KR100647122B1 - 무선 센서 네트워크의 그룹화를 이용한 멀티캐스트 통신방법 및 그 장치 - Google Patents

무선 센서 네트워크의 그룹화를 이용한 멀티캐스트 통신방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크의 그룹화를 이용한 멀티캐스트 통신 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 멀티캐스트 통신 방법은 마스터 노드가 다수의 스마트 노드의 동작 특성 정보 또는 위치 정보 중의 적어도 하나를 기초로 하여 상기 다수의 스마트 노드를 그룹화하는 단계, 상기 마스터 노드가 상기 그룹화 단계에서 분류된 각 스마트 노드 그룹에 대하여 멀티캐스트 통신을 위한 시간 슬롯 및 전용 무선 주파수 채널을 할당하는 단계, 및 상기 마스터 노드가 상기 할당된 무선 주파수 채널을 이용하여 각 그룹에 대하여 멀티캐스트 데이터를 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명의 구성에 따르면, 무선 센서 네트워크 상에서 발생하는 데이터의 전송 충돌을 최소화하여 스마트 노드의 에너지 효율을 높일 수 있다.
스마트 노드(smart node), 그룹화, 멀티캐스트(multicast)

Description

무선 센서 네트워크의 그룹화를 이용한 멀티캐스트 통신 방법 및 그 장치 {METHOD FOR MULTICAST COMMUNICATION BY GROUPING WIRELESS SENSOR NETWORK AND APPARATUS THEREOF}
도 1은 다수의 무선 스마트 노드로 구성된 무선 센서 네트워크를 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 노드의 그룹화를 통하여 멀티캐스트 통신이 이루어지는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 3은 도 2의 방법에 따른 그룹화 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 멀티캐스트 통신에 있어서 무선 스마트 노드 그룹에 대한 시간 슬롯 및 통신 채널의 할당을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 노드 그룹에 대한 멀티캐스트 데이터 전송 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 노드의 멀티캐스트 데이터 수신 방법을 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 멀티캐스트 통신 장치를 나타내는 블록도이다.
본 발명은 무선 센서 네트워크의 그룹화를 이용한 멀티캐스트 통신 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
사람과 컴퓨터, 그리고 사물이 하나로 연결되는 유비쿼터스 네트워크(ubiquitous network)를 위한 핵심 요소 기술 중의 하나는 기존의 컴퓨팅 환경과 물리적인 실제 환경을 접목시켜 주는 역할을 하는 무선 센서 네트워크(wireless sensor network)이다.
센서 네트워크(wireless sensor network)란 사용자가 소지한 이동 가능한 임의의 스마트 사물, 즉 스마트 센서 노드(smart sensor node, 이하, '스마트 노드'라 한다)들 사이의 근거리 무선 통신을 통하여 데이터 인터페이스를 행하는 동시성(실시간) 기반의 가상 네트워크를 일컫는다. 여기서, 스마트 노드는 컴퓨팅 파워가 부여된 센서로서, 센서 네트워크를 구성하는 지능형 통신 디바이스를 말하며, 스마트 노드들은 물리적인 환경 데이터들을 수집하고 환경 변화에 반응하여 적절한 동작을 하도록 구성된다. 센서 네트워크는 네트워크를 구성하는 일정 지역에 크기가 1mm3 정도의 작은 자율 노드들이 수백 개에서 수천 개까지 설치되어 통신하는 구조를 가지며, 노드들은 내장한 센서의 특성에 따른 실시간 상황탐지 정보를 근거리 무선 통신 방식을 이용하여 전송한다.
센서 네트워크를 구성하는 노드들은 전원을 외부에서 공급받지 않고 내부에 탑재된 전지로부터 공급받으므로, 제한된 자원을 사용하여 최대의 효율을 얻을 수 있도록 설계되어야 한다. 즉, 센서 네트워크를 구성하는 수백, 수천 개의 스마트 노드 내의 전지를 교환하는 일은 엄청난 코스트를 발생시키기 때문에, 가능한 한 저전력을 사용하여 전지 교체 주기를 길게 하는 네트워크의 운영이 필요하다. 특히, 무선 통신을 위해 사용되는 RF 모듈(radio frequency module)의 에너지 효율성에 따라 스마트 노드의 에너지 효율성이 좌우되므로, 다수의 스마트 노드들 사이에서 이루어지는 데이터의 송수신 과정을 효율적으로 제어하는 방법이 연구되고 있다. 더욱이, 각각의 독립된 스마트 노드들이 경쟁적으로 무선 채널에 액세스하여 데이터를 전송하려고 시도하는 경우에는, 노드들의 수가 많아질수록 무선 채널의 효율성이 떨어지게 되며, 전송 충돌로 인한 재전송 혹은 채널 감시를 위한 RF 모듈의 에너지 소모가 많아지게 되므로, 스마트 노드들 사이의 조직적인 통신이 이루어지도록 관리하는 일이 필요하다.
네트워크 내에서 데이터의 전송 방식에는 크게 유니캐스트(unicast), 브로드캐스트(broadcast), 멀티캐스트(multicast) 방식이 있다.
