WO2012078007A2 - 무선랜 시스템에서 통신 방법 - Google Patents

무선랜 시스템에서 통신 방법 Download PDF

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WO2012078007A2
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김서욱
석용호
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엘지전자 주식회사
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    • H04W84/12—WLAN [Wireless Local Area Networks]

Definitions

  • the present invention relates to wireless communication, and more particularly, to a communication method by establishing a link between stations (STAs) in a wireless local area network (WLAN) system.
  • STAs stations
  • WLAN wireless local area network
  • Wireless LAN is based on radio frequency technology, using a portable terminal such as a personal digital assistant (PDA), a laptop computer, a portable multimedia player (PMP), or the like. It is a technology that allows wireless access to the Internet in a specific service area.
  • PDA personal digital assistant
  • PMP portable multimedia player
  • IEEE 802.11n In order to overcome the limitation of communication speed, which has been pointed out as a weak point in WLAN, IEEE 802.11n is a relatively recent technical standard. IEEE 802.11n aims to increase the speed and reliability of networks and to extend the operating range of wireless networks. More specifically, IEEE 802.11n supports High Throughput (HT) with data throughput of up to 540 Mbps and also uses multiple antennas at both the transmitter and receiver to minimize transmission errors and optimize data rates. It is based on Multiple Inputs and Multiple Outputs (MIMO) technology.
  • HT High Throughput
  • MIMO Multiple Inputs and Multiple Outputs
  • Next-generation wireless LAN system that supports Very High Throughput (VHT) is the next version of IEEE 802.11n wireless LAN system, recently to support data processing speed of 1Gbps or more in MAC Service Access Point (SAP) It is one of the newly proposed IEEE 802.11 WLAN system.
  • VHT Very High Throughput
  • the next generation WLAN system supports MU-MIMO (Multi User Multiple Input Multiple Output) transmission in which a plurality of non-AP STAs simultaneously access a channel in order to use the wireless channel efficiently.
  • MU-MIMO Multi User Multiple Input Multiple Output
  • the AP may simultaneously transmit a frame to one or more non-AP STAs that are MIMO paired.
  • M2M machine to machine
  • An example of an environment in which a plurality of STAs exist in one WLAN system may be a machine to machine (M2M) network.
  • M2M refers to a network that transmits and receives information by a machine supporting WLAN communication, unlike a conventional WLAN system, in which a person frequently accesses an AP through an STA and receives a service.
  • a STA used by a user requests information through an AP and obtains information from the AP.
  • procedures for link establishment such as scanning, authentication, and association, are actively performed through a request of an STA. This is suitable for a communication flow in which a user requests information through the STA and obtains the requested information from the AP.
  • a user may request information from a plurality of STAs coupled to an AP through an AP, and obtain information from each STA may be a general communication blur.
  • the AP selectively combines with the STA that will transmit and receive the radio signal, thereby conforming to the above communication flow.
  • the AP may be inappropriate for selectively combining with the STA. Therefore, a link establishment method suitable for M2M wireless LAN system is required.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a communication method between stations (STA) by link establishment in a wireless LAN system supporting a machine to machine (M2M).
  • STA stations
  • M2M machine to machine
  • a method of communication by a management station in a wireless communication system includes receiving at least one advertising message including information about each STA from at least one STA; Transmitting an invitation message to a specific one of the at least one STA; Establishing a link with the specific STA; And exchanging a frame with the specific STA. Establishing the link includes associating to exchange the frame with the particular STA.
  • the associating may include sending an association request message requesting association to the specific STA and receiving an association message from the specific STA in response to the association request message. can do.
  • the association response message may include information indicating whether the association is completed successfully.
  • the method may further include determining an association target STA of the at least one STA based on the at least one advertisement message, wherein the association target STA may be the specific STA.
  • Each of the at least one advertisement message indicates an address field indicating an identifying address of the corresponding STA, a STA type field indicating a device type of the corresponding STA, and a list of services supported by the corresponding STA. It may include a service category field.
  • Each of the at least one advertisement message includes a sleep interval field indicating a doze state transition period of the corresponding STA and a listening duration indicating an awake state duration of the corresponding STA. It may further include a listening duration field.
  • Each of the advertisement messages may be repeatedly transmitted at each cycle indicated by the corresponding sleep interval field.
  • the invitation message includes an address field indicating an identification address of the management STA, a BSSID field indicating identification information of a basic service set (BSS) based on the management STA, and a capability value indicating a support capability of the BSS.
  • An address field indicating an identification address of the management STA
  • a BSSID field indicating identification information of a basic service set (BSS) based on the management STA
  • a capability value indicating a support capability of the BSS.
  • Field a power limit field including power limit information in the BSS, and a rate field indicating a data rate supported by the BSS.
  • the method further includes an authentication step with the specific STA, wherein the authentication step includes receiving an authentication response message from the specific STA in response to the invitation message after transmitting the invitation message. It may include.
  • a transceiver in another aspect, includes a transceiver for transmitting and receiving wireless signals and a processor operatively coupled to the transceiver.
  • the processor receives at least one advertising message including information about each STA from at least one station (STA), and sends an invitation message to a specific one of the at least one STA. Transmit, establish a link with the specific STA, and exchange a frame with the specific STA. Establishing the link includes associating to exchange the frame with the particular STA.
  • Joining with the specific STA may include sending an association request message to the specific STA requesting association and receiving an association message from the specific STA in response to the association request message. It may include.
  • the processor may be configured to further perform determining a join target STA among the at least one STA based on the at least one advertisement message.
  • the combining target STA may be the specific STA.
  • a communication method based on a link establishment method based on an access point (AP) in a WLAN system supporting M2M is proposed.
  • the AP selects the STA and requests the association based on an advertising message transmitted by the STA to be associated with the AP.
  • the STA maintains an awake state for transmitting an advertisement message and receiving an invitation message, and may switch to a doze state in other sections. This may increase the power management efficiency of the STA.
  • the AP may select a STA that needs to be associated with itself based on the STA related information included in the advertisement message. Therefore, unnecessary association request by the STA is limited, thereby increasing the efficiency of BSS (Basic Service Set) management by the AP.
  • BSS Basic Service Set
  • the AP Since the AP is the subject of link establishment, failure of the scanning procedure and the authentication / combination procedure by the STA can be prevented. This can prevent the phenomenon of excessively occupying the radio resources by the STA can increase the efficiency of the radio resources, the throughput of the overall WLAN system can be increased.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a general wireless local area network (WLAN) system to which an embodiment of the present invention can be applied.
  • WLAN wireless local area network
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an existing network model.
  • 3 is a diagram illustrating a model of a network supporting M2M.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a link establishment method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a frame format of an advertisement message according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a frame format of an invitation message according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an authentication and combining method that may be applied to an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 shows an example of a WLAN environment to which an embodiment of the present invention can be applied.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of using a channel in a WLAN environment to which an embodiment of the present invention can be applied.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating another example of a WLAN environment to which an embodiment of the present invention can be applied.
  • FIG. 11 is a block diagram illustrating a wireless device to which an embodiment of the present invention can be applied.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a general wireless local area network (WLAN) system to which an embodiment of the present invention can be applied.
  • WLAN wireless local area network
  • a WLAN system includes one or more basic service sets (BSSs).
  • the BSS is a set of stations (STAs) that can successfully communicate with each other by synchronizing, and is not a concept indicating a specific area.
  • Infrastructure BSS may include one or more non-AP stations (non-AP STA1 (21), non-AP STA2 (22), non-AP STA3 (23), non-AP STA4 (24), non-AP).
  • STAa 30 an access point (AP) 10 for providing a distribution service, and a distribution system (DS) for connecting a plurality of APs.
  • the AP manages non-AP STAs of the BSS.
  • IBSS Independent BSS
  • AP an AP
  • IBSS Independent BSS
  • non-AP STAs are managed in a distributed manner.
  • all STAs may be mobile STAs, and access to the DS is not allowed to form a self-contained network.
  • a STA is any functional medium that includes a medium access control (MAC) compliant with the IEEE of the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11 standard and a physical layer interface to a wireless medium. It includes both AP and Non-AP Stations.
  • MAC medium access control
  • IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
  • a non-AP STA is an STA, not an AP, and a non-AP STA is a mobile terminal, a wireless device, a wireless transmit / receive unit (WTRU), a user equipment (UE), It may also be called a mobile station (MS), mobile subscriber unit, or simply another name such as user.
  • WTRU wireless transmit / receive unit
  • UE user equipment
  • MS mobile station
  • STA mobile subscriber unit
  • An AP is a functional entity that provides access to a DS via a wireless medium for an associated STA to that AP.
  • communication between STAs is performed via an AP.
  • the AP may also be called a central controller, a base station (BS), a node-B, a base transceiver system (BTS), a site controller, or a management STA.
  • BS base station
  • BTS base transceiver system
  • site controller or a management STA.
  • a plurality of infrastructure BSSs including the BSS shown in FIG. 1 may be interconnected through a distribution system (DS).
  • DS distribution system
  • a plurality of BSSs connected through a DS is called an extended service set (ESS).
  • the AP and / or STA included in the ESS may communicate with each other, and in the same ESS, the STA may move from one BSS to another BSS while communicating seamlessly.
  • a basic access mechanism of MAC is a carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA / CA) mechanism.
  • the CSMA / CA mechanism is also called the Distributed Coordination Function (DCF) of the IEEE 802.11 MAC, and basically employs a “listen before talk” access mechanism.
  • DCF Distributed Coordination Function
  • the AP and / or STA senses a radio channel or medium prior to initiating transmission. As a result of sensing, if it is determined that the medium is in an idle state, frame transmission is started through the medium. On the other hand, if the medium is detected as occupied status (occupied status), the AP and / or STA does not start the transmission of its own, but waits by setting a delay period for access to the medium.
  • the CSMA / CA mechanism also includes virtual carrier sensing in addition to physical carrier sensing in which the AP and / or STA directly sense the medium.
  • Virtual carrier sensing is intended to compensate for problems that may occur in media access, such as a hidden node problem.
  • the MAC of the WLAN system uses a network allocation vector (NAV).
  • the NAV is a value that indicates to the other AP and / or STA how long the AP and / or STA currently using or authorized to use the medium remain until the medium becomes available. Therefore, the value set to NAV corresponds to a period during which the use of the medium is scheduled by the AP and / or STA transmitting the frame.
  • the existence of the network may not be immediately known when the STA is powered on and starts operation due to the characteristics of the wireless medium. Therefore, any type of STA must perform a network discovery process in order to access the network.
  • the STA that discovers the network through the network discovery process selects a network to join through the network selection process. Thereafter, it joins the selected network and performs a data exchange operation performed at the transmitting end / receiving end.
  • the network discovery process in a WLAN system is implemented by a scanning procedure.
  • the scanning procedure is divided into passive scanning and active scanning. Passive scanning is performed based on a beacon frame that the AP broadcasts periodically.
  • the AP of a WLAN broadcasts a beacon frame at a specific interval (for example, 100 msec).
  • the beacon frame contains information about the BSS it manages.
  • the STA passively waits for reception of a beacon frame on a particular channel.
  • the STA acquiring information about the network through reception of a beacon frame ends the scanning procedure on a specific channel.
  • Manual scanning is advantageous because the STA does not need to transmit a separate frame, but only receives a beacon frame, thereby reducing the overall overhead.
  • the scanning execution time increases in proportion to the transmission period of the beacon frame.
  • an STA In active scanning, an STA actively broadcasts a probe request frame on a specific channel and requests network information from all APs receiving the probe request frame.
