KR20140058107A

KR20140058107A - 센서 네트워크에서 데이터 송수신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20140058107A
Application number: KR1020120124731A
Authority: KR
Inventors: 배태한; 강노경; 손재승; 원은태
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2014-05-14

Abstract

본 발명은 센서 네트워크에서 접속 포인트가 데이터 프레임을 수신하는 방법에 있어서, 상기 센서 네트워크 내 센서 노드들을 관리하는 센서 노드-접속 포인트가 상기 센서 노드들로부터 센서 노드 식별자, 데이터 전송 주기 및 데이터 우선순위 정보를 수신하고, 상기 수신한 데이터 전송 주기 정보에 따라 상기 센서 노드들의 폴링 시간을 지시하는 폴링 리스트를 작성하고, 상기 작성된 폴링 리스트를 상기 센서 노드들에게 전송하고, 상기 센서 노드들에게 데이터 프레임 전송을 허가하는 폴 프레임을 전송하고, 상기 센서 노드들로부터 데이터 프레임을 수신하고, 상기 데이터 프레임에 대한 긍정응답 프레임을 해당 센서 노드에게 전송하고, 상기 데이터 프레임을 기존(Legacy) 접속 포인트에게 전달한다.

Description

센서 네트워크에서 데이터 송수신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMITTING AND RECEIVING DATA IN A SENSOR NETWORK}

본 발명은 센서 네트워크에 관한 것으로, 특히 센서 네트워크에서 센서 노드의 전력 소모를 감소시키기 위한 데이터 송수신 장치 및 방법에 관한 것이다.

와이파이(Wi-Fi)는 와이파이 얼라이언스(Alliance)의 상표명으로, IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11 기반의 무선랜(WLAN: Wireless Local Area Network) 연결과 장치간 연결을 지원하는 기술을 의미하며 무선랜이라고도 불리운다. 이러한 와이파이는 유선랜의 전송방식을 무선환경에 맞도록 변화시켜 무선망 환경에서 제공하므로, 사용자 이동성을 보장하고 랜의 설치비용을 줄일 수 있는 장점이 있으며 최근 스마트폰의 사용량 증가와 함께 더욱더 많이 사용되고 있다.

무선 센서 네트워크(WSN: Wireless Sensor Network)는 센서기기(또는 센서 노드)들이 주변 환경을 감시하고 데이터를 수집하여 무선으로 그 정보를 주고받는 네트워크 기술을 의미하며, 다양한 응용이 가능하다. 즉 무선 센서 네트워크는 침입을 감지하는 보안 용도, 자연 환경에서 동물들을 감지하는 용도, 특정 지역에서 습도나 온도 등의 환경 정보를 모니터링하는 용도 등으로 사용될 수 있다. 최근 활발히 연구가 진행중인 사물인터넷(IoT: Internet of Things), 사물지능통신(M2M: Machine to Machine), 장치간통신(D2D: Device to Device), 스마트 그리드(smart grid) 등은 모두 정보의 감지와 정보의 교환 용도로 사용된다는 점에서 무선 센서 네트워크와 유사하다고 할 수 있다.

또한 와이파이 칩(chip)을 장착한 기기들이 대량생산되고 가격이 낮아지면서 주변의 수많은 와이파이 기기와 센서를 이용한 무선 센서 네트워크에 대한 연구가 현재 진행중에 있으며, 무선 센서 네트워크에서 센서들은 보통 배터리와 같은 제한된 에너지원을 사용하고 있어 제한된 에너지원을 효율적으로 관리하여 사용하는 것이 중요한 쟁점이다. 또 센서의 수가 증가할수록 센서로부터 전송되는 데이터의 전송 지연 또는 데이터들간의 충돌이 증가할 수 있으므로 이를 해결할 수 있는 방안이 요구된다.

본 발명은 센서 네트워크에서 수많은 센서 노드들 간의 간섭 문제를 해결하고 그 간섭에 의한 지연시간을 줄이기 위한 송수신 방법 및 장치를 제공한다. 이러한 방법을 통해 센서 네트워크에서 센서 노드의 전력 소모를 감소시키기 위한 데이터 송수신 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방법은; 본 발명은 센서 네트워크에서 접속 포인트가 데이터 프레임을 수신하는 방법에 있어서, 상기 센서 네트워크 내 센서 노드들을 관리하는 센서 노드-접속 포인트가 상기 센서 노드들로부터 센서 노드 식별자, 데이터 전송 주기 및 데이터 우선순위 정보를 수신하는 과정과, 상기 수신한 데이터 전송 주기 정보에 따라 상기 센서 노드들의 폴링 시간을 지시하는 폴링 리스트를 작성하고, 상기 작성된 폴링 리스트를 상기 센서 노드들에게 전송하는 과정과, 상기 센서 노드들에게 데이터 프레임 전송을 허가하는 폴 프레임을 전송하고, 상기 센서 노드들로부터 데이터 프레임을 수신하는 과정과, 상기 데이터 프레임에 대한 긍정응답 프레임을 해당 센서 노드에게 전송하고, 상기 데이터 프레임을 기존(Legacy) 접속 포인트에게 전달하는 과정을 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 방법은; 센서 네트워크에서 센서 노드가 데이터 프레임을 전송하는 방법에 있어서, 상기 센서 네트워크 내 센서 노드들을 관리하는 센서 노드-접속 포인트로 센서 노드 식별자, 데이터 전송 주기 및 데이터 우선순위 정보를 전송하는 과정과, 상기 센서 노드-접속 포인트로부터 상기 센서 노드의 폴링 시간을 지시하는 폴링 리스트를 수신하고 휴면 상태로 천이하는 과정과, 상기 폴링 리스트에서 지시하는 상기 폴링 시간 직전에 활성 상태로 천이하여 데이터 프레임 전송을 허가하는 폴 프레임을 수신하고, 데이터 프레임을 전송하는 과정과, 상기 데이터 프레임에 대한 긍정응답 프레임을 수신하면 상기 휴면 상태로 천이하는 과정을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 장치는; 센서 네트워크에서 데이터 프레임을 수신하는 센서 노드-접속 포인트에 있어서, 상기 센서 네트워크 내 센서 노드들로부터 센서 노드 식별자, 데이터 전송 주기 및 데이터 우선순위 정보를 수신하고, 데이터 프레임을 수신하는 수신부와, 상기 수신한 데이터 전송 주기 정보에 따라 상기 센서 노드들의 폴링 시간을 지시하는 폴링 리스트를 작성하는 폴링 리스트 관리부와, 상기 작성된 폴링 리스트를 상기 센서 노드들에게 전송하고, 상기 센서 노드들에게 데이터 프레임 전송을 허가하는 폴 프레임을 전송하고, 상기 수신한 데이터 프레임에 대한 긍정응답 프레임을 해당 센서 노드에게 전송하고, 상기 수신한 데이터 프레임을 기존(Legacy) 접속 포인트에게 전달하는 송신부를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 장치는; 센서 네트워크에서 데이터 프레임을 전송하는 센서 노드에 있어서, 상기 센서 네트워크 내 센서 노드들을 관리하는 센서 노드-접속 포인트로 센서 노드 식별자, 데이터 전송 주기 및 데이터 우선순위 정보를 전송하고, 데이터 프레임을 전송하는 송신부와, 상기 센서 노드-접속 포인트로부터 상기 폴링 시간을 지시하는 폴링 리스트를 수신하고, 데이터 프레임 전송을 허가하는 폴 프레임을 수신하고, 상기 데이터 프레임에 대한 긍정응답 프레임을 수신하는 수신부와, 상기 폴링 리스트를 수신하면 휴면 상태로 천이하고, 상기 폴링 리스트에서 지시하는 상기 폴링 시간 직전에 활성 상태로 천이하고, 상기 긍정응답 프레임을 수신하면 상기 휴면 상태로 천이하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명은 수많은 센서 노드들이 하나의 AP에 접속을 시도할 때 발생될 수 있는 접속 지연 시간을 감소시키고 전송 데이터 프레임의 충돌을 회피할 수 있다. 또한 센서 노드들이 통신 시간 이외의 시간에서는 휴면 상태를 유지하도록 함으로써 센서 노드의 전력 소모를 감소시킬 수 있다.

이하에서는 표 1,2를 통해 본 발명의 효과를 보다 상세히 설명하도록 한다.

표 1은 센서 노드들이 데이터 프레임을 송수신하는 통신 모드(Normal Tx, Normal Rx), 수신을 대기하는 대기 모드(Standby), 휴면 상태를 유지하는 휴면 모드(Sleep)에서 각각의 소모 전력과, 비콘 주기(BI: Beacon Interval) 별 분당 평균 소모 전력 및 휴면 모드의 전력 비중의 일례를 계산한 것이다.

