KR101882425B1 - 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법 - Google Patents

산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 네트워크상의 각 장치들이 가상 슬롯프레임 기법을 통해 분산적으로 스케줄링을 수행하여 다양한 주기의 데이터 트래픽에 대해 효율적인 스케줄을 생성하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것으로, 패킷 전송 기록을 참조하여 패킷이 생성된 시점을 리스트로 관리하는 패킷 분류부;패킷이 생성된 시점 리스트를 기준으로 트래픽 패턴을 분석하는 전송 기록 분석부;트래픽 패턴이 분류되면 트래픽 패턴에 따른 가상 슬롯프레임 스케줄을 생성하는 가상슬롯프레임 스케줄 생성 관리부;TSCH 구동에 사용할 직접적인 링크 스케줄로 변환 및 통합하는 스케줄 변환 및 통합부;를 포함하는 것이다.

Description

산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법{A scheduling device and method using virtual slotframe in industrial wireless sensor network}
본 발명은 산업 무선 센서 네트워크에 관한 것으로, 구체적으로 네트워크상의 각 장치들이 가상 슬롯프레임 기법을 통해 분산적으로 스케줄링을 수행하여 다양한 주기의 데이터 트래픽에 대해 효율적인 스케줄을 생성하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것이다.
TSCH(Time Slotted Channel Hopping) MAC(Media Access Control)기술은 IEEE 802.15.4e MAC 개정에 포함된 MAC 기술로서,WirelessHART 및 ISA100.11a와 같은 산업 무선 센서 네트워크를 위한 표준기술로 높은 수준의 신뢰도와 안정성을 제공한다.
TSCH 네트워크에 참여한 장치들은 모두 시각 동기화(Time Synchronized)되며,타임슬롯(time-slot) 단위의 시간으로 동작하고,여러 개의 타임슬롯을 묶어 슬롯프레임(Slotframe)을 구성한다.
슬롯프레임의 길이는 이를 구성하는 타임슬롯의 개수를 의미하며,동작 시간 동안 지속적으로 반복된다. TSCH 네트워크의 장치들은 하나의 타임슬롯에서 슬립(sleep), 전송(transmit), 수신(receive)의 동작 중 하나를 선택하며,전송과 수신 시 채널호핑(Channel hopping)을 통해 각 타임슬롯마다 사용되는 주파수(frequency)를 지속적으로 변경한다.
이처럼 TSCH MAC은 TDMA(Time Division Multiple Access)기반의 다중 채널(Multi-channel) 활용 기술이며, 전송과 수신을 위해 어느 타임슬롯(시점)에서 어떤 채널을 통해 통신할 것인지 결정해야 한다.
이러한 문제를 TSCH의 링크 스케줄링(Link Scheduling)이라 부르며, TSCH MAC에서 높은 수준의 신뢰성과 안정성을 제공하기 위해 필수적인 기술이다.
링크 스케줄링은 지속적으로 반복되는 슬롯프레임을 단위로 수행되며, 슬롯프레임 내의 상대적 시간인 슬롯-오프셋(slotOffset)과 가용 채널 리스트의 인덱스인 채널-오프셋(channelOffset)을 묶은 링크(Link)를 두 장치 사이에 할당하는 것이다.
두 장치는 할당된 링크(slotOffset, channelOffset)에서 약속된 시간과 채널을 사용하여 안정적으로 통신을 수행할 수 있다.
하지만, TSCH 메커니즘을 정의한 IEEE 802.15.4e 표준은 스케줄링 방식에 대해 정의하지 않고 있다.
가상 슬롯프레임 기술은 다수의 슬롯프레임을 묶어 논리적인 하나의 가상 슬롯프레임을 구성하는 것으로 실제 슬롯프레임의 길이를 변경하지 않고, 각 장치가 더 많은 자원을 활용할 수 있도록 한다.
TSCH 네트워크의 설정에 해당하는 슬롯프레임의 길이를 변경할 경우, 변경된 설정이 네트워크 전역에 적용되기까지 많은 오버헤드를 발생시키며 연속적인 네트워크 단절을 유발할 수 있다.
산업 영역에서도 스마트팩토리,제조 공정의 지능화 등에 큰 관심을 가지고 있으며,산업을 위한 IoT 기술인 IIoT(Industrial IoT)라는 기술이 새로운 트렌드로 각광 받고 있다.
이러한 IIoT에서는 장치의 온도,진동을 전송하는 센서 네트워크 장치가 작업자의 움직임 또한 함께 감지하여 보고하는 등의 다양한 역할을 수행할 것으로 기대된다.즉,하나의 장치에서 다양한 응용 서비스를 위한 데이터를 전송하게 되며, 각 응용 서비스의 데이터는 고유의 트래픽 패턴을 가지게 된다.
