KR20100055865A - 저속 무선 네트워크에서 ＱｏＳ 및 다중 링크 연결을 위한 슈퍼프레임 구성 방법 및 장치 - Google Patents

저속 무선 네트워크에서 ＱｏＳ 및 다중 링크 연결을 위한 슈퍼프레임 구성 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저속 무선 개인 영역 네트워크에서의 슈퍼프레임 구성 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 QoS를 지원하기 위해 GTS의 수를 늘리고 SO 값이 증가하더라도 정밀한 자원 예약을 통해 대역폭의 낭비를 최소화할 수 있도록 IEEE 802.15.4 슈퍼프레임 구조를 확장한다. 따라서 기존 IEEE 802.15.4에 비해 훨씬 더 효율적인 자원 예약이 가능하고, 할당할 수 있는 GTS의 개수도 최대 127개까지 가능하므로 동시에 많은 개수의 디바이스에 대한 동시 다중 링크 연결이 가능하다.

Description

저속 무선 네트워크에서 ＱｏＳ 및 다중 링크 연결을 위한 슈퍼프레임 구성 방법 및 장치{Method and apparatus for QoS support and multiple link connections in low-rate wireless network}
본 발명은 저속 무선 개인 영역 네트워크에서의 슈퍼프레임 구성 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 저속 무선 개인 영역 네트워크에서 무선 주파수 대역폭의 낭비를 최소화하면서 QoS를 지원하고 동시에 다중 링크 연결을 위하여 IEEE 802.15.4의 슈퍼프레임 구조를 확장한 슈퍼프레임 구성 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 정보통신표준개발지원 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제번호: 2008-P1-12-08K33, 과제명: IPv6 지원 멀티네트워크 기반 차세대 네트워크 기술 표준 개발].
무선 개인 영역 네트워크(WPAN; Wireless Personal Area Network)와 무선 신체 영역 네트워크(WBAN; Wireless Body Area Network)는 센서 응용 및 일반 데이터 전송에서부터 의료용 데이터 전송에 이르기까지 다양한 응용을 지원해야 하고, 각 응용에 적합한 QoS를 제공해야 한다.
IEEE 802.15 WPAN 워킹그룹은 움직이거나 정지 상태에서 사방으로 10m까지 사람의 활동 공간에서 무선 접속을 제공할 수 있도록 물리계층과 데이터 링크 계층을 표준화 하는 곳이다. IEEE 802.15.4에서는 LR-WPAN(Lower Rate-WPAN)에 대한 매체접근제어 및 물리계층에 관해 연구하며, 20~250kbps의 전송속도로 저가, 저전력으로 30m 이내의 서비스 범위에서 활용을 목표로 하고 있다.
현재의 IEEE 802.15.4 슈퍼프레임 구조는 QoS를 보장하기 위해 할당 할 수 있는 GTS(Guaranteed Time Slot)의 개수가 7개로 제한되어 있을 뿐만 아니라, SO(Superframe Order) 값이 증가하면 한 슬롯의 길이 값(SlotD)도 지수적으로 증가하여 디바이스의 요구 이상으로 무선 자원을 예약하게 될 확률이 높아짐으로써 대역폭의 낭비가 발생하는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 무선 개인 영역 네트워크 및 무선 신체 영역 네트워크에서 무선 주파수 대역폭의 낭비를 최소화 하면서 QoS를 지원하고 동시에 다수의 디바이스들의 서비스를 지원하기 위한 다중 링크 연결을 위하여, GTS의 수를 늘리고 SO 값이 증가하더라도 정밀한 자원 예약을 통해 대역폭의 낭비를 최소화할 수 있도록 IEEE 802.15.4 슈퍼프레임 구조를 확장하는 장치 및 방법을 제공하는 데 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 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 저속의 무선 네트워크의 슈퍼프레임구성 방법은, 활성 구간과 비활성 구간으로 구성된 슈퍼프레임의 활성 구간 결정에 이용되는 슈퍼프레임 오더 값을 결정하는 단계; 및 슈퍼프레임 오더 값을 기초로 활성 구간을 구성하는 비경쟁구간의 최대 타임슬롯 개수를 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 저속의 무선 네트워크의 슈퍼프레임구성 장치는, 활성 구간과 비활성 구간으로 구성된 슈퍼프레임의 활성 구간 결정에 이용되는 슈퍼프레임 오더 값을 결정하는 슈퍼프레임구조결정부; 및 슈퍼프레임 오더 값을 기초로 활성 구간 