KR100968346B1 - Dynamic gts allocation method for wireless control network using ieee 802.15.4 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 IEEE 802.15.4 기반의 무선 제어 네트워크를 위한 동적 GTS할당 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a dynamic GTS allocation method for an IEEE 802.15.4 based radio control network.
더욱 상세하게는 (a) I/O 디바이스의 프로파일 정보를 조정자 노드가 읽어 들이는 단계와, (b) GTS할당테이블의 갱신조건을 연산하는 단계와, (c) 상기 조정자 노드가 읽어 들인 상기 I/O 디바이스 프로파일 정보를 바탕으로 GTS할당테이블을 생성하는 단계와, (d) 상기 조정자 노드가 읽어들이는 상기 I/O 디바이스 프로파일 정보의 변화여부를 판단하는 단계 및 (e) 상기(d)단계의 판단결과와 상기(b)단계의 연산결과에 따라 GTS할당테이블을 갱신하는 단계를 포함하는 IEEE 802.15.4 기반의 무선 제어 네트워크를 위한 동적 GTS할당 방법에 관한 것이다.More specifically, (a) reading the profile information of the I / O device by the coordinator node, (b) calculating an update condition of the GTS allocation table, and (c) the I read by the coordinator node. Generating a GTS allocation table based on / O device profile information; (d) determining whether the I / O device profile information is read by the coordinator node; and (e) step (d). The present invention relates to a dynamic GTS allocation method for an IEEE 802.15.4 based radio control network, comprising updating the GTS allocation table according to the determination result of the operation and the operation result of step (b).
본 발명은 단일 PAN환경에서 각 GTS내에서의 네트워크 이용률과 지원 가능한 노드 수를 증가시키는 효과가 있다.The present invention has the effect of increasing the network utilization and the number of nodes that can be supported in each GTS in a single PAN environment.
GTS할당테이블, I/O디바이스 GTS allocation table, I / O device
Description
본 발명은 IEEE 802.15.4 기반의 무선 제어 네트워크를 위한 동적 GTS할당 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a dynamic GTS allocation method for an IEEE 802.15.4 based radio control network.
더욱 상세하게는 I/O디바이스의 프로파일정보를 바탕으로 일정조건에 따라 GTS할당테이블을 갱신하여 네트워크의 이용률과 지원가능한 무선 I/O 노드를 증가 시키는 IEEE 802.15.4 기반의 무선 제어 네트워크를 위한 동적 GTS할당 방법에 관한 것이다.More specifically, it is a dynamic scheme for an IEEE 802.15.4 based wireless control network that increases the utilization of the network and the supportable wireless I / O nodes by updating the GTS allocation table according to certain conditions based on the profile information of the I / O device. It is about how to allocate GTS.
무선 통신 기술의 비약적인 발전에 힘입어 무선 통신 기술을 산업용 제어 네트워크에 적용하려는 시도가 이루어지고 있다. 무선 통신 기술 기반의 산업용 제어 네트워크 기술을 적용하게 되면 케이블이 필요치 않게 되므로, 장치의 이동성, 설치, 유지/보수 측면에서 큰 장점을 가질 수 있다. 현재 무선 제어 네트워크에 적용할 수 있는 상용 무선 통신기술로는 IEEE 802.11 표준의 무선 랜 기술과 IEEE 802.15.1 블루투스, 그리고 저속 근거리 무선 통신인 IEEE 802.15.4 기술 등이 있 다. With the rapid development of wireless communication technology, attempts have been made to apply wireless communication technology to industrial control networks. The application of industrial control network technology based on wireless communication technology eliminates the need for cables, which can have great advantages in terms of device mobility, installation, and maintenance. Commercially available wireless communication technologies applicable to the wireless control network include wireless LAN technology of the IEEE 802.11 standard, IEEE 802.15.1 Bluetooth, and IEEE 802.15.4 technology, which is a low-speed short-range wireless communication.
3가지 상용 무선 통신 기술 중에서 IEEE 802.11 기술을 산업용 제어 네트워크에 적용하려는 시도가 가장 먼저 이루어졌다. 하지만, 802.11 기술을 단독으로 적용하기 보다는 기존 제어 네트워크와 결합하는 형태로서 연구되어 왔다. 가장 대표적인 예로는 프로피버스(PROFIBUS)와 IEEE 802.11을 결합하는 하이브리드(Hybrid)형태의 무선 제어 네트워크를 들 수 있다. Among the three commercial wireless communication technologies, the first attempt was made to apply IEEE 802.11 technology to an industrial control network. However, it has been studied as a form of combining with an existing control network rather than applying 802.11 technology alone. The most representative example is a hybrid wireless control network that combines PROFIBUS and IEEE 802.11.
이와 더불어 IEEE 802.15.1 표준의 블루투스 기술을 이용한 무선 제어 네트워크 역시 제안되었다. IEEE 802.11 기술의 경우는 고가의 설치비용, 비교적 큰 전력 소모 그리고 지연 확산(Delay Spectrum)의 문제점을 가지고 있다. In addition, a wireless control network using Bluetooth technology of the IEEE 802.15.1 standard has also been proposed. In the case of IEEE 802.11 technology, there are problems of expensive installation cost, relatively large power consumption, and delay spectrum.
대용량 데이터 전송이 용이하다는 장점에도 불구하고, 이러한 문제점들은 IEEE 802.11 기술의 산업 환경으로의 적용을 어렵게 하고 있다. 블루투스 기술의 경우는 IEEE 802.11에 비해 노드의 가격도 저렴하고 전송속도(723kbit, 2.4GHZ) 도 크게 뒤지지 않는다. 하지만, 지원 가능한 노드 수가 극히 제한적이며 전송거리가 짧아서 다수의 센서와 구동기가 위치하는 넓은 현장에서 사용하는 것은 불가능하다. Despite the advantages of easy data transfer, these problems make it difficult to apply IEEE 802.11 technology to industrial environments. In the case of Bluetooth technology, a node is less expensive than IEEE 802.11, and the transmission speed (723 kbit, 2.4 GHZ) is not far behind. However, the number of nodes that can be supported is extremely limited and the transmission distance is short, making it impossible to use in a large field with many sensors and drivers.
IEEE 802.15.4 기술은 무선 센서와 제어장치를 위한 특수한 요구사항을 만족하면서 저비용, 저 전력을 목적으로 설계된 저속 근거리 무선 통신 기술이다. IEEE 802.15.4 technology is a low-speed short-range wireless communication technology designed for low cost and low power while meeting the special requirements for wireless sensors and controllers.
따라서 저렴한 노드 설치비용과 낮은 전력 소모라는 장점을 기본적으로 가지고 있다. 또한, IEEE 80.15.4 기술은 많은 수의 노드 구성을 지원할 수 있으며, 각 노드 간에 매쉬(Mesh) 네트워크 형성을 통해서, 넓은 통신 거리 또한 확보할 수 있 다. 전송 속도의 측면에서도, 일반적으로 산업 환경에서는 망의 관리를 위한 메시지 데이터를 제외하고는 대부분의 데이터가 매우 작기 때문에, 충분한 경쟁력을 가지고 있다. 이러한 장점들은 무선 통신 기술 기반의 산업용 제어 네트워크로서 IEEE 80.15.4기술이 충분이 적용될 수 있음을 보여주는 근거라 할 수 있다. Therefore, it has the advantages of low node installation cost and low power consumption. In addition, IEEE 80.15.4 technology can support a large number of node configurations, and by establishing a mesh network between each node, a wide communication distance can be secured. In terms of transmission speed, in general, in the industrial environment, most of the data is very small except for the message data for network management, so it has sufficient competitiveness. These advantages are the basis for demonstrating that IEEE 80.15.4 technology can be sufficiently applied as an industrial control network based on wireless communication technology.
이와 같은 많은 장점에도 불구하고, IEEE 802.15.4 기술을 산업용 제어 네트워크에 적용하기 위해서는 두 가지의 큰 문제점을 해결해야 한다. 두 가지의 문제점은 각 실시간 주기 I/O 데이터 노드의 실시간성을 만족하는 것과 많은 수의 I/O 데이터 노드를 지원할 수 있어야 한다는 점이다. 이러한 문제점은 일반적으로 산업 환경이 매 전송주기 마다, 엄격한 데드라인을 요구하는 많은 수의 I/O 데이터 노드들로 구성되기 때문이다.Despite these many advantages, two major challenges must be addressed in order to apply IEEE 802.15.4 technology to industrial control networks. Two problems are satisfying the real-time nature of each real-time periodic I / O data node and being able to support a large number of I / O data nodes. This problem is typically due to the fact that the industrial environment consists of a large number of I / O data nodes that require strict deadlines at every transmission cycle.
IEEE 802.15.4 표준 기술에서는 GTS(Guaranteed Time Slot)의 기능을 통해, 실시간 주기 데이터 노드들을 지원하게끔 하고 있다. 하지만, GTS 할당 기법 자체의 한계로 인해, 최대 7개의 I/O 노드만이 지원가능하다. 또한, 하나의 GTS내에서 낮은 네트워크 이용률(Network Utilization)을 보여준다. 예를 들어, 하나의 타임 슬롯으로 구성된 GTS를 사용한다고 할 때, 1.6kbps의 데이터 도착율을 가지는 I/O 노드의 경우 약13%의 네트워크 이용률을 나타낸다. 이러한 한계로 인해 실제 산업 현장에 적용하기에는 많은 문제점이 있었다.The IEEE 802.15.4 standard technology supports the real-time periodic data nodes through the function of the Guaranteed Time Slot (GTS). However, due to the limitations of the GTS allocation scheme itself, only up to seven I / O nodes can be supported. It also shows low Network Utilization within one GTS. For example, assuming that a GTS consisting of one time slot is used, an I / O node having a data arrival rate of 1.6 kbps represents about 13% network utilization. Due to these limitations, there are many problems in applying them to actual industrial sites.
[참고문헌][references]
[1] IEEE 802.15.4 Standard-2003, "Part 15.4: Wireless MediumAccessControl (MAC) and Physical La-yer (PHY) Specifications for Low- Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)", IEEE-SA Standards Board, 2003.[1] IEEE 802.15.4 Standard-2003, "Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical La-yer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)", IEEE-SA Standards Board, 2003.
