KR20190071541A - 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법 및 장치 - Google Patents

저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법은, 이중 채널을 통해 다양한 유형의 데이터를 지원하여, 데이터 전송시 충돌을 최소화함으로써 데이터 전송 효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

Description

저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법 및 장치{A DUAL CHANNEL MEDIUM ACCESS CONTROL METHOD AND APPARATUS CONSIDERING TRAFFIC CHARACTERISTICS IN A LOW POWER WIDE AREA NETWORK}
본 발명은 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 데이터 전송에 있어서 네트워크 특성과 데이터 특성을 모두 고려한 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
사물인터넷(Internet Of Thing : 이하 IoT)은 디바이스(device)가 정보를 수집하고, 수집된 정보를 통해 서비스를 제공할 수 있게 한다. 이러한 정보는 디바이스에 포함되는 다양한 센서를 통해 수집되어 클라우드 서버로 전달된다. IoT는 클라우드 컴퓨팅을 결합함으로써 만물인터넷(Internet Of Everything : 이하 IoE)이 되었다. IoE에서 정보 전달을 위해 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network : 이하 WSN)가 고려되었다. WSN은 IEEE802.15.4 LR-PAN을 통신 기술로 사용하는데, 이를 지그비(Zigbee) 기술이라고도 한다. WSN은 개인 영역 네트워크로서 단거리 데이터 전송에 초점을 맞추며, 장거리 데이터 전송의 경우 다중 홉 전송을 사용해야 한다. IoE 서비스 범위에는 개인 영역과 넓은 영역이 포함된다. 예컨대, 개인 영역 서비스로서의 건강 관리와 광역 서비스로서의 스마트 도시는 모두 IoE 서비스에 포함된다. 단거리 전송 기술은 광역 서비스에는 적용되지 않는다. 다중 홉 전송은 WSN이 장거리 서비스를 제공할 수 있게 하지만, 전송 효율 면에서 기술적 문제가 있다.
따라서, 저전력 광역 네트워크(Low Power Wide Area Network : 이하 LPWAN)은 장거리 IoE 서비스를 위한 중요한 통신 기술로서 많은 주목을 받고 있다. LPWAN은 디바이스에서 정보를 수집한다는 측면에서 WSN과 동일한 목표를 가지고 있지만, LPWAN은 WSN과 다른 특성을 가지고 있다.
도 1은 LPWAN의 네트워크 아키텍처를 도시한 도면이다. LPWAN은 ISM 주파수 대역(US 902-928 MHz, EU 863-870 MHz)을 사용하는 통신 기술이다. LPWAN은 저전력을 소모하면서 최대 15km까지 데이터를 전송하므로, 저전력으로 장거리 통신을 제공할 수 있다. 저전력으로 장거리 전송하는 경우, 낮은 데이터 속도(~50kbps)를 사용한다. 결과적으로 LPWAN은 전송을 위해 소량의 데이터를 사용한다.
도 1을 참조하면, LPWAN은 엔드 디바이스(10), 게이트웨이(20) 및 네트워크 서버(30)를 포함한다. 엔드 디바이스(10)는 소형 IoE 디바이스일 수 있으며, 센서를 통해 정보를 수집한다. 정보는 게이트웨이(20)를 거쳐 네트워크 서버(30)로 전달된다. 게이트웨이(20)는 LPWAN 데이터를 IP 패킷으로 변환하여 전송한다. 네트워크 서버(30)는 LPWAN 마스터의 역할을 담당하고, 엔드 디바이스(10)를 LPWAN 슬레이브로 관리한다. LPWAN은 엔드 디바이스(10)는 게이트웨이(20)에 연결되고, 게이트웨이(20)는 네트워크 서버(30)에 연결되는데, 스타 토폴로지(star topology)로 형성될 수 있다. LPWAN에서는 여러 개의 무선 채널이 정의되며, 다중 채널이 데이터 전송에 이용될 수 있다. 다시 말해, 게이트웨이(20)는 표준 IP 연결을 통해 네트워크 서버(30)에 연결되며, 엔드 디바이스(10)는 하나 이상의 게이트웨이(20)에 단일 홉 무선 통신을 사용한다.
