KR101511150B1 - 분산형 인지 무선 네트워크에서의 채널 선점을 이용한 매체 접근 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 분산형 인지 무선 네트워크에서의 매체 접근 제어 방법은, 네트워크에 참여한 부사용자들 중 적어도 일부가, 복수 개의 주사용자 채널들 중 적어도 일부를 배타적으로 감지하고, 공통제어채널을 통하여, 감지된 주사용자 채널에 대응하는 미니슬롯에서 해당 주사용자 채널의 감지 결과를 보고하는 단계; 및 상기 보고하는 단계를 통하여 획득된 유휴 채널 정보를 바탕으로, 데이터를 전송하고자 하는 부사용자들이, 상기 공통제어채널을 통하여, 유휴 채널의 선점을 위한 경쟁(contention)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

분산형 인지 무선 네트워크에서의 채널 선점을 이용한 매체 접근 제어 방법{MEDIA ACCESS CONTROL METHOD USING CHANNEL PREEMPTION IN DISTRIBUTED COGNITIVE RADIO NETWORK}
본 발명은 인지 무선 네트워크에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분산형 인지 무선 네트워크에서의 채널 선점을 이용한 매체 접근 제어 방법에 관한 것이다.
현재 무선 네트워크는 무선 통신 기술의 발전과 새로운 응용 서비스들의 수요 증가로 스펙트럼 자원 부족 현상을 겪고 있다. 이러한 자원 부족 현상을 타개하기 위해 연방통신위원회(FCC, Federal Communication Commission)에서는 인가 대역에서 비인가 장치, 즉 부사용자들(SUs, secondary users)의 사용을 최근 승인하였다. 결과적으로, 이 같은 스펙트럼 비효율성 문제를 해결하기 위해 동적 스펙트럼 접속 (DSA, dynamic spectrum access) 기술이 제안되었다. 이 새로운 연구 분야는 인지 무선(CR, cognitive radio) 네트워크를 개발하도록 하여 스펙트럼 자원의 효율성을 향상시켰다.
어떠한 CR 네트워크에서든지 무선 채널 상에서 통신을 제어 및 관리하는 것이 용이하도록 하기 위해서는 효율적이고 지능적인 매체접근제어 (MAC, medium access control) 프로토콜의 개발이 필요하다. 따라서, MAC 프로토콜은 CR 네트워크의 특징을 스마트하게 적응할 수 있어야 하며, 매우 동적인 환경에서도 성능을 유지할 수 있어야 한다.
CR 네트워크는 일반적으로, 집중형(centralized) 구조과 분산형(distributed) 구조로 구분된다. 집중형 구조는 기지국(BS, base station)과 같은 중앙 유닛(central unit)을 가지는데, 중앙 유닛이 무선 환경에 관한 정보를 수집하고 그것의 커버리지 영역 안에 있는 부사용자들 간의 통신을 관리한다.
반면, 분산형 구조, 즉 분산형 인지 무선 네트워크(DCRNs, distributed cognitive radio networks)는 무선 환경 정보를 수집하는 셀룰러 네트워크에서의 기지국이나, 무선 근거리통신 네트워크(WLAN, wireless local area network)에서의 접속점(AP, access point)이 존재하지 않은 CR 네트워크로서, 부사용자들 간에 피어투피어(P2P, peer-to-peer) 네트워크를 형성한다. 일반적으로 분산형 인지 무선 네트워크에서는 부사용자들이 채널을 감지하고, 채널의 사용을 위한 협상을 수행하는 기능을 가지고 있다.
분산형 인지 무선 네트워크에서는, 부사용자들이 스스로 채널을 감지하여 주사용자(Primary User, PU)의 채널 사용 여부를 알아내고, 주사용자가 사용하지 않는 유휴(idle) 상태의 채널을 통해 다른 부사용자와 애드혹 방식으로 통신한다. 그러나 부사용자가 채널을 감지하는 범위 및 기간, 하드웨어의 제약 등으로 인해 전체 스펙트럼의 정보 중 일부만을 획득할 수 있으며 정확한 정보를 획득하기 어렵다. 이를 극복하기 위해, 분산형 무선 인지 네트워크 내의 부사용자들은 자신이 감지한 부분적인 스펙트럼의 정보를 다른 부사용자들과 서로 교환하는 방법으로 전체 채널 정보를 파악하는 협력적 스펙트럼 감지(Cooperative Spectrum Sensing) 기능을 수행한다.
분산형 무선 인지 네트워크 환경에서 부사용자들은 중앙 유닛 없이 주사용자 채널(이하, PU 채널)의 감지 결과 교환, 사용할 PU 채널의 협상 및 선택, 그리고 시간 동기화 작업을 유기적으로 수행해야 한다. 이러한 동작들은 부사용자들에게 인가되거나 부사용자들이 공통적으로 알고 있는 공통제어채널(Common Control Channel, CCC)을 통해 보다 효율적으로 수행될 수 있다.
이러한 분산형 무선 인지 네트워크 환경을 위하여 제안된 것으로 O-MAC(H. Su and X. Zhang, "Cross-layer based Opportunitic MAC Protocols for QoS Provisioning over Cognitive Radio Wireless Networks," IEEE Jr. Selected Areas in Commun., vol. 26, no. 1, pp. 118-129, Jan. 2008.) 프로토콜이 있다.
도 1은 O-MAC 프로토콜의 시간 구조를 나타낸다. 도 1을 참조하면, O-MAC 프로토콜에서는 주사용자에게 인가된 채널로서 N개의 PU 채널과 이와 독립적으로 부사용자에게 인가된 공통제어채널이 마련된다. 네트워크 내의 부사용자들은 두 개의 반이중 트랜스시버(half-duplex transceiver)를 가지는데, 하나는 PU 채널을 감지하고 PU 채널 상에서 데이터를 송수신할 수 있는 데이터 트랜스시버이고, 다른 하나는 공통제어채널 상에서 감지 정보를 교환하고 제어 패킷의 송수신과 같은 제어 시그널링 동작을 수행할 수 있는 제어 트랜스시버이다. 부사용자들은 이러한 두 개의 반이중 트랜스시버를 동시에 사용하여 데이터 통신 및 제어 시그널링을 동시에 수행한다.
