KR20100006314A - Method for transmitting and receiving data using multi-channel in wireless sensor networks - Google Patents

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KR20100006314A
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차호정
김영민
신효정
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A data transmission method through a multi channel including a basic channel and an addition channel in wireless sensor network is provided to receive an additional data message to an addition channel and receive the data message through the basic channel. CONSTITUTION: Sensor nodes performs time synchronization by receiving a control message from a sensor node(S10). The sensor nodes grasp the time slot occupied by the sensor nodes by using the information included in the control message. The sensor nodes select the time slot, transmit the sensor nodes and enters into a standby mode(S20). The sensor nodes attempt the reception of a broadcast message through the default channel(S40).

Description

무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법{method for transmitting and receiving data using multi­channel in wireless sensor networks}Method for transmitting and receiving data using multi channel in wireless sensor networks

본 발명은 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법에 관한 것으로, 특히 무선 센서 네트워크의 제한된 대역폭을 증가시키기 위하여 송수신 노드들이 다중 채널을 사용하되, 센서 노드들은 자신만의 타임 슬롯에서 기본 채널을 통하여 데이터 메시지를 수신하고, 추가 데이터 메시지는 추가 채널로 이동하여 수신함으로써, 기본 채널을 통하여 데이터 송수신을 진행하는 다른 노드들의 통신을 방해하지 않도록 하는 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for transmitting and receiving data through multiple channels in a wireless sensor network. In particular, the transmitting and receiving nodes use multiple channels to increase the limited bandwidth of the wireless sensor network. Receiving a data message through the additional channel, the additional data message to the additional channel, by transmitting and receiving data over a multi-channel in a wireless sensor network that does not interfere with the communication of other nodes proceeding data transmission and reception through the base channel will be.

기존에 제안된 무선 센서 네트워크에서의 다중 채널을 통한 매체 접근 제어 프로토콜들은 각 센서 노드들에게 고정적인 네트워크 자원을 할당하는 프로토콜들과 필요에 따라 자원을 새로 할당하는 프로토콜들로 나눌 수 있다. In the proposed wireless sensor network, the multi-channel media access control protocols can be divided into protocols for allocating fixed network resources to each sensor node and protocols for newly allocating resources as necessary.

MMSN[Gang Zhou, Chengdu Huang, Ting Yan, Tian He, John A. Stankovic and Tarek F. Abdelzaher. MMSN: Multi-Frequency Media Access Control for Wireless Sensor Networks. INFOCOM, 2006]은 각 노드들에게 하나의 채널을 할당함으로써 전체 네트워크의 대역폭을 증가시켰으나, 노드들에게 고정된 채널을 할당하는 것은 각 채널의 최적화된 사용을 제한한다. MMSN [Gang Zhou, Chengdu Huang, Ting Yan, Tian He, John A. Stankovic and Tarek F. Abdelzaher. MMSN: Multi-Frequency Media Access Control for Wireless Sensor Networks. INFOCOM, 2006] increased the bandwidth of the entire network by assigning one channel to each node, but allocating fixed channels to nodes limits the optimal use of each channel.

Xun[Chen Xun, Han Peng, He Qiu-sheng, Tu Shi-liang, Chen Zhang-long. A Multi-Channel MAC Protocol for Wireless Sensor Networks. In Proceedings of The Sixth IEEE International Conference on Computer and Information Technology (CIT), 2006.] 등에 의해 제안된 매체 접근 제어 프로토콜에서는 클러스터 헤더가 클러스터 멤버들로부터 송신 요청 메시지를 받아 송수신 계획을 수립한다. Chen Xun, Han Peng, He Qiu-sheng, Tu Shi-liang, Chen Zhang-long. A Multi-Channel MAC Protocol for Wireless Sensor Networks. In the media access control protocol proposed by In Proceedings of The Sixth IEEE International Conference on Computer and Information Technology (CIT), 2006.], the cluster header receives a transmission request message from cluster members and establishes a transmission / reception plan.

이 계획은 클러스터 멤버들에게 전파되며, 노드들은 정해진 타이밍과 채널에서 데이터를 송수신한다. 이 프로토콜은 전체 네트워크의 휴면 시간을 증대시킬 수 있으나, 전체 네트워크의 최대 대역폭이 클러스터 헤더가 처리할 수 있는 송신 요청 메시지의 수에 따라 좌우된다는 단점을 가진다.The plan is propagated to cluster members, and nodes send and receive data at fixed timings and channels. This protocol can increase the sleep time of the entire network, but has the disadvantage that the maximum bandwidth of the entire network depends on the number of transmit request messages that the cluster header can handle.

일반적으로 센서 노드들은 사람이 쉽게 접근할 수 없는 위치에 배치되고 배터리로부터 전원을 공급받기 때문에, 센서 노드의 에너지 사용을 최적화하는 것은 매우 중요한 일이다. 이러한 문제를 해결하고자, 기존에 제시된 무선 센서 네트워크를 위한 매체 접근 제어 프로토콜들은 효율적인 에너지 사용에 초점을 맞춰왔다.Since sensor nodes are usually located in a location that is not easily accessible to humans and are powered by a battery, it is very important to optimize the energy usage of the sensor nodes. To solve this problem, the existing media access control protocols for wireless sensor networks have focused on efficient energy use.

최근 무선 센서 네트워크가 점차 광범위한 범위에서 사용됨에 따라 네트워크 안의 노드 밀집도는 점점 증가하고 있고 무선 센서 네트워크를 위한 일부 운영체제 들은 한 센서 노드 안에서 여러 개의 응용 프로그램이 동작하는 것을 가능하게 하였다. Recently, as the wireless sensor network is used in a wide range, the node density in the network is increasing, and some operating systems for the wireless sensor network enable several applications to operate within a sensor node.

이러한 상황은 무선 센서 네트워크에 기존 보다 더 큰 대역폭을 요구한다. 하나의 채널만을 사용하는 매체 접근 제어 프로토콜들은 많은 트래픽이 발생하는 상황에서는 낮은 대역폭으로 인해 원활한 데이터 전송을 보장하지 못한다.This situation requires greater bandwidth than ever before in wireless sensor networks. Media access control protocols using only one channel do not guarantee smooth data transmission due to low bandwidth in high traffic situations.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 무선 센서 네트워크의 제한된 대역폭을 증가시키기 위하여 송수신 노드들이 다중 채널을 사용하되, 센서 노드들은 자신만의 타임 슬롯에서 기본 채널을 통하여 데이터 메시지를 수신하고, 추가 데이터 메시지는 추가 채널로 이동하여 수신함으로써, 기본 채널을 통하여 데이터 송수신을 진행하는 다른 노드들의 통신을 방해하지 않도록 하는 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention was devised to solve the above-mentioned problems of the prior art, while transmitting / receiving nodes use multiple channels to increase the limited bandwidth of the wireless sensor network. Receiving a data message, the additional data message is sent to the additional channel, thereby providing a method for transmitting and receiving data over multiple channels in a wireless sensor network that does not interfere with the communication of other nodes proceeding data transmission and reception through the base channel. For that purpose.

