JP5581038B2 - 無線センサーネットワークにおけるエネルギー消耗を低減するためのタイムスロット割り当て方法 - Google Patents

Description

本発明は無線センサーネットワークに関するもので、特に時分割多重アクセス(Time Division Multiple Access：ＴＤＭＡ)方式を使用する無線センサーネットワーク内でノード間の必要なデータを送受信する方法に関する。

無線センサーネットワークは、既存の通信ネットワークと異なって遠隔情報(remote information)を収集する。このような無線センサーネットワークは、一般的に、センサーを通じて収集された情報を処理及び伝送するセンサーノードと、センサーノードから伝送される情報を収集及び処理するシンクノードとを含む。

この無線センサーネットワークは多くのセンサーノードを含むため、センサーノードのデザインは単純にしなければならない。また、センサーノードは、アクセスしにくい領域に位置しているため、交換の必要性を最小限にするために低い電力が消費されるように設計しなければならない。また、センサーノードは、設けられた位置を容易に変更できるように移動性のある設計をしなければならない。さらに、無線センサーネットワークは、任意の損傷したセンサーノードがネットワークの維持に影響を与えないように設計されなければならない。

図１は、従来の無線センサーネットワークを示す。図１において、センサーネットワーク内に位置した各ノードは、隣接ノードとネットワークを形成する。このようなネットワークの形成を容易にするために、ノードの構造も単純に設計してよい。上記のようにネットワークが形成される場合に、上位及び下位の関係がノード間に形成される。図１にメッシュ(mesh)ネットワークを示したが、メッシュネットワークにもツリー構造が存在するので、これらノード間の関係は、メッシュネットワークにも形成されることができる。

短距離無線ネットワークの標準は、ＩＥＥＥ８０２.１５ワーキンググループに定義されている。特に、ＩＥＥＥ８０２.１５ワーキンググループによって定義されたＩＥＥＥ８０２.１５.４標準は、低い電力の短距離無線ネットワークを実現することに関連するため、センサーネットワークに適用するための優れたコア技術として考えられている。

以下、ＩＥＥＥ８０２.１５．４標準プロトコルに基づいた無線センサーネットワークでデータを送受信する方法について、簡単に説明する。

図２は、従来のＴＤＭＡ方式に基づいた無線センサーネットワークにおいて、タイムスロットを用いるノード間のデータ送受信を示す。図２の容易な説明のために、対応する無線センサーネットワーク内に位置した１個の上位ノードと５個の下位ノードが相互に通信を遂行することについて説明する。

図２において、１個の上位ノード２０１は、自機と通信を遂行する複数の下位ノード２０３〜２１１との関係を形成する。第１〜第５の下位ノードとして定義されるこれら複数の下位ノードは、通常エネルギーを節約(save)するためにスリープモードにある。対応する下位ノードは、所定の時間に至る場合に、スリープモードからウェイクアップ(wake up)し、アクティブモードに進入して上位ノード２０１と通信を遂行する。例えば、上位ノード２０１が第１の下位ノード２０３と通信していると仮定する場合に、第１の下位ノード２０３のみがアクティブモードに進入し、他の下位ノード２０５〜２１１はスリープモードを維持する。すなわち、それぞれの下位ノード２０３〜２１１は、各々に割り当てられた対応するタイムスロットのみで上位ノード２０１と通信する。

しかしながら、上記の割り当て方法によれば、各下位ノードは、割り当てられたタイムスロットで、無条件にスリープモードからウェイクアップし、アクティブモードに進入して上位ノードと通信を遂行する。従って、各下位ノードは、伝送されるデータがあるか否かに関係なく、アクティブモードに進入するので、アクティブモード対スリープモードの比が非常に低く、イベントがまれに起きるネットワーク環境ではエネルギーの浪費をもたらす。例えば、図２において、第３の下位ノードは、上位ノードにレポートするデータを有していなくても、アクティブモードに進入する時間になると、アクティブモードに進入して上位ノードと通信を遂行する。

したがって、イベントの発生頻度が低い場合、下位ノードは、各々の上位ノードに伝送されるデータを有していなくても、上位ノードと通信を遂行するためにアクティブモードに進入し、それによってエネルギーを無駄に消費するという問題点があった。