LPWAN은 광범위한 서비스 영역을 갖춘 IoE 서비스에 적용되지만, 낮은 데이터 속도 및 긴 전송 범위와 같은 네트워크 특성은 긴 데이터 전송 지연을 야기한다. 따라서, LPWAN은 간단한 구조의 매체 접근 제어(Medium Access Control : 이하 MAC)를 사용한다. 하지만, 단순 MAC 방식은 다양한 유형의 데이터를 제한적으로 지원한다.
한국공개특허 제2015-0086919호(2015.07.29 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 이중 채널을 통해 다양한 유형의 데이터를 지원하여, 데이터 전송시 충돌을 최소화하는 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법은, 디바이스가, 센서를 이용해 수집된 데이터를 패킷 형태로 큐(queue)에 순차적으로 삽입하는 단계; 상기 디바이스가, 상기 큐에 삽입된 데이터 패킷을 선택하는 단계; 및 상기 다비이스가, 두 개의 무선 채널을 이용하여 상기 선택된 데이터 패킷을 우선순위 기반으로 전송하는 단계;를 포함한다.
상기 수집된 데이터는 주기형 데이터, 이벤트 중심형 데이터 및 긴급형 데이터로 분류되어 패킷 형태로 큐에 순차적으로 저장되되, 서로 다른 우선 순위를 가지며, 상기 센서를 이용해 수집된 데이터를 패킷 형태로 큐(queue)에 순차적으로 삽입하는 단계는, 상기 서로 다른 우선 순위를 갖는 데이터 별로, 개별 큐(queue)에 생성된 시간 순서에 따라 삽입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수집된 데이터는 긴급형 데이터, 이벤트 중심형 데이터, 주기형 데이터 순으로 우선 순위가 높은 것을 특징으로 한다.
상기 큐에 삽입된 데이터 패킷을 선택하는 단계는, 상기 디바이스가, 라운드 로빈 방식으로 순차적으로 데이터 패킷을 선택하되, 가장 빠른 데드 라인 우선 스케쥴링(EDF)을 채택하여, 데이터 패킷의 남은 시간이 가장 짧은 데이터 패킷을 최우선적으로 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 두 개의 무선 채널은, 경쟁 기반 프레임과 스케쥴된 프레임을 포함하고, 상기 경쟁 기반 프레임은, 경쟁 액세스 구간 및 이벤트 구간을 포함하며, 상기 스케쥴된 프레임은, 비콘 구간, 무경쟁 구간 및 긴급 구간을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 두 개의 무선 채널을 이용하여 상기 선택된 데이터 패킷을 우선순위 기반으로 전송하는 단계는, 슬롯형 ALOHA를 사용하여 선택된 데이터 패킷을 우선순위 기반으로 전송하는 것을 특징으로 한다.
제 1 채널은 제 2 채널에서 무경쟁 구간 동안 긴급 데이터를 전송하기 위해 사용되고, 무경쟁 구간 후에, 긴급 데이터는 제 2 채널을 통해 전송되어, 긴급 데이터의 전송시 각 채널에서 긴급 데이터가 전송되는 경우 다른 데이터(주기적 데이터 및 이벤트 중심 데이터)와 발생하는 충돌 가능성을 최소화하고, 충돌이 발생하는 경우, 랜덤 백오프를 시켜 재전송 충돌을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 장치는, 센서를 이용해 수집된 데이터를 패킷 형태로 큐(queue)에 순차적으로 삽입하는 패킷 삽입부; 상기 큐에 삽입된 데이터 패킷을 선택하는 패킷 스케쥴러; 및 두 개의 무선 채널을 이용하여 상기 선택된 데이터 패킷을 우선순위 기반으로 전송하는 패킷 전송부;를 포함한다.
