JP4414991B2 - 通信スケジュールリング装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、通信スケジュールリング装置及び方法に関し、より詳しくは、ノード間の通信スケジュールリングに必要な制御パケットを效率よく送受信するようにする通信スケジュールリング装置及び方法に関する。

センサー技術、ＭＥＭＳ技術、低電力電子工学技術、低電力ＲＦ設計技術などの発達により無線ネットワークを通じて連結できる小型、低値、低電力のセンサーノードが開発されてきた。このようなセンサーノードは、センシング、データ処理、通信コンポーネントから構成され、多数のセンサーノードが非常に密接な地域に稠密に配置された無線センサーネットワークを形成して、軍事、ホームネットワーク、環境監視、工場管理、災難監視などの多様な応用に適用されることができる。前記センサーネットワークにおいて、センサーノードの位置はあらかじめ決定される必要がないので、接近が困難な領域や災難構造のための応用のために、任意に配置されることができる。したがって、センサーネットワークプロトコルは、自家構成（Ｓｅｌｆ−ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇ）能力を有し、センサーノードが互いに協力して動作する。

また、センサーネットワークはセンサーノードが配置されたセンサーフィールドと外部網とを連結するシンクから構成される。即ち、前記シンクを通じてセンサーフィールドで収集されたデータが伝えられることができる。

図１は、従来のセンサーネットワークにおいて、クロスレーヤスケジュールリングを通じて各ノードに通信時間を割り当てる概念図である。

センサーノードがセンサーフィールドに配置された以後、センサーノードが収集した情報を最終的に収集するシンクノード（ＢＳ）は、センサーノードがいかなるデータを収集すべきかを説明しているインタレストクエリパケットをフラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）する。インタレストクエリパケットがプルーディングされてからネットワークトポロジーはツリー構造となる。

即ち、シンクノードがインタレストクエリパケットを全体センサーノードにプルーディングすれば、シンクノードがソースノードとなり、３、６、１０番ノードが目的ノードとなる。以後、３、６、１０番ノードは自身が受信したインタレストクエリパケットをまた周囲のセンサーノードに伝送する。この際、３、６、１０番ノードはソースノードとなり、２、４、９、７、８番ノードが目的ノードとなる。即ち、ノード３の目的ノードは２番ノードとなり、ノード６の目的ノードは４、９番ノードとなり、ノード１０の目的ノードは７、８番ノードとなる。前記した方式によりインタレストクエリパケットを最後のノードまで続けて伝達することになれば、図面で矢印で連結した前記ツリー構造が生成される。

以後、子ノードである１、５、９、７、８番ノードは、自身が収集したデータを自身の親ノードである２、４、６、１０番ノードに伝送し、２、４、６、１０番ノードは自身の親ノードである３、及びＢＳ（基地局）ノードにまたデータを伝送し、３番ノードはまたＢＳに伝送することによって、最終的にデータを収集することができる。

したがって、前記ツリー構造において、最下段に位置した子ノードから自身の親ノードに続けて通信スケジュールリングを遂行して、シンクノード（ＢＳ）まで通信スケジュールリングを完了し、これを通じてセンサーノードが収集したデータを效率よくシンクノードに伝送できることになる。

一方、クロスレーヤスケジュールリングはソースノードが目的ノードに伝送するＲＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）パケット、目的ノードがＲＴＳパケットを受信したことをソースノードに知らせるＣＴＳ（Ｃｌｅａｒ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）パケット、ソースノードが実際データパケットをいくら間伝送するかに対する通信時間を目的ノードに知らせるＲＳＥＴＵＰ（Ｒｏｕｔｅ ＳＥＴＵＰ）パケット、及び目的ノードが通信スケジュールリングが確定されたことをソースノードに知らせるＡＣＫパケットから構成される。

前記クロスレーヤスケジュールリングは、通信時間を確定するステップと、確定された通信時間によってパケットを伝送するステップから構成される。通信時間を確定するステップは、所定地域にノードが配置された以後、最初の一回のみ遂行され、通信時間を確定するステップでノードは通信時間を通信スケジュールリングするために制御パケット（ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＲＳＥＴＵＰ、ＡＣＫパケット）を使用する。クロスレーヤスケジュールリングにおいて、通信スケジュールリングの開示はトポロジーの最下段に位置したノードから始めるが、これは、実際センサーネットワークで大部分のパケットはシンク（Ｓｉｎｋ）ノードに伝送されなければならないためである。前記クロスレーヤスケジュールリングに対するより具体的な内容は“Ｃｒｏｓｓ−Ｌａｙｅｒ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ； Ｍ． Ｌ． Ｓｉｃｈｉｔｉｕ”を参照されたい。

前記通信スケジュールリングを定めることを希望するソースノードは、自身の隣り合うホップ（ｎｅｘｔ ｈｏｐ）に該当するノードを目的ノードと定めた後、ＲＴＳパケットを伝送する。ソースノードが伝送するＲＴＳパケットには、ＲＴＳパケットを伝送する時の時間、即ちタイムスタンプ値が記録されているが、前記タイムスタンプ値は実際のデータパケットを送る時の通信開始時間である。ＲＴＳパケットの目的ノードがパケットを成功的に受信したならば、またソースノードに受信に対する応答としてＣＴＳパケットを伝送する。ＣＴＳパケットをソースノードが受信したならば、ソースノードはいくら間パケットを送ることかに対する通信時間情報を含んでいるＲＳＥＴＵＰパケットを目的ノードに伝送する。目的ノードはＲＳＥＴＵＰパケットを成功的に受信し、ＲＴＳパケットを送った時間からＲＳＥＴＵＰパケットに記録された時間だけ通信スケジュールリングを確定する。