유니캐스트 방식은 점대점 통신 방법으로 하나의 송신 노드에서 특정한 하나의 수신 노드로 데이터를 전송하는 방식으로서, 무수히 많은 스마트 노드에 대하여 유니캐스트 방식의 통신이 이루어진다면, 송신 노드에서 처리되어야 하는 데이터의 양이 과다해지므로, 네트워크 자원의 이용이 비효율적이다.
브로드캐스트 방식은 하나의 송신 노드에서 일정 영역 내의 모든 수신 노드에 데이터를 전송하는 방식이다. 이 경우에는 송신 노드에서의 데이터 처리량은 줄일 수 있지만, 해당 데이터의 수신을 원하지 않는 노드들에게도 데이터가 전송되어, 수신 노드의 데이터 처리 효율이 저하되는 문제가 있다.
멀티캐스트 방식은 특정 데이터의 수신을 원하는 노드들에게만 데이터를 전송하는 방식으로 전술한 유니캐스트 방식과 브로드캐스트 방식의 단점을 보완한 것이다. 송신 노드에서는 하나의 데이터 패킷만을 전송함으로써 자원의 효율성을 높이고, 네트워크 내의 혼잡 상황을 줄일 수 있으며, 수신 노드 측에서는 원하는 송신 노드에만 데이터를 복사해 줌으로써 불필요한 데이터 수신을 방지할 수 있다. 이러한, 멀티캐스트 방식의 데이터 전송은 대역폭과 전원이 제한된 무선 통신 환경에서 효율적인 방법으로 사용될 수 있다.
일반적으로, 센서 네트워크 구성에 사용되는 스마트 노드의 개수는 적용되는 응용에 따라 적게는 수십 개에서 많게는 수백 개의 노드들이 사용된다. 또한, 스마트 노드는 컴퓨팅 파워와 메모리, 전지 등의 모든 자원이 극도로 제한적이고, 센서 네트워크를 수만 개의 작은 자율적인 노드들로 구성된 분산 컴퓨팅 플랫폼으로 보는 데이터 중심형(data-centric) 프로그래밍 스타일이 일반적이며, 재사용을 고려하지 않는 일회용 컴퓨팅 플랫폼의 특징을 갖는다. 이러한 환경에서 모든 스마트 노드들이 서로 유기적으로 결합하여 네트워크를 구성하게 되며, 이 네트워크의 규모에 따라 스마트 노드들이 잘 조직되고 동기화되어 통신할 수 있는 멀티캐스트 방식의 데이터 전송에 대한 연구가 이루어지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 무선 센서 네트워크 상에서 발생하 는 데이터의 전송 충돌을 최소화하여 스마트 노드의 에너지 효율을 높이고, 데이터 전송의 신뢰성을 높이기 위하여 스마트 노드를 그룹화하여, 그룹 단위의 멀티캐스트 통신 방법 및 이를 수행하는 장치를 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 한 특징에 따르면, 다수의 스마트 노드의 동작을 제어하는 마스터 노드를 포함하는 센서 네트워크의 멀티캐스트 통신 방법에 있어서, 상기 마스터 노드가 상기 다수의 스마트 노드의 동작 특성 정보 또는 위치 정보 중의 적어도 하나를 기초로 하여 상기 다수의 스마트 노드를 그룹화하는 단계, 상기 마스터 노드가 상기 그룹화 단계에서 분류된 각 스마트 노드 그룹에 대하여 멀티캐스트 통신을 위한 시간 슬롯 및 전용 무선 주파수 채널을 할당하는 단계, 및 상기 마스터 노드가 상기 할당된 무선 주파수 채널을 이용하여 각 그룹에 대하여 멀티캐스트 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 멀티캐스트 통신 방법이 제공된다.
여기서, 상기 마스터 노드는 상기 다수의 스마트 노드가 갖는 온도, 조도, 습도, 압력 및 소리 중의 적어도 하나의 외부 환경의 물리량을 감지하는 기능 또는 상기 감지된 물리량을 기초로 하여 외부 환경을 변경시키는 장치의 구동을 제어하는 기능을 동작 특성 정보로 이용할 수 있으며, 동일한 센서 네트워크 내의 다수의 스마트 노드와의 거리 정보를 위치 정보로 이용할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 동일한 센서 네트워크를 구성하는 다수의 스마트 노드의 정보를 기초로 하여 상기 다수의 스마트 노드를 분류하여 그룹화하고, 각 그룹에 대하여 고유 식별 정보를 부여하는 그룹화 수행부, 상기 그룹화 결과에 따라 각 스마트 노드 그룹에 대하여 멀티캐스트 통신을 위한 전용의 무선 주파수 채널을 할당하는 채널 할당부, 및 상기 각 그룹의 고유 식별 정보를 포함하고, 해당 그룹에 대하여 동시에 전송하기 위한 데이터 프레임을 생성하는 멀티캐스트 데이터 생성부를 포함하는 멀티캐스트 데이터 전송 장치가 제공된다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
우선, 본 발명에서는 비슷한 특성을 공유하는 스마트 노드들에 대하여 탑재된 응용 프로그램(application)의 파라미터의 변경이 필요하거나, 펌웨어(firmware)의 업그레이드(upgrade)가 필요하거나, 동일한 제어 명령을 전달하고자 하는 경우에는 스마트 노드에 대한 멀티캐스트 통신이 이루어진다.
