KR20070057623A - 센서 네트워크용 매체접근제어에서의 수신 패킷의 버퍼링방법 및 버퍼링 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서 네트워크용 MAC에서 수신 패킷의 버퍼링 방법 및 버퍼링 제어장치에 관한 것으로, 무선주파수 송수신기와 매체접근제어(MAC) 하드웨어 블록과 MCU를 포함하는 센서 노드에서의 수신 패킷의 버퍼링 방법에 있어서, 상기 무선주파수 송수신기로부터 패킷이 수신되면, 수신 FIFO에 기 저장된 패킷이 존재하는지 확인하는 제1 단계; 상기 제1 단계에서 상기 수신 FIFO에 기 저장된 패킷이 존재하면, 새로 수신되는 패킷의 길이와 상기 기 저장된 패킷의 길이가 동일한지 확인하는 제2 단계; 상기 제2 단계에서 패킷의 길이가 동일하면, 헤더 정보에 저장된 패킷의 개수 정보를 증가시키고, 동일 패킷 길이를 갖는 패킷에 대해 페이로드만을 버퍼링 하였음을 나타내는 정보를 설정한 후, 페이로드만을 상기 수신 FIFO에 버퍼링하는 제3 단계; 및 상기 제1 단계에서 기 저장된 패킷이 존재하지 않거나, 상기 제2 단계에서 패킷의 길이가 동일하지 않으면, 헤더와 함께 페이로드를 순차적으로 상기 수신 FIFO에 버퍼링하는 제4 단계를 포함한다.

유비쿼터스, 센서, 노드, USN, MAC, 매체, 접근, 제어, 버퍼

Description

센서 네트워크용 매체접근제어에서의 수신 패킷의 버퍼링 방법 및 버퍼링 제어장치{Method for Buffering Received Packet in MAC Hardware for Sensor Network and Controller of Buffer}

도 1 은 본 발명이 적용되는 유비쿼터스 센서 네트워크의 개념도,

도 2 는 본 발명이 적용되는 센서 노드의 MAC 하드웨어 블록 구성도,

도 3 은 본 발명에 따른 MAC 하드웨어에서의 수신 패킷의 버퍼링 방법을 나타낸 흐름도,

도 4 는 본 발명에 따른 수신 FIFO의 패킷 버퍼링 상태를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 센서 네트워크용 매체접근제어(MAC)에서의 수신 패킷의 버퍼링 방법 및 버퍼링 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 MAC 하드웨어에서 동일한 패킷 길이를 갖는 패킷이 수신되는 경우 패킷 길이와 수신한 패킷 개수를 헤더에 기록하고, 패킷의 페이로드들을 연속적으로 버퍼링 함으로써, 수신 및 처리 과정의 불필요한 과정을 줄여 패킷 수신 처리의 효율성을 증대시킬 수 있는 센서 네트워크용 매체접근제어에서의 수신 패킷의 버퍼링 방법 및 버퍼링 제어장치에 관한 것이다.

최근에 유비쿼터스 센서 네트워크(USN: Ubiquitous Sensor Network)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)란, 사물에 대한 인식 정보 또는 주변의 환경 정보를 감지할 수 있는 센서가 탑재된 센서 노드를 통해 무선 센서 네트워크를 구성하고, 다양한 센서를 통해 입력되는 정보를 실시간으로 네트워크를 통해 외부의 네트워크에 연결하여 정보를 처리하고 관리하는 것을 말한다. 궁극적으로 유비쿼터스 센서 네트워크는 모든 사물에 컴퓨팅 및 통신 기능을 부여하여 언제, 어디서나, 네트워크, 디바이스, 서비스에 관계없이 통신이 가능한 환경을 구현하기 위한 것이다.

