KR20220095944A - 저속 가변 전송 ｒａｔｅ 기반의 통신시스템 실시간 ＭＡＣ 구조 - Google Patents

저속 가변 전송 ｒａｔｅ 기반의 통신시스템 실시간 ＭＡＣ 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해상/산업용 IoT 복합센싱 Chip 개발 및 상용화 과제의 주 개발항목으로 CSMA/CA MAC과 TDMA MAC을 함께 사용할 수 있는 hybrid MAC을 개발함에 있어 센서 노드의 용도에 따라서 사용 방법을 선택하여 운용함으로써 망 운용의 효율을 높일 수 있도록 지원하는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조에 관한 발명이다.

Description

저속 가변 전송 ｒａｔｅ 기반의 통신시스템 실시간 ＭＡＣ 구조{REAL TIME MAC STRUCTURE OF COMMUNICATION SYSTEM BASED ON LOW SPEED VARIABLE TRANSMISSION RATE}
본 발명은 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해상/산업용 IoT 복합센싱 Chip 개발 및 상용화 과제의 주 개발항목으로 CSMA/CA MAC과 TDMA MAC을 함께 사용할 수 있는 hybrid MAC을 개발함에 있어 센서 노드의 용도에 따라서 사용 방법을 선택하여 운용함으로써 망 운용의 효율을 높일 수 있도록 지원하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조에 관한 것이다.
산업 현장에서 사용되는 센서 네트워크에서는 환경의 특성상 sensing 되는 정보들을 실시간으로 전달하는 것이 매우 중요하다. 센싱의 종류는 크게 주기성을 가진 데이터와 주기는 없으나 특정 상황에 발생하는 event성 데이터로 나눌 수 있다.
LPWA 통신의 특성상 통신 반경은 상대적으로 넓으나 느린 전송 속도를 제공하며, CSMA/CA를 사용하기 때문에 congestion이 발생하면 기하급수적으로 망이 느리게 반응하게 되는 문제점을 갖는다.
대한민국 등록특허공보 제889755호
본 발명의 목적은 해상/산업용 IoT 복합센싱 Chip 개발 및 상용화 과제의 주 개발항목으로 CSMA/CA MAC과 TDMA MAC을 함께 사용할 수 있는 hybrid MAC을 개발함에 있어 센서 노드의 용도에 따라서 사용 방법을 선택하여 운용함으로써 망 운용의 효율을 높일 수 있도록 지원하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조는,
해상/산업용 IoT 복합센싱 Chip 개발 및 상용화 과제의 주 개발항목으로 CSMA/CA MAC과 TDMA MAC을 함께 사용할 수 있는 hybrid MAC을 개발함에 있어 센서 노드의 용도에 따라서 사용 방법을 선택하여 운용함으로써 망 운용의 효율을 높일 수 있도록 지원하는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.
본 발명은 해상/산업용 IoT 복합센싱 Chip 개발 및 상용화 과제의 주 개발항목으로 CSMA/CA MAC과 TDMA MAC을 함께 사용할 수 있는 hybrid MAC을 개발함에 있어 센서 노드의 용도에 따라서 사용 방법을 선택하여 운용함으로써 망 운용의 효율을 높일 수 있도록 지원할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 게이트웨이가 주기적으로 동기 관련 정보를 송신하도록 정의하고, 최소한의 동기 정보를 포함한 sync timeslot을 운용함으로써 관리하는 모든 망에 시간 정보 및 망 정보를 전달할 수 있도록 지원할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 게이트웨이에서 주기적(1 superframe 간격)으로 sync frame을 전송하고 각 단말은 전력 효율 설정에 따라서 주기적으로 wake-up하여 sync frame을 수신하도록 동작하며, 이를 통해 게이트웨이가 운용하는 망의 superframe 동기를 획득할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 게이트웨이의 sync frame을 수신한 단말 노드에서 수신 시점 및 전송에 필요한 전송시간과 적당한 processing 시간을 합산하여 게이트웨이가 가지고 있는 동기 정보를 획득할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 LPWP 데이터 요구사항을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 Superframe의 구조를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 superframe 운용을 위한 주요 prarameter.