상기와 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법을 이루는 구성수단은, 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법에 있어서, 네트워크에 참여하기 위한 센서 노드들이 1홉 거리 안에 있는 주변 센서 노드들로부터 제어 메시지를 수신받아 시간 동기화를 시키는 단계, 상기 네트워크에 참여하기 위한 센서 노드들이 상기 수신받은 제어 메시지에 포함된 정보를 이용하여 2홉 거리 안에 있는 주변 센서 노드들에 의하여 점유된 타임 슬롯들을 파악하고, 자신들이 사용 가능한 타임 슬롯을 선택하여 주변 센서 노드들에게 전송한 후, 대기 모드로 들어가는 단계, 상기 센서 노드들이 프레임을 구성하는 브로드캐스트 구간의 첫 타임 슬롯이 시작되는 시점에 깨어나서, 기본 채널을 통하여 브로드캐스트 메시지의 수신을 시도하는 단계, 상기 시도 결과, 상기 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행하지 못한 센서 노드들은 유니캐스트 구간에 존재하는 자신들의 타임 슬롯이 시작될 때까지 대기 모드로 들어가고, 상기 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행한 센서 노드들은 이어지는 브로드캐스트 구간의 다음 타임 슬롯들에서 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행하지 못할 때까지, 계속해서 브로드캐스트 구간의 다음 타임 슬롯들에서 기본 채널을 통하여 브로드캐스트 메시지의 수신을 시도하고, 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행하지 못한 센서 노드들은 유니캐스트 구간에 존재하는 자신의 타임 슬롯이 시작될 때까지 대기 모드로 들어가는 단계, 상기 센서 노드들이 유니캐스트 구간에 존재하는 자신의 타임 슬롯에서 기본 채널을 통하여 송신 노드들이 송신한 데이터 메시지를 수신받고, 추가 채널을 통하여 송신 노드들이 송신한 추가 데이터 메시지를 수신하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In the wireless sensor network of the present invention proposed to solve the above problems and the constituent means for forming a data transmission and reception method through a multi-channel, in the wireless sensor network data transmission and reception method through a multi-channel, the sensor nodes for participating in the network Receiving a control message from peripheral sensor nodes within one hop distance and synchronizing time, Sensor nodes for participating in the network using the information contained in the received control message peripheral sensor node within two hop distance Identifying the time slots occupied by the mobile stations, selecting the available time slots and transmitting the available time slots to neighboring sensor nodes, and then entering a standby mode, the first time slot of the broadcast period in which the sensor nodes form a frame. Wake up at the beginning of this, the default Attempting to receive a broadcast message through a null; as a result of the attempt, sensor nodes that fail to receive the broadcast message enter a standby mode until their time slots present in a unicast interval begin; Sensor nodes that have received the broadcast message continue to broadcast on the base channel in the next time slots of the broadcast period until they fail to receive the broadcast message in the next time slots of the subsequent broadcast period. Sensor nodes attempting to receive a message and failing to receive a broadcast message enter a standby mode until their time slot existing in a unicast interval starts, and the sensor nodes are present in the unicast interval. Default in time slot of And receiving the data message transmitted by the transmitting nodes through the channel, and receiving the additional data message transmitted by the transmitting nodes through the additional channel.

또한, 상기 제어 메시지는 센서 노드의 주소 정보, 자신이 점유하고 있는 타임 슬롯 정보, 슬롯 할당 벡터 정보, 싱크 노드로부터 기원된 순서 번호 정보 및 시간 동기화를 위한 프레임의 남은 시간 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.The control message may include address information of a sensor node, time slot information occupied by itself, slot allocation vector information, sequence number originating from a sink node, and remaining time information of a frame for time synchronization. do.

또한, 상기 센서 노드들을 상기 제어 메시지에 포함되는 시간 동기화를 위한 프레임의 남은 시간 정보를 이용하여 자신들이 가지고 있는 타이머를 프레임의 남은 시간만큼 세팅하여 시간 동기화를 수행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the sensor nodes may be configured to perform time synchronization by setting their own timers as much as the remaining time of the frame by using the remaining time information of the frame for time synchronization included in the control message.

또한, 상기 센서 노드들은 주변의 센서 노드들로부터 수신받은 제어 메시지에 포함된 슬롯 할당 벡터들을 논리합(OR) 연산하여 자신들의 슬롯 할당 벡터를 구 성하고, 이 구성된 자신들의 슬롯 할당 벡터를 참조하여 자신들이 사용 가능한 타임 슬롯을 선택하는 것을 특징으로 한다.In addition, the sensor nodes perform an OR operation on the slot allocation vectors included in the control message received from the neighboring sensor nodes to form their slot allocation vector, and refer to the configured slot allocation vector thereof. This available time slot is selected.

또한, 상기 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행한 센서 노드들은 자신들이 가지고 있는 타이머를 통하여 계산된 프레임의 남은 시간과 상기 브로드캐스트 메시지에 포함된 현재 프레임의 남은 시간 정보에 포함된 현재 프레임의 남은 시간을 평균하여 얻어진 시간을 타이머에 세팅하여 시간 동기화를 보정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the sensor nodes that have received the broadcast message may determine the remaining time of the frame calculated by their timer and the remaining time of the current frame included in the remaining time information of the current frame included in the broadcast message. The time synchronization is set by correcting the time synchronization by setting the averaged time to a timer.

또한, 상기 센서 노드들이 유니캐스트 구간에 존재하는 자신의 타임 슬롯에서 기본 채널을 통하여 송신 노드들이 송신한 데이터 메시지를 수신받은 후, 추가 채널을 통하여 송신 노드들이 송신한 추가 데이터 메시지를 수신하는 단계는, 상기 센서 노드들이 자신의 타임 슬롯에서 기본 채널을 통하여 데이터 메시지를 수신받은 후, 상기 자신의 타임 슬롯의 다음 타임 슬롯에서 추가 채널로 이동하는 과정, 상기 센서 노드들이 송신 노드들에게 자신들의 주소 정보가 포함된 메시지를 송신하는 과정, 상기 추가 채널을 통하여 상기 송신 노드들이 송신한 상기 추가 데이터 메시지를 상기 센서 노드들이 수신하는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, after the sensor nodes receive the data message transmitted by the transmitting nodes through the base channel in their time slot in the unicast period, receiving the additional data message transmitted by the transmitting nodes through the additional channel After the sensor nodes receive the data message through the basic channel in their time slot, and then move to the additional channel in the next time slot of their time slot, the sensor nodes transmit their address information to the transmitting nodes. And transmitting, by the sensor node, the additional data message transmitted by the transmitting nodes through the additional channel.

상기와 같은 과제 및 해결 수단을 가지는 본 발명인 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법에 의하면, 무선 센서 네트워크의 제한된 대 역폭을 증가시키기 위하여 송수신 노드들이 다중 채널을 사용하되, 센서 노드들은 자신만의 타임 슬롯에서 기본 채널을 통하여 데이터 메시지를 수신하고, 추가 데이터 메시지는 추가 채널로 이동하여 수신하기 때문에, 기본 채널을 통하여 데이터 송수신을 진행하는 다른 노드들의 통신을 방해하지 않도록 하는 장점이 있다.According to the method for transmitting / receiving data through multiple channels in the wireless sensor network of the present invention having the above-mentioned problems and solutions, the transmitting / receiving nodes use multiple channels to increase the limited bandwidth of the wireless sensor network. Since the data message is received through the base channel in the time slot of and the additional data message is moved to and received from the additional channel, there is an advantage in that it does not interfere with the communication of other nodes performing data transmission and reception through the base channel.

