KR20100120084A - 인체 주변 네트워크 수퍼프레임을 이용한 데이터 통신 방법 - Google Patents

인체 주변 네트워크 수퍼프레임을 이용한 데이터 통신 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인체 주변 네트워크 수퍼프레임을 이용한 데이터 통신 방법에 관한 것으로, 광고 구간, 경쟁 매체 접근 구간, 비컨 구간 및 데이터 전송 구간을 포함하는 수퍼프레임을 이용하여 데이터를 전송하는 방법에 있어서, 조정자 노드가 상기 광고 구간 동안 기 정해진 정보를 브로드캐스트하는 단계; 데이터 전송을 원하는 노드가 상기 경쟁 매체 접근 구간이 개시되고 기 설정된 백오프 시간이 지난 후 반송파 센싱을 거쳐 비어있는 경우에만 데이터를 전송하는 단계; 각 노드가 상기 비컨 구간 동안 주기적인 비컨 신호를 브로트캐스트하는 단계; 및 상기 각 노드가 상기 데이터 전송 구간 동안 연속 데이터 및 주기적 데이터를 전송하는 단계를 포함하여 구성된다.

Description

인체 주변 네트워크 수퍼프레임을 이용한 데이터 통신 방법 {DATA COMMUNICATION METHOD USING BODY AREA NETWORK SUPERFRAME}
본 발명은 인체 주변 네트워크 수퍼프레임을 이용한 데이터 통신 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광고 구간(Advertisement Period), 경쟁 매체 접근 구간(Contention Access Period; CAP), 비컨(Beacon), 데이터 전송 구간(Data Transmit Period; DTP) 및 비활성 구간(Inactive Period)을 포함하여 구성된 인체 주변 네트워크(Body Area Network; BAN) 수퍼 프레임을 이용하여 데이터 통신을 수행하도록 함으로써 다양한 품질의 데이터 전달을 보장하고 에너지 소모를 줄이기 위한 기술에 관한 것이다.
본 발명은 한국산업기술평가원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-052, 과제명: QoS 및 확장성지원(S-MoRe) 센서네트워크 고도화 기술개발 (표준화연계)].
일반적으로 상용 무선 통신 기기들은 동일한 무선 주파수 대역을 공유하게 되며, 이로 인한 간섭신호는 수신 신호 품질의 저하를 야기하여 무선 통신 시스템의 성능을 떨어뜨리는 주된 원인이 된다.
무선 간섭 신호는 동일한 종류의 어플리케이션을 수행하는 무선 기기에 의한 자가 간섭 신호(self-interfering signal)와 동일한 무선 주파수 대역을 사용하는 다른 종류의 무선 기기에서 기인되는 상호 간섭 신호(mutual interfering signal)로 구분된다.
자가 간섭 신호는 주로 신호의 직교성(orthogonality)을 이용하는 주파수 분할 방식, 시분할 방식, 코드 분할 방식 등의 매체 접근 방식(MAC)을 통해 해결한다. 상호 간섭 신호는 무선 기기간 동일한 매체 접근 방식(MAC)을 사용하여 무선 기기간 경쟁(contention)을 해결한다.
무선 네트워크에서 가장 널리 사용되는 MAC 방식은 반송파(carrier)를 센싱하여 충돌을 사전에 방지하는 방식인 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect)인데, 이 방식에 의하면 전송 대역을 보장할 수 없다는 단점이 있다.
또 다른 방식으로, 무선 전송 링크를 공유하는 기기들간 점유 시간 할당에 의한 제어 방식인 TDMA(Time Division Multiple Access)가 있는데, 이 방식은 할당 타임 슬롯까지 전송이 지연된다는 단점이 있다.
