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KR101374155B1 - 60 ｇ㎐ 대역의 지향성 안테나 네트워크를 위한 결정적인 이웃 탐색 방법 - Google Patents

60 ｇ㎐ 대역의 지향성 안테나 네트워크를 위한 결정적인 이웃 탐색 방법 Download PDF

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KR101374155B1
KR101374155B1 KR1020120120218A KR20120120218A KR101374155B1 KR 101374155 B1 KR101374155 B1 KR 101374155B1 KR 1020120120218 A KR1020120120218 A KR 1020120120218A KR 20120120218 A KR20120120218 A KR 20120120218A KR 101374155 B1 KR101374155 B1 KR 101374155B1
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신종민
고현목
김치하
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동명대학교산학협력단
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Abstract

각 노드들이 서로 다양한 크기의 안테나 빔폭(antenna beamwidth)을 가지고 있거나 또한 서로 시간 동기화가 이루어져 있지 않는 상황에서도 정해진 시간 내에 노드들 간의 이웃 탐색을 보장하는 60GHz 대역의 지향성 안테나 네트워크를 위한 결정적인 이웃 탐색 방법이 개시되어 있다. 방법은 지향성 안테나 네트워크에서 각 노드들이 무선 연결을 형성하는 이웃 탐색 방법에 있어서, a) 노드에서 그 동작 모드가 스캔 모드인지 또는 듣기 모드인지를 판단하는 단계; b) 상기 노드의 모드가 상기 스캔 모드인 경우, 상기 노드에서 안테나 빔을 소정의 스캔 주기로 각 섹터에 제공하는 단계; 및 c) 상기 노드의 모드가 상기 듣기 모드인 경우, 상기 노드에서 소정의 듣기 주기로 각 섹터에서의 안테나 빔을 수신하는 단계를 포함한다.

