KR101603036B1 - Apparatus and method for routing in industrial wireless sensor network - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 수퍼프레임을 통하여 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식의 클러스터 내부 통신 및 CSMA(Carrier Sense Multiple Access) 방식의 클러스터 헤드 간 통신을 수행하는 산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 장치 및 방법에 관한 것이다.
[0001] The present invention relates to a routing apparatus and method in an industrial wireless sensor network, and more particularly, to a routing apparatus and method in an industrial wireless sensor network, And more particularly, to a routing apparatus and method in an industrial wireless sensor network that performs inter-node communication.
산업용 무선 센서 네트워크는, 각종 센서에서 수집한 데이터를 무선으로 수집할 수 있도록 구성된 네트워크로서, 기존의 네트워크와 다르게 의사소통의 수단이 아니라 자동화된 원격 데이터 수집을 기본 목적으로 하며, 산업 설비의 조건을 만족하는 안정성과 연속성을 갖추도록 산업 현장의 다양한 응용 개발에 활용된다.The industrial wireless sensor network is a network configured to wirelessly collect data collected from various sensors. It is not a means of communication different from the existing network, but aims at automated remote data collection. It is used for various application development of industrial field to have satisfactory stability and continuity.
산업용 무선 센서 네트워크에서 데이터 수집의 가장 일반적인 방법은 모든 센서 노드들이 주기적으로 자신이 관찰한 데이터를 베이스 노드에게 전송하는 방식이다. 이 방식은 무선 센서 네트워크가 위치한 전체 환경을 완벽하게 감시할 수 있다는 장점이 있지만, 모든 노드들이 액티브 상태를 유지하면서 데이터를 센싱하고 센싱된 결과를 전송해야 하므로 에너지를 많이 소모한다는 문제점이 존재한다.The most common method of data collection in an industrial wireless sensor network is a method in which all the sensor nodes periodically transmit their observed data to the base node. This method is advantageous in that it can completely monitor the entire environment where the wireless sensor network is located, but there is a problem that all the nodes consume the energy because they sense the data while maintaining the active state and transmit the sensed result.
이와 같은 데이터 수집에 소요되는 에너지를 절약하기 위하여 무선 센서 네트워크를 다수 개의 클러스터로 분할하는 방식이 자주 사용된다.In order to save the energy required for such data collection, a method of dividing the wireless sensor network into a plurality of clusters is often used.
다중 클러스터 기반의 산업용 무선 센서 네트워크는 인접한 곳에 위치하여 센싱된 데이터가 유사한 센서 노드들을 하나의 클러스터에 포함시키며 이러한 클러스터 단위로 전체 센서 네트워크가 동작되도록 한다.The multi - cluster industrial wireless sensor network is located adjacent to each other, and the sensed data include similar sensor nodes in one cluster, and the entire sensor network is operated in such a cluster unit.
도 1은 일반적인 다중 클러스터 기반의 산업용 무선 인지 센서 네트워크의 구성도이다. 일반적인 다중 클러스터 기반의 산업용 무선 인지 센서 네트워크는 대규모의 센서노드들이 구비되어 복수 개의 클러스터로 그룹핑된다. 하나의 클러스터에는 복수 개의 센서노드와 한 개의 클러스터 헤드(Cluster Head; CH)가 포함된다.1 is a block diagram of a typical multi-cluster based industrial wireless sensor network. A typical multi-cluster based industrial wireless sensor network is composed of a large number of sensor nodes and is grouped into a plurality of clusters. One cluster includes a plurality of sensor nodes and one cluster head (CH).
이와 같은 일반적인 산업용 무선 인지 센서 네트워크는 인접한 클러스터들 간에 오버랩되는 영역이 발생하게 되는데, 이러한 인접 클러스터들이 동일한 채널을 사용하고 있을 때 오버랩되는 영역에 위치한 센서노드들에서 클러스터 간 간섭이 발생되는 문제가 있다. 또한 이와 같은 클러스터 간 간섭으로 인하여 전송 속도가 저하되며 종단 간 지연 시간이 증가하게 된다.
