KR100732038B1 - Method with p-persistent for saving a battery power of wireless mobile communications nodes - Google Patents

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KR100732038B1
KR100732038B1 KR1020050107151A KR20050107151A KR100732038B1 KR 100732038 B1 KR100732038 B1 KR 100732038B1 KR 1020050107151 A KR1020050107151 A KR 1020050107151A KR 20050107151 A KR20050107151 A KR 20050107151A KR 100732038 B1 KR100732038 B1 KR 100732038B1
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Abstract

본 발명은 무선이동통신기기에서의 한정된 자원인 배터리 에너지를 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 무선이동통신 노드의 절전방법에 관한 것으로, 수신되는 ATIM프레임의 정보로부터 수신해야할 데이터가 있는지 판단하는 제 1판단단계, 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 없으면 상기 노드가 휴면상태로 들어가도록 하는 휴면결정단계 및 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 있으면 상기 노드의 슬립확률을 계산하고 상기 계산된 휴면확률에 따라 상기 노드의 휴면여부를 결정하는 휴면여부결정단계를 포함하는 구성을 가지며, 오직 패킷의 존재 여부만으로 휴면여부를 결정하는 종래의 방식에 비해 데이터 처리량이 많고 에너지 효율도 뛰어나고, 특히 적응 확률근거 절전방법에 따르는 경우 지연 제한을 만족하면서도 데이터 처리량 및 에너지 효율면에서 IEEE 802.11 절전모드에 비해 뛰어나기 때문에 네트워크의 수명향상 및 데이터 처리성능 향상을 기대할 수 있다.The present invention relates to a power saving method of a wireless mobile communication node that enables efficient use of battery energy, a limited resource in a wireless mobile communication device. The first determination step of determining whether there is data to be received from information of a received ATIM frame. And, if there is no data to be received as a result of the determination of the first determination step, the node enters into a dormant state; It has a configuration including a dormancy determination step of determining whether or not to sleep the node according to the sleep probability, the data throughput and energy efficiency is superior to the conventional method of determining whether to sleep only by the presence of a packet, especially If you follow the adaptive probabilistic power saving method, The emitter throughput and energy efficiency because of its superior to the IEEE 802.11 Power Save mode can be expected to improve the life of the network and improve data processing performance.

애드혹, 무선통신, 무선이동통신, 절전, 무선랜, 센서네트워크 Ad hoc, wireless communication, wireless mobile communication, power saving, wireless LAN, sensor network

Description

확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법{Method with p-persistent for saving a battery power of wireless mobile communications nodes}Method with p-persistent for saving a battery power of wireless mobile communications nodes}

도 1은 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전모드의 작동과정을 설명하기 위한 도면,1 is a view for explaining the operation of the power saving mode based on the probability according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법을 설명하기 위한 흐름도,2 is a flowchart illustrating a power saving method of a wireless mobile communication node based on a probability according to the present invention;

도 3a ~ 도 3c는 노드의 수가 12일 때의 기준확률에 따른 확률근거 절전모드의 성능을 나타낸 그래프,3A to 3C are graphs showing the performance of the probability-based power saving mode according to the reference probability when the number of nodes is 12;

도 4a ~ 도 4c는 IEEE 802.11 절전모드, 본 발명의 기본 확률근거 절전모드, 본 발명의 적응 확률근거 절전모드의 성능 비교결과를 나타낸 그래프이다.4A to 4C are graphs showing performance comparison results of an IEEE 802.11 power saving mode, a basic probability based power saving mode of the present invention, and an adaptive probability based power saving mode of the present invention.

본 발명은 무선이동통신 노드의 절전방법에 관한 것으로, 특히 무선이동통신기기에서의 한정된 자원인 배터리 에너지를 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 무선이동통신 노드의 절전방법에 관한 것이다.The present invention relates to a power saving method of a wireless mobile communication node, and more particularly, to a power saving method of a wireless mobile communication node to enable efficient use of battery energy, a limited resource in a wireless mobile communication device.

일반적으로 많은 이동통신기기들, 즉 이동 노드(node)들의 수명은 작고 가벼 운 배터리에 전적으로 의존하기 때문에 배터리 전원은 유비쿼터스(ubiquitous) 이동통신 시스템에서 매우 중요하고 한정된 자원 중의 하나이다. 이동 노드들의 에너지 소비 감소를 위해 많은 연구들이 이루어져왔다. 애드혹(ad-hoc) 네트워크를 위해, 최적의 경로를 찾기 위한 파워 관련 메트릭스(metrics)를 사용하는 에너지 효율적 라우팅 프로토콜들이 제안되어왔다.In general, battery life is one of very important and limited resources in ubiquitous mobile communication systems because the life of many mobile communication devices, i.e., mobile nodes, depends entirely on small and light batteries. Much research has been done to reduce the energy consumption of mobile nodes. For ad-hoc networks, energy efficient routing protocols have been proposed that use power related metrics to find the optimal path.

노드는 패킷들을 송수신하지 않은 때 일반적으로 유휴(idle) 상태로 있다. 하지만 노드는 휴면(sleep) 상태에서 라디오 인터페이스(radio interface)를 포함하여 대부분의 회로들을 끄기 때문에, 노드를 유휴(idle) 상태 대신에 휴면(sleep) 상태로 두는 것이 보다 에너지 효율적이다. 그러나 휴면 상태에서, 노드는 시스템 상태를 인식할 수 없다. 이 경우 그 노드를 목적지로 하는 어떤 패킷들이 있더라도, 그 패킷들의 수신은 그 노드가 깰 때까지 지연된다. 그러므로 절전모드에서, 노드는 과도한 패킷 지연을 피하기 위해 주기적으로 깨야하고 그 자신의 상태를 결정해야 한다. 이러한 시스템에서, 절전의 성취는 패킷 지연을 초래하기 때문에, 보다 많은 에너지 절감 및 다른 시스템의 성능을 심각하게 저하시키지 않기 위해 효율적인 휴면 또는 깸(sleep or awake)의 결정이 요구된다. 예를 들어, IEEE 802.11 절전모드에서, 노드는 오직 그 노드를 목적지로 하는 패킷이 있는지 만을 기초로 그의 상태를 결정한다. 그러나 IEEE 802.11 표준에서처럼 수신해야할 데이터가 있는지의 여부로만 휴면 상태를 결정하게 되면 노드가 경쟁적 채널에 접근하게 될 때 비효율적으로 에너지를 사용하게 된다. 이에 따라 IEEE 802.11 절절모드는 에너지 낭비가 심하고, 과도한 경쟁으로 인해 데이터 처리량에 따른 네트워크 성능도 저하되는 문제가 있다.A node is generally idle when not sending or receiving packets. However, because the node turns off most circuits, including the radio interface, in the sleep state, it is more energy efficient to put the node to sleep instead of the idle state. In the dormant state, however, the node is not aware of the system state. In this case, even if there are any packets destined for the node, the reception of the packets is delayed until the node wakes up. Therefore, in sleep mode, a node must wake up periodically and determine its own state to avoid excessive packet delay. In such systems, the achievement of power savings results in packet delays, so an efficient sleep or awake decision is required to avoid further energy savings and seriously degrade the performance of other systems. For example, in IEEE 802.11 power save mode, a node determines its state only based on whether there is a packet destined for that node. However, as in the IEEE 802.11 standard, determining the dormant state only by whether there is data to be received would result in inefficient use of energy when a node accesses a competitive channel. Accordingly, IEEE 802.11 mode has a problem in that the energy wasted, the network performance due to data throughput is also reduced due to excessive competition.

본 발명의 목적은 IEEE 802.11 절전모드(power saving mode) 등과 같은 종래의 절전모드보다 에너지 효율이 향상될 수 있도록 하여 무선이동통신 노드의 수명을 늘릴 수 있도록 해주는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to save energy of a wireless mobile communication node based on the probability of increasing the lifespan of the wireless mobile communication node by improving the energy efficiency compared to the conventional power saving mode such as IEEE 802.11 power saving mode. To provide.

본 발명의 다른 목적은 IEEE 802.11 절전모드(power saving mode) 등과 같은 종래의 절전모드보다 데이터 처리량을 늘릴 수 있도록 해주는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a power saving method of a wireless mobile communication node based on a probability of increasing data throughput over a conventional power saving mode such as IEEE 802.11 power saving mode.

본 발명은 확률에 근거한 배터리 전력소비 절감을 위한 무선이동통신 노드의 절전방법에 있어서, 수신되는 ATIM프레임의 정보로부터 수신해야할 데이터가 있는지 판단하는 제 1판단단계, 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 없으면 상기 노드가 휴면상태로 들어가도록 하는 휴면결정단계 및 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 있으면 상기 노드의 휴면확률을 계산하고 상기 계산된 휴면확률에 따라 상기 노드의 휴면여부를 결정하는 휴면여부결정단계를 포함하는 구성을 가진다.The present invention provides a power saving method of a wireless mobile communication node for reducing battery power consumption based on a probability, the first determination step of determining whether there is data to be received from the information of the received ATIM frame, receiving the determination result of the first determination step If there is data to be received, the node determines that the node enters a dormant state. It has a configuration including a dormancy determination step of determining.