을 구성하는 비경쟁구간의 최대 타임슬롯 개수를 결정하는 타임슬롯결정부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 저속의 무선 네트워크의 비컨 프레임 생성 방법은, 활성 구간과 비활성 구간으로 구성된 슈퍼프레임의 상기 활성 구간을 구성하는 비경쟁구간의 타임슬롯인 보증타임슬롯의 최대 개수를 결정하는 방식을 표시하기 위해 슈퍼프레임 명세 필드의 사용하지 않는 부필드 내에 비경쟁구간 확장 비트를 제공하는 단계; 보증타임슬롯 개수 확장을 위해 보증타임슬롯 명세 필드의 사용하지 않는 부필드를 제거하고, 디스크립트 카운트 부필드 내에 제거된 부필드의 비트를 부가하는 단계; 보증타임슬롯 명세 필드의 디스크립트 카운트 값에 따라 비트 확장이 가능하도록 보증타임슬롯 방향 필드 내의 방향 마스크 부필드의 비트수를 확장하는 단계; 및 보증타임슬롯 목록 필드의 시작 슬롯과 길이 부필드의 비트수를 확장하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 저속의 무선 네트워크에서 활성 구간과 비활성 구간으로 구성된 슈퍼프레임의 상기 활성 구간을 구성하는 비경쟁구간의 타임슬롯인 보증타임슬롯(GTS) 요청 명령 프레임 생성 방법은, 보증타임슬롯의 최대 개수를 활성 구간 결정에 이용되는 슈퍼프레임 오더 값을 기초로 결정하는 경우, 보증타임슬롯 요청 명령 프레임의 보증타임슬롯 특성 필드 내 보증타임슬롯 길이 부필드의 비트수를 확장하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명은 QoS를 지원하기 위해 GTS의 수를 늘리고 SO 값이 증가하더라도 정 밀한 자원 예약을 통해 대역폭의 낭비를 최소화할 수 있도록 IEEE 802.15.4 슈퍼프레임 구조를 확장한다.
따라서 기존 IEEE 802.15.4에 비해 훨씬 더 효율적인 자원 예약이 가능하고, 할당할 수 있는 GTS의 개수도 최대 127개까지 가능하므로 동시에 많은 개수의 디바이스에 대한 동시 다중 링크 연결이 가능하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 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.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 IEEE 802.15.4에서 정의된 슈퍼프레임(Superframe) 구조이다.
PAN(Personal Area Network)의 코디네이터(Coordinator)는 도 1과 같은 슈퍼프레임(Superframe) 구조를 사용하여 채널 시간을 선택적으로 제한할 수 있다.
도 1을 참조하면, 슈퍼프레임은 코디네이터가 사전에 예정된 간격으로 전송하는 비컨(Beacon)에 의해 범위가 결정되며, 같은 사이즈를 갖는 16개의 슬롯으로 나뉘어진다. 비컨 프레임은 슈퍼프레임의 첫 번째 슬롯에서 전송되며, 비컨 간격은 최소 15ms에서 최대 245sec가 될 수 있다. 비컨은 연결된 디바이스들을 동기화시키고, PAN을 식별하고, 슈퍼프레임 구조를 설명하기 위해 사용된다. 두 개의 비컨 간의 시간은 슈퍼프레임의 주기와 무관하게 16개의 동일한 타임슬롯으로 나누어진다. 디바이스는 타임슬롯 동안 언제라도 데이터를 보낼 수 있으나 다음 슈퍼프레임 비컨 전에 해당 데이터 송수신을 완료하여야 한다. 비컨은 슈퍼프레임 명세(superframe specification), 현재 노드 메시지 통지(notification of pending node message) 등을 포함한다.
슈퍼프레임은 활성 구간과(Active) 비활성 구간(Inactive)으로 나눌 수 있는데, 비활성 구간은 저전력 모드로 사용된다. 활성 구간은 경쟁접근구간(Contention Access Period: CAP)(이하 '경쟁구간'으로 칭함)과 경쟁자유구간(Contention Free Period: CFP)(이하 '비경쟁구간'으로 칭함)로 나눌 수 있는데, CAP 동안에 통신을 원하는 디바이스들은 슬롯화된 CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access-Contention Avoidance) 방법을 이용한다. 반면에 CFP는 GTS(Guaranteed Time Slot)로 나뉘어, QoS 가 보장되어야 하는 데이터 전송을 위해 사용된다. 예를 들어, 주로 실시간 응용이나 특수한 대역폭을 요구하는 응용 서비스를 위해서 코디네이터가 GTS를 제공할 수 있다. PAN 코디네이터는 GTS를 최대 7개까지 할당할 수 있으며, 하나의 GTS는 하나 이상의 슬롯으로 구성된다. 비활성 구간은 코디네이터가 PAN과 상호작용하지 않고 저전력 모드(sleep)로 진입할 수 있다.
