KR100892321B1 - Communication method in the sensor network using variable duty-cycle scheme - Google Patents

Communication method in the sensor network using variable duty-cycle scheme Download PDF

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Abstract

본 발명은 센서 네트워크상에서 수행되는 통신 방법을 개시한다. 본 발명은 통신에 참여하는 센서 노드들의 듀티 사이클을 증가시키고, 통신에 참여하지 않는 노드들의 듀티 사이클을 감소시킴으로써 전송 지연과 에너지 소모의 문제를 모두 해결할 수 있는 효과가 있다. 본 발명은 노드가 통신에 참여하지 않는 시간이 길어질수록, 주기적으로 활성 상태에 진입하는 시간 주기인 사이클 시간을 최대 사이클 시간까지 점차적으로 연장시킴으로써 불필요한 활성 구간이 감소되어 에너지 소모를 줄일 수 있을 효과가 있을 뿐만 아니라, 통신에 참여하는 시간 동안에서는 사이클 시간을 대폭 단축시킴으로써 고정된 스케줄로 동작하는 방식보다 전송 지연을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 싱크(sync) 패킷에 통신 여부를 나타내는 통신 비트를 삽입하고, 싱크 패킷을 수신한 노드는 통신 비트가 설정되지 않은 경우에는 싱크 패킷을 수신하기 위한 시간 구간이 경과되면 즉시 비활성 구간으로 진입하고, 통신 비트가 설정된 경우에만 전송 요청 메시지(RTS)를 수신하기 위한 시간 구간을 활성 구간으로 확장하도록 한다. 따라서 이 방식에 의하면 통신이 수행되지 않는 경우에는 전송요청메시지를 수신하기 위한 시간 구간 동안의 에너지 소모를 감소시킬 수 있어 센서 노드의 전체 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention discloses a communication method performed on a sensor network. The present invention has the effect of solving both the problem of transmission delay and energy consumption by increasing the duty cycle of the sensor nodes participating in the communication, and reducing the duty cycle of the nodes not participating in the communication. According to the present invention, the longer the time the node does not participate in communication, the longer the cycle time, which is a period of time periodically entering the active state, is gradually extended to the maximum cycle time, thereby reducing unnecessary energy consumption and reducing energy consumption. In addition, there is an effect that the transmission delay can be reduced during the time to participate in communication by drastically shortening the cycle time than the operation of a fixed schedule. In addition, the present invention inserts a communication bit indicating whether or not to communicate with the sync packet, the node receiving the sync packet is immediately inactive if the time interval for receiving the sync packet elapses when the communication bit is not set In this case, the time interval for receiving the transmission request message (RTS) is extended to the active interval only when the communication bit is set. Therefore, according to this method, when communication is not performed, energy consumption during a time interval for receiving a transmission request message can be reduced, thereby extending the overall life of the sensor node.

Description

가변 듀티 사이클을 이용한 센서 네트워크상의 통신 방법{Communication method in the sensor network using variable duty-cycle scheme}Communication method in the sensor network using variable duty-cycle scheme

도 1 은 종래기술에 따른 일반적인 센서 네트워크의 기본 개념을 설명하는 도면이다.1 is a view for explaining the basic concept of a conventional sensor network according to the prior art.

도 2는 종래의 S-MAC(Sensor-Medium Access Control) 프로토콜에 따른 데이터 통신을 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram for explaining data communication according to a conventional sensor-medium access control (S-MAC) protocol.

도 3은 S-MAC(Sensor-Medium Access Control) 프로토콜에 따라 노드들 간에 통신이 수행되는 형태를 나타낸 도면이다.3 is a diagram illustrating a form in which communication is performed between nodes according to a Sensor-Medium Access Control (S-MAC) protocol.

도 4 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 활성 구간을 변경하여 듀티 사이클을 변경함으로써 센서 네트워크상에서 통신을 수행하는 방법을 설명하는 도면이다.4 is a diagram illustrating a method of performing communication on a sensor network by changing an active period and changing a duty cycle according to a preferred embodiment of the present invention.

도 5a 내지 도 5c 는 사이클 시간을 변경하여 듀티 사이클을 변경함으로써 센서 네트워크상에서 통신을 수행하는 방법을 설명하는 도면이다.5A-5C illustrate a method of performing communication on a sensor network by changing the cycle time to change the duty cycle.

본 발명은 센서 네트워크상에서 수행되는 통신 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 센서 네트워크상의 각 노드들의 불필요한 전력 소모를 줄이고 보다 효율적으로 통신을 수행할 수 있는 센서 네트워크상의 통신 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a communication method performed on a sensor network. More particularly, the present invention relates to a communication method on a sensor network that can perform communication more efficiently and reduce unnecessary power consumption of each node on the sensor network.

일반적인 이동통신 시스템은 이동통신 단말기와 기지국간의 데이터를 송수신한다. 즉, 이동단말과 기지국은 다른 이동통신 단말기/노드를 경유하지 않고 직접 데이터를 송수신한다. 그러나 이러한 종래의 이동통신 시스템은 기지국이라는 인프라스트럭쳐에 의존하고 있으므로, 인프라스트럭쳐가 구비되지 않은 환경 및 응용분야에서는 통신을 수행할 수 없는 문제점이 있다.A general mobile communication system transmits and receives data between a mobile communication terminal and a base station. That is, the mobile terminal and the base station directly transmit and receive data without passing through other mobile communication terminals / nodes. However, since such a conventional mobile communication system depends on an infrastructure called a base station, there is a problem in that communication cannot be performed in an environment and an application area in which the infrastructure is not provided.

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 인프라스트럭쳐의 의존하지 않고 각각의 이동통신 노드들만으로 통신 네트워크를 구성하는 기술로 Ad-hoc 네트워크 방식과 센서 네트워크 방식이 개발되었다.In order to solve this problem, Ad-hoc network method and sensor network method have been developed as a technology for configuring a communication network using only mobile communication nodes without relying on infrastructure.

현재 제안되고 있는 센서 네트워크 기술의 응용 사례들은 무인 경비, 일정 지역의 또는 수역의 온도나 오염도 등의 상태를 감시하는 환경 감시, 원격 검침, 설비 감시 등 실로 다양하며, 홈 네트워크 시스템과 인터넷 망과 연동하여 동작되는 응용 사례들도 있다.Application cases of sensor network technology that are currently proposed are diverse such as unmanned security, environmental monitoring, remote meter reading, and facility monitoring to monitor the temperature or pollution level in a certain area or water area, and interwork with home network system and Internet network. There are also examples of applications that work.

도 1 은 종래기술에 따른 일반적인 센서 네트워크의 기본 개념을 설명하는 도면이다. 도 1을 참조하면, 센서 노드는 사용자가 설정한 타깃(target)에 관한 정보를 수집한다. 센서 노드가 수집하는 타깃의 정보는 주위의 온도나 물체의 이동, 지진 측정, 해일 측정, 전장의 무인 모니터링 등으로 그 응용 분야가 점점 다양해지는 추세이다.1 is a view for explaining the basic concept of a conventional sensor network according to the prior art. Referring to FIG. 1, the sensor node collects information about a target set by a user. Target information collected by sensor nodes is increasingly diversified in applications such as ambient temperature, object movement, seismic measurements, tsunami measurements, and unattended monitoring of the battlefield.

센서 노드는 수집된 정보를 싱크 노드로 전송한다. 싱크 노드는 센서 네트워 크를 구성하고 있는 센서 노드들이 전송한 데이터들을 전달받는다. 싱크 노드로부터 일정 거리 이내에 위치하고 있는 센서노드는 전송할 데이터를 직접 싱크 노드로 전달한다. 하지만, 싱크 노드로부터 일정 거리 이내에 위치하고 있지 않은 센서 노드는 수집된 데이터를 싱크 노드로 직접 전달하는 대신 싱크 노드에 인접한 센서 노드들로 전송한다.The sensor node transmits the collected information to the sink node. The sink node receives the data transmitted by the sensor nodes that make up the sensor network. The sensor node located within a certain distance from the sink node directly transmits data to be transmitted to the sink node. However, a sensor node not located within a certain distance from the sink node transmits the collected data to sensor nodes adjacent to the sink node instead of directly transferring the collected data to the sink node.

상술한 바와 같이, 일정 거리 이내에 위치하고 있지 않는 노드가 싱크 노드에 인접한 노드들을 이용하여 데이터를 전송하는 이유는 데이터 전송에 따른 전력 소모를 최소화하기 위해서이다. As described above, a node that is not located within a certain distance transmits data using nodes adjacent to the sink node in order to minimize power consumption due to data transmission.

