KR20100053428A

KR20100053428A - 무선 애드-혹 네트워크에서 분산채널호핑방법

Info

Publication number: KR20100053428A
Application number: KR1020090074003A
Authority: KR
Inventors: 이안석; 정운철; 신창섭; 주성순; 채종석
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2009-08-11
Publication date: 2010-05-20
Also published as: US20100296493A1; KR101255228B1; US8331311B2

Abstract

본 발명은 저전력 무선 애드-혹 네트워크에서 분산화된 채널 호핑 방법에 관한 것이다. 본 방법은 네트워크를 구성하기 이전에 복수의 노드 각각의 이웃 노드들의 비컨을 수신하여 네트워크 정보 및 이웃 노드들의 정보를 수집하는 단계; 이웃 노드들의 정보를 기초로, 비컨구간에서 이웃 노드들이 송신하는 비컨을 시간분할방식(TDMA)을 이용하여 각 타임슬롯에서 수신하도록 스케줄링하는 수신스케줄링단계;및 각 타임슬롯에서 스케줄을 기반으로 자신이 송신할 비컨을 스케줄링하는 송신스케줄링단계; 를 포함한다.

채널호핑, 분산채널호핑, channel-hopping

Description

무선 애드-혹 네트워크에서 분산채널호핑방법{Distributed Operation of Channel Hopping Communication in Wireless Ad-Hoc Networks}

본 발명은 저전력 무선 애드-혹 네트워크에서 분산화된 채널 호핑 방법에 관한 것이다. 보다 상세히, 본 발명은 무선 애드-혹 네트워크 내의 라우터 노드들이 효율적, 안정적으로 자신의 비컨을 주변 노드로 송수신하는 방법을 제시한다.

본 발명은 지식경제부의 IT원천 기술 개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-053-01, 과제명: QoS 및 확장성지원(S-MoRe) 센서네트워크 고도화 기술개발(표준화 연계)].

저전력 무선 네트워크를 구성하기 위한 데이터 링크 계층의 기존 기술로서 IEEE 802.15.4 MAC을 예로 들 수 있다. 이 기술은 네트워크를 구성하는 모든 노드가 단일 채널을 공유하여 랜덤 방식의 매체접속 방법을 사용하여 통신을 하게 되므로, 노드의 수가 증가하는 경우 채널 접근을 위한 빈번한 메시지교환으로 인한 패킷 충돌이 발생하는 문제가 발생한다. 또한, 기존 기술을 사용하는 기기는 동대역의 RF를 사용하는 이종의 무선기기들 (예, 무선랜, 블루투스 등)과 같이 사용하게 될 경우, 간섭신호에 의한 통신 품질 저하가 발생한다.

또한 이 기술을 통하여 다중-홉 네트워크를 구성하는 경우에는 PAN 코디네이터와 코디네이터 노드들은 주기적으로 자신의 비컨을 송신하여야 한다. 이를 위하여, 하나의 비컨 구간 (Beacon Interval) 에 여러개의 Superframe Duration 슬롯을 만들어, 각 Coordiantor의 Superframe Duration (SD)를 겹치지 않도록 스케줄링 하여야 한다. 이것은 여러개의 SD를 형성하여야 함으로, SD의 비율이 비컨 구간에 비하여 아주 작아야 하는 문제가 발생하므로 다중-홉 토폴로지에서는 통신 효율이 현저히 저하되는 문제점을 안고 있다.

네트워크를 구성하는 각 노드는 주파수 채널과 타임슬롯이라는 자원을 이용하여 통신을 수행하게 된다. 따라서, 통신을 위해서는 이러한 무선 자원을 각 노드에게 할당하는 문제가 발생한다.

네트워크의 규모가 작을 경우에는 이러한 자원 할당을 네트워크의 관리자 노드가 수행하여도 무방 하지만, 네트워크의 규모가 커질 경우에는 중앙 관리자 노드가 네트워크의 모든 자원을 할당하기 힘들 수도 있고, 네트워크의 정보를 중앙 노드로 전달하고, 할당된 결과가 다시 말단 노드에게 까지 전파되는 시간이 많이 걸릴 수도 있다. 뿐만 아니라, 관리자 노드 혹은 중간 경로에 있는 노드에서 문제가 발생하면 네트워크 전체, 혹은 일부의 동작을 불가능하게 할 수도 있다.