Description

60 Ｇ㎐ 대역의 지향성 안테나 네트워크를 위한 결정적인 이웃 탐색 방법{A Method for Deterministic Neighbor Discovery in 60GHz Directional Antenna Networks}
본 발명은 60 GHz 대역의 지향성 안테나 네트워크를 위한 결정적인 이웃 탐색 방법에 관한 것으로 특히, 각 노드들이 서로 다양한 크기의 안테나 빔폭(antenna beamwidth)을 가지고 있거나 시간 동기화가 이루어져 있지 않은 상황에서도 정해진 시간 내에 노드들 간의 이웃 탐색을 보장하는 60GHz 대역의 지향성 안테나 네트워크를 위한 결정적인 이웃 탐색 방법에 관한 것이다.
기가급의 전송속도로 무선 통신이 가능한 60GHz 기반의 밀리미터파 대역(57~66GHz)이 우리나라를 비롯하여 미국, 일본, 유럽에서 비허가 대역으로 할당되면서 그 활용에 대한 관심이 고조되고 있다. 기가급 전송 속도의 장점으로 가정용 영상 기기 분야의 각종 유선 케이블들을 무선으로 대체할 수 있을 것으로 예상되며, 스마트폰과 같은 휴대장치에서도 장치간 대용량 무선 데이터 서비스가 제공될 수 있다. 60GHz 대역에서의 무선 통신을 위해서는 주파수 특성상 지향성 안테나를 사용하고 있다.
본 발명은 지향성 안테나를 사용하는 60GHz 주파수 대역의 기가급 무선 네트워크에서, 노드들 사이의 이웃 탐색 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 각 노드들이 서로 다양한 크기의 안테나 빔폭(antenna beamwidth)을 가지고 있거나 또한 서로 시간동기화가 이루어져 있지 않은 상황에서도 정해진 시간안에 노드들간의 이웃 탐색을 보장하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 짧은 전송거리와 빔폭이 좁은 60GHz 대역의 주파수 특성을 고려하고, 장애물이 많은 실내 환경에서 적용이 용이하도록 3차원에서도 동작 가능 하도록 하는 알고리즘을 포함하고 있다.
당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 지향성 안테나를 사용하여 노드들간의 이웃 탐색을 하는 기존의 방법으로는 확률적인 방법과 결정적인 방법이 있다.
그중 확률적인 방법들은 단순하고 쉽게 사용가능하지만, 정해진 시간내에 이웃 탐색을 보장하지 못하는 단점이 있다.
또한 기존의 결정적인 방법들은 정해진 시간내의 이웃 탐색을 보장하지만, 각 노드들이 서로 다양한 크기의 안테나 빔폭(antenna beamwidth)을 가지고 있거나 시간 동기화가 이루어지지 않은 조건에서는 탐색 시간을 보장하지 못하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 지향성 안테나를 사용하는 60GHz 네트워크에서 각 노드들이 정해진 시간 내에 서로 무선 연결을 형성하는 이웃 탐색 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 각 노드들이 서로 다양한 크기의 안테나 빔폭(antenna beamwidth)을 가지고 있거나 또한 서로 시간 동기화가 이루어져 있지 않는 상황에서도 정해진 시간 내에 노드들 간의 이웃 탐색을 보장하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 목적은, 3차원 상에서도 동작 가능한 이웃 탐색 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 60 GHz 대역의 지향성 안테나 네트워크를 위한 결정적인 이웃 탐색 방법은 지향성 안테나 네트워크에서 각 노드들이 무선 연결을 형성하는 이웃 탐색 방법에 있어서, a) 노드에서 그 동작 모드가 스캔 모드인지 또는 듣기 모드인지를 판단하는 단계; b) 상기 노드의 모드가 상기 스캔 모드인 경우, 상기 노드에서 안테나 빔을 소정의 스캔 주기로 각 섹터에 제공하는 단계; 및 c) 상기 노드의 모드가 상기 듣기 모드인 경우, 상기 노드에서 소정의 듣기 주기로 각 섹터에서의 안테나 빔을 수신하는 단계를 포함한다.
상기 안테나 빔은 소정의 스캔 메시지를 포함하며, 상기 방법은 d) 상기 노드가 단계 c)에서 상기 스캔 메시지를 수신하는 경우, 상기 노드는 응답 메시지를 발송하는 단계를 더 포함한다.
상기 섹터는 2차원 섹터 또는 3차원 섹터를 포함하며, 상기 스캔 주기는 상기 듣기 주기와 동일하다.
그리고, 상기 단계 a)는 MAC 주소 비트열을 기초로 수행된다.
본 발명에 의하면, 지향성 안테나를 사용하는 60GHz 네트워크에서 각 노드들이 정해진 시간 내에 서로 무선 연결을 형성할 수 있다. 또한, 각 노드들이 서로 다양한 크기의 안테나 빔폭(antenna beamwidth)을 가지고 있거나 서로 시간 동기화가 이루어져 있지 않는 상황에서도 정해진 시간 내에 노드들 간의 이웃 탐색을 보장하게 되며, 2차원뿐만 아니라 3차원 상에서도 그 동작이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 2차원에서의 이웃 탐색 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 3차원에서의 확장된 이웃 탐색 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 이웃 탐색 방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 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.
도 1은 본 발명에 따른 2차원에서의 이웃 탐색 방법에서 사용되는 두 가지 동작 모드를 나타내는 도면이고, 도 2는 3차원에서의 동작과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 이웃 탐색 방법의 상세 알고리즘을 도 1과 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명에서 도 1은 2차원에서의 이웃 탐색 방법을 나타내고, 도 2는 3차원에서의 확장된 이웃 탐색 방법을 나타낸다.
먼저, 도1을 참조하면, 본 발명에 따른 이웃 탐색 방법은 두 가지 동작 모드로서 설명할 수 있다.
각 노드는 안테나 빔 폭
Figure 112012087986016-pat00001
Figure 112012087986016-pat00002
의 지향성 안테나를 가지고 있다. 섹터 안테나와 같이, 전체 안테나 방향을 서로 겹치지 않는
Figure 112012087986016-pat00003
개의 섹터 단위로 나눈다. 안테나 빔은 섹터 단위로 움직이며, 섹터들은
Figure 112012087986016-pat00004
로 이름을 부여한다.
노드 A는 스캔 모드에 있고 노드 B는 듣기 모드에 있다. 노드 A 는 섹터 0 에
Figure 112012087986016-pat00005