  • the AP receiving the probe request frame transmits the network information to the corresponding STA by including the network information in the probe response frame after waiting for a random time to prevent frame collision.
  • the STA terminates the scanning procedure by receiving the probe response frame to obtain network information.
  • Active scanning has the advantage of being able to finish scanning in a relatively fast time. On the other hand, the overall network overhead is increased because a frame sequence according to the request-response is required.
  • the STA After completing the scanning procedure, the STA selects a network according to its specific criteria and performs an authentication procedure with the AP.
  • the authentication process consists of a two-way handshake. After completing the authentication procedure, the STA proceeds with association with the AP.
  • the joining procedure consists of a two-way handshake.
  • the STA transmits an association request frame to the AP.
  • the association request frame includes capability information of the STA.
  • the AP determines whether to allow association with the corresponding STA.
  • the AP transmits an association response frame to the corresponding STA.
  • the association response frame includes information indicating whether to allow the association and information indicating the reason when the association is allowed / failed.
  • the association response frame further includes information on capabilities that the AP can support. If the association is successfully completed, normal frame exchange is performed between the AP and the STA. If the association fails, the association procedure is attempted again based on the information on the failure reason included in the association response frame, or the STA may request the association from another AP.
  • IEEE 802.11n In order to overcome the limitation of communication speed, which has been pointed out as a weak point in WLAN, IEEE 802.11n is a relatively recent technical standard. IEEE 802.11n aims to increase the speed and reliability of networks and to extend the operating range of wireless networks. More specifically, IEEE 802.11n supports High Throughput (HT) with data throughput of up to 540 Mbps and also uses multiple antennas at both the transmitter and receiver to minimize transmission errors and optimize data rates. It is based on Multiple Inputs and Multiple Outputs (MIMO) technology.
  • HT High Throughput
  • MIMO Multiple Inputs and Multiple Outputs
  • Next-generation wireless LAN system that supports Very High Throughput (VHT) is the next version of IEEE 802.11n wireless LAN system, recently to support data processing speed of 1Gbps or more in MAC Service Access Point (SAP) It is one of the newly proposed IEEE 802.11 WLAN system.
  • VHT Very High Throughput
  • the next generation WLAN system supports MU-MIMO (Multi User Multiple Input Multiple Output) transmission in which a plurality of STAs simultaneously access a channel in order to use a wireless channel efficiently.
  • MU-MIMO Multi User Multiple Input Multiple Output
  • the AP may simultaneously transmit packets to one or more STAs that are paired with MIMO.
  • TV WS refers to the idle frequency band left by the digitization of analog TV in the United States, for example, the 54 to 698 MHz band. However, this is merely an example, and the TV WS may be referred to as a licensed band that can be preferentially used by a licensed user.
  • An authorized user refers to a user who is authorized to use an authorized band, and may also be called other names such as a licensed device, a primary user, an incumbent user, and the like.
  • APs and / or STAs operating in the TV WS must provide protection for the authorized user, since the authorized user takes precedence in the use of the TV WS band. For example, if an authorized user, such as a microphone, is already using a specific WS channel, a frequency band that is protocolally divided to have a specific bandwidth in the TV WS band, the AP and / or Alternatively, the STA cannot use a frequency band corresponding to the corresponding WS channel. In addition, the AP and / or STA should stop using the frequency band when the authorized user uses the frequency band currently used for frame transmission and / or reception.
  • the AP and / or STA should be preceded by a procedure for determining whether a specific frequency band in the TV WS band is available, that is, whether there is an authorized user in the frequency band. Knowing whether there is an authorized user in a specific frequency band is called spectrum sensing. As the spectrum sensing mechanism, energy detection, signal detection, and the like are used. If the strength of the received signal is greater than or equal to a predetermined value, it may be determined that the authorized user is in use, or if the DTV preamble is detected, it may be determined that the authorized user is in use.
  • M2M Machine to Machine
  • Sensors that detect temperature, humidity, and the like, and home appliances such as cameras and TVs, process machines in factories, and large machines such as automobiles, may be one element of the M2M system.
  • Elements constituting the M2M system may transmit and receive data based on WLAN communication. If the devices constituting the M2M system supports the WLAN and the network is configured, this is referred to as M2M WLAN system hereinafter.
  • the characteristics of the WLAN system supporting M2M are as follows.
  • M2M assumes that a large number of STAs exist in the BSS. This is because it considers not only the devices owned by the individual but also the sensors installed in a house, a company, and the like. Therefore, a considerable number of STAs may be connected to one AP.
  • M2M has a structure that reports the result data to uplink after receiving a command and taking an action mainly on downlink. Since the main data is generally transmitted in the uplink, the uplink is the center in a system supporting the M2M.
  • the M2M terminal is mainly operated by a battery, it is often difficult for the user to charge frequently. Therefore, a power management method for minimizing battery consumption is required.
  • M2M is expected to be applied to smart grid, e-Health, factory automation, etc.
  • Smart Grid is a next-generation power grid that improves power efficiency by fusing existing grid and IT network.
  • e-health is a medical management system that attaches sensors to the human body and monitors health status in real time.
  • Factory automation is to build an unmanned automation system by installing communication modules in the equipment in the factory.
  • the AP may not selectively determine the STA to manage. This causes a problem that the AP does not manage the STA in certain situations.
  • M2M since the AP must manage all operations of the STA, network discovery / selection needs to be performed by the AP subject.
  • the STA In a WLAN system supporting M2M, it is necessary to reduce the function of the existing STA and to expand the management function of the AP directly accessing the network.
  • the STA In the M2M WLAN system, the STA generally corresponds to a low cost machine and thus may not be operated by the user. Therefore, since the operation of the STA may be limited, the communication protocol performed by the STA needs to be reduced.
  • the network model can be thought of as being divided into a network domain and an information domain.
  • Network domains represent the physical elements and their relationships that make up the actual network.
  • the network structure varies but is expressed in the most common server / client structure.
  • a client or STA
  • requests information from a server and the server transmits corresponding information DATA to the STA.
  • the communication flow as described above is a reason why the existing communication technologies have been developed based on downlink.
  • the information domain represents the relationship with the subjects who actually send and receive information in terms of information. That is, it is the client (or STA) in the network domain that has received the information, but the user using the STA in the information domain.
  • a server can be viewed as a machine that collects information mechanically in the information domain.
  • 3 is a diagram illustrating a model of a network supporting M2M.
  • the STA plays a role of providing information and the server requests information.
  • the M2M server generally transmits a measurement indication message based on a specific condition to the STA, and the STA measures according to the indication and reports a result to the M2M server.
  • a server that requests information corresponds to a user
  • an STA that provides information corresponds to a machine.
  • the server side approaches the network and the flow of communication is reversed.
  • the STA in the existing system is a user terminal directly used / managed by the user. Accordingly, the right of selection of the STA is guaranteed, and the user's selection is reflected according to the situation. In particular, when the STA first operates, it is entirely up to the STA to discover a neighbor network and to select a network to which the STA connects according to the result.
  • the STA since the STA is a terminal that collects and provides information, the STA needs to be controlled by a predetermined AP / network.
  • the current network discovery / selection protocol by the STA may cause the following problems in the M2M support network.
  • Network discovery / selection is usually very battery consuming. This is because the STA which has not yet found a network repeats the discovery procedure until it discovers a specific network in all channels. In particular, when the wireless channel situation is temporarily degraded and signal detection fails, or when the AP does not exist in a specific channel, the time required for discovery may increase rapidly. In addition, if an inappropriate AP is selected, the above process is repeated. Existing communication procedures as above cause additional battery consumption.
  • M2M STAs must minimize power consumption in order to have a long life while operating on a battery. Therefore, such additional battery consumption is one of the problems to be solved in M2M capable networks.
  • the M2M support network assumes a situation in which very many STAs are included. Therefore, the importance of radio resource management aspects is emphasized in the characteristics of the wireless communication system.
  • the management frame is an overhead factor in terms of network, and may cause a waste of radio resources because of a low transmission speed and a generally long length.
  • the following proposes a link establishment method through a network discovery / selection process in the M2M environment that the AP is the subject.
  • the AP and / or STA refers to an AP and / or STA as a component of a WLAN system supporting M2M.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a link establishment method according to an embodiment of the present invention.
  • the STA broadcasts an advertising message including information about itself (S410).
  • the advertising message is broadcast periodically by the STA.
  • the STA waits for an invitation message sent from the AP for a specific time after sending the advertisement message. If the invitation message is not received within a certain time, the STA may enter and operate a doze state to reduce power.
  • the STA operating in the sleep state may switch to the awake state again to broadcast the advertisement message when it is time to transmit the advertisement message.
  • STAs supporting M2M operate by switching to a sleep state during a time period in which a wireless signal is not transmitted / received for power saving. Similarly, during the time interval for transmitting / receiving the radio signal, the system switches to the awake state and operates. This is called the power save mode operation of the STA. Since the radio signal can be transmitted / received only while the STA is in the awake state, the AP should be able to know information about the power save mode operation of the STA. Accordingly, the advertisement message periodically broadcast by the STA includes information on the sleep interval and listening duration of the STA.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a frame format of an advertisement message according to an embodiment of the present invention.
  • the advertisement message 500 includes an address field 510, an STA type field 520, a sleep interval field 530, a listening duration field 540, and a service category field 550. Include.
  • the address field 510 includes address information of the STA that transmits the advertisement message 500, for example, MCA address information.
  • the STA type field 520 indicates a device type of the STA. Since there are STAs of various device types in the M2M network, information for identifying each device type of each STA is needed. For example, assume that the refrigerator and the TV are STAs of different device types in a home network. Although the device type of the communication module built in the refrigerator is different from the device type of the TV, since the device type indication information included in the STA type field 520 indicates different device types, the two STAs can be distinguished from each other. The AP may obtain information about the device type of the STA to be associated with it and manage / control accordingly.
  • the sleep interval field 530 and the listening duration field 540 configure power save mode operation information of the corresponding STA.
  • the sleep interval field 530 includes information related to a period in which the corresponding STA operates by switching to the sleep state and / or the awake state. That is, the sleep interval field 530 may indicate a period in which the non-AP STA switches to an awake mode and transmits an advertisement message.
  • the specific AP may not receive the advertisement message, interpret it, and transmit the invitation message to the STA that has sent the advertisement message or may not receive a response therefrom. In this case, the AP may not acquire the invitation message unnecessarily, and may wait until the STA switches to the awake state and transmits the advertisement message based on the sleep interval field 530 to obtain the advertisement message again.
  • the listening duration field 540 includes duration information for maintaining the awake state when the STA switches to the awake state. If the STA operates in the awake state and does not receive the invitation message from the AP during the duration indicated by the listening duration field 540 from the AP, the STA may operate by switching to the sleep state. The AP determines whether the STA is in an awake state based on the listening duration field 540, and transmits an invitation message when the STA is in the awake state. If not, the STA waits until the next awake state.
  • the service category field 550 includes information on detailed requirements for supporting the service of the STA of the corresponding device type. It includes information on the type of application, location information, delay constraints, minimum rate, traffic interval, and security requirement supported by the STA.
  • the AP may transmit a signal for a specific request indicated by the service category field 550 of the advertisement message transmitted by the STA.
  • the AP receives an advertisement message broadcast by the STA, and the AP scans the STA based on the above information included in the advertisement message (S420). Scanning performed by the AP may include selecting a STA that needs to associate with itself. The selection of the STA to combine may vary depending on the information required by the AP.
  • the AP When the AP determines the STA to be associated with itself through the scanning procedure, the AP transmits an invitation message to the STA to join the network (S430).