슈퍼프레임의 구조는 비컨에 들어 있는 SO(Superframe Order) 및 BO(Beacon Order) 값을 이용해서 조정할 수 있다. 두 값은 0≤SO≤BO≤14(BO 및 SO는 정수)의 범위는 갖는데, 만약 SO와 BO가 15의 값을 갖게 되면 비컨 비사용 PAN(Non Beacon-Enabled PAN)으로 동작하여 슈퍼프레임 구조를 갖지 않게 된다. 하나의 슈퍼프레임은 BO(Beacon Order) 값과 SO(Superframe Order) 값에 의해 각각 SD(Superframe Duration) 구간과 BI(Beacon Interval) 구간으로 나뉘어진다. SD 구간, 즉 활성(Active) 구간은 BI 값과 상관없이 항상 16개의 슬롯으로 나뉘어지며, 이 구간은 다시 CAP와 CFP 구간으로 나뉘어진다. CAP와 CFP의 경계 및 CFP에서의 GTS 할당 정보는 각 비컨마다 업데이트 되어서 브로드캐스트(broadcast) 되며, CFP 구간은 최대 7개의 GTS를 할당할 수 있으며 하나의 GTS는 하나 이상의 슬롯으로 구성된다.
네트워크의 구조에 따라서 저속 무선 PAN은 2개의 채널 액세스 메커니즘 중 하나를 사용한다. 슈퍼프레임을 갖는 비컨 사용 PAN에서는 Slotted CSMA-CA 방식이 사용되고, 비컨 비사용 PAN에서는 Unslotted CSMA-CA 방식이 사용된다.
비컨 비사용 네트워크에서 어떤 디바이스가 데이터 전송을 원할 시 다른 디바이스가 동일한 채널을 통해 전송하고 있는지를 확인하여 사용 중이면 랜덤 주기 동안 전송을 철회하거나, 몇 번의 시도 후에 실패이면 전송실패를 표시한다. 앞서 전송의 확인 프레임은 CSMA를 사용하지 않으며 이는 수신 패킷에 이어 바로 보내지기 때문이다. 한편 비컨 사용 네트워크에서는 어떤 디바이스가 경쟁적으로 액세스하는 주기 동안 데이터 전송을 원할 시 다음 타임슬롯의 시작을 기다렸다가 다른 디바이스가 동일 슬롯을 사용하고 있으면 랜덤 주기 동안 전송을 철회하거나 몇 번의 시도 후에 실패이면 전송실패를 표시한다. 비컨 사용 네트워크에서 확인 프레임은 CSMA를 사용하지 않는다.
무선 개인 영역 네트워크 및 무선 신체 영역 네트워크의 트래픽은 크게 주기적 트래픽과 비주기적 트래픽으로 나눌 수 있다. 주기적 트래픽은 매 주기마다 데이터를 샘플링하고 이를 송신하는 센서로부터 발생한다. 비주기적 트래픽에는 제어 메시지 교환 또는 필요할 때 발생하는 이벤트 기반 메시지들이 포함된다. 일반적으로 비주기적 트래픽은 발생량이 예측되지 않으므로 예약된 대역폭을 요구하지 않는다. 이러한 비주기적 제어 명령어의 전달에는 IEEE 802.15.4 슈퍼프레임 구조에서 경쟁기반 액세스인 CAP가 사용될 수 있다. 반면에 적은 지연시간을 요구하는 응용이나 특수한 대역폭을 요청하는 응용에 대해서는 코디네이터가 활성 슈퍼프레임 내에서 GTS를 활용하여 QoS를 지원할 수 있다. 그러나 IEEE 802.15.4에서 정의하고 있는 GTS는 한 슈퍼프레임 내에 최대 7개까지만 사용될 수 있으므로 확장성이 떨어진다. 따라서 무선 개인 영역 네트워크 및 무선 신체 영역 네트워크에서 다양한 QoS 를 요구하는 다수의 디바이스들을 지원하기 위해서는 GTS의 수를 확장하는 것이 필요하다.