そして、以後、目的ノードはソースノードにＡＣＫパケットを伝送して、ＲＴＳパケットを送った時間からＲＳＥＴＵＰパケットに明示された時間まで通信スケジュールリングされたことを知らせる。前記過程をトポロジーの最下段に位置したノードからシンクノードに通信スケジュールリングを確定することになる。前記通信時間を確定するステップで、全てのノードが通信時間を確定してから、確定された通信時間間、ノードが実際のデータパケットを伝送することになる。即ち、所定のセンサーノードが通信を遂行する時間であれば自身のトランシーバーをＲＸあるいはＴＸに合せて通信を遂行し、自身が通信する時間でなければスリープ（Ｓｌｅｅｐ）状態を維持してパワーを節約することができる。

しかしながら、複数個のセンサーノードが互いに通信が干渉できる範囲内で同時にＲＴＳパケットを伝送しようとしたり、隠れノードターミナル（ｈｉｄｄｅｎ ｎｏｄｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ）のような問題のため、ＲＴＳパケットが目的ノードに正常に受信できなかった場合、ＲＴＳパケットを伝送する時の時間は、実際のデータ通信を遂行する区間で使用することができなくなる。ＲＴＳパケットが正常に送受信できなかった場合、ソースノードはまたＲＴＳパケットを再伝送することになり、このような再伝送が繰り返されるほどセンサーノードは不要な電力を消耗することになる。

また、制御パケット（ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＲＳＥＴＵＰ、ＡＣＫ）の送受信過程の中、パケットロスが発生されれば、始めからＲＴＳパケットをまた送ることになることによって、不要な電力を消耗することがある。

この他にも、所定のセンサーノードがルーティングパスの中間ノードである場合、前記中間ノードが目的ノードと通信スケジュールリングする過程でＲＴＳパケットが損失されれば、中間ノードは所定の時間が経過した後に、また目的ノードと通信スケジュールリングを試みるので、実際データパケットを伝送する時間が遅れることができる。

したがって、センサーネットワークにおいて、センサーノードが通信スケジュールリングに必要な制御パケットを送受信する過程で、パケットの再伝送に係る不要な電力損失を防いで、パケットの遅延時間を減らす必要性が提起される。

本発明は、通信スケジュールリング装置及び方法を提供することをその目的とする。

本発明の目的は、以上で言及した目的に制限されるのではなく、言及されていない更に他の目的は下記の記載から当業者に明確に理解されるはずである。

前記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る通信スケジュールリング装置は、所定の基準ノードを基点にして基準ノードの複数個の子ノードが基準ノードと通信を遂行するための通信スケジュールリングを完了したか否かを判断する制御部及び通信スケジュールリングを完了した場合、所定の通信時間を選択して基準ノードの親ノードと基準ノードとの間に通信スケジュールリングを遂行するスケジュールリング部と、前記基準ノードの前記通信スケジュールリングを遂行するための制御パケットにより割り当てられたビット値及び前記基準ノードの固有住所を表すビット値のうち、少なくともいずれか１つを利用して前記制御パケットを伝送するメディアを先占するのに利用されるビットストリングを構成する構成部とを含む。

本発明の実施形態に係る通信スケジュールリング方法は、所定の基準ノードを基点にして基準ノードの複数個の子ノードが基準ノードと通信を遂行するための通信スケジュールリングを完了したか否かを判断するステップ及び通信スケジュールリングを完了した場合、所定の通信時間を選択して基準ノードの親ノードと基準ノードとの間に通信スケジュールリングを遂行するステップと、前記基準ノードの前記通信スケジュールリングを遂行するための制御パケットにより割り当てられたビット値及び前記基準ノードの固有住所を表すビット値のうち、少なくともいずれか１つを利用して前記制御パケットを伝送するメディアを先占するのに利用されるビットストリングを構成するステップとを含む。

前記したような本発明の通信スケジュールリング装置及び方法によれば、次のような効果が１つあるいはその以上ある。

第１に、既存のプロトコルの短所を解消してパケット再伝送による電力消費を減らすことができる長所がある。

第２に、センサーネットワークの管理及び維持費用の減少によりセンサーネットワークの実用化と大衆化を拡大させる長所もある。

その他、実施形態等の具体的な事項は詳細な説明及び図面に含まれている。

本発明の利点及び特徴、そして、それらを達成する方法は、添付される図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照すれば明らかになるのである。しかしながら、本発明は、以下に開示される実施形態に限るのでなく、互いに異なる多様な形態で具現されることができ、但し、本実施形態は本発明の開示が完全であるようにし、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせてくれるために提供されるので、本発明は請求項の範疇により定義されるだけである。明細書全体に亘って、同一構成要素には同一参照符号が与えられている。

図２は、本発明の一実施形態に係る通信スケジュールリング装置のブロック図である。

通信スケジュールリング装置２００は、構成部２１０、センサー部２２０、制御部２３０、スケジュールリング部２４０、及び送受信部２５０を含み、通信スケジュールリング装置２００は所定ノード内に構成されることができる。