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a frame format of an invitation message according to an embodiment of the present invention.
  • the invitation message 600 includes an address field 610, a basic service set identifier (BSS) field 620, a capability field 630, and a power constraint field ( 640 and a supported rate field 650.
  • BSS basic service set identifier
  • the address field 610 may indicate address information of the AP which transmitted the invitation message 600, for example, a medium access control address (MAC).
  • the BSSID field 620 may include identification information of the BSS based on the AP.
  • the capability field 630 may include capability related information of a WLAN system supported by the AP.
  • the power limit field 640 may include power limit information applied to an STA in the BSS based on the AP.
  • the support rate field includes information indicating a data rate supported in the BSS based on the AP.
  • the STA upon receiving an invitation message from the AP, the STA performs an authentication / combination process with the AP and, upon success, subscribes to the BSS based on the AP (S440).
  • Authentication / combination of the AP and the STA may be applied to an existing method.
  • the STA may perform an authentication procedure by transmitting an authentication request message to the AP and receiving an authentication response message from the AP.
  • the messages for the authentication procedure may include key related information of the AP and / or the STA.
  • the STA may perform an association procedure by transmitting an association request message and receiving an association response message from the AP in response thereto.
  • Table 1 below shows the format of the frame for the association request message
  • Table 2 below shows the frame format for the association response message.
  • the existing authentication / combination process is performed by the STA as a subject.
  • the STA requests authentication / association, and the AP provides a response thereto.
  • the link establishment method may be more preferably performed by the AP subject.
  • the two-way handshake method may be wasteful.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an authentication and combining method that may be applied to an embodiment of the present invention.
  • the STA receives an invitation message sent by the AP (S430) and transmits an authentication response message to the AP (S441).
  • the conventional two-way handshake type authentication request / response process is omitted, and the authentication procedure is completed by the STA transmitting the combined response message to the AP in response to the invitation message (S441).
  • the AP Upon receiving the authentication response message, the AP transmits an association request message to the STA (S442), and the STA transmits an association response message to the AP in response (S443).
  • the authentication / combining method as shown in FIG. 7 When the authentication / combining method as shown in FIG. 7 is applied, information on parameters and keys required for the authentication algorithm may be added to the invitation message.
  • the authentication response message may simply be sufficient as an acknowledgment.
  • the information required for joining is added to the join request message.
  • the invitation message since the invitation message may include most of the association-related information shown in Table 1 and / or Table 2 and may be transmitted, the invitation message may additionally include information such as QoS (Quality of Service) capability and mobility information. May be included.
  • QoS Quality of Service
  • the link establishment method based on the embodiment of FIGS. 4 to 7 may have the following effects in link establishment.
  • the STA may briefly inform its own information periodically without scanning the AP / network and may operate in a sleep state periodically for a specific time interval. Since it is not necessary to perform the received signal analysis and channel switching to discover the network, power consumption by the STA can be reduced.
  • the AP may select an STA to associate with itself based on the information of the device type field and the service category field of the advertisement message transmitted by the STA, unnecessary association request by the STA may be prevented. .
  • the AP may actively control the number of combined STAs by applying a unique admission control technique.
  • Efficient Radio Resource Management When an AP does not exist in a specific channel, all STAs may perform an unnecessary channel scanning operation on the corresponding channel. In particular, transmitting a probe request frame by a large number of STAs for active scanning may cause a waste of radio waste. In particular, unnecessary collision between STAs may occur. Additionally, power consumption can be high when there are many channels. On the other hand, according to the present embodiment, since the STA needs to transmit an advertisement message including its information only in the channel to be used, channel management can be efficiently performed.
  • FIG 8 shows an example of a WLAN environment to which an embodiment of the present invention can be applied.
  • the STA 820 is concurrently present within the coverage of the first BSS by the first AP 811 and the second BSS by the second AP 812.
  • the STA 820 may be coupled to the first AP 811 or the second AP 812.
  • the STA 820 When the STA 820 is installed, a problem may occur and may be combined with the second AP 812 instead of the first AP 811. Alternatively, the AP may be changed due to a problem in the network, but the STA 820 may not be aware of the change and may maintain association with the existing second AP 812.
  • data or control frame to be transmitted to the STA 820 by the first AP 811 may occur. This is because a user or a network manager may transmit related information while transmitting a measurement / operation command to the STA 820.
  • the STA 820 is not associated with the AP at the time when the first AP 811 transmits a command to the STA 820, transmission is impossible.
  • the first AP 811 and the second AP 812 can exchange information, the problem may be solved by handing the STA 820 from the second AP 812 to the first AP 811. have. However, in a WLAN system supporting M2M, since different networks are likely to be formed according to supported applications, information between APs may not be exchanged.
  • problems that may occur in the WLAN environment as shown in FIG. 8 may be prevented when a network discovery / selection method mainly based on an AP is applied.
  • the STA may be instructed to join the appropriate AP by instructing the authentication / combination.
  • the STA Since the STA does not know whether the AP is appropriate even though it is associated with the AP, the STA periodically broadcasts an advertisement message.
  • the AP receives the advertisement message transmitted from the STA, checks whether the STA is an STA to be combined with, and transmits an invitation message if the STA is to be combined with the STA. At this time, the AP may transmit the invitation message while the STA operates in an awake state, based on the power save mode related information of the STA included in the advertisement message. Receiving the invitation message, the STA recognizes that it is currently joining the inappropriate AP, and attempts to join the appropriate AP according to the invitation message.
  • an STA may frequently encounter a problem of not discovering an AP.
  • the network discovery function must be performed on all channels available to the STA and / or AP.
  • the number of available channels and performing network discovery operations on each channel can be a waste of power for the STA.
  • the network discovery function may be reduced and it may be difficult for the STA to normally discover the AP. In such an environment, it may be efficient to allow an AP having a relatively superior function and a low power consumption to perform a discovery function for all channels to discover an STA and then initiate an authentication / combining process.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of using a channel in a WLAN environment to which an embodiment of the present invention can be applied.
  • the STA selects at least one of its available channels and repeatedly transmits an advertisement message in the corresponding channel.
  • STA1 transmits an advertisement message on CH1 and / or CH2, STA2 on CH3 and / or CH4, and STA3 on at least one channel of CH1 to CH3.
  • the AP repeatedly performs a discovery function while changing a channel, and attempts to receive an advertisement message. If an advertising message is received on a particular channel, the channel is temporarily stopped and the message is interpreted. If the STA that has sent the message is determined to be an STA to associate with, the AP transmits an invitation message to the corresponding STA to initiate the authentication / combination process. When the authentication / combining process with the corresponding STA is completed, the channel is changed again to repeat the STA discovery operation. On the other hand, if the STA is not the STA to be combined with the STA performs the STA discovery operation for the other channel.
  • the link establishment method according to the embodiment of the present invention may be applied.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating another example of a WLAN environment to which an embodiment of the present invention can be applied.
  • a WLAN environment it is assumed that STAs are scattered, an AP has mobility, and collects information of STAs.
  • the AP Since the AP has mobility, it is not always present in the radio signal transmission / reception coverage of the STA. Therefore, it is inefficient for the STA to perform the network discovery / selection process independently in terms of radio resource and power management. In addition, since it is sufficient for the AP to associate with the required terminal according to the step of collecting information, it may be more efficient for the AP to select the STA.
  • the STA periodically sends an advertisement message.
  • An AP having mobility receives and interprets an advertisement message transmitted from several STAs while moving.
  • the AP determines the order of the STAs to form the association based on the advertisement message.
  • the combining order may be determined based on the location information or the reception power of the STA. In this example, it is assumed that the joining order is determined in the order of the first STA 1021, the second STA 1022, and the third STA 1023.
  • the AP 1010 transmits an invitation message to an STA in an association order to initiate an authentication / combination procedure, and transmit and receive data after the association.
  • the termination of the association with the STA where the data exchange is completed may be performed, and the association order may be updated by receiving an advertisement message transmitted from other STAs.
  • the AP 1010 first associates with the first STA 1021. When the data exchange with the first STA 1021 is completed, the association is terminated and the second STA 1022 is coupled. The AP 1010 terminates the association when the data exchange with the second STA 1022 is completed and associates with the third STA 1023. Thereafter, the AP exchanges data with the third STA 1020 and terminates the association when the data exchange is completed. Thereafter, the advertisement message transmitted from the STAs may be received, the STA combining order may be determined again, and the above process may be repeated.
  • the wireless device may be an AP or a STA.
  • the wireless device 1100 includes a processor 1110, a memory 1120, and a transceiver 1130.
  • the transceiver 1130 transmits / receives a radio signal, but the physical layer of IEEE 802.11 is implemented.
  • the processor 1110 is functionally connected to the transceiver 1130 to implement the MAC layer and the physical layer of IEEE 802.11.
  • the processor 1110 may be configured to implement the embodiments of the present invention described above with reference to FIGS. 2 to 10.
  • the processor 1110 and / or transceiver 1130 may include an application-specific integrated circuit (ASIC), other chipset, logic circuit, and / or data processing device.
  • the memory 1120 may include read-only memory (ROM), random access memory (RAM), flash memory, memory card, storage medium, and / or other storage device.
  • ROM read-only memory
  • RAM random access memory
  • flash memory memory card
  • storage medium storage medium
  • / or other storage device When the embodiment is implemented in software, the above-described technique may be implemented as a module (process, function, etc.) for performing the above-described function.
  • the module may be stored in the memory 1120 and executed by the processor 1110.
  • the memory 1120 may be inside or outside the processor 1110 and may be connected to the processor 1110 by various well-known means.

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Abstract

무선 통신 시스템에서 관리 스테이션(management station)에 의한 통신 방법이 제공된다. 상기 방법은 적어도 하나의 스테이션(Station; STA)으로부터 각 STA에 관한 정보를 포함하는 적어도 하나의 광고 메시지(advertising message)를 수신하는 단계; 상기 적어도 하나의 STA 중 특정 STA 에게 초대 메시지(invitation message)를 전송하는 단계; 상기 특정 STA과 링크를 설립(establish)하는 단계; 및 상기 특정 STA과 프레임을 교환하는 단계;를 포함한다. 상기 링크를 설립하는 단계는 상기 특정 STA과 상기 프레임을 교환하기 위해 결합(association)하는 단계를 포함한다.

Description

무선랜 시스템에서 통신 방법
본 발명은 무선 통신에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선랜(Wireless Local Area Network; WLAN) 시스템에서 스테이션(Station; STA)간 링크 설립에 의한 통신 방법에 관한 것이다.
최근 정보통신 기술의 발전과 더불어 다양한 무선 통신 기술이 개발되고 있다. 이 중에서 무선랜(WLAN)은 무선 주파수 기술을 바탕으로 개인 휴대용 정보 단말기(Personal Digital Assistant, PDA), 랩탑 컴퓨터, 휴대용 멀티미디어 플레이어(Portable Multimedia Player, PMP)등과 같은 휴대용 단말기를 이용하여 가정이나 기업 또는 특정 서비스 제공지역에서 무선으로 인터넷에 접속할 수 있도록 하는 기술이다.
무선랜에서 취약점으로 지적되어온 통신 속도에 대한 한계를 극복하기 위하여 비교적 최근에 제정된 기술 규격으로써 IEEE 802.11n이 있다. IEEE 802.11n은 네트워크의 속도와 신뢰성을 증가시키고, 무선 네트워크의 운영 거리를 확장하는데 목적을 두고 있다. 보다 구체적으로, IEEE 802.11n에서는 데이터 처리 속도가 최대 540Mbps 이상인 고처리율(High Throughput, HT)을 지원하며, 또한 전송 에러를 최소화하고 데이터 속도를 최적화하기 위해 송신부와 수신부 양단 모두에 다중 안테나를 사용하는 MIMO(Multiple Inputs and Multiple Outputs) 기술에 기반을 두고 있다.