도 1을 참조하면, O-MAC 프로토콜에서 N개의 모든 PU 채널들은 일정한 길이(Tts)를 갖는 타임슬롯으로 나뉘어지며, 도 2와 같은 Markov Chain ON/OFF 모델을 활용하여 주사용자 트래픽이 생성된다. 공통제어채널 역시 주사용자 채널과 동일한 길이를 갖는 타임슬롯으로 나뉘어지고, 하나의 타임슬롯은 보고구간(Reporting Period)과 협상구간(Negotiating Phase)으로 다시 나뉘어진다. 보고구간은 또다시 PU 채널의 개수와 같은 N개의 미니슬롯으로 나뉘어진다. 보고구간에서 각 부사용자는 하나의 PU 채널을 감지한 후, 그 결과가 유휴(idle)이면 공통제어채널을 통하여 해당 미니슬롯에서 비콘메시지를 전송하고, 비지(busy)이면 비콘메시지를 전송하지 않는 방법으로 감지 결과를 보고한다. 협상구간에서, 데이터 패킷의 전송을 원하는 부사용자들은 그들 중 유휴한 PU 채널을 사용할 부사용자를 p-persistent CSMA 방식을 이용하여 선택한다.
상기된 O-MAC 프로토콜은 두 개의 트랜스시버를 사용하여 데이터 통신 및 제어 시그널링을 동시에 수행할 수 있어 주파수 자원을 효율적으로 사용할 수 있지만, 다음과 같은 문제점이 존재한다.
첫째, 보고 단계에서 하나의 PU 채널을 동시에 둘 이상의 부사용자들이 감지하는 경우가 발생한다. 이러한 경우, 해당 PU 채널이 유휴 상태이면 둘 이상의 부사용자는 동일한 미니슬롯을 통하여 비콘메시지를 전송하게 되는데, 이는 비콘메시지의 충돌을 유발한다. 이로 인해, 다른 부사용자들은 해당 PU 채널을 비지 상태, 즉 이용할 수 없는 것으로 인식하게 되어 유휴 채널에 대한 자원의 낭비가 초래된다.
둘째, 유휴 채널에서 데이터를 전송할 하나의 부사용자를 선택하기 위해 협상 단계에서 사용되는 p-persistent CSMA 방식으로는 협상을 위한 효율적인 RTS/CTS 교환이 어렵고 데이터 전송에까지 불필요한 지연을 초래하게 된다.
마지막으로, O-MAC 프로토콜은 데이터 전송시 하나의 SU가 가용한 모든 PU 채널들을 동시에 사용할 수 있도록 설계되었으나, 이것은 상용 환경에서 부사용자의 하드웨어 제한사항을 고려하고 있지 못하다.
이에, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 분산형 인지 무선 네트워크에서 부사용자들이 PU 채널의 감지 결과를 교환할 때 정보의 충돌을 방지하여 주사용자 채널 정보를 손실 없이 파악할 수 있는 매체 접근 제어 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 p-persistent CSMA 방식을 대신하여, 부사용자들이 사용할 PU 채널을 효율적으로 선점할 수 있도록 하는 매체 접근 제어 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 부사용자들의 하드웨어 제한사항을 고려하여, 하나의 부사용자가 선점한 하나의 PU 채널을 통해 데이터를 전송할 수 있는 매체 접근 제어 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 분산형 인지 무선 네트워크에서의 매체 접근 제어 방법은, 네트워크에 참여한 부사용자들 중 적어도 일부가, 복수 개의 주사용자 채널들 중 적어도 일부를 배타적으로 감지하고, 공통제어채널을 통하여, 감지된 주사용자 채널에 대응하는 미니슬롯에서 해당 주사용자 채널의 감지 결과를 보고하는 단계; 및 상기 보고하는 단계를 통하여 획득된 유휴 채널 정보를 바탕으로, 데이터를 전송하고자 하는 부사용자들이, 상기 공통제어채널을 통하여, 유휴 채널의 선점을 위한 경쟁(contention)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 보고하는 단계 및 상기 경쟁을 수행하는 단계는 소정 길이의 매 타임슬롯마다 수행될 수 있다.
상기 타임슬롯은 상기 보고하는 단계를 위한 보고 구간과 상기 경쟁을 수행하는 단계를 위한 경쟁 구간을 포함할 수 있다.
상기 보고 구간은 상기 복수 개의 주사용자 채널에 각각 대응하는 복수 개의 미니슬롯들을 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 주사용자 채널들 중 적어도 일부를 감지할 부사용자들은 매 타임슬롯을 걸쳐서 라운드-로빈 방식으로 할당될 수 있다.
상기 복수 개의 주사용자 채널들 중 적어도 일부를 감지할 부사용자들은 주사용자 채널들의 수, 부사용자들의 수, 타임슬롯의 인덱스를 바탕으로 매 타임슬롯을 걸쳐서 라운드-로빈 방식으로 할당될 수 있다.
상기 복수 개의 주사용자 채널들 중 적어도 일부를 감지할 부사용자들은 다음 수학식에 따라 할당될 수 있다.
