KR20110058802A

KR20110058802A - 인체 영역 네트워크들에 대한 매체 액세스 제어（ｍａｃ） 프로토콜들에서의 듀티 사이클링 기술들

Info

Publication number: KR20110058802A
Application number: KR1020117005555A
Authority: KR
Inventors: 몰린 디. 파텔; 카를로스 엠. 코데이로
Original assignee: 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2008-08-11
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-06-01
Also published as: EP2324678B1; KR101582523B1; JP2011530935A; ES2390252T3; WO2010018521A3; CN102119576B; US8493993B2; EP2324678A2; WO2010018521A2; US20110182222A1; JP5311593B2; CN102119576A

Abstract

인체 영역 네트워크(BAN)에서 매체 액세스 제어(MAC) 듀티 사이클링이 실행된다. 상기 듀티 사이클링은: BAN의 무선 매체가 자유로울 때 웨이크-업(WUP) 메시지를 송신기 노드로부터 하나 이상의 목표 수신기 노드들에 송신하는 단계(S510); 적어도 하나의 목표 수신기 노드가 송신기 노드의 스니프 시간 간격 동안 READY 메시지로 응답하는지를 결정하는 단계(S520); READY 메시지가 수신되지 않았을 때 송신기 노드에 의해 송신된 다수의 WUP 메시지들이 미리 규정된 문턱값을 초과하는지를 결정하는 단계(S540); 및 다수의 WUP 메시지들이 미리 결정된 문턱값을 초과할 때 송신기 노드를 TURN 모드에서 동작하도록 세팅하는 단계(S550)를 포함한다.

Description

인체 영역 네트워크들에 대한 매체 액세스 제어（ＭＡＣ） 프로토콜들에서의 듀티 사이클링 기술들{DUTY CYCLING TECHNIQUES IN MEDIUM ACCESS CONTROL (MAC) PROTOCOLS FOR BODY AREA NETWORKS}

본 출원은 모두 2008년 8월 11에 제출된 미국 가출원 번호 61/087,740 및 미국 가출원 번호 61/087,742의 이점을 주장한다.

본 발명은 일반적으로 무선 네트워크들에서 이용되는 매체 액세스 제어(medium access control: MAC) 프로토콜들에 관한 것으로서, 특히 인체 영역 네트워크(body area network: BAN)들과 같이 저 전력 무선 센서 네트워크들에서 이용되는 MAC 프로토콜에 관한 것이다.

인체 영역 네트워크(BAN)는 주로 생체 신호들의 영구적인 모니터링 및 로깅(logging)을 위하여 설계된다. 도 1에 도시된 예시적인 BAN는 전형적으로 착용 가능하거나 인간의 신체 내로 이식될 수 있는 센서들인 다수의 노드(node)들(120)을 포함한다. 노드들(120)은 생체 파라미터들 및 움직임들을 모니터링하고, 무선 매체를 통해 서로 통신한다. 노드들(120)은 데이터를 인체로부터 하나 이상의 디바이스들(130)에 전송할 수 있고 데이터는 하나 이상의 디바이스들(130)로부터 실시간으로, 근거리 통신망(local area network: LAN), 광역 통신망(wide area network: WAN), 셀룰러 네트워크 등을 통해 병원, 클리닉 또는 그 밖의 다른 곳으로 전송될 수 있다.

BAN을 설계하는데 있어서 중요한 요인들 중 하나는 노드들(120) 및/또는 디바이스들(130)의 에너지 효율이다. 효율적인 에너지 소비는 청취 상태(listen state) 및 휴면 상태(sleep state) 사이의 수신기 노드(즉, 데이터를 수신하는 노드)를 최적으로 듀티 사이클링(duty cycling)함으로써 달성될 수 있다. 노드의 무선장치는 노드가 데이터를 송신하거나 수신하지 않을 때 턴-오프(turn-off)되어(즉, 휴면 상태가 된다) 에너지를 절약한다. 듀티 사이클링은 유휴 청취, 오버히어링(overhearing), 충돌들을 최소화하고 궁극적으로 절전하도록 하는 오버헤드(overhead)를 제어할 목적으로 MAC 프로토콜에 의해 실행된다.

관련된 기술에서 여러 동기 및 비동기 MAC 듀티 사이클링 기술들이 개시되어 있다. 동기 듀티 사이클링은 휴면 또는 웨이크업(wake-up) 스케줄들을 주기적으로 광고하고 수신기 노드들의 어웨이크 시간(awake time)들을 동기화하는 것을 포함한다. 이는 비컨(beacon)들과 같은 명시적인 동기화 메커니즘을 필요로 한다. 비동기 듀티 사이클링에서, 송신기 노드(즉, 데이터를 송신하는 노드) 및 청취 노드(즉, 매체를 청취하는 노드)는 독자적인 휴면 및 어웨이크 시간들을 가지고, 이 기술은 임의의 동기화 메커니즘을 필요로 하지 않는다.

프리앰블 샘플링 기술(preamble sampling technique)은 WiseMAC, B-MAC, 및 X-MAC와 같은, 비동기 듀티 사이클링 MAC 프로토콜들에서 광범위하게 이용된다. WiseMAC는 2004년 6월에 이집트, 알렉산드리아, Computers and Communication에 대한 제9차 IEEE 심포지엄, ICCC'04의 회보, 페이지 244 내지 251에서 El-Hoiydi 등에 의해 출간된 "WiseMAC: An Ultra Low Power MAC Protocol for the Downlink of Infrastructure Wireless Sensor Networks"에 더 기술되어 있다. B-MAC는 Polastre 등에 의해 2004년 11월, ACM Sensys, "Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks"에 기술되어 있고, X-MAC 프로토콜은 Buettner 등에 의해, 2006년 ACM SenSys, "X-MAC: A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks"에 공개되어 있다.

