KR100592341B1

KR100592341B1 - Wireless communication method

Info

Publication number: KR100592341B1
Application number: KR1020040042244A
Authority: KR
Inventors: 박일권; 권의혁; 이성일; 임재성
Original assignee: 임재성
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2006-06-21
Also published as: KR20050117066A

Abstract

본 발명은 무선통신 방법에 관한 것으로서, 특히 매체접근제어를 기반으로 하여 서비스 지연을 최소화하고 효율성을 최대화하기 위한 무선 통신방법에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless communication method, and more particularly, to a wireless communication method for minimizing service delay and maximizing efficiency based on medium access control.

본 발명에 따른 무선통신 방법은 무선통신 네트워크에 있어서, 경쟁 접근 구간을 통해 디바이스에서 마스터로 데이터 통신을 위한 패킷이 전송되는 제 1단계; 상기 마스터에서 디바이스로 데이터 통신 연결을 위한 비콘이 전송되는 제 2단계; 경쟁 회피 구간을 통해 상기 디바이스와 마스터의 데이터 통신이 이루어지는 제 3단계가 포함되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a wireless communication method, comprising: a first step of transmitting a packet for data communication from a device to a master through a contention access section; Transmitting a beacon for a data communication connection from the master to a device; And a third step of performing data communication between the device and the master through a contention avoidance period.

무선 통신, MACWireless communication, MAC

Description

Wireless communication method {WIRELESS COMMUNICATION METHOD}

도 1은 무선 센서들이 일반적으로 뿌려진 형태의 망 구조도를 설명하는 도면.1 is a diagram illustrating a network structure in which wireless sensors are generally sprayed.

도 2는 TDMA 특성을 잘 보여주는 Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) 알고리즘을 시간의 순서대로 도시한 도면.FIG. 2 is a chronological diagram illustrating a Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) algorithm that shows TDMA characteristics well.

도 3은 CAP(Contention Access Period : 경쟁 접근 구간) 구간과 CFP(Contention Free Period : 경쟁 회피 구간) 구간을 설명하는 도면.FIG. 3 is a diagram illustrating a Contention Access Period (CAP) section and a Contention Free Period (CFP) section. FIG.

도 4는 본 발명을 통해 실시간성이 요구되는 처음 서비스에 지연(session service delay)이 종래의 것보다 월등히 줄어드는 MAC 구조를 설명하는 도면.FIG. 4 is a diagram illustrating a MAC structure in which a session service delay is significantly reduced than that of the conventional service in which initial service is required through the present invention. FIG.

도 5는 A~B 로 Reservation을 통해서 정보를 전달했을 때, IEEE 802.15.4와 본 발명을 비교한 도면.5 is a diagram comparing the present invention with IEEE 802.15.4 when information is delivered through Reservations from A to B. FIG.

도 6은 GTS구간에 peer-to-peer 통신 구간을 두고, 해당 통신 구간에 A와 B가 동시에 active 되면서 통신을 수행하도록 한 것을 설명하는 도면.FIG. 6 is a diagram illustrating a peer-to-peer communication section in a GTS section and performing communication while A and B are simultaneously active in a corresponding communication section. FIG.

도 7은 본 발명에서 우선권을 부여하는 방법을 설명하는 흐름도.7 is a flow chart illustrating a method for assigning priority in the present invention.

도 8은 본 발명에서 새로운 스케줄링 기법을 제안한 MAC 프레임 구조와 접목한 프레임 구조를 설명하는 도면.8 illustrates a frame structure combined with a MAC frame structure that proposes a new scheduling scheme in the present invention.

도 9는 근본적으로 데이터를 IEEE 802.15.4에서 Reservation했을 때, 얻어지 는 효과를 설명한 도면.Fig. 9 is a view for explaining an effect obtained when data is reserved in IEEE 802.15.4.

도 10은 각 노드에서 예약을 할 수 있는 권리를 줄 수 있는 한계를 어디로 나타낼 것인가를 나타낸 도면.10 is a diagram showing where to indicate a limit that can give a right to make a reservation at each node.

도 11은 노드들의 연결 상태를 설명하는 도면.11 is a diagram illustrating a connection state of nodes.

도 12는 동종 센서와 이종 센서를 설명하는 도면.12 is a diagram illustrating a homogeneous sensor and a heterogeneous sensor.

도 13은 본 발명의 시뮬레이션 환경을 설명하는 도면.13 illustrates a simulation environment of the present invention.

도 14는 표준의 IEEE 802.15.4의 방식과 본 발명의 방식을 GTS 디바이스를 늘려감에 따라서 서비스 Blocking Ratio를 비교한 그래프.14 is a graph comparing the service blocking ratio according to the increase of the GTS device in the scheme of the standard IEEE 802.15.4 and the scheme of the present invention.

도 15는 Session holding time을 60sec로 두고 GTS를 사용하는 노드 수가 4개와 6개로 고정된 환경에서 센서 노드 수가 늘어갈수록 GTS 서비스에 걸리는 지연에 미치는 영향을 시뮬레이션 한 결과.15 is a simulation result of the effect on the delay of the GTS service as the number of sensor nodes increases in an environment where the number of nodes using the GTS is fixed to 4 and 6 with a session holding time of 60 sec.

도 16은 도 15에 도시된 바를 분석해 보기 위한 Blocking Ratio 그래프.FIG. 16 is a Blocking Ratio Graph for analyzing the bar shown in FIG. 15. FIG.

도 17은 Reservation 방식을 사용했을 때와 사용하지 않을 때의 비교를 나타낸 도면.Fig. 17 is a diagram showing a comparison between using a reservation method and not using a reservation method.

도 18은 서비스 지연에서 데이터 발생률이 늘어남에 따라 본 발명이 이득이 있음을 설명하는 도면.18 illustrates that the present invention benefits as the data generation rate increases in service delay.

도 19와 도 20은 동종 센서망과 이종 센서망의 에너지 소모량을 설명하는 도면.19 and 20 are diagrams illustrating energy consumption of homogeneous sensor networks and heterogeneous sensor networks.

도 20과 도 21은 동종 센서망과 이종 센서망의 패킷 전송률을 설명하는 도면.20 and 21 are diagrams illustrating packet transmission rates of homogeneous sensor networks and heterogeneous sensor networks.

무선 센서망은 차세대 유비쿼터스 네트워크의 유력한 핵심 기반 기술로서, 수 많은 계산 및 통신 능력을 가진 센서 노드들이 정보를 수집, 가공 및 처리하여 사용자에게 전달하는 일련의 모든 과정을 포함한다. Wireless sensor networks are the core technology behind the next-generation ubiquitous network, which includes a whole series of processes that sensor nodes with numerous computational and communication capabilities collect, process, process and deliver to users.

근래에 무선 센서망이 부각되면서 무선 센서망만의 특성을 고려하기 위해서 많은 극복해야 할 문제점들이 대두되게 되었다.Recently, as the wireless sensor network has emerged, many problems have to be overcome to consider the characteristics of the wireless sensor network.

무선 센서망은 작게는 수십에서 수백, 수천 개의 작은 센서 노드들로 구성되어 있으면서 자율적으로 동작하고 거의 대부분의 경우에 한 번 구성이 된 후부터는 배터리로 동작하면서 재충전이나 재배치를 허용하지 않는다는 특성이 있다. Wireless sensor networks are small, consisting of dozens, hundreds, and thousands of small sensor nodes that operate autonomously and, in most cases, are once battery-configured and do not allow recharging or relocation.

최근에 마이크로 센서들의 발전과 파워 소모가 적은 무선 통신 기술의 발전으로 무선 센서망을 필요로 하는 다양한 응용분야에 센서 망의 구현을 쉽게 가능하게 하였다. 이러한 센서 노드들은 중요한 신호 처리 기술(signal processing), 계산 기술(computation), 확장성 있고 신뢰성 있는 네트워크를 구성, 유지하기 위한 자동 구성 기술(self-configuration)등을 필요로 한다. 특히 센서 노드들의 프로세싱 기술은 통신에 쓰이는 에너지를 줄이기 위해서 필수적인 요소이다. Recently, the development of micro sensors and the development of wireless communication technology with low power consumption have made it possible to easily implement sensor networks in various applications requiring wireless sensor networks. These sensor nodes require significant signal processing, computational, and self-configuration to build and maintain a scalable and reliable network. In particular, the processing technology of sensor nodes is essential to reduce the energy used for communication.

한편, 무선 센서망을 효과적으로 실현하기 위해서는 센서 노드들의 수명을 최대한 연장하기 위해 센서들 자체의 전체 프로토콜이 Energy-Efficient하게 설계되어야 하고, 무선 센서망의 특성상 이벤트가 간헐적이고 지역적으로 집중해서 발생하기 때문에, 기존의 프로토콜과는 달리 이러한 것들을 관리하기 위한 효율적인 에너지 관리 프로토콜이 우선적으로 필요하다.On the other hand, in order to effectively realize the wireless sensor network, the entire protocol of the sensors themselves must be designed energy-efficient to maximize the life of the sensor nodes, and due to the characteristics of the wireless sensor network, the events occur intermittently and locally concentrated. Unlike existing protocols, efficient energy management protocols are needed to manage these.

무선 센서망에서 특히 MAC(Medium Access Control : 매체 접근 제어) 기술은 한정된 자원을 효율적으로 사용하는데 가장 핵심적인 기술 요소로서 지금도 계속적으로 연구 중에 있다.In the wireless sensor network, especially MAC (Medium Access Control) technology is the most important technology element to efficiently use limited resources, and is still being studied.

MAC 프로토콜은 전체 시스템에 커다란 영향을 미치게 되는데, Active(활성화 상태)와 Sleep(RF 전원 OFF)상태의 모드 전환을 통한 에너지 효율적인 측면이나 각 노드들이 충돌이나 서로간의 주파수 간섭 없이 이벤트가 발생했을 때 얼마나 빨리 대응할 수 있는지의 문제 등 다른 센서망 기술과도 깊은 연관성이 있다. The MAC protocol has a big impact on the entire system, which is an energy efficient aspect of switching between active (sleep) and sleep (RF powered off) modes, and how events occur when nodes do not collide or interfere with each other. There is also a strong connection with other sensor network technologies, such as the ability to respond quickly.

기존에도 W-LAN이나 Bluetooth와 같은 Ad-Hoc망 관점에서 접근한 MAC 프로토콜이 있으나, 저전력(Low-Power), 저복잡성(Low-Complexity), 저비용(Low-Cost) 특성을 만족하기 위한 무선 센서망 기술의 요구사항과는 거리가 멀어서 이러한 프로토콜을 그대로 무선 센서망 환경에 적용하는 데는 어려움이 있다. 예를 들어 W-LAN은 현재 가장 널리 쓰이고 전송거리가 길고, 대역폭도 넓다는 장점이 있으나, 프로토콜이 무거워서 배터리의 소모가 크기 때문에 그대로 가져오기에는 한계가 있다. Although existing MAC protocols have been approached from an ad-hoc network perspective such as W-LAN or Bluetooth, wireless sensors to satisfy low-power, low-complexity, and low-cost characteristics Far from requirements of network technology, it is difficult to apply these protocols to wireless sensor network environment. For example, W-LAN has the advantage of being the most widely used, the longest transmission distance, and the wide bandwidth. However, the W-LAN has a limitation in bringing it as it is because of heavy battery protocol.