표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 센서 노드는 통신 모드로 동작할 때의 소모 전력이 62.7mW, 56.1mW로 가장 크고, 휴면 모드로 동작할 때의 소모 전력이 0.132mW로 가장 작음을 알 수 있다. 또한 분당 평균 소모 전력과 휴면 모드의 전력 비중은 비콘 주기가 짧아질수록 더욱 증가함을 알 수 있다. 중요한 것은 전체 모드, 즉 통신 모드, 대기 모드, 휴면 모드 중에서 휴면 모드가 가장 큰 비중을 차지한다는 것이다. 그러므로 센서네트워크에서 휴면 모드의 시간을 늘리는 것이 전력 소모를 줄이는데 유리 할 수 있다. 즉 필요한 시간에서만 작동하고 나머지 시간 동안은 휴면 모드로 유지하는 것이 전력 소모를 줄이는데 유리하다.

표 2는 센서 노드가 PS-폴 방식으로 데이터를 전송할 때와 AP-폴 방식으로 데이터를 전송할 때를 비교하여 비콘 주기(Beacon Interval), 비콘 듀레이션(Beacon Duration), 백오프 지연 시간, 폴링 시간(크기), 데이터 프레임 전송 시간(크기), ACK 프레임 전송 시간(크기), SIFS 시간, 데이터 프레임 1회 전송에 소요되는 시간, 99ms 동안 데이터 프레임 전송 횟수 등을 나타낸다.

표 2의 일례에서 확인할 수 있는 바와 같이, AP-폴 방식으로 데이터를 전송하면 PS-폴 방식으로 데이터를 전송할 때 대비 백오프 지연시간이 발생되지 않으며, 센서 노드가 데이터 프레임을 1회 전송하는데 소요되는 시간이 감소하며, 비콘 주기 100ms 중 비콘 듀레이션 1ms를 뺀 나머지 구간(99ms)에서 전송할 수 있는 데이터 프레임 전송 횟수가 증가하는 효과가 있다.

도 1은 IEEE 802.11 표준에서 정의하고 있는 IFS의 종류를 도시한 도면,
도 2는 IEEE 802.11 표준에서 정의하고 있는 PCF 방식에서의 슈퍼프레임 구조를 도시한 도면,
도 3은 IEEE 802.11 표준에서 지원하는 절전모드에서 센서 노드가 PS-폴 방식으로 데이터 프레임을 전송하는 동작을 도시한 도면,
도 4는 IEEE 802.11 표준에서 정의하고 있는 HCF 방식에서의 슈퍼프레임 구조를 도시한 도면,
도 5는 IEEE 802.11 표준에서 정의하고 있는 DCF 방식에서 STA들이 동시에 접속을 시도하는 경우 급격히 증가하는 CW 값의 일례를 도시한 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 저전력 센서 네트워크를 구성하는 절차를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 ULP-AP가 폴링 리스트를 작성하는 과정을 도시한 순서도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 센서 노드가 AP-폴 방식으로 데이터 프레임을 전송하는 동작을 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 센서 노드의 데이터 프레임 전송 동작을 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 센서 노드의 데이터 프레임 전송 동작을 도시한 도면,
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 센서 노드의 데이터 프레임 전송 동작을 도시한 도면,
도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 센서 노드의 데이터 프레임 전송 동작을 도시한 도면,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 데이터 프레임을 수신하는 ULP-AP 구성을 도시한 도면,
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 데이터 프레임을 전송하는 센서 노드 구성을 도시한 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

후술할 본 발명의 실시예에서는 일례로 IEEE 802.11 통신 시스템에서 센서 노드가 데이터를 송수신하는 장치 및 방법에 대해 설명하나, 본 발명에서 제안되는 센서 노드의 데이터 송수신 장치 및 방법은 유사한 기술적 배경 및 채널 형태를 가지는 여타의 통신 시스템에도 본 발명의 범위를 크게 벗어나지 않는 범위 내에서 약간의 변형으로 적용 가능함은 물론이다.

와이파이는 IEEE 802.11 기반의 Physical(이하 'PHY'라 함)/매체 접근 제어(MAC: Media Access Control, 이하 'MAC'이라 함) 표준을 따르고 있으며, MAC 프로토콜은 충돌을 회피할 수 있는 반송파 감지 다중 접속(CSMA: Carrier Sense Multiple Access)/충돌 회피(CA: Collision Avoid)(이하 'CSMA/CA'라 함) 방식을 이용하는 분산 조정 함수(DCF: Distributed Coordination Function, 이하 'DCF'라 함) 방식과 접속 포인트(AP: Access Point, 이하 'AP'라 함)가 단말(station, 이하 'STA'라 함)에 대한 전송을 직접 제어하는 집중 조정 함수(PCF: Point Coordination Function, 이하 'PCF'라 함) 방식을 사용한다.

도 1은 IEEE 802.11 표준에서 정의하고 있는 프레임 간격(IFS: Inter Frame Space, 이하 'IFS'라 함)의 종류를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, IEEE 802.11 표준에서 MAC 프로토콜은 STA가 무선 매체가 유휴(idle) 상태임을 감지한 후에 다음 동작까지 기다려야 할 최소한의 시간을 정의하기 위해 IFS를 사용한다. 또한 IFS에 의해 여러 종류의 우선순위를 제공하며, IFS 값이 작을수록 높은 우선순위를 가진다.

SIFS(Shorter Inter Frame Space)(100)은 하나의 프레임 전송이 완료되고 송신요구(RTS: Request To Send, 이하 'RTS'라 함)/송신준비완료(CTS: Clear To Send, 이하 'CTS'라 함) 프레임, 긍정응답(ACK: Acknowledge, 이하 'ACK'라 함) 프레임 등을 전송하기 전까지의 시간 간격이며, IFS 중에서 가장 높은 우선순위 레벨을 제공한다.

PIFS(Point Inter Frame Space)(110)은 PCF 방식으로 동작할 때 AP가 다른 STA보다 우선적으로 매체 접근 권한을 얻기 위해 사용되며, SIFS(100) + 슬롯 타임에 의해 결정된다.

DIFS(Distributed Inter Frame Space)(120)은 DCF 방식으로 동작하는 모든 STA가 데이터와 관리 프레임을 전송할 때 사용되며, SIFS(100) + 2*슬롯 타임 또는 PIFS(110) + 슬롯 타임에 의해 결정된다.

EIFS(Extended Inter Frame Space)(미도시)는 DCF 기반의 STA에서 프레임 전송에 에러가 발생되었을 시 수신 STA에게 ACK 프레임을 보낼 수 있는 충분한 시간을 주기 위해 사용된다.

만약 프레임 전송이 실패하면 현재 설정된 경쟁 윈도우(CW: Contention Window, 이하 'CW'라 함)(140) 값의 다음 단계 값을 가지게 되며, 경쟁 윈도우 값이 최대값 CWmax에 도달하면 더 이상 증가하지 않고 상기 CWmax 값을 유지하게 된다.

DCF 방식은 전송매체에 대한 접근을 제어하기 위해 CSMA/CA 방식을 사용하고 있다. CSMA/CA 방식은 집중화된 제어기 없이 분산 환경에서 경쟁기반 매체 접근 제어 방식을 사용한다. STA들은 채널의 상태를 관찰하고, 채널이 DIFS(120) 구간 동안 사용되지 않는 상태가 지속되면, 해당 STA는 랜덤하게 설정되는 백오프 지연시간(back-off time) 이후에 다음 프레임(150)의 전송을 시도하게 된다. 이 방법은 충돌 현상을 방지하는 역할을 하며, 이를 충돌 회피라고 한다. 즉 모든 STA들은 회선을 사용하기 전에 DIFS(120) 구간 동안 회선이 사용되는지 여부를 확인하고, 회선이 사용되지 않으면 데이터를 전송한다. 만약 회선이 사용 중이면 회선이 비어있을 때까지 기다린 후 충돌을 회피하기 위한 임의의 지연시간 동안 대기한 후 다시 한번 회선이 비어있는지 확인하고 비어 있을 경우에만 데이터를 전송한다.

그러나 DCF 방식은 CSMA/CA 방식을 기반으로 하기 때문에 데이터의 실시간 전송을 보장하기 어렵다. 그래서, 802.11 표준에서는 실시간 데이터 전송시 서비스 품질(QoS: Quality of Service, 이하 'QoS'라 함)을 제공하기 위한 방법으로 PCF 방식을 선택적으로 사용한다. PCF 방식은 비경쟁(CF: Contention Free) 방식을 기반으로 하며, PCF 방식은 매체의 전체 전송기간을 독점하여 사용하지 않고 도 2에 도시한 슈퍼프레임 구조와 같이 경쟁 방식을 기반으로 하는 DCF 방식과 교대로 사용된다.