상기 휴면여부결정단계는 난수를 발생시키고 상기 발생된 난수가 상기 계산된 휴면확률보다 작거나 같으면 휴면상태로 들어가도록 하고 상기 난수가 상기 계산된 확률보다 크면 유휴상태로 있도록 하는 것이 바람직하다.The dormancy determination step preferably generates random numbers and enters a dormant state if the generated random number is less than or equal to the calculated dormancy probability and remains idle if the random number is greater than the calculated probability.

상기 휴면확률은 기준확률을 산출하고 상기 산출된 기준확률에 상기 노드를 목적지로 하는 패킷의 수, 패킷 지연, 경쟁 수, 채널 상태, 잔여 에너지량 중 하나 이상을 고려한 기여확률을 더하여 산출되는 것이 좋다.The dormancy probability is calculated by calculating a reference probability and adding the contribution probability considering one or more of the number of packets destined for the node, the packet delay, the number of contention, the channel state, and the remaining energy amount to the calculated reference probability. .

상기 휴면확률은 아래의 식(1) ~ (5)에 의해 산출되는 Psleep으로, The sleep probability is P sleep calculated by Equations (1) to (5) below.

Figure 112005064518508-pat00001
,
Figure 112005064518508-pat00001
,

Figure 112005064518508-pat00002
,
Figure 112005064518508-pat00002
,

Figure 112005064518508-pat00003
또는
Figure 112005064518508-pat00003
or

Figure 112005064518508-pat00004
Figure 112005064518508-pat00004
And

Figure 112005064518508-pat00005
에 의해 산출되며,
Figure 112005064518508-pat00005
Is calculated by

n은 임의의 기여 확률의 요소를 나타내는 것으로 그 개수는 1≤n≤N이고, UPn은 요소 n이 가지는 최대 측정치, LOWn은 요소 n이 가지는 최소 측정치, Wn은 요소 n의 확률에 대한 가중치, Wtotal은 전체 요소의 확률에 대한 가중치의 합, Pbase는 기준확률, N은 요소의 전체 개수, Yn은 요소 n의 가능한 최대 기여확률, Vn은 요소 n의 측정치, Pn은 요소 n의 기여확률이다.n represents an element of any probability of contribution, the number of which is 1≤n≤N, UP n is the maximum measurement of element n, LOW n is the minimum measurement of element n, and W n is the probability of element n Weight, W total is the sum of the weights for the probabilities of all elements, P base is the reference probability, N is the total number of elements, Y n is the maximum possible contribution probability of element n, V n is the measurement of element n, and P n is The contribution probability of factor n.

경우에 따라, 본 발명은 확률에 근거한 배터리 전력소비 절감을 위한 무선이동통신 노드의 절전방법에 있어서, 수신되는 ATIM프레임의 정보로부터 수신해야할 데이터가 있는지 판단하는 제 1판단단계, 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 없는 경우 상기 노드가 휴면상태로 들어가도록 하는 휴면결정단계, 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 있는 경우 상기 수신되는 ATIM프레임의 정보로부터 휴면확률에 상관없이 상기 노드가 유휴상태를 유지할 것을 나타내는 긴급 비트가 있는지를 판단하는 제 2판단단계, 상기 제 2판단단계에서 긴급 비트가 있는 경우 상기 노드가 유휴상태를 유지하도록 하는 유휴결정단계 및 상기 제 2판단단계에서 긴급 비트가 없는 경우 휴면확률을 계산하고, 상기 계산된 휴면확률에 따라 상기 노드의 휴면여부를 결정하는 휴면여부결정단계를 포함하는 구성을 가질 수 있다.In some cases, the present invention provides a method for power saving of a wireless mobile communication node for reducing battery power consumption based on probability, the first determination step of determining whether there is data to be received from the information of the received ATIM frame, the first determination step A dormancy determination step for allowing the node to enter a dormant state when there is no data to be received as a result of the determination, and if there is data to be received as a result of the determination of the first determination step, regardless of the dormancy probability In the second judging step of determining whether there is an emergency bit indicating that the node is to remain idle, and in the second judging step of determining whether the node remains idle when there is an emergency bit in the second judging step. If there is no emergency bit, the sleep probability is calculated, and the node sleeps according to the calculated sleep probability. It may have a configuration including a dormancy determination step of determining whether or not.

여기에서의 휴면여부결정단계 역시 난수를 발생시키고 상기 발생된 난수가 상기 계산된 휴면확률보다 작거나 같으면 휴면상태로 들어가도록 하고 상기 난수가 상기 계산된 확률보다 크면 유휴상태로 있도록 하는 것이 좋고,The dormancy determination step here also generates a random number, and if the generated random number is less than or equal to the calculated dormancy probability, enters a dormant state, and if the random number is greater than the calculated probability, it is good to remain idle.

휴면확률 또한 가변기준확률을 산출하고 상기 산출된 가변기준확률에 상기 노드를 목적지로 하는 패킷의 수, 패킷 지연, 경쟁 수, 채널 상태, 잔여 에너지량 중 하나 이상을 고려한 기여 확률을 더하여 산출되는 것이 바람직하다.The dormant probability is also calculated by calculating a variable reference probability and adding the contribution probability in consideration of one or more of the number of packets destined for the node, packet delay, contention number, channel state, and remaining energy amount to the calculated variable reference probability. desirable.

이 경우의 휴면확률은 아래의 식(1) ~ (5)에 의해 산출되는 Psleep으로, In this case, the sleep probability is P sleep calculated by Equations (1) to (5) below.

Figure 112006090624810-pat00043
,
Figure 112006090624810-pat00043
,

Figure 112006090624810-pat00044
,
Figure 112006090624810-pat00044
,

Figure 112005064518508-pat00008
또는
Figure 112005064518508-pat00008
or

Figure 112005064518508-pat00009
Figure 112005064518508-pat00009
And

Figure 112006090624810-pat00045
에 의해 산출되며,
Figure 112006090624810-pat00045
Is calculated by

n은 임의의 기여 확률의 요소를 나타내는 것으로 그 개수는 1≤n≤N이고, UPn은 요소 n이 가지는 최대 측정치, LOWn는 요소 n이 가지는 최소 측정치, Wn은 요소 n의 확률에 대한 가중치, Wtotal은 전체 요소의 확률에 대한 가중치의 합, Pvbase는 가변기준확률, N은 요소의 전체 개수, Yn은 요소 n의 가능한 최대 기여확률, Vn은 요소 n의 측정치, Pn은 요소 n의 기여확률이고,n represents an element of any probability of contribution, the number of which is 1≤n≤N, UP n is the maximum measurement of element n, LOW n is the minimum measurement of element n, and W n is the probability of element n Weight, W total is the sum of the weights for the probabilities of all elements, P vbase is the variable reference probability, N is the total number of elements, Y n is the maximum possible contribution probability of element n, V n is the measurement of element n, P n Is the probability of contribution of factor n,

상기 가변기준확률은 아래의 식 (6) ~ (8)에 의해 산출되는 Pvbase로서, The variable reference probability is P vbase calculated by Equations (6) to (8) below.

Figure 112005064518508-pat00011
,
Figure 112005064518508-pat00011
,

Figure 112005064518508-pat00012
Figure 112005064518508-pat00012
And

Figure 112005064518508-pat00013
에 의해 산출되고,
Figure 112005064518508-pat00013
Calculated by

DB는 서비스의 질을 보장하는 지연경계 값, λ1DB는 문턱 값으로 바람직한 지연 값이고, d는 수신된 패킷의 측정된 지연 값, δ는 지연차이, Δnew는 지연차이의 지수적변화평균, Δold는 이전의 지수적 변화평균, ρ는 시스템에 따라 Δnew에 적절한 변화를 주기 위한 계수(coefficient), λ1은 지연경계를 바탕으로 목표지연 값을 설정하기 위한 매개변수, Ppvbase는 이전의 가변기준확률 값, α는 이전 값과 현재 값을 얼마의 비율로 평균을 낼지를 정하는 수치인 것을 특징으로 한다.D B is a delay boundary value that guarantees the quality of service, λ 1 D B is a threshold value, which is a desirable delay value, d is a measured delay value of a received packet, δ is a delay difference, and Δ new is an exponential value of the delay difference. Change average, Δ old is the previous exponential change average, ρ is the coefficient to give the appropriate change to Δ new according to the system, λ 1 is the parameter to set the target delay value based on the delay boundary, P pvbase is the previous variable reference probability value, α is characterized in that the numerical value to determine the ratio of the previous value and the current value.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 어떠한 구조화된 프레임 맥 프로토콜(frame-structured MAC protocol)에도 사용될 수 있지만 여기에서는 설명의 편의를 위해 IEEE 802.11을 기반으로 한 작동을 설명한다.The present invention can be used with any frame-structured MAC protocol, but for the sake of convenience of explanation the operation based on IEEE 802.11 is described.

