KR101001558B1 - 동기식 기반 센서 네트워크 구성 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Zigbee 또는 IEEE802.15.4 Low-Rate WPAN(Wireless Personal Area Netwrok)과 같이 동기식 기반의 센서 네트워크 MAC(Medium Access Control) 프로토콜 활용에 관한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 동기식 기반 센서 네트워크 구성 방법 및 장치는 USN(Ubiquitous Sensor Network)시스템 구축에 있어서 Power-Beacon을 사용하여 불필요한 제어 패킷의 수를 줄여 네트워크 수명을 연장하고, 노드간 초기화 시간을 단축하고, Beacon 충돌 방지를 제공하는 센서 네트워크 구성 방법 및 장치에 관한 것이다.
본원 발명에 따른 센서 네트워크의 구성 방법 및 장치는 출력세기가 큰 비컨(Beacon) 패킷 채널과 비컨 패킷보다 출력세기를 작게하여 전송 범위를 제한한 데이터채널을 동시에 사용하는 것이 특징이 있다.
유비쿼터스, 센서 네트워크, USN(Ubiquitous Sensor Network), WSN(Wireless Sensor Network), MAC(Medium Access Control)

Description

동기식 기반 센서 네트워크 구성 방법 및 장치{Method and apparatus for synchronous sensor network construction}
본 발명은 동기식 기반 센서 네트워크 구성 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Zigbee 또는 IEEE802.15.4 Low-Rate WPAN(Wireless Personal Area Netwrok)과 같이 동기식 기반의 센서 네트워크 MAC(Medium Access Control) 프로토콜을 활용하여 USN(Ubiquitous Sensor Network)시스템을 구축하는데 있어서 Power-Beacon을 사용하여 센서 네트워크를 구성, 운용하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT 성장동력기술 개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[2005-S-106-04, RFID/USN용 센서 태그 및 센서 노드 기술 개발].
유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network: USN)는 사물에 대한 인식정보 또는 주변의 환경정보를 감지할 수 있는 센서가 탑재된 여러개의 센서 노드를 통해 무선 센서 네트워크를 구성한다.
USN(Ubiquitous Sensor Network: USN)는 무선 센서 네트워크의 다양한 센서 들을 통해 입력되는 정보를 실시간으로 외부네트워크와 연결하여 정보를 처리하고 관리하는 네트워크 시스템을 의미한다.
USN(Ubiquitous Sensor Network: USN)는 궁극적으로 모든 사물에 컴퓨팅 및 통신 기능을 부여함으로써, 네트워크종류, 디바이스 종류 또는 서비스 종류에 관계없이 언제(anytime), 어디서나(anywhere) 통신 가능한 환경의 구현을 목적으로 한다.
도 1은 기존의 IEEE802.15.4 또는 Zigbee와 같은 동기식 기반 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)의 구성을 보여주는 도면이다.
PAN(Personal Area Netwrok) 조정자(Coordinator)(101)는 센서 네트워크를 대표하는 노드로 센서 네트워크의 무선 자원 활용을 관리하고 센서 네트워크를 외부 망과 연동하는 역할을 수행한다.
조정자(Coordinator)(102, 103, 104, 105)는 센서를 통한 정보 수집과 디바이스 노드(Device Node or End Node) (106, 107, 108, 109)에서 수집된 센서 데이터를 중계(Routing)하는 역할을 한다.
도1에서 (101-1)과 (102-1)의 점선(dotted line)은 각각 PAN(Personal Area Netwrok) 조정자(Coordinator)(101)와 조정자(Coordinator)(102, 103, 104, 105)에 의해 출력되는 신호의 물리적 전파도달거리를 의미한다.
센서 네트워크는 노드들간 부모와 자식간의(Parent-Childs) 논리적 연결(Association)을 통해 네트워크가 구성된다.
도1의 경우 PAN(Personal Area Netwrok) 조정자(Coordinator)(101)는 조정 자(102)의 부모가 되며, 조정자(102)는 조정자(104)의 부모가 된다.
조정자(104)는 조정자(108)의 부모가 되어, 조정자(108)에서 수집된 정보는 상위 부모조정자(104) 및 조정자(102)를 거쳐 PAN(Personal Area Netwrok) 조정자(Coordinator)(101)에 전달된다.