도 2에 도시되는 바와 같이, 프리앰블 샘플링 기술에서 모든 노드들은 짧은 시간의 지속기간("T_L") 동안 매체를 주기적으로 청취하고나서 매체가 유휴 상태가 되면 시간 지속기간("T_CI") 동안 휴면 상태로 복귀한다. 두 연속 청취 시간들(T_L) 사이의 시간(T_CI)은 조사 간격(check interval)이다. 시간 간격들(T_CI + T_L)의 결합은 웨이크-업 시간 간격이다. 송신기 노드가 전송할 데이터를 가지고 있을 때, 송신기 노드는 수신기 노드의 조사 시간 간격(T_CI)보다 더 긴 웨이크-업(WUP) 메시지(210)를 송신한다. 프리앰블 샘플링 기술에서 WUP 메시지(210)는 프리앰블들만을 반송(carry)하고 어떤 다른 정보도 반송하지 않는다. 수신기 노드가 웨이크-업하면, 수신기 노드는 매체를 감지하고 WUP 메시지(210)를 검출한다. 이는 데이터가 완전히 수신될 때까지 그리고/또는 매체가 다시 유휴 상태가 될 때까지 수신기 노드로 하여금 어웨이크인 채로 유지되도록 한다.

WUP 메시지(210)의 길이는 실제 데이터가 송신될 때 수신기 노드가 어웨이크되는 것을 보장하기 위해 조사 간격(T_CI)보다 더 길어야만 한다. 수신기 노드의 조사 기간(T_CI)이 매우 긴 경우, WUP 메시지 송신들은 오랜 시간 동안 매체를 점유할 수 있고, 이에 의해, 다른 노드들이 매체에 액세스하는 것을 방지할 수 있다.

상기 분야의 기술들의 현재 상태의 다른 단점은 예시적인 시나리오를 기술하는 도 3에서 도시되고, 여기서 노드들(300-A, 300-B, 300-C, 및 300-D)은 BAN 내에서 이웃들이다. 다음의 시나리오에서, 송신기 노드(300-A)는 데이터를 수신기 노드(300-B)로 송신하는 시도를 하고, 송신기 노드(300-C)는 데이터를 노드 수신기(300-D)로 송신하는 시도를 한다. 모든 노드들(300-A, 300-B, 300-C, 및 300-D)은 서로의 송신 및 수신 범위 내에 있다.

시간(T₁)에서, 송신기 노드(300-A)는 수신기 노드(300-B)에 데이터를 송신할 준비가 되어 있고, 수신기 노드(300-B)는 시간(T₄)에서 웨이크-업하도록 스케줄링된다. 시간들(T₁ 내지 T₄) 동안, 노드(300-A)는 일련의 웨이크-업(WUP) 메시지들(320)을 수신기 노드(300-B)로 송신함으로써 매체를 점유한다. 시간(T₂)에서, 송신기 노드(300-C)는 수신기 노드(300-D)로 송신될 준비가 되어 있는 데이터 패킷을 갖는다. 그러나, 송신기 노드(300-C)는 매체가 유휴 상태가 되는 것을 대기해야만 한다. 수신기 노드(300-D)는 시간(T₃)에서 웨이크업하고, 매체가 노드(300-A)에 의해 점유됨으로 인해 잠재적인 송신기 노드(300-C)가 자체의 WUP 메시지들을 송신할 수 없으므로, 자신이 목표 수신기 노드들 중에 있지 않음을 발견한다. 결과적으로, 노드(300-D)는 휴면 상태로 복귀한다. 그러므로, 송신기(300-C)는 매체가 노드(300-A)에 의해 점유되었기 때문에, 노드(300-D)가 웨이크업했을 때 패킷들을 수신기 노드(300-D)에 송신할 기회를 상실한다. 게다가, 송신기 노드(300-A)는 데이터를 노드(300-B)로 전송하기 위해서 긴 시간기간 동안 대기해야만 한다. 이는 BAN MAC 프로토콜의 성능을 현저하게 저하시켜서 레이턴시(latency)가 증가하고, 처리량이 감소하고 에너지 소비가 증가하도록 한다.

그러므로, 듀티 사이클링 MAC 프로토콜들을 위한 효율적인 해법을 제공하는 것이 유용할 것이다.

본 발명의 특정 실시예들은 인체 영역 네트워크(BAN)에서 매체 액세스 제어(MAC) 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법 및 컴퓨터 수행 가능 코드를 포함한다. 상기 방법은 BAN의 무선 매체가 자유로울 때 웨이크-업(WUP) 메시지를 송신기 노드로부터 하나 이상의 목표 수신기 노드들에 송신하는 단계; 적어도 하나의 목표 수신기 노드가 송신기 노드의 스니프(sniff) 시간 간격 동안 READY 메시지로 응답하는지를 결정하는 단계; READY 메시지가 수신되지 않았을 때 송신기 노드에 의해 송신되는 다수의 WUP 메시지들이 미리 규정된 문턱값을 초과하는지를 결정하는 단계; 및 다수의 WUP 메시지들이 미리 결정된 문턱값을 초과할 때 송신기 노드를 TURN 모드에서 동작하도록 세팅하는 단계를 포함한다.