상기 수집된 데이터는 주기형 데이터, 이벤트 중심형 데이터 및 긴급형 데이터로 분류되어 패킷 형태로 큐에 순차적으로 저장되되, 서로 다른 우선 순위를 가지며, 상기 패킷 삽입부는, 상기 서로 다른 우선 순위를 갖는 데이터 별로, 개별 큐(queue)에 생성된 시간 순서에 따라 삽입하는 것을 특징으로 한다.
상기 수집된 데이터는 긴급형 데이터, 이벤트 중심형 데이터, 주기형 데이터 순으로 우선 순위가 높은 것을 특징으로 한다.
상기 패킷 스케쥴러는, 라운드 로빈 방식으로 순차적으로 데이터 패킷을 선택하되, 가장 빠른 데드 라인 우선 스케쥴링(EDF)을 채택하여, 데이터 패킷의 남은 시간이 가장 짧은 데이터 패킷을 최우선적으로 선택하는 것을 특징으로 한다.
상기 두 개의 무선 채널은, 경쟁 기반 프레임과 스케쥴된 프레임을 포함하고, 상기 경쟁 기반 프레임은, 경쟁 액세스 구간 및 이벤트 구간을 포함하며, 상기 스케쥴된 프레임은, 비콘 구간, 무경쟁 구간 및 긴급 구간을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 패킷 전송부는, 슬롯형 ALOHA를 사용하여 선택된 데이터 패킷을 우선순위 기반으로 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이중 채널을 통해 다양한 유형의 데이터를 지원하여, 데이터 전송시 충돌을 최소화함으로써 데이터 전송 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용들과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 저전력 광역 네트워크(LPWAN)의 네트워크 아키텍처를 도시한 도면,
도 2는 시분할 다중 액세스(Time Division Multiple Access) 방식의 일 예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 채널 매체 접근 제어 장치의 개략적인 기능 블록도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 트래픽이 상이한 큐에 삽입되는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 채널 매체 접근 제어(dual-channel MAC) 방식의 일 예를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무경쟁 구간에서 보장된 슬롯에 대한 할당 과정의 일 예를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯형 ALOHA(slotted ALOHA)에서의 데이터 전송의 일 예를 도시한 도면,
도 8은 경쟁 기반 프레임에서 데이터가 무선 자원을 확보하기 위해 경쟁하는 일 예를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 채널 매체 접근 제어 방식에서 긴급 패킷 전송의 일 예를 도시한 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 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.
도 2는 시분할 다중 액세스(Time Division Multiple Access) 방식의 일 예를 도시한 도면이다.
무선 네트워크에는 다양한 매체 접근 제어 방식이 있는데, 대부분은 WiFi나 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network : 이하 WSN)과 같은 지역 또는 개인 영역의 무선 네트워크를 위해 것이다. 그러나, 저전력 광역 네트워크(Low Power Wide Area Network : 이하 LPWAN)은 넓은 공간에서 낮은 데이터 속도를 사용하기 위한 무선 네트워크이기 때문에 긴 전송지연을 야기한다. 그러므로, LPWAN은 데이터 전송을 위한 메시지 교환을 최소화해야 한다. LPWAN에서 메시지 교환을 줄이기 위해 간단한 구조의 매체 접근 제어(Medium Access Control : 이하 MAC) 방식을 사용한다.
매체 접근 방식(MAC)은 스케쥴 기반 및 경쟁 기반으로 분류된다. 시분할 다중 액세스(Time Division Multiple Access : 이하 TDMA) 방식은 대표적인 스케쥴 기반 방식으로, LPWAN 데이터 전송에 쉽게 적용할 수 있다(도 2 참조). LPWAN에서 각 구성(디바이스, 게이트웨이 및 네트워크 서버)은 스타 토폴로지 형태로 연결되며, 디바이스는 게이트웨이에 집중되어 있다(도 1참조). 따라서, 게이트웨이는 연결된 디바이스의 데이터 전송을 예약할 수 있으며, 비콘을 통해 전송 스케쥴을 브로드캐스트 한다. 디바이스는 전송 스케쥴을 확인하고 지정된 시간 슬롯에서 데이터를 전송한다. TDMA에서 디바이스는 데이터 교환을 최소화하여 불필요한 지연을 줄일 수 있지만, 디바이스가 데이터를 전송하기 위한 시간 슬롯을 얻지 못하면 다음 데이터 전송 일정까지 기다려야 하는 문제점이 있다. 이는 후술할 경쟁 기반 매체 접근 제어(MAC) 방식보다 더 긴 전송 지연을 가진다.
