KR20070111723A - 개인영역 무선통신에서 매쉬 형태로 연결된 장치의 결집한채널자원할당 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 IEEE 802.15.3과 같은 개인영역 무선통신에서 분산된 매쉬 형태의 디바이스들의 효율적인 통신을 위해 경쟁접근구간을 집결시키는 채널자원 관리 방법에 대하여 다룬다. 본 기술의 사용으로 장치들의 경쟁으로 채널 자원을 선점하여 사용하는 구간에서 보다 많은 양의 데이터를 보다 적은 전송지연을 겪으면서 통신이 가능하다.

무선개인역역 통신, Mesh-WPAN, MPA MAC 프로토콜

Description

개인영역 무선통신에서 매쉬 형태로 연결된 장치의 결집한 채널자원할당 방법 {Aggregated Contention Access Period Management Method for the Distributed Mesh WPAN}

제 1도는 기존 MPA MAC에서 사용하는 슈퍼프레임 구조

제 2도는 기존 MPA MAC에서 채널자원 예약방법으로 인한 경쟁구간의 단편화

제 3도는 발명한 방법의 채널자원 예약방법을 통한 채널 자원 할당 결과

제 4도는 발명한 채널예약 방법의 예약 과정

제 5도는 분산된 형태의 장치들 사이에 다중 홉 전송의 예

제 6도는 기존방법과 발명의 방법을 비교하여 성능예측

기존 IEEE 802.15.3은 기본적으로 시분할방식으로 채널자원을 사용한다. 일정 범위내에 속한 장치들이 피코넷을 구성하고, 그 중에 하나의 장치가 코디네이터 역할을 맡게 된다. 코디네이터는 피코넷에 속한 장치들에게 비콘을 통해서 동기를 맞춰주고 피코넷을 관리하게 된다. 또한 채널 자원을 각 장치들에게 할당하는 역할 을 한다. 각 장치는 코디네이터에게 채널 자원을 요청하고 코디네이터는 이 요청에 따른 동작을 하게된다. 이렇게 기존 IEEE 802.15.3 high-rate WPAN은 중앙에 한 개의 코디네이터가 채널 자원의 할당과 피코넷의 관리를 맡는다. 현재 IEEE 802.15 working 그룹내에 TG5는 개인영역 무선통신(WPAN)의 메쉬 네트워킹을 위한 표준화를 진행중이다. TG5에는 현재 많은 제안이 기고되고 있다. WPAN의 메쉬 네트워킹을 구성하기 위해서는 기본적으로 MAC 프로토콜의 수정이 불가피하다. MAC 프로토콜에 대한 제안은 MPA(Mesh PAN Allience)에서 제안한 방법이 가장 구체적이며 유력한 메쉬 WPAN의 MAC 프로토콜이다. 이 MAC 프로토콜 역시 시분할 방식으로 채널자원을 사용한다. 기존 IEEE 802.15.3과 다른 점은 채널자원을 중앙에서 코디네이터가 제어하는 방법이 아니라 각 장치가 자신이 사용할 채널 자원을 스스로 예약하는 방법이라는 점이다. 이를 위해서는 모든 장치는 도 1과 같은 슈퍼프레임 구조의 비콘구간에서 각자의 비콘을 보내게 된다. 장치는 비콘 구간내에 여러 개의 비콘 슬롯 중에 사용되지 않는 슬롯을 사용하여 비콘을 보내게 된다. 비콘 프레임 내에는 자신의 장치 ID, 동기를 위한 정보, 이웃 장치의 정보, 2홉 떨어진 장치의 정보, 전송매체 사용 정보들이 포함되어 전달된다. 각 장치는 이웃한 장치의 정보를 기록하는 테이블을 사용하여 사용된 비콘 슬롯의 정보를 알 수 있고 각 장치의 ID와 전송 출력을 기록하게 된다. DTP구간에서는 미리 예약된 전송이 일어나게 된다. 이는 DRP(distributed reservation protocol)을 사용하게 되는데, 이렇게 미리 채널자원을 예약함으로써 데이터 전송구간에서 경쟁과 출돌을 방지할 수 있다. 또한 분산화된 방법으로 채널자원을 사용하게 되면 공간적인 측면에서 채널자원의 재활용이 효 율적이게 된다. 이런 DRP는 비콘에 의해 전달되는 예약정보를 사용하게 된다. 송신측과 수신측은 서로 협상하여 DTP 구간을 예약하고 이 예약된 내용을 서로의 비콘 프레임을 통해서 알리게 된다. 이렇게 예약을 하는 과정에는 몇 가지 규칙이 있는데, 첫째로 모든 예약의 확인은 수신 측에 의해서 이루어진다는 점이다. 둘째로 각 예약에는 우선순위를 두어서 우선순위가 높은 예약이 낮은 우선순위를 갖는 예약의 자리에 재배치되어야 한다. 넷째로 모든 전송은 송신측에 의한 단방향 전송이다. 채널자원을 실제로 할당받는 것은 송신 장치이고 이렇게 할당을 함으로써 각 전송의 간섭을 줄일 수 있다.