도 2는 IEEE 802.11 표준에서 정의하고 있는 PCF 방식에서의 슈퍼프레임 구조를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, PCF 방식에서는 시간축으로 슈퍼프레임 단위로 분할되고 각각의 슈퍼프레임은 백오프 지연(230) 구간에 의해 구분된다. 슈퍼 프레임(200)은 비경쟁구간(210)과 경쟁구간(220)으로 구성되고, 비경쟁구간(210)은 비콘 프레임(211)과 PCF 프레임(213)을 포함하고, 경쟁구간(220)은 DCF 프레임(221)을 포함한다.

PCF 방식에서는 포인트 조정자(PC: Point Coordinator)가 폴링(polling) 방식을 사용하여 각 STA들이 매체를 점유할 수 있는 권한을 제어하며, PIFS를 DIFS보다 작은 값으로 설정하여 프레임 전송에 대한 우선권을 부여한다. 또한 포인트 조정자는 비경쟁구간(210)의 시작 시점에서 매체를 감지하였을 때 해당 구간이 사용하지 않는 상태라면 동기 획득을 위한 비콘 프레임(211)을 전송하여 STA가 상기 매체를 사용하도록 제어한다.

이하에서는 도 3을 통해 IEEE 802.11 표준에서 에너지 소비를 줄이기 위해 지원하는 절전모드(PSM: Power Save Mode)에 대해 설명하도록 한다.

도 3은 IEEE 802.11 표준에서 지원하는 절전모드에서 센서 노드가 절전(PS: Power Save)-폴(Poll)(이하 'PS-폴'이라 함) 방식으로 데이터 프레임을 전송하는 동작을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, AP는 동기화 및 네트워크의 정보 전달을 위해 비콘 프레임을 주기적으로 전송하고, 상기 비콘 프레임을 통해서 각각의 센서 노드로 송신할 데이터가 있는지를 알린다. 모든 센서들은 기본적으로 네트워크에 참여하기 위해 AP가 전송하는 비콘 프레임(300)을 수신하고, 절전모드로 동작하는 센서 노드들은 상기 비콘 프레임(300)을 수신하면 해당 프레임 동안 휴면 상태(sleep state)에 있을지 여부를 결정한다. 즉 센서 노드들은 자신을 위해 AP가 전송할 데이터를 버퍼링하고 있지 않으면 휴면 상태로 천이하고, 상기 AP가 전송할 데이터를 버퍼링하고 있으면 상기 데이터를 수신할 때까지 휴면 상태로 천이하지 않는다.

데이터를 수신하기로 결정한 센서 노드는 미리 설정된 백오프 지연시간(305)을 대기(standby)한 후, 경쟁을 통해 데이터 프레임 전송을 허가하는 PS-폴 프레임(310)을 AP에게 전송하고, 상기 AP로부터 버퍼링된 데이터 프레임(320)을 수신한다. 또한 센서 노드는 버퍼링된 데이터 프레임(320)을 수신하면 ACK 프레임(330)을 상기 AP에게 전송한다.

이후 절전 모드로 동작하는 센서 노드는 AP에게 전송할 데이터가 발생하면 휴면 상태에서 활성 상태(active state)로 천이하고 해당 데이터를 경쟁을 통해 전송한다. 또한 센서 노드는 더 이상 AP로 전송할 데이터가 존재하지 않으면 휴면 상태로 천이한다.

또한 IEEE 802.11 표준에서는 DCF 방식과 PCF 방식의 QoS를 향상시키기 위해 HCF(Hybrid Coordination Function) 방식을 정의하고 있다. HCF 방식은 DCF 방식에 의해 제어되는 경쟁 구간과 PCF 방식에 의해 제어되는 비경쟁 구간 동안 QoS 데이터를 전송할 수 있는 방식으로, EDCA(Enhanced Distribution Channel Accces)라는 경쟁기반 채널접근 방법과 HCCA(HCF Controlled Channel Access)라는 제어 채널접근 방법을 사용한다.

도 4는 IEEE 802.11 표준에서 정의하고 있는 HCF 방식에서의 슈퍼프레임 구조를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, HCF 방식에서는 시간축으로 슈퍼프레임 단위로 분할되고, 슈퍼 프레임(400)은 비경쟁구간(410)과 경쟁구간(420)으로 구성된다.

HCF 방식에서는 슈퍼프레임(400) 동안에 비경쟁 구간(410)과 경쟁 구간(420)이 반복되며, 하이브리드 조정자(HC: Hybrid Coordinator)는 전송 기회(TXOP: Transmission Opportunity, 이하 'TXOP'라 함)를 할당하기 위한 폴링 기법을 수행한다. EDCA는 서비스하려는 트래픽의 우선순위에 따라 4개의 접속 카테고리로 분류하여 서비스하는 선별적(prioritized) QoS 서비스를 지원하며, HCCA는 AP와 STA 사이에 지원하고자 하는 트래픽의 특성을 파라미터로 구분하여 각 특성에 맞는 QoS 서비스를 제공하는 종량적(parameterized) QoS 서비스를 지원한다. 또한 상기 EDCA와 HCCA는 DCF 방식과 PCF 방식을 사용하는 802.11 표준의 MAC 프로토콜과 호환된다.

즉 하이브리드 조정자(HC: Hybrid Coordinator)는 비콘 프레임(430)을 전송하고, 데이터 전송을 요청하는 비경쟁(CF: Contention Free)-Poll 프레임(440)을 전송한다. 이후 CF-Poll 프레임(440)을 수신한 STA는 데이터 프레임(450)을 전송하고, 하이브리드 조정자는 상기 데이터 프레임(450) 수신을 완료한 후 비경쟁 구간이 종료됨을 알리는 CF-종료(End) 프레임(460)을 전송한다. 여기서 상기 CF-Poll 프레임(440) 전송이 시작되는 시점부터 데이터 프레임(450) 전송이 완료된 시점까지의 구간은 폴링된 전송기회(이하 'polled TXOP'라 함)(455)라 정의하며, 상기 polled TXOP는 폴링 기법에 의해 획득된다.

또한 경쟁구간(420)에서 STA는 경쟁을 통해 획득한 EDCA TXOP(475) 구간에서 데이터 프레임(470)을 전송하고, polled TXOP(485) 구간에서 데이터 프레임(480)을 전송한다.

그러나 CSMA/CA 방식을 이용하는 DCF 방식은 데이터 프레임을 전송하기 이전에 먼저 통신이 가능한 채널을 확인하는 방식이므로 여러 개의 STA들이 동시에 접속을 시도하는 경우 충돌이 발생활 확률이 높다. 게다가 재 충돌이 발생될 시 지연시간을 2배씩 늘리는 구조이므로 지연시간은 더욱 길어질 수 밖에 없다.

도 5는 IEEE 802.11 표준에서 정의하고 있는 DCF 방식에서 STA들이 동시에 접속을 시도하는 경우 급격히 증가하는 CW 값의 일례를을 도시한 그래프이다.

도 5를 참조하면, 모든 STA들은 백오프 지연을 카운트하는 백오프 카운터를 선택하는데 이용되는 CW 값을 유지하며, CW 값은 최초에는, 즉 데이터 프레임 전송의 초기 시도(500)에는 CWmin 값으로 설정되나, 데이터 전송에 대한 ACK 프레임을 받지 못하여 재전송할 경우에 CW 값은 CWmax 값까지 지속적으로 증가한다. 예를 들어 초기 시도(500)의 CW 값이 7이라 가정할 때, 첫번째 재전송(510)의 CW 값은 15이고, 두번째 재전송(520)의 CW 값은 31이고, 세번째 재전송(530)의 CW 값은 63으로, 전송 시도가 실패하면 새로운 백오프 카운터를 구하기 위해 사용되는 CW 값이 이전에 가지고 있던 값의 두 배가 됨을 알 수 있다.

이와 같이 DCF 방식에서 STA들이 동시에 접속을 시도할 경우 CW 값은 데이터 전송의 실패에 따라 지수함수적으로 증가한다. 따라서 센서 네트워크에서는 상기 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드가 많아질수록 CW 값의 증가에 따른 처리량 감소가 더욱 심화될 것으로 판단되며, 패킷당 평균적으로 접속을 시도하는 횟수 또한 증가할 것으로 판단된다.

또한 PCF 방식의 경우 라운드 로빈 방식으로 STA에게 TXOP를 제공함으로써 우선순위가 높은 센서 노드를 구분하는 것이 불가능 하며, 더욱이 PCF 방식에서의 폴링 리스트에 포함되는 STA 들은 자신의 순서에 폴 프레임을 수신하기 전까지 계속하여 대기 모드의 유지를 위해 전력을 소모해야 하므로 센서 네트워크에는 적합하지 않다.

