KR101332818B1 - 멀티 채널 무선 네트워크의 통신 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멀티 채널 무선 네트워크의 통신 방법 및 장치에 관한 것으로, 데이터를 송수신하지 않는 동안 데이터 라디오(data radio)를 사용하여 데이터 채널을 스누핑(snooping) 하는 방법과 데이터 채널 선택시에 상기 스누핑한 결과를 이용하여 유휴 데이터 채널(idle data channel)을 선택하는 방법이 제공된다. 이에 따라 데이터 채널의 충돌을 방지하고 반복되는 채널 선택 과정을 방지함으로써 결과적으로 복수의 데이터 채널을 보다 효과적으로 사용하여 네트워크의 성능을 높일 수 있다.

멀티 채널, 멀티 홉, 무선 네트워크, 채널 선택, MAC, DCA

Description

멀티 채널 무선 네트워크의 통신 방법 및 장치{Method and apparatus for communicating on multi-channel wireless network}

도 1은 일반적인 DCA 미디어 접근 제어 방식에 따른 데이터 채널 선택 과정을 도시한 참고도,

도 2는 본 발명에 따른 통신 노드의 구성의 일 예,

도 3은 본 발명에 따른 데이터 채널의 스누핑 방법 및 데이터 채널 선택 과정을 도시한 참고도,

도 4는 본 발명에 따른 데이터 채널의 스누핑 방법을 설명하기 위한 멀티 채널 무선 네트워크의 일 예,

도 5는 일반적인 DCA 미디어 접근 제어 방식에 따른 데이터 채널 선택 방법의 일 예,

도 6은 본 발명에 따른 데이터 채널의 스누핑 방법 및 데이터 채널 선택 방법의 일 예,

도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 데이터 채널의 스누핑 방법 및 데이터 채널 선택 방법의 효과를 도시한 그래프이다.

본 발명은 멀티 채널 무선 네트워크의 통신 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 멀티 홉 애드혹 네트워크나 무선망 네트워크와 같은 멀티 채널 무선 네트워크 환경에서 복수의 채널로 데이터를 동시에 전송하는 경우 채널간의 충돌을 방지하는 방법 및 장치에 관련된다.

종래의 네트워크 환경은 복수의 노드 간 통신을 위하여 하나의 채널을 제공하는 단일 채널(Single channel) 미디어 접근 제어(Media Access Control: 이하 MAC이라 약칭한다)이 주를 이루었다. 이 경우 하나의 데이터 링크가 하나의 채널을 사용하므로 채널간의 충돌 가능성이 없었다.

한편, 최근에는 멀티 홉 애드혹 네트워크(Multi-hop Ad hoc Network)나 무선망 네트워크(Wireless Mesh Network)와 같은 멀티 채널 무선 네트워크 환경에서 네트워크의 전송 성능을 높이기 위하여 서로 다른 채널을 통해 데이터를 동시에 전송하는 멀티 채널 MAC(Multi-channel MAC) 기술이 연구되고 있다. IEEE 802.11b나 802.11g 표준의 경우 동시에 3개의 채널로 데이터를 전송할 수 있으며, 802.11a 표준의 경우 동시에 12개의 채널로 데이터를 전송할 수 있다. 멀티 채널 MAC은 데이터를 전송하기 위한 데이터 채널을 선택할 때 여러 개의 링크가 서로 다른 채널을 사용하도록 채널 선택과정을 조정하는 역할을 한다.

그러나, 멀티 채널 MAC에서 통신거리 밖의 숨겨진 노드가 사용중인 채널을 선택함으로써 데이터 전송 시 충돌이 발생하는 문제점이 있다. 이를 "hidden node problem"이라고 한다. 예를 들면, 통신 거리 내의 A와 B 노드가 데이터 채널 1을 통해 통신 중에 있는데, 통신 거리 밖의 C 노드가 A 노드와 통신을 하기 위하여 데이터 채널 1을 선택하는 경우에 채널간 충돌이 발생한다.

이와 같이 데이터 채널(data channel)에서 충돌이 발생하는 이유는 다음과 같다. 소스 노드와 목적지 노드가 선택한 데이터 채널을 CTS, RES와 같은 제어 프레임(control frame)에 실어 보내면, 두 노드의 통신 거리 안에 위치한 노드는 두 노드가 선택한 데이터 채널을 알 수 있다.

그러나 통신 거리와 캐리어 감지 거리(통신거리의 두 배) 사이에 위치한 노드는 캐리어(carrier)를 인지할 수는 있어도 CTS난 RES와 같은 제어 프레임을 해석할 수 없기 때문에 두 노드 간에 선택된 데이터 채널이 무엇인지 알 수 없다. 즉, "hidden node problem"이 발생하는 것이다. 따라서 데이터 채널 선택 시 현재 사용중인 데이터 채널을 선택할 가능성이 있으며, 선택한 데이터 채널로 바로 데이터를 전송하면 데이터 충돌이 발생한다. 그러면 전송 중이던 데이터와 충돌을 일으킨 데이터는 다시 데이터 채널을 선택하는 과정을 반복하여 다른 채널로 전송되어야 한다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 소스 노드가 선택한 데이터 채널로 채널을 스위칭한 후 캐리어 감지(carrier sensing)를 하여 선택된 채널이 유휴 상태(idle)일 때만 데이터를 전송하는 방법을 사용할 수 있다. 그러나 이 방법은 캐리어 감지 후 선택된 데이터 채널이 사용중이면 다시 데이터 채널을 선택하는 과정을 반복해야 하는 문제점이 있다. 즉, 제어 채널(control channel)의 트래픽을 늘리고 데이터 전송 지연(delay)이 증가하여 네트워크의 전송 성능을 저하시는 문제 를 근본적으로 해결하지 못하는 것이다.