PAN(Personal Area Netwrok) 조정자(Coordinator)(101)는 수집된 정보를 외부 네트워크로 최종 전달한다.
부모와 자식간의 연결은 결합(Association)이라는 과정을 통해 논리적 연결을 맺고, 센서 데이터 전달은 연결(결합)된 노드를 통해서 전달되게 된다.
디바이스 노드(108)에서 출력되는 신호의 전파 범위가 조정자(102)에 이를수 있다고 하더라도, 반드시 조정자(104)를 거쳐 조정자(102)로 전달된다.
센서 네트워크에서 하나의 조정자(Coordinator)는 여러개의 디바이스 노드들(Device Nodes)과 짝을 이루어 하나의 센서 필드를 구성한다.
도 1의 (C)는 센서 네트워크에서의 전원 사용을 최소로 유지하기 위한 MAC　프로토콜을 구성을 보여준다.　
각 센서 노드들은 전원을 효율적으로 관리하기 위하여 도1의 (c)와 같이 사용되지 않는 구간인 비활성구간(InActive Period)동안은 센서 노드들의 전원을 최소로 하고, 활성구간 동안 (Active Period)만 전원을 공급하여 통신이 가능하게 한다.
각 센서 노드들의 활성구간(Active)및 비활성구간(InActive Period)의 구성은 PAN Coordinator(101)에서 설정된 Beacon 패킷 전송을 통해 이루어진다.
PAN Coordinator(101)에서 설정된 Beacon 패킷은 조정자(Coordinator)에 속한 자식 노드들에게 송신되고, 자식 노드들은 비컨(Beacon) 패킷에 포함된 무선 Active/InActive Period의 시간 동기에 맞추어 활성구간과 비활성구간으로 동작하게 된다.
도1의 (a), (b)에서 처럼 PAN Coordinator(101)에 속한 노드인 (102),(203)에게 비컨(Beacon) 패킷을 전송하여 언제부터 언제까지 통신을 할수 있고(Acitve Period) 언제부터 언제까지 통신을 할 수 없는지(Inactive Period)를 설정한다.
도1의 (a),(b)와 같은 방법으로 각각의 센서필드는 (102)-(104)-(106), (104)-(108), (103)-(105)-(107), (105)-(109)로 짝을 이루어 각각의 Active-InActive구간이 설정된다.
도1과 같이 구성하는 방법에 있어서 조정자(101)-(102)-(104), 조정자(101)-(103)-(106)으로 전달되는 비컨(Beacon)패킷의 중계로 인해 센서 네트워크는 초기 상태에 심한 Delay가 발생한다.
센서 필드를 구성하는 노드의 수가 많아 홉수가 증가할 경우 싱크노드에서 마지막 노드(end-node) 까지의 비컨(Beacon)패킷의 Delay는 더욱 커진다.
비컨(Beacon)패킷의 Delay는 데이터를 전송 할 수 있는 구간(Active)과 전송 할 수 없는 구간(InActive)의 시간 동기화가 정확히 일치되지 않는 문제를 발생하여, 신뢰성 있는 네트워크의 구성이 어렵게 된다.
도 1과 같은 구성에서 디바이스 노드(device)(108)에서 긴급한 데이터가 발생한 경우 Active구간에서 동기를 맞추고, 각각의 중계노드(Coordinator) (104- 102-101)를 거쳐서 전송되므로 최종 목적지인 (101)까지 많은 Delay가 발생하게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기의 문제점을 해결하기 위하여 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network: USN)를 구성함에 있어서 불필요한 제어 패킷(비컨 패킷: Beacon packet)의 수를 줄여 네트워크의 수명을 증가시키는 센서 네트워크의 구성 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network: USN)에서 노드간 초기화 시간을 단축하고 노드간 시간 동기화를 신속히 하여 신뢰성 있는 센서 네트워크의 구성 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network: USN)에서 긴급한 데이터( Emergency data)의 전송을 원활히 할 수 있는 센서 네트워크의 구성 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 동기식 기반 센서 네트워크 구성 방법의 일 실시예는, 하나의 조정자(Coordinator)와 복수개의 디바이스 노드(Device nodes)을 포함하여 하나의 센서 필드를 구성하는 동기식 기반 센서 네트워크에 있어서, 복수개의 센서필드에 포함된 조정자 및 디바이스 노드들의 활성구간(Active period)과 비활성구간(Inactive period)를 제어하는 비컨 프레임을 출력하는 비컨(Beacon) 제어 프레임 출력단계; 및 상기 비컨 프레임에 의하여 활성구 간으로 전환된 디바이스 노드가 수집한 데이터는 상기 데이터를 수집한 디바이스 노드가 속한 제 1 센서 필드의 조정자 및 상기 제 1 센서필드와 적어도 하나 이상의 디바이스 노드를 공유하는 제 2 센서필드의 중계노드 조정자를 거쳐서 수신하는 데이터 수신 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 중계노드 조정자는 적어도 하나 이상인것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 동기식 기반 센서 네트워크는 Zigbee 기반 센서 네트워크인것을 특징으로 한다.