構成部２１０は、基準ノードと他のノード間の所定時間間、通信を遂行することができるように通信スケジュールリングを遂行するために、基準ノードの制御パケットにより割り当てられたビット値と基準ノードの固有住所を表すビット値を組合せてビットストリングを構成する。前記基準ノードの固有住所は基準ノードのＭＡＣ住所を利用することが好ましくて、基準ノードはビットストリングを利用して所定の制御パケットを送受信できるメディアを先占することができる。

この際、前記メディア先占のために、構成部２１０は、前記ビットストリングに含まれた制御パケットのビット値を利用して優先順位を定めることができる。即ち、構成部２１０はＲＴＳパケットの場合００１、ＣＴＳパケットの場合０１０、ＷＴＳパケットの場合０１１、ＡＣＫパケットの場合１００でビット値を割り当てて、ビット値が大きいほど優先順位を高く設定することができ、優先順位を通じてメディアを先占した基準ノードと他のノード間、できる限り迅速に通信スケジュールリングが完了できるようにすることができる。より具体的な説明は、以下、図５乃至図７を参照されたい。

また、構成部２１０は、基準ノードと他のノード間、通信する通信時間をタイムスロット番号で構成して制御パケット内に含めることができる。例えば、データ通信全体時間が１００ｍｓｅｃとし、１単位時間を１０ｍｓｅｃとすれば、総１０個のタイムスロットが構成されることができる。この際、構成部２１０は前記タイムスロットに１番スロット（１〜１０ｍｓｅｃ）、２番スロット（１１〜２０ｍｓｅｃ）、３番スロット（２１〜３０ｍｓｅｃ）等で、時間帯によって順次に番号を割り当てることによって、複数個のタイムスロット番号を割り当てることができ、基準ノードと他のノード間、通信時間を表す前記タイムスロット番号は、制御パケット（ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＡＣＫパケット）内に含まれることができる。

前記ＲＴＳ（Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）パケットは、子ノードが基準ノードに伝送するパケットであり、ＣＴＳ（Ｃｌｅａｒ Ｔｏ Ｓｅｎｄ）パケットは、基準ノードがＲＴＳパケットを受信したことを子ノードに知らせるパケットであり得る。また、ＷＴＳパケットは、前記ＣＴＳパケットの伝送をセンシングしてヒアリングした同一レベル上の子ノードが基準ノードに自身と通信スケジュールリングされていないことを知らせるパケットであり、ＡＣＫパケットは子ノードが通信スケジュールリングが確定されたことを基準ノードに知らせるパケットであり得る。

センサー部２２０は基準ノードが他のノードと制御パケットを送受信しているか否かを感知（センシング）する。例えば、ビットストリングを利用してメディアを先占した子ノード（第２ノード）が基準ノード（第１ノード）にＲＴＳパケットを伝送し、ＲＴＳパケットを受信した第１ノードが応答としてＣＴＳパケットを第２ノードに伝送した場合、第２ノードと同一レベル上にある子ノード（第３ノード）は第１ノードが第２ノードにＣＴＳパケットを伝送することをセンサー部２２０を通じてヒアリングした後、ＷＴＳパケットを第１ノードに伝送して自身と通信スケジュールリングがまだ遂行できなかったことを知らせることができる。この際、ＣＳＭＡ／ＩＣ方式を利用する場合、基準ノードから２ホップ（ｈｏｐ）範囲内にある子ノードが制御パケットの送受信の可否を感知することができる。

また、基準ノードはセンサー部２２０を通じて他のノードから受信されたビット値が存在しているか否かをセンシングしてヒアリングすることができる。

制御部２３０は、基準ノードを基点にして前記基準ノードの複数個の子ノードが前記基準ノードと所定の時間間、通信を遂行するための通信スケジュールリングを全て完了したか否かを判断する。本実施形態ではツリー構造のネットワークトポロジーを基盤にして通信スケジュールリングを遂行するが、トポロジーのリーフノードから通信スケジュールリングを始める場合、制御部２３０はトポロジーの１つの所定ノードを基準にして全ての子ノードが通信スケジュールリングを完了した際、前記基準ノードの親ノードと通信スケジュールリングを遂行するようにして、制御パケットの量と伝送回数を減らすことができる。即ち、基準ノードと通信スケジュールリングを遂行しない子ノードはＷＴＳパケットを基準ノードに伝送して自身がまだ基準ノードと通信スケジュールリングを遂行していないことを制御部２３０に知らせることができる。

スケジュールリング部２４０は、前記基準ノードの複数個の子ノードが前記基準ノードと前記通信スケジュールリングを全て完了した場合、所定の通信時間を選択して前記基準ノードの親ノードと前記基準ノード間に前記通信スケジュールリングを遂行する。例えば、スケジュールリング部２４０は、前記基準ノードが自身の子ノードと全て通信スケジュールリングを完了したことを制御部２３０を通じて判断した場合、子ノードから伝送受けたＡＣＫ制御パケットに含まれた通信時間を表すタイムスロット番号を読取する。そして、スケジュールリング部２４０は、読取されたタイムスロット番号を通じて自身の親ノードと通信スケジュールリングを遂行する過程で、基準ノードが収集した所定情報を含むデータパケットの伝送遅延を最小化できるタイムスロット番号を選択し、基準ノードの親ノードに前記タイムスロット番号を含んだ制御パケットを伝送することができる。前記収集された情報には、例えば、特定の領域で子ノードが収集した前記領域の温度、電磁波、汚染度、位置、地形、事物などの多様な情報が含まれることができ、通信スケジュールリングが完了した以後、基準ノードは基地局（ＢＳ）に前記情報を含んだデータパケットの伝送遅延が最小化できる通信時間に伝送することができる。