韓国特許第１０−２００７−００６９２１３号公報

したがって、上述した従来技術の問題点を解決するために、本発明の目的は、ＴＤＭＡ方式を使用するネットワーク環境で、下位ノードが、割り当てられたタイムスロットでウェイクアップして上位ノードと通信する前に、各下位ノードによって、上位ノードに伝送されるデータがあるか否かを判定して上位ノードに伝送し、その結果に基づいて該当タイムスロットで通信が遂行されるか否かに関する情報及び通信区間に関する情報を上位ノードから受信する方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明の一態様によれば、無線センサーネットワークにおけるエネルギー消耗を低減するためのタイムスロット割り当て方法であって、上位ノードによって、上位ノードと少なくとも一つの下位ノードとの間で伝送されるデータがあるか否かを把握するために少なくとも一つの下位ノードとレポートを送受信する第１の段階と、上位ノードによって、レポートに基づいて少なくとも一つの下位ノードへのデータ伝送に必要な情報を伝送する第２の段階と、上位ノードによって、データ伝送に必要な情報に基づいて少なくとも一つの下位ノードとデータを送受信する第３の段階とを具備することを特徴とする。

本発明は、無線センサーネットワーク環境で、上位ノードは、自機と関係が形成されている少なくとも一つの下位ノードと送受信されるデータの有無及びデータの長さを確認して各下位ノードのタイムスロットのタイミングとその区間をフレキシブルに決定し、それによってエネルギー節約を極大化できる効果を有する。

従来の無線センサーネットワークを示す図である。 従来のＴＤＭＡ方式による無線センサーネットワークでタイムスロットを用いるノード間のデータ送受信を示す図である。 本発明の実施形態によるＴＤＭＡ方式が適用された無線センサーネットワークで、タイムスロットを用いる上位ノードと下位ノードとの間のデータ送受信を示す図である。 本発明の実施形態によるＴＤＭＡ方式が適用された無線センサーネットワークで、タイムスロットを用いる上位ノードと下位ノードとの間のデータ送受信を示す図である。 本発明の実施形態によるＴＤＭＡ方式が適用された無線センサーネットワークで、タイムスロットを用いる上位ノードと下位ノードとの間のデータ送受信を示す図である。 本発明の実施形態によるＴＤＭＡ方式が適用された無線センサーネットワークで、タイムスロットを用いる上位ノードと下位ノードとの間のデータ送受信の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の望ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。

図面において、同一の構成要素に対してはできるだけ同一の参照符号及び参照番号を付して説明する。下記の説明で、本発明に関連した公知の機能又は構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断された場合に、その詳細な説明を省略する。

従来の上位ノードと下位ノードとの間の通信方法によれば、各下位ノードは、伝送されるデータがあるか否かに関係なく、割り当てられたタイムスロットでは無条件アクティブモードに進入して上位ノードと通信することによって、エネルギーを無駄に消費するという問題点があった。このような問題点を解決するために、本発明は、下位ノードが、割り当てられたタイムスロットでウェイクアップして上位ノードと通信する前に、各下位ノードによって、上位ノードに伝送するデータがあるか否かを判定して上位ノードに伝送し、その結果に基づいて該当タイムスロットで通信が遂行されるか否かに関する情報及び通信区間に関する情報を上位ノードから受信し、それによってエネルギーの消費を低減させる方法について説明する。

図３乃至図５は、本発明の実施形態によるＴＤＭＡ方式が適用された無線センサーネットワークでタイムスロットを用いる上位ノードと下位ノードとの間のデータ送受信を示す。図３にはすべてのノードが伝送されるデータを有する場合を示し、図４には一つ以上のノードが伝送されるデータを有していない場合を、図５には一つのノードのみが伝送されるデータを有する場合を、それぞれ示す。図２と同様に、図３乃至図５も容易な説明のために、該当無線センサーネットワーク内に位置した１個の上位ノードと５個の下位ノードが相互に通信を遂行することを例として説明する。

図３を参照すると、１個の上位ノード３０１は、自機と通信を遂行する複数の下位ノード３０３〜３１１と関係を形成する。これら複数の下位ノードは、第１の下位ノード〜第５の下位ノードとして定義される。

