KR20230094984A

KR20230094984A - 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20230094984A
Application number: KR1020220172037A
Authority: KR
Inventors: 박태준; 차재선; 김은희
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2022-12-09
Publication date: 2023-06-28

Abstract

본 발명은 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법 및 장치에 관한 것으로, 제1 노드가 프레임을 하향링크 구간과 상향링크 구간으로 분할하는 단계, 제1 노드가 하향링크 구간에서 적어도 하나의 제2 노드에게 하향링크 데이터를 슬롯 단위로 전송하는 단계, 및 제1 노드가 상향링크 구간에서 적어도 하나의 제2 노드로부터 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR RADIO COMMUNICATION OF TIME SENSITIVE NETWORK}

본 발명은 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 시간 민감형 네트워크(wireless time sensitive network)에서 시분할 다중 접속(TDMA) 방식을 이용하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법 및 장치에 대한 것이다.

산업 제조현장에서는 실시간 모니터링 및 제어를 위하여, 이더넷(Ethernet) 기반 TSN(Time Sensitive Network, 시간 민감형 네트워크)을 적용하여 저지연(low latency), 저지연 편차(low delay variation), 및 저손실(low packet loss)를 가지는 확정적(deterministic) 서비스가 제공된다. TSN은 유선 네트워크 기반으로 동작되어 왔으나, 실시간 모니터링 및 제어를 위한 센서 및 액츄에이터(actuator)와 유선 통신이 어려운 곳에서는 무선 통신의 적용이 필요하다.

한편, 현재의 WiFi(IEEE Std 802.11-2016) 기술은, 데이터의 송수신이 필요한 경우 물리계층의 프리앰블을 사용하여 송신 노드의 반송파 주파수 오차와 심볼 타이밍 오차를 추출하고 수신 신호의 세기에 따라 적절한 증폭을 하는 등 데이터 수신을 위한 물리적 채널정보를 전달한다. WiFi 기반의 통신 시스템에서 데이터의 송수신을 위해서는 프리앰블이 반드시 필요하였다.

또한, 최근 산업자동화를 위한 생산공정, 로봇제어 등의 폐루프 제어를 위하여 충분히 짧은 주기(예: 125us)로 지속적인 데이터 전달이 필요하다.

그러나 종래 WiFi기술과 같이 전달할 데이터의 크기가 프리앰블의 크기에 비해서 작은 경우는 데이터 전달효율이 낮아지고, 주기가 충분히 짧은(예: 125us) 경우에는 프리앰블 전송을 위한 시간 때문에 데이터 전달을 위한 짧은 주기를 만족하지 못하는 경우가 발생하는 문제점이 있다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0023811호(2007.02.08. 공개)에 개시되어 있다.

