KR100999039B1

KR100999039B1 - 무선 네트워크 시스템, 무선 네트워크 통신 방법 및 무선 네트워크 통신장치

Info

Publication number: KR100999039B1
Application number: KR1020080082486A
Authority: KR
Inventors: 성영철; 정조운
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2010-12-10
Anticipated expiration: 2028-08-22
Also published as: KR20100023616A

Abstract

본 발명은 무선 네트워크 시스템, 무선 네트워크 통신방법 및 무선 네트워크 통신장치에 대한 것으로 더욱 상세하게는 다양한 우선순위의 사용자들을 미리 정해놓은 유한개의 계층(tier)로 구분하고 우선순위에 따라 망 가입절차를 달리하고 우선순위에 따라 매체 접속방식 및 매개변수를 할당하여 사용자별 QoS를 보장할 수 있는 무선 네트워크 시스템 및 무선 네트워크 통신방법에 대한 것이다.

본 발명의 무선 네트워크 시스템은 다중 계층의 사용자로 구성된 무선 네트워크에서, 통신자원에 대해 우선순위가 다른 n개 계층을 이루는 사용자 단말기와, 상기 각 계층의 사용자 단말기의 가입여부를 결정하고 각 계층의 우선순위에 따라 설정된 매체 접속방식과 접속 파라미터를 할당하는 접속 포인트(Accese Point)를 포함한다.

본 발명의 무선 네트워크 시스템에 따르면 컨텐츠뿐만 아니라 사용자사이에도 우선순위에 따라 서비스 품질을 차등 적용할 수 있고, 우선순위가 높은 사용자의 우선권을 보장하면서 그 이외의 사용자의 최선형(best-effort)의 서비를 제공할 수 있는 효과가 있다.

무선 네트워크, CSMA/CA 기술, 멀티 홉핑, 우선순위

Description

무선 네트워크 시스템, 무선 네트워크 통신 방법 및 무선 네트워크 통신장치{Wireless Network System of Multi tier and Communication Method and Apparatus thereof}

본 발명은 무선 네트워크 시스템, 무선 네트워크 통신방법 및 무선 네트워크 통신장치에 대한 것으로 다중 계층의 사용자로 이루어진 무선 네트워크에서 우선순위에 따라 각 사용자의 QoS가 달리 설정되는 무선 네트워크 시스템, 무선 네트워크 통신방법 및 통신장치에 대한 것이다.

종래 사용자간의 통신은 유선망을 이용하여 이루어지는 것이 일반적이었으나 최근 무선 통신기술이 발달하고 사용자의 편의성을 향상시키기 위해 무선 방식의 통신이 널리 보급되고 있다.

이러한 무선 방식의 통신은 유선과 달리 동일시간에 동일 채널을 다른 사용자가 사용할 가능성이 높기 때문에 사용자간의 충돌이 일어날 확률이 상대적으로 높아지며 충돌로 인해 데이터의 재전송이 빈번히 일어나 전체적인 네트워크의 성능 이 떨어질 뿐만 아니라 신뢰도 높은 트래픽 전송을 보장하기가 어려운 문제점이 있다.

종래 무선 통신방식인 IEEE 802.11의 MAC(Medium Access Control)은 무선 랜 QoS(Quality of Service)의 지원에 많은 문제점이 있었는데 이는 802.11이 DCF(Distributed Coordination Function)는 모든 데이터 트래픽은 전송큐에 도착하는 순서대로 서비스가 제공되는 최선전송(Best Effort)방식으로 우선순위에 따른 QoS의 지원을 위한 어떠한 기능도 제공하지 않는 문제점이 있다.

종래 802.11의 MAC에 대해서는 한국통신학회논문지 07-5 Vol. 32 No.5의 “경쟁 기반 MAC에서의 반복적 톤 기반 경쟁기법”에서 종래 DCF에서 충돌확률을 줄이기 위해 새로운 경쟁기법인 TAR(Tone-based Access scheme with Repetitive contention)를 도입하여 데이터 전송채널과 병렬적으로 처리되는 경쟁채널을 도입하여 충돌확률을 줄이는 기법에 대해 개시하고 있으나 이 기법 역시 우선순위에 따른 QoS의 지원에 대해서는 어떠한 기능도 제공하지 않은 문제점이 있다.