또한 IEEE 802.15.4의 슈퍼프레임 구조는 BO 및 SO 값을 사용하여 BI 및 SD 구간의 길이를 결정하는데, SD 구간은 BO 및 SO 값과 상관없이 항상 16개의 동일한 타임 슬롯으로 나뉘게 된다. 따라서 SO 값이 증가할수록 슬롯 당 제공할 수 있는 대역폭도 지수적으로 증가하게 된다. 이는 슬롯 단위로 대역폭을 할당하는 IEEE 802.15.4 표준 슈퍼프레임 구조에서, SO 값이 클 경우 GTS에 의한 정밀한 대역폭 할당이 어려워짐을 의미한다. 즉, SO 값이 커질수록 특정 디바이스가 요구하는 대역폭 이상으로 자원을 할당할 가능성이 높아져서 대역폭의 낭비가 증가될 수 있다.
본 발명은 무선 개인 영역 네트워크 및 무선 신체 영역 네트워크에서 QoS를 지원하기 위한 GTS의 수를 늘리고, SO 값이 증가하더라고 정밀한 자원 예약을 통해 대역폭의 낭비를 최소화할 수 있도록 새로운 슈퍼프레임 구조를 제안한다. 제안된 방안은 SO 값에 따라 CFP 구간에서의 한 슬롯의 길이 값을 줄임으로써 적응적으로 대역폭을 할당할 수 있도록 설계되었다.
표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SO 값 범위에 따라 변화되는 CFP 내의 슬롯 길이 값(SlotD)을 보여준다.
하기 표 1은 일 예로서, SO 값을 5개 범위로 나누어 해당 범위에 따라 CFP 내의 슬롯 길이 값(SlotD)을 변화시키고 있다. 만약 SO 값이 0~2사이의 값일 경우에는 기존 IEEE 802.15.4와 동일하게 동작한다. 그러나 SO 값이 3 이상일 경우에는 SO 값의 증가에 따라 CFP 내의 슬롯 길이 값을 줄임으로써, CFP 내의 슬롯 수 및 GTS 개수를 확대할 수 있으며 좀 더 정밀한 대역폭 할당이 가능하다. 여기서, FinalCAPSlot는 CAP 구간의 마지막 슬롯번호를 나타낸다.
예를 들어, SO 값이 6인 경우, 범위 3에 속하게 되므로, 비경쟁구간의 타임슬롯 길이(SlotD_CFP)와 경쟁구간의 타임슬롯길이(SlotD_CAP)의 비는 1/4로 감소된다. 따라서 CFP 내의 슬롯 길이 값이 감소되고, CFP 내의 슬롯의 최대 개수는 20개[4 × (15 - FinalCAPSlot)](CAP의 마지막 슬롯번호는 10)로 증가되어, GTS 개수 를 확대할 수 있게 된다.
구분 SO 값 SlotD_CFP / SlotD_CAP CFP 내의 최대 가능 슬롯 수
범위 1 0 ~ 2 1 15 - FinalCAPSlot
범위 2 3 ~ 5 1/2 2 × (15 - FinalCAPSlot)
범위 3 6 ~ 8 1/4 4 × (15 - FinalCAPSlot)
범위 4 9 ~ 11 1/8 6 × (15 - FinalCAPSlot)
범위 5 12 ~ 14 1/16 8 × (15 - FinalCAPSlot)
본 실시예에서는 SlotD 값의 감소에 따른 슬롯 수의 증가를 CFP 구간에만 한정하며 CAP 구간의 SlotD는 변화시키지 않는다. 물론, 필요에 따라 CAP 구간의 SlotD 값도 동일한 방법으로 증가시킬 수 있다. 그리고 CFP 구간의 시작 슬롯 번호는 0부터 새로 시작한다.
본 실시예에서는 SO 값을 5개 범위로 나누어 CFP 내의 최대 가능 슬롯 수를 변화시키고 있으나, 네트워크 환경 또는 시스템 운영자의 결정에 의해 SO 값의 범위를 다르게 설정할 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표 1에서 SO 값이 4일 경우 CFP 구간의 슬롯 수 변화와 슬롯 번호를 나타낸 것이다.
IEEE 802.15.4 표준 기술에 의한 11번에서부터 15번까지 5개의 슬롯에 해당하는 CFP 구간을 본 실시예에서는 SO 값이 4이므로 SlotD를 1/2로 줄임으로써 0부터 9번까지 총 10개의 슬롯으로 나눌 수 있다. CFP의 시작 슬롯 번호가 0부터 시작하더라도 PAN 코디네이터와 디바이스는 비컨 프레임의 마지막 CAP 슬롯(Final CAP Slot) 필드 정보를 이용하여 CFP 내의 각 슬롯의 위치를 알 수 있다.
CFP 구간의 슬롯 수가 많을수록 더 많은 수의 GTS 할당이 가능하며, 동시에 SlotD의 값이 1/2로 작아지므로 슬롯에서의 대역폭 낭비도 평균 1/2로 줄일 수 있다.