또한, 자신의 유일한 타임 슬롯에서만 수신 대기를 하기 때문에 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.In addition, since it listens only in its own time slot, there is an advantage of using energy efficiently.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 과제, 수단 및 효과를 가지는 본 발명인 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of a method for transmitting and receiving data over a multi-channel in the wireless sensor network of the present invention having the above problems, means and effects.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법의 절차도이다. 도 1을 참조하여 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법에 대한 절차를 상세하게 설명하면 다음과 같다.1 is a flowchart illustrating a data transmission / reception method through multiple channels in a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 1 described in detail the procedure for transmitting and receiving data through a multi-channel in a wireless sensor network as follows.

먼저, 본 발명에서 적용되는 중요한 특징들과 프레임의 구조를 정의한 후에 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법에 대하여 설명한다.First, after defining the important features and structure of the frame applied in the present invention, a method of transmitting and receiving data through multiple channels in a wireless sensor network will be described.

본 발명에서 제안하는 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법은 기본적으로 TDMA를 기반으로 한다. 각 센서 노드는 데이터 수신을 위해 2-홉 거리 안에서 유일한 타임 슬롯을 소유하도록 하고, 해당 슬롯에서만 데이터 수신을 위해 라디오 송수신 장치의 전원을 켜도록 한다.In the wireless sensor network proposed by the present invention, a data transmission / reception method through multiple channels is basically based on TDMA. Each sensor node owns a unique time slot within a 2-hop distance for data reception and powers up the radio transceiver for data reception only in that slot.

결과적으로, 여러 센서 노드들이 수신 센서 노드에 접근하기 위해서는 CSMA(carrier sense multiple access) 기법으로 접근을 해야 하지만, 각 센서 노드들이 자신의 유일한 타임 슬롯에서만 데이터를 수신받기 때문에, 서로 다른 목적지 노드를 가지는 송신 노드들 간의 경쟁이 제거된다. 따라서, 경쟁 과정에서 발생하는 에너지 소비가 현저히 감소된다. As a result, in order to access the receiving sensor nodes, several sensor nodes must use a carrier sense multiple access (CSMA) technique, but since each sensor node receives data only in its own time slot, it has a different destination node. Contention between transmitting nodes is eliminated. Thus, the energy consumption incurred during the competition is significantly reduced.

또한 본 발명에서 사용하는 프레임 구조는 도 2에 도시된 바와 같다. 시간 축은 연속적인 프레임들로 나누어지며, 하나의 프레임은 브로드캐스트 구간과 유니캐스트 구간으로 이루어진다. 또한 각 구간에는 여러 개의 타임 슬롯이 존재한다.In addition, the frame structure used in the present invention is as shown in FIG. The time axis is divided into consecutive frames, and one frame consists of a broadcast period and a unicast period. In addition, there are several time slots in each section.

상기 타임 슬롯의 길이는 하나의 메시지를 수신할 수 있는 시간으로 정의된다. 각 센서 노드들이 라디오 송수신 장치를 켜는 시간들이 분산되어 있기 때문에, 모든 노드들은 브로드캐스트 메시지의 수신을 위해 브로드캐스트 구간의 첫 타임 슬롯에서 라디오 송수신 장치를 켠 후 대기 상태를 유지하여야 한다. The length of the time slot is defined as the time at which one message can be received. Since each sensor node has a distributed time to turn on the radio transceiver, all nodes have to wait after turning on the radio transceiver in the first time slot of the broadcast interval to receive the broadcast message.

본 발명은 다중의 채널을 동시에 사용하기 때문에, 송신자와 수신자는 데이터가 교환될 라디오 채널뿐만 아니라 타이밍에도 동의해야 한다. 이러한 점은 본 발명에 있어, 센서 노드들 간의 시간 동기화 기법의 제시를 요구한다. 본 발명에서 제안하는 시간 동기화 기법은 각 센서 노드에서 유지하는 시스템 타이머를 동기화 하는 것이 아니라 현재 프레임의 잔여 시간의 교환을 통해 센서 노드들을 시간 동기화시킨다. 이 기법은 각 센서 노드가 유지하는 타이머 이벤트의 만료 시간 조절을 통해 쉽게 구현될 수 있다.Since the present invention uses multiple channels simultaneously, the sender and receiver must agree on the timing as well as the radio channel over which data is to be exchanged. This requires in the present invention the presentation of a time synchronization technique between sensor nodes. The time synchronization scheme proposed by the present invention does not synchronize the system timer maintained by each sensor node, but synchronizes the sensor nodes by exchanging the remaining time of the current frame. This technique can be easily implemented by adjusting the expiration time of timer events maintained by each sensor node.

이상과 같은 중요한 특징과 프레임 구조를 갖는 본 발명인 무선 센서 네트워 크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법에 관하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the data transmission and reception method through a multi-channel in the wireless sensor network of the present invention having the above important features and frame structure as follows.

먼저, 네트워크에 참여하기 위한 센서 노드들은 전원을 켠 후에 시간 동기화를 수행해야 한다. 각 센서 노드들이 시간 동기화를 수행하기 위하여 서로 시간 동기화를 위한 정보들을 주고 받는다. 이와 같은 시간 동기화를 위한 정보는 현재 프레임의 남은 시간이고, 이 프레임의 남은 시간 정보는 후술하는 제어 메시지를 통하여 각 센서 노드들이 주고 받는다.First, sensor nodes to join the network must perform time synchronization after powering on. Each sensor node exchanges information for time synchronization with each other in order to perform time synchronization. The information for time synchronization is the remaining time of the current frame, and the remaining time information of the frame is transmitted and received by each sensor node through a control message described later.

따라서, 네트워크에 참여하기 위한 센서 노드들은 1홉 거리 안에 있는 주변 센서 노드들로부터 제어 메시지를 수신받아 시간 동기화를 시킨다(s10). 상기 제어 메시지는 도 4에 도시된 바와 같이, 센서 노드의 주소 정보, 자신이 점유하고 있는 타임 슬롯 정보, 슬롯 할당 벡터 정보, 싱크 노드로부터 기원된 순서 정보 및 시간 동기화를 위한 프레임의 남은 시간 정보를 포함한다.Therefore, the sensor nodes for participating in the network receive a control message from the neighboring sensor nodes within one hop distance to perform time synchronization (S10). As shown in FIG. 4, the control message includes address information of a sensor node, time slot information occupied by itself, slot allocation vector information, order information originating from a sink node, and remaining time information of a frame for time synchronization. Include.

상기 제어 메시지는 프레임 중, 브로드캐스트 구간에서 전송되는 브로드캐스트 메시지이다. 따라서, 상기 제어 메시지는 유니캐스트 구간에서는 송수신되지 않고 브로드캐스트 구간에서만 송수신된다. The control message is a broadcast message transmitted in a broadcast period of a frame. Therefore, the control message is transmitted and received only in the broadcast period, not in the unicast period.

상기 제어 메시지를 포함하는 브로드캐스트 메시지는 브로드캐스트 구간에서만 각 센서 노드들끼리 송수신하는데, 브로드캐스트 메시지를 송신하고자 하는 센서 노드는 백오프(back-off) 설정을 통하여 다른 센서 노드들과 경쟁을 한다.The broadcast message including the control message transmits and receives each sensor node only during the broadcast period, and the sensor node to transmit the broadcast message competes with other sensor nodes through a back-off setting. .