도 1은 다수의 스마트 노드(smart node)로 구성된 무선 센서 네트워크를 간략히 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 무선 센서 네트워크는 동일 네트워크 필드(network field) 내의 다른 스마트 노드들보다 메모리, 전력, 성능 및 기능 면에서 보다 많은 자원을 갖는 스마트 노드인 싱크 노드(sink node)를 적어도 하나 이상 포함하며, 다양한 특성을 갖는 다수의 스마트 노드(도 1의 'S 노드')를 포함하여 구성된다. 도 1에서는 이러한 싱크 노드를 '마스터 노드(master node, M 노드)'(110)로 표시하였다. 마스터 노드(110)는 동일한 네트워크 필드 내의 전체 스마트 노드들의 통신을 제어하여 센서 네트워크를 구성하고 관리하는 역할을 한다. 또한, 마스터 노드는 센서 네트워크 내의 각 스마트 노드의 동작을 제어하고, 현재 사용 중인 통신망(network)의 특성 또는 논리 채널(logical channel) 정보 등을 관리하며 멀티 홉(multi-hop) 데이터 전송을 위한 라우팅(routing) 기능을 담당하며, 네트워크 내의 각 스마트 노드를 통하여 수집된 센서 네트워크 내에서 발생된 데이터를 집적하고, 집적된 데이터를 외부의 네트워크로 전송할 수 있다. 특정 마스터 노드가 관리하는 센서 네트워크에 참여하게 된 스마트 노드는 각각 고유 식별 정보를 가지며, 마스터 노드로부터 전송받은 네트워크 상태 정보를 기초로 하여 내부의 통신 모듈을 초기화한 후 통신을 수행한다. 여기서, 스마트 노드 및 마스터 노드 내부의 통신 모듈은 RF 모듈일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 센서 네트워크 내에 존재하는 다수의 스마트 노드들을 그 기능에 따라 분류하면, 크게 싱크 노드(sink node), 센서 노드(sensor node), 액츄에이터 노드(actuator node)로 분류할 수 있다.
싱크 노드는 일정 지역 내에 구성된 센서 네트워크를 포괄하는 베이스 노드(base node)의 역할을 수행하는 것으로서, 도 1의 마스터 노드(110)와 같은 역할을 하는 노드를 일컫는다. 싱크 노드는 센서 네트워크의 관리와 다른 노드들 사이에서 간접적으로 메시지를 전달하는 역할을 수행하며, 외부 네트워크 또는 상황인식 서버(미도시)와 정보를 교환하는 역할을 한다. 싱크 노드는 전술한 바와 같이, 동일한 네트워크 내의 다른 스마트 노드들에 비하여 보다 안정적인 에너지를 공급받을 수 있으며, 메모리 자원 또한 충분하게 사용할 수 있는 특징이 있다.
여기서 말하는 센서 노드란 물리적인 센싱 기능을 갖는 스마트 노드로서, 장착된 센서를 이용하여 온도, 조도, 습도, 압력, 소리 등의 여러 종류의 물리량을 검출하고, 이를 디지털 신호로 변환하여 싱크 노드에 전송하는 역할을 한다.
액츄에이터 노드는 싱크 노드로부터 전송받은 센싱 결과를 기초로 하여 냉각 팬, 가스 밸브 등의 설비를 제어함으로써, 외부 환경을 변경시키는 장치의 구동을 제어하는 역할을 하는 노드를 일컫는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 노드의 그룹화를 통하여 멀티캐스트 통신이 이루어지는 과정을 도시한 흐름도이다.
마스터 노드(110)는 센서 네트워크 내의 스마트 노드 각각의 위치 정보, 고유 식별 정보, 기능 정보, 통신 환경 등의 관련 정보를 파악하여 센서 네트워크 내의 구성 요소를 파악하고, 각 스마트 노드들에게 멀티캐스트 통신의 개시를 알리기 위하여 비컨 신호를 브로드캐스트한다(S210). 이 때, 마스터 노드(110)는 자신의 위치 정보 및 통신 파라미터 등의 정보를 함께 브로드캐스트할 수 있다.
멀티캐스트 통신 중에는 마스터 노드(110)는 비컨 신호를 주기적으로 브로드캐스트하여 통신 환경의 정보를 스마트 노드들로 전달하고, 통신 환경의 변경 및 센서 네트워크의 구성 요소의 변경에 따라 보다 효율적인 멀티캐스트 통신이 가능하도록 스마트 노드들을 재그룹화할 수 있다. 여기서, 센서 네트워크 내의 각 스 마트 노드의 고유 식별 정보 및 그룹 식별 정보는 ID 등 각 구성 요소를 식별하기 위한 숫자, 문자의 집합일 수 있으며, 위치 정보의 일례로서 위치 정보는 좌표값으로 표시될 수 있다.