즉, 센서 노드가 싱크 노드로 데이터를 전송하는데 소모되는 전력은 일반적으로 싱크 노드와 센서 노드간의 거리의 제곱에 비례한다. 따라서 싱크 노드로부터 일정 거리 이내에 위치하고 있지 않은 센서 노드는 복수 개의 센서 노드들을 이용하여 수집된 데이터를 전송함으로서 데이터 전송에 따른 전력소모를 최소화할 수 있게 된다. 물론, 다른 센서 노드로부터 데이터를 수신하여 싱크로 전달하는 중계 노드 역시 자신이 수집한 데이터를 다른 중계 노드를 이용하여 또는 직접 싱크 노드로 전송한다.That is, the power consumed by the sensor node to transmit data to the sink node is generally proportional to the square of the distance between the sink node and the sensor node. Therefore, the sensor node that is not located within a certain distance from the sink node can minimize the power consumption due to the data transmission by transmitting the collected data using a plurality of sensor nodes. Of course, the relay node that receives data from the other sensor node and delivers the data to the sink also transmits the data collected by the relay node to another sink node or directly.

상술한 바와 같은, 센서 네트워크에서 가장 중요한 핵심 기술은 센서 노드들 및 싱크 노드의 불필요한 전력 소모를 방지하여 네트워크의 수명을 늘리는 것이다. 각 노드들은 작은 크기 때문에 비교적 소용량의 배터리를 통해 전력을 공급받고, 또한 노드들을 설치해 놓은 지역에 따라 배터리를 교환하기 매우 어려울 수 있으므로, 전체 센서 네트워크의 수명을 연장시키기 위해서는 각 노드를 구성하는 센서들 의 전력소모를 최소화시키는 것이 필수적이다.As described above, the most important core technology in the sensor network is to prolong the life of the network by preventing unnecessary power consumption of the sensor nodes and the sink node. Because each node is powered by a relatively small battery because of its small size, it can also be very difficult to change the battery depending on the region where the nodes are installed, so to extend the life of the entire sensor network, the sensors that make up each node Minimizing power consumption is essential.

센서 네트워크의 MAC(Medium Access Control) 프로토콜은 직접 노드들의RF(Radio Frequency) 모듈의 동작을 제어하므로 MAC 프로토콜이 얼마나 효율적인지에 따라 노드들의 전력 소모에 큰 영향을 미친다.The medium access control (MAC) protocol of the sensor network directly controls the operation of the radio frequency (RF) module of the nodes, and thus, the efficiency of the nodes has a great influence on the power consumption of the nodes.

도 2는 종래의 S-MAC(Sensor-Medium Access Control) 프로토콜에 따른 데이터 통신을 설명하기 위한 도면으로, S-MAC 프로토콜은 센서 네트워크상의 보다 효율적인 통신을 위해 제안된 MAC 프로토콜의 한 형태이다.FIG. 2 is a diagram for explaining data communication according to a conventional sensor-medium access control (S-MAC) protocol. The S-MAC protocol is a form of a proposed MAC protocol for more efficient communication on a sensor network.

S-MAC 프로토콜의 가장 큰 특징은 도면에 도시된 바와 같이 주기적으로 센서 네트워크상의 노드들이 휴지(Sleep) 시간을 갖는 것이다.The biggest feature of the S-MAC protocol is that nodes on the sensor network periodically have a sleep time as shown in the figure.

센서 네트워크상의 노드들은 통신 상태를 활성(Active) 상태로 전환할 시점을 동기화하고 일정한 통신 시간(Duty Cycle) 동안만 활성 상태로 데이터 통신을 수행한다.Nodes on the sensor network synchronize the timing of switching the communication state to the active state and perform data communication in the active state only for a certain duty cycle.

그리고 노드들은 활성 상태에서 휴지 상태로 통신 상태를 전환시킨 후, 다시 활성 상태로 통신 상태가 전환될 때까지 RF 통신 모듈의 전원을 차단시켜 무의미하게 소비될 전력 낭비를 막는다.The nodes then switch the communication state from the active state to the idle state, and then cut off the power of the RF communication module until the communication state is switched back to the active state, thereby preventing wasteful power consumption.

즉, 노드들의 통신 상태가 활성 상태인 경우에는 1홉 거리인 이웃 노드로 데이터를 송신 또는 상기 이웃 노드로부터 데이터를 수신 가능한 상태인 것을 의미하며, 휴지 상태인 경우에는 데이터의 송수신을 중단한 상태인 것을 의미한다.That is, when the communication state of the nodes is active, it means that data can be transmitted or received from a neighboring node that is one hop away from the neighboring node. Means that.

도면에 도시된 바와 같이 S-MAC 프로토콜은 노드들의 통신 상태가 활성 상태로 전환된 경우, 그 활성 상태가 유지되는 시간 동안에 송신측 노드와 수신측 노드 간에 802.11 MAC 프로토콜과 유사하게 전송요청메시지(Request-To-Send: RTS), 전송허락메시지(Clear-To-Send: CTS), 데이터(DATA), ACK(Acknowledgement)메시지 순서로 신호를 교환한다.As shown in the figure, the S-MAC protocol transmits a request message similar to the 802.11 MAC protocol between the transmitting node and the receiving node during the time that the active state of the nodes is switched to the active state. -To-Send: RTS), Clear-To-Send (CTS), Data (DATA), ACK (Acknowledgement) message exchanges the order.

송신측 노드와 수신측 노드는 통신 상태가 활성 상태로 전환되면 서로SYNC(Synchronization) 신호를 주고받은 후 충돌을 피하기 위해 CSMA(Carrier Sense Multiple Access) 방식으로 약간의 연결(Connection) 시간을 기다린 후, 송신측 노드에서 수신측 노드로 RTS 신호를 전송한다.When the transmitting node and the receiving node switch to the active state, after sending and receiving the SYNNC (Synchronization) signal to each other and waiting for some connection time by the carrier sense multiple access (CSMA) method to avoid collision, The RTS signal is transmitted from the transmitting node to the receiving node.

그리고 RTS 신호를 전송받은 수신측 노드는 송신측 노드로 CTS 신호를 전송하고, 송신측 노드로부터 전송되는 데이터를 수신 받는다.The receiving node receiving the RTS signal transmits the CTS signal to the transmitting node, and receives the data transmitted from the transmitting node.

수신측 노드는 송신측 노드가 전송한 데이터를 정상적으로 수신 완료할 시에 ACK 메시지를 송신측 노드로 전송하여 정상적으로 데이터 전송이 완료되었음을 알린다.When the receiving node completes the normal reception of the data transmitted by the transmitting node, the receiving node transmits an ACK message to the transmitting node to indicate that the data transmission is normally completed.

이에 따라, 센서 네트워크상의 노드들은 도면에 도시된 바와 같이 통신 상태가 활성 상태로 전환되면 SYNC 신호를 주고받기 위한 시간과 RTS 신호를 주고받기 위한 시간을 갖는다.Accordingly, nodes on the sensor network have a time for sending and receiving a SYNC signal and a time for sending and receiving an RTS signal when the communication state is switched to an active state, as shown in the figure.

RTS 신호를 주고받기 위한 기간 동안에 RTS 신호를 수신하거나 송신한 노드들에 경우에는 CTS 신호 및 데이터 전송을 수행하는 시간(점선 박스 구간)을 가지고, 그렇지 못한 노드들에 경우에는 RTS 신호를 주고받기 위한 기간 이후에 바로 통신 상태를 휴지 상태로 전환한다.Nodes that receive or transmit the RTS signal during the period of sending and receiving the RTS signal have a time (dotted box interval) for performing the CTS signal and data transmission, and for the nodes that do not have the RTS signal, Immediately after the period, the communication state is switched to the idle state.

도 3은 S-MAC(Sensor-Medium Access Control) 프로토콜에 따라 노드들 간에 통신이 수행되는 형태를 나타낸 도면으로, S-MAC 프로토콜에 따라 이벤트를 감지한 A 노드에서 싱크 노드로 데이터를 전송하는 과정을 도시한다.FIG. 3 is a diagram illustrating communication between nodes according to a Sensor-Medium Access Control (S-MAC) protocol. A process of transmitting data from an A node that detects an event to a sink node according to the S-MAC protocol is performed. To show.

도 3 에 도시된 바와 같이, A 노드로부터 1홉 거리인 B 노드, 2홉 거리인 C 노드, 3홉 거리인 싱크 노드는 동기화되어 동일한 시점에 활성화된 통신 시간을 가지고 서로 통신을 수행하며, A 노드에서 감지된 이벤트 데이터는 A 노드의 상위 노드인 B 노드와 B 노드의 상위 노드인 C 노드를 거쳐서 싱크 노드로 전달된다.As shown in FIG. 3, the B node, which is one hop away from the node A, the C node which is two hops away, and the sink node, which are three hops away, are synchronized to communicate with each other with an active communication time at the same time. The event data detected by the node is transmitted to the sink node through node B, which is the parent node of node A, and node C, which is the node node B node.