위와 같은 802.11의 MAC에서의 문제점을 개선하기 위해 802.11e에서는 MAC의 DCF 전송방식을 근간으로 최선전송 서비스 이외에도 전송지연에 민감한 트래픽을 전송할 수 있는 새로운 무선 랜 MAC 프로토콜을 제공하나 이는 서비스만을 고려한 전송방식으로 사용자간의 우선순위에 따른 QoS를 보장할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 사용자들의 우선순위에 따라 QoS의 보장 정도를 달리 할 수 있도록 사용자의 우선순위에 따라 매체 접속방식 및 접속 파라미터를 달리 설정하여 사용자 단말기가 위 방식 및 파라미터에 따라 동작하는 무선 네트워크 시스템, 무선 네트워크 통신방법 및 무선 네트워크 통신장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 무선 네트워크 시스템은 다중 계층의 사용자로 구성된 무선 네트워크에서, 통신자원에 대해 우선순위가 다른 n개 계층을 이루는 사용자 단말기와, 상기 각 계층의 사용자 단말기의 가입여부를 결정하고 각 계층의 우선순위에 따라 설정된 매체 접속방식과 접속 파라미터를 할당하는 접속 포인트(Accese Point)를 포함한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 무선 네트워크 통신방법은 우선순위가 다른 다중 계층의 사용자로 이루어진 무선 네트워크의 통신방법에 있어서, 상기 무선 네트워크를 이루는 사용자 단말기가 가입을 시도하는 경우 가입여부를 결정하는 단계; 가입이 허용된 상기 사용자 단말기가 갖는 우선순위에 따라 설정된 매체 접속방식과 접속 파라미터를 할당하는 단계; 상기 할당된 매체 접속방식과 접속 파라미터에 기초하여 다른 사용자 단말기와 통신하는 단계를 포함한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 무선 네트워크 통신장치는 데이터 링크층에서 MAC 프로토콜을 이용하는 우선순위가 다른 다층구조의 무선 통신시스템에 있어서, 상위계층의 데이터 전송요구에 따라 MAC 프로토콜을 통해 전송할 데이터를 분석하여 프레임을 생성하는 데이터 분석 생성부와, 상기 생성된 프레임을 전송하기 위해 우선순위에 따라 할당된 매체 접속방식 및 접속 파라미터에 기초하여 가용한 통신자원 중 통신에 사용할 밴드를 탐색 결정하는 자원관리부와, 데이터의 송수신을 위해 마련되어 상기 결정된 밴드를 통해 생성된 프레임을 송신하거나 다른 사용자가 전송한 프레임을 수신하는 데이터 송수신부를 포함한다.

이상과 같은 구성의 본 발명은 멀티 밴드 홉핑방식과 다층의 네트워크 구조를 도입하여 사용자의 우선순위에 따라 QoS를 달리하여 통신할 수 있는 효과가 있다.

또한, 우선순위에 따라 매체 접속방식과 접속 파라미터를 달리 할당함에 따라 최우선 순위의 사용자에게는 신뢰전송방식의 통신을 구현함과 동시에 다른 사용자에게도 최선방식(Best Effort)서비스를 제공할 수 있는 특징이 있다.

또한, 홉핑주기를 적절하게 설정함에 따라 최우선 수위의 사용자의 우선권을 보장하면서 다른 사용자에게도 적절한 채널 사용을 허용할 수 있어 효율적인 무선통신이 가능한 효과가 있다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 무선 네트워크 시스템, 무선 네트 워크 통신방법 및 통신장치에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 다층구조의 무선 네트워크 시스템의 일예를 나타내는 도면으로 일반적인 Cellular, WLAN, WPAN 구성에 사용자의 우선 순위 구분 개념이 추가된 것으로 Primary user 계층(100)의 사용자(이하 “프라이머리 사용자”라고 한다.)(102, 104)가 Secondary user 계층(200)의 사용자(이하 “세컨더리 사용자”라고 한다.)(202, 204)보다 높은 우선순위를 갖는다. 도 1에는 2개 계층의 사용자만이 도시되었지만 우선순위를 달리하여 2개 이상의 계층이 존재할 수 있다. 또한, 도 1은 설명의 편의를 위해 우선순위가 같은 사용자를 함께 묶어서 도시했지만 각 사용자는 우선순위를 달리하여 무선 네트워크상에 혼재되어 배치될 수 있음은 물론이다.

도 1에 도시된 다층구조의 무선 네트워크 시스템은 Primary user 계층(100)과 Secondary user 계층(200) 및 접속 포인트(AP)(300)으로 이루어지는데 Primary user 계층(100)은 QoS 조건이 절대적으로 만족되어야 하는 사용자군으로서 예를 들면 정멤버 혹은 고비용을 지불한 사용자와 같이 우선권을 획득한 성격의 사용자들을 들 수 있다.

Secondary user 계층(200)은 QoS 조건이 최선형(Best-effort)으로 만족되기를 바라는 사용자군으로 일례로 단체에 속하지 않은 게스트 혹은 비용일 지불하지 않고나 저비용을 지불한 사용자 같이 우선권을 획득하지 못한 성격의 사용자들을 들 수 있다.

접속 포인트(300)는 사용자 단말기의 접속을 감지하고 사용자의 가입을 결정 하거나 각 사용자의 우선순위에 따른 매체 접속방식 및 접속 파라미터를 할당하는 기능을 수행한다.

도 2는 접속 포인트를 개략적으로 나타내는 블록도로서 사용자 가입 결정부(310)과 자원 할당부(320)을 포함하여 이루어진다.

사용자 가입 결정부(310)은 접속을 시도하는 사용자들을 계층에 미리 정한 기준에 따라 분류하여 가입을 시키는데 도 1의 경우에는 사용자들이 우선순위에 따라 2개의 계층으로 분류되는 경우를 예시한다.