마스터 노드(110)가 브로드캐스트한 비컨 신호를 수신한 스마트 노드는 자신의 고유 식별 정보, 수행하는 기능, 위치 정보, 스마트 노드의 특성값 등의 정보와 함께 마스터 노드(110)가 관장하는 센서 네트워크에 참여할 것을 알리는 메시지를 전송한다(S220). 이 때, 스마트 노드의 위치 정보는 마스터 노드로부터 송출된 RF 신호의 세기를 이용하여 마스터 노드로부터의 상대적인 위치를 계산하여 얻어질 수 있으며, 각 스마트 노드에 대하여 상황 인식 서버가 미리 설정하여 저장해 둔 위치 좌표 정보일 수도 있다.
다수의 스마트 노드로부터 메시지를 수신하여 관련 정보를 수집한 마스터 노드(110)는 스마트 노드의 기능 정보 또는 위치 정보 등의 각각의 스마트 노드 고유의 정보를 기초로 하여 비슷한 특성을 공유하는 스마트 노드들을 몇 개의 그룹으로 분류하는 그룹화를 수행하고, 각 그룹별로 그룹 식별 정보 즉, 그룹 ID를 할당한다(S230). 이 때, 마스터 노드(110)는 수집한 스마트 노드의 기능 정보만을 기초로 하거나 위치 정보만을 기초로 하여 그룹화를 수행할 수 있으며, 이들 두 정보를 함께 이용하여 그룹화를 수행할 수도 있다.
예를 들어, 마스터 노드(110)는 브로드캐스트 메시지에 대하여 응답한 스마트 노드들의 기능 정보를 기초로 하여 센서 네트워크 내의 스마트 노드들 중 온도를 감지하는 스마트 노드들을 제1 그룹으로, 조도를 감지하는 스마트 노드들을 제2 그룹으로, 냉각 팬을 제어하는 스마트 노드들을 제3 그룹으로 분류할 수 있다. 또한, 마스터 노드(110)는 각 스마트 노드와의 거리가 미리 설정된 임계치 이내에 해당하는 경우에는 제1 그룹으로, 그 외의 영역에 존재하는 스마트 노드들은 제2 그룹으로 분류하거나, 위치 좌표 정보를 기초로 하여 다수의 좌표를 선택하여, 각각 선택된 좌표를 중심으로 하여 특정한 영역 내에 존재하는 스마트 노드들을 그룹으로 분류할 수 있다.
그리고 전술한 기준들에 의하여 분류한 그룹 내에 포함된 스마트 노드의 수가 데이터의 효율적인 처리 및 전송을 위하여 마스터 노드(110)의 멀티캐스트 데이터 처리 용량에 비하여 과다한 것으로 판단된 경우에는 하나의 데이터를 멀티캐스트하기에 적절한 개수의 스마트 노드가 포함되도록 스마트 노드의 재그룹화가 이루어질 수 있다.
본 발명에서 위치 정보를 기준으로 즉 스마트 노드가 위치하는 공간 영역을 기준으로 스마트 노드를 그룹화하는 것은 좁은 영역 내에 존재하는 노드들과의 통신이 멀리 떨어진 범위에 비하여 에러 발생률이 작아 신뢰성 높은 데이터 통신이 가능하기 때문이다. 그리고 동일한 동작 특성을 갖는 스마트 노드들에 대해서는 동일한 명령어를 이용하여 제어가 가능하므로, 스마트 노드의 기능 정보를 기초로 하여 그룹화를 수행한다.
도 3에 전술한 과정에 따라 그룹화된 결과를 도시하였다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 하나의 마스터 노드(110)에 의하여 제어되는 센서 네트워크는 각 스마트 노드의 동작 특성에 따라서 온도를 감지하는 스마트 노드들의 그룹인 제1 그룹 (210), 제1 그룹의 센싱 결과에 따라 쿨링 팬(cooling fan)의 구동을 제어하는 액츄에이터 노드들의 그룹인 제2 그룹(220), 조도를 감지하는 센서 노드들의 그룹인 제3 그룹(230), 제3 그룹의 센싱 결과에 따라 조명 기구의 구동을 제어하는 액츄에이터 노드들의 그룹인 제4 그룹(240)으로 그룹화되어 분류될 수 있다.
또한, 마스터 노드(110)는 그룹별로 멀티캐스트 데이터 전송을 위하여 할당된 시간 슬롯(time slot)과, 해당 시간 슬롯에서 특정 스마트 노드 그룹과 마스터 노드(110) 사이의 멀티캐스트 통신에 이용될 전용의 무선 주파수 채널(radio frequency channel, RF channel)을 할당하고, 이러한 네트워크 채널 정보를 각 그룹별로 전송한다.
이 때, 마스터 노드(110)는 각 스마트 노드 그룹에 대한 시간 슬롯 할당 시에 센서 네트워크의 특성에 비추어 각 그룹의 동작 특성이나 그룹의 업무가 전체 센서 네트워크의 구동에 있어서 어느 정도의 중요도를 갖는가를 판단하여, 이에 따라 각 스마트 노드 그룹에 대하여 우선 순위를 부여한다. 즉, 비교적 많은 전송 시간을 요구하는 특성을 갖는 그룹이나 높은 우선 순위가 할당된 그룹에 대해서는 보다 많은 시간 슬롯을 할당하고, 통신 품질이 양호한 무선 주파수 채널을 할당하여 멀티캐스트 데이터의 전송 품질이 보장될 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 멀티캐스트 통신 과정 중에 마스터 노드(110)로부터 네트워크 채널 정보를 전송받은 스마트 노드들은 각각 할당된 시간 슬롯 이외의 시간에는 데이터 통신이 이루어지지 않는 유휴 상태(idle state)를 유지하여, 스마트 노드의 에너지 효율을 높일 수 있다.