Figure 112014035466429-pat00001
(if NSU,k ≥ NPU)
Figure 112014035466429-pat00002
(if NSU,k < NPU)
여기서,
Figure 112014035466429-pat00003
,
Figure 112014035466429-pat00004
이고, k(k=0.1.2...)는 타임슬롯의 인덱스, l(l=0,1,2,...,NPU-1)은 주사용자 채널의 인덱스, NPU는 주사용자 채널들의 수, NSU,k는 k번째 타임슬롯에서의 부사용자들의 수, ISU(k,l)은 k번째 타임슬롯에서 l번째 주사용자 채널을 감지할 부사용자의 인덱스를 나타낸다.
상기 경쟁구간은 상기 복수 개의 주사용자 채널들에 각각 대응하는 복수 개의 협상슬롯들을 포함할 수 있다.
상기 경쟁을 수행하는 단계는, 상기 복수 개의 협상슬롯들 중 상기 보고하는 단계를 통하여 획득된 유휴 채널들의 수에 해당하는 협상슬롯들마다, 데이터를 전송하고자 하는 발신지 부사용자들이 랜덤 백오프 기반으로 목적지 부사용자와 RTS/CTS 교환을 통하여 유휴 채널의 선점을 위한 경쟁을 수행할 수 있다.
상기 경쟁을 수행하는 단계에서, 어느 협상슬롯에서 발신지 부사용자는 랜덤 백오프 시간이 만료되면 해당 협상슬롯에서 파악되는 가용 채널 리스트에서 임의로 선택된 주사용자 채널을 포함하는 RTS 메시지를 목적지 부사용자에게 전송하고, 상기 목적지 부사용자로부터 CTS 메시지가 수신되면, 상기 발신지 부사용자는 다음의 타임슬롯에서 상기 선택된 주사용자 채널을 통하여 데이터를 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 부사용자들 중 상기 발신지 부사용자 이외의 부사용자들은 상기 가용 채널 리스트에서 상기 선택된 주사용자 채널을 삭제할 수 있다.
상기 경쟁구간은 참여슬롯을 더 포함하고, 상기 네트워크에 참여하고자 하는 부사용자는, 상기 공통제어채널을 통하여, 상기 복수 개의 협상슬롯들 중 상기 보고하는 단계를 통하여 획득된 유휴 채널들의 수에 해당하는 협상슬롯들을 제외한 나머지 협상슬롯 또는 상기 참여슬롯을 이용하여 상기 네트워크에 참여하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 네트워크에 참여하는 단계는, 상기 네트워크에 참여하고자 하는 부사용자가 상기 나머지 협상슬롯 또는 상기 참여슬롯에서 조인 메시지를 전송하고, 상기 네트워크에 참여한 부사용자들 중 어느 하나인 관리자 부사용자가 상기 조인 메시지에 응답하여 응답 메시지를 전송함으로써 상기 네트워크에의 참여가 이루어질 수 있다.
상기 관리자 부사용자는 상기 조인 메시지를 전송한 부사용자에게 할당되는 부사용자 인덱스를 상기 응답 메시지에 포함시켜 전송할 수 있다.
상기된 본 발명에 의하면, 분산형 인지 무선 네트워크에서 주사용자 채널의 감지 결과를 보고할 때 정보의 충돌을 방지하고 주사용자 채널들의 정보를 손실 없이 파악할 수 있다.
또한, 복수 개의 협상슬롯들을 이용하여 유휴 채널의 선점을 위한 경쟁을 수행함으로써 보다 효율적으로 부사용자들이 사용할 주사용자 채널을 선점할 수 있다.
또한, 부사용자들의 하드웨어 제한사항을 고려하여, 하나의 부사용자는 그가 선점한 하나의 주사용자 채널을 통해 데이터를 전송할 수 있다.
도 1은 기존의 O-MAC 프로토콜의 시간 구조를 나타낸다.
도 2는 Markov Chain ON/OFF 모델을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 매체 접근 제어 방법을 위한 시간 구조를 나타낸다.
도 4의 NSU,k ≥ NPU인 경우와 NSU,k < NPU인 경우에 k 번째 타임슬롯에서 l번째 PU 채널을 감지할 부사용자의 인덱스를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 RTS 메시지와 CTS 메시지의 구조를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 경쟁 단계가 수행되는 모습의 예를 나타낸다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
<시스템 모델>
본 발명의 실시예에 따른 분산형 인지 무선 네트워크 환경에는 공통제어채널이 존재하여, 부사용자들은 공통제어채널을 통하여 서로 제어 메시지들을 교환한다. 또한, 각 부사용자는 데이터 트랜스시버와 제어 트랜스시버의 두 개의 반이중 트랜스시버를 가진다. 부사용자는 데이터 트랜스시버를 사용하여 스펙트럼 센싱을 수행하고 유휴 상태의 PU 채널을 통하여 데이터를 전송하며, 제어 트랜스시버를 사용하여 공통제어채널 상에서 제어 메시지들을 서로 교환한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 매체 접근 제어 방법을 위한 시간 구조를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 시간축은 동일한 길이의 타임슬롯들로 나누어지며, 한 타임슬롯의 길이는 Tts이다. 본 발명의 실시예에서 타임슬롯의 처음에는 센싱구간(Sensing)이 마련되는데, 센싱구간 동안 부사용자는 그에게 할당된 하나의 PU 채널을 배타적으로 감지한다. 부사용자마다 PU 채널을 어떻게 할당할 것인지에 관하여는 후술하기로 한다. 감지 결과는 유휴(idle) 상태와 비지(busy) 상태 중 어느 하나가 될 수 있다. PU 채널을 감지한 부사용자는, 해당 PU 채널의 감지 결과를 공통제어채널을 통하여 보고하는데, PU 채널에 대응하는 미니슬롯에서 감지 결과를 보고한다. 본 발명의 실시예에서 하나의 PU 채널은 하나의 부사용자가 감지하고, 하나의 PU 채널에는 하나의 미니슬롯이 대응되는 바, 감지 결과를 보고함에 있어서 충돌이 발생하지 않는다.