따라서, 본 발명은 채널 호핑 기반의 무선 애드-혹 네트워크를 구성할 때에, 분산화된 방식의 동작 방법을 개발하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에서는 전체 시간을 타임슬롯 단위로 사용하는 TDMA 채널 접근 방법에 채널 호핑 기법을 결합한 저전력 무선 애드-혹 네트워크에서 분산화된 채널 호핑 통신 방법을 통해 이상의 문제점을 해결하고자 한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 무선 애드-혹 네트워크에서 분산채널호핑방법은 상기 네트워크에 접속하려는 제 1 노드에서 채널 탐색 과정을 통해 상기 네트워크 내의 노드들로부터 비컨을 수신하는 단계; 상기 수신한 비컨으로부터 상 기 제 1 노드와 충돌 범위 내에 있는 이웃노드가 사용하는 오프셋 정보를 파악하는 단계; 상기 이웃노드가 사용하는 상기 오프셋 정보를 기초로 상기 제 1 노드가 사용할 제 1 오프셋을 결정하는 단계; 상기 제 1 오프셋 정보를 포함한 메시지를 상기 이웃노드에 송신하여, 상기 이웃노드 중 동일한 오프셋을 사용하는 노드가 있는지 확인하는 단계;를 포함한다. 충돌을 방지하기 위해서 이웃노드들에게 자신의 오프셋을 전달하고, 이를 수신한 이웃 노드들은 충돌범위 내에 있는 노드들 중 동일 오프셋을 사용하는 노드가 있는지 확인한다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예로서, 무선 애드-혹 네트워크에서 분산채널호핑방법을 이용하여 비컨 송수신을 스케줄링하는 방법은 채널 호핑을 사용하여 비컨을 송신하고, 적어도 하나 이상의 타임슬롯으로 구성된 비컨구간을 포함하는 노드들로 상기 네트워크를 구성하기 이전에 상기 복수의 노드 각각의 이웃 노드들의 비컨을 수집하는 단계; 상기 수집한 비컨으로부터 네트워크 정보 및 상기 이웃 노드들의 정보를 수집하는 단계; 상기 이웃 노드들의 정보를 기초로, 상기 비컨구간에서 상기 이웃 노드들이 송신하는 비컨을 시간분할방식(TDMA)을 이용하여 상기 각 타임슬롯에서 수신하도록 스케줄링하는 수신스케줄링단계; 및 상기 각 타임슬롯에서 스케줄을 기반으로 자신이 송신할 비컨을 스케줄링하는 송신스케줄링단계; 를 포함한다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예로서, 복수개의 채널을 이용하는 무선 애드-혹 네트워크에서 분산채널호핑방법에서 상기 네트워크는 기설정된 오프셋을 지니고 기설정된 호핑 패턴에 따라 채널을 변경하는 노드들을 포함하고, 상기 노드 들은 적어도 하나 이상의 타임슬롯으로 구성되어 비컨을 송신하는 비컨구간을 이용하며, 상기 타임슬롯은 시간분할방식(TDMA) 방식으로 이용된다.

무선 애드-혹 네트워크에서의 채널호핑을 이용한 비컨 스케줄링 방법은 비컨 프레임 사이의 충돌을 방지하고, 그에 따라 안정적으로 비컨 프레임들이 전송되는 효과가 있다.

본 발명에서 사용하는 채널호핑 방법은 충돌 범위내의 노드들은 서로 다른 오프셋을 할당 받음으로써, 임의의 시간에 동시에 전송을 하여도 서로 다른 채널을 사용하게 되어 있다. 따라서 단일 채널에서 발생하는 2-홉 이내의 노드 사이의 비컨 충돌현상이 발생하지 않고 따라서 비컨 슬롯을 결정할 때에도 2-홉 이웃 노드들의 정보를 모두 수집하지 않아도 되는 이점이 있다. 이러한 이유로 단일 채널 비컨 전송방법에 대하여 정보의 수집 시간이 짧아지고, 에너지 소모 또한 줄어들게 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 비컨 전송 방법을 사용하면 네트워크에서 동시에 전송될 수 있는 비컨의 개수가 많아지게 되고 따라서 상대적으로 더 적은 비컨 구간으로도 더 많은 노드들의 비컨을 전송되게 할 수 있다. 또한 코디네이터 노드가 전송하는 네트워크의 정보를 빠르게 네트워크 전체로 전파될 수 있게 하는 효과를 기대할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이 다. 도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명은 무선 애드-혹 네트워크, 일 예로 무선 센서 네트워크에 참여하는 라우터 노드들이 효율적이고 안정적으로 자신의 비컨을 주변 노드로 송신하고, 주변 노드의 비컨을 수신하는 방법을 제시한다.

본원 발명에서 무선 노드는 균일한 크기를 갖는 타임 슬롯마다 각기 다른 무선 채널을 사용하여 네트워크에 이미 작동하는 타 무선 노드들과 무선 간섭이 없도록 채널을 접근하는 매체 접근 방식이다. 이러한 방식을 사용하는 네트워크에서 작동하는 노드는 타 노드와 시간 및 주파수 영역에서 서로 중첩되지 않는 무선 자원을 사용함으로써 신호의 직교성을 확보하게 되는데 이때 각 노드는 이러한 직교성을 유지하지 위하여 개별적인 채널 호핑 시퀀스 또는 호핑 패턴을 부여 받게 된다.

도 1 내지 3에서는 본 발명의 분산화된 채널 호핑 방법을 구현하기 위한 네트워크 환경, 채널 호핑의 개념 및 네트워크 내의 노드에서 사용하는 프레임에 대해 서술한다.

그리고, 도 4 내지 7에서 본 발명에 의한 무선 애드-혹 네트워크에서 분산화된 채널 호핑 방법은 채널 호핑 오프셋을 분산화된 방법으로 할당하는 방법, 새로 진입한 노드가 네트워크에 접속하는 방법 및 비컨을 이웃 노드에 송신하는 방법에 대해 서술한다.

도 1 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 무선 애드-혹 네트워크를 도시한다.

종래의 IEEE 802.15.4 의 매체 접근 계층의 경우에는 PAN 코디네이터를 제외한 모든 노드는 자신이 접속하는 부모 노드를 가지는 Tree 형태의 네트워크를 형성한다. 반면, 본 발명에서 무선 애드-혹 네트워크에서 무선 노드들은 기본적으로 Mesh 형태의 네트워크를 구성할 수 있다. 다만, 이는 본 발명의 일 실시예로서, Star 형태의 네트워크, Star 형태와 Mesh 형태가 결합된 형태의 네트워크 등의 변형이 가능함을 유념하여야 한다.