본 발명은 산업용 폐루프(closed-loop) 제어 수준의 무선 시간 민감형 네트워크(wireless time sensitive network)에서 시분할 다중 접속(TDMA) 방식을 이용하여 액세스포인트(AP)와 다수의 단말간의 데이터 송수신을 제어할 수 있도록 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일부 실시예에 따른 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법은, 시간 민감 네트워크(TSN, time sensitive network)를 위한 제1 노드의 동작 방법에 있어서, 상기 제1 노드가 프레임을 하향링크 구간과 상향링크 구간으로 분할하는 단계, 상기 제1 노드가, 상기 하향링크 구간에서 적어도 하나의 제2 노드에게 하향링크 데이터를 슬롯 단위로 전송하는 단계; 및 상기 제1 노드가, 상기 상향링크 구간에서 상기 적어도 하나의 제2 노드로부터 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시예는 상기 분할하는 단계에서, 상기 제1 노드는, 하향링크 전송 순서를 지시하는 슬롯, 및 상기 적어도 하나의 제2 노드의 상향링크 전송 순서를 지시하는 슬롯을 할당하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시예에서 상기 하향링크 구간은, 프리앰블부, 및 상기 적어도 하나의 제2 노드 각각에 대한 슬롯 단위의 하향링크 데이터를 포함하는 하향링크 데이터부를 포함하고, 상기 하향링크 데이터는 하향링크 헤더(DPH(Dowunlink PHY Header)) 및 데이터 필드(MPDU(MAC Protocol Data Unit))를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시예에서 상기 하향링크 데이터부에서 첫번째 슬롯의 하향링크 데이터는, U-Sig(Urtdn SIGnalling header) 및 데이터 필드(MPDU(MAC Protocol Data Unit))를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시예에서 상기 하향링크 구간은, 상기 하향링크 데이터부 이후에 휴지기간 필드(EOD:End Of Downlink)를 더 포함하고, 상기 휴지기간 필드는, 연속적인 하향링크 데이터 전송 이후, 상하향 전송 전환 표시 및 송수신 모드 전환을 위해 사용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시예에서 상기 하향링크 헤더(DPH)는, GI(Guard interval) 및 DTF(Downlink Training Field)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시예에서 상기 상향링크 구간은, 상기 적어도 하나의 제2 노드 각각에 대한 슬롯 단위의 상향링크 데이터를 포함하는 상향링크 데이터부를 포함하고, 상기 상향링크 데이터는, 상향링크 헤더(UPH(Uplink PHY Header)) 및 데이터 필드(MPDU(MAC Protocol Data Unit))를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시예에서 상기 상향링크 헤더(UPH)는, GI(Guard interval) 및 UTF(Uplink Training Field)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시예는 상기 하향링크 데이터를 슬롯 단위로 전송하는 단계에서, 상기 제1 노드는, 첫번째 슬롯의 하향링크 데이터의 전송 전에만 프리앰블을 전송하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시예는 상기 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 수신하는 단계에서, 상기 제1 노드는, 연속적인 하향링크 데이터 전송 이후 휴지기간(EOD:End Of Downlink)을 두고 상기 적어도 하나의 제2 노드로부터 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 수신하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시예에 따른 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법은 시간 민감 네트워크(TSN, time sensitive network)를 위한 적어도 하나의 제2 노드의 동작 방법에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2 노드가, 프레임의 하향링크 구간에서 제1 노드로부터 하향링크 데이터를 슬롯 단위로 수신하는 단계, 및 상기 적어도 하나의 제2 노드가, 상기 프레임의 상향링크 구간에서 상기 제1 노드로 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시예에서 상기 하향링크 구간은, 프리앰블부, 상기 적어도 하나의 제2 노드 각각에 대한 슬롯 단위의 하향링크 데이터를 포함하는 하향링크 데이터부를 포함하고, 상기 하향링크 데이터는 하향링크 헤더(DPH(DowunlinkPHY Header)) 및 데이터 필드(MPDU(MAC Protocol Data Unit))를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시예에서 상기 하향링크 구간은, 상기 하향링크 데이터부 이후에 휴지기간 필드(EOD:End Of Downlink)를 더 포함하고, 상기 휴지기간 필드는, 연속적인 하향링크 데이터 수신 이후, 상하향 전송 전환 표시 및 송수신 모드 전환을 위해 사용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시예는 상기 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 전송하는 단계에서, 상기 상향링크 구간에서 첫번째 슬롯의 제2 노드는, 연속적인 하향링크 데이터 수신 이후 휴지기간(EOD:End Of Downlink)을 두고 첫번째 슬롯에서 해당 상향링크 데이터를 상기 제1 노드로 전송하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시예에 따른 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 장치는, 메모리, 송수신기, 및 상기 메모리 및 송수신기와 연결된 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 프레임을 하향링크 구간과 상향링크 구간으로 분할하고, 상기 하향링크 구간에서 적어도 하나의 제2 노드에게 하향링크 데이터를 슬롯 단위로 상기 송수신기를 통해 전송하며, 상기 상향링크 구간에서 상기 적어도 하나의 제2 노드로부터 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 수신하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시예에서 상기 프로세서는, 상기 하향링크 구간에서 첫번째 슬롯의 하향링크 데이터 전송 전에만 프리앰블을 전송하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법 및 장치는, 시분할 다중 접속(TDMA) 방식을 이용하여 액세스포인트(AP)와 다수의 단말간의 데이터 송수신을 제어함으로써, 다수 연결에서 아주 짧은 전송 주기로 지속적으로 발생하는 대량의 소형 데이터를 적시에 전달하는 것이 가능하여 산업자동화를 위한 로봇제어와 같은 실시간 폐루프 제어를 가능하게 한다.

또한, 본 발명에 따른 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법 및 장치는, AP에서 단말로 데이터를 전송하는 하향링크와 단말에서 AP로 데이터를 전송하는 상향링크로 구성되는 상하향링크 프레임을 구성함으로써, 하나의 AP가 아주 짧은 전송 주기(예: 2ms)로 다수의 단말(예: 120개 단말)에 대해 확정적인 데이터 송수신 기회를 보장할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 기존 IEEE 80211 표준에 정의된 물리계층 프레임의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 상하향링크 프레임의 구조를 도시한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 하향링크 헤더의 구조를 도시한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 상향링크 헤더의 구조를 도시한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 장치의 구성을 설명하기 위한 블록구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법 및 장치의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 명세서에 기재된 AP는 제1 노드일 수 있고, 단말은 제2 노드일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 시스템은 고신뢰 시간 확정적 네트워크(ultra-reliable & time deterministic network(URTDN))이며, URTDN은 CS(control server) Subsystem(이하, '제어 서버'라 칭함), AP(access point) Subsystem(이하 'AP'라 칭함)과 복수의 ED(end device) Subsystem(이하 '단말'이라 칭함)을 포함한다.

제어 서버는 AP와 단말들 간에 네트워크를 구성하고 제어할 수 있다.

AP는 제어 서버의 데이터 및 제어 정보를 단말들에게 전달하거나 단말들로부터의 데이터 및 제어 정보를 제어 서버에게 전달할 수 있다.

단말은 센서 및 액츄에이터의 정보를 AP로 송수신할 수 있다. 각 단말은 센서(sensor) 및/또는 액츄에이터(actuator)를 포함하거나 센서 및/또는 액츄에이터에 연결될 수 있다.

