KR20110076259A - Frequency diversity based mac architecture for wireless sensor network, and operating method for the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A frequency diversity based MAC architecture for a wireless sensor network and an operating method for the same are provided to efficiently operate an FD-MAC based on a cross layer. CONSTITUTION: In the administration section, all nodes are operated in a slotted CSMA(Carrier Sense Multi Access) mode in the same channel. In an inactive/reserved access period(130), the nodes exchanges data and authentication with a channel which is negotiated in the administration section. Therefore, the transmission delay problem can be solved and the transmission reliability can be increased.

Description

무선 센서 네트워크를 위한 주파수 다중화지원 기반 매체접근제어 프로토콜 구조 및 그 운영 방법 {Frequency Diversity based MAC Architecture for Wireless Sensor Network, and operating method for the same}Frequency Diversity based MAC Architecture for Wireless Sensor Network, and operating method for the same}

본 발명은 주파수 다중화지원 기반 MAC에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network)를 위한 주파수 다중화지원 기반의 매체접근제어(Frequency Diversity based Media Access Control: 이하 "FD-MAC") 프로토콜 구조 및 그 운영 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a frequency multiplexing support based MAC, and more specifically, to a frequency multiplexing based media access control (FD-MAC) protocol for a wireless sensor network. A structure and a method of operating the same.

일반적으로, IEEE 802.15.4는 물리 레이어(PHY)와 매체 접근제어(Media Access Control: MAC) 레이어를 정의하는 표준으로서, 저속도 무선 개인 통신망(Low Rate Wireless Personal Networks, LR-WPANs)을 위한 표준 중 하나로서, IEEE 802.15 워킹 그룹이 관리하고 있다. 여기서, MAC은 데이터 전송 프로토콜의 하부 레이어로서, OSI 7 레이어 모델에 규정된 데이터 링크 레이어의 서브레이어에 해당한다.In general, IEEE 802.15.4 is a standard that defines the Physical Layer (PHY) and Media Access Control (MAC) layers, and among the standards for Low Rate Wireless Personal Networks (LR-WPANs). One is managed by the IEEE 802.15 working group. Here, MAC is a lower layer of the data transmission protocol and corresponds to a sublayer of the data link layer defined in the OSI 7 layer model.

이러한 IEEE 802.15.4는 지그비, 와이어리스하트(WirelessHART), 마이와이(MiWi) 표준의 기저 레이어가 되었다. 이러한 표준 각각은 IEEE 802.15.4 표준 이 커버하고 있지 않은 상위 프로토콜 스택을 정의함으로써 완전한 통신망 솔루션을 제공하고자 한다. 그런데, IEEE 802.15.4를 가지고 6LoWPAN(이른바 센서 네트워크와 IPv6 네트워크를 직접 연동하는 기술)과 표준 인터넷 프로토콜과 함께 사용하여, 무선 임베디드 인터넷(Wireless Embedded Internet)을 만들 수도 하다.IEEE 802.15.4 became the base layer for the ZigBee, WirelessHART, and MiWi standards. Each of these standards seeks to provide a complete network solution by defining higher protocol stacks not covered by the IEEE 802.15.4 standard. However, with IEEE 802.15.4, 6LoWPAN (so-called sensor network and IPv6 network directly interworking technology) and standard Internet protocol can be used to create the Wireless Embedded Internet.

또한, IEEE 표준 802.15.4는 무선 개인 통신망(WPAN)의 기본적인 하위 네트워크 레이어를 제공하기 위해 제정되었으며, 특히, 장치간의 저가격, 저속도 유비쿼터스 통신을 지향하였다. 이러한 IEEE 802.15.4에 들어간 중요한 특징들은, 리얼 타임 응용에 적합하도록 타임 슬롯(guaranteed time slot)을 예약하는 기능, CSMA/CA을 이용한 출돌 회피, 보안성 있는 통신 지원 등이 있다. 또한, 제조사는 디바이스에 링크 품질이나 에너지 검출 등과 같은 전력 관리 기능을 포함시킬 수 있다.In addition, the IEEE standard 802.15.4 was established to provide the basic lower network layer of a wireless personal network (WPAN), and in particular, aimed at low-cost, low-speed ubiquitous communication between devices. Important features of IEEE 802.15.4 include the ability to reserve a time slot (guaranteed time slot) for real-time applications, avoid collisions using CSMA / CA, secure communication support. Manufacturers can also include power management features such as link quality and energy detection in their devices.

도 1은 IEEE 802.15.4 프로토콜 구조를 예시하는 도면이다.1 is a diagram illustrating an IEEE 802.15.4 protocol structure.

도 1을 참조하면, IEEE 802.15.4 프로토콜 스택 각 장치(device)들은 개념적으로는 단순한 무선 네트워크상에서 상호 통신한다. 네트워크 레이어의 정의는 OSI 7 레이어 모델에 기반하고 있다. 비록, IEEE 802.15.4가 표준 문서에서는 하위 레이어만을 정의하고 있으며, 상위 레이어와의 인터액션을 염두하고 그것을 정의하고 있으나, 프로토콜 사용자는 컨버전스 서브레이어를 통해 MAC에 접근하는 IEEE 802.2 논리적 링크 제어 서브레이어를 선택적으로 사용할 수 있다.1, IEEE 802.15.4 protocol stacks Each device conceptually communicates with each other over a simple wireless network. The network layer definition is based on the OSI 7 layer model. Although IEEE 802.15.4 defines only the lower layer in the standard document and defines it with the interaction with the upper layer in mind, the protocol user can use the IEEE 802.2 logical link control sublayer to access the MAC through the convergence sublayer. Optionally available.

도 2는 IEEE 802.15.4 WPAN의 슈퍼프레임의 구조를 예시하는 도면이고, 도 3은 IEEE 802.15.4 WPAN의 네트워크 토폴로지를 예시하는 도면이며, 도 4는 IEEE 802.15.4 MAC 프레임 포맷을 예시하는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a structure of a superframe of IEEE 802.15.4 WPAN, FIG. 3 is a diagram illustrating a network topology of IEEE 802.15.4 WPAN, and FIG. 4 is a diagram illustrating an IEEE 802.15.4 MAC frame format. to be.

도 2를 참조하면, IEEE 802.15.4 MAC은 연관(Association) 및 비연관(Disassociation)을 지원하고, 인증(ACK) 프레임을 사용하여 프레임 유효성 검사 및 GTS 사용을 지원하며 비컨 관리 등의 특징을 갖는다. 그리고 IEEE 802.15.4 MAC은 16비트 Short Address와 64비트 Extended Address를 사용한다. 채널 접속 메커니즘으로 슈퍼프레임(Superframe)이라는 단위로 시간을 분할하여 사용하는데, 한 개의 슈퍼프레임은 활성(Active) 구간과 비활성(Inactive) 구간으로 나뉘며, 각 구간의 길이는 비컨(Beacon)에 들어 있는 SO(Superframe Order)와 BO(Beacon Order)값을 이용하여 조정할 수 있다. 활성 구간은 CAP(Contention Access Period)과 CFP(Contention Free Period)로 나뉘며, 또한 CFP는 GTS(Guaranteed Time Slot)으로 나뉘어 서비스 품질(QoS)이 보장되어야 하는 데이터 전송을 위해서 사용된다. 이때, 활성 구간과 비활성 구간은 네트워크 내의 노드들의 전력 소모를 최소화하는 중요한 요소가 된다.Referring to FIG. 2, the IEEE 802.15.4 MAC supports association and disassociation, supports frame validation and use of GTS by using an ACK frame, and has beacon management. . IEEE 802.15.4 MAC uses 16-bit short address and 64-bit extended address. The channel access mechanism divides the time into units called superframes. One superframe is divided into an active section and an inactive section. The length of each section is in a beacon. Can be adjusted by using SO (Superframe Order) and BO (Beacon Order) values. The active period is divided into a content access period (CAP) and a content free period (CFP), and the CFP is divided into a guaranteed time slot (GTS) and used for data transmission in which quality of service (QoS) should be guaranteed. At this time, the active period and the inactive period are important factors to minimize the power consumption of the nodes in the network.

하나의 슈퍼프레임은 BO 값과 SO 값에 의해 각각 SD(Superframe Duration) 구간과 BI(Beacon Duration) 구간으로 나뉘며, SD 구간, 즉 활성 구간은 BI의 크기와 상관없이 항상 16개의 슬롯(Slot)으로 나뉘며, 이 구간은 다시 CAP 및 CFP 구간으로 나뉜다. CAP에서는 슬롯화된(Slotted) CSMA/CA 방식을 통해서 데이터를 직접 주고받을 수 있지만, 주기적인 데이터 전송이 필요한 경우, 이 구간에서 GTS 할당을 필요한 만큼 디바이스가 코디네이터에게 요구하거나 또는 코디네이터가 디바이스에게 비컨을 통해서 알리게 된다. 또한, CFP 동안의 데이터 송수신은 각 노드들 이 CAP를 이용해서 PAN 코디네이터에게 예약을 하는 방식으로 이루어진다. 이때, 각 노드들은 GTS 할당 요구 프레임을 PAN 코디네이터에게 전송하면, 차후에 전송되는 비컨을 받아봄으로써 자신들이게 GTS가 할당되었는지 알 수 있다.One superframe is divided into SD (Superframe Duration) and BI (Beacon Duration) sections by BO and SO values, respectively.The SD section, that is, the active section is always 16 slots regardless of the size of the BI. This section is further divided into CAP and CFP sections. In the CAP, data can be sent and received directly through the slotted CSMA / CA scheme, but if periodic data transmission is required, the device requests the coordinator or the coordinator beacons the device as necessary for GTS allocation in this interval. You will be informed through In addition, data transmission and reception during the CFP is performed by each node making a reservation to the PAN coordinator using the CAP. In this case, when each node transmits a GTS allocation request frame to the PAN coordinator, the nodes can recognize whether the GTS has been allocated to them by receiving a beacon transmitted later.

또한, IEEE 802.15.4 네트워크 토폴로지는 Star 토폴로지 또는 Peer-to-Peer 토폴로지로 구성되며, 도 3에 도시된 바와 같이, PAN 코디네이터를 거쳐서 모든 데이터 송수신이 이루어진다. 반면에 점대 점 토폴로지에서는 FFD(Full Function Device) 간에는 직접 송수신이 가능하지만, RFD(Reduced Function Device)들은 PAN 코디네이터를 통해서만 송수신을 할 수 있다.In addition, the IEEE 802.15.4 network topology consists of a star topology or a peer-to-peer topology, and as shown in FIG. 3, all data transmission and reception are performed through a PAN coordinator. On the other hand, in point-to-point topologies, direct transmission and reception between FFDs (Full Function Devices) is possible, but RFDs (Reduced Function Devices) can only transmit and receive via a PAN coordinator.

또한, 도 4는 IEEE 802.15.4 표준이 사용하는 프레임 포맷의 전형적인 형태를 예시하며, IEEE 802.15.4 표준의 MAC 프레임은 "Frame Control" 필드와 "Sequence Number" 필드, 그리고 4개의 "Addressing" 필드, "Frame Payload" 필드와 에러 검출을 위한 "Frame Check Sequence(FCS)" 필드로 구성될 수 있다.4 illustrates a typical form of a frame format used by the IEEE 802.15.4 standard, wherein the MAC frame of the IEEE 802.15.4 standard includes a "Frame Control" field, a "Sequence Number" field, and four "Addressing" fields. , “Frame Payload” field and “Frame Check Sequence (FCS)” field for error detection.

한편, 도 5a는 통상적으로 메쉬 네트워크에서 각 노드 간의 통신이 단일 채널(Single Channel)에 이루어지는 경우를 나타내는 도면이고, 도 5b는 통상적인 메쉬 네트워크에서 각 노드 간의 통신이 다중 채널(Multiple Channel)에 이루어지는 경우를 나타내는 도면이다.On the other hand, Figure 5a is a diagram showing a case in which communication between each node in a single channel in a mesh network typically, Figure 5b is a communication in which each node is in a multiple channel (Multiple Channel) in a conventional mesh network It is a figure which shows the case.