In the conventional industrial wireless sensor network, overlapping regions occur between neighboring clusters. When neighboring clusters use the same channel, inter-cluster interference occurs in the sensor nodes located in the overlapped region . Also, due to such inter-cluster interference, the transmission rate decreases and the end-to-end delay time increases.
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 시스템 관리부에 의하여 인접한 클러스터 헤드 간에 상이한 채널 주파수를 할당하고 수퍼프레임을 통하여 각 클러스터 헤드가 인접 클러스터와 상이한 채널 주파수를 선택하는, 산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 장치 및 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for allocating different channel frequencies between adjacent cluster heads by a system manager and selecting a channel frequency different from that of adjacent clusters through a superframe , And a routing apparatus and method in an industrial wireless sensor network.
본 발명의 다른 목적은, 수퍼프레임을 통하여 TDMA 방식의 클러스터 내부 통신 및 CSMA 방식의 클러스터 헤드 간 통신을 수행함으로써 데이터 전송 속도 및 종단 간 지연 시간을 개선하는 산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a routing apparatus and method in an industrial wireless sensor network that improves data transmission speed and end-to-end delay time by performing intra-cluster communication of a TDMA scheme and inter- cluster head communication of a CSMA scheme through a superframe .
본 발명의 또다른 목적은 하나의 클러스터 및 그의 인접 클러스터에 대한 정보를 제공하기 위한 준비 부분, 할당된 채널 주파수를 이용하여 TDMA 방식으로 클러스터 내부 통신을 수행하기 위한 제 1 타임슬라이스 부분, 및 CSMA 방식으로 클러스터 헤드 간 통신을 수행하기 위한 제 2 타임슬라이스 부분을 포함하는 수퍼프레임을 이용하여 클러스터 내부 통신 및 클러스터 헤드 간 통신을 수행하는 산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
It is still another object of the present invention to provide a method and apparatus for providing information on one cluster and neighboring clusters thereof, a first time slice portion for performing intra-cluster communication in the TDMA scheme using the allocated channel frequency, And a second time slice portion for performing communication between the cluster heads by using the superframe. The present invention also provides a routing apparatus and method in an industrial wireless sensor network that performs intra-cluster communication and inter-cluster head communication.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 방법은, 클러스터 헤드가 클러스터 내의 하나 이상의 센서노드들에게 수퍼프레임의 준비부분을 통해 상기 클러스터에 대한 정보 및 그 인접 클러스터 헤드에 대한 정보를 전송하는 준비 단계; 상기 클러스터 헤드가 상기 수퍼프레임의 제 1 타임슬라이스 부분을 통해 상기 센서노드들로부터 TDMA 방식으로 데이터를 수신 및 수집하는 클러스터 내부 통신 단계; 및 상기 클러스터 헤드가 CSMA 방식으로 상기 수퍼프레임의 제 2 타임슬라이스 부분을 통해 상기 인접 클러스터 헤드로 데이터를 송신하는 클러스터 헤드 간 통신 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, a routing method in an industrial wireless sensor network according to the present invention is a routing method in an industrial wireless sensor network, in which a cluster head transmits information on the cluster to a sensor node A preparation step of transmitting information on the head; An intra-cluster communication step in which the cluster head receives and collects data from the sensor nodes in a TDMA manner via a first time slice portion of the superframe; And a cluster head communication step in which the cluster head transmits data to the adjacent cluster head via a second time slice portion of the superframe in a CSMA manner.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 장치는, 하나 이상의 센서노드, 및 상기 하나 이상의 센서노드를 관리하는 클러스터 헤드를 포함하는 클러스터를 복수개 구비하며, 상기 클러스터 헤드는, 수퍼프레임을 통해 채널 주파수를 선택하고 클러스터에 대한 정보 및 인접 클러스터에 대한 정보를 상기 하나 이상의 센서노드로 전송하며, 상기 하나 이상의 센서노드는, 센싱 데이터를 상기 수퍼프레임을 통해 TDMA 방식으로 상기 클러스터 헤드로 전송하며, 상기 클러스터 헤드는, 상기 하나 이상의 센서노드로부터 전송된 데이터를 상기 수퍼프레임을 통해 CSMA 방식으로 인접 클러스터 헤드로 전송한다.