한편, 인체 주변 네트워크(Body Area Network; BAN)의 통신은, 비상 경보인 긴급 바이탈(emergency vital sign), 시간 지연에 민감한 데이터인 EEG/ECG/EMG, 일상적인 의료 정보로서 지연보다는 데이터 전달 신뢰성이 중요한 체온, 혈압 등과 같은 정보, 및 비디오 및 오디오와 같은 스트림 데이터 등과 같이 트래픽의 우선순위와 버스트(burst), 주기(periodic), 연속성(continuous) 면에서 다양한 종류의 데이터를 수용하여야 한다는 요구사항이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광고 구간, 경쟁 매체 접근 구간, 비컨, 데이터 전송 구간 및 비활성 구간을 포함하여 구성된 인체 주변 네트워크 수퍼 프레임을 이용하여 데이터 통신을 수행하도록 함으로써 다양한 품질의 데이터 전달을 보장하고 에너지 소모를 줄일 수 있도록 하는 인체 주변 네트워크 수퍼프레임을 이용한 데이터 통신 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 인체 주변 네트워크 수퍼프레임을 이용한 데이터 통신 방법은, 광고 구간, 경쟁 매체 접근 구간, 비컨 구간 및 데이터 전송 구간을 포함하는 수퍼프레임을 이용하여 데이터를 전송하는 방법에 있어서, 조정자 노드가 상기 광고 구간 동안 기 정해진 정보를 브로드캐스트하는 단계; 데이터 전송을 원하는 노드가 상기 경쟁 매체 접근 구간이 개시되고 기 설정된 백오프 시간이 지난 후 반송파 센싱을 거쳐 비어있는 경우에만 데이터를 전송하는 단계; 각 노드가 상기 비컨 구간 동안 주기적인 비컨 신호를 브로트캐스트하는 단계; 및 상기 각 노드가 상기 데이터 전송 구간 동안 연속 데이터 및 주기적 데이터를 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 제한된 링크 자원을 공유하여 다양한 품질의 데이터 전달을 보장할 수 있을 뿐만 아니라, 노드의 에너지 소모를 줄일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 인체 주변 네트워크 수퍼프레임의 구조를 도시하는 도면, 그리고
도 2는 본 발명에 의한 인체 주변 네트워크 수퍼프레임을 이용하여 통신을 수행하는 다양한 실시예를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명은 인체 주변 네트워크(Body Area Network; BAN)에서 사용되는 수퍼프레임의 구조 및 이를 이용한 데이터 통신 방법을 제안하기 위한 것으로, 인체 주변 네트워크라 함은 인체 내부 및 인체 주변 범위를 대상으로 하는 통신 네트워크를 의미한다.
도 1은 본 발명에 의한 인체 주변 네트워크 수퍼프레임의 구조를 도시하는 도면으로, BAN 수퍼프레임은 광고 구간(Advertisement Period)(10), 경쟁 매체 접근 구간 (Contention Access Period; CAP)(20), 비컨(Beacon)(30), 데이터 전송 구간 (Data Transmit Period; DTP)(40) 및 비활성 구간(Inactive Period)(50)을 포함하여 구성된다.
광고 구간(10)은, 인체 주변 네트워크 조정자(BAN Coordinator; BC)가 자신이 유지하는 동기화 정보, BC의 주소, CAP(20)의 길이, 광고 인터벌 (Advertisement Interval; AI) 중 하나 이상을 포함하는 정보를 브로드캐스트 (broadcast)하는 구간이다. 이때, 광고 인터벌은 하나의 수퍼프레임의 광고 구간(10)으로부터 다음 수퍼프레임의 광고 구간(10')이 될 때까지의 간격을 의미한다. 인체 주변 네트워크에 새로 접속한 노드들은 광고 구간(10)동안 BC가 브로드캐스트한 정보를 이용하여 클록을 조정하고, BC와 BAN-SF에 대한 정보를 획득한다.
종래의 일반적인 비컨 기반의 수퍼프레임은 '비컨/경쟁 매체 접근 구간/타임 슬롯'의 구조로 이루어져 있고, 모든 노드는 비컨 신호를 수신하여 동기 및 네트워크 정보를 획득한 후 이를 기준으로 데이터 전송 및 수신을 수행하였다. 하지만, 인체통신이 적용될 수 있는 서비스에서는 새로운 장치가 네트워크에 빠르게 접속하면서 바로 데이터의 전송을 요구하는 경우가 있다. 이 경우, 종래의 방식에 따르면, 비컨 신호를 듣고, 경쟁 매체 접근 구간에서 접속을 요구하고, 다음 비컨 신호를 들은 후에야 데이터를 송수신할 수 있어, 수퍼프레임의 길이만큼의 최소 지연시간이 생기는 단점이 있었다. 그러나, 본 발명에 따르면, 광고 구간(10)에서 정보를 획득한 후 경쟁 매체 접근 구간 (20)에서 바로 접속 요청 및 슬롯 할당을 요청하여 바로 이어지는 데이터 전송 구간(40)에서 정상적으로 데이터를 송수신할 수 있다는 장점이 있다. 즉, 본 발명에서는 이와 같은 요구사항을 충족시키기 위해 광고 구간(10)을 수퍼프레임의 맨 앞에 위치시킨 것이다.
