KR100779105B1 - 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 ｕｓｎ 시스템 및 그구성 방법 - Google Patents

전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 ｕｓｎ 시스템 및 그구성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 시스템 및 그 구성 방법은 각각 상이한 출력을 가지는 적어도 하나 이상의 주파수로 센서노드와 통신을 수행하는 싱크노드; 및 상기 주파수로 상기 싱크노드와 통신을 수행하는 센서노드를 포함하는 것을 특징으로 하며, 출력크기가 큰 제어주파수와 제어주파수보다 출력이 작은 데이터 주파수를 동시에 사용해서 센서 필드를 구성함으로써 비컨 전달 지연을 감소시키고, 센서 노드간 시간 동기화를 쉽게 하며, 센서 노드간의 비컨 중계로 인한 비컨간의 충돌을 방지하여 보다 효율적인 센서필드 구성을 이룩할 수 있다.
유비쿼터스, 센서 네트워크, USN(Ubiquitous Sensor Network)

Description

전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 ＵＳＮ 시스템 및 그 구성 방법{USN system using multi-channel with differential radio power and method for configuring the system}
도 1은 일반적인 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2a는 기존에 사용되던 하나의 주파수를 사용하는 센서 필드의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2b는 도 2a의 구성하에서 사용되는 단일 채널상의 데이터 흐름을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 2개의 출력 인터페이스를 갖는 송신장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4a는 본 발명에 따른 출력 세기가 다른 두개의 주파수를 사용하는 경우 센서 필드의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4b는 도 4a의 구성하에서 사용되는 멀티 채널상의 데이터 흐름을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 구성 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명은 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN(Ubiquitous Sensor Network) 시스템 및 그 USN 시스템을 구성하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 출력이 큰 제어용 채널과 출력이 작은 데이터 채널의 두 채널을 이용하는 USN 및 그 USN을 구성하는 방법에 관한 것이다.
유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network: USN)란, 사물에 대한 인식정보 또는 주변의 환경정보를 감지할 수 있는 센서가 탑재된 센서 노드를 통해 무선 센서 네트워크를 구성하고, 다양한 센서들을 통해 입력되는 정보를 실시간으로 네트워크를 통해 외부와 연결하여 정보를 처리하고 관리하는 네트워크 시스템을 의미한다. USN은 궁극적으로 모든 사물에 컴퓨팅 및 통신 기능을 부여함으로써, 언제(anytime), 어디서나(anywhere) 네트워크, 디바이스 또는 서비스에 관계없이 통신 가능한 환경의 구현을 목적으로 한다.
도 1은 일반적인 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)의 구성도이다.
USN의 구성은 사물에 대한 인식정보 또는 주변의 환경정보를 실시간으로 감지하는 센서와 통신 모듈을 포함하여 구성되는 센서 노드(110), 센서 노드(110)의 집합으로 이루어진 센서 필드(120), 센서 필드(120)에서 수집된 정보를 전송받는 싱크 노드(130), 싱크 노드로부터 전송된 정보를 라우팅하여 광대역 통신망을 통해 관리 서버(150)로 전송하는 게이트웨이(140)를 포함하여 구성될 수 있다. 전술한 구성에서, 싱크 노드(130)는 위성통신, 무선랜, 블루투스, 유선 인터넷과 같은 기존의 인프라로 게이트웨이(140)와 연결될 수 있다.
이러한 구성에 있어서 하나의 싱크 노드가 하나의 센서 필드를 책임지며, 이때 각 센서 노드들의 전원을 효율적으로 관리하기 위하여 사용되지 않는 구간인 비사용구간(Inactive Period)동안은 센서 노드들의 전원을 최소로 하고, 사용하는 동안 (Active Period)만 전원을 사용하도록 하도록 MAC 프로토콜을 구성한다. 이때 싱크노드는 Active구간과 InActive구간을 센서필드의 센서 노드들에게 Beacon이라는 제어 패킷을 통해 알리게 된다.
도 2a는 하나의 주파수를 사용하는 경우 센서 필드의 구성이다.