사용자 가입 결정부(310)의 동작과 관련하여, 각 사용자의 우선순위에 따라 가입여부를 결정하는 방식이 다를 수 있는데, 예를 들어 프라이머리 사용자의 숫자가 orthogonal한 자원의 숫자와 같은 상황에서 새로운 프라이머리 사용자가 가입을 원할 경우 사용자 가입 결정부(310)는 가입을 허락하지 않거나 보다 낮은 우선순위를 갖는 세컨더리 사용자로 가입을 허용할 수 있다. 이는 네트워크의 운영의 문제로 네트워크 운영자의 선택사항에 해당된다. 다만, 전자의 경우 기존 프라이머리 사용자의 QoS를 절대적으로 보장해줄 수 있으나 후자의 경우 나중에 접속하는 프라이머리 사용자의 QoS 보장도는 낮아지게 된다. 즉, 전자의 경우 프라이머리 사용자의 경우 멀티밴드로 이루어진 통신자원을 최우선적으로 점유사용하고 있는 사용자로서 통신자원보다 많은 수의 프라이머리 사용자가 존재하는 경우 프라이머리 사용자의 QoS를 절대적으로 보장해줄 수 없기 때문에 추가 가입을 허용하지 않는다.

사용자 가입 결정부(310)는 또한 세컨더리 사용자의 숫자에 대해서는 성능 지표 값이 특정 문턱값(N) 이하로 떨어지지 않는 정도까지만 제한해준다. 특정 문 턱값(N)은 프라이머리 사용자의 숫자를 고려한 멀티밴드의 점유상태 즉, 멀티밴드로 이루어진 가용한 통신자원과 프라이머리 사용자가 점유하고 있는 상태를 나타내는 channel utilization과 세컨더리 사용자의 점유상태를 나타내는 channel utilization을 고려하여 설정된다. 이는 너무 많은 사용자가 존재하는 경우 세컨더리 사용자간의 충돌 가능성이 높아지고 빈번한 재전송으로 인해 throughput이 떨어지기 때문이다.

아래에서 새로운 사용자의 가입과 관련하여 도 3을 참조하여 더 구체적으로 설명하고자 한다.

프라이머리 사용자와 세컨더리 사용자는 망 가입 시 동일한 절차를 거친다. 도 3은 사용자의 망 가입 절차를 순차적으로 보여주는 message flow chart이다. 사용자는 먼저 망에 authentication 절차를 거친다. 특별히 보안에 신경 쓰지 않는 네트워크에서는 authentication으로 open system authentication을 보안이 필요한 네트워크에서는 shared key authentication을 사용한다. 사용자가 접속 포인트(300)로부터 authentication을 밭는 과정이 성공하면 사용자는 접속 포인트(300)에 association을 요청한다. 사용자가 접속 포인트(300)와 association된 후부터 사용자는 접속 포인트(300)를 통하여 data message들을 보낼 수 있다.

본 발명은 일례로 사용자가 접속 포인트(300)에게 보내는 association request 프레임의 capability information 필드의 11개의 reserved 비트들 중 일부를 이용하여 사용자가 속한 계층과 잔여 전력량을 표현할 수 있도록 하고, 이 정보 들을 접속 포인트(300)가 수신할 경우 이를 접속 포인트(300) 내의 사용자 가입 결정부(310)에 전달해준다.

가입을 요청하는 사용자가 프라이머리 사용자일 경우에, 사용자 가입 결정부(310)는 해당 프라이머리 사용자에게 할당 가능한 orthogonal한 자원이 존재하는지를 판단하고, 자원이 존재하는 경우에만 가입을 허용할 수 있다. 즉, 시점 t에서 상기 접속 포인트(300)에 가입되어 있는 프라이머리 사용자의 숫자가 N1이고 orthogonal한 자원이 Nr이라고 하면, 사용자 가입 결정부(310)는 N1+1 ≤ Nr 인지를 체크하여, 참인 경우에는 가입을 허용한다. 하지만 N1+1 > Nr 인 경우에는 프라이머리 사용자의 orthogonality, 즉 프라이머리 사용자의 QoS를 유지하기 위하여, 가입을 허용하지 않거나 가입을 허용하되 우선순위가 낮은 사용자 즉, 세컨더리 사용자로 가입을 허용한다. 그리고는, 가입 허용 여부에 대한 정보를 자원할당부(320)에 전달한다.

만약 가입을 요청하는 사용자가 세컨더리 사용자일 경우에는 앞서 언급한 바와 같이 사용자 가입 결정부(310)는 이미 가입된 세컨더리 사용자의 수(T)가 특정 문턱값(N)보다 작은 경우에는 새로 가입을 요청하는 세컨더리 사용자를 가입시킨다. 이 때 N는 프라이머리 사용자의 통신자원 점유상태인 channel utilization과 세컨더리 사용자의 통신자원 점유상태인 channel utilization을 고려하여 정해준다. 물론 문턱값(N)보다 작은 경우에도 더 낮은 우선순위의 사용자로 가입을 허용할 있다.

자원할당부(320)는 사용자의 가입이 허용된 경우 사용자의 우선순위에 따라 매체 접속방식과 접속 파라미터를 할당한다.