공통제어채널 상의 타임슬롯은 PU 채널들 상의 타임슬롯과 동기화된다. 도 3에 도시된 바와 같이 공통제어채널 상의 타임슬롯은 동기슬롯(SYNC)으로 시작하는데, 동기슬롯은 네트워크에 참여한 부사용자들이 동기 신호를 사용하여 시간 동기를 맞추는데 사용된다. 공통제어채널 상의 타임슬롯에서 동기슬롯 이외의 나머지 부분은 후술할 보고 단계를 위한 보고구간(Reporting Period)과 후술할 경쟁 단계를 위한 경쟁구간(Contention Period)으로 나누어진다.
보고구간은 각각이 Tms의 일정한 길이를 가지는 NC개의 미니슬롯(minislot)들로 나누어지는데, 여기서 NC는 분산형 인지 무선 네트워크 환경에서 운영될 수 있는 최대의 PU 채널의 수를 나타낸다. 즉, PU 채널과 보고구간의 미니슬롯은 일대일로 대응된다. NC와 구별하여, 현재의 인지 무선 네트워크 환경에서 실제로 운영되고 있는 PU 채널들의 수가 있는데, 이를 NPU로 나타내기로 한다. 즉, NPU ≤ NC 가 된다.
경쟁구간은 NC개의 소위 협상슬롯(negoslot)들을 포함하고, 이 협상슬롯들은 유휴 상태의 PU 채널들의 선점(preemption)을 위한 경쟁에 사용된다(이에 관해서는 후술할 것이다). 나아가 경쟁구간은 NC개의 협상슬롯과 더불어 하나의 참여슬롯(JOIN)을 더 포함하고(편의상 참여슬롯 역시 협상슬롯에 해당하는 것으로 간주함), 참여슬롯은 후술할 네트워크 초기화와 부사용자의 참여 및 탈퇴 관리를 위하여 사용된다. 참여슬롯을 포함한 각 네고슬롯의 길이는 Tns로 일정하다.
<네트워크 초기화>
본 발명의 실시예에서, 네트워크 초기화 과정은 추가적인 부사용자가 네트워크에 참여하고 기존의 부사용자들과 시간 동기화를 수행하는 과정에 해당한다. 본 발명의 실시예에서 부사용자들은 그 역할에 따라 두 가지 유형이 있는데, 하나는 관리자 부사용자(manager SU)이고, 다른 하나는 일반 부사용자(normal SU)이다. 하나의 관리자 부사용자는 매 타임슬롯의 시작, 즉 공통제어채널 상의 동기슬롯에서 동기신호를 전송한다. 이 동기신호를 이용하여, 각 일반 부사용자는 네트워크 내의 다른 부사용자들과 시간 동기를 맞출 수 있다.
부사용자들 중 관리자 부사용자가 선정되는 과정은 다음과 같다. 네트워크에 참여하고자 하는 부사용자는 동기신호의 수신을 시도한다. 일정 시간, 예컨대 K개의 연이은 타임슬롯 동안 동기신호가 수신되지 않는다면(예컨대 K=3), 부사용자는 자신이 네트워크에 참여한 최초의 부사용자인 것으로 판단하고 자신을 해당 네트워크에서의 관리자 네트워크로 결정한다. 그러면 이 관리자 부사용자는 주기적으로(타임슬롯에 해당하는 주기로) 동기신호를 전송(브로드캐스트)한다.
네트워크에 참여한, 또는 참여하고자 하는 부사용자는 동기신호를 수신하면, 동기신호를 이용하여 다른 부사용자들과 시간 동기를 맞출 수 있다. 후술하겠지만 보고구간의 각 미니슬롯은 네트워크에 이미 참여한 부사용자들 중 어느 하나의 부사용자에 배타적으로 할당되며, 각 미니슬롯은 PU 채널과 일대일로 대응된다. 다시 말하면, 각 미니슬롯의 인덱스는 대응되는 PU 채널의 인덱스와 매핑된다. 각 부사용자는 배타적으로 할당된 PU 채널의 감지 결과를 해당 PU 채널에 대응하는 미니슬롯에서 보고한다. 그러면 네트워크에 참여한 부사용자들은 보고 단계를 모니터링함으로써, 즉 보고구간에서 감지 결과들을 수신함으로써 유휴 채널의 개수를 파악할 수 있다. 여기서 유휴 채널의 개수를 Ni라 하면, Ni ≤ NPU가 된다. 유휴 채널의 개수가 파악되면 이하 설명하는 바와 같이 참여과정을 수행할 수 있는 참여협상슬롯의 번호 및 개수가 파악된다.
후술하겠지만, 보고구간 다음의 경쟁구간에서, 유휴 채널들의 수에 해당하는 협상슬롯들, 즉 앞쪽의 Ni 개의 협상슬롯들은, 네트워크에 이미 참여한 부사용자들 중 데이터를 전송하고자 하는 부사용자들이 유휴 채널의 선점을 위한 경쟁을 수행하는데 사용된다. 그러면 경쟁구간에는 나머지 (NC+1-Ni) 개의 협상슬롯이 존재하고, 편의상 이들을 참여협상슬롯(joining negoslot)이라 칭하기로 한다. 이 참여협상슬롯들은 새로운 부사용자들이 네트워크에 참여하는 과정을 수행하는데 사용된다. 본 발명의 실시예에서, 보고구간에는 NC개의 미니슬롯이 마련되지만 경쟁구간에는 참여슬롯을 포함하여 (NC+1) 개의 협상슬롯을 마련하는 이유는, Ni=NC, 즉 유휴 채널들의 수가 최대의 PU 채널의 수와 동일할 경우라도 부사용자에게 네트워크에 참여할 기회를 부여하기 위한 것이다.