第１〜第５の下位ノード３０３〜３１１は、通常にスリープモードでエネルギーを節約しており、所定時間に至ると、対応する下位ノードがスリープモードからウェイクアップし、上位ノード３０１と通信するためにアクティブモードに進入する。ここで、レポート区間(reporting period)と割り当て区間は、上位ノード３０１と下位ノード３０３〜３１１との間の通信を遂行する通信区間の前に組み込まれ、各々の下位ノードによってアクティブモードに進入するか否かが決定される。次に、これら２個の区間について詳細に説明する。

上位ノード３０１と第１〜第５の下位ノード３０３〜３１１との間の関係が形成され、かつレポート区間が設定されている場合には、下位ノード３０３〜３１１は、順次に所定の期間(time period)で上位ノード３０１に伝送されるデータがあるか否かを確認してレポートする。

上位ノード３０１に伝送されるデータがあるか否かをレポートする過程が、第１の下位ノード３０３から第５の下位ノード３１１まで完了した場合に、このレポート区間は終了し、割り当て区間が開始される。割り当て区間に進入する場合には、上位ノード３０１は、下位ノード３０３〜３１１が伝送されるデータを有しているか否か、そして下位ノード３０３〜３１１に伝送されるデータがあるか否かを判定し、その判定及び確認による情報を含むタイムスロットポリシーを生成して下位ノード３０３〜３１１にブロードキャスティングする。このポリシーを通じて、それぞれの下位ノード３０３〜３１１は、各々スリープモードからウェイクアップする時点と、上位ノード３０１へのデータ伝送の時点が通知される。その後、通信区間に進入する場合には、上位ノード３０１と各下位ノード３０３〜３１１は、予め通知されたポリシーに基づいて所定の時点から所定期間の間に相互に通信を遂行する。この動作は、一つのサイクルを形成し、このサイクルに基づいて繰り返し遂行される。

図４では、第１の下位ノード４０３及び第４の下位ノード４０９は、上位ノード４０１から受信されるデータ及び上位ノード４０１に伝送されるデータを有しておらず、第２の下位ノード４０５は上位ノード４０１に伝送されるデータのみを、そして第５の下位ノード４１１は上位ノード４０１から受信されるデータのみを、それぞれ有すると仮定する。

図４に示すように、通信区間で第１の下位ノード４０３及び第４の下位ノード４０９は、データ伝送がレポート区間及び割り当て区間を通じて予約されていないため、アクティブモードに進入せず、スリープモードを維持する。したがって、上位ノード４０１は、より以前にスリープモードに再進入する。

また、第２の下位ノード４０５及び第５の下位ノード４１１は、レポート区間と割り当て区間を通じてアクティブモードを維持する期間が調整され、それによってウェイクアップする期間が送受信されるデータの量に従って短縮される。同様に、上位ノード４０１は、より以前にスリープモードに再進入する。

したがって、伝送されるデータがあるか否かに関係なく、すべての下位ノードが無条件にスリープモードからウェイクアップしなければならない図２のケースに比べて、エネルギー使用の頻度が非常に低減する。

図５において、下位ノード５０３〜５１１がスリープモードからウェイクアップしてデータを伝送する期間は、上位ノード５０１から下位ノード５０３〜５１１に伝送されるタイムスロット割り当てポリシーによって調整することができる。

図５を参照し、第４の下位ノード５０９のみが上位ノード５０１に伝送されるデータを有し、伝送されるデータの量が比較的大きいと仮定する。上位ノード５０１及び第４の下位ノード５０９は、レポート区間と割り当て区間を通る間に第４の下位ノード５０９から伝送されるデータの量に該当する期間を抽出し、通信区間を設定して相互に通信を遂行する。この場合、通常、下位ノードに割り当てられるタイムスロットより長いタイムスロットが割り当てられ、この割り当てられたタイムスロットを通じて、上記データが上位ノード５０１に伝送される。したがって、図２に示した方法のように、下位ノードにいつも一定サイズのタイムスロットが割り当てられ、次のサイクルを待機した後にデータを伝送することによって生じるデータ伝送における遅延の問題を解決することができる。