매체 접속방식에는 사용자가 어떤 MAC 기반의 프로토콜을 사용할 것인지 또는 특정 MAC 프로토콜에서 사용자가 통신하는 방식을 결정하는 것으로 예를 들어 사용자가 TDMA로 통신할 것이냐 또는 CSMA/CA로 통신할 것이냐 일수도 있고 만약 CSMA/CA에서 주파수 기반의 통신을 할 것인지 인지적 통신방식을 할 것인지가 포함된다. 일예로 주파수 기반의 통신방식은 프라이머리 사용자에게 할당하는 방식으로 각 프라이머리 사용자는 특정 주파수를 점유하며 사용하는 방식으로 QoS가 절대적으로 보장되어야 하는 사용자에게 할당하는 접속방식이고 인지적 통신방식은 우선 채널의 인덱스 그룹을 할당받아 인덱스의 순서에 따라 채널을 센싱하고 유휴채널이 감지되는 경우 그 채널을 이용하여 통신하는 방식이다.

접속 파라미터는 통신에 필요한 파라미터로서 예를 들어 경쟁 창(Contention Window), AIFS, Latin square 등을 통해 할당되는 홉핑 sequence, 인덱스 그룹 등이 포함될 수 있다. 이러한 접속 파라미터는 사용되는 프로토콜에 따라 추가될 수 있음은 물론이다.

가입을 요청하는 사용자가 프라이머리 사용자일 경우에 자원할당부(320)는 사용자 가입 허용 여부에 대한 사용자 가입 결정부(310)로부터 전달받은 정보가 가입을 알리는 정보인 경우에는, Latin square혹은 manhattan square로 생성된 sequence 중 사용하고 있지 않은 sequence를 프라이머리 사용자에게 할당한다. 접속 포인트(300)는 자원할당부(320)에서 할당한 주기적으로 반복되는 sequence를 Association response 프레임의 capability information 필드의 reserved 비트에 포함시켜 association을 요청한, 즉 association request 프레임을 보낸 프라이머리 사용자에게 전송해준다. 프레임의 capability information 필드에는 접속 파라미터인 프라이머리 사용자가 설정해야할 AIFS(Arbitration Inter Frame Space) 길이와 CW(Contention Window)값을 함께 전송하여 보낸다.

가입을 요청하는 사용자가 세컨더리 사용자일 경우에, 자원할당부(320)는, 사용자 가입 결정부(310)로부터 전달받은 세컨더리 사용자의 잔여 전력량을 고려하여, 세컨더리 사용자에게 센싱할 대역의 인덱스 그룹을 할당하는데 이를 통해 가용한 통신자원을 되도록 효율적으로 이용할 수 있다. 또한, 센싱 대역 인덱스 그룹의 사이즈를 세컨더리 사용자의 잔여 전력량에 비례하여 정할 수 있는데 이를 통해 세컨더리 사용자의 상황에 맞는 통신이 가능해지는 효과가 있다. 예를 들어, 잔여 전력량이 충분할 경우, 세컨더리 사용자가 많은 대역 충분히 센싱하여 프라이머리 사용자에게 기회를 빼앗겨서 전송을 지연해야 하는 상황을 피할 수 있고, 이로 인하여 세컨더리 사용자의 QoS를 증가시킬 수 있으므로 센싱 대역 인덱스 그룹의 크기를 충분히 크게 하여 할당해준다.

또한, 자원할당부(320)는 새롭게 가입을 요청하는 세컨더리 사용자에게 센싱 대역 인덱스군을 할당함에 있어서, 기존 세컨더리 사용자들에게 어떻게 대역 인덱스군을 할당했는지를 고려해야 한다. 예를 들어, 이미 가입되어 통신하고 있는 세컨더리 사용자들에게 특정 band가 집중되어 할당되어 있다면, 새로운 세컨더리 사용자에게는 해당 band의 프라이머리 사용자의 channel activity와 비슷한 수치의 activity를 갖으면서 세컨더리 사용자들에게 많이 할당되지 않은 band를 할당해주 어야 한다. 본 발명에서는 자원할당부(320)가 센싱 대역 인덱스군을 할당함에 있어, 상술한 바와 같이 기존 프라이머리 사용자들에게 할당해준 sequence와 channel activity, 기존 세컨더리 사용자들에게 할당해준 대역 인덱스군과 channel activity, 그리고 새롭게 가입을 요청하는 세컨더리 사용자의 단말 잔여 전력량을 고려하여 센싱 대역 인덱스군을 할당한다.

상기와 같이 분류되어 가입에 성공한 사용자들은 접속 포인트(300)의 자원할당부(320)를 통하여 매체 접속 방식 및 접속 파라미터를 할당받아 매체에 접속한다.

사용자들은 접속 포인트(300)로부터 broadcasting channel을 통해 매체 접속 방식 및 접속 파라미터를 전달받는다. broadcasting channel을 통해 주기적으로 broadcast되는 프레임은 beacon과 같거나 beacon에 몇몇 필드가 추가된 형태일 필요가 있다.

