KR20100038415A - 통신 시스템내의 리소스 할당의 시스템 및 방법 - Google Patents

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베네디토 제이. 주니어 폰세카
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제임스 피. 미쉘스
나단 제이. 스미스
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Abstract

통신 시스템 내에서 리소스 할당의 시스템 및 방법이 제공된다. 통신 시스템은 제1 아키텍쳐 네트워크 모드에서 동작하는 복수의 노드들을 포함하고, 여기에서 복수의 노드들 중 적어도 일부는 하나 이상의 네트워크 성능 요건들의 변경에 응답하여 제2 아키텍쳐 네트워크 모드로 동작하도록 재구성된다. 복수의 노드들이 분산형 아키텍쳐 네트워크 모드에서 동작하고 있는 경우, 복수의 노드들 중 적어도 일부는 하나 이상의 네트워크 성능 요건들의 증가에 응답하여 클러스터형 아키텍쳐 네트워크 모드로 동작한다. 복수의 노드들이 클러스터형 아키텍쳐 네트워크 모드에서 동작하고 있는 경우, 복수의 노드들 중 적어도 일부는 하나 이상의 네트워크 성능 요건들의 감소에 응답하여 분산형 아키텍쳐 네트워크 모드에서 동작하도록 재구성된다.

Description

통신 시스템내의 리소스 할당의 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD OF RESOURCE ALLOCATION WITHIN A COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 일반적으로는 무선 통신들에 관한 것으로, 특히 애드혹 네트워크에서 리소스 및 간섭 관리에 관한 것이다.
무선 네트워크들의 타입들은 인프라구조-기반의 무선 네트워크들 및 애드혹 무선 네트워크들을 포함한다.
애드혹 네트워크들은 어떠한 고정된 인프라구조도 없는 상태에서 동작할 수 있는 자발-형성 네트워크들이고, 일부 경우들에서, 애드혹 네트워크는 전체적으로 모바일 노드들로 형성된다. 애드혹 네트워크는 통상 종종 "노드들"로 지칭되는 다수의 지리적으로-분산된 잠재적으로는 모바일 유닛들을 포함하고, 이들은 하나 이상의 링크들(예를 들면, 무선 주파수 통신 채널들)에 의해 서로에게 무선으로 접속된다. 노드들은 인프라구조-기반 또는 유선 네트워크의 지원없이 무선 매체를 통해 서로와 통신할 수 있다. 이들 노드들간의 링크들 또는 접속들은 현재의 노드들이 애드혹 네트워크 내에서 이동하거나, 새로운 노드들이 애드혹 네트워크에 참여하거나 들어오거나, 현재의 노드들이 애드혹 네트워크를 떠나거나 나감에 따라, 임의의 방식으로 다이나믹하게 변경될 수 있다. 애드혹 네트워크의 토폴로지가 크게 변경될 수 있기 때문에, 애드혹 네트워크가 이들 변경들에 대해 다이나믹하게 조정되도록 허용할 수 있는 기술들이 필요하다. 중앙 컨트롤러가 없으므로, 다수의 네트워크-제어 기능들은 노드들이 토폴로지 변경들에 응답하여 자발-구성 및 재구성할 수 있도록 노드들 사이에 분산될 수 있다.
애드혹 네트워크 노드들의 하나의 특성은 각 노드가 단일 "호프(hop)" 이격된 노드들과 짧은 범위에 걸쳐 직접적으로 통신할 수 있다는 점이다. 그러한 노드들은 종종 "이웃 노드들"로 지칭된다. 노드가 패킷들을 목적지 노드에 송신하고 노드들이 둘 이상의 호프만큼 분리되어 있는 경우(예를 들면, 2개의 노드들간의 거리가 노드들의 무선 송신 범위를 초과하거나 노드들 사이에 물리적 장벽이 존재하는 경우), 패킷들은 목적지 노드에 도달할 때까지 중간 노드들을 통해 릴레이될 수 있다("멀티-호핑"). 그러한 상황들에서, 각 중간 노드는 패킷들(예를 들면, 데이터 및 제어 정보)이 그들 최종 목적지에 도달할 때까지 그 패킷들을 루트를 따라 다음 노드에 라우팅한다. 다음 노드에 패킷들을 릴레이하기 위해, 각 노드는 그 이웃하는 노드들과의 대화를 통해 수집된 라우팅 정보를 유지한다. 라우팅 정보는 또한, 현재의 네트워크 토폴로지를 반영하기 위해 네트워크에서 주기적으로 브로드캐스팅될 수 있다. 다르게는, 정확한 라우팅 정보를 유지하기 위해 송신되는 정보량을 감소시키기 위해, 네트워크 노드들은 필요한 경우에만 라우팅 정보를 교환할 수 있다.
리소스 할당은 애드혹 네트워크들의 중요한 설계 양태이다. IEEE 802.11 및 블루투스는 2개의 지배적인 애드혹 네트워킹 표준들이다. IEEE 802.11은 분산형 아키텍쳐에서 리소스들이 경쟁되는 캐리어 센스 다중 액세스(CSMA: Carrier Sense Mutiple Access) 기반 시스템이다. 블루투스는 중앙집중화된 마스터 컨트롤러에 의해 리소스들이 할당되는 시분할 다중 액세스(TDMA) 기반 시스템이다.
유사한 참조부호들이 개별적인 도면들 전체에 걸쳐 동일하거나 기능적으로 유사한 구성요소들을 지칭하고 이하의 상세한 설명과 함께 명세서에 포함되며 그 일부를 형성하는 첨부된 도면들은, 다양한 실시예들을 추가적으로 예시하고 본 발명에 따른 다양한 원리들 및 장점들 모두를 설명하는 기능을 한다.
도 1은 통신 네트워크의 블록도의 예이다.
도 2는 통신 네트워크 내의 복수의 클러스터들의 예이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 1의 통신 네트워크의 동작을 예시하는 플로우차트이다.
도 4, 5 및 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 1의 통신 네트워크의 동작을 위한 프레임 구조들의 다양한 예들을 예시하고 있다.
도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 3의 동작의 추가 세부사항을 예시하는 플로우차트이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 1의 통신 네트워크의 동작을 예시하는 플로우차트이다.
본 기술분야의 숙련자라면 도면들의 구성요소들이 단순성 및 명료성을 위해 예시되어 있고 반드시 스케일링되어 그려질 필요가 없다는 것을 잘 알고 있을 것이다. 예를 들면, 도면들의 일부 구성요소들의 치수들은 다른 구성요소들에 비해 과장되어, 본 발명의 실시예들의 이해를 개선하는데 도움을 줄 수 있다.
본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명하기에 앞서서, 본 실시예들은 주로 통신 시스템에서 리소스 할당과 관련된 방법 단계들 및 장치 컴포넌트들의 조합들에 관한 것이라고 할 수 있다. 따라서, 장치 컴포넌트들 및 방법 단계들은 적절한 경우에 도면들에서 관례적인 심볼들에 의해 표현되었고, 본 설명의 잇점을 가지는 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 자명한 세부사항들로 본 개시를 모호하게 하지 않도록 본 발명의 실시예들을 이해하는 것과 관련된 특정 세부사항들만을 도시하고 있다.
본 문헌에서, 제1 및 제2, 상부 및 하부, 등과 같은 관계 용어들은 그러한 실체들 또는 액션들간의 임의의 그러한 실제 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 함축하지 않고 하나의 실체 또는 액션을 또 하나의 실체 또는 액션과 구별하는데에만 이용될 수 있다. 용어들 '포함하다(comprises)','포함하는(comprising)', 또는 임의의 다른 그 변형은, 하나의 구성요소들의 리스트를 포함하는 하나의 프로세스, 방법, 제품 또는 장치가 이들 구성요소들을 포함할 뿐만 아니라 그러한 프로세스, 방법, 제품 또는 장치에서 명시적으로 리스트되지 않거나 본질적인 다른 구성요소들도 포함하도록, 비-배타적 포괄을 커버하려는 것이다. '하나의 ...를 포함하는(comprises ... a)'에 이어지는 하나의 구성요소는, 어떠한 추가 제한 없이, 그 구성요소를 포함하는 프로세스, 방법, 제품 또는 장치에서 동일한 구성요소들의 추가적인 존재를 배제하는 것은 아니다.
여기에 기재된 본 발명의 실시예들은 하나 이상의 통상의 프로세서들, 및 특정 비-프로세서 회로들과 결합하여 여기에 기재된 통신 시스템 내에서 리소스 할당의 기능들의 일부, 대부분 또는 모두를 구현하도록 하나 이상의 프로세서들을 제어하는 고유 저장된 프로그램 명령들을 포함한다는 것은 자명하다. 비-프로세서 회로들은 무선 수신기, 무선 송신기, 신호 드라이버들, 클럭 회로들, 전원 회로들 및 사용자-입력 디바이스들을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 그럼으로써, 이들 기능들은 통신 네트워크에서 리소스 할당을 수행하는 방법의 단계들로서 이해될 수 있다. 다르게는, 일부 또는 모든 기능들은 어떠한 저장된 프로그램 명령들을 가지지 않는 상태 머신에 의해, 또는 각 기능, 또는 특정 기능들의 일부 조합들이 관례적인 로직으로서 구현되는 하나 이상의 어플리케이션 특정 집적 회로들(ASICs)로 구현될 수 있다. 물론, 2가지 접근법들의 조합이 또한 이용될 수 있다. 그러므로, 이들 기능들에 대한 방법들 및 수단들이 여기에 기재되었다. 또한, 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 예를 들면 가용한 시간, 현재 기술 및 경제적 고려에 의해 동기화되는 가능한 상당한 노력 및 다수의 설계 선택들에도 불구하고, 여기에 개시된 개념들 및 원리들에 의해 유도되는 경우에, 그러한 소프트웨어 명령들, 프로그램들 및 IC들을 최소한의 실험으로 용이하게 생성할 수 있을 것으로 예상된다.
여기에 기재된 임의의 실시예가 다른 실시예들에 비해 반드시 선호하거나 유리한 것으로 간주될 필요는 없다. 상세한 설명에 기재된 모든 실시예들은 본 발명의 숙련자들이 본 발명을 만들고 이용할 수 있고 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 범주를 제한하지 않도록 예시적으로 제공된다.
오늘날의 애드혹 네트워크들은 통상 분산형 아키텍쳐 또는 클러스터형 아키텍쳐 중 하나로서 기능한다. 분산형 아키텍쳐들은 낮은 트래픽, 낮은 사용자 밀도, 및/또는 낮은 경쟁을 가지는 애드혹 네트워크들에 대한 최대 적응성을 제공하고, 네트워크 형성을 위한 최대의 단순성을 제공한다. 작은 애드혹 네트워크들(예를 들면, 5개의 노드들보다는 적음)은 매우 빠르고, 컨텐트의 버스트들을 교환하는데 적은 오버헤드로 신속하게 형성할 수 있다. 분산형 제어 아키텍쳐 네트워크들은 낮은 트래픽 환경들에 대해 용이하게 구성가능하고, 예를 들면 트래픽의 버스트를 교환하기 원하는 피어 투 피어(P2P) 어플리케이션들에 대해 최적이며, 예를 들면 멀티-호프 네트워크 및 멀티-호프 백홀을 가지는 네트워크들을 가능하게 하는데 아주 적합하다.
그러나, 네트워크가 노드들의 개수가 증가함에 따라, 또는 트래픽 요구들이 증가함에 따라, 통신 네트워크가 환경에 적응하고 리소스들을 더 효율적으로 할당하고 간섭을 관리하는 변형으로 용량 요구들을 충족시키도록 스케일링할 필요가 있다. 여기에서, 클러스터형 아키텍쳐가 더 나은 선택이다. 클러스터형 제어 아키텍쳐 네트워크들은 높은 밀도 환경들에 대한 스케일러빌리티(scalability)를 가능하게 하고 예를 들면 최대 용량을 요구하는 메트로-광대역 어플리케이션들에 대해 아주 적합한 매체 액세스 제어(medium access control; MAC)를 포함한다.