본 발명으로 간주되는 특허대상은 특히 명세서의 종결부에 있는 청구항들에서 지적되고 분명하게 청구된다. 본 발명의 상기 및 다른 특징들은 첨부 도면들과 함께 취해지는 다음의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.

도 1은 인체 영역 무선 네트워크의 개략도.
도 2는 비동기 듀티 사이클링 MAC 프로토콜의 동작을 도시하기 위한 도면.
도 3은 비동기 듀티 사이클링 MAC 프로토콜들의 결점들을 도시하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 특정 실시예들에 따라 제공되는 듀티 사이클링 기술들의 원리들을 도시하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 구현되는 듀티 사이클링 방법을 기술하기 위한 흐름도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 구현되는 듀티 사이클링 방법에서 이용되는 TURN 모드의 원리들을 도시하기 위한 도면.
도 7 및 도 8은 본 발명의 특정한 예시적인 실시예들에 따라 구현되는 TURN 모드를 실현하기 위한 기술들의 원리들을 도시하기 위한 도면들.

본 발명에 의해 개시되는 실시예들은 단지 본원에서의 획기적인 기술들의 많은 유용한 사용예들의 예들임을 주목하는 것이 중요하다. 일반적으로, 본 출원의 명세서에서 행해진 진술들은 다양한 청구되는 발명들 중 임의의 발명을 반드시 제한하는 것은 아니다. 더욱이, 일부 진술들은 일부 발명의 특성들에 적용되지만 다른 특징들에는 적용되지 않는다. 일반적으로, 달리 표시되지 않으면, 단수 요소들은 복수로 존재할 수 있고 일반성의 상실 없이 역도 마찬가지이다. 도면들에서, 여러 도면들을 통해 동일한 부분들에는 동일한 도면번호들이 병기된다.

제안된 프로토콜은 송신기 노드에 의해 하나 이상의 수신기 노드들에 송신된 웨이크-업(WUP) 메시지들을 토대로 하고, 상기 메시지는 데이터가 상기 노드들로 전송할 준비가 되어 있음을 표시한다. 도 4에 도시되는 바와 같이, WUP 메시지(410)를 송신하기 전에, 송신기 노드(400-A)는 스누프 간격(snoop interval)(420)의 시간 기간 동안 매체를 청취하고 WUP 메시지(410)를 송신한 후에, 송신기 노드는 고정된 미리 규정된 수의 시간 슬롯들을 포함하는 스니프 간격(430)의 시간 기간 동안 매체를 청취한다. 다수의 노드들의 WUP 메시지들의 시스템 충돌들을 방지하기 위해, 스니프 간격은 랜덤화(randomized)된다. WUP 메시지들(410)은 목표 수신기 노드들, 즉, 송신기 노드가 데이터 패킷들을 송신하고자 원하는 노드들로 송신된다. 도 4에 제공되는 예에서, 노드(400-B)는 송신기 노드(400-A)의 수신기 노드이다.

수신기 노드(400-B)는 스케줄링된 시간(T₁)에서 웨이크-업하고, 시간(T₂)에서 WUP 메시지(410)를 수신하기 시작하고, 그 후에 시간(T₃)에서 송신기 노드(400-A)로 READY 메시지(440)를 송신한다. 게다가, 수신기 노드(400-B)는 현재 시간 스탬프(time stamp)뿐만 아니라 송신기 노드(400-A)의 ID 및 웨이크-업 시간을 저장한다. READY 메시지(440)는 송신기 노드에 수신기 노드가 데이터 패킷들을 수신할 준비가 되어 있다고 고지한다. 후속해서, 시간(T₄)에서, 수신기 노드(400-B)는 송신기 노드(400-A)에 의해 송신된 데이터를 수신하기 시작한다.

수신기 노드들의 웨이크-업 시간들이 독립적임이 주목되어야만 한다. 더욱이, 각각의 수신기 노드의 웨이크-업 간격은 독립적이고 동적으로 변할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 노드들의 웨이크-업 간격은 다음과 같이 선택된다:

노드의 웨이크-업 간격 = 2^k (최소 웨이크-업 간격), 여기서 0<=k<= 최대 웨이크-업 간격 지수.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 구현되는 듀티 사이클링 방법을 기술하기 위한 비제한적이고 예시적인 흐름도(500)를 도시한다. S502에서, 송신기 노드는 매체가 비지(busy)인지 유휴인지를 결정하기 위해 스누프 간격 동안 채널을 청취한다. 스누프 간격은 스니프 간격보다 더 길어서, 진행중인 WUP 송신들에 의해 매체가 비지일 때 송신기 노드가 상기 매체가 유휴라고 잘못 결론을 내리지 않도록 한다. S505에서, 송신기 노드는 매체가 유휴임을 알게 되면 WUP 송신들을 계속하고, 그렇지 않으면 채널이 유휴 상태가 될 때까지 대기한다.