경쟁 기반 매체 접근 제어(MAC) 방식들 중, 슬롯형 ALOHA(slotted ALOHA)는 LPWAN에서 데이터 전송을 위해 고려된 것으로, 종래의 ALOHA 방식에 비해 처리량 성능을 향상시킬 수 있다. 반송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance : 이하, CSMA/CA)에서는 RTS(request to send) 및 CTS(clear to send)와 같은 추가 메시지 교환이 없다. CSMA/CA에서는 시간 슬롯에서 데이터를 전송하려고 한다. 즉, 디바이스가 패킷을 전송할 때, 사용 가능한 다음 시간 슬롯을 사용한다. 여러 패킷이 동일한 시간 슬롯에서 전송하려고 할 때, 충돌이 발생할 수 있다. 충돌이 발생하면, 디바이스는 임의의 백오프(backoff)를 수행한다. 디바이스는 임의의 시간동안 대기한 다음 충돌한 패킷을 동일한 방식으로 다시 전송한다. 따라서, 시간 슬롯은 3가지 상태(유휴, 성공, 충돌)를 갖는다. 하지만, 슬롯형 ALOHA와 같은 경쟁 기반 기법은 많은 디바이스가 데이터를 전송하려고 할 때, 충돌로 인해 긴 전송 지연을 유발할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 네트워크 특성과 데이터 특성을 모두 고려한 이중 채널 매체 접근 제어(dual-channel MAC) 방식을 사용한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 채널 매체 접근 제어 장치의 개략적인 기능 블록도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 트래픽이 상이한 큐에 삽입되는 도면, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 채널 매체 접근 제어(dual-channel MAC) 방식의 일 예를 도시한 도면, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무경쟁 구간에서 보장된 슬롯에 대한 할당 과정의 일 예를 도시한 도면, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯형 ALOHA(slotted ALOHA)에서의 데이터 전송의 일 예를 도시한 도면, 도 8은 경쟁 기반 프레임에서 데이터가 무선 자원을 확보하기 위해 경쟁하는 일 예를 도시한 도면, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 채널 매체 접근 제어 방식에서 긴급 패킷 전송의 일 예를 도시한 도면이다.
본 실시예에 따른 이중 채널 매체 접근 제어 장치는 IoE 디바이스(이하, 디바이스)일 수 있다.
디바이스는 세가지 유형의 데이터를 생성할 수 있다. 이때, 세가지 유형의 데이터는 주기형 데이터(periodic type data), 이벤트 중심형 데이터(event-driven type data) 및 긴급형 데이터(urgent type data)로 분류될 수 있다. 일부 디바이스는 주기적으로 상태 정보를 네트워크 서버에 보고한다. 주기적으로 전송되는 데이터에는 주기적 유형이 있다. 이벤트 중심형 데이터는, 디바이스가 특정 이벤트를 감지하는 경우 생성되고, 긴급한 유형의 데이터는 디바이스가 응급 상황에 직면할 때 생성될 수 있다. IoE 서비스는 건강, 안전, 효율성 등에 대한 상태 모니터링을 기반으로 하기 때문에, 본 실시예에 따른 LPWAN에서는 이중 채널 매체 접근 제어(dual-channel MAC) 방식을 이용하여 우선 순위에 따라 다른 유형의 데이터를 지원하는 것이 바람직하다. 한편, 이중 채널은 경쟁 채널(contention channel)과 슈퍼프레임 채널(super-frame channel)로 구성될 수 있다. 경쟁 채널에서는 긴급 데이터(emergency data) 및 이벤트 데이터(event data)가 전송되고, 슈퍼프레임 채널에서는 주기적 데이터(periodic data) 및 긴급 데이터(emergency data)가 전송될 수 있다. 이때, 게이트웨이는 이중 채널 데이터 전송을 지원한다.