바람직하게,상기 동기식 기반 센서 네트워크는 IEEE802.15.4 기반 센서 네트워크인것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 비컨(Beacon) 제어 프레임 출력단계에서 비컨 프레임을 출력하는 채널과 상기 데이터 수신 단계에서 데이터를 수신하는 채널이 동일하여 단일채널을 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 비컨(Beacon) 제어 프레임 출력단계에서 비컨 프레임을 출력하는 채널과 상기 데이터 수신 단계에서 데이터를 수신하는 채널이 상이하여 멀티채널을 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 비컨 프레임이 복수개일때 상기 비컨 프레임 상호간 충돌은 CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)알고리즘에 의하여 제어되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 비컨 프레임은 상기 조정자 및 디바이스 노드의 활성구 간(Active)와 비활성구간(InActive)을 정하는 영역;상기 비컨 프레임을 출력하는 채널과 상기 데이터를 수신하는 채널이 동일하여 단일채널을 형성하는지 또는 상기 비컨 프레임을 출력하는 채널과 상기 데이터를 수신하는 채널이 상이하여 멀티채널을 형성하는지 표시하는 영역; 상기 멀티채널을 사용하여 데이터 전송시에는 사용되는 채널 번호를 표시하는 영역; 상기 비컨 프레임을 생성하는 조정자(Coordinator)를 표시하는 영역; 및 상기 조정자 및 디바이스 노드가 항상 활성구간(Active)상태를 유지하게 하는 비상모드 상태를 표시하는 영역;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 동기식 기반 센서 네트워크 구성 장치의 일 실시예는, 하나의 조정자(Coordinator)와 복수개의 디바이스 노드(Device nodes)을 포함하여 하나의 센서 필드를 구성하는 동기식 기반 센서 네트워크에 있어서, 복수개의 센서필드에 포함된 조정자 및 디바이스 노드들의 활성구간(Active period)과 비활성구간(Inactive period)를 제어하는 비컨 프레임을 출력하는 출력부; 및 상기 비컨 프레임에 의하여 활성구간으로 전환된 디바이스 노드가 수집한 데이터는 상기 데이터를 수집한 디바이스 노드가 속한 제 1 센서 필드의 조정자 및 상기 제 1 센서필드와 적어도 하나 이상의 디바이스 노드를 공유하는 제 2 센서필드의 중계노드 조정자를 거쳐서 수신하는 수신부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 출력부의 상기 비컨 프레임의 출력세기는 상기 수신부의 수신 데이터의 수신 세기보다 큰 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 중계노드 조정자는 적어도 하나 이상인것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 동기식 기반 센서 네트워크는 Zigbee 기반 센서 네트워크인것을 특징으로 한다.