구체적으로 설명하면, A 노드로부터 1홉 거리인 B 노드는 한 통신 주기(T)내에서 통신 상태가 활성 상태인 통신 시간동안 A 노드의 메시지를 수신 받고, 다음 통신 주기(T)의 통신 상태가 활성 상태인 때에 자신의 상위 노드인 1홉 거리의 C 노드로 RTS 신호를 전송한다. 그리고 B 노드는 C 노드로부터 CTS 신호를 전송받으면 A 노드로부터 수신된 메시지를 C 노드로 전송한다.Specifically, node B, which is one hop away from node A, receives the message of node A during the communication time in which the communication state is active within one communication period T, and the communication state of the next communication period T is When it is active, it transmits an RTS signal to a C node 1 hop away from its parent. When the B node receives the CTS signal from the C node, the B node transmits the message received from the A node to the C node.

B 노드와 마찬가지로 C 노드도 B 노드로부터 수신 받은 A 노드의 메시지를 다음 통신 주기의 통신 상태가 활성 상태인 때에 싱크 노드로 전송한다.Like node B, node C transmits the message of node A received from node B to the sink node when the communication state of the next communication period is active.

이와 같이, 센서 네트워크의 각 센서 노드들은 각 통신 주기마다 통신 상태가 활성 상태인 때에 통신을 수행하며 순차적으로 하위 노드의 메시지를 상위 노드로 전송하여 메시지를 싱크 노드로 전송하고, 이와 동일한 방식으로 싱크 노드의 메시지는 싱크 노드로부터 순차적으로 하위 노드로 전송된다.In this way, each sensor node of the sensor network performs communication at each communication period when the communication state is active, and sequentially transmits the message of the lower node to the upper node and transmits the message to the sink node. The node's messages are sent sequentially from the sink node to the lower nodes.

이에 따라, S-MAC 프로토콜에 따른 노드들 간의 통신은 통신 지연이 큰 문제가 된다. 싱크 노드와의 홉 거리가 큰 값을 갖는 노드일수록 상위 노도로부터 싱크 노드의 메시지를 수신 받거나, 싱크 노드로 메시지를 전송하는데 더 많은 통신 주 기의 시간이 걸리게 된다.Accordingly, communication delay between nodes according to the S-MAC protocol becomes a big problem. The node with a larger hop distance from the sink node takes more communication period to receive a message from the sink node or to send a message to the sink node.

이와 같은 통신 지연 문제를 해결하기 위해 센서 네트워크의 통신 주기를 단축시키는 방법을 고려해 볼 수도 있지만, 통신 주기의 단축은 각 센서 노드들의 더 많은 에너지 소모를 초래하여 배터리로 동작하는 각 노드들의 수명을 단축시키는 문제가 존재한다.In order to solve this communication delay problem, a method of shortening the communication cycle of the sensor network may be considered, but shortening the communication cycle causes more energy consumption of each sensor node, which shortens the life of each battery operated node. There is a problem.

또한, 상술한 종래의 방식은 고정된 통신 스케줄에 따라서 동작되는 문제점이 존재하였다. 즉, 기존의 방식은 송신 노드와 수신 노드의 동기화를 위해서 센서 네트워크상의 모든 노드가 동시에 활성 상태에 들어가도록 구성된다. 그러나 실제로는 센서 네트워크상의 일부 노드들만 통신에 참여하므로, 나머지 노드들은 불필요한 활동으로 에너지를 낭비하는 문제점이 존재하였다.In addition, the above-described conventional method has a problem that operates according to a fixed communication schedule. That is, the existing scheme is configured such that all nodes on the sensor network enter an active state at the same time for synchronization of the transmitting node and the receiving node. In reality, however, only some nodes on the sensor network participate in the communication, and the remaining nodes waste energy due to unnecessary activities.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 각 센서 노드들의 에너지 소모를 최소화하면서도, 각 센서 노드들 간의 통신 지연 문제를 초래하지 않는 센서 네트워크상의 통신 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a communication method on a sensor network that minimizes energy consumption of each sensor node and does not cause a communication delay problem between each sensor node.

본 발명의 구성을 설명하기에 앞서, 본 발명에서 사용되는 용어들을 정의하면 다음과 같다. Before describing the configuration of the present invention, terms used in the present invention are defined as follows.

사이클 (cycle)은 활성 구간과 비활성 구간 (sleep period)으로 구성된 주기적인 시간 간격이다. 활성 구간은 후술하는 도 4 에 도시된 바와 같이, SYNC, RTS 구간으로 나누어지며, 각 구간은 충돌을 줄이기 위한 경쟁 윈도우 (contention window)를 포함한다. A cycle is a periodic time interval consisting of an active period and a sleep period. As shown in FIG. 4 to be described later, the active section is divided into SYNC and RTS sections, and each section includes a contention window for reducing collision.

사이클 시간은 최소 사이클 시간 T의 배수로 표현되며, 최소 사이클 시간 T는 SYNC, RTS, CTS, DATA 및 ACK 패킷 교환으로 이루어지는 단일 데이터 전송을 제공할 수 있는 최소 시간이다. 최소 사이클 시간(T)은 각 패킷의 크기와 경쟁 윈도우 크기, 전송 지연 및 RF 변수들로부터 계산될 수 있다. The cycle time is expressed as a multiple of the minimum cycle time T, which is the minimum time that can provide a single data transfer consisting of SYNC, RTS, CTS, DATA and ACK packet exchanges. The minimum cycle time T can be calculated from the size of each packet and the contention window size, transmission delay and RF variables.

일반적으로 듀티 사이클은 기기 혹은 시스템이 동작하는 시간적 비율을 의미하고, 본 발명에서 듀티 사이클은 활성 구간과 전체 사이클 시간(통신 주기 시간)의 비율을 의미하며, 퍼센트로 표현이 가능하다. 예를 들어 1초의 사이클 시간을 가지는 센서 노드가 200ms 동안의 활성 구간을 가지고 800ms 동안의 비활성 구간을 가진다면 듀티 사이클은 20% 혹은 0.2가 된다.In general, the duty cycle refers to the time ratio at which the device or system operates. In the present invention, the duty cycle refers to the ratio of the active period to the total cycle time (communication cycle time), and can be expressed as a percentage. For example, if a sensor node with a cycle time of 1 second has an active period of 200 ms and an inactive period of 800 ms, the duty cycle is 20% or 0.2.

상술한 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 각 노드들이 자신의 통신 스케줄을 동적으로 제어할 수 있는 통신 방법을 제공한다. 본 발명의 기본 개념은 전송 경로상의 노드들은 높은 듀티 사이클을 가짐으로써 성능을 최대화 하고, 이외의 노드들은 낮은 듀티 사이클을 가짐으로써 에너지 소비를 최소화하는 것이다. In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a communication method in which each node can dynamically control its own communication schedule. The basic concept of the present invention is to maximize performance by having nodes on the transmission path have a high duty cycle, while minimizing energy consumption by other nodes having a low duty cycle.

이렇게 각 노드들이 통신 상태에 따라서 자신의 듀티 사이클을 적응적으로 조절할 수 있도록 하기 위해서, 본 발명은 다음의 두 가지 방식을 독립적으로 또는 서로 결합하여 이용한다. 첫째는 각 노드가 네트워크의 트래픽에 따라 스케줄의 주기를 조절할 수 있도록 하는 것이다. 즉, 노드가 통신에 참여할 때 자신의 통신 시간 주기를 단축시킴으로써 높은 듀티 사이클을 갖도록 하고, 통신에 참여하지 않는 경우 통신 시간 주기를 연장시킴으로써 낮은 듀티 사이클을 갖도록 한다. 즉 모든 노드들이 항상 동일한 시간에 활성 상태 또는 비활성 상태에 진입하지 않는다.In order to allow each node to adaptively adjust its duty cycle according to the communication state, the present invention uses the following two methods independently or in combination with each other. The first is to allow each node to adjust the schedule's cycle according to network traffic. That is, a node has a low duty cycle by shortening its communication time period when participating in communication, and extends a communication time period when not participating in communication. That is, not all nodes always enter active or inactive states at the same time.

두 번째는 각 노드들은 주기를 조절할 뿐만 아니라 트래픽에 따라 활성 구간의 길이를 조절하는 것이다. 본 발명의 송신 노드는 항상 전송을 알리기 위해 활성 구간의 초기에 통신 토큰을 브로드캐스트 한다. 통신 토큰을 수신한 노드들은 네트워크 컨트롤 패킷을 위해 자신의 활성 구간을 조절한다. 이를 통해 각 노드들은 트래픽이 없는 경우 네트워크 컨트롤 패킷을 위한 불필요한 구간을 제거하여 활성 구간을 최소화 할 수 있다. The second is that each node not only adjusts the period but also adjusts the length of the active period according to the traffic. The transmitting node of the present invention always broadcasts a communication token at the beginning of the active period to inform the transmission. Nodes receiving the communication token adjust their active duration for network control packets. Through this, each node can minimize the active period by eliminating unnecessary intervals for network control packets when there is no traffic.