또한 절전모드에서의 PS-폴 방식은 대기 시간 동안 휴면 상태를 유지 함으로써 전력 절감을 시도하지만 STA가 전송할 데이터가 있을 경우 AP에게 폴 프레임을 전송해야 하므로 이 역시 센서 네트워크에는 적합하지 않다. 왜냐하면 기본적으로 센서 네트워크란 센서 기기가 감지한 정보를 주기적으로 전송하는 구조로 구성되어야 하기 때문이다.

또한 HCF 방식의 경우 어느 정도 QoS를 보장할 수는 있지만 주기적으로 전송되는 데이터와 상기 데이터를 전송하기 위한 전송시간을 필요로 하기 때문에 저전력이 요구되며 수많은 센서들을 관리해야 하는 센서 네트워크에는 적합하지 않다.

이하에서는 도 6 내지 도 14를 통해 센서 네트워크에서 센서 노드들이 AP에 접속함에 있어 발생되는 지연시간을 줄이고 상기 센서 노드들의 전력 소모를 감소시키기 위한 데이터 송수신 방안에 대해 설명하도록 한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 저전력 센서 네트워크를 구성하는 절차를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 도시된 통신 시스템은 센서 노드(600)와 상기 센서 노드를 관리하는 초저전력(ULP: Ultra Low Power)-AP(이하 'ULP-AP'라 함)(610)을 포함한다.

ULP-AP(610)는 자신에게 접속하려는 STA들, 일례로 센서 노드들을 위해 자신이 지원할 수 있는 능력, 일례로 전송 속도, 암호화 방식 등에 대한 정보와 ULP-AP(610)가 속한 서비스 셋의 SSID(Service Set Identifier), 전송 간격, 및 채널 용량 등의 파라미터 정보가 포함된 비콘 메시지를 주기적으로 방송(broadcasting)하고,(601단계) 센서 노드들은 상기 비콘 메시지를 수신하여 자신의 주변에 어떤 AP가 있는지 탐색하고 접속할 AP를 선택한다.

즉 센서 노드(600)는 ULP-AP(610)의 통신 영역에 진입하면, ULP-AP(610)로부터 방송되는 비콘 메시지를 수신하고,(601단계) 상기 비콘 메시지에 포함된 파라미터 정보를 확인하여 ULP-AP(610)의 지원능력 정보, SSID, 전송 간격, 및 채널 용량 등의 정보를 획득한다. 여기서는 센서 노드(600)가 주기적으로 방송되는 비콘 메시지를 수신하여 비콘 메시지에 포함된 파라미터 정보를 획득하는 수동적(passive) 방식을 일례로 설명하였다.

그러나 센서 노드(600)는 경우에 따라 능동적(active) 방식을 통해 상기 파라미터 정보를 획득할 수도 있다. 이 경우 센서 노드(600)는 ULP-AP(610)에게 먼저 프로브 요청(probe request)메시지를 전송하고,(603단계) ULP-AP(610)으로부터 상기 프로브 요청 메시지에 대한 응답으로 프로브 응답(probe response) 메시지를 수신(605단계)함으로써 상기 파라미터 정보를 획득할 수 있다. 이러한 능동적 방식은 비콘 메시지가 전송되는 주기를 기다리지 않고 프로브 요청 메시지를 전송함으로써 해당 파라미터 정보를 수신하므로 수동적 방식 대비 AP에 빠르게 접속할 수 있는 장점이 있다.

앞서 설명한 탐색 절차, 즉 601단계 또는 603 및 605단계를 통해 접속할 ULP-AP(610)를 탐색한 센서 노드(600)는 인증 절차를 통해 자신이 유효한 센서임을 증명한다. 즉 센서 노드(600)는 인증을 요청하는 인증 요청(Authentication Request) 메시지를 ULP-AP(610)에 전송하고,(607단계) ULP-AP(610)로부터 상기 인증 요청 메시지에 대한 응답으로 인증 응답(Authentication Response) 메시지를 수신한다.(609단계)

상기 인증 절차를 완료한 센서 노드(600)는 결합 절차를 통해 ULP-AP(610)에 접속한다. 즉 센서 노드(607)는 ULP-AP(610)로의 접속을 요청하는 결합 요청(Association Request) 메시지를 전송한다.(611단계) 상기 결합 요청 메시지에는 센서 노드(600)의 정보, 일례로 센서 식별자(ID: Identifier, 이하 'ID'라 함), 데이터 전송 주기, 데이터 우선순위, 데이터 크기(size) 등의 정보가 포함된다.

ULP-AP(610)는 상기 결합 요청 메시지를 통해 획득한 센서 ID, 데이터 전송 주기, 데이터 우선순위, 데이터 크기 정보를 기반으로 센서 노드들에 대한 폴링 순서(또는 폴링 시간)를 지시하는 폴링 리스트를 작성하고, 응답(Association Response) 메시지를 통해 상기 작성된 폴링 리스트를 센서 노드(600)에게 전송한다. 즉 센서 노드(600)는 ULP-AP(610)로부터 상기 결합 요청 메시지에 대한 응답으로 폴링 리스트가 포함된 결합 응답(Association Response) 메시지를 수신한다.(613단계) 상기 폴링 리스트는 센서 네트워크가 최초 구성될 시 작성되며, 작성된 폴링 리스트는 상기 센서 네트워크에 새로운 센서 노드가 진입하거나 기존의 센서 노드의 연결이 해제될 시마다 업데이트된다. 만약 휴면 상태의 센서 노드가 업데이트된 폴링 리스트를 수신하지 못하여 데이터 전송시 충돌이 발생하거나 데이터 전송에 에러가 발생할 경우에는 센서 노드(600)는 앞서 설명한 탐색, 인증, 결합 절차를 ULP-AP(610)과 다시 수행한다.

상기 결합 절차를 완료한 센서 노드(600)는 휴면 상태로 천이하고 폴링 리스트에서 지시하는 폴링 시간에 맞추어 액티브 상태로 천이한 다음 ULP-AP(610)로 데이터를 전송한다.(615단계)

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 ULP-AP가 폴링 리스트를 작성하는 과정을 도시한 순서도이다.

도 7을 참조하면, 702단계에서 ULP-AP는 센서 네트워크 내 센서 노드들 각각의 정보, 일례로 센서 ID, 데이터 전송 주기, 데이터 우선순위, 데이터 크기 등의 정보를 수집하고 704단계로 진행한다.

704단계에서 ULP-AP는 수신된 센서 노드들의 데이터 전송 시간에 따라 폴링 시간을 결정하여 임시 폴링 리스트를 작성하고, 706단계로 진행하여 기존에 관리되고 있는 기존 폴링 리스트가 존재하는지 여부를 확인한다. ULP-AP는 기존 폴링 리스트가 존재할 경우 708단계로 진행하여 기존 폴링 리스트를 상기 임시 폴링 리스트에 따라 업데이트하고 710단계로 진행한다. 또한 ULP-AP는 상기 기존 폴링 리스트가 존재하지 않을 경우에도 710단계로 진행한다.

710단계에서 ULP-AP는 현재 폴링 리스트, 즉 임시 폴링 리스트 또는 업데이트된 폴링 리스트에서 폴링 시간이 동일한 센서 노드가 존재하는지 여부를 확인한다. ULP-AP는 현재 폴링 리스트에서 폴링 시간이 동일한 센서 노드가 존재하지 않을 경우 718단계로 진행하여 현재 폴링 리스트를 센서 네트워크 내 센서 노드들에게 전송한다.

그러나 ULP-AP는 폴링 시간이 동일한 센서 노드가 존재할 경우 712단계로 진행하여 폴링 시간이 동일한 센서 노드가 전송하려는 데이터의 우선순위를 확인한다. 즉 ULP-AP는 폴링 시간이 동일한 센서 노드의 데이터 우선순위가 동일한지 여부를 확인하고, 만약 데이터 우선순위까지 동일하다면 714단계로 진행한다. 714단계에서 ULP-AP는 사용자 요구조건에 따라 랜덤하게 폴링 시간을 결정하여 폴링 리스트를 재작성하고, 재작성된 폴링 리스트에 따라 현재 폴링 리스트를 업데이트한 다음 718단계로 진행한다. 718단계에서 ULP-AP는 현재 폴링 리스트를 센서 네트워크 내 센서 노드들에게 전송한다. 사용자 요구조건은 사용자 요구에 따라 다양하게 정해질 수 있으며 일례로 사용자가 크기가 큰 데이터를 먼저 전송하기를 원할 경우 이에 따라 해당 데이터의 폴링 시간을 결정할 수도 있다.