[2] Koubaa, A. Alves, M. Tovar, E. “A comprehensive simulation study of slotted CSMA/CA for IEEE 802.15.4 wireless sensor networks” IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, 183- 192, June 27, 2006[2] Koubaa, A. Alves, M. Tovar, E. “A comprehensive simulation study of slotted CSMA / CA for IEEE 802.15.4 wireless sensor networks” IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, 183- 192, June 27, 2006
[3] Petrova, M. Riihijarvi, J. Mahonen, P. Labella, S. “Performance Study of IEEE 802.15.4 Using Measurements and Simulations“ IEEE Wireless Communications and Networking Conference, 2006. WCNC Vol 1, page 487- 492, 3-6 April 2006[3] Petrova, M. Riihijarvi, J. Mahonen, P. Labella, S. “Performance Study of IEEE 802.15.4 Using Measurements and Simulations“ IEEE Wireless Communications and Networking Conference, 2006. WCNC
[4] Li-chun Ko, Yung-chih Liu, Hua-wei Fang “Design and Implementation of IEEE 802.15.4 Beacon-enabled Network Devices" Fourth Annual IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops, 2006. PerCom Workshops 2006. 13-17 March 2006[4] Li-chun Ko, Yung-chih Liu, Hua-wei Fang “Design and Implementation of IEEE 802.15.4 Beacon-enabled Network Devices” Fourth Annual IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops, 2006. PerCom Workshops 2006. 13-17 March 2006
[5] D-H.Choi and D-S.Kim, "Wireless Fieldbus for Networked Control System using LR-WPAN", International Journal of Control, Automation, and Systems, vol. 6, no. 1, pp. 1-7, February 2007 [5] D-H.Choi and D-S.Kim, "Wireless Fieldbus for Networked Control System using LR-WPAN", International Journal of Control, Automation, and Systems, vol. 6, no. 1, pp. 1-7, February 2007
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 단일 PAN환경에서 각 GTS내에서의 네트워크 이용률과 지원 가능한 노드 수를 증가시키는 IEEE 802.15.4 기반의 무선 제어 네트워크를 위한 동적 GTS할당 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems described above, and a dynamic GTS allocation method for an IEEE 802.15.4 based radio control network that increases the network utilization and the number of nodes that can be supported in each GTS in a single PAN environment. The purpose is to provide.
전술한 바와 같은 목적은 (a) I/O 디바이스의 프로파일 정보를 조정자 노드가 읽어 들이는 단계와, (b) GTS할당테이블의 갱신조건을 연산하는 단계와, (c) 상기 조정자 노드가 읽어 들인 상기 I/O 디바이스 프로파일 정보를 바탕으로 GTS할당테이블을 생성하는 단계와, (d) 상기 조정자 노드가 읽어들이는 상기 I/O 디바이스 프로파일 정보의 변화여부를 판단하는 단계 및 (e) 상기(d)단계의 판단결과와 상기(b)단계의 연산결과에 따라 GTS할당테이블을 갱신하는 단계를 포함하는 IEEE 802.15.4 기반의 무선 제어 네트워크를 위한 동적 GTS할당 방법을 제공함으로써 달성된다.The above-mentioned objectives include (a) reading the profile information of the I / O device by the coordinator node, (b) calculating the update conditions of the GTS assignment table, and (c) reading the coordinator node. Generating a GTS allocation table based on the I / O device profile information, (d) determining whether the I / O device profile information changed by the coordinator node is changed, and (e) the (d) It is achieved by providing a dynamic GTS allocation method for the IEEE 802.15.4-based radio control network including updating the GTS allocation table according to the determination result of step) and the operation result of step (b).
본 발명의 바람직한 특징에 따른 IEEE 802.15.4 기반의 무선 제어 네트워크를 위한 동적 GTS할당 방법에서 상기(b)단계의 갱신조건은, 하기 식 1 로 연산되는 허용지연범위와, 하식 식 2로 연산되는 각 GTS에서의 네트워크 이용률로 이루어진다. In the dynamic GTS allocation method for the IEEE 802.15.4-based radio control network according to a preferred feature of the present invention, the update condition of step (b) is calculated by the following equation. Network utilization in each GTS.
(식 1)
여기서,Ddb 는 허용지연범위이다.Where D db is the allowable delay range.
(식 2) 
여기서, Bi D 는 각 GTS에서의 네트워크 이용률이다. Where B i D Is the network utilization at each GTS.
본 발명의 바람직한 특징에 따른 IEEE 802.15.4 기반의 무선 제어 네트워크를 위한 동적 GTS할당 방법에서 각 GTS의 구간길이가 0.96ms이고, 상기 BI가 15.36ms인것을 특징으로 한다,In the dynamic GTS allocation method for an IEEE 802.15.4 based wireless control network according to a preferred feature of the present invention, the interval length of each GTS is 0.96 ms, and the BI is 15.36 ms.
본 발명의 바람직한 특징에 따른 IEEE 802.15.4 기반의 무선 제어 네트워크를 위한 동적 GTS할당 방법에서 I/O노드의 전송주기는 하기식 3을 만족한다. In the dynamic GTS allocation method for an IEEE 802.15.4 based radio control network according to a preferred feature of the present invention, the transmission period of an I / O node satisfies
(식 3) 
본 발명의 바람직한 특징에 따른 IEEE 802.15.4 기반의 무선 제어 네트워크를 위한 동적 GTS할당 방법은, 만일 상기 I/O 디바이스의 프로파일 정보가 변화되지 않은 경우 현재의 GTS할당테이블을 유지하고, 상기 I/O디바이스의 프로파일 정보가 변화된 경우 상기(b)단계에서 연산된 GTS할당테이블의 갱신조건의 만족여부를 판단하여 갱신조건을 만족하는 경우 변화된 프로파일 정보에 따라 GTS할당테이블을 갱신하고 갱신조건을 만족하지 않은 경우 현재의 GTS할당테이블을 유지하는 것을 특징으로 하는 상기(e)단계를 포함한다.The dynamic GTS allocation method for an IEEE 802.15.4 based radio control network according to a preferred aspect of the present invention maintains a current GTS allocation table if the profile information of the I / O device has not changed and maintains the I / O. When the profile information of the O device is changed, it is determined whether the update condition of the GTS assignment table calculated in step (b) is satisfied. If the update condition is satisfied, the GTS assignment table is updated according to the changed profile information and the update condition is not satisfied. If not, the step (e), characterized in that for maintaining the current GTS assignment table.
상술한 바와 같은 본 발명인 IEEE 802.15.4 기반의 무선 제어 네트워크를 위한 동적 GTS할당 방법은, 단일 PAN환경에서 각 GTS내에서의 네트워크 이용률과 지원 가능한 노드 수를 증가시켜 IEEE 802.15.4 무선통신기술을 산업용 Field Bus에 적용 가능하도록 일정한 조건을 충족시키는 효과가 있다.As described above, the dynamic GTS allocation method for the IEEE 802.15.4-based wireless control network increases the network utilization and the number of nodes that can be supported in each GTS in a single PAN environment. It has the effect of satisfying certain conditions to be applicable to industrial field bus.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 IEEE 802.15.4 기반의 무선 제어 네트워크를 위한 동적 GTS할당 방법에 관해 상세히 설명한다.Hereinafter, a dynamic GTS allocation method for an IEEE 802.15.4 based radio control network according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에서 사용한 슈퍼프레임 구조이다.1 is a superframe structure used in the present invention.
슈퍼프레임의 구조는 BO(Beacon Order)에 의해 결정된다. 하기 수학식 1에 이를 나타내었다.The structure of the superframe is determined by the BO (Beacon Order). This is shown in
SO는 활성(Active)구간의 길이를 결정하며, BO는 슈퍼프레임의 구간을 결정한다. 본 발명에서는 SO=BO=0의 설정을 통해, 가장 짧은 슈퍼프레임을 구성하였다. 이는 2.4GHZ대역의 250kbps의 전송률을 고려할 때, 15.36ms에 해당하며 기본 슈퍼프레임 구간(aBaseSuperframeDuration)과 동일하다. 슈퍼프레임의 활성구간을 구성하는 CAP는 반드시 최소 CAP길이인 aMinCAPLength(440symbol, 1symbol=4bits) 이상의 길이를 유지해야 한다. SO determines the length of an active section, and BO determines the duration of a superframe. In the present invention, the shortest superframe is configured by setting SO = BO = 0. This is equivalent to 15.36ms when considering the data rate of 250kbps in the 2.4GHZ band and is the same as the basic superframe duration (aBaseSuperframeDuration). The CAP constituting the active period of the superframe must maintain a minimum CAP length of aMinCAPLength (440symbol, 1symbol = 4bits).
또한 산업환경에서와 같은 매우 작은 I/O 데이터의 전송에 있어서, GTS를 구성하는 타임슬롯의 수가 증가하면 네트워크 이용률을 악화시키므로 두개 이상의 타임슬롯을 GTS로 구성하는 것은 바람직하지 못하며, 이러한 이유로 인해 GTS의 최대 한계인 7개를 모두 사용함과 동시에, 이러한 조건을 유지시키기 위해서는 하나의 타임 슬롯(Time Slot)을 하나의 GTS로 대응시키는 것이 가장 바람직하다. In addition, in the transmission of very small I / O data such as in an industrial environment, it is not preferable to configure two or more timeslots as GTSs because the increase in the number of timeslots constituting the GTS degrades network utilization. In order to maintain this condition while using all seven of the maximum limits of, it is most preferable to match one time slot to one GTS.
도 2는 GTS의 할당과정에서 요청 노드와 조정자 노드 사이에 전송되는 GTS 요청 프레임과 통지 프레임을 나타내고 있다. GTS를 할당 받기를 원하는 실시간 주기 I/O 데이터 노드는 CAP에서 GTS Request 프레임을 조정자(Coordinator) 노드에게 전송하게 된다.2 illustrates a GTS request frame and a notification frame transmitted between a request node and a coordinator node during the allocation process of the GTS. The real-time periodic I / O data node that wants to be allocated a GTS transmits a GTS request frame to a coordinator node in the CAP.
조정자 노드는 해당 노드의 요청을 수신한 후에, 확인(Acknowledge) 프레임을 전송한 후, GTS의 할당 가능 여부를 검사하게 된다. 이때, 조정자 노드는 GTS 결정지속시간(aGTSDescPersistenceTime)안에 GTS할당 여부를 결정해야 한다. 이것은 4개의 슈퍼프레임에 해당하는 시간으로서 GTS를 요청한 노드는 반드시 4개의 슈퍼프레임 시간동안 비콘닝(Beaconning)에 따라야 하기 때문이다. 만약, 해당 노드가 비콘 프레임을 수신하지 못하였을 경우, GTS의 할당은 실패하게 된다.After receiving the request of the node, the coordinator node transmits an acknowledgment frame and then checks whether the GTS can be allocated. At this time, the coordinator node must decide whether to allocate GTS within a GTS decision duration time (aGTSDescPersistenceTime). This is because the time corresponding to four superframes, the node requesting the GTS must follow beaconning for four superframes. If the node does not receive the beacon frame, the allocation of the GTS will fail.
