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KR102846249B1 - Wireless communication method in high-density IoT wireless sensor network - Google Patents

Wireless communication method in high-density IoT wireless sensor network

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Publication number
KR102846249B1
KR102846249B1 KR1020230142524A KR20230142524A KR102846249B1 KR 102846249 B1 KR102846249 B1 KR 102846249B1 KR 1020230142524 A KR1020230142524 A KR 1020230142524A KR 20230142524 A KR20230142524 A KR 20230142524A KR 102846249 B1 KR102846249 B1 KR 102846249B1
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iot
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iot node
nodes
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유흥균
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충북대학교 산학협력단
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Publication date
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Abstract

본 발명은 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서의 무선통신 방법에 관한 것으로서, 게이트웨이에서 파일럿 신호를 탐색하는 단계, 상기 게이트웨이는 파일럿 신호를 수신하면, 수신한 파일럿 신호에 포함된 IoT 노드 식별 번호 정보를 검출하여 해당 IoT 노드를 등록하는 단계, 상기 게이트웨이는 등록한 IoT 노드에 확인(ACK) 메시지를 전송하는 단계 및 IoT 노드에서 상기 게이트웨이로부터 확인 메시지를 수신하면, 상기 게이트웨이와의 통신이 활성화되어 센서 데이터를 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 빔 스캐닝 기반의 IoT(Internet of Things) 무선 센서 네트워크의 게이트웨이와 노드 간에 충돌과 간섭을 최소화하여 곧바로 동작하는 플러그 앤드 플레이가 실행되고, 좁은 ISM 밴드에서 작동하는 IoT(Internet of Things) 무선 센서 네트워크의 주파수 자원의 활용성을 높일 수 있다는 효과가 있다.
The present invention relates to a wireless communication method in a high-density IoT wireless sensor network, comprising: a step of searching for a pilot signal in a gateway; a step of detecting IoT node identification number information included in the received pilot signal when the gateway receives the pilot signal and registering the corresponding IoT node; a step of transmitting an acknowledgement (ACK) message to the registered IoT node by the gateway; and a step of activating communication with the gateway and transmitting sensor data when the IoT node receives the acknowledgement message from the gateway.
According to the present invention, plug-and-play is performed immediately by minimizing collisions and interference between a gateway and nodes of an IoT (Internet of Things) wireless sensor network based on beam scanning, and the utilization of frequency resources of an IoT (Internet of Things) wireless sensor network operating in a narrow ISM band can be increased.

Description

고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서의 무선통신 방법 {Wireless communication method in high-density IoT wireless sensor network}Wireless communication method in high-density IoT wireless sensor network

본 발명은 무선통신 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고밀도 IoT(Internet of Things) 무선 센서 통신망에서 무선통신 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a wireless communication method, and more particularly, to a wireless communication method in a high-density IoT (Internet of Things) wireless sensor communication network.

사물인터넷(IoT, Internet of Things) 무선 센서 네트워크 기술은 임의의 랜덤(random)한 위치에 설치될 수 있는 다수의 센서 노드에서 센싱 데이터를, 안테나 조정과 통신시스템을 포함하는 게이트웨이 장치에 전송하는 기술이다. Internet of Things (IoT) wireless sensor network technology is a technology that transmits sensing data from multiple sensor nodes that can be installed in any random location to a gateway device that includes an antenna adjustment and communication system.

이러한 사물인터넷 무선 센서 네트워크는 주로 통신사용료가 없는 비면허대역인 ISM(Industrial, Science and Medical) 대역을 사용하는 것이 대부분이며, 데이터 센터와 연결된 안테나 게이트웨이에 연결될 수 있는 센서 노드의 개수가 스마트 시티, 스마트 공장, 스마트 빌딩 등으로 기하급수적으로 증가되는 초고밀도 IoT 노드 환경으로 되어가고 있으며, 이에 따라 노드들 사이에 서로 충돌과 간섭이 심각해서 자유롭게 연결하고, 전송할 수 없는 환경이 되고 있다.These IoT wireless sensor networks mostly use the ISM (Industrial, Science, and Medical) band, an unlicensed band with no communication fees, and the number of sensor nodes that can be connected to antenna gateways connected to data centers is increasing exponentially, creating an ultra-high-density IoT node environment such as smart cities, smart factories, and smart buildings. As a result, collisions and interference between nodes are becoming serious, making it difficult to freely connect and transmit.

즉, 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 무선 센서 네트워크는 쉽고 편리하며 충돌과 간섭없이 연결되어야 한다. IoT 무선 센서 네트워크에서는 센서 노드들이 최초 설치 이후에도, 수시로 추가 노드들이 더 설치되기 때문에, 랜덤하게 임의의 장소와 시간에 설치하더라도 충돌과 간섭없이 쉽게 곧바로 동작하는 플러그 앤드 플레이(Plug & Play)가 이뤄져야 편하게 이용할 수 있다. 즉, 네트워크에 IoT 노드가 설치되면, 복잡한 추가 세팅이나 조정없이, 충돌과 간섭없이 곧바로 동작하는 플러그 앤드 플레이를 위해 안테나 조정과 통신시스템을 포함하는 게이트웨이가 대량의 많은 IoT 노드 환경에서도 동작해야 되는데, 현존하는 기술로는 대량의 많은 센서 노드를 지원하기 어렵고, 더욱이 고밀도 IoT 무선 센서 통신망으로 진화하게 되면 충돌과 간섭이 더욱 증가해 가기 때문에 이러한 문제가 더 심각해진다.In other words, Internet of Things (IoT) wireless sensor networks must be easy and convenient to connect, without conflict or interference. Since additional sensor nodes are installed regularly after the initial installation of IoT wireless sensor networks, they must be plug-and-play capable, allowing them to operate immediately without conflict or interference, even when installed randomly in any location and time. In other words, once IoT nodes are installed on the network, a gateway, including antenna adjustment and communication systems, must be able to operate in an environment with a large number of IoT nodes without complex additional settings or adjustments, ensuring plug-and-play operation without conflict or interference. However, existing technologies struggle to support a large number of sensor nodes, and as IoT evolves into high-density wireless sensor communication networks, collisions and interference will increase, further exacerbating this problem.

IoT 노드 통신을 표현하는 용어는 여러가지이다. MTC(machine type communication)은 2020년이후 5세대 이동통신에서 사용하는 표현이고, 무선 센서 통신이라고도 한다. 이들은 주로 사용료를 지불하지 않는 비면허주파수 대역인 ISM 주파수 대역 비용을 사용하는데, 문제는 이 ISM 대역을 사용하는 시스템들이 무선랜 WiFi, 지그비, LoRa 등 여러가지이고, 특히 IoT 노드들이 엄청나게 많고 앞으로도 더욱 증가하는 추세이다. 표준화 기구 3GPP 5세대 이동통신 5G 표준화 기구에서는 2030년도 경에 1 제곱평방 킬로미터(Km2)당 1백만개, 즉 1 제곱평방 미터당 1개 정도의 IoT 노드들이 사용되는 eMTC(enhanced machine type communication)을 예상하고 있다. 2030년 이후에 예상되는 6세대 이동통신 6G(6th generation)에서는 스마트 시티, 스마트 공장, 스마트 빌딩 등으로 더욱 IoT 노드들의 숫자가 기하 급수적으로 증가되는 초고밀도 IoT 노드 환경이 된다. 이들의 통신 패킷들이 서로 충돌하고 간섭을 발생하여 통신 자체가 불가능해지는 문제가 매우 심각하다. There are various terms used to describe IoT node communication. Machine type communication (MTC) is the term used in 5G mobile communications after 2020, and is also called wireless sensor communication. These mainly use the ISM frequency band, an unlicensed frequency band that does not incur usage fees. The problem is that various systems use this ISM band, such as wireless LAN, WiFi, Zigbee, and LoRa, and the number of IoT nodes is enormous and is expected to increase further in the future. The standardization organization 3GPP, the 5G standardization organization for 5G mobile communications, predicts that by 2030, eMTC (enhanced machine type communication) will be used, with 1 million IoT nodes per square kilometer (Km 2 ), or about 1 IoT node per square meter. The 6th generation of mobile communications (6G), expected after 2030, will create an ultra-high-density IoT node environment where the number of IoT nodes will increase exponentially in smart cities, smart factories, and smart buildings. The problem is very serious, as their communication packets collide with each other and cause interference, making communication itself impossible.

수많은 IoT 노드가 있는 고밀도 환경에서 충돌하고 간섭을 최소화하는 통신을 위하여 종전에 제시하거나 도출된 기술들이 다음과 같은 것들이 있다. 그러나, 모두 부분적인 해결책이 되는 수준이고, 고밀도 환경에 사용할 수 없고, 고밀도 비면허 ISM 대역에서는 더욱 어렵다는 문제점이 있다. The following technologies have been previously proposed or developed to minimize collisions and interference in high-density environments with numerous IoT nodes. However, all of these solutions are only partial solutions, are not suitable for high-density environments, and are even more challenging in high-density unlicensed ISM bands.

종전 멀티홉 방식은 다음과 같다. IoT 노드들이 멀티홉 방식을 사용하기 위해서는 전체 구역 내에 있는 IoT 노드들이 서로 중계를 할 수 있어야 하고, 중심에 있는 게이트 웨이로 정보 패킷이 전달되어야 한다. 이를 위해서는 IoT 노드가 수신 신호를 받아서 중계기 형태로 게이트웨이나 게이트웨이쪽 노드에 보내야 한다. 다른 주파수 또는 다른 시간대를 이용해야 하는데 ISM대역을 사용하는 경우 주파수 자원이 부족해서 다른 주파수를 사용할 수 없고, 동일한 주파수 자원을 사용한다면 기다렸다가 다른 시간에 중계형식으로 다시 게이트웨이 쪽으로 송신해야하고, 다른 시간에 송신해주려면 시간을 계산하고 대기하여야 한다. 근본적으로 개별 IoT 노드가 중계기 역할을 하기 위해서는 시스템 구성이 복잡하고 비용이 크게 증가하므로 실현되기 매우 어렵다. 더욱이, IoT 노드들은 게이트웨이쪽 방향을 모르기 때문에 서로 중계해서 게이트웨이에 도달하기 어렵다. 또한, IoT 노드는 전력을 기본적으로 배터리를 사용하므로 전력 소모에 매우 취약하므로, 자신의 정보 송신을 위하여 전력소모를 아껴야 하는데 다른 노드 중계를 위하여 중계기 역할을 한다는 것은 전체적으로 모든 노드의 전력을 빨리 소모하여, 배터리교체를 더욱 많이 자주해야 하는 결정적 문제가 있다. The conventional multihop scheme is as follows. For IoT nodes to utilize multihop, they must be able to relay data among themselves and forward information packets to a central gateway. This requires IoT nodes to receive signals and relay them to the gateway or gateway-side nodes as relays. This requires using different frequencies or time zones. However, if the ISM band is used, limited frequency resources preclude this option. If the same frequency resources are used, the system must wait and relay data back to the gateway at a different time. Transmitting data at a different time requires calculating the time and waiting. Fundamentally, for individual IoT nodes to act as relays requires complex system configurations and significant cost increases, making it extremely difficult to implement. Furthermore, IoT nodes lack the ability to navigate to the gateway, making it difficult to relay data to each other. Furthermore, IoT nodes are inherently battery-powered and therefore highly power-sensitive. Therefore, while power consumption must be conserved for their own data transmission, acting as relays to other nodes quickly drains the entire system, necessitating more frequent battery replacement.

종전 클러스터 트리(Cluster Tree) 구조 방식은 전체를 구역(cluster)별로 나누고 노드 동작을 트리 구조로 동작하게 하는 방식인데, 일부 제한적인 장점은 있으나, 전체적으로 실제 사용하기에는 문제가 큰 방식이다. 또한, 게이트웨이에 가까운 노드가 중계 기능때문에 전력이 집중적으로 소모되어 통신 중단이 되기 쉽고 배터리 교환이 자주 빨리 일어나는 문제가 발생된다.The existing Cluster Tree architecture divides the entire system into clusters and structures node operations in a tree-like structure. While it offers some limited advantages, it presents significant challenges for practical use. Furthermore, nodes near the gateway consume significant amounts of power due to their relay function, leading to frequent communication interruptions and frequent battery replacement.

종전 전력소모 노드 교체 방식은 게이트웨이에 가까운 노드가 중계 기능 때문에 전력이 집중적으로 소모되므로 이를 방지하기 위하여, 노드 간의 역할을 바꿔주는 방식인데, 이러한 기능을 IoT 노드에 포함시키기 위해서는 노드 장치의 복잡성과 비용이 증가된다. 노드는 단순하므로 이런 자치 복잡도를 증가시키는 것 자체에 문제가 있고, IoT 노드들은 게이트웨이쪽 방향을 모르기 때문에 서로 중계해서 게이트웨이에 도달하기 어렵다. Previous power-hungry node replacement methods involved switching the roles of nodes closer to the gateway, which consumed significant power due to their relaying functions. To prevent this, however, incorporating this functionality into IoT nodes increased the complexity and cost of the node devices. Because nodes are simple, this increased autonomous complexity itself poses a problem. Furthermore, IoT nodes lack the ability to navigate to the gateway, making it difficult for them to relay to each other and reach the gateway.

종전 주파수 도약 다중접속(FHMA : frequency hopping multiple access) 방식은 주파수 도약 다중접속을 위하여 IoT 노드가 주파수 합성기 및 통신 장치를 모두 노드 내에 구비하여야 한다. 또한 주파수 도약 수신기도 갖추어야 한다. 정확한 주파수 도약 다중접속방식으로 정보 송수신을 위해서는 시간 및 주파수가 일치해야 하고 이를 위한 동기화기 등을 갖추어야한다. 이러한 장치 비용의 증가는 기존 방식에는 전혀 없던 것으로, 노드 비용을 매우 증가시키게 되며, 더 나아가서 스마트 시티, 스마트 공장, 스마트 빌딩 등, 고밀도 IoT센서 네트워크를 구성하는 비용 자체가 천문학적으로 증가하는 문제가 있다. Conventional frequency hopping multiple access (FHMA) methods require IoT nodes to be equipped with both a frequency synthesizer and communication devices within the node to enable FHMA. They also require a FH receiver. For accurate FHMA information transmission and reception, time and frequency must be synchronized, requiring synchronizers and other devices. This increased device cost, which was not present in existing methods, significantly increases node costs. Furthermore, the cost of building high-density IoT sensor networks, such as smart cities, smart factories, and smart buildings, increases astronomically.

대한민국 공개특허 10-2022-0113301Republic of Korea Publication Patent No. 10-2022-0113301

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서 패킷 충돌과 간섭을 최소화할 수 있는 무선통신 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and its purpose is to provide a wireless communication method capable of minimizing packet collisions and interference in a high-density IoT wireless sensor network.

즉, 본 발명은 면허 주파수 대역이든, 비면허 주파수 대역이든 관계없이 모두 사용될 수 있고, IoT 무선 센서 네트워크가 주로 사용되는 비면허대역인 ISM(Industrial, Science and Medical) 주파수 대역에서 다른 무선 IoT 센서 통신 시스템이나 통신망, 또는 IoT(Internet of Things) 노드들과의 충돌과 간섭을 최소화하여, IoT(Internet of Things) 무선 센서 네트워크의 주파수 자원 이용률을 최대한 높이고, 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에 IoT 노드를 설치하거나, 추가로 더 많이 설치하더라도, 충돌과 간섭을 최소화하여 쉽고 곧바로 동작하는 플러그 앤드 플레이(Plug & Play)를 지원할 수 있는 무선통신 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. That is, the present invention can be used regardless of whether it is a licensed frequency band or an unlicensed frequency band, and the purpose of the present invention is to provide a wireless communication method that can maximize the frequency resource utilization rate of an IoT (Internet of Things) wireless sensor network by minimizing collisions and interference with other wireless IoT sensor communication systems, communication networks, or IoT (Internet of Things) nodes in the ISM (Industrial, Science and Medical) frequency band, which is an unlicensed band where IoT wireless sensor networks are mainly used, and can support plug and play that is easy and immediately operable by minimizing collisions and interference even when installing IoT nodes in a high-density IoT wireless sensor network or installing more IoT nodes.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The purpose of the present invention is not limited to the purposes mentioned above, and other purposes not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서의 무선통신 방법에 관한 것으로서, 게이트웨이에서 파일럿 신호를 탐색하는 단계, 상기 게이트웨이는 파일럿 신호를 수신하면, 수신한 파일럿 신호에 포함된 IoT 노드 식별 번호 정보를 검출하여 해당 IoT 노드를 등록하는 단계, 상기 게이트웨이는 등록한 IoT 노드에 확인(ACK) 메시지를 전송하는 단계 및 IoT 노드에서 상기 게이트웨이로부터 확인 메시지를 수신하면, 상기 게이트웨이와의 통신이 활성화되어 센서 데이터를 전송하는 단계를 포함한다. The present invention, which aims to achieve the above object, relates to a wireless communication method in a high-density IoT wireless sensor network, comprising: a step of searching for a pilot signal in a gateway; a step of detecting IoT node identification number information included in the received pilot signal when the gateway receives the pilot signal and registering the corresponding IoT node; a step of transmitting an acknowledgement (ACK) message to the registered IoT node by the gateway; and a step of activating communication with the gateway and transmitting sensor data when the IoT node receives the acknowledgement message from the gateway.

