Streaming Data)의 QoS(Quality of Service; 서비스 품질)을 보증할 수 있도록 애플리케이션 혹은 사용자마다 시간 슬롯(통신 시간 단위)을 할당하는 TDMA(Time Division Multiple Access; 시분할 다중 접속)방식을 채용하고 있다. MAC 방식으로 TDMA 방식을 채용한 15.3에서는 도 3에서 보는 바와 같이 슈퍼프레임(Superframe)이라는 시간적인 구조 안에 MAC 프레임을 넣는 구조로 되어 있다. 슈퍼프레임은 제어정보가 기술되는 비콘(Beacon), 랜덤 액세스 제어가 실행되는 CAP(Contention Access Period), 그리고 데이터가 수납되는 CTAP(Channel Time Allocation Period)라는 세 종류의 블록으로 구성되어 있다.

CAP 영역에서는CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)기반의 랜덤 액세스 제어가 이루어지며, 비콘은 데이터를 보낼 때의 제어정보(오버헤드)로, CAP에서는 피코넷 참여 등을 담당한다. 그 다음에 CTAP에서 원래 보내고 싶은 페이로드(사용자 데이터)가 할당된다.

스트림과 같은 동기 데이터도 이 곳 안에서 시간 슬롯을 얻어 전송할 기회가 주어지는 경우도 있으며, 비동기 데이터를 보낼 때도 각각의 크기에 따라 적절하게 요구되는 대역에서 전송할 수 있다. 즉, 네트워크 전체에서 100M비트/초 전송능력이 있다고 하면 '그 중 30M비트/초를 사용하도록' 혹은 '15M비트/초를 사용하도록' 이라는 선언을 하고, 그 다음 데이터 프레임이 전송된다.

상기 언급된 바와 같이, 기존의 UWB기술에서는 디바이스가 PNC에게 시간 슬롯을 요청하는 경우, 여러 개의 디바이스가 하나의 PNC에게 원하는 만큼의 시간 슬롯을 요청하는 구조로 되어있다. UWB기술의 목표 중 하나가 네트워크에 참여하는 시간을 매우 짧게 하려는 것임을 감안할 때, 여러 개의 디바이스가 동시 다발적으로 임의의 시간에 PNC에게 시간 슬롯에 대한 채널 시간 요청(CTRq; Channel Time Request)을 보내는 구조는 PNC로 하여금 다수의 요청으로 인해 발생하는 부하로 인한 성능의 저하를 가져올 수 있다. 물론 시간 슬롯을 요청하는 디바이스의 개수가 가령 5개 이하 정도로 적은 경우라면, 큰 부하(load)가 걸리지 않을 것이다. 하지만, 가령 10개 이상의 디바이스가 동시에 PNC에게 시간 슬롯을 요청하는 경우라면, 이로 인해 야기되는 PNC의 성능저하뿐만 아니라, 피코넷 전체의 성능저하도 문제가 된다.

본 발명의 목적은 다수의 디바이스를 가지고 있는 피코넷의 PNC가 각각의 디바이스로부터 채널 시간 요청을 받을 때 발생할 수 있는 오버헤드를 줄여서, 피코넷 전반의 성능을 제고하기 위함이다.

본 발명의 또 다른 목적은 피코넷 내의 디바이스들을 그들의 QoS 성격에 따라 그룹화하여 실질적 QoS를 보장하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전체 피코넷에서는 TDMA방식을 적용하지만 특정 Time Slot에서는 상황에 맞는 시간 할당(Time Allocation) 방식을 적용할 수 있도록 하는 데 있다.

도 1은 IEEE 802.15.3 MAC에서 피코넷을 형성하는 방식을 간단히 표현한 개념도이다.

도 2는 피코넷을 형성하는 디바이스간에 데이터 송수신을 하는 방식을 간단히 표현한 개념도이다.

도 3은 슈퍼프레임의 내부구조를 나타낸 것이다.