본 발명의 프라이머리 사용자는 시퀀스 생성 인덱스를 할당 받아 데이터 발생시 multiband 채널을 orthogonally hopping해가며 CSMA/CA로 데이터 전송한다. 세컨더리 사용자는 센싱할 대역의 인덱스 그룹을 할당 받아 데이터 발생 시 인덱스 그룹 전체 밴드 혹은 일부 밴드들을 센싱하고 해당 밴드군중에서 CSMA/CA로 데이터를 전송한다.

프라이머리 사용자가 orthogonally 밴드를 hopping할 때에 지연을 최소화하기 위해 hopping 단위를 프레임 길이 중 가장 짧을 것으로 예상되는 길이로 맞추어주어 불필요한 리소스 낭비를 줄이는 동시에 지연도 줄인다. 즉, 프라이머리 사용 자들은 QoS를 보장 받기 위해서 frequency band들을 동기를 맞춘 채 직교성을 유지하며 도약하는데, 본 발명에서는 데이터를 전송하고자 하는 프라이머리 사용자들 가운데 가장 짧은 프레임 길이로 도약 주기를 정하고, 모든 프라이머리 사용자들이 이 도약 주기를 동일하게 동기를 맞춰 이용한다. 도 4는 홉핑주기를 프라이머리 사용자 중 가장 짧은 데이터 프레임의 길이보다 길게 설정하였을 경우의 통신상태를 나타내는 도면인데 A, B, C, D 구간은 밴드의 유휴상태를 나타내는 것으로 통신자원이 낭비되고 있는 것을 나타낸다. 이와 같이 홉핑주기를 프라이머리 사용자 중 가장 짧은 데이터 프레임의 길이보다 길게 설정하는 경우 통신자원을 효율적으로 이용하지 못하는 결과를 낳는다. 이는 도약 주기를 가장 짧은 프레임의 길이보다 더 길게 정해주었을 때 프레임이 짧은 프레임들이 도약 주기가 끝날 때까지 해당 주파수 대역 리소스를 사용하지 못하기 때문이다.

세컨더리 사용자가 밴드를 센싱하는 주기는 상기 프라이머리 사용자가 hopping하는 단위와 같거나 정수배 더 짧은 단위로 설정해주어 프라이머리 사용자와 동기를 맞추는 동시에 프라이머리 사용자가 세컨더리 사용자가 센싱하고 있는 대역을 통해 보낼 데이터가 있을 때 프라이머리 사용자에게 우선권을 항상 내어주는 AIFS 길이 기반의 알고리즘을 지원할 수 있도록 한다. 도 5은 세컨더리 사용자 slot의 길이가 프라이머리 사용자 slot의 길이보다 긴 경우에 발생하게 되는 상황을 나타내는 도면이고 도 6은 우선순위에 따라 AIFS를 달리 설정하는 경우 통신상태를 나타내는 도면이다.

우선 도 5와 같이 프라이머리 사용자들이 할당 받은 orthogonal한 대역을 효 율적으로 사용하기 위해 경쟁 윈도우(Contention Window : 이하 CW라 한다.)의 크기를 0으로 설정하고, 프라이머리 사용자가 아닌 사용자로 인해 발생하는 congestion을 피하기 위해 프라이머리 사용자가 아닌 사용자의 AIFS보다 짧은 길이로 프라이머리 사용자의 AIFS의 길이를 설정한다. 프라이머리 사용자의 AIFS보다 세컨더리의 AIFS가 더 길기 때문에 프라이머리 사용자가 대역을 선점하게 되면 세컨더리 사용자는 채널이 점유되었음 센싱하게 되어 데이터를 보내지 못하고 Backoff counter 를 freezing 한다. 도 5에서는 프라이머리 사용자와 세컨더리 사용자의 AIFS가 각각 AIFS(1), AIFS(2)로 표시되어 있는데 이하에서 AIFS(1) < AIFS(2)으로 설정하는 경우 프라이머리 사용자의 우선권이 보장되는 이유에 대헤 상세히 설명한다. Slot 1에서 프라이머리 사용자는 보낼 데이터가 없고 세컨더리 사용자는 보낼 데이터가 있는 경우 프라이머리 사용자가 해당 슬롯에서 데이터를 전송하지 않으므로 channel이 AIFS(2)까지 idle하므로 세컨더리 사용자는 데이터를 AIFS(2)에 보내기 시작한다. 이렇게 하여 프라이머리 사용자가 할당은 받았지만 보낼 데이터가 없기 때문에 사용하지 않는 주파수 자원을 세컨더리 사용자가 사용한다. Slot 3에서는 프라이머리 사용자와 세컨더리 사용자가 모두 다 프레임을 보내고자 한다. AIFS(3)까지는 channel이 idle하지만 AIFS(3)~AIFS(4) 사이에는 프라이머리 사용자의 traffic이 channel을 통하여 전송되므로 세컨더리 사용자는 channel이 idle하지 않음을 센싱한 후 backoff counter value를 freezing한다. 그래서 slot 3에서는 프라이머리 사용자와 세컨더리 사용자가 경합하는 상황에서는 프라이머리 사용자가 우선권을 갖고 데이터를 전송하게 된다.