한편, URTDN에서는 AP와 다수의 단말들 간에 산업용 폐루프 제어(industrial closed-loop control) 수준의 동작이 필요하다. 또한, URTDN에서는 다수의 단말들이 AP에 시분할 다중 접속(time division multiple access(TDMA)) 방식으로 접속된다. 따라서, 본 발명은 산업용 폐루프 제어 수준의 무선 TSN 데이터 송수신을 위해 AP와 다수의 단말간의 시분할 다중 접속(TDMA) 제어를 위한 프레임 구조 및 이를 이용한 무선 통신 방법을 제공한다. 특히, 무선 TSN 통신을 위해 다수 단말에서 발생하는 짧은 주기의 확정적 저지연 특성의 대규모 소형 데이터(패킷) 전달을 위하여, 단말별로 프리앰블(preamble) 등 오버헤드가 필요한 종래의 방법을 사용하지 않고 최소한의 주기적 채널 정보만으로 데이터 송수신을 가능하도록 하는 방법을 제공한다.

이를 위해, AP는 각 단말들에 대한 슬롯을 할당하고, 단말들을 위한 하향링크 전송들을 순차적으로(시간 간격 없이) 수행할 수 있다. 이때, AP는 첫번째 슬롯의 하향링크 데이터의 전송 전에만 프리앰블을 전송할 수 있다. 또한, AP는 하향링크 전송들이 종료된 이후 휴지기간 이후에 단말들을 위한 상향링크 수신들을 순차적으로(시간 간격 없이) 수행할 수 있다. AP는 단말들이 채널에 액세스하는 시간을 지정하기 위해 슬롯을 나누고, 슬롯을 각 단말에 할당할 수 있다. 각 슬롯에서 단말의 채널 액세스가 TDMA(Time Division Multiple Access)로 동작할 수 있다. TDMA의 경우는 특정 단말에게만 슬롯 자원이 할당된 경우로, 특정 단말에 할당된 슬롯에 바로 채널 액세스를 수행할 수 있다.

도 2는 기존 IEEE 80211 표준에 정의된 물리계층 프레임의 구조를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, IEEE 80211 표준에 따른 물리계층 프레임은 프리앰블, 제어 신호, 및 데이터부를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 신호는 IEEE80211(a/g/n) 프레임에 사용되는 LSIG(Legacy signal field)일 수 있다. 이 경우, L-SIG는 4usec의 길이를 가질 수 있다. 한편, 제어 신호는 다양한 필드들(예컨대, RATE, Reserved, LENGTH, Parity, Tail 등)을 가질 수 있으나 이에 대한 설명은 생략된다.

프리앰블은 IEEE80211(a/g/n) 프레임에 사용되는 L-STF(Legacy short training field, 211) 및 L-LTF(Legacy long training field, 212)를 포함할 수 있다. 이 경우, L-STF는 8usec의 길이를 가지며, L-LTF는 8usec의 길이를 가질 수 있다. L-STF는 각 단말에서의 AGC(auto gain control) 및 대략적인(coarse) 시간 동기를 위해 이용되며, L-LTF는 각 단말에서의 세밀한(fine) 시간 동기, 주파수 보상(compensation), 및 데이터 복조를 위한 채널 추정(channel estimation)에 이용될 수 있다.

종래 WiFi 기반의 통신 시스템에서는 데이터의 송수신을 위해서는 프리앰블이 반드시 필요하였다. 그러나 최근 산업자동화를 위한 생산공정, 로봇제어 등의 폐루프 제어를 위하여 충분히 짧은 주기(예:125us)로 지속적인 데이터 전달이 필요하다. 그러나 전달할 데이터의 크기가 프리앰블의 크기에 비해서 작은 경우는 데이터 전달효율이 낮아지고, 주기가 충분히 짧은(예:125us) 경우에는 프리앰블 전송을 위한 시간 때문에 데이터 전달을 위한 짧은 주기를 만족하지 못하는 경우가 발생한다.

예를 들어, 하나의 AP가 2ms 주기로 120개의 단말들에 대한 확정적 데이터 송신 및 수신 기회를 보장하여야 하는 시스템을 가정하면, AP와 단말 간의 사용자 데이터의 크기가 작을수록 프리앰블에 의한 오버헤드(overhead)가 커지면서 전송효율이 낮아지는 문제가 발생한다. 이러한 문제는 단순히 효율성의 문제로 끝나지 않고, 짧은 주기(2ms)로 전달할 수 있는 패킷의 수가 제한되어 수용이 가능한 단말의 수가 극히 제한되는 구조적 문제를 발생시킨다.