본 발명의 제안 방안이 동작하기 위해서 기존 IEEE 802.15.4의 비컨 프레임과 MAC 명령 프레임(MAC command frame) 중 GTS 요청 명령 (GTS request command) 프레임의 일부 필드를 수정한다. 먼저 비컨 프레임의 필드 중 수정이 필요한 필드는 슈퍼프레임 명세 필드 (Superframe Specification filed), GTS 명세 필드 (GTS Specification field), GTS 방향 필드 (GTS Direction field), 및 GTS 목록 필드 (GTS List field)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기존 IEEE 802.15.4 표준과의 호환을 위해 변경된 슈퍼프레임 명세 필드를 도시한다.
도 3을 참조하면, (a)의 IEEE 802.15.4 표준의 슈퍼프레임 명세 필드에서 13번 부필드는 사용하지 않는(Reserved) 부필드이다. (b)의 본 발명이 적용되는 변경된 슈퍼프레임 명세 필드는 사용하지 않는 13번 부필드를 CFP 확장(CFP Extension) 부필드로 변경한다. CFP 확장 비트가 "1"이면 본 발명에 따라 SO 값의 범위에 의해 CFP 내의 슬롯 수를 변경하고, "0"이면 기존 기술(최대 7개까지의 GTS 할당)대로 동작한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기존 IEEE 802.15.4 표준과의 호환을 위해 변경된 GTS 명세 필드를 도시한다.
도 4를 참조하면, (b)의 본 발명이 적용되는 변경된 GTS 명세 필드는 (a)의 IEEE 802.15.4 표준의 GTS 명세 필드의 사용하지 않는(Reserved) 부필드를 없애고, 그 길이만큼 GTS 디스크립트 카운트(GTS Descriptor Count) 부필드 길이를 확장함으로써 최대 127 개의 GTS 할당이 가능하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기존 IEEE 802.15.4 표준과의 호환을 위해 변경된 GTS 방향 필드를 도시한다.
GTS의 개수가 최대 127 개까지 가능하므로 그에 따라 GTS 방향 필드의 GTS 방향 마스크 비트 부필드도 최대 127 비트까지 확장할 수 있어야 한다. 도 5를 참조하면, (b)의 본 발명이 적용되는 변경된 GTS 방향 필드는 기본 1 바이트(8 비트)의 GTS 방향 필드를 GTS 명세 필드의 GTS 디스크립트 카운트 정보에 따라 최대 16 바이트(128 비트)까지 바이트 단위로 확장 가능하도록 변경한다. 따라서 (a)의 IEEE 802.15.4 표준의 GTS 방향 필드보다 확장된 비트를 갖는다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기존 IEEE 802.15.4 표준과의 호환을 위해 변경된 GTS 목록 필드를 도시한다.
도 6을 참조하면, (a)의 IEEE 802.15.4 표준의 GTS 목록 필드에서 GTS 시작 슬롯(GTS Starting Slot)과 GTS 길이(GTS length)는 각각 4비트이나, (b)의 본 발명이 적용되는 변경된 GTS 목록 필드는 CFP 구간의 슬롯 수가 최대 256개까지 확장 가능하므로 GTS 시작 슬롯(GTS Starting Slot)과 GTS 길이(GTS length) 값 역시 최대 256까지 표현할 수 있도록 해당 비트 수를 8비트로 확장하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기존 IEEE 802.15.4 표준과의 호환을 위해 변경된 GTS 요청 명령 프레임의 GTS 특성 필드를 도시한다.
비컨 프레임의 수정과 아울러 MAC 명령어 프레임 중 GTS 요청 명령 프레임의 일부 필드도 수정할 필요가 있다. 도 7을 참조하면, (a)의 IEEE 802.15.4 표준의 GTS 특성 필드의 GTS 길이 부필드가 4비트이나, (b)의 본 발명이 적용되는 변경된 GTS 특성 필드(GTS Characteristics field)에서는 GTS 길이 부필드를 256까지 나타낼 수 있도록 8 비트로 확장한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 저속의 무선 네트워크의 슈퍼프레임구성 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 저속의 무선 네트워크의 슈퍼프레임구성 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 이하에서는 슈퍼프레임구성 장치의 구성을 참조하여 슈퍼프레임 구성 방법을 살펴보겠다.
본 발명의 슈퍼프레임구성 장치(900)는 슈퍼프레임구조결정부(901), 타임슬롯결정부(903) 및 비컨생성부(905)를 포함한다.