도 1 에 도시된 바와 같은 무선 애드-혹 네트워크에서 노드들은 서로 정보를 교환할 수 있다. 즉, 본 발명에서 노드는 하나 이상의 이웃 노드에게 데이터를 송신할 수 있고, 하나 이상의 노드로부터 데이터를 송신받을 수 있다.

본원 발명의 무선 애드-혹 네트워크를 구성하는 노드들은 물리 계층에서 제공하는 복수개의 채널을 변경하면서 사용할 수 있는 것으로 가정한다. 예를 들어, IEEE 802.15.4의 물리 계층은 2.4GHz 대역에서 16개의 사용 가능한 채널을 제공한다.

따라서, 도 1 과 같은 무선 애드-혹 네트워크 내의 라우터 노드들은 복수 개의 채널을 이용하여 비컨을 스케줄링함으로서 단일 채널을 사용하는 방식에 비하여 네트워크의 모든 노드들이 비컨을 송신하는데 필요한 시간을 줄일 수 있다.

복수 개의 채널을 접근하기 위해 본원 발명에서는 도 2(a) 및 (b)의 일 예와 같은 채널 호핑 방법을 사용한다. 채널호핑 방법이란 네트워크의 노드들이 미리 정해진 호핑 패턴 (Hopping Pattern)에 따라 채널을 변경하며 동작하는 것이다. 이 경우, 인접 노드들과 사용하는 채널이 겹치는 것을 방지하기 위하여 각 노드마다 오프셋을 할당하게 된다. 따라서, 노드들이 사용하는 호핑 시퀀스는 시간과 주파수 상에서 직교성을 갖게 된다.

본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 도 2(a) 및 (b)는 채널 호핑을 위한 패턴을 도시한다.

채널 호핑을 위한 시퀀스는 전체 네트워크에서 공통으로 사용되며, 각 노드는 2-홉 이웃 노드들에서 고유한 오프셋(Offset) 을 가짐으로서 2-홉 내의 이웃 노드는 같은 시간에 서로 다른 채널을 사용할 수 있도록 한다.

채널 호핑 구조에서 같은 채널을 사용하는 노드가 충돌 영역 내에 있는 경우(예를 들어, 2-홉 내의 이웃 노드들의 경우), 동시에 패킷을 송신하게 되면 충돌이 발생한다. 이를 방지하기 위하여 충돌 영역 내에 있는 노드들 사이에는 오프셋을 서로 다르게 할당하여야 한다.

충돌 영역은 전파의 도달거리, 수신기의 감도 등에 따라 다르게 정의된다. 프로토콜 관점에서의 충돌 영역은 일반적으로 2-홉 이웃 노드로 간주되며, 본 발명에서 프로토콜을 설계할 때에도 충돌을 방지하기 위하여 2-홉 이웃 노드 내의 영역을 고려하도록 하였다. 다만, 본 발명에서 기술하는 프로토콜은 2-홉 이상의 이웃노드를 고려하는 네트워크로 확장할 수 있음을 유의하여야 한다.

도 2(a) 는 offset이 0(영)인 경우(210) 채널호핑의 일 예를 도시한다. 채널 호핑은 미리 정해진 호핑 패턴 (Hopping Pattern)에 따라 채널을 변경하며 동작한다. 예를 들어, 도 2(a)의 호핑 패턴은 20, 25, 13, 22, 17,... 이다.

도 2(b) 는 16 개의 채널을 사용하는 2 개의 노드에서 오프셋이 2인 경우 호핑 순서를 도시한다. 이 경우, 오프셋이 0인 시퀀스(220)의 호핑 패턴은 20, 25, 13, 22, 17...이 되고, 오프셋이 2인 시퀀스(230)의 호핑 패턴은 13, 22, 17, 15,...이 된다.

본 발명에서는 도 2(a) 및 (b)에 제시된 바와 같은 채널 호핑 방법을 TDMA 방법과 결합하여 이용함으로써, 인접 노드들의 비컨 송신은 서로 다른 채널에서 일어나게 된다. 따라서 본 발명에서는 비컨의 충돌을 사전에 예방할 수 있다. 또한, 서로 다른 이웃 노드로부터 서로 다른 채널을 통하여 비컨을 수신하므로 간섭 신호가 존재할 때에도 안정적인 네트워크 운용이 가능하다. 보다 상세한 방법은 도 4 내지 7을 참고한다.

도 3 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 싸이클릭프레임을 도시한다. 본 발명에서 무선 애드-혹 네트워크 내의 노드는 도 3 에 도시된 싸이클릭프레임 구조를 이용하는 것으로 가정한다.

싸이클릭프레임은 비컨구간(310), 메쉬제어구간(320) 및 슬롯구간(330)을 포함한다. 비컨구간(310)은 적어도 하나 이상의 비컨 타임슬롯을 포함하고 있으며, 싸이클릭프레임은 비컨 타임슬롯의 개수에 대응되는 메쉬제어구간(320) 및 슬롯구간(330)을 지닐 수 있다. 예를 들어, 비컨 구간(310)에 포함된 비컨 타임슬롯 의 개수가 3개인 경우, 싸이클릭 프레임은 메쉬제어구간(320)과 슬롯구간(330)을 각각 3개씩 포함할 수 있다.