또한, 블루투스는 효율성 측면에서는 뛰어나지만 에너지 자원이 한정되어 있는 Ad-hoc 환경에서는 각 노드들이 항상 Active 상태에 있어야 하기 때문에 에너지 소비가 많고, 블루투스의 경우는 한 클러스터에 7개의 디바이스들만 수용할 수 있어서 많은 디바이스로 구성된 네트워크에서 간헐적으로 이벤트가 발생하는 무선 센서망 환경에는 적합하지 않다는 단점이 있다.In addition, Bluetooth has a high efficiency, but in an ad hoc environment where energy resources are limited, each node must be active at all times, which consumes energy. In the case of Bluetooth, only seven devices can be accommodated in a cluster. The disadvantage is that it is not suitable for the wireless sensor network environment where events occur intermittently in a network composed of many devices.

무선 센서망을 위한 MAC의 특성으로서 가장 중요한 특성은, 우선적으로 무선 센서망의 특성상 노드가 Energy-Efficient한 특성을 가져야 한다. 또한 시스템이 효율성뿐만 아니라 Ad-hoc 환경이기 때문에 앞으로 Multi-hop의 환경을 고려하여 확장성을 기본적으로 지원해야 하고, 데이터가 실시간성이거나 갑자기 데이터가 집중적으로 발생하는 경우를 모두 다 수용해야 하므로 서비스의 지연을 최소화시키는 방안도 동시에 고려해 봐야 한다. 또한, 스케줄링 기법을 사용하여 Peer-to-peer 구간을 허용하는 방안을 두는 것도 전체적인 시스템 성능을 위해 좋은 방안이라 생각하고, 이것은 서비스 지연이 없는 환경이라면 최적의 성능을 발휘할 것이다.The most important characteristic of a MAC for a wireless sensor network is, first of all, that a node should have energy-efficient characteristics due to the characteristics of the wireless sensor network. In addition, since the system is not only efficient but also an ad hoc environment, it is necessary to support scalability by considering multi-hop environment in the future, and to accommodate all cases where data is real-time or suddenly intensive data generation. Consideration should also be given to minimizing delays. In addition, using a scheduling scheme to allow a peer-to-peer interval is considered a good method for the overall system performance, which would be optimal in an environment without service delay.

무선 센서망은 서비스의 목적에 따라서 센서 하나의 구조뿐만 아니라 전체 시스템의 운영 또는 관리에도 상당한 영향을 미치기 때문에 범용적인 표준을 정의하기에는 많은 어려움이 있다.The wireless sensor network has a lot of difficulty in defining a universal standard because the wireless sensor network has a significant influence not only on the structure of a single sensor but also on the operation or management of the entire system.

그러나, 최근에 주목되는 표준화 단체의 흐름 중에서 저전력(Low-Power), 저복잡성(Low-Complexity), 저비용(Low-Cost) 특성의 데이터 특성을 지닌 소규모 네트워크를 구성하고 그것을 효율적으로 운영하는 측면에서 중요한 기술을 제안한 IEEE 802.15.4표준이 주목된다. However, in the recent trend of standardization organizations, in terms of constructing a small network having data characteristics of low-power, low-complexity, and low-cost characteristics and efficiently operating it, The IEEE 802.15.4 standard, which proposes an important technology, is noted.

본 발명을 설명하기에 앞서 무선 센서망의 특성을 고려한 MAC 프로토콜을 최근에 논의되고 있는 IEEE 802.15.4를 기준으로 살펴보고, 본 발명에서는 무선 센서 망에 적합한 MAC 프레임 구조 및 스케줄링 기법을 제안하도록 한다. Before describing the present invention, the MAC protocol considering the characteristics of the wireless sensor network will be described based on IEEE 802.15.4, which is recently discussed, and the present invention proposes a MAC frame structure and scheduling scheme suitable for the wireless sensor network. .

우선 무선 센서망에 적합한 MAC 프레임 구조는 기존의 IEEE 802.15.4의 MAC 프레임 구조가 Reservation해야 할 경우 구조적인 순서상의 문제로 인해 반드시 하나 이상의 프레임 시간을 낭비하는 문제를 극복한 것이다. 이는 Reservation을 여러 번 하는 Multi-hop 환경에서 더욱 뛰어난 성능을 보일 것이다. First of all, the MAC frame structure suitable for the wireless sensor network overcomes the problem of wasting more than one frame time due to a structural order problem when the existing IEEE 802.15.4 MAC frame structure needs to be reserved. This will show better performance in a multi-hop environment with multiple reservations.

두 번째의 스케줄링 기법은 기존의 IEEE 802.15.4가 주기적인 데이터의 link 설정을 하고 세션(session)을 맺기 위해서만 Reservation을 하는 의미를 확장하여 센서망의 Burst한 트래픽을 대비하여 데이터일 경우에도 기회를 주기 위한 전략이다. 단, 기존의 session 설정과 다른 점은 release할 필요가 없기 때문에 그만큼 채널 낭비가 없다는 것이다.The second scheduling scheme extends the meaning that reservations are made only for the existing IEEE 802.15.4 to establish periodic data linking and establish a session, thus providing opportunities even in case of data in preparation for bursty traffic of the sensor network. It is a strategy to give. However, the difference from the existing session configuration is that there is no channel waste because there is no need to release.

[무선 센서망의 MAC 프로토콜][MAC protocol of wireless sensor network]

도 1은 무선 센서들이 일반적으로 뿌려진 형태의 망 구조도를 그린 것이다. A~E를 통해 정보들이 수집, 가공, 처리되어 전달되는 과정에서 MAC 프로토콜의 중요성은 앞서 살펴보았듯이 결정적이다. 도 1에는 구체적으로 표현되어 있지는 않지만, 망을 운영하는 측면에서 클러스터링 기법이나 새로운 알고리즘이 사용될 수도 있다. 이 상황에서 A~E를 통해 정보들이 전달될 때, Service delay, Energy consumption, Throughput 이 MAC의 Measure가 된다.1 illustrates a network structure in which wireless sensors are generally sprayed. The importance of the MAC protocol in the process of collecting, processing, processing, and delivering information through A through E is crucial, as discussed above. Although not specifically illustrated in FIG. 1, a clustering technique or a new algorithm may be used in terms of operating a network. In this situation, when information is delivered through A ~ E, Service delay, Energy consumption, and Throughput are the measures of MAC.

무선 센서망이 연구되기 시작한지는 최근의 일이다. Wireless sensor networks have begun to be studied recently.

본 발명에서는 링크 계층에서의 에너지 효율성을 위해 두 가지 기술 요소로 나누어 고려하였다.In the present invention, the energy efficiency in the link layer is divided into two technical elements.

첫 번째는 에너지 효율적인 채널 접근 방식 및 스케줄링 전략을 이용하여 MAC 에서의 에너지 효율성을 달성하는 것이고, 두 번째는 센서망 구성과 관리, 노드간의 링크 설정 및 클러스터링(Clustering)에 소모하는 에너지를 최소화하여 에너지 효율성을 달성하는 것이다. The first is to achieve energy efficiency in MAC using energy efficient channel approach and scheduling strategy, and the second is to minimize energy consumed for configuring and managing sensor network, establishing link between nodes and clustering. To achieve efficiency.

첫 번째로 무선 센서망을 위한 에너지 효율적인 MAC을 위한 설계 방안에서 센서 노드는 상당히 제한된 에너지만을 사용하기 때문에 항상 깨어나 있을 수 없다. 또한, 응용의 특성에 따라 주기적으로 깨어나서 동작을 수행해야 할 필요가 있으며 깨어있는 시간을 최소화시키는 동시에 주어진 임무를 잘 수행할 수 있도록 하는 것이 무선 센서망 전송 기술의 핵심이라고 할 수 있다. First, in the design scheme for energy-efficient MAC for wireless sensor networks, sensor nodes use only a very limited amount of energy and cannot always wake up. In addition, it is necessary to wake up periodically to perform an operation according to the characteristics of the application, and it is the core of the wireless sensor network transmission technology to minimize the waking time and to perform a given task well.

따라서, 대부분의 센서 노드들은 주기적으로 깨어나 주변의 상황을 감지하고 자신이 데이터를 전송할 필요가 있거나 받을 필요가 있는 경우에만 RF(Radio Frequency)를 동작시켜 데이터 송수신을 하게 된다. 이러한 방식은 UCLA에서 개발한 S-MAC의 기본 개념으로 사용되어 같은 방식의 채널 접근 기술(CSMA/CA)을 사용하는 WLAN(IEEE 802.11) 보다 두 배 이상의 에너지 절감 효과를 나타낸 것을 입증하였다.Therefore, most sensor nodes periodically wake up, sense the surrounding situation, and operate RF (Radio Frequency) only when they need to transmit or receive data. This method was used as the basic concept of S-MAC developed by UCLA and proved to be more than twice as energy-saving than WLAN (IEEE 802.11) using the same channel access technology (CSMA / CA).

무선 센서망의 링크 계층에서 에너지 효율성을 위한 또 다른 방법은 망 구성 및 유지에 필요한 에너지를 최소화시키는 에너지 효율적인 Self-Organization 기술을 개발하는 것이다. 그러나, 구체적인 에너지 효율화 방안은 MAC 만의 주제라기 보다는 라우팅(Routing) 이나, self-organizing 과의 복합적인 주제이기 때문에 여기에서는 논외로 하기로 한다. 단지 흐름으로 봐서 기존의 계층적 구조로 가는 수 준에서 무선 센서망에서의 노드는 아주 작은 배터리 소모량을 필요로 하기 때문에, MAC 계층을 기준으로 라우팅(Routing) 과 self-organizing 알고리즘이 흡수, 통합되는 추세이다.Another method for energy efficiency at the link layer of wireless sensor networks is to develop energy-efficient self-organization technology that minimizes the energy required for network construction and maintenance. However, the specific energy efficiency plan will be discussed here because it is a complex topic of routing or self-organizing rather than a MAC alone. Just as a flow, at the level of the existing hierarchical structure, nodes in the wireless sensor network require very little battery consumption, so that routing and self-organizing algorithms are absorbed and integrated based on the MAC layer. It is a trend.

이처럼 대부분의 무선 센서망 주제에서 초점을 맞추고 있는 것이 에너지 이슈이기 때문에, 에너지의 중요성이 강조되는 반면에, 서비스 응용에 따라서는 서비스 지연이나, 전송률 측면에서 시스템의 효율성이 검증되지 못함을 알 수 있다.As the energy issue is the focus of most wireless sensor network topics, the importance of energy is emphasized, while the efficiency of the system cannot be verified in terms of service delay or transmission rate, depending on the service application. .