동안 머문 후, 다음 섹터로 안테나 빔을 회전한다. 각 섹터에 머무르는 동안, 노드 A는 HELLO 메시지를 전송하고 ACK 답변 메시지를 수신하기 위해 기다린다. 노드 A는 T 시간 동안 한 바퀴 회전하여 모든 섹터 방향을 한번 씩 방문한다. 노드 A는 스캔 모드에 있는 동안, 이러한 동작을 반복한다. 노드 B는 섹터 0에 T 동안 머무르며 HELLO 메시지를 수신하기를 기다린다. T 시간 마다, 다음 섹터로 회전하여 수신을 기다린다. 만약 노드 B가 HELLO 메시지를 수신하면 응답으로 ACK 메시지를 전송한다. 이러한 메시지 교환이 두 노드 사이의 무선 연결을 형성하여 이웃 탐색을 완료한다. 노드 B가 듣기 모드에
Figure 112012087986016-pat00006
(노드 B의 빔폭이
Figure 112012087986016-pat00007
일 때) 시간 동안 머무르고, 노드 A가 동일 시간동안 스캔 모드에 있으면, 두 노드는
Figure 112012087986016-pat00008
시간 안에 이웃 탐색이 보장된다.
각 노드가 스캔 모드와 듣기 모드를 선택하는 동작과정은 다음과 같다.
새로운 노드가 네트워크에 진입하면(또는 초기화 되면) 듣기 모드에서 시작한다. 우선
Figure 112012087986016-pat00009
(새 노드의 빔폭이
Figure 112012087986016-pat00010
일 때) 시간 동안 듣기 모드에 머무른다. 두 가지 경우가 존재한다.
첫째,
Figure 112012087986016-pat00011
시간 동안 다른 노드로부터 HELLO메시지를 수신하면, 응답으로 ACK 메시지를 전송하여 노드간의 이웃 탐색을 수행한다.
Figure 112012087986016-pat00012
시간 후, 새 노드는 스캔 모드로 전환한다.
둘째,
Figure 112012087986016-pat00013
시간 동안 HELLO메시지가 수신되지 않으면, 스캔 모드로 전환하기 전에 다음과 같은 절차를 따른다. MAC 주소의 비트열을 이용하여, LSB (Least Significant Bit)부터
- 해당 비트가 ‘1’ 이면 :
Figure 112012087986016-pat00014
시간 동안 스캔 모드 유지하고,
- 해당 비트가 ‘0’ 이면 :
Figure 112012087986016-pat00015
시간 동안 듣기 모드 유지한다. 48비트의 MAC 주소 비트열 이후, 추가로
Figure 112012087986016-pat00016
시간 동안 듣기 모드를 유지하고, 바로 스캔 모드로 전환한다.
다음으로 도 2를 참조하면, 3차원에서의 안테나 동작 과정을 나타낸다. 각 노드는 수평 빔폭
Figure 112012087986016-pat00017
과 수직 빔폭
Figure 112012087986016-pat00018
의 지향성 안테나를 가지고 있다. 기본적인 동작과정은 2차원에서의 방법과 동일하다.
노드 A는 스캔 모드에 있고 노드 B는 듣기 모드에 있다. 노드 A 는 도 2에서와 같이 z축 회전(z-axis rotation)을 수행한다. 각 섹터 마다
Figure 112012087986016-pat00019
(노드 A의 수평 빔폭이
Figure 112012087986016-pat00020
일 때) 빔폭 만큼 회전하여,
Figure 112012087986016-pat00021
시간 동안 한 바퀴 회전한다. 노드 A는 각 섹터에
Figure 112012087986016-pat00022
시간 동안 머무르며, HELLO 메시지를 전송하고 응답으로 ACK 메시지를 수신하기를 기다린다.
Figure 112012087986016-pat00023
시간 후, 도 2에서와 같이 x 와 z축을
Figure 112012087986016-pat00024
각도만큼 회전하여 새 x' 와 z' 축을 생성한다. 다음으로 z'축 회전 (z'-axis rotation)을 동일한 방법으로 수행한다. 노드 A는 T 시간 동안 3차원으로 회전하여 모든 섹터 방향을 한번 씩 방문한다. 노드 A는 스캔 모드에 있는 동안, 이러한 동작을 반복한다. 노드 B는 노드 A와 동일한 방법으로 3차원으로 안테나 빔을 섹터 단위로 회전한다. 노드 B는 각 섹터마다 T 시간동안 머무르며 HELLO 메시지를 수신하기를 기다리며, HELLO 메시지를 수신하면 응답으로 ACK 메시지를 전송한다. 이러한 메시지 교환이 두 노드 사이의 무선 연결을 형성하여 이웃 탐색을 완료한다. 노드 B가 듣기 모드에
Figure 112012087986016-pat00025
시간 동안 머무르고, 노드 A가 동일 시간동안 스캔 모드에 있으면, 두 노드는
Figure 112012087986016-pat00026
시간 안에 이웃 탐색이 보장된다. 시간 안에 이웃 탐색이 보장된다.
각 노드가 스캔 모드와 듣기 모드를 선택하는 동작과정은 다음과 같다.
새로운 노드가 네트워크에 진입하면(또는 초기화되면) 듣기 모드에서 시작한다. 우선
Figure 112012087986016-pat00027
(새 노드의 수평 빔폭이
Figure 112012087986016-pat00028
이고 수직 빔폭
Figure 112012087986016-pat00029
일 때) 시간 동안 듣기 모드에 머무른다. 두 가지 경우가 존재한다.
첫째,
Figure 112012087986016-pat00030
시간 동안 다른 노드로부터 HELLO메시지를 수신하면, 응답으로 ACK 메시지를 전송하여 노드간의 이웃 탐색을 수행한다.
Figure 112012087986016-pat00031
시간 후, 새 노드는 스캔 모드로 전환한다.
둘째,
Figure 112012087986016-pat00032
시간 동안 HELLO메시지가 수신되지 않으면, 스캔 모드로 전환하기 전에 다음과 같은 절차를 따른다. MAC 주소의 비트열을 이용하여, LSB (Least Significant Bit)부터
- 해당 비트가 ‘1’ 이면 :
Figure 112012087986016-pat00033
시간 동안 스캔 모드 유지하고,
- 해당 비트가 ‘0’ 이면 :
Figure 112012087986016-pat00034
시간 동안 듣기 모드 유지한다. 48비트의 MAC 주소 비트열 이후, 추가로
Figure 112012087986016-pat00035
시간 동안 듣기 모드를 유지하고, 바로 스캔 모드로 전환한다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 이웃 탐색 방법은, 지향성 안테나를 사용하는 60GHz 네트워크에서 각 노드들이 정해진 시간내에 서로 무선 연결을 형성하는 이웃 탐색 방법을 제공하는 이점을 가진다.
그리고, 본 발명은 각 노드들이 서로 다양한 크기의 안테나 빔폭(antenna beamwidth)을 가지고 있거나 또한 서로 시간동기화가 이루어져 있지 않는 상황에서도 정해진 시간내에 노드들간의 이웃 탐색을 보장하는 방법을 제공하는 이점을 가진다.
또한, 본 발명은 3차원에서도 동작할 수 있는 알고리즘을 포함하여 다양한 환경에서 적용될 수 있는 이점을 제공한다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 앞으로의 실시 예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