NC개의 PU 채널 모두가 유휴 상태인 경우 네트워크에의 참여과정은 마지막 참여슬롯(JOIN)에서 수행된다. 각 참여협상슬롯 내에서, 네트워크에 참여하고자 하는 부사용자들은 예컨대 IEEE 802.11 DCF(Distributed Coordination Function)와 유사하게 백오프 방식을 이용하여 조인(JOIN) 메시지의 전송을 경쟁한다. 경쟁에서 승리한 부사용자는 공통제어채널 상의 참여협상슬롯에서 자신의 식별자(예컨대, 주소)를 포함하는 조인 메시지를 브로드캐스트하게 된다. 그리고 이 조인 메시지에 응답하여, 관리자 부사용자는 응답 메시지(이하 JACK 메시지)를 전송한다. 이 JACK 메시지에는 해당 부사용자의 인덱스(이하 SU 인덱스)를 포함하여, 네트워크에 참여 중인 부사용자들의 SU 인덱스가 포함된다. 이 SU 인덱스는 각 부사용자가 배타적으로 감지할 PU 채널을 결정하고 감지 결과를 보고하는데 사용될 미니슬롯을 결정하는데 사용된다.
만일 관리자 부사용자로부터 동기신호가 일정 시간, 예컨대 L개의 연이은 타임슬롯 동안 수신되지 않는다면(예컨대 L≤K), 부사용자는 관리자 부사용자가 탈퇴 등으로 인하여 존재하지 않는 것으로 판단하고, 예컨대 가장 낮은 값의 SU 인덱스를 가지는 부사용자가 관리자 부사용자가 되어서 주기적으로 동기신호를 전송한다.
<보고 단계>
이미 설명한 바와 같이, 분산형 인지 무선 네트워크에서 일반적으로 부사용자들은 모든 PU 채널들에 관한 정보를 정확하게 획득할 수 없다. 이것은 하드웨어의 제약으로 인하여 짧은 기간 내에 여러 개의 채널을 스캐닝하고 감지하는 것이 불가능하기 때문이다. 게다가 기존의 O-MAC 프로토콜에서는 동일한 PU 채널을 둘 이상의 부사용자들이 감지하고 그 감지 결과를 제어 메시지를 통하여 보고하기 때문에, 충돌이 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 부사용자들이 서로 다른 PU 채널들을 배타적으로 감지하고 그 감지 결과를 보고구간 동안 각 PU 채널에 대응하는 미니슬롯을 통하여 보고한다. 도 3을 참조하면, 보고구간은 각 미니슬롯의 인덱스가 PU 채널의 인덱스에 대응되는 NC 개의 미니슬롯들로 이루어진다. 즉, 어떤 부사용자에 의하여 i(i=0,1,2,...,NC-1) 번째 PU 채널에 대하여 얻어진 감지 결과는 그 부사용자에 의해 그 PU 채널에 대응하는 i 번째 미니슬롯을 통하여 보고된다.
본 발명의 실시예에서, 감지 결과의 보고를 위해 사용되는 소위 보고 메시지는 세 개의 필드를 포함하는데, SU 인덱스, PU 채널 인덱스, 그리고 감지 결과이다. SU 인덱스는 PU 채널을 감지한 SU의 인덱스이고, PU 채널 인덱스은 감지된 PU 채널의 인덱스이며, 감지 결과는 유휴 상태 또는 비지 상태로 나타낼 수 있다.
통상의 인지 무선 네트워크에서 예컨대 사용 가능한 최대의 PU 채널의 수와 운영 가능한 부사용자의 수는 각각 32 및 256을 초과하지 않는다. 따라서 SU 인덱스와 PU 채널 인덱스를 위한 필드의 길이는 각각 8비트와 5비트일 수 있다. 감지 결과 필드는 예컨대 유휴 상태는 '0'으로, 비지 상태는 '1'로 나타낼 수 있으며, 1비트일 수 있다. 따라서, 보고 메시지는 2바이트로 구성될 수 있다. 물리 매체로 예컨대 IEEE 802.11b가 고려될 때, 미니슬롯의 길이(Tms)는 스펙에 정의된 길이와 같은 20μs로 설정될 수 있으며, 이것은 위와 같은 보고 메시지를 전달하기에 충분한 시간이다.
네트워크 초기화 과정의 참여협상슬롯에서, 네트워크에 참가한 부사용자는 관리자 부사용자에 의해 부여되어 JACK 메시지에 포함된 자신의 SU 인덱스를 획득할 수 있다. 이 SU 인덱스를 이용하여 부사용자는 그가 PU 채널을 배타적으로 감지할 타임슬롯과 감지할 PU 채널의 인덱스를 결정할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 부사용자들이 PU 채널들을 배타적으로 감지하도록 하기 위하여, PU 채널들을 감지할 부사용자들은 매 타임슬롯을 걸쳐서 일종의 라운드-로빈(round-robin) 방식으로 할당된다. 예컨대 본 발명의 실시예에서는 운영 중인 PU 채널들 중 적어도 일부를 감지할 부사용자들을 PU 채널들의 수, 부사용자들의 수, 타임슬롯의 인덱스를 바탕으로 매 타임슬롯을 걸쳐서 라운드-로빈 방식으로 할당한다. 이하에서 PU 채널마다 부사용자를 할당하는 방법을 보다 구체적으로 설명한다.
NSU,k를 k(k는 타임슬롯의 인덱스로서, k=0,1,2,...) 번째 타임슬롯에서(엄밀하게는, k 번째 타임슬롯의 시작 시점에서) 네트워크에 참여하고 있는 부사용자들의 수라 하고, ISU(k,l)를 k 번째 타임슬롯에서 l(l은 PU 채널의 인덱스로서, l=0,1,2,...,NPU-1) 번째 PU 채널을 감지할 부사용자의 인덱스라 하자.