[종래의 TDMA / CSMA 기법][Traditional TDMA / CSMA Techniques]

일반적으로 기존의 무선 환경에 적합한 MAC 프로토콜 기술로는 운영하는 측면에서 봤을 때, 크게 CSMA(Carrier Sense Multiple Access) 방식과 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식으로 나뉘어진다.In general, MAC protocol technology suitable for the existing wireless environment is largely divided into carrier sense multiple access (CSMA) and time division multiple access (TDMA).

TDMA 방식은 디바이스간에 통신할 때 데이터 충돌이 없고, 예약된 시간에 데이터를 전송할 수 있어서 쉽게 파워를 켜고 끌 수 있기 때문에 에너지를 절약할 수 있고 주기적으로 발생하는 데이터를 전송하기에 적합하다는 장점이 있는 반면, 이 방식은 각 디바이스들이 이동하거나 변동이 생겼을 때에 확장성이 떨어지고 네트워크 구성 기술이 선행적으로 필요하다는 단점이 있다. 즉 TDMA 효율성은 뛰어나지만, 그 전의 토폴로지 구성 알고리즘 구현이 더 어려운 것이 문제점이다. TDMA method has the advantage that there is no data collision when communicating between devices, it can transfer data at scheduled time and can easily turn on and off, which saves energy and is suitable for transmitting periodically occurring data. On the other hand, this method is disadvantageous in that scalability is reduced when each device moves or changes, and a network configuration technique is required in advance. In other words, the TDMA efficiency is excellent, but the previous topology construction algorithm is more difficult to implement.

TDMA 방식을 효율적으로 무선 센서망에 도입한 대표적인 사례로 LEACH 알고리즘이 있다. 그러나 이 방식은 전체 시스템의 동기가 맞는다고 가정할 경우에만 적용 가능하다는 단점이 있고 클러스터 헤드를 주기적으로 바꾸어 준다는 새로운 아이디어를 제안하기는 했지만, 시스템 오버헤드가 너무 많이 들고 센서들이 어느 한 지역에 집중되었을 경우에는 클러스터의 분산이 효과적으로 되지 못한다는 치명적인 단점이 있다.The LEACH algorithm is a representative example of efficiently introducing the TDMA method into the wireless sensor network. However, although this method has the disadvantage of being applicable only assuming that the whole system is in sync, and suggests a new idea that it changes the cluster head periodically, the system overhead is too high and the sensors are concentrated in one area. In this case, there is a fatal disadvantage that the cluster is not distributed effectively.

반면에 CSMA 방식은 스케줄링 없이 임의의 시간을 택해서 전송하기 때문에 알고리즘을 구현하기가 쉽고 확장성이 뛰어나다는 장점이 있지만 이벤트가 한 지역에서 집중적으로 발생했을 경우에 충돌로 인해 전송률이 급격히 떨어진다는 단점이 있다. 즉 효율성은 떨어지지만 아직은 Ad-hoc 시스템에 가장 적합한 시스템이라고 말할 수 있다. 또한 실시간 데이터의 경우 데이터 전송 시간을 예측할 수 없기 때문에 적합하지 못하다. On the other hand, the CSMA method has the advantage of being easy to implement algorithms and excellent scalability because it selects and transmits any time without scheduling, but the rate drops sharply due to collision when events are concentrated in one area. There is this. In other words, although the efficiency is low, it is still the best system for Ad-hoc system. In addition, real-time data is not suitable because the data transfer time cannot be predicted.

무선 센서망에 CSMA 기법을 적용한 사례로 대표적으로 S-MAC을 들 수 있는데, S-MAC에서는 몇 가지 새로운 아이디어를 제안하였다. S-MAC is a representative example of the CSMA technique applied to the wireless sensor network. S-MAC proposed some new ideas.

첫째는 주기적인 Active 상태와 Sleep 상태를 유지하면서 idle 상태에서 들을 때의 에너지를 절약하는 것이고, 두 번째는 주위에서 채널을 사용하고 있을 때 이웃 노드는 Sleep 상태로 유지함으로써 불필요한 Overhearing 상태에서의 에너지 낭비를 방지하는 것이다. 또한, 데이터를 보낼 경우에도 fragment 보다 큰 단위인 message 단위로 보내서 컨트롤 패킷을 보내는 횟수나 에너지를 줄이자는 제안이다. 이처럼 S-MAC은 Ad-Hoc망처럼 분산된 환경에서 에너지 효율이 뛰어나고 데이터 서비스에는 더없이 적합하지만, CSMA 시스템의 한계성을 갖고 있음을 알 수 있다.The first is to save energy when listening in idle state while maintaining periodic active state and sleep state. The second is to waste energy in unnecessary overhearing state by keeping neighbor node in sleep state when using channel around. To prevent it. In addition, when sending data, it is a proposal to reduce the number and energy of sending control packets by sending messages in units of messages larger than fragments. Like this, S-MAC is energy efficient and suitable for data service in distributed environment like Ad-Hoc network, but it has limitation of CSMA system.

이러한 이유로 여러 프로토콜의 장, 단점을 취합한 MAC 프로토콜이 연구되어 왔는데, 이는 네트워크의 확장성과 실시간성을 동시에 만족시키는 범용적인 시스템이 필요하기 때문이다. 따라서, 기존의 MAC 특성에서 TDMA에서 효율성을, CSMA에서 확장성을 취합한 새로운 Hybrid 방식의 MAC 프로토콜이 필요하다.For this reason, the MAC protocol that combines the pros and cons of several protocols has been studied because of the need for a general-purpose system that satisfies both network scalability and real-time. Therefore, there is a need for a new hybrid MAC protocol that combines efficiency in TDMA and scalability in CSMA.

무선 센서망은 궁극적으로 사람의 제어가 불가능한 지역에서도 각 센서 노드들 스스로 네트워크를 구성, 유지, 보수하면서 통신이 가능한 Self-Organization, Auto-Configuration 특성을 만족해야 하기 때문에 기존의 Ad-Hoc 환경에서와 같이 전체 시스템이 CSMA 방식만을 사용한다던가, Infrastructure 중심의 TDMA 방식만을 사용하는 것은 여러 가지 문제점을 낳는다. 특히 확률적인 충돌 메커니즘에 의해 동작하는 CSMA는 각 노드들의 배터리 사용 부담을 늘리고 스케줄링 기법을 도입할 수 없는 단점 때문에 Energy-Efficient 프로토콜을 보장할 수 없게 된다. Wireless sensor network ultimately needs to satisfy Self-Organization and Auto-Configuration which can communicate while constructing, maintaining and repairing network even in areas where human control is impossible. Likewise, the entire system uses only the CSMA method or only the infrastructure-centric TDMA method creates various problems. In particular, CSMA, which is operated by a probabilistic collision mechanism, increases the battery usage burden of each node and cannot guarantee the Energy-Efficient protocol due to the disadvantage that a scheduling scheme cannot be introduced.

한편, TDMA는 무선 센서망 환경에서 일단 클러스터가 만들어진 이후에는 효과적인 스케줄링 기법을 이용하여 최적의 성능을 발휘할 수 있지만, 전체 시스템의 동기를 맞춰야 하는 어려움이 있고, 앞서 언급한 Self-Organization이나 Auto-Configuration의 과정이 선행되어야 한다는 커다란 단점이 있다.On the other hand, TDMA can exhibit optimal performance by using effective scheduling techniques once clusters are created in a wireless sensor network environment, but there is a difficulty in synchronizing the entire system, and the aforementioned Self-Organization or Auto-Configuration There is a big disadvantage that the process must be preceded.

따라서, 현재 국내외 표준화 단체에서의 동향을 보면 TDMA의 장점을 많이 받아들이면서 단점을 배제하기 위해서, 클러스터를 만들고 유지하는 과정과 한 클러스터 안에서 효율적인 통신을 하는 방법을 따로 독립적으로 연구하는 추세이다. 이러한 연구 경향은 전체 시스템이 계층적(Hierarchical)으로 구성될 경우, 하나의 Star-topology를 기본적으로 이용하여 전체 시스템을 쉽게 구성할 수 있다는 장점이 있기 때문이다. 이러한 가운데 TDMA 방식은 특히 이웃 클러스터와의 충돌을 피할 수 있는 가장 효과적인 방식이라 할 수 있다.Therefore, the current trends in domestic and international standardization organizations tend to independently study the process of creating and maintaining clusters and efficient communication within a cluster in order to accept the advantages of TDMA and eliminate the disadvantages. This research trend is because when the whole system is composed hierarchically, it is easy to compose the whole system by using one star-topology. Among these, the TDMA method is the most effective way to avoid collisions with neighboring clusters.

도 2는 TDMA 특성을 잘 보여주는 Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) 알고리즘을 시간의 순서대로 도시한 것이다. Figure 2 illustrates a Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) algorithm in chronological order showing the TDMA characteristics.

Set-Up 구간에서는 Adaptive Clustering이 구성되고, 데이터는 stead-state 구간을 통해서 TDMA 방식으로 전송된다. 여기서, Sleep 구간은 임의로 프레임 구간에 넣은 것이다.Adaptive Clustering is configured in the Set-Up section, and data is transmitted by TDMA method through the stead-state section. Here, the sleep section is arbitrarily put in the frame section.

그러나, 무선 센서망의 특성상 저비용으로 설계되는 센서 노드들은 대부분 센서 노드 자체의 배터리의 교환이나 충전과 같은 재사용 특성을 고려하지 않기 때문에 확장성에 커다란 단점이 있고 무선 센서망의 응용 서비스의 특성상 이벤트가 간헐적이고 지역적으로 집중해서 발생하기 때문에 TDMA 방식은 채널 낭비는 물론 Energy-Efficient 한 측면에서도 불리한 면이 있다. 게다가 초기의 무선 센서망의 취지와는 달리 이벤트를 단지 감지(Detect)만 하는 것이 아니라, 상황에 따라서 사용자의 요구를 수용할 수 있는 Message-driven 특성을 고려하여 관리해 줄 필요가 있기 때문에 더욱 발전된 MAC 프레임 구조 및 스케줄링 전략이 요구된다.However, most of the sensor nodes designed at low cost due to the characteristics of the wireless sensor network do not consider reuse characteristics such as battery exchange or charging of the sensor node itself, which has a large disadvantage in scalability, and events are intermittent due to the characteristics of the application service of the wireless sensor network. TDMA schemes are disadvantageous not only in channel waste but also in energy-efficiency. In addition, unlike the intention of the initial wireless sensor network, it is not only to detect events, but also needs to be managed in consideration of the message-driven characteristics that can accommodate the user's needs. Frame structure and scheduling strategy are required.

[Hybrid MAC 방식인 IEEE 802.15.4 기법][IEEE 802.15.4 Scheme of Hybrid MAC Method]

상술한 바와 같이, 어느 하나의 시스템으로는 효율성과 확장성을 동시에 만족시킬 수 없기 때문에 최근에는 Hybrid MAC을 고려하려는 추세이다. 이러한 연구 동향에 발 맞추어 최근 무선 센서망 기술과 관련하여 가장 유사하게 표준화를 추진하고 있는 IEEE　802.15.4 에서 Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPAN) 환경에 적합한 MAC 프레임 구조를 제시해서 주목된다. 표준에서 제시한 프레임 구조를 살펴보면 다음과 같다.As described above, since one system cannot satisfy efficiency and scalability at the same time, it is a trend to consider Hybrid MAC in recent years. In line with these research trends, attention has been paid to the proposed MAC frame structure suitable for the Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPAN) environment in IEEE 802.15.4, which is the most similar standard for wireless sensor network technology. The frame structure suggested by the standard is as follows.