이와 같은 스케줄 주기 및 활성 구간의 동적인 조절은 각 노드의 듀티 사이클을 네트워크 트래픽에 따라 절절히 제어할 수 있도록 하고, 이를 통해 전송에 참여하지 않는 비활성 노드의 에너지 소모를 최소화함과 동시에 전송에 참여하는 활성 노드의 성능을 최대화 할 수 있다.This dynamic adjustment of the schedule period and the active period allows the duty cycle of each node to be controlled in accordance with network traffic, thereby minimizing energy consumption of inactive nodes that do not participate in transmission and simultaneously participating in transmission. You can maximize the performance of the active node.

상술한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 센서 네트워크상에서 각 센서 노드들 간에 통신을 수행하는 통신 방법은, (a) 센서 노드들이 인접한 센서 노드들과의 동기화에 적합한 소정의 사이클 정렬 기준에 따라서 자신의 사이클 시간을 연장하는 단계; 및 (b) 센서 노드들이 이벤트를 감지하거나 인접한 노드로부터 메시지를 수신한 경우에, 사이클 시간을 단축하여 인접한 노드로 메시지를 전송하고, 다시 (a) 단계를 수행하는 단계를 포함한다. The communication method for performing communication between each sensor node in the sensor network of the present invention for achieving the above technical problem, (a) the sensor node is in accordance with a predetermined cycle alignment criteria suitable for synchronization with adjacent sensor nodes Extending the cycle time; And (b) when the sensor nodes detect an event or receive a message from an adjacent node, shorten the cycle time to send the message to the adjacent node, and then perform step (a) again.

또한, 상술한 (a) 단계는, 연장된 사이클 시간이, 최소 사이클 시간의 2n 배가 되도록 사이클 시간을 연장할 수 있다.In addition, in the above-described step (a), the cycle time may be extended such that the extended cycle time is 2 n times the minimum cycle time.

또한, 상술한 (a) 단계는, 사이클 시간을 연장하기 직전의 사이클 시간의 2배만큼씩 사이클 시간을 연장할 수 있다.In addition, step (a) described above may extend the cycle time by twice the cycle time immediately before extending the cycle time.

또한, 상술한 사이클 정렬 기준은, 사이클 시간을 연장하는 시간이, 연장하려는 사이클 시간의 배수가 되는 시간에만 사이클 시간을 연장할 수 있도록 할 수 있다.In addition, the above-described cycle alignment criterion may allow the cycle time to be extended only to a time in which the cycle time extension is a multiple of the cycle time to be extended.

또한, 상술한 (b) 단계는, 최소 사이클 시간으로 사이클 시간을 변경할 수 있다.In addition, in step (b) described above, the cycle time may be changed to the minimum cycle time.

또한, 상술한 (a) 단계는, 센서 노드들이 인접한 센서 노드들로부터 수신된 싱크 패킷에 포함되어 인접한 센서 노드가 전송할 메시지의 존재 여부를 나타내는 통신 비트가 설정되었는지 여부에 따라서 사이클 시간을 연장할지 여부를 결정할 수 있다.In addition, the step (a) described above, whether the sensor nodes are included in the sync packet received from the adjacent sensor nodes to extend the cycle time according to whether or not a communication bit indicating whether there is a message to be transmitted by the adjacent sensor node is set. Can be determined.

또한, 상술한 (a) 단계는, 통신 비트가 설정되지 않은 경우에, 싱크 패킷의 수신을 위한 활성 구간이 종료되는 즉시 비활성 구간으로 진입하고, 사이클 정렬 기준에 따라서 사이클 시간을 연장할 수 있다.In addition, in the above-described step (a), when the communication bit is not set, enter the inactive section as soon as the active section for receiving the sync packet is finished, it is possible to extend the cycle time according to the cycle alignment criteria.

또한, 상술한 (a) 단계는, 통신 비트가 설정된 경우에, 싱크 패킷을 전송한 송신 노드로부터 전송 요청 메시지를 수신하기 위한 시간 구간까지 활성 구간을 연장할 수 있다.In addition, in the above-described step (a), when the communication bit is set, the active period may be extended to a time interval for receiving the transmission request message from the transmitting node that sent the sync packet.

한편, 상술한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 센서 네트워크상에서 각 센서 노드들 간에 통신을 수행하는 통신 방법은, (a) 송신 노드가 전송할 메시지의 존재 여부에 따라서 싱크 패킷에 포함된 통신 비트를 설정하여 싱크 패킷을 전송하는 단계; 및 (b) 싱크 패킷을 수신한 수신 노드가 통신 비트를 조사하여 통신 비트의 설정 값에 따라서 활성 구간을 변경하는 단계를 포함한다.On the other hand, the communication method for performing communication between each sensor node on the other sensor network of the present invention for achieving the above-described technical problem, (a) a communication bit included in the sync packet according to the presence of a message to be transmitted by the transmitting node Setting and transmitting a sync packet; And (b) the receiving node receiving the sync packet and examining the communication bit to change the active period according to the setting value of the communication bit.

또한, 상술한 (a) 단계는 송신 노드가 전송할 메시지가 존재하는 경우에 통신 비트를 소정의 제 1 값으로 설정하고, 전송할 메시지가 존재하지 않는 경우에는 통신 비트를 제 1 값에 대응되는 소정의 제 2 값으로 설정하여 싱크 패킷을 전송하고, 상술한 (b) 단계는 통신 비트가 제 2 값으로 설정된 경우에, 싱크 패킷의 수신을 위한 활성 구간이 종료되는 즉시 비활성 구간으로 진입할 수 있다.In addition, step (a) described above sets the communication bit to a predetermined first value when there is a message to be transmitted by the transmitting node, and sets the communication bit to correspond to the first value when there is no message to transmit. The sync packet is transmitted by setting the second value, and in the step (b), when the communication bit is set to the second value, the sync packet may enter the inactive section as soon as the active section for receiving the sync packet ends.

또한, 상술한 (a) 단계는 송신 노드가 전송할 메시지가 존재하는 경우에 통신 비트를 소정의 제 1 값으로 설정하고, 전송할 메시지가 존재하지 않는 경우에는 통신 비트를 제 1 값에 대응되는 소정의 제 2 값으로 설정하여 싱크 패킷을 전송하고, (b) 단계는 통신 비트가 제 1 값으로 설정된 경우에, 수신 노드는 전송 요청 메시지를 수신하기 위한 시간 구간까지 활성 구간을 연장할 수 있다.In addition, step (a) described above sets the communication bit to a predetermined first value when there is a message to be transmitted by the transmitting node, and sets the communication bit to correspond to the first value when there is no message to transmit. Set the second value to transmit the sync packet, and in step (b), when the communication bit is set to the first value, the receiving node may extend the active period to a time interval for receiving the transmission request message.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 4 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 활성 구간을 변경하여 듀티 사이클을 변경함으로써 센서 네트워크상에서 통신을 수행하는 방법을 설명하는 도면이다. 4 is a diagram illustrating a method of performing communication on a sensor network by changing an active period and changing a duty cycle according to a preferred embodiment of the present invention.

도 4를 참조하여 활성 구간을 변경하여 듀티 사이클을 변경하는 과정을 설명하면, 본 발명에서는 특정 사이클에 트래픽이 없는 경우 각 노드는 자신의 활성 구간에서 불필요한 RTS 구간을 제거할 수 있도록 하였다. 이를 위해, 본 발명은 SYNC 패킷의 헤더에는 통신 비트 (communication bit)라 불리는 별도의 추가적인 비트를 삽입하였다. 통신 비트가 1 로 설정되면 SYNC 패킷을 수신한 노드들은 해당 사이클에 RTS를 수신할 수 있도록 자신의 활성 구간을 RTS 수신 구간까지 확장한다. Referring to FIG. 4, the process of changing the duty cycle by changing the active interval, according to the present invention, allows each node to remove an unnecessary RTS interval from its active interval when there is no traffic in a specific cycle. To this end, the present invention inserts a separate additional bit called a communication bit in the header of the SYNC packet. When the communication bit is set to 1, nodes receiving the SYNC packet extend their active period to the RTS receiving period so that they can receive the RTS in the corresponding cycle.

그러므로 송신 노드가 전송할 데이터 패킷이 있으면, 그 노드는 우선 통신 비트를 1로 설정하여 브로드캐스트하며, 이러한 SYNC 패킷을 클럭을 맞춰주기 위한 정기적인 SYNC인 클럭 SYNC 와 구분하기 위해 통신 SYNC라 부른다. 따라서 수신 노드는 SYNC 패킷을 확인하고 만약 통신 비트가 1로 설정되어 있다면 자신의 활성 구간을 RTS 수신 구간까지 확장한다. 통신 비트가 0이면 수신 노드들은 성능 저하 없이 낮은 듀티 사이클을 가질 수 있도록 SYNC 구간이 끝나는 즉시 비활성 상태(sleep 상태)로 진입한다.Therefore, when a transmitting node has a data packet to transmit, the node first broadcasts with the communication bit set to 1, and is called a communication SYNC to distinguish this SYNC packet from the clock SYNC which is a regular SYNC for clocking. Therefore, the receiving node checks the SYNC packet and if its communication bit is set to 1, it extends its active interval to the RTS receiving interval. If the communication bit is 0, the receiving nodes enter a sleep state immediately after the SYNC interval ends so that they have a low duty cycle without degrading performance.