마스터 노드(110)는 할당한 시간 슬롯 정보에 따라서 각 그룹에 대하여 순차적으로 멀티캐스트 통신을 수행함으로써 센서 네트워크의 파라미터 변경, 펌웨어 업그레이드, 센서 네트워크의 재구성 등을 통하여 센서 네트워크의 동작을 관리한다(S240).
네트워크 필드 내의 스마트 노드들은 어플리케이션(application)에 따라 넓은 지역에 산재하여 있을 수 있으며, 만약 어플리케이션에 변경이 생기거나, 파라미터 값을 변경하고자 하거나, 펌웨어(응용 소프트웨어)를 업그레이드하고자 할 경우 동일한 데이터를 여러 노드에 각각 전송하여 변경하게 되는 것은 네트워크 자원의 효율적인 이용에 반하기 때문에, 멀티캐스트 통신을 통하여 다수의 스마트 노드 및 마스터 노드의 효율적인 자원 관리가 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 스마트 노드가 마스터 노드(110)의 비컨 신호를 수신한 경우에 자신의 정보를 전송하는 것으로 설명하였지만, 이동성이 있는 스마트 노드가 센서 네트워크 내로 진입하는 경우에는 자신의 기능 정보 등을 마스터 노드로 전송할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 멀티캐스트 통신에 있어서 무선 스마트 노드 그룹에 대한 시간 슬롯 및 통신 채널의 할당을 예시한 도면으로, 마스터 노드(110)가 비컨 신호를 브로드캐스트한 시점을 기준으로 하여 마스터 노드(110)가 네트워크 내의 스마트 노드의 정보를 수집하기 위하여 할당된 시간 슬롯 및 각 그룹에 속하는 스마트 노드들과의 통신을 위하여 할당된 시간 슬롯 및 무선 주파수 채널 할당된 상태를 예시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 특정 시간(410)에 마스터 노드(110)가 동일 네트워크 필드 내의 스마트 노드들에 대하여 정보를 요청하는 비컨 신호를 브로드캐스트하면, 이후 일정한 시간 슬롯(t1, t2)이 브로드캐스트된 비컨 신호를 수신한 스마트 노드들의 마스터 노드(110)가 구성하는 네트워크에의 참여 의사를 알리는 네트워크 참여 구간(network advertisement period, NAP)으로 할당된다. 이 기간에, 각각의 스마트 노드들은 위치 정보, 고유 식별 정보, 동작 특성 정보 등을 포함하는 네트워크 참여 메시지를 마스터 노드(110)로 전송한다. 이 때, 다수의 스마트 노드들이 랜덤한 시간 간격을 두고 메시지를 전송하므로, 각 스마트 노드들이 전송한 메시지의 충돌로 인하여 마스터 노드(110)가 스마트 노드가 전송한 메시지를 수신하지 못하여, 해당 스마트 노드의 존재를 인식하지 못하게 되는 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 마스터 노드(110)는 비컨 신호를 주기적으로 반복하여 브로드캐스트함으로써, 새로운 스마트 노드의 정보를 수집하고, 수집된 정보를 기초로 하여 스마트 노드를 그룹화하는 과정이 반복적으로 수행될 수 있다.
스마트 노드들의 참여 메시지를 수신한 마스터 노드(110)는 수집한 정보를 기초로 하여 스마트 노드들을 그룹화하고, 각 그룹별로 그룹 ID를 부여하고, 센서 네트워크 내에서의 각 스마트 노드 그룹의 중요도를 판단하여 시간 슬롯 및 멀티캐스트 통신을 위한 전용의 무선 주파수 채널을 차등적으로 할당한다.
도 4에는 3개의 스마트 노드 그룹에 대하여 시간 슬롯이 할당되어 있는데, 센서 네트워크의 운용 목적에 비추어 가장 우선 순위가 높은 것으로 판단되는 특성을 갖는 특정한 하나의 스마트 노드 그룹에 대하여 t3 내지 t7의 시간 슬롯(GCAP1) 을 할당하고, 그 외의 두 개의 스마트 노드 그룹에 대해서는 보다 낮은 우선 순위를 두어 해당 그룹과의 멀티캐스트 통신을 위한 시간 슬롯을 보다 적게 할당하여 각각 t8 내지 t10(GCAP2), t11 내지 t13(GCAP3)이 할당된 상태를 나타내었다. 예를 들어, 센서 네트워크가 가스 안전 시스템에 활용된다면, 가스 센서 노드 그룹과 밸브 감시 노드 그룹에 더 많은 우선 순위를 부여하여 보다 많은 시간 슬롯을 할당하여 운영될 수 있다.