도 1은 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)의 일반적인 네트워크 구성도이다. 유비쿼터스 센서 네트워크는 사물에 대한 인식정보 또는 주변의 환경정보를 실시간으로 감지하는 센서와 통신 모듈로 구성되는 센서 노드(11)와 센서 노드의 집합으로 이루어진 센서 필드(1), 센서 필드(1)에서 수집된 정보를 전송받는 싱크 노드(2), 싱크 노드(2)로부터 전송된 정보를 라우팅 하여 광대역 통신망을 통해 관리 서버(4)로 전송하는 게이트웨이(3)를 포함한다.

상기 싱크 노드(2)는 위성통신, 무선랜, 블루투스, 유선 인터넷과 같은 기존의 인프라로 게이트웨이(3)와 연결될 수 있다. 이러한 센서 네트워크 환경의 센서 필드에서 패킷은 비교적 단순하다. 즉 하나의 센서 필드에 설치되는 각 센서 노드(11)에는 제한된 숫자의 몇 가지 센서만 설치가 가능하고, 이로 인해 발생되는 데이터 패킷의 길이 또한 몇 가지 종류로 제한된다.

센서 네트워크에서 사용되는 MAC 프로토콜인 IEEE 802.15.4의 경우 비콘 프레임(Beacon Frame), 데이터 프레임 (Data Frame), 수신확인 프레임(ACK Frame)과 MAC 명령어 프레임(MAC command frame)의 4가지 포맷을 가진다. 하지만 수신 확인 프레임의 경우는 고정 길이이고, 데이터 프레임은 사용되는 센서 종류의 한계로 인하여 비교적 고정 길이를 갖는다. 또한 비콘 프레임과 명령어 프레임의 경우에도 설치되는 센서 필드의 형태가 고정적인 경우가 많아 단순한 몇 가지 형태의 패킷 길이만을 갖는다.

종래에는 도4의 (a)에 도시된 바와 같이 MAC 하드웨어에서 패킷이 수신되면 1 바이트의 헤더와 서비스 데이터 유닛인 PSDU(PLCP Service Data Unit)를 순서적으로 수신 버퍼에 버퍼링하였다. 그리고 헤더로부터 패킷의 길이를 읽어, 확인한 길이 만큼 데이터(PSDU)를 수신 버퍼로부터 읽어 처리하였다.

하지만, 센서 네트워크에서 사용되는 패킷의 특징은 적은 종류의 길이를 갖는다는 것이다. 또한 센서 네트워크에서 사용되는 센서 노드들은 배터리를 기본 전원으로 사용하기 때문에 저전력을 소비하면서, 소형이고, 저가 구현이 가능할 것을 요구하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 요구 조건을 만족하기 위해 제안된 것으로, MAC 하드웨어에서 동일한 패킷 길이를 갖는 패킷이 수신되는 경우 패킷 길이와 수신한 패킷 개수를 헤더에 기록하고, 패킷의 페이로드들을 연속적으로 버퍼링 함으로써, 수신 및 처리 과정의 불필요한 과정을 줄여 패킷 수신 처리의 효율성을 증대시킬 수 있는 센서 네트워크용 매체접근제어에서의 수신 패킷의 버퍼링 방법 및 버퍼링 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 무선주파수 송수신기와 매체접근제어(MAC) 하드웨어 블록과 MCU를 포함하는 센서 노드에서의 수신 패킷의 버퍼링 방법에 있어서, 상기 무선주파수 송수신기로부터 패킷이 수신되면, 수신 FIFO에 기 저장된 패킷이 존재하는지 확인하는 제1 단계; 상기 제1 단계에서 상기 수신 FIFO에 기 저장된 패킷이 존재하면, 새로 수신되는 패킷의 길이와 상기 기 저장된 패킷의 길이가 동일한지 확인하는 제2 단계; 상기 제2 단계에서 패킷의 길이가 동일하면, 헤더 정보에 저장된 패킷의 개수 정보를 증가시키고, 동일 패킷 길이를 갖는 패킷에 대해 페이로드만을 버퍼링 하였음을 나타내는 정보를 설정한 후, 페이로드만을 상기 수신 FIFO에 버퍼링하는 제3 단계; 및 상기 제1 단계에서 기 저장된 패킷이 존재하지 않거나, 상기 제2 단계에서 패킷의 길이가 동일하지 않으면, 헤더와 함께 페이로드를 순차적으로 상기 수신 FIFO에 버퍼링하는 제4 단계를 포함한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 무선주파수 송수신기와 매체접근제어(MAC) 하드웨어 블록과 MCU를 포함하는 센서 노드에서의 수신 패킷의 버퍼링 제어장치에 있어서, 상기 무선주파수 송수신기로부터 수신된 패킷을 버퍼링하는 수신 FIFO; 및 상기 무선주파수 송수신기로부터 수신되는 패킷의 헤더 정보로부터 패킷의 길이를 확인하여, 상기 수신 FIFO에 기 저장된 패킷의 길이와 동일하면, 상기 수신 FIFO에 저장된 헤더 정보에 버퍼링된 패킷의 개수 정보를 증가시키고, 동일 패킷 길이를 갖는 패킷에 대해 페이로드만을 버퍼링 하였음을 나타내는 정보를 설정한 후, 수신된 패킷의 페이로드만을 상기 수신 FIFO에 버퍼링하는 수신 FIFO 제어기를 포함한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명이 적용 센서 노드의 MAC 하드웨어의 상세 블록 구성도이다.