바람직하게,상기 동기식 기반 센서 네트워크는 IEEE802.15.4 기반 센서 네트워크인것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 비컨(Beacon) 제어 프레임 출력단계에서 비컨 프레임을 출력하는 채널과 상기 데이터 수신 단계에서 데이터를 수신하는 채널이 동일하여 단일채널을 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 비컨(Beacon) 제어 프레임 출력단계에서 비컨 프레임을 출력하는 채널과 상기 데이터 수신 단계에서 데이터를 수신하는 채널이 상이하여 멀티채널을 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 비컨 프레임이 복수개일때 상기 비컨 프레임 상호간 충돌은 CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)알고리즘에 의하여 제어되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 비컨 프레임은 상기 조정자 및 디바이스 노드의 활성구간(Active)와 비활성구간(InActive)을 정하는 영역;상기 비컨 프레임을 출력하는 채널과 상기 데이터를 수신하는 채널이 동일하여 단일채널을 형성하는지 또는 상기 비컨 프레임을 출력하는 채널과 상기 데이터를 수신하는 채널이 상이하여 멀티채널을 형성하는지 표시하는 영역; 상기 멀티채널을 사용하여 데이터 전송시에는 사용 되는 채널 번호를 표시하는 영역; 상기 비컨 프레임을 생성하는 조정자(Coordinator)를 표시하는 영역; 및 상기 조정자 및 디바이스 노드가 항상 활성구간(Active)상태를 유지하게 하는 비상모드 상태를 표시하는 영역;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하나의 무선 트랜시버를 갖는 센서 노드에서 출력을 조절한 Power-Beacon을 이용하여 센서 네트워크를 구성하는 방법에 대한 것이다.
본원 발명에서의 센서 네트워크의 구성 방법은 출력세기가 큰 비컨(Beacon) 패킷 채널과 비컨 패킷보다 출력세기를 작게하여 전송 범위를 제한한 데이터채널을 동시에 사용하여 이루어진다.
본원 발명에서의 센서 필드의 구성 방법은 한 개의 Power-Beacon을 통해 기존보다 많은 수의 센서 노드를 수용하여 비컨(Beacon) 패킷 전달 Delay를 감소시키는 효과가 있다.
본원 발명에서의 센서 네트워크의 구성 방법은 노드간 시간 동기화를 쉽게 하며, 노드들간의 비컨 중계로 인한 비컨간의 충돌을 방지하여 효율적인 센서필드 구성이 가능하다.
또한 본원 발명에서의 센서 네트워크의 구성 방법은 비컨 패킷 수의 감소, 비컨 패킷 손실에 따른 성능 저하를 극복 할 수 있으며, 긴급한 데이터 전송을 위해 망을 쉽게 운용하는 것이 가능하다.
이하에서는 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
센서 네트워크는 데이터 전송을 위한 무선 네트워크와 달리 저전력, 소형, 저가격을 목표로 하고, 배터리를 전원으로 사용하는것을 기본 전제로 한다.
센서 네트워크는 한정된 자원인 배터리를 사용하는 통신 방식 때문에 미리 정해진 통신 구간인 활성(Active Period)에만 통신을 하고, 통신 하지 않는 구간인 비활성(InActive)구간에서는 무선 트랜시버의 전원을 OFF하여 네트워크의 전력 소비를 최소한으로 유지되도록 한다.
도 2는 종래의 Superframe 구조 및 비컨 패킷의 구조를 보여주는 도면이다.
도2 (a)의 Superframe구조는 IEEE802.15.4에서 사용되는 구조로 전원 절약을 위해 활성(Active)구간(CAP 및 CFP)과 비활성(InActive)구간으로 나누어 사용하는 Superframe구조를 갖는다.
센서 네트워크에서 도2 (a)의 Superframe구조를 사용하기 위해서는 조정자(Coordinator)와 디바이스 노드(Device node)간에 약속이 이루어 져야 한다.
조정자(Coordinator)와 디바이스 노드(Device node)간에 약속은 비컨(Beacon) 패킷에 무선 네트워크 사용에 관한 정보를 담아 조정자(Coordinator)가 디바이스 노드(Device node)에 전달함으로서 이루어 진다.
도2의 (b)는 종래에 사용되던 Beacon 패킷의 Frame를 도시한것이다.
Beacon패킷의 Frame에서 Superframe Specificaiton 필드인 (c)의 Beacon Order(210), Superframe Order(220)에 의해 언제 센서 노드가 깨어나고, 잠자는지가 결정된다.
도3의 (a)는 도2에서 설명한 Superframe의 영역 구성을 보여주는 도면이다.
센서 네트워크에서 조정자(Coordinator)는 수집된 센서 데이터를 중계(Routing)하는 역할을 수행함과 동시에 센서를 통한 정보 수집 디바이스 노드(Device Node or End Node)로서의 역할을 수행한다.
조정자(Coordinator)(301)과 디바이스 노드(302)는 센서필드(301-1)영역의 Superframe을 구성한다.