STA은 WLAN의 보급이 활성화되고 또한 이를 이용한 어플리케이션이 다양화됨에 따라, 최근에는 IEEE 802.11n이 지원하는 데이터 처리 속도보다 더 높은 처리율을 지원하기 위한 새로운 WLAN 시스템에 대한 필요성이 대두되고 있다. 초고처리율(Very High Throughput, VHT)를 지원하는 차세대 무선랜 시스템은 IEEE 802.11n 무선랜 시스템의 다음 버전으로서, MAC 서비스 접속 포인트(Service Access Point, SAP)에서 1Gbps 이상의 데이터 처리 속도를 지원하기 위하여 최근에 새롭게 제안되고 있는 IEEE 802.11 무선랜 시스템 중의 하나이다.
차세대 무선랜 시스템은 무선채널을 효율적으로 이용하기 위하여 복수의 비 AP STA들이 동시에 채널에 접근하는 MU-MIMO(Multi User Multiple Input Multiple Output) 방식의 전송을 지원한다. MU-MIMO 전송 방식에 따르면, AP가 MIMO 페어링된 하나 이상의 비 AP STA에게 동시에 프레임을 전송할 수 있다.
한편 WLAN의 보급의 활성화에 따라 하나의 AP가 매우 많은 수의 비 AP STA에게 서비스를 제공하는 환경이 나타나고 있다. 더불어 WLAN을 지원하는 모바일 장치들이 증가함에 따라 증가된 mobility를 지원할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
다수의 STA들이 하나의 무선랜 시스템에 존재하는 환경의 일례로 M2M(Machine to Machine) 네트워크가 있을 수 있다. M2M은 사람이 STA을 통해 AP에 접근하여 서비스를 제공받는 경우가 많은 기존의 무선랜 시스템과 달리, 무선랜 통신을 지원하는 기계(machine)이 주체가 되어 정보를 주고 받는 네트워크를 의미한다.
기존 무선랜 시스템에서 사용자에 의해 사용되는 STA은 AP를 경유하여 정보를 요청하고 AP로 부터 정보를 획득하는 것이 일반적인 통신의 흐름이다. 일반적인 무선랜 시스템에서 스캐닝(scanning), 인증(authentication) 및 결합(association)과 같은 링크 설립(establishment)을 위한 절차는 STA의 요청을 통해 능동적으로 진행된다. 이는 사용자가 STA을 통해 정보를 요청하고 AP로부터 요청된 정보를 획득하는 통신 흐름에 적합하다.
반면, M2M을 지원하는 무선랜 시스템에서는 사용자가 AP를 통하여 AP와 결합되어 있는 복수의 STA들에게 정보를 요청하고, 각 STA들로부터 정보를 획득하는 것이 일반적인 통신 흐림이 될 수 있다. 이와 같은 환경에서 AP는 무선 신호를 주고 받을 STA과 선택적으로 결합하는 것이 위와 같은 통신 흐름에 부합된다. 다만, STA에 의해 링크 설립을 위한 절차가 개시되면 AP가 선택적으로 STA과 결합하는 데에는 부적합할 수도 있다. 따라서, M2M 무선랜 시스템에 적합한 링크 설립 방법이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, M2M(machine to machine)을 지원하는 무선랜 시스템에서 링크 설립(link establishment)에 의한 스테이션(Station; STA)간 통신 방법을 제공하는 것이다.
일 양태에 있어서, 무선 통신 시스템에서 관리 스테이션(management station)에 의한 통신 방법이 제공된다. 상기 방법은 적어도 하나의 스테이션(Station; STA)으로부터 각 STA에 관한 정보를 포함하는 적어도 하나의 광고 메시지(advertising message)를 수신하는 단계; 상기 적어도 하나의 STA 중 특정 STA 에게 초대 메시지(invitation message)를 전송하는 단계; 상기 특정 STA과 링크를 설립(establish)하는 단계; 및 상기 특정 STA과 프레임을 교환하는 단계;를 포함한다. 상기 링크를 설립하는 단계는 상기 특정 STA과 상기 프레임을 교환하기 위해 결합(association)하는 단계를 포함한다.
상기 결합 하는 단계는, 상기 특정 STA에게 결합을 요청하는 결합 요청 메시지(association request message)를 전송하고 및 상기 특정 STA으로부터 상기 결합 요청 메시지에 대한 응답으로 결합 응답 메시지(association message)를 수신하는 것을 포함할 수 있다.
상기 결합 응답 메시지는 상기 결합이 성공적으로 완료되었는지 여부를 지시하는 정보를 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 적어도 하나의 광고 메시지를 기반으로 상기 적어도 하나의 STA 중 결합 대상 STA을 결정하는 단계를 더 포함하되, 상기 결합 대상 STA은 상기 특정 STA일 수 있다.
상기 적어도 하나의 광고 메시지 각각은 해당 STA의 식별 주소(identifying address)를 지시하는 주소 필드,상기 해당 STA의 장치 타입(device type)을 지시하는 STA 타입 필드 및 상기 해당 STA이 지원 가능한 서비스 목록을 지시하는 서비스 카테고리(service category) 필드를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 광고 메시지 각각은 상기 해당 STA의 취침 상태(doze state) 전환 주기를 지시하는 취침 인터벌(sleep interval) 필드 및 상기 해당 STA의 어웨이크 상태(awake state) 지속 시간을 지시하는 리스닝 지속시간(listening duration) 필드를 더 포함할 수 있다.
상기 광고 메시지 각각은 상응하는 상기 취침 인터벌 필드가 지시하는 주기마다 반복적으로 전송될 수 있다.
상기 초대 메시지는 상기 관리 STA의 식별 주소를 지시하는 주소 필드, 상기 관리 STA을 기반으로 하는 BSS(Basic Service Set)의 식별 정보를 지시하는 BSSID 필드, 상기 BSS의 지원 능력치(capability)를 지시하는 능력치 필드, 상기 BSS에서의 파워 제한 정보를 포함하는 파워 제한 필드 및 상기 BSS가 지원하는 데이터 레이트(data rate)를 지시하는 레이트 필드를 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 특정 STA과의 인증(authentication) 단계를 더 포함하되, 상기 인증 단계는 상기 초대 메시지 전송 후, 상기 특정 STA으로부터 상기 초대 메시지에 대한 응답으로 인증 응답 메시지(authentication response message)를 수신하는 것을 포함할 수 있다.
다른 양태에 있어서, 무선 신호를 송신 및 수신하는 트랜시버(transceiver) 및 상기 트랜시버와 기능적으로 결합하여 동작하는 프로세서(processor);를 포함한다. 상기 프로세서는 적어도 하나의 스테이션(Station; STA)으로부터 각 STA에 관한 정보를 포함하는 적어도 하나의 광고 메시지(advertising message)를 수신하고, 상기 적어도 하나의 STA 중 특정 STA 에게 초대 메시지(invitation message)를 전송하고, 상기 특정 STA과 링크를 설립(establish)하는 하고, 상기 특정 STA과 프레임을 교환하는 것을 수행하도록 설정된다. 상기 링크를 설립하는 것은 상기 특정 STA과 상기 프레임을 교환하기 위해 결합(association)하는 것을 포함한다.
상기 특정 STA과 결합하는 것은 상기 특정 STA에게 결합을 요청하는 결합 요청 메시지(association request message)를 전송하고 및 상기 특정 STA으로부터 상기 결합 요청 메시지에 대한 응답으로 결합 응답 메시지(association message)를 수신하는 것을 포함할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 적어도 하나의 광고 메시지를 기반으로 상기 적어도 하나의 STA 중 결합 대상 STA을 결정하는 것을 더 수행하도록 설정될 수 있따.
상기 결합 대상 STA은 상기 특정 STA일 수 있다.
M2M을 지원하는 무선랜 시스템에서 액세스 포인트(Access Point; AP)를 주체로 하는 링크 설립 방법을 기반으로 한 통신 방법이 제안된다. AP는 자신과 결합할 STA이 전송하는 광고 메시지(advertising message)를 기반으로 STA을 선택하여 결합을 요청한다. 기존의 링크 설립 방법과 달리 STA은 광고 메시지 전송 및 초대 메시지(invitation message) 수신을 위해서 어웨이크 상태(awake state)를 유지하며 이 외의 구간에서는 취침 상태(doze state)로 전환할 수 있다. 이를 통해 STA의 파워 관리 효율성이 증가될 수 있다.
AP는 자신과 결합이 필요한 STA을 광고 메시지에 포함된 STA 관련 정보를 기반으로 선택할 수 있다. 따라서, STA에 의한 불필요한 결합 요청(association request)이 제한되어 AP에 의한 BSS(Basic Service Set) 관리의 효율성이 증가될 수 있다.
AP가 링크 설립의 주체가 되므로, STA에 의한 스캐닝 절차 및 인증/결합 절차의 실패를 방지할 수 있다. 이는 STA에 의해 과도하게 무선 자원이 점유되는 현상을 방지할 수 있어 무선 자원의 효율성이 증가되고, 전반적인 무선랜 시스템의 처리율이 증가될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예가 적용될 수 있는 일반적인 무선랜(Wireless Local Area Network; WLAN) 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 기존 네트워크 모델을 나타내는 도면이다.
도 3은 M2M을 지원하는 네트워크의 모델을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 링크 설립 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광고 메시지의 프레임 포맷을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초대 메시지의 프레임 포맷을 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 인증 및 결합 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예가 적용될 수 있는 무선랜 환경의 일례를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예가 적용될 수 있는 무선랜 환경의 채널 사용 예시를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예가 적용될 수 있는 무선랜 환경의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예가 적용될 수 있는 무선 장치를 나타내는 블록도이다.
도 1은 본 발명의 실시예가 적용될 수 있는 일반적인 무선랜(Wireless Local Area Network; WLAN) 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, WLAN 시스템은 하나 또는 그 이상의 기본 서비스 세트(Basic Service Set, BSS)를 포함한다. BSS는 성공적으로 동기화를 이루어서 서로 통신할 수 있는 스테이션(Station, STA)의 집합으로써, 특정 영역을 가리키는 개념은 아니다
인프라스트럭쳐(infrastructure) BSS는 하나 또는 그 이상의 비AP 스테이션(non-AP STA1(21), non-AP STA2(22), non-AP STA3(23), non-AP STA4(24), non-AP STAa(30)), 분산 서비스(Distribution Service)를 제공하는 AP(Access Point, 10) 및 다수의 AP를 연결시키는 분산 시스템(Distribution System, DS)을 포함한다. 인프라스트럭쳐 BSS에서는 AP가 BSS의 비AP STA들을 관리한다.
반면, 독립 BSS(Independent BSS, IBSS)는 애드-혹(Ad-Hoc) 모드로 동작하는 BSS이다. IBSS는 AP을 포함하지 않기 때문에 중앙에서 관리기능을 수행하는 개체(Centralized Management Entity)가 없다. 즉, IBSS에서는 비AP STA들이 분산된 방식(distributed manner)으로 관리된다. IBSS에서는 모든 STA이 이동 STA으로 이루어질 수 있으며, DS에로의 접속이 허용되지 않아서 자기 완비적 네트워크(self-contained network)를 이룬다.
STA은 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11 표준의 규정을 따르는 매체 접속 제어(Medium Access Control, MAC)와 무선 매체에 대한 물리층(Physical Layer) 인터페이스를 포함하는 임의의 기능 매체로서, 광의로는 AP와 비AP 스테이션(Non-AP Station)을 모두 포함한다.