그러나 폴링 시간은 동일하나 데이터 우선순위는 동일하지 않을 경우 ULP-AP는 716단계로 진행하고, 상기 데이터 우선순위에 따라 폴링 시간을 결정하여 폴링 리스트를 재작성하고, 재작성된 폴링 리스트에 따라 현재 폴링리스트를 업데이트한 다음 718단계로 진행한다. 718단계에서 ULP-AP는 현재 폴링 리스트를 센서 네트워크 내 센서 노드들에게 전송한다.

또한 도시하지는 않았으나 ULP-AP는 센서 네트워크에 새로운 센서 노드가 진입하거나 기존의 센서 노드의 연결이 해제될 시마다 폴링 리스트를 업데이트한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 센서 노드가 AP-폴 방식으로 데이터 프레임을 전송하는 동작을 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 상기 저전력 센서 네트워크는 ULP-AP(800)와 제1센서 노드(810)와 제2센서 노드(820)로 구성되며, 제1 및 제2센서 노드(810,820)는 결합 절차를 통해 ULP-AP(800)에 접속하였다고 가정한다.

ULP-AP(800)는 동기화 및 네트워크의 정보 전달을 위해 비콘 프레임(802)을 주기적으로 전송하고, 상기 비콘 프레임(802)을 통해서 제1 및 제2센서 노드(810,820)로 송신한 데이터가 있는지를 알린다.

ULP-AP(800)로부터 비콘 프레임(802)을 수신한 제1 및 제2센서 노드(810,820)는 상기 ULP-AP(800)과 동기를 획득하고, 휴면 상태로 진입한다. 이후 제1 및 제2센서 노드(810,820)는 결합 절차를 통해 ULP-AP(800)로부터 수신한 폴링 리스트에서 지시하는 폴링 시간에 따라 자신의 폴링 시간 직전에 활성 상태로 천이하고 ULP-AP(800)로부터 전송되는 폴 프레임을 수신한다.

즉 제1센서 노드(810)는 자신의 폴링 시간 직전에 활성 상태로 천이하여 제1폴 프레임(804)의 수신을 대기한다. 상기 제1폴 프레임(804)을 수신하면, 제1데이터 프레임(812)을 전송하고, 상기 제1데이터 프레임(812) 전송에 대한 제1ACK 프레임(806)을 수신한다. 또한 제2센서 노드(820)는 자신의 폴링 시간 직전에 활성 상태로 천이하여 ULP-AP(800)로부터 제2폴 프레임(808)을 수신하면, 제2데이터 프레임(822)을 전송하고, 상기 제2데이터 프레임(822) 전송에 대한 제2ACK 프레임(809)을 수신한다. 이때 제1 및 제2센서 노드(810,820) 각각은 제1 및 제2ACK 프레임(806,809)을 수신하면 활성 상태에서 휴면 상태로 천이한다. 이와 같은 동작으로 센서 노드는 데이터 전송에 필요한 구간, 즉 폴 프레임 수신 구간, 데이터 프레임 전송 구간, 및 ACK 프레임 수신 구간을 제외한 모든 구간에서 휴면 상태를 유지함으로써 대기 시간을 최소화하고 휴면 상태 구간의 길이를 늘릴 수 있으며 이에 따라 전력 소모를 최소화할 수 있다.

ULP-AP은 독립된 하나의 장치로 구성될 수도 있고 기존 AP(이하 'Legacy AP'라 함)에 그 기능이 포함되는 형태로 구성될 수도 있다. ULP-AP가 독립된 하나의 기기로 동작할 경우, Legacy AP 관점에서 ULP-AP는 STA 처럼 동작하여 통신을 위한 시간을 확보할 수 있다.

ULP-AP는 SCF(Sensor Coordination Function) 구간을 사용하여 통신시간을 확보할 수 있다. 즉 SCF 구간 동안 Legacy AP는 네트워크 할당 벡터(NAV: Network Allocation Vector, 이하 'NAV'라 함)를 동작시켜 ULP-AP 이외의 다른 단말들의 통신을 멈추도록 하고, 상기 NAV 시간 동안 ULP-AP는 센서 노드를과 통신을 수행하도록 한다. NAV란 무선 매체가 사용 중이라는 시간 정보를 의미하는 타이머 역할을 하는 값으로, 상기 NAV가 시작되면 특정 단말 이외의 단말들은 통신을 멈추고 상기 NAV 값이 0이 될 때까지 대기해야 한다.

또한 ULP-AP는 센서-IFS라는 매우 짧은 IFS를 사용하여 통신시간을 확보할 수 있다. 즉 센서-IFS라는 매우 짧은 IFS를 이용하여 ULP-AP가 다른 단말들보다 우선적으로 AP에 접속할 수 있도록 한다. 이때 센서-IFS는 SIFS보다는 커야 하지만 그 밖의 다른 IFS들 보다는 작게 설정해야 한다. 상기 센서-IFS를 SIFS보다 크게 설정하는 이유는, 센서-IFS가 상기 SIFS보다 작을 경우 발생되는 단말이 데이터 프레임 전송 후 ACK 프레임을 수신하기 전에 매체에 접속함으로써 이미 성공적으로 전송을 완료한 데이터 프레임을 미전송으로 처리하는 문제를 해결하기 위함이다.

SCF 구간 또는 센서-IFS를 사용하여 통신시간을 확보한 ULP-AP는 NAV를 통해 카운트하는 시간 동안 센서 노드들에세 폴 프레임을 전송하고, 상기 폴 프레임을 수신한 센서 노드들은 데이터 프레임을 전송한다.

도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 센서 노드의 데이터 전송 동작을 도시한 도면이다.

도 9를 참조하면, Legacy AP(900)은 도시된 제1슈퍼프레임(910)을 관리하며, 제1슈퍼프레임(910)은 SCF 프레임(916)을 위한 비경쟁 구간(912)과 DCF 프레임(918)을 위한 경쟁구간(914)으로 구성된다.

ULP-AP(920)가 STA 1 내지 STA N(902,904,906)과 같이 STA로 동작한다고 가정할 때, ULP-AP(920)는 Legacy AP(900)와 탐색, 인증, 결합 절차를 수행하여 상기 Legacy AP(900)에 접속한다.

Legacy AP(900)는 자신이 관리하는 제1슈퍼프레임(910)의 SCF 프레임(916) 구간 동안 NAV를 동작시켜 STA 1 내지 STA N(902,904,906)이 통신을 멈추도록 하고, 이때 ULP-AP(920)는 상기 SCF 프레임(916) 구간에서 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(922,924,926)에게 비콘 프레임을 방송한다. 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(922,924,926)은 상기 비콘 프레임을 수신하여 ULP-AP(920)과의 동기를 획득한 후 휴면 상태로 진입한다. 이후 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(922,924,926)은 결합 절차를 통해 ULP-AP(920)로부터 수신한 폴링 리스트에서 지시하는 폴링 시간에 따라 자신의 폴링 시간 직전에 활성 상태로 천이하고 ULP-AP(920)로부터 전송되는 폴 프레임의 수신을 대기한다.

센서 노드 1 내지 센서 노드 M(922,924,926)은 폴 프레임을 수신하면 ULP-AP(920)로 데이터 프레임을 전송하고, 상기 ULP-AP(920)로부터 데이터 프레임 전송에 대한 ACK 프레임을 수신하면 다시 휴면 상태로 천이한다. 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(922,924,926)로부터 데이터 프레임을 수신한 ULP-AP(920)은 상기 데이터 프레임을 Legacy AP(900)으로 전달한다.

도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 센서 노드의 데이터 프레임 전송 동작을 도시한 도면이다.

도 10을 참조하면, Legacy AP(1000)은 도시된 제2슈퍼프레임(1010)을 관리하며, 제2슈퍼프레임(1010)은 SCF 프레임(1016)을 위한 비경쟁 구간(1012)과 DCF 프레임(1018)을 위한 경쟁구간(1014)으로 구성된다.

ULP-AP(1020)가 STA 1 내지 STA N(1002,1004,1006)과 같이 STA로 동작한다고 가정할 때, ULP-AP(1020)는 Legacy AP(1000)와 탐색, 인증, 결합 절차를 수행하여 상기 Legacy AP(1000)에 접속한다.