통상적으로 메쉬 네트워크에서 각 노드 간의 통신은 도 5a에 도시된 바와 같이 단일 채널(Single Channel)을 사용하거나 도 5b에 도시된 바와 같이 다중 채널(Multiple Channel)을 사용하고 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 단일 채널을 사용하는 경우는 인접한 노드에 의해 채널이 사용되면, 상기 노드와의 간섭이 발생 할 수 있는 다른 노드에서는 해당 채널을 사용할 수가 없었다. 하지만 도 3b에 도시된 바와 같이, 다중 채널을 사용하는 경우는 사용 가능한 채널 수의 범위 내에서 노드들 간의 통신이 동시에 이루어질 수 있다.Typically, communication between nodes in a mesh network uses a single channel as shown in FIG. 5A or multiple channels as shown in FIG. 5B. As shown in FIG. 5A, when a single channel is used, when a channel is used by an adjacent node, the channel cannot be used by another node that may cause interference with the node. However, as shown in FIG. 3B, when using multiple channels, communication between nodes may be simultaneously performed within a range of available channels.

도 6은 종래 메쉬 네트워크의 데이터 전송 구간에서 노드 간에 이루어질 수 있는 시그널링을 나타내는 도면으로서, 도 6에서는 제3 노드(13)가 제1 노드(11)와의 통신을 수행하고 있는 제2 노드(12)로 통신을 시도하는 상황을 가정한다. 따라서 초기에는 제1 노드(11)와 제2 노드(12)는 동일한 채널을 사용하나 제3 노드(13)는 상이한 채널을 사용한다.FIG. 6 is a diagram illustrating signaling that may be performed between nodes in a data transmission interval of a conventional mesh network. In FIG. 6, a second node 12 in which a third node 13 communicates with a first node 11 is illustrated. Assume a situation in which communication is attempted. Thus, initially, the first node 11 and the second node 12 use the same channel, but the third node 13 uses a different channel.

도 6을 참조하면, 제1 노드(11)는 전송할 데이터가 존재할 시 송신 예약 요청(Request to Send: RTS) 메시지를 방송한다(S11). 이때, 상기 RTS 메시지는 제2 노드(122)에 의해 수신된다.Referring to FIG. 6, when there is data to be transmitted, the first node 11 broadcasts a request to send (RTS) message (S11). At this time, the RTS message is received by the second node 122.

다음으로, 제2 노드(12)는 RTS 메시지에 대응하여 송신 예약 응답(Clear to Send: CTS) 메시지를 방송한다(S12).Next, the second node 12 broadcasts a clear to send (CTS) message in response to the RTS message (S12).

다음으로, 제1 노드(11)는 CTS 메시지를 수신하면, 상기 제2 노드(12)로 데이터(DATA)를 전송한다(S13). 이후, 제2 노드(12)는 상기 데이터(DATA)를 수신하면, 데이터의 수신에 대한 응답으로 인증(ACK) 신호를 제1 노드(11)로 전송한다(S16).Next, when receiving the CTS message, the first node 11 transmits data DATA to the second node 12 (S13). Thereafter, when the second node 12 receives the data DATA, the second node 12 transmits an authentication (ACK) signal to the first node 11 in response to the reception of the data (S16).

하지만, 제1 노드(11) 및 제2 노드(12)와 다른 채널을 듣고 있던 제3 노드(13)는 제1 노드(11)와 상기 제2 노드(12)의 상황을 알 수 없다. 따라서 제3 노드(13)는 데이터 전송이 필요할 시 인접 노드와의 통신을 위해 채널을 전환한 후 전환된 채널을 통해 RTS 메시지를 전송할 수 있다(S14, S15). 이 경우, 제3 노드(13)에 의해 제1 노드(11) 및 제2 노드(12)에서 사용하는 채널로의 전환이 이루어진다면, 심각한 간섭 현상이 발생한다. 이를 통상적으로 다중 채널 사용시의 히든 터미널 문제(Hidden Terminal Problem)라고 한다.However, the third node 13, which is listening to a different channel from the first node 11 and the second node 12, cannot know the situation of the first node 11 and the second node 12. Therefore, when data transmission is required, the third node 13 may switch a channel for communication with an adjacent node and then transmit an RTS message through the switched channel (S14 and S15). In this case, if the switching to the channel used by the first node 11 and the second node 12 is made by the third node 13, a serious interference phenomenon occurs. This is commonly referred to as a hidden terminal problem when using multiple channels.

한편, 최근 들어 센서 네트워크(Sensor Network)가 산업제어, 안전시설 모니터링, 재난경보/재해경보 등과 같은 응용분야로 확대되면서 높은 신뢰성 및 전송지연 최소화를 지원하는 센서 네트워크 기술에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 센서 네트워크용 MAC 프로토콜 기술 중에서 멀티채널(Multi-channel)을 이용하는 기술은 대표적으로 다음과 같은 기술들이 있다.On the other hand, as sensor networks have recently been expanded to applications such as industrial control, safety facility monitoring, and disaster alarm / disaster alarm, there is an increasing demand for sensor network technology that supports high reliability and minimizes transmission delay. Among the MAC protocol technologies for the sensor network, technologies using multi-channels include the following technologies.

먼저, 제1 선행 논문으로서, 2006년에 Gang Zhou 등에 의해 발표된 "MMSN: Multi-Frequency Media Access Control for Wireless Sensor Networks"라는 명칭의 논문이 25th IEEE International Conference on Computer Communications(INFOCOM2006)에 게재되어 있다.First, as a first preceding paper, a paper entitled "Multi-Frequency Media Access Control for Wireless Sensor Networks" published by Gang Zhou et al. In 2006 is published in the 25th IEEE International Conference on Computer Communications (INFOCOM2006). .

제1 선행 논문에 따른 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 MAC 프로토콜인 MMSN(Multi-frequency Media access control for wireless Sensor Networks) 프로토콜에서는 전체 노드들의 개수보다 사용 가능한 채널의 수가 적을 때 사용할 수 있도록 두 홉(Hop) 기반으로, 즉, 두 홉 이상 떨어진 노드들은 서로 다른 채널을 사용하게 하는 이븐 선택 방식(Even Selection Scheme)을 제공한다.In the multi-frequency media access control for wireless sensor network (MMSN) protocol, which is a multi-channel MAC protocol in a wireless sensor network according to the first preceding paper, two hops may be used when the number of available channels is smaller than the total number of nodes. ), That is, nodes two or more hops apart provide an Even Selection Scheme that allows different channels to be used.

이러한 MMSN 프로토콜은 채널 할당 작업이 끝나게 되면 매체 접근(Media Access) 단계로 넘어가게 되는데, 이때, 모든 노드들은 서로 동기화를 맞추게 되 고, 각 노드들의 주기는 브로드캐스트 경쟁 구간(Broadcast Contention Period: "Tbc")과 전송 구간(Transmission Period; "Ttran")으로 나누어진다. 여기서, Tbc는 모든 노드들이 기준 채널로 이동하여 브로드캐스팅 패킷을 수신 받기 위한 주기가 되고, Ttran은 자신에게 오는 유니캐스트 패킷(Unicast Packet)을 받거나 다른 노드에게 유니캐스트 패킷을 송신하는 주기가 된다.The MMSN protocol goes to the Media Access stage when the channel assignment is completed. At this time, all nodes are synchronized with each other, and the period of each node is the Broadcast Contention Period: "Tbc. ") And Transmission Period (" Ttran "). Here, Tbc is a period for all nodes to move to the reference channel to receive a broadcasting packet, and Ttran is a period for receiving a unicast packet coming to it or transmitting a unicast packet to another node.

또한, 제2 선행 논문으로서, Chen xun 등에 의해서 발표된 "A Multi-Channel MAC Protocol for Wireless Sensor Networks"라는 명칭의 논문이 The Sixth IEEE International Conference on Computer and Information Technology(CIT2006)에 게재되어 있다.Also, as a second prior paper, a paper entitled "A Multi-Channel MAC Protocol for Wireless Sensor Networks" published by Chen xun et al. Is published in The Sixth IEEE International Conference on Computer and Information Technology (CIT2006).

제2 선행 논문에 따른 MCMAC(Multi-Channel MAC)은 데이터 충돌(Data Collision), 오버히어링(Overhearing), 제어 패킷 오버헤드(Control Packet Overhead), 및 아이들 리스닝(Idle Listening)으로 인한 에너지 소비를 줄이기 위해 설계되었다.Multi-Channel MAC (MCMAC) according to the second preceding paper reduces energy consumption due to data collision, overhearing, control packet overhead, and idle listening. Designed for

이러한 MCMAC는 총 N개의 사용 가능한 채널이 존재하고, 그 중 하나는 채널 협상을 위한 제어 채널로 사용하고, 나머지 N-1개는 데이터 채널로 사용한다. 그리고 에너지 효율을 높이고자 클러스터 안에서 낮은 듀티 사이클(Low Duty-cycle)로 통신할 수 있도록 설계하였다. 그래서 전체 프레임 구조는 활성 구간(Active Period)과 슬립 구간(Sleep Period)으로 구성되어, 대부분의 시간동안 노드들은 슬립 모드(Sleep Mode)로 진입하게 되어 저전력으로 통신을 수행한다.The MCMAC has a total of N available channels, one of which is used as a control channel for channel negotiation, and the other N-1 is used as a data channel. And to improve energy efficiency, it is designed to communicate with low duty cycle in cluster. Therefore, the entire frame structure is composed of an active period and a sleep period, so that most of the time, the nodes enter the sleep mode to communicate with low power.

제2 선행 논문에 따른 MCMAC 프로토콜은 다중 채널들을 노드들에 동적으로 할당함으로써 네트워크 에너지 효율, 네트워크 수명 및 데이터 처리량을 상당하게 증가시킬 수 있다. 이러한 MCMAC 프로토콜은 노드당 하나의 트랜시버(Transceiver)만 필요하지만, 분배된 코디네이터 노드를 통해 다중채널 히든 터미널 문제를 해결한다.The MCMAC protocol according to the second prior art can significantly increase network energy efficiency, network lifetime and data throughput by dynamically assigning multiple channels to nodes. This MCMAC protocol requires only one transceiver per node, but solves the multichannel hidden terminal problem through distributed coordinator nodes.

전술한 종래의 기술에 따른 멀티채널 기반의 무선통신 방식은 여러 가지 장점을 제공하지만, 그 반면에 여러 가지 문제점들을 가지고 있다. 대표적인 문제점으로 멀티채널 방식의 무선통신에서는 통신하고자 하는 링크를 구성하는 두 노드간의 정확한 동기가 이루어져야 하며, 또한 채널 및 시간에 대한 적절한 약속이 이루어져야 한다. 이외에도 채널의 선택의 문제, 브로드캐스팅 메시지 지원에 대한 문제점 등이 존재하게 된다.The multi-channel based wireless communication method according to the conventional technology described above provides various advantages, but has various problems. As a representative problem, in the multi-channel wireless communication, accurate synchronization between two nodes constituting a link to be communicated must be made, and an appropriate promise about channel and time must be made. In addition, there may be a problem of channel selection and a problem of broadcasting message support.