이에, 본 발명은 AP와 단말 간의 송수신 데이터를 하나의 프레임으로 다중화하여 전송하는 방안을 적용할 수 있다. 기존 WiFi의 프레임 집성(frame aggregation) 기술은 AP에서 단말로 데이터를 송신하는 하향링크 전송에만 적용 가능하고, 하향채널 연결의 수가 늘어남에 따라서 레거시 프리앰블(Legacy preamble)에 의해 확인했던 채널정보의 정확성은 떨어지는 문제가 있다. 또한, 기존 WiFi의 프레임 집성(frame aggregation) 기술은, 단말에서 AP로 데이터를 송신하는 상향링크의 경우, 서로 다른 단말에서 AP로 전송하므로 상향링크 프레임은 하향링크에 적용하는 프레임 집성(frame aggregation) 기술을 적용할 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 AP와 단말 간의 송수신 데이터를 하나의 프레임으로 다중화하여 전송함으로써, 하향링크뿐만 아니라 상향링크에 대해서 프레임 집성(frame aggregation) 개념을 적용할 수 있다. 본 발명의 프레임 집성(frame aggregation)은 하향링크 연결이 늘어도 채널정보의 정확성을 유지하는 주기적인 채널정보를 포함하며, 서로 다른 단말에서 AP로 전송되는 상향링크 데이터에 대해서도 각 단말의 간략한 채널정보를 포함하는 시분할 다중접속에 의해 예약된 시간에 전송이 시작되므로 모든 단말이 프리앰블을 사용할 필요가 없어진다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 상하향링크 프레임의 구조를 도시한 예시도, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 하향링크 헤더의 구조를 도시한 예시도, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 상향링크 헤더의 구조를 도시한 예시도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상하향링크 프레임(300)은 AP에서 단말로 데이터를 전송하는 하향링크와 단말에서 AP로 데이터를 전송하는 상향링크로 구성되는 시분할 다중접속 프레임으로, 하향링크 구간(310)과 상향링크 구간(350)으로 구성될 수 있다.

하향링크 구간(310)은 AP에서 단말로 데이터를 전송하는 구간으로, 프리앰블부(312)와 하향링크 데이터부(314)를 포함하고, 하향링크 데이터부(314)는 단말의 개수에 대응하는 개수의 슬롯(slot)으로 구분되어 있다.

프리앰블부(312)는 하향링크 구간(310)에서 첫번째 슬롯(Slot 1)의 앞부분에 위치할 수 있다.

AP는 단말들을 위한 모든 하향링크 전송들에 프리앰블을 포함시킬 필요 없이, 첫번째 하향링크 데이터 전송의 앞 부분에만 프리앰블을 전송할 수 있다. 예컨대, AP는 첫번째 슬롯(Slot 1)의 하향링크 데이터 앞 부분에서만 프리앰블을 전송할 수 있다. 따라서, AP는 한번만 프리앰블을 전송할 수 있고, 각 단말들에 대한 하향링크 전송은 물론, 상향링크 전송에도 프리앰블 없이 각 단말들을 위한 데이터 필드만을 수신할 수 있다.

프리앰블은 각 단말에서의 AGC(auto gain control), 대략적인(coarse) 시간 동기, 세밀한(fine) 시간 동기, 주파수 보상(compensation), 및 데이터 복조를 위한 채널 추정(channel estimation)에 이용될 수 있다. 이러한 프리앰블은 예컨대, 20μs의 길이를 가질 수 있다.

프리앰블은 종래 IEEE802.11 WiFi와 호환을 위해 동일하며, 물리계층 파라미터도 파일럿 서브캐리어를 사용자 데이터를 위해 사용하는 점을 제외하고는 아래 표 1의 IEEE802.11 WiFi와 동일하다.

[표 1]

하향링크 데이터부(314)는 다수의 슬롯(slot 1, slot 2, ..., slot n)으로 구성되고, 슬롯 단위로 각 단말에 대한 하향링크 데이터를 포함할 수 있다. 여기에서 하항링크 데이터부(314)를 n개의 미리 정하지 않은 개수의 슬롯으로 구성된다고 한 것은, 하나의 하향링크 데이터부(314)가 하나 또는 그 이상의 슬롯으로 구성된다는 의미이고, 그 개수가 본 발명의 사상을 제한하기 위한 것이 아니다.

하향링크 데이터부(314)는 적어도 하나의 단말 각각에 대한 슬롯 단위의 하향링크 데이터를 포함할 수 있다.

AP에서 단말로 데이터를 전송하는 하향링크 구간(310)은, 서로 다른 단말들에 전송되는 하향링크 데이터들을 집성(aggregation)하여 전송하는 프레임 집성 방식이 적용되므로, 하향링크 데이터부(314)는 복수의 단말들(예컨대, 120개의 단말들) 각각에 대한 하향링크 데이터를 포함할 수 있다. 예를 들어, AP가 120개의 단말과 연결된 경우, 하향링크 데이터부(314)는 120개의 슬롯으로 구성되고, AP는 각 슬롯에서 해당 단말로 해당 하향링크 데이터를 전송할 수 있다.

하향링크 데이터는 하향링크 헤더(DPH, DowunlinkPHY Header)와 데이터 필드(MPDU(MAC Protocol Data Unit))를 포함할 수 있다. 이때, 첫번째 슬롯(slot 1)은 프리앰블에 의한 채널 정보확인에 따라 별도의 채널정보가 필요 없으므로, 첫 번째 슬롯(slot 1)의 하향링크 헤더는 U-Sig(Urtdn SIGnalling header)로 사용될 수 있다. 즉, 하향링크 데이터부(314)에서 첫번째 슬롯(slot 1)의 하향링크 데이터는 U-Sig(Urtdn SIGnalling header) 및 데이터 필드(MPDU, MAC Protocol Data Unit))를 포함할 수 있다. 여기서, U-Sig는 URTDN 용의 제어 신호 필드일 수 있고, 4μs의 길이를 가질 수 있다.