조정자(Coordinator)(302)와 디바이스 노드(303,304)는 센서필드(302-1)의 Superframe을 구성한다.
조정자(Coordinator)(302-1)와 디바이스 노드(305)는 센서필드(302-2)의 Superframe을 구성한다.
센서필드(304-1,303-1,305-1)는 각각 별개의 Superframe을 구성한다.
도3의 (a)와 같은 Superframe을 구성을 위해서 조정자(301)은 조정자(302)에게, 조정자(302)는 조정자(303,304)에게 조정자(304)는 조정자(308)에게 각각 비컨패킷을 전송한다.
센서 네트워크는 센서필드(304-1)의 Superframe영역과 센서필드(303-1)의 Superframe영역에서 Beacon패킷이 서로 충돌되지 않도록 Beacon 패킷 충돌 방지를 위한 여러 가지 기법들이 추가로 요구된다.
도3 (a)에서 조정자(301)에서 송신된 비컨은 조정자(302)에게 전달되어 (301-1)의 Superframe이 형성되고, 조정자(301)에서 수신한 비컨을 기본으로 조정자(302)는 조정자(303)및 조정자(304)에게 새로운 비컨을 전송하여 (302-1)의 Superframe을 형성한다.
도3 (b)는 조정자(302)가 조정자(301)의 자식노드로서 운용되는 경우에 Incoming superframe과 조정자(302)가 조정자(303) 및 조정자(304)의 부모노드로서 동작하는 Outgoing Superframe구조를 나타낸 것이다.
한 조정자(Coordinator)는 수신과 송신을 위한 최소 2개의 Superframe구조가 필요하다.
최소 2개의 Superframe 구조로 인해 센서 네트워크의 홉수가 많은 경우등의 센서 네트워크 구조가 복잡할수록 비컨(Beacon)패킷과 같은 제어패킷(Control)패킷의 수가 증가한다.
또한 각 구성된 Superframe에서 활성(Active)구간만 전송할 수 있기 때문에 노드간 정확한 시간 동기화가 필요하다.
End device(308)에서 조정자(301)까지의 데이터 전송이 복잡해 지고, 그로인해 큰 지연(delay)이 발생하게 된다.
본 특허는 이러한 문제를 해결하고자 한다.
본 발명은 USN(Ubiquitous Sensor Network)을 구성하는데 있어서, Zigbee 또는 IEEE802.15.4 Low Rate - WPAN과 같은 동기식 기반의 MAC 프로토콜의 단점을 보완하여 이루어진다.
본 발명은 센서 네트워크의 Superframe 구성시 사용하는 비컨 프레임의 전송 범위를 확대하여 센서 네트워크를 구성, 운용하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 비컨(Beacon)프레임의 전송 범위 확대를 위해 별도의 하드웨어 변경없이, 저가격, 소형의 단순한 구조를 갖는 싱글 인터페이스(1개의 통신 모듈)를 활용하여 효율적인 센서 네트워크 구성을 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
도4는 본 발명에 따른 센서 네트워크 구성을 보여주는 도면이다.
도 4에서 노드 사이에 연결되어 있는 화살표는 노드간 Association을 통한 논리적 연결을 의미한다.
(401-2)의 점선(dotted-line)은 본 발명에 따른 확장된 Superframe 구성 영역이다.
(401-2)의 점선(dotted-line)은 망을 대표하는 조정자(401)노드에서 최대 전송 거리에 도달 가능한 비컨프레임(Beacon Frame)의 전송을 통해 기존의 여러개의 Superframe으로 구성되던 방식에서 벗어나 센서 네트워크 전체 망의 크기에 따라 1개 이상의 최소한의 Superframe으로 망을 구성하는 본원 발명의 특징을 나타낸다.
(401-1), (402-1), (403-1), (404-1), (405-1)의 점선은 각 조정자(Coordinator)를 중심으로 하는 Association을 위한 논리적 구성을 의미한다.
즉 점선 (401-2)의 확장된 Superframe구성은 조정자(401)에서 송신하는 비컨에 의해 결정되고, 노드간 논리적 연결은 각 조정자(Coordinator)의 Association Message 전달에 의해 결정된다.