상기와 같이, 각 센서 노드들은 브로드캐스트 메시지인 제어 메시지에 포함되는 프레임의 남은 시간 정보를 수신받아 시간 동기화를 수행한다. 구체적으로, 상기 센서 노드들은 상기 제어 메시지에 포함되는 시간 동기화를 위한 프레임의 남 은 시간 정보를 이용하여 자신들이 가지고 있는 타이머를 상기 남은 시간만큼 세팅하여 시간 동기화를 수행한다. 상기 타이머에 세팅된 프레임의 남은 시간이 종료되면, 새로운 프레임이 시작됨을 각 센서 노드들은 알 수 있고, 각 센서 노드들의 타이머에 세팅된 프레임의 남은 시간은 근사하기 때문에 시간 동기화가 이루어졌다고 볼 수 있다.As described above, each sensor node receives time remaining information of a frame included in a control message, which is a broadcast message, and performs time synchronization. Specifically, the sensor nodes perform time synchronization by setting their own timers by using the remaining time information of the frame for time synchronization included in the control message as the remaining time. When the remaining time of the frame set in the timer ends, each sensor node can know that a new frame is started, and the time synchronization is performed because the remaining time of the frame set in the timer of each sensor node is approximated. .

상기와 같이 각 센서 노드들이 시간 동기화를 수행한 후에는 상기 네트워크에 참여하기 위한 센서 노드들이 상기 수신받은 제어 메시지에 포함된 정보를 이용하여 2홉 거리 안에 있는 주변 센서 노드들에 의하여 점유된 타임 슬롯들을 파악하고, 자신들의 사용 가능한 타임 슬롯을 선택하여 주변 센서 노드들에게 전송한다(s20).After each sensor node performs time synchronization as described above, the time slots occupied by neighboring sensor nodes within 2 hop distances are acquired by the sensor nodes for joining the network using the information included in the received control message. Identify and transmit their available time slots to neighboring sensor nodes (S20).

상기 센서 노드들이 수신받은 제어 메시지에는 각 센서 노드들이 유지하는 타임 슬롯 할당 벡터들이 포함되어 있다. 이 타임 슬롯 할당 벡터들을 이용하여 각 센서 노드들은 2홉 거리 안에 있는 주변 센서 노드들에 의하여 점유된 타임 슬롯들을 파악할 수 있다. The control message received by the sensor nodes includes time slot allocation vectors maintained by each sensor node. Using these time slot allocation vectors, each sensor node can identify the time slots occupied by neighboring sensor nodes within a two hop distance.

구체적으로 설명하면, 각 센서 노드들은 사전에 세팅된 일정한 시간 동안 주변 센서 노드들로부터 슬롯 할당 벡터를 수집한다. 상기 슬롯 할당 벡터는 각 센서 노드들이 유지하는 것으로, 자신의 센서 노드들로부터 1홉 거리 안에서 사용된 타임 슬롯에 대한 정보를 저장하고 있다. Specifically, each sensor node collects a slot allocation vector from peripheral sensor nodes for a predetermined time. The slot allocation vector is maintained by each sensor node, and stores information on a time slot used within one hop distance from its sensor nodes.

따라서, 특정 센서 노드가 자신으로부터 1홉 거리 안에 있는 센서 노드들로부터 타임 슬롯 할당 벡터를 수신 받으면, 상기 1홉 거리 안에 있는 센서 노드들도 자신으로부터 1홉 거리 안에 있는 센서노드들에 의하여 사용되고 있는 타임 슬롯 정보를 타임 슬롯 벡터에 저장하고 있기 때문에, 결국 상기 특정 센서 노드는 자신으로부터 2홉 거리 안에 있는 센서 노드들에 의하여 점유되고 있는 타임 슬롯들을 모두 파악할 수 있다.Therefore, when a specific sensor node receives a time slot allocation vector from sensor nodes that are within one hop distance from it, the time that the sensor nodes that are within one hop distance are also used by the sensor nodes within one hop distance from itself Since the slot information is stored in the time slot vector, the specific sensor node can finally grasp all the time slots occupied by the sensor nodes that are two hops away from it.

상기와 같이 자신의 센서 노드로부터 2홉 거리 안에 있는 주변 센서 노드들에 의하여 점유된 타임 슬롯들을 파악하면, 이는 자신의 센서 노드에서 유지하고 있는 타임 슬롯 할당 벡터에 저장한다. 한편, 상기 센서 노드는 상기 타임 슬롯 할당 벡터를 참조하여 주변의 센서 노드들이 사용하지 않는 타임 슬롯을 알 수 있고, 결국, 자신들이 사용 가능한 타임 슬롯을 결정하여 선택할 수 있다.As described above, when time slots occupied by neighboring sensor nodes within two hops of the sensor node are identified, they are stored in the time slot allocation vector maintained by the sensor node. Meanwhile, the sensor node may know the time slots that are not used by neighboring sensor nodes with reference to the time slot allocation vector, and thus, may determine and select the available time slots.

상기 슬롯 할당 벡터의 각 비트 값이 타임 슬롯의 사용 여부를 나타낸다. 예를 들면, 상기 비트 값이 "1"이면 해당 타임 슬롯이 사용되고 있는 것이고, 상기 비트 값이 "0"이면 해당 타임 슬롯이 사용되지 않은 것으로 파악할 수 있다.Each bit value of the slot allocation vector indicates whether a time slot is used. For example, if the bit value is "1", the corresponding time slot is used. If the bit value is "0", the corresponding time slot is not used.

상술한 바와 같이, 상기 슬롯 할당 벡터는 각 센서 노드들이 유지하고 있고, 주변의 센서 노드들에게 전송될 때는 제어 메시지에 포함되어 전송된다. 즉, 상기 슬롯 할당 벡터는 브로드캐스트 구간에서 전송되는 브로드캐스트 메시지인 제어 메시지에 포함되어 주변의 센서 노드들에게 전송된다.As described above, the slot allocation vector is maintained by each sensor node, and is transmitted in a control message when transmitted to neighboring sensor nodes. That is, the slot allocation vector is included in a control message which is a broadcast message transmitted in a broadcast period and transmitted to neighboring sensor nodes.

그러면, 상기 센서 노드들은 상기 주변의 센서 노드들로부터 수신받은 제어 메시지에 포함되는 슬롯 할당 벡터들을 논리합(OR) 연산하여 자신들이 보유하는 슬롯 할당 벡터를 구성한다. 이와 같이 구성된 슬롯 할당 벡터를 참조하여 각 센서 노드들은 자신으로부터 2홉 거리 안의 센서 노드들에 의하여 점유된 모든 타임 슬 롯들을 파악할 수 있고, 자신들이 사용 가능한 타임 슬롯을 선택할 수 있다.Then, the sensor nodes perform an OR operation on the slot assignment vectors included in the control message received from the neighboring sensor nodes to form a slot assignment vector held by the sensor nodes. With reference to the slot allocation vector configured as described above, each sensor node can identify all the time slots occupied by the sensor nodes within two hops from the node, and can select the available time slot.

상술한 바와 같이, 시간 동기화 과정에서 세팅되는 프레임의 남은 시간 정보 및 주변의 센서 노드들의 슬롯 할당 벡터를 수집하여 구성된 슬롯 할당 벡터 및 자신이 점유할 수 있는 타임 슬롯 정보는 프레임의 브로드캐스트 구간에서 브로드캐스트 메시지로 주변의 센서 노드들에게 전송될 수 있다.As described above, the slot allocation vector and the time slot information that can be occupied by collecting the remaining time information of the frame set in the time synchronization process and the slot allocation vector of the surrounding sensor nodes are broadcast in the broadcast period of the frame. It can be sent to surrounding sensor nodes in a cast message.