따라서 종래의 기술에 따른 멀티채널 기반의 통신 방식은 이러한 문제점에 대한 효율적인 해결책을 제시하여야 한다. 그리고 지금까지 제안된 멀티채널 방식은 상위 레이어간의 연동을 통한 유연한 스케줄링을 지원하지 못하며, 특히, 멀티홉(Multi Hop) 전송시에 신뢰성 및 전송지연을 효율적으로 해결할 수 없다는 문제점이 있다.Therefore, the multi-channel communication method according to the prior art should provide an efficient solution to this problem. In addition, the proposed multichannel scheme does not support flexible scheduling through interworking between higher layers, and in particular, there is a problem in that reliability and transmission delay cannot be efficiently solved in multi-hop transmission.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 무선 센서 네트워크를 위한 새로운 주파수 다이버시티 MAC 방식을 구현함으로써, 표준 기술로서 많이 사용되고 있는 IEEE 802.15.4를 대체할 수 있는 무선 센서 네트 워크를 위한 FD-MAC 프로토콜 구조 및 그 운영 방법을 제공하기 위한 것이다.The technical problem to be solved by the present invention is to implement a new frequency diversity MAC scheme for a wireless sensor network, a wireless sensor network that can replace IEEE 802.15.4, which is widely used as a standard technology To provide an FD-MAC protocol structure and its operation method for.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 높은 신뢰성이 필요하면서도 제한된 전송 지연을 요구하는 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 프로토콜 구조 및 그 운영 방법을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide an FD-MAC protocol structure and a method of operating the same for a wireless sensor network that can be applied to various applications requiring high reliability and limited transmission delay.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 상위 레이어간의 연동을 통한 유연한 스케줄링을 지원하고, 멀티홉(Multi Hop) 전송시에 신뢰성 및 전송지연을 효율적으로 해결할 수 있는 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 프로토콜 구조 및 그 운영 방법을 제공하기 위한 것이다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to support flexible scheduling through interworking between higher layers, and to efficiently solve the reliability and transmission delay in multi-hop transmission. It is to provide a protocol structure and its operation method.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스는, 무선 센서 네트워크를 위한 주파수 다중화지원(Frequency Diversity: FD) 매체접근제어(MAC) 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스에 있어서, 네트워크 코디네이터, 다수의 라우터 노드들 및 다수의 엔드 노드들이 메쉬 네트워크를 형성하여 상기 슈퍼프레임을 송수신하는 경우, 상기 FD-MAC 슈퍼프레임(Superframe)은, 상기 라우터 노드들이 상기 노드들 간의 동기를 맞추기 위하여 비컨을 전송하는 비컨 구간(Beacon Period: BP); 관리 패킷(Management Packet), 브로드캐스팅 패킷(Broadcasting Packet), 또는 예비 트래픽(Occasional Traffic)에 대한 패킷을 교환하기 위한 구간으로서, 모든 노드가 동일한 채널 상에서 슬롯화된(Slotted) CSMA(Carrier Sense Multi Access) 방식으로 동작되는 관리 구간(Management Period: MP); 및 멀티채널 시분할 주파수 다중화(TDMA) 방식으로 사용할 수 있는 채널 모두에 대해 동일한 슬롯으로 나누어지는 구간으로서, 상기 노드들이 각각 상기 관리 구간(MP)에서 협상한 채널과 슬롯에서 데이터 및 인증(ACK)을 주고받는 비활성/예약 접근 구간(Inactive/Reserved Access Period: IRAP)을 포함하여 구성된다.As a means for achieving the above-described technical problem, the communication device for transmitting and receiving the FD-MAC superframe for the wireless sensor network according to the present invention, the frequency multiplexing support (Frequency Diversity (FD)) for the wireless sensor network (media access control) In a communication device for transmitting and receiving a superframe (MAC), when a network coordinator, a plurality of router nodes, and a plurality of end nodes form a mesh network to transmit and receive the superframe, the FD-MAC superframe includes: A beacon period (BP) in which the router nodes transmit a beacon to synchronize the nodes; Carrier Sense Multi Access (CSMA), in which all nodes are slotted on the same channel as an interval for exchanging packets for a management packet, a broadcasting packet, or an occlusion traffic. A management period (MP) operated in a) manner; And a period divided into the same slots for all channels that can be used in a multi-channel time division frequency multiplexing (TDMA) scheme, wherein the nodes perform data and authentication (ACK) in the channels and slots negotiated in the management interval (MP), respectively. It consists of sending and receiving Inactive / Reserved Access Period (IRAP).

여기서, 상기 비컨 구간은 2홉의 인접 테이블(Two-hop Neighbors Table)을 사용하여 비컨 스케줄링을 수행하는 것을 특징으로 한다.In this case, the beacon interval is characterized by performing beacon scheduling using a two-hop neighbor table (Two-hop Neighbors Table).

여기서, 상기 비컨 구간에서 상기 라우터 노드들은 중심 채널(Central Channel)에서 자신에게 전송되는 비컨이 있는지 스캔하여, 상기 비컨이 있는 경우 비컨(Beacon)과 비트맵(Bitmap) 정보를 수신하는 것을 특징으로 한다.Here, in the beacon period, the router nodes scan whether there is a beacon transmitted to them in a central channel, and when the beacon is present, receive beacon and bitmap information. .

여기서, 상기 라우터 노드들은, 인접 노드들로부터 받은 비컨이 특정 임계치를 초과할 경우, 동기화를 맞추기 위한 충분한 정보가 있다고 판단하여 더 이상 비컨을 보내지 않는 것을 특징으로 한다.In this case, when the beacons received from neighboring nodes exceed a certain threshold, the router nodes determine that there is sufficient information for synchronization, and do not send any more beacons.

여기서, 상기 특정 임계치는 상기 비컨 구간의 슬롯 개수의 절반을 넘거나 또는 상기 비트맵(Bitmap)이 꽉 찬 것을 조건으로 설정될 수 있다.Here, the specific threshold may be set on the condition that more than half of the number of slots of the beacon interval or the bitmap is full.

여기서, 상기 관리 패킷은 네트워크 관리를 위한 패킷, 라우팅 관리를 위한 패킷, 및 상기 IRAP의 슬롯을 할당하기 위한 스케줄링 패킷을 포함할 수 있다.Here, the management packet may include a packet for network management, a packet for routing management, and a scheduling packet for allocating a slot of the IRAP.

여기서, 상기 스케줄링 패킷에 의한 슬롯 스케줄링은 슬립 지연(Sleep Delay)을 최소화하도록 네트워크 레이어와의 연동을 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.In this case, slot scheduling by the scheduling packet is performed through interworking with a network layer to minimize a sleep delay.

여기서, 상기 비활성/예약 접근 구간에서, 상기 노드들은 자신이 할당된 슬 롯에서만 할당 채널로 활성(Active) 상태로 동작하고, 자신이 미할당된 슬롯에서는 아이들 리스닝(Idle Listening) 시간을 줄이기 위해 슬립 모드(Sleep Mode)로 진입하는 것을 특징으로 한다.In the inactive / reserved access period, the nodes operate in an active state as an allocated channel only in slots to which they are allocated, and sleep to reduce idle listening time in slots to which they are not allocated. It is characterized by entering a mode (Sleep Mode).

여기서, 상기 노드들은 상기 IRAP를 사용하기 위한 슬롯 예약 커맨드로서, 슬롯 예약 요구(Slot Reservation Request: SRQ), 슬롯 예약 응답(Slot Reservation Reply: SRP) 및 슬롯 예약 인식(Slot Reservation Notify: SRN)의 커맨드 프레임(Command Frame)을 포함할 수 있다.In this case, the nodes are slot reservation commands (SRQ), slot reservation reply (SRP), and slot reservation notify (SRN) commands as slot reservation commands for using the IRAP. It may include a frame (Command Frame).

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 FD-MAC 비컨의 최소 동기화 방법은, 네트워크 코디네이터, 다수의 라우터 노드 및 엔드/모바일 노드가 메쉬 토폴로지를 형성할 경우, 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 비컨의 최소 동기화 방법에 있어서, a) 네트워크 코디네이터가 주변 노드들을 위하여 네트워크 정보전송 및 동기화를 맞추기 위한 비컨 프레임(Beacon Frame)을 주기적으로 전송하는 단계; b) 제1 라우터 노드가 상기 비컨 프레임 및 자신의 정보를 전송하거나 또는 다른 노드로부터 오는 정보를 중계(Relay)하는 단계; c) 상기 제1 라우터 노드가 인접 라우터 노드들로부터 수신한 비컨 프레임이 특정 임계치를 초과하는지 판단하는 단계; d) 상기 제1 라우터 노드가 동기화를 위한 정보가 주변에 충분하다고 판단하여 자신의 비컨 프레임을 전송하지 않는 단계; 및 e) 상기 제1 라우터 노드가 동기화를 위한 정보가 주변에 충분하지 않다고 판단하여 자신의 비컨 프레임을 전송하는 단계를 포함하여 이루어진다.On the other hand, as another means for achieving the above-described technical problem, the minimum synchronization method of the FD-MAC beacon according to the present invention, when the network coordinator, a plurality of router nodes and the end / mobile node forms a mesh topology, a wireless sensor CLAIMS 1. A method of minimizing FD-MAC beacon for a network, the method comprising: a) a network coordinator periodically transmitting a beacon frame for coordinating network information transmission and synchronization for neighboring nodes; b) a first router node transmitting the beacon frame and its information or relaying information from another node; c) determining whether a beacon frame received from adjacent router nodes by the first router node exceeds a specific threshold; d) the first router node determining that the information for synchronization is sufficient in the vicinity and not transmitting its beacon frame; And e) the first router node determines that the information for synchronization is not enough around and transmits its beacon frame.

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따 른 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법은, 네트워크 코디네이터, 다수의 라우터 노드 및 엔드/모바일 노드가 메쉬 토폴로지를 형성하고 있는 FD-MAC 프로토콜에서 네트워크 레이어와 MAC 서브레이어 간에 FD-MAC 리소스를 예약하는 방법에 있어서, a) 채널 및 슬롯으로 이루어진 리소스 예약을 위해 제1 네트워크 레이어가 제1 네트워크 커맨드를 수신하는 단계; b) 제1 네트워크 레이어는 네트워크의 목적지 노드로의 라우팅 경로상의 다음 노드에 대하여 제1 MAC 프리미티브(Primitive) 커맨드를 전송하는 단계; c) 상기 제1 MAC 프리미티브 커맨드를 수신한 제1 MAC 서브레이어가 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷을 제2 MAC 서브레이어에게 전송하는 단계; d) 상기 제2 MAC 서브레이어가 상기 제1 MAC 서브레이어에게 슬롯 예약 응답(SRP) 패킷을 전송하는 단계; e) 상기 제1 MAC 서브레이어가 상기 제2 MAC 서브레이어에게 슬롯 예약 인지(SRN) 패킷을 전송하는 단계; 및 f) 상기 MAC 리소스(채널 및 슬롯) 예약이 완료되면, 상기 제1 MAC 서브레이어가 상기 제1 네트워크 레이어에게 제2 MAC 프리미티브 커맨드를 통하여 예약 확인(Confirm)을 하는 단계를 포함하되, 상기 FD-MAC 리소스에 대한 예약을 위해 상기 네트워크 레이어와 상기 MAC 서브레이어 사이에 크로스 레이어(Cross Layer) 구조로 동작하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, as another means for achieving the above-described technical problem, in the FD-MAC resource reservation method of the cross-layer reservation method according to the present invention, the network coordinator, a plurality of router nodes and the end / mobile node forms a mesh topology CLAIMS 1. A method for reserving FD-MAC resources between a network layer and a MAC sublayer in a FD-MAC protocol, comprising: a) receiving a first network command by a first network layer for resource reservation consisting of a channel and a slot; b) the first network layer sending a first MAC primitive command to the next node on the routing path to the destination node of the network; c) the first MAC sublayer receiving the first MAC primitive command sends a slot reservation request (SRQ) packet to a second MAC sublayer; d) the second MAC sublayer sending a slot reservation response (SRP) packet to the first MAC sublayer; e) the first MAC sublayer sending a slot reservation acknowledge (SRN) packet to the second MAC sublayer; And f) when the MAC resource (channel and slot) reservation is completed, the first MAC sublayer confirming a reservation through a second MAC primitive command to the first network layer, wherein the FD In order to reserve a MAC resource, it operates in a cross layer structure between the network layer and the MAC sublayer.

여기서, 상기 a) 내지 f) 단계의 모든 커맨드는 비컨 구간(BP), 관리 구간(MP) 및 비활성/예약 접근 구간(IRAP)으로 이루어진 FD MAC 슈퍼프레임에서 상기 관리 구간(MP)을 통하여 전송되는 것을 특징으로 한다.In this case, all the commands of steps a) to f) are transmitted through the management section MP in an FD MAC superframe including a beacon section, a management section MP, and an inactive / reserved access section IRAP. It is characterized by.