첫번째 슬롯(slot 1) 이후의 하향링크 데이터는 하향링크 헤더(DPH, DowunlinkPHY Header)와 데이터 필드(MPDU, MAC Protocol Data Unit)를 포함할 수 있다. 첫번째 슬롯(slot 1) 이후의 슬롯에서 하향링크의 서로 다른 단말로 전달될 소형 데이터는 DPH(DowunlinkPHY Header)를 사용하여 채널 감쇄, 위상오차 등 전달경로의 특성을 확인하고 증폭제어, 오프셋/위상오차 등을 조정할 수 있도록 한다.

이러한 하향링크 헤더(DPH)는 도 4에 도시된 바와 같이 GI(Guard interval) 및 DTF(Downlink Training Field)를 포함할 수 있다.

GI는 주파수 옵셋과 전송 지연 등에 의한 불확실성을 반영하여 결정될 수 있다. GI는 주기적으로 시각 정보가 재동기되는 등시성을 가진 URTDN에서 주파수 옵셋에 의해 발생할 수 있는 최대 오차와 최대 전송지연 등을 반영할 수 있다. 이러한 GI는 예컨대, 0.8μs의 길이를 가질 수 있다.

DTF는 시간/주파수 동기 및 채널 응답 추정을 위해서 사용될 수 있다. 이러한 DTF는 예컨대, 3.2μs의 길이를 가질 수 있다.

GI와 DTF로 구성된 하향링크 헤더(DPH)는 예컨대, 4μs의 길이를 가질 수 있다.

하향링크 데이터부(314)는 다중경로 패이딩 등 채널환경에 대한 강건성을 위해 주기적 DPH를 반복하여 전송할 수 있다. 즉, AP는 각 슬롯마다 하향링크 데이터에 DPH를 포함시켜 전송할 수 있다.

상기와 같이 구성된 하향링크 데이터의 DPH는 AP로부터 각 단말로의 정보 전달에 이용될 수 있다. 즉, AP가 각 단말이 송신하는 하향링크 데이터에 기초하여 측정한 각 단말이 경험하는 채널의 감쇄, 주파수 오프셋, 및/또는 위상 오차에 대한 정보가 하향링크 데이터의 DPH를 이용하여 각 단말에게 전달될 수 있다. 각 단말은 하향링크 데이터의 DPH를 통해서 전달된 정보를 활용하여 자신의 상향링크 전송을 보정할 수 있다. 즉, AP에서 상향링크 데이터 수신이 용이하도록 각 단말의 옵셋 및 송신 출력 등이 하향링크 데이터의 DPH를 이용하여 보정될 수 있다.

하향링크 데이터의 데이터 필드(MPDU(MAC Protocol Data Unit))는 AP가 해당 단말로 전송할 데이터를 포함할 수 있다. 지연 시간 확정적인 서비스를 제공하기 위해서는 모든 단말들에게 동일한 크기의 데이터 필드가 할당되는 것이 바람직할 수 있다. 하향링크 데이터의 데이터 필드(MPDU)는 예컨대, 12μs의 길이를 가질 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 하향링크 구간(310)은 하향링크 전송의 종료를 의미하는 휴지기간 필드(EOD:End Of Downlink, 316))를 더 포함할 수 있다. 휴지기간 필드(EOD, 316)는 연속적인 하향링크 데이터 전송이 모두 끝난 후, 상하향 전송 전환 표시 및 채널추정을 위한 정보와 송수신 모드 전환을 위해 사용될 수 있다.

휴지기간 필드(EOD, 316)는 LTF(long training field) 및 GI(Guard interval)를 포함할 수 있다. 휴지기간 필드(EOD, 316)는 16μs의 길이를 가지며, LTF와 GI는 각각 8μs의 길이를 가질 수 있다.

LTF는 시간 동기, 주파수 보상(compensation), 및 채널 추정(channel estimation)에 이용될 수 있다.

상기와 같이 구성된 하향링크 구간(310)은 각 하향링크 데이터로 프리앰블이 전송되는 종래 방식에 비하여 프리앰블에 의한 오버헤드를 줄일 수 있다.

AP는 각 단말들에 대한 슬롯을 할당하고, 각 슬롯에서 해당 단말의 하향링크 데이터를 순차적으로(시간 간격 없이) 전송할 수 있다. 이때, AP는 첫번째 슬롯(slot 1)의 하향링크 데이터의 전송 전에만 프리앰블을 전송할 수 있다.

AP의 하향링크 전송이 완료되면, 각 단말은 상향링크 구간의 자신에게 할당된 슬롯에서 상향링크 데이터를 AP로 각각 전송할 수 있다. 이때, 상향링크 구간에서 첫번째 슬롯(slot 1)의 단말은 휴지기간(EOD, 316) 경과 후 첫번째 슬롯(slot 1)에서 해당 상향링크 데이터를 AP로 전송할 수 있다. 그러면, AP는 하향링크 전송들이 종료된 이후 휴지기간(EOD, 316) 경과 후 단말들로부터 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 수신함으로써, 단말들을 위한 상향링크 수신을 순차적으로(시간 간격 없이) 수행할 수 있다.