또한, 이와 함께 각 스마트 노드 그룹별로 마스터 노드(110)로부터 멀티캐스트되는 데이터를 수신하기 위한 별도의 전용 채널이 할당되는데, 보다 우선 순위가 높은 스마트 노드 그룹에 대해서는 넓은 대역폭을 갖는 채널을 할당하여 데이터 전송 속도 및 데이터 전송 용량을 보장해 준다. 도 4에는 이와 같이 각 스마트 노드 그룹에 대하여 할당된 시간 슬롯 및 전용 통신 채널의 예를 도시하였다. 본 발명의 실시예에서는 지그비(ZigBee)에서 지원되는 26개의 채널 중 20 내지 22번의 채널이 각각의 노드 그룹에 대하여 멀티캐스트 통신 채널로 할당된 것으로 도시하였지만, 지그비 채널 대신에 스마트 노드의 RF 모듈이 지원하는 다수의 논리 채널(logical channel) 중에서 선택되어 할당될 수 있다.
각 스마트 노드 그룹에 대하여 할당된 시간 슬롯 동안(group contention access period, GCAP)에는 CSMA-CA(carrier sensing multiple access-cllisiion avoidance) 방식의 전송방식이 사용된다. 즉, 해당 그룹에 속하는 스마트 노드들은 마스터 노드로 전송하여야 할 데이터가 존재하는 경우에는 해당 시간 슬롯 동안에는 경쟁적으로 무선 전송을 시도하여 데이터를 전송하며, 다른 그룹에 할당된 시 간 슬롯에서는 유휴 상태로 전환하여 데이터 전송을 중지함으로써 스마트 노드의 전력 효율을 높일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 일반 데이터 송수신을 위한 채널과 멀티캐스트 데이터 전송을 위한 무선 채널을 구분하여 멀티캐스트 데이터를 전송하는 동안 데이터 충돌과 재전송이 발생하는 것을 막을 수 있으며 재전송으로 인한 에너지 소모를 줄일 수 있다.
전술한 바와 같이, 그룹화된 노드들은 할당된 시간 슬롯 동안 데이터의 송수신을 시도하며 마스터 노드(110)로부터 멀티캐스트 데이터를 수신해야 하는 경우 할당된 RF 채널로 변경함으로써 안정적인 데이터 수신이 이루어지도록 할 수 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 마스터 노드와 스마트 노드 그룹 사이에서 이루어지는 멀티캐스트 통신 방법에 대하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 스마트 노드 그룹에 대한 멀티캐스트 데이터 전송 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3에 도시된 과정을 거쳐 네트워크 내의 스마트 노드들을 그 동작 특성 또는 위치 특성에 따라 다수 개의 그룹으로 분류한 마스터 노드(110)는, 각 그룹에 대하여 멀티캐스트하여야 할 데이터가 존재하거나, 멀티캐스트 데이터 전송 요청을 상황인식 서버로부터 수신한 경우, 해당 그룹과의 멀티캐스트 통신을 위하여 할당된 시간이 되면, 각 그룹의 스마트 노드들에 대하여 미리 할당된 멀티캐스트용 전용 채널로 통신 채널을 변경할 것을 요청하는 메시지를 전송한다(S510).
채널 변경 요청 메시지를 수신한 해당 그룹 내의 스마트 노드들은 이에 대한 수락 메시지를 전송하고, 할당된 RF 채널로 데이터 통신 채널을 변경한다. 마스터 노드(110)는 해당 그룹 내의 모든 스마트 노드로부터 수락 메시지를 수신한 경우에는 해당 그룹에 대한 멀티캐스트 데이터를 전송한다(S520,S530).
일부 스마트 노드로부터 채널 변경 요청에 대한 수락 메시지를 수신하지 못한 경우, 마스터 노드(110)는 그룹 내의 모든 스마트 노드에 대하여 채널 변경 요청 메시지를 재전송한다(S520,S510). 재전송한 메시지에 대해서도 특정 스마트 노드로부터 수락 메시지를 받지 못한 경우에는 해당 노드를 제외하고 멀티 캐스트 데이터 전송을 개시한다(S530).
마스터 노드(110)로부터 멀티캐스트 데이터를 수신한 스마트 노드들은 각 데이터 프레임의 수신과 동시에 프레임의 시퀀스 번호를 확인하고 시퀀스 번호가 연속적이지 못할 경우 마지막으로 정상 수신한 프레임의 시퀀스 번호를 포함하는 재전송 요청 메시지를 마스터 노드로 전송하고, 이러한 재전송 요청 메시지를 수신한 마스터 노드(110)는 멀티캐스트 데이터 프레임의 해당 시퀀스 이후의 데이터 프레임을 해당 스마트 노드 그룹에 재전송한다(S540,S541).
스마트 노드로부터 멀티캐스트 데이터의 재전송 요청이 없는 경우에는 마스터 노드(110)는 다음 시간 슬롯에 할당된 스마트 노드 그룹과의 멀티캐스트 데이터 전송을 수행한다(S550). 이 때, 해당 그룹에 속하지 않는 센서 네트워크 내의 다른 스마트 노드는 유휴 상태를 유지하게 된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무선 스마트 노드의 멀티캐스트 데이터 수신 방법을 도시한 흐름도이다.