도 3을 참조하면, 이중 채널 매체 접근 제어 장치는 패킷 삽입부(310), 패킷 스케쥴러(330) 및 패킷 전송부(350)를 포함한다.
IoE 서비스 네트워크에서 많은 데이터 패킷들이 생성될 수 있다. 디바이스는 생성된 패킷을 큐잉 시스템을 통해 처리한다.
패킷 삽입부(310)는 센서를 이용해 수집된 데이터를 패킷 형태로 큐(queue)에 순차적으로 삽입한다. 이때, 데이터는 주기형 데이터(periodic type data), 이벤트 중심형 데이터(event-driven type data) 및 긴급형 데이터(urgent type data)로 분류될 수 있다. 데이터는 패킷 형태로 큐에 순차적으로 저장될 수 있으며, 서로 다른 우선 순위를 가질 수 있다. 예컨대, 데이터는 긴급형 데이터, 이벤트 중심형 데이터, 주기형 데이터 순으로 우선 순위가 높을 수 있다. 다시 말해, 긴급형 데이터 패킷이 가장 높은 우선 순위를 가지며, 주기형 데이터 패킷이 최하위 우선 순위를 갖는다. 이벤트 중심형 데이터 패킷의 우선 순위는 주기형 데이터 패킷보다 높으며 긴급형 데이터 패킷보다 낮다. 따라서, 우선 순위 기반 전송을 지원하기 위해 본 발명에 따른 이중 채널 매체 접근 제어 장치는 각 유형의 데이터 트래픽에 대한 개별 큐잉(queuing)을 고려한다. 생성된 데이터 패킷은 도 4에 도시된 바와 같이, 데이터 타입에 따라 상이한 전송 큐에 순차적으로 삽입될 수 있다. 이후, 후술하는 패킷 스케쥴러(330)가 전송할 데이터 패킷을 선택한다. 이후, 선택된 데이터 패킷은 이중 채널 매체 접근 제어 방식을 통해 무선 자원(리소스)을 얻으려고 시도한다.
다시 말해, 패킷 삽입부(310)는 서로 다른 우선 순위를 갖는 데이터 별로, 개별 큐(queue)에 생성된 시간 순서에 따라 데이터 패킷을 삽입할 수 있다.
패킷 스케쥴러(330)는 큐에 삽입된 데이터 패킷을 선택하는데, 라운드 로빈(round-robin) 방식으로 순차적으로 데이터 패킷을 선택할 수 있다. 예컨대, 패킷 스케쥴러(330)는 도 3에 도시된 바와 같은 3개의 큐(queue) 중에서, 라운드-로빈(round-robin) 방식에 의해 순차적으로 데이터 패킷을 선택할 수 있다. 이 방식(라운드-로빈 방식)은 3개의 큐(queue)에 있는 데이터 패킷을 공정하게 처리할 수 있지만, 우선 순위 기반 전송을 지원하지는 않기 때문에 최고 우선 순위로 전달되어야 하는 긴급형 데이터 패킷을 위해 우선 순위에 따른 데이터 패킷의 선택이 필요하다. 따라서, 본 발명에 따른 패킷 스케쥴러(330)는 라운드 로빈(round-robin) 방식으로 순차적으로 데이터 패킷을 선택하되, 가장 빠른 데드 라인 우선 스케쥴링(earliest Deadline First : 이하 EDF)을 채택하여, 데이터 패킷의 남은 시간이 가장 짧은 데이터 패킷을 최우선적으로 선택할 수 있다. EDF 스케쥴링은 데이터 패킷의 남은 시간을 기반으로 하며, 가장 짧은 시간이 남아 있다는 것은 가장 빠른 데드라인과 최우선 순위를 가진다는 것을 의미한다. 따라서, 패킷 스케쥴러(330)는 가장 빠른 데드라인을 갖는 데이터 패킷을 선택하고, 선택된 데이터 패킷에 대한 매체 접근 제어가 전송을 위해 수행될 수 있다.