그러므로, 다중 액세스 방법이 네트워크 요구들을 충족시키도록 변경되는 분산형 및 클러스터형 아키텍쳐의 하이브리드를 포함하는 것이 유리할 것이다. 네트워크 요구들은, 예를 들면 노드들의 개수, 트래픽 요구들, 네트워크 용량, 토폴로지/노드 분포, 자기 간섭을 완화시키는 공간 재이용 요건, 및/또는 외부 간섭 완화 요건들을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들의 구현을 위한 통신 네트워크(100)의 예로 든 블록도를 예시하고 있다. 통신 네트워크(100)는 예를 들면, 메시 가능한 아키텍쳐(MEA; mesh enabled architecture) 네트워크 또는 802.11 네트워크(즉, 802.11a, 802.11b, 802.11g 또는 802.11s)와 같은 애드혹 무선 통신 네트워크(100)를 포함할 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 본 발명에 따른 통신 네트워크(100)는 다르게는 패킷들이 복수의 무선 호프들에 걸쳐 포워딩되는 임의의 패킷화된 통신 네트워크를 포함할 수 있다는 것을 잘 알고 있을 것이다. 예를 들면, 통신 네트워크(100)는 OFDMA(직교주파수분할 다중 액세스), TDMA(시분할 다중 액세스), FDMA(주파수 분할 다중 액세스), 또는 CSMA(캐리어 센스 다중 액세스)와 같은 다중 액세스 스킴들을 활용하는 네트워크일 수 있다. 추가적으로, 통신 네트워크(100)의 각 무선 호프는 다른 호프들과 동일한 다중 액세스 스킴 또는 호프당 고유한 다중 액세스 스킴을 채용할 수 있다.
예시된 바와 같이, 통신 네트워크(100)는 분산형 아키텍쳐 네트워크(105) 및 클러스터형 아키텍쳐 네트워크(110)를 포함한다. 통신 네트워크(100)는 여기에 추가로 그 동작이 설명되는 하이브리드 아키텍쳐 네트워크(115)를 더 포함한다. 예시된 구성은, 여기에 설명되는 바와 같이 네트워크 요건들이 변경됨에 따라, 분산형 아키텍쳐 네트워크(105), 클러스터형 아키텍쳐 네트워크(110) 및 하이브리드 아키텍쳐 네트워크(115)의 각각의 구성이 다이나믹하게 변경되게 되므로, 시간상 고정된 포인트이다. 특히, 통신 네트워크(100) 내에 3개의 개별적인 네트워크들이 있는 것으로 예시되어 있지만, 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 통신 네트워크(100) 내에서 동작하는 다양한 노드들은 분산형 아키텍쳐 네트워크(105), 클러스터형 아키텍쳐 네트워크(110) 및 하이브리드 아키텍쳐 네트워크(115)의 임의의 결합을 본 발명에 따라 필요한 대로 형성한다는 것을 잘 알고 있을 것이다. 그러므로, 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 통신 네트워크(100)는 분산형, 클러스터형 또는 하이브리드 아키텍쳐들에서 동시에 동작할 수 있다는 것을 또한 잘 알고 있을 것이다. 또한, 분산형 및 클러스터형 아키텍쳐 구성들은 자율적 애드혹 네트워킹 모드 또는 하이브리드 메시 네트워킹 모드에서 동작할 수 있다.
본 기술분야에 공지되어 있는 바와 같이, 애드혹 네트워크는 무선 통신들을 위해 협업 네트워크를 형성하도록 자발 구성하는 노드들의 집합이다. 그러므로, 각 노드는 통신 세션에서 데이터 패킷들의 소스, 릴레이 또는 목적지로서 기능하는 동일한 성능들을 가지고 있다. 네트워크 토폴로지 다이나믹스는 네트워크 접속들을 안정화시키는 자가-치료 성능들을 가지는 것으로 예상된다. 이러한 정의를 확장하면, 자율적 애드혹 네트워크는, 액세스 포인트 또는 게이트웨이와 같은 고정된 인프라구조 없이도 동작할 수 있는 애드혹 네트워크이다. 각 노드는 복수의 통신 경로들을 용이하게 하고 복수의 호프들을 통해 통신 세션의 송신 범위를 확장시키는 중간 라우터로서 작동할 수 있다.
본 기술분야에서 추가적으로 주지된 바와 같이, 메시 네트워크는 와이드 영역 네트워크들에 대한 게이트웨이 인터페이스들로 고정된 인프라구조 노드들에 대해 무선 접속성을 제공하고 둘 이상의 호프를 포함할 수 있는 노드들 간의 복수의 통신 경로들을 특징으로 하는 애드혹 네트워크 구성이다. 고정된 인프라구조는 고정된 노드들 사이에서 유선 또는 무선 백홀을 제공할 수 있다. 메시 네트워크 정의를 확장하면, 하이브리드 메시 네트워크는 고정형 및 이동형 노드들, 고정된 인프라구조 노드들, 및 게이트웨이 인터페이스들로 구성된 메시 네트워크 구성이다. 고정된 인프라구조는 애드혹 노드들, 또는 고정형 및 이동형 노드들의 자율적 애드혹 네트워크들 사이에서 유선 또는 무선 백홀을 제공할 수 있다. 그러므로, 애드혹 네트워킹 송신 범위는 단일 또는 복수의 호프들을 통해 고정된 인프라구조 및/또는 애드혹 지원 노드 접속들로 확장될 수 있다. 이종의 통신 시스템들이 지원될 수 있다.
통신 시스템(100)의 동작은, 트래픽 요구들이 낮은 경우에는 분산된 리소스 할당을 가능하게 하고, 트래픽 요구들이 증가하는 경우에 노미네이팅된(nominated) 클러스터 헤드가 리소스들을 하나의 클러스터를 형성하는 노드들에게 할당할 수 있도록 모핑(morph)하며, 이것이 여기에 제공된다. 분산형, 클러스터형 또는 하이브리드 아키텍쳐 네트워크에서 동작하는 노드들은 각각 시간 슬롯들, 채널들, 서브-채널들, 전력 레벨들, 데이터 레이트들 등과 같은 무선 리소스들의 이용을 협상하는 무선 리소스 관리 시스템(즉, 예를 들면, 무선 리소스 매니저)을 가지고 있다. 통신 시스템(100) 내에서 인지 환경 감지 성능들(cognitive environment sensing capabilities)을 가지는 무선 리소스 관리 시스템은 모든 네트워킹 모드/아키텍쳐 구성 결합들 사이의 적응성(adaptability)을 가능하게 한다. 모드들 및 아키텍쳐들의 결합은, 네트워크 토폴로지, 트래픽 타입 및 용량 요구, 노드들의 개수, 토폴로지/노드 분포, 자기 간섭을 완화시키는 공간 재이용 요건들, 및/또는 외부 간섭 완화 요건들의 기능들로서 이들 간의 무결절성 변환(seamless transition)을 지원함으로써, 사용 케이스 상황(use case situation)에 최적화되는 네트워크 성능을 제공할 것이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 분산형 아키텍쳐 네트워크(105)는 복수의 분산형 모드 노드들(120-1 내지 120-n)(메시 포인트들(120) 또는 모바일 노드들(120) 또는 통신 디바이스들(120)로도 지칭됨)을 포함하고, 반드시 요구되지는 않지만 분산형 모드 노드들(120)에게 고정된 네트워크로의 액세스를 제공하기 위한 복수의 지능형 액세스 포인트들(도시되지 않음)을 가지는 고정된 네트워크(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 고정된 네트워크는 예를 들면 코어 로컬 영역 네트워크(LAN), 및 네트워크 노드들에게 다른 애드혹 네트워크들, 공공 전화 교환망(PSTN) 및 인터넷과 같은 다른 네트워크들로의 액세스를 제공하는 복수의 서버들 및 게이트웨이 라우터들을 포함할 수 있다. 본 기술분야의 숙련자들에게 알려져 있는 바와 같이, 분산형 모드 노드들(120)은 서로 직접적으로 또는 간접적으로 통신할 수 있다. 간접적으로 통신하는 경우에, 하나 이상의 다른 분산형 모드 노드들(120)은 노드들 사이에서 전송되는 패킷들을 포워딩하거나 릴레이하기 위한 라우터 또는 라우터들로서 동작할 수 있다.
하나의 실시예에서, 분산형 아키텍쳐(105)는 액세스 방법으로서 풀-대역(full-band) TDMA를 이용한다. 분산형 아키텍쳐는, 노드들이 트래픽의 버스트를 교환하기 원하는 피어-투-피어 통신들 또는 멀티호프 네트워크들 및 멀티-호프 백홀에 이상적이게 되는 낮은 트래픽 환경들에 최적화된다. 분산형 아키텍쳐에서 리소스들은 노드들 사이에서 로컬로 협상된다.
도 1에 예시된 바와 같이, 클러스터형 아키텍쳐 네트워크(110)는 복수의 클러스터 모드 노드들(125-1 내지 125-n)(또한 메시 포인트들(125) 또는 모바일 노드들(125) 또는 통신 디바이스들(125)로도 지칭됨)을 포함하고, 반드시 요구되는 것은 아니지만 클러스터 모드 노드들(125)에게 고정된 네트워크로의 액세스를 제공하기 위한 복수의 지능형 액세스 포인트들(도시되지 않음)을 가지는 고정된 네트워크(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 고정된 네트워크는 예를 들면 코어 로컬 영역 네트워크(LAN), 및 다른 애드혹 네트워크들, 공공 전화 교환망(PSTN) 및 인터넷과 같은 다른 네트워크들로의 액세스를 네트워크 노드들에게 제공하는 복수의 서버들 및 게이트웨이 라우터들을 포함할 수 있다. 본 기술분야의 숙련자들에게 알려져 있는 바와 같이, 클러스터 모드 노드들(125)은 서로 직접적으로 또는 간접적으로 통신할 수 있다. 간접적으로 통신하는 경우에, 하나 이상의 다른 클러스터 모드 노드들(125)은 노드들 사이에서 전송되는 패킷들을 포워딩하거나 릴레이하기 위한 라우터 또는 라우터들로서 동작할 수 있다. 클러스터형 아키텍쳐 네트워크(110)는 클러스터형 아키텍쳐 네트워크(110) 내에서 통신 및 리소스들을 관리하기 위한 클러스터 헤드(130)를 더 포함한다. 노드들의 시스템이 클러스터들로 구성되는 경우에, 네트워크의 성능을 최대화시키는 효율적인 리소스 할당을 가능하게 하도록 MAC 레이어 및 물리적 레이어(PHY)로부터의 지원을 제공해야 하는 요건이 있다. 모든 노드들이 클러스터들로 분할되는 시스템 아키텍쳐에 대해, 각 클러스터는 클러스터 내에서 노드들을 관리하는 기능을 하는 클러스터 헤드(130)를 포함한다. 클러스터 헤드(130)는 이하의 기능들 중 하나 이상을 가질 수 있다.