Legacy AP(1000)는 자신이 관리하는 제2슈퍼프레임(1010)의 SCF 프레임(1016) 구간 동안 NAV를 동작시켜 STA 1 내지 STA N(1002,1004,1006)이 통신을 멈추도록 하고, 이때 ULP-AP(1020)는 Legacy AP(1000)이 관리하는 제2슈퍼프레임(1010)의 SCF 프레임(1016) 구간에서 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(1022,1024,1026)에게 비콘 프레임을 방송한다. 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(1022,1024,1026)은 상기 비콘 프레임을 수신하여 ULP-AP(1020)과의 동기를 획득한 후 휴면 상태로 진입한다. 이후 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(1022,1024,1026)은 결합 절차를 통해 ULP-AP(1020)로부터 수신한 폴링 리스트에서 지시하는 폴링 시간에 따라 자신의 폴링 시간 직전에 활성 상태로 천이하고 ULP-AP(1020)로부터 전송되는 폴 프레임의 수신을 대기한다.

센서 노드 1 내지 센서 노드 M(1022,1024,1026)은 폴 프레임을 수신하면 데이터 프레임을 전송하고, 상기 데이터 프레임 전송에 대한 ACK 프레임을 수신하면 다시 휴면 상태로 천이한다. 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(922,924,926)로부터 데이터 프레임을 수신한 ULP-AP(1020)은 상기 데이터 프레임을 Legacy AP(1000)으로 전달한다.

센서 노드 1 내지 센서 노드 M(1022,1024,1026)은 ULP-AP(1020)로부터 폴 프레임을 수신하면 Legacy AP(1000)로 데이터 프레임을 전송하고, 상기 Legacy AP(1000)로부터 데이터 프레임 전송에 대한 ACK 프레임을 수신하면 다시 휴면 상태로 천이한다. 즉 본 발명의 제2실시예에 따른 데이터 프레임 전송 동작은 센서 노드가 ULP-AP(1020)를 통해서가 아닌 Legacy AP(1000)에게 직접 데이터 프레임을 전송한다는 점에서 본 발명의 제1실시예에 따른 데이터 프레임 전송 동작과 차이점을 가진다.

도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 센서 노드의 데이터 프레임 전송 동작을 도시한 도면이다.

도 11을 참조하면, AP(1100)는 Legacy AP의 기능과 ULP-AP의 기능을 모두 수행한다고 가정하고, AP(1100)는 도시된 제3슈퍼프레임(1110)을 관리하며, 제3슈퍼프레임(1110)은 SCF 프레임(1116)을 위한 비경쟁 구간(1112)과 DCF 프레임(1118)을 위한 경쟁구간(1114)으로 구성된다.

AP(1100)는 Legacy AP의 기능과 ULP-AP의 기능을 모두 수행하므로, 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(1122,1124,1126)은 AP(1100)와 탐색, 인증, 결합 절차를 수행하여 상기 AP(1100)에 접속한다.

AP(1100)는 자신이 관리하는 제3슈퍼프레임(1110)의 SCF 프레임(1116) 구간 동안 NAV를 동작시켜 STA 1 내지 STA N(1102,1104,1106)이 통신을 멈추도록 하고, 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(1122,1124,1126)에게 비콘 프레임을 방송한다. 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(1122,1124,1126)은 상기 비콘 프레임을 수신하여 AP(1100)과의 동기를 획득한 후 휴면 상태로 진입한다. 이후 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(1122,1124,1126)은 결합 절차를 통해 AP(1100)로부터 수신한 폴링 리스트에서 지시하는 폴링 시간에 따라 자신의 폴링 시간 직전에 활성 상태로 천이하고 AP(1100)으로부터 전송되는 폴 프레임의 수신을 대기한다.

센서 노드 1 내지 센서 노드 M(1122,1124,1126)은 폴 프레임을 수신하면 AP(1100)으로 데이터 프레임을 전송하고, 상기 AP(1100)으로부터 데이터 프레임 전송에 대한 ACK 프레임을 수신하면 다시 휴면 상태로 천이한다. 즉 본 발명의 제3실시예에 따른 데이터 프레임 전송 동작은 AP(1100)가 Legacy AP의 기능과 ULP-AP의 기능을 모두 수행한다는 점에서 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 데이터 프레임 전송 동작과 차이점을 가진다.

도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 센서 노드의 데이터 프레임 전송 동작을 도시한 도면이다.

도 12를 참조하면, Legacy AP(1200)은 도시된 제4슈퍼프레임(1210)을 관리하며, 제4슈퍼프레임(1210)은 DCF 프레임(918)을 위한 경쟁구간(914)만으로 구성된다. DCF 프레임(918)에서는 센서-IFS라는 매우 짧은 IFS를 이용하여 ULP-AP(1220)가 STA 1 내지 STA N(1202,1204,1206)보다 우선적으로 Legacy AP(1200)에 접속할 수 있도록 한다.

Legacy AP(1200)는 ULP-AP(1220)가 접속 권한을 가진 센서-IFS 구간 동안 NAV를 동작시켜 STA 1 내지 STA N(902,904,906)이 통신을 멈추도록 하고, 이때 ULP-AP(1220)는 상기 센서-IFS 구간에서 센서 노드 M(1222,1224,1226)에게 비콘 프레임을 방송한다. 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(1222,1224,1226)은 상기 비콘 프레임을 수신하여 ULP-AP(1220)과의 동기를 획득한 후 휴면 상태로 진입한다. 이후 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(1222,1224,1226)은 결합 절차를 통해 ULP-AP(1220)로부터 수신한 폴링 리스트에서 지시하는 폴링 시간에 따라 자신의 폴링 시간 직전에 활성 상태로 천이하고 ULP-AP(1220)로부터 전송되는 폴 프레임의 수신을 대기한다.

센서 노드 1 내지 센서 노드 M(1222,1224,1226)은 폴 프레임을 수신하면 ULP-AP(1220)으로 데이터 프레임을 전송하고, 상기 ULP-AP(1220)로부터 데이터 프레임 전송에 대한 ACK 프레임을 수신하면 다시 휴면 상태로 천이한다. 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(1222,1224,1226)로부터 데이터 프레임을 수신한 ULP-AP(1220)은 상기 데이터 프레임을 Legacy AP(1200)으로 전달한다.

본 발명의 제4실시예에 따른 데이터 프레임 전송 동작은 센서 노드가 비경쟁 구간이 아닌 경쟁 구간에서 센서-IFS를 이용하여 데이터 프레임을 전송한다는 점에서 본 발명의 제1 내지 제3실시예에 따른 데이터 프레임 전송 동작과 차이점을 가진다. 또한 본 발명의 제4실시예는 센서 노드가 경쟁 구간에서 센서-IFS를 이용하여 데이터 프레임을 전송하는 구성을 제외하고 본 발명의 제1 내지 제3실시예 어디에나 적용될 수 있다. 즉 센서 노드 1 내지 센서 노드 M(1222,1224,1226)은 ULP-AP(1220)를 통해 데이터 프레임을 전송할 수도 있고, Legacy AP(1200)에게 직접 데이터 프레임을 전송할 수도 있다. 또한 ULP-AP(1220)과 Legacy AP(1200)의 기능을 모두 수행하는 AP가 존재할 경우에는 상기 AP에 데이터 프레임을 전송할 수도 있다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 데이터 프레임을 수신하는 ULP-AP 구성을 도시한 도면이다.

도 13을 참조하면, ULP-AP(1300)은 수신부(1302), 저장부(1304), 임시저장부(1306), 폴링 리스트 관리부(1308), 및 송신부(1310)를 포함한다.

ULP-AP(1300)는 수신부(1302)를 통해 센서 네트워크 내 센서 노드들 각각의 정보, 일례로 센서 ID, 데이터 전송 시간, 데이터 우선순위, 데이터 크기 등의 정보를 수신하고 저장부(1304)에 저장한다.

또한 ULP-AP(1300)의 폴링 리스트 관리부(1308)는 상기 저장부(1304)에 저장된 정보들 중 데이터 전송 시간에 따라 상기 센서 노드들 각각의 폴링 시간을 결정하여 폴링 리스트를 작성한다. 이때 폴링 리스트 관리부(1308)는 폴링 리스트에서 폴링 시간이 동일한 센서 노드가 존재하는지 여부를 확인하고, 폴링 시간이 동일한 센서 노드가 존재할 경우 상기 폴링 시간이 동일한 센서 노드의 데이터 우선순위를 확인한다. 상기 폴링 시간은 동일하나 상기 데이터 우선순위가 동일하지 않을 경우, 폴링 리스트 관리부(1308)는 상기 데이터 우선순위에 따라 폴링 시간을 결정하여 폴링 리스트를 재작성한다. 그러나 상기 폴링 시간과 상기 데이터 우선순위가 모두 동일할 경우, 폴링 리스트 관리부(1308)는 사용자 요구조건에 따라 랜덤하게 폴링 시간을 결정하여 폴링 리스트를 재작성한다. 또한 폴링 리스트 관리부(1308)는 센서 네트워크에 새로운 센서 노드가 진입할 경우하거나 기존의 센서 노드의 연결이 해제될 시마다 작성 또는 재작성한 폴링 리스트를 업데이트한다.