패킷 전송부(350)는 두 개의 무선 채널을 이용하여 선택된 데이터 패킷을 우선순위 기반으로 전송한다. 스케쥴된(선택된) 데이터 패킷을 전송하기 위해, 패킷 전송부(350)는 매체 접근 제어에 의해 무선 자원(리소스)를 얻으려고 시도한다. LPWAN은 다중 무선 채널을 제공하기 때문에, 두 개의 무선 채널을 본 발명에 따른 이중 채널 매체 접근 제어 방식에 이용할 수 있다. 게이트웨이가 다중 안테나를 채택하면, 게이트웨이에서 다중 채널을 사용하는 데이터 전송이 가능하다. 본 실시예에 따르면, 데이터 패킷 형태에 따라 다른 무선 채널을 사용하여 데이터를 전송할 수 있다. 긴급형 데이터 패킷은 가장 높은 우선 순위로 처리되는 것이 바람직하다. 도 5에 도시된 바와 같이, 각 채널은 경쟁 기반 프레임(contention-based frame)과 스케쥴된 프레임(scheduled frame)으로 구성될 수 있다. 경쟁 기반 프레임은 경쟁 액세스 구간(contention access period) 및 이벤트 구간(event period)으로 구성되고, 스케쥴된 프레임은 비콘 구간(beacon period), 무경쟁 구간(contention free period) 및 긴급 구간(urgent period)으로 구성될 수 있다. 스케쥴된 프레임은 비콘 메시지에 의해 동기화되지만, 경쟁 기반 프레임은 프레임 동기화가 필요하지 않다. LPWAN에서 디바이스는 주어진 네트워크에 참여하기 위해 네트워크 서버에 등록한다. 등록하는 동안, 디바이스는 주기적인 데이터 전송을 보장하는 슬롯을 요청할 수 있다. 네트워크 서버는 요청을 수신하면, 무경쟁 구간에 보장된 슬롯을 스케쥴하고, 비콘 구간 동안 비콘 메시지를 통해 디바이스와 스케쥴된 정보를 공유할 수 있다. 이후, 보장된 슬롯이 디바이스에 할당되며 주기적으로 데이터 패킷을 전송할 수 있다. 주어진 슬롯 동안, 디바이스는 DATA 메시지를 전송하고 ACK 메시지를 수신한다. 무경쟁 구간에서 보장된 슬롯의 할당은 등록에 관계없이 발생할 수 있다. 등록 후, 디바이스에 주기적 데이터가 생성되면, 디바이스는 경쟁 기반 프레임 동안 주기적 데이터를 전송하기 위해 보장된 슬롯에 대한 요청을 보낸다. 동일한 방법으로, 요청을 수신한 네트워크 서버는 디바이스에 대한 보장된 슬롯을 예약한다. 도 6은 무경쟁 구간에서 보장된 슬롯에 대한 할당 절차를 보여준다. 첫번째 채널의 경쟁 기반 프레임은 이벤트 중심형 데이터 패킷에 사용되고, 이벤트 중심형 데이터 패킷은 디바이스에 의해 측정된 이벤트 데이터와 네트워크 제어 메시지를 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 요청 메시지는 또한, 이벤트 중심형 데이터로 간주된다. 경쟁 기반 프레임에서 LPWAN의 긴 전송 지연을 고려한 경쟁 기반 전송 방법이 이용되는 것이 바람직하므로, 슬롯형 ALOHA(slotted ALOHA)가 사용된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 슬롯형 ALOHA는 데이터 전송을 위한 추가적인 메시지 교환을 갖지 않는다. 데이터 전송 중에 충돌이 발생하면, 랜덤 백오프(random backoff)에 의해 재전송 충돌을 피할 수 있다. 비록 랜덤 백오프가 긴 전송 지연을 야기할 수 있지만, 본 발명에서와 같이 이중 채널을 사용함으로써 충돌 확률을 감소시킬 수 있다. 주기형 데이터 및 이벤트 중심형 데이터에 대해 서로 다른 자원(리소스)을 사용하기 때문에, 주기형 데이터의 전송은 이벤트 중심형 데이터의 전송을 방해하지 않는다. 경쟁 기반 프레임에서, 이벤트 데이터, 제어 데이터 및 긴급 데이터는 무선 자원을 확보하기 위해 경쟁한다(도 8 참조).