도 4는 피코넷 내부에 하나의 소그룹을 포함하고 있는 피코넷의 예를 나타낸 것이다.

도 5는 IEEE 802.15.3의 스펙에서 차일드 피코넷(Child Piconet)을 갖는 경우에 차일드 피코넷과 페어런트 피코넷(Parent Piconet)과의 관계를 나타낸 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 피코넷 슈퍼프레임과 그룹 피코넷이 사용하는 시간 슬롯과의 관계를 나타낸 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 그룹 피코넷 내에서 시간 슬롯을 할당하는 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 8은 채널 시간 요청 블록 필드의 포맷을 나타낸 것이다.

도 9는 채널 시간 할당 정보 엘리먼트의 포맷과 채널 시간 할당 블록의 포맷을 나타낸 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 그룹장 디바이스가 그룹원 전체의 시간 슬롯 요구를 추정하는 단계, 상기 추정한 시간 슬롯을 PNC에 시간 슬롯을 요청하는 단계, 상기 요청에 따라 PNC가 채널 시간 할당 정보 엘리먼트를 구성하여 피코넷에 브로드캐스트하는 단계, 및 상기 채널 시간 할당 정보 엘리멘트를 통해 알려진 그룹장에 할당된 채널 시간을 각 그룹원 디바이스간에 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 피코넷을 구성하는 디바이스들에 대하여 시간 슬롯을 할당하고 페이로드 보호를 위한 키를 배포하는 PNC, 상기 PNC에 시간 슬롯을 요청하고 상기 할당된 시간 슬롯을 동안 키를 이용하여 암호화된 데이터를 송수신하는 피코넷을 구성하는 디바이스, 및 상기 피코넷을 구성하는 디바이스 중 하나의 디바이스를 그룹장 디바이스로 설정하고 상기 그룹장 디바이스와 더불어 그룹 피코넷을 구성하며, 상기 그룹장 디바이스에 할당된 채널 시간을 다시 할당하고 그룹 피코넷내의 다른 디바이스와 데이터를 송수신하는 것을 특징으로 하는 그룹원 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 도면에 따라 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.

도 4는 피코넷 내부에 하나의 소그룹을 포함하고 있는 피코넷의 예를 나타낸 것이다. 디바이스3, 디바이스31, 디바이스32, 디바이스33는 함께 피코넷 내부에 하나의 소그룹을 형성하고 있다. 이러한 소그룹을 그룹 피코넷(Group Piconet)으로 정의할 수 있고 이와 대비하여 PNC, 디바이스1, 디바이스2, 디바이스3가 형성하는 피코넷을 상위 피코넷으로 정의할 수 있다. 또한, PNC(Piconet Coordinator)에 시간 슬롯(time slot)을 요청하는 피코넷 멤버인 디바이스3와 같은 경우를 그룹장 디바이스로 정의할 수 있으며, 나머지 디바이스31, 디바이스32, 디바이스33과 같이 그룹장과 함께 그룹 피코넷을 이루는 디바이스들을 그룹원 디바이스라 정의할 수 있다. 본 발명에서는 그룹 피코넷 내의 각각의 디바이스가 PNC에게 시간 슬롯을 요청하는 것이 아니라, 가상의 그룹장 디바이스에게 시간 슬롯을 요구한 후, 그 그룹장 디바이스가 PNC에게 대표로 시간 슬롯을 요구하는 구조로 되어 있다.