또한, 다시 데이터 채널을 선택하는 경우에도 현재 사용중인 데이터 채널을 다시 선택할 확률이 높아, 결과적으로는 데이터 전송 시 복수의 채널을 사용함에도 불구하고 이를 효과적으로 활용하지 못해 전송 성능이 충분히 향상되지 못한다. 시뮬레이션을 통해 확인해본 결과 멀티 홉 네트워크에서 14개의 링크가 5개의 데이터 채널을 사용하여 데이터를 전송하는 경우, 동시에 2.13개의 채널만을 사용하는 것으로 나타났다. 즉, 전체 5개의 채널 중 2.87개의 채널이 전혀 활용되지 못하고 낭비되고 있음을 확인할 수 있다.

따라서 본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 멀티 채널 무선 네트워크 환경에서 효과적으로 데이터 채널을 선택하여 데이터 채널의 충돌을 방지하고 반복되는 채널 선택 과정을 방지함으로써 결과적으로 복수의 데이터 채널을 보다 효과적으로 사용하여 네트워크의 성능을 높일 수 있는 통신 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 데이터 라디오(data radio)를 사용하여 데이터 채널을 스누핑하는 방법과 데이터 채널 선택시에 상기 스누핑한 결과를 이용하여 유휴 데이터 채널(idle data channel)을 선택하는 방법을 제안한다.

보다 구체적으로 본 발명의 일 양상에 따르면 전술한 목적은, 복수의 통신 노드 간에 공유되는 복수의 데이터 채널을 통하여 데이터 패킷을 송수신하는 통신 노드에 있어서, 데이터 패킷을 송수신하지 않는 동안 데이터 라디오(data radio)를 이용하여 복수의 데이터 채널을 순회하면서 각 데이터 채널의 상태를 감지하는 스누핑부(snooping unit)를 포함하며, 스누핑부를 통해 감지된 유휴(idle) 데이터 채널을 데이터 패킷을 송수신하기 위한 데이터 채널로 선택하는 것을 특징으로 하는 통신 노드에 의해 달성된다.

이때, 스누핑부는 소정의 짧은 시간 동안 특정 데이터 채널의 에너지 레벨을 측정하여 캐리어를 검출함으로써 특정 데이터 채널이 현재 사용중인지 여부를 확인하는 것이 특히 바람직하다.

한편, 본 발명의 다른 양상에 따르면 전술한 목적은, 복수의 통신 노드; 복수의 통신 노드 간에 공유되며 각 통신 노드 간의 데이터 패킷의 송수신을 제어하는 제어 채널(control channel); 및 데이터 패킷이 송수신 되는 복수의 데이터 채널(data channel)을 포함하며, 각 통신 노드는 데이터 패킷을 송수신하지 않는 동안 데이터 라디오(data radio)를 이용하여 복수의 데이터 채널을 순회하면서 각 데이터 채널의 상태를 감지하는 스누핑(snooping) 기능을 제공하며, 스누핑 기능을 통해 감지된 유휴(idle) 데이터 채널을 데이터 패킷을 송수신하기 위한 데이터 채널로 선택하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크에 의해서 달성된다.

한편, 본 발명의 다른 양상에 따르면 전술한 목적은, 복수의 통신 노드 간에 공유되는 복수의 데이터 채널을 통하여 데이터 패킷을 송수신하는 통신 방법에 있어서, (a) 각 통신 노드가 데이터 패킷을 송수신하지 않는 동안 데이터 라디오(data radio)를 이용하여 복수의 데이터 채널을 순회하면서 각 데이터 채널의 상 태를 감지하는 단계; (b) 감지된 유휴(idle) 데이터 채널을 데이터 패킷을 송수신하기 위한 데이터 채널로 선택하는 단계; 및 (c) 선택된 데이터 채널로 데이터 라디오를 스위칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법에 의해서 달성된다.

또 한편, 본 발명의 다른 양상에 따르면 전술한 목적은, 무선 네트워크 환경에서 복수의 데이터 채널간 충돌을 방지하는 방법에 있어서, (a) 무선 네트워크 환경을 구성하는 각 통신 노드가 데이터 패킷을 송수신하지 않는 동안 데이터 라디오(data radio)를 이용하여 복수의 데이터 채널을 순회하면서 각 데이터 채널의 상태를 스누핑(snooping)하는 단계; 및 (b) 스누핑 결과를 이용하여 감지된 유휴(idle) 데이터 채널을 데이터 패킷을 송수신하기 위한 데이터 채널로 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 데이터 채널간 충돌 방지 방법에 의해서 달성된다.

