KR100893050B1 - 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 센서네트워크 환경에서 MAC(Medium Access Control) 계층의 효율적인 경쟁 윈도우를 선택하여 싱크노드로 향하는 데이터 패킷의 전송시간을 줄이고, 높은 처리량을 얻기 위한 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로서, 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치는 센서 노드에서 라우팅 프로토콜을 통해 라우팅을 담당하는 센서 라우팅 프로토콜부와, 데이터 링크 계층과 상호 작용할 수 있는 센서-MAC 기반의 MAC(Media Access Control)부와, 상기 MAC부에서 인터페이스 버퍼에 쌓여있는 프레임 개수를 모니터링하여 혼잡상태여부를 결정하는 모니터링부와, 상기 모니터링부를 통해 혼잡상태가 인식되면 경쟁 윈도우의 슬롯(slot) 수를 동적으로 조절하여 채널 경쟁에 참여하도록 하는 윈도우 조절부를 포함하는데 있다.

무선 센서 네트워크, 윈도우 조절, 홉 카운터, 라우팅, 경쟁 윈도우, MAC

Description

무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DISTANCE ADAPTIVE CONTENTION WINDOW ADJUSTMENT IN WIRELESS SENSOR NETWORKS}

본 발명은 무선 센서 네트워크에서의 경쟁 윈도우 설정 방법에 관한 것으로, 특히 무선 센서 네트워크에서 MAC 계층의 효율적인 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치 및 방법에 관한 것이다.

무선 센서 네트워크는 가정 내에서부터 재난지역, 생태보존지역 등 여러 환경에서 주변이 환경정보를 모니터링하고 자료를 수집해서 전송하는 유비쿼터스 환경의 핵심 네트워킹 기술이다. 유선망환경과는 달리 모든 노드들이 무선링크를 통해 통신하게 되며, 센서의 크기는 최소의 데이터 처리 능력만 가지고 있는 작은 모듈들이다.

이러한 특징 때문에 센서네트워크는 에너지 소모를 최소로 하여 통신이 이루어져야 하고, 네트워크의 동적인 자가 구성이 가능하여야 하며, 무선 링크관리에 효율적인 대응 기술이 요구되어 진다.

일반적으로 센서들이 수집한 데이터는 동적으로 구성된 경로를 따라서 싱크 노드에게 전달되며, 싱크 노드는 사용자에게 원하는 정보를 가공하여 전달하게 된다. 이때, 센서노드의 개수가 많아지면 도 1과 같이 데이터의 전달이 멀티-홉(multi-hop) 라우팅을 통하여 이루어지게 된다.

도 1과 같은 멀티-홉 환경에서는 여러 가지 라우팅 메트릭(metric)을 사용하여 최적의 경로를 설정한 후 싱크 노드로 데이터 전송이 일어난다. 이때, 싱크 노드(10)를 포함한 싱크 노드(10) 근처의 특정 노드(20a~20e)는 자신의 데이터뿐만 아니라 하위 노드(30)들의 데이터도 중계하는 역할을 한다. 이로 인해 해당 노드(20a~20e)에서 더 많은 링크접근이 필요하게 되며, 트래픽 양도 많아지게 된다.

이와 같은 구성을 갖는 센서 네트워크는 크게 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식과 경쟁(contention) 방식을 갖는 MAC(Medium Access Control) 프로토콜로 나뉜다.

TDMA 방식의 MAC 프로토콜은 싱크(sink)노드가 각 노드들에게 타임 슬롯(time slot)을 할당하여, 라운드 로빈(round robin) 방식으로 각 노드가 데이터 패킷을 전송하도록 하여 효율적인 채널상용을 하게 한다. 그러나 이 방식은 동기화 알고리즘을 적용하는데 큰 오버헤드가 발생되며, 노드의 추가 및 삭제 등의 확장성에도 문제가 있다.

한편 경쟁 방식의 MAC 프로토콜은 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) 기법을 기반으로 하여 랜덤 백오프(backoff) 알고리즘을 사용한다. 따라서 상기 경쟁 방식은 간단하게 구현 가능하고 공정한 경쟁을 통하여 채널에 접근할 수 있다는 점에서 높은 성능을 보인다. 그러나 센서노드가 멀티 홉을 구성하게 되거나 계층적인 위상(topology)을 이루게 된다면, 클러스터 헤더(cluster header) 혹은 싱크 노드에 가까운 노드는 자신의 데이터뿐만 아니라 하위 노드들의 데이터를 중계하는 역할을 하게 된다. 따라서 싱크 노드에 가까울수록 트래픽 집중이 일어나게 되어 병목현상이 발생하는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 패킷 모음(aggregation) 방법이 제안되었지만, 이 역시도 패킷 모음을 위한 지연이 필요하게 되며, 기본적으로 모든 노드들이 동일한 확률을 갖고 채널을 경쟁하므로 데이터의 집중은 불가피하다.

다른 방법으로 End-to-End 방식의 혼잡제어를 선택하거나 Hop-by-Hop 방식으로 명시적인 혼잡 메시지를 통해서 혼잡을 해결하는 방법이 제안되었지만, 이는 홉 수가 길어질수록 오버헤드가 커지는 문제가 있다.

또 다른 방법으로 TA-MAC(Task Aware MAC protocol for Wireless Sensor Networks)이 있다. 상기 TA-MAC은 네트워크내의 모든 노드들이 자신의 트래픽 양과 이웃노드들의 트래픽 양을 주기적으로 비교하여 그 크기에 따라 채널 접근 확률을 달리 적용하는 방법이다. 그러나 이 방법은 트래픽이 많은 경우는 어느 정도의 처리량과 라우터 지연의 향상을 제공하지만, 이웃노드들의 트래픽 정보를 파악하기 위해서 주기적인 요청(hello) 메시지와 응답 신호(ACK)의 전송을 필요로 하여 큰 에너지 소모가 발생되고 와 이웃 노드들과의 트래픽양의 비교가 정확하지 않을 경우, 오히려 오버헤드만 증가시키는 문제점이 있다.