마스터 노드(110)로부터 할당받은 시간 슬롯 이외의 기간에는 데이터 통신이 이루어지지 않는 유휴 상태에 있던 스마트 노드 그룹은 해당 시간 슬롯에 마스터 노드(110)로부터 채널 변경 요청 메시지를 수신하면, 이에 대한 수락 메시지를 마스터 노드(110)로 전송하고, 할당된 무선 주파수 채널로 통신 채널을 변경한다(S610,S620).
마스터 노드(110)로부터 해당 무선 주파수 채널을 통하여 멀티캐스트 데이터가 수신되면 이를 수신한 각 스마트 노드들은 해당 데이터 프레임에 전송 오류가 존재하는지의 여부를 판단하여, 멀티캐스트 데이터 프레임 중 오류가 발생한 프레임 시퀀스(sequence)부터 데이터를 재전송하여 줄 것을 마스터 노드(110)로 요청한다(S630,S640,S641).
스마트 노드의 재전송 요청에 대응하여 마스터 노드(110)가 해당 프레임 시퀀스부터 재전송한 데이터 프레임을 수신한 스마트 노드는, 현재 수신한 데이터 프레임과 이전에 수신한 데이터 프레임을 비교하여 중복되는 프레임 시퀀스는 폐기하고 중복되지 않는 프레임 시퀀스만을 저장한다(S642,S643).
마스터 노드(110)로부터의 멀티캐스트 데이터의 전송이 성공적으로 이루어진 것으로 판단되면, 각 스마트 노드는 멀티캐스트용 무선 주파수 채널로부터 일반 데이터 송수신을 위한 채널로 변경하여 멀티캐스트 통신을 종료하고, 유휴 상태를 유지한다(S650).
본 발명의 실시예에 따른 멀티캐스트 전송을 위하여 형성된 스마트 노드의 그룹은 임시적인 것으로서, 스마트 노드의 파라미터 변경, 펌웨어 업그레이드 등의 유기적으로 함께 동작하는 것이 자원 이용의 면에서 효율적인 것으로 판단되는 스 마트 노드들에 대하여 멀티캐스트 데이터 전송이 종료되면, 멀티캐스트 통신을 위하여 각 스마트 노드들에게 할당되었던 전용의 무선 주파수 채널로부터 센서 네트워크 내에서 일반적인 데이터 통신을 위하여 사용되는 채널로의 채널 변경이 이루어져야 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 센서 네트워크 내의 마스터 노드(110)를 나타내는 블록도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 마스터 노드(110)는 데이터 통신을 위한 RF 모듈(미도시)을 비롯하여, 그룹화 수행부(710), 채널 할당부(710) 및 멀티캐스트 데이터 생성부(730)를 포함한다.
그룹화 수행부(710)는 다수의 스마트 노드로부터 수신한 특성 정보들을 이용하여 동작 특성 또는 위치 특성을 기초로 하여 스마트 노드들을 다수의 그룹으로 분류하는 그룹화를 수행한다. 또한, 위치 특성을 기초로 하여 스마트 노드를 분류한 경우, 특정 스마트 노드의 위치가 변동된 경우 변경된 정보를 기초로 하여 재그룹화가 이루어질 수 있다. 이러한 그룹 변경 시에 기존에 하나의 그룹에 속해 있던 스마트 노드는 통신 도중에도 그룹 변경 요청을 받아 그룹의 변경이 가능하며, 이러한 그룹 변경 요청 신호는 마스터 노드(110)가 전송하는 비컨 신호에 포함되어 전송될 수 있다.
채널 할당부(720)는 그룹화 수행부(710)에서의 그룹 설정 결과를 수신하고, 각 스마트 노드 그룹의 특성을 분석하여 그 동작 특성 및 센서 네트워크 내에서의 각 그룹이 수행하는 업무의 중요도 등에 따라 우선 순위가 높은 것으로 판단되는 노드 그룹에 대해서는 보다 많은 데이터의 전송이 가능하고 데이터 전송 속도가 높 은 특성을 갖는 채널을 할당하여 전송의 신뢰성 등이 보장될 수 있도록 한다. 또한, 채널 할당부(720)는 전용의 통신 채널 할당과 함께 각 스마트 노드 그룹에 대하여 멀티캐스트 통신을 위한 시간 슬롯을 할당한다.
멀티캐스트 데이터 생성부(730)는 채널 할당부(720)에서의 시간 슬롯 및 채널 할당 결과에 따라서, 특정 시간 슬롯에 멀티캐스트 통신이 가능한 것으로 설정되어 있는 스마트 노드들에 대한 멀티캐스트 데이터를 생성하여 전송한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 네트워크 내의 스마트 노드들을 그룹화하여 이를 멀티캐스트 데이터 전송에 활용함으로써 각 스마트 노드들 사이의 데이터 전송의 충돌을 방지하고, 센서 네트워크 자원을 효율적으로 이용할 수 있다.
또한, 그룹화를 통하여 특정 스마트 노드들에 대해서만 데이터를 멀티캐스트함으로써 안정적으로 시스템을 재구성할 수 있다.