도 4 (b)의 그림에서 처럼 본원발명의 확장된 Superframe의 구성을 위한 비컨(Beacon) 패킷은 긴거리로, Data등의 전송은 노드간 전송으로 구성한다.
비컨(Beacon) 패킷의 전송거리와 Data의 전송거리를 다르게 구성하는 이유는 센서 네트워크의 전력 소비를 최소화 하기 위해 데이터 전송의 출력을 작게 하거나, 출력이 제한된 센서 노드를 사용하기 때문이다.
센서 네트워크는 기존의 무선 통신과 다르게 거리 중심의 설치가 아닌 데이터 수집을 중심으로 센서 노드의 설치 밀도가 정해진다.
즉 센서 네트워크의 응용 특성에 따라 일정범위에 센서 노드의 밀집정도를 조정하게 된다.
따라서, 본원 발명은 센서 네트워크의 센서 노드의 밀집정도에 능등적으로 대처할 수 있도록 비컨(Beacon) 패킷의 전송거리와 Data의 전송거리를 다르게 구성한다.
도5는 본 발명에 따른 센서 네트워크 구성에서 채널 사용의 실시예를 보여주는 도면이다.
도 5의 (a)는 단일 채널을 사용하여 확장된 Superframe을 구성하는 경우이고 도 5의 (b)는 여러 채널을 동시에 사용하여 확장된 Superframe을 구성하는 경우이다.
도5의 (a)와 같이 단일 채널을 사용하여 확장된 Superframe을 구성하는 경우에 비컨 채널 슬롯(PWB, Power Beacon)은 확장된 Superframe을 구성하기 위한 비컨만을 사용하고, 기타 데이터 전송 및 노드간 연결(Association)등의 제어 패킷은 데이터 슬롯(D)을 이용한다.
망을 대표하는 조정자(Coordinator)나 조정자(Coordinator)는 비컨 채널 슬 롯의 출력을 조절하고, PW-Beacon간 충돌 방지를 위한 CSMA/CA 알고리즘를 통하여 Superframe 비컨을 전송한다.
도5의 (b)와 같이 여러개의 채널을 사용하여 확장된 Superframe을 구성하는 경우에는 미리 정해진 컨트롤 비컨 채널 슬롯(C)은 1채널을 통하여(Ch-1) 확장된 Superframe을 구성하기 위한 비컨만을 사용하고, 2채널(Ch-2)의 Data 채널에는 데이터 전송 및 노드간 연결을 위해 사용한다.
여러개의 채널을 사용하여 확장된 Superframe을 구성하는 경우에도 망을 대표하는 조정자(First Coordinator)나 조정자(Coordinator)는 비컨 채널 슬롯의 출력을 조절하여 Superframe 비컨을 전송한다.
도6은 본 발명에 따른 센서 네트워크 구성에서 이용하는 비컨 패킷의 구조를 보여주는 도면이다.
IEEE802.15.4의 Beacon Frame(a)는 2 Octets의 Frame Control의 Frame Type(b)에 따라 4가지 패킷이 정해진다.
본 발명에 따른 센서 네트워크 구성에서 이용하는 비컨 패킷의 구조는 IEEE802.15.4와의 호환을 위해 기존 필드의 구성은 그대로 유지하고 확장된 Superframe구성을 위한 Power-Beacon(601)을 사용한다.
MAC(Medium Access Control) 프로토콜 Superframe Specificaion의 Beacon Order(602)와 Superframe Order(603)는 확장된 Superframe 구성에서 Active와 InActive구간을 정한다.
MAC(Medium Access Control) 프로토콜 Superframe Specificaion의 type(604) 은 도5에서 처럼 Single-Channel(00)/Multi Channel(01)/Reserved(10,11)을 의미한다.
MAC(Medium Access Control) 프로토콜 uperframe Specificaion의 Data Channel(605)은 도5의 (b)에서 type=Multi Channel-Channel(01) 경우, 사용되는 채널 번호(000~111)를 노드들에게 알리기 위해 사용한다.
MAC(Medium Access Control) 프로토콜 Superframe Specificaion의 PAN Co.(606)는 Power-Beacon이 망을 대표하는 조정자(First Coordinator(0))/조정자(Coordinator(1))에 의한 것인지 알려준다.