1) 노드들 사이의 통신을 가능하게 하는 클럭 동기화(둘 이상의 클러스터에 대해 동기화를 제공할 수 있음),
2) 리소스 할당(예를 들면, 리소스들은 시간 슬롯들, 호프 시퀀스, 주파수, 코드, 대역폭, 레이트, 전력, 등을 포함함),
3) 클러스터 내의 노드들의 MAC/IP(인터넷 프로토콜) 어드레스들, 인접하는 클러스터들로부터의 클러스터 헤드들의 MAC/IP 어드레스들, 컨텐트 요구들을 관리하는 지원을 가지는 클러스터 노드들에 대한 컨텐트 디렉토리, 배터리 보존 및 스케줄들을 관리하는 지원에 대한 웨이크/슬리프(Wake/Sleep) 스케줄들, 배터리 레벨들(AC 전력 표시자를 포함함), 노드 타입들, 클러스터 크기, 및 프레즌스(Presence) 검출(또는 프레즌스의 결여)과 같은 파라미터들에 대한 서비스 관리를 포함하는 클러스터 내의 모든 노드들에 대한 정보 저장소,
4) 수락(Admission) 제어, 공평성(fairness), 및 QoS를 보증하는 트래픽 매니저,
5) 클러스터 노드로 예정된 컨텐트의 릴레이/저장-및-포워드,
6) 와이드 영역 네트워크들(예를 들면, 셀룰러, IEEE 802.11, IEEE 802.16)로의 게이트웨이,
7) 루트 발견을 위한 백본 노드, 및
8) 로케이션 결정 지원.
하나의 실시예에서, 클러스터형 아키텍쳐(110)는 액세스 방법으로서 OFDMA-TDMA를 이용한다. 클러스터형 아키텍쳐는 높은 트래픽 환경들을 서브할 수 있다. 여기에서, 리소스들은 용량을 최대화하기 위해 리소스들의 효율적인 이용을 최대화하도록 클러스터 헤드(130)에 의해 할당된다.
도 1에 예시된 바와 같이, 하이브리드 아키텍쳐 네트워크(115)는 복수의 노드들(135-1 내지 135-n)(또한 메시 포인트들(135) 또는 모바일 노드들(135) 또는 통신 디바이스들(135)로도 지칭됨)을 포함하고, 반드시 요구되는 것은 아니지만 노드들(135)에게 고정된 네트워크로의 액세스를 제공하기 위한 복수의 지능형 액세스 포인트들(도시되지 않음)을 가지는 고정된 네트워크(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 고정된 네트워크는 예를 들면 코어 로컬 영역 네트워크(LAN), 및 다른 애드혹 네트워크들, 공공 전화 교환망(PSTN) 및 인터넷과 같은 다른 네트워크들로의 액세스를 네트워크 노드들에게 제공하는 복수의 서버들 및 게이트웨이 라우터들을 포함할 수 있다. 본 기술분야의 숙련자들에게 알려져 있는 바와 같이, 노드들(135)은 직접적으로 또는 간접적으로 서로 통신할 수 있다. 간접적으로 통신하는 경우에, 하나 이상의 다른 노드들(135)은 노드들 사이에서 전송되는 패킷들을 포워딩하거나 릴레이하기 위한 라우터 또는 라우터들로서 동작할 수 있다. 노드들(135-n)은 이하에 더 상세하게 설명되는 바와 같이 클러스터형 모드 및 분산형 모드 양쪽에서 필요한 대로 동작한다. 예를 들면, 노드들(135-1 및 135-4)은 클러스터 헤드(130)의 단일 호프 커버리지 밖에 있고, 따라서 분산형 모드 단독으로 동작하는 것으로 예시되어 있는데 대해, 노드들(135-2 및 135-3)은 클러스터 헤드(130)의 단일 호프 커버리지 내에 있고 노드들(135-1 및 135-4)에 대한 릴레이를 제공한다. 여기에서, 예시된 노드들(135-2 및 135-3)은 분산형 모드 및 클러스터형 모드 양쪽에서 동작하고 있고, 여기에서 이들은 분산형 아키텍쳐 네트워크와 클러스터형 아키텍쳐 네트워크 사이에서 브리징(bridging) 통신 기능을 제공한다.
하이브리드 아키텍쳐는 노드들이 리소스 할당들을 위해 클러스터 헤드와 연관시키도록 하거나, 그 자신의 리소스들을 협상하도록 분산형 모드에서 유지되게 할 수 있다. 이것은 또한, 클러스터의 도메인 외부에 있는 접속성을 원하는 노드들(즉, 클러스터 헤드의 제어 채널이 멀티-호프 접속성을 요구하는 범위 외부에 있는 노드들)에 대한 지원을 가능하게 한다.
클러스터와 연관된 노드들은 클러스터 헤드(130)로부터 하나 또는 복수의 호프들 내에 존재할 수 있다. 하나의 실시예에서, 클러스터와 연관된 노드들은 클러스터 헤드의 단일 호프 내에 있다. 멀티-호프 네트워킹은 클러스터의 도메인 또는 커버리지 외부에 있는 노드들에 대한 접속성을 확장하기 위한 것뿐만 아니라 클러스터 언저리(fringe) 노드들에 대해서도 지원된다. 확장된 커버리지 지원은 멀티-호프 네트워킹 및 하이브리드 아키텍쳐로 가능하게 되는 핵심 성능이다.
통신 네트워크(100)의 아키텍쳐에 대한 하나의 도전은 채널 액세스를 위한 리소스 할당의 최적 방법을 유지하면서도 하나의 네트워크 타입으로부터 다른 하나로 적응하고 변이하는 방법이다. 풀-대역(멀티-채널) TDMA 할당들은 모든 트래픽 타입들에 대한 최적 리소스 할당을 가능하게 하지 않고(예를 들면, 인터넷 프로토콜을 통한 음성통화(VoIP)는 작은 대역폭 요구들을 가지고 있고, 따라서 풀 대역 할당은 허비적이다), 그러나 그 단순성은 낮은 트래픽 요구들을 가지는 환경들에 적합하다. 직교 주파수 분할 다중 액세스(OFDMA)-TDMA는 더 복잡하지만, 모든 트래픽 타입들에 대해 최적의 리소스 할당을 가능하게 하며 따라서 용량 요건들이 더 높은 동작에 적합하다.
복수의 클러스터들이 통신 네트워크(100) 내에서 형성될 수 있다는 것은 자명하다. 도 2는, 예를 들면 복수의 인접하는 클러스터들(200-n)을 예시하고 있다. 하나의 실시예에서, 복수의 인접하는 클러스터들(200-n)이 통신 네트워크(100) 내에서 형성하는 경우, 직교 시간 할당들을 제공하도록 리소스들이 공유된다(즉, 각 클러스터는 단지 하나의 클러스터가 한번에 주파수들의 풀-대역을 이용하고 있도록 상이한 시간 할당을 가지고 있다). 각 클러스터(200-n) 내에서, 연관된 노드들은 클러스터 헤드(205-n)로부터 리소스들을 요구한다. 예를 들면, 클러스터(200-2) 내에서, 연관된 노드들은 클러스터 헤드(205-2)로부터 리소스들을 요구한다. 리소스들은 주파수 및 시간 양쪽으로 할당된다. 클러스터 헤드들(205-n) 중 하나는 고정된 네트워크로의 액세스를 위한 지능형 액세스 포인트와 같은 게이트웨이(210)일 수 있다.
시스템의 스케일리빌리티를 최대화시키기 위해, 각 클러스터의 트래픽 요건들에 기초하여 인접하는 클러스터들 사이에서 시간이 직교 할당된다. 환언하면, 인접하는 클러스터들의 그룹 중에서 단지 하나의 클러스터만이 한 번에 주파수들의 풀 대역을 이용한다. 리소스들이 재이용되기 이전에 복수의 인접하는 클러스터들이 직교 시간 할당들로 가능하다. 예를 들면, 도 2에 예시된 바와 같이, 직교 시간 할당들을 가지는 7개까지의 인접하는 클러스터들이 있을 수 있다. 모든 클러스터들이 유사한 트래픽 부하 요구들을 가지고 있다고 가정하면, 7개의 인접하는 클러스터들의 각각은 하나의 실시예에서 통신들을 위해 가용한 시간의 1/7을 수신할 것이다. 7개의 기간들의 각각은 하나의 프레임을 나타내고, 7개의 프레임들이 각 슈퍼프레임에 할당된다. 임의의 단일 프레임 동안에, 전체 스펙트럼 할당은 그 프레임이 현재 프레임인 클러스터에 가용하다. 각 프레임의 길이는, 클러스터 내에서 노드에 할당된 리소스들은 각 프레임이 20밀리초(msec)를 지속하는 상태에서 패킷들이 초당 50개의 프레임들의 프레임 레이트로 전달될 수 있도록 크기 조정된다. 그러므로, 슈퍼프레임은 이하의 등식에 따라 개당 크기 조정된다.
2.7 밀리초(msec) 프레임 x 7개의 프레임들 = 20msec 슈퍼프레임.
노드들의 네트워크가 더 적은 개수의 클러스터들(예를 들면, 1 내지 6개의 노드들)로 분할된 경우, 각 클러스터에 할당되는 프레임들의 개수 및 크기는 트래픽 요구들 및 네트워크 특성들에 기초하여 인접하는 클러스터들 사이에서 협상된다. 예를 들면, 5개의 인접하는 클러스터들이 있는 경우, 하나의 클러스터는 3개의 프레임들이 할당되는데 대해, 나머지 4개의 인접하는 클러스터들은 각각에 할당된 단지 하나의 프레임을 가지고 있다. 그러므로, 하나의 클러스터는, 인접하는 클러스터들이 없는 경우에 모두 7개의 프레임들이 할당될 수 있을 것이다. 다르게는, 각 클러스터에 대한 프레임의 크기는, 프레임당 시간슬롯들의 개수가 가변될 수 있도록 협상될 수 있다. 직교 시간 프레임 할당들로 클러스터들을 형성하는 주된 동기는 공간 재이용을 개선하는 것이다. 클러스터 헤드들의 계획된 배치는 전형적인 7개의 셀 재이용 패턴을 따르는데, 여기에서 동일한 시간 할당으로 동작하는 2개의 클러스터들이 지리적으로 분리되어 2개의 클러스터들과 연관된 노드들에 의한 주파수들의 동시 이용에 의해 야기되는 자기-간섭을 최소화시킬 수 있을 것이다.