마지막으로 CAP가 최소CAP길이(aMinCAPLength)을 초과하지 않고, 현재 GTS의 수가 7개에 도달하지 않았다면, 조정자 노드에 의해 해당 노드에 GTS를 할당 할 수 있다. GTS요청이 수락된 노드는 조정자 노드로부터, 비콘 프레임내 GTS 통지 프레임을 통해 이를 알게 된다. GTS 통지 프레임에는 GTS를 할당 받은 노드의 주소와 GTS 시작 타임 슬롯의 번호, 할당된 GTS의 길이 정보가 있다. GTS 통지 프레임은 GTS할당이 결정된 다음 슈퍼프레임에서 비콘(Beacon)프레임의 브로드캐스팅(Broadcasting)시 전송되기 때문에, CFP가 시작되면, 주소 필드에 해당하는 노드가 타임 슬롯 번호와 해당 GTS의 길이를 통해 자신의 GTS 타임 슬롯의 위치를 알 수 있다. 반대로 이에 해당하지 않은 노드들은 해당 GTS구간동안 채널 접근을 시도하지 않는다. Finally, if the CAP does not exceed the minimum CAP length (aMinCAPLength), and the current number of GTSs has not reached seven, the coordinator node can allocate the GTS to the node. The node that receives the GTS request learns from the coordinator node through the GTS notification frame in the beacon frame. The GTS notification frame includes the address of the node to which the GTS is allocated, the number of the GTS start time slots, and the length information of the allocated GTS. Since the GTS notification frame is transmitted when broadcasting the beacon frame in the superframe after the GTS allocation is determined, when the CFP starts, the node corresponding to the address field uses the time slot number and the length of the corresponding GTS. Know the location of your GTS time slot. On the contrary, nodes not corresponding to this do not attempt channel access during the corresponding GTS period.
도 3은 표준에서 제공하는 GTS할당 기법을 산업 환경의 실시간 주기 I/O 노드에 적용 시 발생하는 문제점을 보여준다. H, I, j, k 노드들은 그림 3에 나타난 구간에 자신의 GTS를 획득할 수 없다. 설사, 앞서 언급한 CAP최소 길이와 7개의 최대 GTS의 수 문제가 만족된 상태라 하여도 해당 시간의 GTS를 획득하지 못한다. 이는 표준에서 특정 슈퍼프레임상의 GTS 각각을 획득하는 노드의 주소가 유일하다고 규정하고 있기 때문이다.3 illustrates a problem that occurs when the GTS allocation scheme provided by the standard is applied to a real-time periodic I / O node in an industrial environment. H, I, j, and k nodes cannot acquire their GTS in the interval shown in Figure 3. Even if the CAP minimum length mentioned above and the number of seven maximum GTSs are satisfied, the GTS of the time cannot be obtained. This is because the standard specifies that the address of a node acquiring each GTS on a specific superframe is unique.
해당 GTS를 획득한 노드의 주소는 결코 2개 이상이 될 수 없다. 노드에 의한 GTS해지 요청이 GTS 요청 프레임상의 특성 타입 필드를 ‘0’으로 설정함으로 이루어 질 수 있다 (그림 2 참조). 만약, B 노드의 GTS 해제 과정이 이루어졌다고 할 때, H노드는 다음 슈퍼프레임의 해당 GTS슬롯이 아닌 일정의 지연시간을 감수해야 한다. 이는 IEEE 802.15.4의 GTS 해제 프로시저 특유의 특성 때문이다. There can never be more than one address of a node that has acquired the GTS. The GTS cancellation request by the node can be made by setting the property type field in the GTS request frame to '0' (see Figure 2). If the B node releases the GTS, the H node must take a certain delay time instead of the corresponding GTS slot of the next superframe. This is because of the peculiarities of the GTS release procedure of IEEE 802.15.4.
GTS 결정지속시간(aGTSDescPersistenceTime)동안은 이전에 GTS를 획득한 노드의 주소가 통지 프레임상에 반드시 존재하게 된다. 설사 이전에 해지 요청이 이루어 졌다고 하여도 이전 노드의 주소가 통지 프레임상에 존재하기 때문에 결코 새로운 노드는 GTS를 할당 받을 수도 사용할 수도 없다. 또한, GTS 결정지속시간(aGTSDescPersistenceTime)후에 해지 요청이 이루어졌다고 할 때는, 조정자 노드는 다음 슈퍼프레임에서 새롭게 해당 슬롯의 GTS를 요청하는 노드의 요청 프레임을 수신하게 된다. 그리고 해당 GTS의 할당 가능성은 다음 슈퍼프레임에서 이루어진다. 이처럼 GTS의 할당과 해제를 위해 일정 지연시간을 불가피하게 기다려야 하는 것이 IEEE 802.15.4 표준의 GTS 할당 매커니즘의 특징이라 할 수 있다.During the GTS Decision Duration Time (aGTSDescPersistenceTime), the address of the node that previously acquired the GTS is always present in the notification frame. Even if the termination request is made before, the new node can never be assigned or used because the address of the old node is in the notification frame. In addition, when a cancellation request is made after a GTS decision duration time (aGTSDescPersistenceTime), the coordinator node receives a request frame of a node requesting a new GTS of a corresponding slot in the next superframe. The allocation possibility of the GTS is performed in the next superframe. As such, it is a feature of the GTS allocation mechanism of the IEEE 802.15.4 standard that inevitably waits for a certain delay time for allocation and release of GTS.
반면에, 해당 노드의 GTS 해지요청이 아닌 조정자 노드에 의한 강제적인 해지 기법 또한 있다. 이 방법은 조정자 노드가 해당 GTS를 일정 시간 동안 사용치 않는 노드로 인한 대역폭 낭비를 예방 하고자 표준에서 제공한 방법이다. 조정자 노드는 하기 수학식 2에 기초하여 슈퍼프레임 동안 아무런 전송 행위가 없는 GTS를 해지한다.On the other hand, there is also a forced termination technique by the coordinator node rather than the GTS release request of the node. This method is provided by the standard to prevent the coordinator node from wasting bandwidth due to nodes that do not use the GTS for a certain period of time. The coordinator node cancels the GTS having no transmission behavior during the superframe based on
예를 들어, SO=BO=0로 구성되는 최소 길이의 슈퍼프레임을 만들게 되면, n=256 이 된다. 2257개의 슈퍼프레임이 지난 후에 해지가 가능하게 된다. 이는 약 7, 8초에 해당하는 시간으로 산업 환경에서의 실시간 주기 I/O 데이터 전송과 같이 짧은 전송주기를 가지며 빈번한 전송을 요구하는 환경에는 적용되기 무리가 있다.For example, if you create a superframe of minimum length consisting of SO = BO = 0, then n = 256. After 2 257 superframes are terminated. This is a time of about 7, 8 seconds, it is difficult to apply to the environment that has a short transmission period, such as real-time cycle I / O data transmission in the industrial environment and requiring frequent transmission.
GTS내에서의 I/O 데이터 전송 형태는 크게 2가지 형태로 설명될 수 있다. GTS에서 보장된 전송 대역폭을 모두 사용하는 경우와 그렇지 못한 경우이다. 산업 환경에서와 같이 작은 크기의 I/O 데이터가 빈번하게 전송되는 경우는 GTS를 부분적으로 사용하는 형태에 해당한다. 도 4는 GTS를 획득한 실시간 주기 I/O 노드의 GTS내에서의 전송 형태를 나타내고 있다.The I / O data transmission form in the GTS can be largely described in two forms. This is the case when all the guaranteed transmission bandwidths of the GTS are used or not. Frequent transmission of small sized I / O data, such as in industrial environments, is part of the use of GTS. 4 shows a transmission form in the GTS of the real-time period I / O node that obtained the GTS.
산업 환경에서의 I/O버퍼의 크기는 하나의 GTS내에서 전송될 수 있는 데이터의 총 크기(240bits, if SO=0)보다 작다. 따라서, I/O 버퍼상의 모든 I/O 데이터의 전송이 완료된 시점부터 버퍼상에 도착하는 데이터의 지연시간에 의해 일정 구간의 대역폭을 낭비할 수 있다. 이러한 낭비 구간의 크기와 수는 각각의 실시간 주기 I/O 노드들의 버퍼상의 도착하는 I/O 데이터의 도착률(Arrival Rate)에 의존한다. 따라서, IFS(Inter Frame Spacing)와 같은 프로토콜 오버헤드와 낭비 구간을 고려할 때 순수 데이터 전송을 위한 시간 Td는 하기 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.In an industrial environment, the size of an I / O buffer is less than the total size of data that can be transmitted in one GTS (240 bits, if SO = 0). Therefore, the bandwidth of the predetermined period can be wasted by the delay time of the data arriving on the buffer from the completion of the transfer of all I / O data on the I / O buffer. The size and number of these waste intervals depends on the Arrival Rate of arriving I / O data on the buffers of the respective real-time periodic I / O nodes. Therefore, considering the protocol overhead such as Inter Frame Spacing (IFS) and the waste interval, the time T d for pure data transmission may be expressed as
TGTS는 SO에 의해 구성된 슈퍼프레임의 활성 구간내의 하나의 GTS 길이에 해당한다. 이 시간은 3개의 aUnitBackupSymbol(20Ssymbols)로 구성된다. T GTS corresponds to one GTS length in an active period of a superframe configured by SO. This time consists of three aUnitBackupSymbols (20Ssymbols).
SO=0 일 경우, 총60symbols에 해당하는 크기로 240 bit의 데이터 전송 시간에 해당한다. 시간으로는 0.96ms에 해당한다. If SO = 0, it corresponds to a total data transmission time of 240 bits with a size corresponding to a total of 60 symbols. The time corresponds to 0.96 ms.
TIFS는 IFS를 위한 구간이며, Tide은 의미 없이 낭비 되는 구간이다. 본 발명에서는 GTS내에 연결설정확인(Acknowledge) 프레임을 사용치 않고 있다.T IFS is a section for IFS, T ide range is by no means wasted. In the present invention, an acknowledgment frame is not used in the GTS.