비컨구간(310), 메쉬제어구간(320) 및 슬롯구간(330)은 각각 적어도 하나 이상의 타임슬롯으로 구성되어 있고, 각 구간을 구성하는 타임슬롯의 개수는 네트워크가 달성하고자 하는 목적에 따라 유연하게 변경될 수 있다.

따라서, 본 발명에서 비컨구간(310)의 길이는 가변적이다. 즉, 해당 애플리케이션에 따라 비컨구간(210)의 길이가 동적으로 지정된다. 또한, 채널 호핑 시퀀스 정보나 시각 정보는 사용하는 애플리케이션이나 무선 환경에 따라 갱신주기가 동적으로 변경될 필요가 있다.

비컨구간(310)은 노드 간 비컨 송신을 위하여 사용되는 구간으로서, 해당 구간에는 비컨 프레임만이 송신될 수 있다. 비컨구간(310)은 싸이클릭프레임 구조 정보를 포함한다. 싸이클릭프레임 구조 정보는 비컨구간 인터벌 값, 비컨 주기, 스타 토폴로지(star topology)를 지원하는지를 나타내는 플래그, 시간 동기화 정보, 채널 호핑 시퀀스, 오프셋 값 등과 같은 채널 호핑 정보 등을 포함한다.

비컨구간(310)은 TDMA(Time Division Multiple Access)를 기반으로 동작한다. TDMA 방식으로 채널에 액세스하기 위하여 노드들은 기설정된 시간에 채널에 접속할 것이 요구된다. 이를 위하여, 비컨구간(310)에 포함된 시각 정보가 사용된다. 비컨구간(310)은 여러 개의 타임슬롯이 모여진 구조를 지니며, 각 타임슬롯의 길이는 하나의 비컨 프레임을 송신하는데 필요한 시간보다 길어야 한다.

비컨 구간의 타임 슬롯 개수는 네트워크 조정자 (PAN 코디네이터)가 설정하 는 값을 따른다. 설명의 편의를 위하여 비컨 슬롯의 개수는 N개(N 은 자연수)라고 가정하자.

비컨 슬롯의 개수 N은 네트워크의 크기, 네트워크를 구성하고 있는 노드의 수에 따라 바뀌어져야 할 필요가 있다. 대규모의 네트워크일수록, 혹은 네트워크를 구성하는 노드의 수가 많을수록 N은 커져야 하고, 소규모의 네트워크일수록 적은 수의 N이 필요하다.

비컨 구간(310)에서 비컨이 송신되는 채널은 공통 채널(common channel)을 이용할 수도 있고, 채널 호핑 방법을 사용할 수도 있다. 비컨 구간에서 채널 호핑을 사용할 경우에는 노드들이 비컨을 송신하기 위해 필요한 타임슬롯을 줄일 수 있다. 본 발명에서는 데이터를 교환하기 위해서는 다중채널을 이용하지만, 비컨 및 제어 메시지는 미리 약속된 단일 채널인 공통채널을 이용할 수도 있다.

메쉬제어구간(320)은 메쉬 토폴로지 구성을 위해 사용되는 구간이다. 메쉬제어구간(220)의 길이는 동적인 값을 지니고, 이에 대한 정보는 비컨구간(310)에 기술되어 있다. 메쉬제어구간(320)에서는 비컨구간(310) 또는 슬롯구간(330)의 타임슬롯의 사용을 스케줄 한다. 본 발명의 메쉬제어구간(320)은 제어 신호만을 포함하고, 전달하고자 하는 데이터는 슬롯구간(330)의 타임슬롯에 실어 송신한다. 이 경우 슬롯 구간(330)의 타임슬롯을 사용하기 위해서는 미리 스케줄을 약속하는 과정이 필요하다.

본 발명의 메쉬제어구간(320)에는 데이터를 제어하는 제어신호만을, 예를 들어 데이터가 실려있는 곳을 알려주는 링크 정보, 실음으로써, 종래에는 메쉬제어구 간에 필요에 따라 타임슬롯을 부가하여 메쉬제어구간에서 알람신호를 날리는 경우 발생하였던 충돌 문제를 해결할 수 있다. 채널 호핑을 사용하는 경우에도, 이웃 노드간 제어 메시지 또는 제어신호를 교환하기 위해서는 메쉬제어구간(320)이 필요하다. 또한,메쉬제어구간(320)에서 노드 사이의 통신을 위해서는 모든 노드가 같은 채널, 예를 들어, 기설정된 메쉬제어채널을 사용하여야 한다.

또한, 데이터는 TDMA 방식을 통하여 전송되지만, 제어 메시지 또는 제어 신호는 메쉬제어구간(320)에서 스케줄링이 필요없는 경쟁 기반 채널 접근방식을 사용한다

슬롯구간(330)은 노드 간 데이터 송신을 위한 구간이다. 슬롯구간(330)은 노드 간 데이터 전송을 위한 구간이다. 슬롯구간(330)은 주로 메쉬제어구간(320) 구간에서 채널 접근이 허용된 노드들의 데이터 프레임을 교환하기 위하여 사용된다. 메쉬제어구간(320) 구간에서 경합을 통해 대역폭을 할당 받는데 성공한 노드들은 슬롯구간(330) 동안 한 개 혹은 복수개의 타임 슬롯을 할당받는 스케줄대로 데이터 프레임을 전송하는데 사용한다.

도 4 는 TDMA와 채널 호핑을 결합하여 스케줄링이 이루어지는 비컨 구간의 일 예를 도시한다.