S510에서, 송신기 노드는, 잠재적인 목표 수신기 노드(들)에 데이터가 송신될 준비가 되어 있음을 고지하기 위해서, WUP 메시지를 송신한다. WUP 메시지는 다음 중 임의의 하나를 포함한다: 송신기 노드의 ID, WUP 메시지의 시퀀스 번호(시퀀스 번호는 각각의 WUP 송신 이후에 증가한다), 송신기 노드의 웨이크-업 스케줄, 목표 수신기 노드들의 비트맵 또는 어드레스들, 계류중인 데이터 패킷들의 우선순위 레벨들의 비트맵, 목표 수신기 노드들에 할당된 슬롯들(우선순위가 높은 목표 수신기 노드들에는 더 낮은 슬롯 번호들이 할당된다), 각각의 목표 수신기 노드로의 데이터 송신의 예상되는 지속기간.

본 발명의 원리들에 따르면, WUP 메시지들은 또한, 송신기 노드의 어느 이웃들이 WUP 메시지들 및 그와 같은 메시지들의 송신들의 순서를 송신할 수 있을지를 지정하는 TURN SEQUENCE 필드를 포함한다. TURN SEQUENCE 필드의 이용은 더 자세하게 후술될 것이다. S515에서, 송신기 노드는 스니프 간격 동안 매체를 청취한다. S520에서, 송신기 노드는, 자체의 스니프 간격 동안, READY 메시지가 하나 이상의 목표 수신기 노드들로부터 수신되었는지를 조사하고, 그렇다면, S530에서, 송신기 노드는 스니프 간격의 종료 시에 데이터 패킷들을 수신할 준비가 되어 있는 수신기 노드들을 기록한다.

READY 메시지들이 스니프 간격 동안 수신되지 않았다면, S540으로 계속 수행되고, 여기서 마지막 송신된 WUP 메시지의 WUP 시퀀스 번호가 WUP 송신들의 최대로 수락된 수("WUP_MAX" 수)보다 더 큰지를 결정하기 위한 다른 조사가 행해지고, 그렇다면, S550에서 송신기 노드는 다른 송신기 노드들이 자신들의 WUP 메시지들을 송신하도록 인에이블(enable)하는 TURN 모드로 진입한다. 더 자세하게 후술되는 바와 같이, TURN 모드는 단일 노드에 의한 연속 WUP 송신들을 방지할 수 있다.

S540의 결과가 "no" 응답이면, S560이 계속 수행되고 여기서 특수 제어 메시지가 수신되었는지 결정하기 위한 다른 조사가 행해지고, 수신되었다면 수행이 종료되고; 그렇지 않으면 다른 WUP 메시지가 송신기 노드에 의해 송신될 S510으로 복귀하여 수행된다. 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 특수 제어 메시지는 ABORT 메시지일 수 있다. 그와 같은 메시지는, 진행중인 WUP 송신들에 의해 매체가 점유될 때 전달될 수 없는 데이터 패킷들을 송신하기 위해서, 고 우선순위 메시지를 갖는 잠재적인 송신기 노드에 의해 송신될 수 있다. ABORT 메시지의 수신 시에, 현재 WUP를 송신하는 송신기 노드는 WUP 메시지들의 임의의 부가 송신을 종료하고 매체를 청취하기 시작한다.

상술한 바와 같이, 송신기 노드의 TURN 모드는 TURN SEQUENCE 필드 내에서 지정되는 순서에 따라 WUP 메시지들을 송신하도록 다른 송신기 노드들을 인에이블한다. 이 프로세스는 도 6을 참조하여 설명될 것이고, 도 6에서 노드(600-E)는 TURN 모드에 진입하는 현재 송신기 노드이고, 노드(600-F)는 WUP 메시지들을 자신의 목표 수신기 노드(들)로 송신하라고 요청하는 이웃 송신기 노드이다.

송신기 노드들(600-E)에 의해 송신된 WUP 메시지들의 WUP 시퀀스 번호가 WUP_MAX 수를 초과하면, 송신기 노드(600-E)는 다른 잠재적인 송신기 노드에 의해 요청을 받아서 TURN 메시지를 송신함으로써 WUP 메시지들을 교대로 송신할 수 있다. 하나의 실시예에서, 스니프 간격에서의 최종 슬롯은 TURN 메시지의 송신에 이용된다. 일반적으로, 송신기 노드(600-F)는 다음의 조건들이 만족할 때 TURN 메시지를 송신할 수 있다: 송신기 노드(600-F)가 송신기 노드(600-E)의 목표 수신기 노드들 중에 있지 않다; 송신기 노드(600-F)가 자신의 WUP 메시지들을 송신할 준비가 되어 있다; 송신기 노드(600-F)의 WUP 메시지가 송신기 노드(600-E)와 오버랩되지 않은 적어도 하나의 목표 수신기 노드들을 갖는다; 송신기 노드(600-F)가 현재 스니프 간격(605)에서 어떠한 READY 메시지들도 오버히어링하지 않았다. 게다가, TURN 메시지들의 충돌을 방지하기 위해, 송신기 노드(600-F)는 자신이 적합할 때에만 TURN 메시지를 송신한다. 어느 이웃 노드가 TURN 메시지를 송신할 수 있는지를 결정하는 것은 다음의 식을 토대로 한다:

송신기(이웃) 노드 ID = (WUP에서의 현재 시퀀스 번호 - WUP_MAX)% 이웃들의 수

여기서, 송신기(이웃) 노드 ID는 영(0)에서 (이웃들의 수 - 1)의 값을 취한다고 가정된다. 대안으로, TURN 메시지들의 각각의 잠재적인 송신기는 TURN 메시지들을 송신하기 위한 자체의 적합성을 다음과 같이 결정할 수 있다:

WUP에서의 현재 시퀀스 번호 = WUP_MAX + 무작위 정수[0, 최대]

도 6에 도시되는 바와 같이, 시간(T₁)에서, 노드(600-F)는 데이터를 송신할 준비가 되어 있다. 송신기 노드(600-E)에 의해 송신된 WUP 메시지(620)를 수신한 후에, 노드(600-F)는 TURN 메시지를 송신하기 위해 자체의 적합성을 결정하고 자기 자신이 적합한지 확인한다. 그러므로, 시간(T₂)에서, TURN 메시지(610)가 생성되고 노드(600-F)에 의해 송신된다. 송신기 노드(600-E)는 TURN 메시지(610)를 수신하고 송신기 디바이스(600-F)에 의해 WUP 메시지들을 송신하라는 요청을 수락할지의 여부를 결정한다. 특히, 송신기 노드(600-E)는 적어도 하나의 READY 메시지가 송신기 노드(600-E)의 현재 스니프 간격(605) 내에서 수신되었다면 TURN 메시지를 무시한다. TURN 메시지 요청이 수락되면, 송신기 노드(600-E)는 TURN SEQUENCE 필드 내에 노드(600-F)의 ID를 등록한다. 이 필드는 이웃들 중에서 어떤 송신기 노드들이 현재 WUP 메시지들 및 이들의 WUP 송신들의 순서를 송신하는지를 지정한다. WUP 메시지의 송신에 응답하여 송신기 노드(600-E)가 임의의 READY 메시지들을 획득하는 경우, 이 노드는 자체의 DATA 패킷들을 송신하고 임의의 다른 노드들에 의한 어떠한 WUP 메시지들의 송신도 수락하지 않는다.

TURN 메시지의 송신기, 즉, 송신기 노드(600-F)는 어떤 READY 메시지들이 송신기 노드(600-E)로 송신되었는지를 조사하기 위해 매체를 청취한다. 오버히어링된 READY 메시지가 존재하지 않으면, 시간(T₄)에서, 송신기 노드(600-F)는 자체의 WUP 메시지(630)를 송신한다. 그 후에, 송신기 노드들(600-E 및 600-F) 각각은, 자신들 각각의 목표 수신기 노드 중 어느 하나로부터 적어도 하나의 READY 메시지가 수신될 때까지, WUP 메시지를 자신의 순서(TURN SEQUENCE 필드에 의해 결정되는)로 송신한다. 예를 들어, 시간들(T₅ 및 T₆)에서, 송신기 노드들(600-E 및 600-F)은 자신들의 WUP 메시지들(620 및 630)을 각각 송신한다.

본 발명의 다른 실시예에서 송신기 노드는 이웃에 있는 다른 송신기 노드들의 WUP 메시지들을 송신함으로써, 다른 송신기 노드들에 대한 프록시(proxy)로서 동작할 수 있다. 이 실시예는 도 7을 참조하여 더 설명되고, 노드(700-A)는 데이터를 수신기 노드(700-X)로 송신하라고 요청하는 송신기 노드이다. 노드(700-A)는 또한 WUP 메시지들의 프록시이다. 노드(700-B)는 데이터를 수신기 노드(700-Y)에 송신하려고 시도하는 송신기 노드이다.

시간(T₁)에서 시작해서, 송신기 노드(700-A)는 수신기 노드(700-X)를 목표로 하는 WUP 메시지들(710)을 송신한다. 시간(T₂)에서, 송신기 노드(700-B)는 수신기 노드(700-Y)를 목표로 하는 WUP 메시지들을 송신한다. 그러므로, 시간(T₃)에서, 스니프 간격(705) 동안, 노드(700-B)는 PROXY 메시지(720)를 송신기 노드(700-A)로 송신한다. PROXY 메시지를 수신하자마자, 송신기 노드(700-A)는 노드(700-B)의 목표 수신기 노드들 및 다른 관련 정보를 자신의 WUP 메시지들(710)에 추가한다. 후속해서, 시간(T₄)에서 노드(700-A)로부터 시작하여 송신되는 모든 WUP 메시지들(710)은 양 목표 수신기 노드들(700-X 및 700-Y)을 목표로 한다. 수신기 노드(700-X)가 READY 메시지를 송신하면, 송신기 노드(700-A)가 DATA 패킷들을 송신하거나, 또는 노드(700-Y)가 READY 메시지를 송신하면, 노드(700-B)가 DATA 패킷들을 송신한다. 송신기 노드(700-A)가 WUP 메시지 송신들을 종료할 때(송신기 노드(700-A)가 수락된 최대 수의 시도들을 소진했기 때문에), 노드(700-B)는 계속해서 WUP 메시지들을 송신하는 것이 주목되어야 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 송신기 노드들은 동일한 스니프 간격 동안 자신들의 WUP 메시지들을 송신할 수 있다. 이는 송신할 데이터를 갖는 각각의 송신기 노드로 하여금 모든 웨이크-업 시간에 자신의 WUP 메시지들을 송신하도록 하고, 따라서 노드들이 어웨이크 상태에 있을 때 WUP 메시지들을 송신할 기회를 생략하지 않도록 한다. 충돌들을 방지하기 위해 송신기 노드들은 스니프 간격의 상이한 시간 슬롯들에서 WUP 메시지들을 송신한다. 즉, WUP 송신들은 적시에 오프셋(offset)된다. 이 프로세스는 도 8에 더 도시되고, 도 8에서, 두 송신기 노드들(800-A 및 800-B)은 교대로 WUP 메시지들을 송신한다. 송신기 노드(800-B)는 시간(T₁)에서 WUP 메시지(810)를 송신한다. 시간(T₂)에서, 송신기 노드(800-A)는 노드(800-B)로부터의 WUP 메시지를 검출하고, 노드(800-A)는 노드(800-B)의 WUP 메시지들을 수용하기 위해 자신의 스니프 간격(805)을 재조직(reorganize)한다. 그러므로, 스니프 간격(805) 동안, 양 송신기 노드들(800-A 및 800-B)은 교대로 WUP 메시지들을 송신한다.