도 1은 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전모드의 작동과정을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the operation of the power saving mode based on the probability according to the present invention.

도 1에서 시간은 수퍼프레임(superframe)에 대응되는 비콘 간격(becon interval)으로 분할된다. 각 비콘 간격의 시작에서, 모든 노드(노드A, 노드B, 노드C, 노드D, 노드E)들은 ATIM(ad-hoc traffic indication message) 윈도우 기간 동안 깨어있다. 한 노드가 다른 노드로 송신할 패킷을 가지고 있을 때, 이 패킷은 ATIM 윈도우 동안 ATIM 프레임에 의해 알려진다. 이 ATIM 프레임은 CSMA/CA(carrier sense multiple accesses/collision avoidance) 메카니즘을 이용하여 전송된다. IEEE 802.11 절전모드에서, ATIM 프레임을 수신한 노드는 ATIM-ACK 응답을 보내야 한다.In FIG. 1, time is divided into beacon intervals corresponding to superframes. At the beginning of each beacon interval, all nodes (Node A, Node B, Node C, Node D, Node E) are awake for the duration of the ad-hoc traffic indication message (ATIM) window. When one node has a packet to send to another node, this packet is known by the ATIM frame during the ATIM window. This ATIM frame is transmitted using a carrier sense multiple accesses / collision avoidance (CSMA / CA) mechanism. In IEEE 802.11 power saving mode, a node receiving an ATIM frame should send an ATIM-ACK response.

그러나 본 발명에서는 노드가 ATIM을 수신할 때, 휴면확률을 계산하고 이 휴면확률을 그 노드의 상태를 결정하기 위해 사용한다. 만약, 그 노드가 휴면할 것으로 결정했다면 남아있는 ATIM 윈도우 동안 ATIM-ACK 대신에 ATIM-SACK을 보낸다. 이 프레임(ATIM-SACK)은 그 노드가 ATIM 프레임을 받았지만 휴면하기로 결정했다는 것을 의미한다. ATIM-ACK 또는 ATIM-SACK은 공유된 무선 매개물을 통해 송신되기 때문에, 응답을 받은 모든 노드들은 응답을 보낸 노드의 상태에 대한 정보를 갱신할 수 있다.However, in the present invention, when a node receives an ATIM, it calculates a sleep probability and uses the sleep probability to determine the state of the node. If the node decides to sleep, it sends an ATIM-SACK instead of an ATIM-ACK for the remaining ATIM window. This frame (ATIM-SACK) means that the node has received an ATIM frame but has decided to sleep. Since the ATIM-ACK or ATIM-SACK is transmitted over a shared radio medium, all nodes that receive a response can update information about the status of the node that sent the response.

도 1에서, 노드A가 노드B로 ATIM 프레임을 송신하면, 노드B는 뒤에서 기술되는 방법으로 휴면확률을 계산하여 휴면할 것으로 결정된 경우 ATIM-ACK 대신에 ATIM-SACK를 브로드캐스팅한다. 그러면 주변의 노드A, 노드C, 노드D, 노드E는 노드B의 정보를 갱신한다. 해당 ATIM 윈도우 동안 노드B를 목적지로 하는 데이터가 없는 경우에 노드B는 ATIM 윈도우가 끝난 후에는 그 비콘 간격동안 휴면하였다가 다음 비콘 간격의 시작 시간에 깨어서 활성화된다. 하지만, 도 1의 노드C에서와 같이 해당 ATIM 윈도우 동안 노드B를 목적지로 하는 데이터가 더 있는 경우, 노드C는 ATIM 프레임을 브로드캐스팅하고, 노드B는 이를 수신하여 다시 휴면확률을 계산하여 깨어있을 것으로 결정한 경우 주변의 노드들로 ATIM-SACK를 브로드캐스팅한다. 이에 따라 주변의 노드A, 노드C, 노드D, 노드E는 노드B의 정보를 갱신하고, 노드B로 송신할 데이터를 가진 노드A 및 노드C는 노드B로 해당 비콘 간격동안 데이터를 송신하고, 노드B는 그 데이터를 수신완료 후, 그 다음의 비콘 간격의 과정을 반복한다. 한편, 노드D와 노드E는 다른 노드들과 송수신할 데이터가 없거나 송수신할 데이터가 있더라도 휴면확률을 계산하여 휴면할 것으로 결정하였으면 해당 비콘 간격 동안 휴면하였다가 다음 비콘 간격의 초기에 깨어 다음 비콘 간격의 과정을 수행한다. In Figure 1, when Node A transmits an ATIM frame to Node B, NodeB broadcasts ATIM-SACK instead of ATIM-ACK when it is determined to calculate dormancy probabilities and sleep in the manner described below. Node A, node C, node D, and node E then update node B's information. If there is no data destined for NodeB during the ATIM window, NodeB sleeps for the beacon interval after the ATIM window is over and wakes up at the start of the next beacon interval to activate. However, if there is more data destined for Node B during the corresponding ATIM window, as in Node C of FIG. 1, Node C broadcasts an ATIM frame, and Node B receives it and calculates the sleep probability to stay awake. If it is determined to broadcast the ATIM-SACK to the surrounding nodes. Accordingly, neighboring nodes A, C, D, and E update node B's information, and node A and node C having data to send to node B transmit data to node B during the beacon interval, After receiving the data, NodeB repeats the process of the next beacon interval. On the other hand, if the node D and the node E decide to sleep by calculating dormancy probability even if there is no data to send or receive with other nodes or if there is data to send or receive to other nodes, the node D sleeps for the beacon interval and wakes up at the beginning of the next beacon interval, Perform the process.

본 발명에 따른 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법에 필요한 ATIM 프레임에 두 변형이 있다. 첫째, ATIM의 목적지 노드를 위해 대기열에 넣어진 패킷들의 수를 나타내는 필드가 추가된다. 본 발명에 따른 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법에서, 상기 목적지 노드는 이 추가된 필드의 정보를 그의 휴면확률을 계산하는 데 사용한다. 둘째, ATIM 프레임에 긴급 필드가 추가적으로 필요하다. 이 긴급 필드는 1비트 필드로 충분하다. 이 1비트 긴급 필드는 이 긴급 필드를 가진 ATIM 프레임을 받은 노드는 ATIM-ACK로 응답해야 하고, 휴면확률에 상관없이 해당 비콘 간격 동안 깨어있어야 하는 것을 나타내는 데 사용된다. 이 긴급 필드는 예를 들면, 목적지 노드를 위해 대기열에 넣어진 패킷들의 수가 예정치보다 크거나 패킷 지연이 특정한 값보다 클 때, 목적지 노드가 깨어있어야 하는 것을 알려야 하는 데 사용될 수 있다.There are two modifications to the ATIM frame required for the power saving method of the wireless mobile communication node based on the probability according to the present invention. First, a field indicating the number of packets queued for the destination node of the ATIM is added. In the power saving method of a wireless mobile communication node based on a probability according to the present invention, the destination node uses the information of this added field to calculate its dormancy probability. Second, an emergency field is additionally needed in the ATIM frame. This emergency field is sufficient for one bit field. This 1-bit emergency field is used to indicate that a node receiving an ATIM frame with this emergency field must respond with an ATIM-ACK and stay awake for the beacon interval, regardless of the sleep probability. This emergency field can be used, for example, to inform the destination node that it should be awake when the number of packets queued for the destination node is greater than a predetermined value or the packet delay is greater than a certain value.

본 발명에 따른 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법은 크게 2가지 방식으로 구분되는 데, 기본 확률근거 절전모드와 적응 확률근거 절전모드이다. 기본 확률근거 절전모드는 그 휴면확률 Psleep의 계산에 있어서 적응 확률근거 절전모드보다 단순하다.The power saving method of the wireless mobile communication node based on the probability according to the present invention is divided into two methods, a basic probability based power saving mode and an adaptive probability based power saving mode. The default probability-based power saving mode is simpler than the adaptive probability-based power saving mode in the calculation of the sleep probability P sleep .

먼저, 기본 확률근거 절절모드에 사용되는 확률을 계산하는 방법에 대해서 설명하면 다음과 같다.First, a method of calculating the probability used in the basic probability basis mode mode will be described.

본 발명에 따르면, 휴면확률은 두 부분으로 구성되는 데, 기준확률과 기여확률이 그 것이다. 기준확률은 그 노드에 걸릴 것으로 예상되는 부하 및/또는 휴면경향을 고려하여 세팅하는 확률이며, 여기에서는 Pbase로 표기한다. 기본 확률근거 절전모드에서는 이 Pbase는 고정된 값을 유지한다. 요소들의 변천을 고려하여 반영하는 기여확률을 계산하는 데에는 다양한 방법이 있으나, 여기에서는 단순한 가중치 요소들의 기여확률들의 합계 방법을 이용한다.According to the present invention, the dormancy probability consists of two parts, the reference probability and the contribution probability. The reference probability is a probability that is set in consideration of the load and / or dormancy tended to be affected by the node, and is expressed as P base here. Basic Probability Basis In power save mode, this P base remains fixed. There are various methods for calculating the contribution probability reflecting the change of factors, but the simple method of sum of the contribution probabilities of weighting factors is used.