그룹장 디바이스인 디바이스3은 디바이스31, 디바이스32, 디바이스33의 시간 슬롯 요구를 추정하여 PNC에게 요청한다. 상기 시간 슬롯 요구를 추정하기 위해서는 어떤 기준에 따르는 평가 함수(evaluation function)가 필요한데, 가령 평가 함수로 디바이스3의 그룹이 과거에 사용하였던 시간 슬롯 지속(time slot duration) 정보를 사용할 수 있을 것이다. 맨 처음 초기값으로는 임의의 시간 슬롯을 할당한다. 시간 슬롯을 할당 받은 피코넷 그룹은 할당 받은 시간이 부족할 수도 있고, 할당 받은 시간이 충분하여 나머지 시간을 남길 수도 있다. 이 경우에 다음 번 슈퍼프레임(Superframe)에서는 시간을 더 많이 필요로 하는 경우에는 일정 시간 단위(time unit)만큼 증가시켜서 그룹 장이 PNC에 시간 슬롯을 요청하고, 시간이 충분하여 남는 경우엔 일정 시간 단위 만큼 감소시켜서 시간 슬롯을 요청할 수 있다.

도 5는 IEEE 802.15.3의 스펙에서 차일드 피코넷(Child Piconet)을 갖는 경우에 차일드 피코넷과 페어런트 피코넷(Parent Piconet)과의 관계를 나타낸 것이다. 기존 802.15.3 스펙에는 차일드 피코넷과 같은 종속 피코넷(DependentPiconet)의 개념이 존재한다. 이러한 종속 피코넷을 이용하면 종속 그룹에게 시간 슬롯 일부를 할당하는 방식을 취하게 되고, 종속 그룹내의 디바이스 간에 시간 슬롯을 사용할 수 있는 시간인 프라이비트 시간(Private Time)이라는 개념도 존재한다. 이와 같이 차일드 피코넷을 이용하면 다수의 디바이스가 임의의 시간에 동시에 PNC에게 시간 슬롯에 대한 채널 시간 요청(CTRq)을 보냄으로써 발생하는 PNC나 전체 피코넷의 성능저하를 어느 정도 해결할 수 있다. 그러나, 차일드 피코넷의 PNC가 페어런트 피코넷의 PNC로부터 시간 슬롯을 할당받은 후, 이를 다시 자신의 구성원들에게 할당해 준다. 따라서, 차일드 피코넷의 멤버인 디바이스들은 2개의 PNC가 2개의 서로 다른 종류의 슈퍼프레임을 전송한 후에야 각자가 쓸 수 있는 시간 슬롯을 알 수 있다는 문제점이 있다.

도 6은 본 발명에 따른 피코넷 슈퍼프레임과 그룹 피코넷이 사용하는 시간 슬롯과의 관계를 나타낸 것이다. 이와 같이 본 발명에서는 CTA3 시간 슬롯이 되면 그룹 피코넷의 멤버인 디바이스31, 디바이스32, 디바이스33(도 4 참조)은 디바이스들간의 경쟁을 통한 방식인 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) 방식으로 해당 시간 슬롯을 사용하고, 이 시간 동안에 그룹 피코넷의 디바이스간에 데이터를 송수신할 수 있게 된다. 결국 본 발명에 의하면 종전 기술에서와 같이 2개의 슈퍼프레임을 전송할 필요가 없이 PNC에서 한 번의 슈퍼프레임만을 전송하고 그룹 피코넷에서는 CSMA/CA 방식을 택하여 먼저 그룹장 디바이스에 CTS(Clear to Send)를 보내는 그룹원 디바이스부터 우선적으로 시간 슬롯을 할당함으로써 그룹원 디바이스간에 통신을 하기 전에 소요되는 시간을 줄일 수 있다. 또한, 기존의 차일드 피코넷은 종속 피코넷의 PNC를 제외한 멤버와 Parent 피코넷의 멤버간의 통신이 이루어질 수 없는 단절된 네트워크라는 문제가 있었지만, 본 발명에서 제시한 그룹 피코넷의 개념을 적용하면, 그룹장 디바이스는 종속 피코넷의 PNC가 아니기 때문에 요청을 받는 피코넷의 PNC는 이러한 그룹 피코넷의 존재유무를 아예 알 수 없으므로 단절된 네트워크의 문제는 처음부터 발생하지 않는다.