각 라우터 노드들은 자신에게 주어진 오프셋을 기반으로 각 타임 슬롯에 사용하는 채널을 선택함으로써, 인접 노드간 간섭 현상을 방지한다. 처음으로 비컨을 송신하는 코디네이터 노드 A는 첫번째 타임슬롯에 비컨을 송신한다. 이를 수신하는 라우터 노드(B,C)는 코디네이터 노드의 오프셋과 첫번째 타임슬롯에 송신하는 것을 알고, 첫번째 타임슬롯에 코디네이터가 사용하는 채널로 바꾸어 비컨을 수신한다.

또한, 각 라우터들은 자신이 수신한 비컨을 자신의 채널에서 중계하고, 사전에 이를 주변 노드들에게 알려 주변 노드가 이에 맞추어 수신할 수 있게 한다. 이러한 방식으로 네트워크의 모든 노드가 비컨 수신 시간과 송신 시간을 설정하게 한다.

보다 구체적으로, 채널의 개수는 4개이고, 채널호핑 패턴은 {1, 2, 3, 4} 인 경우를 가정한다. 4개의 노드 A, B, C, D가 존재하고 각 노드의 오프셋은 각각 0, 1, 2, 3으로 할당한 경우에 대해서 생각하면 다음과 같다.

먼저, PAN 코디네이터 노드인 노드 A는 비컨 구간의 첫번째 타임슬롯에 자신의 비컨을 송신하도록 스케줄 되어 있다.

이를 위하여 노드 A는 첫번째 타임슬롯에서 자신이 사용하는 채널인 1번 채널을 사용하여 자신의 비컨을 브로드캐스팅 한다. 이 때, 이웃 노드인 B와 C는 첫번째 타임슬롯에 A의 비컨을 수신하도록 되어 있다. 이를 위하여 노드 A의 오프셋을 이용하여 첫번째 타임슬롯에 노드 A가 사용하는 채널인 1번 채널로 변경한 후 비컨을 수신한다.

노드 B와 노드 C는 각각 두 번째 타임슬롯에 자신들의 비컨을 송신한다. 노드 B는 두번째 타임슬롯에서 자신의 채널인 3번 채널을 이용하여 자신의 비컨을 브로드캐스팅 하고, 노드 C는 역시 자신의 채널인 4번 채널에서 자신의 비컨을 브로드캐스팅 한다. 이 때, 충돌 영역 내에 존재하는 두 노드가 동시에 비컨을 브로드캐스팅 할 수 있는 이유는 본 발명에서 채널 호핑 방법을 사용하기 때문이다.

이 때, 노드 D는 노드 B로 부터 비컨을 수신하도록 스케줄이 되어 있다. 이를 위하여 노드 D는 노드 B의 오프셋을 이용하여 두번째 타임슬롯에 노드 B가 사용하는 채널인 3번 채널로 변경한 후 비컨을 수신한다.

노드 D는 세번째 타임슬롯에서 자신의 비컨을 송신한다. 앞에서 설명한 방식과 마찬가지로 자신의 오프셋을 사용하여 세번째 타임슬롯에서 자신의 채널인 2번 채널에서 비컨을 브로드캐스팅 한다.

도 4의 일 예에서와 같이, 본 발명에서는 네트워크에 존재하는 노드들이 자신의 비컨 프레임을 보내기 위해 다음과 같은 규칙을 따른다.

네트워크의 조정자(예, PAN 코디네이터)로부터 시작된 비컨 프레임이 네트워크로 전파될 수 있도록, 네트워크 조정자를 제외한 모든 노드는 최소한 하나 이상의 이웃 노드의 비컨 프레임을 수신한 후, 다시 자신의 비컨 프레임을 보낸다. 이로써 네트워크의 조정자로부터 전달되는 정보가 네트워크 전체로 빠르게 전파될 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서 새로운 노드가 네트워크에 접속 하는 과정을 도시한다.

네트워크 접속이란 이미 존재하는 네트워크에 새로운 노드가 접속하는 과정을 의미한다. 새로이 접속하는 노드는 채널 탐색(Channel Scanning)과정을 통해 주변 노드들의 비컨 프레임을 수신한다(S510). 이 경우, 일 예로서 주변에 존재하는 모든 노드의 비컨을 수집하지 않고, 상위 계층에서의 요구에따라 하나 또는 기설정된 개수의 노드의 정보만을 수집할 수도 있다.

네트워크 내의 노드들은 주기적으로 자신의 비컨을 공통 채널에 송신하는데, 자신을 기준으로 이웃 노드들이 사용하고 있는 오프셋을 비트맵 정보로 모아서 이를 비컨에 담아서 송신한다. 이는 도 6 을 참고한다.

네트워크에 접속하는 노드는 이웃 노드들의 비컨을 수집하여 네트워크의 정보와 이웃 노드들의 정보를 수집한다(S510, S520). 이로써, 충돌 범위 내에 있는 2-홉 이웃 노드들이 사용하는 오프셋의 정보를 알 수 있다(S520). 접속하는 노드는 이러한 오프셋을 제외한 나머지 중에서 자신이 사용할 오프셋을 결정한다(S530).

오프셋을 결정한 후, 메쉬제어 구간 (Mesh Control Access Period)에서 이웃 노드중 한 노드에게 Association Request 메시지를 송신한다(S540). Association Request 메시지는 사용하고자 하는 오프셋 정보를 포함하고 있다. Association Request 메시지는 네트워크에 진입하고자 하는 노드가 이미 네트워크의 구성원인 노드에게 진입을 요청하는 메시지이다. 일반적으로 Association Request 메시지를 송신하고 이에 대한 Association Response 를 받는 과정에서 진입허가의 결정, 주소할당 등의 과정이 이루어진다.