도 3에서 CAP(Contention Access Period : 경쟁 접근 구간) 구간은 앞서 살 펴본 CSMA 의 장점을 가져온 데이터와 컨트롤 패킷을 위한 구간이고, CFP(Contention Free Period : 경쟁 회피 구간) 구간은 TDMA 의 장점을 가져온 데이터 Reservation 구간이다.In FIG. 3, a CAP (Contention Access Period) section is a section for data and control packets which have obtained the advantages of CSMA, and a CFP (Contention Free Period: Section) is a section for TDMA. Reservation section.

이처럼 IEEE 802.15.4는 모두 한 프레임 안에 두 가지의 모드가 존재하기 때문에 다양한 종류의 응용분야의 요구조건을 대부분 만족시켜줄 수 있는 것이다. 또한 슬래이브들의 에너지를 기본적으로 Active / Sleep 모드변환을 통해서 절약할 수 있도록 Inactive 구간을 Option으로 두었다. 도 3에서 제시한 MAC 프레임의 동작을 설명하면 다음과 같다.As such, IEEE 802.15.4 can satisfy most of the requirements of various kinds of applications because all two modes exist in one frame. In addition, the Inactive section is set as an option so that the energy of the slaves can be basically saved through active / sleep mode conversion. Referring to the operation of the MAC frame presented in Figure 3 as follows.

CAP 구간에서는 Slotted CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)방식을 통해서 데이터를 직접 주고 받을 수 있지만 주기적인 데이터 전송이 필요한 경우에는 이 구간에서 GTS (Guaranteed Time Slot) 구간 할당을 필요한 만큼 디바이스가 마스터에게 요청하거나, 또는 마스터가 디바이스에게 Beacon을 통해서 알리게 된다. CAP 구간과 CFP 구간의 경계와 CFP 구간에서의 GTS 구간 할당 정보는 각 Beacon 마다 업데이트 되어서 전송(Broadcast)되며 CFP 구간은 최대 7개 Slot까지 허용된다.In the CAP section, data can be sent and received directly through the slotted carrier sense multiple access / collision avoidance (CSMA / CA) method.However, if periodic data transmission is required, as many devices as required for allocation of GTS (Guaranteed Time Slot) sections are needed in this section. Ask the master, or the master will notify the device via Beacon. The boundary between the CAP section and the CFP section and the GTS section allocation information in the CFP section are updated and broadcast for each beacon, and a maximum of seven slots are allowed for the CFP section.

도 3은 두 개의 디바이스가 GTS를 3개, 2개씩 각각 할당 받은 상태고 Inactive구간을 포함한 구조이다. IEEE 802.15.4 표준은 범용적인 MAC 구조를 구현한 것이기 때문에 CFP 구간과 Inactive 구간을 선택적으로 정의하고 있다. 각 센서 노드들은 Beacon 시간 때마다 전송할 데이터의 유무와 상관없이 항상 깨어서 동기를 맞춰야 하며 다른 구간에서는 상황에 맞게 노드 우선적이다.FIG. 3 is a structure in which two devices have been assigned three or two GTSs, respectively, and include an inactive section. Since the IEEE 802.15.4 standard implements a general MAC structure, the CFP section and the inactive section are selectively defined. Each sensor node must wake up and synchronize at all times regardless of the data to be transmitted at every beacon time.

이 때 프레임에서 지속적인 서비스를 받고자 할 경우에 노드는 CAP 구간을 통해 GTS 요청 컨트롤 정보를 마스터에게 보내게 되는데 본 발명은 IEEE 802.15.4 표준이 구조적으로 발생시키는 서비스 지연을 최소화시켰다. 특히 헬스케어와 같은 위급한 상황에서는 서비스 지연이 생명과도 연관시킬 수 있을 만큼 중요한 문제이기 때문에 전체적인 서비스의 Blocking Ratio를 떨어뜨리지 않으면서 서비스 지연을 최소화 시키는 게 무엇보다 중요한 이슈이다.In this case, when receiving continuous service in the frame, the node sends the GTS request control information to the master through the CAP period. The present invention minimizes the service delay caused by the IEEE 802.15.4 standard. Especially in an emergency such as healthcare, service delay is an important issue that can be related to life. Therefore, minimizing service delay without lowering the blocking ratio of the overall service is the most important issue.

위의 시스템에서 GTS 구간은 실시간 서비스나 주기적으로 서비스가 가능해야 하는 시간 지연에 민감한 서비스를 담아가는데 쓰여야 하고, CAP 구간은 아주 가끔씩 발생하는 데이터를 위한 구간이기 때문에 범용성은 좋겠지만 효율성은 제고해볼 여지가 있다. 이것은 본 발명에서 제안하는 알고리즘의 동기부여가 된다.In the above system, the GTS section should be used to contain real-time services or services that are sensitive to time delays that must be available periodically, and the CAP section is for data that occurs only occasionally. There is. This is the motivation of the algorithm proposed in the present invention.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 서비스 지연을 최소화하고 효율성을 최대화하기 위한 무선 통신방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a wireless communication method for minimizing service delay and maximizing efficiency.

보다 바람직하게, 상기 무선통신 네트워크는 무선 센서망인 것을 특징으로 한다.More preferably, the wireless communication network is characterized in that the wireless sensor network.

보다 바람직하게, 상기 무선통신 방법은 디바이스의 요청에 따라 경쟁 회피 구간을 통해 디바이스와 디바이스 간에 직접 통신이 이루어지는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.More preferably, the wireless communication method further comprises the step of performing a direct communication between the device and the device through the contention avoidance interval at the request of the device.

보다 바람직하게, 상기 디바이스에서 마스터로 전송되는 패킷은 데이터 패킷 및 컨트롤 패킷이 포함되는 것을 특징으로 한다.More preferably, the packet transmitted from the device to the master includes a data packet and a control packet.

보다 바람직하게, 상기 디바이스에서 마스터로 전송되는 패킷이 컨트롤 패킷인 경우 데이터 패킷에 비해 백오프 타임이 짧게 설정되는 것을 특징으로 한다.More preferably, when the packet transmitted from the device to the master is a control packet, the backoff time is shorter than that of the data packet.

본 발명에 따른 무선통신 방법은 매체접근제어를 기반으로한 무선통신 방법에 있어서, 경쟁 접근 구간을 통해 비주기적인 데이터 및 컨트롤 패킷이 디바이스에서 마스터로 전송되는 제 1단계; 상기 마스터로부터 데이터 통신 서비스가 가능한 디바이스의 아이디 및 순서가 전송되는 제 2단계와; 경쟁 회피 구간을 통해 주기적인 데이터가 상기 디바이스 및 마스터 간에 전송되는 제 3단계가 포함되는 것을 특징으로 한다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a wireless communication method based on medium access control, comprising: a first step of sending aperiodic data and control packets from a device to a master through a contention access period; A second step of transmitting, from the master, an ID and an order of a device capable of performing a data communication service; And a third step of transmitting periodic data between the device and the master through the contention avoidance section.

보다 바람직하게, 상기 비주기적인 데이터가 설정된 기준 이상 발생되는 경우 상기 경쟁 회피 구간을 통해 비주기적인 데이터의 전송이 이루어지는 것을 특징으로 한다.More preferably, when the aperiodic data is generated above a predetermined reference, the aperiodic data is transmitted through the contention avoiding section.

보다 바람직하게, 상기 비주기적인 데이터는 TDM 슬롯을 통해 전송되는 것을 특징으로 한다.More preferably, the aperiodic data is characterized in that the transmission through the TDM slot.

보다 바람직하게, 상기 경쟁 회피 구간을 통해 전송되는 비주기적인 데이터 는 데이터 단위로 전송되는 것을 특징으로 한다.More preferably, the aperiodic data transmitted through the contention avoiding interval is transmitted in data units.

이하, 본 발명의 핵심 내용인 제안하는 새로운 MAC 알고리즘을 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the proposed new MAC algorithm, which is the core of the present invention, will be described in detail.

상기한 바와 같이, 무선 센서망은 기존 무선망의 MAC 프로토콜과는 달리 저전력, 저복잡성을 기본으로 하면서 TDMA와 CSMA의 특성 모두를 가져가야 하므로, 구조적으로 Hybrid 특성을 가지고, 프로토콜이 Light 한 IEEE 802.15.4 가 최근에 주목을 받고 있다.As described above, unlike the MAC protocol of the existing wireless network, the wireless sensor network has to have both characteristics of TDMA and CSMA while having low power and low complexity, and has a hybrid characteristic in structure, and the protocol is light IEEE 802.15. .4 has recently attracted attention.

그렇지만 IEEE 802.15.4는 구조적으로 서비스 지연이 발생하는 단점을 가지고 있기 때문에, Multi-hop처럼 여러 번 반복되어 서비스된다면, 새로이 제안된 MAC 프레임이 주는 이득이 엄청난 효과를 줄 수 있을 것이다.However, IEEE 802.15.4 has a disadvantage in that a service delay occurs structurally, and if the service is repeated many times like multi-hop, the benefits of the newly proposed MAC frame may have a huge effect.

다음으로 주목해야 할 것은 기본적으로 데이터가 폭주했을 경우, 시스템은 Reservation을 통해서 수 개의 패킷이 TDMA 방식을 이용하는 것이 각 패킷마다 CSMA의 경쟁을 하는 것보다 효과적인 것은 주지의 사실이다. 그렇지만 IEEE 802.15.4 는 이러한 알고리즘을 기본적으로 지원하지 못한다는 사실이다. GTS를 사용하는 방식이 있기는 하지만 시작과 끝을 알 수 없는 세션(session) 단위 위주이기 때문에 항상 예약과 해제의 과정이 있어야 한다. 하지만 각 노드는 각자의 데이터 량을 알고 있기 때문에 해제의 과정을 생략할 수 있다. 게다가 프레임 구조가 바뀐 상태에서는 예약과정이 최적의 성능을 가질 것이다.Next, it should be noted that when data is congested, it is well known that a system uses a TDMA scheme with several packets through reservation, which is more effective than competing CSMA for each packet. However, IEEE 802.15.4 does not support this algorithm natively. There is a way to use GTS, but since it is mainly session unit with unknown start and end, there must always be a process of reservation and release. However, since each node knows its own amount of data, you can skip the release process. In addition, the reservation process will have optimal performance when the frame structure is changed.

[프레임 구조와 서비스 지연][Frame Structure and Service Delay]

본 발명에서는 앞서 설명된 LEACH 알고리즘과 IEEE 802.15.4에서 제안한 방 식과의 장단점을 규합한 새로운 MAC 프레임을 제안한다. The present invention proposes a new MAC frame combining the advantages and disadvantages of the LEACH algorithm described above and the scheme proposed in IEEE 802.15.4.