도 2a를 보면 싱크노드(202)의 패킷 전송 범위는 (201)이고, 중간 노드인 노드-1(204), 노드-2(205)의 전송범위는 각각 (203), (206)이 되며, 노드-3(207)과 노드-4(208)의 전송범위는 각각 (209), (210)이 된다. 싱크 노드(202)는 각 노드들에게 Active구간과 Inactive구간을 구분하여 Active구간동안 데이터를 송수신 할 수 있도록 비컨(Beacon) 패킷을 전송한다. 도b와 같이 싱글 채널(CH-1)을 통해 비컨과 데이터를 전송한다. 도 2a에서 싱크노드가 노드-3(207)과 노드-4(208)에게 비컨 패킷을 전송하기위해서는 노드-1(204)과 노드-2(205)의 중계를 통해서만 가능하다. 이 경우 노드-1과 노드-2에서 비컨 중계로 인해 노드-3, 노드-4까지 비컨이 전달되는 경우 비컨 전송 지연이 발생한다. 특히 센서 필드가 구성되는 초기 생태에 심한 지연이 발생한다. 또한 노드의 수가 많아 홉(hop) 수가 증가할 경우 싱크노드에서 마지막 노드(end-node)까지의 비컨 지연은 더욱 커진다. 이로 인한 노드간의 싱크 문제가 발생하여, 긴급 상황에서 데이터 전송이 불가능해지는 문제점이 있다.
요약하면, 싱크 노드에서 센서 노드로 Beacon이 전송되면, Beacon내의 Active와 Inactive 간격이 정해지고, Active구간이 시작하는 시점에서 모든 노드들이 동시에 깨어나 Beacon을 수신해야 한다. 즉 싱크노드가 Beacon전송을 시작하는 순간 센서 필드내의 모든 센서 노드들이 동시에 깨어나야 한다. 이를 위해서는 모든 센서 노드들간의 시간 동기화가 이루어 져야 한다. 그러나 모든 노드들간의 시간 동기화는 기존의 Beacon이 여러 홉을 거치면서 중계되는 경우, 노드내에서 처리시간으로 인해 동기화가 어려운 문제점이 있다.
또한 싱크노드에서 시작된 Beacon이 노드들을 거치면서 중간 노드와 노드들의 중계로 인해 중복되는 많은 Beacon들이 발생하며, Beacon간의 충돌이 발생g는 문제점이 발생한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 비컨 패킷과 같은 센서 필드 제어용 주파수와 데이터 채널의 주파수를 다르게 함과 동시에, 제어용 주파수를 데이터 주파수보다 크게 하여 보다 큰 영역을 한번에 제어할 수 있도록 하여 비컨이 센서 노드들을 통해 중계되는 경우 싱크노드와 홉수가 증가하는데 비례하는 비컨 전달 지연을 감소시킬 수 있는 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 시스템 및 그 구성 방법을 제공하는데 있다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 시스템은 각각 상이한 출력을 가지는 적어도 하나 이상의 주파수로 센서노드와 통신을 수행하는 싱크노드; 및 상기 주파수로 상기 싱크노드와 통신을 수행하는 센서노드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 시스템은 상기 싱크노드가 상기 센서노드를 제어하기위한 제어채널용 주파수로 제어데이터를 출력하는 제1출력부; 및 상기 센서노드와 데이터를 주고받기 위한 데이터채널용 주파수로 출력하는 제2출력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 시스템을 구성하는 방법은 싱크노드와 적어도 하나 이상의 센서노드로 USN을 구성하는 방법에 있어서, 센서노드로 전달할 데이터의 종류를 판단하는 단계; 상기 데이터가 상기 센서노드를 제어하기 위한 데이터인 경우에는 제1채널로 출력하는 단계; 및 상기 데이터가 제어데이터가 아닌 경우에는 상기 제1채널과 상이한 주파수를 가지는 제2채널로 출력하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 더욱 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, USN(Ubiquitous Sensor Network)의 구성에 관한 것으로, 싱크노드에서 2개의 채널을 동시에 사용할 수 있는 하드웨어 구조를 가지고 있는 경우 사용가능하다. 큰 출력을 가지고 Beacon을 전달할 수 있는 제어용 채널과 작은 출력을 가지고 데이터를 전달할 수 있는 데이터 채널을 이용하는 것을 특징으로 한다.