Claims (15)

  1. 다수의 스마트 노드의 동작을 제어하는 마스터 노드를 포함하는 센서 네트워크의 멀티캐스트 통신 방법에 있어서,
    상기 마스터 노드가 상기 다수의 스마트 노드의 동작 특성 정보 또는 위치 정보 중의 적어도 하나를 기초로 하여 상기 다수의 스마트 노드를 그룹화하는 단계;
    상기 마스터 노드가 상기 그룹화 단계에서 분류된 각 스마트 노드 그룹에 대하여 멀티캐스트 통신을 위한 시간 슬롯 및 전용 무선 주파수 채널을 할당하는 단계; 및
    상기 마스터 노드가 상기 할당된 무선 주파수 채널을 이용하여 각 그룹에 대하여 멀티캐스트 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 멀티캐스트 통신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 노드가 상기 다수의 스마트 노드에 대하여 멀티캐스트 데이터 전송의 시작을 알리는 비컨 신호를 브로드캐스트하는 단계를 더 포함하는 멀티캐스트 통신 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 그룹화 단계에서,
    상기 마스터 노드는 상기 다수의 스마트 노드가 갖는 온도, 조도, 습도, 압력 및 소리 중의 적어도 하나의 외부 환경의 물리량을 감지하는 기능 또는 상기 감지된 물리량을 기초로 하여 외부 환경을 변경시키는 장치의 구동을 제어하는 기능을 동작 특성 정보로 이용하는 멀티캐스트 통신 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 그룹화 단계에서,
    상기 마스터 노드는 다수의 스마트 노드와의 거리 정보를 위치 정보로 이용하는 멀티캐스트 통신 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 그룹화 단계 이후에
    상기 마스터 노드가 각 그룹에 속하는 스마트 노드의 개수를 고려하여 재그룹화하는 단계를 더 포함하는 멀티캐스트 통신 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 다수의 스마트 노드가 마스터 노드로 동작 특성 정보 및 위치 정보를 전송하는 단계를 더 포함하는 멀티캐스트 통신 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 마스터 노드가 각 스마트 노드 그룹에 대하여 그룹 식별 정보를 할당하고, 각 그룹별로 할당된 그룹 식별 정보, 시간 슬롯 정보 및 무선 주파수 채널 정보를 전송하는 단계를 더 포함하는 멀티캐스트 통신 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 채널 할당 단계는
    상기 마스터 노드가 상기 센서 네트워크의 특성과 각 스마트 노드 그룹의 특성을 고려하여 각 그룹에 대하여 우선 순위를 부여하고, 상기 부여된 우선 순위에 따라 무선 주파수 채널 및 시간 슬롯을 할당하는 멀티캐스트 통신 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 멀티캐스트 데이터 전송 단계는
    마스터 노드가 특정한 하나의 스마트 노드 그룹에 대하여 멀티캐스트 데이터를 전송하도록 할당된 시간 슬롯에서는, 상기 특정 그룹을 제외한 다른 그룹에 속하는 스마트 노드는 데이터 통신이 이루어지지 않는 상태를 유지하는 멀티캐스트 통신 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 멀티캐스트 데이터 전송 단계는,
    하나의 스마트 노드 그룹에 대하여 상기 할당된 전용 무선 주파수 채널로 채 널을 변경할 것을 요청하는 단계;
    상기 그룹에 속하는 스마트 노드 중 미리 설정된 개수 이상의 스마트 노드로부터 채널 변경 수락 메시지를 수신하는 단계; 및
    상기 전용 무선 주파수 채널을 통하여 멀티캐스트 데이터 프레임을 전송하는 단계를 포함하는 멀티캐스트 통신 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스마트 노드는 수신한 멀티캐스트 데이터 프레임에 오류가 존재하는지의 여부를 판단하여 손상된 시퀀스 프레임 이후의 데이터 프레임의 재전송을 상기 마스터 노드로 요청하는 멀티캐스트 통신 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스마트 노드는 재전송받은 데이터 프레임을 검사하여 이전에 수신한 데이터 프레임과 중복되는 부분은 폐기하는 멀티캐스트 통신 방법.
  13. 동일한 센서 네트워크를 구성하는 다수의 스마트 노드의 정보를 기초로 하여 상기 다수의 스마트 노드를 분류하여 그룹화하고, 각 그룹에 대하여 고유 식별 정보를 부여하는 그룹화 수행부;
    상기 그룹화 결과에 따라 각 스마트 노드 그룹에 대하여 멀티캐스트 통신을 위한 전용의 무선 주파수 채널을 할당하는 채널 할당부; 및
    상기 각 그룹의 고유 식별 정보를 포함하고, 해당 그룹에 대하여 동시에 전송하기 위한 데이터 프레임을 생성하는 멀티캐스트 데이터 생성부를 포함하는 멀티캐스트 통신 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 그룹화 수행부는 상기 다수의 스마트 노드의 동작 특성 정보 또는 위치 정보 중의 하나를 기초로 하여 그룹화를 수행하는 멀티캐스트 통신 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 채널 할당부는 상기 그룹화 결과 및 상기 센서 네트워크의 특성을 고려하여 각 그룹에 대하여 우선 순위를 부여하고, 상기 우선 순위에 따라 각 그룹에 대하여 멀티캐스트 전용 채널 및 시간 슬롯을 할당하는 멀티캐스트 통신 장치.
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