슈퍼프레임구조결정부(901)는 슈퍼프레임의 활성 구간 결정에 이용되는 슈퍼프레임 오더(SO) 값 및 비컨 인터벌(BI) 결정에 이용되는 비컨 오더(BO) 값을 결정한다(S810). 슈퍼프레임은 활성 구간과 비활성 구간으로 구성된다.
타임슬롯결정부(903)는 활성 구간의 경쟁구간(CAP) 및 비경쟁구간(CFP)을 결정하고, 경쟁구간에 타임슬롯 및 타임슬롯 번호를 할당한다(S830).
타임슬롯결정부(903)는 슈퍼프레임 오더 값을 기초로 비경쟁구간의 최대 타임슬롯 개수를 결정한다(S850). 타임슬롯결정부(903)는 비경쟁구간의 타임슬롯인 보증타임슬롯(GTS)의 개수를 결정함에 있어서, 기존 표준 방식에 따를 것인지 슈퍼프레임 오더 값을 기초로 개수를 결정하는 방식을 따를 것인지를 결정한다. 타임슬롯결정부(903)는 슈퍼프레임 오더 값이 속하는 범위를 확인하고, 슈퍼프레임 오더 값이 증가하면 보증타임슬롯의 길이를 줄여 비경쟁구간의 타임슬롯 길이와 경쟁구간의 타임슬롯 길이 비를 줄임으로써 비경쟁구간의 최대 타임슬롯 개수를 증가시킨다.
비컨생성부(905)는 결정된 슈퍼프레임 구조 및 타임슬롯 정보를 프레임 필드에 표시하여 비컨 프레임을 생성하여 전송한다. 비컨생성부(905)는 보증타임슬롯의 최대 개수를 결정하는 방식을 표시하기 위해 슈퍼프레임 명세 필드의 사용하지 않는 부필드 내에 비경쟁구간 확장 비트를 제공한다. 이때 활성 구간 결정에 이용되는 슈퍼프레임 오더 값을 기초로 보증타임슬롯의 최대 개수를 결정하도록 비경쟁구간 확장 비트를 1로 설정할 수 있다. 비컨생성부(905)는 보증타임슬롯 개수 확장을 위해 GTS 명세 필드의 사용하지 않는 부필드를 제거하고, 디스크립트 카운트 부필드 내에 제거된 부필드의 비트를 부가한다. 비컨생성부(905)는 GTS 명세 필드의 디스크립트 카운트 값에 따라 비트 확장이 가능하도록 GTS 방향 필드 내의 방향 마스크 부필드의 비트수를 확장한다. 비컨생성부(905)는 GTS 목록 필드의 GTS 시작 슬롯과 GTS 길이 부필드의 비트수를 확장한다.
한편, GTS 요청 명령 프레임 생성시 보증타임슬롯의 최대 개수를 활성 구간 결정에 이용되는 슈퍼프레임 오더 값을 기초로 결정하는 경우, GTS 요청 명령 프레임의 GTS 특성 필드 내 GTS 길이 부필드의 비트수를 확장한다.
이하에서는 종래의 기술과 본 발명을 적용하여 실제로 데이터를 전송하는 경우를 예로서 비교 설명하겠다.
도 10은 IEEE 802.15.4의 OQPSK 250kbps 시스템에서 SO 값이 7일 경우, 각각 2000 바이트 (4000 심볼) 및 4000 바이트 (8000 심볼)의 데이터를 주기적으로 전송하는 두 노드 A 및 B에게 각각 GTS1 및 GTS2를 할당한 예이다.
IEEE 802.15.4 슈퍼프레임 구조에서 SD는 활성(Active) 구간의 심볼 수를, BI(Beacon Interval)는 활성 및 비활성(Inactive) 구간을 더한 전체 심볼 수를 나타낸다. 한 슬롯의 길이인 SlotD(Slot Duration)는 다음 [식 1]로 나타낼 수 있다.
SlotD=aBaseSlotDuration×2SO .........[식 1]
여기서 aBaseSlotDuration은 SO 값이 0일 때 한 슬롯을 구성하는 심볼 수로서, IEEE 802.15.4 표준에서는 그 값을 60으로 정하고 있다. 그리고 aBaseSuperframeDuration은 SO 값이 0일 때의 슈퍼프레임을 구성하는 심볼 수를 의미하며, 다음 [식 2]와 같이 나타낼 수 있다. IEEE 802.15.4 표준에서는 그 값을 16으로 정하고 있다.
aBaseSuperframeDuration=aBaseSlotDuration×aNumSuperframeSlots×2SO .........[식 2]
물리계층에서 전송 가능한 최대 심볼 수(phyMaxFrameDuration)는 1064이므로 노드 A의 데이터는 4개의 LIFS(Long Interframe Spacing)에 의해 4개의 프레임으로 분리된다. LIFS 구간의 최소 심볼 수(macMinLIFSPeriod) 값 40을 고려할 경우 노드 A가 차지하는 총 심볼 수는 4160이 된다. 단, 여기에서 확인응답(Acknowledgement)은 사용하지 않는 것으로 가정하였다. 이와 마찬가지로 노드 B는 8개의 LIFS가 필요하므로 총 8320개의 심볼을 차지한다.