이후 ULP-AP(1300)는 송신부(1310)를 통해 폴링 리스트 관리부(1308)가 작성 또는 재작성한 폴링 리스트를 센서 네트워크 내 센서 노드들에게 전송한다.

한편, ULP-AP(1300)는 센서 네트워크에 새로운 센서 노드가 진입할 경우 수신부(1302)를 통해 상기 새로운 센서 노드의 센서 ID, 데이터 전송 시간, 데이터 우선순위, 데이터 크기 등의 정보를 수신하고 임시 저장부(1306)에 저장한다.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 저전력 센서 네트워크에서 데이터 프레임을 전송하는 센서 노드 구성을 도시한 도면이다.

도 14를 참조하면, 센서 노드(1400)은 수신부(1402), 송신부(1404) 및 제어부(1406)를 포함한다.

센서 노드(1400)는 송신부(1404)를 통해 센서 노드의 정보, 일례로 센서 ID, 데이터 전송 시간, 데이터 우선순위, 데이터 크기 등의 정보를 전송하고, 수신부(1402)를 통해 상기 센서 네트워크 내 센서 노드들을 관리하는 ULP-AP로부터 상기 센서 노드들의 폴링 시간을 지시하는 폴링 리스트를 수신한다. 이때 제어부(1406)는 상기 센서 노드(1400)가 휴면 상태로 천이하도록 제어한다.

이후 센서 노드(1400)의 제어부(1406)는 상기 폴링 리스트에서 지시하는 폴링 시간 직전에 상기 휴면 상태에서 활성 상태로 천이하도록 제어하고, 활성 상태로 천이한 센서 노드(1400)는 수신부(1402)를 통해 데이터 프레임 전송을 허가하는 폴 프레임을 수신한다. 송신부(1404)는 데이터 프레임을 전송하고, 상기 데이터 프레임에 대한 ACK 프레임이 수신부(1402)를 통해 수신되면, 제어부는 상기 활성 상태에서 상기 휴면 상태로 천이하도록 제어한다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 센서 네트워크에서 센서 노드의 데이터 송수신 방법 및 장치는 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합의 형태로 실현 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 임의의 소프트웨어는 예를 들어, 삭제 가능 또는 재기록 가능 여부와 상관없이, ROM 등의 저장 장치와 같은 휘발성 또는 비휘발성 저장 장치, 또는 예를 들어, RAM, 메모리 칩, 장치 또는 집적 회로와 같은 메모리, 또는 예를 들어 CD, DVD, 자기 디스크 또는 자기 테이프 등과 같은 광학 또는 자기적으로 기록 가능함과 동시에 기계(예를 들어, 컴퓨터)로 읽을 수 있는 저장 매체에 저장될 수 있다. 본 발명의 그래픽 화면 갱신 방법은 제어부 및 메모리를 포함하는 컴퓨터 또는 휴대 단말에 의해 구현될 수 있고, 상기 메모리는 본 발명의 실시 예들을 구현하는 지시들을 포함하는 프로그램 또는 프로그램들을 저장하기에 적합한 기계로 읽을 수 있는 저장 매체의 한 예임을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명은 본 명세서의 임의의 청구항에 기재된 장치 또는 방법을 구현하기 위한 코드를 포함하는 프로그램 및 이러한 프로그램을 저장하는 기계(컴퓨터 등)로 읽을 수 있는 저장 매체를 포함한다. 또한, 이러한 프로그램은 유선 또는 무선 연결을 통해 전달되는 통신 신호와 같은 임의의 매체를 통해 전자적으로 이송될 수 있고, 본 발명은 이와 균등한 것을 적절하게 포함한다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 센서 네트워크에서 센서 노드의 데이터 송수신 장치는 유선 또는 무선으로 연결되는 프로그램 제공 장치로부터 상기 프로그램을 수신하여 저장할 수 있다. 상기 프로그램 제공 장치는 상기 그래픽 처리 장치가 기설정된 컨텐츠 보호 방법을 수행하도록 하는 지시들을 포함하는 프로그램, 컨텐츠 보호 방법에 필요한 정보 등을 저장하기 위한 메모리와, 상기 그래픽 처리 장치와의 유선 또는 무선 통신을 수행하기 위한 통신부와, 상기 그래픽 처리 장치의 요청 또는 자동으로 해당 프로그램을 상기 송수신 장치로 전송하는 제어부를 포함할 수 있다.