한편, 본 발명의 다른 양상에 따르면 전술한 목적은, 멀티 채널 무선 네트워크 환경을 위한 미디어 접근 제어(Media Access Control) 프로토콜 모듈에 있어서, 데이터 패킷을 송수신하지 않는 동안 데이터 라디오(data radio)를 이용하여 복수의 데이터 채널을 순회하면서 각 데이터 채널의 상태를 감지하는 스누핑부(snooping unit)를 포함하며, 스누핑부를 통해 감지된 유휴(idle) 데이터 채널을 데이터 패킷을 송수신하기 위한 데이터 채널로 선택하는 것을 특징으로 하는 미디어 접근 제어 프로토콜 모듈에 의해서 달성된다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

멀티 채널 MAC은 크게 네트워크 전체의 동기가 필요한 동기(synchronous) 방식 멀티 채널 MAC과 동기가 필요 없는 비동기(asynchronous) 방식 멀티 채널 MAC으로 나뉘며, 본 발명은 특히 비동기 방식 멀티 채널 MAC에 관한 것이다.

특히, DCA는 대표적인 비동기방식 멀티 채널 MAC이다. DCA는 복수의 채널을 사용하며, 그 중 하나의 채널을 제어 채널(control channel)로 지정하고, 나머지 채널들은 데이터 패킷을 전송하는 데이터 채널(data channel)로 사용한다. 또한, DCA는 2개의 라디오(radio)를 하며, 그 중 하나는 제어 라디오(control radio)로, 다른 하나는 데이터 라디오(data radio)로 사용한다.

데이터 라디오는 복수의 채널간에 스위칭(switching)할 수 있으며, 데이터 전송시에 선택한 데이터 채널로 스위칭하여 데이터 패킷을 전송한다. 제어 라디오(control radio)는 제어 채널에 고정시켜 동작하며 데이터 채널을 선택하기 위하여 RTS, CTS, RES와 같은 제어 프레임을 송수신하는 통로로 사용된다. 제어 채널 로 전송되는 제어 프레임은 통신 거리(transmission range) 내에 위치한 모든 노드가 수신할 수 있기 때문에, 각 링크의 통신 거리 내에 위치한 다른 노드는 그 링크가 선택한 데이터 채널을 알 수 있으므로, 데이터 채널을 선택할 때 사용중인 채널을 피해 선택할 수 있다.

한편, DCA는 데이터 채널을 선택하면 데이터 라디오를 데이터 채널로 스위칭하여 바로 데이터를 전송한다. 이와 같은 방식은 모든 노드가 서로의 통신 거리 내에 위치하는 단일 홉 네트워크(Single hop Network)에서는 문제되지 않지만, 애드혹 네트워크나 무선망 네트워크와 같은 멀티 채널 네트워크에서는 데이터 채널간에 많은 충돌을 일으킨다. 이에 따라 데이터 전송 성능이 심각하게 저하된다.

보다 구제적으로 도 1은 일반적인 DCA 미디어 접근 제어 방식에 따른 데이터 채널 선택 과정을 도시한 참고도이다.

도 1을 참조하면, 소스 노드(S)가 목적지 노드(D)에게 데이터를 보내기 위하여 데이터 채널을 선택하는 과정이 도시된다.

먼저 소스 노드(S)는 제어 채널을 통해 RTS(Request-To-Send) 제어 프레임을 전송한다. 이때 소스 노드는 채널 사용 리스트 중에서 현재사용 가능한 채널을 찾아 프리 채널 리스트(free channel list)를 만들어 RTS 제어 프레임에 실어 보낸다.

RTS를 수신한 목적지 노드는 자신의 채널 사용 리스트를 보고 현재 사용 가능한 채널을 찾아 자신의 프리 채널 리스트(free channel list)를만든 후 상기 소 스 노드의 프리 채널 리스트와 비교하여 양 쪽에서 모두 사용 가능한 채널을 데이터 채널로 선택한다. 그리고 SIFS(Short InterFrame Space) 시간 후 선택한 데이터 채널을 CTS(Clear-To-Send) 제어 프레임에 실어 보내고 전송이 완료되면 선택한 데이터 채널로 데이터 라디오를 스위칭한다.

CTS 제어 프레임을 수신한 소스 노드는 선택된 데이터 채널을 RES 제어 프레임에 실어 보내 소스 노드의 이웃 노드들에게 선택된 데이터 채널을 알린다. 이와 동시에 데이터 라디오를 선택된 데이터 채널로 스위칭하여 목적지 노드와 데이터를 교환한다. 이제 CTS와 RES 제어 프레임을 수신한 소스 노드나 목적지 노드 주변의 노드들은 선택된 데이터 채널을 사용하지 않는다.