이러한 IIoT를 위한 IEEE 802.15.4e TSCH MAC 기술은 시분할 접근(Time Slotted Access)과 채널 호핑(Channel Hopping) 특성을 통해 높은 신뢰도와 안정성을 제공한다.
하지만, 표준 상에서 이를 위한 링크 스케줄링 기술을 명확히 정의하고 있지 않다.이를 해결하기 위해 제안된 몇몇 링크 스케줄링 기술은 단일 응용 서비스의 트래픽 패턴만을 고려하였거나, 장치에서 서버로 수렴하는 트래픽(Converge cast)만을 전제하는 등의 한계를 보인다.
특히, 고정적인 길이의 슬롯프레임을 대상으로 수행된 링크 스케줄링은 다수의 응용 서비스에서 발생시키는 다양한 트래픽 패턴에 대해 효율적으로 대응하기 어렵다.
예를 들어, 1초 주기로 데이터를 전송하는 응용 서비스 A와 10초 주기로 데이터를 전송하는 응용 서비스 B가 존재하는 경우를 가정하면, 응용 서비스 A에 슬롯프레임 길이를 맞출 경우, B를 위해 매 슬롯프레임에 링크를 할당해야 하며, 10초에 한번 전송되는 데이터를 위해 매 슬롯프레임에 추가적인 링크를 할당해야 하므로 지속적으로 에너지를 낭비하게 된다.
또한, 응용 서비스 B에 슬롯프레임 길이를 맞출 경우, A를 위해 링크 스케줄을 다수 생성해야 하므로, 메모리를 낭비하게 된다.
각 응용 서비스의 트래픽 패턴 격차가 커질수록 이러한 문제는 심화되며, 응용 서비스의 수가 많아질수록 더 큰 문제를 야기하게 된다.
대한민국 등록특허 제10-1527151호 대한민국 공개특허 제10-2012-0043359호
본 발명은 산업 무선 센서 네트워크에서의 스케줄링 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 네트워크상의 각 장치들이 가상 슬롯프레임 기법을 통해 분산적으로 스케줄링을 수행하여 다양한 주기의 데이터 트래픽에 대해 효율적인 스케줄을 생성하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 다수의 응용 서비스에서 발생하는 다양한 트래픽 패턴에 대해 적합한 가상 슬롯프레임을 구성하며, 각 트래픽 패턴에 대해 적응적인 링크 스케줄을 생성하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 가상 슬롯프레임 기술을 통해 네트워크 전역의 슬롯프레임 설정에 대한 영향을 고려하지 않아도 되며, 각 응용 서비스에서 요구되는 적절한 수준의 슬롯프레임을 통해 링크 스케줄링을 수행할 수 있도록 한 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 각 응용 서비스에서 발생하는 트래픽 패턴에 적응적으로 대응하여 링크가 필요한 시점에 스케줄을 적용하여 매우 낮은 수준의 지연시간으로 데이터 전송을 가능하도록 한 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상향,하향 트래픽 뿐만 아니라 주기/비주기적 트래픽 모두에 대해 적응적 성능을 제공할 수 있도록 한 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 네트워크 각 장치가 분산적으로 링크 스케줄링을 수행하여 스케줄링을 위한 제어 오버헤드를 경감할 수 있도록 한 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 IEEE 802.15.4-2015 표준 및 IETF 6TiSCH RFC에 기반하여 표준상에서 동작할 수 있으며, 표준 내용을 침범하지 않으므로 넓은 가용성을 갖도록 한 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치는 패킷 전송 기록을 참조하여 패킷이 생성된 시점을 리스트로 관리하는 패킷 분류부;패킷이 생성된 시점 리스트를 기준으로 트래픽 패턴을 분석하는 전송 기록 분석부;트래픽 패턴이 분류되면 트래픽 패턴에 따른 가상 슬롯프레임 스케줄을 생성하는 가상슬롯프레임 스케줄 생성 관리부;TSCH 구동에 사용할 직접적인 링크 스케줄로 변환 및 통합하는 스케줄 변환 및 통합부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 링크 스케줄에 의해 전송 시점이 다가왔을 때 패킷을 선택하여 전송을 수행하는 패킷 선택부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 분석된 트래픽 패턴을 통해 패킷의 수신시점을 예측하여 가상슬롯프레임 스케줄 생성 관리부로 전달하는 패킷 수신 예측부를 더 포함하고, 패킷 수신 예측부는 시간이 지남에 따라 예측의 정확도를 향상시키거나 잘못된 예측을 보정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 