GTS내의 네트워크 이용률 특성을 이해하기 위해서 최대 처리율(Maximum Throughput)의 개념을 생각할 수 있다. 하나의 GTS에 의해 보장되는 대역폭은 최대 전송 가능한 순수 데이터의 크기와 동일하다. 연속되는 비콘 프레임 사이에서 특정 GTS내에서의 최대 처리율은 하기 수학식 4와 같이 구해진다.In order to understand the characteristics of network utilization in the GTS, the concept of maximum throughput can be considered. The bandwidth guaranteed by one GTS is equal to the maximum amount of pure data that can be transmitted. The maximum throughput in a particular GTS between successive beacon frames is obtained as shown in
2.4GHZ주파수 대역에서 C= 250kbps에 해당하며 S0=BO=O이므로 TGTS는 , 0.96ms, BI는 15.36ms가 된다. In the 2.4GHZ frequency band, C = 250kbps and S0 = BO = O, so T GTS is 0.96ms and BI is 15.36ms.
산업 환경에서의 최대 I/O 데이터 크기는 32bit를 초과하지 않으므로, IFS는 SIFS를 사용케 된다. 48bit의 SIFS 크기를 고려할때 TIFS는 0.192 ms에 해당한다. In industrial environments, the maximum I / O data size does not exceed 32 bits, so IFS uses SIFS. Considering the 48-bit SIFS size, T IFS corresponds to 0.192 ms.
상기 수학 4에 이를 대입하고 계산하면 SO=BO=0로 설정된 슈퍼프레임에서의 하나의 GTS가 제공하는 대역폭의 크기가 12.79kbps임을 알 수 있다. 하지만, 실제 I/O 데이터 전송에서는 Tidle과 같은 의미 없이 낭비 되는 구간이 불가피하게 발생하게 된다. Substituting and calculating this in
도 5는 SO가 증가함에 따라, 하나의 GTS내에서 나타날 수 있는 데이터 전송의 형태를 보여준다. 여기서 순수 데이터(Payload)는 IEEE 802.15.4의 MAC에서 지원 가능한 최대 프레임 크기(aMAX Frame Size, 144 bits)를 고려한 경우이다.5 shows the type of data transmission that can appear in one GTS as SO increases. Here, the pure data (payload) is a case where the maximum frame size (aMAX frame size, 144 bits) supported by the MAC of IEEE 802.15.4 is taken into consideration.
SO의 증가는 Tgts 즉, 하나의 GTS 구간 길이를 증가시키지만, IFS와 낭비구간 또한 그만큼 발생하기 때문에 결국 GTS에 의해 보장되는 평균 대역폭의 크기는 일정한 값을 가지게 됨을 알 수 있다. X는 하나의 타임 슬롯으로 구성된 GTS가 제공하는 평균 보장 대여폭(Average Guaranteed Bandwidth)를 의미한다. 수학식 5에 이를 나타내었다. The increase of SO increases the length of Tgts, that is, the length of one GTS interval, but the IFS and the waste interval also occur, and thus the average bandwidth size guaranteed by the GTS has a constant value. X means average guaranteed bandwidth provided by the GTS composed of one time slot.
만약, GTS가 k개의 타임 슬롯으로 구성될 경우, 평균 대역폭은k×Bavg GTS가 된다. 수학식 5를 통해, 최대값인 14까지를 모두 고려하여 계산하면 약 12kbps의 평균 보장 대역폭을 가짐을 알 수 있다. SO의 증가는 GTS의 크기를 증가시키지만, 더불어 총 TIFS와Tidle 을 또한 증가시키기 때문에 결국 평균 보장 대역폭의 크기가 일정한 값을 가지게 된다. 일반적인 경우를 고려하여, GTS내에서의 네트워크 이용률은 하기 수학식 6과 같이 구해진다.If the GTS consists of k time slots, the average bandwidth is k × B avg It becomes GTS . Through
수학식 6에서 ai는 i번째 실시간 주기 I/O 데이터 노드의 버퍼 상에 도착하는 도착율을 의미한다. k는 GTS를 구성하는 타임 슬롯의 수를 의미하고 UK GTS는 K개의 타임 슬롯으로 이루어진 GTS내에서의 i번째 노드의 네트워크 이용률을 의미한다. In
수학식 6을 이용하여, k=1일 경우, 1.6kps의 도착율을 가지는 실시간 주기 I/O 노드의 네트워크 이용률은 약 13%에 해당함을 알 수 있다. 만약, 하나의 GTS를 2 또는 3개의 타임 슬롯으로 대응시킬 경우에는 이용률이 1/2 또는 1/3 배씩 더욱 감소하게 된다. 따라서, 산업 환경에서의 실시간 주기 I/O 데이터를 위한 최선의 GTS의 타임 슬롯의 수는 1개이다. 최대한의 I/O 노드를 지원하기 위해서 7개의 GTS를 사용한다고 할 때, 결국 7개의 타임 슬롯으로 구성된 CFP를 구성하게 된다. SO=0일 때, 6.72ms에 해당하는 구간이다.By using
1.6kbps의 도착율을 가지는 7개의 I/O 노드가 7개의 GTS를 사용한다고 할 때, CFP내에서 낭비되는 대역폭은 87%에 해당한다. 이러한 대역폭 낭비 문제와 7개라는 I/O 노드 수의 제한 문제는 결국 각 실시간 주기 노드에게 하나의 GTS에서 제공하는 대역폭을 전적으로 할당하는 것에서 문제가 발생한 것이다. If seven I / O nodes with a arrival rate of 1.6 kbps use seven GTSs, the bandwidth wasted in the CFP is 87%. The problem of wasting bandwidth and limiting the number of seven I / O nodes is that the problem arises in the end of allocating the bandwidth provided by one GTS to each real-time periodic node.
예를 들어, 1.6kbps의 도착률을 가지는 두 개의 실시간 주기 I/O 노드가 있을 경우 표준에 따라 하나씩의 GTS를 할당하지 않고 하나의 GTS내에서 대역폭을 나누어주는 방식을 택한다면 이용율을 재고함과 동시에, 다음 I/O 노드의 GTS요청에 위한 GTS 슬롯을 절약할 수 있게 된다. 1.6kbps를 가지는 두 노드에게 6kbps의 대역폭을 나누어주게 되면 이용률은 26%까지 상승하게 된다. For example, if you have two real-time periodic I / O nodes with 1.6 kbps arrival rate, if you choose to divide bandwidth within one GTS instead of allocating one GTS according to the standard, you can reconsider the utilization rate. Therefore, the GTS slot for the next GTS request of the I / O node can be saved. If the bandwidth of 6kbps is divided among two nodes having 1.6kbps, the utilization rate increases to 26%.
이러한 노드가 3,4개가 된다면, 이용률 역시 2배, 3배 증가하게 된다. 도 6에 이러한 대역폭의 나눔을 통한 GTS할당 표의 예를 나타내었다.If there are three or four such nodes, the utilization rate will also double and triple. 6 shows an example of the GTS allocation table through the division of the bandwidth.
다수의 I/O 노드를 지원함과 동시에 네트워크 이용률을 증가시킬 수 있는 방법은 하나의 GTS를 공유할 수 있는 실시간 주기 I/O 노드의 집합을 찾는 것이라 할 수 있다. 하나의 GTS를 공유함은 하나의 GTS에 여러 개의 I/O 노드를 할당 할 수 있음을 의미한다. One way to increase network utilization while supporting multiple I / O nodes is to find a set of real-time periodic I / O nodes that can share a single GTS. Sharing one GTS means you can assign multiple I / O nodes to a GTS.
특정 슈퍼프레임에서 하나의 GTS를 사용할 수 있는 노드는 오직 하나로 유일하다. 하지만, 연속되는 슈퍼프레임상에서 비콘 프레임이 브로드캐스팅 되는 시점마다 GTS 통지 프레임내의 주소에 해당 GTS를 공유하는 노드들의 주소를 실어줄 수 있다. There is only one node that can use one GTS in a particular superframe. However, whenever a beacon frame is broadcasted on successive superframes, the addresses of nodes sharing the corresponding GTS may be carried in an address in the GTS notification frame.
I/O 노드는 GTS 통지 프레임 내의 주소만으로 자신의 GTS 사용 시기를 알 수 있기 때문이다. 물론, 해당 GTS를 무조건 I/O 노드들이 공유할 수 있는 것은 아니다. 해당 GTS를 공유하기 위해서는 다음 2가지의 요건이 만족되어야 한다.This is because an I / O node can know when to use its GTS only by an address in a GTS notification frame. Of course, the GTS is not necessarily shared by I / O nodes. To share the GTS, two requirements must be met:
조건 1은 허용 지연 범위(Allowable Delay Bound)가 실시간 주기 I/O 노드의 데드라인을 만족해야 한다.
조건 2는 해당 실시간 주기I/O 노드의 도착율을 만족할 수 있는 대역폭이 보장되어야 한다.
조건 1이 지연시간에 관한 조건이라면, 조건 2는 해당 GTS내의 네트워크 이용률을 향상시키는 것과 관련된 것이라 할 수 있다. If
참고문헌에는 결정 대기 이론에 기초한 주기 데이터의 도착율 함수와 서비스 함수사이의 관계를 정의하고 있다. 이를 이용하면, 실시간 주기 I/O 노드와 IEEE 802.15.4의 GTS 서비스 함수 사이의 관계를 해석할 수 있다. 도 1에 이를 나타내었다.References define the relationship between the arrival rate function and the service function of periodic data based on decision waiting theory. Using this, it is possible to interpret the relationship between the real-time periodic I / O node and the GTS service function of IEEE 802.15.4. This is shown in FIG.
상기에서 하나의 GTS에서 보장 대역폭이 12kbps임을 구했다. 이는 GTS 서비스 함수의 기울기에 해당한다. 도 7에서 상위 높은 기울기를 나타내는 2개의 I/O 노드들의 경우는 해당 기울기가 12kbps를 상위하므로 GTS 서비스를 사용할 수 없는 경우이다. 반면, 아래 3개의 I/O 노드들은 해당 기울기가 모두 12kbps보다 하위에 위치하므로 GTS서비스를 사용할 수 있다.In the above, it was found that the guaranteed bandwidth is 12 kbps in one GTS. This corresponds to the slope of the GTS service function. In FIG. 7, two I / O nodes indicating an upper high slope are cases where the GTS service cannot be used because the corresponding slope exceeds 12 kbps. On the other hand, the following three I / O nodes can use the GTS service because the slopes are all lower than 12kbps.