그러나 통신 거리와 캐리어 감지 거리(통신거리의 두배) 사이에 위치한 노드들은 캐리어(carrier)를 인지할 수는 있어도 CTS난 RES와 같은 제어 프레임을 해석할 수 없기 때문에 두 노드 간에 선택된 데이터 채널이 무엇인지 알 수 없다. 즉, "hidden node problem"이 발생하는 것이다. 따라서 데이터 채널 선택 시 현재 사용중인 데이터 채널을 선택할 가능성이 있으며, 선택한 데이터 채널로 바로 데이터를 전송하면 데이터 충돌이 발생한다. 그러면 전송 중이던 데이터와 충돌을 일으킨 데이터는 다시 데이터 채널을 선택하는 과정을 반복하여 다른 채널로 전송되어야 하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 데이터 라디오(data radio)를 사용하여 데이터 채널을 스누핑하는 방법과 데이터 채널 선택시에 상기 스누핑한 결과를 이용하여 유휴 데이터 채널(idle data channel)을 선택하는 방법을 제안한 다. 즉, 종전의 DCA 미디어 접근 제어 방식은 데이터를 송수신하는 동안만 데이터 라디오를 사용하고 그 외의 시간에는 사용하지 않는다. 이러한 점에 착안하여 본 발명은 데이터를 송수신하지 않는 동안 데이터 라디오(data radio)를 이용하여 복수의 데이터 채널의 상태를 감지함으로써 네트워크 성능을 높이는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로, 도 2는 본 발명에 따른 통신 노드의 구성의 일 예를 도시한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 통신 노드(1)는, 데이터 패킷을 송수신하지 않는 동안 데이터 라디오(data radio)를 이용하여 복수의 데이터 채널을 순회하면서 각 데이터 채널의 상태를 감지하는 스누핑부(snooping unit)(10)와, 복수의 통신 노드 간에 공유되는 제어 채널(control channel)을 통해 데이터 패킷의 송수신을 제어하는 제어신호 처리부(20)를 구비한다. 또한 본 발명에 따른 통신 노드(1)는 스누핑부(10)를 통해 감지된 유휴(idle) 데이터 채널을 데이터 패킷을 송수신하기 위한 데이터 채널로 선택하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 스누핑부(10)는 약 20μs 정도의 상당히 짧은 시간 동안 특정 데이터 채널의 에너지 레벨을 측정하여 캐리어(carrier)를 검출한다. 캐리어가 검출되면 해당 데이터 채널은 현재 사용중으로 판단한다.

또한 스누핑부(10)는 각 데이터 채널의 사용 상태를 기록한 채널 사용 리스트(channel usage list: 이하 제1 리스트라 한다. 도 6 참조)를 생성하고 이에 더하여 각 채널의 상태를 감지한 결과에 기초하여 각 채널의 스누핑 결과를 기록한 스누핑 채널 리스트(snooping channel list: 이하 제2 리스트라 한다. 도 6 참조)를 생성한다. 나아가, 제1 리스트 및 제2 리스트를 이용하여 현재 사용중이 아니며 캐리어가 검출되지 않은 데이터 채널 정보를 기록한 캐리어 프리 채널 리스트(carrier free channel list: 이하 제3 리스트라 한다. 도 6 참조)를 생성한다.

보다 구체적으로 도 3은 본 발명에 따른 데이터 채널의 스누핑 방법 및 데이터 채널 선택 과정을 도시한 참고도이다.

도 3을 참조하면, 스누핑부(10)는 데이터 패킷을 송수신하지 않는 동안 데이터 라디오(data radio)를 이용하여 복수의 데이터 채널을 순회하면서 각 데이터 채널의 상태를 감지한다. 또한, 채널 사용 리스트(제1 리스트)와 스누핑 채널 리스트(제2 리스트)를 이용하여 캐리어 프리 채널 리스트(제3 리스트)를 생성한다.

한편 제어신호 처리부(20)는 소스 노드가 목적지 노드에게 RTS(Request To Send) 제어신호를 보낼 때 소스 노드(S)에서 생성된 캐리어 프리 채널 리스트(제3 리스트)를 실어 보낸다.

또한 스누핑부(10)는 상기 RTS 제어신호를 수신한 목적지 노드가 데이터 채널을 선택하기 전에 자신의 채널 사용 리스트(제1 리스트)와 스누핑 채널 리스트(제2 리스트)를 이용하여 캐리어가 검출되지 않은 채널 정보를 기록한 캐리어 프리 채널 리스트(제3 리스트)를 생성한다. 스누핑부(10)는 목적지 노드(D)에서 생성된 캐리어 프리 채널 리스트(제3 리스트)와 소스 노드(S)로부터 RTS 제어 프레임을 통해 수신한 캐리어 프리 채널 리스트(제3 리스트)를 참조하여 양자 간에 모두 사용할 수 있는 캐리어 프리 채널(carrier free channel)을 데이터 채널로 선택한다.

제어신호 처리부(20)는 목적지 노드(D)가 소스 노드(S)에 CTS 제어신호를 보낼 때 상기 선택된 데이터 채널 정보를 실어 보낸다.

한편, 스누핑부(10)는 CTS 제어신호를 수신한 소스 노드(S)가 선택된 데이터 채널로 데이터 라디오(data radio)를 스위칭하는 동안 다른 링크가 조금 먼저 선택된 데이터 채널을 선택해서 사용하는 경우를 찾아내기 위하여 소정의 시간, 예를 들면 SIFS 시간 동안 선택된 채널의 사용상태를 감지한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예로서, 스누핑할 데이터 채널의 수가 많아 시스템에 부하가 걸리는 경우를 방지하기 위하여, 전술한 채널 사용 리스트(제1 리스트)에 유휴(idle) 채널로 기록된 채널만을 선택적으로 순회하도록 변형하여 스누핑 시간을 줄이는 것도 가능하다.