도 6에 도시한 바와 같이 먼저 세컨더리 사용자 slot의 길이가 프라이머리 사용자 slot 길이보다 긴 경우를 살펴보면 slot 1에서는 프라이머리 사용자가 보낼 데이터가 없기 때문에 세컨더리 사용자가 프레임을 충돌 없이 전송하기 시작한다. 프라이머리 사용자에 전송해야 할 프레임이 slot 2의 시작 시점에 도착하게 되면 프라이머리 사용자는 도 5와 같이 AIFS 길이 동안 채널을 sensing하게 되는데 세컨더리 사용자가 채널을 점유하고 있기 때문에 프라이머리 사용자는 backoff counter를 freezing시킨 채 세컨더리 사용자가 프레임을 다 보내는 slot 3까지 시작 시점까지 기다린다. 이렇게 되면 프라이머리 사용자의 프레임 전송에 있어 지연이 발생하게 되어 QoS를 보장하기 어려워진다. 따라서, 세컨더리 사용자의 프레임 전송 단위를 프라이머리 사용자의 도약 단위 길이보다 작게 해주고, 또한 프라이머리 사용자의 도약 단위와 동기를 맞추어 줌으로 인하여 프라이머리 사용자의 QoS를 보장할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 무선 네트워크 통신방법에 의해 사용자간의 통신이 이루어지는 상태를 나타낸 도면으로 프라이머리 사용자 #1, #2, #3의 프레임길이가 모두 3 slots로 동일한 조건이고, 프라이머리 사용자 #1은 1, 3, 1 순서로, #2는 2, 2, 3 순서로, #3는 3, 1, 2 순서로 각각 band hopping하며 packet을 전송하고 있다. 하지만 사용자 traffic의 burstiness로 인하여 프라이머리 사용자들이 1~9번 slot들을 모두 사용하는 것은 아니다. 도면에서와 같이 프라이머리 사용자 #3만 1~9번 slot들을 모두 사용하고, #1은 1~3번 slot만, #2는 7~9 slot만 사용하고 있다. 이렇게 사용하지 않는 slot은 세컨더리 사용자가 접속 시 부여받은 인덱스군에 따라 채널을 센싱하여 사용되지 않는 경우에 해당 slot을 통해 데이터를 전송하게 된다.

또한, 세컨더리 사용자는 throughput을 높이기 위하여 센싱한 채널에서의 데이터 전송 성공 여부를 기억하여 다음 데이터 전송 시 센싱할 대역들을 결정할 때, 대역별 센싱된 결과들 기반으로 데이터 전송할 대역을 정할 수도 있다. 이런 경우 전송효율이 높아지는 효과가 있다.

도 8은 본 발명에 다른 무선 네트워크 통신방법을 나타내는 순서도로서 앞서 설명한 내용과 중복되는 부분에 대해서는 설명을 생략한다. 우선 새롭게 접근하는 접속 포인트(300)로 가입에 따른 신호를 전송하면 앞서 설명한 바와 같이 먼저 망에 authentication 절차를 거친다. 사용자가 접속 포인트(300)로부터 authentication을 밭는 과정이 성공하면 사용자는 접속 포인트(300)에 association을 요청하고 사용자 가입 결정부(310)는 통신자원, 프라이머리 사용자의 수, 세컨더리 사용자의 수 등을 고려하여 가입여부를 결정하게 된다.(S100, 110단계) 이런 경우 사용자 가입 결정부(310)는 효율성을 고려하여 가입을 승인할 수도 있고 낮은 우선순위로 가입을 허용하는 경우가 있다. 가입이 승인된 경우 자원할당부(320)로부터 매체 접속방식과 접속 파라미터를 할당 받아 이에 기초하여 통신을 하게 된다.(S120, S130단계)

도 9는 본 발명에 따른 무선 네트워크 통신장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다. 도 9에 도시한 바와 같이 통신장치(120)는 데이터 분석부(122)는 higher layer에서 데이터 전송요구에 따라 전송할 데이터의 특성, 우선순위, 접속 파라미 터 등 데이터를 분석하여 프레임을 생성한다. 프레임이 생성된 경우 자원관리부(124)는 가입 시 자원할당부(320)에서 부여받은 매체 접속방식과 접속 파라미터에 기초하여 통신에 사용할 밴드를 센싱하고 적절한 밴드의 slot을 결정하게 된다. 밴드와 slot이 결정되면 데이터 송수신부(126)을 통해 데이터를 송수신하게 된다.

앞서 설명한 바와 같이 자원관리부(124)는 사용자의 우선순위를 고려하여 밴드를 센싱하고 적절한 slot을 설정하게 되는데 예를 들어 세컨더리 사용자의 경우 잔여 전력량 등을 고려하여 인덱스군을 부여받아 각 인덱스군내에서 채널을 센싱하게 되고 센싱 결과 빈 slot이 있는 경우 데이터를 전송하도록 통신자원을 설정하게 된다. 프라이머리 사용자의 경우 할당받은 Latin square혹은 manhattan square로 생성된 sequence 중 사용하고 있지 않은 sequence를 이용하므로 sequence에 따라 각 밴드를 hopping하게 된다.