상기 게이트웨이에서 파일럿 신호를 탐색하는 단계에서, IoT 노드가 주기적으로 파일럿 신호를 전송하는 단계 및 상기 게이트웨이에서 빔 스캐닝을 실시하는 빔 포밍 모드와, 전방향 무지향성 수신을 하는 전방향 무지향 모드를 번갈아 스위칭하여 파일럿 신호를 탐색하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. In the step of searching for a pilot signal in the gateway, the step may include a step of periodically transmitting a pilot signal by an IoT node and a step of searching for a pilot signal by alternately switching a beam forming mode in which beam scanning is performed in the gateway and an omnidirectional omnidirectional mode in which omnidirectional reception is performed.

또는 상기 게이트웨이에서 파일럿 신호를 탐색하는 단계에서, IoT 노드가 주기적으로 파일럿 신호를 전송하는 단계 및 상기 게이트웨이에서 빔 스캐닝을 실시하는 빔 포밍 모드와, 전방향 무지향성 수신을 하는 전방향 무지향 모드를 동시에 사용하여 파일럿 신호를 탐색하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. Alternatively, the step of searching for a pilot signal in the gateway may include a step of periodically transmitting a pilot signal by an IoT node and a step of searching for a pilot signal simultaneously using a beam forming mode in which beam scanning is performed in the gateway and an omnidirectional mode in which omnidirectional reception is performed.

상기 게이트웨이는 빔 스캐닝을 실시하면서 파일럿 신호를 감지하면, 감지한 파일럿 신호에 포함된 IoT 노드의 노드 식별 번호 정보를 검출하고, 검출한 노드 식별 번호 정보에 따라 테이블을 생성하거나 갱신하여 빔 구역별로 IoT 노드를 배정할 수 있다. When the above gateway detects a pilot signal while performing beam scanning, it detects node identification number information of an IoT node included in the detected pilot signal, and creates or updates a table based on the detected node identification number information to assign IoT nodes to each beam zone.

상기 센서 데이터를 전송하는 단계에서, 상기 게이트웨이에서 빔 스캐닝을 실시하는 빔 포밍 모드와, 전방향 무지향성 수신을 하는 전방향 무지향 모드를 번갈아 스위칭하여 RTS(Request To Send) 프레임을 탐색하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. In the step of transmitting the above sensor data, the step of searching for an RTS (Request To Send) frame by alternately switching between a beam forming mode in which beam scanning is performed at the gateway and an omnidirectional omnidirectional mode in which omnidirectional reception is performed may be further included.

또는 상기 센서 데이터를 전송하는 단계에서, 상기 게이트웨이에서 빔 스캐닝을 실시하는 빔 포밍 모드와, 전방향 무지향성 수신을 하는 전방향 무지향 모드를 동시에 사용하여 RTS(Request To Send) 프레임을 탐색하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. Alternatively, in the step of transmitting the sensor data, the step may further include searching for an RTS (Request To Send) frame by simultaneously using a beam forming mode for performing beam scanning at the gateway and an omnidirectional mode for performing omnidirectional reception.

상기 게이트웨이는 RTS 프레임을 수신하면, 수신한 RTS 프레임의 IoT 노드 식별 번호에 해당하는 IoT 노드로 CTS(Clear To Send) 프레임을 빔포밍하여 전송하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. The above gateway may further include a step of beamforming and transmitting a CTS (Clear To Send) frame to an IoT node corresponding to the IoT node identification number of the received RTS frame when receiving an RTS frame.

CTS 프레임을 수신한 IoT 노드는 상기 게이트웨이와의 통신이 활성화되어 센서 데이터를 송신할 수 있다. An IoT node that receives a CTS frame can activate communication with the gateway and transmit sensor data.

상기 게이트웨이는 통신이 활성화된 IoT 노드로부터 종료 패킷을 수신하면 확인 메시지를 회신하고 통신을 종료하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. The above gateway may further include a step of replying a confirmation message and terminating communication when receiving a termination packet from an IoT node with communication enabled.

상기 센서 데이터를 전송하는 단계에서, IoT 노드는 송신할 센서 데이터가 있는지 확인하는 단계, 상기 IoT 노드는 송신할 데이터가 없으면 슬리핑 모드로 진입하고, 송신할 데이터가 있으면 채널을 감지하는 채널 센싱을 수행하는 단계 및 상기 IoT 노드는 채널 센싱을 수행한 결과, 채널을 사용할 수 있으면, 상기 채널을 통해 RTS(Request To Send) 프레임을 전송하고, 상기 게이트웨이로부터 CTS(Clear To Send) 프레임을 수신할 때까지 대기하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. In the step of transmitting the above sensor data, the IoT node may further include a step of checking whether there is sensor data to be transmitted, a step of the IoT node entering a sleeping mode if there is no data to be transmitted, a step of performing channel sensing to detect a channel if there is data to be transmitted, and a step of the IoT node transmitting an RTS (Request To Send) frame through the channel if the channel is available as a result of performing channel sensing, and waiting until a CTS (Clear To Send) frame is received from the gateway.

상기 IoT 노드는 상기 게이트웨이로부터 CTS(Clear To Send) 프레임을 수신할 때까지 대기하는 단계에서, 상기 게이트웨이로부터 자신의 노드 식별 번호 정보를 포함하는 CTS 프레임을 수신할 때까지 대기할 수 있다. The IoT node may wait until it receives a CTS (Clear To Send) frame from the gateway, and may wait until it receives a CTS frame including its own node identification number information from the gateway.

상기 IoT 노드는 종료 패킷을 송신하고 상기 게이트웨이와의 통신이 종료되면, 슬리핑 모드로 진입하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. The IoT node may further include a step of entering a sleeping mode when the communication with the gateway is terminated by sending a termination packet.

상기 게이트웨이는 종료 패킷을 전송한 IoT 노드에 확인 메시지를 회신하고 통신을 종료하면, 다시 RTS 프레임을 탐색하는 과정으로 복귀할 수 있다. The above gateway can return to the process of searching for RTS frames again by replying a confirmation message to the IoT node that sent the termination packet and terminating the communication.

상기 게이트웨이는 빔 스캐닝을 실시함에 있어서, 미리 설정된 빔포밍 코드북(Code Book)에 따라 빔포밍을 수행하는 방식으로 빔 스캐닝을 실시하고, 빔포밍을 특정한 방향으로 순차적으로 수행하여 주변의 IoT 노드를 빔 스캐닝 할 수 있다. The above gateway performs beam scanning by performing beam forming according to a preset beam forming code book, and can perform beam scanning of surrounding IoT nodes by sequentially performing beam forming in a specific direction.

상기 게이트웨이는 파일럿 신호에 포함된 수신 신호 강도 정보를 저장하고, 둘 이상의 파일럿 신호로부터 각각 노드 식별 번호 정보를 저장하여 둘 이상의 노드 식별 번호 정보를 저장한 경우, 수신 신호 강도가 높은 순서대로 노드 식별 번호 정보에 우선 순위를 부여하고, 이에 따라 빔 구역별로 IoT 노드를 배정할 수 있다. The above gateway stores the reception signal strength information included in the pilot signal, and stores node identification number information from each of two or more pilot signals, and when two or more pieces of node identification number information are stored, gives priority to the node identification number information in order of highest reception signal strength, and can assign IoT nodes to each beam zone accordingly.

상기 센서 데이터를 전송하는 단계에서, 상기 게이트웨이는 IoT 노드의 수신 신호 강도의 크기에 따라 전송 신호의 크기를 조절할 수 있다.In the step of transmitting the above sensor data, the gateway can adjust the size of the transmission signal according to the size of the received signal strength of the IoT node.

본 발명에 의하면, 빔 스캐닝 기반의 IoT(Internet of Things) 무선 센서 네트워크의 게이트웨이와 노드 간에 충돌과 간섭을 최소화하여 곧바로 동작하는 플러그 앤드 플레이가 실행되고, 좁은 ISM 밴드에서 작동하는 IoT(Internet of Things) 무선 센서 네트워크의 주파수 자원의 활용성을 높일 수 있다는 효과가 있다. 본 발명에서 안테나 조정과 통신시스템을 포함하는 게이트웨이에 미리 설정된 코드북 기반의 빔포밍 기술을 사용하는 빔 스캐닝을 통해 빔 구역별로 위치한 IoT(Internet of Things) 노드의 효과적인 파악과 관리가 가능하기 때문에 ISM 밴드의 부족한 주파수 자원을 시간과 공간에 따라 나눠서 관리가 가능해진다는 장점이 있다. According to the present invention, there is an effect that plug-and-play is performed immediately by minimizing collisions and interference between a gateway and nodes of an IoT (Internet of Things) wireless sensor network based on beam scanning, and the utilization of frequency resources of an IoT (Internet of Things) wireless sensor network operating in a narrow ISM band can be increased. In the present invention, since effective identification and management of IoT (Internet of Things) nodes located by beam area is possible through beam scanning using a codebook-based beamforming technology preset in a gateway including an antenna adjustment and communication system, there is an advantage that the scarce frequency resources of the ISM band can be managed by dividing them according to time and space.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크 시스템 및 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서의 무선통신 방법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서의 무선 통신 시스템에서 게이트웨이와 IoT 노드간 주고받는 신호의 프레임 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서의 무선 통신 시스템에서 IoT 노드가 실시하는 백오프 타임(Back Off Time) 재조정 알고리즘을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 빔 스캐닝(Beam Scanning)을 통한 빔 구역(Beam cluster)별 빔 분할 기반의 네트워크에서 게이트웨이가 수행하는 빔 스캐닝을 예시한 것이다.
도 5는 본 발명의 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서의 무선통신 시스템에서 IoT 노드와 게이트웨이의 신호 전송을 예시한 것이다.
도 6은 본 발명에서 게이트웨이가 노드들을 배정하고 테이블 형태로 저장하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 게이트웨이에 주변 IoT 노드 등록 절차가 끝난 후, 게이트웨이와 노드 A, 노드 B, 노드 C 간 네트워크에서 정보가 전송되는 실시예 1을 도시한 것이다.
도 8은 게이트웨이에 주변 IoT 노드 등록 절차가 끝난 후, 게이트웨이와 노드 A, 노드 B, 노드 C 간 네트워크에서 정보가 전송되는 실시예 2를 도시한 것이다.
도 9는 게이트웨이에 주변 IoT 노드 등록 절차가 끝난 후, 게이트웨이와 노드 A, 노드 B, 노드 C 간 네트워크에서 정보가 전송되는 실시예 3을 도시한 것이다.
도 10은 게이트웨이에 주변 IoT 노드 등록 절차가 끝난 후, 게이트웨이와 노드 A, 노드 B, 노드 C 간 네트워크에서 정보가 전송되는 실시예 4를 도시한 것이다.
도 11은 게이트웨이에 주변 IoT 노드 등록 절차가 끝난 후, 게이트웨이와 노드 A, 노드 B, 노드 C 간 네트워크에서 정보가 전송되는 실시예 5를 도시한 것이다.
도 12는 게이트웨이에 주변 IoT 노드 등록 절차가 끝난 후, 게이트웨이와 노드 A, 노드 B, 노드 C 간 네트워크에서 정보가 전송되는 실시예 6을 도시한 것이다.
도 13은 게이트웨이에 주변 IoT 노드 등록 절차가 끝난 후, 게이트웨이와 노드 A, 노드 B, 노드 C 간 네트워크에서 정보가 전송되는 실시예 7을 도시한 것이다.
FIG. 1 illustrates a high-density IoT wireless sensor network system and a wireless communication method in a high-density IoT wireless sensor network according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 illustrates the frame structure of signals exchanged between a gateway and an IoT node in a wireless communication system in a high-density IoT wireless sensor network of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a back-off time readjustment algorithm implemented by an IoT node in a wireless communication system in a high-density IoT wireless sensor network according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 illustrates beam scanning performed by a gateway in a network based on beam division by beam cluster through beam scanning of the present invention.
FIG. 5 illustrates signal transmission between an IoT node and a gateway in a wireless communication system in a high-density IoT wireless sensor network of the present invention.
Figure 6 is an exemplary diagram for explaining the process of assigning nodes and storing them in a table format by a gateway in the present invention.
Figure 7 illustrates Embodiment 1 in which information is transmitted in a network between a gateway and node A, node B, and node C after the registration procedure of surrounding IoT nodes in the gateway is completed.
Figure 8 illustrates Embodiment 2 in which information is transmitted in a network between a gateway and node A, node B, and node C after the registration procedure of surrounding IoT nodes in the gateway is completed.
Figure 9 illustrates Example 3 in which information is transmitted in a network between a gateway and node A, node B, and node C after the registration procedure of surrounding IoT nodes in the gateway is completed.
Figure 10 illustrates Example 4 in which information is transmitted in a network between a gateway and node A, node B, and node C after the registration procedure of surrounding IoT nodes in the gateway is completed.
Figure 11 illustrates Example 5 in which information is transmitted in a network between a gateway and node A, node B, and node C after the registration procedure of surrounding IoT nodes in the gateway is completed.
Figure 12 illustrates Example 6 in which information is transmitted in a network between a gateway and node A, node B, and node C after the registration procedure of surrounding IoT nodes in the gateway is completed.
Figure 13 illustrates Example 7 in which information is transmitted in a network between a gateway and node A, node B, and node C after the registration procedure of surrounding IoT nodes in the gateway is completed.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention is susceptible to various modifications and embodiments. Specific embodiments are illustrated and described in detail in the drawings. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, but rather to encompass all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and technical scope of the present invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this application, it should be understood that the terms "comprise" or "have" indicate the presence of a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but do not preclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with their meaning in the context of the relevant technology, and will not be interpreted in an idealized or overly formal sense unless explicitly defined herein.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, when describing with reference to the attached drawings, identical components will be assigned the same reference numerals regardless of the drawing numbers, and redundant descriptions thereof will be omitted. When describing the present invention, if a detailed description of a related known technology is judged to unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 발명에서 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서 무선통신 방법은 크게 2가지로 구분된다. 첫째로 빔 스캐닝(Beam Scanning)을 통한 빔 구역(Beam cluster)별 빔 분할 기반의 무선 센서 네트워크의 구역(cluster) 별 빔을 할당하고, 그 구역 내에 있는 센서 노드들에 대해 캐리어 센싱(carrier sensing)을 통한 미디어 액세스 컨트롤(MAC : Media Access Control)을 수행하여 고밀도 IoT(Internet of Things) 센서 네트워크에서 충돌과 간섭을 최소화하는 통신을 수행한다. In the present invention, wireless communication methods in a high-density IoT wireless sensor network are largely divided into two types. First, a beam is allocated to each cluster of a wireless sensor network based on beam division by beam cluster through beam scanning, and media access control (MAC: Media Access Control) is performed through carrier sensing for sensor nodes within the zone to perform communication that minimizes collisions and interference in a high-density IoT (Internet of Things) sensor network.

둘째로는, IoT 노드가 캐리어 센싱(carrier sensing), 즉 채널 센싱으로 이미 사용자가 있으면 기다리는 백오프 타임(Back Off Time)을 상황에 따라 조정하는 백오프 타임(Back Off Time) 결정 알고리즘을 통해 각 IoT 노드의 개수, 노드의 분포, 노드의 종류에 따라 백오프 타임의 길이와 가짓수에 관한 최적의 백오프 타임을 결정할 수 있도록 한다. Secondly, the IoT node can determine the optimal backoff time in terms of the length and number of backoff times according to the number of IoT nodes, node distribution, and node type through a backoff time determination algorithm that adjusts the backoff time depending on the situation when there is already a user through carrier sensing, i.e. channel sensing.