여기서, 상기 c) 단계에서, IRAP를 통하여 데이터를 전송하고자 하는 노드는 슬롯을 할당받기 위해서 소스 노드가 상기 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷(Packet)을 목적지 노드에게 유니캐스트(Unicast)로 전송하는 것을 특징으로 한다.Here, in step c), the node that wants to transmit data through IRAP transmits the slot reservation request (SRQ) packet to the destination node by unicast in order to receive the slot. It features.

여기서, 상기 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷은 몇 번째 슬롯을 기준으로 몇 개의 슬롯을 할당할 것인지를 명시하고, 이미 사용되고 있는 슬롯에 대한 블랙리스트(Black List)를 추가하여 전송하는 것을 특징으로 한다.In this case, the slot reservation request (SRQ) packet specifies how many slots to allocate based on the number of slots, and transmits by adding a black list for slots that are already used.

여기서, 상기 d) 단계의 슬롯 예약 응답(SRP)은 목적지 노드가 소스 노드의 블랙리스트(Black List)를 확인하여 사용 가능한 채널과 시작 슬롯에 대한 정보를 포함하게 되고, 소스 노드가 보낸 SRQ 패킷에 대한 성공과 실패에 대한 정보가 포함되어 전송되는 것을 특징으로 한다.In this case, the slot reservation response (SRP) of step d) includes information on available channels and starting slots by checking the black list of the source node, and includes the SRQ packet sent by the source node. The information on the success and failure for the transmission is characterized in that the transmission.

여기서, 상기 e) 단계의 슬롯 예약 인지(SRN) 패킷은 소스 노드가 목적지 노드로부터 받은 슬롯 예약 응답(SRP) 패킷에 대한 최종 응답으로서, 브로드캐스팅으로 전송되는 것을 특징으로 한다.Here, the slot reservation acknowledgment (SRN) packet of step e) is a final response to the slot reservation response (SRP) packet received by the source node from the destination node, and is transmitted by broadcasting.

여기서, 상기 e) 단계는 히든 터미널 문제를 해결하도록 상기 소스 노드 주변 노드들이 해당 채널과 슬롯을 사용하지 못하게 하여 히든 터미널 문제를 해결할 수 있다.Here, the step e) may solve the hidden terminal problem by preventing nodes around the source node from using corresponding channels and slots to solve the hidden terminal problem.

본 발명에 따르면, 표준 기술로서 많이 사용되고 있는 IEEE 802.15.4를 대체하기 위한 새로운 주파수 다이버시티 MAC 기술을 제공할 수 있다. 특히, 데이터 전송률의 향상, 전송지연의 최소화, 신뢰성의 향상을 위한 무선 센서 네트워크에 있어서 FD-MAC 프로토콜 구조를 제공하고, 이러한 FD-MAC을 크로스 레이어(Cross Layer) 기반으로 효율적으로 운영하는 방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a new frequency diversity MAC technology to replace IEEE 802.15.4, which is widely used as a standard technology. In particular, the FD-MAC protocol structure is provided in a wireless sensor network for improving data rate, minimizing transmission delay, and improving reliability, and a method of efficiently operating such FD-MAC on a cross layer basis is provided. Can provide.

본 발명에 따르면, 산업제어, 안전시설 모니터링, 재난경보/재해경보 등과 같은 높은 신뢰성이 필요하면서도 제한된 전송 지연을 요구하는 다양한 응용분야에 적용할 수 있다.According to the present invention, the present invention can be applied to various applications requiring high reliability while requiring high reliability such as industrial control, safety facility monitoring, disaster alarm / disaster alarm, and the like.

본 발명에 따르면, 상위 레이어간의 연동을 통한 유연한 스케줄링을 지원하고, 멀티홉(Multi Hop) 전송시에 신뢰성 및 전송지연을 효율적으로 해결할 수 있다.According to the present invention, it is possible to support flexible scheduling through interworking between higher layers, and efficiently solve reliability and transmission delay in multi-hop transmission.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted for simplicity of explanation, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 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. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components unless specifically stated otherwise. Also, the term "part" or the like, as described in the specification, means a unit for processing at least one function or operation, and may be implemented by hardware, software, or a combination of hardware and software.

본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 주파수 다중화지원 기 반 MAC 프로토콜 구조 및 그 운영 방법으로서, FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스, FD-MAC 프로토콜 및 슈퍼프레임 구조, FD-MAC의 최소 비컨 동기화 방법, FD-MAC의 크로스 레이어 예약 방법이 제공된다.Frequency multiplexing-based MAC protocol structure and method for operating the same for a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention, the communication device for transmitting and receiving FD-MAC superframe, FD-MAC protocol and superframe structure, FD-MAC A minimum beacon synchronization method and a cross layer reservation method of the FD-MAC are provided.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 슈퍼프레임의 구조를 나타내는 도면이다.7 is a diagram illustrating a structure of an FD-MAC superframe for a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 슈퍼프레임(100)의 한 사이클은 비컨 구간(Beacon Period: BP)(110), 관리 구간(Management Period: MP)(120), 및 비활성/예약 접근 구간(Inactive or Reserved Access Period: IRAP)(130)로 구성된다. 여기서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 채널을 나타낸다.Referring to FIG. 7, one cycle of the FD-MAC superframe 100 for a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention includes a beacon period (BP) 110 and a management period (MP). 120, and an Inactive or Reserved Access Period (IRAP) 130. Here, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents a channel.

비컨 구간(BP: 110)은 노드들 간의 동기를 맞추기 위하여 라우터 노드들이 비컨을 전송하는 구간으로서, 2홉의 인접 테이블(Two-hop Neighbors Table)을 사용하여 비컨 스케줄링을 한다. 여기서, 비컨(Beacon)이란 네트워크의 규격에서 송신단과 수신단 사이에 미리 약속된 알고 있는 신호로서, 네트워크 사이의 통신 과정에서 이루어지는 동기화 또는 채널 추정 과정에 사용된다.The beacon section (BP) 110 is a section in which router nodes transmit beacons to synchronize nodes, and performs beacon scheduling using two-hop neighbor tables. Here, the beacon (Beacon) is a signal known in advance between the transmitting end and the receiving end in the standard of the network, it is used in the synchronization or channel estimation process performed in the communication process between the networks.

예를 들면, 모든 노드들은 중심 채널(Central Channel)에서 자신에게 전송되는 비컨이 있는지 스캔하게 되고, 만약 비컨이 있다면, 비컨(Beacon)과 비트맵(Bitmap) 정보를 수신한다. 이후, 모든 노드들은 수신된 정보를 바탕으로 자신의 비컨맵(Beacon Map)을 갱신하고, 자신의 비컨을 보내기 위한 스케줄링을 수행하여 첫 번째 사용가능한 슬롯을 선택한다.For example, all nodes are scanned for beacons sent to them on the central channel, and if there are beacons, they receive beacons and bitmap information. Then, all nodes update their beacon map based on the received information, and perform scheduling to send their beacons to select the first available slot.

이와 같이 선택된 슬롯을 이용하여 수신된 정보와 자신의 정보를 포함하여 인접 노드에게 비컨을 전송한다. 만약 인접 노드들로부터 받은 비컨이 특정 임계치를 초과하면, 예를 들면, 비컨 구간(110)의 슬롯 개수의 절반을 넘거나 또는 비트맵(Bitmap)이 꽉 찼을 경우, 동기화를 맞추기 위한 충분한 정보가 있다고 판단하여 더 이상 비컨을 보내지 않는다. 이에 따라 불필요한 오버헤드를 줄일 수 있다.In this way, the beacon is transmitted to the adjacent node including the received information and its own information using the selected slot. If the beacons received from neighboring nodes exceed a certain threshold, for example, if more than half of the number of slots in the beacon interval 110 or the bitmap is full, there is sufficient information to synchronize. Judging and no longer sending beacons. This can reduce unnecessary overhead.

또한, 비컨 구간(110)의 길이는 SlotDuration*(2B_Order)로 정의하며, 상기 슬롯 구간인 SlotDuration은 하나의 슬롯에 보낼 적합한 프레임의 크기에 따라 결정된다. 이때, B_Order는 Beacon Order를 나타낸다.In addition, the length of the beacon period 110 is defined as SlotDuration * ( 2B_Order ), and the slot period, SlotDuration, is determined according to the size of a suitable frame to be sent to one slot. At this time, B_Order represents a Beacon Order.

관리 구간(MP: 120)은 관리 패킷(Management Packet), 브로드캐스팅 패킷(Broadcasting Packet), 또는 예비 트래픽(Occasional Traffic)에 대한 패킷을 교환하기 위한 구간으로서, 모든 노드가 동일한 채널 상에서 슬롯화된(Slotted) CSMA 방식으로 동작한다. The management interval (MP) 120 is an interval for exchanging packets for a management packet, a broadcasting packet, or an occupancy traffic, in which all nodes are slotted on the same channel ( Slotted) Operates in CSMA.

여기서, 상기 관리 패킷(Management Packet)은 네트워크 관리를 위한 패킷, 라우팅 관리를 위한 패킷, 및 상기 IRAP(130)의 슬롯을 할당하기 위한 스케줄링 패킷 등을 포함할 수 있다. 이러한 슬롯 스케줄링은 전송 지연을 최소한으로 줄일 수 있도록 슬립 지연(Sleep Delay)을 최소화하도록 네트워크 레이어와의 연동을 통해 이루어진다. 이때, 관리 구간(120)의 길이는 SlotDuration*(2M_Order)로 정의되며, M_Order는 Management Order를 나타낸다.Here, the management packet may include a packet for network management, a packet for routing management, and a scheduling packet for allocating a slot of the IRAP 130. This slot scheduling is performed through interworking with the network layer to minimize the sleep delay to minimize the transmission delay. At this time, the length of the management section 120 is defined as SlotDuration * (2 M_Order ), M_Order represents the Management Order.

비활성/예약 접근 구간(IRAP: 130)은 멀티채널 TDMA 방식으로 사용할 수 있 는 채널 모두에 대해 동일한 슬롯(131, 132)으로 나누어지며, 각 노드들이 상기 관리 구간(MP: 120)에서 협상한 채널과 슬롯에서 데이터 및 인증(ACK)을 주고받는 구간이다. 이때, 노드들은 자신이 할당된 슬롯(132)에서만 할당 채널로 활성(Active) 상태로 동작하고, 그 이외의 시간에서는 자신이 미할당된 슬롯(131)이므로 아이들 리스닝(Idle Listening) 시간을 줄이기 위해 슬립 모드(Sleep Mode)로 진입하며, 이에 따라 네트워크 수명시간을 연장할 수 있다. 이때, IRAP의 길이는 SlotDuration*(2I_Order)로 정의되며, 이때, I_Order는 IRAP Order를 나타낸다.Inactive / reserved access interval (IRAP: 130) is divided into the same slot (131, 132) for all channels that can be used in the multi-channel TDMA scheme, each node negotiated in the management interval (MP: 120) It is a section where data and authentication (ACK) are exchanged in the and slots. At this time, the nodes operate in an active state as an allocated channel only in the slot 132 to which they are allocated, and in order to reduce idle listening time because they are unallocated slots 131 at other times. The device enters the sleep mode, thereby extending the network lifetime. At this time, the length of the IRAP is defined as SlotDuration * (2 I_Order ), where I_Order represents an IRAP Order.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 프로토콜에서, 데이터 타입별로 서비스 품질(Quality of Service: QoS)을 지원하기 위하여 데이터를 트래픽(Traffic) 종류별로 구분한다. 즉, 트래픽 패턴(Traffic Pattern)에 따라서 구간 트래픽(Periodic Traffic), 버스트 트래픽(Burst Traffic), 예비 트래픽(Occasional Traffic)으로 나누고, 지연(Delay) 측면을 고려한 실시간 데이터와 신뢰성 측면을 고려한 신뢰성 요구 데이터로 구분하여 각 트래픽 종류별로 상이한 전송 메커니즘을 통해 서비스 품질(QoS)을 지원할 수 있다.Meanwhile, in the FD-MAC protocol according to an embodiment of the present invention, data is classified by traffic type in order to support Quality of Service (QoS) by data type. That is, the traffic pattern is divided into period traffic, burst traffic, and occsional traffic according to the traffic pattern, and real-time data considering delay and reliability request data considering reliability It is possible to support Quality of Service (QoS) through different transport mechanisms for each traffic type.