도 7은 본 발명에 따른 그룹 피코넷 내에서 시간 슬롯을 할당하는 과정을 나타낸 흐름도이다. 먼저 전체 피코넷 내의 디바이스들을 QoS 특성에 따라 그룹화한다(S710). QoS(Quality of Service)란 애플리케이션의 요구 사항을 만족시키는데 필요한 정량적, 정성적 특성들의 집합으로서, 애플리케이션마다 서로 다른 QoS를 지정할 수 있다. 예를 들어, 네트워크 대역폭(Nework bandwidth), 네트워크 에러율(Network error rate), 기억 용량(Memory), 화질 또는 음질 등을 QoS 특성의 기준으로 삼을 수 있다. 서로 다른 QoS 요구를 지닌 그룹들에 따라 그룹화하는 예로서, HDTV(High Definition TV)들의 그룹, SDTV(Standard Definition TV)들의 그룹, Voice Data들의 그룹 등은 QoS 요구가 서로 달라서 각각을 그룹화하였을 때 보다 효율적으로 관리할 수 있다. 종래 차일드 피코넷과 마찬가지로 본 발명에서의 그룹 피코넷의 경우에도 그룹원 디바이스와 상위 피코넷의 디바이스(해당 그룹내의 그룹장 디바이스는 제외한다), 또는 하나의 그룹원 디바이스와 다른 그룹원 디바이스간에 통신을 할 수 없으므로 QoS 요구가 서로 다른 디바이스 끼리 그룹화하는 것은 중요한 의미가 있다. 예컨대, HD급 TV와 SD급 TV간에 주고 받을 데이터는 없으므로 각각 다른 그룹에 속하게 되어도 문제가 없다.

다음 단계로서 그룹화된 디바이스 중에서 하나의 디바이스를 그룹장 디바이스로 설정한다(S720). 그룹장 디바이스는 종래 기술과 달리 차일드 피코넷의 PNC 역할을 하는 디바이스와 같이 별도의 장치를 요하지 않으므로 그룹 피코넷을 구성하는 디바이스 중에서 어떤 디바이스를 선택하여도 상관이 없다. 그룹 피코넷에서 상기 그룹장 디바이스만이 PNC에게 대표로 시간 슬롯을 요청하는 기능을 갖는다.

다음 단계로서 그룹장 디바이스가 그룹원 전체의 시간 슬롯 요구를 추정하여 PNC에 시간 슬롯을 요청한다(S730). 이때 그룹장 디바이스가 PNC에게 요청하는 채널 시간 요청 블록 필드(Channel Time Request Block Field)의 포맷은 도 8에 나타난 것과 같이 구성된다. Target ID list 필드(810)에는 그룹원 디바이스들의 디바이스 ID목록이 들어가게 되며, Num Targets 필드(820)에는 Target ID list 필드(810) 내에 존재하는 디바이스의 개수가 들어가게 된다. 그룹장 디바이스가 보내는 PNC는 디바이스3(도 4 참조)이 그룹 피코넷을 가지고 있는 그룹장 디바이스라는 것을 알 수 없다.

다음 단계로서 PNC는 자원의 유무에 따라 적절한 채널 시간 할당 정보 엘리먼트(Channel Time Allocation Information Element)를 구성하여 비콘(Beacon)을 통해 피코넷에 브로드캐스트(Broadcast)로 전송한다(S740). 이때, 그룹장 디바이스를 포함한 상위 피코넷의 멤버인 디바이스들이 받게 되는 채널 시간 할당 정보 엘리먼트의 포맷은 도 9의 상단 그림과 같으며, 각 채널 시간 할당 블록(CTA block)은 도 9의 하단 그림과 같게 된다.