In order to achieve the above object, a routing apparatus in an industrial wireless sensor network according to the present invention comprises a plurality of clusters including at least one sensor node and a cluster head for managing the at least one sensor node, The head selects the channel frequency through the superframe and transmits information on the cluster and information on the adjacent cluster to the one or more sensor nodes. The one or more sensor nodes transmit the sensing data to the superframe through a TDMA scheme The cluster head transmits data transmitted from the at least one sensor node to the adjacent cluster head through the superframe in a CSMA scheme.
본 발명은 시스템 관리부에 의하여 인접한 클러스터 헤드 간에 상이한 채널 주파수를 할당하고 수퍼프레임을 통하여 각 클러스터 헤드가 인접 클러스터와 상이한 채널 주파수를 선택함으로써 클러스터 간 간섭을 방지하는 효과가 있다.The present invention has the effect of preventing inter-cluster interference by allocating different channel frequencies between adjacent cluster heads by the system management unit and selecting a different channel frequency from each cluster head through a superframe.
또한, 수백 개의 대규모 센서 노드 및 이를 관리하는 클러스터(cluster) 헤드들의 라우팅 동작을 수퍼프레임(super frame)을 통해 수행한다. 이와 같이 산업용 무선 인지 센서 네트워크에서 클러스터 헤드 간 통신 및 클러스터 내부 통신을 슈퍼프레임(super frame)을 통해 수행함으로써 데이터 전송 속도 및 종단 간 지연 시간이 현저히 개선되는 효과가 있다.
In addition, the routing operation of hundreds of large-scale sensor nodes and cluster heads that manage them is performed through a super frame. In this way, communication between the cluster heads and intra-cluster communication in the industrial wireless perception sensor network is performed through a super frame, thereby significantly improving the data transmission speed and the end-to-end delay time.
도 1은 종래 무선 센서 네트워크의 클러스터 구성도
도 2는 본 발명에 의한 산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 장치의 구성도
도 3은 본 발명에 의한 각 클러스터에서 사용되는 수퍼 프레임의 구성도
도 4는 본 발명에 의한 산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 장치를 이용한 라우팅 방법의 흐름도
도 5는 본 발명에 의한 클러스터 헤드의 상태도
도 6은 채널 사용 패턴 모델을 나타내는 도면
도 7은 모의 실험 결과 클러스터 개수가 증가함에 따라 클러스터 내부 통신의 평균 지연시간의 관계를 나타내는 그래프
도 8은 모의 실험 결과 클러스터 개수가 증가함에 따른 평균 전송속도(Throughput)의 관계를 나타내는 그래프1 is a block diagram of a conventional wireless sensor network
2 is a block diagram of a routing apparatus in an industrial wireless sensor network according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram of a superframe used in each cluster according to the present invention
4 is a flowchart of a routing method using a routing apparatus in an industrial wireless sensor network according to the present invention.
5 is a state diagram of the cluster head according to the present invention
6 is a diagram showing a channel use pattern model;
7 is a graph showing the relationship between the average delay time of intra-cluster communication as the number of clusters increases as a result of simulation
8 is a graph showing the relationship between the average transmission rate (throughput) as the number of clusters increases as a result of a simulation
본 발명은 다중 클러스터 기반 산업용 무선 센서 네트워크의 라우팅 동작에서 수퍼프레임을 이용한다. 본 발명은 산업용 무선 센서 네트워크의 백본망에 연결된 시스템 관리부에 의하여 인접한 클러스터 헤드(Cluster Head; CH) 간 상이한 채널 주파수를 할당하고 수퍼프레임을 통하여 각 클러스터 헤드가 인접 클러스터와 상이한 채널 주파수를 선택한다. 그리고 수퍼프레임을 통하여 TDMA 방식의 클러스터 내부 통신(CH-GN 통신; Intra CH 통신) 및 CSMA 방식의 클러스터 헤드 간 통신(CH-CH 통신; Inter CH 통신)을 수행한다.The present invention utilizes a superframe in the routing operation of a multi-cluster-based industrial wireless sensor network. The present invention assigns different channel frequencies between adjacent cluster heads (CHs) by a system management unit connected to a backbone network of an industrial wireless sensor network, and each cluster head selects a different channel frequency through a superframe. (CH-GN communication; Intra CH communication) of the TDMA scheme and inter-cluster head communication (CH-CH communication; Inter CH communication) of the CSMA scheme via the super frame.