본 발명은 상향링크 데이터 전송에 대해서도 프리앰블 간략화를 통해 프레임 집성(frame aggregation) 수준의 높은 송신 효율을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 상하향링크 프레임(300)에서 상향링크 구간(350)은 단말에서 AP로 데이터를 전송하는 구간으로, 상향링크 데이터부(354)를 포함하고, 상향링크 데이터부(354)는 단말의 개수에 대응하는 개수의 슬롯으로 구분되어 있다.

상향링크 데이터부(354)는 다수의 슬롯(slot 1, slot 2, ..., slot n)으로 구성되고, 슬롯 단위로 각 단말에 대한 상향링크 데이터를 포함할 수 있다. 여기에서 상항링크 데이터부(354)를 n개의 미리 정하지 않은 개수의 슬롯으로 구성된다고 한 것은, 하나의 상향링크 데이터부(354)가 하나 또는 그 이상의 슬롯으로 구성된다는 의미이고, 그 개수가 본 발명의 사상을 제한하기 위한 것이 아니다.

상향링크 데이터부(354)는 적어도 하나의 단말 각각에 대한 슬롯 단위의 상향링크 데이터를 포함할 수 있다. 예를 들어, AP가 120개의 단말과 연결된 경우, 상향링크 데이터부(354)는 120개의 슬롯으로 구성되고, 각 슬롯은 120개 단말들 각각의 상향링크 데이터를 포함할 수 있다.

각 단말의 상향링크 데이터는 상향링크 헤더(UPH, Uplink PHY Header) 및 데이터 필드(MPDU, MAC Protocol Data Unit)를 포함할 수 있다.

UPH는 각 단말에 대해서 적용되는 헤더이며, 각 단말이 AP로 전송하는 데이터부의 첫번째 심볼에 위치될 수 있다. 상향링크 헤더(UPH)는 4μs의 길이를 가지고, 데이터 필드(MPDU)는 120μs의 길이를 가질 수 있다.

상향링크의 서로 다른 단말에서 발생하는 소형 데이터를 효율적으로 전송하기 위해 프리앰블을 대신하는, UPH(Uplink PHY Header)를 전송할 수 있다. 이를 통하여 채널 감쇄, 위상오차 등 전달경로의 특성을 확인하고 증폭제어, 오프셋/위상오차 등을 조정할 수 있다.

UPH는 도 5에 도시된 바와 같이 GI(Guard interval)과 UTF(Uplink Training Field)를 포함할 수 있다.

GI는 URTDN 데이터의 성공적 수신 확률을 높이기 위해 사용되는 것으로, 주파수 옵셋과 전송 지연 등에 의한 불확실성을 반영하여 결정될 수 있다. GI는 주기적으로 시각 정보가 재동기되는 등시성을 가진 URTDN에서 주파수 옵셋에 의해 발생할 수 있는 최대 오차와 최대 전송지연 등을 반영할 수 있다.

예컨대, GI는 0.8μs의 길이를 가질 수 있다.

UTF는 시간/주파수 동기 및 채널 응답 추정을 위해서 사용될 수 있다. 즉, UTF는 각 단말에서의 AGC(auto gain control), 대략적인(coarse) 시간 동기, 세밀한(fine) 시간 동기, 주파수 보상(compensation), 및 데이터 복조를 위한 채널 추정(channel estimation) 등에 이용될 수 있다.

UTF는 예컨대, 3.2us의 길이를 가질 수 있다.

상향링크 데이터의 데이터 필드(MPDU, MAC Protocol Data Unit)는 단말이 AP로 전송할 데이터를 포함할 수 있다. 지연 시간 확정적인 서비스를 제공하기 위해서는 모든 단말들에게 동일한 크기의 데이터 필드가 할당되는 것이 바람직할 수 있다. 상향링크 데이터의 데이터 필드(MPDU)는 예컨대, 12μs의 길이를 가질 수 있다.

AP로 데이터를 전송하는 상향링크 전송은 마지막 하향링크 슬롯 이후의 휴지기간(EOD, 316) 경과 후 상향링크 헤더(UPH, Uplink PHY Header)와 데이터 필드(MPDU, MAC Protocol Data Unit)로 구성되는 상향링크 데이터가 슬롯 단위로 전송될 수 있다.

각 단말은 할당받은 슬롯에서 상향링크 데이터를 AP로 전송할 수 있다. AP는 각 단말에 할당된 슬롯에서 상향링크 데이터를 수신할 수 있다. 이때, AP는 연속적인 하향링크 전송들 이후에 휴지기간(EOD, 316) 간격을 두고 복수의 단말로부터 슬롯 단위로(연속적으로) 상향링크 데이터를 수신할 수 있다.