가상슬롯프레임 스케줄 생성 관리부는, 트래픽 패턴이 성공적으로 분류될 경우 트래픽 패턴에 적합한 가상 슬롯프레임 스케줄을 생성하며, 6Top 계층을 통해 대상 장치와 링크 스케줄을 협상하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 스케줄 변환 및 통합부는, 대상 장치와 협상을 통해 생성된 가상슬롯프레임 스케줄을 테이블로 관리하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 방법은 TSCH 계층으로 패킷이 수신될 경우 패킷 전송 기록 리스트에 내역을 추가하고 전송 주기 분석을 하는 단계;전송 기록 분석부에서 기록된 리스트를 바탕으로 트래픽 패턴을 나타내는 전송 기록을 분석하며, 새로운 전송 주기가 발견된 경우, 이를 바탕으로 가상 슬롯프레임 스케줄을 생성하는 단계;발견된 전송 주기에 적합한 길이의 가상 슬롯프레임을 대상으로 링크를 생성하여 6Top 계층을 통해 대상 장치와 링크 협상을 진행하는 단계;링크가 성공적으로 생성된 경우, 가상 슬롯프레임 스케줄 테이블에 추가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 가상 슬롯프레임 스케줄 테이블에 추가하는 단계에서, 분석에 사용된 패킷 전송 기록은 삭제하는 것을 특징으로 한다.
그리고 가상 슬롯프레임 스케줄 테이블에 추가하는 단계에서, 추가된 가상 슬롯프레임 스케줄을 매 슬롯프레임의 시작에서 스케줄 변환 및 통합부에 의해 TSCH 구동부에서 사용 가능한 TSCH 링크 스케줄로 변환 및 통합하는 것을 특징으로 한다.
그리고 TSCH 계층으로 패킷이 수신되면 분석된 트래픽 패턴을 통해 패킷의 수신시점을 예측하고, 스케줄 정확도를 기준으로 할당 자원을 감소 또는 증가시키는 가상 슬롯프레임 스케줄 조정 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 가상 슬롯프레임 스케줄 조정 단계는, TSCH 계층으로 패킷이 수신되면, 패킷 수신 예측부에서 트래픽 패턴을 통해 패킷의 수신시점을 예측하고, 수신 예측이 성공하면 스케줄 정확도를 상승시키고 정확도가 최대치 이하인지를 판단하는 단계와,정확도가 최대치 이하이면 할당 자원을 감소시키고 가상 슬롯프레임 스케줄을 조정하는 단계와,수신 예측이 성공하지 못하면, 스케줄 정확도를 하락시키고 정확도가 최소치 이하인지를 판단하는 단계와,정확도가 최소치 이하이면 가상 슬롯프레임 스케줄 할당 해제를 하고, 가상 슬롯프레임 스케줄 조정을 하고, 정확도가 최소치 이하가 아니면 할당 자원을 증가시키고, 가상 슬롯프레임 스케줄 조정을 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 스케줄 정확도가 설정된 임계치 이하의 정확도로 떨어질 경우 가상 슬롯프레임 스케줄을 폐기하며 새롭게 트래픽 패턴을 예측하는 것을 특징으로 한다.
그리고 가상 슬롯프레임 스케줄 테이블에 추가하는 단계에서, 추가된 가상 슬롯프레임 스케줄은 매 슬롯프레임의 시작에서 스케줄 변환 및통합부에 의해 TSCH 구동부에서 사용 가능한 TSCH 링크 스케줄로 변환 및 통합되는 것을 특징으로 한다.
그리고 전송 기록 분석부에서 패턴이 분석되지 않았거나 겹침으로 인해 손실이 발생한 트래픽은 별도의 스케줄을 통해 전송되도록 하고, 전송 기록 분석부는 분류되지 않거나 발생할 손실에 대한 트래픽 총량을 예측하여, 기본 패킷 대기열로 분류될 수 있는 스케줄을 생성하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 방법은 TSCH 통신 흐름에서 가상 슬롯프레임 스케줄 적용을 위하여, TSCH가 타임슬롯의 시작을 기준으로 동작을 개시하여 새로운 슬롯프레임의 시작인지를 판단하는 단계;새로운 슬롯프레임의 시작이면 가상 슬롯프레임 스케줄 변환을 하고, 아니면, 수행해야 할 스케줄이 있는지 여부를 판단하는 단계;수행해야 할 스케줄이 있다면, TSCH 스케줄 테이블을 참조하여 현 타임슬롯에서 해당 스케줄에 따른 동작을 수행하는 단계;TSCH 스케줄 테이블의 LinkOption을 참고하여 TSCH 스케줄의 LinkType으로 패킷 선택부에서 적합한 패킷을 획득하고 패킷을 전달받아 TSCH 구동부에서 전송하는 단계;TSCH 구동부에서 전송 결과 기록 테이블을 갱신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 수행해야 할 스케줄이 있는지 여부를 판단하는 단계에서, 수행해야 할 스케줄이 없다면 슬립 상태로 돌아가 에너지 소모를 줄이며 다음 타임슬롯의 시작을 기다리는 것을 특징으로 한다.