동일한 I/O 버퍼 크기를 가지고 있는 아래 3개의 I/O 노드들의 경우, 새로운 I/O 데이터 발생시점을 기준으로 GTS서비스 함수와 만나는 최대 수평거리가 최대 지연 허용 범위가 됨을 알 수 있다. 이 지연시간은 각 노드들이 GTS를 이용하기까지의 최대 허용 지연시간으로 작용한다. 이러한 지연 시간이 각 노드들의 데드라인 보다 작다면, 각 I/O 노드들은 GTS를 사용할 수 있게 된다. 이처럼, 하나의 GTS를 사용하기 위해서는 허용 지연 시간과 도착율의 요건이 모두 만족되어야 함을 알 수 있다. 도 2는 하나의 실시간 주기 I/O 노드와 GTS 서비스 함수 사이의 관계를 보다 구체적으로 보여주고 있다.For the following three I / O nodes with the same I / O buffer size, it can be seen that the maximum horizontal distance that meets the GTS service function becomes the maximum delay tolerance based on the time of new I / O data generation. This delay acts as the maximum allowable delay before each node uses the GTS. If this delay is less than the deadline of each node, then each I / O node can use GTS. As such, it can be seen that in order to use one GTS, both the requirements of the allowable delay time and the arrival rate must be satisfied. 2 illustrates in more detail the relationship between one real-time periodic I / O node and a GTS service function.
IEEE 802.15.4에서는 특정 노드가 GTS를 할당받기 위해서는 최소 CAP길이(aMIN CAPLength, 440symbols) 이상이어야 하며 GTS의 최대 제한 수가 7개라고 규정하고 있다. IEEE 802.15.4 specifies that a specific node must have a minimum CAP length (aMIN CAPLength, 440symbols) or more in order to be assigned a GTS, and the maximum number of GTSs is seven.
이를 GTS할당 자체의 요건이라 이해할 수 있다면, GTS 공유를 위한 요건이 조건 1, 2가 된다고 할 수 있다. 도 8는 연속되는 슈퍼프레임 상에서, 임의의 i번째 실시간 주기 I/O 데이터 노드가 어떠한 형태로 GTS를 사용하는지를 나타내고 있다. i번째 실시간 주기 I/O 데이터 노드의 도착율 함수와 평균 보장 대역폭 x를 기울기로 하는 GTS 서비스 함수 사이의 관계를 나타낸 것이다.If this can be understood as a requirement of the GTS allocation itself, the requirements for sharing GTS are
GTS를 획득한 어떠한 노드도 자신의 GTS구간까지 일정의 서비스 지연시간을 가지게 된다. 서비스 지연시간이란 해당GTS에 의해 제공되는 서비스 함수가 나타날 때까지의 시간으로서, 사실상 BI(Beacon Interval)값에서 자신의 GTS의 시간을 뺀 값에 해당한다. Any node that acquires a GTS has a certain service delay until its GTS section. The service delay time is the time until the service function provided by the corresponding GTS appears. In fact, the service delay time is a value obtained by subtracting the time of the GTS from the BI (Beacon Interval) value.
예를들어 2번째 슈퍼프레임에서 I/O 데이터의 전송요구가 발생하였다면, 해당 GTS를 서비스 받기 까지 2BI-TGTS을 기다리게 된다. 일반적인 경우를 고려하여, 특정 슈퍼프레임에서 GTS를 사용하기까지의 서비스 지연시간을 구해보면, 수학식 7과 같다.For example, if I / O data transmission request occurs in the second superframe, the 2BI-T GTS waits until the corresponding GTS is serviced. In consideration of the general case, the service delay time until the GTS is used in a specific superframe is expressed by
도착율 함수와 GTS 서비스 함수사이의 최대 수평거리가 최대 허용 지연 시간에 해당한다. 해당 노드의 도착 데이터가 이 지연 시간보다 작은 데드라인 값을 요구하는 경우라면, GTS를 통한 전송이 가능해 진다. 지연 허용 범위는 다음 수학식 8을 통해 알 수 있다.The maximum horizontal distance between the arrival rate function and the GTS service function corresponds to the maximum allowable delay time. If the arrival data of the node requires a deadline value less than this delay time, transmission via the GTS is possible. The delay tolerance can be known from
b는 I/O 버퍼 크기를 의미하며, n은 슈퍼프레임의 순서를 의미한다. 수학식 8은 연속되는 슈퍼프레임 상에서 특정 I/O 노드의 도착 데이터가 GTS를 사용할 수 있는 시점까지의 지연 시간을 나타낸 것이다. 이해를 돕기 위해 1kbps의 도착율을 가지는 5개의 I/O 노드가 7번째 GTS를 공유할 수 있는 상황을 고려해 보자. 하기 표 1은 각 노드의 수정된 데드라인 정보, 그리고 계산된 허용 지연 시간 범위를 나타낸다. b means I / O buffer size and n means superframe order.
그리고 도면 9에 연속된 슈퍼프레임 상에서의 각 실시간 주기 I/O 데이터 노드의 7번째 GTS 이용 상태를 나타내었다.9 shows the seventh GTS usage state of each real-time periodic I / O data node on successive superframes.
상기 표 1의 허용 지연 시간의 범위는 식 8에 의해 구해진 값들이다. 노드 O를 보면 연속되는 슈퍼프레임 상에서 두 번째 GTS를 이용 가능한 시점은 4번째 슈퍼프레임 구간임을 알 수 있다. 따라서, n=4가 된다. The allowable delay times of Table 1 are values obtained by
하나의 GTS가 제공하는 평균 보장 대역폭이 12kbps이고, GTS 하나의 구간 길이와 BI가 각각 0.96ms, 15.36ms임을 알고 있으므로, 수학식 8을 이용하면 허용 가능한 지연 시간을 알 수 있게 된다. 나머지 노드들도 같은 방법으로 허용 지연 가능 범위를 계산할 수 있다. 표 1에 나타난 것처럼 각각의 노드들의 허용 지연 범위가 각각의 데드라인 값보다 작음을 알 수 있다. 전송 주기가 하나의 GTS 슬롯내에서의 중복 할당되는 것을 피하기 위한 것이기 때문이다.Since the average guaranteed bandwidth provided by one GTS is 12kbps and the interval length of one GTS and BI are 0.96ms and 15.36ms, respectively,
참고문헌에서는 여러 주기를 가지는 실시간 프로세스 사이에서, 중복되는 주기를 피하면서 각 프로세스를 스케줄링 하는 알고리즘을 제시하였다. 이를 확장하여 본 발명에서는 전송 주기를 결정하는 것으로 활용할 수 있다. 물론, 이는 동일 GTS내에서의 최대한 중복 할당을 피하기 위함이다. In the reference, we propose an algorithm for scheduling each process while avoiding overlapping cycles between real-time processes with multiple cycles. This can be extended and utilized in the present invention to determine the transmission period. Of course, this is to avoid duplicate allocation as much as possible within the same GTS.
실제 각 노드의 전송 주기는 수학식 9를 통해 구할 수 있다.The actual transmission period of each node can be obtained through
여기서, Di는 임의의 i번째 노드의 데드라인 값을 의미한다. TMD TP는 i번째 노드의 데드라인 보다 작거나 같은 정수 값중 최대치를 의미한다. TO는 최소값의 전송 주기(기본 전송주기)로서 본 발명에서는 한 슈퍼프레임의 구간이 15.36ms에 해당한다. 앞서, n은 특정 실시간 주기 I/O 데이터 노드가 자신의 GTS를 사용하기 까지 경과된 슈퍼프레임의 수에 해당한다. Here, D i means a deadline value of any i-th node. T MD TP means the maximum of integer values less than or equal to the deadline of the i-th node. T O is a minimum transmission period (basic transmission period) and according to the present invention, a period of one superframe corresponds to 15.36 ms. Earlier, n corresponds to the number of superframes that elapsed before a particular real-time periodic I / O data node used its GTS.
상기 n은 실제, 각 실시간 주기 I/O 데이터 노드의 전송 주기를 결정함에 있어서 수학식 10과 같이 사용될 수 있다.N may actually be used as in
여기서, [A]은 A를 넘지 않는 정수 중에서 최대값을 의미하며, n은 해당 노드의 다음 GTS까지 경과되는 슈퍼프레임의 수를 의미(본 발명에서는 BI의수와 동 일)함과 동시에, 기본 전송 주기인 슈퍼프레임 구간에 대한 데드라인이 얼마의 정수배에 해당하는 지를 의미한다. 예를 들어, O노드의 경우 n=4이었다. Here, [A] means the maximum value among integers not exceeding A, and n means the number of superframes that elapse until the next GTS of the corresponding node (in the present invention, the same as the number of BIs) and the basic transmission. It means how many integer times the deadline for the period of the superframe. For example, n = 4 for O nodes.
O 노드가 요청한 데드라인을 식 9에 대입하면 수정 데드라인 시간이 61.44ms가 된다. 이는 슈퍼프레임 구간인 15.36ms에 4배에 해당하는 값이다. If you assign the deadline requested by node O to Eq. 9, the modification deadline time is 61.44 ms. This value is four times the superframe duration of 15.36ms.
n은 실제 특정 GTS의 공유를 원하는 각각의 실시간 주기 노드들에 대한 대역폭 분할의 기준이 된다. 앞서, G, O, V노드들의 경우 B에 대해 각각 1/4의 대역폭을 W, X노드들의 경우는 대역폭이 할당됨을 확인할 수 있다. 이는 각각 n이 4, 8로 구해지기 때문이다. n is a criterion of bandwidth partitioning for each real-time periodic nodes that actually want to share a particular GTS. Previously, it can be seen that bandwidths of 1/4, respectively, are allocated to B for G, O, and V nodes, and bandwidths for W and X nodes are allocated. This is because n is found to be 4 and 8, respectively.
이를 통해 도 9의 7번째 GTS내에서의 네트워크 이용률이 총 83%에 이르게 된다. 대역폭 분할의 기준인 n이 동시에 각각의 실시간 I/O 노드들의 전송주기의 결정에도 사용되고 있음을 알 수 있다. As a result, the network utilization in the seventh GTS of FIG. 9 reaches a total of 83%. It can be seen that n, which is a criterion for bandwidth division, is also used to determine the transmission period of each real-time I / O node at the same time.