이 메시지를 받은 노드는 접속하는 노드가 선택한 Offset의 사용 가능 여부를 판단한다(S550). 만약 자신의 이웃 노드 중 같은 Offset을 사용하는 노드가 존재 할 경우 Association Response에서 Offset이 사용 불가함을 표시하여 접속하는 노드가 다시 Offset을 할당하게 한다(S520).

만약 사용 가능한 Offset인 경우에는 정상적으로 Association Response를 전달하여 준다. Association Response를 받은 노드는 이 메시지에 대하여 Acknowledge를 브로드캐스트 방식으로 송신한다(S560). 이를 수신한 이웃 노드들은 새로 접속하는 노드를 자신의 이웃 노드로서 추가하는 작업을 수행한다(S570).

도 6은 새로운 노드가 네트워크에 진입시 오프셋을 결정하는 일 예를 도시한다.

도 5의 S510 단계와 같이 네트워크 내의 노드들은 주기적으로 자신의 비컨을 공통 채널에 송신하는데, 자신을 기준으로 이웃 노드들이 사용하고 있는 오프셋을 비트맵 정보로 모아서 이를 비컨에 담아서 송신한다. 구체적인 일 예로서, 도 6에서 노드 1, 3, 6 및 12은 아래와 같은 이웃 오프셋 비트맵 정보를 비컨에 담아서 송신한다.

노드 1의 이웃 오프셋 비트맵={1, 3, 6, 10}

노드 3의 이웃 오프셋 비트맵={1, 3, 12, 13}

노드 6의 이웃 오프셋 비트맵={1, 2, 6, 9}

노드 12의 이웃 오프셋 비트맵={3, 12}

이상과 같은 이웃 오프셋 비트맵 정보를 기초로, 충돌 범위 내에 있는 2-홉 이웃 노드들이 사용하는 오프셋의 정보를 알 수 있다. 따라서, 접속하는 노드(600)는 이러한 오프셋을 제외한 나머지 중에서 자신이 사용할 오프셋을 결정한다. 도 6의 예에서 사용할 수 있는 오프셋은 {0, 4, 5, 7, 8, 11, 14, 15}이 된다.

이상에서 도 4와 관련하여 채널 호핑 오프셋을 분산화된 방법으로 할당하는 방법, 도 5 및 6과 관련하여 새로 진입한 노드가 네트워크에 접속하는 방법을 살펴보았다. 이하에서는 비컨을 이웃 노드에 송신하는 방법에 대해 기술하겠다.

본 발명에서 비컨 송신 방법은 크게 두 가지 경우를 생각할 수 있다. 첫 번째는 모든 노드들이 하나의 채널에서 비컨을 송신하는 방법이고, 두 번째는 모든 노드들이 여러 개의 채널을 이용하여 비컨을 송신하는 방법이다.

첫 번째로, 모든 노드들이 단일 채널을 이용하여 비컨을 송신하는 방법은 다음과 같다.

단일 채널을 사용하는 경우에, 비컨 구간에서 노드들은 어느 타임슬롯에서 자신의 비컨을 송신할지를 결정하여야 한다. 안정적인 네트워크 동작을 위해서는 비컨 프레임은 정상적으로 이웃 노드들에게 전달되어야 한다.

본 발명에서 사용하는 채널호핑 기법에서, 각 노드는 오프셋을 이용하여 자신이 사용하는 채널을 결정하게 된다. 이 때, 오프셋은 충돌을 방지하기 위하여 2-홉 이웃 노드중에서 유일한 값으로 할당되어 있게 된다.

따라서 단일 채널을 사용하는 경우에는 별도의 스케줄링 방법을 사용하는 것 대신, 이미 2-홉 이웃에서 유일하게 스케줄링 된 오프셋 값을 사용할 수 있다. 예를 들면, 채널이 16개 존재할 때, 비컨 슬롯으로 16개의 타임슬롯이 존재하며, 비컨 슬롯으로는 자신의 오프셋 값을 사용한다. 이러한 방식을 통하면, 비컨 송신을 통한 별도의 과정 없이 네트워크에 존재하는 모든 노드의 비컨을 충돌 없이 이웃노드들에게 송신할 수 있다.

두 번째로 모든 노드들이 여러 개의 채널을 이용하여 비컨을 송신하는 방법이다. 이 경우에는 채널 호핑을 이용하여 비컨을 송신한다.

도 7 은 채널 호핑을 이용한 비컨 스케줄링 흐름도를 도시한다.

비컨 스케줄링 과정에서 사용되는 변수로는 Kmax, N 과 K가 있다. Kmax는 비컨을 주기적으로 수신하고자 하는 노드의 최대수, N은 비컨 수집 단계에서 발견한 이웃 노드의 수, 그리고 K는 스케줄링할 노드의 수를 나타낸다.

발견한 이웃 노드의 수(N)가 이웃 노드 중 수신하고자 하는 노드의 최대수(Kmax)보다 큰지를 판단한다(S710). N 이 Kmax보다 크면 스케줄링할 노드의 수 K를 Kmax와 같게 한다(S720). 그 후 선택적으로 비컨을 수신할 K 개의 노드를 선택할 수 있다(S721). 이 경우 K 개의 노드들의 비컨 송신 타임 슬롯은 모두 달라야 한다. S721 단계는 선택적 단계로서 이 단계를 거치지 않고 S720 단계에서 S740 단계로 옮겨갈 수 있음을 유의하여야 한다.