한편, 긴급형 데이터 패킷의 경우, 가장 높은 우선 순위로 전송되어야 한다. 이는, 긴급형 데이터 패킷이 생성될 때 두 개의 무선 채널을 통해 전달될 수 있음을 의미한다. 주기형 데이터 패킷과의 충돌을 피하기 위해, 제 1 채널은 제 2 채널에서 무경쟁 구간 동안 긴급형 데이터 패킷 전송을 위해 이용된다. 이때, 제 1 채널은 경쟁 채널이고, 제 2 채널은 슈퍼프레임 채널일 수 있다. 긴급형 데이터 패킷은 경쟁 액세스 구간 동안 이벤트 중심형 데이터 패킷과 경쟁하지만, 이벤트 중심형 데이터 패킷보다 높은 우선 순위로 전송된다. 무경쟁 구간 후에, 긴급형 데이터 패킷은 이벤트 중심형 데이터 패킷과의 충돌을 피하기 위해 제 2 채널을 통해 전달된다(도 9 참조). 오직 이벤트 중심형 데이터 패킷만 첫번째 채널을 통해 전송된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 긴급형 데이터 패킷 전송시 충돌 가능성을 최소화할 수 있다. 상술한 바에 따르면, 충돌의 재전송으로 인해 야기될 수 있는 긴 전송 지연을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법들은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는, 본 발명을 위한 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
본 명세서는 많은 특징을 포함하는 반면, 그러한 특징은 본 발명의 범위 또는 특허청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 본 명세서의 개별적인 실시예에서 설명된 특징들은 단일 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서의 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시예에서 구현되거나, 적절히 결합되어 구현될 수 있다.
도면에서 동작들이 특정한 순서로 설명되었으나, 그러한 동작들이 도시된 바와 같은 특정한 순서로 수행되는 것으로 또는 일련의 연속된 순서, 또는 원하는 결과를 얻기 위해 모든 설명된 동작이 수행되는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정 환경에서 멀티태스킹 및 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 아울러, 상술한 실시예에서 다양한 시스템 구성요소의 구분은 모든 실시예에서 그러한 구분을 요구하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 상술한 앱 구성요소 및 시스템은 일반적으로 단일 소프트웨어 제품 또는 멀티플 소프트웨어 제품에 패키지로 구현될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
310 : 패킷 삽입부
330 : 패킷 스케쥴러
350 : 패킷 전송부

Claims (13)

  1. 디바이스가, 센서를 이용해 수집된 데이터를 패킷 형태로 큐(queue)에 순차적으로 삽입하는 단계;
    상기 디바이스가, 상기 큐에 삽입된 데이터 패킷을 선택하는 단계; 및
    상기 다비이스가, 두 개의 무선 채널을 이용하여 상기 선택된 데이터 패킷을 우선순위 기반으로 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수집된 데이터는 주기형 데이터, 이벤트 중심형 데이터 및 긴급형 데이터로 분류되어 패킷 형태로 큐에 순차적으로 저장되되, 서로 다른 우선 순위를 가지며,
    상기 센서를 이용해 수집된 데이터를 패킷 형태로 큐(queue)에 순차적으로 삽입하는 단계는,
    상기 서로 다른 우선 순위를 갖는 데이터 별로, 개별 큐(queue)에 생성된 시간 순서에 따라 삽입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 수집된 데이터는 긴급형 데이터, 이벤트 중심형 데이터, 주기형 데이터 순으로 우선 순위가 높은 것을 특징으로 하는 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 큐에 삽입된 데이터 패킷을 선택하는 단계는,