도 4는 본 발명을 통해 실시간성이 요구되는 처음 서비스에 지연(session service delay)이 종래의 것보다 월등히 줄어드는 MAC 구조를 나타낸 것이다.FIG. 4 illustrates a MAC structure in which a session service delay is significantly reduced than that of the conventional service in which initial service is required through the present invention.

도 4에서 제시된 MAC superframe의 특징은 각 센서 노드들의 GTS를 요구하는 컨트롤 패킷이 CAP 구간을 통해서 전송되고, 그 정보가 마스터를 통해서 broadcast 되는 일련의 과정이 무선 센서망에 최적화 되어 있다는 것이다. 여기서 Beacon은 바로 전 Superframe의 CAP 구간을 통해 마스터로 올려진 정보를 취합해서 각 디바이스간의 동기 즉 CAP구간의 끝나는 시간과 CFP구간에서 GTS를 사용할 디바이스의 ID, 그리고 서비스 받을 순서 등을 broadcast 하게 된다. A feature of the MAC superframe shown in FIG. 4 is that a control packet requesting the GTS of each sensor node is transmitted through a CAP period, and a series of processes in which the information is broadcast through the master is optimized for the wireless sensor network. Here, Beacon collects the information uploaded to the master through the CAP section of the previous Superframe and broadcasts the synchronization between each device, the end time of the CAP section, the ID of the device to use GTS in the CFP section, and the order of service.

제안하는 알고리즘의 최대 강점은 에너지 소모를 최소화 시키기 위해 Beacon Interval 시간이 긴 경우, 즉 Beacon을 주기적이지만 간헐적으로 broadcast 할 경우이다. GTS 서비스를 받기 위해서는 CAP 구간을 통해서 마스터에게 예약을 요청하는 컨트롤 패킷을 보내야 하는데 이 정보는 마스터가 Beacon을 broadcast 한 이후에만 적용이 된다. 도 4에서 보듯이 제안하는 알고리즘은 CAP 구간이 끝난 다음에 바로 Beacon이 전송되기 때문에 전체 시스템이 바로 대응할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 종래의 표준 방식은 CAP 구간이 CFP 구간보다 앞에 있기는 하지만 그 Superframe에서의 GTS 서비스는 그 전의 Beacon이 전송해 준 정보와 관련되기 때문에 현재 요청한 데이터는 다음 Beacon 이후에나 시스템에 반영이 될 수 있다. 즉 GTS 서비스를 끝내려 할 경우에도 한 Superframe에서의 서비스가 낭비된다는 단점이 있다.The maximum strength of the proposed algorithm is when the Beacon Interval time is long to minimize energy consumption, that is, when the Beacon is broadcast periodically or intermittently. In order to receive the GTS service, a control packet must be sent to the master through the CAP section. This information is applied only after the master broadcasts the Beacon. As shown in Figure 4, the proposed algorithm has the advantage that the entire system can respond immediately because Beacon is sent immediately after the end of the CAP period. However, in the conventional standard method, although the CAP section is ahead of the CFP section, since the GTS service in the Superframe is related to the information transmitted by the previous Beacon, the currently requested data may be reflected after the next Beacon or in the system. have. In other words, even when trying to finish the GTS service, a service in a Superframe is wasted.

이에 본 발명은 이러한 단점을 극복하기 위해서 MAC 프로토콜을 구조적으로 접근해서 해결했다. 즉 보통 GTS를 사용하고자 하는 데이터는 CAP만을 이용하는 일반 데이터보다 중요한 데이터이다. 구조적인 순서로 봤을 때에도 CAP를 통한 컨트롤 정보를 마스터의 Beacon에서 바로 판단하여 처리해 주기 때문에 시스템의 응답이 빨라져서 GTS 서비스 지연이 줄어든다. 또한 이러한 프레임의 변화는 기존의 것을 그대로 수용 가능할 뿐만 아니라 IEEE 802.15.4 와 비교해 볼 때 마지막 부분에 GTS를 해지하는 과정에서 기존의 방식이 구조적으로 발생하는 채널 낭비가 없기 때문에 전송 효율과 Energy-Efficient한 측면에서도 접근이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 MAC superframe 구조를 바탕으로 Energy-Efficient한 관점에서 스케줄링 기법을 도입한다면 곧 무선 센서망 응용분야에 적합한 MAC이 도출될 것이다.Therefore, the present invention solved the structural approach to the MAC protocol to overcome this disadvantage. In other words, data that normally uses GTS is more important than general data that uses only CAP. Even in the structural order, the control information through the CAP is directly judged and processed by the master Beacon, which reduces the GTS service delay due to the faster system response. In addition, the change of the frame is not only acceptable to the existing one, but also compared to IEEE 802.15.4, transmission efficiency and energy-efficiency are eliminated because there is no channel waste caused by the conventional method in the process of canceling the GTS at the end. It has the advantage of being accessible from one side. Based on the MAC superframe structure, if a scheduling scheme is introduced from an energy-efficient point of view, a MAC suitable for wireless sensor network applications will soon be derived.

도 5는 A~B 로 Reservation을 통해서 정보를 전달했을 때, IEEE 802.15.4와 본 발명을 비교한 것이다. 거의 4번째 프레임에서 한 프레임 정도의 시간 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 이런 식으로 Hop 수가 반복된다면 차이는 더욱 커질 것이다.5 compares the present invention with IEEE 802.15.4 when information is delivered through Reservations from A to B. FIG. It can be seen that there is a time difference of about one frame from the almost fourth frame. If the hop count is repeated in this way, the difference will be greater.

다른 방식으로, 예를 들어 A와 B가 직접 통신 (Peer-to-peer)을 원한다고 한다면, 종래의 방식은 항상 A가 마스터로 먼저 정보를 전송한 이후에, 그 정보를 마스터가 B에게 전송하는 방식을 택했다. 이 방식은 적은 양의 패킷일 경우에는 문제가 없지만 양이 많아지면 전체적인 시스템에 부하도 걸리고 시간적인 지연도 무시할 수 없게 된다. 그럴 경우에는 차라리 상황에 따라서 직접 연결 구간을 두어서 A와 B가 직접 통신할 수 있는 시 구간을 두는 것이 현명한 방법일 것이다. 도 6은 GTS구간에 peer-to-peer 통신 구간을 두고, 해당 통신 구간에 A와 B가 동시에 active 되면서 통신을 수행하도록 함으로써 이러한 문제를 해결한 것을 나타낸 것이다.Alternatively, if A and B, for example, want Peer-to-peer, then the conventional approach is that A always sends information to the master first, and then the master sends the information to B. I chose the way. This is fine for small packets, but larger amounts put a heavy load on the overall system and a negligible time delay. In such a case, it would be wise to have a direct connection section, depending on the situation, so that A and B can communicate directly with each other. 6 shows that this problem is solved by having a peer-to-peer communication section in the GTS section and performing communication while A and B are simultaneously active in the corresponding communication section.

본 발명에서 처럼 CSMA 구간이 오고 Beacon이 온다면 약간의 채널 낭비가 있더라도 무시할 수 있을 정도로 미미할 뿐더러, 프레임 구조 변경으로 얻는 이득이 훨씬 많음을 알 수 있다.As in the present invention, when the CSMA section comes and the Beacon comes, even if there is some channel waste, it is negligible enough to be neglected, and it can be seen that the gain obtained by changing the frame structure is much more.

[컨트롤 패킷에 우선권(Priority)을 주는 방안][Priority in Control Packet]

GTS를 이용하여 실시간 서비스를 하려는 노드가 있을 경우 Request 패킷은 일반 노드의 전송보다 우선권을 가져야 한다. 데이터의 경우, 시간 지연에 민감하지 않기 때문에, CSMA 구간에서 양보하더라도 전체적인 전송률에는 크게 차이가 없기 때문이다.If there is a node that wants to provide real-time service using GTS, request packet should have priority over transmission of general node. Since data is not sensitive to time delays, even if yielding in the CSMA interval, there is no significant difference in the overall data rate.

우선권을 주는 방안으로서 많은 방법적인 면이 있겠지만, BackOff Time을 줄이는 방법을 제안한다. 즉 충돌이 있을 때나 다른 노드가 이미 보내고 있을 경우, 노드는 BackOff 시간을 다시 설정하게 된다. 이 때 Random BackOff 시간을 설정할 때 각 노드는 다시 설정된 Contention Window 구간에서 Uniform하게 숫자를 선택하는데, 우선권을 가진 노드는 작은 Contention Window에서 상대적으로 작은 BackOff 시간을 선택하게 되어서 더 많은 기회를 가지게 된다.There are many ways to give priority, but we propose a way to reduce the BackOff Time. In other words, if there is a conflict or if another node is already sending, the node resets the BackOff time. At this time, when setting the Random BackOff time, each node uniformly selects the number in the re-established Contention Window section, and the node with priority selects a relatively small BackOff time in the small Contention Window, which gives more opportunities.

도 7은 본 발명에서 우선권을 부여하는 방법을 설명하는 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating a method of giving priority in the present invention.

도 7에서 보면, 먼저 NB를 1으로 셋팅하고, BE를 macMinBE를 3으로 셋팅한다. 여기서, NB(Number of Backoff)는 백오프를 한 횟수를 의미하고, 그 범위는 [0, CW]으로써 CW(Contention Window)를 늘리기 위한 상수이다.In FIG. 7, first, NB is set to 1, and BE is set to macMinBE. Here, NB (Number of Backoff) means the number of times the back off, the range is [0, CW] is a constant for increasing the content window (CW).

그리고, BE(Backoff Exponent)는 3으로 셋팅되는데, 각 노드가 채널에 접근하기 위해서 기다려야 하는 시간을 의미한다.BE (Backoff Exponent) is set to 3, which means the time each node has to wait to access the channel.

일단, 패킷이 컨트롤 패킷인지 여부를 판단하고, 컨트롤 패킷인 경우 2^BE-1-1의 백오프 타임을 부여함으로써 컨트롤 패킷이 아닌 경우에 부여되는 백오프 타임, 2^BE-1 보다 작은 백오프 타임이 부여되도록 한다. ^First , it is determined whether a packet is a control packet, and if it is a control packet, a backoff time of 2 ^BE-1 -1 is given, so that a backoff time is given if it is not a control packet, a backoff time smaller than 2 ^BE -1 To be granted.

그리고, CCA(Clear Channel Assessment) 과정을 통해 현재 무선 채널의 상황을 파악하여 채널 상태가 idle인 경우, 패킷이 전송되도록 하고 채널 상황이 idle이 아닌 경우 NB값에 1을 더하고 BE값에 1을 더한 값과 aMaxBE(BE값의 최대 한계값) 중 작은 값으로 BE 값을 셋팅하여 다시 백오프 타임이 설정되도록 한다.In addition, through the channel channel (CCA) process, the current state of the wireless channel is checked. When the channel state is idle, the packet is transmitted. When the channel state is not idle, 1 is added to the NB value and 1 is added to the BE value. Set the BE value to the smaller of the value and aMaxBE (the maximum limit of BE values) so that the backoff time is set again.