각 클러스터에 할당되지 않은 나머지 시간 동안에, 클러스터와 연관된 노드들은 통상 배터리 수명을 보존하도록 슬리프(sleep)한다. 이들 무활동(quiescent) 기간들은 또한 노드들이 인지 환경 감지와 같은 다른 태스크들을 수행하는데 가용하다는 것은 자명하다. 프레임 구조에서 이러한 시간의 빌트-인 제공은 인지 엔진에 의한 스펙트럼 감지에 이용되어 가용한 스펙트럼을 식별하고 이것에 적응할 수 있다. 이것은 스펙트럼의 기회주의적 이용(opportunistic use)이 채용되는 언라이센싱된(unlicensed) 대역 및 라이센싱된 대역에서 효율적인 공존을 가능하게 한다. 인지 엔진은 또한, 토폴로지/노드 분포 변경들, 자기 간섭을 완화시키는데 요구되는 공간 재이용 조정들, 및 외부 간섭의 변경들과 같은 다른 네트워크 특성들을 모니터링할 수도 있다. 네트워크 특성들의 변경들은 프레임 구조 또는 클러스터당 리소스 할당들을 적응시킬 필요성을 트리거링할 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 통신 네트워크(100)의 하이브리드 아키텍쳐가 주어지는 경우, 본 발명은 가장 큰 유연성 및 성능으로 아키텍쳐 타입들 사이에서 원활한 변이를 가능하게 하는 시스템 및 방법을 제공한다. 구체적으로, 분산형 아키텍쳐를 클러스터형 또는 하이브리드 아키텍쳐로 모핑(morphing)하기 위해 고유 절차와 결합되는 고유 논리적 채널 구조가 여기에 제공된다. 논리적 채널 구조는 동기화, 페이징 및 시스템 정보를 운반하는데 이용되는 서브채널들을 가지는 동기화 채널, 리소스들을 요구 및/또는 협상하도록 클러스터 모드 및 분산형 모드 노드들에 의해 이용되는 서브채널들을 가지는 액세스 채널, 클러스터 모드 노드들에 대한 클러스터 헤드의 리소스 할당을 정의하는 리소스 관리 채널, 및 코디네이팅된 기간(CP; Coordinated Period) 및 언코디네이팅된 기간(UP; Uncoordinated Period)로 분할되는 서브 채널들을 가지는 트래픽 채널의 고유한 조합 및 이용을 포함한다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 통신 네트워크(100)의 동작을 예시하는 플로우차트이다. 특히, 도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 이러한 논리적 채널 구조를 이용하여 분산형 아키텍쳐로부터 클러스터형 또는 하이브리드 아키텍쳐로 변이하는 방법(300)을 예시하는 플로우차트이다. 예시된 바와 같이, 방법(300)은 제1 노드가 자신을 분산형 모드 노드로서 확립하는 단계 305로 시작한다. 다음으로, 단계 310에서, 제1 노드는 동기화 채널을 브로드캐스팅하여 UP의 시작을 알린다. 다음으로, 단계 315에서, 적어도 제2 노드가 UP 내에서 트래픽 채널 리소스들에 대해 제1 노드와 액세스 채널 상에서 협상하여 통신 세션을 확립한다. 다음으로, 단계 320에서, 제1 노드 및 적어도 제2 노드는 액세스 채널 상에서의 성능 제한 경쟁 또는 트래픽 채널 UP에서의 성능 제한 혼잡에 대해 모니터링한다. 성능 제한 경쟁 또는 혼잡을 모니터링하는 단계는 또한, 통신 세션의 성능을 제한하는 임의의 메트릭 또는 메트릭들의 조합(예를 들면, 성능 제한 간섭)으로 확장될 수 있다. 다음으로, 단계 325에서, 하나의 노드가 클러스터 헤드 노드가 되도록 노미네이팅된다. 노미네이팅된 노드는 예를 들면 하나의 실시예에서 성능 제한된 노드이다. 다음으로, 단계 330에서, 클러스터 헤드 노드는 동기화 채널 상에서 브로드캐스팅하여 클러스터의 형성, 클러스터 헤드 노드의 아이덴티티, 클러스터 헤드의 수명 및 트래픽 채널의 CP 및 UP로의 분할을 알린다. 다음으로, 단계 335에서, 적어도 제2 노드는 클러스터 헤드와 연관되어, 자신을 클러스터 모드 노드로서 확립한다. 다음으로, 단계 340에서, 적어도 제2 노드는 액세스 채널 상에서 UP 내의 트래픽 채널 리소스들에 대해 제1 노드와 협상하는 분산형 모드 노드로서 확립된다. 다음으로, 단계 345에서, 적어도 제2 노드는 CP 내에서 트래픽 채널 리소스들에 대한 클러스터 헤드 노드로부터 리소스들을 요구하는 클러스터 모드 노드로서 확립된다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예들의 동작에 이용하기 위한 2개의 연속적인 제어 프레임들을 포함하는 프레임 구조(400)의 예를 예시하고 있다. 하나의 실시예에서, 예를 들면, 제어 프레임 구조는 통신 시스템(100)이 분산형, 클러스터 또는 하이브리드 아키텍쳐로서 구성되어 있는지 여부에 관계없이 동일하다. 양호하게는, 시스템 설계에서 2개의 트랜시버들이 있다. 하나의 트랜시버는 제어에, 하나는 데이터 트래픽에 이용된다. 제어 채널 및 데이터 트래픽 채널은 상이한 주파수 대역들에서 동작한다. 시스템은, 제어 및 데이터 채널들이 동시에 동작한다는 의미에서 풀 듀플렉스 TDD(시분할 듀플렉스)를 동작한다. 제어 채널은 예를 들면 5.7 기가헤르쯔(GHz) 언라이센싱된 대역에서 동작하지만, 데이터 트래픽 채널은 예를 들면 2.4 GHz 언라이센싱된 대역에서 동작한다. 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 라이센싱된 대역들의 가능성을 포함하는 다른 스펙트럼 할당들이 가능하고 양쪽 채널들 모두가 동일한 대역에 할당될 수 있다는 것을 잘 알고 있을 것이다. 제어 채널과 연관된 수 개의 논리적 채널들이 있다. 제어 채널은 트래픽 채널과 동기화된다. 2개의 채널들의 시작점들은 네트워크 동기화를 지원하기 위해 시간상으로 스태거링(stagger)된다. 데이터 트래픽 채널의 프레임 구조는 7개의 2.7msec 프레임들을 구비하는 20msec 슈퍼프레임을 포함한다. 각 프레임은 47개의 시간슬롯들을 가지고 있고, 그럼으로써 리소스 관리 채널(RMC)에 대해 가변가능한 다수의 슬롯들이 예비된다. 하나의 프레임의 나머지 슬롯들(데이터 슬롯들)은 코디네이팅된 기간(CP, 405) 및 언코디네이팅된 기간(UP, 410)으로 분할된다. 2개의 연속적인 데이터 트래픽 프레임들은, 시스템이 분산형 아키텍쳐(415)로서 구성되는 경우에 이용하도록 예시되어 있고, 2개의 연속적인 데이터 트래픽 프레임들은 클러스터 아키텍쳐 또는 하이브리드 아키텍쳐(425)로서 구성되는 경우에 이용하도록 예시되어 있다. 시스템이 분산형 아키텍쳐(415)로서 구성되는 경우, 모든 데이터 슬롯들은 UP에 대응한다. 그러므로, CP 및 RMC의 크기는 제로로 설정된다. 시스템이 클러스터형 또는 하이브리드 아키텍쳐(425)로서 구성되는 경우, 노드들은, 리소스들의 분산된 제어 하에 유지되거나 리소스들의 중앙집중화된 제어를 제공할 클러스터 헤드와 연관시키는 선택을 가지고 있다. 그러므로, 클러스터 또는 하이브리드 아키텍쳐에서, 데이터 슬롯들은 노드들의 트래픽 요구들의 분포, 및 이들이 동작하는 아키텍쳐 모드에 기초하여 CP(410) 및 UP(405) 사이에서 분할된다. 클러스터 동작 모드에 의해 제공되는 더 제어된 방식으로 리소스들이 할당되기를 원하는 노드들의 트래픽 요구들이, 리소스들을 분산된 방식으로 할당하는 책임을 유지하기를 원하는 노드들의 트래픽 요구들보다 큰 경우에, 더 많은 데이터 슬롯들이 CP에 할당되고, 그리고나서 UP에 할당된다. 그러나, 클러스터 헤드는 분산된 방식으로 리소스들을 할당하는 책임을 유지하기를 원하는 노드들에 대해 적어도 하나의 데이터 슬롯을 예비하는 것이 바람직하다. 하나의 실시예에서, 분산형 모드에서 동작하는 노드들과 클러스터형 모드에서 동작하는 노드들의 동시 지원은, 풀-대역 TDMA가 프레임 구조(400)의 측면에서 OFDMA-TDMA의 축퇴(degenerate) 경우이기 때문에 가능하고, 따라서 트래픽 요구들에 유연하게 적응할 수 있게 한다.
다시 도 4를 참조하면, 제어 채널은 캐리어 센스 다중 액세스(CSMA) 프로토콜을 이용하는 경쟁 기반으로 되어 있고, 수 개의 논리적 채널들을 포함한다. 하나의 실시예는 동기화 채널 및 액세스 채널을 포함하고, 그러나 추가적인 논리적 제어 채널들 또는 서브채널들이 본 발명에 따라 가능하다는 것은 자명하다. 제어 채널은 데이터 트래픽 채널의 프레임 타이밍과 정렬하고 동기화 채널로 시작하는 반복 포맷을 가지고 있다. 동기화 채널은 클러스터 동기화 채널(CSC, 430) 및 분산형 동기화 채널(DSC, 435)로 구성된다. CSC(430)는 다른 파라미터들 중에서 클러스터 ID, 코디네이팅된 기간(CP) 크기, 언코디네이팅된 기간(UP) 슬롯 로케이션, UP 크기, 장래 CP 크기, 장래 UP 슬롯 로케이션, 장래 UP 크기, 장래 UP 유효 시간, 장래 프레임 크기, 장래 프레임 유효 시간, 동기화 비컨, 및 페이징 채널을 포함한다. 장래 UP 유효 시간은, UP 슬롯 로케이션의 변경이 분산형 모드 및 클러스터 모드 노드들의 트래픽 요구들에 있어서의 변경들에 대한 조정으로서 효과를 발휘하는 슈퍼프레임을 표현한다. CP 크기 및 UP 크기는 이들 기간들 각각에 할당된 슬롯들의 개수를 나타낸다. 장래 CP 크기 및 장래 UP 크기는 장래 프레임 유효 시간에 시작하는 CP 및 UP 기간들 각각에 할당된 슬롯들의 개수를 나타낸다. 장래 프레임 크기 및 유효 시간은, 토폴로지/노드 분포, 자기 간섭을 완화시키는 공간 재이용 요건들, 및 외부 간섭과 같은 네트워크 특성들에 있어서의 트래픽 요구들 및 변경들에 기초하여 클러스터에 할당된 슬롯들의 개수의 적응을 가능하게 한다. 동기화 비컨은 다른 파라미터들 중에서도, 시간 스탬프 및 동기화 계층(tier) 번호를 포함한다. CSC(430)는 매 프레임마다 클러스터 헤드에 의해서만 브로드캐스팅되고, 따라서 상기 동기화 계층 번호는 제로로 설정될 것이다. 계층 #0은 동기화 기준 노드를 식별하고, 동기화 기준 노드는 UP 로케이션을 변경시킬 수 있는 유일한 노드이다.
DSC(435)는 더 높은 계층의 CSC(430) 또는 DSC(435)에 의해 송신되는 대부분의 정보를 포함한다. 클러스터 헤드를 제외한 모든 노드들은 IEEE 802.11 시스템들에서 비컨들이 송신되는 것과 동일한 방식으로 DSC(435)를 브로드캐스팅하는 책임을 공유할 것이다. DSC(435)가 브로드캐스팅될 때마다, 송신 노드는 CSC(430) 또는 DSC(435)를 브로드캐스팅하는 또 하나의 노드로부터 수신된 최저 계층 번호에 1을 부가할 것이다. 클러스터 헤드가 없는 경우, 계층 번호는 제로로 설정되어 동기화를 위한 기준 노드를 나타낼 수 있다. 계층 #0은 동기화 기준 노드를 식별한다. 하나의 실시예에 표현된 동기화 프로토콜은 예를 들면, 발명의 명칭이 "Method and apparatus for synchronizing a node within an AD-HOC communication system"이고 2007년 4월 19일에 발간되었으며, 본 발명의 출원인에게 양도된 Calcev 등에 의한 미국특허 출원 공개 번호 20070086424 A1에 설명되어 있고, 그 전체 내용들이 참고로 여기에 첨부되었다.
하나의 실시예에서, 액세스 채널은 언코디네이팅된 액세스 채널(UAC, 440), 코디네이팅된 액세스 채널(CAC, 445), 및 라우팅 채널(RC, 450)로 구성된다. UAC(440)는 CSMA 채널이고 분산형 모드 노드들에 의한 리소스 요구들 및 협상들에 이용된다. 새로운 리소스들에 대한 협상들은 이러한 채널 상에서 허용된다(예를 들면, RTS(request to send), CTS(clear to send) 혹은 CFT(clear for transmission)). 이러한 채널의 길이는 가용한 데이터 트래픽 채널 대역폭에 기초하여 미리 결정된다. CAC(445)는 CSMA 채널이고 다음 프레임에 대한 리소스(예를 들면, RTS)를 요구하는 클러스터 모드 노드들에 이용된다. 이러한 채널의 길이는 가용한 데이터 트래픽 채널 대역폭에 기초하여 미리 결정된다. RC(450)는 CSMA 채널이다. 존재하는 경우, 이는 노드들이 라우팅 관련된 메시지들을 브로드캐스팅하거나 교환하는 논리적 채널을 제공한다.