即ち、基準ノードが子ノードと１、２、３番タイムスロットで通信スケジュールリングが完了した場合、基準ノードは自身の通信可能な通信時間帯である４、５番タイムスロットをＲＴＳ制御パケット内に含めて自身の親ノードに伝送することができ、以後、通信スケジュールリングを遂行するための制御パケットを自身の親ノードと送受信することになる。

この際、スケジュールリング部２４０は、ノード相互間（親ノードと子ノード）の通信可能な通信時間を比較して共通的に使用可能なタイムスロット番号を選択して通信スケジュールリングを遂行する役割を遂行することができ、好ましくは、基準ノードが収集した所定情報を含むデータパケットの伝送遅延が最小化できるタイムスロット番号を選択することになる。より具体的な説明は、以下の図６及び図７で後述する。

送受信部２５０は各ノード間データパケットを送受信する。即ち、送受信部２５０は前記ビットストリングの桁値によって所定のビット値を伝送または受信したり、前記制御パケットを送受信することができる。

図２に図示された各々の構成要素は、一種の‘モジュール’として構成されることができる。前記‘モジュール’は、ソフトウェア、または、フィールドプログラマブルゲートアレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ；ＦＰＧＡ）、または、注文型半導体（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ；ＡＳＩＣ）のようなハードウェア構成要素を意味し、モジュールはどんな役割を遂行する。しかしながら、モジュールはソフトウェアまたはハードウェアに限定される意味ではない。モジュールはアドレッシングすることができる格納媒体にあるように構成されることもでき、１つまたはその以上のプロセッサーを実行させるように構成されることができる。したがって、一例としてモジュールは、ソフトウェア構成要素、客体指向ソフトウェア構成要素、クラス構成要素及びタスク構成要素のような構成要素と、プロセス、関数、属性、プロシージャー、サブルーチン、プログラムコードのセグメント、ドライバー、ファームウエア、マイクロコード、回路、データ、データベース、データ構造、テーブル、アレイ、及び変数を含む。構成要素とモジュールから提供される機能は、より小さな数の構成要素及びモジュールで結合されたり、追加的な構成要素とモジュールに、更に分離されることができる。

図３は、前記図２を利用した通信スケジュールリング方法の順序図である。

前記図２において、前述したことと重複する内容は、できる限り省略し、通信スケジュールリングする方法の過程を各ステップ別に説明することにする。以下、基準ノードを基点にして前記基準ノードは親ノードとしての役割を遂行し、自身の子ノードと通信スケジュールリングを遂行すると仮定する。

構成部２１０は、通信スケジュールリングを遂行するための基準ノードの制御パケットによって割り当てられたビット値と基準ノードの固有住所を表すビット値を組合せてビットストリングを構成する（Ｓ３０１）。この際、構成部２１０は前記制御パケットによって割り当てられたビット値を利用して前記制御パケットに優先順位を割り当てることができ、前記基準ノードの固有住所は、基準ノードのＭＡＣ住所を利用することが好ましくて、基準ノードはビットストリングを利用して所定の制御パケットが送受信できるメディアを先占することができる。また、構成部２１０はＲＴＳパケットの場合００１、ＣＴＳパケットの場合０１０、ＷＴＳパケットの場合０１１、ＡＣＫパケットの場合１００にビット値を割り当てて、ビット値が大きいほど優先順位を高く設定することができ、優先順位を通じて基準ノードと他のノード間、できる限り迅速に通信スケジュールリングが完了できるようにすることができる。

基準ノードは自身のビットストリングの各桁値によって所定のビット値を送受信部２５０を通じて伝送したり、他のノードから受信されたビット値が存在するか否かをセンサー部２２０を通じてセンシングする（Ｓ３１１）。即ち、基準ノードは自身のビットストリングの各桁のビット値が１であれば短い１つのビット値を送受信部２５０を通じて伝送し、ビット値が０であれば単純に受信されるデータ、即ち、他のノードから受信されるビット値が存在するか否かをセンサー部２２０を通じてセンシングすることができる。

次のステップで、基準ノードはビットストリングを利用してメディアを先占し、子ノードに制御パケットを伝送する（Ｓ３２１）。この際、子ノードからＲＴＳパケットを既に受信した基準ノードはＣＴＳパケットを子ノードに伝送することになり、子ノードは基準ノードと通信する通信時間を確定してＡＣＫパケットをまた基準ノードに伝送することになる。

次のステップで、基準ノードと前記基準ノードの子ノード間制御パケットを送受信していることをセンサー部２２０を通じて感知した前記子ノードと同一レベル上の他の子ノードは、自身が基準ノードと通信スケジュールリングをまだ遂行していないことを制御部２３０を通じて判断し、前記基準ノードに通報する（Ｓ３３１）。即ち、前記ＣＴＳパケットを感知した同一レベル上の他の子ノードはＷＴＳパケットを基準ノードにして送受信部２５０を通じて伝送して、自身と通信スケジュールリングがまだ遂行していないことを知らせることができる。