비AP STA는 AP가 아닌 STA로, 비 AP STA은 이동 단말(mobile terminal), 무선 기기(wireless device), 무선 송수신 유닛(Wireless Transmit/Receive Unit; WTRU), 사용자 장비(User Equipment; UE), 이동국(Mobile Station; MS), 이동 가입자 유닛(Mobile Subscriber Unit) 또는 단순히 user 등의 다른 명칭으로도 불릴 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 비 AP STA을 STA으로 지칭하도록 한다.
AP는 해당 AP에게 결합된(Associated) STA을 위하여 무선 매체를 경유하여 DS에 대한 접속을 제공하는 기능 개체이다. AP를 포함하는 인프라스트럭쳐 BSS에서 STA들 사이의 통신은 AP를 경유하여 이루어지는 것이 원칙이나, 다이렉트 링크가 설정된 경우에는 STA들 사이에서도 직접 통신이 가능하다. AP는 집중 제어기(central controller), 기지국(Base Station, BS), 노드-B, BTS(Base Transceiver System), 사이트 제어기 또는 관리 STA 등으로 불릴 수도 있다.
도 1에 도시된 BSS를 포함하는 복수의 인프라스트럭쳐 BSS는 분산 시스템(Distribution System; DS)을 통해 상호 연결될 수 있다. DS를 통하여 연결된 복수의 BSS를 확장 서비스 세트(Extended Service Set; ESS)라 한다. ESS에 포함되는 AP 및/또는 STA들은 서로 통신할 수 있으며, 동일한 ESS에서 STA은 끊김 없이 통신하면서 하나의 BSS에서 다른 BSS로 이동할 수 있다.
IEEE 802.11에 따른 무선랜 시스템에서, MAC(Medium Access Control)의 기본 접속 메커니즘은 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 메커니즘이다. CSMA/CA 메커니즘은 IEEE 802.11 MAC의 분배 조정 기능(Distributed Coordination Function, DCF)이라고도 불리는데, 기본적으로 “listen before talk” 접속 메커니즘을 채용하고 있다. 이러한 유형의 접속 메커니즘 따르면, AP 및/또는 STA은 전송을 시작하기에 앞서 무선 채널 또는 매체(medium)를 센싱(sensing)한다. 센싱 결과, 만일 매체가 휴지 상태(idle status)인 것으로 판단 되면, 해당 매체를 통하여 프레임 전송을 시작한다. 반면, 매체가 점유 상태(occupied status)인 것으로 감지되면, 해당 AP 및/또는 STA은 자기 자신의 전송을 시작하지 않고 매체 접근을 위한 지연 기간을 설정하여 기다린다.
CSMA/CA 메커니즘은 AP 및/또는 STA이 매체를 직접 센싱하는 물리적 캐리어 센싱(physical carrier sensing) 외에 가상 캐리어 센싱(virtual carrier sensing)도 포함한다. 가상 캐리어 센싱은 히든 노드 문제(hidden node problem) 등과 같이 매체 접근상 발생할 수 있는 문제를 보완하기 위한 것이다. 가상 캐리어 센싱을 위하여, 무선랜 시스템의 MAC 은 네트워크 할당 벡터(Network Allocation Vector, NAV)를 이용한다. NAV는 현재 매체를 사용하고 있거나 또는 사용할 권한이 있는 AP 및/또는 STA이, 매체가 이용 가능한 상태로 되기까지 남아 있는 시간을 다른 AP 및/또는 STA에게 지시하는 값이다. 따라서 NAV로 설정된 값은 해당 프레임을 전송하는 AP및/또는 STA에 의하여 매체의 사용이 예정되어 있는 기간에 해당된다.
무선 통신 시스템에서는 무선 매체의 특성 상 STA의 전원이 켜지고 동작을 시작할 때 네트워크의 존재를 바로 알 수 없다. 따라서, 어떠한 타입의 STA이든 네트워크에 접속을 하기 위해서는 네트워크 발견(network discovery) 과정을 수행하여야 한다. 네트워크 발견 과정을 통하여 네트워크를 발견한 STA은 네트워크 선택 과정을 통하여 가입할 네트워크를 선택한다. 그 후, 선택한 네트워크에 가입하여 전송단/수신단에서 이루어지는 데이터 교환 동작을 수행한다.
무선랜 시스템에서 네트워크 발견 과정은 스캐닝 절차(scanning procedure)로 구현된다. 스캐닝 절차는 수동 스캐닝(passive scanning) 및 능동 스캐닝(active scanning)으로 나뉘어진다. 수동 스캐닝은 AP가 주기적으로 브로드캐스트(broadcast)하는 비콘 프레임(beacon frame)을 기반으로 이루어 진다. 일반적으로 무선랜의 AP는 비콘 프레임을 특정 인터벌(interval)(예를 들어 100msec)마다 브로드캐스트한다. 비콘 프레임은 자신이 관리하는 BSS에 관한 정보를 포함한다. STA은 수동적으로 특정 채널에서 비콘 프레임의 수신을 위해 대기한다. 비콘 프레임의 수신을 통하여 네트워크에 대한 정보를 획득한 STA은 특정 채널에서의 스캐닝 절차를 종료한다. 수동 스캐닝은 STA이 별도의 프레임을 전송할 필요 없이 비콘 프레임을 수신하기만 하면 이루어지므로 전체적인 오버헤드가 적다는 장점이 있다. 하지만 비콘 프레임의 전송 주기에 비례하여 스캐닝 수행 시간이 늘어난다는 단점이 있다.
능동 스캐닝은 STA이 능동적으로 특정 채널에서 프로브 요청 프레임(probe request frame)을 브로드캐스트 하여 이를 수신한 모든 AP로부터 네트워크 정보를 요구하는 것이다. 프로브 요청 프레임을 수신한 AP는 프레임 충돌을 방지하기 위해 랜덤 시간 동안 대기 후 프로브 응답 프레임에 네트워크 정보를 포함시켜 해당 STA에게 전송한다. STA은 프로브 응답 프레임을 수신하여 네트워크 정보를 획득함을 통하여 스캐닝 절차를 종료한다. 능동 스캐닝은 상대적으로 빠른 시간 내에 스캐닝을 마칠 수 있다는 장점을 가진다. 반면, 요청 － 응답에 따른 프레임 시퀀스가 필요하므로 전체적인 네트워크 오버헤드는 증가하게 된다.
스캐닝 절차를 마친 STA은 자신에 대한 특정 기준에 따라 네트워크를 선택한 후 AP와 인증(authentication) 절차를 수행한다. 인증 절차는 2방향 핸드쉐이크(2-way handshake)로 이루어 진다. 인증 절차를 마친 STA은 AP와 결합(association) 절차를 진행한다.
결합 절차는 2방향 핸드쉐이크로 이루어 진다. 먼저 STA이 AP에게 결합 요청 프레임(association request frame)을 전송한다. 결합 요청 프레임에는 STA의 능력치(capabilities) 정보가 포함된다. 이를 기반으로 AP는 해당 STA에 대한 결합 허용 여부를 결정한다. 결합 허용 여부를 결정한 AP는 해당 STA에게 결합 응답 프레임(association response frame)을 전송한다. 결합 응답 프레임은 결합 허용 여부를 지시하는 정보 및 결합 허용/실패 시 이유를 지시하는 정보를 포함한다. 결합 응답 프레임은 AP가 지원 가능한 능력치에 대한 정보를 더 포함한다. 결합이 성공적으로 완료된 경우 AP 및 STA간 정상적인 프레임 교환이 이루어진다. 결합이 실패한 경우 결합 응답 프레임에 포함된 실패 이유에 대한 정보를 기반으로 결합 절차가 다시 시도되거나 또는 STA은 다른 AP에게 결합을 요청할 수 있다.
무선랜에서 취약점으로 지적되어온 통신 속도에 대한 한계를 극복하기 위하여 비교적 최근에 제정된 기술 규격으로써 IEEE 802.11n이 있다. IEEE 802.11n은 네트워크의 속도와 신뢰성을 증가시키고, 무선 네트워크의 운영 거리를 확장하는데 목적을 두고 있다. 보다 구체적으로, IEEE 802.11n에서는 데이터 처리 속도가 최대 540Mbps 이상인 고처리율(High Throughput, HT)을 지원하며, 또한 전송 에러를 최소화하고 데이터 속도를 최적화하기 위해 송신부와 수신부 양단 모두에 다중 안테나를 사용하는 MIMO(Multiple Inputs and Multiple Outputs) 기술에 기반을 두고 있다.
STA은 WLAN의 보급이 활성화되고 또한 이를 이용한 어플리케이션이 다양화됨에 따라, 최근에는 IEEE 802.11n이 지원하는 데이터 처리 속도보다 더 높은 처리율을 지원하기 위한 새로운 WLAN 시스템에 대한 필요성이 대두되고 있다. 초고처리율(Very High Throughput, VHT)를 지원하는 차세대 무선랜 시스템은 IEEE 802.11n 무선랜 시스템의 다음 버전으로서, MAC 서비스 접속 포인트(Service Access Point, SAP)에서 1Gbps 이상의 데이터 처리 속도를 지원하기 위하여 최근에 새롭게 제안되고 있는 IEEE 802.11 무선랜 시스템 중의 하나이다.
차세대 무선랜 시스템은 무선채널을 효율적으로 이용하기 위하여 복수의 STA들이 동시에 채널에 접근하는 MU-MIMO(Multi User Multiple Input Multiple Output) 방식의 전송을 지원한다. MU-MIMO 전송 방식에 따르면, AP가 MIMO 페어링된 하나 이상의 STA에게 동시에 패킷을 전송할 수 있다.
TV WS는 미국의 아날로그 TV의 디지털화로 인해 남게 된 휴지 상태의 주파수 대역을 말하며, 예를 들어, 54~698MHz 대역을 말한다. 하지만, 이는 예시에 불과하고, TV WS는 허가된 유저(licensed user)가 우선적으로 사용할 수 있는 허가된 대역이라 할 수 있다. 허가된 유저는 허가된 대역의 사용을 허가 받은 유저를 의미하며, 허가된 장치(licensed device), 제1 유저(primary user), 주사용자(incumbent user) 등의 다른 명칭으로도 불릴 수 있다.
TV WS에서 동작하는 AP 및/또는 STA은 허가된 유저에 대한 보호(protection) 기능을 제공하여야 하는데, TV WS 대역의 사용에 있어서 허가된 유저가 우선하기 때문이다. 예를 들어 TV WS 대역에서 특정 대역폭을 가지도록 규약상 분할되어 있는 주파수 대역인 특정 WS 채널을 마이크로폰(microphone)과 같은 허가된 유저가 이미 사용하고 있는 경우, 허가된 유저를 보호하기 위하여 AP 및/또는 STA은 해당 WS 채널에 해당하는 주파수 대역은 사용할 수 없다. 또한, AP 및/또는 STA은 현재 프레임 전송 및/또는 수신을 위해 사용하고 있는 주파수 대역을 허가된 유저가 사용하게 되면 해당 주파수 대역의 사용을 중지해야 한다.
따라서 AP 및/또는STA은 TV WS 대역 내 특정 주파수 대역의 사용이 가능한지, 다시 말해서 상기 주파수 대역에 허가된 유저가 있는지 여부를 파악하는 절차가 선행되어야 한다. 특정 주파수 대역에 허가된 유저가 있는지 여부를 파악하는 것을 스펙트럼 센싱(spectrum sensing)이라 한다. 스펙트럼 센싱 메커니즘으로 에너지 탐지(energy detection) 방식, 신호 탐지(signature detection) 방식 등이 활용된다. 수신 신호의 강도가 일정 값 이상이면 허가된 유저가 사용중인 것으로 판단하거나, DTV 프리앰블(preamble)이 검출되면 허가된 유저가 사용중인 것으로 판단할 수 있다.