중요한 가중치 요소들에는 다음과 같은 것이 있다.Important weighting factors include:

1) 해당 노드를 목적지로 하여 대기열에 넣어진 패킷들의 수1) the number of queued packets destined for the node

패킷들을 버퍼링하기 위한 대기열의 크기가 제한되기 때문에 이 가중치 요소는 고려되어야 한다. 잘못된 휴면결정들 때문에 대기열이 완전히 채워졌을 때, 많은 새로운 패킷들은 잃게 될 것이고 그 시스템의 성능은 저하될 것이다. 그러므로 만약 해당 노드를 목적지로 하는 버퍼에 임시 저장된 패킷들의 수가 시스템 성능의 저하가 예상될 정도로 크다면, 노드는 깨어나서 패킷들을 수신하여야 한다. 그러나 대기열에 넣어진 패킷들의 수가 시스템 성능을 심각하게 저하시키지 않을 정도로 충분히 작고 휴면상태가 보다 많은 에너지 절약에 도움이 된다면 노드는 휴면상 태로 될 수 있다. 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전방법에서는 에너지 효율을 위해 대기열에 넣어진 패킷의 존재여부 뿐만 아니라 패킷의 수도 고려한다.This weighting factor should be considered because the size of the queue for buffering packets is limited. When the queue is full because of bad sleep decisions, many new packets will be lost and the system's performance will be degraded. Therefore, if the number of packets temporarily stored in the buffer destined for the node is large enough to degrade the system performance, the node must wake up and receive the packets. However, if the number of queued packets is small enough to not seriously degrade system performance, and the dormant helps to save more energy, the node can go dormant. In the probabilistic power saving method according to the present invention, the number of packets as well as the presence of the queued packets are considered for energy efficiency.

2) 패킷 지연2) packet delay

휴면 모드 작동은 패킷 지연을 이용하여 에너지를 절감한다. 그러나 과도한 지연은 네트워크 프로토콜 스택의 상층들에서 이벤트(event)들의 시간초과의 원인이 될 수 있고 그러면 심각한 문제를 발생하기 때문에 휴면결정에는 이 가중치 요소를 신중하게 고려하여야 한다. 휴면모드의 사용에는 에너지 절감과 패킷 지연 간의 교환이 있다. 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전방법은 직접 또는 간접 방식으로 이 가중치 요소를 고려하는 것에 의해 받아들일만한 지연 시간 안에 패킷들을 송신하고 수신할 수 있도록 한다.Sleep mode operation uses packet delay to save energy. However, this weighting factor should be carefully considered in dormancy decisions because excessive delays can cause timeouts of events at the upper layers of the network protocol stack and then cause serious problems. The use of sleep mode involves the tradeoff between energy savings and packet delay. The probability-based power saving method according to the present invention allows for sending and receiving packets within an acceptable delay time by considering this weighting factor in a direct or indirect manner.

3) 경쟁의 수3) number of competitions

본 발명에 따른 확률에 근거한 무선이동통신노드의 절전방법은 IEEE 802.11 DCF(Distributed Coordination Function)와 같은 MAC 기반 경쟁을 가지는 어떠한 시스템에 사용될 수 있다. 경쟁기반 시스템에서, 과도한 경쟁은 에너지 소비를 초래하기 때문에 피해야한다. 경쟁노드들의 수를 적정하게 낮게 유지하기 위해 어떤 노드들을 휴면상태로 둠으로 써, 과도한 경쟁에 따른 에너지 소비를 줄일 수 있다. 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전방법은 해당 수퍼프레임에서, 즉 IEEE 802.11 DCF에서의 비콘 간격동안 경쟁 노드의 수에 따라 휴면확률을 조정함에 의해 경쟁하는 노드의 수를 조절할 수 있다.The power saving method of the wireless mobile communication node based on the probability according to the present invention can be used in any system having MAC-based competition such as IEEE 802.11 Distributed Coordination Function (DCF). In competition-based systems, excessive competition leads to energy consumption and should be avoided. By keeping some nodes dormant to keep the number of competing nodes reasonably low, we can reduce energy consumption due to excessive competition. The probability-based power saving method according to the present invention can adjust the number of competing nodes in the corresponding superframe, that is, by adjusting the sleep probability according to the number of contention nodes during the beacon interval in the IEEE 802.11 DCF.

4) 채널 상태4) Channel Status

이동 통신시스템에서 채널이득(channel gain)은 일정한 요소가 아니다. 보다 나은 채널을 가지는 노드는 주어진 전송 에너지량으로 보다 많은 데이터를 송신할 수 있다. 또한, 채널 상태는 비트 에러 확률과 큰 관련이 있고 에너지 소비에 영향을 미친다. 예를 들면, 패킷 전송이 좋지 못한 채널상태 때문에 실패할 때 그 패킷의 재전송이 요구되고 이는 추가적인 에너지를 필요로 한다. 그러므로 상태가 좋지 않은 채널을 가지는 노드가 비록 송, 수신해야할 패킷을 가지더라도 그 노드가 깨어있는 상태에서 패킷들을 송, 수신하기보다는 휴면상태로 머물러 있도록 하는 것이 더 바람직할 것이다. 즉, 휴면결정수단은 채널상태를 고려하는 것에 의해 더 개선될 수 있다.In a mobile communication system, channel gain is not a constant factor. A node with a better channel can transmit more data with a given amount of transmit energy. In addition, channel conditions are highly related to bit error probabilities and affect energy consumption. For example, when packet transmission fails due to poor channel conditions, retransmission of the packet is required, which requires additional energy. Therefore, even if a node having a bad channel has packets to be transmitted and received, it may be preferable to keep the node asleep rather than transmitting and receiving packets in the awake state. That is, the dormancy determining means can be further improved by considering the channel condition.

5) 잔여 에너지5) residual energy

한정된 배터리 용량을 가지고 작동하는 노드는 한정된 수명을 가진다. 송, 수신되는 전체 데이터 량이 중요한 어떤 노드에서는 수명은 중요한 요소가 아닐 수 있다. 그러나 센서 네트워크들에서와 같이 같은 공동의 목적을 가지는 노드라면 어느 한 노드의 수명의 끝이 전체 네트워크의 수명의 끝을 의미하므로 매우 중요한 요소가 될 수 있다. 또한, 무선 애드혹 네트워크에서와 같이, 노드들이 라우팅 및 노드들과 노드들을 연결하는 의무를 가진다면, 한 노드의 죽음은 그 네트워크의 토폴로지(topology)와 연결성의 변경을 의미한다. 에너지 효율의 관점으로부터, 휴면결정수단은 노드가 충분한 에너지를 가지고 있지 않을 때 휴면확률을 증가시키는 것에 의해 노드의 수명을 연장하여야 한다.Nodes operating with limited battery capacity have a limited lifetime. For some nodes, where the total amount of data sent and received is important, lifespan may not be an important factor. However, for nodes with the same common purpose as in sensor networks, the end of the life of any one node can be a very important factor. Also, as in a wireless ad hoc network, if nodes have a duty to route and connect nodes to nodes, the death of one node means a change in the topology and connectivity of that network. From an energy efficiency point of view, the dormancy determining means should extend the life of the node by increasing the dormancy probability when the node does not have enough energy.

아래의 식들에서, n은 임의의 기여 확률의 가중치 요소를 나타내는 것으로 그 개수는 1≤n≤N이고, UPn은 가중치 요소 n이 가지는 최대 측정치, LOWn은 가중치 요소 n이 가지는 최소측정치, Wn은 가중치 요소 n의 확률에 대한 기여 가중치, Wtotal은 전체 가중치 요소의 확률에 대한 가중치의 합, Pbase는 기준확률, N은 가중치 요소의 전체 개수라 하면, 가중치 요소 n의 가능한 최대 기여확률 Yn은,In the following equations, n represents a weight factor of any contribution probability, the number of which is 1≤n≤N, UP n is the maximum measure of the weighting factor n, LOW n is the minimum measure of the weighting factor n, W where n is the contribution weight for the probability of the weighting factor n, W total is the sum of the weights for the probabilities of the total weighting factors, P base is the reference probability, and N is the total number of weighting factors. Y n is

Figure 112005064518508-pat00014
이 되고, 따라서
Figure 112005064518508-pat00014
Becomes and thus

Figure 112005064518508-pat00015
이 된다.
Figure 112005064518508-pat00015
Becomes

Vn을 가중치 요소 n의 측정치라 하고, 그 가중치 요소 n의 기여확률을 Pn이라 하면, Vn과 Yn을 이용한 Pn의 계산에는 2가지 방식이 있다. 만약 기여확률이 Vn과 같이 증가하여 커지게 되면 Pn은, If V n is a measurement of the weight factor n and the contribution probability of the weight factor n is P n , there are two methods for calculating P n using V n and Y n . If the contribution probability increases with V n and increases, P n is

Figure 112005064518508-pat00016
로 계산된다.
Figure 112005064518508-pat00016
Is calculated.