前記基準ノードの複数個の子ノードが前記基準ノードと前記通信スケジュールリングを全て完了した場合、スケジュールリング部２４０を通じて所定の通信時間を選択して前記基準ノードの親ノードと前記基準ノードとの間に前記通信スケジュールリングを遂行する（Ｓ３４１）。この際、基準ノードは、好ましくは、基準ノードが収集した所定情報を含むデータパケットの伝送遅延が最小化できる通信時間を選択して、自身の親ノードと通信スケジュールリングを遂行することができる。

前記通信スケジュールリングする方法の具体的な例は、以下、図６及び図７で後述する。

図４は、ＣＳＭＡ／ＩＣの概念図である。

ＣＳＭＡ／ＩＣ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ／ ＩＤ Ｃｏｕｎｔｄｏｗｎ）は、センシング範囲が通信範囲の２倍あるいは２倍以上であり得る。ＡノードとＢノードは通信範囲４０２から外れているので、互いに通信を遂行することができない。しかしながら、ＡノードとＢノードは各々のセンシング範囲を通信範囲の２倍と拡大（４０４）するので、周りノード間にパケットの伝送が起こっているか否かを確認することができる。即ち、Ａノードは自身の通信範囲から外れており、かつ、センシング範囲内にあるＢノードが所定のパケットを伝送すれば、Ａノードは受信したパケットがある内容であるか分からないが、単に誰かが現時間にメディアを使用しているということをセンシングすることはできる。前記ＣＳＭＡ／ＩＣに対するより詳細な内容は、“Ａ Ｎｅｗ Ｃｌａｓｓ ｏｆ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ−ｆｒｅｅ ＭＡＣ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ Ａｄ Ｈｏｃ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ； Ｔ． Ｙｏｕ， Ｃ−Ｈ． Ｙｅｈ ａｎｄ Ｈ． Ｓ． Ｈａｓｓａｎｅｉｎ”を参照されたい。

図５は、本発明の一実施形態に係るノード間に伝送されるデータフレームの構造を示す図である。

データフレーム５００を伝送する通信区間は、通信セットアップ５１０区間とデータ通信５２０区間で構成されることができる。

最初に、前記通信セットアップ５１０区間ではデータ通信５２０区間で使用する通信時間が設定されることができ、通信時間は制御パケット５３０内にセッティングされることができる。この際、前記制御パケット５３０を伝送する前に、メディアを占有するために一連のビットストリング５２３が使われることができる。

前記ビットストリング５２３は、基準ノードが伝送しようとする制御パケットによって割り当てられたビット値５２５と基準ノードの固有住所を表すビット値５２７を組合（ｃｏｎｃａｔｅｎａｔｉｏｎ）して構成されることができる。

この際、前記制御パケットによって割り当てられたビット値は、前記制御パケットの優先順位を表すことができ、前記基準ノードの固有住所は基準ノードのＭＡＣ住所を利用することが好ましい。即ち、構成部２１０は、ＲＴＳパケットの場合００１、ＣＴＳパケットの場合０１０、ＷＴＳパケットの場合０１１、ＡＣＫパケットの場合１００にビット値を割り当ててビット値が大きいほど優先順位を高く設定することができ、優先順位を通じて基準ノードと他のノード間、できる限り迅速に通信スケジュールリングが完了できるようにすることができる。

前記基準ノードは、自身のビットストリングの各桁のビット値が１であれば、短い１つのビット値を伝送し、ビット値が０であれば単純に受信されるデータが存在するかセンシングしながら待機することができる。また、基準ノードはビットストリングを利用して所定の制御パケットが送受信できるメディアを先占することができる。

例えば、基準ノードの制御パケットと基準ノードのＭＡＣ住所が組合わせられて０１１０００１のビットストリングが構成されており、隣り合うＡノードが０１０００１１とビットストリングが構成されている。この際、ビットストリングの１番目桁値から３番目桁値までは制御パケットを表し、３番目桁値以後からはノードのＭＡＣ住所を表す。ビットストリングにおいて、基準ノードとＡノードのビットストリングの１番目桁値が全て０であるから、基準ノードとＡノードは単に受信されるデータの有無をセンシングし、待機状態にあることになり、ビットストリングの２番目桁値は全て１であるから、基準ノードとＡノード全て１つのビット値を伝送することになる。

しかしながら、３番目桁値では基準ノードのビット値が１値であり、Ａノードは０であるから、基準ノードはメディアを先占することになり、０１１に対応する自身のＡＣＫパケットを伝送することになり、Ａノードはメディア先占のために競争しなくて、待機状態にあることになる。即ち、基準ノードは制御パケットを伝送する度にメディア先占のために前記した原理により競争することになる。

また、基準ノードは、前記ＭＡＣ住所を利用して制御パケット伝送のためのメディアを先占することができる。即ち、０１１１０００１と０１１０００１１に各々基準ノードと隣り合うＡノードのビットストリングが構成された場合、２つのノードのビットストリングの４番目ＭＡＣ住所の値が基準ノードの場合１値であり、Ａノードは０値を有するので、基準ノードはメディアを先占することになり、自身の制御パケット５３０を伝送できることになる。

また、構成部２１０は基準ノードと他のノード間、通信する通信時間をタイムスロット番号で構成して制御パケット内に含めることができる。例えば、データ通信全体時間を１００ｍｓｅｃとし、１単位時間を１０ｍｓｅｃとすれば、総１０個のタイムスロットが構成されることができる。この際、構成部２１０は前記タイムスロットに１番スロット（１〜１０ｍｓｅｃ）、２番スロット（１１〜２０ｍｓｅｃ）、３番スロット（２１〜３０ｍｓｅｃ）等で、時間帯によって順次に番号を割り当てることによって、複数個のタイムスロット番号を割り当てることができ、基準ノードと他のノード間の通信時間を表す前記タイムスロット番号は制御パケット（ＲＴＳ、ＣＴＳ、ＡＣＫパケット）５３０内に含まれることができる。