한편, 최근 스마트 그리드(smart grid), e-Health, 유비쿼터스와 같은 다양한 통신 서비스들이 등장하면서 이를 지원하기 위한 M2M(Machine to Machine) 기술이 각광받고 있다. 온도 습도 등을 감지하는 센서와, 카메라, TV 등의 가전 제품, 공장의 공정 기계, 자동차 같은 대형 기계들까지 M2M 시스템을 구성하는 하나의 요소가 될 수 있다. M2M 시스템을 구성하는 요소들은 WLAN 통신을 기반으로 하여 데이터를 송수신할 수 있다. M2M 시스템을 구성하는 장치들이 WLAN을 지원하며 네트워크를 구성한 경우 이를 이하에서 M2M 무선랜 시스템이라 한다.
M2M을 지원하는 무선랜 시스템의 특성은 아래와 같다.
1) 많은 STA의 수 : M2M은 기존의 네트워크와 달리 많은 수의 STA이 BSS 내에 존재함을 가정한다. 개인이 소유한 장치뿐만 아니라 집, 회사 등에 설치된 센서 등을 모두 고려하기 때문이다. 따라서 하나의 AP에 상당히 많은 수의 STA이 접속될 수 있다.
2) 각 STA당 낮은 트래픽 부하(traffic load): M2M 단말은 주변의 정보를 수집하여 보고하는 트래픽 패턴을 가지기 때문에 자주 보낼 필요가 없고 그 정보의 양도 적은 편이다.
3) 상향 링크(uplink) 중심의 통신: M2M은 주로 하향 링크(downlink)로 명령을 수신하여 행동을 취한 후 결과 데이터를 상향링크로 보고하는 구조를 가진다. 주요 데이터는 일반적으로 상향링크로 전송되므로 M2M을 지원하는 시스템에서는 상향 링크가 중심이 된다.
4) STA의 파워 관리: M2M 단말은 주로 배터리로 동작하며 사용자가 자주 충전하기 어려운 경우가 많다. 따라서 배터리 소모를 최소화하기 위한 파워 관리 방법이 요구된다.
5) 자동 복구 기능: M2M 시스템을 구성하는 장치는 특정 상황에서 사람이 직접 조작하기 힘들기 때문에 스스로 복구하는 기능이 필요하다.
M2M은 스마트 그리드(smart grid), e-헬스(e-Health), 공장 자동화(factory automation)등에 응용될 것으로 기대되고 있다. 스마트 그리드는 기존의 전력망과 IT 망을 융합하여 전력효율을 개선한 차세대 전력망이다. e-헬스는 인체에 센서들을 부착하여 실시간으로 건강 상태를 주시하는 의료 관리 시스템이다. 공장 자동화는 공장 내의 기기에 통신 모듈을 설치하여 무인 자동화 시스템을 구축하는 것이다.
한편 M2M 무선랜 시스템에 기존 무선랜 시스템의 링크 설립 방법에 따른 스캐닝 절차, 인증 절차 및 결합 절차를 그대로 적용하면, AP가 자신이 관리할 STA을 선택적으로 결정하지 못할 수 있다. 이는 특정 상황에서 AP가 STA을 관리하지 못하게 되는 문제점을 야기한다. M2M에서는 AP가 STA의 모든 동작을 관리해야 하므로 네트워크 발견/선택이 AP 주체로 수행될 필요가 있다.
M2M을 지원하는 무선랜 시스템에서는 기존 STA이 가지는 기능을 축소하고 네트워크와 직접 액세스 하는 AP의 관리 기능을 확대할 필요가 있다. M2M 무선랜 시스템에서 STA은 일반적으로 저가의 장비(low cost machine)에 해당하므로 사용자에 의해 동작하지 않을 수 있다. 따라서, STA의 동작은 제한적일 수 있으므로, STA에 의해 수행되는 통신 프로토콜은 축소될 필요가 있다.
도 2는 기존 네트워크 모델을 나타내는 도면이다. 네트워크 모델은 네트워크 도메인(network domain)과 정보 도메인(information domain)으로 나뉘어 생각될 수 있다.
네트워크 도메인은 실제 네트워크를 구성하는 물리적인 요소들과 그들의 관계를 나타낸다. 네트워크 구조(network structure)는 다양하지만 가장 일반적인 서버(server)/클라이언트(client) 구조로 표현하였다. 많은 경우 클라이언트(또는 STA)이 서버에 정보를 요구하고, 서버는 해당하는 정보(DATA)를 STA에게 전송한다. 상기와 같은 통신 흐름은 기존 통신 기술들이 하향링크 중심으로 발전해온 이유이다.
정보 도메인은 정보의 관점에서 실제로 정보를 주고 받는 주체와 그들의 관계를 나타낸다. 즉, 정보를 받은 것은 네트워크 도메인에서는 클라이언트(또는 STA)이지만, 정보 도메인에서는 STA을 사용한 유저가 된다. 마찬가지로 서버는 정보 도메인에서 기계적으로 정보를 수집한 기계(machine)로 볼 수 있다.
그러나 위와 같은 네트워크 구조는 M2M에서 변경된다.
도 3은 M2M을 지원하는 네트워크의 모델을 나타내는 도면이다.
도 2의 예시와 달리, 네트워크 도메인에서, STA이 정보를 제공하는 역할을 수행하고 서버는 정보를 요구하게 된다. M2M 서버는 STA에게 특정 조건을 기반으로 한 측정 지시 메시지를 전송하고, STA은 지시에 따라 측정하여 결과를 M2M 서버에게 보고하는 모델이 일반적이다. 정보 도메인에서는, 정보를 요구하는 서버가 유저에 해당하고, 정보를 제공하는 STA이 기계에 해당된다. 즉, 기존의 네트워크 모델과 달리 서버 측에서 네트워크에 접근하게 되며 통신의 흐름이 반대 방향이 됨을 알 수 있다.
위와 같은 관점에서, M2M을 지원하는 네트워크에서는 네트워크 관리와 관련된 기술이 다시 고려될 필요성이 발생한다. 이전의 네트워크 모델에서는 유저가 STA 측에 있으므로 네트워크 관리 기능이 STA에게도 주어져 있었다. 반면, M2M을 지원하는 네트워크에서, STA은 지시/명령에 따라 정보만 제공하면 충분하므로, 서버 측의 네트워크 관리 기증이 이전보다 강화될 필요가 발생한다.
기존 시스템에서의 STA은 유저가 직접 사용/관리하는 사용자 단말이다. 따라서, STA이 가지는 선택권이 보장되었으며, 상황에 따라 유저의 선택이 반영되어 동작하였다. 특히 STA이 처음 동작할 때 주변 네트워크를 발견하고, 그 결과에 따라서 STA이 접속할 네트워크를 선택하는 동작은 전적으로 STA에게 달려있었다.
반면, M2M 지원 네트워크에서, STA은 정보를 수집하여 제공하는 단말이므로 미리 지정된 AP/네트워크에 의해 제어될 필요가 있다. 그러나, 현재의 STA에 의한 네트워크 발견/선택 프로토콜은 M2M 지원 네트워크에서 이하와 같은 문제를 야기할 수 있다.
1) 전력 소모 문제: 일반적으로 네트워크 발견/선택은 배터리 소모가 많은 편이다. 아직 네트워크를 찾지 못한 STA은 모든 채널에서 특정 네트워크를 발견할 때까지 발견 절차를 반복하기 때문이다. 특히 무선 채널 상황이 잠시 저하되어 신호 감지에 실패하거나, 특정 채널에서 AP가 존재하지 않을 경우에는 발견에 필요한 시간이 급격히 증가될 수 있다. 또한, 적절하지 못한 AP를 선택한 경우 위의 과정을 반복하게 된다. 위와 같은 기존 통신 절차들은 추가적인 배터리 소모를 야기한다.
M2M STA들은 배터리로 동작을 하면서 긴 수명을 가지기 위해 전력 소모를 최소화 해야 한다. 따라서, 이러한 추가적인 배터리 소모는 M2M 지원 네트워크에서 해결되어야 할 문제 중 하나에 속한다.
2) 무선 자원 관리 문제: M2M 지원 네트워크는 매우 많은 STA들이 포함되어 있는 상황을 가정한다. 따라서 무선 통신 시스템 특성 상 무선 자원 관리 측면의 중요성이 강조된다. 다수의 STA들이 각각 네트워크 발견/선택 기능을 수행하기 위해서 능동 스캐닝 방법을 사용할 경우 수 많은 관리 프레임이 교환된다. 관리 프레임은 네트워크 관점에서 오버헤드(overhead)를 야기하는 요소이며, 전송 속도는 낮으면서 대체적으로 길이는 길기 때문에 무선 자원의 낭비를 초래할 수 있다.
3) 네트워크 관리 문제: AP가 아닌 STA이 네트워크 발견/선택 과정을 수행할 경우, 결합되어 있지 않은 특정 STA에게 보낼 데이터 혹은 제어 명령을 전송하지 못하는 경우가 발생할 수 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해 이하에서 AP가 수행 주체인 M2M 환경에서 네트워크 발견/선택 과정을 통한 링크 설립 방법을 제안한다. 이하에서 AP 및/또는 STA은 M2M을 지원하는 무선랜 시스템의 구성 요소로서의 AP 및/또는 STA을 지칭한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 링크 설립 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, STA은 자신에 대한 정보를 포함하는 광고 메시지(advertising message)를 브로드캐스트한다(S410). 광고 메시지는 STA에 의해 주기적으로 브로드캐스트된다. STA은 광고 메시지를 전송한 후 특정 시간 동안 AP로부터 전송되는 초대 메시지(invitation message)를 기다린다. 특정 시간 내에 초대 메시지를 수신하지 못하면, STA은 전력 감소를 위해 취침 상태(doze state)로 진입하여 동작할 수 있다. 취침 상태로 동작중인 STA은 광고 메시지를 전송할 시점이 되면 다시 어웨이크 상태(awake state)로 전환하여 광고 메시지를 브로드캐스트할 수 있다.
일반적으로 M2M을 지원하는 STA들은 파워 세이브를 위해서, 무선 신호를 송신/수신 하지 않는 시간 구간 동안에는 취침 상태로 전환하여 동작한다. 마찬가지로 무선 신호를 송신/수신하는 시간 구간 동안에는 어웨이크 상태로 전환하여 동작한다. 이를 STA의 파워 세이브 모드(power save mode) 운영이라 한다. STA이 어웨이크 상태로 존재하는구간 동안에만 무선 신호의 송신/수신이 가능하므로, AP는 해당 STA의 파워 세이브 모드 운영에 대한 정보를 알 수 있어야 한다. 따라서, STA이 주기적으로 브로드캐스트 하는 광고 메시지는 STA의 취침 인터벌(sleep interval) 및 리스닝 지속시간(listening duration) 정보를 포함한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광고 메시지의 프레임 포맷을 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 광고 메시지(500)는 주소(address) 필드(510), STA 타입 필드(520), 취침 인터벌 필드(530), 리스닝 지속시간 필드(540) 및 서비스 카테고리 필드(550)를 포함한다.
주소 필드(510)는 광고 메시지(500)를 전송하는 STA의 주소 정보, 예를 들어 MCA 주소 정보를 포함한다.