이 경우, 두 가지 종류의 SYNC 패킷으로 인해 SYNC 구간에 채널 획득을 위한 경쟁이 발생할 수 있다. 클럭 동기화는 드물게 발생하므로 충돌이 발생할 확률이 낮지만, 높은 트래픽이 발생한 경우에는 최악의 경우 클럭 동기화가 실패할 수도 있다. 그러므로 본 발명은 클럭 SYNC가 통신 SYNC보다 우선순위를 가지도록 하였다.In this case, competition for channel acquisition may occur in the SYNC interval due to two types of SYNC packets. Clock synchronization occurs rarely, so collisions are unlikely, but in the worst case, clock synchronization may fail. Therefore, the present invention allows the clock SYNC to have priority over the communication SYNC.

도 4를 참조하면, 도 4의 (a) 에 도시된 통신을 수행할 송신 노드는 통신 비트가 1 로 설정된 Sync 패킷을 인접한 노드들로 전송한다(도 4 의 (a)에서 CS 는 Carrier Sense를 나타냄).Referring to FIG. 4, a transmitting node to perform communication shown in FIG. 4A transmits a Sync packet in which a communication bit is set to 1 to neighboring nodes (in FIG. 4A, a CS indicates Carrier Sense). ).

도 4 의 (b) 에 도시된 수신 노드는 송신 노드로부터 통신 비트가 1 로 설정된 Sync 패킷을 수신하고, 활성 구간을 RTS 패킷을 수신하기 위한 구간까지 확장한 후, 데이터를 수신하는 과정을 수행하지만, 도 4의 (c) 에 도시된 통신에 참여하지 않는 유휴 수신 노드는 Sync 패킷을 수신하기 위한 시간 구간동안 통신 비트가 1 로 설정된 Sync 패킷이 수신되지 않으면 곧 바로 비활성 상태로 진입한다. The receiving node shown in (b) of FIG. 4 receives the Sync packet with the communication bit set to 1 from the transmitting node, extends the active section to the section for receiving the RTS packet, and then receives the data. 4, the idle receiving node which does not participate in the communication shown in FIG. 4C immediately enters an inactive state if a Sync packet having a communication bit set to 1 is not received during a time interval for receiving the Sync packet.

도 5a 내지 도 5c 는 사이클 시간을 변경하여 듀티 사이클을 변경함으로써 센서 네트워크상에서 통신을 수행하는 방법을 설명하는 도면이다. 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 사이클 시간을 변경함으로써 듀티 사이클을 변경하는 과정을 설명하면, 본 발명에서 각 노드는 트래픽에 따라 자신의 사이클 시간을 조절할 수 있다. 이 방식은 모든 노드가 쉽게 서로 동기화할 수 있도록 사이클 시간의 조정이 필요하다. 이를 위해서, 본 발명에서 각 노드는 사이클 시간을 최소 사이클 시간 단위인 T 의 2n 배로 설정해야 하며, 각 노드의 최대 사이클 시간은 시스템 상에 구동되는 응용의 지연 요구조건에 따라 결정된다. 5A-5C illustrate a method of performing communication on a sensor network by changing the cycle time to change the duty cycle. Referring to FIGS. 5A to 5C, a process of changing a duty cycle by changing a cycle time may be performed. In the present invention, each node may adjust its cycle time according to traffic. This approach requires adjustment of cycle times so that all nodes can easily synchronize with each other. To this end, in the present invention, each node should set the cycle time to 2 n times the minimum cycle time unit T, and the maximum cycle time of each node is determined according to the delay requirement of the application running on the system.

예컨대, 도 5a 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 각 노드는 자신의 사이클 시간을 T, 2T, 4T, 8T, 16T.... 와 같이 최소 사이클 시간 단위인 T 의 2n 배로 증가시키고, 최장 사이클 시간에 도달하게 되면 최장 사이클 시간(도 5a 의 경우에는 8T)를 유지하다가, 이벤트가 발생하거나 다른 인접 노드로부터 싱크로 전송할 메시지를 수신하여 통신에 참여하게 되면 사이클 시간을 최소 사이클 시간인 T 로 단축하거나, 점차 최대 사이클 시간을 최소 사이클 시간까지 단축함으로써, 각 노드는 자신의 듀티 사이클을 통신 환경에 따라서 적응적으로 변경하여 에너지 소모를 최소화한다. 다만, 본 발명은 사이클 시간이 서로 어긋나는 것을 방지하기 위해 각 노드는 제한된 조건하에서 사이클 시간을 조절하여야 한다.For example, as shown in FIG. 5A, each node of the present invention increases its cycle time by 2 n times the minimum cycle time unit T, such as T, 2T, 4T, 8T, 16T. When the cycle time is reached, the longest cycle time (8T in FIG. 5A) is maintained, and the cycle time is reduced to T, the minimum cycle time, when an event occurs or a message is received from another neighboring node to participate in communication. Alternatively, by gradually reducing the maximum cycle time to the minimum cycle time, each node adapts its duty cycle according to the communication environment to minimize energy consumption. However, in the present invention, each node should adjust the cycle time under limited conditions in order to prevent the cycle time from shifting each other.

만약, 모든 노드가 동기화 후 시간 0일 때 동작을 시작하여 매 T 시간이 경과할 때마다 자신의 사이클 시간을 변경할 수 있다고 가정하면, 임의의 A 노드가 시간이 T의 홀수 배일 때 자신의 사이클 시간을 T에서 2T로 변경하고 다른 노드 B는 시간이 T의 짝수 배일 때 자신의 사이클 시간을 T에서 2T로 변경한다면, 두 노드는 동기화되지 못한다. If all nodes start their operation at time zero after synchronization and can change their cycle time after every T time, any A node has its own cycle time when the time is an odd number of T's. If T is changed from T to 2T and the other node B changes its cycle time from T to 2T when the time is an even multiple of T, the two nodes are not synchronized.

이와 같이 노드들의 사이클 시간이 서로 어긋나 서로 통신 불능상태에 빠지지 않도록 하기 위해서, 각 노드는 자신의 사이클 시간을 적절한 사이클 정렬 기준 (natural cycle alignment boundary)에 맞추어 변경해야 한다. In order to prevent the cycle times of the nodes from shifting to each other and incapable of communicating with each other in this manner, each node must change its cycle time according to an appropriate cycle alignment boundary.

사이클 정렬 기준은 다양하게 적용될 수 있으나, 본 발명은 사이클 정렬 기준의 한 예로서, 각 노드는 최초로 동기화된 시간으로부터 자신이 변경하고자 하는 사이클 시간의 배수가 되는 시간에서만 해당 사이클 시간으로 자신의 사이클 시간을 변경할 수 있도록 하였다. The cycle sorting criteria may be variously applied, but the present invention is an example of the cycle sorting criteria, in which each node has its own cycle time in its cycle time only at a time that is a multiple of the cycle time they want to change from the first synchronized time. To change.

예를 들어, 현재 임의의 한 노드의 사이클 시간이 8T이고 자신의 사이클 시간을 8T 의 두 배인 16T 로 증가하고자 한다면, 노드는 사이클 시간이 최초로 동기화된 시간으로부터 16T의 배수가 되는 시점에서 사이클 시간을 16T로 증가시켜야 한다. For example, if any one node currently has a cycle time of 8T and wants to increase its cycle time to 16T, which is twice the number of 8T, the node will increase the cycle time when the cycle time is a multiple of 16T from the first synchronized time. Should be increased to 16T.

이러한 방법을 통해 짧은 사이클 시간을 가지는 노드는 긴 사이클 시간을 가지는 노드와 항상 동기화할 수 있도록 한다. 도 5b 에서 도시된 바와 같이, 2T의 사이클 시간을 가지는 노드는 T, 4T, 8T 등의 사이클 시간을 가지는 노드들과 동기화된다. In this way, nodes with short cycle times can always synchronize with nodes with long cycle times. As shown in FIG. 5B, a node having a cycle time of 2T is synchronized with nodes having a cycle time of T, 4T, 8T, and the like.