또 한편, 본 발명의 다른 실시예로서, 전술한 스누핑의 경우 일정 정도 전원을 소모하게 되므로, 시스템의 최적화를 위하여 통신 노드의 전원(power) 상태가 미리 정한 기준값 이하로 떨어지면 스누핑부(10)의 동작을 오프(OFF) 시키도록 구현할 수 있다.

또는 본 발명의 다른 실시예로서, 통신 노드(1)가 고정 전원을 구비한 경우 스누핑부(10)의 동작을 온(ON) 시키고 휴대용 전원을 구비한 경우 스누핑부(10)의 동작을 오프(OFF) 시키도록 구현할 수 있다.

나아가, 전원을 절약하기 위하여 평소에 데이터를 송수신하지 않을 때는 스누핑부(10)의 동작을 오프(OFF)시키고, 데이터 패킷의 전송에 실패한 경우에만 스누핑부의 동작을 온(ON) 시키도록 구현할 수도 있다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 통신 노드(1)의 구성에 기초하여 데이터 채널 스누핑 방법 및 이를 이용한 데이터 채널 선택방법을 정리하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따르면 복수의 채널을 공유하는 모든 통신 노드(1)들은 데이터를 송수신하지 않을 때, 도 3에 도시된 바와 같이 데이터 라디오(data radio)로 각각의 데이터 채널(data channel)을 순회하면서 각 데이터 채널의 상태를 스누핑한다. 즉, 아주 짧은 시간 동안 데이터 채널의 에너지 레벨을 측정하여 해당 데이터 채널이 현재 사용중인지 아닌지를 알아낸다. 이 때, 데이터 채널의 수가 많으면 채널 사용 리스트에 유휴 채널로 기록된 채널만 스누핑하여 소용되는 시간을 줄일 수 있다.

다음, 각 데이터 채널을 스누핑한 결과를 이용하여 스누핑 채널 리스트(제2 리스트, 도 6 참조)를 생성한다. 도 6에 도시된 바와 같이 스누핑 채널 리스트에서 '0'은 채널이 유휴상태(idle)인 것을, '1'은 캐리어가 검출되어 채널이 사용상태(busy)임을 나타낸다. 또한, '-'은 채널 사용 리스트에 사용상태(busy)로 나타나서 스누핑을 하지 않은 것을 의미한다.

전송할 데이터가 발생하면, 소스 노드(S)는 목적지 노드(D)에게 RTS 제어 프레임을 보낸다. 이때 채널 사용 리스트(제1 리스트)와 스누핑 채널 리스트(제2 리스트)를 이용하여 사용중이 아니면서 캐리어가 검출되지 않은 캐리어 프리 채널 리스트(제3 리스트)를 생성하여 RTS 제어 프레임에 실어 보낸다. 캐리어 프리 채널 리스트는 도 6에 도시된 바와 같이, 통신 거리 내의 이웃 노드가 사용하지 않으면 서 캐리어가 검색되지 않은 데이터 채널을 '0'으로 표시하고 나머지 채널은 '1'로 표시한다.

한편 RTS 제어 프레임을 수신한 목적지 노드(D)는 데이터 채널을 선택하기 전에 자신의 채널 사용 리스트와 스누핑 채널 리스트를 이용하여 캐리어 프리 채널 리스트를 별도로 생성한다. 이제 자신이 생성한 캐리어 프리 채널 리스트와 소스 노드(S)로부터 수신한 캐리어 프리 채널 리스트를 비교하여 양쪽에서 모두 유휴상태(idle)인 채널을 데이터 채널로 선택하여 CTS 제어 프레임에 실어 소스 노드(S)로 보낸다. 그리고 CTS 제어 프레임의 전송이 끝나면 선택한 데이터 채널로 데이터 라디오를 스위칭하여 데이터를 수신할 준비를 완료한다.

한편 소스 노드(S)는 CTS 제어 프레임을 수신하면, 선택된 데이터 채널로 데이터 라디오를 스위칭하여 데이터 전송을 준비한다. 동시에 RES 제어 프레임에 선택된 데이터 채널 정보를 실어 제어 채널을 통해 전송한다.

이 때, 소스 노드(S)는 선택된 데이터 채널로 데이터 라디오를 스위칭한 후, 데이터 채널의 충돌을 방지하기 위해 소정의 시간, 예를 들면 SIFS보다 긴 시간(slot time, 20us) 동안 선택된 데이터 채널의 상태를 감지한다. 선택된 데이터 채널의 캐리어 감지 결과, 해당 채널이 유휴상태이면 데이터를 전송하고, 해당 채널이 사용중이면 제어 채널을 통해 다시 전술한 데이터 채널 선택과정을 반복한다.

이제 목적지 노드(D)는 데이터 채널에서 데이터를 수신하면 ACK 제어 프레임을 보내서 데이터를 잘 받았음을 알린 후, 데이터 라디오로 데이터 채널 스누핑을 다시 시작한다. 또한 전송할 데이터가 있으면 전술한 과정과 같이 제어 채널을 통해 RTS 전송을 시도한다.

소스 노드(S)는 ACK 제어 프레임을 받으면 데이터 전송 과정을 마치고 데이터 라디오로 데이터 채널 스누핑을 다시 시작한다. 또한 전송할 데이터가 있으면 전술한 과정과 같이 제어 채널을 통해 RTS 전송을 시도한다.