상기와 같이, 자신의 슬롯 할당 벡터를 구성하고 자신이 사용 가능한 타임 슬롯을 선택한 센서 노드들은 다음 프레임의 브로드캐스트 구간이 시작될 때까지 대기 모드로 들어간다.As above, the sensor nodes that configure their slot allocation vector and select their available time slots enter standby mode until the broadcast period of the next frame begins.

상기 대기 모드에 들어간 센서 노드들은 브로드캐스트 구간의 첫 타임 슬롯이 시작되는지를 판단한다(s30). 상기 판단 결과 브로드캐스트 구간의 첫 타임 슬롯이 시작되는 것으로 판단한 경우에는 상기 센서 노드들은 깨어난다.The sensor nodes entering the standby mode determine whether the first time slot of the broadcast period starts (s30). If it is determined that the first time slot of the broadcast period starts, the sensor nodes wake up.

상기 프레임을 구성하는 브로드캐스트 구간의 첫 타임 슬롯이 시작되어, 상기 시간 동기화된 센서 노드들이 깨어나면, 다중 채널 중, 기본 채널을 이용하여 브로드캐스트 메시지의 수신을 시도한다(s40). 본 발명에서 적용되는 채널은 기본 채널과 추가 채널로 이루어진 다중 채널이다.When the first time slot of the broadcast period constituting the frame starts, and the time-synchronized sensor nodes wake up, attempts to receive a broadcast message using a basic channel among multiple channels (s40). The channel applied in the present invention is a multiple channel consisting of a basic channel and an additional channel.

상기와 같이 기본 채널을 통하여 브로드캐스트 메시지의 수신을 시도한 결과, 상기 브로드캐스트 구간의 첫 타임 슬롯에서 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행하지 못한 센서 노드들은 더 이상 브로드캐스트 메시지의 수신을 대기하지 않고 유니캐스트 구간에 존재하는 자신들의 타임 슬롯이 시작될 때까지 대기 모드로 들어간다(s50, s70).As a result of attempting to receive the broadcast message through the basic channel as described above, the sensor nodes that do not receive the broadcast message in the first time slot of the broadcast interval no longer wait to receive the broadcast message and are not unicast. The standby mode is entered until their time slot existing in the interval starts (s50 and s70).

반대로, 상기 기본 채널을 통하여 브로드캐스트 메시지의 수신을 시도한 결과, 상기 브로드캐스트 구간의 첫 타임 슬롯에서 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행한 센서 노드들은 다음 브로드캐스트 타임 슬롯에서도 브로드캐스트 메시지의 송수신을 위해 대기한다.On the contrary, as a result of attempting to receive a broadcast message through the basic channel, the sensor nodes that receive the broadcast message in the first time slot of the broadcast interval wait for transmission and reception of the broadcast message in the next broadcast time slot. do.

즉, 상기 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행한 센서 노드들은 이어지는 브로드캐스트 구간의 다음 타임 슬롯에서 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행하지 못할 때까지 계속해서 브로드캐스트 구간의 다음 타임 슬롯들에서 기본 채널을 통하여 브로드캐스트 메시지의 수신을 시도한다(s60). That is, the sensor nodes that have received the broadcast message continue to broadcast through the base channel in the next time slots of the broadcast period until they fail to receive the broadcast message in the next time slot of the subsequent broadcast period. Attempt to receive the cast message (s60).

상기 브로드캐스트 구간의 다음 타임 슬롯들에서 메시지의 수신을 시도하다가, 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행하지 못한 센서노드들은 유니캐스트 구간에 존재하는 자신의 타임 슬롯이 시작될 때까지 대기 모드로 들어간다(s70). 또한, 상기 브로드캐스트 구간의 모든 타임 슬롯들에서 브로드캐스트 메시지를 수신한 경우에는 유니캐스트 구간에 존재하는 자신의 타임 슬롯이 시작될 때까지 대기 모드로 들어간다.While attempting to receive a message in the next time slots of the broadcast interval, the sensor nodes that fail to receive the broadcast message enter a standby mode until their time slot existing in the unicast interval starts (s70). . In addition, when the broadcast message is received in all the time slots of the broadcast period, it enters the standby mode until its time slot existing in the unicast period starts.

한편, 상기 브로드캐스트 구간의 타임 슬롯에서 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행한 센서 노드들은 상기 브로드캐스트 메시지에 해당하는 제어 메시지에 포함된 프레임의 남은 시간 정보를 이용하여 자신이 보유하고 있는 프레임의 남은 시간을 보정한다. Meanwhile, the sensor nodes that have received the broadcast message in the time slot of the broadcast period use the remaining time information of the frame included in the control message corresponding to the broadcast message to the remaining time of the frame held by the sensor node. To correct.

구체적으로, 상기 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행한 센서 노드들은 자신들이 가지고 있는 타이머를 통하여 계산된 프레임의 남은 시간과 상기 브로드캐스 트 메시지에 해당하는 제어 메시지에 포함된 현재 프레임의 남은 시간을 평균하여 얻어진 시간을 타이머에 다시 세팅하여 시간 동기화를 보정한다.Specifically, the sensor nodes that have received the broadcast message average the remaining time of the frame calculated by their timer and the remaining time of the current frame included in the control message corresponding to the broadcast message. The time synchronization is corrected by setting the obtained time back to the timer.

도 3은 본 발명에서 제시하는 시간 동기화 보정 기법을 설명하기 위한 개략도이다. T1과 T2는 각각 센서 노드 1과 센서 노드 2의 현재 프레임의 남은 시간을 나타낸다. 센서 노드 2는 센서 노드 1로부터 시간 동기화 메시지를 받은 후, 평균적인 남은 시간을 계산하여 자신의 남은 시간을 그 시간으로 일치시킨다. 그 결과로 두 센서 노드의 다음 프레임 주기의 시작점들이 근접해진다. Figure 3 is a schematic diagram for explaining the time synchronization correction technique proposed in the present invention. T1 and T2 represent the remaining time of the current frame of sensor node 1 and sensor node 2, respectively. After receiving the time synchronization message from the sensor node 1, the sensor node 2 calculates an average remaining time and matches its remaining time to that time. As a result, the starting points of the next frame periods of the two sensor nodes are close.

이와 같이 주기적으로 시간 동기화를 보정하는 이유는 센서 노드 플랫폼에 사용되는 수정 발진기가 일반적으로 값이 싸고 부정확하기 때문에, 추가적인 시간 동기화 에러 보정 작업이 필요하기 때문이다.This periodic correction of time synchronization is due to the need for additional time synchronization error correction, since crystal oscillators used in sensor node platforms are generally cheap and inaccurate.

상술한 단계 s70에서와 같이 유니캐스트 구간의 자신의 타임 슬롯까지 대기 모드에 있는 센서 노드들은 현재 진행되는 타임 슬롯이 자신의 타임 슬롯인지를 판단한다(s80). 판단 결과, 자신의 타임 슬롯이 아니면 자신의 현재 진행되는 타임 슬롯이 자신의 타임 슬롯일 때까지 계속 대기 모드에 있는다.As described above in step S70, the sensor nodes that are in the standby mode until their time slots in the unicast period determine whether the current time slot is their time slot (s80). As a result of the determination, if it is not its time slot, it continues in the standby mode until its current time slot is its time slot.