도 4는 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 superframe 내의 subframe의 구조를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 superframe의 맨 앞에 존재하는 첫 번째 subframe의 구조를 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 첫 subframe을 제외한 나머지 subframe의 구조를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 superframe management frame의 구조를 좀 더 세분하여 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 해당 frame의 구조를 나타내는 블록도.
도 9는 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 Data period 구성을 나타내는 그래프.
본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 하고, 그 실시예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 이러한 실시예를 통하여 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 더욱 잘 이해할 수 있게 된다.
본 발명은 해상/산업용 IoT 복합센싱 Chip 개발 및 상용화 과제의 주 개발항목으로 CSMA/CA MAC과 TDMA MAC을 함께 사용할 수 있는 hybrid MAC을 개발함에 있어 센서 노드의 용도에 따라서 사용 방법을 선택하여 운용함으로써 망 운용의 효율을 높일 수 있도록 지원한다.
본 발명은 과제에서 제시하는 최소한의 지연 또는 효율을 보장하는 TDMA 기반의 매체 제어를 위한 방안을 제시하고자 한다.
본 발명의 범주를 아래와 같이 정의한다.
Low rate real-time MAC(LRRT MAC)
저속 통신 기반의 MAC 운용
TDMA : 저전력 / 저지연 운용 기능
특정 상황에 따른 실시간 통신 보장
주기적인 상태 보고를 위한 저전력 주기성 보장
TDMA(Time-Division Multiplexing Access): 시간 축을 여러 시간으로 나누어 각 사용자가 자신에게 할당된 시간 구간을 다른 사용자의 시간과 겹치지 않게 사용할 수 있도록 서비스를 제공하는 매체접속제어 방식
LoRa(Long Range): 저전력 광역 네트워크 기술로, Chirp Spread Spectrum(CSS) 기술에서 파생된 확산 스펙트럼 변조 기술을 기반으로 한다. 저전력으로 통신할 수 있는 저전력 장거리 통신망으로 최소한의 전력 소모로 10Km 이상 통신을 지원
LPWA(Low Power Wide Area): 최소한의 전력으로 먼 거리까지(통산 10Km 이상) 통신할 수 있는 무선 통신 시스템으로, 저전력, 저가 기반으로 소량의 데이터를 장거리 전송과 안정적인 통신을 지원하는 사물인터넷을 위한 통신기술
SF(Spreading Factor): 원래의 데이터 비트를 몇 개의 비트 열로 확산하여 얻어진 신호대 잡음비를 이용하여 통신의 이득을 높이는 인자
Superframe: 시분할다중접속(TDMA : Time Division Multiple Access) 방식의 MAC이 특정 시간 동안 반복되는 시간 배치 구조를 정의
본 설계에서는 주기성 데이터를 TDMA를 이용하여 적절히 분산하고, 유휴 시간을 배정하여 이를 event성 정보의 교환을 위해 사용할 수 있도록 정의한다.
Hybrid MAC (TDMA + CSMA/CA)
본 발명에서는 제한된 LPWA와 같이 저속의 무선 매체를 이용하여 효율적인 송/수신을 가능하게 하기 위한 통신 체계의 하나인 TDMA와 CSMA/CA를 결합하여 실시간성 보장 및 QoS 보장을 위한 목표로 하는 MAC 운용 설계를 포함한다.
환경 분석
도 1은 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 LPWP 데이터 요구사항을 나타내는 블록도로서 LPWA가 사용되는 환경에 따른 교환 데이터의 성격을 규정하고 있다.
LPWA 망은 주로 sensing된 데이터를 server로 전달하여 sensor가 설치된 환경의 상태를 감시하고 보고하는 데이터의 전달을 목적으로 하고 있다. 그림과 같이 sensing 데이터는 주기성을 갖거나 실시간성을 갖는 event 형식을 따른다.