이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시예들 뿐만 아니라 특정 실시예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 프로세서 또는 이와 유사한 개념으로 표시된 기능 블럭을 포함하는 도면에 도시된 다양한 소자의 기능은 전용 하드웨어뿐만 아니라 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어의 사용으로 제공될 수 있다. 프로세서에 의해 제공될 때, 상기 기능은 단일 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서 또는 복수의 개별적 프로세서에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다. 또한, 프로세서, 제어 또는 이와 유사한 개념으로 제시되는 용어의 사용은 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어를 배타적으로 인용하여 해석되어서는 아니 되고, 제한 없이 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 소프트웨어를 저장하기 위한 롬(ROM), 램(RAM) 및 비휘발성 메모리를 암시적으로 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 주지 관용의 다른 하드웨어도 포함될 수 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점들은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 더욱 분명해 질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 2개의 출력 인터페이스를 갖는 송신장치의 구성을 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 구성 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 3의 송신장치로 센서노드로 전달될 데이터가 입력되면(S510 단계) 변조기(Modulator,301)는 디지털 변환부의 변환기(Converter) 출력으로부터 송신 데이터를 받아 RF주파수로 변조를 수행한다. 커플러(Coupler,302)는 RF주파수로 변조된 신호가 제어데이터인지의 여부를 판단하여(S520 단계)를 각 출력파워에 따라 신호의 출력방향을 선택한다. 즉 제어데이터이면 출력파워가 센 제1채널로 출력하는 제1출력부(310)로, 일반데이터이면 그보다 출력파워가 약한 제2채널로 출력하는 제2출력부(320)로 전달한다(S530 내지 S540단계). 필터(311)는 송신 대역 이외의 Spurious 성분을 제거하는 역할을 한다. 파워 앰프(Power Amp, 313)는 송신 신호를 증폭한다. Isolator(315)는 안테나와 RF부 출력이 연결되지 않을 경우 송신 신호 반사파에 의해 RF부가 고장 나는 것을 방지한다. Antenna(306,307)는 RF신호로 변환된 신호를 자유 공간으로 방사하는 기능을 한다. 여기에서 Antenna1,2의 경우 Power Amp를 통한 출력 파워에 따라 선택된다.
도 3에서 제1출력부(310)와 제2출력부(320)으로 구분되어 있으며, 위의 설명은 제1출력부(310)를 기준으로 한 것이지만, 제2출력부의 기능 또한 동일하므로 설명을 생략하였다. 요약하며 제1출력부(310)는 센서노드를 제어하기위한 제어채널용 주파수로 제어데이터를 출력하고, 제2출력부(320)는 센서노드와 데이터를 주고받기 위한 데이터채널용 주파수로 출력한다. 그리고 제어채널용 주파수를 가지는 신호의 출력세기는 상기 데이터채널용 주파수를 가지는 신호의 출력세기보다 세며, 이 출력세기는 센서필드의 전역에 미칠 정도인 것이 바람직하다.
또한 제어데이터는 주로 브로드캐스트 패킷 또는 명령 패킷이다.
도 4a와 도 4b를 참조하면서 본 발명에 의하여 멀티 채널로 동작하는 USN시스템의 동작을 다시 한번 설명한다. 도 4a는 본 발명에 따른 출력 세기가 다른 두개의 주파수를 사용하는 경우 센서 필드의 구성을 보여주는 도면이고, 도 4b는 도 4a의 구성하에서 사용되는 멀티 채널상의 데이터 흐름을 보여주는 도면이다.
도 4a의 센서 필드구성 및 주파수 범위를 나타낸 그림에서 싱크노드(402)에서 Beacon을 전송하는 제어 채널의 전송범위는 411이 되고, 데이터 채널의 전송 범위는 (401)이다. 중간 노드인 노드-1(404), 노드-2(405)의 전송범위는 각각 (403), (406)이 되며, 노드-3(407)과 노드-4(408)의 전송범위는 각각 (409),(410)이 된다. 싱크 노드가 아닌 일반 센서 노드들은 싱크노드의 데이터 채널과 같은 출력을 가지는 1개의 인터페이스만을 갖는다. 싱크 노드(402)는 각 노드들에게 Active구간(420)과 Inactive구간(430)을 구분하여 Active구간동안 데이터를 송수신 할 수 있도록 비컨(Beacon) 패킷을 전송한다. 도 4b와 같이 멀티 채널을 통해 비컨과 데이터를 전송한다. 도 2a에서 싱크노드가 노드-3(207)과 노드-4(208)에게 비컨 패킷을 전송하기위해서는 노드-1(204)과 노드-2(205)의 중계를 통해서만 가능하던 것과는 달리 별도의 중계를 통하지 않고, 노드-1, 노드-2, 노드-3 과 노드-4 모두에게 동시에 Beacon 패킷이 전달된다. 도 4b에서 Channel-1(440)은 Control 패킷(Beacon)과 센서필드를 구하는 노드 전체에게 전송해야 하는 브로트 캐스트 패킷 및 Command 패킷을 위해 사용된다. Channel-2(450)를 이용한 데이터 교환은 노드들간의 경쟁(CSMA/CA방식)이나 시분할방식(TDMA)을 통해 이루어진다.