경쟁 매체 접근 구간(20)은, 인체 주변 네트워크에 속한 노드들 중 데이터 전송을 원하는 노드들이 전송시 충돌을 피하기 위해 기 설정된 백오프(backoff) 시간을 기다린 후 반송파 에너지를 센싱하여 비어있는 경우 전송을 시도하는 방식으로 운용되는 구간이다.
이때, 각 노드들이 전송하고자 하는 데이터의 우선 순위 등급에 따라 백오프 시간이 상이하게 설정되도록 함으로써 우선 순위가 높은 데이터가 먼저 전송되도록 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 경쟁 매체 접근 구간(20)에서 전송되는 데이터의 종류로는 데이터 전송 구간(40)의 데이터 전송 슬롯의 점유를 위해 교환되는 커맨드 프레임(command frame), 경보 등과 같은 비주기적 데이터, 데이터 전송 슬롯에서 전송 실패한 데이터의 재전송 등을 포함할 수 있다.
비컨(30)은 네트워크의 주요 정보를 전달하기 위한 기준이 되는 주기적인 통신 신호를 전송하는 구간으로, 프레임 동기, 비컨의 간격, 데이터 전송 구간 (40)의 길이, 데이터 전송 구간(40) 내 슬롯의 점유 상태 정보 등을 제공할 수 있다. 비컨은 데이터 전송 구간(40) 이전에 네트워크에 속한 모든 노드로 브로드캐스트되며, 데이터 전송 슬롯을 점유한 노드들은 매 광고 인터벌마다 비컨 내의 슬롯 점유 상태 정보에 따라 슬롯의 점유 상태를 수정한다.
데이터 전송 구간(40)은 TDMA 방식에 따라 운용되며, 지연에 민감한 연속 데이터와 주기적 데이터 전송에 사용되는 구간이다. 데이터 전송 구간(40)은 일정 시간 크기의 슬롯으로 나누어지는데, 데이터 전송 슬롯(data transmit slot; DTS)(41)과 긴급 전송 슬롯(emergency transmit slot; ETS)(42)으로 구분될 수 있다.
데이터 전송 슬롯(41)은 주기적 데이터 전송을 위해 사전에 할당된 후 사용된다. 데이터 전송 슬롯(41)은 데이터 우선 순위 등급에 따라 할당될 수 있으며, 높은 순위 등급이 우선적으로 데이터 전송 슬롯(41)을 할당받도록 하는 것이 바람직하다.
긴급 전송 슬롯(42)은 노드들간 경쟁에 의해 획득된 후 비상 데이터 또는 일반 데이터의 전송을 위해 사용된다. 긴급 전송 슬롯(42)은 반송파의 센싱을 통해 다른 노드에 의한 긴급 전송 슬롯의 사용을 확인한 후, 비상 데이터 또는 비상 데이터가 없는 경우 일반 데이터의 전송을 함으로써 데이터간의 충돌을 방지한다. 긴급 데이터 전송이 필요한 노드는 데이터 전송 구간(40)에서 주기적으로 반복되는 긴급 전송 슬롯(42)에서 긴급 데이터를 전송할 수 있다. 데이터 전송 구간(40)이 일반적인 데이터 전송 슬롯(41)만으로 구성될 경우 자신의 할당 슬롯까지 기다려서 데이터를 전송할 수 있는데 반해, 본 발명에서는 긴급히, 바로 데이터를 전송할 필요가 있는 경우 긴급 전송 슬롯(42)에서 전송이 가능하여 전송 지연시간을 최소화할 수 있게 된다.