일반적으로 센서 노드는 무선주파수(RF)송수신부, MAC 하드웨어 및 MCU(Micro Controller Unit)를 구비한다.

센서 노드에서 패킷 수신은 외부의 안테나와 무선주파수(RF) 송수신기(21)를 통해 MAC 하드웨어 블록으로 수신되고, MAC 하드웨어 블록에서 처리되어 MCU(32)로 전달된다.

MAC 하드웨어는 무선주파수 송수신부(21)와 인터페이스 하기 위한 모뎀 인터페이스(22)와, MCU(32)와 인터페이스 하기 위한 MCU 인터페이스(31)와, 상기 MCU 인터페이스(31)를 통해 입력된 송신 패킷에 대한 처리를 수행하는 송신 제어기(26)와, 응답(ACK) 프레임을 생성하는 ACK 생성기(25)와, 송신할 패킷을 일시 버퍼링하는 송신 FIFO(24)와, 모뎀 인퍼테이스(22)를 통해 무선주파수 송신기(21)로 전달하기에 앞서 일시 저장하는 MAC 물리계층(PHY) 송신 FIFO(23)와, 모뎀 인터페이스(22)를 통해 전달된 수신 패킷을 일시 저장하여 안정화시키는 MAC 물리계층 수신 FIFO(27)와, 수신 패킷을 버퍼링하는 수신 FIFO(29)와, 수신 FIFO(29)의 버퍼링을 제어하는 수신 FIFO 제어기(28)와, 패킷의 수신 처리 전체를 제어하는 수신 제어기(30)를 포함한다.

일반적으로 IEEE802.15.4의 패킷은 4 옥텟(Octet)의 프리앰블(Preamble)과 1 옥텟(Octet)의 프레임 시작 기호(SFD: Start of Frame Delimiter)로 이루어지는 동기 헤더(Synchronization header)와, 1O 옥텟(Octet)의 데이터의 길이를 나타내는 물리 계층 헤더(PHY Header), 그리고 MAC에서 사용되는 헤더와 실제 데이터인 물리 계층(PHY) 페이로드(Payload)(즉, PSDU)로 구성된다. 또한 IEEE802.15.4의 비콘(Beacon) 프레임, Data 프레임, Ack 프레임과, 명령(Command) 프레임도 전술한 바와 같은 패킷 구조를 갖는다.

무선주파수(RF) 송수신기를 통해 MAC 하드웨어 블록으로 수신되는 프레임은 일반적인 패킷 구조에서 5 옥텟(Octets)의 동기 헤더를 제외한 물리계층 헤더와 물리계층 페이로드(즉 PSDU)가 수신된다.