우선, NSU,k ≥ NPU인 경우, 즉 운영되고 있는 PU 채널들보다 부사용자들의 수가 더 많거나 같은 경우 ISU(k,l)는 다음 수학식에 따라 결정될 수 있다.
Figure 112014035466429-pat00005
여기서,
Figure 112014035466429-pat00006
이고, 여기서
Figure 112014035466429-pat00007
는 x보다 큰 가장 작은 정수를, %는 모듈로 연산을 나타내고,
Figure 112014035466429-pat00008
이다.
반대로 NSU,k < NPU인 경우라면, 즉 운영되고 있는 PU 채널들보다 부사용자들의 수가 적다면, ISU(k,l)는 다음 수학식에 따라 결정될 수 있다.
Figure 112014035466429-pat00009
위와 같은 수학식 1과 수학식 2를 이용하여, 각 부사용자는 자신이 감지해야 할 PU 채널의 인덱스와 그에 상응하는 타임슬롯들을 결정할 수 있다. 그리고 난 후, 부사용자는 매 지정된 타임슬롯의 시작 시점(센싱구간)에서 PU 채널을 감지하고, 그 감지 결과를 해당 타임슬롯의 보고구간 내의 해당 PU 채널에 대응하는 미니슬롯을 통하여 보고한다.
도 4의 (a) 및 (b)는 각각 NSU,k ≥ NPU인 경우, 예컨대 (NPU=5, NSU,k=13)인 경우와 NSU,k < NPU인 경우, 예컨대 (NPU=5, NSU,k=3)인 경우의 ISU(k,l)의 예를 나타낸다.
도 4를 참조하면, ISU(k,l)의 인덱스를 가지는 부사용자는 k번째 타임슬롯의 시작 시점에서 l 번째 PU 채널을 단독으로 감지할 수 있고, 그것의 감지 결과를 k번째 타임슬롯 내의 보고구간 내의 l 번째 미니슬롯에서 보고한다. 주목할 것은, 도 4의 (a)와 같이 NSU,k ≥ NPU인 경우 부사용자들의 수가 증가할수록 채널을 감지할 때 발생하는 부사용자들의 에너지 소비가 줄어들 수 있다. 왜냐하면 ISU(k,l)에 의해 지정되는 일부의 부사용자들만이 PU 채널들을 감지하면 되기 때문이다. 본 발명의 실시예에 의하면 부사용자가 배타적으로 각 PU 채널을 감지하고 그 감지 결과를 보고하기 때문에, 복수의 부사용자들이 동일한 채널을 감지하고 감지 결과를 보고함으로써 발생하는 충돌 문제를 해결할 수 있다. 공통제어채널은 모든 부사용자들에 의해 공유되므로, 부사용자들은 보고구간 동안에 모든 미니슬롯들에서 수신되는 보고 메시지를 모니터링함으로써, 모든 PU 채널의 상태(예컨대, 유휴 채널의 인덱스와 유휴 채널들의 수)에 관하여 정확한 정보를 획득할 수 있다.
나아가, 관리자 부사용자는 매 미니슬롯에서 보고 메시지를 모니터링함으로써 어떤 부사용자가 네트워크를 벗어나는지 판단할 수 있다. 다시 말하면, 만일 어떤 부사용자가 네트워크를 벗어나면, 그에게 할당된 미니슬롯에서 보고 메시지가 수신되지 않게 된다. 그러면 관리자 부사용자는 네트워크를 벗어난 부사용자의 SU 인덱스를 네트워크에 새로이 참여하는 부사용자에게 할당할 수 있다.
<경쟁 단계 및 데이터 전송 단계>
본 발명의 실시예에서, 경쟁 단계에서는, 데이터를 전송하고자 하는 부사용자들이 보고 단계를 통하여 획득된 유휴 채널 정보를 바탕으로, 공통제어채널 상에서 소위 다중 접속(multiple access) 메커니즘을 이용하여 유휴 채널의 선점을 위한 경쟁(contention)을 수행한다.
이러한 경쟁 단계를 위한 경쟁구간은 전술한 바와 같이 NC+1개의 협상슬롯들로 이루어지고, 각 협상슬롯의 길이는 Tns로 일정하다. 이미 설명하였지만 마지막의 협상슬롯은 참여슬롯으로서 네트워크 초기화를 위해 사용된다. 보고구간 동안 보고 메시지들을 모니터링함으로써, 모든 부사용자들은 모든 PU 채널들의 채널 상태를 파악할 수 있고, 유휴 채널의 수(Ni)와 유휴 채널의 리스트를 획득할 수 있다. 이때 획득되는 유휴 채널의 리스트를 가용 채널 리스트(Availabel Channel List, 이하 ACL)라 칭하기로 한다. 여기서, Ni ≤ NPU이고, NPU ≤ NC이다. 유휴 채널의 수 Ni가 결정되면, 경쟁구간에서 앞쪽의 Ni 개의 협상슬롯들은 데이터를 전송하고자 하는 부사용자들 간에 유휴 채널의 선점을 위한 경쟁을 수행하는데 사용된다. 이미 설명한 바와 같이, 참여슬롯을 포함한 나머지 (NC+1-Ni) 개의 협상슬롯들은 새로운 부사용자들이 네트워크에 참여하기 위한 경쟁을 수행하는데 사용된다.
채널 경쟁을 위하여, 본 발명의 실시예에서는 랜덤 백오프 기반의 RTS/CTS 교환 기법이 사용된다. 본 발명의 실시예에서 RTS 메시지에는 통상적인 프레임 제어(Frame Control) 필드, 기간(Duration) 필드, 목적지 주소(Destination Address) 필드, 소스 주소(Source Address) 필드 등과 더불어, 선택된 채널(Selected Channel) 필드가 포함된다. 선택된 채널 필드는 예컨대 1바이트로서, 유휴 채널들 중 임의로 선택된 채널의 인덱스가 포함된다. CTS 메시지에도 역시 통상적인 프레임 제어(Frame Control) 필드, 기간(Duration) 필드, 목적지 주소(Destination Address) 필드 등과 더불어, 선택된 채널(Selected Channel) 필드가 포함된다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 RTS 메시지와 CTS 메시지의 구조를 나타낸다.