또한, 도 5c를 참조하면, 도 5c 의 (a) 는 시간 주기가 T 인 노드의 동기화 타이밍을 도시하고, 도 5c 의 (b) 는 해당 사이클 시간이 4회 반복되면 사이클 시간을 상술한 사이클 정렬 기준에 따라서 적응적으로 변경하는 노드의 동기화 타이밍을 도시하고, 도 5c 의 (c) 는 상술한 사이클 정렬 기준에 따라서 사이클 시간의 변경이 가능할 때마다 사이클 시간을 변경하는 노드의 동기화 타이밍을 도시한다.In addition, referring to FIG. 5C, (a) of FIG. 5C shows a synchronization timing of a node whose time period is T, and FIG. 5C (B) shows a cycle alignment in which the cycle time is described above when the cycle time is repeated four times. FIG. 5C (c) shows the synchronization timing of the node changing the cycle time whenever it is possible to change the cycle time in accordance with the above-described cycle alignment criteria. .

도 5c 에 도시된 바와 같이, 도 5c 의 (c) 노드의 경우에도 자신과 다른 시간에 사이클 시간을 변경한 도 5c 의 (b) 노드와도 동기화될 수 있다.As illustrated in FIG. 5C, the node (c) of FIG. 5C may also be synchronized with the node (b) of FIG. 5C, in which the cycle time is changed at a time different from that of the node (c) of FIG. 5C.

본 발명에서 사이클 시간 조절은 트래픽에 따라 결정된다. 만약 트래픽이 없다면 해당 사이클 시간에 통신 SYNC 패킷이 전송되지 않을 것이고, 모든 노드들은 적절한 사이클 정렬 기준 시간에 자신의 듀티 사이클을 줄이기 위해 사이클 시간을 두 배로 늘린다. 도 5a 에 도시된 바와 같이, 이러한 방법을 자동 배증 (automatic doubling)이라 한다. 그러므로 네트워크가 장기간 유휴 상태에 있다면 모든 노드들이 결국 최대 사이클 시간을 가지게 되고, 이 때 노드들은 최대 에너지 절약 상태에 있게 된다.In the present invention, the cycle time adjustment is determined according to the traffic. If there is no traffic, no communication SYNC packets will be sent at that cycle time, and all nodes will double the cycle time to reduce their duty cycle at the appropriate cycle alignment reference time. As shown in FIG. 5A, this method is called automatic doubling. Thus, if the network has been idle for a long time, all nodes will eventually have maximum cycle times, at which point the nodes will be in maximum energy savings.

본 발명의 바람직한 실시예에서 사이클 시간의 감소는 이벤트가 발생했을 때 일어난다. 송신 노드가 전송한 RTS 패킷에 지정된 수신 노드는 자신의 사이클 시간을 최소 사이클 시간 T로 줄인다. 네트워크 성능을 최대화 할 수 있는 이러한 방법을 최소 감소 (minimum reduction)라고 한다. 이와 달리 사이클 시간을 서서히 감소시키는 방법을 사용하는 경우 메시지 지연을 증가시키지만 에너지 효율성을 더욱 높일 수 있다.In a preferred embodiment of the invention, the reduction in cycle time occurs when an event occurs. The receiving node specified in the RTS packet transmitted by the transmitting node reduces its cycle time to the minimum cycle time T. This method of maximizing network performance is called minimum reduction. On the other hand, if you use a method that gradually reduces the cycle time, it increases the message delay, but can be more energy efficient.

한편, 상술한 S-MAC과 같이 본 발명에서도 각 노드들은 자신의 이웃 노드들과 클럭을 동기화해야 한다. 클럭 동기화는 두 가지 다른 목적으로 사용된다. 첫 번째는 노드들 간의 동기화를 위한 것이다. 본 발명도 S-MAC과 같이 모든 노드가 SYNC 패킷 기원 노드가 되기 위해 경쟁하는 방식을 사용할 수 있으며, 이러한 방법은 네트워크 초기화 단계에 싱크 노드를 사용할 수 없는 경우에 적합하다. 그러나 이러한 방법은 시간이 많이 소요되며, 단일 네트워크 내에 다수의 스케줄 생성으로 인한 가상 클러스터들이 생기는 문제가 있다. 이로 인해 클러스터 경계에 있는 노드들은 두 클러스터의 스케줄에 따라 동작해야 하며 더 많은 유휴 청취와 엿들음 (overhearing)으로 인해 에너지 효율성이 떨어진다.On the other hand, in the present invention, like the above-described S-MAC, each node must synchronize its clock with its neighboring nodes. Clock synchronization is used for two different purposes. The first is for synchronization between nodes. Like the S-MAC, the present invention may use a scheme in which all nodes compete to become SYNC packet originating nodes, and this method is suitable when a sink node cannot be used in a network initialization step. However, this method is time consuming, and there is a problem in that virtual clusters are generated due to generation of multiple schedules in a single network. As a result, nodes at cluster boundaries must operate according to the schedules of the two clusters and become less energy efficient due to more idle listening and overhearing.

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 중앙 집중형태의 방식을 취한다. 네트워크 초기화 단계에 싱크 노드가 자신의 이웃 노드들에게 SYNC 패킷을 전송함으로써 네트워크 동기화를 시작한다. 모든 노드들은 자신의 이웃 노드들 중 최소한 하나로부터 SYNC 패킷을 받은 후 주기적인 활성 상태(wakeup)/비활성 상태(sleep)를 시작한다. In order to solve this problem, the present invention takes a centralized manner. In the network initialization phase, the sink node initiates network synchronization by sending a SYNC packet to its neighbors. All nodes start a periodic wakeup / sleep after receiving a SYNC packet from at least one of their neighbors.

SYNC 패킷을 받은 노드는 자신의 타이머를 SYNC 패킷에 포함된 스케줄에 동기화하며 다음 활성 상태(wakeup) 구간에 그 스케줄과 시간 정보를 포함한 SYNC 패킷을 전송한다. 즉, 네트워크 내의 모든 노드들은 싱크 노드로부터의 SYNC 패킷을 수신하고, 그에 따라 SYNC 패킷을 재구성하여 자신의 이웃 노드들에게 전송하며, 이 때 SYNC 패킷을 브로드캐스트하는 방식은 일반적인 경쟁 과정에 따른다. The node receiving the SYNC packet synchronizes its timer with the schedule included in the SYNC packet and transmits the SYNC packet including the schedule and time information in the next wakeup period. That is, all nodes in the network receive the SYNC packet from the sink node, and accordingly reconstruct the SYNC packet and transmit the SYNC packet to its neighbor nodes. In this case, the method of broadcasting the SYNC packet follows a general competition process.

임의의 캐리어 센스 구간은 SYNC 패킷의 충돌 확률을 감소시키며, 이러한 경 쟁 과정은 모든 센서 노드가 SYNC 패킷을 수신할 때까지 반복된다. 무선 통신에서 매체의 특성상 싱크 노드에서 전체 네트워크 노드에 이르기까지 동기화를 하기 위해서는 각 노드는 단 한번의 SYNC 패킷 전송만을 필요로 한다.Any carrier sense interval reduces the probability of collision of SYNC packets, and this competition process is repeated until all sensor nodes receive SYNC packets. In wireless communication, each node needs only one SYNC packet transmission to synchronize from the sink node to the entire network node due to the characteristics of the medium.

본 발명에서 SYNC 패킷의 또 다른 기능은 이웃 발견 (neighbor discovery) 서비스를 제공하는 것이다. 노드가 자신의 이웃 노드로부터 SYNC 패킷을 수신한 경우 송신 노드의 주소를 자신의 이웃 노드들 중 하나로 기록한다. 네트워크 내의 모든 노드들은 최소한 한 번씩 SYNC 노드를 전송하므로 클럭 동기화 단계에서 각 노드들은 자신의 모든 이웃 노드들에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이를 통해 얻어진 이웃 노드에 대한 정보는 각 노드의 스케줄 조정에 사용된다. Another function of the SYNC packet in the present invention is to provide a neighbor discovery service. When a node receives a SYNC packet from its neighbor node, it records the address of the transmitting node as one of its neighbor nodes. Every node in the network transmits the SYNC node at least once, so during the clock synchronization phase each node can get information about all its neighbors. Information about neighbor nodes obtained through this is used for scheduling adjustment of each node.

각 노드의 클럭 편차 (clock drift)로 인해 노드간 동기화 에러가 발생 가능하므로 클럭 동기화는 주기적으로 수행되어야 한다. 그러나 센서 노드에 사용되는 일반적인 클럭 생성기 (clock generator)의 클럭 편차는 매우 작으므로 클럭 동기화는 드물게 수행된다. 클럭 편차비율이 초당 5us 이고, 동기화 구간이 1 분이라고 가정하면 송/수신 노드간의 최대 클럭 편차는 600 us가 되는데, 이는 일반적인 센서 노드의 전송 대역폭인 20Kbps상에서 약 1~1/2 바이트를 전송하는 시간에 불과하다. 이는 TDMA 기반 방식에서 사용되는 정밀한 동기화 기법에 비해 매우 성긴 (coarse-grained) 조절 방식을 필요로 함을 뜻한다.Since clock drift of each node may cause inter-node synchronization errors, clock synchronization should be performed periodically. However, clock synchronization is rarely performed because the clock drift of a typical clock generator used in sensor nodes is very small. Assuming that the clock deviation ratio is 5us per second and the synchronization interval is 1 minute, the maximum clock deviation between the transmitting and receiving nodes becomes 600 us, which transmits about 1 to 1/2 bytes over 20Kbps of transmission bandwidth of a typical sensor node. It's just time. This means that a coarse-grained control scheme is required compared to the precise synchronization scheme used in TDMA-based schemes.