본 발명에서 송수신 패킷 버퍼인 송신 FIFO와 수신 FIFO의 전체 크기는 IEEE802.15.4에서 사용될 수 있는 패킷의 최대 패킷 길이와 동일하도록 구성한다. 만약 최대 길이의 패킷이 수신 FIFO에 들어오면 수신 FIFO에는 단 1개의 패킷만 버퍼링될 수 있다.

도 4의 (a)는 일반적인 MAC 하드웨어 수신 버퍼에서의 버퍼링 방법을 나타낸 것으로, 패킷의 길이를 나타내는 물리계층(PHY) 헤더(PHR)와, PSDU가 순차적으로 수신 FIFO에 버퍼링된다.

수신 제어기(30)에서는 수신 FIFO(29)에 버퍼링된 패킷의 길이에 맞추어 PSDU를 읽어 상위의 어플리케이션 계층으로 전달한다.

도 4의 (b)는 본 발명에 따른 수신 FIFO에서의 패킷 버퍼링 상태를 설명하기 위한 도면이다. 센서 네트워크에서 사용되는 패킷은 같은 종류가 연속해서 들어올 확률이 크기 때문에, 도 4의 (b)처럼 1 옥텟(Octet)의 프레임 헤더(PHR)중 7 비트는 프레임 길이를 나타내고, 1 비트의 Remain은 본 발명이 사용될지 여부 즉 같은 길이의 프레임이 연속으로 들어올 때 PHY 헤더 없이 PSDU 만을 수신 FIFO에 저장할 지를 나타내는 비트로 사용된다. 1 옥텟(Octet)의 NUM은 뒤에 이어올 같은 길이의 PSDU의 개수를 나타낸다.

도 3을 참조하여 본 발명에 따른 수신 FIFO에 수신 패킷을 버퍼링하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

처음 구동되거나 리셋 명령이 수신되면 수신 FIFO의 엑세스 포인트를 0으로 설정하고 버퍼를 모두 초기화한다(101).

이후 무선주파수 송수신기로부터 패킷이 수신되면, 수신된 패킷을 수신 FIFO에 저장하는데, 이때 수신 FIFO 제어기는 수신 FIFO에 아직 처리하지 않은 데이터가 존재하는지 확인한다(103). 그리고 수신 FIFO 제어기는 수신 FIFO에 아직 처리하지 않은 패킷이 존재하면, 새로 수신되는 패킷의 길이가 FIFO에 저장된 패킷의 길이와 동일한지 확인한다(104).

만약, 아직 처리하지 않은 패킷의 길이와 새로 수신되는 패킷의 길이가 동일하다면 NUM 필드의 프레임 개수를 증가시키고, 헤더의 remain 필드에 동일 길이의 패킷에 대해 PSDU만 버퍼링한 상태임을 표시하고, 패킷의 물리계층 페이로드(PSDU)만 수신 FIFO에 버퍼링한다(105).

한편, 수신 FIFO에 아직 처리하지 않은 패킷이 존재하지 않거나(103), 새로 수신된 패킷과 아직 처리하지 않는 패킷의 길이가 동일하지 않으면, 종래와 같이 헤더와 물리계층 페이로드를 수신 FIFO에 순차적으로 버퍼링한다(106).

이와 같이 수신 FIFO에 저장된 패킷을 일정 시점에서 수신 제어기는 기본적인 MAC 헤더에 대해 분석을 한 후, 상위의 계층, 즉 MCU에게 수신이 되었음을 인터 럽트를 통해 알려주어 MCU에서 읽어 갈 수 있도록 한다. 다른 방법으로는 MCU가 일정 간격으로 폴링을 통해 수신 FIFO에 수신된 패킷이 있는지 검사하여, 수신 FIFO에 버퍼링된 패킷을 읽어 간다.

다음으로, 이와 같이 수신 FIFO에 버퍼링된 패킷을 읽어 가는 과정에 대해 살펴보면 다음과 같다.