N 이 Kmax보다 크지 않으면, 스케줄링할 노드의 수 K를 N 과 같게 한다(S730). 이러한 과정을 거친 후, 선택한 K개의 노드들의 비컨을 수신할 수 있도록, 비컨 구간을 할당한다. 이 때, K개 이웃노드들의 오프셋과 비컨을 송신하는 타임슬롯을 저장하여야 한다.

다음으로 자신이 비컨을 송신할 타임슬롯을 결정한다. 본 발명에서는 PAN 코디네이터를 제외한 노드는 하나 이상의 비컨을 수신한 후 자신의 비컨을 보내도록 설계하였다. 따라서, 자신이 보내는 비컨 타임슬롯을 결정할 때에는 자신이 수신하는 비컨들 중 가장 먼저 수신하는 비컨 타임슬롯 이후의 타임슬롯 중 사용 가능한 타임슬롯을 사용하도록 할당한다. 예를 들어, 3, 4, 6 번째 타임슬롯에서 이웃 노드들의 비컨을 수신하도록 설정되어 있을 때, 4번 타임슬롯 이후에 자신의 비컨을 송신할 수 있다. 하지만, 4번째 타임슬롯은 이미 수신하도록 설정되어 있기 때문에 5번째 타임슬롯에서 자신의 비컨을 송신하도록 설정한다.

이러한 과정을 통하여 네트워크에 접속하는 노드는 이웃 노드들이 송신하는 비컨의 수신과 자신의 비컨 프레임의 송신 타임슬롯을 스케줄 할 수 있다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플라피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.

그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 2(a) 및 (b)는 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 채널 호핑을 위한 패턴을 도시한다.

도 3 은 본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 싸이클릭프레임을 도시한다.

Claims

무선 애드-혹 네트워크에서 분산채널호핑방법으로서,

상기 네트워크에 접속하려는 제 1 노드에서 채널 탐색 과정을 통해 상기 네트워크 내의 노드들로부터 비컨을 수신하는 단계;

상기 수신한 비컨으로부터 상기 제 1 노드와 충돌 범위 내에 있는 이웃노드가 사용하는 오프셋 정보를 파악하는 단계;

상기 이웃노드가 사용하는 상기 오프셋 정보를 기초로 상기 제 1 노드가 사용할 제 1 오프셋을 결정하는 단계;및

상기 제 1 오프셋 정보를 포함한 메시지를 상기 이웃노드에 송신하여, 상기 이웃노드 중 동일한 오프셋을 사용하는 노드가 있는지 확인하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법.
제 1 항에 있어서, 상기 확인 단계에서

상기 제 1 노드의 이웃 노드 중 동일한 오프셋을 사용하는 노드가 존재할 경우 상기 결정 단계에서 상기 제 1 오프셋 값을 새롭게 정하고,

상기 제 1 오프셋과 동일한 오프셋을 사용하는 노드가 존재하지 않을 경우, 상기 이웃노드들은 상기 제 1 노드를 자신의 이웃 노드로 추가하는 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법.
제 1 항에 있어서, 상기 네트워크 내의 노드들은 비컨 송신을 위해 사용되는 비컨구간을 이용하고, 상기 비컨구간은 적어도 하나 이상의 타임슬롯을 포함하며, 상기 타임슬롯은 시간분할방식(TDMA, Time Division Multiple Access)를 기반으로 동작하는 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법.
제 3 항에 있어서, 상기 타임슬롯 각각의 길이는 하나의 비컨을 송신하는데 필요한 시간보다 긴 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법.
제 3 항에 있어서, 상기 비컨구간이 포함하는 상기 타임슬롯의 개수는 네트워크의 크기, 네트워크를 구성하고 있는 노드의 수에 따라 변경되는 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법.
제 3 항에 있어서, 상기 네트워크 내의 노드들 각각은 기설정된 오프셋을 지니고 미리 정해진 호핑 패턴에 따라 채널을 변경하며, 이를 기초로 상기 이웃노드에서 비컨을 송신할 타임슬롯의 위치를 결정되면, 각 노드에서는 결정된 해당 타임슬롯에서 상기 이웃노드의 상기 호핑 패턴 중 해당하는 채널로부터 비컨을 수신하는 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법.
제 3 항에 있어서, 상기 네트워크 내의 노드들 각각은 기설정된 오프셋을 지니고 미리 정해진 호핑 패턴에 따라 채널을 변경하며, 이를 기초로 상기 각 노드에 서 비컨을 송신할 타임슬롯의 위치를 결정하면, 상기 각 노드에서는 결정된 해당 타임슬롯에서 자신의 호핑 패턴 중 해당하는 채널에서 비컨을 송신하는 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법.
제 1 항에 있어서, 상기 네트워크 내의 노드들 각각은 자신에게 할당된 오프셋을 기반으로 미리 정해진 호핑 패턴에 따라 채널을 변경하고, 상기 노드들 각각이 사용하는 호핑 패턴은 시간과 주파수 상에서 직교성을 지니는 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법.
무선 애드-혹 네트워크에서 분산채널호핑방법을 이용하여 비컨 송수신을 스케줄링하는 방법으로서,