다만, NB 값이 최대 횟수를 초과하는 경우 패킷의 전송이 실패된 것으로 본다.However, if the NB value exceeds the maximum number of times, the packet transmission is considered to have failed.

도 7에서 처럼 일반적인 데이터는 CSMA/CA 알고리즘을 따르지만, 컨트롤 패킷일 경우는 우선권을 주는 방안을 갖는다. 우선권을 갖는 방안은 트래픽이 많은 환경일수록 효과가 크며, Multi-hop 환경으로 갈수록 더욱 효과를 나타낸다.As shown in FIG. 7, the general data conforms to the CSMA / CA algorithm, but in the case of a control packet, a priority is given. Priority schemes are more effective in high-traffic environments, and more effective in multi-hop environments.

[무선 센서망에 적합한 스케줄링 기법][Scheduling Scheme for Wireless Sensor Networks]

IEEE 802.15.4 에서 제안한 기법에서는 GTS 구간을 실시간 데이터 또는 주기적인 데이터를 예약을 통해서 전송하기 위한 용도로 사용하고 있다. 또한, 기존의 방식대로 GTS를 사용하려면 예약하고 나서 데이터가 더 이상 없을 경우에는 GTS를 해지하고자 하는 컨트롤 패킷을 다시 보내야 하는 부담을 지게 된다. 이는 센서 데이터의 버스트(Burst)한 환경하에서는 효율성이 극히 떨어지는 면이 있기 때문에 첫째로 무선 센서망의 특성상 TDM 구간은 데이터가 많이 발생하는 센서 노드에게도 허락하는 것과 프레임 단위로 대응할 수 있도록 한 프레임만 예약을 해주는 스케줄링 기법을 선택하는 것이 전체적인 시스템의 효율적인 면에서 더욱 유리할 것이다. 그리하여 본 발명은 새로운 스케줄링 기법을 제안한 MAC 프레임 구조와 접목하여 도 8과 같은 프레임 구조를 완성하였다The scheme proposed by IEEE 802.15.4 is used to transmit real time data or periodic data through reservation by GTS interval. In addition, in order to use the GTS in the conventional manner, if there is no more data after the reservation, the burden of having to resend the control packet to release the GTS becomes a burden. This is because the efficiency of the sensor data is extremely low under the burst environment of sensor data. First, the TDM interval is allowed only for sensor nodes that generate a lot of data. It would be more advantageous to choose a scheduling scheme that can achieve the efficiency of the overall system. Thus, the present invention completes the frame structure as shown in FIG. 8 by integrating with the MAC frame structure that proposes a new scheduling scheme.

즉, 주기적인 데이터가 발생하는 트래픽의 경우 GTS를 통해 지원되고, 비주기적인 데이터가 발생되는 트래픽은 CSMA 구간으로 전송되는데 CSMA는 전송방식의 특성상 트래픽이 발생하면 효율이 떨어지게 된다..That is, the traffic generating periodic data is supported through the GTS, and the traffic generating the non-periodic data is transmitted to the CSMA section. The CSMA is inefficient when traffic occurs due to the characteristics of the transmission scheme.

따라서, 전송량이 많은 비주기적 트래픽은 TDM 슬롯을 할당하여 전송되도록 한다. TDM 슬롯을 사용하여 데이터를 전송하면 CSMA 로 전송하는 것보다 더 좋은 효율을 나타낼 수도 있다.Therefore, aperiodic traffic with a high amount of transmission allocates TDM slots to be transmitted. Transmitting data using a TDM slot may yield better efficiency than transmitting to CSMA.

특히, 이종 센서들이 모여있는 구조처럼 어느 한 지역이나 소수의 노드에서 데이터가 집중적으로 발생했을 때 이 방법은 효과적이다. 물론 전체적인 에너지를 아끼기 위해서 Duty Cycle (Active 구간/ 전체 구간) 은 작게 잡아야 할 것이다. 실험 결과도 그냥 CSMA/CA를 쓸 때보다 Reservation 방식을 사용했을 때 더 나은 성능을 보였음이 증명되었다. 다만, 여기서 어디까지 Reservation 방식을 허용할 것인지가 이슈가 되겠다. 정해진 한 프레임 구간에서 너무 많은 구간을 Reservation에 허용하면 CSMA/CA에 영향을 주기 때문에 적절하고 Adaptive한 값을 찾는 것이 중요한 문제가 되겠다.In particular, this method is effective when data is concentrated in one area or a few nodes, such as a structure of heterogeneous sensors. Of course, in order to save the overall energy, the duty cycle should be kept small. Experimental results also proved better when using the Reservation method than just using CSMA / CA. However, the issue is how far to allow the reservation method. If too many sections are reserved for a given frame period, it will affect CSMA / CA, so it is important to find an appropriate and adaptive value.

도 9는 근본적으로 데이터를 IEEE 802.15.4에서 Reservation했을 때, 얻어지는 효과를 설명한 것 중의 한 부분인데, 세션일 경우에는 링크를 한번 설정하고 나면 언제 끝날지 모르기 때문에 끝나는 부분에서 release 패킷을 통해서 채널 해제를 해야 한다. 그러나 도 9의 원 모양처럼 마지막에서는 항상 채널 낭비가 있을 수 있다. 하지만 데이터일 경우에는 보내고 싶은 양을 미리 알고 있기 때문에 적절한 배분을 통한다면 release 패킷이 없이도 채널이 쉽게 재사용될 수 있다는 장점이 있다.9 is a part of the effect that is obtained when the data is reserved basically in IEEE 802.15.4. In the case of a session, the channel release is performed through the release packet at the end because it is not known when the link is established once. Should be. However, there may always be channel waste at the end as in the circle of FIG. However, in the case of data, the amount of data to be sent is known in advance, so the channel can be easily reused without a release packet through proper allocation.

도 10은 각 노드에서 예약을 할 수 있는 권리를 줄 수 있는 한계를 어디로 나타낼 것인가를 나타낸 것이다. N_th로 나타나 있는 부분이 너무 작게 잡으면 컨트롤 패킷이 오히려 많아져서 TDM 효율이 떨어지고, 너무 크면 반대로 컨트롤 패킷이 작게 뽑히게 된다. 환경에 따라서 이 값이 적절히 변하는 것이 가장 좋으나 본 발명에서는 최선의 값을 찾는 선에서 마무리한다.10 shows where to indicate a limit that can give the right to make a reservation at each node. If the portion indicated by N _th is too small, the control packet is rather large and the TDM efficiency is lowered. If too large, the control packet is pulled small. It is best to change this value appropriately according to the environment, but the present invention concludes with the search for the best value.

[실시예]EXAMPLE

저전력 저속의 소규모 네트워크 특성상 각 디바이스의 구조에서의 MAC프로토콜은 전체 시스템에 상당한 영향을 미치게 된다. 또한 WPAN 환경에서 서비스 지연과 서비스 Blocking 비율은 MAC 프로토콜과 직접적으로 연관이 있기 때문에 본 발명에서 고려한 모델은 다음과 같다.Due to the low-power, low-speed, small-network nature, the MAC protocol in each device's architecture has a significant impact on the overall system. In addition, since the service delay and service blocking rate are directly related to the MAC protocol in the WPAN environment, the model considered in the present invention is as follows.

도 11에 도시된 바와 같이 각 노드들은 고정된 크기의 데이터 평균 발생률( λ)을 갖는 포아송 분포(Poissong Distribution)로 발생하되, 각각 다른 평균 데이터 발생률을 갖는 경우(이종센서, Heterogeneous network)와 노드들이 똑같은 평균 데이터 발생률을 갖는 경우(동종센서, Homogeneous network)의 두 가지를 각각 고려하였다.As shown in FIG. 11, each node is generated by a Poissong distribution having a fixed average size of data (λ), but each node has a different average data rate (heterogeneous network) and nodes. Two cases were considered, each with the same average data rate (homogeneous network).

각 노드들이 다른 평균 데이터 발생률을 갖는 경우, 지수 분포(Exponential Distribution)에 따라 큰 λ를 가지고 있는 노드의 수를 적게 하였고, λ의 크기를 지수적으로 줄이면서 작은 λ를 갖는 노드들의 수를 많이 분포시켰다. 모든 노드들이 같은 데이터 발생률을 갖는 경우는 동종 센서망(Homogeneous Sensor Networks)에 대한 응용 모델을 의미하며, 다른 데이터 발생률을 갖는 네트워크를 이종 센서망(Heterogeneous Sensor Networks)에 대한 응용 모델을 각각 정의한다. 도 12는 이종 센서망과 동종 센서망을 표현한 것이다.When each node has a different average data rate, the number of nodes having a large λ is reduced according to the exponential distribution, and the number of nodes having a small λ is distributed largely while reducing the size of λ. I was. When all nodes have the same data generation rate, this means an application model for homogeneous sensor networks, and an application model for heterogeneous sensor networks is defined for networks with different data generation rates. 12 illustrates a heterogeneous sensor network and a homogeneous sensor network.

도 12에서 특히 Heterogeneous model의 경우에는 탱크의 경우처럼 이벤트가 생겼을 경우, 그 지역에만 그 시점에 특히 데이터 발생률이 갑자기 발생한다는 특징이 있다. 이러한 응용 어플리케이션이 무선 센서망의 특징과 거의 매치된다고 볼 수 있다. 데이터와 달리 세션 어플리케이션의 시뮬레이션은 다음과 같은 환경에서 하였다.In FIG. 12, particularly in the case of the heterogeneous model, when an event occurs, as in the case of a tank, a data generation rate is suddenly generated at that time only in that region. This application can be seen to match the characteristics of the wireless sensor network. Unlike the data, we simulated the session application in the following environment.

본 발명은 도 13와 같이 Star Topology를 가정한 WPAN환경에서 헬스케어 어플리케이션을 가정하였다. 평균 2 ~ 10인실 병실에서 각 환자는 센서를 통해 매 1분(session arrival rate = 1/60)마다 30초~1분(session holding time) 동안 주기적으로 맥박과 체온 등을 체크해서 마스터를 통해서 담당자에게 전송된다. 네트워 크 구성은 생성되는 데이터의 종류에 따라 환자의 주기적인 데이터처럼 GTS서비스를 요구하는 GTS 디바이스와 병실 내의 다른 센서들처럼 CAP구간만 이용하는 센서 디바이스의 두 종류로 나누었다. 여기서 발생하는 Data의 크기는 센서 데이터에 맞게 일정한 크기로 고정시켰으며 각각 패킷이 전송되었을 때 즉시 ACK가 전송된다고 가정하였다. 또한 기본적으로 한 노드에 최대 7개까지 할당될 수 있지만 각 GTS 디바이스는 하나의 GTS만 사용한다고 가정하였다. 그리고 WPAN환경이 반경 10m 이내이기 때문에 가시선(line of sight)을 유지한다고 가정하였고 채널에 따른 에러는 고려하지 않았다.The present invention assumes a healthcare application in a WPAN environment assuming Star Topology as shown in FIG. In an average room of 2 to 10 people, each patient checks the pulse and body temperature periodically for 30 seconds to 1 minute (session holding time) every 1 minute (session arrival rate = 1/60) through a sensor. Is sent to. The network configuration is divided into two types, GTS device requiring GTS service like periodic data of patient and sensor device using only CAP section like other sensors in the room. The size of data generated here is fixed to a certain size according to the sensor data, and it is assumed that an ACK is immediately transmitted when each packet is transmitted. It is also assumed that up to seven nodes can be assigned to one node by default, but each GTS device uses only one GTS. And since the WPAN environment is within 10m radius, it is assumed that the line of sight is maintained and the error according to the channel is not considered.