또한, 데이터 전송 구간(40)의 마지막 슬롯(43)은 데이터 전송 구간(40) 내의 전송에 대한 배치 ACK(Batch ACK)를 전송하는데 할당될 수도 있다. 또한, 데이터 전송 구간(40)에서 동일 소스로부터 연속된 멀티 슬롯(multi-slot)을 사용한 데이터 전송의 경우, 멀티 슬롯을 전송한 슬롯의 바로 다음 슬롯을 딜레이드 ACK(delayed ACK)용으로 사용할 수도 있다.
마지막으로, 비활성 구간(50)은 노드의 에너지 소비를 최소화하기 위해 데이터 전송 등의 활동을 하지 않는 비활성 구간이다. 다만, 에너지 공급이 충분한 BC의 경우, 비활성 구간(50)을 확장된 CAP (Extended CAP; ECAP)으로 사용할 수 있으며, 이 경우 모든 종류의 데이터가 전송될 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 인체 주변 네트워크의 데이터 우선 순위 등급은 5개 등급으로 구분된다. 예를 들어, 등급 0은 비상 경보로 긴급 바이탈(emergency vital sign), 배터리 소진 등의 정보에 할당될 수 있다. 등급 1은 의료 정보 중 시간 지연에 민감한 데이터인 EEG/ECG/EMG 등의 정보에 할당될 수 있다. 등급 2는 일상적인 의료 정보로 지연보다는 데이터 전달 신뢰성이 중요한 체온, 혈압과 같은 정보에 할당될 수 있다. 등급 3은 비디오, 오디오와 같은 비의료 연속 데이터에 할당될 수 있다. 마지막으로 등급 4는 기타 일반 데이터에 할당될 수 있다. 이와 같은 데이터 우선 순위 등급은 데이터의 종류와 요구되는 조건에 따라 다양하게 할당될 수 있다.
위와 같이 할당된 데이터 우선 순위 등급은 데이터 전송시 처리 순서로 적용되는 것이 바람직하다. 또한, 긴급 전송 슬롯에서는, 우선 순위가 높은 데이터를 전송하는 노드가 기존의 슬롯 점유 노드보다 더 짧은 백오프 및 반송파 센싱을 수행하도록 함으로써 우선적으로 긴급 전송 슬롯을 점유하도록 할 수 있다.
한편, 에너지의 소비를 최소화하기 위해, BAN 조정자와 각 노드들은 비활성 상태를 유지할 수 있다. 예를 들어, BAN 조정자는 경쟁 매체 접근 구간 또는 데이터 전송 구간 후 다른 활동이 없으면 비활성 상태를 유지할 수 있다. 또한, 연속 데이터를 전송하는 노드는 데이터 전송 슬롯의 점유가 완료되면 비컨과 점유된 타임 슬롯 이외에는 비활성 상태를 유지할 수 있다. 또한, 일상적 데이터를 전송하는 노드는 먼저 도달하는 경쟁 매체 접근 구간 또는 확장된 경쟁 매체 접근 구간에서만 보고를 위해 활성 상태가 될 수 있으며, 경보를 전송하는 노드는 경쟁 매체 접근 구간, 긴급 전송 슬롯 및 확장된 경쟁 매체 접근 구간 중 가장 먼저 도달하는 구간에서 보고를 위해 활성 상태가 될 수 있다.
도 2는 본 발명에 의한 인체 주변 네트워크 수퍼프레임을 이용하여 통신을 수행하는 다양한 실시예를 도시하는 도면이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 데이터 우선 순위 등급이 서로 다른 노드들 간의 데이터 전송 슬롯 점유 차이점을 도시하기 위한 것으로, 높은 우선 순위 등급을 갖는 노드가 우선적으로 데이터 전송 슬롯을 점유함을 알 수 있다.
또한, 도 2의 (c)는 연속된 멀티 슬롯을 사용한 데이터 전송의 경우 바로 다음 슬롯을 딜레이드 ACK(delayed ACK)용으로 사용하는 것을 도시한 것이다.
또한, 도 2의 (d)는 긴급 전송 슬롯을 활용하여 경보 데이터를 전송한 후 즉각적인 ACK(Immediate ACK)를 전송하는 것을 도시한 것이다.