[식 1]에 의해 슈퍼프레임 한 개의 슬롯 동안 7680개의 심볼을 전송할 수 있는데, 이는 OQPSK 250kbps 시스템에서 122.88 msec 동안 3840 바이트의 데이터를 전송할 수 있음을 의미한다. 따라서 노드로부터 GTS 할당 요청을 받은 PAN 코디네이터는 GTS1에는 한 개의 슬롯을, GTS2에는 두 개의 슬롯을 각각 할당하게 된다. 그러나, 이로 인해 GTS1에는 3520개의 심볼 수만큼, GTS2에는 7040개의 심볼에 해당하는 대역폭 손실이 발생함을 알 수 있다. 이러한 대역폭 낭비는 SO 값이 클수록 더욱 증가하게 된다. 이론적으로 하나의 GTS 슬롯에서 낭비될 수 있는 자원은 0에서 (SlotD-1) 사이의 심볼 개수만큼 될 수 있다. 따라서 GTS를 구성하는 심볼의 SlotD 값이 클수록 대역폭 낭비가 증가될 수 있다.
본 발명에서 제안한 방법을 위에서 언급한 예에 적용하여 보면 기존 IEEE 802.15.4에 비해 훨씬 더 효율적인 자원 할당이 가능함을 확인 할 수 있다.
표 2는 위의 예에서 IEEE 802.15.4 및 본 발명에서 제안한 방법에 의해 두 GTS에 할당하는 자원을 비교하고 있다.
구분 GTS1 GTS2
요구자원
(심볼)		 할당자원 (심볼) 낭비자원 (심볼) 요구자원
(심볼)		 할당자원 (심볼) 낭비자원 (심볼)
IEEE 802.15.4 4,160 7,680 3,520 8,320 15,360 7,040
제안 방안 4,160 5,760 1,600 8,320 9,600 1,280
이상에서 본 바와 같이 본 발명에서 제안한 방법이 기존 IEEE 802.15.4에 비해 훨씬 더 효율적인 자원 예약이 가능하고, 할당할 수 있는 GTS의 개수도 최대 127개까지 가능하므로 동시에 많은 개수의 디바이스에 대한 동시 다중 링크 연결이 가능하고 IEEE 802.15.4의 확장성 문제를 해결할 수 있음을 알 수 있다.
다른 실시예에서, 본 발명은 본 발명을 실시하기 위한 컴퓨터 소프트웨어 명령으로 프로그램된 프로세서/컨트롤러 대신 또는 그 결합에 의한 하드웨어가 사용될 수 있다. 따라서 본 발명은 하드웨어 및 소프트웨어의 특정 결합에 제한되지 않는다.
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 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 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 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
지금까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 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 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 IEEE 802.15.4에서 정의된 슈퍼프레임(Superframe) 구조이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표 1에서 SO 값이 4일 경우 CFP 구간의 슬롯 수 변화와 슬롯 번호를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기존 IEEE 802.15.4 표준과의 호환을 위해 변경된 슈퍼프레임 명세 필드를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기존 IEEE 802.15.4 표준과의 호환을 위해 변경된 GTS 명세 필드를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기존 IEEE 802.15.4 표준과의 호환을 위해 변경된 GTS 방향 필드를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기존 IEEE 802.15.4 표준과의 호환을 위해 변경된 GTS 목록 필드를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기존 IEEE 802.15.4 표준과의 호환을 위해 변경된 GTS 요청 명령 프레임의 GTS 특성 필드를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 저속의 무선 네트워크의 슈퍼프레임구성 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 저속의 무선 네트워크의 슈퍼프레임구성 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 10은 IEEE 802.15.4의 OQPSK 250kbps 시스템에서 SO 값이 7일 경우, 각각 2000 바이트 및 4000 바이트의 데이터를 주기적으로 전송하는 두 노드 A 및 B에게 각각 GTS1 및 GTS2를 할당한 예이다.