다른 실시예에서, 액세스 채널은 단일 논리적 제어 채널이다. 액세스 채널은 예를 들면, CSMA 채널이고 양쪽 분산형 및 클러스터 모드 노드들 모두에 의한 리소스 요구들 및 협상들에 이용된다.
도 4는 각 트래픽 채널 프레임에서 언코디네이팅된 기간(410)을 예시하고 있다. 이러한 기간은 분산된 코디네이션으로 리소스를 할당하기 원하는 임의의 노드(즉, 분산형 모드 노드)에 대해 가용한 슬롯들을 나타낸다. 분산형 모드 노드들은 제어 채널의 UAC(440) 상에서 경쟁하여 언코디네이팅된 기간으로부터 시간슬롯의 배타적 이용을 협상한다. 도 4는 하이브리드 아키텍쳐(425)에 대한 2개의 연속적인 트래픽 채널 프레임들 각각에서 코디네이팅된 기간(405)을 예시하고 있다. 이러한 기간은 클러스터 헤드에 의한 클러스터 멤버들로의 할당에 가용한 주파수 및 시간의 블록들을 나타낸다. 클러스터 모드 노드들은 다음 트래픽 프레임의 리소스들에 대해 제어 채널의 CAC(445) 상에서 경쟁하고, 여기에서 각 트래픽 프레임의 시작 시에 그 요구들이 리소스 관리 채널(455) 슬롯들 상에서 허여된다.
다른 실시예에서, 통신 시스템(100)은 단일 주파수 대역 내에서 동작하도로 구성된다. 본 실시예에서, 단일 트랜시버는 논리적 제어 채널들 및 데이터 트래픽 채널 양쪽 모두를 관리한다. 단일 주파수 대역 동작을 위한 프레임 구조는 양호한 실시예에서 제공되는 동일한 기능을 가지는 동일한 논리적 채널들을 포함한다. 도 5 및 6은 단일 주파수 대역 동작을 위한 프레임 구조들의 2개의 예를 예시하고 있다.
도 5는 제어 및 데이터 트래픽 채널들이 동시에 동작하는 프레임 구조(500)를 예시하고 있다. 본 구성에서, UP(505)는 DSC(510) 및 CSC(515)의 크기인 최소 크기를 가지고 있다. 액세스 채널들(AC, 520-1 및 520-2)은 이전에 설명된 CAC 및 UAC 기능을 조합한다. AC(520)는 UP(505)의 최대 크기에 따라 그 크기가 독립적으로 가변될 수 있다. 제2 AC(520-2)는 제로 길이 크기를 가질 수 있다. FDMA 할당(525)은 프레임의 이러한 부분 동안에 제어 채널로부터 언코디네이팅된 기간(UP, 505)을 분리시킨다. 또한, 이러한 시간은 UP(505) 트래픽이 얼마나 많이 존재하는지에 따라 가변될 수 있다. UP(505)는 수신기의 자기 간섭 및 감도억압(desensitization)을 방지할만큼 제어 채널로부터 충분히 멀리 이격되어야 한다. 제어 채널이 데이터 채널과 동일한 스펙트럼에서 동작하는 상태에서, 제어 채널 메시지를 수신하려고 노력하고 있는 노드는, 인접한 노드가 스펙트럼의 제어 채널 부분에 인접한 데이터 서브채널 상에서 송신하고 있는 경우에, 그렇게 할 수 없을 것이다. 그러므로, 리소스들이 코디네이팅된 기간(CP, 535) 또는 UP(505)로부터 할당되는 경우에, 스케줄러는 송신 리소스들을 할당하는 경우에 주의해야 한다. 그 때문에, 리소스 관리 채널 RMC(530)는 모든 노드들이 RMC 컨텐트를 수신할 수 있도록 전체 스펙트럼을 차지한다.
도 6은 각 프레임이 CSC(620), DSC(625), 라우팅 채널(RC, 630), 액세스 채널(635) 및 RMC(640)을 포함하는 논리적 제어 채널들과, 데이터 트래픽 채널의 제2 코디네이팅된 기간(CP, 605-2) 부분 사이에서 시간 상 분할되는 프레임 구조(600)를 예시하고 있다. FDMA 할당은 프레임의 이러한 부분 동안에 논리적 제어 채널들 RC(630) 및 AC(635)로부터 UP(610) 및 제1 CP(605-1)를 분리시킨다. UP(610)는 수신기의 자기 간섭 및 감도억압(desensitization)을 방지할만큼 제어 채널로부터 충분히 멀리 떨어져야 한다. 이러한 분리(615)는 스펙트럼의 제어 채널 부분에 인접한 데이터 서브채널 상에서 송신하고 있는 인접한 노드로부터 제어 채널 메시지를 수신하려고 노력하는 노드에 의해 야기되는 근거리/원거리 문제들을 제거하도록, CP(605) 및 UP(610) 리소스들의 지능형 스케줄링 및 이용에 의해 감소된다. 그 때문에, CSC(620) 및 DSC(625)는 모든 노드들이 CP(605) 및 UP(610) 컨텐트를 수신할 수 있도록 CP(605) 또는 UP(610)와 스펙트럼을 공유하지 못한다. 또 하나의 실시예(도시되지 않음)에서, 제어 및 데이터 채널들은 시간 상으로 동일한 주파수 대역을 공유하고, 제어 채널은 프레임의 일부 시간슬롯들을 이용하며 데이터 채널은 나머지 시간 슬롯들을 이용한다. 이것은 제어 채널 및 데이터 트래픽 채널이 그 동작을 교대한다는 의미에서 하프 듀플렉스 실시예일 것이다.
다른 실시예(도시되지 않음)에서, 시스템은 둘 이상의 제어 채널로 구성되고, 각 클러스터 헤드는 슈퍼프레임의 지속기간 동안 그 자신의 제어 채널을 차지한다. 시스템은 사실상 각 인접하는 클러스터 헤드에 의해 이용되는 7개까지의 제어 채널들을 가지도록 구성될 수 있고, 각 클러스터 헤드는 그 제어 채널을 연속적으로 차지할 것이다. 클러스터 헤드들은 제어 채널들의 개수, 및 각 클러스터 헤드가 액티브한 채널 및 시간들을 결정하기 위해 서로와 통신할 수 있다. 시간 상으로 공유된 단일 제어 채널이 제어 채널 시그널링을 로딩할 수 없는 경우에, 이러한 유연성은 시스템이 더 많은 제어 정보를 제공할 수 있게 한다.
도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 통신 네트워크(100)의 동작(300)의 추가 세부사항을 예시하는 플로우차트이다. 특히, 도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 분산형 아키텍쳐를 클러스터형 또는 하이브리드 아키텍쳐로 모핑하기 위한 방법(700)을 예시하는 플로우차트이다. 클러스터를 유지하고, 노드들이 클러스터의 서비스들을 더 이상 원하지 않는 경우에 이를 분리하는 추가적인 절차들이 또한 이하에 정의된다.
도 7에 예시된 바와 같이, 방법은 네트워크의 제1 노드가 전력 온되는 단계 705로 시작된다. 다음으로, 단계 710에서, 처음으로, 각 노드는 이들이 전력 온되는 경우에 분산형 동작 모드내에서의 동작으로 디폴팅된다. 그러므로, 제1 노드가 전력 업되는 경우, 시스템은 본래 분산형 아키텍쳐이고 프레임 구조 내에서의 가용한 데이터 슬롯들은 언코디네이팅된 기간(UP)에 할당될 것이다. 다음으로, 단계 715에서, 제1 노드가 초기화하고 있는 경우에, 다른 노드들이 애드혹 네트워크를 형성하는 정보를 포함하는 제어 채널의 송신을 시작한다. 예를 들면, 제어 채널은 동기화 정보, 네트워크 식별(ID), 네트워크 타입(예를 들면, 분산형 또는 클러스터형 아키텍쳐), 예비된 제어 채널 슬롯들의 개수, 채널화 정보(예를 들면, 코디네이팅된 기간(CP)의 크기, 및 클러스터가 존재하는 경우에 직교 리소스 할당), 간섭 측정 정보 등을 포함한다. 제어 채널은 수 개의 논리적 채널들로 구성되고, 이들 중 하나는 액세스 채널(UAC 또는 CAC)이다. 액세스 채널은 노드들이 리소스들을 협상하는 것을 가능하게 한다. 하나의 실시예에서, 제1 노드는 와이드 영역 네트워크와 상호접속을 가능하게 하는 게이트웨이 노드이다. 그러한 게이트웨이는 고정되거나 이동형일 수 있다.
추가적인 노드들이 전력 온 됨에 따라, 이들은 분산형 동작 모드 내에서의 동작으로 디폴팅될 것이다. 각 새로운 노드는 현재의 제어 채널을 스캐닝하고, 분산형 동작 모드에서 동작하고 있는 현재의 노드들로 동기화한다. 일단 2개 이상의 노드들이 네트워크에 참여했다면, 통신 세션의 확립이 가능하다.
다음으로, 단계 720에서, 분산형 모드 노드가 새로운 통신 세션을 확립하기 원하는지 여부가 결정된다. 분산형 모드 노드가 단계 720에서 새로운 통신 세션을 확립하기 원하는 경우, 동작은 단계 725로 계속되고, 여기에서 라우팅 절차들이 활용되어, 루트를 찾고 루트를 따라 통신 세션을 확립하는데 요구될 모든 노드들을 식별한다.
다음으로, 단계 730에서, 통신 세션의 확립은 각 노드가 다른 근처 노드들과 통신 리소스들에 대해 협상하는 것을 요구한다. 이러한 협상은 액세스 채널(UAC) 상에서 시작되고, 제어 채널 상에서 수 개의 심볼 기간들에 걸쳐 계속될 수 있다. 이들 통신 리소스들은 예를 들면 전체 가용한 대역폭의 할당들을 가지는 UP로부터의 시간슬롯들이다. 다른 실시예에서, 리소스들은 주파수 및 시간 양쪽 모두에서의 할당들을 나타내는 리소스 블록들일 수 있다(예를 들면, 복수의 시간슬롯들에 걸친 부분적인 대역폭). 하나의 실시예에서, 협상들은 단일 시간슬롯을 위한 것일 수 있거나, 다르게는 협상들은 소정 기간에 걸친 일련의 시간슬롯 할당들을 위한 것일 수 있다. 일단 협상들이 완료되면, 통신은 라우팅 절차에 의해 선택된 노드들 각각으로 시작될 수 있다. 그러므로, 예시된 바와 같이, 방법은 단계 735로 계속되어, 여기에서 루트의 다음 호프가 UP 리소스를 가지고 있는지 여부가 결정된다. 다음 호프가 UP 리소스를 가지고 있지 않은 경우, 동작은 단계 730으로 다시 순환한다. 다음 호프가 UP 리소스를 가지고 있는 경우, 동작은 단계 740으로 진행하여, 여기에서 UP 통신 리소스를 통한 세션 데이터의 교환이 가능하다.