前記データフレーム５００を利用した通信スケジュールリングに対するより具体的な説明は、以下、図６及び図７を通じて後述する。

図６は、本発明の一実施形態に係る通信スケジュールリングの概念図である。

図６（ａ）に示すように、基準ノードに該当するＡノードと前記Ａノードと通信スケジュールリングを遂行しようとするＢ、Ｃノードを表す。ＡノードとＢノード間の通信スケジュールリングを遂行する順序は、ＢノードがＡノードにＲＴＳパケットを伝送し、Ａノードが受信に対する応答としてＣＴＳパケットをＢノードに伝送し、またＢノードがＡＣＫパケットをＡノードに伝送して通信スケジュールリングが連結されたことを知らせる（６０２）。ＡノードとＣノード間の通信スケジュールリングを遂行する順序はＣノードがＡノードにＲＴＳパケットを伝送し、Ａノードが受信に対する応答としてＣＴＳパケットをＣノードに伝送し、またＣノードがＡＣＫパケットをＡノードに伝送して通信スケジュールリングが完了したことを知らせる（６０４）。

前記６０２及び６０４の通信スケジュールリングを遂行する過程は、ＡノードとＢノード間またはＡノードとＣノード間、２つの中のいずれか１つが先に実行されることができる。即ち、最初のセンサーノードが配置された後、ＢノードとＣノードは各々Ａと通信スケジュールリングを遂行するために競争する。ＢノードとＣノードは制御パケットを伝送する前に、メディアを先占するために競争するが、このために、一連のビットストリング５２３を生成して競争することになる。

即ち、図６（ｂ）に示すように、例えば、ＲＴＳパケットのビット順序が００１であり、ＭＡＣ住所のビット順序が０１１であるＢノードの場合、ビットストリング５２３が００１０１１に生成されることができる。ＣノードはＭＡＣ住所のビット順序が１１０であるので、ビットストリング５２３が００１１１０と生成されることができる。前記生成されたビットストリングを通じてＢノードとＣノードはメディアを先占するために互いに競争することになる。

まず、１番目及び２番目ビットにおいて、Ｂ及びＣノードは０値を有しているので、制御パケットを伝送しなくて他のデータ値の受信の可否をセンシングし待機する。３番目ビットにおいて、Ｂ及びＣノードは１値を有しているので、全て１つのビット値を伝送することができる。４番目ビット６０６において、Ｂノードは０、Ｃノードは１値を有しているので、Ｂノードはセンシングし待機状態におり、Ｃノードは１つのビット値を伝送することになる。この際、ＢノードはＣノードが４番目ビットストリングの桁値で伝送したビット値をセンシング、即ち、ヒアリングすることになって、Ｂノードはメディアを先占するための競争に参加しなくて待機することになる。即ち、Ｂノードは５番目ビットで１値を有するが、既に４番目ビットでビット値を受信したので、５番目ビットの以後には待機状態にあることになる。

したがって、図６（ｃ）に示すように、メディアを先占したＣノードはＲＴＳパケット６０７をＡノードに伝送し、ＡノードはＣＴＳパケット６０９でＣノードに応答する。ＡノードがＣＴＳパケット６０９で応答する過程でもメディアを先占する過程を先に経ることになる。即ち、ＣＴＳパケット６０９に与えられたビット６０８とＭＡＣ住所のビット６１０が組合わせたビットストリングを利用して前記図６（ｂ）で前述した原理を利用してＡノードはメディアを先占し、制御パケット区間でＣＴＳパケット６０９をＣノードに伝送できることになる。

この際、制御パケット（ＲＴＳパケット、ＣＴＳパケット）には、各々ＣノードとＡノード相互間の実際データ通信区間で使用することができる通信時間を表すタイムスロット番号が含まれることができる。例えば、ＣノードがＡノードに伝送したＲＴＳパケット６０７は、２、３番のようにデータ通信で使用することができるタイムスロット番号を含んでおり、ＲＴＳパケット６０７を受信したＡノードは自身が使用可能なタイムスロット番号が３、４番である場合、ＣＴＳパケット６０９に前記番号を含めてＡノードに伝送する。以後、Ｃノードは自身がデータ通信時間で使用することができるタイムスロット番号とＡノードが使用することができるタイムスロット番号を比較して共通的に使用可能なタイムスロット番号である３番スロット番号を抽出してＡＣＫパケットをＡノードに伝送して通信スケジュールリングを完了することになる。この際、共通的に使用可能なタイムスロット番号が多数である場合（３、４番）、好ましくはＣノードが収集した所定情報を含むデータパケットの伝送遅延を最小化できるタイムスロット番号（即ち、３番）を選択することができる。