이러한 방법은 앞서 조건 1, 2를 동시에 만족하기 위한 최선의 방법이라 생각된다. 각각의 실시간 주기 I/O 노드들의 n은 계산되면 각 노드들에 대한 실질적인 사용 대역폭은 수학식 11을 통해 구할 수 있다.This method is considered to be the best way to satisfy the
여기서, Bi D는 해당 GTS를 공유하는 노드 중 임의의 i번째 노드에게 실질적으로 할당되는 대역폭을 의미한다. Here, B i D denotes a bandwidth substantially allocated to any i-th node among nodes sharing the corresponding GTS.
ni는 i번째 노드의 지연 허용 범위를 고려한 전송 주기에 해당하는 슈퍼프레임의 수이며 대역폭 할당의 기준 값이 된다. n i is the number of superframes corresponding to the transmission period considering the delay tolerance of the i-th node and becomes a reference value of bandwidth allocation.
초기 GTS할당 테이블이 완성된 후, 해당 GTS내에 할당되는 노드 중 최초 n의 값은 추후, 추가 가능한 신규 노드의 수에 영향을 미친다. 예를 들면, 초기에 7번째 GTS 슬롯에 70ms의 데드라인을 가진 노드가 할당되었다고 할 때, n은 식 10에 의해 계산된다. 따라서 초기 n값 in 은 4가 된다. 이러한 값은 특정 데드라인을 가지는 실시간 주기 I/O 노드들의 최대 추가 가능 수에 영향을 미친다.After the initial GTS allocation table is completed, the value of the first n of the nodes allocated in the GTS affects the number of new nodes that can be added later. For example, suppose that initially a node with a deadline of 70 ms is allocated to the seventh GTS slot, n is calculated by
만약, 초기 GTS할당 테이블 완성 후 시점에서, 80ms의 데드라인을 가진 노드들을 추가하고자 할 때에 가능한 최대 노드 수는 3이 된다. If, after completion of the initial GTS allocation table, the maximum number of nodes possible to add nodes with a deadline of 80ms is 3,
140ms의 데드라인을 가진 실시간 주기 I/O 노드의 최대 가능 할당 수는 6개가 된다. 반면에, in보다 작은 n을 가지는 40ms의 데드라인을 가지는 실시간 주기 I/O 노드의 할당 가능 수는 언제나 1개가 된다.The maximum possible allocation of real-time periodic I / O nodes with a deadline of 140ms is six. On the other hand, the assignable number of real-time periodic I / O nodes with a deadline of 40 ms with n less than i n is always one.
초기 해당 GTS 슬롯에 할당된 노드의 in을 통해 특정 데드라인 범위안의 노드들의 최대 할당 가능수를 알 수 있다. 이를 수학식 12에 나타내었다. The maximum number of nodes that can be allocated within a specific deadline range can be known through i n of a node initially allocated to the corresponding GTS slot. This is shown in
여기서, Cmax ni는 초기 GTS 할당 테이블 완성된 후 ni값을 가지는 임의의 i번 째 노드가 해당 GTS 슬롯에서 할당 가능한 최대 수를 의미한다. Herein, C max ni means the maximum number that can be allocated in the corresponding GTS slot by an i th node having n i after completion of the initial GTS allocation table.
하지만, 수학식 12는 조건 2가 만족되는 경우에서만 유효하다. 예를 들어, in이 4 였다고 할 때에, 80ms을 가지는 신규 실시간 주기 I/O 노드는 최대 3개까지 추가가 가능하지만, 3번째 노드를 할당하기 전 시점에서 각 노드의 도착율의 총 합이 보장 대역폭을 넘어선다면 추가가 불가능하다. 이는 조건 2에 위배되기 때문이다. However,
하지만, 산업 환경에서의 대부분의 실시간 주기 I/O 데이터는 최대 4 Byte의 작은 데이터 크기에 해당하기 때문에, 수학식 12는 유효하게 실제 적용될 수 있다. However, since most real-time periodic I / O data in an industrial environment corresponds to a small data size of up to 4 bytes,
즉, 조건 2에서의 도착율의 제한보다는 조건 1의 허용 지연 범위의 제한 요소가 산업 환경에서는 상대적으로 더 큰 영향을 미치게 된다. In other words, rather than limiting the arrival rate under
하기 표 2는 각 실시간 주기 I/O 데이터 노드들이 요구한 데드라인 값들이다. 하기 표 3은 표 2와 식 8, 9, 10, 11을 이용해 구해진 GTS 할당을 위한 정보를 나타낸다. Table 2 below shows deadline values required by each real-time periodic I / O data nodes. Table 3 below shows information for GTS allocation obtained using Table 2 and
마지막으로 하기 표 4는 표 3을 바탕으로 구해진 GTS 할당 테이블과 해당 GTS내에서의 이용률을 나타내고 있다.Finally, Table 4 below shows the GTS allocation table obtained based on Table 3 and the utilization rate in the GTS.
상기 표 2, 3을 통해, 현재 GTS를 보유한 모든 실시간 주기 I/O 데이터 노드가 지연 시간 범위를 만족하고 있음을 알 수 있다. 상기 표 4를 통해서는 각 GTS내에서의 네트워크 이용률이 향상됨을 알 수 있다. 모든 I/O 데이터의 크기는 최대 크기인 4Byte로 가정하였다. Through Tables 2 and 3, it can be seen that all real-time periodic I / O data nodes currently having GTS satisfy the delay time range. It can be seen from Table 4 that network utilization in each GTS is improved. The size of all I / O data is assumed to be 4 bytes, the maximum size.
상기 표 4의 3, 4번째 GTS를 보면, 빈 슬롯이 있음을 알 수 있다. 70ms, 80ms의 데드라인을 가진 I/O의 노드라면 추가가 가능할 것이다. Looking at the third and fourth GTS of Table 4, it can be seen that there is an empty slot. If you have a node of I / O with a deadline of 70ms or 80ms, you can add it.
다만, 해당 노드의 도착율과 해당 GTS의 현재 이용률의 합이 평균 GTS 대역폭에 도달하지 않아야 한다. 반면에, 30ms, 40ms 데드라인에 해당하는 노드의 경우는 도착율이 만족된다 하여도 추가가 불가능 하다. 왜냐하면, 해당 노드들의 n이 각각 1, 2로 결정되기 때문이다. However, the sum of the arrival rate of the node and the current utilization rate of the GTS should not reach the average GTS bandwidth. On the other hand, the node corresponding to the 30ms and 40ms deadlines cannot be added even if the arrival rate is satisfied. This is because n of the nodes is determined to be 1 and 2, respectively.
현재, 3, 4번째 GTS 슬롯에 추가가 가능한 N의 최소값이 4이기 때문이다. 5 번째 GTS를 보면, 네트워크 이용률이 45%로 대역폭의 여유를 가지고 있다고 할 수 있지만, 모든 슬롯이 사용 중이기 때문에 추가적인 GTS할당이 불가능하다. This is because the minimum value of N that can be added to the third and fourth GTS slots is four. Looking at the fifth GTS, the network utilization is 45%, leaving room for bandwidth, but since all slots are in use, no additional GTS allocation is possible.
이처럼, 지연 시간 범위의 조건과 도착율의 조건을 동시에 만족할 경우에만 GTS의 공유가 가능함을 알 수 있다. As such, it can be seen that the GTS can be shared only when the conditions of the delay time range and the conditions of the arrival rate are satisfied at the same time.
각 실시간 주기 I/O 노드의 데드라인 정보를 조정자 노드에게 전송하기 위해서 GTS 요청 프레임 내의 특성 필드의 예약 비트를 도 10와 같이 사용할 수 있다.In order to transmit deadline information of each real-time periodic I / O node to the coordinator node, the reserved bit of the characteristic field in the GTS request frame may be used as shown in FIG. 10.
신규 노드와 기존 노드의 트래픽 정보가 변경되었을 경우 수정된 GTS 요청 프레임을 사용할 수 있다. 이는 예약 비트인 6번째 비트를 ‘1’로 설정함으로써 가능해 진다. When the traffic information of the new node and the existing node is changed, the modified GTS request frame can be used. This is done by setting the sixth bit, the reserved bit, to '1'.
조정자 노드는 6번째 비트를 검사한 후, 설정이 되어 있다면 GTS 요청 프레임을 발송한 노드를 새로운 노드 혹은 트래픽 정보가 변경된 노드로 판단한다. After checking the 6th bit, the coordinator node determines that the node sending the GTS request frame is a new node or a node whose traffic information has changed if it is set.
도 11는 신규 노드의 추가나 기존 노드의 트래픽 정보가 변결될 시, 해당 노드의 GTS 요청 프레임 발송시의 조정자 노드가 기존 GTS할당 테이블을 변경하는 예를 나타내고 있다.FIG. 11 illustrates an example in which a coordinator node changes an existing GTS allocation table when a new node is added or when traffic information of an existing node is changed, when a GTS request frame is sent by the node.
도 11는 8번 노드의 도착율이 변경되어, 대역폭의 여유가 있는 5번째 GTS 슬롯으로 이동한 경우를 나타낸 것이다. FIG. 11 illustrates a case where the arrival rate of
도 12은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 실시간 주기 무선 I/O노드들을 위한 동적 GTS할당방법을 나타낸 순서도이다.12 is a flowchart illustrating a dynamic GTS allocation method for real time periodic wireless I / O nodes according to an embodiment of the present invention.
도 12를 참조하면 먼저 I/O디바이스의 프로파일 정보를 조정자 노드가 읽어들이게 된다(S1O1). 상기의 프로파일 정보에는 트래픽 정보( 하기 표 5를 참조)가 포함되어 있다.Referring to FIG. 12, first, the coordinator node reads profile information of an I / O device (S101). The profile information includes traffic information (see Table 5 below).
상기(S101)단계를 수행한 후, 허용지연범위 내에서 하나의 GTS를 공유할 수 있는 노드의 집합을 검색하여(S103), 검색된 노드의 집합을 이용하여 초기 GTS할당테이블을 생성한다(S105).After performing step S101, a set of nodes that can share one GTS within an allowable delay range is searched (S103), and an initial GTS allocation table is generated using the found set of nodes (S105). .
즉 각각의 GTS내에서의 이용률이 100%를 넘어서도 안되며, 동시에 각각의 GTS내에서의 실시간 주기I/O노드들의 데드라인을 만족하는 허용 지연 범위가 설정되어 있어야 함을 의미한다.In other words, the utilization rate in each GTS should not exceed 100%, and at the same time, an allowable delay range satisfying the deadline of real-time periodic I / O nodes in each GTS should be set.