Claims

센서 네트워크에서 접속 포인트가 데이터 프레임을 수신하는 방법에 있어서,
상기 센서 네트워크 내 센서 노드들을 관리하는 센서 노드-접속 포인트(AP: Access Point)가 상기 센서 노드들로부터 센서 노드 식별자, 데이터 전송 주기 및 데이터 우선순위 정보를 수신하는 과정과,
상기 수신한 데이터 전송 주기 정보에 따라 상기 센서 노드들의 폴링 시간을 지시하는 폴링 리스트를 작성하고, 상기 작성된 폴링 리스트를 상기 센서 노드들에게 전송하는 과정과,
상기 센서 노드들에게 데이터 프레임 전송을 허가하는 폴 프레임을 전송하고, 상기 센서 노드들로부터 데이터 프레임을 수신하는 과정과,
상기 데이터 프레임에 대한 긍정응답(ACK: Acknowledge) 프레임을 해당 센서 노드에게 전송하고, 상기 데이터 프레임을 기존(Legacy) 접속 포인트에게 전달하는 과정을 포함하는 데이터 프레임 수신 방법.
제1항에 있어서,
상기 폴링 리스트를 작성하는 과정은,
상기 폴링 리스트에서 폴링 시간이 동일한 센서 노드가 존재하는지 확인하는 과정과,
상기 폴링 시간이 동일한 센서 노드가 존재할 경우, 상기 폴링 시간이 동일한 센서 노드의 데이터 우선순위가 동일한지 확인하는 과정과,
상기 데이터 우선순위가 동일하지 않을 경우, 상기 데이터 우선순위에 따라 폴링 시간을 결정하여 상기 폴링 리스트를 작성하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 데이터 프레임 수신 방법.
제1항에 있어서,
상기 폴링 리스트를 작성하는 과정은,
상기 폴링 리스트에서 폴링 시간이 동일한 센서 노드가 존재하는지 확인하는 과정과,
상기 폴링 시간이 동일한 센서 노드가 존재할 경우, 상기 폴링 시간이 동일한 센서 노드의 데이터 우선순위가 동일한지 확인하는 과정과,
상기 데이터 우선순위가 모두 동일할 경우, 사용자 요구조건에 따라 랜덤하게 폴링 시간을 결정하여 상기 폴링 리스트를 작성하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 데이터 프레임 수신 방법.
제1항에 있어서,
상기 센서 네트워크 내 새로운 센서 노드가 진입하거나 기존의 센서 노드의 연결이 해제될 시마다 상기 폴링 리스트를 업데이트하는 과정을 더 포함하는 데이터 프레임 수신 방법.
제1항에 있어서,
상기 폴 프레임, 데이터 프레임 및 긍정응답 프레임의 송수신은 상기 기존 접속 포인트가 관리하는 슈퍼 프레임의 비경쟁 구간에 포함되는 SCF(Sensor Coordination Function) 프레임 구간 동안 수행됨을 특징으로 하는 데이터 프레임 수신 방법.
제1항에 있어서,
상기 폴 프레임, 데이터 프레임 및 긍정응답 프레임의 송수신은 상기 기존 접속 포인트가 관리하는 슈퍼 프레임의 경쟁 구간에 포함되는 센서-프레임 간격(IFS: Inter Frame Space) 구간 동안 수행됨을 특징으로 하는 데이터 프레임 수신 방법.
제1항에 있어서,
상기 센서 노드-접속 포인트와 상기 기존 접속 포인트는 하나의 접속 포인트로 구성될 수 있으며, 상기 구성된 하나의 접속 포인트는 상기 센서 노드-접속 포인트와 상기 기존 접속 포인트의 기능을 모두 수행함을 특징으로 하는 데이터 프레임 수신 방법.
센서 네트워크에서 센서 노드가 데이터 프레임을 전송하는 방법에 있어서,
상기 센서 네트워크 내 센서 노드들을 관리하는 센서 노드-접속 포인트(AP: Access Point)로 센서 노드 식별자, 데이터 전송 주기 및 데이터 우선순위 정보를 전송하는 과정과,
상기 센서 노드-접속 포인트로부터 상기 센서 노드의 폴링 시간을 지시하는 폴링 리스트를 수신하고 휴면 상태로 천이하는 과정과,
상기 폴링 리스트에서 지시하는 상기 폴링 시간 직전에 활성 상태로 천이하여 데이터 프레임 전송을 허가하는 폴 프레임을 수신하고, 데이터 프레임을 전송하는 과정과,
상기 데이터 프레임에 대한 긍정응답(ACK: Acknowledge) 프레임을 수신하면 상기 휴면 상태로 천이하는 과정을 포함하는 데이터 프레임 전송 방법.
제8항에 있어서,
상기 데이터 프레임은 상기 센서 노드-접속 포인트 또는 기존(Legacy) 접속 포인트에게 전송되고, 상기 데이터 프레임이 상기 센서 노드-접속 포인트에게 전송될 경우 상기 센서 노드-접속 포인트는 상기 데이터 프레임을 상기 기존 접속 포인트에게 전달함을 특징으로 하는 데이터 프레임 전송 방법.
제8항에 있어서,
상기 센서 네트워크 내 새로운 센서 노드가 진입하거나 기존의 센서 노드의 연결이 해제될 시마다 상기 폴링 리스트는 업데이트됨을 특징으로 하는 데이터 프레임 전송 방법.
제9항에 있어서,
상기 폴 프레임, 데이터 프레임 및 긍정응답 프레임의 송수신은 상기 기존 접속 포인트가 관리하는 슈퍼 프레임의 비경쟁 구간에 포함되는 SCF(Sensor Coordination Function) 프레임 구간 동안 수행됨을 특징으로 하는 데이터 프레임 전송 방법.
제9항에 있어서,
상기 폴 프레임, 데이터 프레임 및 긍정응답 프레임의 송수신은 상기 기존 접속 포인트가 관리하는 슈퍼 프레임의 경쟁 구간에 포함되는 센서-프레임 간격(IFS: Inter Frame Space) 구간 동안 수행됨을 특징으로 하는 데이터 프레임 전송 방법.
제9항에 있어서,
상기 센서 노드-접속 포인트와 상기 기존 접속 포인트는 하나의 접속 포인트로 구성될 수 있으며, 상기 구성된 하나의 접속 포인트는 상기 센서 노드-접속 포인트와 상기 기존 접속 포인트의 기능을 모두 수행함을 특징으로 하는 데이터 프레임 전송 방법.
센서 네트워크에서 데이터 프레임을 수신하는 센서 노드-접속 포인트에 있어서,
상기 센서 네트워크 내 센서 노드들로부터 센서 노드 식별자, 데이터 전송 주기 및 데이터 우선순위 정보를 수신하고, 데이터 프레임을 수신하는 수신부와,
상기 수신한 데이터 전송 주기 정보에 따라 상기 센서 노드들의 폴링 시간을 지시하는 폴링 리스트를 작성하는 폴링 리스트 관리부와,
상기 작성된 폴링 리스트를 상기 센서 노드들에게 전송하고, 상기 센서 노드들에게 데이터 프레임 전송을 허가하는 폴 프레임을 전송하고, 상기 수신한 데이터 프레임에 대한 긍정응답(ACK: Acknowledge) 프레임을 해당 센서 노드에게 전송하고, 상기 수신한 데이터 프레임을 기존(Legacy) 접속 포인트에게 전달하는 송신부를 포함하는 센서 노드-접속 포인트.
제14항에 있어서,
폴링 리스트 관리부는 상기 폴링 리스트에서 폴링 시간이 동일한 센서 노드가 존재하는지 확인하고, 상기 폴링 시간이 동일한 센서 노드가 존재할 경우, 상기 폴링 시간이 동일한 센서 노드의 데이터 우선순위가 동일한지 확인하고, 상기 데이터 우선순위가 동일하지 않을 경우, 상기 데이터 우선순위에 따라 폴링 시간을 결정하여 상기 폴링 리스트를 작성함을 특징으로 하는 센서 노드-접속 포인트.
제15항에 있어서,
상기 폴링 리스트 관리부는 상기 폴링 시간과 상기 데이터 우선순위가 모두 동일할 경우, 사용자 요구조건에 따라 랜덤하게 폴링 시간을 결정하여 상기 폴링 리스트를 작성함을 특징으로 하는 센서 노드-접속 포인트.
제14항에 있어서,
상기 센서 노드들로부터 수신된 상기 센서 노드 식별자, 데이터 전송 주기 및 데이터 우선순위 정보를 저장하는 저장부와,
상기 센서 네트워크 내 새로운 센서 노드가 진입할 시 상기 새로운 센서 노드의 센서 노드 식별자, 데이터 전송 주기 및 데이터 우선순위 정보를 수신하여 저장하는 임시 저장부를 더 포함하는 센서 노드-접속 포인트.
제14항에 있어서,
상기 폴링 리스트 관리부는 상기 센서 네트워크 내 새로운 센서 노드가 진입하거나 기존의 센서 노드의 연결이 해제될 시마다 상기 폴링 리스트를 업데이트함을 특징으로 하는 센서 노드-접속 포인트.
제14항에 있어서,
상기 폴 프레임, 데이터 프레임 및 긍정응답 프레임의 송수신은 상기 기존 접속 포인트가 관리하는 슈퍼 프레임의 비경쟁 구간에 포함되는 SCF(Sensor Coordination Function) 프레임 구간 동안 수행됨을 특징으로 하는 센서 노드-접속 포인트.
제14항에 있어서,
상기 폴 프레임, 데이터 프레임 및 긍정응답 프레임의 송수신은 상기 기존 접속 포인트가 관리하는 슈퍼 프레임의 경쟁 구간에 포함되는 센서-프레임 간격(IFS: Inter Frame Space) 구간 동안 수행됨을 특징으로 하는 센서 노드-접속 포인트.
제14항에 있어서,
상기 센서 노드-접속 포인트와 상기 기존 접속 포인트는 하나의 접속 포인트로 구성될 수 있으며, 상기 구성된 하나의 접속 포인트는 상기 센서 노드-접속 포인트와 상기 기존 접속 포인트의 기능을 모두 수행함을 특징으로 하는 센서 노드-접속 포인트.
센서 네트워크에서 데이터 프레임을 전송하는 센서 노드에 있어서,
상기 센서 네트워크 내 센서 노드들을 관리하는 센서 노드-접속 포인트(AP: Access Point)로 센서 노드 식별자, 데이터 전송 주기 및 데이터 우선순위 정보를 전송하고, 데이터 프레임을 전송하는 송신부와,
상기 센서 노드-접속 포인트로부터 상기 폴링 시간을 지시하는 폴링 리스트를 수신하고, 데이터 프레임 전송을 허가하는 폴 프레임을 수신하고, 상기 데이터 프레임에 대한 긍정응답(ACK: Acknowledge) 프레임을 수신하는 수신부와,
상기 폴링 리스트를 수신하면 휴면 상태로 천이하고, 상기 폴링 리스트에서 지시하는 상기 폴링 시간 직전에 활성 상태로 천이하고, 상기 긍정응답 프레임을 수신하면 상기 휴면 상태로 천이하도록 제어하는 제어부를 포함하는 센서 노드.
제22항에 있어서,
상기 데이터 프레임은 상기 센서 노드-접속 포인트 또는 기존(Legacy) 접속 포인트에게 전송되고, 상기 데이터 프레임이 상기 센서 노드-접속 포인트에게 전송될 경우 상기 센서 노드-접속 포인트는 상기 데이터 프레임을 상기 기존 접속 포인트에게 전달함을 특징으로 하는 센서 노드.
제22항에 있어서,
상기 센서 네트워크 내 새로운 센서 노드가 진입하거나 기존의 센서 노드의 연결이 해제될 시마다 상기 폴링 리스트는 업데이트됨을 특징으로 하는 센서 노드.
제23항에 있어서,
상기 폴 프레임, 데이터 프레임 및 긍정응답 프레임의 송수신은 상기 기존 접속 포인트가 관리하는 슈퍼 프레임의 비경쟁 구간에 포함되는 SCF(Sensor Coordination Function) 프레임 구간 동안 수행됨을 특징으로 하는 센서 노드.
제23항에 있어서,
상기 폴 프레임, 데이터 프레임 및 긍정응답 프레임의 송수신은 상기 기존 접속 포인트가 관리하는 슈퍼 프레임의 경쟁 구간에 포함되는 센서-프레임 간격(IFS: Inter Frame Space) 구간 동안 수행됨을 특징으로 하는 센서 노드.
제23항에 있어서,
상기 센서 노드-접속 포인트와 상기 기존 접속 포인트는 하나의 접속 포인트로 구성될 수 있으며, 상기 구성된 하나의 접속 포인트는 상기 센서 노드-접속 포인트와 상기 기존 접속 포인트의 기능을 모두 수행함을 특징으로 하는 센서 노드.