STA 타입 필드(520)는 STA의 장치 타입(device type)을 지시한다. M2M 네트워크에는 다양한 장치 타입의 STA들이 존재하므로, STA 각각의 장치 타입을 구별하기 위한 정보가 필요하다. 일례로, 홈 네트워크(home network)에서 냉장고와 TV가 서로 다른 장치 타입의 STA들이라 가정한다. 냉장고에 내장된 통신 모듈의 장치 타입과 TV의 장치 타입이 다르지만, STA 타입 필드(520)에 포함된 장치 타입 지시 정보가 서로 다른 장치 타입을 지시하므로 두 STA은 구별이 가능하다. AP는 자신과 결합할 STA의 장치 타입에 대한 정보를 획득하고 이에 따라 관리/제어할 수 있다.
취침 인터벌 필드(530) 및 리스닝 지속 시간 필드(540)는 해당 STA의 파워 세이브 모드 운영 정보를 구성한다. 취침 인터벌 필드(530)는 해당 STA이 취침 상태로 전환 및/또는 어웨이크 상태로 전환하여 동작하는 주기와 관련된 정보를 포함한다. 즉, 취침 인터벌 필드(530)는 비 AP STA이 어웨이크 모드로 전환하여 광고 메시지를 전송하는 주기를 지시할 수 있다. 특정 AP가 광고 메시지를 수신하고 이를 해석하여 광고 메시지를 전송한 STA에게 초대 메시지를 전송하지 못하였거나 그로부터 응답을 받지 못할 수 있다. 이 경우, AP는 불필요하게 초대 메시지를 전송하지 않고, 취침 인터벌 필드(530)를 기반으로 STA이 다시 어웨이크 상태로 전환하여 광고 메시지를 전송하는 시점까지 대기하여 광고 메시지를 다시 획득할 수 있다.
리스닝 지속 시간 필드(540)는 STA이 어웨이크 상태로 전환시 어웨이크 상태를 유지하는 지속 시간 정보를 포함한다. STA은 어웨이크 상태로 동작하고 AP로부터 리스닝 지속 시간 필드(540)가 지시하는 지속 시간동안 AP로부터 초대 메시지를 수신하지 못하면 취침 상태로 전환하여 동작할 수 있다. AP는 리스닝 지속 시간 필드(540)를 기반으로 STA이 어웨이크 상태인지 여부를 결정하고, 어웨이크 상태로 존재하면 초대 메시지를 전송한다. 그렇지 않은 경우 STA이 다음 어웨이크 상태로 전환하는 시점까지 대기한다.
서비스 카테고리 필드(550)는 STA 타입 필드(520)를 기반으로 STA의 장치 타입이 결정된 경우, 해당 장치 타입의 STA의 서비스를 지원하기 위한 세부적인 요구(requirement)에 대한 정보를 포함한다. STA이 지원하는 어플리케이션(application)의 종류, 위치 정보, 지연 제한(delay constraints), 최소 레이트(minimum rate), 트래픽 인터벌(traffic interval) 및 보안 요구(security requirement)에 관한 정보를 포함한다. AP는 STA이 전송한 광고 메시지의 서비스 카테고리 필드(550)가 지시하는 특정 요구에 대한 시그널을 전송할 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, AP는 STA이 브로드캐스트 하는 광고 메시지를 수신하고, 광고 메시지에 포함된 상기와 같은 정보를 기반으로 AP는 STA을 스캐닝한다(S420). AP가 수행하는 스캐닝은 자신과 결합할 필요가 있는 STA을 선택하는 것을 포함할 수 있다. 결합할 STA의 선택은 AP가 요구하는 정보에 따라 달라질 수 있다.
AP는 스캐닝 절차를 통하여 자신과 결합할 STA을 결정하면, 해당 STA으로 하여금 네트워크로 결합하도록 초대 메시지(invitation message)를 전송한다(S430).
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초대 메시지의 프레임 포맷을 나타내는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 초대 메시지(600)는 주소(address) 필드(610), BSS(Basic Service Set Identifier) 필드(620), 능력치(capability) 필드(630), 파워 제한(power constraint) 필드(640) 및 지원 레이트(supported rate) 필드(650)를 포함한다.
주소 필드(610)는 초대 메시지(600)를 전송한 AP의 주소 정보, 일례로 MAC 주소(medium access control address)를 지시할 수 있다. BSSID 필드(620)는 AP를 기반으로 한 BSS의 식별 정보를 포함할 수 있다. 능력치 필드(630)는 AP가 지원하는 무선랜 시스템의 능력치 관련 정보를 포함할 수 있다. 파워 제한 필드(640)는 AP를 기반으로 한 BSS 내의 STA에게 적용되는 파워 제한 정보를 포함할 수 있다. 지원 레이트 필드는 AP를 기반으로 한 BSS내에서 지원하는 데이터 레이트(data rate)를 지시하는 정보를 포함한다.
다시 도 4를 참조하면, STA은 AP로부터 초대 메시지를 수신하면 AP와 인증/결합 과정을 수행하고 성공시 AP를 기반으로 한 BSS에 가입한다(S440).
AP 및 STA의 인증/결합은 기존의 방법이 적용될 수 있다. STA은 AP에게 인증 요청 메시지(authentication request message)를 전송하고, AP로부터 인증 응답 메시지(authentication response message)를 수신함을 통해 인증 절차를 수행할 수 있다. 인증 절차를 위한 메시지들에는 AP 및/또는 STA의 키(key) 관련 정보가 포함될 수 있다. 인증 절차가 완료된 후 STA은 결합 요청 메시지(association request message)를 전송하고, 이에 대한 응답으로 AP로부터 결합 응답 메시지(association response message)를 수신함을 통해 결합 절차를 수행할 수 있다.
하기 표 1은 결합 요청 메시지에 대한 프레임의 포맷을 나타내고, 하기 표 2는 결합 응답 메시지에 대한 프레임 포맷을 나타내는 도면이다.
[표 1]
Figure PCTKR2011009509-appb-I000001
[표 2]
Figure PCTKR2011009509-appb-I000002
기존의 인증/결합 과정은 STA이 주체가 되어 수행된다. STA이 인증/결합을 요청하고, AP는 이에 대한 응답을 제공한다. 다만, 본 발명에서 링크 설립 방법은 AP 주체로 수행되는 것이 보다 바람직할 수 있다. 또한, AP를 기반으로 한 BSS의 기본적인 정보가 초대 메시지에 의하여 전송이 되었으므로 2방향 핸드쉐이크 방식은 낭비가 될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 인증 및 결합 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, STA은 AP가 전송한 초대 메시지를 수신하고(S430), 인증 응답 메시지를 AP에게 전송한다(S441). 기존의 2방향 핸드쉐이크 방식의 인증 요청/응답 과정이 생략되고, STA이 초대 메시지에 대한 응답으로 결합 응답 메시지를 AP에게 전송함으로 인증 절차가 완료된다(S441).
인증 응답 메시지를 수신한 AP는 STA에게 결합 요청 메시지를 전송하고(S442), STA은 이에 대한 응답으로 결합 응답 메시지를 AP에게 전송한다(S443).
도 7과 같은 인증/결합 방법이 적용될 경우, 초대 메시지에 인증 알고리즘(algorithm)에 필요한 파라미터들과 키(key)에 대한 정보들의 추가될 수 있다. 인증 응답 메시지는 단순히 수신 확인(acknowledge)의 역할로도 충분할 수 있다. 결합 요청 메시지에도 결합에 필요한 정보들이 추가된다. 추가적으로 초대 메시지에는 표 1 및/또는 표2에 도시된 결합 관련 대부분의 정보들이 포함되어 전송될 수 있으므로, QoS(Quality of Service) 능력치, 이동성 정보(mobility information) 등의 정보들의 추가적으로 결합 요청 메시지에 포함될 수 있다.
도 4 내지 도 7의 실시예를 기반으로 한 링크 설립 방법은 이하와 같은 링크 설립에서의 효과가 발생할 수 있다.
1) 전력 소모 감소: 기존과 달리 STA이 AP/네트워크를 스캐닝할 필요 없이 자신의 정보를 주기적으로 간략하게 알려주고 특정 시간 구간 동안 주기적으로 취침 상태로 동작할 수 있다. 네트워크를 발견하기 위하여 수신된 신호 분석 및 채널 스위칭을 할 필요가 없으므로 STA에 의한 전력 소모를 줄일 수 있다.
2) AP의 네트워크 관리 강화: AP가 STA이 전송한 광고 메시지의 장치 타입 필드 및 서비스 카테고리 필드의 정보를 기반으로 자신과 결합할 STA을 선택할 수 있으므로, 불필요한 STA에 의한 결합 요청이 방지될 수 있다. 또한, AP는 고유의 가입 제어(admission control) 기법을 적용하여 능동적으로 결합 STA의 수를 제어할 수 있다.
3) 효율적인 무선 자원 관리: AP가 특정 채널에서 존재하지 않을 경우 모든 STA들은 해당 채널에서 불필요한 채널 스캐닝 동작을 수행하는 경우가 발생할 수 있다. 특히 능동 스캐닝을 위하여 수 많은 STA들이 프로브 요청 프레임을 전송하는 것은 무선 낭비의 낭비를 야기할 수 있다. 특히 STA간 불필요한 충돌(collision)이 발생할 수 있다. 추가적으로 채널이 많은 경우 전력 소모량이 클 수 있다. 반면, 본 실시예에 따르면, STA은 자신이 사용할 채널에서만 자신의 정보를 포함하는 광고 메시지를 전송하면 되므로 채널 관리가 효율적으로 이루어질 수 있다.
한편 특정 STA이 지정된 AP가 아닌 다른 AP에 결합되어 있는 경우가 발생할 수 있다. 이는 도 8에 도시된 무선랜 환경의 예시를 참조한다.
도 8은 본 발명의 실시예가 적용될 수 있는 무선랜 환경의 일례를 나타낸다.
도 8을 참조하면, STA(820)은 제1 AP (811)에 의한 제1 BSS 및 제2 AP(812)에 의한 제2 BSS의 커버리지 내에 동시에 존재한다. 이 경우 STA(820)은 제1 AP(811) 또는 제2 AP(812)에게 결합할 가능성이 있다. 다만, STA(820)가 제1 AP(811)에게 결합하는 것이 적절한 결합이고 제2 AP(812)에게 결합하는 것은 부적절한 결합임을 가정한다.
STA(820)이 설치될 때에 문제가 발생하여 미리 지정된 제1 AP(811)가 아닌 제2 AP(812)와 결합할 수 있다. 또는 네트워크에서 문제가 발생하여 지정된 AP가 변경되었으나 아직 STA(820)이 변경 사실을 알지 못하고 기존 제2 AP(812)와 결합을 유지하고 있을 수 있다.
상기와 같은 상황에서 제1 AP(811)가 STA(820)에게 보낼 데이터나 제어 프레임이 발생할 수 있다. 사용자나 네트워크 관리자가 STA(820)에게 측정/동작 명령을 전달하면서 관련 정보를 전송할 수 있기 때문이다. 한편, 제1 AP(811)가 STA(820)에게 명령을 전달하는 시점에 STA(820)이 해당 AP와 결합되어 있지 않으면 전송이 불가능하다. 만약 제1 AP(811) 및 제2 AP(812)간 정보를 주고 받을 수 있다면, STA(820)을 제2 AP(812)에서 제1 AP(811)로 핸드오버 시킴으로써 상기 문제가 해결될 수 있다. 그러나 M2M을 지원하는 무선랜 시스템에서, 지원되는 어플리케이션에 따라 각기 다른 네트워크가 형성될 가능성이 높기 때문에, AP간 정보가 교환되지 못할 수 있다.