도 4는 본 발명에 따른 데이터 채널의 스누핑 방법을 설명하기 위한 멀티 채널 무선 네트워크의 일 예로서, 5개의 데이터 채널이 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, Z각 링크는 현재 상태에 따라 달리 표시된다. 여기서 실선의 작은 원(800)은 소스 노드(S)의 통신 거리 범위를, 실선의 큰 원(802)은 소스 노드의 캐리어 감지 거리(통신거리의 2배)를 나타내며, 점선의 작은 원(000)은 목적지 노드(D)의 통신 거리 범위를, 점선의 큰 원(902)은 목적지 노드의 캐리어 감지 거리(통신거리의 2배)를 각각 나타낸다. 통신 거리 내의 노드들은 이웃 노드의 제어 프레임을 해석하여 현재 사용중인 데이터 채널을 알아낼 수 있으나, 통신 거리와 캐리어 감지 거리 사이에 놓인 노드들은 이웃 노드의 제어 프레임을 해석할 수 없고, 다만 이웃 노드의 캐리어를 검출할 수 있을 뿐이다.

도 5는 일반적인 DCA 미디어 접근 제어 방식에 따른 데이터 채널 선택 방법의 일 예이다.

도 5를 참조하면, 소스 노드(S)와 목적지 노드(D)의 채널 사용 리스트(제1 리스트)가 각각 도시된다. 좌측의 채널 사용 리스트를 살펴 보면, 소스 노드(S)를 중심으로 데이터 채널 1은 통신 거리 밖에 있는 다른 노드에 의해 실제 사용중이지 만, 이웃 노드의 제어 프레임을 해석할 수 없어 유휴 상태 '0'로 표시된다. 데이터 채널 2도 마찬가지 이유로 사용 중이만 유휴 상태 '0'로 표시된다. 반면 데이터 채널 3 및 4는 모두 통신 거리 내의 통신 노드들에 의해 사용 중으로 사용상태 '1'로 표시된다. 한편, 데이터 채널 5는 통신 거리 내의 통신 노드에 의해 데이터 채널 선택중인 링크이므로 유휴 상태 '0'로 표시된다.

결국, 소스 노드(S)의 채널 사용 리스트를 참조하면 채널 1, 2 및 5가 사용가능한 유휴상태로 표시 되어 데이터 채널로 선택가능하지만, 실제로 채널 1 및 2는 통신거리 밖의 다른 노드에 의해 이미 사용 중이므로, "hidden node problem" 에 따라 채널 1 또는 채널 2를 데이터 채널로 선택하면 충돌 문제가 발생하게 된다.

한편, 도 6은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 본 발명에 따른 데이터 채널의 스누핑 방법 및 데이터 채널 선택 방법의 일 예이다.

도 6을 참조하면, 소스 노드(S)와 목적지 노드(D)의 채널 사용 리스트(제1 리스트)와, 스누핑 채널 리스트(제2 리스트) 및 이들을 이용한 캐리어 프리 채널 리스트(제3 리스트)가 각각 도시된다.

소스 노드(S)를 중심으로 데이터 채널 1 및 2는 통신 거리 밖에 있는 다른 노드에 의해 실제 사용중이지만, 이웃 노드의 제어 프레임을 해석할 수 없어 채널 사용 리스트(제1 리스트)에 각각 유휴 상태 '0'로 표시된다. 그러나, 채널 1 및 2는 캐리어 감지 거리 내의 노드들에 의해 사용되므로 스누핑 채널 리스트(제2 리스트)에서 채널 1 및 채널 2의 캐리어를 검출할 수 있어 각각 사용상태 '1'로 표시된 다. 결국 캐리어 프리 채널 리스트(제3 리스트)에 의하면 채널 1 및 채널 2는 채널 사용 리스트에 사용중으로 표시되지는 않으나 캐리어가 검출되어 사용상태 '1'로 각각 표시된다. 이에 따라, 채널 1 및 2는 데이터 채널로 선택할 수 없게 된다. 반면, 채널 5의 경우 채널 사용 리스트에 사용중으로 표시되지 않고, 또한 캐리어도 검출되지 않아 캐리어 프리 채널 리스트에 유휴상태 '0'로 표시된다. 따라서, 본 발명에 따르면 채널 5만 유휴상태로 데이터 채널로 선택 가능하게 되어, 데이터 충돌을 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면 목적지 노드가 데이터 채널을 선택할 때, 유휴 채널을 선택하는 확률을 크게 향상시킴으로써, 동시에 전송되는 데이터 수가 증가하고 결과적으로 네트워크의 전송 성능이 향상된다. 도 5 및 도 6을 비교하면, 본 발명에 따르면 유휴 채널 선택 확률이 33.3%에서 100%로 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.

도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 데이터 채널의 스누핑 방법 및 데이터 채널 선택 방법의 효과를 도시한 그래프이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 멀티 홉 애드혹 네트워크에서 5개의 채널을 사용하는 경우의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 데이터 채널 스누핑 방법을 사용하는 경우 종래의 캐리어 감지만 하는 경우보다 처리효율(throughput)이 30%가량 증가한 것을 확인할 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 멀티 채널 무선 네트워크 환경에서 효과적으로 데이터 채널을 선택하여 데이터 채널의 충돌을 방지하고 반복되는 채널 선택 과정을 방지함으로써 결과적으로 복수의 데이터 채널을 보다 효과적으로 사용하여 네트워크의 성능을 높일 수 있는 통신 방법 및 장치가 제공된다.