전체적인 시스템의 성능을 측정하기 위해서 트래픽의 경우에는 각 센서 디바이스들이 같은 트래픽 생성률을 가지고 데이터를 발생시킨다고 가정하였다. In order to measure the performance of the overall system, it is assumed that in the case of traffic, each sensor device generates data with the same traffic generation rate.

센서 디바이스들은 간헐적으로 이벤트를 발생시켜 바로 마스터로 전달하거나 Indirection Transmission을 통해 디바이스가 마스터에게 정보를 요청하면 데이터를 전달 받게 표준과 같이 구현하였고 데이터의 크기는 보편적으로 무선 센서망에서 많이 이용되고 있는 센서용 운영체제인 Tiny OS에서 사용되는 30 Bytes로 가정하였다.Sensor devices intermittently generate an event and send it directly to the master, or when the device requests information from the master through Indirection Transmission, it is implemented as a standard, and the size of the data is a sensor commonly used in wireless sensor networks. It is assumed to be 30 Bytes used in Tiny OS.

각 디바이스들은 수집한 정보의 특성에 맞게 고정된 크기의 데이터를 평균 발생률(λ)을 갖는 Poisson 분포로 발생하되 센서 디바이스의 평균 발생률(λ)과 GTS 디바이스의 평균 발생률(λ)를 각각 다르게 지정하였다. 본 발명에서 적용되는 시스템은 M/D/1모델링 기법을 사용했다.Each device generates fixed-size data according to the characteristics of the collected information in a Poisson distribution with an average incidence (λ), but specifies an average incidence (λ) of the sensor device and an average incidence (λ) of the GTS device, respectively. . The system applied in the present invention used M / D / 1 modeling technique.

시뮬레이션은 두 부분으로 나누어, 세션 데이터와 관련하여서는 프레임 구조 의 변경으로 인하여 나타나는 장점을 부각시키기 위하여 재전송 기법과 표준의 3번의 backoff 와 4번의 reset 이후에도 fail일 경우에는 Drop되는 과정을 거쳤고, Reservation과 관련하여서는 앞부분과는 독립적이기 때문에 Drop되는 과정을 생략하였다.The simulation is divided into two parts, and the session data is dropped in case of failure even after 3 backoffs and 4 resets of the retransmission scheme and standard to highlight the advantages of the frame structure. In this case, the drop process is omitted because it is independent from the previous part.

평균 서비스 지연은 다음과 같이 계산을 하였다.The average service delay was calculated as follows.

(여기서, N : 노드 수, T_d : 각 노드의 패킷이 성공적으로 도착한 시각, T_x : 각 노드의 패킷이 처음 생성된 시각, N_p : 각 노드의 성공적으로 전송된 패킷 수)Where N : Number of nodes, T _d : Time when each node arrived successfully, T _x : time when each node first generated packet, N _p : number of successfully transmitted packets by each node)

다음은 평균 에너지 소모량을 측정한 것이다.The following is a measure of average energy consumption.

(여기서, E_o : 각 노드의 초기 에너지, E_t : t 시간 후의 남은 에너지)(E _o : initial energy of each node, E _t : remaining energy after t time)

다음은 전송한 패킷 성공률을 측정한 것이다.The following is a measure of the packet success rate.

(여기서, N_c : 각 노드의 발생한 패킷(이벤트) 수)Where N _c : Number of packets (events) that occurred on each node)

본 발명에서는 여러 노드가 하나의 네트워크를 구성하고 그 Pico-Net 안에서 마스터는 1초마다 Beacon을 broadcast하고 센서 데이터와 GTS 컨트롤 정보 모두 CAP구간의 경쟁을 통해서 마스터와 통신을 시도한다. 마스터는 요청된 메시지를 모두 수용하고 GTS 할당을 요구 받았을 경우에는 요청한 순서대로 Queuing하고 있다가 서비스할 수 있는 조건이 만족하면 서비스 해 주고 그렇지 못하면 일정 시간이 지난 후 버려진다. 본 발명에서 사용된 시뮬레이션 파라미터들을 표 1에서 나타내였다.In the present invention, several nodes form one network, and in Pico-Net, the master broadcasts a beacon every second, and both the sensor data and the GTS control information attempt to communicate with the master through competition between CAP sections. If the master accepts all the requested messages and is requested to allocate the GTS, the master is queuing in the order requested and if the service conditions are met, the master provides service. The simulation parameters used in the present invention are shown in Table 1.

ParametersParameters ValuesValues 데이터 전송률Data rate 250kbps (2.4 GHz)250 kbps (2.4 GHz) Sensor traffic arrival timeSensor traffic arrival time Poisson (λ=1.0 ~ 2.0)Poisson (λ = 1.0 to 2.0) 노드 개수Number of nodes 30개30 데이터 패킷 사이즈Data packet size 60 bytes60 bytes 컨트롤 패킷 사이즈Control packet size 20 bytes20 bytes Beacon intervalBeacon interval 0.5 sec0.5 sec Duty cycle (active / total status)Duty cycle (active / total status) 50%50% Session holding timeSession holding time 30 sec30 sec 에너지 소모량 (Tx or Rx / sleep)Energy consumption (Tx or Rx / sleep) 1mW/100μW1 mW / 100 μW 시뮬레이션 시간Simulation time 1200초1200 sec

본 발명에서는 블루투스(bluetooth) 환경과 같이 Beacon Interval을 0.5초로 정하고 시뮬레이션 했다. 그리고 Session Holding Time은 Application을 고려하여 Exponential Distribution이 아닌 상수 값을 주었다.In the present invention, the Beacon Interval is set to 0.5 seconds and simulated like a Bluetooth environment. The session holding time was given a constant value, not an exponential distribution, considering the application.

[세션 데이터와 관련된 성능 평가][Performance Assessment Related to Session Data]

도 14는 표준의 IEEE 802.15.4의 방식과 본 발명의 방식을 GTS 디바이스를 늘려감에 따라서 서비스 Blocking Ratio를 비교한 그래프이다.FIG. 14 is a graph comparing service blocking ratios according to an increase in a GTS device using the standard IEEE 802.15.4 scheme and the inventive scheme.

본 발명의 방식이 처음에 마스터에 접근할 때 거의 1/2의 시간 차이로 빠르게 서비스를 받는 것을 확인할 수 있다. 이것은 앞서 프레임 구조에서도 예상할 수 있는데 본 발명의 구조상 request와 응답이 바로 이루어진다는 장점이 있기 때문이다.It can be seen that the scheme of the present invention is quickly serviced by a time difference of almost 1/2 when initially approaching the master. This can be expected in the frame structure as it has the advantage that the request and response is made immediately in the structure of the present invention.

또한, 도 14에서 보듯이 GTS 서비스 Blocking Ratio에서는 거의 차이가 없는 것을 알 수 있다. Session holding time이 30sec인 것을 보면 GTS 사용 노드 수가 7개 이상일 때 서비스 Blocking Ratio가 급격히 늘어남을 볼 수 있는데 이는 프레임에서 마스터가 최대 7개까지 GTS 슬롯을 허용하기 때문이다. 이 부분은 데이터 reservation이 추가 된다면 개선되어야 할 부분이라 생각된다. 또한 Session holding time이 60sec일 경우에는 30sec일 경우보다 서비스 Blocking Ratio가 급격히 나빠짐을 볼 수 있는데 이는 충돌로 인한 지연보다는 Queuing Delay에 기원한다. In addition, as shown in FIG. 14, there is almost no difference in the GTS service blocking ratio. If the session holding time is 30sec, the service blocking ratio increases rapidly when the number of GTS nodes is 7 or more because the master allows up to 7 GTS slots in the frame. This part should be improved if data reservation is added. In addition, if the session holding time is 60sec, the service blocking ratio is significantly worse than that of 30sec. This originates in Queuing Delay rather than delay due to collision.

도 15는 Session holding time을 60sec로 두고 GTS를 사용하는 노드 수가 4개와 6개로 고정된 환경에서 센서 노드 수가 늘어갈수록 GTS 서비스에 걸리는 지연에 미치는 영향을 시뮬레이션 한 결과이다. FIG. 15 is a result of simulating the effect of delay on GTS service as the number of sensor nodes increases in an environment where the number of nodes using GTS is fixed to 4 and 6 with a session holding time of 60 sec.

도 15에서 보면 GTS 서비스 지연은 센서 노드 수가 늘어남에 따라 오히려 줄어듦을 볼 수 있다. 이는 CFP 구간에서 GTS 컨트롤 Packet이 충돌로 인해 많이 버려지기 때문인데 경쟁을 통해 마스터에 GTS를 요청하다 버려지는 것은 블로킹 비율을 떨어뜨리긴 하지만 GTS 서비스 지연에는 영향을 못 미침을 알 수 있다. 오히려 충돌 때문에 버려지는 Packet이 많음으로 인해서 마스터에서 Queuing되는 노드 수 가 적어져서 서비스 지연이 줄어들게 된다. 15, it can be seen that the GTS service delay decreases as the number of sensor nodes increases. This is because a lot of GTS control packets are discarded due to collisions in the CFP section. However, discarding a GTS request from a master through a competition lowers the blocking rate but does not affect the GTS service delay. Rather, due to the large number of packets discarded due to collisions, service delay is reduced because the number of nodes queued from the master is small.

도 16은 도 15에 도시된 바를 분석해 보기 위한 Blocking Ratio 그래프이다.FIG. 16 is a Blocking Ratio graph for analyzing the bar shown in FIG. 15.

도 16에서 보듯이 전체적으로 센서 노드 수가 늘어남에 따라 충돌로 인해서 서비스 Blocking Ratio가 늘어남을 볼 수 있다. 특히 GTS를 사용하는 노드 수가 6개일 때가 4개일 때보다 서비스 지연이 훨씬 많은데 이는 GTS를 사용하는 노드 수가 GTS 할당을 요구할 때 컨트롤 Packet이 3번 전송과 ACK의 과정을 거치기 때문이다.As shown in FIG. 16, as the overall number of sensor nodes increases, the service blocking ratio increases due to a collision. In particular, the service delay is much higher than when the number of 6 nodes using GTS is 4, because the control packet goes through 3 times of transmission and ACK when the number of nodes using GTS requires GTS allocation.