당업자에게는, 도 6, 도 7 및 도 8에 도시된 프로세스들이 동일한 무선 매체, 즉 이웃 노드들을 공유하는 임의의 수의 수신기 노드들 및 송신기 노드들에 의해 구현될 수 있음이 분명할 것이다.

본원에 기술되는 TURN 모드 메커니즘과 함께하는 듀티 사이클링 방법은 레이턴시를 감소시키고, 처리량을 증가시키고, 유휴 청취, 오버히어링 및 과-방출(over-emitting)에 의해 소비되는 에너지를 감소시킬 수 있음이 인식되어야만 한다.

본 발명의 실시예에 따라, 단지 단일 수신인만을 목표로 하는 WUP 메시지를 동시에 송신하는 대신, 송신기 노드는 자신의 큐(queue) 내에 DATA 패킷들을 축적하고나서 WUP 메시지를 갖는 다중 수신인들을 목표로 할 수 있다. 다수의 목표 수신인들 중 어느 노드든 더 빨리 웨이크-업하면 데이터는 더 일찍 수신될 수 있다. 단일 WUP 메시지를 갖는 다수의 수신인들을 목표로 함으로써, 큐 내의 제 1 패킷으로 인해 다른 패킷들이 송신될 수 없는, 큐의 헤드를 차단하는 문제가 방지될 수 있다. 더욱이, 수신기 목표 노드들의 빈번한 웨이크-업이 방지되고, 이로 인해 그와 같은 노드들의 에너지 절약이 최대화될 수 있다. 이 방법은 또한 제어 오버헤드 및 레이턴시를 감소시켜서 서비스 품질(QoS) 우선순위들을 지원하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 다른 실시예에서 DATA 패킷의 크기가 매우 작으면, WUP 및/또는 READY 메시지는 DATA 패킷에 의해 대체될 수 있다. 그러므로, WUP 및 READY 메시지들의 제어 오버헤드가 방지될 수 있다. 더욱이, 송신기 및 수신기 노드들이 타이트하게 동기화되어 있다면, 송신기 노드는 WUP 메시지들을 송신하지 않고 DATA 패킷들을 직접 수신기 노드에 송신할 수 있다. 트래픽 부하가 높다면, 통신하는 피어들은 ACK 패킷들 상에서 피기백(piggyback)되는 빈번한 스케줄링된 업데이트들로 인해 타이트하게 동기화된 채로 유지된다.

오버히어링된 메시지는 이웃이 어웨이크되어 있다는 표시를 제공한다. 이 정보는 WUP 메시지를 송신하지 않고 DATA 패킷들을 송신하는데 이용된다. 예를 들어, 한 쌍의 통신 노드들은 DATA-ACK 시퀀스 이후의 스누프 간격 동안 어웨이크인 채로 유지된다. 그러므로, 어떤 이웃 노드는 랜덤한 시간 기간 동안 유휴 상태인 매체를 감지한 후에 노드들 중 어느 하나에 DATA 패킷들을 송신할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 동일한 목적지를 목표로 하는 다수의 DATA 패킷들을 갖는 송신기 노드는 READY 메시지를 수신하자마자, 모든 패킷들을 버스트 모드(burst mode)로 송신하여, WUP 오버헤드를 최소화할 수 있다. 버스트 모드에서 송신기 노드들은 다수의 DATA 메시지들을 백-투-백(back-to-back)으로 송신하고 최적의 ACK 메시지들을 수신한다. WUP 또는 READY 메시지들을 오버히어링하는 노드들은 전체 송신 지속기간 동안 점유된 매체를 마킹한다. 패킷 수신 응답(acknowledgement)은 효율을 더 개선하기 위해서 누적 ACK들 또는 개별 ACK 중 어느 하나를 이용하여 행해질 수 있다.

본원에서 설명되는 발명은 BAN들에서 브로드캐스트 및 멀티캐스트 송신들을 지원하는데 더 이용될 수 있다. 특히, 브로드캐스트 및/또는 멀티캐스트 송신들은 미래 시간을 위해 스케줄링되고 WUP 메시지를 통해 고지된다. WUP 메시지는 브로드캐스트/멀티캐스트 패킷이 송신될 때, 현재 시간으로부터 시간의 오프셋을 표시한다. WUP 메시지를 수신하자마자, 목표 수신기 노드는 스케줄링된 브로드캐스트/멀티캐스트 시간을 기록하고나서 상기 시간이 도래할 때까지 휴면한다. 송신기 노드는 미리 스케줄링된 시간에 브로드캐스트 패킷을 송신하고, 상기 브로드캐스트 패킷은 목표 수신기 노드들에 의해 수신된다.