구체적으로는 안테나 조정과 통신시스템을 포함하는 게이트웨이에 미리 설정된 구역(cluster) 별 빔 할당 정보를 통해 주변의 구역에 따라 빔을 할당할 수 있고, 각각의 구역마다 IoT(Internet of Things) 노드들의 정보를 테이블의 형태로 게이트웨이에 저장한 다음, 빔 스캐닝과 전방향 무지향성 수신을 교번 스위칭하든지, 또는 2가지 모드(mode)를 동시에 수행하여 각 IoT(Internet of Things) 노드가 보내는 통신 요청 신호인 RTS(Request To Send) 프레임을 최대한 균등하게 수신한다. 그리고 IoT(Internet of Things) 노드는 자체적으로 백오프 타임 결정 알고리즘을 통해 RTS(Request To Send) 프레임 전달 실패 횟수를 카운팅하여, 적응적으로 백오프 타임 슬롯 가짓수를 가지고 랜덤한 백오프 타임 슬롯을 점유하여, 각 IoT(Internet of Things) 노드가 계속해서 백오프 상태에 빠질 수 있는 문제를 해결한다.Specifically, beams can be allocated according to surrounding areas through beam allocation information per cluster preset in the gateway including antenna adjustment and communication system, and information on IoT (Internet of Things) nodes for each area is stored in the gateway in the form of a table, and then beam scanning and omnidirectional omnidirectional reception are alternately switched, or the two modes are performed simultaneously to receive RTS (Request To Send) frames, which are communication request signals sent by each IoT (Internet of Things) node, as evenly as possible. In addition, the IoT (Internet of Things) node counts the number of RTS (Request To Send) frame transmission failures through its own backoff time determination algorithm, and adaptively occupies a random backoff time slot with a number of backoff time slots, thereby solving the problem that each IoT (Internet of Things) node may continuously fall into a backoff state.

본 발명에서 게이트웨이는 기존의 무지향성 안테나처럼 전체 공간의 송수신이 되기도 하고, 구역(cluster)별로 빔포밍할 수 있어서 나뉘어진 구역을 빔스캐닝하여 IoT 노드들을 빔포밍 구역별로 인식하고 배정하는 기능이 있다. 빔포밍하는 구역의 개수는 전체 노드 개수에 비례하며, 노드 개수가 증가하면 구역(cluster)을 많이 나누어서 구역별 일정 수 이하의 노드가 되게 한다. 즉, 게이트웨이는 1개의 안테나로 빔스캐닝 등을 하는 빔포밍 모드와, 전방향 무지향성 모드의 2가지 모드 기능을 갖고, 일정 시간간격 주기적으로 번갈아 동작하거나, 또는 게이트웨이에 전방향 무지향 모드와 빔포밍 모드의 2가지 모드로 동작하는 각각의 안테나가 설치될 수 있다. 즉, 기존 무지향성 안테나만으로 동작되는 시스템에 본 발명의 빔포밍 기능의 안테나를 추가하고, 통합 운영을 위한 처리와 제어 장치는 부가적으로 설치하여 본 발명의 성능과 기능을 향상시킬 수 있다. 그리고, 빔포밍 모드 동작을 2차원 및 3차원 공간상에서 구역별로 나누어, 다중 빔구역 동시 지원 시스템으로 구성하여 다중 노드(multi-node) 동시 통신 시스템을 구성하고 처리하는 시스템이 되어, 더욱 많은 노드를 동시 지원하고 통신 용량을 증대하는 시스템 구성과 동작이 이뤄지는 특성을 갖도록 한다. In the present invention, the gateway can transmit and receive throughout the entire space like a conventional omnidirectional antenna, and can perform beamforming by cluster, so that it can scan the divided zones and recognize and assign IoT nodes to each beamforming zone. The number of beamforming zones is proportional to the total number of nodes, and as the number of nodes increases, the zones (clusters) are divided into many more so that the number of nodes per zone is less than a certain number. In other words, the gateway has two modes of function: a beamforming mode that performs beam scanning with a single antenna, and an omnidirectional mode, and these modes can be operated alternately periodically at a certain time interval, or antennas that operate in the omnidirectional mode and the beamforming mode can be installed in the gateway. In other words, by adding an antenna with the beamforming function of the present invention to a system that operates only with a conventional omnidirectional antenna, and additionally installing a processing and control device for integrated operation, the performance and function of the present invention can be improved. In addition, the beamforming mode operation is divided into zones in two-dimensional and three-dimensional space, and a multi-beam zone simultaneous support system is configured to form and process a multi-node simultaneous communication system, thereby providing a system configuration and operation characteristic that supports more nodes simultaneously and increases communication capacity.

본 발명에서 IoT 노드는 기존의 노드에서 사용하는 백오프 타임 결정과는 달리, 노드가 송신을 위하여 채널 센싱, 즉 캐리어 센싱을 하여 다른 사용자가 채널을 사용하고 있을 때 멈추었다가 다시 시도하는 시간 간격인데, 노드가 이 백오프 타임 조정을 함에 있어서 경험적으로 시간 길이를 결정한다. 즉, 계속 다른 사용자가 사용하는 빈도가 증가되면, 백오프 타임을 길게 하고, 송신 시도시 다른 사용자가 사용하는 빈도가 적게 나타나면 백오프 타임을 짧게 하여 네트워크 환경과 주변 빔클러스터 영역의 보드 밀도에 따라 달라지도록 한다. 이러한 기능은 센서 노드에 있는 프로세서와 메모리를 이용하여 간단하게 구현할 수 있다.In the present invention, unlike the backoff time determination used in existing nodes, the IoT node performs channel sensing, i.e., carrier sensing, for transmission. This is the time interval during which the node stops and tries again when another user is using the channel. The node empirically determines the length of time when adjusting this backoff time. That is, if the frequency of use by other users continues to increase, the backoff time is lengthened, and if the frequency of use by other users decreases during a transmission attempt, the backoff time is shortened so that it varies depending on the network environment and the board density of the surrounding beam cluster area. This function can be simply implemented using the processor and memory in the sensor node.

본 발명은 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서의 무선통신 방법에 관한 것으로서, 게이트웨이에서 파일럿 신호를 탐색하는 단계, 상기 게이트웨이는 파일럿 신호를 수신하면, 수신한 파일럿 신호에 포함된 IoT 노드 식별 번호 정보를 검출하여 해당 IoT 노드를 등록하는 단계, 상기 게이트웨이는 등록한 IoT 노드에 확인(ACK) 메시지를 전송하는 단계 및 IoT 노드에서 상기 게이트웨이로부터 확인 메시지를 수신하면, 상기 게이트웨이와의 통신이 활성화되어 센서 데이터를 전송하는 단계를 포함한다. The present invention relates to a wireless communication method in a high-density IoT wireless sensor network, comprising: a step of searching for a pilot signal in a gateway; a step of detecting IoT node identification number information included in the received pilot signal when the gateway receives the pilot signal and registering the corresponding IoT node; a step of transmitting an acknowledgement (ACK) message to the registered IoT node by the gateway; and a step of activating communication with the gateway and transmitting sensor data when the IoT node receives the acknowledgement message from the gateway.

상기 게이트웨이에서 파일럿 신호를 탐색하는 단계에서, IoT 노드가 주기적으로 파일럿 신호를 전송하는 단계 및 상기 게이트웨이에서 빔 스캐닝을 실시하는 빔 포밍 모드와, 전방향 무지향성 수신을 하는 전방향 무지향 모드를 번갈아 스위칭하여 파일럿 신호를 탐색하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. In the step of searching for a pilot signal in the gateway, the step may include a step of periodically transmitting a pilot signal by an IoT node and a step of searching for a pilot signal by alternately switching a beam forming mode in which beam scanning is performed in the gateway and an omnidirectional omnidirectional mode in which omnidirectional reception is performed.

또는 상기 게이트웨이에서 파일럿 신호를 탐색하는 단계에서, IoT 노드가 주기적으로 파일럿 신호를 전송하는 단계 및 상기 게이트웨이에서 빔 스캐닝을 실시하는 빔 포밍 모드와, 전방향 무지향성 수신을 하는 전방향 무지향 모드를 동시에 사용하여 파일럿 신호를 탐색하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. Alternatively, the step of searching for a pilot signal in the gateway may include a step of periodically transmitting a pilot signal by an IoT node and a step of searching for a pilot signal simultaneously using a beam forming mode in which beam scanning is performed in the gateway and an omnidirectional mode in which omnidirectional reception is performed.

상기 게이트웨이는 빔 스캐닝을 실시하면서 파일럿 신호를 감지하면, 감지한 파일럿 신호에 포함된 IoT 노드의 노드 식별 번호 정보를 검출하고, 검출한 노드 식별 번호 정보에 따라 테이블을 생성하거나 갱신하여 빔 구역별로 IoT 노드를 배정할 수 있다. When the above gateway detects a pilot signal while performing beam scanning, it detects node identification number information of an IoT node included in the detected pilot signal, and creates or updates a table based on the detected node identification number information to assign IoT nodes to each beam zone.

상기 센서 데이터를 전송하는 단계에서, 상기 게이트웨이에서 빔 스캐닝을 실시하는 빔 포밍 모드와, 전방향 무지향성 수신을 하는 전방향 무지향 모드를 번갈아 스위칭하여 RTS(Request To Send) 프레임을 탐색하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. In the step of transmitting the above sensor data, the step of searching for an RTS (Request To Send) frame by alternately switching between a beam forming mode in which beam scanning is performed at the gateway and an omnidirectional omnidirectional mode in which omnidirectional reception is performed may be further included.

또는 상기 센서 데이터를 전송하는 단계에서, 상기 게이트웨이에서 빔 스캐닝을 실시하는 빔 포밍 모드와, 전방향 무지향성 수신을 하는 전방향 무지향 모드를 동시에 사용하여 RTS(Request To Send) 프레임을 탐색하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. Alternatively, in the step of transmitting the sensor data, the step may further include searching for an RTS (Request To Send) frame by simultaneously using a beam forming mode for performing beam scanning at the gateway and an omnidirectional mode for performing omnidirectional reception.

상기 게이트웨이는 RTS 프레임을 수신하면, 수신한 RTS 프레임의 IoT 노드 식별 번호에 해당하는 IoT 노드로 CTS(Clear To Send) 프레임을 빔포밍하여 전송하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. The above gateway may further include a step of beamforming and transmitting a CTS (Clear To Send) frame to an IoT node corresponding to the IoT node identification number of the received RTS frame when receiving an RTS frame.

CTS 프레임을 수신한 IoT 노드는 상기 게이트웨이와의 통신이 활성화되어 센서 데이터를 송신할 수 있다. An IoT node that receives a CTS frame can activate communication with the gateway and transmit sensor data.

상기 게이트웨이는 통신이 활성화된 IoT 노드로부터 종료 패킷을 수신하면 확인 메시지를 회신하고 통신을 종료하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. The above gateway may further include a step of replying a confirmation message and terminating communication when receiving a termination packet from an IoT node with communication enabled.

상기 센서 데이터를 전송하는 단계에서, IoT 노드는 송신할 센서 데이터가 있는지 확인하는 단계, 상기 IoT 노드는 송신할 데이터가 없으면 슬리핑 모드로 진입하고, 송신할 데이터가 있으면 채널을 감지하는 채널 센싱을 수행하는 단계 및 상기 IoT 노드는 채널 센싱을 수행한 결과, 채널을 사용할 수 있으면, 상기 채널을 통해 RTS(Request To Send) 프레임을 전송하고, 상기 게이트웨이로부터 CTS(Clear To Send) 프레임을 수신할 때까지 대기하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. In the step of transmitting the above sensor data, the IoT node may further include a step of checking whether there is sensor data to be transmitted, a step of the IoT node entering a sleeping mode if there is no data to be transmitted, a step of performing channel sensing to detect a channel if there is data to be transmitted, and a step of the IoT node transmitting an RTS (Request To Send) frame through the channel if the channel is available as a result of performing channel sensing, and waiting until a CTS (Clear To Send) frame is received from the gateway.

상기 IoT 노드는 상기 게이트웨이로부터 CTS(Clear To Send) 프레임을 수신할 때까지 대기하는 단계에서, 상기 게이트웨이로부터 자신의 노드 식별 번호 정보를 포함하는 CTS 프레임을 수신할 때까지 대기할 수 있다. The IoT node may wait until it receives a CTS (Clear To Send) frame from the gateway, and may wait until it receives a CTS frame including its own node identification number information from the gateway.

상기 IoT 노드는 종료 패킷을 송신하고 상기 게이트웨이와의 통신이 종료되면, 슬리핑 모드로 진입하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. The IoT node may further include a step of entering a sleeping mode when the communication with the gateway is terminated by sending a termination packet.

상기 게이트웨이는 종료 패킷을 전송한 IoT 노드에 확인 메시지를 회신하고 통신을 종료하면, 다시 RTS 프레임을 탐색하는 과정으로 복귀할 수 있다. The above gateway can return to the process of searching for RTS frames again by replying a confirmation message to the IoT node that sent the termination packet and terminating the communication.

상기 게이트웨이는 빔 스캐닝을 실시함에 있어서, 미리 설정된 빔포밍 코드북(Code Book)에 따라 빔포밍을 수행하는 방식으로 빔 스캐닝을 실시하고, 빔포밍을 특정한 방향으로 순차적으로 수행하여 주변의 IoT 노드를 빔 스캐닝 할 수 있다. The above gateway performs beam scanning by performing beam forming according to a preset beam forming code book, and can perform beam scanning of surrounding IoT nodes by sequentially performing beam forming in a specific direction.

상기 게이트웨이는 파일럿 신호에 포함된 수신 신호 강도 정보를 저장하고, 둘 이상의 파일럿 신호로부터 각각 노드 식별 번호 정보를 저장하여 둘 이상의 노드 식별 번호 정보를 저장한 경우, 수신 신호 강도가 높은 순서대로 노드 식별 번호 정보에 우선 순위를 부여하고, 이에 따라 빔 구역별로 IoT 노드를 배정할 수 있다. The above gateway stores the reception signal strength information included in the pilot signal, and stores node identification number information from each of two or more pilot signals, and when two or more pieces of node identification number information are stored, gives priority to the node identification number information in order of highest reception signal strength, and can assign IoT nodes to each beam zone accordingly.

상기 센서 데이터를 전송하는 단계에서, 상기 게이트웨이는 IoT 노드의 수신 신호 강도의 크기에 따라 전송 신호의 크기를 조절할 수 있다.In the step of transmitting the above sensor data, the gateway can adjust the size of the transmission signal according to the size of the received signal strength of the IoT node.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크 시스템 및 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서의 무선통신 방법을 도시한 것이다. FIG. 1 illustrates a high-density IoT wireless sensor network system and a wireless communication method in a high-density IoT wireless sensor network according to one embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 빔 스캐닝(Beam Scanning)을 통한 빔 구역(Beam cluster)별 빔 분할 기반의 네트워크에서 게이트웨이와 노드 간 동작 흐름을 도시한 것이다. Figure 1 illustrates the operation flow between a gateway and a node in a network based on beam division by beam cluster through beam scanning of the present invention.

도 1은 본 발명의 빔 스캐닝(Beam Scanning)을 통한 빔 구역(Beam cluster)별 빔 분할 기반의 무선 IoT 노드가 동작되고 운영되는 전체 시스템을 도시한 것이다. 도 1에서 IoT 노드 등록과 빔 배정 단계, 그리고 센서 데이터 전송 단계의 2가지로 구분하여 동작하는 시스템 구성과 동작 프로세스를 보여주고 있다. Figure 1 illustrates the overall system in which a wireless IoT node based on beam division by beam cluster through beam scanning of the present invention operates and is operated. Figure 1 shows the system configuration and operation process, which are divided into two stages: IoT node registration and beam assignment, and sensor data transmission.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크 시스템은 게이트웨이(100) 및 IoT 노드(200)를 포함한다. 여기서 게이트웨이(100)는 안테나를 조정하기 위한 안테나 조정과 통신 시스템을 포함하는 개념이다. Referring to FIG. 1, a high-density IoT wireless sensor network system according to one embodiment of the present invention includes a gateway (100) and an IoT node (200). Here, the gateway (100) is a concept that includes an antenna adjustment and communication system for adjusting an antenna.