상기와 같이 구성된 상하향링크 프레임(300)은 하향링크와 상향링크에 DPH와 UPH를 사용하므로 파일럿 서브캐리어는 데이터 전달을 위해 활용하는 점을 제외하고는, 표 1의 IEEE80211 WiFi와 동일한 OFDM symbol을 사용한다. 여기서 전달경로의 채널 정보 획득을 위한 구체적인 구현 방법은 일반적으로 알려진 사항으로서, 본 발명에는 구체적으로 설명하지 않는다.

또한, 본 발명에 따른 상향향링크 프레임(300)은, 산업자동화를 위한 로봇제어와 같이 실시간 폐루프 제어를 위하여, 단말별 프리앰블 사용이 필요한 기존 WiFi의 물리계층 기술로는 지원할 수 없는, 아주 짧은 전송주기로 다수의 연결에서 지속적으로 발생하는 소형의 데이터를 하나의 채널로 상하향 시분할하여 전달할 수 있도록 한다. 즉, 본 발명은 아주 짧은 전송주기로 다수의 연결에서 지속적으로 발생하는 소형의 데이터를 하나의 채널로 확정적 저지연 특성을 위해 상하향 시분할하여 전달할 수 있도록 한다.

이처럼, 본 발명은 기존 WiFi 기술규격으로는 지원할 수 없었던, 다수 연결에서 아주 짧은 전송주기로 지속적으로 발생하는 대량의 소형 데이터를 적시에 전달하는 것이 가능하여 산업자동화를 위한 로봇제어와 같이 실시간 폐루프 제어가 가능하며, 하나의 AP가 2ms 주기로 120개의 단말에 대해 확정적인 데이터 송수신 기회를 보장할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 장치의 구성을 설명하기 위한 블록구성도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 장치는 프로세서(610), 메모리(620) 및 송수신 장치(630)를 포함할 수 있다.

이러한 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 장치는 노드 즉, 액세스 포인트일 수 있다.

프로세서(610)는 프레임을 하향링크 구간과 상향링크 구간으로 분할하고, 하향링크 구간에서 적어도 하나의 단말에게 하향링크 데이터를 슬롯 단위로 송수신기를 통해 전송하며, 상향링크 구간에서 적어도 하나의 단말로부터 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 수신할 수 있다. 이때, 프로세서(610)는 하향링크 구간에서 첫번째 슬롯의 하향링크 데이터 전송 전에만 프리앰블을 전송할 수 있다. 또한, 프로세서(610)는 연속적인 하향링크 데이터 전송 이후 휴지기간(EOD:End Of Downlink)을 두고 적어도 하나의 단말로부터 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 수신할 수 있다. 이러한 기능 구현을 위한 명령어들은 메모리(620)에 저장될 수 있다. 또한 본 실시 예에서 설명한 TDMA 타임슬롯 길이와 같은 설정 정보들이 메모리(620)에 저장될 수 있다.

송수신 장치(630)는 트랜시버 등으로 구현되어 무선 신호를 송수신 할 수 있으며, 예를 들어, IEEE 802.11의 물리 계층이 구현될 수 있다.

프로세서(610) 및/또는 트랜시버는 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), 다른 칩셋, 논리 회로 및/또는 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 메모리(620)는 ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 플래쉬 메모리, 메모리 카드, 저장 매체 및/또는 다른 저장 장치를 포함할 수 있다. 실시예가 소프트웨어로 구현될 때, 상술한 기법은 상술한 기능을 수행하는 모듈(과정, 기능 등)로 구현될 수 있다. 모듈은 메모리(620)에 저장되고, 프로세서(610)에 의해 실행될 수 있다. 메모리(620)는 프로세서(610)의 내부 또는 외부에 있을 수도 있고, 다양한 수단으로 프로세서(610)와 연결될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

300 : 프레임
310 : 하향링크 구간
312 : 프리앰블부
314 : 하향링크 데이터부
316 : 휴지기간 필드
350 : 상향링크 구간
354 : 상향링크 데이터부
610 : 프로세서
620 : 메모리
630 : 송수신 장치