그리고 수행해야 할 스케줄에 따른 동작은 LinkOption 필드에서 슬립, 전송, 수신으로 구분되고, 수신 상태로 동작할 경우 패킷 수신을 기다리고, 수신을 성공하거나 Idle listen이 만료되면 타임슬롯을 종료하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 가상 슬롯프레임 기술을 통해 네트워크 전역의 슬롯프레임 설정에 대한 영향을 고려하지 않아도 되며, 각 응용 서비스에서 요구되는 적절한 수준의 슬롯프레임을 통해 링크 스케줄링을 수행할 수 있다.
둘째, 각 응용 서비스에서 발생하는 트래픽 패턴에 적응적으로 대응하여 링크가 필요한 시점에 스케줄을 적용하여 매우 낮은 수준의 지연시간으로 데이터 전송을 가능하게 한다.
셋째, 상향,하향 트래픽 뿐 아니라 주기/비주기적 트래픽 모두에 대해 적응적 성능을 제공할 수 있다.
넷째, 네트워크 각 장치가 분산적으로 링크 스케줄링을 수행하여 스케줄링을 위한 제어 오버헤드를 경감한다.
다섯째, IEEE 802.15.4-2015 표준 및 IETF 6TiSCH RFC에 기반하여 표준상에서 동작할 수 있으며, 표준 내용을 침범하지 않으므로 넓은 가용성을 가진다.
도 1은 가상 슬롯프레임의 일 예를 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치의 구성도
도 3은 본 발명에 따른 가상 슬롯프레임 스케줄 생성 및 관리를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트
도 4는 가상 슬롯프레임 스케줄 변환 및 통합의 일 예를 나타낸 구성도
도 5는 TSCH 통신 흐름에서 가상 슬롯프레임 스케줄 적용 방법에 대한 플로우차트
이하, 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 가상 슬롯프레임의 일 예를 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치의 구성도이다.
본 발명은 산업 무선 센서 네트워크 장치에 다양한 응용 서비스가 동작하는 상황에서 각 응용 서비스에서 발생하는 다양한 트래픽에 대해 적응적으로 링크 스케줄을 생성하는 TSCH 스케줄링 방법에 대한 것이다.
일반적인 상황을 예로, 설비에 대한 제어 신호는 0.5초 미만의 짧은 주기로 지속적으로 전송되어야 하지만, 변화량이 작고 민감도가 낮은 온도와 같은 데이터는 1분을 주기로 전송되어도 무관하다. 또한, 작업자 움직임 감지와 같은 응용 서비스의 트래픽은 패턴을 형성하지 않는다.
가상 슬롯프레임은 VSC(Virtual Slotframe Coefficient, 가상 슬롯프레임 계수)값을 통해 몇 개의 슬롯프레임을 묶어서 다룰 것인지 결정하며, 스케줄러는 가상 슬롯프레임을 사용하여 실제보다 더 긴 슬롯프레임을 대상으로 링크 스케줄을 생성할 수 있다.
IETF 6TiSCH WG(Working Group)은 TSCH의 높은 신뢰도와 안정성이 IoT 환경에서도 적합할 것으로 기대하고 있으며, 이를 위해 TSCH MAC의 설정과 관리를 용이하게 하기 위한 6Top 계층을 정의하였다.
6Top 계층에서는 장치 사이의 링크 할당을 위한 명령(Command)을 받아들일 수 있으며, 자신과 상대방의 가용 자원을 바탕으로 협상(negotiation)을 진행하여 상호간의 링크를 설정할 수 있다.
본 발명에서는 6Top의 링크 협상 기능을 활용하여 분산적으로 장치 간의 링크를 할당하는 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치의 구성은 다음과 같다.