図７は、本発明の一実施形態に係る複数個のノード間通信スケジュールリングを遂行する一例を図示する。

図７（ａ）に示すように、前記した原理を利用して、基準ノードであるＢノードとＣノードは複数個の制御パケットを順次に送受信して、通信スケジュールリングを遂行する。即ち、ビットストリングを通じてメディアを先占したＣノードはＲＴＳパケットをＢノードに伝送し、ＢノードはまたＣＴＳパケットをメディア先占を通じてＣノードに伝送する。以後、Ｃノードは共通的に使用可能な通信時間を抽出してＡＣＫパケットをＢノードに伝送することになる（７０１、７０２、７０３）。この際、ＲＴＳ（００１）＜ＣＴＳ（０１０）＜ＷＴＳ（０１１）＜ＡＣＫ（１００）順序で優先順位が定まったビット値が高く割り当てられてビットストリング内に含まれている。したがって、前記優先順位を通じてメディアを先占した基準ノードと子ノード間に迅速に通信スケジュールリングが完了できるようにすることができる。

この際、図７（ｂ）に示すように、Ｃノードと同一なレベルにあるＤノードとＥノードは、Ｂノードが伝送したＣＴＳパケットをセンシングしてオーバヒアリングすることになるので、各々ＷＴＳパケットをＢノードに伝送して自身と通信スケジュールリングが遂行できなかったことを通報することになる（７０４、７０５）。

図７（ｃ）に示すように、前記ＷＴＳパケットを受信したＢノードは、Ｂノードの下位ノードと通信スケジュールリングが全て確定したか否かを判断することになるが、ＢノードはＤノード及びＥノードとまだ通信スケジュールリングが全て確定できなかったということを判断することになるので、ＢノードはノードＤ及びＥと前記ステップ７０１乃至ステップ７０３の原理により通信スケジュールリングを遂行することになる（７０６、７０７、７０８、７０５ｂ、７０９、７１０、７１１）。この際、ＥノードはＢノードがＤノードに伝送するＣＴＳパケットをまたヒアリングするので、ＷＴＳパケットをＢノードにまた伝送して、自身と通信スケジュールリングを遂行していないことを通報することになる（７０５ｂ）。

したがって、図７（ｄ）に示すように、Ｂノードは子ノードと通信スケジュールリングを全て完了した後、所定の通信時間を選択して自身の親ノードであるＡノードと通信スケジュールリングを遂行することになる。この際、好ましくは、Ｂノードが収集した所定情報を含むデータパケットの伝送遅延が最小化できる通信時間を抽出して選択することができる。例えば、ＢノードがＣ、Ｄ、Ｅノードと各々１、２、３番タイムスロットで通信スケジュールリングが連結された場合、ＢノードはＡノードにＲＴＳパケットを伝送しながら通信可能なタイムスロット番号（例えば４、５、６番）を制御パケットに含めてＡノードに伝送することができる。そして、Ａノードは自身が使用することができるタイムスロット番号（例えば、４、５番）をまたＣＴＳパケットに含めてＢノードに伝送し、Ｂノードは共通的に使用可能なタイムスロット番号のうち、データパケットの伝送遅延を最小化させることができるタイムスロット番号（即ち、４番）を選択してＡＣＫパケットでＡノードにまた伝送することにより、通信スケジュールリングを完了することになる（７２１乃至７１４）。前記データパケットは、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅノードが特定領域で収集した温度、電磁波、汚染度、位置、地形、事物などの多様な情報を含むことができ、４番タイムスロット番号に対応する通信時間にＢノードはデータパケットをＡノードに伝送することができる。

図８は、本発明の一実施形態に係るシミュレーションによる効果を図示する。

本発明のシミュレーションツールとしてｎｓ２が使われたのであり、１つのタイムスロットに送ることができる制御パケットの大きさは１２バイトに制限した。１つのセンサーノードが制御パケット１つを伝送するのに０．６６Ｗを使用し、制御パケットを受信するのに０．３９５Ｗを消費する。センサーフィールドの大きさは６５３ｍ×６５３ｍに設定し、ＣＳＭＡ／ＩＣを使用したのであり、通信範囲は２００ｍに設定し、センシング範囲は４００ｍに限定した。しかしながら、比較対象である既存のクロスレーヤスケジュールリングはＣＳＭＡを使用した。また、ＣＳＭＡのセンシング範囲を２００ｍから４００ｍに拡大してシミュレーションした。まず、ノードの個数を１０、２０、３０個に増加させながら通信スケジュールリングを遂行するのに消費した平均消費電力を比較したのであり、本発明で提案したプロトコルをＡ−ＰＥＭ（Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ−Ｐｏｗｅｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ＭＡＣ ｐｒｏｔｏｃｏｌ）と称した。

図８（ａ）に示すように、Ａ−ＰＥＭの消費電力が既存のクロスレーヤスケジュールリングを遂行するのに消費される消費電力に比べて遥かに少なく消耗されることが分かる。

この際、図８（ｂ）に示すように、前記少ない電力消耗の原因がＣＳＭＡ／ＩＣ導入によるものであるか否かを確認するために、比較対象である既存クロスレーヤスケジュールリングのセンシング範囲をＣＳＭＡ／ＩＣと同一であるように通信範囲を２倍に拡大して測定した。Ａ−ＰＥＭが既存のクロスレーヤスケジュールリングより略２〜２．５倍程度電力を少なく消費することを確認することができる。

また、図８（ｃ）は、既存のクロスレーヤスケジュールリングの問題点であるパケットの伝送遅延がどのように改善されたか表している。既存のクロスレーヤスケジュールリングは通信時間を設定するステップで、ＲＴＳパケットが損失された時の時間を実際の制御パケットを伝送する区間で使用できないことにより、パケットの伝送遅延を増加させた。図８（ｃ）において、既存のクロスレーヤスケジュールリングのパケットの伝送遅延が１８〜２０倍程度減少したことを見ることができる。