다음 단계로서 그룹원 디바이스들은 PNC가 비콘을 통해 브로드캐스트한 채널시간 할당 블록을 하나씩 검색하고(S750), 각 채널 할당 블록내에 있는 SrcID 필드(도 9의 940)를 통하여 그룹장 디바이스 아이디와 동일한지 여부를 판단한다(S760). SrcID가 그룹장 디바이스 아이디와 동일한 경우에는 그룹원 디바이스들은 CTA location(도 9의 920)과 CTA duration(도 9의 930)을 이용하여 자신의 피코넷 그룹에 할당된 채널 시간(Channel Time)을 알 수 있게 된다. 이렇게 할당된 채널 시간을 이용하기 위해 각 그룹원 디바이스들은 CSMA/CA방식을 이용하여 자신이 통신하고자 하는 동안의 시간을 할당받고(S770), 상기 할당된 채널 시간 동안 그룹원 디바이스들 간에 데이터를 전송하거나 수신할 수 있게 된다(S780).

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당해 분야에서 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

본 발명은 다수의 디바이스로부터 여러 개의 채널 시간 요구를 받아 처리해야하는 PNC의 부담을 감소시킴으로써, 피코넷 전반적 성능을 향상시키는 효과가 있다.

본 발명은 또한 기존의 종속적 피코넷이 가진 '단절된 네트워크'의 문제를 해소할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 특히, UWB가 활용된 홈 네트워크 환경에서 그룹화된 미디어에 따른 그룹화된 피코넷에 있어 채널 시간 할당 성능을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 그룹장 디바이스가 그룹원 디바이스 전체의 시간 슬롯 요구를 추정하는 단계;

   상기 추정한 시간 슬롯을 PNC에 시간 슬롯을 요청하는 단계;

   상기 요청에 따라 PNC가 채널 시간 할당 정보 엘리먼트를 구성하여 피코넷에 브로드캐스트하는 단계;

   상기 채널 시간 할당 정보 엘리멘트를 통해 알려진 그룹장 디바이스에 할당된 채널 시간을 각 그룹원 디바이스간에 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피코넷 내부 그룹에 채널 시간을 할당하는 방법
2. 제1항에 있어서,

   전체 피코넷 내의 디바이스들을 QoS 특성에 따라 그룹화하여 그룹 피코넷을 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피코넷 내부 그룹에 채널 시간을 할당하는 방법
3. 제2항에 있어서,

   그룹 피코넷 내의 디바이스 중에서 하나의 디바이스를 그룹장 디바이스로 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피코넷 내부 그룹에 채널 시간을 할당하는 방법
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 각 그룹원 디바이스간에 할당하는 단계는 CSMA/CA 방식을 통하여 그룹 피코넷에 할당된 채널 시간을 각 그룹원 디바이스 간에 할당하는 것을 특징으로 하는 피코넷 내부 그룹에 채널 시간을 할당하는 방법
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시간 슬롯을 추정하는 단계는 과거의 시간 슬롯 지속에 관한 히스토리 정보를 통해 통계적으로 추정하는 것을 특징으로 하는 피코넷 내부 그룹에 채널 시간을 할당하는 방법
6. 피코넷을 구성하는 디바이스들에 대하여 시간 슬롯을 할당하고 페이로드 보호를 위한 키를 배포하는 PNC;

   상기 PNC에 시간 슬롯을 요청하고 상기 할당된 시간 슬롯을 동안 키를 이용하여 암호화된 데이터를 송수신하는 피코넷을 구성하는 디바이스;

   상기 피코넷을 구성하는 디바이스 중 하나의 디바이스를 그룹장 디바이스로 설정하고 상기 그룹장 디바이스와 더불어 그룹 피코넷을 구성하며, 상기 그룹장 디바이스에 할당된 채널 시간을 다시 할당하고 그룹 피코넷내의 다른 디바이스와 데이터를 송수신하는 것을 특징으로 하는 그룹원 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 피코넷 내부 그룹에 채널 시간을 할당하는 시스템
7. 제6항에 있어서,

   상기 할당된 채널 시간을 다시 할당하는 방식은 CSMA/CA를 통한 경쟁 방식인 것을 특징으로 하는 피코넷 내부 그룹에 채널 시간을 할당하는 시스템