한편, 대기열에 넣어진 패킷들의 수, 채널의 상태, 잔여 에너지의 양과 같은 요소들의 경우, 그 요소의 보다 높은 값은 기여확률은 보다 작아져야함을 의미한다. 그러면 Pn은,On the other hand, in the case of factors such as the number of queued packets, the state of the channel, and the amount of energy remaining, a higher value of that element means that the contribution probability should be smaller. P n is then

Figure 112005064518508-pat00017
와 같이 계산된다.
Figure 112005064518508-pat00017
Is calculated as

결국, 휴면확률 Psleep는,After all, the sleep probability P sleep is

Figure 112005064518508-pat00018
와 같이 계산된다.
Figure 112005064518508-pat00018
Is calculated as

각 노드는 이 휴면확률을 이용해 영속 테스트(persistent test)를 수행한다. 이 과정은 ATIM 윈도우 동안 영속 테스트를 통과할 때까지, 노드가 ATIM 프레임을 수신할 때마다 반복된다.Each node uses this dormant probability to perform a persistent test. This process is repeated each time the node receives an ATIM frame, until it passes the persistence test during the ATIM window.

예를 들어, 휴면확률이 결정되면 노드는 0과 1 사이의 난수를 발생시키고, 발생된 난수를 휴면확률과 비교하여, 발생된 난수가 휴면확률보다 작거나 같으면 휴면상태로 결정한다. 이 경우, 수신해야할 데이터가 있더라도 그 노드는 ATIM-SACK를 브로드캐스팅하고, 해당 비콘 간격동안 휴면한다.For example, when the sleep probability is determined, the node generates a random number between 0 and 1, and compares the generated random number with the sleep probability. If the generated random number is less than or equal to the sleep probability, the node determines a sleep state. In this case, even if there is data to be received, the node broadcasts the ATIM-SACK and sleeps for the corresponding beacon interval.

발생된 난수가 휴면확률보다 크면 깨어있는 상태 즉, 유휴상태를 유지하고, 데이터를 송, 수신하기 위해 다른 노드들과 경쟁한다.If the generated random number is greater than the dormancy probability, it stays awake, ie idle, and competes with other nodes to send and receive data.

본 발명에서, 휴면확률이 0이 되는 경우 IEEE 802.11 절전모드와 같이 동작하며, 휴면확률이 1에 가까울수록 해당 프레임에서 휴면상태에 있을 확률이 커진다.In the present invention, when the dormancy probability becomes 0, it operates in the same manner as the IEEE 802.11 power saving mode, and the closer the dormancy probability is to 1, the greater the probability of being in the dormant state in the corresponding frame.

노드는 한 윈도우동안 0 또는 1이상의 ATIM-SACK와 많아도 1개의 ATIM-ACK를 보낼 수 있다. 예를 들면, 도 2에서, 노드B는 1개의 ATIM-SACK과 1개의 ATIM-ACK 프레임을 보낸다. ATIM-ACK 프레임을 보낸 노드는 남아있는 비콘 간격동안 깨어있는 상태로 있어야 된다.A node can send zero or more ATIM-SACKs and at most one ATIM-ACK during a window. For example, in FIG. 2, NodeB sends one ATIM-SACK and one ATIM-ACK frame. The node sending the ATIM-ACK frame must remain awake for the remaining beacon intervals.

상기와 같은 기본 확률근거 절전모드에서, 대기열에 넣어진 패킷의 수가 UPqueue로 나타낸 상한을 초과할 때 ATIM 프레임의 긴급 필드에 긴급 비트를 설정한다. 긴급 비트는 1로 설정하고, 긴급이 아닌 경우에는 0으로 설정할 수 있고, 그 반대로도 설정할 수 있다.In the basic probabilistic basis power saving mode as described above, an emergency bit is set in an emergency field of an ATIM frame when the number of queued packets exceeds an upper limit indicated by an UP queue . The emergency bit can be set to 1, and can be set to 0 if it is not an emergency and vice versa.

이상, 본 발명에 따른 기본 확률근거 절전모드를 설명하였다.In the above, the basic probability basis power saving mode according to the present invention has been described.

다음으로, 본 발명에 따른 적응 확률근거 절전모드를 설명한다.Next, the adaptive probability basis power saving mode according to the present invention will be described.

앞에서 설명한 기본 확률근거 절전모드에서는 기준확률을 특정 값으로 고정한다. 하지만, 통신 시작 전에 노드의 트래픽 부하와 휴면경향을 예측하기는 어렵다. 따라서 노드에 적절한 고정된 기준확률을 결정하는 것은 쉽지 않다. 뒤에서 설명되는 시뮬레이션 결과는 패킷 지연과 에너지 소비는 기준확률에 강하에 영향을 받는 것을 나타낸다. 기본 확률근거 절전모드는 통신상태에 따라 적응적으로 조정하는 것에 의해 개선될 수 있다.In the basic probabilistic basis power saving mode described above, the reference probability is fixed to a specific value. However, it is difficult to predict the traffic load and dormancy trend of a node before starting communication. Therefore, it is not easy to determine the fixed reference probability appropriate for the node. Simulation results described later show that packet delay and energy consumption are affected by a drop in baseline probability. The default probabilistic power saving mode can be improved by adaptively adjusting according to communication conditions.

본 발명은 지연제한을 만족하면서도 에너지 효율과 처리량의 면에서 성능이 좋은 적응 확률근거 절전모드를 제공한다. 적응 확률근거 절전모드에서, 기준확률은 패킷지연 등에 따라 조정된다. 이렇게 조정되는 기준확률을 이 명세서에서는 가변기준확률로 칭한다. 서비스의 질(Quality of Service, QoS)을 보장하기 위한 지연경계를 DB라 하면, 지연경계는 다중 클래스들을 가지는 시스템에서 각 트래픽 클래스를 위해 별도로 주어질 수 있다. 지연경계 DB와 관련하여, 두 매개변수 λ1과 λ2가 있다. 이들은 0 < λ1 < λ2 < 1의 관계가 있다.The present invention provides an adaptive probabilistic basis power saving mode that satisfies the delay limit and has good performance in terms of energy efficiency and throughput. Adaptive Probability Basis In power saving mode, the reference probability is adjusted according to packet delay or the like. The reference probability adjusted in this way is referred to as a variable reference probability in this specification. If the delay boundary for guaranteeing the quality of service (QoS) is D B , the delay boundary may be given separately for each traffic class in a system having multiple classes. Regarding the delay boundary D B , there are two parameters λ 1 and λ 2 . These have a relationship of 0 <lambda 1 <lambda 2 <1.

λ1은 지연경계를 바탕으로 목표 지연 값을 설정하기 위한 변수이다. 예를 들어, 최대 허용되는 지연이 100㎳인 상태에서 평균 지연의 목표치를 70㎳으로 잡았다면 λ1은 0.7이 된다.λ 1 is a variable for setting a target delay value based on a delay boundary. For example, λ 1 becomes 0.7 if the target value of the average delay is set to 70 ms while the maximum allowable delay is 100 ms.

λ1DB는 가변기준확률을 조정하기 위한 문턱 값(threshold value)으로 사용되며 바람직한 목표 지연 값을 의미한다.λ 1 D B is used as a threshold value for adjusting the variable reference probability and indicates a desired target delay value.

여기에서, 각 패킷의 지연은 그 상층(upper layer)에서 측정될 수 있기 때문에, 측정된 패킷지연은 교차 레이어 접근(cross-layer approach)을 이용하여 그 상층으로부터 얻을 수 있는 것으로 가정한다.Here, since the delay of each packet can be measured at its upper layer, it is assumed that the measured packet delay can be obtained from its upper layer using a cross-layer approach.

노드는 패킷을 수신할 때마다 바람직한 목표 지연과 수신된 패킷 지연 간의 차이를 계산한다. 수신된 패킷의 측정된 지연을 d로 나타내면, 지연차이 δ는,Each time a node receives a packet it calculates the difference between the desired target delay and the received packet delay. If the measured delay of the received packet is represented by d, then the delay difference δ is

Figure 112005064518508-pat00019
이 된다.
Figure 112005064518508-pat00019
Becomes

그런 다음, 노드는 아래의 식 (7)을 이용해 지연 차이의 지수적 변화 평균을 계산한다.The node then computes the average of the exponential changes in the delay differences using equation (7) below.