図６は、本発明の実施形態によるＴＤＭＡ方式を適用した無線センサーネットワークで、タイムスロットを用いる上位ノードと下位ノードとの間のデータ送受信の手順を示すフローチャートである。

図６を参照すると、ステップＳ６０１で、レポート区間が新たなサイクルの開始と共に始まる場合には、上位ノードは、スリープモードからウェイクアップしてアクティブモードに進入し、下位ノードから伝送データがあるか否かを上位ノードに知らせるレポートを受信する準備をする。ステップＳ６０３で、該当下位ノードは、上位ノードにレポートする時間になるか否かを判定し、予め設定された時間に上位ノードに伝送されるデータパケットがあるか否かをレポートする。ステップ６０５で、すべての下位ノードが上位ノードにレポートを完了すると、レポート区間は終了され、割り当て区間が開始される。

ステップ６０７に進行して割り当て区間に進入する場合に、上位ノードは、一つ以上の下位ノードから伝送されたレポートに基づいて、かつ各下位ノードに伝送されるデータがあるか否かに基づいて、タイムスロット割り当てポリシーを生成して下位ノードにブロードキャスティングする。このポリシーを通じて、それぞれの下位ノードは、スリープモードからウェイクアップし、アクティブモードに進入して上位ノードとデータを送受信する時点、及びアクティブモードに在る期間が通知される。すべての下位ノードがタイムスロット割り当てポリシーの通知を受けた場合に、割り当て区間は終了し、通信区間が開始される。

通信区間が開始される場合に、上位ノードは、ステップＳ６０９に示すように、タイムスロット割り当てポリシーに基づいて各下位ノードと通信を遂行する準備をし、各下位ノードは、ステップＳ６１１に示すように、伝送されたポリシーを分析し、タイムスロットが割り当てられたか否かを判定する。この下位ノードは、タイムスロットが割り当てられていない場合には、次のサイクルが始まるまでスリープモードを維持する。一方、下位ノードは、タイムスロットが割り当てられている場合には、ステップＳ６１３に進行して、上位ノードとデータを送受信するために所定の時間でアクティブモードに進入する。その後、データは、ステップ６１５で、上位ノードと下位ノードとの間で送受信を遂行する。上位ノードと下位ノードとの間のデータ送受信が終了した場合に、下位ノードは、ステップＳ６１７に進行してスリープモードに再進入する。

ステップＳ６１９で、上位ノードは、一定期間で、すべての下位ノードのタイムスロットが終了したか否かを繰り返して判定する。ステップＳ６２１で、すべての下位ノードのタイムスロットが終了した場合に、上位ノードは、アクティブモードからスリープモードに再進入する。

上記のフローチャートを参照して、上位ノードは、レポート区間と割り当て区間を用いて下位ノードとの間で伝送されるデータがあるか否かを判定し、下位ノードに割り当てられるタイムスロットを制御することによって、不必要なエネルギーの消耗を低減させ、エネルギーの節約を極大化することができる。

以上、本発明の詳細な説明においては具体的な実施形態に関して説明したが、特許請求の範囲を外れない限り、様々な変更が可能であることは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。したがって、本発明の範囲は、前述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものに基づいて定められるべきである。

２０１，３０１，４０１，５０１，６０１ 上位ノード
２０３，３０３，４０３，５０３，６０３ 第１の下位ノード
２０５，３０５，４０５，５０５，６０５ 第２の下位ノード
２０７，３０７，４０７，５０７，６０７ 第３の下位ノード
２０９，３０９，４０９，５０９，６０９ 第４の下位ノード
２１１，３１１，４１１，５１１，６１１ 第５の下位ノード

Claims (9)