브로드캐스트/멀티캐스트 패킷들이 작으면, 송신기 노드는 WUP 메시지들을 송신하지 않고 브로드캐스트/멀티캐스트 패킷들을 송신할 수 있다. 수신인이 웨이크-업하는 이 방식으로, 수신기는 WUP 수신의 오버헤드 없이 데이터를 수신할 수 있다. 송신기 노드는 또한, 더 많은 에너지를 절약하는 결과를 발생시키는 경우라면, 브로드캐스트/멀티캐스트 패킷들을 유니캐스트 패킷들로 송신하라고 결정할 수 있다. 예를 들어, 송신기 노드가 단지 서너 개의 이웃들을 가지고 이웃들의 스누프 시간들이 시간에 걸쳐 광범위하게 펼쳐져 있다면, 유니캐스트 메시지들을 송신하는 것은 에너지 효율적인 방식이다. 대안으로, 송신기 노드는 신뢰성을 위해 ACK를 필요로 할 수 있고, 이 경우에, 송신기 노드는 메시지들을 유니캐스트로서 송신해야 한다.

상술한 상세한 설명은 본 발명이 취할 수 있는 많은 형태들 중 서너 가지를 설명하였다. 상술한 상세한 설명은 본 발명이 취할 수 있는 선택된 형태들의 예로서 이해되도록 의도되고 본 발명의 규정을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명의 범위를 규정하도록 의도되는 것은 모든 등가물들을 포함하는 청구항들뿐이다.

가장 바람직하게도, 본 발명의 원리들은 하드웨어, 펌웨어(firmware) 및 소프트웨어의 임의의 결합으로 구현된다. 더욱이, 소프트웨어는 바람직하게도 프로그램 저장 유닛 또는 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 유형적으로 구현되는 애플리케이션 프로그램으로 구현된다. 애플리케이션 프로그램은 임의의 적절한 아키텍처(architecture)를 포함하는 기계에 업로드되고, 상기 기계에 의해 수행될 수 있다. 바람직하게도, 상기 기계는 하나 이상의 중앙 처리 장치들("CPU들"), 메모리, 및 입력/출력 인터페이스들과 같은 하드웨어를 갖는 컴퓨터 플랫폼(computer platform) 상에서 구현될 수 있다. 컴퓨터 플랫폼은 또한 운영 시스템 및 마이크로인스트럭션 코드(microinstruction code)를 포함할 수 있다. 본원에 서술된 다양한 프로세스들 및 기능들은, 그러한 컴퓨터 또는 프로세서가 명확하게 도시되지 않을지라도, CPU에 의해 수행될 수 있는 마이크로인스트럭션 코드의 일부이거나 애플리케이션 프로그램의 일부 중 하나, 또는 이들의 임의의 결합일 수 있다. 게다가, 추가 데이터 저장 유닛 및 인쇄 유닛과 같은 다양한 다른 주변 유닛들이 컴퓨터 플랫폼에 접속될 수 있다.