[Reservation 과 관련된 성능 평가][Performance Evaluation Related to Reservation]

도 17은 Reservation 방식을 사용했을 때와 사용하지 않을 때의 비교를 나타낸 것이다. 여기서 이슈는 Reservation을 통해 TDM 방식을 Data를 보낼 때도 허용하되 Threshold 값을 어떤 방식으로 줄 것인가이다. 각 노드에서 데이터가 Threshold 값보다 클 경우에만 즉, 데이터가 큐에 많이 쌓여 있을 경우에만 TDM방식을 사용하는 것인데 여기에는 약간의 오버헤드가 따른다. 즉 예약을 미리 하기 위해서 컨트롤 패킷이 필요하기 때문에 일정 기준 이상의 패킷을 한번에 보낼 때에만 이득을 얻을 수 있다. 반대로 Threshold 값을 너무 크게 하면 TDM 방식을 사용하는 것이 무용지물이 될 것이기 때문에 이러한 값을 정하는 것이 중요한 문제라 하겠다.Fig. 17 shows a comparison between using the reservation method and not using the reservation method. The issue here is how to allow the TDM method to send data through Reservation but how to reduce the threshold value. The TDM method is used only when the data at each node is larger than the Threshold value, that is, when a large amount of data is accumulated in the queue, which requires some overhead. In other words, since a control packet is required to make a reservation in advance, a gain can be obtained only when a packet having a predetermined threshold or more is sent at once. On the contrary, it is important to set these values because using the TDM method will be useless if the threshold value is set too high.

도 18에 도시된 바와 같이 서비스 지연에서 데이터 발생률이 늘어남에 따라 본 발명이 이득이 있음을 알 수가 있다. 특히 이종 센서가 있는 경우에 더욱 차이가 나는 것으로 보아서 효과가 더욱 큰 것을 알 수 가 있고, 실제로 무선 센서망의 환경도 이와 같다고 가정했을 때, 본 발명의 성능은 무선 센서망의 특성에 적합하다고 할 수 있다. As shown in FIG. 18, it can be seen that the present invention has an advantage as the data generation rate increases in service delay. In particular, when there is a heterogeneous sensor, it can be seen that the difference is more effective. In fact, it is assumed that the environment of the wireless sensor network is the same, and the performance of the present invention is suitable for the characteristics of the wireless sensor network. Can be.

다음으로 살펴볼 부분은 에너지 변화이다.The next part to look at is energy change.

에너지 부분은 앞부분의 서비스 지연과 상당히 연관이 있다고 할 수 있다. 즉 에너지 소모는 주로 CSMA 구간의 충돌로 인하여 생기기 때문에 서비스 지연도 생기기 때문이다. 도 19와 도 20에 도시된 바와 같이 이종 센서망의 결과 그래프의 차이 값이 더 크게 나는 것도 서비스 지연과 상관이 있다고 할 수 있다. 이 결과는 도 21과 도 22의 패킷 전송률과도 깊은 상관 관계를 갖고 있다.The energy part is very much related to the service delay in the previous part. That is, since energy consumption is mainly caused by collision between CSMA sections, service delay is also caused. As shown in FIG. 19 and FIG. 20, it can be said that the difference between the result graphs of the heterogeneous sensor networks is larger than the service delay. This result also has a close correlation with the packet transmission rate of FIG. 21 and FIG.

이종 센서망의 경우 어느 한 지역에서만 집중적으로 데이터가 발생하므로 그 곳의 센서 노드만 reservation하여 전송하면 되기 때문에 패킷 전송률에서도 높은 전송률을 얻는 것을 볼 수 있다. 전체적으로, 서비스 지연이나 에너지 소모, 성공한 패킷 전송률이 모두 깊은 상관 관계가 있고, 또 이러한 것이 본 발명을 사용했을 경우 높은 성능을 보임을 알 수 있다. 이러한 결과로 본 발명이 무선 센서망의 특성을 고려한 최적의 MAC 프로토콜임을 증명하였다.In the case of heterogeneous sensor networks, data is intensively generated in only one region, so only the sensor nodes in the region need to be reserved and transmitted, and thus a high transmission rate can be obtained even at a packet transmission rate. Overall, service delay, energy consumption, and successful packet transfer rate all correlate deeply, and this shows high performance when the present invention is used. These results proved that the present invention is the optimal MAC protocol considering the characteristics of the wireless sensor network.

본 발명에서는 무선 센서망 환경에 적합한 MAC 프레임 구조와 스케줄링 기법을 제안하였는데, 이는 기존에 제안된 MAC 프로토콜이 지금의 무선 센서망의 특징과는 거리가 있기 때문이다. 즉, 무선 센서망에는 지역적으로 또는 시간적으로 집중적인 데이터가 발생하기 때문에 에너지 소모를 최소화 시키기 위한 정책뿐만 아니라 데이터 발생이 많이 일어 났을 때 빠르고 효과적으로 대응할 수 있는 시스템이 요구되기 때문이다. 저전력이나 저복잡성의 프로토콜의 특성 이외에도 CSMA의 단순한 알고리즘은 폭증하는 데이터 환경에서는 효율이 급격이 떨어지고, TDMA는 평소의 무선 센서망 에서는 채널 낭비가 심하다는 단점이 있다.The present invention proposes a MAC frame structure and scheduling scheme suitable for a wireless sensor network environment, because the proposed MAC protocol is far from the characteristics of the current wireless sensor network. That is, because the wireless sensor network generates data intensively locally or temporally, not only a policy for minimizing energy consumption but also a system that can respond quickly and effectively when a lot of data occurs. In addition to the characteristics of low power and low complexity protocols, CSMA's simple algorithms suffer from drastically reduced efficiency in explosive data environments, and TDMA suffers from channel waste in conventional wireless sensor networks.

첫 번째로 본 발명에서는 서비스를 할 때 서비스 지연을 최소화 시키는 Superframe 구조와 알고리즘을 제안하였다. 특히 무선 개인망의 표준으로 제시된 IEEE 802.15.4 시스템의 프레임 구조는 무선 센서망 환경에서도 확장성과 서비스 QoS를 모두 만족시킬 수 있는 좋은 대안이지만, 구조적으로 서비스 지연이 생긴다는 단점이 있다. 본 발명은 같은 환경에서 GTS 디바이스를 늘려감에 따라 또는 센서 노드 수를 늘려감에 따라 같은 서비스 Blocking 비율을 유지하면서도 더 나은 서비스 지연을 만족시키는 방안을 MAC 프로토콜의 구조적인 접근을 통해서 알아 보았다. 특히 위급한 상황에서의 서비스 지연은 매우 중요한 문제이기 때문에 향후 유비쿼터스 네트워크에서 헬스케어와 같은 시스템에 적용이 가능하리라 본다. 게다가 한 Hop 이 아닌 Multi-hop 환경으로 갈 경우에 나타날 이점을 생각한다면 프레임 구조 변경으로 인하여 생기는 약간의 가드타임(guide time)은 무시될 만하다.First, the present invention proposes a superframe structure and algorithm that minimizes service delay during service. In particular, the frame structure of the IEEE 802.15.4 system, which is proposed as a wireless personal network standard, is a good alternative to satisfy both scalability and service QoS even in a wireless sensor network environment, but has a disadvantage in that service delay occurs. According to the present invention, a method of satisfying a better service delay while maintaining the same service blocking rate according to increasing the number of GTS devices or increasing the number of sensor nodes in the same environment has been found through a structural approach of the MAC protocol. In particular, since service delay is an important issue in an emergency situation, it is expected to be applicable to systems such as healthcare in the ubiquitous network in the future. In addition, some guard time due to the change in the frame structure is negligible considering the benefits of going to a multi-hop environment instead of just one hop.

두 번째로 무선 센서망의 이벤트 발생 특성을 고려하여 데이터가 많이 발생하는 가운데서도 에너지 소모를 최소화 시키면서 전송률을 높일 수 있는 방안을 제시했다. 즉 데이터가 일정 수준 이상일 경우에 예약을 통한 GTS 활용을 하여 데이터를 보냄으로써 CSMA 구간에서의 충돌을 줄이고 전체적인 시스템의 전송률을 올릴 수 있는 방안이다. 여기서 GTS는 기존의 Guaranteed Time Service 의 의미와는 약간 다른 TDM의 의미가 더 어울릴 것이다. 즉 기존의 한번 예약하면 언제 끝날지 알지 못하는 세션 단위의 서비스가 아닌 데이터 단위로서 해제 과정이 필요 없다는 특징이 있다. 이러한 과정은 서비스 지연을 줄일 뿐 아니라 에너지를 줄이는 효과도 있고 더불어 전체적으로 패킷 전송률도 높이는 장점을 가진다.Second, in consideration of the event occurrence characteristics of the wireless sensor network, we proposed a method to increase the transmission rate while minimizing energy consumption in the event of a lot of data. In other words, if the data is above a certain level, by using the GTS through reservation and sending the data, it is possible to reduce the collision in the CSMA section and increase the overall transmission rate of the system. Here, GTS will be more appropriate to the meaning of TDM, which is slightly different from the meaning of the existing Guaranteed Time Service. In other words, it does not need to be released as a data unit rather than a session unit service that does not know when the existing reservation ends. This process not only reduces service delay, but also saves energy and has the advantage of increasing the packet transmission rate as a whole.

아직까지 무선 센서망은 초기 단계로서 무선 센서망만의 표준화 단계 조차도 이루어지지 않고 있다. 이러한 가운데 특히 MAC 프로토콜은 중요한 기술 요소일 뿐만 아니라 다른 기술 요소들의 기반 기술이 되기 때문에 여기서 더욱 발전시킨 프로토콜이 개발된다면, 무선 센서망 기술은 앞으로 다가올 유비쿼터스 네트워크의 중요한 부분을 담당할 수 있을 것이다.So far, the wireless sensor network is in its infancy and not even the standardization stage of the wireless sensor network. In particular, since the MAC protocol is not only an important technology element but also a foundation technology of other technology elements, if a further developed protocol is developed, the wireless sensor network technology may play an important part of the upcoming ubiquitous network.

본 발명은 효율적인 무선통신 방법을 제공할 수 있는 장점이 있다.The present invention has the advantage of providing an efficient wireless communication method.

Claims

In a wireless communication network,

A first step of transmitting a packet for data communication from a device to a master through a contention access period;

Transmitting a beacon for a data communication connection from the master to a device;

And a third step of performing data communication between the device and the master through a contention avoidance period.

The method of claim 1,

And the wireless communication network is a wireless sensor network.

The method of claim 1,

The wireless communication method further comprises the step of performing a direct communication between the device and the device through the contention avoidance interval in response to a device request.

The method of claim 1,

The packet transmitted from the device to the master includes a data packet and a control packet.

The method of claim 4, wherein

And if the packet transmitted from the device to the master is a control packet, the backoff time is shorter than that of the data packet.

In the wireless communication method based on the medium access control,

A first step in which aperiodic data and control packets are transmitted from the device to the master through the contention access period;

A second step of transmitting, from the master, an ID and an order of a device capable of performing a data communication service;

And a third step of transmitting periodic data between the device and the master through a contention avoidance interval.

The method of claim 6,

And transmitting the aperiodic data through the contention avoidance section when the aperiodic data is generated beyond the set reference.

The method of claim 7, wherein

And wherein the aperiodic data is transmitted through a TDM slot.

The method of claim 7, wherein

The aperiodic data transmitted through the contention avoiding interval is transmitted in data units.