도 1은 다층구조의 무선 네트워크 시스템을 나타내는 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 무선 네트워크 시스템에서의 접속 포인트(Access Point)를 개략적으로 나타내는 블록도이고,

도 3은 사용자 단말기가 접속을 시도하는 경우 접속이 허용되어 데이터를 송수신하는 고정을 나타내는 도면이고,

도 4는 홉핑주기를 프라이머리 사용자 중 가장 짧은 데이터 프레임의 길이보다 길게 설정하였을 경우 통신 상태를 나타내는 도면이고,

도 5은 세컨더리 사용자의 프레임의 길이 및 싱크가 맞지 않을 경우의 통신 상태를 나타내는 도면이고,

도 6는 우선순위에 따라 AIFS를 달리 설정한 경우의 통신 상태를 나타내는 도면이고,

도 7은 본 발명에 따른 무선 네트워크 통신방법에 의해 사용자간의 통신이 이루어지는 상태를 나타내는 도면이고,

도 8은 본 발명에 따른 무선 네트워크 통신방법을 나타내는 순서도이고,

도 9는 본 발명에 따른 무선 네트워크 통신장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

primary user 계층 : 100 secondary user 계층 : 200

접속 포인트(Access Point) : 300

사용자 가입 결정부 : 310 자원 할당부 : 320

Claims

다중 계층의 사용자로 구성된 무선 네트워크에서,

통신자원에 대해 우선순위가 다른 n개 계층을 이루는 사용자 단말기와,

상기 각 계층의 사용자 단말기의 가입여부를 결정하고 각 계층의 우선순위에 따라 설정된 매체 접속방식과 접속 파라미터를 할당하는 접속 포인트(Accese Point)를 포함하는 무선 네트워크 시스템.
청구항 1항에서,

상기 무선 네트워크를 구성하는 사용자 단말기 사이의 통신은 홉핑 방식의 멀티 밴드로 구성된 통신자원을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 시스템.
청구항 2항에서,

상기 홉핑방식의 멀티 밴드로 구성된 통신자원은 슬롯방식으로 이루어지며,

상기 통신자원의 홉핑주기는 최고 우선순위를 갖는 계층에 속한 사용자 단말기(이하 “프라이머리 사용자”라고 한다)의 전송할 프레임 중 최단 프레임 길이로 설정되는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 시스템.
청구항 3항에서,

상기 최고 우선순위를 보다 낮은 우선순위를 갖는 계층의 사용자 단말기의 전송 프레임의 길이는 상기 홉핑주기와 같거나 작게 설정되는 것을 특징을 하는 무선 네트워크 시스템.
청구항 1항에서,

상기 각 사용자 단말기의 매체 접속방식은 우선순위에 따라 분류된 각 계층에 따라 달리 적용되고,

상기 매체 접속방식은 각 사용자 단말기에 요구되는 QoS(Quality of Service) 조건에 따라 신뢰전송방식과 최선전송(best effort)방식을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 시스템.
청구항 1항에서,

상기 접속 포인트(Access Point)는 각 계층에 포함된 사용자 단말기의 무선 네트워크의 가입여부를 결정하는 사용자 가입 결정부와,

상기 사용자 가입 결정부를 통해 무선 네트워크에 가입한 사용자 단말기가 속한 계층의 우선순위에 따라 설정된 매체 접속방식과 접속 파라미터를 할당하는 자원 할당부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 시스템.
청구항 6항에서,

상기 사용자 가입 결정부는 가용할 수 있는 통신자원과 프라이머리 사용자를 대비한 후 접속을 시도하는 사용자 단말기의 가입여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 시스템.
청구항 7항에서,

상기 사용자 가입 결정부는 상기 가용할 수 있는 통신자원이 상기 프라이머리 사용자에게 모두 할당된 경우,

상기 접속을 시도하는 사용자 단말기의 가입을 허용하지 않거나 본래 가지고 있는 우선순위보다 낮은 우선순위로 가입을 허용하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 시스템.
청구항 7항에서,

상기 접속을 시도하는 사용자 단말기가 프라이머리 사용자가 아닌 경우,

상기 사용자 가입 결정부는 현재 가입된 프라이머리 사용자가 아닌 사용자의 수가 프라이머리 사용자의 통신자원 점유상태와 프라이머리 사용자가 아닌 사용자의 통신자원 점유상태를 고려하여 설정된 문턱값(N)보다 작은 경우 가입을 허용하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 시스템.
청구항 6항에서,

상기 접속 파라미터에는 경쟁 윈도우(Contention Window)의 길이와 AIFS(Arbitration Inter Frame Space)가 포함되며,

상기 자원 할당부는 프라이머리 사용자의 경쟁 윈도우의 길이를 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 시스템.
청구항 10항에서,

상기 자원 할당부는 사용자 단말기의 우선순위가 높을수록 AIFS의 길이를 짧게 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 시스템.
우선순위가 다른 다중 계층의 사용자로 이루어진 무선 네트워크의 통신방법에 있어서,