1. 無線センサーネットワークにおけるエネルギー消耗を低減するためのタイムスロット割り当て方法であって、
   上位ノードによって、複数の下位ノードから前記上位ノードに伝送されるデータがあるか否かを示す各レポートを、前記複数の下位ノードの各々から受信する段階と、
   前記上位ノードによって、データ伝送のためにタイムスロット割り当てポリシーを、前記上位ノードと前記複数の下位ノードとの間で、前記受信したレポートに基づいて生成する段階と、
   前記上位ノードによって、前記複数の下位ノードに前記タイムスロット割り当てポリシーを伝送する段階と、
   前記上位ノードによって、前記タイムスロット割り当てポリシーに基づいて前記複数の下位ノードの少なくとも１つとデータを送受信する段階と、
   を具備し、
   前記タイムスロット割り当てポリシーは、前記複数の下位ノードの各々に対して、（１）前記上位ノードとそれぞれの下位ノードとの間で伝送されるデータがある場合に、データ伝送のためにアクティブモードに進入するための時間間隔、および（２）前記上位ノードとそれぞれの下位ノードとの間で伝送されるデータがない場合に、スリープモードを維持するための時間間隔の１つを示す、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記上位ノードによって、前記複数の下位ノードから前記レポートを受信するためにスリープモードからアクティブモードに進入する段階をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記タイムスロット割り当てポリシーを生成する段階は、前記レポートを通じて収集された情報に基づき、前記複数の下位ノードの各々に対するデータ送受信タイミング及び前記データの伝送に要求される期間を計算する段階と、
   前記計算されたデータ送受信タイミング及び前記データの伝送に要求される期間に基づいて、前記タイムスロット割り当てポリシーを生成する段階と、
   をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記タイムスロット割り当てポリシーは、前記複数の下位ノードに同時に送信されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 無線センサーネットワークのための上位ノード装置であって、
   複数の下位ノードから前記上位ノードに伝送されるデータがあるか否かを示す各レポートを、前記複数の下位ノードの各々から受信する送受信手段と、
   データ伝送のためにタイムスロット割り当てポリシーを、前記上位ノードと前記複数の下位ノードとの間で、前記受信したレポートに基づいて生成し、前記複数の下位ノードに前記タイムスロット割り当てポリシーを伝送するために前記送受信手段を制御し、前記タイムスロット割り当てポリシーに基づいて、前記複数の下位ノードの少なくとも１つとデータを送受信するために前記送受信手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記タイムスロット割り当てポリシーは、前記複数の下位ノードの各々に対して、（１）前記上位ノードとそれぞれの下位ノードとの間で伝送されるデータがある場合に、データ伝送のためにアクティブモードに進入するための時間間隔、および（２）前記上位ノードとそれぞれの下位ノードとの間で伝送されるデータがない場合に、スリープモードを維持するための時間間隔の１つを示す、
   ことを特徴とする上位ノード装置。
6. 前記制御手段は、前記複数の下位ノードから前記レポートを受信するためにスリープモードからアクティブモードに進入するために当該上位ノード装置を制御することを特徴とする請求項５に記載の上位ノード装置。
7. 前記制御手段は、前記レポートを通じて収集された情報に基づき、前記複数の下位ノードの各々に対するデータ送受信タイミング、及び前記データの伝送に要求される期間を計算し、前記計算されたデータ送受信タイミング及び前記データの伝送に要求される期間に基づいて、前記タイムスロット割り当てポリシーを生成する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の上位ノード装置。
8. 前記タイムスロット割り当てポリシーは、前記複数の下位ノードに同時に送信されることを特徴とする請求項５に記載の上位ノード装置。
9. 無線センサーネットワークのための下位ノード装置であって、
   上位ノードに伝送されるデータがあるか否かを示すレポートを、前記上位ノードに伝送する送受信手段と、
   前記上位ノードに伝送されるデータがあるか否かを決定し、前記レポートを生成し、前記送受信手段を介して前記上位ノードからタイムスロット割り当てポリシーを受信し、前記タイムスロット割り当てポリシーに基づいて、スリープモードからアクティブモードに進入するか否かを決定する制御手段と、
   を備え、
   前記タイムスロット割り当てポリシーは、前記複数の下位ノードの各々に対して、（１）前記上位ノードと当該下位ノード装置との間で伝送されるデータがある場合に、当該下位ノード装置が、データ伝送のためにアクティブモードに進入すべきか、および（２）前記上位ノードと当該下位ノード装置との間で伝送されるデータがない場合に、当該下位ノード装置が、スリープモードを維持すべきかの１つを示す、
   ことを特徴とする下位ノード装置。

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