싱크 노드로부터 센서 노드에 SYNC 패킷이 도달할 수 없는 경우 센서 노드는 SYNC 패킷을 무한히 기다릴 수 없다. 노드의 에너지 소모를 막기 위해 센서 노드는 SYNC 패킷이 전달될 수 있을 정도로 충분히 긴 시간 동안만 기다리도록 프로그램 될 수 있고, SYNC 패킷을 받지 못한다면 동기화를 포기하고 낮은 듀티 사이클로 동작한다. 하지만 노드는 자신의 스케줄을 동기화하기 위해 주기적으로 동기화 단계로 돌아가 SYNC 패킷을 기다린다.If the SYNC packet cannot reach the sensor node from the sink node, the sensor node cannot wait indefinitely for the SYNC packet. To prevent the node's energy consumption, the sensor node can be programmed to wait only long enough for the SYNC packet to be delivered, and if it does not receive the SYNC packet, it will give up synchronization and operate at a low duty cycle. However, the node periodically returns to the synchronization phase and waits for a SYNC packet to synchronize its schedule.

본 발명의 적응형 사이클 시간과 관련한 주안점 중 하나는 노드가 자신의 이웃들과 활성 상태(wakeup) 구간을 어떻게 동기화할 것인가이다. 이를 위해 본 발명의 SYNC 패킷은 송신 노드의 현재 사이클 시간을 최소 사이클 시간 T의 배수로 표현한 스케줄 정보를 가지고 있다. 초기에는 빠른 클럭 동기화를 위해 최소 사이클 시간 T 값으로 설정되어 있다. 그러므로 SYNC 패킷은 클럭, 통신 및 스케줄 동기화를 제공한다. One of the issues with the adaptive cycle time of the present invention is how a node will synchronize its wakeup interval with its neighbors. To this end, the SYNC packet of the present invention has schedule information representing the current cycle time of the transmitting node as a multiple of the minimum cycle time T. Initially, it is set to the minimum cycle time T value for fast clock synchronization. Therefore, SYNC packets provide clock, communication, and schedule synchronization.

또한, 모든 노드는 자신의 이웃 노드의 사이클 시간 정보를 기록한 스케줄 표를 유지한다. 각 노드는 네트워크 초기 동기화 단계에서 이웃 노드들의 SYNC 패킷을 엿들음으로써 각 노드에 대한 사이클 시간을 기록한다. 이후 각 노드는 매 사이클 마다 스케줄 표를 독립적으로 갱신한다. 통신 SYNC 패킷이 없다면 모든 이웃 노드들이 유휴상태에 있는 것으로 간주하여 스케줄 표를 갱신한다. 이를 통해 각 노드는 별도의 스케줄 정보 요청 없이 이웃 노드들의 스케줄을 예측하여 관리할 수 있다. In addition, every node maintains a schedule table that records cycle time information of its neighboring nodes. Each node records the cycle time for each node by sniffing the SYNC packets of neighbor nodes in the initial network synchronization phase. Each node then updates the schedule table independently every cycle. If there is no communication SYNC packet, all neighbor nodes are assumed to be idle and the schedule table is updated. This allows each node to predict and manage the schedules of neighboring nodes without requesting separate schedule information.

만약, 이웃 노드가 유휴 상태이고 이웃 노드의 사이클 시간이 그 노드의 적절한 사이클 정렬 기준에 있다면 노드는 이웃 노드의 사이클 시간을 두 배로 증가 시킬 수 있다. 만약, 통신 SYNC 패킷을 수신한다면 모든 수신 노드들은 송신 노드의 스케줄 표의 값을 최소 사이클 시간 T로 변경한다. 또한, 통신 SYNC 패킷 수신 노드들은 RTS 패킷을 엿듣게 되므로 RTS 패킷의 목적 노드의 스케줄 정보를 최솟값으로 변경한다. If the neighbor node is idle and the cycle time of the neighbor node is in the proper cycle alignment criterion of the node, the node may double the cycle time of the neighbor node. If receiving the communication SYNC packet, all receiving nodes change the value of the schedule table of the transmitting node to the minimum cycle time T. In addition, since communication SYNC packet receiving nodes overhear the RTS packet, the schedule information of the target node of the RTS packet is changed to the minimum value.

이러한 방법으로 각 노드는 별도의 트래픽을 발생시키지 않고 독립적으로 주위 노드들의 스케줄 정보를 관리할 수 있다. 적응형 사이클 시간 기능의 구현은 SYNC 패킷 헤더 내의 추가적인 통신 비트와 스케줄 정보를 제외한 별도의 오버헤드를 요구하지 않으며, 이와 같은 간단한 조율을 통해 에너지 효율성과 네트워크 성능을 극적으로 개선할 수 있다.In this way, each node can manage schedule information of neighboring nodes independently without generating traffic. The implementation of the adaptive cycle time function does not require extra overhead except for the additional communication bits and schedule information in the SYNC packet header. Such simple tuning can dramatically improve energy efficiency and network performance.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예는 상술한 적응형 활성 구간 변경 기법과 적응형 사이클 시간 변경 기법을 함께 적용할 수 있다. 이 경우에, 센서 노드의 각 노드들은 상술한 바와 같이, 자신의 사이클 시간을 연장하고, 연장된 각 주기마다 sync 패킷을 인접한 노드들과 서로 주고받으면서 동기화를 수행함에 있어서, sync 패킷을 수신한 노드는 내부에 통신 비트가 1 로 설정되어 있는지 여부를 조사하여, 통신 비트가 설정되지 않은 경우에는 sync 패킷 교환을 위한 시간이 종료되면 비활성 상태로 진입하고 상술한 사이클 정렬 기준에 따라서 사이클 시간을 연장한다. Meanwhile, in the preferred embodiment of the present invention, the above-described adaptive active interval changing technique and the adaptive cycle time changing technique may be applied together. In this case, each node of the sensor node extends its cycle time as described above, and performs synchronization while exchanging sync packets with adjacent nodes at each extended period, thereby receiving the sync packets. Investigates whether the communication bit is set to 1 internally, and if the communication bit is not set, enters an inactive state when the time for sync packet exchange expires and extends the cycle time according to the above-described cycle alignment criteria. .

그러나 수신된 sync 패킷의 통신 비트가 1 로 설정된 경우에, 노드는 전송 요청 메시지(RTS)를 수신하기 위한 구간까지 활성 구간을 연장하고, 전송 요청 메시지를 수신하면 종래 방식에 따라서 CTS 패킷, 데이터 패킷, 및 ACK 패킷을 주고받으면서 통신을 수행하며, 사이클 시간을 최소 시간으로 변경한다. 또한, 노드는 통신이 종료될 때까지 최소 사이클 시간으로 통신을 수행하고, 통신이 종료되면 상술한 방식에 따라서 점차 사이클 시간을 연장시킨다.However, when the communication bit of the received sync packet is set to 1, the node extends the active interval to the interval for receiving the transmission request message (RTS), and upon receiving the transmission request message, the CTS packet and the data packet according to the conventional method. Communication is performed by exchanging, and ACK packets, and the cycle time is changed to the minimum time. In addition, the node performs communication with a minimum cycle time until the communication is terminated, and gradually extends the cycle time according to the above-described manner when the communication is terminated.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The invention can also be embodied as computer readable code on a computer readable recording medium. Computer-readable recording media include all kinds of recording devices that store data that can be read by a computer system. Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage, and the like, and may also be implemented in the form of a carrier wave (for example, transmission over the Internet). Include. The computer readable recording medium can also be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.

상술한 바와 같이, 본 발명은 통신에 참여하는 센서 노드들의 듀티 사이클을 증가시키고, 통신에 참여하지 않는 듀티 사이클을 감소시킴으로써 전송 지연과 에너지 소모의 문제를 모두 해결할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention has the effect of solving both transmission delay and energy consumption problems by increasing the duty cycle of the sensor nodes participating in the communication and reducing the duty cycle not participating in the communication.