도 2는 본 발명에 의한 산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 장치의 구성도이다.2 is a configuration diagram of a routing device in an industrial wireless sensor network according to the present invention.
본 발명에 의한 산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 장치는, 데이터를 센싱하는 복수 개의 센서노드(General Node; GN)(10), 복수 개의 센서노드(10)로부터 데이터를 수신하고 복수 개의 센서노드(10)를 관리하는 클러스터 헤드(CH)(20)가 형성되어 있다. 클러스터 헤드(20) 간 통신을 통하여, 센서노드(10)로부터 수신된 데이터가 게이트웨이(GW)(30)로 전송된다. 게이트웨이(GW)(30)는 복수 개의 클러스터 헤드(20)와 산업용 백본망을 연결하여 복수 개의 클러스터 헤드(20)로부터 수집된 데이터를 수신하여 산업용 백본망으로 전송한다. 시스템 관리부(40)는 산업용 백본망에 연결되며, 복수 개의 클러스터 헤드(20)에 클러스터 간 간섭이 발생되지 않도록 상이한 채널 주파수를 할당한다.
A routing apparatus in an industrial wireless sensor network according to the present invention includes a plurality of sensor nodes (GN) 10 for sensing data, a plurality of sensor nodes 10 (CH) 20 for managing the cluster head (CH) 20 are formed. Data received from the
산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅(routing) 동작은, 라운드(Round)라는 시간 단위로 수행되며 라운드가 계속 반복되어 수행된다. 각 라운드는 설정(setup) 단계와 활성화단계로 구성된다. 설정단계는 클러스터를 구성하는 단계이고, 활성화단계는, 센서노드들(10)과 클러스터 헤드(20) 간에 통신이 이루어지는 클러스터 내부 통신과, 클러스터 헤드(20) 간에 통신이 이루어지는 클러스터 헤드 간 통신이 수행되는 단계이다. 이와 같은 활성화단계에서 본 발명에 의한 수퍼프레임이 사용된다.The routing operation in an industrial wireless sensor network is performed in a time unit called a round, and the round is repeatedly performed. Each round consists of a setup step and an activation step. The setting step is a step of configuring the cluster. In the activation step, the intra-cluster communication in which the communication between the
상기 수퍼프레임은, 모든 센서노드가 자신의 센싱 데이터를 게이트웨이 역할을 담당하는 싱크노드에 전송할 수 있는 시간 사이클을 나타내는 것으로서, 클러스터 내부 통신 및 클러스터 헤드 간 통신을 통해 게이트웨이까지 데이터가 전송되는 데 소요되는 시간 사이클을 나타낸다.The superframe represents a time cycle in which all the sensor nodes can transmit their sensing data to the sink node, which serves as a gateway. The superframe is used to transmit data to the gateway through intra- Time cycle.
본 발명에 의한 수퍼프레임은 도 3에 도시된 바와 같이, 세 부분, 즉, 준비 부분(100), 제1 타임슬라이스(TS) 부분(200) 및 제 2 타임슬라이스 부분(300)으로 구성되어 있다. 준비부분(100)은, 클러스터에 대한 정보 및 그의 인접 클러스터 헤드들에 대한 정보를 전송하기 위한 부분이다. 제1 타임슬라이스 부분(200)은, TDMA 방식으로 클러스터 내부 통신을 수행하기 위한 부분이다. 제2 타임슬라이스 부분(300)은, CSMA 방식으로 클러스터 헤드 간 통신을 수행하기 위한 부분이다.The superframe according to the present invention is composed of three parts, a
상기 준비 부분(100)은, 상기 클러스터에 할당된 채널주파수를 선택하는 채널주파수 선택슬롯(S슬롯), 및 상기 선택된 채널주파수를 알리기 위하여 방송하고, 시스템 관리부(40)로부터 전송되는 제어정보를 전송하는 제어슬롯(C슬롯)을 포함한다.