본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 프로토콜은 2홉(Hop) 인접노드 기반의 비컨 스케줄링(Beacon Scheduling)을 통해 동기화를 맞추게 되고, 메시 토폴로지(Mesh Topology)로 구성되어 동작하며, 전송 지연을 줄이기 위해 슬롯 스케줄링과 동일한 슈퍼프레임에서 실패한 데이터에 대해 재전송할 수 있다.The FD-MAC protocol according to an embodiment of the present invention achieves synchronization through beacon scheduling based on two hop neighbor nodes, operates with a mesh topology, and reduces transmission delay. It can be retransmitted for failed data in the same superframe as slot scheduling.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 프로토콜은 높은 신뢰성을 보장하기 위해 여러 개의 가용한 채널을 호핑(Hopping)하며, 데이터를 전송하고 주파수를 바꾸어 가면서 재전송이 가능하도록 하여 시간에 대한 다이버시티(Diversity)를 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 프로토콜은 슬립 구간(Slip Period)을 두어 아이들 리스닝(Idle Listening) 시간을 줄임으로써 네트워크의 수명시간을 향상시킬 수 있고, 네트워크 상황에 따라 유연하게 대응함으로써 확장성을 가질 수 있다.In addition, the FD-MAC protocol according to an embodiment of the present invention hops a number of available channels to ensure high reliability, and transmits data and enables retransmission while changing frequencies, thus diversity in time. Provide (Diversity). In addition, the FD-MAC protocol according to an embodiment of the present invention can improve the life time of the network by reducing the idle listening time by putting a sleep period, and responds flexibly according to the network situation. It can have extensibility.

결국, 본 발명의 실시예로서, 센서 네트워크가 높은 신뢰성을 요구하는 응용분야에 사용할 수 있도록 주파수 다이버시티를 이용한 메쉬 네트워크 지원 프로토콜(FD-MAC)의 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스가 제공될 수 있고, 지연을 최소화하기 위하여 라우팅 경로에 기반한 슬롯 예약을 할 수 있다.As a result, as an embodiment of the present invention, a communication device for transmitting and receiving a superframe of a mesh network support protocol (FD-MAC) using frequency diversity may be provided so that the sensor network may be used in an application requiring high reliability. In order to minimize delays, slot reservation based on routing paths can be made.

한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 토폴로지를 예시하는 도면이다.8 is a diagram illustrating an FD-MAC topology for a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 토폴로지는, 도 8에 도시된 바와 같이, 네트워크 코디네이터(Network Coordinator: NC)(210), 라우터 노드(Router Node: RN)(220a, 220b), 엔드 노드 또는 모바일 노드(End Node or Mobile Node: EN)(230)의 메시 네트워크(Mesh Network)로 구성될 수 있다.As illustrated in FIG. 8, the FD-MAC topology for the wireless sensor network according to the embodiment of the present invention includes a network coordinator (NC) 210 and a router node (RN) 220a and 220b. ), Or a mesh network of an end node or a mobile node (EN) 230.

네트워크 코디네이터(210)는 IEEE 802.15.4 MAC의 PAN 코디네이터(Coordinator)와 비슷한 역할을 하는 노드로서, 전체 네트워크에서 공통으로 사용되는 파라미터(Parameter)를 설정하는 역할과 네트워크를 관리하는 역할을 한다. 네트워크 코디네이터(210)는 주변 노드들을 위하여 네트워크 정보전송 및 동기화를 맞추기 위한 비컨 프레임(Beacon Frame)을 주기적으로 전송한다. The network coordinator 210 is a node that plays a role similar to a PAN coordinator of the IEEE 802.15.4 MAC. The network coordinator 210 serves to set parameters commonly used in the entire network and to manage the network. The network coordinator 210 periodically transmits a beacon frame for coordinating network information transmission and synchronization for neighboring nodes.

라우터 노드(220a, 220b)는 FD-MAC의 고정 환경에서 서비스를 제공하는 일반적인 노드로서, 네트워크 코디네이터(210)처럼 비컨 프레임 및 자신의 정보를 전송하거나 또는 다른 노드로부터 오는 정보를 중계(Relay)하는 중간 노드의 역할도 한다.The router nodes 220a and 220b are general nodes that provide services in a fixed environment of the FD-MAC. The router nodes 220a and 220b transmit beacon frames and their own information or relay information from other nodes, like the network coordinator 210. It also acts as an intermediate node.

엔드 노드 또는 모바일 노드(230)는 네트워크 코디네이터(210)나 라우터 노드(220a, 220b)와 달리 비컨 프레임을 전송하지 않고, 일반적인 데이터를 송신 및 수신하는 역할만 담당하며 이동성을 보장한다.Unlike the network coordinator 210 or the router nodes 220a and 220b, the end node or the mobile node 230 does not transmit a beacon frame, and is only responsible for transmitting and receiving general data and guarantees mobility.

종래의 기술에 따른 프로토콜들은, 노드(210, 220a, 220b, 230)간의 동기화를 위하여 기본적으로 모든 RN들(220a, 220b)이 비컨 프레임을 전송하게 된다. 이러한 종래 기술에 따른 비컨 전송 메커니즘에서는 네트워크 밀도가 높을 경우, 모든 RN들(220a, 220b)이 비컨을 전송할 수 있도록 상당히 긴 시간의 비컨 전송구간이 필요하게 된다.In the protocols according to the prior art, all the RNs 220a and 220b basically transmit beacon frames for synchronization between nodes 210, 220a, 220b and 230. In the conventional beacon transmission mechanism, when the network density is high, a very long time beacon transmission interval is required so that all RNs 220a and 220b can transmit a beacon.

하지만, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 프로토콜을 이용한 비컨 전송 메커니즘에서는 네트워크의 효율적인 관리를 위하여 상기 라우터 노드들(220a, 220b) 중에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 비컨 프레임을 전송하지 않는 라우터 노드(220b)가 존재한다. 이것은 인접 라우터 노드들(220a)로부터 수신한 비컨 프레임이 특정 임계치를 넘게 되면, 예를 들면, 예를 들면, 비컨 구간(110)의 슬롯 개수의 절반을 넘거나 또는 비트맵(Bitmap)이 꽉 찼을 경우, 동기화를 위한 정보가 주변에 충분하다고 판단하여 자신의 비컨 프레임을 전송하지 않는 메커니즘을 사용 한다.However, the beacon transmission mechanism using the FD-MAC protocol according to an embodiment of the present invention does not transmit a beacon frame, as shown in FIG. 8, among the router nodes 220a and 220b for efficient management of the network. There is a router node 220b. This means that, for example, if the beacon frame received from neighboring router nodes 220a exceeds a certain threshold, for example, more than half of the number of slots in the beacon interval 110 or the bitmap is full. In this case, it uses a mechanism that does not transmit its beacon frame because it determines that the information for synchronization is sufficient.

한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 슈퍼프레임의 비컨 구간(BP) 내의 비컨 슬롯을 구체적으로 예시하는 도면이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 슈퍼프레임의 관리 구간(MP)을 구체적으로 예시하는 도면이다.FIG. 9 is a diagram specifically illustrating a beacon slot in a beacon period BP of an FD-MAC superframe according to an embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a diagram of a beacon slot according to an embodiment of the present invention. It is a figure which concretely illustrates a management section MP.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 슈퍼프레임의 비컨 구간(BP) 내의 비컨 슬롯(111)은 MAC 헤더(Header)(111a), MAC 페이로드(Payload)(111b) 및 MAC 푸터(111c)를 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.As shown in FIG. 9, the beacon slot 111 in the beacon interval BP of the FD-MAC superframe according to the embodiment of the present invention has a MAC header 111a and a MAC payload 111b. ) And MAC footer 111c, but is not limited thereto.

상기 MAC 헤더(111a)는 비콘 식별자를 포함하는 프레임 제어필드(Frame Control field), 현재 프레임에 대한 시퀀스 넘버를 나타내는 시퀀스 넘버필드(Sequence Number field), 소스 어드레스를 포함하는 어드레싱 필드(Addressing field)를 포함할 수 있다.The MAC header 111a includes a frame control field including a beacon identifier, a sequence number field indicating a sequence number for the current frame, and an addressing field including a source address. It may include.

상기 MAC 페이로드(MAC payload)(111b)는 송수신의 시간 관리를 위해 논리적 시간슬롯을 정의하는 슈퍼프레임 상세정보 필드(Superframe Specification field), 특정 네트워크 디바이스에게 보장된 시간 슬롯을 제공하기 위한 정보를 포함하는 GTS(Guaranteed Time Slot) 필드, 네트워크 디바이스에 전송할 데이터가 발생한 경우에 전송할 네트워크 디바이스의 주소를 포함하는 펜딩 주소 필드(Pending Address Field) 및 비콘 페이로드 필드(Beacon Payload)를 포함할 수 있다.The MAC payload 111b includes a superframe specification field defining a logical time slot for time management of transmission and reception, and information for providing a guaranteed time slot to a specific network device. A GTS (Guaranteed Time Slot) field may include a pending address field including a address of a network device to be transmitted when data to be transmitted to the network device is generated, and a beacon payload field.

상기 MAC 푸터(MFR)(111c)는 전송되는 프레임의 에러 확인을 위한 프레임 체크 섬(Frame Check Sum: FCS)을 포함할 수 있다.The MAC footer (MFR) 111c may include a frame check sum (FCS) for error checking of a transmitted frame.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 슈퍼프레임의 관리 구간(120)은, 관리 패킷(121), 브로드캐스팅 패킷(122), 또는 예비 트래픽에 대한 패킷(123)을 교환하기 위한 구간으로서, 모든 노드가 동일한 채널 상에서 슬롯화된(Slotted) CSMA 방식으로 동작한다. 예를 들면, 상기 관리 패킷(121)은 네트워크 관리를 위한 패킷(121a), 라우팅 관리를 위한 패킷(121b) 및 IRAP의 슬롯을 할당하기 위한 스케줄링 패킷(121c) 등을 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.As shown in FIG. 10, the management section 120 of the FD-MAC superframe according to the embodiment of the present invention may include a management packet 121, a broadcasting packet 122, or a packet 123 for reserved traffic. As an interval for exchanging, all nodes operate in a slotted CSMA scheme on the same channel. For example, the management packet 121 may include a packet 121a for network management, a packet 121b for routing management, and a scheduling packet 121c for allocating a slot of an IRAP, but are not limited thereto. It doesn't happen.

한편, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC의 최소 비컨 동기화 방법의 동작흐름도이다.11 is a flowchart illustrating a method for synchronizing a minimum beacon of an FD-MAC according to an embodiment of the present invention.

전술한 도 8 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC의 최소 비컨 동기화 방법은, 먼저 네트워크 코디네이터(210), 다수의 라우터 노드(220a, 220b) 및 엔드 노드 또는 모바일 노드(230)가 메쉬 네트워크를 구성하여 통신이 이루어지는 경우(S110), 상기 네트워크 코디네이터(210)가 파라미터(Parameter) 설정 및 네트워크 관리하고(S120), 상기 네트워크 코디네이터(210)가 주변 노드들을 위하여 네트워크 정보전송 및 동기화를 맞추기 위한 비컨 프레임(Beacon Frame)을 주기적으로 전송한다(S130).8 and 11 described above, the minimum beacon synchronization method of the FD-MAC according to an embodiment of the present invention, first, the network coordinator 210, a plurality of router nodes (220a, 220b) and end nodes or mobile nodes When 230 configures a mesh network to perform communication ( S110 ), the network coordinator 210 sets parameters and manages the network ( S120 ), and the network coordinator 210 performs network information for neighboring nodes. Periodically transmits a beacon frame (Beacon Frame) to match the transmission and synchronization ( S130 ).