채널 호핑을 사용하여 비컨을 송신하고, 적어도 하나 이상의 타임슬롯으로 구성된 비컨구간을 포함하는 노드들로 상기 네트워크를 구성하기 이전에 상기 복수의 노드 각각의 이웃 노드들의 비컨을 수신하는 단계;

상기 수집한 비컨으로부터 네트워크 정보 및 상기 이웃 노드들의 정보를 수집하는 단계;

상기 이웃 노드들의 정보를 기초로, 상기 비컨구간에서 상기 이웃 노드들이 송신하는 비컨을 시간분할방식(TDMA)을 이용하여 상기 각 타임슬롯에서 수신하도록 스케줄링하는 수신스케줄링단계;및

상기 각 타임슬롯에서 스케줄을 기반으로 자신이 송신할 비컨을 스케줄링하 는 송신스케줄링단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 스케줄링방법.
제 9 항에 있어서, 상기 수신스케줄링단계에서

네트워크 내의 노드들 각각은 기설정된 오프셋을 지니고 미리 정해진 호핑 패턴에 따라 채널을 변경하며, 이를 기초로 상기 이웃노드에서 비컨을 송신할 타임슬롯의 위치를 결정되면, 각 노드에서는 결정된 해당 타임슬롯에서 상기 이웃노드의 상기 호핑 패턴 중 해당하는 채널로부터 비컨을 수신하는 것을 특징으로 하는 스케줄링방법.
제 9 항에 있어서, 상기 송신스케줄링단계에서

상기 노드들 각각은 기설정된 오프셋을 지니고 미리 정해진 호핑 패턴에 따라 채널을 변경하고, 이를 기초로 상기 각 노드에서 비컨을 송신할 타임슬롯의 위치를 결정하면, 각 노드에서는 결정된 해당 타임슬롯에서 자신의 호핑 패턴 중 해당하는 채널에서 비컨을 송신하는 것을 특징으로 하는 스케줄링방법.
제 11 항에 있어서, 상기 송신스케줄링단계에서

자신이 비컨을 송신하는 타임슬롯은 자신이 수신한 비컨들 중 가장 먼저 수신하는 비컨 타임슬롯 이후의 타임슬롯 중 사용 가능한 타임슬롯을 사용하는 것을 특징으로 하는 스케줄링방법.
복수개의 채널을 이용하는 무선 애드-혹 네트워크에서 분산채널호핑방법으로서, 상기 네트워크는

기설정된 오프셋을 지니고 기설정된 호핑 패턴에 따라 채널을 변경하는 노드들을 포함하고, 상기 노드들은 적어도 하나 이상의 타임슬롯으로 구성되어 비컨을 송신하는 비컨구간을 이용하며, 상기 타임슬롯은 시간분할방식(TDMA) 방식으로 이용되는 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법.
제 13 항에 있어서,

상기 각 노드와 충돌범위 내에 있는 이웃노드는 서로 다른 오프셋을 지니는 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법.
제 13 항에 있어서,

상기 기설정된 오프셋 및 호핑 패턴을 기초로 상기 각 노드와 충돌범위 내에 있는 이웃노드에서 비컨을 송신할 상기 타임슬롯의 위치를 정하면, 각 노드에서는 결정된 해당 타임슬롯에서 상기 이웃노드의 상기 호핑 패턴 중 해당하는 채널로부터 비컨을 수신하는 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법.
제 13 항에 있어서,

상기 기설정된 오프셋 및 호핑 패턴을 기초로 상기 각 노드에서 비컨을 송신할 타임슬롯의 위치를 결정하면, 각 노드에서는 결정된 해당 타임슬롯에서 자신의 호핑 패턴 중 해당하는 채널에서 비컨을 송신하는 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법.
제 16 항에 있어서, 자신이 비컨을 송신하는 타임슬롯은 자신이 수신한 비컨들 중 가장 먼저 수신하는 비컨 타임슬롯 이후의 타임슬롯 중 사용 가능한 타임슬롯을 사용하는 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법.
분산채널호핑방법을 이용하는 무선 애드-혹 네트워크 시스템으로서, 상기 시스템은

기설정된 오프셋을 지니고 기설정된 호핑 패턴에 따라 채널을 변경하는 노드들을 포함하고, 상기 노드들은 적어도 하나 이상의 타임슬롯으로 구성되어 비컨을 송신하는 비컨구간을 이용하며, 상기 타임슬롯은 시간분할방식(TDMA) 방식으로 이용되는 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법을 이용하는 무선 애드-혹 네트워크 시스템.
제 18 항에 있어서,

상기 기설정된 오프셋 및 호핑 패턴을 기초로 상기 각 노드와 충돌범위 내에 있는 이웃노드에서 비컨을 송신할 상기 타임슬롯의 위치를 정하면, 각 노드에서는 결정된 해당 타임슬롯에서 상기 이웃노드의 상기 호핑 패턴 중 해당하는 채널로부터 비컨을 수신하는 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법을 이용하는 무선 애드- 혹 네트워크 시스템.
제 18 항에 있어서,

상기 기설정된 오프셋 및 호핑 패턴을 기초로 상기 각 노드에서 비컨을 송신할 타임슬롯의 위치를 결정하면, 각 노드에서는 결정된 해당 타임슬롯에서 자신의 호핑 패턴 중 해당하는 채널에서 비컨을 송신하는 것을 특징으로 하는 분산채널호핑방법을 이용하는 무선 애드-혹 네트워크 시스템.