GTS할당테이블을 생성한 후 I/O디바이스의 프로파일 정보가 변화되는 지를 판단하여(S107) 만일 상기 프로파일 정보가 변화되었다면 허용지연범위 내에서 하나의 GTS를 공유할 수 있는 노드의 집합을 다시 검색한다(S109). 이 후, 검색된 노드의 집합을 이용하여 GTS 할당테이블을 갱신한다(S111).After generating the GTS allocation table, it is determined whether the profile information of the I / O device is changed (S107), and if the profile information is changed, the set of nodes that can share one GTS within the allowable delay range is searched again. (S109). Thereafter, the GTS allocation table is updated using the found set of nodes (S111).
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이하 동적 GTS 할당 방법의 성능 측정을 위한 OPNET 시뮬레이션 환경 및 구현 방법에 대해 설명한다. 또한, 네트워크 이용율, 패킷 처리율, 각 실시간 주기 I/O 노드의 평균 지연시간 등의 시뮬레이션 결과를 토대로, 성능 분석을 하였다.The following describes the OPNET simulation environment and implementation method for measuring the performance of the dynamic GTS allocation method. In addition, performance analysis was performed based on simulation results such as network utilization, packet throughput, and average latency of each real-time periodic I / O node.
슈퍼프레임의 CFP에서의 시뮬레이션의 목적은 동적 GTS할당을 통해 획득 가능한 네트워크 이용율의 증가 정도와 얼마나 많은 실시간 주기 I/O 데이터 노드를 지원할 수 있는가를 알아내는 것에 있다. The purpose of the simulation in superframe CFP is to find out how much network utilization can be achieved through dynamic GTS allocation and how many real-time periodic I / O data nodes can be supported.
본 발명에서는 OPNET을 사용하여 IEEE 802.15.4의 모델을 구축하였다. 구축된 모델은 CAP에서의 Slotted CSMA/CA와 CFP에서의 GTS 매커니즘을 지원하고 있다. In the present invention, a model of IEEE 802.15.4 is constructed using OPNET. The model built supports the Slotted CSMA / CA in the CAP and the GTS mechanism in the CFP.
본 시뮬레이션에 사용된 OPNET모델은 3개의 층(Application, MAC, PHy)로 구성된다. 도 13은 3가지 layer의 관계와 물리적 특성을 나타낸 것이다.The OPNET model used in this simulation consists of three layers (Application, MAC, PHy). 13 shows the relationship and physical characteristics of the three layers.
물리계층은 대역에서 최대 (Maximum Data Rate)의 채널 용량을 지원할 수 있다. 또한, 변조(Modulation)기법으로 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)에 기반한 O-QPSK를 사용하고 있으며, 채널 내에 16개의 직교 채널이 지원된다. The physical layer may support channel capacity of maximum (Maximum Data Rate) in the band. In addition, O-QPSK based on DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) is used as a modulation technique, and 16 orthogonal channels are supported in a channel.
MAC에서는 Slotted CSMA/CA의 동작과 GTS 기능을 이용한 전송을 책임진다. 따라서, 크게 Slotted CSMA/CA를 구동하기 위한 부분과 GTS의 할당과 구동을 담당하는 두 부분으로 나눌 수 있다.MAC is responsible for the operation of Slotted CSMA / CA and transmission using GTS function. Therefore, it can be divided into two parts for driving Slotted CSMA / CA and for allocating and driving GTS.
어플리케이션 층에서는 CAP의 Slotted CSMA/CA와 CFP의 GTS를 통한 데이터 전송을 위해 트래픽을 만들어주는 책임을 지고 있다. 각 노드상의 내부 버퍼로 도착하는 도착율과, 버퍼의 크기 등을 OPNET 프로젝트 창에서 간단히 지정할 수 있도록 구현되었다. The application layer is responsible for generating traffic for data transmission through Slotted CSMA / CA at CAP and GTS at CFP. The arrival rate to the internal buffer on each node and the size of the buffer can be easily specified in the OPNET project window.
도 14은 본 발명의 일실시예에 따른 MAC layer에서의 OPNET 과정을 나타낸 도면이고, 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 APP layer에서의 OPNET 과정을 나타낸 도면이다.14 illustrates an OPNET process in the MAC layer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 15 illustrates an OPNET process in an APP layer according to an embodiment of the present invention.
도 16은 임의의 한 실시간 주기 I/O 데이터 노드 내부의 3계층을 통해 생산된 I/O 데이터의 최종 전달 프레임의 형성과정을 보여주고 있다. 예를 들어, 1Byte의 I/O 데이터가 전송될 경우, 보안 관련 필드를 제외한 헤더(MHR)영역104bit 와 결합되어 112bit의 MSDU(Mac Service Data Unit)을 만들게 된다. Figure 16 shows the formation of the final delivery frame of I / O data produced through three layers inside any one real-time periodic I / O data node. For example, when 1 byte of I / O data is transmitted, it is combined with 104 bits of header (MHR) area excluding security-related fields to create 112 bits of MSDU (Mac Service Data Unit).
그리고, IFS 처리를 위해 SIFS를 다시 결합한 후 최종 전송 프레임를 만들게 된다. 만약, 이러한 노드의 최종 전송 데이터의 총 크기가 3,885Kbits에 이르렀다면, 총 37개의 프레임이 전송되었음을 의미한다. 본 시뮬레이션에서는 MSDU를 페이로드(Payload)로서 고려하고 있다.Then, after recombining SIFS for IFS processing, a final transmission frame is generated. If the total size of the final transmission data of such a node reaches 3,885 Kbits, it means that 37 frames are transmitted in total. In this simulation, the MSDU is considered as a payload.
본 발명에서의 OPNET 시뮬레이션은 두 개의 시나리오로 이루어져 있다. 먼저 IEEE 802.15.4의 GTS 할당기법을 먼저 적용한 후, 시뮬레이션 결과를 토대로 한계점과 문제점을 분석한다. 다음으로, 25개의 신규 노드를 추가한 후 동적 GTS 할당 기법을 적용하였다. OPNET simulation in the present invention consists of two scenarios. First, the GTS allocation method of IEEE 802.15.4 is applied first, and then the limitations and problems are analyzed based on the simulation results. Next, we added 25 new nodes and applied dynamic GTS allocation.
두 시나리오의 시뮬레이션을 통해 획득된 각각의 GTS내의 네트워크 이용률의 비교를 통해 동적 GTS 할당 기법의 성능을 평가하였다. 또한, 실제 산업 현장에의 적용을 고려하여, 동적 GTS 할당 기법 고유의 특징을 서술하였다.The performance of the dynamic GTS allocation scheme is evaluated by comparing the network utilization in each GTS obtained from the simulations of the two scenarios. In addition, the unique features of the dynamic GTS allocation scheme are described in consideration of their application to actual industrial sites.
도 17은 100×100m안에 랜덤하게 위치한 25개의 실시간 주기 I/O 노드와 1나의 조정자 노드(PAN Coordinator) 그리고 트래픽 정보를 로깅하기 위한 애널라이져 노드로 이루어진 단일 PAN환경을 나타내고 있다. FIG. 17 shows a single PAN environment consisting of 25 real-time periodic I / O nodes randomly located within 100 × 100 m, one PAN coordinator, and an analyzer node for logging traffic information.
라운드가 쳐져 있는 노드들은 동적 GTS 할당 기법을 적용 시 추가될 신규 실시간 주기 I/O 데이터 노드들에 해당한다. 시나리오 1에서 적용되는 IEEE 802.15.4 할당 기법에서는 18개의 신규 I/O 노드들의 GTS 요청은 모두 실패하게 된다. 이미 7개의 I/O 노드들에 의해 최대 GTS의 수인 7에 도달하였기 때문이다. The rounded nodes correspond to new real-time periodic I / O data nodes that will be added when dynamic GTS allocation is applied. In the IEEE 802.15.4 allocation scheme applied in
표 6은 초기 7개의 I/O 노드들의 GTS할당을 위해 요구되는 트래픽 정보를 나타내고 있다.Table 6 shows traffic information required for GTS allocation of the first seven I / O nodes.
상기 표 7은 상기 표6의 초기 7개의 실시간 주기 I/O 데이터 노드들의 트래픽 정보에 근거하여 완성된 GTS 완성 테이블을 나타낸 것이다. Table 7 shows a completed GTS completion table based on traffic information of the initial seven real-time periodic I / O data nodes of Table 6.
도 18는 7개의 실시간 주기 I/O 데이터 노드를 대상으로 표 7과 같이 GTS를 할당한 후, 주어진 대역폭 내에서의 네트워크 이용률을 실험한 결과이다. FIG. 18 shows the result of experimenting network utilization within a given bandwidth after allocating GTS as shown in Table 7 to seven real-time periodic I / O data nodes.
내부 I/O 데이터의 도착율이 큰 노드일수록, 자신의 GTS내에서 상대적으로 높은 네트워크 이용률을 나타냄을 알 수 있다(식 6 참조). It can be seen that a node having a large arrival rate of internal I / O data indicates a relatively high network utilization rate in its GTS (see Equation 6).
C 노드의 경우 높은 I/O 데이터 도착율로 인해 상대적으로 높은 네트워크 이용률을 나타내고 있다. 하지만, 대부분의 노드들의 경우를 보면, 해당 GTS내에서 약 10%-20%내의 낮은 네트워크 이용률을 나타내고 있음을 알 수 있다. C node shows relatively high network utilization due to high I / O data arrival rate. However, in the case of most nodes, it can be seen that the network utilization is low within about 10% -20% in the GTS.
이러한 대역폭의 낭비는 크게 두 가지 요인 때문에 발생한다. 첫 번째는 산업 환경에서의 I/O 데이터 크기가 너무나 작기 때문에, IFS와 같은 프로토콜 오버헤드의 영향이 상대적으로 크게 작용하기 때문이다. This waste of bandwidth is largely due to two factors. The first is that the size of I / O data in industrial environments is so small that the impact of protocol overhead such as IFS is relatively large.
둘째로, 각각의 실시간 주기 I/O 노드들은 전적으로 자신의 전송 주기에 따라 GTS내의 매체 접근을 시도하기 때문에, 전송주기에 해당하지 않는 GTS 구간에서는 아무런 전송 행위가 발생하지 않기 때문이다.Secondly, since each real-time periodic I / O node attempts to access the medium in the GTS entirely according to its own transmission period, no transmission behavior occurs in the GTS interval that does not correspond to the transmission period.
하기 표 8은 GTS 할당을 요구하는 신규 노드 18개의 트래픽 정보를 나타낸 것이다.Table 8 below shows traffic information of 18 new nodes requiring GTS allocation.