본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서의 무선통신 방법은 크게 IoT 노드 등록과 빔배정 단계(S101~S105)와, 센서 데이터 전송 단계(S107~S129)로 구분할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 새로운 IoT 노드가 추가되어도 IoT 노드 등록과 빔배정 단계(S101~S105)와, 센서 데이터 전송 단계(S107~S129)를 동일하게 수행할 수 있다. A wireless communication method in a high-density IoT wireless sensor network according to one embodiment of the present invention can be broadly divided into IoT node registration and beam assignment steps (S101 to S105) and sensor data transmission steps (S107 to S129). In one embodiment of the present invention, even if a new IoT node is added, the IoT node registration and beam assignment steps (S101 to S105) and the sensor data transmission steps (S107 to S129) can be performed in the same manner.

IoT 노드 등록과 빔배정 단계(S101~S105)에서, 게이트웨이(100)는 파일럿 신호를 탐지하기 위해, 빔 스캐닝을 실시하는 빔포밍 모드와 전방향 무지향성 수신을 하는 전방향 무지향 모드를 수행한다(S101). 여기서 게이트웨이(100)는 빔포밍 모드와 전방향 무지향 모드를 주기적으로 스위칭하여 사용하거나, 또는 빔포밍 모드와 전방향 모드를 동시에 사용할 수 있다. 이때, 게이트웨이(100)는 하나의 안테나를 구비하여 빔포밍 모드와 전방향 무지향 모드를 주기적으로 스위칭하여 사용할 수 있다. 또는 게이트웨이(100)는 빔포밍 모드를 수행하기 위한 제1 안테나와, 전방향 무지향 모드를 수행하기 위한 제2 안테나의 2개의 안테나를 구비하여 빔포밍 모드와 전방향 모드를 동시에 사용할 수 있다. In the IoT node registration and beam assignment steps (S101 to S105), the gateway (100) performs a beamforming mode that performs beam scanning and an omnidirectional mode that performs omnidirectional reception to detect a pilot signal (S101). Here, the gateway (100) may periodically switch between the beamforming mode and the omnidirectional mode, or may use the beamforming mode and the omnidirectional mode simultaneously. At this time, the gateway (100) may be equipped with one antenna to periodically switch between the beamforming mode and the omnidirectional mode. Alternatively, the gateway (100) may be equipped with two antennas, a first antenna for performing the beamforming mode and a second antenna for performing the omnidirectional mode, to use the beamforming mode and the omnidirectional mode simultaneously.

IoT 노드(200)는 주기적으로 파일럿 신호를 전송하고, 게이트웨이(100)로부터 확인(ACK) 메시지를 수신한다(S103). The IoT node (200) periodically transmits a pilot signal and receives an acknowledgement (ACK) message from the gateway (100) (S103).

게이트웨이(100)는 파일럿 신호를 수신하면, 빔 구역(cluster)별 IoT 노드의 노드 식별 번호 정보를 검출하고, 이에 따라 빔 구역별 IoT 노드 식별 번호 정보를 포함하는 테이블을 생성하거나 기존의 테이블을 갱신하고, 확인 메시지를 IoT 노드(200)에 전송한다(S105). When the gateway (100) receives a pilot signal, it detects node identification number information of IoT nodes for each beam zone (cluster), and accordingly creates a table containing IoT node identification number information for each beam zone or updates an existing table, and transmits a confirmation message to the IoT node (200) (S105).

센서 데이터 전송 단계(S107~S129)에서, 게이트웨이(100)는 RTS 프레임을 탐지하기 위해, 빔 스캐닝을 실시하는 빔포밍 모드와 전방향 무지향성 수신을 하는 전방향 무지향 모드를 수행한다(S107). 여기서 게이트웨이(100)는 빔포밍 모드와 전방향 무지향 모드를 주기적으로 스위칭하여 사용하거나, 또는 빔포밍 모드와 전방향 모드를 동시에 사용할 수 있다. 이때, 게이트웨이(100)는 하나의 안테나를 구비하여 빔포밍 모드와 전방향 무지향 모드를 주기적으로 스위칭하여 사용할 수 있다. 또는 게이트웨이(100)는 빔포밍 모드를 수행하기 위한 제1 안테나와, 전방향 무지향 모드를 수행하기 위한 제2 안테나의 2개의 안테나를 구비하여 빔포밍 모드와 전방향 모드를 동시에 사용할 수 있다.In the sensor data transmission step (S107 to S129), the gateway (100) performs a beamforming mode that performs beam scanning and an omnidirectional mode that performs omnidirectional reception to detect an RTS frame (S107). Here, the gateway (100) may periodically switch between the beamforming mode and the omnidirectional mode, or may use the beamforming mode and the omnidirectional mode simultaneously. At this time, the gateway (100) may be equipped with one antenna to periodically switch between the beamforming mode and the omnidirectional mode. Alternatively, the gateway (100) may be equipped with two antennas, a first antenna for performing the beamforming mode and a second antenna for performing the omnidirectional mode, to use the beamforming mode and the omnidirectional mode simultaneously.

IoT 노드(200)는 송신할 센서 데이터가 없으면 슬리핑 모드로 진입하고(S109, S131), 송신할 센서 데이터가 있으면 채널 센싱을 수행한다(S109, S111). The IoT node (200) enters sleeping mode when there is no sensor data to transmit (S109, S131), and performs channel sensing when there is sensor data to transmit (S109, S111).

IoT 노드(200)는 채널 센싱 결과, 채널이 타 기기에 의해 사용 중이면 백오프(Back off) 상태로 진입하여 백오프 타임만큼 대기한 후, 다시 채널 센싱 과정을 수행한다(S113, S115). If the IoT node (200) determines that the channel is being used by another device as a result of channel sensing, it enters a back off state, waits for the back off time, and then performs the channel sensing process again (S113, S115).

IoT 노드(200)는 채널 센싱 결과, 채널이 사용할 수 있는 상태이면, RTS 프레임을 전송하고, 게이트웨이(100)로부터 CTS 프레임을 수신할 때까지 대기한다(S113, S117). If the IoT node (200) determines that the channel is available based on the channel sensing result, it transmits an RTS frame and waits until it receives a CTS frame from the gateway (100) (S113, S117).

게이트웨이(100)는 IoT 노드(200)로부터 RTS 프레임을 수신하면, 빔포밍으로 CTS 프레임을 IoT 노드(200)에 전송한다(S119, S121). When the gateway (100) receives an RTS frame from the IoT node (200), it transmits a CTS frame to the IoT node (200) using beamforming (S119, S121).

그리고, IoT 노드(200)에서 자신의 노드 식별 번호와 일치하는 CTS 프레임을 수신하면, 게이트웨이(100)와의 통신이 활성화(Active)된다(S123, S125). IoT 노드(200)와 게이트웨이(100) 간의 통신이 활성화되면, IoT 노드(200)에서 게이트웨이(100)에 센서 데이터를 전송하고, 센서 데이터를 수신한 게이트웨이(100)는 확인(ACK) 메시지를 IoT 노드(200)에 전송한다. And, when the IoT node (200) receives a CTS frame that matches its own node identification number, communication with the gateway (100) is activated (S123, S125). When communication between the IoT node (200) and the gateway (100) is activated, the IoT node (200) transmits sensor data to the gateway (100), and the gateway (100) that receives the sensor data transmits an acknowledgment (ACK) message to the IoT node (200).

그리고, 게이트웨이(100)는 IoT 노드(200)로부터 종료 패킷(End of Packet)을 수신하면 확인 메시지를 회신하고 IoT 노드(200)와의 통신을 종료한다(S127, S129).And, when the gateway (100) receives an end of packet from the IoT node (200), it responds with a confirmation message and terminates communication with the IoT node (200) (S127, S129).

통신이 종료되면, 게이트웨이(100)는 다시 RTS 프레임을 수신하기 위한 빔 스캐닝을 실시하는 빔포밍 모드와 전방향 무지향성 수신을 하는 전방향 무지향 모드를 수행하는 과정으로 복귀한다(S107). When communication is terminated, the gateway (100) returns to the process of performing beamforming mode for performing beam scanning to receive RTS frames again and omnidirectional mode for performing omnidirectional reception (S107).

그리고, 통신이 종료되면, IoT 노드(200)는 슬리핑 모드로 진입한다(S131). And, when communication is terminated, the IoT node (200) enters sleeping mode (S131).

도 1에서 고밀도의 별도 추가 노드가 기존의 IoT 노드처럼 동작되는 시스템 구성과 동작되어, 충돌과 간섭을 최소화하여 곧바로 동작하는 플러그 앤드 플레이(P&P : Plug & Play) 동작이 이뤄지도록 시스템 동작과 운영을 보여주는 흐름도로서, 동작과 운영에 관한 상세한 설명은 다음과 같다.In Fig. 1, a high-density separate additional node operates like a conventional IoT node, and a system configuration and operation flow diagram showing the system operation and operation to minimize collisions and interference and achieve plug-and-play (P&P) operation that operates immediately. A detailed description of the operation and operation is as follows.

1단계, 안테나 조정과 통신시스템을 포함하는 게이트웨이(100)는 주기적으로 빔 스캐닝(Beam Scanning)을 실시한다. 이러한 빔 스캐닝은 IoT 노드(200) 등록을 위한 것이고, 게이트웨이(100)에 설치하여 저장된 빔포밍을 위한 코드북(Code Book)을 통하여 실시된다. IoT 노드(200)의 경우에는 주기적으로 파일럿 신호를 전송한다. 그러나 게이트웨이(100)처럼 빔포밍을 지원하지 않고 비컨(Beacon) 신호처럼 전방위적으로 파일럿 신호를 발산하게 된다. 게이트웨이(100)의 주기적인 빔 스캐닝과 IoT 노드(200)의 주기적인 파일럿 신호 전송을 함에 있어서, 노드 등록과 빔구역 배정 결정을 위하여 확인 메시지(ACK : acknowledgement)를 받을 때까지 계속 파일럿 신호를 전송한다.Step 1: The gateway (100) including the antenna adjustment and communication system periodically performs beam scanning. This beam scanning is for registering the IoT node (200) and is performed through a code book for beam forming installed and stored in the gateway (100). In the case of the IoT node (200), a pilot signal is periodically transmitted. However, unlike the gateway (100), it does not support beam forming and instead emits the pilot signal in all directions like a beacon signal. In performing the periodic beam scanning of the gateway (100) and the periodic pilot signal transmission of the IoT node (200), the pilot signal is continuously transmitted until an acknowledgment message (ACK: acknowledgment) is received for node registration and beam area allocation determination.

2단계, 안테나 조정과 통신시스템을 포함하는 게이트웨이(100)가 빔 스캐닝을 하면서 구역(cluster) 별로 IoT 노드(200)들의 파일럿 신호를 감지하면, 파일럿 신호에 담긴 IoT 노드(200)의 노드 식별 번호 정보를 검출하여 구역에 따라 IoT 노드(200)의 식별 번호 정보가 담긴 테이블을 생성 또는 갱신한다. 본 발명에서 1단계에서 2단계까지가 충돌과 간섭을 최소화하여 동작하도록 하는 IoT 노드(200) 등록 및 빔 배정 단계에 해당한다.Step 2: When a gateway (100) including an antenna adjustment and communication system performs beam scanning and detects pilot signals of IoT nodes (200) by zone (cluster), it detects node identification number information of the IoT node (200) contained in the pilot signal and creates or updates a table containing identification number information of the IoT node (200) according to the zone. In the present invention, steps 1 to 2 correspond to IoT node (200) registration and beam assignment steps that operate while minimizing collision and interference.

3단계, 안테나 조정과 통신시스템을 포함하는 게이트웨이(100)에 IoT 노드(200)들을 등록하는 절차가 완료되면, 게이트웨이(100)는 RTS(Request To Send) 프레임 수신을 위한 빔 스캐닝 또는 전방향 무지향성 수신을 스위칭하여 실시한다. 그리고 IoT 노드(200)는 보내야할 센서 데이터가 발생하기 전까지는 슬리핑 모드(Sleeping) 상태에 들어간다. 보내야할 센서 데이터가 발생했을 경우, IoT 노드(200)는 채널 센싱(Channel Sensing)을 수행한다. 채널 센싱을 수행한 결과 현재 채널이 타 기기에 의해 사용되는 중이라고 판단하면 IoT 노드(200)는 백오프(Back Off) 상태로 돌입한 후 백오프 타임만큼 기다리고 채널 센싱으로 복귀한다. 만약 채널을 사용할 수 있는 상태일 경우 RTS(Request To Send) 프레임을 전송 후 게이트웨이(100)로부터 CTS(Clear To Send) 프레임을 대기(waiting)한다. Step 3: When the procedure for registering IoT nodes (200) in the gateway (100) including antenna adjustment and communication system is completed, the gateway (100) switches beam scanning or omnidirectional reception for receiving RTS (Request To Send) frames. Then, the IoT node (200) enters a sleeping mode until sensor data to be sent is generated. When sensor data to be sent is generated, the IoT node (200) performs channel sensing. If the result of performing channel sensing determines that the current channel is being used by another device, the IoT node (200) enters a back off state, waits for the back off time, and then returns to channel sensing. If the channel is available, the gateway (100) transmits an RTS (Request To Send) frame and then waits for a CTS (Clear To Send) frame from the gateway (100).

4단계, 안테나 조정과 통신시스템을 포함하는 게이트웨이(100)는 RTS(Request To Send) 프레임 수신을 위한 빔 스캐닝 또는 전방향 무지향성 수신을 하면서 RTS(Request To Send) 프레임을 수신하지 못하면 계속해서 RTS(Request To Send) 프레임 수신을 위한 빔 스캐닝 또는 전방향 무지향성 수신을 수행한다. 만약 RTS(Request To Send) 프레임을 수신하면 RTS(Request To Send) 프레임의 IoT 노드(200) 식별번호와 일치하는 노드로 CTS(Clear To Send) 프레임을 빔포밍하여 전송한다. 이때 수행되는 빔포밍은 테이블에 등록된 IoT 노드(200)가 위치하는 구역(cluster)을 찾아 상기 구역에 해당하는 빔을 게이트웨이(100)에 설치하여 설정된 빔포밍 코드북(Code Book)을 통해 빔포밍한다.Step 4: The gateway (100) including the antenna adjustment and communication system performs beam scanning or omnidirectional reception for receiving an RTS (Request To Send) frame, and if the RTS (Request To Send) frame is not received, the gateway continues to perform beam scanning or omnidirectional reception for receiving an RTS (Request To Send) frame. If the RTS (Request To Send) frame is received, the gateway transmits the CTS (Clear To Send) frame by beamforming to a node matching the IoT node (200) identification number of the RTS (Request To Send) frame. The beamforming performed at this time finds a zone (cluster) where an IoT node (200) registered in the table is located, installs a beam corresponding to the zone in the gateway (100), and beamforms the beam using the set beamforming codebook (Code Book).

5단계, IoT 노드(200)는 자신의 노드 식별 번호와 일치하는 CTS(Clear To Send) 프레임 응답을 수신하였는지 확인한다. 만약 CTS(Clear To Send) 프레임을 수신받지 못하면 백오프 상태(Back off)에 돌입하게 된다. CTS(Clear To Send) 프레임을 수신하면 게이트웨이(100)와 CTS(Clear To Send) 프레임을 받은 IoT 노드(200) 간에 통신이 활성화되어 센서 데이터 전달이 이루어진다. 그 외의 CTS(Clear To Send) 프레임을 대기중인 IoT 노드(200)들은 CTS(Clear To Send) 프레임을 수신받지 못하였으므로 자동으로 백오프 상태가 된다. 백오프 타임(Back Off Time)이 지나면 IoT 노드(200)는 다시 채널 센싱 절차로 돌아간다.Step 5: The IoT node (200) checks whether it has received a CTS (Clear To Send) frame response that matches its node identification number. If it does not receive a CTS (Clear To Send) frame, it enters a back-off state. When the CTS (Clear To Send) frame is received, communication is activated between the gateway (100) and the IoT node (200) that received the CTS (Clear To Send) frame, and sensor data is transmitted. Other IoT nodes (200) waiting for the CTS (Clear To Send) frame automatically enter a back-off state because they have not received the CTS (Clear To Send) frame. When the back-off time passes, the IoT node (200) returns to the channel sensing procedure.