반대로, 현재 진행되는 타임 슬롯이 자신의 타임 슬롯인 경우로 판단된 경우에는, 상기 센서 노드들은 유니캐스트 구간에 존재하는 자신의 타임 슬롯에서 기본 채널을 통하여 송신 노드들이 송신한 데이터 메시지를 수신 받는다. 그리고, 추가 채널을 통하여 송신 노드들이 송신한 추가 데이터 메시지를 계속해서 수신 받는다(s90). 결과적으로 센서 노드들은 기본 채널뿐 아니라 추가 채널을 통해서도 데이터 메시지를 수신받는다. 즉, 다중 채널을 통하여 연속적인 데이터 메시지를 수 신받는다.On the contrary, when it is determined that the current time slot is a time slot of its own, the sensor nodes receive data messages transmitted by the transmitting nodes through the base channel in their time slots present in the unicast period. Subsequently, additional data messages transmitted by transmitting nodes are continuously received through the additional channel (s90). As a result, sensor nodes receive data messages over additional channels as well as the base channel. That is, continuous data messages are received through multiple channels.

상기 센서 노드들이 유니캐스트 구간에 존재하는 자신의 타임 슬롯에서 기본 채널을 통하여 송신 노드들이 송신한 데이터 메시지를 수신받은 후, 추가 채널을 통하여 송신 노드들이 송신한 추가 데이터 메시지를 수신받는 과정에서는 채널을 이동하여 자신의 타임 슬롯의 다음 타임 슬롯에서 데이터 메시지를 수신받아야 한다.In the process of receiving the additional data message transmitted by the transmitting nodes through the additional channel after receiving the data message transmitted by the transmitting nodes through the basic channel in the time slot of the sensor nodes in the unicast period, Move to receive a data message in the next time slot of its own time slot.

구체적으로, 상기 센서 노드들이 자신의 타임 슬롯에서 기본 채널을 통하여 데이터 메시지를 수신받은 후, 다음 연속적인 데이터 메시지를 수신받기 위하여 상기 자신의 타임 슬롯의 다음 타임 슬롯에서 추가 채널로 이동한다. 그런 다음, 송신 노드들에게 자신의 타임 슬롯의 다음 타임 슬롯에서 추가 채널로 이동하여 데이터 수신을 대기하고 있음을 알리기 위하여, 상기 센서 노드들은 자신들의 주소 정보가 포함된 메시지를 송신 노드들에게 송신한다. 그러면, 상기 송신 노드들은 추가 채널을 통하여 추가 데이터 메시지를 송신하고, 상기 추가 채널을 통하여 상기 송신 노드들이 송신한 상기 추가 데이터 메시지를 센서 노드들이 수신받는다.Specifically, after the sensor nodes receive the data message through the base channel in their time slot, they move to the additional channel in the next time slot of their time slot to receive the next consecutive data message. Then, the sensor nodes transmit a message containing their address information to the transmitting nodes to inform the transmitting nodes that they are waiting to receive data by moving to an additional channel in the next time slot of their time slot. . Then, the transmitting nodes transmit an additional data message through an additional channel, and the sensor nodes receive the additional data message transmitted by the transmitting nodes through the additional channel.

상기와 같이, 유니캐스트 구간에서 송수신되는 유니캐스트 메시지의 최초 메시지의 교환은 기본 채널에서 이루어진다. 상기 센서 노드들은 자신이 소유한 유니캐스트 타임 슬롯에서 기본 채널로 주파수를 변경한 후 메시지 수신을 대기한다.As described above, the exchange of the first message of the unicast message transmitted and received in the unicast period is performed in the basic channel. The sensor nodes change the frequency from their own unicast time slot to the base channel and wait for receiving a message.

해당 센서 노드에게 송신할 유니캐스트 데이터 메시지를 가지고 있는 센서 노드들은 같은 채널(기본 채널)로 주파수를 변경한 후 CSMA 기법을 통해 경쟁에 참여한다. 만약 하나의 채널만을 사용한다면, 센서 노드는 하나의 프레임 주기 안에 서 하나의 유니캐스트 데이터 메시지만을 수신할 수 있다. Sensor nodes that have a unicast data message to send to the corresponding sensor node participate in competition through CSMA after changing the frequency to the same channel (base channel). If only one channel is used, the sensor node can receive only one unicast data message in one frame period.

이러한 제한된 센서 노드의 수신 대역폭을 증가시키기 위해 본 발명에서는 다중의 채널을 사용할 수 있는 채널 이동 기법을 제안한 것이다. 첨부된 도 5를 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.In order to increase the reception bandwidth of the limited sensor node, the present invention proposes a channel shifting technique that can use multiple channels. A detailed description with reference to the accompanying FIG. 5 is as follows.

도 5에서 f1은 기본 채널이고, 나머지(f2 ~ f4)는 추가 채널이다. 즉, 4개의 다중 채널이 사용가능하다고 가정한다. 만약 센서 노드가 기본 채널(f1)에서 유니캐스트 데이터 메시지를 수신한다면, 연속적인 메시지의 수신을 위해 이어지는 다음 타임 슬롯에서는 다음 채널(f2)로 주파수를 변경한다. In FIG. 5, f1 is a basic channel, and the rest f2 to f4 are additional channels. In other words, assume that four multiple channels are available. If the sensor node receives a unicast data message on the base channel f1, it changes frequency to the next channel f2 in the next time slot for subsequent message reception.

해당 센서 노드로 보낼 유니캐스트 데이터 메시지를 가지고 있는 노드들 또한 같은 채널(f2)로 이동하여 다시 메시지를 송신하기 위한 경쟁에 참여한다. 이러한 방법으로 연속적인 유니캐스트 데이터 메시지들이 채널을 거슬러 올라가면서 전달될 수 있다. Nodes with unicast data messages to be sent to the corresponding sensor node also participate in a race to move to the same channel f2 and send the message again. In this way, successive unicast data messages can be delivered up and down the channel.

상기 방법에서 고려해야 할 하나의 중요한 사항은 첫 번째 경쟁에서 진 송신 센서 노드들에게 수신 센서 노드가 다음 타임 슬롯에서도 채널을 이동한 후 수신 대기 상태에 머물 것이라는 것을 알리는 방법이다. 본 발명에서는 수신 센서 노드가 타임 슬롯의 시작 부분에서 자신의 센서 노드의 주소가 담긴 짧은 메시지를 송신 센서노드에게 송신함으로써 자신이 연속적인 메시지 수신을 위해 대기한다는 것을 알린다. One important thing to consider in this method is how to inform the transmitting sensor nodes that have lost their first contention that the receiving sensor node will remain in a waiting state after moving the channel in the next time slot. In the present invention, the receiving sensor node transmits a short message containing the address of its sensor node to the transmitting sensor node at the beginning of the time slot to inform that it is waiting for continuous message reception.

상기 수신 센서 노드가 복수개의 송신 센서 노드들로부터 데이터 메시지를 받는 과정에 대하여 다시 한번 정리하면 다음과 같다.If the receiving sensor node once again summarizes the process of receiving data messages from a plurality of transmitting sensor nodes as follows.

유니캐스트 구간에서 각 노드는 자신이 보유한 유니캐스트 타임 슬롯에서만 유니캐스트 데이터 메시지를 수신할 수 있다. 수신 센서노드에게 보낼 데이터 메시지를 보유한 송신 센서노드들은 백오프(back-off) 타이머(timer)의 설정을 통해 경쟁에 참여한다. 경쟁에서 이긴 송신 센서노드는 데이터 메시지 전송을 성공한다. In the unicast period, each node can receive unicast data messages only in its own unicast time slot. Transmitting sensor nodes that hold data messages to send to the receiving sensor node participate in competition through the setting of a back-off timer. The transmitting sensor node that has won the competition succeeds in transmitting the data message.