도 8과 같은 무선랜 환경에서 발생할 수 있는 문제점은 AP를 주체로 한 네트워크 발견/선택 방법이 적용될 경우 방지될 수 있다. 또한 상기와 같은 환경이 발생하더라도 STA에게 인증/결합을 지시하여 적절한 AP에 가입하도록 유도할 수 있다.
STA은 자신이 AP와 결합을 맺고 있더라도 해당 AP가 적절한지 알 수 없으므로 주기적으로 광고 메시지를 브로드캐스트한다. AP는 STA으로부터 전송된 광고 메시지를 수신하여 STA이 자신과 결합되어야 할 STA인지 확인하고, 자신과 결합되어야 할 STA이라면 초대 메시지를 전송한다. 이 때, AP는 광고 메시지에 포함된 STA의 파워 세이브 모드 관련 정보를 기반으로, STA이 어웨이크 상태로 동작하는 중에 초대 메시지를 전송할 수 있다. 초대 메시지를 수신한 STA은 자신이 현재 부적절한 AP와 결합 중임을 인지한 후, 초대 메시지에 따라 적합한 AP 와 결합을 시도한다.
한편, M2M을 지원하는 무선랜 시스템에서 STA은 AP를 발견하지 못하는 빈도가 잦아지는 문제가 발생할 수 있다. 네트워크 발견 기능은 STA 및/또는 AP가 사용 가능한 모든 채널에서 이루어져야 한다. 그러나 좁은 대역폭의 사용을 지원하는 M2M 환경에서, 사용 가능한 채널의 수가 많고 각 채널에서 네트워크 발견 동작을 수행하는 것은 STA에게 전력 효율상 낭비가 될 수 있다. STA의 동작 수명을 늘리기 위해 STA의 기능을 제한할 경우, 네트워크 발견 기능이 축소될 수 있고, STA이 AP를 정상적으로 발견하기 어려울 수 있다. 이와 같은 환경에서, 상대적으로 기능이 우월하고 전력 소모의 부담이 적은 AP가 모든 채널에 대한 발견 기능을 수행하여 STA을 발견한 후 인증/결합 과정을 개시하도록 하는 것이 효율적일 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예가 적용될 수 있는 무선랜 환경의 채널 사용 예시를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, STA은 자신이 사용 가능한 채널 중 적어도 하나를 선택하여 해당 채널에서 반복적으로 광고 메시지를 전송한다. STA1은 CH1 및/또는 CH2에서, STA2는 CH3 및/또는 CH4에서, 그리고 STA3은 CH1 내지 CH3 중 적어도 한 채널에서 광고 메시지를 전송한다.
AP는 채널을 변경하면서 반복적으로 발견 기능을 수행하여 광고 메시지 수신을 시도한다. 만약 광고 메시지가 특정 채널에서 수신되면 잠시 채널 변경을 중지하고 메시지를 해석한다. 메시지를 전송한 STA이 자신과 결합할 STA으로 결정되면, AP는 해당 STA에게 초대 메시지를 전송하여 인증/결합 과정을 개시한다. 해당 STA과 인증/결합 과정이 완료되면 다시 채널을 변경하여 STA 발견 동작을 반복한다. 한편, 해당 STA이 자신과 결합할 STA이 아닐 경우 다른 채널에 대하여 STA 발견 동작을 수행한다.
추가적으로, AP가 이동성을 가지는 경우에도 본 발명의 실시예에 따른 링크 설립 방법은 적용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예가 적용될 수 있는 무선랜 환경의 다른 일례를 나타내는 도면이다. 무선랜 환경에 있어, STA들이 산개되어 있고 AP가 이동성을 가지며 STA들의 정보를 수집하는 상황을 가정한다.
AP는 이동성을 가지므로 STA의 무선 신호 송수신 커버리지 내에 항상 존재하지 않는다. 따라서, STA이 주체적으로 네트워크 발견/선택 과정을 수행하는 것은 무선 자원 및 전력 관리 측면에서 비효율적이다. 또한 정보를 수집하는 단계에 따라 AP가 필요한 단말과 결합을 맺으면 충분하므로 AP 가 STA을 선택하는 것이 보다 효율적일 수 있다.
STA은 주기적으로 광고 메시지를 전송한다. 이동성을 가지는 AP는 이동하면서 여러 STA으로부터 전송되는 광고 메시지를 수신하고 이를 해석한다. AP는 광고 메시지를 기반으로 결합을 맺을 STA의 순서를 결정한다. 결합 순서는 STA의 위치 정보나 수신 파워 등을 기반으로 결정될 수 있다. 본 예시에서 결합 순서는 제1 STA(1021), 제2 STA(1022) 및 제3 STA(1023)의 순으로 결정되었음을 가정한다.
도 10을 참조하면, AP(1010)는 결합 순서에 따라 STA에게 초대 메시지를 전송하여 인증/결합 절차를 개시하고, 결합 후 데이터를 송수신 한다. 데이터 교환이 종료된 STA과는 결합을 해지하고, 다른 STA들로부터 전송되는 광고 메시지를 수신하여 결합 순서를 갱신할 수 있다.
AP(1010)는 가장 먼저 제1 STA(1021)과 결합한다. 제1 STA(1021)과 데이터 교환이 완료되면 결합을 해지하고 제2 STA(1022)과 결합한다. AP(1010)는 제2 STA(1022)와 데이터 교환이 완료되면 결합을 해지하고 제3 STA(1023)과 결합한다. 이 후 AP는 제3 STA(1020)과 데이터를 교환하고 데이터 교환이 완료되면 결합을 해지한다. 이 후 STA들로부터 전송되는 광고 메시지를 수신하고 다시 STA 결합 순서를 결정하고 위와 같은 과정을 반복할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예가 적용될 수 있는 무선 장치를 나타내는 블록도이다. 무선 장치는 AP 또는 STA일 수 있다.
도 11을 참조하면, 무선장치(1100)은 프로세서(1110), 메모리(1120) 및 트랜시버(transceiver, 1130)를 포함한다. 트랜시버(1130)는 무선신호를 송신/수신하되, IEEE 802.11의 물리계층이 구현된다. 프로세서(1110)는 트랜시버(1130)와 기능적으로 연결되어, IEEE 802.11의 MAC 계층 및 물리계층을 구현한다. 프로세서(1110)는 도 2 내지 도10을 참조하여 상술한 본 발명의 실시예를 구현하도록 설정될 수 있다.
프로세서(1110) 및/또는 트랜시버(1130)는 ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로 및/또는 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 메모리(1120)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(1120)에 저장되고, 프로세서(1110)에 의해 실행될 수 있다. 메모리(1120)는 프로세서(1110) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서(1110)와 연결될 수 있다.
이상에서 상세하게 설명한 본 발명의 실시예는 단지 본 발명의 기술 사상을 보여주기 위한 예시적인 것으로서, 상기 실시예에의 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호 범위는 후술하는 본 발명의 특허청구범위에 의하여 특정된다.

Claims (12)

  1. 무선 통신 시스템에서 관리 스테이션(management station)에 의한 통신 방법에 있어서,
    적어도 하나의 스테이션(Station; STA)으로부터 각 STA에 관한 정보를 포함하는 적어도 하나의 광고 메시지(advertising message)를 수신하는 단계;
    상기 적어도 하나의 STA 중 특정 STA 에게 초대 메시지(invitation message)를 전송하는 단계;
    상기 특정 STA과 링크를 설립(establish)하는 단계; 및,
    상기 특정 STA과 프레임을 교환하는 단계;를 포함하되,
    상기 링크를 설립하는 단계는,
    상기 특정 STA과 상기 프레임을 교환하기 위해 결합(association)하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 결합 하는 단계는,
    상기 특정 STA에게 결합을 요청하는 결합 요청 메시지(association request message)를 전송하고; 및,
    상기 특정 STA으로부터 상기 결합 요청 메시지에 대한 응답으로 결합 응답 메시지(association message)를 수신하는 것;을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 결합 응답 메시지는 상기 결합이 성공적으로 완료되었는지 여부를 지시하는 정보를 포함함을 특징으로 하는 통신 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 방법은,
    상기 적어도 하나의 광고 메시지를 기반으로 상기 적어도 하나의 STA 중 결합 대상 STA을 결정하는 단계;를 더 포함하되,
    상기 결합 대상 STA은 상기 특정 STA인 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광고 메시지 각각은,
    해당 STA의 식별 주소(identifying address)를 지시하는 주소 필드;
    상기 해당 STA의 장치 타입(device type)을 지시하는 STA 타입 필드; 및,
    상기 해당 STA이 지원 가능한 서비스 목록을 지시하는 서비스 카테고리(service category) 필드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광고 메시지 각각은,
    상기 해당 STA의 취침 상태(doze state) 전환 주기를 지시하는 취침 인터벌(sleep interval) 필드; 및
    상기 해당 STA의 어웨이크 상태(awake state) 지속 시간을 지시하는 리스닝 지속시간(listening duration) 필드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 광고 메시지 각각은 상응하는 상기 취침 인터벌 필드가 지시하는 주기마다 반복적으로 전송됨을 특징으로 하는 통신 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 초대 메시지는,
    상기 관리 STA의 식별 주소를 지시하는 주소 필드;
    상기 관리 STA을 기반으로 하는 BSS(Basic Service Set)의 식별 정보를 지시하는 BSSID 필드;
    상기 BSS의 지원 능력치(capability)를 지시하는 능력치 필드;
    상기 BSS에서의 파워 제한 정보를 포함하는 파워 제한 필드; 및,
    상기 BSS가 지원하는 데이터 레이트(data rate)를 지시하는 레이트 필드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 방법은 상기 특정 STA과의 인증(authentication) 단계;를 더 포함하되, 상기 인증 단계는,
    상기 초대 메시지 전송 후, 상기 특정 STA으로부터 상기 초대 메시지에 대한 응답으로 인증 응답 메시지(authentication response message)를 수신하는 것을 포함함을 특징으로 하는 통신 방법.
  10. 무선 신호를 송신 및 수신하는 트랜시버(transceiver) 및;
    상기 트랜시버와 기능적으로 결합하여 동작하는 프로세서(processor);를 포함하되, 상기 프로세서는,
    적어도 하나의 스테이션(Station; STA)으로부터 각 STA에 관한 정보를 포함하는 적어도 하나의 광고 메시지(advertising message)를 수신하고,
    상기 적어도 하나의 STA 중 특정 STA 에게 초대 메시지(invitation message)를 전송하고,
    상기 특정 STA과 링크를 설립(establish)하는 하고,
    상기 특정 STA과 프레임을 교환하는 것을 수행하도록 설정되는 것을 특징으로 하되,
    상기 링크를 설립하는 것은,
    상기 특정 STA과 상기 프레임을 교환하기 위해 결합(association)하는 것을 포함함을 특징으로 하는 무선 장치.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 특정 STA과 결합하는 것은,
    상기 특정 STA에게 결합을 요청하는 결합 요청 메시지(association request message)를 전송하고; 및,
    상기 특정 STA으로부터 상기 결합 요청 메시지에 대한 응답으로 결합 응답 메시지(association message)를 수신하는 것;을 포함함을 특징으로 하는 무선 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 적어도 하나의 광고 메시지를 기반으로 상기 적어도 하나의 STA 중 결합 대상 STA을 결정하는 것을 더 수행하도록 설정된 것을 특징으로 하되,
    상기 결합 대상 STA은 상기 특정 STA인 것을 특징으로 하는 무선 장치.
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