Figure 112005064518508-pat00020
Figure 112005064518508-pat00020

여기에서, Δnew와 Δold는 각각 지연 차이의 지수적 변화 평균의 갱신 값 및 이전 값이다. 새로운 ATIM 프레임이 수신될 때마다, 노드는 이전 가변기준확률에 ρΔnew를 더하는 것에 의해 가변기준확률을 변화시킨다.Here, Δ new and Δ old are the update value and the previous value of the exponential change average of the delay difference, respectively. Each time a new ATIM frame is received, the node changes the variable reference probability by adding ρΔ new to the previous variable reference probability.

즉, 가변기준확률 Pvbase는,That is, the variable reference probability P vbase is

Figure 112005064518508-pat00021
와 같이 된다. 여기에서 Ppvbase는 이전의 가변기준확률 값이다. ρ는 Δnew에 적절한 변화를 가하기 위한 계수(coefficient)로서 네트워크 설계자가 구축하고자하는 네트워크의 여건에 따라 결정할 수 있다.
Figure 112005064518508-pat00021
Becomes Where P pvbase is the previous variable reference probability value. ρ is a coefficient for applying an appropriate change to Δ new and can be determined according to the network conditions that the network designer wants to build.

한편, 지연경계와 관련된 다른 매개변수 λ2는 긴급 비트의 설정에 이용된다. 즉, 이 λ2는 지연이 너무 커져서 긴급 비트를 설정해야할 지연을 설정하기 위한 변수로서, 예를 들어 최대 허용되는 지연이 100㎳인 상태에서 90㎳를 넘으면 긴급 비트를 설정하고자 할 때, λ2는 0.9가 된다.On the other hand, another parameter λ 2 related to the delay boundary is used for setting the emergency bit. That is, this lambda 2 is a variable for setting a delay at which the emergency bit should be set because the delay is too large. For example, when lambda 2 is set when the maximum allowable delay exceeds 90 ms, the maximum allowable delay is 100 ms. Becomes 0.9.

큐(queue)에 있는 헤드 오브 라인 패킷(head-of-line packet)이 λ2DB를 초과하거나 대기열에 넣어진 패킷의 수가 UPqueue보다 클 때, 그 노드는 ATIM 프레임에 긴급 필드를 1로 설정함으로 써 목적노드를 깨운다.When a head-of-line packet in the queue exceeds λ 2 D B or the number of queued packets is greater than the UP queue , the node sets the emergency field to 1 in the ATIM frame. Wake the destination node by setting

여기에서는 패킷지연을 가변기준확률의 변화에 반영하는 것을 살펴보았지만 대기열에 넣어진 패킷의 수, 경쟁 노드의 수, 채널 조건, 잔여 에너지 등의 다른 요소들도 같은 방식으로 가변기준확률의 변화에 각각 또는 추가적으로 반영될 수 있으며, 어느 요소들을 가변기준확률의 변화에 반영할 것인가는 해당 네트워크의 특성이나 여건에 따라 결정된다.Although we have shown that packet delay is reflected in the change in variable reference probability, other factors, such as the number of queued packets, the number of contention nodes, channel conditions, and residual energy, are also applied to the change in variable reference probability. Alternatively, it may be additionally reflected, and which factors are reflected in the change in the variable reference probability is determined by the characteristics or conditions of the network.

상기와 같은 본원 발명의 동작과정을 도 2를 참조하여 정리하면 다음과 같 다.The operation process of the present invention as described above is summarized with reference to FIG.

도 2는 본 발명에 따른 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법을 설명하기 위한 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a power saving method of a wireless mobile communication node based on a probability according to the present invention.

먼저, 비콘 간격 초기에 깨어있는 상태에서 노드는 ATIM 프레임을 수신한다(단계 1). ATIM 프레임에는 노드가 그 비콘 간격동안 수신해야할 데이터가 있는지에 대한 정보를 가지고 있다.First, in the waking state at the beginning of the beacon interval, the node receives an ATIM frame (step 1). The ATIM frame contains information about whether there is data that the node should receive during the beacon interval.

그런 다음 수신한 ATIM 프레임으로부터 수신해야 될 데이터가 있는지를 판단한다(단계 2).Then, it is determined whether there is data to be received from the received ATIM frame (step 2).

판단결과 수신할 데이터가 없으면 해당 비콘 간격동안 휴면(sleep)하기로 결정한다(단계 3).As a result of the determination, if there is no data to be received, it is determined to sleep for the corresponding beacon interval (step 3).

판단결과 수신할 데이터가 있으면 ATIM 프레임의 긴급 필드에 긴급 비트가 있는지를 판단한다(단계 4).As a result of the determination, if there is data to be received, it is determined whether there is an emergency bit in the emergency field of the ATIM frame (step 4).

ATIM 프레임에 긴급 비트가 있는 경우 유휴(idle) 상태로 있을 것으로 결정한다(단계 5).If there is an emergency bit in the ATIM frame, it is determined to be idle (step 5).

ATIM 프레임에 긴급 비트가 없는 경우 위에서 설명한 바와 같은 방법으로 휴면확률을 계산한다(단계 6). 물론, 경우에 따라 단계 4와 5를 생략하고 단계 2의 판단결과 수신할 데이터가 없으면 바로 단계 6을 실행할 수도 있다. 이는 네트워크 설계자가 네트워크의 여건에 따라 결정할 문제이다.If there is no emergency bit in the ATIM frame, the sleep probability is calculated in the manner described above (step 6). Of course, in some cases, steps 4 and 5 may be omitted, and if there is no data to be received as a result of the determination of step 2, step 6 may be immediately performed. This is a problem for the network designer to decide according to the network conditions.

휴면확률 계산방식에는 앞에서 언급한 바와 같이 기본 확률근거 절전모드 방식과 적응 확률근거 절전모드 방식의 2가지 방식이 있는데, 네트워크 상황을 고려 하여 네트워크 설계자가 선택할 수 있다.As mentioned above, there are two methods of calculating the probability of dormancy, the basic probability-based power saving mode and the adaptive probability-based power saving mode.

그리고 0과 1 사이의 난수를 발생시킨다(단계 7). 경우에 따라 난수의 범위는 조정할 수 있다.And generate a random number between 0 and 1 (step 7). In some cases, the range of random numbers can be adjusted.

계산한 휴면확률과 난수를 비교한다(단계 8).Compare the calculated dormancy probability with the random number (step 8).

비교결과 발생된 난수가 휴면확률보다 작거나 같다면 해당 비콘 간격동안 휴면할 것으로 결정한다(단계 9).If the random number generated as a result of the comparison is less than or equal to the dormancy probability, it is decided to sleep during the beacon interval (step 9).

비교결과 발생된 나수가 휴면확률보다 크다면 유휴 상태로 결정한다(단계 10).If the resulting number is greater than the dormancy probability, the idle state is determined (step 10).

위에서 기술한 내용을 토대로 하여 시뮬레이션해본 내용을 설명하면 다음과 같다.Based on the above description, the simulation is as follows.

[시뮬레이션 예][Simulation example]

1) 시뮬레이션 모델1) Simulation Model

본 발명자는 네트워크 시뮬레이터(network simulator-2)를 사용하여 IEEE 802.11 절전모드와 본 발명에 따른 확률근거 절전모드에 따라 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에서, 비콘 간격은 100㎳로 하고 ATIM 윈도우의 크기는 20㎳로 고정하였다. 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전모드를 위해 ATIM 프레임에 추가된 비트들은 5비트인 데, 이들 중 4비트는 대기열에 넣어진 패킷들의 수를 위한 것이고 나머지 1비트는 긴급 필드를 위한 것이다. 모든 노드들은 300J의 초기 에너지를 가진다. 전송(transmission), 수신(receiving), 유휴(idle) 및 휴면(sleep) 상태에서 한 노드의 소비에너지는 각각 1340mW, 786mW, 739mW 및 47mW이다. 초기 설정에서, 모든 노드들은 측면의 길이가 70m인 사각의 영역 내에 무작위로 분포된다. 각 노드는 두 UDP(user datagram protocol) 데이터 연결들을 가지며 한 연결을 위해 100㎳마다 1 패킷을 발생시키고 다른 연결을 위해 300㎳마다 1 패킷을 발생시킨다. 패킷의 크기는 100bytes와 같이 고정되므로, 이들은 각각 8kbps 및 3/8kbps의 일정한 비트 레이트(bit rate) 트래픽들에 대응된다. 여기에서 언급되지 않는 매개변수는 네트워크 시뮬레이터에서 IEEE 802.11의 기본 세팅 값을 가진다. 휴면확률 계산에 있어서, 대기열에 넣어진 패킷들의 수, 경쟁 수, 채널 상태 및 잔여 에너지의 4요소들이 고려되었다. 이 요소들의 공칭의 값은 표1.에 나타내었다.The inventor performed the simulation according to the IEEE 802.11 power saving mode and the probability-based power saving mode according to the present invention using a network simulator-2. In the simulation, the beacon spacing was 100 ms and the size of the ATIM window was fixed at 20 ms. The bits added to the ATIM frame for the probabilistic power saving mode according to the present invention are 5 bits, 4 bits of which are for the number of queued packets and 1 bit for the emergency field. All nodes have an initial energy of 300J. The energy consumption of one node in transmission, receiving, idle and sleep states is 1340mW, 786mW, 739mW and 47mW, respectively. In the initial setup, all nodes are randomly distributed in a rectangular area with a side length of 70 m. Each node has two user datagram protocol (UDP) data connections, generating one packet every 100 ms for one connection and one packet every 300 ms for another. Since the size of the packet is fixed as 100 bytes, they correspond to constant bit rate traffics of 8 kbps and 3/8 kbps, respectively. Parameters not mentioned here have default settings of IEEE 802.11 in the network simulator. In calculating the sleep probability, four factors were considered: number of queued packets, number of races, channel state and residual energy. The nominal values of these elements are shown in Table 1.