도 2에서와 같이, 패킷 전송 기록을 참조하여 패킷이 생성된 시점을 리스트로 관리하는 패킷 분류부(21)와, 링크 스케줄에 의해 전송 시점이 다가왔을 때 패킷을 선택하여 전송을 수행하는 패킷 선택부(22)와, 패킷이 생성된 시점 리스트를 기준으로 트래픽 패턴을 분석하는 전송 기록 분석부(23)와, 분석된 트래픽 패턴으로 패킷의 수신시점을 예측하여 가상슬롯프레임 스케줄 생성 관리부(24)로 전달하는 패킷 수신 예측부(25)와, 트래픽 패턴이 분류되면 트래픽 패턴에 따른 가상 슬롯프레임 스케줄을 생성하는 가상슬롯프레임 스케줄 생성 관리부(24)와, 가상슬롯프레임 스케줄 테이블을 관리하고, TSCH 구동부(27)에서 사용할 직접적인 링크 스케줄로 변환 및 통합하는 스케줄 변환 및 통합부(26)를 포함함다.
여기서, 예측된 트래픽 패턴을 통해 상위 계층으로부터의 패킷 수신을 예측할 수 있으며, 시간이 지남에 따라 예측의 정확도를 향상시키거나 잘못된 예측을 보정할 수 있다.
패킷 수신 예측부(25)는 분석된 트레픽 패턴으로 패킷의 수신시점을 예측하여 가상슬롯프레임 스케줄 생성 관리부(24)로 전달한다.
그리고 패킷 분류부(21)에 의해 상위 계층에서 생성된 패킷이 적합한 패킷 대기열로 들어가게 한다.
그리고 가상슬롯프레임 스케줄 생성 관리부(24)는 트래픽 패턴이 성공적으로 분류될 경우 트래픽 패턴에 적합한 가상 슬롯프레임 스케줄을 생성하며, 6Top 계층을 통해 대상 장치와 링크 스케줄을 협상한다.
스케줄 변환 및 통합부(26)는 대상 장치와 협상을 통해 생성된 가상슬롯프레임 스케줄을 테이블로 관리하고, TSCH에서 사용할 직접적인 링크 스케줄로 변환 및 통합한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치는 다음과 같이 스케줄링 동작을 수행한다.
일반적인 TSCH의 경우 상위 계층에서 생성된 패킷이 패킷 분류부(Mux)(21)를 통해 적합한 패킷 대기열로 들어가게 되며, 링크 스케줄에 의해 전송 시점이 다가왔을 때, 패킷 선택부(I.Mux)(22)에서 적합한 패킷을 선택하여 전송을 수행한다.
여기서, 패킷 분류부(21)에서 패킷 전송 기록을 참조하여 패킷이 생성된 시점을 리스트로 관리하며, 전송 기록 분석부(23)에서 이를 바탕으로 트래픽 패턴을 분석한다.
트래픽 패턴이 성공적으로 분류될 경우 가상슬롯프레임 스케줄 생성 관리부(24)에서 트래픽 패턴에 적합한 가상 슬롯프레임 스케줄을 생성하며, 6Top 계층을 통해 대상 장치와 링크 스케줄을 협상한다.
대상 장치와 협상을 통해 생성된 가상슬롯프레임 스케줄은 테이블로 관리되며, 스케줄 변환 및 통합부(26)에서 TSCH에서 사용할 직접적인 링크 스케줄로 변환 및 통합하게 된다.
본 발명에 따른 가상 슬롯프레임 스케줄 생성 및 관리를 위한 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 가상 슬롯프레임 스케줄 생성 및 관리를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
트래픽 패턴을 분석하여 가상 슬롯프레임 스케줄을 생성하기 위하여 먼저, TSCH 계층으로 패킷이 수신될 경우(S301) 패킷 전송 기록 리스트에 내역이 추가되며(S302), 전송 기록 분석부(23)에서 전송 주기 분석이 수행된다.(S303)
전송 기록 분석부(23)에서는 기록된 리스트를 바탕으로 트래픽 패턴을 나타내는 전송 기록을 분석하며, 새로운 전송 주기(트래픽 패턴)가 발견된 경우(S304), 이를 바탕으로 가상 슬롯프레임 스케줄을 생성하게 된다.(S305)
발견된 전송 주기에 적합한 길이의 가상 슬롯프레임을 대상으로 링크를 생성하여 6Top 계층을 통해 대상 장치와 링크 협상을 진행한다.(S306)
만약, 링크가 성공적으로 생성된 경우(S307), 가상 슬롯프레임 스케줄 테이블에 추가되며, 분석에 사용된 패킷 전송 기록은 삭제된다.(S308)
또한, 본 발명은 트래픽 패턴을 분석하여 가상 슬롯프레임 스케줄을 생성하는 과정에서 가상 슬롯프레임 스케줄 조정을 위하여 패킷 수신 예측부(25)에서 다음과 같은 과정을 진행한다.