The
도 4는 본 발명에 의한 산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 장치를 이용한 라우팅 방법의 흐름도를 나타낸다. 본 발명에 의한 라우팅 방법은, 클러스터 헤드가 클러스터 내의 하나 이상의 센서노드들에게 수퍼프레임의 준비부분(100)을 통해 상기 클러스터에 대한 정보 및 그 인접 클러스터 헤드들에 대한 정보를 전송하는 준비 단계, 상기 클러스터 헤드가 상기 수퍼프레임의 제 1 타임슬라이스 부분(200)을 통해 상기 클러스터 내의 하나 이상의 센서노드들로부터 TDMA 방식으로 데이터를 수신 및 수집하는 클러스터 내부 통신 단계(S30), 및 상기 클러스터 헤드가 CSMA 방식으로 상기 수퍼프레임의 제 2 타임슬라이스 부분(300)을 통해 상기 인접 클러스터 헤드로 데이터를 송신하는 클러스터 헤드 간 통신 단계(S40)를 포함한다.4 is a flowchart of a routing method using a routing apparatus in an industrial wireless sensor network according to the present invention. The routing method according to the present invention is characterized in that the cluster head transmits information on the cluster and information on the adjacent cluster heads to the one or more sensor nodes in the cluster through the
상기 준비 단계는, 상기 클러스터 헤드가 시스템 관리부(40)에 의하여 상기 클러스터에 할당된 채널주파수를 상기 수퍼프레임의 S슬롯을 통해 선택하는 단계(S10), 및 상기 클러스터 헤드가 선택된 채널주파수를 상기 수퍼프레임의 C슬롯을 통해 알리는 단계(S20)를 포함한다.Wherein the preparing comprises: (S10) selecting (S10) the channel frequency allocated to the cluster by the system management unit (40) through the S slot of the superframe, and And notifying through the C slot of the frame (S20).
상기 시스템 관리부(40)는 클러스터 간 간섭이 발생되지 않도록 인접한 클러스터 간에 상이한 채널 주파수를 할당한다.
The
각 라운드의 설정단계에서 클러스터가 구성되면, 모든 센서노드들은 그들의 클러스터 헤드를 인지하게 된다. 각 수퍼프레임의 시작시 클러스터 헤드들은 지정된 채널 세트로부터 클러스터 내부 통신을 위하여 사용될 채널을 선택한다. 즉, 각 수퍼프레임의 준비부분(100)을 통해, 클러스터 헤드가 자신의 클러스터에 있는 센서노드들에게 그 클러스터 정보 및 통신 채널을 수신하고 있는 인접 클러스터 헤드들의 정보를 전송한다. When a cluster is configured in the configuration phase of each round, all sensor nodes are aware of their cluster head. At the beginning of each superframe, the cluster heads select the channel to be used for intracluster communication from the designated channel set. That is, through the
그리고 수퍼프레임의 제 1 타임슬라이스 부분(200)을 통해, 클러스터의 센서노드들은 TDMA 방식을 사용하여 할당된 채널을 통해 클러스터 헤드로 데이터를 전송한다. Then, through the first
클러스터 헤드는 수퍼프레임의 제 2 타임슬라이스 부분(300)을 인접 클러스터 헤드 간 통신을 위하여 사용한다. 인접 클러스터 헤드 간 통신시 센서노드와 외부 네트워크를 연결하는 게이트웨이 역할을 담당하는 싱크노드로 데이터를 전달함에 있어, 인접한 클러스터 헤드들은 CSMA 방식을 사용하여 데이터를 전송한다. 인접한 클러스터 헤드들이 데이터를 싱크노드로 전송할 때 다중 홉 전달 방식이 사용된다.
The cluster head uses the second
도 5는 본 발명에 의한 클러스터 헤드의 상태도를 나타낸다. 5 shows a state diagram of the cluster head according to the present invention.
하나의 클러스트를 관리하는 클러스터 헤드는 각 인터럽트 메시지가 발생될 때마다 휴지 상태(idle), TDMA 방식 수행 상태(클러스터 내부 통신 상태), 및 CSMA 방식 수행 상태를 각각 전환하면서 클러스터 내부 통신 및 클러스터 헤드 간 통신을 수행한다.