다음으로, 단계 745에서, 네트워크 혼잡이 네트워크 성능을 제한하고 있는지 여부가 결정된다. 단계 745에서 네트워크 혼잡이 네트워크 성능을 제한하고 있지 않은 경우, 동작은 단계 715로 다시 순환하여, 네트워크를 참여시키고 세션들을 확립시키는 이전에 설명된 프로세스가 계속될 수 있다. 단계 745에서 노드들이 성능 제한 경쟁을 경험하기 시작하는 경우, 동작은 단계 750으로 계속하여, 네트워크가 클러스터 헤드를 가지고 있는지 여부가 결정된다. 클러스터 헤드가 존재하는 경우, 동작은 단계 755로 계속되어, 클러스터 헤드는 트래픽 요구들의 크기를 측정하고 트래픽 요구들을 충족하도록 CP 및 UP를 스케일링한다. 그리고나서, 동작은 단계 715로 다시 순환한다.
단계 750에서 클러스터 헤드가 존재하지 않는 경우, 동작은 단계 760으로 계속되어, 노드들 중 하나가 자신을 노미네이팅하여(또는 다른 것들에 의해 노미네이팅되어) 클러스터 헤드가 된다. 클러스터 헤드는 데이터 트래픽 채널 프레임으로부터의 일부 시간슬롯들이 코디네이팅된 기간(CP)에서 클러스터 헤드에 의해 관리될 것이라는 메시지를 제어 채널 상에 브로드캐스팅하고, 그럼으로써 언코디네이팅된 기간(UP) 데이터 트래픽 채널 시간슬롯들의 개수를 감소시킨다. 모든 노드들은 이러한 새로운 데이터 시간슬롯들의 분할을 관측해야 한다. 다음으로, 단계 765에서, 노드 네트워크 타입이 클러스터 모드로 변경되고, 노드들은 클러스터 헤드와 연관되어 리소스 할당들을 요구하거나, 다른 노드들과의 협상들을 통해 리소스들에 대해 계속해서 경쟁해야만 한다. 클러스터 헤드와 연관되는 노드들은 클러스터 헤드로부터 새로운 리소스를 요구할 것이고, 새로운 리소스 할당을 수용하도록 다중 액세스 방법을 TDMA로부터 OFDMA-TDMA로 변경할 것이다. 모든 요구들 및 협상들은 액세스 채널(CAC 또는 UAC) 상에서 발생한다. 그리고나서, 동작은 단계 715로 다시 순환한다.
단계 720으로 리턴하여, 분산형 모드 노드가 새로운 통신 세션을 시작하기를 원하지 않는 경우, 동작은 단계 770으로 계속되어, 클러스터형 모드 노드가 새로운 통신 세션을 확립하기 원하는지 여부가 결정된다.
단계 770에서, 클러스터 모드 노드가 새로운 통신 세션을 확립하기 원하는 경우, 동작은 단계 775로 계속되어, 라우팅 절차들이 활용되어, 루트를 찾고 그 루트를 따라 통신 세션을 확립하는데 요구되는 모든 노드들을 식별한다.
다음으로, 단계 780에서, 클러스터 헤드로부터 CP 통신 리소스들이 얻어진다. 클러스터 연관된 노드들이 클러스터 헤드로부터 리소스들을 요구하는 경우, 클러스터 헤드의 스케줄링 및 리소스 매니저는 주파수 및 시간 차원들에서 CP를 추가분할하여 요구하는 노드의 대역폭 요건들을 수용한다. 그러므로, 복수의 세션들이 CP 시간슬롯들을 공유한다. 한편, 분산형 모드 노드들이 UP에서 시간슬롯의 이용을 협상하는 경우, 단지 하나의 세션만이 단일 프레임 동안에 UP 시간슬롯을 차지할 것이다.
다음으로, 단계 785에서, 루트의 다음 호프가 CP 리소스를 가지고 있는지 여부가 결정된다. 다음 호프가 CP 리소스를 가지고 있지 않은 경우, 동작은 단계 780으로 다시 순환한다. 다음 호프가 CP 리소스를 가지고 있는 경우, 동작은 단계 790으로 계속되어, CP 통신 리소스들을 통한 세션 데이터의 교환이 가능해진다.
단계 770으로 돌아가면, 어떠한 클러스터형 모드 노드도 새로운 통신 세션을 확립하기를 원하지 않는 경우, 동작은 단계 795로 계속되어, 액티브 통신 세션이 있는지 여부가 결정된다. 단계 795에서 어떠한 액티브 통신 세션도 없는 경우, 동작은 이전에 여기에 설명된 바와 같이 단계 715로 다시 순환한다. 단계 795에서 액티브 통신 세션이 있는 경우, 동작은 단계 798로 계속되어, 노드 네트워크 타입이 클러스터 모드인지 여부가 결정된다. 노드 네트워크 타입이 클러스터 모드가 아닌 경우, 동작은 이전에 여기에 설명된 바와 같이 단계 715로 다시 순환한다.
단계 798에서 노드 네트워크 타입이 클러스터 모드인 경우, 및 단계 790에서 세션 데이터의 교환이 가능해진 후, 및 단계 750에서 네트워크가 클러스터 헤드를 가지고 있는 경우, 동작은 단계 755로 진행하여, 클러스터 헤드가 트래픽 요구들의 크기를 측정하고 트래픽 요구들을 충족시키도록 CP 및 UP를 스케일링한다. 클러스터 헤드는 모든 제어 채널 활동을 모니터링하는데 책임을 가지고 있다. 분산형 모드 리소스 협상들 및 클러스터 모드 리소스 요구들은 모두 리소스 매니저에 의해 핸들링된다. 리소스 할당들을 클러스터 헤드와 연관시키고 이들을(이들 요구들의 크기와 함께) 요구하는 노드들의 개수가 다른 분산형 모드 노드들과 리소스들에 대해(이들 요구들의 크기와 함께) 협상하는 분산형 모드 노드들의 개수와 비교하여 변경됨에 따라, 클러스터 헤드는 클러스터에서 노드들의 트래픽 요구들을 충족시키도록 CP 및 UP의 크기(개수)를 다이나믹하게 조정할 것이다. 이들 다이나믹 변경들은 클러스터 헤드에 의해 제어 채널 상에서 광고된다. 그리고나서, 동작은 이전에 여기에 설명된 바와 같이 단계 715로 다시 순환한다.
네트워크로의 신규(newcomer) 노드들은 단계 710에 대해 이전에 여기에 설명된 바와 같이 처음에는 분산형 모드 노드로서 동작할 것이다. 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 신규 노드들은 처음에 하나 이상의 현재의 노드들에 의해 송신되고 있는 제어 채널의 존재를 스캐닝할 것이라는 것을 잘 알고 있을 것이다. 제어 채널 정보가 클러스터의 존재를 나타내는 네트워크 타입을 포함하는 경우, 신규 노드는 클러스터와 연관시키고 클러스터 모드에서 동작하거나 분산형 모드에 남아있는 옵션을 가지고 있다. 신규 노드가 분산형 모드에서 유지되고 통신 세션을 확립하기 원하는 경우, 다른 분산형 및 클러스터형 모드 노드들과 함께 제어 채널 언코디네이팅된 액세스 채널(UAC) 상에서 경쟁할 수 있다. 신규 노드가 UAC 동안에 제어 채널을 성공적으로 액세스하는 경우, 다른 분산형 및 클러스터형 모드 노드들과 UP내에서 시간슬롯에 대해 협상한다. 다르게는, 신규 노드가 클러스터 헤드와 연관되는 경우, 제어 채널 코디네이팅된 액세스 채널(CAC) 또는 UAC에 대한 리소스 요구를 수행할 수 있다. 리소스 요구가 CAC 상에 있는 경우, 클러스터 헤드는 신규 세션의 대역폭 요건들에 대해 적절하게 크기 조정된 CP로부터 할당을 부여할 것이다. 다르게는, 리소스 요구가 UAC 상에 있는 경우, 신규 클러스터 모드 노드는 다른 분산형 및 클러스터형 모드 노드들과 UP에서의 시간 슬롯에 대해 협상한다.
다른 실시예(도시되지 않음)에서, 분산형 아키텍쳐(105) 또는 클러스터형 아키텍쳐(110)는 액세스 방법으로서 FDMA-TDMA를 이용한다. 통신 시스템(100)은 가용한 대역폭을 더 작은 채널들(예를 들면, 5 메가헤르쯔(MHz) 채널들)로 분할할 것이고, 트래픽 요건 부하가 낮은 경우에 채널을 할당할 것이며, 접속들의 개수가 FDMA 할당들과 유지가능하지 않을 레벨 이상으로 증가하는 경우에만, 시스템은 FDMA 채널들을 수집하는 것을 시작하고 OFDMA-TDMA를 이용하여 시간 및 주파수로 리소스들을 할당할 것이다. 그러한 수집은 노드들의 선호도들을 고려할 수 있고, 이는 노드들의 그룹이 원하는 경우에 더 작은 FDMA 대역폭들에서 동작하도록 유지하는 것을 허용한다. 추가적으로, 더 작은 FDMA 채널들에서 유지될 수 없는 높은 대역폭 접속이 시작하는 경우에, FDMA 채널들이 수집될 것이고, OFDMA 동작이 시작할 것이다. 또 하나의 실시예(도시되지 않음)에서, 프레임은 FDMA 및 OFDMA 할당들의 믹스로 분할될 수 있다. 예를 들면, RMC 이후에 제1 10개의 슬롯들에 대한 리소스들은 OFDMA가 할당될 수 있고, 중간 22개의 슬롯들에 대한 리소스들은 FDMA 할당될 수 있으며, 나머지 10개의 슬롯들로부터의 리소스들은 OFDMA가 할당될 수 있다. 어느 실시예에서든, 제어 채널은 이전에 여기에 설명된 바와 같이 데이터 트래픽 채널의 CP 및 UP에서 OFDMA 또는 FDMA 리소스들을 각각 협상하는 노드들에 대한 액세스 채널(CAC 및 UAC)을 계속해서 제공한다.
도 8은 통신 네트워크 내에서 클러스터 헤드의 책임들의 변이에 대한 방법(800)을 예시하는 플로우차트이다. 동작은 클러스터가 형성되는 단계 805로 시작한다. 다음으로, 단계 810에서, 일단 클러스터가 형성되면, 클러스터 헤드의 임무를 맡는 노드가 클러스터의 혼합 레벨에 관계없이 고정된 기간 동안 그 책임을 유지한다. 다음으로, 단계 815에서, 연관된 노드들에 그 기간이 통지된다. 예를 들면, 동기화 채널은 클러스터에 대해 클러스터 헤드의 지배하에 남아 있는 기간을 광고할 수 있다. 다르게는, 클러스터 헤드는 클러스터 내의 모든 노드들로의 명시적 메시지에 의해 남아있는 기간을 감소시킬 수 있고, 이는 동기화 채널의 정보를 조정할 것이다. 다음으로, 단계 820에서, 그 기간이 종료되었는지 여부가 결정된다. 종료되지 않은 경우, 동작은 다시 단계 815로 순환한다. 그 기간 동안에, 클러스터와 이전에 연관되었던 모든 노드는 클러스터의 서비스들을 이용하는 것을 자유롭게 중지하고 UP 동안에 리소스들의 이용을 엄격하게 협상하기 시작하는데 자유롭다. 그러한 노드는 분산형 아키텍쳐로 실질적으로 리턴되었다(이는 여전히 클러스터 헤드에 의해 관리되는 영역의 규칙들을 지켜야 하더라도). 이것은 더 이상 혼잡을 경험하고 있지 않은 경우에 노드의 합리적인 결정이다.
클러스터 헤드가 단계 820에서 막 서브했던 기간이 종료하는 경우, 동작은 단계 825로 계속되어, 노드들이 클러스터 헤드와 연관되어 유지되고 있는지 여부가 결정된다.