주기적인 데이터는 주로 환경 정보를 sensing하여 이를 보고하는 용도로 사용된다. 실시간성은 떨어지지만 상황을 주기적으로 파악할 수 있으며, 이를 정확한 시간에 sensing하고 보고한다면 battery 운용 측면에서 효과를 볼 수 있다.
Event성 데이터는 특정 상황이 발생했을 때만 보고를 수행할 수 있다. 해당 sensing 결과는 실시간성이 매우 중요하며, 주변 노드들의 송신에 의한 간섭을 최소화하여야 한다.
게이트웨이는 모든 관할 node들의 통신에 대한 결정 권한을 가지며, 자원에 대한 배분을 담당한다. 즉, LPWA node간 통신은 원칙적으로 불가하며, G/W를 통해서만 통신이 가능한 구조를 정의한다. Sensor node의 특성상, 저전력으로 운용됨을 기본으로 하고 있고, 각 sensor node의 sensing 값을 center로 전달하는 역할을 수행하기 때문에 단방향의 데이터가 존재하게 되고, 필요에 따라서 ACK를 수신하여 별도의 처리를 수행할 수도 있다. 모든 통신은 게이트웨이의 network coordination에 따라 동작을 수행하여 각 sensor node가 동작하는 시간을 최소화하고 연산의 정도도 최소화할 수 있도록 지원하여야 한다.
MAC superframe 구성
본 발명에서는 단위 시간을 기준으로 반복되는 superframe을 반복하는 구조의 시분할 MAC을 정의한다. 도 2는 본 설계에서 제시한 superframe의 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 Superframe의 구조를 나타내는 그래프이다.
Superframe은 10초 간격으로 반복되는 구조를 갖도록 구성하였으며, superframe의 내부는 다시 1초 길이의 frame으로 구성된다. 즉, superframe은 총 10개의 frame이 반복되는 형태의 시분할 동작을 수행한다.
Superframe과 superframe 사이는 시간적인 오차, 시간 동기 오차, 기타 processing 관련 overhead 등을 감안하여 inter-superframe gap 4ms를 보장한다.
모든 sensor node들은 동일한 시간 동기를 유지해야 하며, 이 시간 동기를 토대로 superframe의 시작 시점을 결정하게 된다.
데이터의 전달 경로도 마찬가지로 periodic subframe과 non-periodic subframe으로 각각 나누어 전송하도록 정의한다. 본 발명은 최대한 event성 데이터를 즉시 전송할 수 있도록 보장하기 위해서 대부분 sensor node들이 가지고 있는 주기성을 가진 데이터를 TDM 구간으로 분리함으로써 CSMA/CA로 동작하는 non-periodic 구간의 데이터를 줄이는데 주안점을 두었다.
도 3은 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 superframe 운용을 위한 주요 prarameter이다.
Superframe 운용의 모든 권한은 게이트웨이가 가지고 있으며, 망의 timeslot 배분 및 동기 권한을 게이트웨이가 가지게 된다.
각 노드의 timeslot 동기화
앞서 언급한 바와 같이 하나의 망은 G/W를 중심으로 운용되며, TDMA system은 동기 정보의 유지가 가장 중요한 요소 가운데 하나이다. 대부분의 정밀 TDMA system의 경우, GPS의 PPS 정보를 이용하여 time 동기화를 수행한다. 하지만, 본 발명의 목표인 sensor node의 경우에는 저가의 저전력 시스템을 기본으로 동작하여야 한다. GPS module을 장착할 경우 이 두 가지를 모두 이루기 어려워진다.
그래서, 본 발명에서는 게이트웨이가 주기적으로 동기 관련 정보를 송신하도록 정의하고, 최소한의 동기 정보를 포함한 sync timeslot을 운용함으로써 관리하는 모든 망에 시간 정보 및 망 정보를 전달할 수 있도록 지원한다.