A cluster head that manages a single cluster switches between idle, TDMA-based, and CSMA-based states each time an interrupt message is generated, And performs communication.
도 6은 채널 사용 패턴 모델을 나타내는 도면이다.6 is a diagram showing a channel use pattern model.
각 수퍼프레임의 시작시, 클러스터 헤드는 m+1 시점에 사용가능한 채널의 idle 기간 및 busy 기간을 추정한다.At the beginning of each superframe, the cluster head estimates idle periods and busy periods of available channels at time m + 1.
수식(1) 및 수식(2)에서 α는 계수이고, β=max(1, m-W) 는 윈도의 하위 경계값이고, W는 윈도우의 길이를 나타낸다. 수식(1) 및 수식(2)는 두 가지 요소를 포함한다. In the equations (1) and (2), α is a coefficient, β = max (1, m-W) is the lower boundary value of the window and W is the length of the window. Equations (1) and (2) include two elements.
수식(1)은 사용가능한 채널의 idle 상태(Ton)를 나타내는 것으로 채널이 사용가능함을 나타낸다. 수식(2)는 사용가능한 채널의 busy 상태(Toff)를 나타내는 것으로, 채널이 사용 불가임을 나타낸다. Equation (1) represents an idle state (Ton) of a usable channel, which indicates that the channel is usable. Equation (2) indicates the usable channel busy state (Toff), which indicates that the channel is unusable.
클러스터 헤드는 그 클러스터에 속하는 센서노드와 통신하기 위하여 idle 상태의 채널 중 하나를 선택한다.
The cluster head selects one of the idle channels to communicate with the sensor nodes belonging to the cluster.
인접한 클러스터들 간에 클러스터 간 간섭을 제거하기 위하여 상이한 채널이 할당된다. 간섭이 발생되는 거리는 센서노드의 전송 범위 dtx와 관련이 있다.Different channels are allocated to eliminate inter-cluster interference between adjacent clusters. The distance at which the interference occurs is related to the transmission range dtx of the sensor node.
다수의 클러스터 헤드가 시스템 관리부를 통해 채널 주파수를 할당받을 때에는 클러스터 헤드로부터 시스템 관리부로의 거리 dru (수식 (3))을 통해 더욱 구체화된다.When a plurality of cluster heads are allocated channel frequencies through the system management unit, they are further specified through a distance dru (equation (3)) from the cluster head to the system management unit.
dtxmax는 센서노드의 최대 전송 범위를 나타낸다.dtxmax represents the maximum transmission range of the sensor node.
수식(1) 및 수식(2)를 통해 계산되는 Ton, Toff 값과 수식(3)을 통해 계산되는 거리값(dru)을 활용하여 다수개의 클러스터 헤드에서의 idle 시간 및 busy 시간을 연산하며, idle 값이 상대적으로 큰 클러스터 헤드가 우선적으로 채널주파수가 할당된다.
Idle time and busy time in a plurality of cluster heads are calculated using the Ton and Toff values calculated through the equations (1) and (2) and the distance value dru calculated through the equation (3) A cluster head with a relatively large value is preferentially assigned a channel frequency.
본 발명에서는 수퍼프레임에 따라 클러스터 선정이 이루어진다.In the present invention, a cluster is selected according to a super frame.
즉, 본 발명은 센서노드의 데이터를 싱크노드(즉, 게이트웨이)로 최단거리 방향 등의 최적 방향을 선택하여 통신할 경우, 대규모의 센서 노드들이 포함되는 클러스터를 구분하여 내부 클러스터 통신 및 클러스터 간 통신으로 이루어지는 것이며, 인접한 클러스터 헤드들 중에서 통신이 이루어지는 클러스터 헤드를 선정함에 있어, 각 클러스터 헤드는 수퍼프레임에 따라 절차가 이루어진다.That is, in the case where the sensor node data is communicated to the sink node (i.e., the gateway) by selecting the optimum direction such as the shortest distance direction, the cluster including the large-sized sensor nodes is classified into the inner cluster communication and the inter- In selecting a cluster head in which communication is performed among adjacent cluster heads, each cluster head performs a procedure according to a superframe.