MAC(Medium Access Control) 프로토콜 Superframe Specificaion의 Emergecy(607) Field는 Active/InActive의 Superframe상태(0)에서 비상모드 상태(1)로 전환을 알리기 위해 위함이다.
비상모드 상태란 센서 노드를 항상 Active한 상태로 유지하여 트래픽(Traffic)을 충분히 처리 할수 있도록 하기 위함이다.
도7은 본 특허에 따른 센서 네트워크 구성을 이용하여 도4의 센서 네트워크 구성도가 확장된 모습을 나타낸것이다.
도4의 (401-2)점선은 한 개의 확장된 Superframe 구성 영역이 도7의 점선(701-1)에 해당된다.
도 7의 (701-1),(702-1),(703-1),(704-1),(705-1)및 (706-1)점선은 본원 발명의 Power-Beacon을 통하여 여러개의 확장된 Superframe으로 구성된 센서 네트워크를 보여준다.
도7의 조정자(Coordinator(702) 및 (706), (704))는 하위에 1개 이상의 Superframe구간을 갖을 수 있다.
여러개의 확장된 Superframe구성하는 경우에 여러개의 Coordinator에서 전송하는 PW-Beacon간의 충돌(Collision) 발생이 가능하다.
도8은 본원 발명에 따른 센서 네트워크 구성에서 PW-Beacon간 충돌 방지를 위한 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)알고리즘이다.
CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)를 위한 초기갑 설정(step 801)에 있어서 최대 Backoff Exponent(aMACBE)는 MAX_DB와 홉수(#HOPS)에 의해 결정된다.
MAX_DB는 PW-Beacon의 출력과 연관된 값으로 출력이 클수록 부모 조정자(Coordinator)가 갖는 자식 조정자(Coordinator)의 수가 증가할 가능성이 커지고, 그에 따른 충돌(Collision)가능성이 커지므로 출력에 따른 미리 설정된 값을 갖는다.
PW-Beacon의 거리 및 Superframe의 구성에 따라 노드간 홉수(#HOPS)가 증가하고, 그에 따라 PW-Beacon의 충동 가능성이 높아지므로 같은 Superframe구간내에서 최대 홉수에 의해 Backoff Exponent를 설정한다.
초기값 설정이후 (2BE- 1)구간(step 802)에서 Random으로 설정된 기간만큼 대기한다.
대기값이 0이 되면 CCA(Clear Channel Assesment)를 실행한다(step 803).
Channel이 IDLE(step 804)이면 Beacon을 전송한다(step 806).
Channel이 Busy(step 804)이면 새로운 BE를 설정하여 Backoff를 진행한다(step805).
NB(number of backoff)는 최대 backoff 시도 횟수로 0~5사이의 값을 갖는다(step 807).
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.
도 1은 기존의 IEEE802.15.4 또는 Zigbee와 같은 동기식 기반 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 종래의 Superframe 구조 및 비컨 패킷의 구조를 보여주는 도면이다.
도3는 도2에서 설명한 Superframe 영역 구성 및 구조를 보여주는 도면이다.
도4는 본 발명에 따른 센서 네트워크 구성을 보여주는 도면이다.
도5는 본 발명에 따른 센서 네트워크 구성에서 채널 사용의 실시예를 보여주는 도면이다.
도6은 본 발명에 따른 센서 네트워크 구성에서 이용하는 비컨 패킷의 구조를 보여주는 도면이다.
도7은 본 특허에 따른 센서 네트워크 구성을 이용하여 도4의 센서 네트워크 구성도가 확장된 모습을 나타낸것이다.
도8은 본원 발명에 따른 센서 네트워크 구성에서 PW-Beacon간 충돌 방지를 위한 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)알고리즘이다.