노드들이 클러스터 헤드와 연관이 유지되는 경우, 동작은 단계 830으로 계속되어, 클러스터 헤드는 새로운 클러스터 헤드를 노미네이팅하고 스케줄러 및 리소스 매니저의 컨텍스트를 새롭게 노미네이팅된 클러스터 헤드에게 전달할 것이다. 이러한 노미네이션은 리소스들에 대한 가장 지나치게 요구하는 요구들을 수행하는 연관된 노드(리소스들에 대한 요구들을 수행하고 있는 노드들만이 클러스터 헤드가 되기 위한 추천들이라는 것을 함축함), 배터리- 또는 그리드-전력공급되는 노드, 가장 큰 배터리를 가지는 노드(노드의 배터리 레벨이 클러스터 헤드에 주기적으로 전달되어야 한다는 것을 함축함), 가장 큰 1-호프 이웃들을 가지는 노드, 가장 긴 기간 동안에 클러스터 헤드로서 서브되지 않았던 노드, 클러스터의 동기화를 위해 클럭 기준을 현재 제공하고 있는 노드, 랜덤 선택, 등과 같은 하나 이상의 인자들에 기초할 것이다. 다른 해결책들은 그들 혼잡을 주기적으로 광고하는 노드들을 포함하고, 하나가 더 혼잡하게 되고 더 많은 트래픽을 가지는 경우, 클러스터 헤드 위치를 떠맡을 수 있다. 어느 경우든, 이러한 정보는 클러스터 헤드(또는 심지어 이웃하는 노드들에게)에게 반송되어야 한다. 이러한 정보의 일부는 MAC 헤더의 일부일 수 있다. 다르게는, 연관된 노드는 방금 리스트되었던 일부 인자들 중 하나 이상에 기초하여 자신을 노미네이팅할 수 있다. 다음으로, 단계 835에서, 새로운 노미네이션은 효율적인 시간을 가지는 제어 채널을 통해 모든 노드들에게 브로드캐스팅되어, 모든 노드들이 새로운 클러스터 헤드로 동시에 이동하도록 보장할 것이다. 그리고나서, 동작은 앞서 여기에 설명된 바와 같이 단계 810으로 순환한다.
단계 825로 리턴하면, 노드들이 모두 클러스터 헤드의 서비스들을 이용하는 것을 중지한 경우에(즉, 이들이 그 자신의 UP 리소스들을 할당함으로써 분산형 노드들로서 동작하고 있는 경우에), 어떠한 클러스터 헤드도 노미네이팅되지 않을 것이다. 동작은 단계 840으로 계속되어, 아웃고잉 클러스터 헤드는 CP를 제로 길이로 설정하고 동기화 채널은 클러스터의 존재를 더 이상 광고하지 않을 것이다. 아웃고잉 클러스터 헤드는 클러스터가 해체되었고 더 이상 그것에 묶이지 않았다는 통지를 모든 연관된 노드에 브로드캐스팅할 것이다.
일부 클러스터들은 혼잡 레벨에 관계없이 해체되지 않을 것이다. 예를 들면, 일정하게 전력공급되는 게이트웨이 노드들 또는 다른 노드들은 클러스터를 선행적으로 형성하고 혼잡이 없는 경우에도 그 클러스터를 유지할 것이다. 그러한 경우에, 클러스터 헤드 기능의 회전은 중지될 수 있고 일정하게 전력공급되는 노드가 회전이 재개될 때까지 클러스터의 클러스터 헤드로서 유지될 것이며, 이는 또 하나의 노드가 클러스터 헤드 기능을 수행하는데 더 호의적인 조건들을 가지고 있는 경우에 발생할 것이다. 이들 노드들이 배터리 보존 문제를 전혀 가지고 있지 않으므로, 이들은 이웃하는 노드들의 트래픽을 코디네이팅하기 위해 어떠한 페널티도 지불하지 않는다. 상기 언급된 바와 같이, CP는 스케줄링된 리소스들에 요구되는 클러스터의 프레임의 일부만을 활용하도록 스케일링한다. 나머지 시간은 클러스터에 참여할 필요가 없는 노드들로부터의 트래픽을 허용하도록 UP로서 남겨둔다.
핸드오버 알고리즘들에서와 같이, 2개의 동작 모드들 사이에서 핑-퐁 효과가 없도록 보장하기 위해, 히스테리시스 메커니즘이 포함된다.
상기 절차적 요건들뿐만 아니라, 클러스터 헤드에는 우선권 메트릭이 할당된다. 노드가 복수의 클러스터 헤드를 청취할 수 있는 경우, 최고의 우선권을 가지고 있는 클러스터에 참여해야 한다. 이와 같이, 고정된 노드들(예를 들면, 게이트웨이들, 시드(seed)들, 등)은 가장 큰 리소스들(전력, DSP 속도, 등)을 가지므로 최고 우선권을 가질 것이다. 클러스터 헤드의 우선권은 배터리 전력, 처리 능력, 모빌리티, 등과 같은 다른 메트릭들의 조합일 수 있고, 노드들이 참여할 최상의 클러스터를 찾는데 도움을 준다. 우선권 메트릭은 각 프레임의 시작 시에 제어 채널 상에서 클러스터 헤드에 의해 송신될 것이다.
본 발명은 고유한 절차와 결합된 고유한 논리적 채널 구조를 제공하여, 분산형 아키텍쳐가 분산형 모드 노드들 및 클러스터 모드 노드들 양쪽 모두를 지원하는 하이브리드 아키텍쳐로 모핑할 수 있게 한다. 이것은, 리소스 할당의 방법이 느슨하게 결합된 분산형 애드혹 노드들간의 엄격하게 협상된 할당들을 지원하는 것으로부터 분산형 노드들간의 협상된 할당들 및 클러스터와 연관된 노드들간의 중앙집중화된 클러스터 헤드 할당들의 조합을 지원하는 것으로 변경할 수 있다는 것을 함축한다. 최종 결과는, 더 낮은 QoS를 견딜 수 있는 짧은 순간 통신 세션들을 핸들링하기에 충분히 민첩하면서도 높은 서비스 품질(QoS) 통신 세션들을 필요로하는 노드들에 대해 리소스들을 더 효율적으로 할당하는 변형으로, 환경에 적응할 수 있고 용량 요구들을 충족시키도록 스케일링할 수 있는 통신 네트워크이다.
상기 명세서에서, 본 발명 및 그 잇점 및 장점들은 특정 실시예들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 이하의 청구항들에 제시된 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고서도 다양한 변형들 및 변경들이 만들어질 수 있다는 것을 잘 알고 있을 것이다. 따라서, 명세서 및 도면들은 제한적인 의미라기보다는 예시적인 것으로 간주되어야 하고, 모든 그러한 변형들은 본 발명의 범주내에 포함된다고 할 것이다. 잇점들, 장점들, 문제들에 대한 해결책들, 및 임의의 잇점, 장점 또는 해결책이 발생하거나 더 현저하게 되도록 유발하는 임의의 구성요소(들)는 임의의 하나 또는 모든 청구항들의 핵심적이고, 요구되거나 필수적인 특징들 또는 구성요소들로 파악되어서는 안 된다. 본 발명은 본 출원의 계류 동안에 만들어지는 임의의 보정들을 포함하는 첨부된 청구항들, 및 발행된 이들 청구항들의 모든 등가물들에 의해서만 정의된다.

Claims (40)

  1. 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법으로서,
    상기 통신 시스템을 분산형 아키텍쳐 네트워크 모드(distributed architecture network mode)로 동작시키는 단계; 및
    하나 이상의 네트워크 성능 요건들의 증가에 응답하여, 상기 통신 시스템을, 클러스터형 아키텍쳐 네트워크(clustered architecture network)로 동작하도록 재구성하는 단계
    를 포함하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 네트워크 성능 요건들은, 노드들의 개수, 트래픽 요구(traffic demand), 네트워크 용량, 토폴로지/노드 분포, 자기 간섭을 완화시키는 공간 재이용 요건, 및 외부 간섭 완화를 포함하는 그룹에서 선택되는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 통신 시스템을 재구성하는 단계는 다중 액세스 스킴을 재구성하는 단계를 포함하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 동작 단계는 제1 다중 액세스 스킴을 이용하여 상기 통신 시스템을 동작시키는 단계를 포함하고, 상기 제1 다중 액세스 스킴은 시분할 다중 액세스 스킴을 포함하며,
    상기 재구성 단계는 상기 다중 액세스 스킴을 제2 다중 액세스 스킴으로 재구성하는 단계를 포함하며, 상기 제2 다중 액세스 스킴은 직교 주파수 분할 다중 액세스-시분할 다중 액세스 스킴, 캐리어 센스 다중 액세스 스킴(Carrier Sense Multiple Access Scheme), 및 주파수 분할 다중 액세스 스킴을 포함하는 그룹에서 선택되는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 통신 네트워크의 제1 부분을 분산형 아키텍쳐 네트워크로서 동작시키는 단계; 및
    상기 통신 네트워크의 제2 부분을 클러스터형 아키텍쳐 네트워크로서 동작시키는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 통신 네트워크 내의 하나 이상의 노드들은 상기 분산형 아키텍쳐 네트워크 및 상기 클러스터형 아키텍쳐 네트워크 양쪽 모두 내에서 동작하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 노드들 중 적어도 하나는 상기 분산형 아키텍쳐 네트워크와 상기 클러스터형 아키텍쳐 네트워크를 브리징(bridging)하기 위한 릴레이 노드인 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 분산형 아키텍쳐 네트워크는, 자율적(autonomous) 애드혹 네트워킹 모드 및 하이브리드 메시 네트워킹 모드를 포함하는 그룹에서 선택된 네트워킹 모드에서 동작하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 클러스터형 아키텍쳐 네트워크는, 자율적 애드혹 네트워킹 모드 및 하이브리드 메시 네트워킹 모드를 포함하는 그룹에서 선택된 네트워킹 모드에서 동작하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 하나 이상의 노드들의 각각에 의해, 제1 기간에서 리소스 할당들을 위해 상기 클러스터형 아키텍쳐 네트워크의 클러스터 헤드와 연관하는 것을 포함하여 상기 클러스터형 아키텍쳐 네트워크 내에서 동작하도록 선택하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 노드들의 각각에 의해, 제2 기간에 그 자신의 리소스들을 협상(negotiate)하도록 분산형 모드에서 동작하는 것을 포함하여 상기 분산형 아키텍쳐 네트워크 내에서 동작하도록 선택하는 단계
    를 더 포함하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 복수의 노드들을 포함하고, 상기 복수의 노드들은 코디네이팅된 기간(coordinated period) 및 언코디네이팅된 기간(uncoordinated period)을 포함하는 논리적 채널 구조를 이용하여 통신하며,
    하나 이상의 네트워크 성능 요건들의 변경에 응답하여, 상기 코디네이팅된 기간의 크기 및 상기 언코디네이팅된 기간의 크기를 재구성하는 단계를 더 포함하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 논리적 채널은,
    동기화 정보, 페이징 정보, 및 시스템 정보 중 하나 이상을 반송(convey)하기 위한 서브-채널들을 포함하는 동기화 채널,
    상기 복수의 노드에 의해 리소스들을 요구하고 협상하기 위한 서브-채널들을 포함하는 액세스 채널,
    상기 클러스터 아키텍쳐 네트워크 내에서 동작하는 복수의 노드들 각각에 대한 리소스 할당을 식별하기 위한 리소스 관리 채널, 및
    상기 코디네이팅된 기간 및 상기 언코디네이팅된 기간으로 분할된 서브-채널들을 포함하는 트래픽 채널
    을 포함하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 통신 시스템을 분산형 아키텍쳐 네트워크 모드로 동작시키는 단계는,
    제1 노드를 분산형 모드 노드로서 확립하는 단계,
    상기 제1 노드에 의해, 언코디네이팅된 기간의 시작을 알리기 위해 동기화 채널을 브로드캐스팅하는 단계, 및
    액세스 채널 상에서, 적어도 하나의 분산형 모드 노드에 의해, 통신 세션을 확립하도록 상기 언코디네이팅된 기간 내에서 트래픽 채널 리소스들에 대해 상기 제1 노드와 협상하는 단계를 포함하고,