특히 수퍼프레임을 통해 클러스터 헤드를 선정함에 있어, 도 6에 도시된 바와 같이, Toff 및 Ton 의 값에 따라 이루어진다. 클러스터 헤드를 선정할 때, 전송 채널 우선순위에 따라 다양한 값을 갖는 Toff 값(고정된 값이 아님)에 따라 클러스터 헤드를 선정한다. 즉, idle 값이 상대적으로 큰 클러스터 헤드를 선정하는 것이며, 이 경우에 무작위로 클러스터 헤드를 선정하는 경우보다 종단 간 지연시간이 더 단축되는 효과가 있다. 이를 통해 클러스터 헤드의 개수는 센서 노드의 개수보다 상당히 적은 양으로 구성이 가능하며, 이에 대규모 센서 노드에서 평균 지연 시간 및 전송 속도 측면에서 성능이 향상된다.
In particular, as shown in FIG. 6, the cluster head is selected according to the value of Toff and Ton in the superframe. When selecting the cluster head, the cluster head is selected according to the Toff value (not the fixed value) having various values according to the transmission channel priority. That is, a cluster head having a relatively large idle value is selected. In this case, there is an effect that the end-to-end delay time is further shortened as compared with the case where the cluster head is randomly selected. Therefore, the number of cluster heads can be configured to be much smaller than the number of sensor nodes, and the performance is improved in terms of average delay time and transmission speed in a large-scale sensor node.
도 7은 모의 실험 결과 클러스터 개수가 증가함에 따라 클러스터 내부 통신의 평균 지연시간의 관계를 나타내는 그래프이다. 본 발명의 경우(TAR) 종래 기술(PS)의 경우보다 클러스터 개수가 증가함에 따라 클러스터 내부 통신의 평균 지연시간이 감소함을 확인할 수 있다.FIG. 7 is a graph showing the relationship of the average delay time of intra-cluster communication as the number of clusters increases as a result of a simulation. In the case of the present invention (TAR), it can be seen that as the number of clusters increases, the average delay time of intra-cluster communication decreases compared to the case of the prior art (PS).
도 8은 모의 실험 결과 클러스터 개수가 증가함에 따른 평균 전송속도(Throughput)의 관계를 나타내는 그래프이다. 본 발명의 경우(TAR) 종래 기술의 경우보다 클러스터 개수가 증가함에 따라 평균 전송속도가 더 높음을 확인할 수 있다.
FIG. 8 is a graph showing a relationship of an average transmission rate (throughput) as the number of clusters increases as a result of a simulation. In the case of the present invention (TAR), it can be seen that the average transmission rate is higher as the number of clusters increases than in the prior art.
10,11: 센서노드 20,21: 클러스터 헤드
30: 게이트웨이 40: 시스템관리부10 and 11:
30: gateway 40: system management unit
Claims (6)
상기 클러스터 헤드가 상기 수퍼프레임의 제 1 타임슬라이스 부분을 통해 상기 센서노드들로부터 TDMA 방식으로 데이터를 수신 및 수집하는 클러스터 내부 통신 단계; 및
상기 클러스터 헤드가 CSMA 방식으로 상기 수퍼프레임의 제 2 타임슬라이스 부분을 통해 상기 인접 클러스터 헤드로 데이터를 송신하는 클러스터 헤드 간 통신 단계를 포함하고,
상기 준비 단계는,
상기 클러스터 헤드가 시스템 관리부에 의하여 상기 클러스터에 할당된 채널주파수를 상기 수퍼프레임의 준비부분의 S슬롯을 통해 선택하는 단계, 및
상기 클러스터 헤드가 선택된 채널주파수를 상기 수퍼프레임의 준비부분의 C슬롯을 통해 알리는 단계를 포함하는 산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 방법.
Preparing a cluster head for transmitting information on the cluster and information on the adjacent cluster head to one or more sensor nodes in the cluster through a preparation part of a superframe;
An intra-cluster communication step in which the cluster head receives and collects data from the sensor nodes in a TDMA manner via a first time slice portion of the superframe; And
Wherein the cluster head transmits data to the adjacent cluster head via a second time slice portion of the superframe in a CSMA manner,
In the preparation step,
The cluster head selecting a channel frequency allocated to the cluster by a system management unit through an S slot of a preparation part of the superframe; and
And the cluster head informing the selected channel frequency through the C slot of the preparation part of the superframe.