Claims (17)

  1. 하나의 조정자(Coordinator)와 복수개의 디바이스 노드(Device nodes)을 포함하여 하나의 센서 필드를 구성하는 동기식 기반 센서 네트워크에 있어서,
    복수개의 센서필드에 포함된 조정자 및 디바이스 노드들의 활성구간(Active period)과 비활성구간(Inactive period)를 제어하는 비컨 프레임을 출력하는 비컨(Beacon) 제어 프레임 출력단계; 및
    상기 비컨 프레임에 의하여 활성구간으로 전환된 디바이스 노드가 수집한 데이터는 상기 데이터를 수집한 디바이스 노드가 속한 제 1 센서 필드의 조정자 및 상기 제 1 센서필드와 적어도 하나 이상의 디바이스 노드를 공유하는 제 2 센서필드의 중계노드 조정자를 거쳐서 수신하는 데이터 수신 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 동기식 기반 센서 네트워크 구성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중계노드 조정자는 적어도 하나이상인것을 특징으로 하는 동기식 기반 센서 네트워크 구성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 동기식 기반 센서 네트워크는 Zigbee 기반 센서 네트워크인것을 특징으로 하는 동기식 기반 센서 네트워크 구성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 동기식 기반 센서 네트워크는 IEEE802.15.4 기반 센서 네트워크인것을 특징으로 하는 동기식 기반 센서 네트워크 구성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 비컨(Beacon) 제어 프레임 출력단계에서 비컨 프레임을 출력하는 채널과 상기 데이터 수신 단계에서 데이터를 수신하는 채널이 동일하여 단일채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 동기식 기반 센서 네트워크 구성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 비컨(Beacon) 제어 프레임 출력단계에서 비컨 프레임을 출력하는 채널과 상기 데이터 수신 단계에서 데이터를 수신하는 채널이 상이하여 멀티채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 동기식 기반 센서 네트워크 구성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 비컨 프레임이 복수개일때 상기 비컨 프레임 상호간 충돌은 CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)알고리즘에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 동기식 기반 센서 네트워크 구성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 비컨 프레임은
    상기 조정자 및 디바이스 노드의 활성구간(Active)와 비활성구간(InActive)을 정하는 영역;
    상기 비컨 프레임을 출력하는 채널과 상기 데이터를 수신하는 채널이 동일하여 단일채널을 형성하는지 또는 상기 비컨 프레임을 출력하는 채널과 상기 데이터를 수신하는 채널이 상이하여 멀티채널을 형성하는지 표시하는 영역;
    상기 멀티채널을 사용하여 데이터 전송시에는 사용되는 채널 번호를 표시하는 영역;
    상기 비컨 프레임을 생성하는 조정자(Coordinator)를 표시하는 영역; 및
    상기 조정자 및 디바이스 노드가 항상 활성구간(Active)상태를 유지하게 하는 비상모드 상태를 표시하는 영역;을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기식 기반 센서 네트워크 구성 방법.
  9. 하나의 조정자(Coordinator)와 복수개의 디바이스 노드(Device nodes)을 포함하여 하나의 센서 필드를 구성하는 동기식 기반 센서 네트워크에 있어서,
    복수개의 센서필드에 포함된 조정자 및 디바이스 노드들의 활성구간(Active period)과 비활성구간(Inactive period)를 제어하는 비컨 프레임을 출력하는 출력부; 및
    상기 비컨 프레임에 의하여 활성구간으로 전환된 디바이스 노드가 수집한 데 이터는 상기 데이터를 수집한 디바이스 노드가 속한 제 1 센서 필드의 조정자 및 상기 제 1 센서필드와 적어도 하나 이상의 디바이스 노드를 공유하는 제 2 센서필드의 중계노드 조정자를 거쳐서 수신하는 수신부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 동기식 기반 센서 네트워크 구성 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 출력부의 상기 비컨 프레임의 출력세기는 상기 수신부의 수신 데이터의 수신 세기보다 큰 것을 특징으로 하는 동기식 기반 센서 네트워크 구성 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 비컨 프레임은
    상기 조정자 및 디바이스 노드의 활성구간(Active)와 비활성구간(InActive)을 정하는 영역;
    상기 비컨 프레임을 출력하는 채널과 상기 데이터를 수신하는 채널이 동일하여 단일채널을 형성하는지 또는 상기 비컨 프레임을 출력하는 채널과 상기 데이터를 수신하는 채널이 상이하여 멀티채널을 형성하는지 표시하는 영역;
    상기 멀티채널을 사용하여 데이터 전송시에는 사용되는 채널 번호를 표시하는 영역;
    상기 비컨 프레임을 생성하는 조정자(Coordinator)를 표시하는 영역; 및
    상기 조정자 및 디바이스 노드가 항상 활성구간(Active)상태를 유지하게 하는 비상모드 상태를 표시하는 영역;을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기식 기반 센서 네트워크 구성 장치.
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