먼저, TSCH 계층으로 패킷이 수신될 경우(S301), 패킷 수신 예측부(25)에서 트래픽 패턴을 통해 패킷의 수신시점을 예측하고(S311), 수신 예측이 성공하면(S312), 스케줄 정확도를 상승시키고(S313) 정확도가 최대치 이하인지를 판단한다.(S314)
정확도가 최대치 이하이면 할당 자원을 감소시키고(S315) 가상 슬롯프레임 스케줄을 조정한다.(S320)
그리고 수신 예측이 성공하지 못하면(S312), 스케줄 정확도를 하락시키고(S316), 정확도가 최소치 이하인지를 판단한다.(S317)
정확도가 최소치 이하이면 가상 슬롯프레임 스케줄 할당 해제를 하고(S318), 가상 슬롯프레임 스케줄 조정을 한다.(S320)
정확도가 최소치 이하가 아니면 할당 자원을 증가시키고(S319), 가상 슬롯프레임 스케줄 조정을 한다.(S320)
초기 생성된 가상 슬롯프레임 스케줄은 정확도에 대한 초기값을 가지게 되며, 발생할 수 있는 오차를 감안하여 충분한(초과 공급, over-provisioning) 통신 슬롯을 할당한다.
이후, 분석된 패킷 수신 시점에서 예측의 적중 여부로 트래픽 패턴 예측 정확도를 조절하며, 정확도에 따라 슬롯을 할당량을 조절하여 자원을 절약한다.
정확한 예측이 가능할수록 더 적은 자원을 할당하여 통신할 수 있다.
단, 임계치 이하의 정확도로 떨어질 경우 가상 슬롯프레임 스케줄을 폐기하며새롭게 트래픽 패턴을 예측하도록 한다.
추가된 가상 슬롯프레임 스케줄은 매 슬롯프레임의 시작에서 스케줄 변환 및통합부에 의해 TSCH 구동부(27)에서 사용 가능한 TSCH 링크 스케줄로 변환 및 통합된다.
도 4는 가상 슬롯프레임 스케줄 변환 및 통합의 일 예를 나타낸 것으로, 스케줄 변환 및 통합부(26)에서 동작하는 변환 및 통합에 대한 개념도이다.
각 응용 서비스의 트래픽 패턴을 바탕으로 생성된 가상 슬롯프레임 스케줄은 실제 TSCH 통신에서 존재하지 않기 때문에 변환이 필요하다.
이를 위하여 새로운 슬롯프레임의 시작(또는 슬롯프레임의 마지막에서 수행하여도 무관)에서 도래하는 슬롯프레임 한 단위에 포함되는 가상 슬롯프레임 스케줄을 변환한다.
이때, 가상 슬롯프레임은 실제 슬롯프레임의 배수로 구성되므로 N+3, N+6, N+9 그리고 N+13와 같이 겹치는 부분이 발생할 수 있다.
이때는 통합 규칙에 따라 겹치는 스케줄을 병합해야 하며, 도 4의 예시에서는 가상 슬롯프레임의 길이가 긴 스케줄에 대해 우선순위를 주어 통합을 수행하였다. 통합에 대한 정책/규칙은 상황에 따라 달리 적용할 수 있다.
전송 기록 분석부(23)에서 패턴(전송 주기)이 분석되지 않았거나 겹침으로 인해 손실이 발생한 트래픽은 별도의 스케줄을 통해 전송되어야 한다.
이를 위해 전송 기록 분석부(23)는 분류되지 않거나 발생할 손실에 대한 트래픽 총량을 예측하여, 도 2의 기본 패킷 대기열로 분류될 수 있는 스케줄을 생성할 수 있다.
이는 네트워크 내의 장치들이 발생시키는 트래픽 모두를 감당할 수 있게 한다.
TSCH 통신 흐름에서 가상 슬롯프레임 스케줄 적용 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 5는 TSCH 통신 흐름에서 가상 슬롯프레임 스케줄 적용 방법에 대한 플로우 차트이다.
먼저, TSCH는 타임슬롯의 시작을 기준으로 동작을 개시한다.(S501)
새로운 슬롯프레임의 시작인지를 판단하여(S502), 새로운 슬롯프레임의 시작이면 가상 슬롯프레임 스케줄 변환을 하고(S503), 새로운 슬롯프레임의 시작이 아니면, 수행해야 할 스케줄이 있는지 여부를 판단한다.(S504)
수행해야 할 스케줄이 없다면 Sleep 상태로 돌아가 에너지 소모를 줄이며 다음 타임슬롯의 시작을 기다린다.