또한, 도 2의 (e)는 경쟁 매체 접근 구간에서 전송 실패한 데이터를 확장된 경쟁 매체 접근 구간에서 재전송하는 것을 도시한 것이다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
10: 광고 구간(Advertisement Period)
20: 경쟁 매체 접근 구간(Contention Access Period; CAP)
30: 비컨(Beacon)
40: 데이터 전송 구간(Data Transmit Period; DTP)
41: 데이터 전송 슬롯(Data Transmit Slot; DTS)
42: 긴급 전송 슬롯(Emergency Transmit Slot; ETS)
43: 배치 ACK(Batch ACK)
50: 비활성 구간(Inactive Period)

Claims (11)

  1. 광고 구간, 경쟁 매체 접근 구간, 비컨 구간 및 데이터 전송 구간을 포함하는 수퍼프레임을 이용하여 데이터를 전송하는 방법에 있어서,
    조정자 노드가 상기 광고 구간 동안 기 정해진 정보를 브로드캐스트하는 단계;
    데이터 전송을 원하는 노드가 상기 경쟁 매체 접근 구간이 개시되고 기 설정된 백오프 시간이 지난 후 반송파 센싱을 거쳐 비어있는 경우에만 데이터를 전송하는 단계;
    각 노드가 상기 비컨 구간 동안 주기적인 비컨 신호를 브로트캐스트하는 단계; 및
    상기 각 노드가 상기 데이터 전송 구간 동안 연속 데이터 및 주기적 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 주변 네트워크 수퍼 프레임을 이용한 데이터 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기 정해진 정보는, 상기 조정자 노드가 유지하는 동기화 정보, 상기 조정자 노드의 주소, 상기 경쟁 매체 접근 구간의 길이, 및 광고 인터벌 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 주변 네트워크 수퍼 프레임을 이용한 데이터 전송 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 백오프 시간은 상기 데이터의 우선 순위 등급에 따라 상이하게 설정되는 것을 특징으로 하는 인체 주변 네트워크 수퍼 프레임을 이용한 데이터 전송 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 경쟁 매체 접근 구간에서 전송 가능한 데이터는, 데이터 전송 슬롯의 점유를 위해 교환되는 커맨드 프레임, 비주기적 데이터 및 전송 실패하여 재전송하는 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체 주변 네트워크 수퍼 프레임을 이용한 데이터 전송 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 전송 구간은 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식에 따라 운용되는 것을 특징으로 하는 인체 주변 네트워크 수퍼 프레임을 이용한 데이터 전송 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 데이터 전송 구간은 일정 시간 크기의 슬롯으로 나누어지며, 상기 슬롯은 데이터 전송 슬롯 및 긴급 전송 슬롯으로 구분되는 것을 특징으로 하는 인체 주변 네트워크 수퍼 프레임을 이용한 데이터 전송 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 데이터 전송 슬롯은 주기적 데이터 전송을 위해 데이터의 우선 순위 등급에 따라 상기 각 노드로 할당되는 것을 특징으로 하는 인체 주변 네트워크 수퍼 프레임을 이용한 데이터 전송 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 긴급 전송 슬롯은 노드들간의 경쟁에 의해 임의의 노드로 할당되는 것을 특징으로 하는 인체 주변 네트워크 수퍼 프레임을 이용한 데이터 전송 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 데이터 전송 구간의 마지막 슬롯은 배치 ACK(Batch ACK)를 전송하기 위해 할당되는 것을 특징으로 하는 인체 주변 네트워크 수퍼 프레임을 이용한 데이터 전송 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 데이터 전송 구간의 슬롯에서 연속 데이터를 전송하는 멀티 슬롯 직후의 슬롯은 딜레이드 ACK(delayed ACK)를 전송하기 위해 할당되는 것을 특징으로 하는 인체 주변 네트워크 수퍼 프레임을 이용한 데이터 전송 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 수퍼프레임은 에너지 절약을 위해 활동을 하지 않는 비활성 구간을 더 포함하며,
    상기 조정자 노드는 에너지 공급이 기 설정된 기준 이상인 경우 상기 비활성 구간을 확장된 경쟁 매체 접근 구간으로 활용하는 것을 특징으로 하는 인체 주변 네트워크 수퍼 프레임을 이용한 데이터 전송 방법.
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