이와 같이 기존 MPA의 MAC 프로토콜은 DRP를 사용하여 채널 자원을 예약하여 사용하는 방법을 사용한다. 이때 각 장치가 분산화된 정책으로 데이터전송구간을 예약하게 되면 도 2와 같이 데이터전송구간이 단편화된다. 이렇게 단편화된 구간은 시분할방법으로 채널 자원을 사용할 수 없고 장치들간에 경쟁을 통한 CSMA 방법으로 채널자원을 사용하게 된다. 단편된 경쟁구간이 많을수록 장치들이 경쟁하여 채널을 사용할 기회가 줄어들게 된다. 또한 경쟁과 선점을 위해서 backoff와 RTS-CTS-DATA-ACK와 같은 순서로 데이터 전송을 사용하는데 이와 같은 메시지 전송과 backoff는 일정 크기 이상의 채널자원을 필요로 한다. 경쟁구간의 단편화로 인해 채널자원이 부족하게 되면 전송에 문제가 생기게 된다. 이는 메쉬 형태의 네트워크에서 다중 홉 전송에서 더욱 심해진다. 이와 같이 경쟁구간의 효율적이지 못한 사용을 해결하는 방법을 본 발명에서 제안한다.

앞에서 설명한 내용과 같이 경쟁구간의 단편화가 채널자원의 낭비와 비효율성을 야기한다. 본 발명에서는 장치들이 단편화를 최소화하면서 채널자원을 예약하는 방법을 통해서 경쟁구간을 효율적으로 사용하는 방법을 제안한다. 도 2와 비교하여 도3의 경쟁구간을 보면 경쟁구간이 단편화되지 않고 하나로 묶여 있는 것을 알수 있다. 본 발명에서는 도 3과 같이 각 장치들이 채널자원을 예약하는 방법을 제안한다.

MPA에서 제안한 MAC 프로토콜은 각 장치가 비콘구간에서 전송하는 비콘 메시지에 포함된 DRP 정보를 통해서 데이터전송구간의 일정부분을 예약하여 사용한다. 이때 발명에서 제안하는 방법을 사용하는 경우 각 장치가 데이터전송구간을 예약 할때 예약의 시작시간을 다른 장치가 예약한 구간이 끝나는 시간에 바로 이어서 예약구간을 설정한다. 모든 장치들은 이웃하여 위치한 장치들에 관한 정보를 저장할 수 있는 테이블이 있다. 각 장치들은 비콘구간에서 주위 장치의 비콘 프레임을 받는다. 비콘 프레임 내에는 DRP 정보가 포함되어 있는데 이 정보를 읽어서 테이블에 저장할 수 있다. 테이블에 저장된 내용을 기반으로 전체 데이터 전송구간의 맵을 구성할 수 있다. 구성된 맵을 기반으로 이웃한 장치의 예약이 끝나는 부분을 알 수 있다. 도 4는 이 과정을 나타낸다.