클러스터 간 간섭이 발생되지 않도록 인접한 클러스터 간에 상이한 채널 주파수를 할당하는 산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 방법.
The system according to claim 1, wherein the system management unit
A routing method in an industrial wireless sensor network that assigns different channel frequencies between adjacent clusters so that inter-cluster interference does not occur.
상기 클러스터 헤드는,
수퍼프레임을 통해 채널 주파수를 선택하고 클러스터에 대한 정보 및 인접 클러스터에 대한 정보를 상기 하나 이상의 센서노드로 전송하며,
상기 하나 이상의 센서노드는,
센싱 데이터를 상기 수퍼프레임을 통해 TDMA 방식으로 상기 클러스터 헤드로 전송하며,
상기 클러스터 헤드는,
상기 하나 이상의 센서노드로부터 전송된 데이터를 상기 수퍼프레임을 통해 CSMA 방식으로 인접 클러스터 헤드로 전송하고,
상기 수퍼프레임은,
상기 클러스터에 대한 정보 및 인접 클러스터들에 대한 정보를 전송하기 위한 준비 부분;
TDMA 방식으로 클러스터 내부 통신을 수행하기 위한 제 1 타임슬라이스 부분; 및
CSMA 방식으로 클러스터 헤드 간 통신을 수행하기 위한 제 2 타임슬라이스 부분을 포함하며,
상기 준비 부분은,
상기 클러스터에 할당된 채널주파수를 선택하는 채널주파수 선택슬롯, 및
상기 선택된 채널주파수를 알리기 위하여 방송하고, 시스템 관리부로부터 전송되는 제어정보를 전송하는 제어슬롯을 포함하는 산업용 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 장치.
A plurality of clusters including one or more sensor nodes and a cluster head for managing the one or more sensor nodes,
The cluster head includes:
Selecting a channel frequency through a superframe and transmitting information on the cluster and information on the adjacent cluster to the one or more sensor nodes,
Wherein the at least one sensor node comprises:
Transmits sensing data to the cluster head in a TDMA manner through the superframe,
The cluster head includes:
Transmitting data transmitted from the at least one sensor node to the adjacent cluster head in a CSMA manner via the superframe,
In the superframe,
A preparation part for transmitting information on the cluster and information on adjacent clusters;
A first time slice portion for performing intra-cluster communication in a TDMA scheme; And
A second time slice portion for performing communication between cluster heads in a CSMA manner,
Wherein the preparation portion comprises:
A channel frequency selection slot for selecting a channel frequency assigned to the cluster, and
A control slot for broadcasting the selected channel frequency, and transmitting control information transmitted from the system management unit, in the industrial wireless sensor network.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150015599A KR101603036B1 (en) | 2015-01-30 | 2015-01-30 | Apparatus and method for routing in industrial wireless sensor network |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020150015599A KR101603036B1 (en) | 2015-01-30 | 2015-01-30 | Apparatus and method for routing in industrial wireless sensor network |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101603036B1 true KR101603036B1 (en) | 2016-03-11 |
Family
ID=55583118
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020150015599A KR101603036B1 (en) | 2015-01-30 | 2015-01-30 | Apparatus and method for routing in industrial wireless sensor network |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101603036B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115243215A (en) * | 2022-09-22 | 2022-10-25 | 太极计算机股份有限公司 | Data fusion system based on Internet of things |
Citations (3)
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| KR20060124498A (en) * | 2005-05-31 | 2006-12-05 | 삼성전자주식회사 | Method for controlling media access in wireless sensor network |
| KR101113454B1 (en) | 2010-03-17 | 2012-02-29 | 인하대학교 산학협력단 | Method for controlling power in cognitive radio ad-hoc network |
| KR20120113064A (en) * | 2011-04-04 | 2012-10-12 | (주) 파이시스네트웍스 | Low power sensor network system using cluster network and method for establishing cluster network in sensor network |
-
2015
- 2015-01-30 KR KR1020150015599A patent/KR101603036B1/en active IP Right Grant
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