표1.Table 1.

요소(factor)Factor 가중치(weight)Weight 하한치Lower limit 상한치Upper limit 대기열에 넣어진 패킷의 수The number of packets queued 0.40.4 00 5-155-15 경쟁수Competitor 0.40.4 00 100100 수신된 신호의 파워Power of the received signal 0.20.2 0 mW0 mW 0.005 mW0.005 mW 잔여 에너지Residual energy 0.40.4 0 J0 J 300J300 J

채널 상태를 위해, 수신된 신호의 파워가 사용되며 교환한 ATIM 프레임으로부터 측정되어진다. 잔여 에너지는 초기 에너지의 반이 되었을 때부터 고려하였다. 본 발명의 적응 확률근거 절전모드에만 사용된 매개변수의 값들은 DB = 300㎳, λ1 = 0.5, λ2 = 0.8, α = 0.5 및 ρ = 0.1로 주어진다.For channel conditions, the power of the received signal is used and measured from the exchanged ATIM frame. The remaining energy was taken into account since it was half the initial energy. The values of parameters used only in the adaptive probabilistic basis power saving mode of the present invention are given by D B = 300 ms, λ 1 = 0.5, λ 2 = 0.8, α = 0.5 and ρ = 0.1.

2) 시뮬레이션 결과2) Simulation result

도 3a ~ 도 3c는 노드의 수가 12일 때의 기준확률에 따른 확률근거 절전모드의 성능을 나타낸 그래프이다.3A to 3C are graphs showing the performance of the probability-based power saving mode according to the reference probability when the number of nodes is 12. FIG.

네트워크의 수명은 시뮬레이션 시작 시간으로부터 에너지가 다한 첫 번째 노드가 나올 때까지로 정의하였다. 도 3a ~ 도 3c에 나타낸 바와 같이 기준확률과 대기열에 넣어진 패킷 수의 상한치 둘 모두 기준확률에 따른 확률근거 절전모드의 성능에 중요한 영향을 미친다. 기준확률 Pbase와 대기열에 넣어진 패킷의 수의 상한치 UPqueue가 커질수록 그 네트워크의 수명은 길어지고 비트당 에너지 소비는 줄어듦에 반하여 패킷지연은 증가한다. 이는 지연성능과 에너지 효율 간의 교환이 있음은 의미한다. 그러므로 우리는 통신 상태에 잘 맞는 기준확률을 선택할 필요가 있다.The lifetime of the network is defined as the time from the start of simulation until the first node runs out of energy. As shown in FIGS. 3A to 3C, both the reference probability and the upper limit of the number of queued packets have a significant effect on the performance of the probability-based power saving mode according to the reference probability. Based on the probability P base and the lower the upper limit number of UP packets in the queue grows put in a queue, the life of the network is, the longer bit per energy consumption packet delay is increased as opposed to shrink. This means that there is an exchange between delay performance and energy efficiency. Therefore, we need to choose a standard probability that is well suited to the communication conditions.

도 4a ~ 도 4c는 IEEE 802.11 절전모드, 본 발명의 기본 확률근거 절전모드, 본 발명의 적응 확률근거 절전모드의 성능 비교결과를 나타낸 그래프이다.4A to 4C are graphs showing performance comparison results of an IEEE 802.11 power saving mode, a basic probability based power saving mode of the present invention, and an adaptive probability based power saving mode of the present invention.

도 4a ~ 4c에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전모드들은 처리량 및 에너지 효율에 있어서 IEEE 802.11 절전모드보다 나은 성능을 제공한다. 하지만, 본 발명에 따른 절전모드들은 IEEE 802.11 절전모드보다 큰 패킷지연을 가진다. 본 발명에 따른 절전 모드들에서는 수신하기 위한 패킷이 있을 때에도 그 노드가 휴면할 수 있기 때문에 지연이 길어지는 것은 자연스러운 것이다. 그러나 본 발명에 따른 적응 확률근거 절전모드에서, 패킷 지연은 시뮬레이션에서 150㎳로 주어진 바람직한 목표 지연 값을 초과하지 않는다. 다시 말하면, 본 발명 에 따른 적응 확률근거 절전모드는 주어진 지연 제한 하에서 IEEE 802.11 절전모드보다 많은 에너지 절감과 높은 처리량을 제공한다. 적응 확률근거 절전모드는 시간에 따라 변하는 통신환경 하에서 지연제한을 만족하면서 처리량 성능과 에너지 효율을 개선하도록 고안되었다.As can be seen in FIGS. 4A-4C, the power saving modes based on the probabilities of the present invention provide better performance than the IEEE 802.11 power saving mode in throughput and energy efficiency. However, the power saving modes according to the present invention have a larger packet delay than the IEEE 802.11 power saving mode. In the power saving modes according to the present invention, the delay is natural because the node may sleep even when there is a packet to receive. However, in the adaptive probabilistic power saving mode according to the present invention, the packet delay does not exceed the desired target delay value given by 150 ms in the simulation. In other words, the adaptive probabilistic power saving mode according to the present invention provides more energy savings and higher throughput than the IEEE 802.11 power saving mode under a given delay limit. Adaptive Probabilistic Basis Power Saving Mode is designed to improve throughput performance and energy efficiency while satisfying delay limit under time varying communication environment.

많은 다른 절전방법들에서는 오직 목적지로 향하는 패킷의 존재 그 자체만을 고려하였지만, 본 발명에 따른 확률근거 절전모드에서는 그 노드를 목적지로하는 패킷이 있더라도 그 노드는 휴면확률을 이용해 네트워크 인터페이스를 끌 수 있다. 휴면확률은 휴면확률에 영향을 미치는 다양한 요소들을 고려하여 계산되어진다. 이러한 요소들이 어떻게 휴면확률을 변경시키는지에 대해서는 위에서 기술하였다.Many other power saving methods only consider the existence of a packet destined for the destination, but in the probabilistic basis power saving mode according to the present invention, even if there is a packet destined for the node, the node can turn off the network interface using the sleep probability. . The dormancy probability is calculated by considering various factors that influence the dormancy probability. How these factors change the dormancy probability is described above.

이상 설명한 본 발명은 무선랜 카드나 센서 네트워크 기기를 이용하는 무선이동통신분야에 가장 적합하게 적용될 수 있다.The present invention described above can be most suitably applied to the field of wireless mobile communication using a wireless LAN card or a sensor network device.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전방법은 오직 패킷의 존재 여부만으로 휴면여부를 결정하는 종래의 방식에 비해 데이터 처리량이 많고 에너지 효율도 뛰어나다.As described above, the power saving method based on the probability according to the present invention has more data throughput and energy efficiency than the conventional method of determining whether to sleep only by the presence of a packet.

특히, 본 발명의 적응 확률근거 절전방법은 지연 제한을 만족하면서도 데이터 처리량 및 에너지 효율면에서 IEE 802.11 절전모드에 비해 뛰어나다.In particular, the adaptive probabilistic power saving method of the present invention is superior to the IEE 802.11 power saving mode in terms of data throughput and energy efficiency while satisfying the delay limit.

이에 따라, 본원 발명을 이용하는 경우 네트워크의 수명향상 및 데이터 처리성능 향상을 기대할 수 있다.Accordingly, when using the present invention it can be expected to improve the life of the network and improve the data processing performance.