6단계, 안테나 조정과 통신시스템을 포함하는 게이트웨이(100)와 CTS(Clear To Send) 프레임을 받은 IoT 노드(200) 간에 센서 데이터 전달이 이루어지면 IoT 노드(200)에서는 통신을 종료하고 게이트웨이(100)로 마지막 종료 패킷(End Of Packet) 신호를 송신한다. 마지막 종료 패킷(End Of Packet) 신호를 받은 게이트웨이(100) 또한 통신을 종료하고 다시 RTS(Request To Send) 프레임 수신을 위한 빔 스캐닝 또는 전방향 무지향성 수신을 스위칭하여 실시하는 절차로 복귀한다. 또한 IoT 노드(200)는 통신이 종료되면 슬리핑 모드(Sleeping) 상태로 돌입한다. 본 발명에서 3단계에서 6단계 과정까지가 충돌과 간섭을 최소화하여 곧바로 동작하는 플러그 앤드 플레이 기능이 이루어지게 하는 IoT 센서 데이터 전송 단계에 해당한다.Step 6: When sensor data is transmitted between the gateway (100) including the antenna adjustment and communication system and the IoT node (200) that has received the CTS (Clear To Send) frame, the IoT node (200) terminates the communication and transmits the last end packet (End Of Packet) signal to the gateway (100). The gateway (100) that has received the last end packet (End Of Packet) signal also terminates the communication and returns to the procedure of switching beam scanning or omnidirectional reception for receiving the RTS (Request To Send) frame again. In addition, the IoT node (200) enters a sleeping mode when the communication is terminated. In the present invention, steps 3 to 6 correspond to the IoT sensor data transmission steps that minimize collisions and interference and enable a plug-and-play function that operates immediately.

도 2는 본 발명의 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서의 무선 통신 시스템에서 게이트웨이(100)와 IoT 노드(200)간 주고받는 신호의 프레임 구조를 도시한 것이다. FIG. 2 illustrates the frame structure of a signal exchanged between a gateway (100) and an IoT node (200) in a wireless communication system in a high-density IoT wireless sensor network of the present invention.

도 2는 본 발명의 빔 스캐닝(Beam Scanning)을 통한 빔 구역(Beam cluster) 별 빔 분할 기반의 네트워크에서 충돌과 간섭을 최소화하여 동작하는 IoT 노드(200)가 게이트웨이(100)로 전송하는 파일럿 신호, RTS(Request To Send) 프레임과, 게이트웨이(100)가 IoT 노드(200)로 전송하는 CTS(Clear To Send) 프레임 구조를 도시한 것이다. FIG. 2 illustrates the structure of a pilot signal, an RTS (Request To Send) frame transmitted by an IoT node (200) to a gateway (100) and a CTS (Clear To Send) frame transmitted by the gateway (100) to the IoT node (200) while operating in a network based on beam division by beam cluster through beam scanning of the present invention to minimize collisions and interference.

도 2는 본 발명의 빔 스캐닝(Beam Scanning)을 통한 빔 구역(Beam cluster)별 빔 분할 기반의 네트워크에 노드를 추가 설치하면 충돌과 간섭을 최소화하여 곧바로 동작하는 플러그 앤드 플레이(Plug & Play)가 이뤄지도록, IoT 노드(200)가 안테나 조정과 통신시스템을 포함하는 게이트웨이(100)로 전송하는 파일럿 신호, 노드인식 확인 메시지 신호, RTS(Request To Send) 프레임과, 게이트웨이(100)가 IoT 노드(200)로 전송하는 CTS(Clear To Send) 프레임의 구조를 보여준다. FIG. 2 shows the structure of a pilot signal, a node recognition confirmation message signal, an RTS (Request To Send) frame, and a CTS (Clear To Send) frame transmitted by the gateway (100) to the IoT node (200) to minimize collisions and interference and to enable plug and play immediately when additional nodes are installed in a network based on beam division by beam cluster through beam scanning of the present invention.

도 2를 참조하면, 파일럿 신호는 기본적으로 IoT 노드(200) ID 정보가 담겨있으며 IoT 노드(200)에서 게이트웨이(100)로 전달된다. 파일럿 신호 전송은, 노드 등록과 빔구역 배정이 결정을 위하여 계속적으로 파일럿 신호를 전송하여 간단한 확인메시지(ACK : acknowledgement)를 받을 때까지 전송한다. Referring to Fig. 2, the pilot signal basically contains IoT node (200) ID information and is transmitted from the IoT node (200) to the gateway (100). The pilot signal is transmitted continuously to determine node registration and beam zone assignment until a simple confirmation message (ACK: acknowledgment) is received.

RTS(Request To Send) 프레임은 IoT 노드(200) ID 정보를 헤더로, RTS(Request To Send) 요청 정보를 페이로드(Payload)로 가지며, IoT 노드(200)에서 게이트웨이(100)로 전달된다. The RTS (Request To Send) frame has IoT node (200) ID information as a header and RTS (Request To Send) request information as a payload, and is transmitted from the IoT node (200) to the gateway (100).

CTS(Clear To Send) 프레임은 IoT 노드(200) ID 정보를 헤더로, CTS(Clear To Send) 응답 정보를 페이로드로 가지며, 안테나 조정과 통신시스템을 포함하는 게이트웨이(100)에서 IoT 노드(200)로 전달된다.The CTS (Clear To Send) frame has IoT node (200) ID information as a header and CTS (Clear To Send) response information as a payload, and is transmitted from a gateway (100) including an antenna adjustment and communication system to the IoT node (200).

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서의 무선 통신 시스템에서 IoT 노드(200)가 실시하는 백오프 타임(Back Off Time) 재조정 알고리즘을 도시한 흐름도이다. 도 3은 IoT 노드(200)가 실시하는 백오프 타임 재조정 알고리즘의 흐름도를 보여준다.FIG. 3 is a flowchart illustrating a backoff time readjustment algorithm implemented by an IoT node (200) in a wireless communication system in a high-density IoT wireless sensor network according to one embodiment of the present invention. FIG. 3 shows a flowchart of a backoff time readjustment algorithm implemented by an IoT node (200).

도 3을 참조하면, 먼저, IoT 노드(200)는 채널 센싱(Channel Sensing)을 수행하여 채널이 사용되는 중인지 파악한다(S301). 기본적으로 백오프 타임 조정 파라미터는 2가지로 시간 길이 조정과 임의의 랜덤 넘버 조정으로 백오프 타임을 조정한다. 즉, 기본 타임 슬롯과 기본 랜덤 넘버의 가짓수라는 2가지 백오프 타임 조정 파라미터를 초기값으로 가질 수 있다. Referring to FIG. 3, first, the IoT node (200) performs channel sensing to determine whether the channel is in use (S301). Basically, there are two backoff time adjustment parameters: time length adjustment and random number adjustment. In other words, two backoff time adjustment parameters, namely the default time slot and the number of default random numbers, can be set as initial values.

IoT 노드(200)가 채널 센싱(Channel Sensing)을 수행하여 다른 IoT 노드(200)에 의해 채널이 사용되는 중인지 확인할 수 있고(S303), 다른 IoT 노드(200)에 의해 채널이 사용되지 않은 상태이면 타임 슬롯을 감소하고 랜덤 넘버의 가짓수를 감소시킨다(S307). 그리고, 다른 노드에 의해 채널이 사용되고 있는 상태이면 타임 슬롯을 증가하고 랜덤 넘버의 가짓수를 증가시킨다(S305).An IoT node (200) can perform channel sensing to determine whether the channel is being used by another IoT node (200) (S303), and if the channel is not being used by another IoT node (200), it decreases the time slot and reduces the number of random numbers (S307). Then, if the channel is being used by another node, it increases the time slot and increases the number of random numbers (S305).

이렇게 변경된 타임 슬롯과 랜덤 넘버의 가짓수를 곱하여 달라진 새 백오프 타임을 얻을 수 있고, 채널 상황에 따라 백오프 타임만큼 백오프할 수 있게 된다(S309). 구체적으로, 채널 상황에 따라서 채널 센싱의 결과, 자주 채널이 비지(busy)하면 백오프 타임을 늘리고, 채널이 비워져(idle)있어서 쉽게 통신 가능하면 백오프 타임을 짧게 할 수 있다. 즉, 채널 센싱의 결과로 증가하거나 감소된 타임 슬롯과 랜덤 넘버의 가짓수를 곱하여 변화된 백오프 타임을 얻을 수 있다. 이러한 방식으로 재조정되는 백오프 타임은 IoT 노드(200)가 백오프할 때에 사용된다.By multiplying the changed time slot by the number of random numbers, a new backoff time can be obtained, and backoff can be performed by the backoff time depending on the channel conditions (S309). Specifically, depending on the channel conditions, if the channel is frequently busy as a result of channel sensing, the backoff time can be increased, and if the channel is idle and communication is easy, the backoff time can be shortened. In other words, a changed backoff time can be obtained by multiplying the increased or decreased time slot as a result of channel sensing by the number of random numbers. The backoff time readjusted in this way is used when the IoT node (200) backs off.

예를 들면, 타임 슬롯의 초기값이 1ms이고, 랜덤 넘버 가짓수의 초기값이 9가지라고 가정할 때, 타임 슬롯은 0.5ms, 5ms, 10ms 등으로 감소하거나 증가시킬 수 있고, 랜덤 넘버의 가짓수를 5가지, 20가지, 100가지 등으로 감소하거나 증가시킬 수 있다. 만약 타임 슬롯이 증가하여 10ms가 되었고, 랜덤 넘버의 가짓수 또한 증가하여 100가지가 되었다면 IoT 노드는 타임 슬롯 10ms와 랜덤 넘버의 가짓수 100을 곱한 1s=1초만큼의 백오프 타임을 갖는다.For example, assuming that the initial value of the time slot is 1ms and the initial value of the number of random numbers is 9, the time slot can be decreased or increased to 0.5ms, 5ms, 10ms, etc., and the number of random numbers can be decreased or increased to 5, 20, 100, etc. If the time slot is increased to 10ms and the number of random numbers is also increased to 100, the IoT node has a backoff time of 1s = 1 second, which is the product of the time slot 10ms and the number of random numbers 100.

본 발명의 일 실시예에서 IoT 노드가 백오프 타임을 재조정하는 방식에 있어서, 시간 길이 조정과 임의의 랜덤 넘버 조정으로 백오프 타임을 조정할 수 있다. 즉 기본 타임 슬롯과 기본 랜덤 넘버의 가짓수라는 2가지 백오프 타임 조정 파라미터를 초기값으로 가질 수 있고, IoT 노드가 채널 센싱(Channel Sensing)을 수행하고 다른 IoT 노드에 의해 채널이 사용되는 중인지 확인할 수 있고, 다른 IoT 노드에 의해 채널이 사용되지 않았다면 타임 슬롯을 감소 및 랜덤 넘버의 가짓수를 감소시킬 수 있고, IoT 노드에 의해 채널이 사용되고 있다면 타임 슬롯을 증가 및 랜덤 넘버의 가짓수를 증가시킬 수 있다. 그리고, 타임 슬롯과 랜덤 넘버의 가짓수를 곱하여 달라진 새 백오프 타임을 얻을 수 있다. 즉, 채널 상황에 따라서 채널 센싱의 결과, 채널이 자주 비지(busy)하면 백오프 타임을 늘리고, 채널이 비워져(idle) 있어서 쉽게 통신 가능하면 백오프 타임을 짧게 할 수 있다. In one embodiment of the present invention, in a method for an IoT node to readjust a backoff time, the backoff time can be adjusted by adjusting the time length and adjusting an arbitrary random number. That is, two backoff time adjustment parameters, namely, a default time slot and a number of default random numbers, can be set as initial values, and the IoT node can perform channel sensing and determine whether the channel is being used by another IoT node. If the channel is not being used by another IoT node, the time slot and the number of random numbers can be decreased, and if the channel is being used by an IoT node, the time slot and the number of random numbers can be increased. In addition, a new backoff time can be obtained by multiplying the time slot and the number of random numbers. That is, depending on the channel situation, if the channel is frequently busy as a result of channel sensing, the backoff time can be increased, and if the channel is idle and communication is easy, the backoff time can be shortened.

본 발명의 일 실시예에서 게이트웨이가 수행하는 주기적으로 노드 등록과 빔 배정을 위한 빔 스캐닝(Beam Scanning)을 수행하는 것과, IoT 노드가 주기적으로 파일럿 신호를 전송하는 것에 있어서, 동기식 또는 비동기식으로 타이밍 또는 주기를 맞출 수 있다. In one embodiment of the present invention, the gateway performs periodic node registration and beam scanning for beam assignment, and the IoT node periodically transmits a pilot signal, and the timing or cycle can be adjusted synchronously or asynchronously.

도 4는 본 발명의 빔 스캐닝(Beam Scanning)을 통한 빔 구역(Beam cluster)별 빔 분할 기반의 네트워크에서 게이트웨이가 수행하는 빔 스캐닝을 예시한 것이다. FIG. 4 illustrates beam scanning performed by a gateway in a network based on beam division by beam cluster through beam scanning of the present invention.

도 4는 본 발명의 빔 스캐닝(Beam Scanning)을 통한 빔 구역(Beam cluster)별 빔 분할 기반의 네트워크에서 안테나 조정과 통신시스템을 포함하는 게이트웨이가 수행하는 빔 스캐닝의 실시예을 보여준다. 본 발명에서 빔 스캐닝은 미리 설정된 빔포밍 코드를 통해 이루어진다. 구체적으로는, 게이트웨이에 저장되어 있는 빔포밍 코드북(Code Book)에 설정된 빔포밍 파라미터 또는 빔포밍 코드를 사용하여 시간에 따라 일정 각도씩 회전한 빔을 형성하는 방식으로 빔 스캐닝을 구현한다.FIG. 4 illustrates an embodiment of beam scanning performed by a gateway including an antenna adjustment and a communication system in a network based on beam division by beam cluster through beam scanning of the present invention. In the present invention, beam scanning is performed through a preset beamforming code. Specifically, beam scanning is implemented by forming a beam that rotates by a certain angle over time using beamforming parameters or beamforming codes set in a beamforming codebook stored in the gateway.

도 4의 (a)는 게이트웨이가 빔포밍 코드북을 통해 빔포밍한 실시예를 보여준다. 도 4의 (b)는 게이트웨이가 빔포밍 코드북을 통해 시간에 따라 일정각도만큼 회전하여 빔포밍을 시행하는 실시예를 보여준다. 도 4의 (c)는 시간에 따라 일정 각도만큼 회전하는 빔포밍을 통해 빔 스캐닝을 구현한 실시예를 보여준다. Figure 4 (a) shows an embodiment in which a gateway performs beamforming using a beamforming codebook. Figure 4 (b) shows an embodiment in which a gateway performs beamforming by rotating a certain angle over time using a beamforming codebook. Figure 4 (c) shows an embodiment in which beam scanning is implemented using beamforming that rotates a certain angle over time.

도 4에서 보는 바와 같이, 기존의 IoT 무선 센서 네트워크에서는 게이트웨이가 전방위적으로 IoT 노드의 신호를 수신하였으나, 본 발명의 게이트웨이에서는 빔 스캐닝을 통해 빔 구역(Beam cluster)별 빔 분할이 가능해져서 네트워크의 연결성을 향상시킬 수 있다.As shown in Fig. 4, in a conventional IoT wireless sensor network, the gateway receives signals from IoT nodes in all directions, but in the gateway of the present invention, beam scanning enables beam division by beam cluster, thereby improving the connectivity of the network.

본 발명의 일 실시예에서 게이트웨이가 수행하는 빔 스캐닝에 대하여, 다수의 빔포밍 안테나 어레이 배열에 따라 나뉘어질 수 있는 각도들을 사용하여, 각각의 빔포밍 안테나의 분할된 각도별로 빔 스캐닝 담당 구역을 가질 수 있다. In one embodiment of the present invention, for beam scanning performed by a gateway, angles that can be divided according to the arrangement of a plurality of beamforming antenna arrays can be used, and a beam scanning area can be provided for each divided angle of each beamforming antenna.

도 5는 본 발명의 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서의 무선통신 시스템에서 IoT 노드와 게이트웨이의 신호 전송을 예시한 것이다. FIG. 5 illustrates signal transmission between an IoT node and a gateway in a wireless communication system in a high-density IoT wireless sensor network of the present invention.

도 5에서 (a) IoT 노드가 파일럿 신호를 전송하는 실시예, (b) 안테나 조정과 통신시스템을 포함하는 게이트웨이와 3개의 IoT 노드가 위치하고, 3개의 IoT 노드가 파일럿 신호를 전송하고 있는 것을 보여주는 실시예가 도시되어 있다. In Fig. 5, (a) an embodiment in which an IoT node transmits a pilot signal, and (b) an embodiment in which a gateway including an antenna adjustment and communication system and three IoT nodes are located and the three IoT nodes are transmitting a pilot signal are illustrated.