본 발명의 실시예에서, 위와 같은 RTS 메시지와 CTS 메시지를 이용하여 수행되는 채널 경쟁 과정은 다음과 같다. 각 협상슬롯의 시작에서, 데이터를 전송하고자 하는 부사용자들은 가용 채널 리스트의 유휴 채널들 중 하나를 임의로 선택한다. 그리고 예컨대 IEEE 802.11 DCF에 정의된 DIFS 시간 후에, 상기 부사용자들은 랜덤하게 선택된 백오프 시간 동안 추가로 대기하고, 가장 먼저 만료된 백오프 시간을 가지는 발신지 부사용자가 공통제어채널을 통하여 목적지 부사용자에게 RTS 메시지를 전송한다. 앞서 설명한 것처럼 RTS 메시지의 선택된 채널 필드에는 선택된 PU 채널의 인덱스가 포함된다. RTS 메시지를 수신한 목적지 부사용자는 이에 응답하여, SIFS 시간만큼 대기한 후 CTS 메시지를 전송한다. CTS 메시지의 선택된 채널 필드에는 RTS 메시지에 포함된 PU 채널의 인덱스가 포함된다. 이렇게 발신지 부사용자와 목적지 부사용자 간에 RTS 메시지와 CTS 메시지가 교환되면, 선택된 PU 채널은 위 발신지 부사용자와 목적지 부사용자에게 선점(preempt)된다. 즉, 발신지 부사용자는 다음 타임슬롯 동안에, 선점된 PU 채널을 통하여 데이터를 전송한다. 상기 CTS 메시지를 수신한 나머지 부사용자들은, 상기 RTS 메시지와 CTS 메시지의 교환을 오버히어(overhear)함으로써, RTS 메시지와 CTS 메시지에 포함된 '선점된 PU 채널'을 가용 채널 리스트에서 삭제하는 식으로 가용 채널 리스트를 업데이트한다. PU 채널을 선점한 부사용자 외의 나머지 부사용자들은, 업데이트된 가용 채널 리스트를 가지고, 다음 협상슬롯 동안에 위와 같은 채널 경쟁을 수행한다. 이러한 채널 경쟁 과정은 가용 채널 리스트에 더 이상의 유휴 채널이 없을 때까지 계속된다.
도 6은 위와 같은 본 발명의 실시예에 따라 경쟁 단계가 수행되는 모습의 예를 나타낸다. 본 예에서, SU(A)와 SU(C)는 각각 SU(B)와 SU(D)로 데이터를 전송하고자 하는 부사용자이고, SU(D)는 또다른 부사용자로 데이터를 전송하고자 하는 부사용자이다. 또한, 도시된 바와 같이 i 번째 협상슬롯의 시작에서 얻어지는 가용 채널 리스트의 유휴 PU 채널들의 인덱스는 {1, 3, 5}인 것으로 가정한다. i 번째 협상슬롯에서, SU(A)의 랜덤 백오프 시간이 가장 짧고 SU(A)에 의해 선택된 유휴 PU 채널의 인덱스는 5이다. SU(A)는 RTS 메시지와 CTS 메시지의 성공적인 교환을 통하여 PU 채널 5를 선점하게 된다. 따라서 SU(A)는 다음의 타임슬롯 동안에 SU(B)에게 PU 채널 5를 통하여 데이터를 전송할 수 있다. (i+1) 번째 협상슬롯의 시작 전에, 다른 모든 부사용자들은 가용 채널 리스트에서 'PU 채널 5'를 삭제한다. 따라서 가용 채널 리스트는 도시된 바와 같이 {1, 3}이 된다. 이것은 다른 부사용자들이 SU(A)와 SU(B)의 RTS/CTS 교환을 모니터링함으로써 가능하다. 그후 위와 동일한 과정을 거쳐 SU(C)가 (i+1) 번째 협상슬롯에서 PU 채널 1을 선점한다. 따라서 가용 채널 리스트는 도시된 바와 같이 (i+2) 번째 협상슬롯에서 {3}이 된다.