모든 신규 노드는 GTS 요청 프레임 내의 트래픽 정보 비트를 ‘1’로 설정한 후 조정자 노드에게 GTS할당을 요구한다. 조정자 노드는 이를 검사 한 후, 동적 GTS 할당 기법을 적용하여 하기 표 9 같은 동적 GTS할당테이블을 완성해 간다.Every new node sets the traffic information bit in the GTS request frame to '1' and requests the coordinator node to assign GTS. After checking the coordinator node, the coordinator node applies the dynamic GTS allocation scheme to complete the dynamic GTS allocation table as shown in Table 9 below.
도 19는 동적 GTS 할당 기법을 적용한 7개의 GTS내에서의 이용률의 실험 결과이다. 3, 4번째 GTS 슬롯을 제외한 모든 GTS내에서의 네트워크 이용률이 상승하였음을 알 수 있다. 또한, 지원 가능한 노드 수 또한 7개에서 25개로 증가하였다. 19 shows experimental results of utilization rates in seven GTSs to which the dynamic GTS allocation scheme is applied. It can be seen that network utilization has increased in all GTSs except the 3rd and 4th GTS slots. In addition, the number of supported nodes also increased from 7 to 25.
도 20는 시나리오 1, 2의 시뮬레이션을 통해 획득한 네트워크 이용률의 평균값을 각 GTS별로 비교한 것이다.FIG. 20 compares average values of network utilization obtained by simulations of
신규 실시간 주기 I/O 데이터 노드가 추가된 모든 GTS 슬롯에서 평균 네트워크 이용률이 향상되었음을 알 수 있다. 하지만, 3, 4번재 GTS 슬롯에서의 네트워크 이용률은 표준 GTS할당 기법을 적용하였을 때의 크기랑 동일하다. 왜냐하면, 해당 GTS의 이용률은 평균 GTS 대역폭에 도달하지 않았지만, 연속되는 슈퍼프레임 상에서의 모든 GTS 구간이 초기 실시간 주기 I/O 데이터 노드들에 의해 점유되어 있기 때문이다. It can be seen that the average network utilization is improved in all GTS slots to which new real-time periodic I / O data nodes are added. However, the network utilization in
3, 4번째 GTS를 획득한 C와 D노드의 n값은 기본 전송 주기인 슈퍼프레임의 길이와 동일하다. C와 D노드에서 요청한 데드라인 20-30ms의 허용지연 범위(allowable delay bound)는 17ms에 해당하기 때문에, 두 노드의 전송 주기에 해당하는 슈퍼프레임의 수가 1이 된다. The n-values of the C and D nodes that acquire the 3rd and 4th GTS are equal to the length of the superframe, which is the basic transmission period. Since the allowable delay bound of the deadline 20-30 ms requested by the C and D nodes corresponds to 17 ms, the number of superframes corresponding to the transmission periods of the two nodes becomes 1.
즉 n이 1이 된다(식 10,11,12 참조). 조건 1, 2를 모두 만족함에도 불구하고, 신규 노드를 3, 4번 GTS 슬롯에 할당하는 것은 불가능하다. 이러한 경우에 해당 GTS에서의 네트워크 이용률은 해당 I/O 노드들의 내부 데이터 도착률에 의존한다. That is, n equals one (see
이에 반해, 40ms의 이상의 데드라인을 요구하는 실시간 주기 I/O 노드들에 대해서는 해당 GTS내에서, 2개 이상의 I/O 데이터 노드의 추가가 가능하다.In contrast, for real-time periodic I / O nodes requiring a deadline of 40 ms or more, two or more I / O data nodes can be added in the corresponding GTS.
이러한 동적 GTS 할당 기법의 특징은 기본 전송 주기를 슈퍼프레임의 길이로 사용하기 때문이다. 즉, 슈퍼프레임의 길이에 근접하는 전송주기에 해당하는 데드라인을 요구하는 I/O 노드가 많아질 경우, 지원 가능한 노드의 수는 상대적으로 감소할 수밖에 없다. The characteristic of this dynamic GTS allocation scheme is that the basic transmission period is used as the length of the superframe. In other words, when the number of I / O nodes requiring a deadline corresponding to a transmission period close to the length of the superframe increases, the number of supportable nodes is inevitably reduced.
이는 IEEE 802.15.4의 슈퍼프레임에 기초한 전송 기법의 한계에 해당한다고 할 수 있다. 따라서 동적 GTS 할당 기법에서는 40ms이상의 데드라인을 요구하는 실시간 주기 I/O 데이터 노드들의 수가 많은 수록 GTS를 사용할 수 있는 노드 또한 증가한다. This may correspond to the limitation of the transmission scheme based on the superframe of IEEE 802.15.4. Therefore, in the dynamic GTS allocation scheme, as the number of real-time periodic I / O data nodes requiring a deadline of 40 ms or more increases, nodes that can use GTS also increase.
이상에서 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있고, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용 할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.Although one preferred embodiment of the present invention has been described above, it is clear that the present invention may use various changes, modifications, and equivalents, and may be applied in the same manner by appropriately modifying the above embodiments. Accordingly, the above description does not limit the scope of the invention as defined by the limitations of the following claims.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수퍼프레임구조를 나타낸 도면.1 is a view showing a superframe structure according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 GTS의 할당과정에서 요청 노드와 조정자 노드 사이에 전송되는 GTS 요청 프레임과 통지 프레임을 나타내는 도면.2 is a diagram illustrating a GTS request frame and a notification frame transmitted between a request node and a coordinator node in the process of allocating a GTS according to an embodiment of the present invention.
도 3은 표준에서 제공하는 GTS할당 기법을 산업 환경의 실시간 주기 I/O 노드에 적용시 나타나는 도면.FIG. 3 is a diagram of a GTS allocation scheme provided by a standard when applied to a real-time periodic I / O node in an industrial environment. FIG.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 GTS를 획득한 실시간 주기 I/O 노드의 GTS내에서의 전송 형태를 나타낸 도면.4 is a diagram illustrating a transmission form in a GTS of a real-time periodic I / O node obtaining a GTS according to an embodiment of the present invention.
도 5 본 발명의 일실시예에 따른 SO가 증가함에 따라 하나의 GTS내에서 나타날 수 있는 데이터 전송의 형태를 나타낸 도면.5 is a diagram illustrating a form of data transmission that may appear in one GTS as SO increases according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 대역폭의 나눔을 통한 GTS할당 표의 예를 나타낸 도면.6 is a diagram showing an example of the GTS allocation table through the division of bandwidth according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 I/O 데이터 도착율과 GTS서비스 함수의 관계를 나타낸 도면.7 is a diagram illustrating a relationship between an I / O data arrival rate and a GTS service function according to an embodiment of the present invention.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 임의의 i번째 노드의 도착율 함수와 GTS서비스 함수의 관계를 나타낸 도면.8 illustrates a relationship between an arrival rate function and a GTS service function of any i-th node according to an embodiment of the present invention.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 노드 G, O, V, W, X의 7번째 GTS의 공유를 나타낸 도면.9 illustrates sharing of the seventh GTS of nodes G, O, V, W, and X according to one embodiment of the present invention.
도 10는 본 발명의 일실시예에 따른 확장된 GTS 특성 필드를 나타낸 도면.10 illustrates an extended GTS characteristic field according to an embodiment of the present invention.
도 11는 본 발명의 일실시예에 따른 확장된 GTS 요청 프레임을 이용한 예시 도.11 is an exemplary diagram using an extended GTS request frame according to an embodiment of the present invention.
도 12은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 IEEE 802.15.4 기반의 무선 제어 네트워크를 위한 동적 GTS할당 방법의 과정을 나타낸 순서도.12 is a flowchart illustrating a process of a dynamic GTS allocation method for an IEEE 802.15.4 based radio control network according to an embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 3가기 layer의 관계와 물리적 특성을 나타낸 도면.13 is a view showing the relationship and physical properties of the three layers in accordance with an embodiment of the present invention.
도 14은 본 발명의 일실시예에 따른 MAC layer에서의 OPNET 과정을 나타낸 도면.14 illustrates an OPNET process in a MAC layer according to an embodiment of the present invention.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 APP layer에서의 OPNET 과정을 나타낸 도면.15 illustrates an OPNET process in an APP layer according to an embodiment of the present invention.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 3-계층을 통한 I/O 데이터의 최종 전송 프레임을 나타낸 도면.16 illustrates a final transmission frame of I / O data over three layers in accordance with one embodiment of the present invention.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 시뮬레이션 환경을 나타낸 도면.17 illustrates a simulation environment in accordance with one embodiment of the present invention.
도 18는 본 발명의 일실시예에 따른 GTS네트워크 이용률을 나타낸 도면.18 illustrates GTS network utilization rate in accordance with an embodiment of the present invention.
도 19은 본 발명의 일실시예에 따른 동적 GTS 할당 기법 적용시에 나타난 GTS네트워크 이용률을 나타낸 도면.FIG. 19 is a diagram illustrating GTS network utilization when applying a dynamic GTS allocation scheme according to an embodiment of the present invention. FIG.
도 20는 본 발명의 일실시예에 따른 평균 네트워크 이용률의 비교를 나타낸 도면.20 illustrates a comparison of average network utilization, in accordance with an embodiment of the present invention.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080038743A KR100968346B1 (en) | 2008-04-25 | 2008-04-25 | Dynamic gts allocation method for wireless control network using ieee 802.15.4 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|---|
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003051826A (en) | 2001-08-08 | 2003-02-21 | Sony Corp | Wireless communication system, wireless communication controller and wireless communication control method, wireless communication device and wireless communication method, and storage medium |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003051826A (en) | 2001-08-08 | 2003-02-21 | Sony Corp | Wireless communication system, wireless communication controller and wireless communication control method, wireless communication device and wireless communication method, and storage medium |
| KR100742611B1 (en) | 2004-11-01 | 2007-07-25 | 한국전자통신연구원 | Radio Communication System, Radio Communication Apparatus and Radio Communication Method for UWB Impulse Communications |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A. Koubaa, M. Alves, and E. Tovar, "i-GAME: An Implicit GTS Allocation Mechanism in IEEE 802.15.4 for Time-Sensitive Wireless Sensor Networks," Proc. 18th Euromicro Conf. Real-Time Systems 2006. |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120019951A (en) * | 2010-08-27 | 2012-03-07 | 주식회사 케이티 | Gts allocation and management in low rate wireless personal area network |
| KR101646055B1 (en) * | 2010-08-27 | 2016-08-09 | 주식회사 케이티 | GTS allocation and management in low rate wireless personal area network |
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