다음으로, 제1 라우터 노드(220a, 220b)가 상기 비컨 프레임 및 자신의 정보를 전송하거나 또는 다른 노드로부터 오는 정보를 중계(Relay)한다(S140).Next, the first router node 220a, 220b transmits the beacon frame and its information or relays information from another node ( S140 ).

다음으로, 제1 라우터 노드(220a, 220b)가 인접 라우터 노드들로부터 수신한 비컨 프레임이 특정 임계치를 초과하는지 판단하고(S150), 만일 특정 임계치를 초 과하는 경우, 예를 들면, 비컨 구간(110)의 슬롯 개수의 절반을 넘거나 또는 비트맵(Bitmap)이 꽉 찼을 경우, 상기 제1 라우터 노드가 동기화를 위한 정보가 주변에 충분하다고 판단하여 자신의 비컨 프레임을 전송하지 않게 된다(S160).Next, the first router node (220a, 220b) determines whether the beacon frame received from the neighboring router nodes exceeds a certain threshold ( S150 ), if exceeding a specific threshold, for example, beacon interval ( If more than half of the slot number of 110 or the bitmap is full, the first router node determines that enough information for synchronization is not enough to transmit its beacon frame ( S160 ). .

만일, 특정 임계치를 초과하지 않는 경우, 상기 제1 라우터 노드가 동기화를 위한 정보가 주변에 충분하지 않다고 판단하여 자신의 비컨 프레임을 전송하게 된다(S170).If the specific threshold is not exceeded, the first router node determines that the information for synchronization is not enough around and transmits its beacon frame ( S170 ).

본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC의 최소 비컨 동기화 방법은, 비컨 전송구간을 최소화하기 위하여 상기 라우터 노드(220a, 220b)가 주변으로부터 수신된 비컨 정보가 특정 임계치를 넘을 경우, 자신이 비컨 프레임을 전송하지 않음으로써 비컨의 전송을 최소화하면서도 공간 기반에 충분한 비컨을 갖는다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC의 최소 비컨 동기화 방법에 따르면, 특정 공간에 충분한 비컨들이 전송되고 있을 경우, 새로운 라우터 노드(220a, 220b)는 비컨을 송신하지 않음으로써, 비컨 구간의 최소화를 통하여 배터리 소모를 최소화하고, 전송 지연을 줄일 수 있게 된다.In the minimum beacon synchronization method of the FD-MAC according to an embodiment of the present invention, when the router nodes 220a and 220b receive the beacon information received from the periphery in order to minimize the beacon transmission interval, the beacon frame is itself a beacon frame. By not transmitting, the transmission of beacons is minimized while having enough beacons on a spatial basis. That is, according to the minimum beacon synchronization method of the FD-MAC according to the embodiment of the present invention, when enough beacons are transmitted in a specific space, the new router nodes 220a and 220b do not transmit beacons, Minimization minimizes battery consumption and reduces transmission delays.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC의 최소 비컨 동기화 방법은, 네트워크가 전술한 바와 같이 메쉬 네트워크를 지향하고 있기 때문에 가능하다. 이때, 비컨을 송신하지 않는 노드에는 결합(Join)이 이루어질 수 없는 문제점이 존재할 수 있지만, 이러한 문제점은 메쉬 네트워크의 특성을 통하여 자연스럽게 해결될 수 있다. 즉, 상기 메쉬 네트워크에서 통신이 수행될 경우, 결합 노드(Join Node)와 관계없이 인접 노드들 중에서 라우팅에서 사용하는 메트릭(Metric)에 기반 하여 통신하는 인접 노드를 선택할 수 있으므로 어떤 노드로 결합하든지 문제가 되지 않는다.Specifically, the minimum beacon synchronization method of the FD-MAC according to the embodiment of the present invention is possible because the network is directed to the mesh network as described above. At this time, there may be a problem that a join cannot be made in a node that does not transmit a beacon, but such a problem may be naturally solved through characteristics of a mesh network. That is, when communication is performed in the mesh network, regardless of the join nodes, it is possible to select neighbor nodes to communicate based on the metric used in routing regardless of the join nodes. Does not become.

한편, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC의 크로스 레이어 예약 기법을 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC의 크로스 레이어 예약 방법의 동작흐름도이다.12 is a diagram illustrating a cross layer reservation scheme of an FD-MAC according to an embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a flowchart illustrating a cross layer reservation method of an FD-MAC according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에서, FD-MAC의 IRAP(130)을 사용하기 위해서는 두 노드간의 채널과 타임 슬롯을 약속함으로서 사용할 수 있다. 이러한 약속을 위하여 예약기반 전송 메커니즘을 전술한 비컨 구간(BP), 관리 구간(MP) 및 비활성/예약 접근 구간(IRAP)으로 이루어진 슈퍼프레임에서 IRAP(130)에 사용한다.In an embodiment of the present invention, in order to use the IRAP 130 of the FD-MAC, it may be used by promising a channel and a time slot between two nodes. For this appointment, a reservation-based transmission mechanism is used for the IRAP 130 in a superframe consisting of the beacon section (BP), the management section (MP), and the inactive / reserved access section (IRAP).

본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 프로토콜이 멀티채널 TDMA 기반 하에 IRAP를 사용하기 때문에, 이러한 예약기반 전송 메커니즘은 멀티채널에 대한 히든 터미널 문제를 해결할 수 있어야 한다. 본 발명의 실시예에서는 IEEE 802.15.4의 커맨드 프레임(Command Frame)을 다음과 같은 표 1에 도시된 바와 같이 확장함으로써 멀티채널 히든 터미널 문제를 해결할 수 있다. 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 슬롯 예약 커맨드(Slot Reservation Commands)를 예시하는 테이블이다.Since the FD-MAC protocol according to the embodiment of the present invention uses IRAP under multichannel TDMA, this reservation-based transmission mechanism should be able to solve the hidden terminal problem for multichannel. In the embodiment of the present invention, the problem of multi-channel hidden terminal can be solved by extending the command frame of IEEE 802.15.4 as shown in Table 1 below. Table 1 is a table illustrating FD-MAC Slot Reservation Commands according to an embodiment of the present invention.

Figure 112009081258041-PAT00001
Figure 112009081258041-PAT00001

표 1에 도시된 바와 같이, 상기 IRAP(130)의 사용을 위해서 슬롯 예약 요구(Slot Reservation Request: SRQ), 슬롯 예약 응답(Slot Reservation Reply: SRP), 슬롯 예약 인식(Slot Reservation Notify: SRN)라는 3개의 커맨드 프레임(Command Frame)이 추가된다.As shown in Table 1, slot reservation requests (SRQs), slot reservation replies (SRPs), and slot reservation notifies (SRNs) for use of the IRAP 130. Three command frames are added.

구체적으로, 상기 IRAP(130)를 통하여 데이터를 전송하고자 하는 노드는 슬롯을 할당받기 위해서 소스 노드는 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷(Packet)을 목적지 노드에게 유니캐스트(Unicast)로 전송하게 된다. 이때, 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷은 몇 번째 슬롯을 기준으로 몇 개의 슬롯을 할당할 것인지를 명시하게 되고, 이미 사용되고 있는 슬롯에 대한 블랙리스트(Black List)를 추가하여 보내게 된다.Specifically, in order for a node to transmit data through the IRAP 130, a source node transmits a slot reservation request (SRQ) packet to a destination node as unicast in order to receive a slot. At this time, the slot reservation request (SRQ) packet specifies how many slots to allocate based on the number of slots, and adds a black list for slots that are already used.

슬롯 예약 응답(SRP)은 목적지 노드가 소스 노드의 블랙리스트(Black List)를 확인하여 사용 가능한 채널과 시작 슬롯에 대한 정보를 포함하게 되고, 소스 노드가 보낸 SRQ 패킷에 대한 성공과 실패에 대한 정보가 포함되어 전송된다.The slot reservation response (SRP) includes information about available channels and starting slots by the destination node checking the source node's black list, and information about the success and failure of SRQ packets sent by the source node. Included is sent.

슬롯 예약 인지(SRN) 패킷은 소스 노드가 목적지 노드로부터 받은 슬롯 예약 응답(SRP) 패킷에 대한 응답을 나타낸다. 이때, 상기 슬롯 예약 인지(SRN) 커맨드는 슬롯 예약 응답(SRP) 커맨드와 동일한 형식(Format)으로, 상기 슬롯 예약에 대한 최종 응답으로서, 브로드캐스팅으로 전송되며, 상기 소스 노드 주변 노드들이 해당 채널과 슬롯을 사용하지 못하도록 함으로써 전술한 히든 터미널 문제를 해결할 수 있다.A slot reservation acknowledgment (SRN) packet indicates a response to a slot reservation response (SRP) packet received by a source node from a destination node. In this case, the slot reservation acknowledge (SRN) command is transmitted in the same format as the slot reservation response (SRP) command, and as a final response to the slot reservation, by broadcasting. By preventing the use of slots, the aforementioned hidden terminal problem can be solved.

또한, 각각의 노드는 주변 노드들의 채널 및 슬롯 사용정보를 가지고 있는 슬롯 할당 테이블(Slot Allocation Table)을 관리하게 된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 예약절차에서 ③~⑤는 각각 슬롯 예약 요청(SRQ), 슬롯 예약 응답(SRP) 및 슬롯 예약 인지(SRN) 커맨드를 나타내는데, 도 13을 참조하여 구체적으로 설명한다.In addition, each node manages a slot allocation table having channel and slot usage information of neighboring nodes. As shown in FIG. 12, in the reservation process, 3) to 5) represent slot reservation request (SRQ), slot reservation response (SRP) and slot reservation acknowledgment (SRN) commands, respectively, which will be described in detail with reference to FIG.

전술한 채널 및 슬롯으로 이루어진 FD-MAC 리소스에 대한 예약은 네트워크 레이어(410)와 MAC 서브레이어(510) 사이에는 크로스 레이어(Cross Layer) 구조로 동작하게 된다. 이때, 이러한 크로스 레이어는 계층적 구조의 단점을 극복하도록 레이어간 정보 교환을 통해 변화하는 네트워크 상황에 대처하기 위한 개념이다.The reservation for the FD-MAC resource composed of the aforementioned channel and slot operates in a cross layer structure between the network layer 410 and the MAC sublayer 510. In this case, such a cross layer is a concept for coping with a changing network situation by exchanging information between layers to overcome the disadvantage of the hierarchical structure.

도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC의 크로스 레이어 예약 방법은, 먼저, 제1 네트워크 레이어(410)는 리소스 예약을 위한 제1 네트워크(NWK) 커맨드를 수신하고(S310), 이후, 제1 네트워크 레이어(410)는 네트워크의 목적지 노드로의 라우팅 경로상의 다음 노드에 대하여 제1 MAC 프리미티브(Primitive) 커맨드를 전송하게 된다(S320).12 and 13, in a cross layer reservation method of an FD-MAC for a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention, first, a first network layer 410 is a first network (NWK) for resource reservation. ) receiving a command, and (S310), then, the first network layer 410 transmits the first MAC primitives (primitive) command to the next node along the routing path to the destination node of the network (S320).