게이트웨이는 주기적(1 superframe 간격)으로 sync frame을 전송하고 각 단말은 전력 효율 설정에 따라서 주기적으로 wake-up하여 sync frame을 수신하도록 동작한다. 이를 통해 게이트웨이가 운용하는 망의 superframe 동기를 획득하게 된다. Superframe의 동기정보는 superframe의 시작, frame의 시작, sub-frame의 시작 정보를 말한다.
게이트웨이의 sync frame을 수신한 단말 노드는 수신 시점 및 전송에 필요한 전송시간과 적당한 processing 시간을 합산하여 게이트웨이가 가지고 있는 동기 정보를 획득하게 된다. 해당 정보는 CPU의 처리 부하에 따라서 수 ㎲에서 수 ㎳에 이르는 오차를 갖게 되며, 이런 오차를 감안하여 superframe gap을 정의하였다.
Subframe 구성
Superframe은 subframe의 조합으로 구성된다. 하나의 superframe 내에는 10개의 subframe이 포함되어 있으며, 맨 앞에 있는 subframe은 동기 및 망 관리 정보를 포함하고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 superframe 내의 subframe의 구조를 나타내는 그래프이다.
Superframe은 주기적인 정보를 교환하는 periodic subframe과 event성 정보를 전달하는 non-periodic subframe의 연속으로 구성한다. 이들은 각각 500ms의 길이를 갖는다.
도 5는 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 superframe의 맨 앞에 존재하는 첫 번째 subframe의 구조를 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 첫 subframe을 제외한 나머지 subframe의 구조를 나타내는 그래프이다.
Superframe의 맨 앞에 존재하는 첫 번째 subframe은 sync timeslot을 포함하여 동기 정보를 망에 전파하며, 나머지는 sensing data를 전송하는 구간으로 사용한다. 이를 network information period로 정의하고, 그 길이는 50㎳로 정의하였다.
Network information period
앞서 정의한 바와 같이 network information period는 50㎳ 길이를 가지고 있으며, superframe 간의 gap으로 4㎳를 포함하고 있기 때문에 실제 정보 전송을 위한 길이는 46㎳로 정의할 수 있다. 즉, inter-superframe gap 4㎳와 superframe management frame 46㎳로 구성된다.
도 7은 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 superframe management frame의 구조를 좀 더 세분하여 나타내는 그래프이다.
Sync timeslot은 동기 관련 정보만을 포함하고 있기 때문에 매우 짧은 데이터를 가지고 있으며, 망에 대한 정보는 superframe information frame을 통해 망에 전파된다.
도 8은 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 해당 frame의 구조를 나타내는 블록도이다.
Data period
Data period는 500㎳ 길이를 가지며, inter-data frame gap 1㎳와 data timeslot 499㎳로 구성된다. Data timeslot은 한 superframe에 10개가 존재하며, 각 sensor node들은 해당 data frame을 통해 event 정보를 전달하게 된다.
도 9는 본 발명에 따른 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조를 설명하기 위한 Data period 구성을 나타내는 그래프이다.
해당 timeslot에서 전달되는 data는 timeslot 내에서 CSMA/CA 기반으로 동작한다.
본 발명은 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 관련 산업분야에 이용될 수 있다.