도 5의 (a)는 IoT 노드가 파일럿 신호를 전송하는 실시예를 보여준다. IoT 노드는 신호를 빔포밍하지 않고 비컨(beacon)처럼 전방위적으로 파일럿 신호를 발산할 수 있다. IoT 노드는 노드 등록과 빔구역 배정 결정을 위하여 계속적으로 파일럿 신호를 전송하되, 게이트웨이로부터 간단한 확인메시지(ACK : acknowledgement)를 받을 때까지 파일럿 신호를 전송한다.Figure 5 (a) illustrates an embodiment in which an IoT node transmits a pilot signal. The IoT node can emit the pilot signal in all directions, like a beacon, without beamforming the signal. The IoT node continuously transmits the pilot signal for node registration and beam zone assignment determination, and transmits the pilot signal until it receives a simple acknowledgment message (ACK) from the gateway.

도 5의 (b)는 게이트웨이와 3개의 IoT 노드가 위치하고, 3개의 IoT 노드가 파일럿 신호를 전송하고 있는 것을 보여주는 실시예이다. 여기서, 게이트웨이는 주변의 IoT 노드들이 전방위적으로 발산하는 파일럿 신호를 빔에 따라 정확하게 수신하기 위하여 빔 스캐닝을 실시한다.Figure 5 (b) illustrates an embodiment in which a gateway and three IoT nodes are positioned, and the three IoT nodes are transmitting pilot signals. Here, the gateway performs beam scanning to accurately receive the pilot signals emitted in all directions by surrounding IoT nodes along a beam.

도 6은 본 발명에서 게이트웨이가 노드들을 배정하고 테이블 형태로 저장하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다. Figure 6 is an exemplary diagram for explaining the process of assigning nodes and storing them in a table format by a gateway in the present invention.

도 6은 게이트웨이가 빔 스캐닝으로 IoT 노드의 파일럿 신호를 빔에 따라 수신하고, 중복 수신된 노드들의 수신 신호 강도에 따라 노드들을 배정하고 테이블 형태로 저장하는 실시예를 도시한 것이다.Figure 6 illustrates an embodiment in which a gateway receives pilot signals of IoT nodes along a beam using beam scanning, assigns nodes according to the strength of received signals from nodes that have received duplicate signals, and stores the signals in a table format.

도 6은 게이트웨이가 빔 스캐닝을 통해 주변에 위치한 IoT 노드의 파일럿 신호를 빔에 따라 수신하고, 파악한 노드 정보와 중복 수신된 노드들의 수신 신호 강도에 따라 노드들을 배정하고 테이블 형태로 저장하는 실시예를 보여준다. Figure 6 shows an embodiment in which a gateway receives pilot signals of IoT nodes located in the vicinity along a beam through beam scanning, assigns nodes according to the identified node information and the reception signal strength of nodes that have received duplicate signals, and stores the information in a table format.

도 6의 실시예에서, 테이블에서 빔 O와 빔 P에 노드 1045, 빔 S, 빔 T, 빔 U에 노드 1897, 빔 A와 빔 X에 노드 0723이 저장된다. 이 테이블을 통해 게이트웨이는 빔 구역(Beam cluster) 별 빔 할당을 실시할 수 있다. 그러나, 여기서 2개 이상의 빔에 노드 1045와 노드 1897, 노드 0723이 저장되어 있다. 이러한 중복 문제는 게이트웨이가 IoT 노드로 CTS 프레임 등을 전송할 때 어떠한 빔을 전송해야 할지 모른다는 문제가 발생한다. In the embodiment of FIG. 6, node 1045 is stored in beam O and beam P, node 1897 is stored in beam S, beam T, and beam U, and node 0723 is stored in beam A and beam X in the table. Through this table, the gateway can perform beam allocation by beam cluster. However, here, node 1045, node 1897, and node 0723 are stored in two or more beams. This duplication problem causes a problem in that the gateway does not know which beam to transmit when transmitting a CTS frame, etc. to an IoT node.

이러한 빔에 따른 노드의 중복 문제를 해결하기 위하여 우선 순위(priority)를 매기는 것이 필요하다. 우선 순위를 매기는 기준은 수신한 신호의 강도이며, 빔이 수신하는 IoT 노드의 신호의 강도가 강할수록 해당 IoT 노드에 대한 빔의 우선 순위가 높아진다. To address the issue of node overlap along these beams, prioritization is necessary. Prioritization is determined by the strength of the received signal. The stronger the signal strength of the IoT node receiving the beam, the higher the beam priority for that IoT node.

도 6의 실시예에서 빔 O와 빔 P 중에서 노드 1045에 대해서는 빔 O가 수신한 신호 강도가 가장 높으므로 빔 O가 노드 1045에 대하여 우선 순위 1순위를 갖는다. In the embodiment of Fig. 6, among beams O and P, beam O has the highest signal strength received by node 1045, so beam O has the first priority with respect to node 1045.

빔 S와 빔 T , 빔 U 중에서 노드 1897에 대해서는 빔 T가 수신한 신호 강도가 가장 높으므로 빔 T가 노드 1897에 대하여 우선 순위 1순위를 갖고, 그 다음으로 높은 신호 강도를 나타내는 빔 U가 노드 1897에 대하여 우선 순위 2순위를 갖고, 빔 S가 우선 순위 3 순위를 갖는다. Among beams S, T, and U, beam T has the highest signal strength received by node 1897, so beam T has priority 1 for node 1897, beam U, which has the next highest signal strength, has priority 2 for node 1897, and beam S has priority 3.

빔 A와 빔 X 중에서 노드 0723에 대해서는 빔 A가 수신한 신호 강도가 가장 높으므로 빔 A가 노드 0723에 대하여 우선 순위 1순위를 갖는다.Among beams A and X, beam A has the highest signal strength received by node 0723, so beam A has the highest priority for node 0723.

따라서 노드 0723에는 최종으로 빔 A가 배정되고, 노드 1045에는 최종으로 빔 O가 배정되고, 노드 1897에는 빔 T가 배정되어, 게이트웨이와 노드들 간의 통신이 이루어질 때, 배정된 빔을 통해 통신이 이루어진다.Therefore, beam A is finally assigned to node 0723, beam O is finally assigned to node 1045, and beam T is assigned to node 1897, so that when communication occurs between the gateway and the nodes, communication occurs through the assigned beams.

도 7은 게이트웨이에 주변 IoT 노드 등록 절차가 끝난 후, 게이트웨이와 노드 A, 노드 B, 노드 C 간 네트워크에서 정보가 전송되는 실시예 1을 도시한 것이다. Figure 7 illustrates Embodiment 1 in which information is transmitted in a network between a gateway and node A, node B, and node C after the registration procedure of surrounding IoT nodes in the gateway is completed.

도 7의 실시예 1에서는 게이트웨이와 통신 활성(Active)된 노드 B 간 센서 데이터 전송이 이루어지고 있으며, 노드 A와 노드 C는 전송할 센서 데이터가 있어서 각각 채널 센싱(Channel Sensing) 상태에 있다.In Example 1 of Fig. 7, sensor data is transmitted between the gateway and the active node B, and nodes A and C have sensor data to transmit, so they are each in a channel sensing state.

도 8은 게이트웨이에 주변 IoT 노드 등록 절차가 끝난 후, 게이트웨이와 노드 A, 노드 B, 노드 C 간 네트워크에서 정보가 전송되는 실시예 2를 도시한 것이다. Figure 8 illustrates Embodiment 2 in which information is transmitted in a network between a gateway and node A, node B, and node C after the registration procedure of surrounding IoT nodes in the gateway is completed.

도 8의 실시예 2에서, 게이트웨이와 노드 B간에 센서 데이터 전송이 끝난 후 노드 B는 슬리핑 모드(Sleeping) 상태가 될 수 있다. 따라서 채널이 사용되고 있지 않은 상태이기 때문에, 채널 센싱을 수행하던 노드 A, 노드 C는 RTS(Request To Send) 프레임을 전송하고, CTS(Clear To Send) 프레임 응답을 대기하는 상태(waiting)가 된다.In Example 2 of FIG. 8, after the sensor data transmission between the gateway and Node B is completed, Node B may enter a sleeping mode. Accordingly, since the channel is not in use, Node A and Node C, which were performing channel sensing, transmit an RTS (Request To Send) frame and enter a waiting state for a CTS (Clear To Send) frame response.

도 9는 게이트웨이에 주변 IoT 노드 등록 절차가 끝난 후, 게이트웨이와 노드 A, 노드 B, 노드 C 간 네트워크에서 정보가 전송되는 실시예 3을 도시한 것이다. Figure 9 illustrates Example 3 in which information is transmitted in a network between a gateway and node A, node B, and node C after the registration procedure of surrounding IoT nodes in the gateway is completed.

도 9의 실시예 3에서, 노드 A와 노드 C가 전송한 RTS(Request To Send) 프레임 중, 게이트웨이는 시계 반대 방향의 빔 스캐닝에 의하여 노드 C의 RTS(Request To Send) 프레임에 대하여 CTS(Clear To Send) 프레임 응답을 할 수 있다. 이 때, 노드 C는 CTS(Clear To Send) 프레임 응답을 받은 상태(CTS(Clear To Send) received) 상태이나, 노드 A는 여전히 CTS(Clear To Send) 프레임 응답을 대기하는 상태(waiting)일 수 있다. 기존의 IoT 센서 네트워크에서는 노드 A와 같은 히든(hidden) 노드를 해결하기 위하여 추가적인 장치구성이나 절차가 필요했으나, 본 발명에서는 데이터센터에 위치하는 게이트웨이가 구역별로 빔 분할을 실시하고, 구역에 속한 IoT 노드들은 구역 내에서 캐리어 센싱(carrier sensing), 즉 채널 센싱과 적절한 백오프 타임을 조정하여 사용함으로써, 히든(hidden) 노드에 의한 신호 충돌 문제를 해결할 수 있다.In Example 3 of FIG. 9, among the RTS (Request To Send) frames transmitted by Node A and Node C, the gateway can respond with a CTS (Clear To Send) frame to the RTS (Request To Send) frame of Node C by means of counterclockwise beam scanning. At this time, Node C is in a state of receiving a CTS (Clear To Send) frame response (CTS (Clear To Send) received), but Node A may still be in a state of waiting for a CTS (Clear To Send) frame response. In a conventional IoT sensor network, additional device configuration or procedure was required to resolve a hidden node such as Node A, but in the present invention, a gateway located in a data center performs beam division by zone, and IoT nodes belonging to a zone adjust carrier sensing, i.e. channel sensing, and an appropriate backoff time within the zone to use it, thereby resolving the signal collision problem caused by a hidden node.

도 10은 게이트웨이에 주변 IoT 노드 등록 절차가 끝난 후, 게이트웨이와 노드 A, 노드 B, 노드 C 간 네트워크에서 정보가 전송되는 실시예 4를 도시한 것이다. Figure 10 illustrates Example 4 in which information is transmitted in a network between a gateway and node A, node B, and node C after the registration procedure of surrounding IoT nodes in the gateway is completed.

도 10의 실시예 4에서, 노드 C가 CTS(Clear To Send) 프레임을 받아 게이트웨이와 노드 C 간의 통신이 수행된다. 노드 A는 CTS(Clear To Send) 프레임 응답을 받지 못했기 때문에 일정 시간이 지난 후 백오프(Back Off) 상태로 돌입하게 된다. 도 8의 노드 A와 빔 스캐닝이 엇갈려 노드 A가 계속해서 백오프 상태로 돌입하고 센서 데이터 전달이 원활하게 이루어지지 않을 수도 있다. 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 게이트웨이가 RTS(Request To Send) 프레임 수신을 위해 빔 스캐닝과 전방향 무지향성 수신을 스위칭하여 실시한다.In Example 4 of Fig. 10, node C receives a CTS (Clear To Send) frame and communication is performed between the gateway and node C. Since node A does not receive a CTS (Clear To Send) frame response, it enters a back-off state after a certain period of time. If the beam scanning is staggered with that of node A of Fig. 8, node A may continue to enter a back-off state and sensor data transmission may not be performed smoothly. To solve this, in the present invention, the gateway switches between beam scanning and omnidirectional reception to receive an RTS (Request To Send) frame.

도 11은 게이트웨이에 주변 IoT 노드 등록 절차가 끝난 후, 게이트웨이와 노드 A, 노드 B, 노드 C 간 네트워크에서 정보가 전송되는 실시예 5를 도시한 것이다. Figure 11 illustrates Example 5 in which information is transmitted in a network between a gateway and node A, node B, and node C after the registration procedure of surrounding IoT nodes in the gateway is completed.

도 11의 실시예 5에서, 게이트웨이와 노드 C 간의 센서 데이터 전송이 끝나고 노드 C는 슬리핑 모드(Sleeping) 상태가 될 수 있다. 백오프 타임 기간만큼 백오프 상태를 가진 노드 A는 다시 채널 센싱 절차로 돌아갈 수 있다. 이 때, 채널은 사용되고 있지 않는 상태이므로 노드 A는 RTS(Request To Send) 프레임을 전송하고 CTS(Clear To Send) 프레임 응답을 대기하는 상태가 될 수 있다.In Example 5 of Fig. 11, after the sensor data transmission between the gateway and Node C is completed, Node C may enter a sleeping mode. Node A, which has been in a backoff state for the duration of the backoff time, may return to the channel sensing procedure. At this time, since the channel is not in use, Node A may transmit an RTS (Request To Send) frame and wait for a CTS (Clear To Send) frame response.

도 12는 게이트웨이에 주변 IoT 노드 등록 절차가 끝난 후, 게이트웨이와 노드 A, 노드 B, 노드 C 간 네트워크에서 정보가 전송되는 실시예 6을 도시한 것이다. Figure 12 illustrates Example 6 in which information is transmitted in a network between a gateway and node A, node B, and node C after the registration procedure of surrounding IoT nodes in the gateway is completed.

도 12의 실시예 6에서, 게이트웨이는 반시계 방향으로 빔 스캐닝을 수행하다가 노드 A의 RTS(Request To Send) 프레임을 수신하고 CTS(Clear To Send) 프레임을 노드 A로 빔포밍하여 전송한다. 그러면, 노드 A는 게이트웨이로부터 CTS(Clear To Send) 프레임을 받은 상태가 된다.In Example 6 of Fig. 12, the gateway performs beam scanning in a counterclockwise direction, receives an RTS (Request To Send) frame from node A, and transmits a CTS (Clear To Send) frame to node A by beamforming. Then, node A is in a state of receiving a CTS (Clear To Send) frame from the gateway.

도 13은 게이트웨이에 주변 IoT 노드 등록 절차가 끝난 후, 게이트웨이와 노드 A, 노드 B, 노드 C 간 네트워크에서 정보가 전송되는 실시예 7을 도시한 것이다. Figure 13 illustrates Example 7 in which information is transmitted in a network between a gateway and node A, node B, and node C after the registration procedure of surrounding IoT nodes in the gateway is completed.

도 13의 실시예 7에서, 노드 A는 게이트웨이로부터 CTS(Clear To Send) 프레임 응답을 받았기 때문에, 게이트웨이와 노드 A 간의 통신이 활성화될 수 있다. 이에 따라 노드 A는 활성 상태(Active)가 되어 게이트웨이와 노드 A간의 센서 데이터 전송이 이루어진다.In Example 7 of Fig. 13, since Node A has received a CTS (Clear To Send) frame response from the gateway, communication between the gateway and Node A can be activated. Accordingly, Node A becomes active, and sensor data transmission between the gateway and Node A takes place.

본 발명의 일 실시예에서 기존의 전방향 무지향 안테나를 사용하는 게이트웨이를 운영하는 무선 IoT 센서 네트워크의 게이트웨이에, 본 발명의 노드 등록과 배정을 위한 빔스캐닝 기능과 빔 클러스터 배정의 빔포밍 안테나를 추가로 설치하여, 이 2가지 안테나의 동작과 운영을 조정 처리는 구성을 포함하고, 이 2가지 안테나 방식의 시스템을 구성하여 번갈아 스위칭하여 교번적으로 동작시키든지, 동시에 동작시켜서 충돌과 간섭을 해소시키는 구성을 제안할 수 있다. In one embodiment of the present invention, a gateway of a wireless IoT sensor network that operates a gateway using an existing omnidirectional antenna is additionally installed with a beam forming antenna for beam cluster assignment and a beam scanning function for node registration and assignment of the present invention, thereby including a configuration for coordinating the operation and management of these two antennas, and a configuration can be proposed in which a system of these two antenna methods is configured to operate alternately by switching them alternately or operating them simultaneously to eliminate collision and interference.