즉, 본 발명에 따라 데이터 라디오(data radio)를 사용하여 데이터 채널을 스누핑하는 방법과 데이터 채널 선택시에 상기 스누핑한 결과를 이용하여 유휴 데이터 채널(idle data channel)을 선택하는 방법을 제공함으로써, 데이터의 충돌을 방지하고 데이터 채널을 선택할 때 유휴 채널 선택확률을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 동시에 전송되는 데이터 수가 증가하고 결과적으로 네트워크의 전송 성능이 향상된다. 시뮬레이션 결과에 따르면 본 발명에 따른 데이터 채널 스누핑 방법을 사용하는 경우 종래의 캐리어 감지만 하는 경우보다 처리효율(throughput)이 30%가량 증가한 것을 확인할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (32)

1. 복수의 통신 노드 간에 공유되는 복수의 데이터 채널을 통하여 데이터 패킷을 송수신하는 통신 노드에 있어서,

   데이터 패킷을 송수신하지 않는 동안 데이터 라디오(data radio)를 이용하여 상기 복수의 데이터 채널을 순회하면서 각 데이터 채널의 상태를 감지하는 스누핑부(snooping unit)를 포함하며,

   상기 스누핑부를 통해 감지된 유휴(idle) 데이터 채널을 데이터 패킷을 송수신하기 위한 데이터 채널로 선택하는 것을 특징으로 하는 통신 노드.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스누핑부는 소정의 시간 동안 특정 데이터 채널의 에너지 레벨을 측정하여 캐리어를 검출함으로써 상기 특정 데이터 채널이 현재 사용중인지 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 통신 노드.
3. 제1항에 있어서,

   상기 스누핑부는 감지할 데이터 채널의 수가 소정 기준보다 많은 경우 각 채널의 사용상태를 기록한 제1 리스트에 유휴 채널로 기록된 채널만을 선택적으로 순회하여 스누핑 시간을 줄이는 것을 특징으로 통신 노드.
4. 제1항에 있어서,

   상기 스누핑부는 각 채널의 상태를 감지한 결과에 기초하여 각 채널의 스누핑 결과를 기록한 제2 리스트를 생성하는 것을 특징으로 하는 통신 노드.
5. 제4항에 있어서,

   복수의 통신 노드 간에 공유되는 제어 채널(control channel)을 통해 데이터 패킷의 송수신을 제어하는 제어신호 처리부를 더 포함하며,

   상기 스누핑부는 각 채널의 사용상태를 기록한 제1 리스트와 상기 제2 리스트를 이용하여 캐리어가 검출되지 않은 채널 정보를 기록한 제3 리스트를 생성하며,

   상기 제어신호 처리부는 소스 노드가 목적지 노드에게 RTS(Request To Send) 제어신호를 보낼 때 상기 생성된 제3 리스트를 실어 보내는 것을 특징으로 하는 통신 노드.
6. 제5항에 있어서,

   상기 스누핑부는 상기 RTS 제어신호를 수신한 목적지 노드가 데이터 채널을 선택하기 전에 자신의 제1 리스트와 제2 리스트를 이용하여 캐리어가 검출되지 않은 채널 정보를 기록한 제3 리스트를 생성하는 것을 특징으로 하는 통신 노드.
7. 제6항에 있어서,

   상기 스누핑부는 상기 생성된 제3 리스트와 상기 소스 노드로부터 수신한 제3 리스트를 참조하여 양자간에 모두 사용할 수 있는 캐리어 프리 채널(carrier free channel)을 데이터 채널로 선택하며,

   상기 제어신호 처리부는 상기 목적지 노드가 상기 소스 노드에 CTS(Clear To Send) 제어신호를 보낼 때 상기 선택된 데이터 채널 정보를 실어 보내는 것을 특징으로 하는 통신 노드.
8. 제7항에 있어서,

   상기 스누핑부는 상기 CTS 제어신호를 수신한 소스 노드가 선택된 데이터 채널로 데이터 라디오(data radio)를 스위칭하는 동안 상기 선택된 데이터 채널의 상태를 감지하는 것을 특징으로 하는 통신 노드.
9. 제1항에 있어서,

   전원(power) 상태가 소정의 기준값 이하로 떨어지면 상기 스누핑부의 동작을 오프(OFF) 시키는 것을 특징으로 하는 통신 노드.
10. 제1항에 있어서,

    고정 전원을 구비한 경우 상기 스누핑부의 동작을 온(ON) 시키고 휴대용 전원을 구비한 경우 상기 스누핑부의 동작을 오프(OFF) 시키는 것을 특징으로 하는 통신 노드.
11. 제1항에 있어서,

    데이터 패킷의 전송에 실패한 경우에만 상기 스누핑부의 동작을 온(ON) 시키는 것을 특징으로 하는 통신 노드.
12. 삭제
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20. 복수의 통신 노드 간에 공유되는 복수의 데이터 채널을 통하여 데이터 패킷을 송수신하는 통신 방법에 있어서,