다음으로, 제1 MAC 서브레이어(510)에 대한 상기 리소스의 예약 절차가 진행되는데, 먼저, 상기 제1 MAC 프리미티브 커맨드를 수신한 제1 MAC 서브레이어(510)는 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷을 제2 MAC 서브레이어(520)에게 전송한다(S330). 이후, 제2 MAC 서브레이어(520)는 제1 MAC 서브레이어(510)에게 슬롯 예약 응답(SRP) 패킷을 전송한다(S340). 이후, 제1 MAC 서브레이어(510)는 제2 MAC 서브레이어(520)에게 슬롯 예약 인지(SRN) 패킷을 전송한다(S350).Next, the resource reservation procedure for the first MAC sublayer 510 is performed. First, the first MAC sublayer 510 receiving the first MAC primitive command receives a slot reservation request (SRQ) packet. The second MAC sublayer 520 is transmitted ( S330 ). Thereafter, the second MAC sublayer 520 transmits a slot reservation response (SRP) packet to the first MAC sublayer 510 ( S340 ). Thereafter, the first MAC sublayer 510 transmits a slot reservation acknowledgment (SRN) packet to the second MAC sublayer 520 ( S350 ).

다음으로, 전술한 S330 내지 S350 단계의 MAC 리소스(채널 및 슬롯) 예약이 완료되면, 제1 MAC 서브레이어(510)는 제1 네트워크 레이어(410)에게 제2 MAC 프리미티브 커맨드를 통하여 예약 확인(Confirm)을 하게 된다(S360).Next, when the MAC resource (channel and slot) reservation of the above-described step S330 to S350 is completed, the first MAC sublayer 510 confirms the reservation through the second MAC primitive command to the first network layer 410. ( S360 ).

다음으로, 제1 네트워크 레이어(410)가 제2 네트워크 레이어(420)가 다음 홉(Hop)으로 제2 네트워크 커맨드를 전송하게 된다(S370). 이때, 이러한 모든 커맨드는 슈퍼프레임의 관리 구간(MP)을 통하여 전송된다.Next, the first network layer 410 causes the second network layer 420 to transmit the second network command to the next hop ( S370 ). At this time, all such commands are transmitted through the management section MP of the superframe.

또한, 이러한 FD-MAC의 IRAP 구간의 예약기반 전송 메커니즘을 이용한 방법은 여러 가지 스케줄링 알고리즘에 따라 적용이 가능하다. 네트워크 레이어에서 요구하는 서비스품질(QoS) 파라미터에 따라서 해당 링크의 채널 및 슬롯 스케줄 시에 해당 서비스품질(QoS)을 최대로 만족할 수 있는 스케줄링 알고리즘을 사용하게 된다.In addition, the method using the reservation-based transmission mechanism of the IRAP interval of the FD-MAC can be applied according to various scheduling algorithms. According to the quality of service (QoS) parameters required by the network layer, a scheduling algorithm that can satisfy the quality of service (QoS) is maximized at the time of channel and slot scheduling of the link.

이때, 대표적인 서비스품질(QoS) 기반 스케줄링 방식으로 전송 신뢰성을 최대화하기 위해서는 채널 상태 우선 스케줄링을 선택하거나, 또는, 전송 지연 최소화를 위해서는 슬롯 우선 스케줄링을 선택할 수 있다.In this case, channel state priority scheduling may be selected to maximize transmission reliability using a typical QoS-based scheduling method, or slot priority scheduling may be selected to minimize transmission delay.

본 발명의 실시예에서는 센서네트워크가 높은 QoS를 요구하는 응용분야에 사용이 가능하도록 주파수 다이버시티를 이용한 메쉬 네트워크 지원 프로토콜을 제공한다. 특히, 높은 신뢰성, 전송 지연 최소화 등과 같은 다양한 QoS를 지원 가능한 스케줄링 기법에 따라 라우팅 경로에 기반하여 채널 및 슬롯을 예약할 수 있도록 하였다. 이를 통하여 제안된 프로토콜을 산업제어, 안전시설 모니터링, 재난경보/재해경보 등과 같은 높은 신뢰성이 필요하면서도 전송 지연이 낮을 필요가 있는 응용분야에 적용할 수 있다.An embodiment of the present invention provides a mesh network support protocol using frequency diversity so that a sensor network can be used in an application requiring high QoS. In particular, channels and slots can be reserved based on routing paths according to scheduling techniques capable of supporting various QoS such as high reliability and minimizing transmission delay. Through this, the proposed protocol can be applied to applications requiring high reliability and low transmission delay such as industrial control, safety facility monitoring, disaster alarm and disaster alarm.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

도 1은 IEEE 802.15.4 프로토콜 구조를 예시하는 도면이다.1 is a diagram illustrating an IEEE 802.15.4 protocol structure.

도 2는 IEEE 802.15.4 WPAN의 슈퍼프레임의 구조를 예시하는 도면이다.2 is a diagram illustrating a structure of a superframe of the IEEE 802.15.4 WPAN.

도 3은 IEEE 802.15.4 WPAN의 네트워크 토폴로지를 예시하는 도면이다.3 is a diagram illustrating a network topology of IEEE 802.15.4 WPAN.

도 4는 IEEE 802.15.4 MAC 프레임 포맷을 예시하는 도면이다.4 is a diagram illustrating an IEEE 802.15.4 MAC frame format.

도 5a는 통상적으로 메쉬 네트워크에서 각 노드 간의 통신이 단일 채널(Single Channel)에 이루어지는 경우를 나타내는 도면이고, 도 5b는 통상적인 메쉬 네트워크에서 각 노드 간의 통신이 다중 채널(Multiple Channel)에 이루어지는 경우를 나타내는 도면이다.FIG. 5A illustrates a case in which communication between nodes in a mesh network is performed in a single channel, and FIG. 5B illustrates a case in which communication between nodes in a conventional mesh network is performed in multiple channels. It is a figure which shows.

도 6은 종래 메쉬 네트워크의 데이터 전송 구간에서 노드 간에 이루어질 수 있는 시그널링을 나타내는 도면이다.6 is a diagram illustrating signaling that can be performed between nodes in a data transmission interval of a conventional mesh network.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 슈퍼프레임의 구조를 나타내는 도면이다.7 is a diagram illustrating a structure of an FD-MAC superframe for a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 토폴로지를 예시하는 도면이다.8 is a diagram illustrating an FD-MAC topology for a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 슈퍼프레임의 비컨 구간(BP) 내의 비컨 슬롯을 구체적으로 예시하는 도면이다.FIG. 9 is a diagram specifically illustrating a beacon slot in a beacon period BP of an FD-MAC superframe according to an embodiment of the present invention.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 FD-MAC 슈퍼프레임의 관리 구간(MP)을 구체적으로 예시하는 도면이다.10 is a diagram specifically illustrating a management interval (MP) of an FD-MAC superframe according to an embodiment of the present invention.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC의 최소 비컨 동기화 방법의 동작흐름도이다.11 is a flowchart illustrating a method for synchronizing a minimum beacon of an FD-MAC for a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC의 크로스 레이어 예약 기법을 설명하기 위한 도면이다.12 is a diagram illustrating a cross layer reservation scheme of an FD-MAC for a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC의 크로스 레이어 예약 방법의 동작흐름도이다.13 is a flowchart illustrating a cross layer reservation method of an FD-MAC for a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.

< 도면 부호의 간단한 설명 ><Brief Description of Reference Symbols>

100: FD-MAC 슈퍼프레임100: FD-MAC Superframe

110: 비컨 구간(Beacon Period: BP)110: Beacon Period (BP)

120: 관리 구간(Management Period: MP)120: Management Period (MP)

130: 비활성/예약 접근 구간(IRAP)130: inactive / reserved access interval (IRAP)

111: 비컨 구간 슬롯111: Beacon section slot

111a: MAC 헤더(Header)111a: MAC header

111b: MAC 페이로드(Payload)111b: MAC Payload

111c: MAC 푸터(FooteR)(MFR)111c: MAC Footer (MFR)

121a: 관리 패킷121a: management packet

121b: 브로드캐스팅 패킷121b: Broadcast packets

121c: 예비 트래픽을 위한 패킷121c: Packets for reserved traffic

131: 비할당 슬롯131: unallocated slot

132: 할당 슬롯132: allocation slots

210: 네트워크 코디네이터(Network Coordinator: NC)210: Network Coordinator (NC)

220a: 비컨 송신 라우터 노드(Router Node: RN)220a: Beacon transmitting router node (RN)

220b: 비컨 미송신 라우터 노드220b: Beacon Not Transmitted Router Node

230: 엔드 노드/모바일 노드230: end node / mobile node

410: 제1 네트워크 레이어410: First network layer

420: 제2 네트워크 레이어420: second network layer

510: 제1 MAC 서브레이어510: first MAC sublayer

520: 제2 MAC 서브레이어520: second MAC sublayer

Claims (22)