MCU는 먼저, 헤더 정보를 읽어, 패킷의 길이와 1 비트의 Remain을 확인한다. 여기서, remain 필드가 "0"이면 종래와 같이 헤더와 PSDU가 순차적으로 버퍼링된 상태로 종래와 같이 패킷 길이만큼 PSDU를 읽는다. 한편, remain 필드가 "1"로 설정되어 있으면, 동일 패킷 길이를 갖는 패킷에 대해 PSDU만을 버퍼링한 것이므로, 1 옥텟의 NUM 필드를 읽어, NUM 필드의 개수만큼 패킷을 읽어 처리한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명은, MAC 하드웨어에서 동일한 패킷 길이를 갖는 패킷이 수신되는 경우 패킷 길이와 수신한 패킷 개수를 헤더에 기록하고, 패킷의 페이로드들을 연속적으로 버퍼링 함으로써, 수신 및 처리 과정의 불필요한 과정을 줄여 패킷 수신 처리의 효율성을 증대시켜 센서 노드의 제한된 자원을 효율적으로 사용할 수 있고, 저전력화 및 소형화가 가능한 효과가 있다.

Claims (4)

1. 무선주파수 송수신기와 매체접근제어(MAC) 하드웨어 블록과 MCU를 포함하는 센서 노드에서의 수신 패킷의 버퍼링 방법에 있어서,

   상기 무선주파수 송수신기로부터 패킷이 수신되면, 수신 FIFO에 기 저장된 패킷이 존재하는지 확인하는 제1 단계;

   상기 제1 단계에서 상기 수신 FIFO에 기 저장된 패킷이 존재하면, 새로 수신되는 패킷의 길이와 상기 기 저장된 패킷의 길이가 동일한지 확인하는 제2 단계;

   상기 제2 단계에서 패킷의 길이가 동일하면, 헤더 정보에 저장된 패킷의 개수 정보를 증가시키고, 동일 패킷 길이를 갖는 패킷에 대해 페이로드만을 버퍼링 하였음을 나타내는 정보를 설정한 후, 페이로드만을 상기 수신 FIFO에 버퍼링하는 제3 단계; 및

   상기 제1 단계에서 기 저장된 패킷이 존재하지 않거나, 상기 제2 단계에서 패킷의 길이가 동일하지 않으면, 헤더와 함께 페이로드를 순차적으로 상기 수신 FIFO에 버퍼링하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신 패킷의 버퍼링 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 MCU가 상기 수신 FIFO에 버퍼링된 패킷의 헤더 정보를 분석하여 동일 패킷 길이를 갖는 패킷에 대해 페이로드만을 버퍼링 하였음을 나타내는 정보가 설정되어 있으면, 동일 패킷 길이를 갖는 패킷의 개수만큼 읽는 제5 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신 패킷의 버퍼링 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 헤더 정보는 7 비트의 패킷 길이 정보와, 1비트의 동일 패킷 길이를 갖는 패킷에 대해 페이로드만을 버퍼링 하였음을 나타내는 정보와, 5 비트의 패킷 개수 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신 패킷의 버퍼링 방법.
4. 무선주파수 송수신기와 매체접근제어(MAC) 하드웨어 블록과 MCU를 포함하는 센서 노드에서의 수신 패킷의 버퍼링 제어장치에 있어서,

   상기 무선주파수 송수신기로부터 수신된 패킷을 버퍼링하는 수신 FIFO; 및

   상기 무선주파수 송수신기로부터 수신되는 패킷의 헤더 정보로부터 패킷의 길이를 확인하여, 상기 수신 FIFO에 기 저장된 패킷의 길이와 동일하면, 상기 수신 FIFO에 저장된 헤더 정보에 버퍼링된 패킷의 개수 정보를 증가시키고, 동일 패킷 길이를 갖는 패킷에 대해 페이로드만을 버퍼링 하였음을 나타내는 정보를 설정한 후, 수신된 패킷의 페이로드만을 상기 수신 FIFO에 버퍼링하는 수신 FIFO 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신 패킷의 버퍼링 제어장치.

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