본 발명의 실시예에서 경쟁구간의 하나의 협상슬롯의 길이는 RTS/CTS 등 제어 메시지의 교환 시간과 더불어 DIFS 시간, SIFS 시간, 랜덤 백오프 시간을 고려하여 정해지는 것이 바람직하다. 따라서 하나의 협상슬롯에서 경쟁 및 PU 채널의 선점에 소요되는 최대시간 tpreempt는 다음 수학식과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112014035466429-pat00010
여기서, tDIFS, tSIFS, 및 tBO,max는 각각 DIFS 시간, SIFS 시간, 및 최대 백오프 시간을 의미하고, tRTS 및 tCTS는 각각 RTS 메시지와 CTS 메시지의 전송 시간을 의미한다. 여기서, tBO,max는 예컨대 IEEE 802.11 DCF에 정의된 최대 컨텐션 윈도우의 크기 CWmax와 하나의 컨텐션 윈도우와 미니슬롯의 길이 Tms에 따라
Figure 112014035466429-pat00011
에 의하여 정해질 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예에서, 하나의 협상슬롯의 길이가 하나의 미니슬롯의 길이의 정수배가 되면, 부사용자들 간의 시간 동기화가 더 용이해지고 설계 및 구현에 있어서 효율성이 보다 높아질 수 있다. 따라서 이러한 설계 요구 및 메시지 전달 지연을 고려할 때, 하나의 협상슬롯의 길이 Tns는 tpreempt보다 긴 것이 바람직하고, 메시지 전달 지연을 고려한 보상 시간인 emax를 활용하여 다음 수학식과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112014035466429-pat00012
상기 수학식 4를 참조하면, 하나의 협상슬롯의 길이 Tns는 미니슬롯의 정수배로 구성되며(즉,
Figure 112014035466429-pat00013
, 여기서 α는 정수), 이것은 주어진 타임슬롯 구간에서 효율적인 시간 구조의 설계를 가능하게 할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 (14)

  1. 분산형 인지 무선 네트워크에서의 매체 접근 제어 방법에 있어서,
    네트워크에 참여한 부사용자들 중 적어도 일부가, 복수 개의 주사용자 채널들 중 적어도 일부를 배타적으로 감지하고, 공통제어채널을 통하여, 감지된 주사용자 채널에 대응하는 미니슬롯에서 해당 주사용자 채널의 감지 결과를 보고하는 단계; 및
    상기 보고하는 단계를 통하여 획득된 유휴 채널 정보를 바탕으로, 데이터를 전송하고자 하는 부사용자들이, 상기 공통제어채널을 통하여, 유휴 채널의 선점을 위한 경쟁(contention)을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 매체 접근 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보고하는 단계 및 상기 경쟁을 수행하는 단계는 소정 길이의 매 타임슬롯마다 수행되는 것을 특징으로 하는 매체 접근 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 타임슬롯은 상기 보고하는 단계를 위한 보고 구간과 상기 경쟁을 수행하는 단계를 위한 경쟁 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 매체 접근 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보고 구간은 상기 복수 개의 주사용자 채널에 각각 대응하는 복수 개의 미니슬롯들을 포함하는 것을 특징으로 하는 매체 접근 제어 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 주사용자 채널들 중 적어도 일부를 감지할 부사용자들은 매 타임슬롯을 걸쳐서 라운드-로빈 방식으로 할당되는 것을 특징으로 하는 매체 접근 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수 개의 주사용자 채널들 중 적어도 일부를 감지할 부사용자들은 주사용자 채널들의 수, 부사용자들의 수, 타임슬롯의 인덱스를 바탕으로 매 타임슬롯을 걸쳐서 라운드-로빈 방식으로 할당되는 것을 특징으로 하는 매체 접근 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수 개의 주사용자 채널들 중 적어도 일부를 감지할 부사용자들은 다음 수학식에 따라 할당되는 것을 특징으로 하는 매체 접근 제어 방법.
    Figure 112014035466429-pat00014
    (if NSU,k ≥ NPU)
    Figure 112014035466429-pat00015
    (if NSU,k < NPU)
    여기서,
    Figure 112014035466429-pat00016
    ,
    Figure 112014035466429-pat00017
    이고, k(k=0.1.2...)는 타임슬롯의 인덱스, l(l=0,1,2,...,NPU-1)은 주사용자 채널의 인덱스, NPU는 주사용자 채널들의 수, NSU,k는 k번째 타임슬롯에서의 부사용자들의 수, ISU(k,l)은 k번째 타임슬롯에서 l번째 주사용자 채널을 감지할 부사용자의 인덱스를 나타냄.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 경쟁구간은 상기 복수 개의 주사용자 채널들에 각각 대응하는 복수 개의 협상슬롯들을 포함하는 것을 특징으로 하는 매체 접근 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 경쟁을 수행하는 단계는,
    상기 복수 개의 협상슬롯들 중 상기 보고하는 단계를 통하여 획득된 유휴 채널들의 수에 해당하는 협상슬롯들마다, 데이터를 전송하고자 하는 발신지 부사용자들이 랜덤 백오프 기반으로 목적지 부사용자와 RTS/CTS 교환을 통하여 유휴 채널의 선점을 위한 경쟁을 수행하는 것을 특징으로 하는 매체 접근 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 경쟁을 수행하는 단계에서, 어느 협상슬롯에서 발신지 부사용자는 랜덤 백오프 시간이 만료되면 해당 협상슬롯에서 파악되는 가용 채널 리스트에서 임의로 선택된 주사용자 채널을 포함하는 RTS 메시지를 목적지 부사용자에게 전송하고,
    상기 목적지 부사용자로부터 CTS 메시지가 수신되면,
    상기 발신지 부사용자는 다음의 타임슬롯에서 상기 선택된 주사용자 채널을 통하여 데이터를 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 매체 접근 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 부사용자들 중 상기 발신지 부사용자 이외의 부사용자들은 상기 가용 채널 리스트에서 상기 선택된 주사용자 채널을 삭제하는 것을 특징으로 하는 매체 접근 제어 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 경쟁구간은 참여슬롯을 더 포함하고,
    상기 네트워크에 참여하고자 하는 부사용자는, 상기 공통제어채널을 통하여, 상기 복수 개의 협상슬롯들 중 상기 보고하는 단계를 통하여 획득된 유휴 채널들의 수에 해당하는 협상슬롯들을 제외한 나머지 협상슬롯 또는 상기 참여슬롯을 이용하여 상기 네트워크에 참여하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 매체 접근 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 네트워크에 참여하는 단계는,
    상기 네트워크에 참여하고자 하는 부사용자가 상기 나머지 협상슬롯 또는 상기 참여슬롯에서 조인 메시지를 전송하고, 상기 네트워크에 참여한 부사용자들 중 어느 하나인 관리자 부사용자가 상기 조인 메시지에 응답하여 응답 메시지를 전송함으로써 상기 네트워크에의 참여가 이루어지는 것을 특징으로 하는 매체 접근 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 관리자 부사용자는 상기 조인 메시지를 전송한 부사용자에게 할당되는 부사용자 인덱스를 상기 응답 메시지에 포함시켜 전송하는 것을 특징으로 하는 매체 접근 제어 방법.
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