무선 센서 네트워크를 위한 주파수 다중화지원(Frequency Diversity: FD) 매체접근제어(MAC) 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스에 있어서, 네트워크 코디네이터, 다수의 라우터 노드들 및 다수의 엔드 노드들이 메쉬 네트워크를 형성하여 상기 슈퍼프레임을 송수신하는 경우, 상기 FD-MAC 슈퍼프레임(Superframe)은,In a communication device for transmitting / receiving a frequency diversity (FD) medium access control (MAC) superframe for a wireless sensor network, a network coordinator, a plurality of router nodes, and a plurality of end nodes form a mesh network. When transmitting and receiving a superframe, the FD-MAC superframe (Superframe), 상기 라우터 노드들이 상기 노드들 간의 동기를 맞추기 위하여 비컨을 전송하는 비컨 구간(Beacon Period: BP);A beacon period (BP) in which the router nodes transmit a beacon to synchronize the nodes; 관리 패킷(Management Packet), 브로드캐스팅 패킷(Broadcasting Packet), 또는 예비 트래픽(Occasional Traffic)에 대한 패킷을 교환하기 위한 구간으로서, 모든 노드가 동일한 채널 상에서 슬롯화된(Slotted) CSMA(Carrier Sense Multi Access) 방식으로 동작되는 관리 구간(Management Period: MP); 및Carrier Sense Multi Access (CSMA), in which all nodes are slotted on the same channel as an interval for exchanging packets for a management packet, a broadcasting packet, or an occlusion traffic. A management period (MP) operated in a) manner; And 멀티채널 시분할 주파수 다중화(TDMA) 방식으로 사용할 수 있는 채널 모두에 대해 동일한 슬롯으로 나누어지는 구간으로서, 상기 노드들이 각각 상기 관리 구간(MP)에서 협상한 채널과 슬롯에서 데이터 및 인증(ACK)을 주고받는 비활성/예약 접근 구간(Inactive/Reserved Access Period: IRAP)The interval is divided into the same slot for all channels that can be used in the multi-channel time division frequency multiplexing (TDMA) method, the nodes give data and authentication (ACK) in the channel and slot negotiated in the management interval (MP), respectively Inactive / Reserved Access Period (IRAP) 을 포함하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.Communication device for transmitting and receiving a FD-MAC superframe comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 비컨 구간은 2홉의 인접 테이블(Two-hop Neighbors Table)을 사용하여 비컨 스케줄링을 수행하는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.The beacon period is a communication device for transmitting and receiving the FD-MAC superframe, characterized in that performing beacon scheduling using a two-hop neighbor table (Two-hop Neighbors Table). 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 비컨 구간에서 상기 라우터 노드들은 중심 채널(Central Channel)에서 자신에게 전송되는 비컨이 있는지 스캔하여, 상기 비컨이 있는 경우 비컨(Beacon)과 비트맵(Bitmap) 정보를 수신하는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.In the beacon period, the router nodes scan whether there is a beacon transmitted to them in a central channel, and if there is the beacon, receive the beacon and the bitmap information. Communication device that transmits and receives MAC superframes. 제3항에 있어서, The method of claim 3, 상기 라우터 노드들은, 인접 노드들로부터 받은 비컨이 특정 임계치를 초과할 경우, 동기화를 맞추기 위한 충분한 정보가 있다고 판단하여 더 이상 비컨을 보내지 않는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.The router nodes, when the beacons received from neighboring nodes exceed a certain threshold, determine that there is sufficient information to synchronize, and no longer send a beacon, characterized in that the communication device for transmitting and receiving a FD-MAC superframe. 제4항에 있어서, 5. The method of claim 4, 상기 특정 임계치는 상기 비컨 구간의 슬롯 개수의 절반을 넘거나 또는 상기 비트맵(Bitmap)이 꽉 찬 것을 조건으로 설정되는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.And the specific threshold is set on the condition that more than half of the number of slots of the beacon interval or the bitmap is full. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 비컨 구간의 길이는 SlotDuration*(2B_Order)로 정의되고, 여기서, SlotDuration은 슬롯 구간을 나타내고, B_Order는 비컨 수(Beacon Order)를 나타내는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.The length of the beacon interval is defined as SlotDuration * (2 B_Order ), wherein SlotDuration represents a slot interval, B_Order represents a Beacon Order (Beacon Order) communication device for transmitting and receiving a FD-MAC superframe. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 관리 패킷은 네트워크 관리를 위한 패킷, 라우팅 관리를 위한 패킷, 및 상기 IRAP의 슬롯을 할당하기 위한 스케줄링 패킷을 포함하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.And the management packet transmits and receives an FD-MAC superframe including a packet for network management, a packet for routing management, and a scheduling packet for allocating a slot of the IRAP. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 스케줄링 패킷에 의한 슬롯 스케줄링은 슬립 지연(Sleep Delay)을 최소화하도록 네트워크 레이어와의 연동을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.Slot scheduling by the scheduling packet is a communication device for transmitting and receiving a FD-MAC superframe, characterized in that through the interworking with the network layer to minimize the sleep delay (Sleep Delay). 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 관리 구간의 길이는 SlotDuration*(2M_Order)로 정의되며, 여기서, M_Order는 Management Order를 나타내는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.The length of the management interval is defined as SlotDuration * (2 M_Order ), where M_Order is a communication device for transmitting and receiving the FD-MAC superframe, characterized in that indicating the Management Order. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 비활성/예약 접근 구간에서, 상기 노드들은 자신이 할당된 슬롯에서만 할당 채널로 활성(Active) 상태로 동작하고, 자신이 미할당된 슬롯에서는 아이들 리스닝(Idle Listening) 시간을 줄이기 위해 슬립 모드(Sleep Mode)로 진입하는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.In the inactive / reserved access period, the nodes operate in an active state as an assigned channel only in a slot to which they are allocated, and sleep in order to reduce idle listening time in an unallocated slot. Communication device for transmitting / receiving an FD-MAC superframe. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 IRAP의 길이는 SlotDuration*(2I_Order)로 정의되며, 여기서, I_Order는 IRAP Order를 나타내는 것을 특징으로 하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.And a length of the IRAP is defined as SlotDuration * (2 I_Order ), wherein the I_Order indicates an IRAP Order. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 노드들은 상기 IRAP를 사용하기 위한 슬롯 예약 커맨드로서, 슬롯 예약 요구(Slot Reservation Request: SRQ), 슬롯 예약 응답(Slot Reservation Reply: SRP) 및 슬롯 예약 인식(Slot Reservation Notify: SRN)의 커맨드 프레임(Command Frame)을 포함하는 FD-MAC 슈퍼프레임을 송수신하는 통신 디바이스.The nodes are slot reservation commands for using the IRAP, and include a slot reservation request (SRQ), a slot reservation reply (SRP), and a slot reservation notify (SRN) command frame (SRN). A communication device for transmitting and receiving an FD-MAC superframe including a Command Frame. 네트워크 코디네이터, 다수의 라우터 노드 및 엔드/모바일 노드가 메쉬 토폴로지를 형성할 경우, 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC 비컨의 최소 동기화 방법 에 있어서, In the minimum coordination method of FD-MAC beacon for a wireless sensor network, when a network coordinator, a plurality of router nodes and end / mobile nodes form a mesh topology, a) 네트워크 코디네이터가 주변 노드들을 위하여 네트워크 정보전송 및 동기화를 맞추기 위한 비컨 프레임(Beacon Frame)을 주기적으로 전송하는 단계;a) the network coordinator periodically transmitting a beacon frame for coordinating network information transmission and synchronization for neighboring nodes; b) 제1 라우터 노드가 상기 비컨 프레임 및 자신의 정보를 전송하거나 또는 다른 노드로부터 오는 정보를 중계(Relay)하는 단계;b) a first router node transmitting the beacon frame and its information or relaying information from another node; c) 상기 제1 라우터 노드가 인접 라우터 노드들로부터 수신한 비컨 프레임이 특정 임계치를 초과하는지 판단하는 단계;c) determining whether a beacon frame received from adjacent router nodes by the first router node exceeds a specific threshold; d) 상기 제1 라우터 노드가 동기화를 위한 정보가 주변에 충분하다고 판단하여 자신의 비컨 프레임을 전송하지 않는 단계; 및d) the first router node determining that the information for synchronization is sufficient in the vicinity and not transmitting its beacon frame; And e) 상기 제1 라우터 노드가 동기화를 위한 정보가 주변에 충분하지 않다고 판단하여 자신의 비컨 프레임을 전송하는 단계e) the first router node determines that there is not enough information for synchronization in the vicinity and transmits its beacon frame 를 포함하는 무선 센서 네트워크를 위한 FD-MAC을 위한 최소 비컨 동기화 방법.Minimum beacon synchronization method for FD-MAC for a wireless sensor network comprising a. 제13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 d) 단계에서 상기 제1 라우터 노드는 결합 노드(Join Node)와 관계없이 라우팅에서 사용하는 메트릭(Metric)에 기반하여 통신하는 인접 노드를 선택하는 것을 특징으로 하는 FD-MAC을 위한 비컨 동기화 방법.In step d), the first router node selects an adjacent node to communicate based on a metric used in routing irrespective of a join node, and the beacon synchronization method for FD-MAC. . 제13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 c) 단계의 특정 임계치는 비컨 구간의 슬롯 개수의 절반을 넘거나 또는 비트맵(Bitmap)이 꽉 찬 경우를 조건으로 설정되는 것을 특징으로 하는 FD-MAC을 위한 최소 비컨 동기화 방법.The specific threshold of step c) is set on the condition that more than half of the number of slots in the beacon interval or the bitmap (Bitmap) is full, the minimum beacon synchronization method for FD-MAC. 네트워크 코디네이터, 다수의 라우터 노드 및 엔드/모바일 노드가 메쉬 토폴로지를 형성하고 있는 FD-MAC 프로토콜에서 네트워크 레이어와 MAC 서브레이어 간에 FD-MAC 리소스를 예약하는 방법에 있어서,In a method of reserving FD-MAC resources between a network layer and a MAC sublayer in the FD-MAC protocol in which a network coordinator, a plurality of router nodes and end / mobile nodes form a mesh topology, a) 채널 및 슬롯으로 이루어진 리소스 예약을 위해 제1 네트워크 레이어가 제1 네트워크 커맨드를 수신하는 단계;a) the first network layer receiving a first network command for resource reservation consisting of a channel and a slot; b) 제1 네트워크 레이어는 네트워크의 목적지 노드로의 라우팅 경로상의 다음 노드에 대하여 제1 MAC 프리미티브(Primitive) 커맨드를 전송하는 단계;b) the first network layer sending a first MAC primitive command to the next node on the routing path to the destination node of the network; c) 상기 제1 MAC 프리미티브 커맨드를 수신한 제1 MAC 서브레이어가 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷을 제2 MAC 서브레이어에게 전송하는 단계;c) the first MAC sublayer receiving the first MAC primitive command sends a slot reservation request (SRQ) packet to a second MAC sublayer; d) 상기 제2 MAC 서브레이어가 상기 제1 MAC 서브레이어에게 슬롯 예약 응답(SRP) 패킷을 전송하는 단계;d) the second MAC sublayer sending a slot reservation response (SRP) packet to the first MAC sublayer; e) 상기 제1 MAC 서브레이어가 상기 제2 MAC 서브레이어에게 슬롯 예약 인지(SRN) 패킷을 전송하는 단계; 및e) the first MAC sublayer sending a slot reservation acknowledge (SRN) packet to the second MAC sublayer; And f) 상기 MAC 리소스(채널 및 슬롯) 예약이 완료되면, 상기 제1 MAC 서브레이어가 상기 제1 네트워크 레이어에게 제2 MAC 프리미티브 커맨드를 통하여 예약 확인(Confirm)을 하는 단계f) when the MAC resource (channel and slot) reservation is completed, the first MAC sublayer confirms a reservation to the first network layer through a second MAC primitive command. 를 포함하되,Including, 상기 FD-MAC 리소스에 대한 예약을 위해 상기 네트워크 레이어와 상기 MAC 서브레이어 사이에 크로스 레이어(Cross Layer) 구조로 동작하는 것을 특징으로 하는 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법.And a cross layer structure between the network layer and the MAC sublayer in order to reserve the FD-MAC resource. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 a) 내지 f) 단계의 모든 커맨드는 비컨 구간(BP), 관리 구간(MP) 및 비활성/예약 접근 구간(IRAP)으로 이루어진 FD MAC 슈퍼프레임에서 상기 관리 구간(MP)을 통하여 전송되는 것을 특징으로 하는 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법.All commands of steps a) to f) are transmitted through the management section MP in an FD MAC superframe including a beacon section, a management section MP, and an inactive / reserved access section IRAP. FD-MAC resource reservation method using cross-layer reservation method. 제17항에 있어서,The method of claim 17, 상기 c) 단계에서, IRAP를 통하여 데이터를 전송하고자 하는 노드는 슬롯을 할당받기 위해서 소스 노드가 상기 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷(Packet)을 목적지 노드에게 유니캐스트(Unicast)로 전송하는 것을 특징으로 하는 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법.In step c), the node to transmit data through the IRAP, the source node transmits the slot reservation request (SRQ) packet to the destination node in unicast (Unicast) in order to receive a slot assignment How to reserve a FD-MAC resource with a cross layer reservation method. 제18항에 있어서, The method of claim 18, 상기 슬롯 예약 요구(SRQ) 패킷은 몇 번째 슬롯을 기준으로 몇 개의 슬롯을 할당할 것인지를 명시하고, 이미 사용되고 있는 슬롯에 대한 블랙리스트(Black List)를 추가하여 전송하는 것을 특징으로 하는 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법. The slot reservation request (SRQ) packet specifies how many slots to allocate based on the number of slots, and adds a black list for slots that are already used. How to reserve FD-MAC resources. 제19항에 있어서, The method of claim 19, 상기 d) 단계의 슬롯 예약 응답(SRP)은 목적지 노드가 소스 노드의 상기 블랙리스트(Black List)를 확인하여 사용 가능한 채널과 시작 슬롯에 대한 정보를 포함하게 되고, 소스 노드가 보낸 SRQ 패킷에 대한 성공과 실패에 대한 정보가 포함되어 전송되는 것을 특징으로 하는 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법.The slot reservation response (SRP) of step d) includes information on available channels and starting slots by the destination node checking the black list of the source node, and the SRQ packet sent by the source node. FD-MAC resource reservation method of the cross-layer reservation method characterized in that the information is transmitted with the success and failure. 제17항에 있어서, The method of claim 17, 상기 e) 단계의 슬롯 예약 인지(SRN) 패킷은 소스 노드가 목적지 노드로부터 받은 슬롯 예약 응답(SRP) 패킷에 대한 최종 응답으로서, 브로드캐스팅으로 전송되는 것을 특징으로 하는 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법.The slot reservation acknowledgment (SRN) packet of step e) is a final response to the slot reservation response (SRP) packet received by the source node from the destination node, and is transmitted by broadcasting. Resource reservation method. 제21항에 있어서,The method of claim 21, 상기 e) 단계는 히든 터미널 문제를 해결하도록 상기 소스 노드 주변 노드들이 해당 채널과 슬롯을 사용하지 못하게 하여 히든 터미널 문제를 해결하는 것을 특징으로 하는 크로스 레이어 예약 방식의 FD-MAC 리소스 예약 방법.The step e) of the FD-MAC resource reservation method of the cross-layer reservation method characterized in that to solve the hidden terminal problem by preventing the nodes around the source node to use the corresponding channel and slot to solve the hidden terminal problem.
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