상기 무선 네트워크를 이루는 사용자 단말기가 가입을 시도하는 경우 가입여부를 결정하는 단계;

가입이 허용된 상기 사용자 단말기가 갖는 우선순위에 따라 설정된 매체 접속방식과 접속 파라미터를 할당하는 단계;

상기 할당된 매체 접속방식과 접속 파라미터에 기초하여 다른 사용자 단말기와 통신하는 단계를 포함하는 무선 네트워크의 통신방법.
청구항 12항에서,

상기 가입여부를 결정하는 단계에서 상기 가입을 시도하는 사용자 단말기의 접속여부는 상기 무선 네트워크의 멀티 밴드로 이루어진 통신자원과 최고 우선순위를 갖는 계층에 속한 사용자 단말기(이하 “프라이머리 사용자”라고 한다)를 비교하여 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 통신방법.
청구항 13항에서,

상기 프라이머리 사용자와 가용한 통신자원을 비교한 결과 상기 멀티 밴드가 모두 할당된 경우 가입을 허용하지 않거나 상기 가입을 시도하는 사용자 단말기가 본래 갖고 있는 우선순위보다 낮은 우선순위로 가입을 허용하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 통신방법.
청구항 12항에서,

상기 매체 접속방식과 접속 파라미터를 할당하는 단계에서,

상기 접속 파라미터에는 경쟁 윈도우의 길이와 AIFS가 포함되며 프라이머리 사용자의 경쟁 윈도우의 길이를 0으로 할당하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 통신방법.
청구항 15항에서,

상기 AIFS는 사용자 단말기의 우선순위가 높을수록 그 길이를 짧게 할당하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 통신방법.
청구항 15항에서,

상기 매체 접속방식은 상기 사용자 단말기의 우선순위에 따라 달리 적용되고,

상기 매체 접속방식은 각 사용자 단말기에 요구되는 QoS 조건에 따라 신뢰전송방식과 최선전송방식을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 통신방법.
청구항 13항에서,

상기 통신하는 단계에서,

상기 사용자 단말기 사이의 통신은 상기 멀티 밴드를 orthogonal하게 홉핑 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 통신방법.
청구항 18항에서,

상기 홉핑 방식의 통신은 타임 슬롯을 기반으로 이루어지며,

상기 홉핑 방식의 홉핑주기는 프라이머리 사용자가 전송할 프레임 중 가장 작은 길이의 프레임길이로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 통신방법.
청구항 13항에서,

상기 프라이머리 사용자가 아닌 사용자 단말기의 전송 프레임의 길이는 홉핑주기와 같거나 작게 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 통신방법.
청구항 12항 내지 20항 중 어느 하나의 항에 따른 통신방법을 실행하기 위한 프로그램 코드를 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
데이터 링크층에서 MAC 프로토콜을 이용하는 우선순위가 다른 다층구조의 무선 통신시스템에 있어서,

상위계층의 데이터 전송요구에 따라 MAC 프로토콜을 통해 전송할 데이터를 분석하여 프레임을 생성하는 데이터 분석 생성부와,

상기 생성된 프레임을 전송하기 위해 우선순위에 따라 할당된 매체 접속방식 및 접속 파라미터에 기초하여 가용한 통신자원 중 통신에 사용할 밴드를 탐색 결정하는 자원관리부와,

데이터의 송수신을 위해 마련되어 상기 결정된 밴드를 통해 생성된 프레임을 송신하거나 다른 사용자가 전송한 프레임을 수신하는 데이터 송수신부를 포함하는 무선 네트워크 통신장치.
청구항 22항에서,

상기 통신자원은 멀티 밴드로 이루어지고,

상기 데이터의 송수신은 상기 멀티 밴드를 랜덤하게 홉핑하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 통신장치.
청구항 22항에서,

상기 접속 파라미터에는 경쟁 윈도우(Contention Window)의 길이가 포함되며,

프라이머리 사용자의 경쟁 윈도우의 길이는 0인 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 통신장치.
청구항 22항에서,

상기 접속 파라미터에는 AIFS(Arbitration Inter Frame Space)가 포함되며,

우선순위가 높을수록 AIFS의 길이가 짧은 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 통신장치.
청구항 24항에서,

상기 프라이머리 사용자 이외의 사용자의 경우 상기 데이터 분석 생성부에서 생성되는 프레임에는 사용자 단말기의 잔여 전력량에 대한 데이터를 포함하고,

상기 잔여 전력량이 많을수록 상기 통신자원 중 유휴여부를 센싱할 인덱스군의 크기가 큰 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 통신장치.
청구항 26항에서,

상기 센싱할 인덱스군의 크기는 프라이머리 사용자의 밴드 활동도와 이전 사용자에 할당된 인덱스군의 크기를 더 고려하여 설정되고,

상기 밴드 활동도와 이전 사용자의 인덱스군의 크기가 클수록 상기 센싱할 인덱스군의 크기가 작은 것을 특징으로 하는 무선 네트워크 통신장치.