Claims (8)

확률에 근거한 배터리 전력소비 절감을 위한 무선이동통신 노드의 절전방법에 있어서,In the power saving method of a wireless mobile communication node for reducing battery power consumption based on probability, 수신되는 ATIM프레임의 정보로부터 수신해야할 데이터가 있는지 판단하는 제 1판단단계;A first determination step of determining whether there is data to be received from the information of the received ATIM frame; 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 없으면 상기 노드가 휴면상태로 들어가도록 하는 휴면결정단계; 및A sleep determination step of causing the node to enter a sleep state if there is no data to receive as a result of the determination of the first determination step; And 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 있으면 상기 노드의 휴면확률을 계산하고 상기 계산된 휴면확률에 따라 상기 노드의 휴면여부를 결정하는 휴면여부결정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.And a dormancy determination step of calculating a dormancy probability of the node if there is data to be received as a result of the determination of the first determination step and determining whether or not the node is dormant based on the calculated dormancy probability. Power saving method of wireless mobile communication node. 제 1항에 있어서, 상기 휴면여부결정단계는 난수를 발생시키고 상기 발생된 난수가 상기 계산된 휴면확률보다 작거나 같으면 휴면상태로 들어가도록 하고 상기 난수가 상기 계산된 확률보다 크면 유휴상태로 있도록 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.The method according to claim 1, wherein the dormancy determination step generates random numbers and enters a dormant state if the generated random number is less than or equal to the calculated dormancy probability and remains idle if the random number is greater than the calculated probability. Probability-based Wireless Mobile Nodes. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 휴면확률은 기준확률을 산출하고 상기 산출된 기준확률에 상기 노드를 목적지로 하는 패킷의 수, 패킷 지연, 경쟁 수, 채 널 상태, 잔여 에너지량 중 하나 이상을 고려한 기여확률을 더하여 산출되는 것을 특징으로 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.3. The dormant probability of claim 1 or 2, wherein the dormant probability is one of the number of packets destined for the node, the packet delay, the number of contention, the channel state, and the amount of energy remaining. A power saving method for a wireless mobile communication node based on probability, which is calculated by adding a contribution probability considering the above. 제 3항에 있어서, 상기 휴면확률은 아래의 식(1) ~ (5)에 의해 산출되는 Psleep으로, The method of claim 3, wherein the sleep probability is P sleep calculated by Equation (1) to (5) below.
Figure 112005064518508-pat00022
,
Figure 112005064518508-pat00022
,
Figure 112005064518508-pat00023
,
Figure 112005064518508-pat00023
,
Figure 112005064518508-pat00024
또는
Figure 112005064518508-pat00024
or
Figure 112005064518508-pat00025
Figure 112005064518508-pat00025
And
Figure 112005064518508-pat00026
에 의해 산출되며,
Figure 112005064518508-pat00026
Is calculated by
n은 임의의 기여 확률의 요소를 나타내는 것으로 그 개수는 1≤n≤N이고, UPn은 요소 n이 가지는 최대 측정치, LOWn은 요소 n이 가지는 최소 측정치, Wn은 요소 n의 확률에 대한 가중치, Wtotal은 전체 요소의 확률에 대한 가중치의 합, Pbase는 기준확률, N은 요소의 전체 개수, Yn은 요소 n의 가능한 최대 기여확률, Vn은 요 소 n의 측정치, Pn은 요소 n의 기여확률인 것을 특징으로 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.n represents an element of any probability of contribution, the number of which is 1≤n≤N, UP n is the maximum measurement of element n, LOW n is the minimum measurement of element n, and W n is the probability of element n Weight, W total is the sum of the weights for the probabilities of all elements, P base is the reference probability, N is the total number of elements, Y n is the maximum possible contribution probability of element n, V n is the measurement of element n, P n The power saving method of the wireless mobile communication node based on the probability, characterized in that the contribution probability of the element n.
확률에 근거한 배터리 전력소비 절감을 위한 무선이동통신 노드의 절전방법에 있어서,In the power saving method of a wireless mobile communication node for reducing battery power consumption based on probability, 수신되는 ATIM프레임의 정보로부터 수신해야할 데이터가 있는지 판단하는 제 1판단단계;A first determination step of determining whether there is data to be received from the information of the received ATIM frame; 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 없는 경우 상기 노드가 휴면상태로 들어가도록 하는 휴면결정단계;A dormancy determination step of causing the node to enter a dormant state when there is no data to receive as a result of the determination of the first determination step; 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 있는 경우 상기 수신되는 ATIM프레임의 정보로부터 휴면확률에 상관없이 상기 노드가 유휴상태를 유지할 것을 나타내는 긴급 비트가 있는지를 판단하는 제 2판단단계;A second judging step of judging whether there is an emergency bit indicating that the node is to remain idle regardless of a dormancy probability from the information of the received ATIM frame when there is data to be received as a result of the determination of the first judging step; 상기 제 2판단단계에서 긴급 비트가 있는 경우 상기 노드가 유휴상태를 유지하도록 하는 유휴결정단계; 및An idle determination step of allowing the node to remain idle when there is an emergency bit in the second determination step; And 상기 제 2판단단계에서 긴급 비트가 없는 경우 휴면확률을 계산하고, 상기 계산된 휴면확률에 따라 상기 노드의 휴면여부를 결정하는 휴면여부결정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.And calculating a dormancy probability when there is no emergency bit in the second determination step, and determining whether to sleep the node according to the calculated dormancy probability. How to save power. 제 5항에 있어서, 상기 휴면여부결정단계는 난수를 발생시키고 상기 발생된 난수가 상기 계산된 휴면확률보다 작거나 같으면 휴면상태로 들어가도록 하고 상기 난수가 상기 계산된 확률보다 크면 유휴상태로 있도록 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.6. The method according to claim 5, wherein the dormancy determination step generates random numbers and enters a dormant state if the generated random number is less than or equal to the calculated dormancy probability and remains idle if the random number is greater than the calculated probability. Probability-based Wireless Mobile Nodes. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 휴면확률은 가변기준확률을 산출하고 상기 산출된 가변기준확률에 상기 노드를 목적지로 하는 패킷의 수, 패킷 지연, 경쟁 수, 채널 상태, 잔여 에너지량 중 하나 이상을 고려한 기여 확률을 더하여 산출되는 것을 특징으로 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.The method according to claim 5 or 6, wherein the dormancy probability is calculated from a variable reference probability, and the calculated number of packets destined for the node as the destination, packet delay, contention number, channel state, and residual energy amount. A power saving method for a wireless mobile communication node based on the probability, characterized in that it is calculated by adding the contribution probability considering one or more. 제 7항에 있어서, 상기 휴면확률은 아래의 식(1) ~ (5)에 의해 산출되는 Psleep으로, The method of claim 7, wherein the sleep probability is P sleep calculated by Equations (1) to (5) below.
Figure 112006090624810-pat00046
,
Figure 112006090624810-pat00046
,
Figure 112006090624810-pat00047
,
Figure 112006090624810-pat00047
,
Figure 112006090624810-pat00029
또는
Figure 112006090624810-pat00029
or
Figure 112006090624810-pat00030
Figure 112006090624810-pat00030
And
Figure 112006090624810-pat00048
에 의해 산출되며,
Figure 112006090624810-pat00048
Is calculated by
n은 임의의 기여 확률의 요소를 나타내는 것으로 그 개수는 1≤n≤N이고, UPn은 요소 n이 가지는 최대 측정치, LOWn는 요소 n이 가지는 최소 측정치, Wn은 요소 n의 확률에 대한 가중치, Wtotal은 전체 요소의 확률에 대한 가중치의 합, Pvbase는 가변기준확률, N은 요소의 전체 개수, Yn은 요소 n의 가능한 최대 기여확률, Vn은 요소 n의 측정치, Pn은 요소 n의 기여확률이고,n represents an element of any probability of contribution, the number of which is 1≤n≤N, UP n is the maximum measurement of element n, LOW n is the minimum measurement of element n, and W n is the probability of element n Weight, W total is the sum of the weights for the probabilities of all elements, P vbase is the variable reference probability, N is the total number of elements, Y n is the maximum possible contribution probability of element n, V n is the measurement of element n, P n Is the probability of contribution of factor n, 상기 가변기준확률은 아래의 식 (6) ~ (8)에 의해 산출되는 Pvbase로서, The variable reference probability is P vbase calculated by Equations (6) to (8) below.
Figure 112006090624810-pat00032
,
Figure 112006090624810-pat00032
,
Figure 112006090624810-pat00033
Figure 112006090624810-pat00033
And
Figure 112006090624810-pat00034
에 의해 산출되고,
Figure 112006090624810-pat00034
Calculated by
DB는 서비스의 질을 보장하는 지연경계 값, λ1DB는 문턱 값으로 바람직한 지연 값이고, d는 수신된 패킷의 측정된 지연 값, δ는 지연차이, Δnew는 지연차이의 지수적변화평균, Δold는 이전의 지수적 변화평균, ρ는 시스템에 따라 Δnew를 변화시키기 위한 계수(coefficient), λ1은 목표지연 값을 설정하기 위한 매개변수, Ppvbase는 이전의 가변기준확률 값, α는 이전 값과 현재 값을 얼마의 비율로 평균을 낼지를 정하는 수치인 것을 특징으로 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.D B is a delay boundary value that guarantees the quality of service, λ 1 D B is a threshold value, which is a desirable delay value, d is a measured delay value of a received packet, δ is a delay difference, and Δ new is an exponential value of the delay difference. Change average, Δ old is the previous exponential change average, ρ is the coefficient to change Δ new according to the system, λ 1 is the parameter to set the target delay value, P pvbase is the previous variable reference probability A value, α is a value for determining the ratio of the previous value and the current value by the ratio of the power saving method of the wireless mobile communication node, characterized in that the probability.
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