만약 이웃한 장치들 사이에 예약정보에 대한 정보 전달이 불가능하여 예약구 간의 위치가 연속되지 못하고 떨어져 있을 경우, 새로 예약을 시도하는 장치는 예약구간 사이에 경쟁구간의 길이를 확인하고 자신이 예약할 양과 비교하게 된다. 이때 자신이 예약할 양보다 경쟁구간이 작을 경우에 잔여 경쟁구간 모두를 예약하고 추가로 필요한 양은 다른 경쟁구간을 사용하도록 한다. 이와 같은 방법으로 경쟁구간의 단편화를 없앨 수 있다. 반대로 자신이 예약할 채널자원의 양보다 다른 장치가 예약한 예약구간의 양이 많은 경우에 자신이 예약할 양과 경쟁구간의 양을 비교하여 α값보다 그 차이가 적을 경우 잔여 경쟁구간 모두를 예약함으로써 경쟁구간의 단편화를 없애게 된다. 만약 α값보다 크다면 본래 예약하려는 양 만큼만 예약하고 남은 경쟁구간은 다른 장치가 예약하도록 한다. 이와 같은 방법으로 경쟁구간의 단편화를 줄일 수 있다.

본 발명을 통해서 각 장치는 다른 장치가 예약한 부분에 바로 이어서 자신의 예약구간을 위치시킨다. 도 5와 같이 개인영역 무선통신이 매쉬 형태의 연결에서 장치 1이 장치 3에게 데이터 전송을 시도한다고 가정한다. 이때 장치 1에서 장치 3은 전송범위 밖에 있어서 한번에 전송을 하지 못한다. 중간에 장치 2가 장치 1의 데이터를 받아서 장치 3에게 전송해주는 구조이다. 이때 장치 1과 장치 2가 전송을 위해서 사용하는 데이터 전송구간이 경쟁구간이라고 가장할 경우, 기존 MPA MAC 프로토콜과 제안한 방법의 성능 평가의 예를 도 6에서 보여준다. 도 6에서 기존의 방법은 경쟁구간이 많은 단편화가 일어나서 이 구간에서 CSMA 방법으로 통신을 시도하는 장치가 예약된 구간을 만나서 채널 사용을 중지하는 것을 나타낸다. 이렇게 같은 크기의 경쟁구간이 있더라도 단편화가 일어나면 이 구간에서 경쟁기반으로 채널을 접근하는 장치의 성능이 현저히 저하된다. 이와 비교하여 본 발명의 방법을 사용할 경우 각 장치가 채널자원을 예약할때 예약 구간을 연속하여 위치시킴으로 경쟁구간 역시 연속하여 위치된다. 이렇게 연속하여 위치한 구간에서 CSMA 방식으로 채널 접근을 할 경우 기존의 방법보다 효율적인 통신을 할 수 있다.

Claims (2)

1. 분산된 장치가 각자 채널자원을 예약하는 경우 매쉬 형태의 무선 네트워크에서 각 장치가 다른 장치의 비콘 프레임을 확인하여 이웃한 장치의 예약구간을 자신의 테이블에 저장하는 1단계

   장치가 자신이 사용할 예약구간을 정할 때 자신의 테이블에 저장된 이웃한 장치의 예약정보를 확인하여 다른 장치의 예약구간이 끝나는 시간을 찾는 2단계

   1단계와 2단계를 통해서 알아낸 이웃한 장치의 예약구간에 바로 이어서 자신의 예약구간을 설정하는 3단계

   예약구간이 연속하여 위치함으로 자동적으로 경쟁구간이 단편화되지 않고 연속하여 위치하도록 하는 4단계

   로 이루어지는 채널 자원의 할당 방법
2. 청구항 1에서 예약구간이 떨어져 있을 경우 자신의 예약할 양과 중간에 경쟁구간의 잔여량을 비교하여 이 두 값이 비슷할 경우 모두 예약하여 경쟁구간의 단편화를 없애는 방법

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