Claims (10)

  1. 활성 구간과 비활성 구간으로 구성된 슈퍼프레임의 상기 활성 구간 결정에 이용되는 슈퍼프레임 오더 값을 결정하는 단계; 및
    상기 슈퍼프레임 오더 값을 기초로 상기 활성 구간을 구성하는 비경쟁구간의 최대 타임슬롯 개수를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저속의 무선 네트워크의 슈퍼프레임구성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비경쟁구간의 최대 타임슬롯 개수 결정 단계는,
    상기 슈퍼프레임 오더 값의 크기에 따라 상기 비경쟁구간의 타임슬롯 길이 값을 변경시킴으로써 최대 타임슬롯 개수를 변경하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저속의 무선 네트워크의 슈퍼프레임구성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비경쟁구간의 타임슬롯의 위치는 상기 비경쟁구간과 함께 상기 활성 구간을 구성하는 경쟁구간의 마지막 타임슬롯 필드 정보로부터 파악되는 것을 특징으로 하는 저속의 무선 네트워크의 슈퍼프레임구성 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 최대 타임슬롯 개수 변경 단계는,
    상기 슈퍼프레임 오더 값이 커지면 상기 비경쟁구간의 타임슬롯 길이 값을 감소시키고 최대 타임슬롯 개수를 증가시킴으로써 상기 최대 타임슬롯 개수를 변경하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저속의 무선 네트워크의 슈퍼프레임구성 방법.
  5. 활성 구간과 비활성 구간으로 구성된 슈퍼프레임의 상기 활성 구간 결정에 이용되는 슈퍼프레임 오더 값을 결정하는 슈퍼프레임구조결정부; 및
    상기 슈퍼프레임 오더 값을 기초로 상기 활성 구간을 구성하는 비경쟁구간의 최대 타임슬롯 개수를 결정하는 타임슬롯결정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저속의 무선 네트워크의 슈퍼프레임구성 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 타임슬롯결정부는,
    상기 슈퍼프레임 오더 값의 크기에 따라 상기 비경쟁구간의 타임슬롯 길이 값을 변경시킴으로써 최대 타임슬롯 개수를 변경하는 것을 특징으로 하는 저속의 무선 네트워크의 슈퍼프레임구성 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 비경쟁구간의 타임슬롯의 위치는 상기 비경쟁구간과 함께 상기 활성 구간을 구성하는 경쟁구간의 마지막 타임슬롯 필드 정보로부터 파악되는 것을 특징으로 하는 저속의 무선 네트워크의 슈퍼프레임구성 장치.
  8. 저속의 무선 네트워크의 비컨 프레임 생성 방법에 있어서,
    활성 구간과 비활성 구간으로 구성된 슈퍼프레임의 상기 활성 구간을 구성하는 비경쟁구간의 타임슬롯인 보증타임슬롯의 최대 개수를 결정하는 방식을 표시하기 위해 슈퍼프레임 명세 필드의 사용하지 않는 부필드 내에 비경쟁구간 확장 비트를 제공하는 단계;
    상기 보증타임슬롯 개수 확장을 위해 보증타임슬롯 명세 필드의 사용하지 않는 부필드를 제거하고, 디스크립트 카운트 부필드 내에 제거된 부필드의 비트를 부가하는 단계;
    상기 보증타임슬롯 명세 필드의 디스크립트 카운트 값에 따라 비트 확장이 가능하도록 보증타임슬롯 방향 필드 내의 방향 마스크 부필드의 비트수를 확장하는 단계; 및
    보증타임슬롯 목록 필드의 시작 슬롯과 길이 부필드의 비트수를 확장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비컨 프레임 생성 방법.
  9. 제8항에 있어서, 비경쟁구간 확장 비트 제공 단계는,
    활성 구간 결정에 이용되는 슈퍼프레임 오더 값을 기초로 보증타임슬롯의 최대 개수를 결정하도록 비경쟁구간 확장 비트를 1로 설정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비컨 프레임 생성 방법.
  10. 저속의 무선 네트워크에서 활성 구간과 비활성 구간으로 구성된 슈퍼프레임 의 상기 활성 구간을 구성하는 비경쟁구간의 타임슬롯인 보증타임슬롯(GTS) 요청 명령 프레임 생성 방법에 있어서,
    보증타임슬롯의 최대 개수를 활성 구간 결정에 이용되는 슈퍼프레임 오더 값을 기초로 결정하는 경우, 보증타임슬롯 요청 명령 프레임의 보증타임슬롯 특성 필드 내 보증타임슬롯 길이 부필드의 비트수를 확장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 보증타임슬롯(GTS) 요청 명령 프레임 생성 방법.
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