특히, 본 발명은 각 센서 노드들의 듀티 사이클을 통신 환경에 따라서 적응 적으로 변화시킬 수 있도록, 2가지 방식을 제공하는데, 첫 번째 방식은 통신에 참여하지 않는 시간이 길어질수록, 주기적으로 활성 상태에 진입하는 시간 주기인 사이클 시간을 최대 사이클 시간까지 점차적으로 연장시키고, 해당 노드가 통신에 참여하게 되면 사이클 시간을 최소 시간 주기로 단축시킴으로써, 통신에 참여하지 않는 시간 동안에서는 고정된 스케줄로 동작하는 방식보다 활성 구간이 감소되어 에너지 소모를 줄일 수 있을 효과가 있을 뿐만 아니라, 통신에 참여하는 시간 동안에서는 사이클 시간을 대폭 단축시킴으로써 고정된 스케줄로 동작하는 방식보다 전송 지연을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.In particular, the present invention provides two schemes for adaptively changing the duty cycle of each sensor node according to the communication environment. The first scheme is to periodically activate the active state as the time not to participate in the communication increases. It gradually extends the cycle time, which is the entering time period, to the maximum cycle time, and shortens the cycle time to the minimum time period when the node participates in communication. In addition to reducing the energy consumption by reducing the active period, there is an effect that can reduce the transmission delay than the operation of a fixed schedule by significantly reducing the cycle time during the time to participate in the communication.

또한, 듀티 사이클을 적응적으로 변화시키는 2번째 방식은 싱크(sync) 패킷에 통신 여부를 나타내는 통신 비트를 삽입하고, 통신을 수행하고자 하는 전송 노드로 하여금 통신 비트를 설정하여 싱크 패킷을 전송하도록 하며, 싱크 패킷을 수신한 노드는 통신 비트가 설정되지 않은 경우에는 싱크 패킷을 수신하기 위한 시간 구간이 경과되면 즉시 비활성 구간으로 진입하고, 통신 비트가 설정된 경우에만 전송 요청 메시지(RTS)를 수신하기 위한 시간 구간을 활성 구간으로 확장하도록 한다. 따라서 이 방식에 의하면 통신이 수행되지 않는 경우에는 전송 요청 메시지를 수신하기 위한 시간 구간 동안의 에너지 소모를 감소시킬 수 있어 센서 노드의 전체 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the second method of adaptively changing the duty cycle inserts a communication bit indicating whether or not to communicate in a sync packet and sets a communication bit to transmit a sync packet by setting a communication bit. If the communication bit is not set, the node that receives the sync packet enters the inactive section immediately after the time interval for receiving the sync packet has elapsed, and receives the transmission request message (RTS) only when the communication bit is set. Extend the time interval to the active interval. Therefore, according to this method, when communication is not performed, energy consumption during the time interval for receiving the transmission request message can be reduced, thereby extending the overall life of the sensor node.

Claims (12)

센서 네트워크상에서 각 센서 노드들 간에 통신을 수행하는 통신 방법으로서,A communication method for performing communication between sensor nodes on a sensor network, (a) 상기 센서 노드들이 인접한 센서 노드들과 통신을 수행하지 않는 경우에 자신의 사이클 시간을 연장하는 단계; 및(a) extending its cycle time if the sensor nodes do not communicate with adjacent sensor nodes; And (b) 상기 센서 노드들이 이벤트를 감지하거나 인접한 노드로부터 메시지를 수신한 경우에, 상기 자신의 사이클 시간을 단축하여 싱크 노드까지의 경로상의 상위 노드로 메시지를 전송하고, 다시 상기 (a) 단계를 수행하는 단계를 포함하고,(b) when the sensor nodes detect an event or receive a message from an adjacent node, shorten its cycle time to send a message to a higher node on the path to the sink node, and then repeat step (a). Performing the steps, 상기 (a) 단계는 상기 센서 노드들이 인접한 센서 노드들로부터 수신된 싱크 패킷에 포함되어 상기 인접한 센서 노드가 전송할 메시지의 존재 여부를 나타내는 통신 비트가 설정되었는지 여부에 따라서 사이클 시간을 연장할지 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.In step (a), the sensor nodes are included in the sync packet received from the adjacent sensor nodes to determine whether to extend the cycle time depending on whether a communication bit indicating whether a message exists for the adjacent sensor node to be transmitted is set. Communication method characterized in that. 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 단계는The method of claim 1, wherein step (a) 연장된 사이클 시간이, 단일 데이터를 전송할 수 있는 최소 사이클 시간의 2n 배(n 은 자연수)가 되도록 상기 사이클 시간을 연장하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.Extending said cycle time such that an extended cycle time is 2 n times (n is a natural number) the minimum cycle time that can transmit a single data. 제 2 항에 있어서, 상기 (a) 단계는The method of claim 2, wherein step (a) 사이클 시간을 연장하기 직전의 사이클 시간의 2배만큼씩 상기 사이클 시간을 연장하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.Extending the cycle time by twice the cycle time immediately before extending the cycle time. 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 단계는The method of claim 1, wherein step (a) 사이클 시간을 연장하는 시간이, 연장하려는 사이클 시간의 배수가 되는 시간에만 상기 사이클 시간을 연장할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.And extending the cycle time so that the cycle time can be extended only to a time that is a multiple of the cycle time to be extended. 제 1 항에 있어서, 상기 (b) 단계는The method of claim 1, wherein step (b) 단일 데이터를 전송할 수 있는 최소 사이클 시간으로 사이클 시간을 변경하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.A method of communication comprising changing a cycle time to a minimum cycle time that can transmit a single data. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 단계는The method of claim 1, wherein step (a) 상기 통신 비트가 설정되지 않은 경우에, 상기 싱크 패킷의 수신을 위한 활성 구간이 종료되는 즉시 비활성 구간으로 진입하고, 상기 사이클 정렬 기준에 따라서 상기 사이클 시간을 연장하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.And when the communication bit is not set, enters an inactive section as soon as the active section for receiving the sync packet ends and extends the cycle time according to the cycle alignment criteria. 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 단계는The method of claim 1, wherein step (a) 상기 통신 비트가 설정된 경우에, 상기 싱크 패킷을 전송한 송신 노드로부터 전송 요청 메시지를 수신하기 위한 시간 구간까지 활성 구간을 연장하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.And when the communication bit is set, extending the active period to a time interval for receiving a transmission request message from a transmitting node that has transmitted the sync packet. 센서 네트워크상에서 각 센서 노드들 간에 통신을 수행하는 통신 방법으로서,A communication method for performing communication between sensor nodes on a sensor network, (a) 송신 노드가 전송할 메시지의 존재 여부에 따라서 싱크 패킷에 포함된 통신 비트를 설정하여 상기 싱크 패킷을 전송하는 단계; 및(a) a transmitting node transmitting the sync packet by setting a communication bit included in the sync packet according to whether a message to be transmitted exists; And (b) 상기 싱크 패킷을 수신한 수신 노드가 상기 통신 비트를 조사하여 상기 통신 비트의 설정 값에 따라서 활성 구간을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.(b) a receiving node receiving the sync packet, examining the communication bit and changing an active section according to a setting value of the communication bit. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 상기 (a) 단계는 상기 송신 노드가 전송할 메시지가 존재하는 경우에 상기 통신 비트를 소정의 제 1 값으로 설정하고, 전송할 메시지가 존재하지 않는 경우에는 상기 통신 비트를 상기 제 1 값에 대응되는 소정의 제 2 값으로 설정하여 상기 싱크 패킷을 전송하고, Step (a) sets the communication bit to a predetermined first value when there is a message to be transmitted by the transmitting node, and sets the communication bit to correspond to the first value when there is no message to transmit. Transmit the sync packet by setting the second value of 상기 (b) 단계는 상기 통신 비트가 상기 제 2 값으로 설정된 경우에, 상기 싱크 패킷의 수신을 위한 활성 구간이 종료되는 즉시 비활성 구간으로 진입하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.The step (b) is characterized in that, when the communication bit is set to the second value, entering the inactive section as soon as the active section for receiving the sync packet is finished. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 상기 (a) 단계는 상기 송신 노드가 전송할 메시지가 존재하는 경우에 상기 통신 비트를 소정의 제 1 값으로 설정하고, 전송할 메시지가 존재하지 않는 경우에는 상기 통신 비트를 상기 제 1 값에 대응되는 소정의 제 2 값으로 설정하여 상기 싱크 패킷을 전송하고, Step (a) sets the communication bit to a predetermined first value when there is a message to be transmitted by the transmitting node, and sets the communication bit to correspond to the first value when there is no message to transmit. Transmit the sync packet by setting the second value of 상기 (b) 단계는 상기 통신 비트가 상기 제 1 값으로 설정된 경우에, 상기 수신 노드는 전송 요청 메시지를 수신하기 위한 시간 구간까지 상기 활성 구간을 연장하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.In the step (b), when the communication bit is set to the first value, the receiving node extends the active period until a time interval for receiving a transmission request message. 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 통신 방법을 컴퓨터에서 판독할 수 있고 실행 가능한 프로그램 코드로 기록한 기록 매체.12. A recording medium in which the communication method of any one of claims 1 to 5 and 7 to 11 is recorded with a program code that can be read by a computer and executable.
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