본 발명의 일 실시예에서 IoT 노드 등록과 배정을 위한 빔스캐닝 기능과 빔 클러스터 배정의 빔포밍 안테나를 구성함에 있어서, 빔스캐닝의 구역 가짓수를 빔포밍 모드(mode) 분해능에 따라 나눔에 있어, 빔클러스터 구역 개수를 최초에는 나누지 않는 전방향 무지향 1구역에서, IoT 센서 노드의 개수에 따라서 점차 2구역, 4구역, 8구역, 16구역, 32구역,.. 등으로 2차원 및 3차원 공간상에서 세세하게 나누되, 구역 노드 개수와 백오프 타임 재조정 등을 통해서 전체 시스템 최적화를 전송품질(QoS : quality of service), 패킷 성공률, 충돌 해소율, 정보 전송률(Data Throughput)등등을 고려하여 데이터센터(10)에서 평가하여, 게이트웨이의 동작 운영 모드를 결정할 수 있다. In one embodiment of the present invention, in configuring a beam forming antenna for beam scanning function and beam cluster assignment for IoT node registration and assignment, the number of beam scanning zones is divided according to the beam forming mode resolution, and the number of beam cluster zones is initially not divided from omnidirectional 1 zone, and is gradually divided into 2 zones, 4 zones, 8 zones, 16 zones, 32 zones, etc. in two-dimensional and three-dimensional space according to the number of IoT sensor nodes, and the overall system optimization is evaluated in a data center (10) by considering transmission quality (QoS: quality of service), packet success rate, collision resolution rate, information transmission rate (Data Throughput), etc. through readjustment of the number of zone nodes and backoff time, and the operation mode of the gateway can be determined.

본 발명의 일 실시예에서 IoT 노드 등록과 배정을 위한 빔스캐닝 기능과 빔 클러스터를 배정함에 있어서, 하나의 IoT 센서 노드가 이웃하는 인접 빔구역으로 복수로 수신되는 노드인 경우, 게이트웨이에 수신된 노드 신호의 수신신호 강도(RSS : received signal strength)를 비교하여 큰 RSS가 수신된 빔구역으로 해당 IoT 노드를 배정할 수 있다. 이러한 배정은 노드들의 재설치, 노드들의 이동성, 노드 배터리 문제 등이 발생하게 되므로 항시 실시간 센싱하여 데이터 센터(10)에 전송해야 할 데이터 전송에 문제가 없도록, 일정 주기간격으로 다시 조사하여 재배정할 수 있다. In one embodiment of the present invention, in assigning a beam scanning function and a beam cluster for registering and assigning IoT nodes, if one IoT sensor node is a node that receives multiple neighboring beam zones, the received signal strength (RSS: received signal strength) of the node signal received by the gateway can be compared and the IoT node can be assigned to the beam zone where a large RSS is received. Since such assignment may cause reinstallation of nodes, mobility of nodes, node battery problems, etc., the data that must be transmitted to the data center (10) through real-time sensing can be re-examined and re-assigned at regular intervals so that there is no problem in transmitting the data.

본 발명의 일 실시예에서 센서 데이터 전송 단계에서, 게이트웨이가 수신한 IoT 노드의 센서 데이터 수신 신호 강도(RSS : received signal strength)의 크기를 바탕으로 전송 거리를 추정할 수 있다. 즉, 수신 신호 강도(RSS)가 크면 가까이에 있고, 작으면 멀리 있는 것으로 판단하고, 이에 비례하여 게이트웨이의 전송신호크기를 조절하여 전송함으로써, 다른 노드, 다른 주변 시스템에 간섭과 충돌을 최소화할 수 있다. 그리고, IoT 노드는 게이트웨이가 전송한 신호의 수신 신호 강도(RSS)를 체크하여 게이트웨이에 가까이 있을 때는 송신전력을 낮추고, 멀리 있으며 송신전력을 크게 조정하여, 통신품질을 유지하면서 배터리 전력을 절약할 수 있다. In one embodiment of the present invention, in the sensor data transmission step, the transmission distance can be estimated based on the size of the received signal strength (RSS) of the sensor data of the IoT node received by the gateway. That is, if the received signal strength (RSS) is large, it is determined that the node is close, and if it is small, it is determined that the node is far away. By adjusting the transmission signal size of the gateway in proportion to this and transmitting it, interference and collisions with other nodes and other surrounding systems can be minimized. In addition, the IoT node can check the received signal strength (RSS) of the signal transmitted by the gateway, and lower the transmission power when it is close to the gateway, and adjust the transmission power to be large when it is far away, thereby saving battery power while maintaining communication quality.

본 발명의 일 실시예에서 게이트웨이의 빔포밍 모드 동작을 2차원 및 3차원 공간상에서 구역별로 나누어, 다중 빔구역 동시 지원 시스템으로 구성하여 다중 노드(multi-node) 동시 통신 시스템을 구성하고 처리할 수 있고, 이와 관련하여 2차원 및 3차원 공간 상에서 나뉘어진 빔구역을 동시에 2구역, 4구역, 8구역 등에 병렬로 동시에 본 발명에서 제안하는 시스템과 방법을 적용할 수 있고, 이러한 구성으로 다중 노드(multi-node) 동시 통신 시스템을 구성하여 더욱 많은 노드 통신을 동시 지원하고, 통신 용량을 증대하는 특성의 다중 노드(multi-node) 동시 통신 시스템 구성과 방법을 구현할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a multi-node simultaneous communication system can be configured and processed by dividing the beamforming mode operation of a gateway into zones in two-dimensional and three-dimensional space and configuring a multi-beam zone simultaneous support system, and in relation to this, the beam zones divided in two-dimensional and three-dimensional space can be simultaneously applied in parallel to two zones, four zones, eight zones, etc., and a multi-node simultaneous communication system can be configured with this configuration to support more node communications simultaneously and implement a multi-node simultaneous communication system configuration and method having the characteristic of increasing communication capacity.

본 발명의 일 실시예에서 다중 노드(multi-node) 동시 통신 시스템을 구성하여 더욱 많은 노드 통신을 동시 지원하고 통신 용량을 증대하는 시스템 구성과 동작이 이뤄지는 특성의 다중 노드(multi-node) 동시 통신 시스템의 구성과 동작으로, 초고밀도 IoT 센서 노드 네트워크 상황에서 항시 실시간 센싱하여 데이터 센터(10)에 전송해야 할 데이터 전송에 문제가 없는 시스템으로 구현할 수 있다. In one embodiment of the present invention, a multi-node simultaneous communication system is configured and operated to support more node communications simultaneously and increase communication capacity, thereby enabling the system to be implemented as a system that has no problem transmitting data that must be sensed in real time and transmitted to a data center (10) in an ultra-high density IoT sensor node network situation.

본 발명은 기존의 전방향 무지향 안테나를 사용하는 게이트웨이를 운영하는 무선 IoT 센서 네트워크의 게이트웨이에, 노드 등록과 배정을 위한 빔스캐닝 기능과 빔 클러스터 배정의 빔포밍 안테나를 추가로 설치하고, 이 2가지 안테나의 동작과 운영을 조정 처리는 장치 구성과 단계를 포함하여, 이 2가지 안테나 방식의 시스템을 구성하여 번갈아 스위칭하여 교번적으로 동작시키든지, 동시에 동작시켜서 충돌과 간섭을 해소시키는 시스템 구성과 동작 방법으로 구현할 수 있다. The present invention can be implemented as a system configuration and operating method that configures a system of these two antenna methods by alternately switching them to operate them alternately or simultaneously to eliminate collisions and interference by additionally installing a beam forming antenna for beam scanning function for node registration and assignment and a beam cluster assignment antenna for beam cluster assignment in a gateway of a wireless IoT sensor network that operates a gateway using an existing omnidirectional antenna, and including a device configuration and steps for coordinating the operation and operation of these two antennas.

본 발명의 노드 등록과 배정을 위한 빔스캐닝 기능과 빔 클러스터 배정의 빔포밍 안테나를 구성함에 있어서, 빔스캐닝의 구역 가짓수를 빔포밍 모드(mode) 분해능에 따라 나눔에 있어, 빔클러스터 구역 개수를 최초에는 나누지 않는 전방향 무지향 1구역에서, IoT 노드의 개수에 따라서 점차 2구역, 4구역, 8구역, 16구역, 32구역,.. 등으로 2차원 및 3차원 공간상에서 세세하게 나누되, 구역 노드 개수와 백오프 타임 재조정 등을 통해서 전체 시스템 최적화를 전송품질(QoS : quality of service), 패킷 성공률, 충돌 해소율, 정보 전송률(Data Throughput) 등을 고려하여 데이터 센터(10)에서 평가하여, 게이트웨이에 동작 운영 모드를 결정하는 프로세스와 재구성 과정을 사용하여 최종 운영시스템에서 충돌과 간섭을 해소시키는 시스템 구성과 동작 방법으로 사용할 수 있다.In configuring a beam forming antenna for beam scanning function and beam cluster assignment for node registration and assignment of the present invention, the number of beam scanning zones is divided according to the beam forming mode resolution, and the number of beam cluster zones is initially not divided from omnidirectional 1 zone, and is gradually divided into 2 zones, 4 zones, 8 zones, 16 zones, 32 zones, etc. in two-dimensional and three-dimensional space according to the number of IoT nodes, and the entire system is optimized through readjustment of the number of zone nodes and backoff time, etc., and the process of determining an operation mode in the gateway and the reconfiguration process are used as a system configuration and operation method for resolving collisions and interference in the final operating system.

또한, 본 발명의 노드 등록과 배정을 위한 빔스캐닝 기능과 빔 클러스터 배정에 있어서, 하나의 센서 노드가 이웃하는 인접 빔구역으로 복수로 수신되는 노드인 경우, 게이트웨이에 수신된 노드 신호의 수신신호 강도(RSS : received signal strength)를 비교하여 큰 RSS가 수신된 빔구역으로 해당 노드를 배정하며, 이러한 배정은 노드들의 재설치, 노드들의 이동성, 노드 배터리 문제 등이 발생하게 되므로, 항시 실시간 센싱하여 데이터 센터(10)에 전송해야 할 데이터 전송에 문제가 없도록, 일정 주기 간격으로 다시 조사하여 재배정하는 동작 운영과 프로세스를 포함하여 전체 운영시스템의 최적, 최상의 상태를 유지하게 하는 시스템 구성과 동작 방법에 사용할 수 있다.In addition, in the beam scanning function for node registration and assignment of the present invention and the beam cluster assignment, if one sensor node is a node that receives multiple neighboring beam zones, the received signal strength (RSS: received signal strength) of the node signal received by the gateway is compared and the node is assigned to the beam zone where a large RSS is received. Since such assignment may cause reinstallation of nodes, mobility of nodes, node battery problems, etc., the present invention can be used for a system configuration and an operating method that maintains the optimal and best state of the entire operating system, including an operation and process for re-examining and re-assigning at regular intervals so that there is no problem in transmitting data that must be transmitted to the data center (10) by always sensing in real time.

본 발명에서, IoT 노드의 센서 데이터 전송 단계에서 게이트웨이가 수신한 IoT 노드의 센서 데이터 신호 강도(RSS : received signal strength)의 크기를 바탕으로 전송 거리를 추정하여, 즉 신호 강도 RSS가 크면 가까이에, 작으면 멀리 있음으로 판단하고, 이에 비례하여 게이트웨이의 전송신호 크기를 조절하여 전송할 수 있다. 이렇게 함으로써, 다른 노드, 다른 주변 시스템에 간섭과 충돌을 최소화하며, 게이트웨이가 전송한 신호의 강도(RSS)를 체크하여 IoT 노드가 가까이 있을 때에는 송신 전력을 낮추고, 멀리 있으면 송신 전력을 크게 조정하여 통신 품질을 유지하면서 배터리 전력을 절약할 수 있고, 전체적으로 시스템 최적화와 충돌과 간섭을 해소시키는 시스템 구성과 동작 방법으로 사용할 수 있다.In the present invention, in the step of transmitting sensor data of an IoT node, the transmission distance is estimated based on the size of the signal strength (RSS: received signal strength) of the sensor data of the IoT node received by the gateway, that is, if the signal strength RSS is large, it is determined that the node is close, and if it is small, it is determined that the node is far away, and the size of the transmission signal of the gateway is adjusted in proportion to the size of the signal strength RSS for transmission. By doing so, interference and collisions with other nodes and other surrounding systems can be minimized, and when the IoT node is close by and the strength (RSS) of the signal transmitted by the gateway is checked, the transmission power is lowered and when the IoT node is far away, the transmission power is increased, thereby maintaining communication quality while saving battery power, and the system configuration and operation method can be used for overall system optimization and collision and interference resolution.

본 발명에서 중요한 사항은, 다중 노드(multi-node) 동시 통신 시스템을 구성하고 처리하는 시스템과 그에 관련된 방법으로 본 발명을 사용할 수 있다는 것이다. 다소 시스템의 복잡도가 증가 될 수 있으나, 통신 용량의 획기적 증대와 초고밀도 IoT 노드 환경에서 많은 IoT 센서 통신이 동시 실시간으로 전송되기 위해서는 본 발명에서 제안하는 기술이 핵심적 기술이며, 중요 분야에서 사용될 수 있다. 즉, 게이트웨이의 빔포밍 모드 동작을 2차원 및 3차원 공간상에서 구역별로 나누어, 다중 빔구역 동시 지원 시스템으로 구성하여 다중 노드(multi-node) 동시 통신 시스템을 구성하고 처리하는 시스템과 그에 관련된 방법으로서, 2차원 및 3차원 공간상에서 나뉘어진 빔구역을 동시에 2구역, 4구역, 8구역 등에 본 발명 에서 제안하는 구성과 기능을 갖는 시스템을 병렬로 동시에 사용하고, 이의 처리와 장치 구성으로 다중 노드(multi-node) 동시 통신 시스템을 구성하여, 더욱 많은 노드 통신을 동시 지원하고 통신 용량을 증대하는 시스템 구성과 동작이 이뤄지는 특성의 다중 노드(multi-node) 동시 통신 시스템 구성과 처리 방법으로 사용할 수 있다.An important aspect of the present invention is that the present invention can be used as a system and method for configuring and processing a multi-node simultaneous communication system. Although the complexity of the system may increase somewhat, the technology proposed in the present invention is a key technology for a dramatic increase in communication capacity and for simultaneous real-time transmission of many IoT sensor communications in an ultra-high-density IoT node environment, and can be used in important fields. That is, the system and method for configuring and processing a multi-node simultaneous communication system by dividing the beamforming mode operation of the gateway into zones in two-dimensional and three-dimensional space and configuring a system that simultaneously supports multiple beam zones, and the system having the configuration and function proposed in the present invention can be used in parallel and simultaneously in two, four, and eight beam zones divided in two-dimensional and three-dimensional space, and the processing and device configuration of the system can be used to configure a multi-node simultaneous communication system, thereby configuring and operating a system that supports more node communications simultaneously and increases communication capacity.

또한, 본 발명의 다중 노드(multi-node) 동시 통신 시스템을 구성하여 더욱 많은 노드 통신을 동시 지원하고 통신 용량을 증대하는 시스템 구성과 동작이 이뤄지는 특성의 다중 노드(multi-node) 동시 통신 시스템의 구성과 동작으로, 초고밀도 IoT 노드 네트워크 상황에서 항시 실시간 센싱하여 데이터 센터(10)에 전송해야 할 데이터 전송에 문제없는 시스템으로, 전체 운영 시스템의 충돌과 간섭을 해소시키는 시스템과 네트워크 구성과 동작으로 최적, 최상의 상태를 유지하게 하는 시스템 구성과 동작 방법이 될 수 있다.In addition, the present invention provides a multi-node simultaneous communication system that supports more node communications simultaneously and increases communication capacity, and a system configuration and operation that is capable of transmitting data to a data center (10) by sensing in real time in an ultra-high density IoT node network situation without any problems, and a system configuration and operation method that maintains an optimal and best state by resolving conflicts and interferences in the entire operating system and network configuration and operation.