以上、添付された図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者は本発明がその技術的思想や必須な特徴を変更しなくて他の具体的な形態で実施できるということを理解することができるはずである。したがって、以上、記述した実施形態は全て例示的なものであり、限定的でないことと理解しなければならない。

従来のセンサーネットワークにおいて、クロスレーヤスケジュールリングを通じて各ノードに通信時間を割り当てる概念図である。 本発明の一実施形態に係る通信スケジュールリング装置のブロック図である。 前記図２を用いた通信スケジュールリング方法の順序図である。 ＣＳＭＡ／ＩＣの概念図である。 本発明の一実施形態に係るノード間に伝送されるデータフレームの構造を示す図である。 本発明の一実施形態に係る通信スケジュールリングの概念図である。 本発明の一実施形態に係る複数個のノード間通信スケジュールリングを遂行する一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るシミュレーションを通じた効果を示す図である。

符号の説明

２００ 通信スケジュールリング装置
２１０ 構成部
２２０ センサー部
２３０ 制御部
２４０ スケジュールリング部
２５０ 送受信部

Claims (12)

1. 所定の基準ノードを基点に前記基準ノードの複数個の子ノードが前記基準ノードと通信を遂行するための通信スケジュールリングを完了したか否かを判断する制御部と、
   前記通信スケジュールリングを完了した場合、所定の通信時間を選択して前記基準ノードの親ノードと前記基準ノードとの間に前記通信スケジュールリングを遂行するスケジュールリング部と、
   前記基準ノードの前記通信スケジュールリングを遂行するための制御パケットにより割り当てられたビット値及び前記基準ノードの固有住所を表すビット値のうち、少なくともいずれか１つを利用して前記制御パケットを伝送するメディアを先占するのに利用されるビットストリングを構成する構成部と、
   を含むことを特徴とする通信スケジュールリング装置。
2. 前記スケジュールリング部は、
   前記親ノードと前記基準ノード間の通信可能な通信時間を比較して共通的に使用可能な通信時間を選択して前記通信スケジュールリングを遂行することを特徴とする請求項１に記載の通信スケジュールリング装置。
3. 前記選択された通信時間は、前記基準ノードが収集した所定情報を含むデータパケットの伝送遅延を最小化させる時間であることを特徴とする請求項２に記載の通信スケジュールリング装置。
4. 前記制御パケットのビット値は、前記制御パケットの優先順位によって割り当てられた値であることを特徴とする請求項１に記載の通信スケジュールリング装置。
5. 前記基準ノードが前記複数個の子ノードのうち、第１子ノードに前記通信スケジュールリングを遂行するための前記制御パケットを伝送した場合、前記制御パケットを感知して、前記第１子ノードと同一レベル上の第２子ノードが前記基準ノードと前記通信スケジュールリングを遂行できなかった事実を通報できるようにするセンサー部を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の通信スケジュールリング装置。
6. 前記センサー部は、
   ＣＳＭＡ／ＩＣ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ／ ＩＤ Ｃｏｕｎｔｄｏｗｎ）方式を利用して前記制御パケットの伝送の可否を感知することを特徴とする請求項５に記載の通信スケジュールリング装置。
7. 所定の基準ノードを基点にして前記基準ノードの複数個の子ノードが前記基準ノードと通信を遂行するための通信スケジュールリングを完了したか否かを判断するステップと、
   前記通信スケジュールリングを完了した場合、所定の通信時間を選択して前記基準ノードの親ノードと前記基準ノードとの間に前記通信スケジュールリングを遂行するステップと、
   前記基準ノードの前記通信スケジュールリングを遂行するための制御パケットにより割り当てられたビット値及び前記基準ノードの固有住所を表すビット値のうち、少なくともいずれか１つを利用して前記制御パケットを伝送するメディアを先占するのに利用されるビットストリングを構成するステップと、
   を含むことを特徴とする通信スケジュールリング方法。
8. 前記親ノードと前記基準ノード間の通信可能な通信時間を比較して共通的に使用可能な通信時間を選択して前記通信スケジュールリングを遂行するステップを更に含むことを特徴とする請求項７に記載の通信スケジュールリング方法。
9. 前記選択された通信時間は、前記基準ノードが収集した所定情報を含むデータパケットの伝送遅延を最小化させる時間であることを特徴とする請求項８に記載の通信スケジュールリング方法。
10. 前記制御パケットのビット値は、前記制御パケットの優先順位によって割り当てられた値であることを特徴とする請求項７に記載の通信スケジュールリング方法。
11. 前記基準ノードが前記複数個の子ノードのうち、第１子ノードに前記通信スケジュールリングを遂行するための前記制御パケットを伝送した場合、前記制御パケットを感知して、前記第１子ノードと同一レベル上の第２子ノードが前記基準ノードと前記通信スケジュールリングを遂行できなかった事実を通報できるようにするステップを更に含むことを特徴とする請求項７に記載の通信スケジュールリング方法。
12. 前記感知するステップは、
    ＣＳＭＡ／ＩＣ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ／ ＩＤ Ｃｏｕｎｔｄｏｗｎ）方式を利用して前記制御パケットの伝送の可否を感知することを特徴とする請求項１１に記載の通信スケジュールリング方法。

Images