만약, 하나의 채널만을 사용한다면, 경쟁에서 진 송신 센서노드들은 다음 프레임 주기에서 다시 시도를 해야 하므로, 데이터 메시지 전송의 딜레이가 매우 커지게 된다. 따라서, 본 발명에서는 수신 센서노드와 경쟁에서 진 송신 센서노드들이 다음 타임 슬롯에서 새로운 추가 채널로 이동한다.If only one channel is used, the transmission sensor nodes in contention have to retry in the next frame period, resulting in a large delay in data message transmission. Thus, in the present invention, transmitting sensor nodes that compete with the receiving sensor node move to a new additional channel in the next time slot.

이는 다른 센서 노드들이 다음 타임 슬롯의 기본 채널에서 데이터 메시지 수신을 할 수 있으므로, 이것을 방해하지 않기 위해 채널을 이동하는 것이다. 새로운 추가 채널로 이동한 송신 센서노드들은 다시 한번 경쟁을 하게 되고, 경쟁에서 진 송신 센서노드들은 다음 타임 슬롯에서 또 다시 채널을 이동하여 데이터 메시지를 전송할 수 있다.This is because other sensor nodes may receive data messages on the base channel of the next time slot, moving the channel to avoid this. Transmitting sensor nodes that have moved to a new additional channel may once again compete, and the transmitting sensor nodes that have competed may transmit data messages by moving the channel again in the next time slot.

이하에서는 본 발명의 성능 검증을 위한 실험 결과를 설명한다.Hereinafter, the experimental results for the performance verification of the present invention.

본 발명의 성능 검증을 위해 TmoteSky 센서 노드 플랫폼에 센서 네트워크를 위한 운영체제인 RETOS[H. Cha, S. Choi, I. Jung, H. Kim, H. Shin, J. Yoo, C. Yoon. RETOS: Resilient, Expandable, and Threaded Operating System for Wireless Sensor Networks. The Sixth International Conference on Information Processing in Sensor Networks (IPSN 2007)]를 기반으로 하여 구현을 실시하였다.In order to verify the performance of the present invention, the operating system for the sensor network in the TmoteSky sensor node platform is RETOS [H. Cha, S. Choi, I. Jung, H. Kim, H. Shin, J. Yoo, C. Yoon. RETOS: Resilient, Expandable, and Threaded Operating System for Wireless Sensor Networks. The Sixth International Conference on Information Processing in Sensor Networks (IPSN 2007).

본 발명에서와 같이, TDMA를 기반하여 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신을 구현하는데 있어서, 가장 중요한 것은 시간 동기화이기 때문에, 우선 시간 동기화 기법의 에러를 측정하였다. 측정 결과는 도 6에 나타나 있다. As in the present invention, in implementing data transmission and reception through multiple channels in a wireless sensor network based on TDMA, since the most important is time synchronization, the error of the time synchronization scheme is first measured. The measurement results are shown in FIG.

총 20개의 센서 노드를 사용하였으며, 각 노드의 1-홉 거리 안의 노드 수는 평균 4.5개이다. 각 노드는 8초에 한 번씩 시간 동기화를 위한 메시지를 송신하며, 이때의 평균적인 시간 에러는 1.65 tick이었다. 이 실험에서는 32.768 kHz의 주기를 갖는 수정 발진기를 사용하였기 때문에, 1 tick은 1/32 ms와 같다. 이러한 에러 값은 범용적으로 사용되는 센서노드 플랫폼에서 TDMA 기반의 매체 접근 제어 프로토콜을 구현하기에 충분하다.A total of 20 sensor nodes were used, and the average number of nodes within 1-hop distance of each node was 4.5. Each node sends a message for time synchronization once every eight seconds, with an average time error of 1.65 ticks. Since we used a crystal oscillator with a period of 32.768 kHz, one tick equals 1/32 ms. This error value is sufficient to implement a TDMA based media access control protocol in a widely used sensor node platform.

본 발명에서 다중의 채널을 사용하기 위하여 필요한 채널 이동 기법의 성능은 도 7에 나타나있다. 모든 노드들은 하나의 수신 노드로 1초에 한 번씩 메시지를 송신하며, 송신하는 노드들의 수는 1개에서 9개까지 변화시켰다. The performance of the channel shift scheme required for using multiple channels in the present invention is shown in FIG. All nodes send a message to a receiving node once per second, and the number of transmitting nodes is changed from 1 to 9.

비교 대상으로는 랜덤 엑세스 기반의 Low Power Listening(LPL)[A. El-Hoiydi, "Aloha with Preamble Sampling for Sporadic Traffic in Ad Hoc Wireless Sensor Networks.", IEEE International Conference on Communications (ICC), 2002.]과, 본 발명과 비슷한 프레임 구조를 가지고 있지만 하나의 채널을 사용하는 매체 접근 프로토콜인 Crankshaft[G. Halkes and K. Langendoen. Crankshaft: An Energy-Efficient MAC-Protocol For Dense Wireless Sensor Networks. EWSN07, 2007.]를 선정하였다. For comparison, random access based low power listening (LPL) [A. El-Hoiydi, "Aloha with Preamble Sampling for Sporadic Traffic in Ad Hoc Wireless Sensor Networks.", IEEE International Conference on Communications (ICC), 2002.], and having a similar frame structure to the present invention, but using one channel. Crankshaft, a media access protocol [G. Halkes and K. Langendoen. Crankshaft: An Energy-Efficient MAC-Protocol For Dense Wireless Sensor Networks. EWSN07, 2007.].

도 7에서 볼 수 있듯이, 수신자의 제한된 수신 대역폭으로 인해 Crankshaft 의 전송 성공률은 송신 노드의 수가 3개를 초과하면 급격히 낮아진다. LPL 또한 수신자를 깨우기 위한 긴 프리앰블의 사용으로 인해 높은 전송 성공률 달성에 실패하고 있다. As can be seen in Figure 7, due to the limited reception bandwidth of the receiver, the transmission success rate of the Crankshaft is sharply lowered when the number of transmitting nodes exceeds three. LPL also fails to achieve high transmission success rates due to the use of long preambles to wake up the receiver.

반면, 본 발명은 송신 노드들의 수가 증가하더라도 전송 성공률에 큰 변화가 없다. 이는 경쟁에서 진 노드들이 채널을 이동하여 다음 타임 슬롯에서 재전송을 시도할 수 있음에 기인한다.On the other hand, in the present invention, even if the number of transmitting nodes increases, there is no significant change in the transmission success rate. This is due to the fact that nodes in contention can move channels and attempt to retransmit in the next time slot.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법에 관한 절차도이다.1 is a flowchart illustrating a method for transmitting and receiving data through multiple channels in a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명에 적용되는 프레임의 구조이다.2 is a structure of a frame applied to the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 시간 동기화의 보정을 설명하기 위한 개략도이다.3 is a schematic diagram for explaining correction of time synchronization according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명에 적용되는 제어 메시지의 구조이다.4 is a structure of a control message applied to the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 다중 채널 사용을 위한 채널 이동 방법을 설명하기 위한 개략도이다.5 is a schematic diagram illustrating a channel movement method for multi-channel use according to an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 시간 동기화를 적용한 결과표이다.6 is a result table of applying time synchronization according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 다중 채널 사용을 위한 채널 이동 기법의 성능을 보여주는 그래프이다.7 is a graph illustrating the performance of a channel movement scheme for multi-channel use according to an embodiment of the present invention.