Claims

시간 민감 네트워크(TSN, time sensitive network)를 위한 제1 노드의 동작 방법에 있어서,
상기 제1 노드가 프레임을 하향링크 구간과 상향링크 구간으로 분할하는 단계;
상기 제1 노드가, 상기 하향링크 구간에서 적어도 하나의 제2 노드에게 하향링크 데이터를 슬롯 단위로 전송하는 단계; 및
상기 제1 노드가, 상기 상향링크 구간에서 상기 적어도 하나의 제2 노드로부터 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 수신하는 단계를 포함하는, 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제1항에 있어서,
상기 분할하는 단계에서,
상기 제1 노드는, 하향링크 전송 순서를 지시하는 슬롯, 및 상기 적어도 하나의 제2 노드의 상향링크 전송 순서를 지시하는 슬롯을 할당하는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제1항에 있어서,
상기 하향링크 구간은,
프리앰블부; 및
상기 적어도 하나의 제2 노드 각각에 대한 슬롯 단위의 하향링크 데이터를 포함하는 하향링크 데이터부를 포함하고,
상기 하향링크 데이터는 하향링크 헤더(DPH(DowunlinkPHY Header)) 및 데이터 필드(MPDU(MAC Protocol Data Unit))를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제3항에 있어서,
상기 하향링크 데이터부에서 첫번째 슬롯의 하향링크 데이터는,
U-Sig(Urtdn SIGnalling header) 및 데이터 필드(MPDU(MAC Protocol Data Unit))를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제3항에 있어서,
상기 하향링크 구간은,
상기 하향링크 데이터부 이후에 휴지기간 필드(EOD:End Of Downlink)를 더 포함하고,
상기 휴지기간 필드는, 연속적인 하향링크 데이터 전송 이후, 상하향 전송 전환 표시 및 송수신 모드 전환을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제3항에 있어서,
상기 하향링크 헤더(DPH)는, GI(Guard interval) 및 DTF(Downlink Training Field)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제1항에 있어서,
상기 상향링크 구간은,
상기 적어도 하나의 제2 노드 각각에 대한 슬롯 단위의 상향링크 데이터를 포함하는 상향링크 데이터부를 포함하고,
상기 상향링크 데이터는, 상향링크 헤더(UPH(Uplink PHY Header)) 및 데이터 필드(MPDU(MAC Protocol Data Unit))를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제7항에 있어서,
상기 상향링크 헤더(UPH)는, GI(Guard interval) 및 UTF(Uplink Training Field)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제1항에 있어서,
상기 하향링크 데이터를 슬롯 단위로 전송하는 단계에서,
상기 제1 노드는, 첫번째 슬롯의 하향링크 데이터의 전송 전에만 프리앰블을 전송하는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제1항에 있어서,
상기 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 수신하는 단계에서,
상기 제1 노드는, 연속적인 하향링크 데이터 전송 이후 휴지기간(EOD:End Of Downlink)을 두고 상기 적어도 하나의 제2 노드로부터 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 수신하는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
시간 민감 네트워크(TSN, time sensitive network)를 위한 적어도 하나의 제2 노드의 동작 방법에 있어서,
상기 적어도 하나의 제2 노드가, 프레임의 하향링크 구간에서 제1 노드로부터 하향링크 데이터를 슬롯 단위로 수신하는 단계; 및
상기 적어도 하나의 제2 노드가, 상기 프레임의 상향링크 구간에서 상기 제1 노드로 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 전송하는 단계
를 포함하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제11항에 있어서,
상기 하향링크 구간은,
프리앰블부;
상기 적어도 하나의 제2 노드 각각에 대한 슬롯 단위의 하향링크 데이터를 포함하는 하향링크 데이터부를 포함하고,
상기 하향링크 데이터는 하향링크 헤더(DPH(DowunlinkPHY Header)) 및 데이터 필드(MPDU(MAC Protocol Data Unit))를 포함하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제12항에 있어서,
상기 하향링크 데이터부에서 첫번째 슬롯의 하향링크 데이터는,
U-Sig(Urtdn SIGnalling header) 및 데이터 필드(MPDU(MAC Protocol Data Unit))를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제12항에 있어서,
상기 하향링크 구간은,
상기 하향링크 데이터부 이후에 휴지기간 필드(EOD:End Of Downlink)를 더 포함하고,
상기 휴지기간 필드는, 연속적인 하향링크 데이터 수신 이후, 상하향 전송 전환 표시 및 송수신 모드 전환을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제12항에 있어서,
상기 하향링크 헤더(DPH)는, GI(Guard interval) 및 DTF(Downlink Training Field)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제11항에 있어서,
상기 상향링크 구간은,
상기 적어도 하나의 제2 노드 각각에 대한 슬롯 단위의 상향링크 데이터를 포함하는 상향링크 데이터부를 포함하고,
상기 상향링크 데이터는, 상향링크 헤더(UPH(Uplink PHY Header)) 및 데이터 필드(MPDU(MAC Protocol Data Unit))를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제16항에 있어서,
상기 상향링크 헤더(UPH)는, GI(Guard interval) 및 UTF(Uplink Training Field)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
제11항에 있어서,
상기 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 전송하는 단계에서,
상기 상향링크 구간에서 첫번째 슬롯의 제2 노드는, 연속적인 하향링크 데이터 수신 이후 휴지기간(EOD:End Of Downlink)을 두고 첫번째 슬롯에서 해당 상향링크 데이터를 상기 제1 노드로 전송하는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 방법.
메모리;
송수신 장치; 및
상기 메모리 및 송수신 장치와 연결된 프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는,
프레임을 하향링크 구간과 상향링크 구간으로 분할하고, 상기 하향링크 구간에서 적어도 하나의 제2 노드에게 하향링크 데이터를 슬롯 단위로 상기 송수신 장치를 통해 전송하며, 상기 상향링크 구간에서 상기 적어도 하나의 제2 노드로부터 상향링크 데이터를 슬롯 단위로 수신하는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 장치.
제19항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 하향링크 구간에서 첫번째 슬롯의 하향링크 데이터 전송 전에만 프리앰블을 전송하는 것을 특징으로 하는 시간 민감 네트워크를 위한 무선 통신 장치.