수행해야 할 스케줄이 있다면, TSCH 스케줄 테이블을 참조하여 현 타임슬롯(시점)에서 해당 스케줄에 적합한 동작을 수행하게 된다.(S505)
수행해야 할 동작은 LinkOption 필드에 슬립, 전송, 수신으로 구분된다.
수신 상태로 동작할 경우 패킷 수신을 기다리게 되며, 수신을 성공하거나 Idle listen이 만료되면 타임슬롯을 종료한다.(S507)
전송 동작의 경우 TSCH 스케줄 테이블의 LinkOption을 참고하여(S506) TSCH 스케줄의 LinkType으로 패킷 선택부(22)에서 적합한 패킷을 획득하고(S508) 패킷 선택부(22)에서 적합한 패킷을 전달받아 TSCH 구동부(27)에서 전송하게 된다.(S509)
이어, TSCH 구동부(27)에서 전송 결과 기록 테이블을 갱신한다.(S510)
특히, 슬롯프레임의 시작 (또는 종료)에서 스케줄 변환 및 통합부(26)를 가동시켜, 도래하는 슬롯프레임을 위한 TSCH 스케줄을 생성해야 한다.
전송 기록 분석부(23)와 가상 슬롯프레임 스케줄 생성 관리부(24)는 실질적으로 TSCH 구동의 뒷편에서 병렬적으로 수행되어 가상 슬롯프레임 스케줄을 생성하며, 스케줄 변환 및 통합부(26)는 TSCH 구동부(26)와 연계되어 동작하여 생성된 가상 슬롯프레임 스케줄을 변환 및 통합하는 역할을 수행한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치 및 방법은 네트워크상의 각 장치들이 가상 슬롯프레임 기법을 통해 분산적으로 스케줄링을 수행하여 다양한 주기의 데이터 트래픽에 대해 효율적인 스케줄을 생성하는 것이다.
본 발명은 가상 슬롯프레임 기술을 통해 네트워크 전역의 슬롯프레임 설정에 대한 영향을 고려하지 않아도 되며, 각 응용 서비스에서 요구되는 적절한 수준의 슬롯프레임을 통해 링크 스케줄링을 수행할 수 있도록 하고, 매우 낮은 수준의 지연시간으로 데이터 전송을 가능하도록 한다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
21. 패킷 분류부 22. 패킷 선택부
23. 전송 기록 분석부 24. 가상 슬롯프레임 스케줄 생성 관리부
25. 패킷 수신 예측부 26. 스케줄 변환 및 통합부
27. TSCH 구동부

Claims (16)

  1. 패킷 전송 기록을 참조하여 패킷이 생성된 시점을 리스트로 관리하는 패킷 분류부;
    패킷이 생성된 시점 리스트를 기준으로 트래픽 패턴을 분석하는 전송 기록 분석부;
    트래픽 패턴이 분류되면 트래픽 패턴에 따른 가상 슬롯프레임 스케줄을 생성하는 가상슬롯프레임 스케줄 생성 관리부;
    TSCH 구동에 사용할 직접적인 링크 스케줄로 변환 및 통합하는 스케줄 변환 및 통합부;
    링크 스케줄에 의해 전송 시점이 다가왔을 때 패킷을 선택하여 전송을 수행하는 패킷 선택부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 분석된 트래픽 패턴을 통해 패킷의 수신시점을 예측하여 가상슬롯프레임 스케줄 생성 관리부로 전달하는 패킷 수신 예측부를 더 포함하고,
    패킷 수신 예측부는 시간이 지남에 따라 예측의 정확도를 향상시키거나 잘못된 예측을 보정하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 가상슬롯프레임 스케줄 생성 관리부는,
    트래픽 패턴이 성공적으로 분류될 경우 트래픽 패턴에 적합한 가상 슬롯프레임 스케줄을 생성하며, 6Top 계층을 통해 대상 장치와 링크 스케줄을 협상하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 스케줄 변환 및 통합부는,
    대상 장치와 협상을 통해 생성된 가상슬롯프레임 스케줄을 테이블로 관리하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 장치.