Claims (6)

무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법에 있어서,In the method of transmitting and receiving data through multiple channels in a wireless sensor network, 네트워크에 참여하기 위한 센서 노드들이 1홉 거리 안에 있는 주변 센서 노드들로부터 제어 메시지를 수신받아 시간 동기화를 시키는 단계;Sensor nodes for joining the network to receive a control message from peripheral sensor nodes within one hop distance to perform time synchronization; 상기 네트워크에 참여하기 위한 센서 노드들이 상기 수신받은 제어 메시지에 포함된 정보를 이용하여 2홉 거리 안에 있는 주변 센서 노드들에 의하여 점유된 타임 슬롯들을 파악하고, 자신들이 사용 가능한 타임 슬롯을 선택하여 주변 센서 노드들에게 전송한 후, 대기 모드로 들어가는 단계;Sensor nodes for participating in the network use the information contained in the received control message to identify time slots occupied by neighboring sensor nodes within a 2-hop distance, and select the available time slots for the peripherals. After entering to the sensor nodes, entering a standby mode; 상기 센서 노드들이 프레임을 구성하는 브로드캐스트 구간의 첫 타임 슬롯이 시작되는 시점에 깨어나서, 기본 채널을 통하여 브로드캐스트 메시지의 수신을 시도하는 단계;Waking at the beginning of the first time slot of the broadcast period composing the frame, and attempting to receive a broadcast message through a basic channel; 상기 시도 결과, 상기 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행하지 못한 센서 노드들은 유니캐스트 구간에 존재하는 자신들의 타임 슬롯이 시작될 때까지 대기 모드로 들어가고, 상기 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행한 센서 노드들은 이어지는 브로드캐스트 구간의 다음 타임 슬롯들에서 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행하지 못할 때까지, 계속해서 브로드캐스트 구간의 다음 타임 슬롯들에서 기본 채널을 통하여 브로드캐스트 메시지의 수신을 시도하고, 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행하지 못한 센서 노드들은 유니캐스트 구간에 존재하는 자신의 타임 슬롯이 시작될 때까지 대기 모드로 들어가는 단계;As a result of the attempt, the sensor nodes that failed to receive the broadcast message enter a standby mode until their time slots existing in the unicast period start, and the sensor nodes that receive the broadcast message receive subsequent broadcasts. Continue to receive the broadcast message on the base channel in the next time slots of the broadcast interval until the reception of the broadcast message in the next time slots of the cast period, and stop receiving the broadcast message. Sensor nodes that have failed to perform enter standby mode until their time slot existing in the unicast period starts; 상기 센서 노드들이 유니캐스트 구간에 존재하는 자신의 타임 슬롯에서 기본 채널을 통하여 송신 노드들이 송신한 데이터 메시지를 수신받고, 추가 채널을 통하여 송신 노드들이 송신한 추가 데이터 메시지를 수신하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법.And receiving, by the sensor nodes, a data message transmitted by the transmitting nodes through a basic channel in a time slot of the sensor nodes, and receiving an additional data message transmitted by the transmitting nodes through an additional channel. Method of transmitting and receiving data through multiple channels in a wireless sensor network, characterized in that. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제어 메시지는 센서 노드의 주소 정보, 자신이 점유하고 있는 타임 슬롯 정보, 슬롯 할당 벡터 정보, 싱크 노드로부터 기원된 순서 번호 정보 및 시간 동기화를 위한 프레임의 남은 시간 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법.The control message may include address information of a sensor node, time slot information occupied by itself, slot allocation vector information, sequence number originating from a sink node, and remaining time information of a frame for time synchronization. Method of transmitting and receiving data through multiple channels in the sensor network. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2, 상기 센서 노드들을 상기 제어 메시지에 포함되는 시간 동기화를 위한 프레임의 남은 시간 정보를 이용하여 자신들이 가지고 있는 타이머를 프레임의 남은 시간만큼 세팅하여 시간 동기화를 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법.In the wireless sensor network, the sensor nodes perform time synchronization by setting their own timers as the remaining time of the frame by using the remaining time information of the frame for time synchronization included in the control message. How to send and receive data through. 청구항 2항에 있어서,The method according to claim 2, 상기 센서 노드들은 주변의 센서 노드들로부터 수신받은 제어 메시지에 포함된 슬롯 할당 벡터들을 논리합(OR) 연산하여 자신들의 슬롯 할당 벡터를 구성하고, 이 구성된 자신들의 슬롯 할당 벡터를 참조하여 자신들이 사용 가능한 타임 슬롯을 선택하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법.The sensor nodes perform OR operation on slot assignment vectors included in control messages received from neighboring sensor nodes to form their slot assignment vector, and refer to the configured slot assignment vector to enable them to be used. A method of transmitting and receiving data through multiple channels in a wireless sensor network, characterized in that the time slot is selected. 청구항 3에 있어서,The method according to claim 3, 상기 브로드캐스트 메시지의 수신을 수행한 센서 노드들은 자신들이 가지고 있는 타이머를 통하여 계산된 프레임의 남은 시간과 상기 브로드캐스트 메시지에 포함된 현재 프레임의 남은 시간 정보에 포함된 현재 프레임의 남은 시간을 평균하여 얻어진 시간을 타이머에 세팅하여 시간 동기화를 보정하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 송수신 방법.The sensor nodes that have received the broadcast message average the remaining time of the frame calculated by their timer and the remaining time of the current frame included in the remaining time information of the current frame included in the broadcast message. A method of transmitting and receiving data through multiple channels in a wireless sensor network, wherein the time synchronization is corrected by setting the obtained time to a timer. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 센서 노드들이 유니캐스트 구간에 존재하는 자신의 타임 슬롯에서 기본 채널을 통하여 송신 노드들이 송신한 데이터 메시지를 수신받은 후, 추가 채널을 통하여 송신 노드들이 송신한 추가 데이터 메시지를 수신하는 단계는, After the sensor nodes receive the data message transmitted by the transmitting nodes through the basic channel in their time slot existing in the unicast period, receiving the additional data message transmitted by the transmitting nodes through the additional channel, 상기 센서 노드들이 자신의 타임 슬롯에서 기본 채널을 통하여 데이터 메시지를 수신받은 후, 상기 자신의 타임 슬롯의 다음 타임 슬롯에서 추가 채널로 이동하는 과정, 상기 센서 노드들이 송신 노드들에게 자신들의 주소 정보가 포함된 메시지를 송신하는 과정, 상기 추가 채널을 통하여 상기 송신 노드들이 송신한 상기 추가 데이터 메시지를 상기 센서 노드들이 수신하는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 다중 채널을 통한 데이터 수신 방법.After the sensor nodes receive the data message through the basic channel in their time slot, moving to the additional channel in the next time slot of their time slot, the sensor nodes are sent to the transmitting nodes their address information Transmitting the included message; receiving the additional data message transmitted by the transmitting nodes through the additional channel; and receiving the additional data message through the multiple channels in the wireless sensor network. .
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KR101353585B1 (en) * 2012-06-11 2014-02-11 강릉원주대학교산학협력단 wireless sensor network system and node, sensing message prosess method
KR20160107475A (en) 2015-03-04 2016-09-19 주식회사 월드조인 Cap device for protecting bolt and nut
KR20190097997A (en) 2018-02-13 2019-08-21 서울대학교산학협력단 Method and apparatus for transmitting and receiving data avoiding jamming attack

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