본 발명은 빔 스캐닝 기반의 IoT(Internet of Things) 무선 센서 네트워크의 게이트웨이와 노드 간에 충돌과 간섭을 최소화하여 곧바로 동작하는 플러그 앤드 플레이를 가능하게 하고, 좁은 ISM 밴드에서 작동하는 IoT(Internet of Things) 무선 센서 네트워크의 주파수 자원의 활용성을 높일 수 있다. 그리고, 안테나 조정과 통신시스템을 포함하는 게이트웨이에 미리 설정된 코드북 기반의 빔포밍 기술을 사용하는 빔 스캐닝을 통해 빔 구역별로 위치한 IoT(Internet of Things) 노드의 효과적인 파악과 관리가 가능하기 때문에 ISM 밴드의 부족한 주파수 자원을 시간과 공간에 따라 나눠서 관리가 가능해진다.The present invention minimizes collisions and interference between a gateway and nodes of an Internet of Things (IoT) wireless sensor network based on beam scanning, thereby enabling plug-and-play operation that operates immediately, and can increase the utilization of frequency resources of an Internet of Things (IoT) wireless sensor network operating in a narrow ISM band. In addition, since beam scanning using a codebook-based beamforming technology preset in a gateway including an antenna adjustment and communication system enables effective identification and management of IoT (Internet of Things) nodes located by beam area, it is possible to manage the scarce frequency resources of the ISM band by dividing them according to time and space.

또한 본 발명에서 IoT 노드는 백오프 타임을 재조정하는 기본 타임 슬롯과 기본 랜덤 넘버의 가짓수를 초기값으로 가지고, 채널 센싱의 결과를 기준으로 타임 슬롯 및 랜덤 넘버의 가짓수를 증가시키거나 감소시켜, 노드가 자체적으로 백오프 타임을 재조정하는 방법을 사용하기 때문에, IoT(Internet of Things) 무선 센서 네트워크의 연결성을 높이고, 효과적으로 충돌과 간섭을 최소화하여 곧바로 동작하는 플러그 앤드 플레이(P&P : Plug And Play) 지원이 가능하다. In addition, in the present invention, the IoT node uses a method in which the node readjusts the backoff time by itself by increasing or decreasing the number of time slots and random numbers based on the result of channel sensing, with the number of basic time slots and basic random numbers for readjusting the backoff time as initial values, thereby enhancing the connectivity of the IoT (Internet of Things) wireless sensor network, and effectively minimizing collisions and interference, thereby enabling plug-and-play (P&P) support that operates immediately.

앞서 언급한 빔 스캐닝을 통한 빔 분할에 따른 IoT 노드의 관리가 가능해지기 때문에 각 노드가 갖는 백오프 타임(Back Off Time)을 줄일 수 있고, 임의의 IoT 노드가 임의의 시간에 센서 데이터를 전송할 수도 있는 IoT 무선 센서 네트워크에서 안테나 조정과 통신시스템을 포함하는 게이트웨이와 IoT 노드들 간의 연결성을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 그러면서도 빔 스캐닝과 전방향 무지향성 수신을 스위칭하면서 빔 스캐닝에 의해 소외될 수도 있는 히든(hidden) 노드를 줄일 수 있다.Since it is possible to manage IoT nodes according to beam division through the aforementioned beam scanning, the back-off time of each node can be reduced, and in an IoT wireless sensor network where any IoT node can transmit sensor data at any time, there is an advantage in that the connectivity between the gateway and IoT nodes, including the antenna adjustment and communication system, can be greatly improved. At the same time, by switching between beam scanning and omnidirectional reception, the number of hidden nodes that may be excluded by beam scanning can be reduced.

또한, 본 발명의 노드 등록과 배정을 위한 빔스캐닝 기능과 빔 클러스터 배정의 빔포밍 안테나를 구성함에 있어서, 빔스캐닝의 구역 가짓수를 빔포밍 모드(mode) 분해능에 따라 나눔에 있어, 빔클러스터 구역 개수를 최초에는 나누지 않는 전방향 무지향 1구역에서, IoT 노드의 개수에 따라서 점차 2구역, 4구역, 8구역, 16구역, 32구역,.. 등으로 세세하게 나누되, 구역 노드 개수와 백오프 타임 재조정 등을 통해서 전체 시스템 최적화를 전송품질(QoS : quality of service), 패킷 성공률, 충돌 해소율, 정보 전송률(Data Throughput) 등을 고려하여 데이터센터에서 평가하여, 게이트웨이에 동작 운영 모드를 결정하는 프로세스와 재구성 과정을 사용하여, 최종 운영시스템에서 충돌과 간섭을 해소시키는 시스템 구성과 동작 방법이 이뤄지게 된다.In addition, in configuring the beam forming antenna for beam scanning function for node registration and assignment of the present invention and beam cluster assignment, the number of zones of beam scanning is divided according to the resolution of the beam forming mode, and the number of beam cluster zones is initially not divided from omnidirectional 1 zone, and is gradually divided into 2 zones, 4 zones, 8 zones, 16 zones, 32 zones, etc. according to the number of IoT nodes, and the optimization of the entire system is evaluated in the data center by considering the transmission quality (QoS: quality of service), packet success rate, collision resolution rate, information transmission rate (Data Throughput), etc., and a process and reconfiguration process are used to determine the operation mode of the gateway, thereby resolving collisions and interference in the final operating system, and an operating method is achieved.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.While the present invention has been described using several preferred embodiments, these embodiments are illustrative and not limiting. Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the appended claims.

100 게이트웨이 200 IoT 노드100 gateways 200 IoT nodes

Claims (16)

고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서의 무선통신 방법에서,
게이트웨이에서 파일럿 신호를 탐색하는 단계;
상기 게이트웨이는 파일럿 신호를 수신하면, 수신한 파일럿 신호에 포함된 IoT 노드 식별 번호 정보를 검출하여 해당 IoT 노드를 등록하는 단계;
상기 게이트웨이는 등록한 IoT 노드에 확인(ACK) 메시지를 전송하는 단계; 및
IoT 노드에서 상기 게이트웨이로부터 확인 메시지를 수신하면, 상기 게이트웨이와의 통신이 활성화되어 센서 데이터를 전송하는 단계를 포함하고,
상기 게이트웨이에서 파일럿 신호를 탐색하는 단계에서,
IoT 노드가 주기적으로 파일럿 신호를 전송하는 단계; 및
상기 게이트웨이에서 빔 스캐닝을 실시하는 빔 포밍 모드와, 전방향 무지향성 수신을 하는 전방향 무지향 모드를 번갈아 스위칭하여 파일럿 신호를 탐색하는 단계를 포함하여 이루어지거나,
또는, 상기 게이트웨이에서 파일럿 신호를 탐색하는 단계에서,
IoT 노드가 주기적으로 파일럿 신호를 전송하는 단계; 및
상기 게이트웨이에서 빔 스캐닝을 실시하는 빔 포밍 모드와, 전방향 무지향성 수신을 하는 전방향 무지향 모드를 동시에 사용하여 파일럿 신호를 탐색하는 단계를 포함하여 이루어지고,
상기 게이트웨이는 빔 스캐닝을 실시하면서 파일럿 신호를 감지하면, 감지한 파일럿 신호에 포함된 IoT 노드의 노드 식별 번호 정보를 검출하고, 검출한 노드 식별 번호 정보에 따라 테이블을 생성하거나 갱신하여 빔 구역별로 IoT 노드를 배정하고,
상기 센서 데이터를 전송하는 단계에서,
상기 게이트웨이에서 빔 스캐닝을 실시하는 빔 포밍 모드와, 전방향 무지향성 수신을 하는 전방향 무지향 모드를 번갈아 스위칭하여 RTS(Request To Send) 프레임을 탐색하는 단계를 더 포함하여 이루어지거나,
또는, 상기 센서 데이터를 전송하는 단계에서,
상기 게이트웨이에서 빔 스캐닝을 실시하는 빔 포밍 모드와, 전방향 무지향성 수신을 하는 전방향 무지향 모드를 동시에 사용하여 RTS(Request To Send) 프레임을 탐색하는 단계를 더 포함하여 이루어지고,
상기 게이트웨이는 RTS 프레임을 수신하면, 수신한 RTS 프레임의 IoT 노드 식별 번호에 해당하는 IoT 노드로 CTS(Clear To Send) 프레임을 빔포밍하여 전송하는 단계를 더 포함하여 이루어지고,
CTS 프레임을 수신한 IoT 노드는 상기 게이트웨이와의 통신이 활성화되어 센서 데이터를 송신할 수 있고,
상기 게이트웨이는 통신이 활성화된 IoT 노드로부터 종료 패킷을 수신하면 확인 메시지를 회신하고 통신을 종료하는 단계를 더 포함하여 이루어지고,
상기 센서 데이터를 전송하는 단계에서,
IoT 노드는 송신할 센서 데이터가 있는지 확인하는 단계;
상기 IoT 노드는 송신할 데이터가 없으면 슬리핑 모드로 진입하고, 송신할 데이터가 있으면 채널을 감지하는 채널 센싱을 수행하는 단계; 및
상기 IoT 노드는 채널 센싱을 수행한 결과, 채널을 사용할 수 있으면, 상기 채널을 통해 RTS(Request To Send) 프레임을 전송하고, 상기 게이트웨이로부터 CTS(Clear To Send) 프레임을 수신할 때까지 대기하는 단계를 더 포함하여 이루어지고,
상기 IoT 노드는 상기 게이트웨이로부터 CTS(Clear To Send) 프레임을 수신할 때까지 대기하는 단계에서, 상기 게이트웨이로부터 자신의 노드 식별 번호 정보를 포함하는 CTS 프레임을 수신할 때까지 대기하고,
상기 IoT 노드는 종료 패킷을 송신하고 상기 게이트웨이와의 통신이 종료되면, 슬리핑 모드로 진입하는 단계를 더 포함하여 이루어지고,
상기 게이트웨이는 종료 패킷을 전송한 IoT 노드에 확인 메시지를 회신하고 통신을 종료하면, 다시 RTS 프레임을 탐색하는 과정으로 복귀하고,
상기 게이트웨이는 빔 스캐닝을 실시함에 있어서, 미리 설정된 빔포밍 코드북(Code Book)에 따라 빔포밍을 수행하는 방식으로 빔 스캐닝을 실시하고, 빔포밍을 특정한 방향으로 순차적으로 수행하여 주변의 IoT 노드를 빔 스캐닝 할 수 있고,
상기 게이트웨이는 파일럿 신호에 포함된 수신 신호 강도 정보를 저장하고, 둘 이상의 파일럿 신호로부터 각각 노드 식별 번호 정보를 저장하여 둘 이상의 노드 식별 번호 정보를 저장한 경우, 수신 신호 강도가 높은 순서대로 노드 식별 번호 정보에 우선 순위를 부여하고, 이에 따라 빔 구역별로 IoT 노드를 배정하고,
상기 센서 데이터를 전송하는 단계에서, 상기 게이트웨이는 IoT 노드의 수신 신호 강도의 크기에 따라 전송 신호의 크기를 조절하며,
상기 센서 데이터를 전송하는 단계에서,
상기 IoT 노드는 채널 센싱을 수행한 결과, 채널이 다른 IoT 노드에 의해 사용 중이면 백오프(Back off) 상태로 진입하여 백오프 타임만큼 대기한 후, 다시 채널 센싱 과정을 수행하는 단계를 더 포함하여 이루어지고, 이때, 백오프 타임(Back Off Time)을 상황에 따라 조정하는 백오프 타임(Back Off Time) 재조정 알고리즘을 통해 각 IoT 노드의 개수, 노드의 분포, 노드의 종류에 따라 백오프 타임의 길이와 가짓수에 관한 최적의 백오프 타임을 결정하고,
상기 IoT 노드가 백오프 타임(Back Off Time) 재조정 알고리즘을 통해 최적의 백오프 타임을 결정함에 있어서, 상기 IoT 노드가 채널 센싱을 수행하여 다른 IoT 노드에 의해 채널이 사용되지 않은 상태이면 타임 슬롯을 감소시키고 랜덤 넘버의 가짓수를 감소시키고, 다른 IoT 노드에 의해 채널이 사용되고 있는 상태이면 타임 슬롯을 증가시키고 랜덤 넘버의 가짓수를 증가시키고, 변경된 타임 슬롯과 랜덤 넘버의 가짓수를 곱하여 달라진 새 백오프 타임을 산출하고, 채널 상황에 따라 새 백오프 타임만큼 백오프하는 것을 특징으로 하는 고밀도 IoT 무선 센서 네트워크에서의 무선통신 방법.
In a wireless communication method in a high-density IoT wireless sensor network,
Step of searching for pilot signals at the gateway;
The above gateway detects IoT node identification number information included in the received pilot signal and registers the corresponding IoT node when receiving a pilot signal;
The gateway transmits an acknowledgement (ACK) message to the registered IoT node; and
When the IoT node receives a confirmation message from the gateway, communication with the gateway is activated to transmit sensor data,
In the step of searching for a pilot signal from the above gateway,
A step in which an IoT node periodically transmits a pilot signal; and
It comprises a step of searching for a pilot signal by alternately switching between a beam forming mode performing beam scanning in the above gateway and an omnidirectional mode performing omnidirectional reception, or
Or, in the step of searching for a pilot signal from the gateway,
A step in which an IoT node periodically transmits a pilot signal; and
It comprises a step of searching for a pilot signal by simultaneously using a beam forming mode for performing beam scanning in the above gateway and an omnidirectional mode for performing omnidirectional reception,
When the above gateway detects a pilot signal while performing beam scanning, it detects the node identification number information of the IoT node included in the detected pilot signal, and creates or updates a table based on the detected node identification number information to assign IoT nodes to each beam zone.
In the step of transmitting the above sensor data,
It further includes a step of searching for an RTS (Request To Send) frame by alternately switching between a beam forming mode that performs beam scanning in the above gateway and an omnidirectional omnidirectional mode that performs omnidirectional reception, or
Or, in the step of transmitting the above sensor data,
It further comprises a step of searching for an RTS (Request To Send) frame by simultaneously using a beam forming mode that performs beam scanning in the above gateway and an omnidirectional omnidirectional mode that performs omnidirectional reception.
The above gateway further includes a step of beamforming and transmitting a CTS (Clear To Send) frame to an IoT node corresponding to the IoT node identification number of the received RTS frame when receiving the RTS frame.
An IoT node that receives a CTS frame can activate communication with the gateway and transmit sensor data.
The above gateway further comprises a step of replying a confirmation message and terminating communication when receiving a termination packet from an IoT node with communication enabled.
In the step of transmitting the above sensor data,
The IoT node checks whether there is sensor data to transmit;
The IoT node enters a sleeping mode when there is no data to transmit, and performs channel sensing to detect the channel when there is data to transmit; and
The IoT node further comprises a step of transmitting an RTS (Request To Send) frame through the channel if the channel is available as a result of performing channel sensing, and waiting until a CTS (Clear To Send) frame is received from the gateway.
The IoT node waits until it receives a CTS (Clear To Send) frame from the gateway, and waits until it receives a CTS frame including its own node identification number information from the gateway.
The IoT node further includes a step of transmitting a termination packet and entering a sleeping mode when communication with the gateway is terminated.
The above gateway replies with a confirmation message to the IoT node that sent the termination packet and terminates the communication, then returns to the process of searching for the RTS frame again.
The above gateway performs beam scanning by performing beam forming according to a preset beam forming code book, and can perform beam scanning of surrounding IoT nodes by sequentially performing beam forming in a specific direction.
The above gateway stores the reception signal strength information included in the pilot signal, stores node identification number information from each of two or more pilot signals, and when two or more node identification number information are stored, gives priority to the node identification number information in order of the highest reception signal strength, and assigns IoT nodes to each beam zone accordingly.
In the step of transmitting the above sensor data, the gateway adjusts the size of the transmission signal according to the size of the received signal strength of the IoT node.
In the step of transmitting the above sensor data,
The IoT node further includes a step of entering a back-off state and waiting for a back-off time if the channel is being used by another IoT node as a result of performing channel sensing, and then performing the channel sensing process again. At this time, an optimal back-off time is determined in terms of the length and number of back-off times according to the number of IoT nodes, the distribution of nodes, and the type of nodes through a back-off time readjustment algorithm that adjusts the back-off time according to the situation.
A wireless communication method in a high-density IoT wireless sensor network, characterized in that when the IoT node determines an optimal backoff time through a backoff time readjustment algorithm, the IoT node performs channel sensing, and if the channel is not being used by another IoT node, the IoT node decreases a time slot and decreases a number of random numbers, and if the channel is being used by another IoT node, the IoT node increases a time slot and increases a number of random numbers, and calculates a new backoff time by multiplying the changed time slot and the number of random numbers, and backs off by the new backoff time according to the channel situation.
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