  6. TSCH 계층으로 패킷이 수신될 경우 패킷 전송 기록 리스트에 내역을 추가하고 전송 주기 분석을 하는 단계;
    전송 기록 분석부에서 기록된 리스트를 바탕으로 트래픽 패턴을 나타내는 전송 기록을 분석하며, 새로운 전송 주기가 발견된 경우, 이를 바탕으로 가상 슬롯프레임 스케줄을 생성하는 단계;
    발견된 전송 주기에 적합한 길이의 가상 슬롯프레임을 대상으로 링크를 생성하여 6Top 계층을 통해 대상 장치와 링크 협상을 진행하는 단계;
    링크가 성공적으로 생성된 경우, 가상 슬롯프레임 스케줄 테이블에 추가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 가상 슬롯프레임 스케줄 테이블에 추가하는 단계에서, 분석에 사용된 패킷 전송 기록은 삭제하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 가상 슬롯프레임 스케줄 테이블에 추가하는 단계에서,
    추가된 가상 슬롯프레임 스케줄을 매 슬롯프레임의 시작에서 스케줄 변환 및 통합부에 의해 TSCH 구동부에서 사용 가능한 TSCH 링크 스케줄로 변환 및 통합하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, TSCH 계층으로 패킷이 수신되면 분석된 트래픽 패턴을 통해 패킷의 수신시점을 예측하고, 스케줄 정확도를 기준으로 할당 자원을 감소 또는 증가시키는 가상 슬롯프레임 스케줄 조정 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 가상 슬롯프레임 스케줄 조정 단계는,
    TSCH 계층으로 패킷이 수신되면, 패킷 수신 예측부에서 트래픽 패턴을 통해 패킷의 수신시점을 예측하고, 수신 예측이 성공하면 스케줄 정확도를 상승시키고 정확도가 최대치 이하인지를 판단하는 단계와,
    정확도가 최대치 이하이면 할당 자원을 감소시키고 가상 슬롯프레임 스케줄을 조정하는 단계와,
    수신 예측이 성공하지 못하면, 스케줄 정확도를 하락시키고 정확도가 최소치 이하인지를 판단하는 단계와,
    정확도가 최소치 이하이면 가상 슬롯프레임 스케줄 할당 해제를 하고, 가상 슬롯프레임 스케줄 조정을 하고, 정확도가 최소치 이하가 아니면 할당 자원을 증가시키고, 가상 슬롯프레임 스케줄 조정을 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 스케줄 정확도가 설정된 임계치 이하의 정확도로 떨어질 경우 가상 슬롯프레임 스케줄을 폐기하며 새롭게 트래픽 패턴을 예측하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 방법.
  12. 제 6 항에 있어서, 가상 슬롯프레임 스케줄 테이블에 추가하는 단계에서,
    추가된 가상 슬롯프레임 스케줄은 매 슬롯프레임의 시작에서 스케줄 변환 및통합부에 의해 TSCH 구동부에서 사용 가능한 TSCH 링크 스케줄로 변환 및 통합되는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 방법.
  13. 제 6 항에 있어서, 전송 기록 분석부에서 패턴이 분석되지 않았거나 겹침으로 인해 손실이 발생한 트래픽은 별도의 스케줄을 통해 전송되도록 하고,
    전송 기록 분석부는 분류되지 않거나 발생할 손실에 대한 트래픽 총량을 예측하여, 기본 패킷 대기열로 분류될 수 있는 스케줄을 생성하도록 하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 방법.
  14. TSCH 통신 흐름에서 가상 슬롯프레임 스케줄 적용을 위하여,
    TSCH가 타임슬롯의 시작을 기준으로 동작을 개시하여 새로운 슬롯프레임의 시작인지를 판단하는 단계;
    새로운 슬롯프레임의 시작이면 가상 슬롯프레임 스케줄 변환을 하고, 아니면, 수행해야 할 스케줄이 있는지 여부를 판단하는 단계;
    수행해야 할 스케줄이 있다면, TSCH 스케줄 테이블을 참조하여 현 타임슬롯에서 해당 스케줄에 따른 동작을 수행하는 단계;
    TSCH 스케줄 테이블의 LinkOption을 참고하여 TSCH 스케줄의 LinkType으로 패킷 선택부에서 적합한 패킷을 획득하고 패킷을 전달받아 TSCH 구동부에서 전송하는 단계;
    TSCH 구동부에서 전송 결과 기록 테이블을 갱신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 수행해야 할 스케줄이 있는지 여부를 판단하는 단계에서,
    수행해야 할 스케줄이 없다면 슬립 상태로 돌아가 에너지 소모를 줄이며 다음 타임슬롯의 시작을 기다리는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 수행해야 할 스케줄에 따른 동작은 LinkOption 필드에서 슬립, 전송, 수신으로 구분되고,
    수신 상태로 동작할 경우 패킷 수신을 기다리고, 수신을 성공하거나 Idle listen이 만료되면 타임슬롯을 종료하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서 가상 슬롯프레임을 활용한 스케줄링 방법.

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