    상기 통신 시스템을, 클러스터형 아키텍쳐 네트워크로 동작하도록 재구성하는 단계는,
    상기 제1 노드, 및 상기 적어도 하나의 다른 노드에 의해 성능 제한 인자들(performance limiting factors)에 대해 상기 네트워크를 모니터링하는 단계,
    상기 모니터링 단계에서 성능 제한 인자들이 식별되는 경우에,
    노드를 클러스터 헤드 노드로서 노미네이팅(nominating)하는 단계,
    상기 동기화 채널 상에서 상기 클러스터 헤드 노드에 의해 상기 트래픽 채널의 코디네이팅된 기간 및 언코디네이팅된 기간으로의 분할을 포함하여 상기 클러스터형 아키텍쳐 네트워크의 형성의 통지를 브로드캐스팅하는 단계,
    적어도 하나의 클러스터 모드 노드에 의해 상기 클러스터 헤드 노드와 연관시키는 단계
    를 포함하고, 상기 적어도 하나의 클러스터 모드 노드는 상기 코디네이팅된 기간 내의 하나 이상의 트래픽 채널 리소스들에 대해 상기 클러스터 헤드 노드로부터 리소스들을 요구하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 성능 제한 인자들은, 상기 액세스 채널 상에서의 성능 제한 경쟁, 상기 트래픽 채널 언코디네이팅된 기간에서의 성능 제한 혼잡, 및 성능 제한 간섭을 포함하는 그룹에서 선택되는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 클러스터 헤드 노드에 의해 상기 동기화 채널 상에서 상기 클러스터형 아키텍쳐 네트워크의 형성의 통지를 브로드캐스팅하는 단계는, 상기 클러스터 헤드 노드의 아이덴티티 및 상기 클러스터 헤드 노드의 동작 기간을 브로드캐스팅하는 단계를 더 포함하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 복수의 노드들을 포함하고, 상기 복수의 노드들은 언코디네이팅된 기간 및 코디네이팅된 기간을 포함하는 프레임 구조를 이용하여 메시지들을 통신하며,
    하나 이상의 네트워크 성능 요건들의 변경에 응답하여 상기 코디네이팅된 기간의 크기 및 상기 언코디네이팅된 기간의 크기를 재구성하는 단계를 더 포함하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 하나 이상의 네트워크 성능 요건들은, 노드들의 개수, 트래픽 요구, 네트워크 용량, 토폴로지/노드 분포, 자기 간섭을 완화시키는 공간 재이용 요건, 및 외부 간섭 완화를 포함하는 그룹에서 선택되는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  17. 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법으로서,
    상기 통신 시스템을 클러스터형 아키텍쳐 네트워크 모드로 동작시키는 단계; 및
    하나 이상의 네트워크 성능 요건들의 감소에 응답하여, 상기 통신 시스템을 분산형 아키텍쳐 네트워크로 동작하도록 재구성하는 단계
    를 포함하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 하나 이상의 네트워크 성능 요건들은, 노드들의 개수, 트래픽 요구, 네트워크 용량, 토폴로지/노드 분포, 자기 간섭을 완화시키는 공간 재이용 요건, 및 외부 간섭 완화를 포함하는 그룹에서 선택되는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 통신 시스템을 재구성하는 단계는 다중 액세스 스킴을 재구성하는 단계를 포함하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 동작 단계는 제1 다중 액세스 스킴을 이용하여 상기 통신 시스템을 동작시키는 단계를 포함하고, 상기 제1 다중 액세스 스킴은, 직교 주파수 분할 다중 액세스-시분할 다중 액세스 스킴, 캐리어 센스 다중 액세스 스킴, 및 주파수 분할 다중 액세스 스킴을 포함하는 그룹에서 선택되고,
    상기 재구성 단계는 상기 다중 액세스 스킴을 제2 다중 액세스 스킴으로 재구성하는 단계를 포함하며, 상기 제2 다중 액세스 스킴은 시분할 다중 액세스 스킴을 포함하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 통신 네트워크의 제1 부분을 분산형 아키텍쳐 네트워크로서 동작시키는 단계; 및
    상기 통신 네트워크의 제2 부분을 클러스터형 아키텍쳐 네트워크로서 동작시키는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 통신 네트워크 내의 하나 이상의 노드들은 상기 분산형 아키텍쳐 및 상기 클러스터형 아키텍쳐 네트워크 양쪽 모두 내에서 동작하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 노드들 중 적어도 하나는 상기 분산형 아키텍쳐 네트워크와 상기 클러스터형 아키텍쳐 네트워크를 브리징하기 위한 릴레이 노드인 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 분산형 아키텍쳐 네트워크는 자율적 애드혹 네트워킹 모드 및 하이브리드 메시 네트워킹 모드를 포함하는 그룹에서 선택된 네트워킹 모드에서 동작하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 클러스터형 아키텍쳐 네트워크는 자율적 애드혹 네트워킹 모드 및 하이브리드 메시 네트워킹 모드를 포함하는 그룹에서 선택된 네트워킹 모드에서 동작하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 하나 이상의 노드들의 각각에 의해, 제1 기간에서 리소스 할당들을 위해 상기 클러스터형 아키텍쳐 네트워크의 클러스터 헤드와 연관하는 것을 포함하여 상기 클러스터형 아키텍쳐 네트워크 내에서 동작하도록 선택하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 노드들의 각각에 의해, 제2 기간에서 그 자신의 리소스들을 협상하도록 분산형 모드에서 동작하는 것을 포함하여 상기 분산형 아키텍쳐 네트워크 내에서 동작하도록 선택하는 단계
    를 더 포함하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  26. 제17항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 복수의 노드들을 포함하고 상기 복수의 노드들은 코디네이팅된 기간 및 언코디네이팅된 기간을 포함하는 논리적 채널 구조를 이용하여 통신하며,
    하나 이상의 네트워크 성능 요건들의 변경에 응답하여, 상기 코디네이팅된 기간의 크기 및 상기 언코디네이팅된 기간의 크기를 재구성하는 단계를 더 포함하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 논리적 채널은,
    동기화 정보, 페이징 정보, 및 시스템 정보 중 하나 이상을 반송하기 위한 서브-채널들을 포함하는 동기화 채널,
    상기 복수의 노드에 의해 리소스들을 요구하고 협상하기 위한 서브-채널들을 포함하는 액세스 채널,
    상기 클러스터 아키텍쳐 네트워크 내에서 동작하는 복수의 노드들 각각에 대한 리소스 할당을 식별하기 위한 리소스 관리 채널, 및
    상기 코디네이팅된 기간 및 상기 언코디네이팅된 기간으로 분할된 서브-채널들을 포함하는 트래픽 채널
    을 포함하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  28. 제17항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 복수의 노드들을 포함하고, 상기 복수의 노드들은 언코디네이팅된 기간 및 코디네이팅된 기간을 포함하는 프레임 구조를 이용하여 메시지들을 통신하며,
    하나 이상의 네트워크 성능 요건들의 변경에 응답하여 상기 코디네이팅된 기간의 크기 및 상기 언코디네이팅된 기간의 크기를 재구성하는 단계를 더 포함하는 통신 시스템의 리소스 할당 동작 방법.
  29. 통신 시스템으로서,
    분산형 아키텍쳐 네트워크 모드에서 동작하는 복수의 노드들
    을 포함하고,
    상기 복수의 노드들 중 적어도 일부는, 하나 이상의 네트워크 성능 요건들의 증가에 응답하여 클러스터형 아키텍쳐 네트워크 모드에서 동작하도록 재구성되는 통신 시스템.
  30. 제29항에 있어서, 상기 하나 이상의 네트워크 성능 요건들은 노드들의 개수, 트래픽 요구, 네트워크 용량, 토폴로지/노드 분포, 자기 간섭을 완화시키는 공간 재이용 요건, 및 외부 간섭 완화를 포함하는 그룹에서 선택되는 통신 시스템.
  31. 제29항에 있어서, 상기 통신 네트워크 내의 하나 이상의 노드들은 상기 분산형 아키텍쳐 네트워크 모드 및 상기 클러스터형 아키텍쳐 네트워크 모드 양쪽 모두에서 동작하는 통신 시스템.
  32. 제29항에 있어서, 상기 노드들 중 적어도 하나는 상기 분산형 아키텍쳐 네트워크 모드 노드들과 상기 클러스터형 아키텍쳐 네트워크 모드 노드들 사이에서 통신을 브리징하기 위한 릴레이 노드인 통신 시스템.
  33. 제29항에 있어서, 자율적 애드혹 네트워크 및 하이브리드 메시 네트워크를 포함하는 그룹에서 선택되는 네트워크를 포함하는 통신 시스템.
  34. 제29항에 있어서, 상기 복수의 노드들은, 코디네이팅된 기간 및 언코디네이팅된 기간을 포함하는 논리적 채널 구조를 이용하여 통신하고, 상기 코디네이팅된 기간의 크기 및 상기 언코디네이팅된 기간의 크기는 하나 이상의 네트워크 성능 요건들의 변경에 응답하여 재구성되는 통신 시스템.
  35. 제34항에 있어서, 상기 논리적 채널은,
    동기화 정보, 페이징 정보, 및 시스템 정보 중 하나 이상을 반송하기 위한 서브-채널들을 포함하는 동기화 채널,
    상기 복수의 노드에 의해 리소스들을 요구하고 협상하기 위한 서브-채널들을 포함하는 액세스 채널,
    상기 클러스터 아키텍쳐 네트워크 내에서 동작하는 복수의 노드들 각각에 대한 리소스 할당을 식별하기 위한 리소스 관리 채널, 및
    상기 코디네이팅된 기간 및 상기 언코디네이팅된 기간으로 분할된 서브-채널들을 포함하는 트래픽 채널
    을 포함하는 통신 시스템.
  36. 제29항에 있어서, 상기 복수의 노드들은, 언코디네이팅된 기간 및 코디네이팅된 기간을 포함하는 프레임 구조를 이용하여 메시지들을 통신하고, 상기 코디네이팅된 기간의 크기 및 상기 언코디네이팅된 기간의 크기는 하나 이상의 네트워크 성능 요건들의 변경에 응답하여 재구성되는 통신 시스템.
  37. 제36항에 있어서, 상기 하나 이상의 네트워크 성능 요건들은, 노드들의 개수, 트래픽 요구, 네트워크 용량, 토폴로지/노드 분포, 자기 간섭을 완화시키는 공간 재이용 요건, 및 외부 간섭 완화를 포함하는 그룹에서 선택되는 통신 시스템.
  38. 제29항에 있어서, 복수의 클러스터들은 지리적 영역에서 형성되고 상기 복수의 클러스터들 각각은 고유 연관된 프레임에서 동작하는 통신 시스템.
  39. 제38항에 있어서, 각 클러스터와 연관된 각 프레임에 할당된 시간은 상기 클러스터들 각각에서 하나 이상의 네트워크 조건들에 적응가능한 통신 시스템.
  40. 통신 시스템으로서,
    클러스터형 아키텍쳐 네트워크 모드에서 동작하는 복수의 노드들
    을 포함하고,
    상기 복수의 노드들 중 적어도 일부는 하나 이상의 네트워크 성능 요건들의 감소에 응답하여 분산형 아키텍쳐 네트워크 모드에서 동작하도록 재구성되는 통신 시스템.
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