    상기 디바이스가, 라운드 로빈 방식으로 순차적으로 데이터 패킷을 선택하되, 가장 빠른 데드 라인 우선 스케쥴링(EDF)을 채택하여, 데이터 패킷의 남은 시간이 가장 짧은 데이터 패킷을 최우선적으로 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개의 무선 채널은,
    경쟁 기반 프레임과 스케쥴된 프레임을 포함하고,
    상기 경쟁 기반 프레임은, 경쟁 액세스 구간 및 이벤트 구간을 포함하며,
    상기 스케쥴된 프레임은, 비콘 구간, 무경쟁 구간 및 긴급 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 두 개의 무선 채널을 이용하여 상기 선택된 데이터 패킷을 우선순위 기반으로 전송하는 단계는,
    슬롯형 ALOHA를 사용하여 선택된 데이터 패킷을 우선순위 기반으로 전송하는 것을 특징으로 하는 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제 1 채널은 제 2 채널에서 무경쟁 구간 동안 긴급 데이터를 전송하기 위해 사용되고,
    무경쟁 구간 후에, 긴급 데이터는 제 2 채널을 통해 전송되어, 긴급 데이터의 전송시 각 채널에서 긴급 데이터가 전송되는 경우 다른 데이터(주기적 데이터 및 이벤트 중심 데이터)와 발생하는 충돌 가능성을 최소화하고,
    충돌이 발생하는 경우, 랜덤 백오프를 시켜 재전송 충돌을 방지하는 것을 특징으로 하는 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 방법.
  8. 센서를 이용해 수집된 데이터를 패킷 형태로 큐(queue)에 순차적으로 삽입하는 패킷 삽입부;
    상기 큐에 삽입된 데이터 패킷을 선택하는 패킷 스케쥴러; 및
    두 개의 무선 채널을 이용하여 상기 선택된 데이터 패킷을 우선순위 기반으로 전송하는 패킷 전송부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 수집된 데이터는 주기형 데이터, 이벤트 중심형 데이터 및 긴급형 데이터로 분류되어 패킷 형태로 큐에 순차적으로 저장되되, 서로 다른 우선 순위를 가지며,
    상기 패킷 삽입부는,
    상기 서로 다른 우선 순위를 갖는 데이터 별로, 개별 큐(queue)에 생성된 시간 순서에 따라 삽입하는 것을 특징으로 하는 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 수집된 데이터는 긴급형 데이터, 이벤트 중심형 데이터, 주기형 데이터 순으로 우선 순위가 높은 것을 특징으로 하는 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 패킷 스케쥴러는,
    라운드 로빈 방식으로 순차적으로 데이터 패킷을 선택하되, 가장 빠른 데드 라인 우선 스케쥴링(EDF)을 채택하여, 데이터 패킷의 남은 시간이 가장 짧은 데이터 패킷을 최우선적으로 선택하는 것을 특징으로 하는 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 두 개의 무선 채널은,
    경쟁 기반 프레임과 스케쥴된 프레임을 포함하고,
    상기 경쟁 기반 프레임은, 경쟁 액세스 구간 및 이벤트 구간을 포함하며,
    상기 스케쥴된 프레임은, 비콘 구간, 무경쟁 구간 및 긴급 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 패킷 전송부는,
    슬롯형 ALOHA를 사용하여 선택된 데이터 패킷을 우선순위 기반으로 전송하는 것을 특징으로 하는 저전력 광역 네트워크에서 트래픽 특성을 고려한 이중 채널 매체 접근 제어 장치.

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