Claims (8)

  1. 지향성 안테나 네트워크에서 각 노드들이 무선 연결을 형성하는 이웃 탐색 방법에 있어서,
    a) 노드에서 그 동작 모드가 스캔 모드인지 또는 듣기 모드인지를 판단하는 단계;
    b) 상기 노드의 모드가 상기 스캔 모드인 경우, 상기 노드에서 안테나 빔을 소정의 스캔 주기로 각 섹터에 제공하는 단계; 및
    c) 상기 노드의 모드가 상기 듣기 모드인 경우, 상기 노드에서 소정의 듣기 주기로 각 섹터에서의 안테나 빔을 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    60 GHz 대역의 지향성 안테나 네트워크를 위한 결정적인 이웃 탐색 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 빔은 소정의 스캔 메시지를 포함하며, 상기 방법은 d) 상기 노드가 단계 c)에서 상기 스캔 메시지를 포함하는 안테나 빔을 수신하는 경우, 상기 노드는 응답 메시지를 발송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    60 GHz 대역의 지향성 안테나 네트워크를 위한 결정적인 이웃 탐색 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 섹터는 2차원 섹터 또는 3차원 섹터를 포함하는 것을 특징으로 하는
    60 GHz 대역의 지향성 안테나 네트워크를 위한 결정적인 이웃 탐색 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스캔 주기는 상기 듣기 주기와 동일한 것을 특징으로 하는
    60 GHz 대역의 지향성 안테나 네트워크를 위한 결정적인 이웃 탐색 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 a)는 MAC 주소 비트열을 기초로 수행되는 것을 특징으로 하는
    60 GHz 대역의 지향성 안테나 네트워크를 위한 결정적인 이웃 탐색 방법.
  6. 지향성 안테나 네트워크에서 각 노드들이 무선 연결을 형성하는 이웃 탐색 방법에 있어서,
    a) MAC 주소 비트열을 기초로, 노드에서 그 동작 모드가 스캔 모드인지 또는 듣기 모드인지를 판단하는 단계;
    b) 상기 노드의 모드가 상기 스캔 모드인 경우, 상기 노드에서 스캔 메시지를 포함하는 안테나 빔을 소정의 스캔 주기로 각 섹터로 전송하는 단계; 및
    c) 상기 노드의 모드가 상기 듣기 모드인 경우, 상기 노드에서 소정의 듣기 주기로 각 섹터에서의 스캔 메시지를 포함하는 안테나 빔을 수신하는 단계;
    d) 상기 노드가 단계 c)에서 상기 스캔 메시지를 포함하는 안테나 빔을 수신하는 경우, 상기 노드는 응답 메시지를 발송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 60 GHz 대역의 지향성 안테나 네트워크를 위한 결정적인 이웃 탐색 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 섹터는 2차원 섹터 또는 3차원 섹터를 포함하는 것을 특징으로 하는
    60 GHz 대역의 지향성 안테나 네트워크를 위한 결정적인 이웃 탐색 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 스캔 주기는 상기 듣기 주기와 동일한 것을 특징으로 하는
    60 GHz 대역의 지향성 안테나 네트워크를 위한 결정적인 이웃 탐색 방법.
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