본 발명에 의한 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 시스템 구성 방법은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이타 저장장치등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를들면 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함된다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분 산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다. 또한 본 발명에 의한 폰트 롬 데이터구조도 컴퓨터로 읽을 수 있는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이타 저장장치등과 같은 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다.
이상과 같이 본 발명은 양호한 실시예에 근거하여 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자라면 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 시스템 및 그 구성 방법은 싱크노드에서 출력이 다른 2개의 인터페이스를 사용하여 센서 필드를 구성하는데, 구체적으로는 출력크기가 큰 제어주파수와 제어주파수보다 출력이 작은 데이터 주파수를 동시에 사용해서 센서 필드를 구성함으로써 비컨 전달 지연을 감소시키고, 센서 노드간 시간 동기화를 쉽게 하며, 센서 노드들간의 비컨 중계로 인한 비컨간의 충돌을 방지하여 보다 효율적인 센서필드 구성을 이룩할 수 있다.
결국 데이터 채널의 파워를 Beacon 채널보다 상대적으로 작게 하여 센서 노드에서 싱크노드로 데이터를 전달할 때 보다 효율적이 된다.

Claims (13)

  1. 각각 상이한 출력을 가지는 적어도 하나 이상의 주파수로 센서노드와 통신을 수행하는 싱크노드; 및
    상기 주파수로 상기 싱크노드와 통신을 수행하는 센서노드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 싱크노드는
    상기 센서노드를 제어하기위한 제어채널용 주파수로 제어데이터를 출력하는 제1출력부;
    상기 센서노드와 데이터를 주고받기 위한 데이터채널용 주파수로 출력하는 제2출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어채널용 주파수를 가지는 신호의 출력세기는 상기 데이터채널용 주파수를 가지는 신호의 출력세기보다 센 것을 특징으로 하는 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제어데이터는
    브로드캐스트 패킷 또는 명령 패킷인 것을 특징으로 하는 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어채널용 주파수를 가지는 신호의 출력세기는
    상기 싱크노드가 관할하는 센서 필드의 전역에 미치는 세기를 가지는 것을 특징으로 하는 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 싱크노드는
    상기 싱크노드로 전달하는 데이터가 제어데이터인 경우에는 제1출력부로, 일반데이터인 경우에는 제2출력부로 연결하는 커플러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 센서노드는
    상기 싱크노드가 관할하는 센서 필드내의 다른 센서노드와는 채널경합방식으로 우선권을 확보하는 것을 특징으로 하는 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 센서노드는
    상기 싱크노드가 관할하는 센서 필드내의 다른 센서노드와는 시분할방식으로 상기 싱크노드와 데이터통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 시스템.
  9. 싱크노드와 적어도 하나 이상의 센서노드로 USN을 구성하는 방법에 있어서,
    (a) 센서노드로 전달할 데이터의 종류를 판단하는 단계;
    (b) 상기 데이터가 상기 센서노드를 제어하기 위한 데이터인 경우에는 제1채널로 출력하는 단계; 및
    (c) 상기 데이터가 제어데이터가 아닌 경우에는 상기 제1채널과 상이한 주파수를 가지는 제2채널로 출력하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 하는 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 구성 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기
    제1채널은 상기 제2채널보다 큰 출력을 가지는 것을 특징으로 하는 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 구성 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1채널은
    상기 싱크노드가 관할하는 센서 필드의 전역에 미치는 세기를 가지는 것을 특징으로 하는 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 구성 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제어데이터는
    브로드캐스트 패킷 또는 명령 패킷인 것을 특징으로 하는 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 구성 방법.
  13. 싱크노드와 적어도 하나 이상의 센서노드로 USN을 구성하는 방법에 있어서,
    (a) 센서노드로 전달할 데이터의 종류를 판단하는 단계;
    (b) 상기 데이터가 상기 센서노드를 제어하기 위한 데이터인 경우에는 제1채널로 출력하는 단계; 및
    (c) 상기 데이터가 제어데이터가 아닌 경우에는 상기 제1채널과 상이한 주파수를 가지는 제2채널로 출력하는 단계:를 포함하는 것을 특징으로 하는 전파세기가 다른 멀티채널을 이용하는 USN 구성 방법을 기록한 컴퓨터에서 실행시킬 수 있는 프로그램을 기록한 기록매체.
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