    (a) 각 통신 노드가 데이터 패킷을 송수신하지 않는 동안 데이터 라디오(data radio)를 이용하여 상기 복수의 데이터 채널을 순회하면서 각 데이터 채널의 상태를 감지하는 단계;

    (b) 감지된 유휴(idle) 데이터 채널을 데이터 패킷을 송수신하기 위한 데이터 채널로 선택하는 단계; 및

    (c) 선택된 데이터 채널로 데이터 라이오를 스위칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
21. 제20항에 있어서,

    상기 (a) 단계는 소정의 시간 동안 특정 데이터 채널의 에너지 레벨을 측정하여 캐리어를 검출함으로써 상기 특정 데이터 채널이 현재 사용중인지 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
22. 제20항에 있어서, 상기 (a) 단계는,

    (a1) 소정의 시간 동안 특정 데이터 채널의 에너지 레벨을 측정하여 캐리어를 검출하는 단계; 및

    (a2) 각 데이터 채널의 사용상태와 상기 (a1) 단계에서 검출된 캐리어 정보를 이용하여 현재 사용상태가 아닌 데이터 채널 중 캐리어가 검출되지 않는 데이터 채널을 유휴 채널로 감지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
23. 제20항에 있어서, 상기 (a) 단계는,

    감지할 데이터 채널의 수가 소정 기준보다 많은 경우 각 채널의 사용상태를 기록한 리스트에 유휴 채널로 기록된 채널만을 선택적으로 순회하여 스누핑 시간을 줄이는 것을 특징으로 통신 방법.
24. 제22항에 있어서, 상기 (b) 단계는,

    (b1) 복수의 통신 노드 간에 공유되는 제어 채널(control channel)을 통해 소스 노드가 목적지 노드에게 RTS(Request To Send) 제어신호를 보낼 때, 상기 소 스 노드에서 감지된 유휴 채널 정보를 실어 보내는 단계; 및

    (b2) 상기 RTS 제어신호를 수신한 목적지 노드는 자신이 감지한 유휴 채널 정보와 상기 소스 노드로부터 상기 RTS 제어신호를 통해 수신된 소스 노드 유휴 채널 정보를 비교하여 양자간에 모두 사용할 수 있는 유휴 채널을 데이터 채널로 선택하고, 상기 소스 노드로 CTS(Clear To Send) 제어신호를 보낼 때 상기 선택된 데이터 채널 정보를 실어 보내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
25. 제24항에 있어서, 상기 (c) 단계는,

    (c1) 상기 CTS 제어신호를 수신한 소스 노드가 선택된 데이터 채널로 데이터 라디오(data radio)를 스위칭하는 동안 상기 선택된 데이터 채널의 상태를 감지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
26. 제20항에 있어서,

    상기 통신 노드의 전원(power) 상태가 소정의 기준값 이하로 떨어지면 상기 (a) 단계를 생략하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
27. 제20항에 있어서,

    상기 통신 노드가 고정 전원을 구비한 경우 상기 (a) 단계를 수행하고, 상기 통신 노드가 휴대용 전원을 구비한 경우 상기 (a) 단계를 생략하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
28. 제20항에 있어서,

    상기 통신 노드는 데이터 패킷의 전송에 실패한 경우에만 상기 (a) 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
29. 무선 네트워크 환경에서 복수의 데이터 채널간 충돌을 방지하는 방법에 있어서,

    (a) 상기 무선 네트워크 환경을 구성하는 각 통신 노드가 데이터 패킷을 송수신하지 않는 동안 데이터 라디오(data radio)를 이용하여 상기 복수의 데이터 채널을 순회하면서 각 데이터 채널의 상태를 스누핑(snooping)하는 단계; 및

    (b) 상기 스누핑 결과를 이용하여 감지된 유휴(idle) 데이터 채널을 데이터 패킷을 송수신하기 위한 데이터 채널로 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 데이터 채널간 충돌 방지 방법.
30. 제29항에 있어서, 상기 (a) 단계는,

    소정의 시간 동안 특정 데이터 채널의 에너지 레벨을 측정하여 캐리어를 검출함으로써 상기 특정 데이터 채널이 현재 사용중인지 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 복수의 데이터 채널간 충돌 방지 방법.
31. 멀티 채널 무선 네트워크 환경을 위한 미디어 접근 제어(Media Access Control) 프로토콜 모듈에 있어서,

    데이터 패킷을 송수신하지 않는 동안 데이터 라디오(data radio)를 이용하여 복수의 데이터 채널을 순회하면서 각 데이터 채널의 상태를 감지하는 스누핑부(snooping unit)를 포함하며,

    상기 스누핑부를 통해 감지된 유휴(idle) 데이터 채널을 데이터 패킷을 송수신하기 위한 데이터 채널로 선택하는 것을 특징으로 하는 미디어 접근 제어 프로토콜 모듈.
32. 제31항에 있어서,

    상기 스누핑부는 소정의 시간 동안 특정 데이터 채널의 에너지 레벨을 측정하여 캐리어를 검출함으로써 상기 특정 데이터 채널이 현재 사용중인지 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 미디어 접근 제어 프로토콜 모듈.

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