Perodic reprt sensor node : 주기적인 센싱 값 보고
Event report sensor node : 특정 상황에 따른 비주기성 값 보고
Periodic + Event reprt sensor node : 주기성 + 특정 상황에 따른 비주기성 값 보고

Claims (14)

  1. 해상/산업용 IoT 복합센싱 Chip 개발 및 상용화 과제의 주 개발항목으로 CSMA/CA MAC과 TDMA MAC을 함께 사용할 수 있는 hybrid MAC을 개발함에 있어 센서 노드의 용도에 따라서 사용 방법을 선택하여 운용함으로써 망 운용의 효율을 높일 수 있도록 지원하는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    주기성 데이터를 TDMA를 이용하여 적절히 분산하고, 유휴 시간을 배정하여 이를 event성 정보의 교환을 위해 사용할 수 있도록 정의하는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    제한된 LPWA와 같이 저속의 무선 매체를 이용하여 효율적인 송/수신을 가능하게 하기 위한 통신 체계의 하나인 TDMA와 CSMA/CA를 결합하여 실시간성 보장 및 QoS 보장을 위한 목표로 하는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    단위 시간을 기준으로 반복되는 superframe을 반복하는 구조의 시분할 MAC을 정의하는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    Superframe은 10초 간격으로 반복되는 구조를 갖도록 구성되고, superframe의 내부는 다시 1초 길이의 frame으로 구성되고, superframe은 총 10개의 frame이 반복되는 형태의 시분할 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    Superframe과 superframe 사이는 시간적인 오차, 시간 동기 오차, processing 관련 overhead 등을 감안하여 inter-superframe gap 4ms를 보장하고, 모든 sensor node들은 동일한 시간 동기를 유지하며, 이 시간 동기를 토대로 superframe의 시작 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    데이터의 전달 경로도 마찬가지로 periodic subframe과 non-periodic subframe으로 각각 나누어 전송하도록 정의하고, 최대한 event성 데이터를 즉시 전송할 수 있도록 보장하기 위해서 대부분 sensor node들이 가지고 있는 주기성을 가진 데이터를 TDM 구간으로 분리함으로써 CSMA/CA로 동작하는 non-periodic 구간의 데이터를 줄이는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조.
  8. 제1항에 있어서,
    Superframe 운용의 모든 권한은 게이트웨이가 가지고 있으며, 망의 timeslot 배분 및 동기 권한을 게이트웨이가 가지는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조.
    게이트웨이는 주기적(1 superframe 간격)으로 sync frame을 전송하고 각 단말은 전력 효율 설정에 따라서 주기적으로 wake-up하여 sync frame을 수신하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조.
  9. 제1항에 있어서,
    게이트웨이의 sync frame을 수신한 단말 노드는 수신 시점 및 전송에 필요한 전송시간과 적당한 processing 시간을 합산하여 게이트웨이가 가지고 있는 동기 정보를 획득하고, 해당 정보는 CPU의 처리 부하에 따라서 수 ㎲에서 수 ㎳에 이르는 오차를 갖게 되며, 이런 오차를 감안하여 superframe gap을 정의하는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조.
  10. 제1항에 있어서,
    Superframe은 subframe의 조합으로 구성되고, 하나의 superframe 내에는 10개의 subframe이 포함되며, 맨 앞에 있는 subframe은 동기 및 망 관리 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조.
  11. 제1항에 있어서,
    Superframe은 주기적인 정보를 교환하는 periodic subframe과 event성 정보를 전달하는 non-periodic subframe의 연속으로 구성한다. 이들은 각각 500ms의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조.
  12. 제1항에 있어서,
    Superframe의 맨 앞에 존재하는 첫 번째 subframe은 sync timeslot을 포함하여 동기 정보를 망에 전파하며, 나머지는 sensing data를 전송하는 구간으로 사용한다. 이를 network information period로 정의하고, 그 길이는 50㎳로 정의하는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 network information period는 50㎳ 길이를 가지고 있으며, superframe 간의 gap으로 4㎳를 포함하고 있어 실제 정보 전송을 위한 길이는 46㎳로 정의는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 Data period는 500㎳ 길이를 가지며, inter-data frame gap 1㎳와 data timeslot 499㎳로 구성되고, Data timeslot은 한 superframe에 10개가 존재하며, 각 sensor node들은 해당 data frame을 통해 event 정보를 전달하는 것을 특징으로 하는 저속 가변 전송 rate 기반의 통신시스템 실시간 MAC 구조.
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KR100889755B1 (ko) 2007-12-17 2009-03-24 한국전자통신연구원 슈퍼프레임을 이용한 신뢰성 기반 실시간 센서워크 ｍａｃ통신시스템 및 통신 방법

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