Claims

인체 영역 네트워크(body area network: BAN)에서 매체 액세스 제어(medium access control: MAC) 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법(500)에 있어서:
상기 BAN의 무선 매체가 자유로울 때 웨이크-업(WUP) 메시지를 송신기 노드로부터 하나 이상의 목표 수신기 노드들에 송신하는 단계(S510);
적어도 하나의 목표 수신기 노드가 상기 송신기 노드의 스니프(sniff) 시간 간격 동안 READY 메시지로 응답하는지를 결정하는 단계(S520);
상기 READY 메시지가 수신되지 않았을 때 상기 송신기 노드에 의해 송신되는 다수의 WUP 메시지들이 미리 규정된 문턱값을 초과하는지를 결정하는 단계(S540); 및
다수의 WUP 메시지들이 상기 미리 결정된 문턱값을 초과할 때 상기 송신기 노드를 TURN 모드에서 동작하도록 세팅하는 단계(S550)를 포함하는, 매체 액세스 제어 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
랜덤하게 선택되는 스니프 간격 동안 상기 매체를 청취하는 단계(S515);
READY 메시지로 응답했던 목표 수신기 노드들의 아이덴티피케이션(ID) 번호들을 기록하는 단계(S530); 및
각각의 목표 수신기의 ID 번호가 상기 송신기 노드에 기록되어 있는 각각의 목표 수신기 노드에 데이터 패킷들을 송신하는 단계를 더 포함하는, 매체 액세스 제어 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법.
제 2 항에 있어서,
특수 제어 메시지가 수신되었는지를 결정하는 단계(S560); 및
상기 특수 제어 메시지를 수신하자마자 WUP 메시지들의 송신들을 종료하는 단계를 더 포함하는, 매체 액세스 제어 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 WUP 메시지는 송신기 노드의 ID, 각각의 WUP 송신 이후에 증가하는 WUP 메시지의 시퀀스 번호, 상기 송신기 노드의 웨이크 업 스케줄, 상기 목표 수신기 노드들의 어드레스들, 계류중인 데이터 패킷들의 우선순위 레벨들의 비트 맵, 상기 목표 수신기 노드들에 할당된 시간 슬롯들, 상기 각각의 목표 수신기 노드들로의 데이터 송신의 예상 지속기간, 및 TURN SEQUENCE 필드 중 적어도 하나를 포함하는, 매체 액세스 제어 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 TURN SEQUENCE 필드는 송신기 노드의 어느 이웃하는 노드들이 WUP 메시지들 및 상기 TURN 모드 동안 WUP 메시지들이 송신되어야 하는 순서를 송신할 수 있을지를 지정하는, 매체 액세스 제어 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 TURN 모드는 단일 송신기 노드에 의한 연속 WUP 송신들을 방지하는, 매체 액세스 제어 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 TURN 모드 동안 상기 송신기 노드에 의해 실행되는 동작들은:
상기 송신기 노드의 적어도 하나의 이웃하는 노드로부터 송신된 TURN 메시지를 수신하는 단계로서, 상기 TURN 메시지는 상기 적어도 하나의 이웃하는 노드에 의해 WUP 메시지들을 송신하라는 요청인, 상기 수신 단계;
상기 TURN 메시지를 수락할지를 결정하는 단계;
상기 TURN 메시지가 수락될 때 적혀 있는 상기 송신기의 TURN SEQUENCE 필드 내의 적어도 하나의 이웃하는 노드의 ID를 재코딩하여, 상기 송신기 노드 및 상기 이웃하는 노드 이 둘 모두가 TURN SEQUENCE 필드에서 지정된 순서에 따라 WUP 메시지들을 송신할 수 있도록 하는 단계를 더 포함하는, 매체 액세스 제어 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법.
제 7 항에 있어서, 이웃하는 노드는 다음의 조건들: 이웃하는 노드가 상기 송신기 노드의 목표 수신기 노드들 중에 있지 않음; 이웃하는 노드가 자신의 WUP 메시지들을 송신할 준비가 되어 있음; 이웃하는 노드의 WUP 메시지가 상기 송신기 노드와 오버랩되지 않은 적어도 하나의 목표 수신기 노드들을 가짐; 및 이웃하는 노드가 상기 송신기 노드의 현재 스니프 간격에서 어떠한 READY 메시지들도 오버히어링(overhearing)하지 않음이 만족될 때 상기 TURN 메시지를 생성하고 송신하는, 매체 액세스 제어 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 송신기 노드는 상기 송신기 노드의 현재 스니프 간격 동안 READY 메시지들을 수신하지 않았을 때 TURN 메시지를 수락하는, 매체 액세스 제어 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 송신기 노드에 의해, 상기 적어도 하나의 이웃하는 노드의 WUP 메시지들을 송신하는 단계를 더 포함하여, 상기 송신기 노드가 상기 적어도 하나의 이웃하는 노드에 대해 프록시로서 동작하도록 하는, 매체 액세스 제어 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 이웃하는 노드로부터 송신된 PROXY 메시지를 수신하는 단계;
상기 적어도 하나의 이웃하는 노드의 적어도 목표 수신 노드들을 상기 송신기 노드에 의해 송신되는 모든 WUP 메시지들에 추가하는 단계; 및
상기 WUP 메시지들을, 상기 적어도 하나의 이웃하는 노드 및 상기 송신기 노드 모두의 목표 수신기 디바이스들에 송신하는 단계를 더 포함하는, 매체 액세스 제어 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이웃하는 노드 및 상기 송신기 노드 모두를 스니프 간격의 상이한 시간 슬롯들에서 자신들의 WUP 메시지들로 송신하도록 인에이블(enable)하는 단계를 더 포함하고, 상기 스니프 간격은 두 연속 WUP 메시지들 사이의 시간 간격인, 매체 액세스 제어 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법.
제 2 항에 있어서,
WUP 메시지를 갖는 다수의 수신인들을 목표로 하는 데이터 패킷들을 축적하고 다음의 단계들:
스트림으로서의 상기 데이터 패킷들을 단일 목표 수신기 노드에 버스트 모드로 송신하는 단계; 및
상기 데이터 패킷들이 작거나 상기 송신기 노드가 상기 수신기 노드의 웨이크-업 시간을 인지할 때 WUP 메시지 없이 상기 데이터 패킷들을 송신하는 단계 중 적어도 하나를 실행하는 단계를 포함하는, 매체 액세스 제어 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법.
제 2 항에 있어서, 데이터 패킷들은 상기 송신기 노드에 기록된 목표 수신기 노드로 브로드캐스트되거나 멀티캐스트될 수 있는, 매체 액세스 제어 듀티 사이클링을 실행하기 위한 방법.
내부에 컴퓨터 수행 가능 코드를 갖는 컴퓨터 판독 가능 매체로서, 수행될 때, 프로세스로 하여금 인체 영역 네트워크(BAN)에서 매체 액세스 제어(MAC) 듀티 사이클링을 실행하도록 하는, 상기 코드는:
상기 BAN의 무선 매체가 자유로울 때 웨이크-업(WUP) 메시지를 송신기 노드로부터 하나 이상의 목표 수신기 노드들에 송신하는 단계(S510);
적어도 하나의 목표 수신기 노드가 상기 송신기 노드의 스니프 시간 간격 동안 READY 메시지로 응답하는지를 결정하는 단계(S520);
상기 READY 메시지가 수신되지 않았을 때 상기 송신기 노드에 의해 송신된 다수의 WUP 메시지들이 미리 규정된 문턱값을 초과하는지를 결정하는 단계(S540); 및
다수의 WUP 메시지들이 상기 미리 결정된 문턱값을 초과할 때 상기 송신기 노드를 TURN 모드에서 동작하도록 세팅하는 단계(S550)를 포함하는, 컴퓨터 판독 가능 매체.