아울러, 이와 관련된 선행 기술 특허들(출원번호 : 10-2004-0062098"무선 네트워크에서의 경쟁 윈도우 설정 방법", 출원번호 : 10-2005-7016011"무선 네트워크 에서의 서비스 품질 차별화 방법 및 무선장치"참조)의 경우는 대부분 동적인 경쟁 윈도우 조절방법을 설명하고 있는데, 이는 프레임의 전송 실패 및 재전송 시도 횟수에 따라 경쟁 윈도우의 크기를 조절한다는 측면에서는 QoS 기법에 해당되지만, 위에서 기재하고 있는 문제점인 혼잡제어와는 기술적 과제가 서로 다르다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 무선 센서네트워크 환경에서 MAC(Medium Access Control) 계층의 효율적인 경쟁 윈도우를 선택하여 싱크노드로 향하는 데이터 패킷의 전송시간을 줄이고, 높은 처리량을 얻기 위한 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 홉 수가 작은 노드일수록 MAC 계층에서 작은 경쟁 윈도우(contention window)를 설정하여 패킷을 전송하는 기회를 많이 획득하도록 함으로써 홉 수가 작은 노드의 병목현상으로 인하여 전송 지연이 커지고 처리량이 감소되는 것을 해결하기 위한 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기존의 MAC 프로토콜을 수정하여 트래픽 병목현상을 완화시키고 전체 네트워크의 처리량을 향상시키기 위한 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치의 특징은 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치는 센서 노드에서 라우팅 프로토콜을 통해 라우팅을 담당하는 센서 라우팅 프로토콜부와, 데이터 링크 계층과 상호 작용할 수 있는 센서-MAC 기반의 MAC(Media Access Control)부와, 상기 MAC부에서 인터페이스 버퍼에 쌓여있는 프레임 개수를 모니터링하여 혼잡상태여부를 결정하는 모니터링부와, 상기 모니터링부를 통해 혼잡상태가 인식되면 경쟁 윈도우의 슬롯(slot) 수를 동적으로 조절하여 채널 경쟁에 참여하도록 하는 윈도우 조절부를 포함하는데 있다.

바람직하게 상기 센서 라우팅 프로토콜부는 플루딩(flooding)하는 관심(interest) 패킷에 경유한 거리 정보를 나타내는 홉 카운트(라우터를 거치는 횟수) 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 모니터링부는 정의된 임계치 값과 모니터링된 패킷의 개수를 비교하여 트래픽의 혼잡상태여부를 결정하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 방법의 특징은 (A) 싱크 노드가 센서 타겟 노드들로부터 관심(interest) 패킷을 플루딩(flooding)하는 단계와, (B) 상기 관심(interest) 패킷을 받은 노드에서 홉 카운트를 계산하고 관심(interest) 패킷을 이웃 노드로 중계(relay)하는 단계와, (C) 라우팅 메트릭(metric)을 사용하여 싱크까지의 경로를 설정하는 단계와, (D) 상기 설정된 경로에 기반하는 현재 인터페이스 버퍼의 트래픽 노드를 정의된 임계값과 비교하여 현재 상태의 혼잡발생 여부를 판단하는 단계와, (E) 상기 판단 결과 혼잡이 일어날 것을 판단되면, 경쟁 윈도우(CW)의 값을 작게 조절하여 링크접근을 경쟁하도록 하는 단계를 포함하는데 있다.

바람직하게 상기 관심 패킷은 데이터의 종류, 지역적 위치범위, 타임 스탬 프(time stamp), 타임 간격(time interval)의 값 및 홉 카운트(라우터를 거치는 횟수) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 (C) 단계는 상기 관심 패킷을 이용하여 싱크 노드로 향하는 모든 경로를 검출하는 단계와, 상기 검출된 경로 중 홉 카운트, 대역폭, 지연, 전송단위, 신뢰성 중 적어도 하나 이상을 기반으로 서로 비교하여 하나의 경로를 산출하는 단계와, 상기 산출된 경로를 소스 노드에서 싱크 노드로의 경로로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 (D) 단계는 상기 트래픽 노드가 정의된 임계값보다 크면 혼잡이 일어날 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 판단 결과 혼잡이 일어나지 않을 것으로 판단되면, 경쟁 윈도우(CW)의 값을 크게 조절하여 링크접근을 경쟁하도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 경쟁 윈도우의 값은 [0, CW] 사이의 값을 홉 수에 따라 백오프 기간을 설정하여 계산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도 록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

실제 싱크 노드로 향하는 데이터들이 많거나 노드의 개수가 아주 큰 네트워크에서 본 알고리즘을 적용하였을 때, 트래픽 병목현상이 나타나는 노드에서 좀 더 많은 전송기회를 획득하게 되어, 채널 경쟁 시간을 줄이고 에너지 소모량도 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 2와 같이, 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치는 센서 노드에서 라우팅 프로토콜을 통해 라우팅을 담당하는 센서 라우팅 프로토콜부(100)와, 데이터 링크 계층과 상호 작용할 수 있는 센서-MAC 기반의 MAC(Media Access Control)부(200)와, 상기 MAC부(200)에서 인터페이스 버퍼에 쌓여있는 프레임 개수를 모니터링하여 혼잡상태여부를 결정하는 모니터링부(300)와, 상기 모니터링부(300)를 통해 혼잡상태가 인식되면 경쟁 윈도우의 슬롯(slot) 수를 동적으로 조절하여 빠르게 채널 경쟁에 참여하도록 하는 윈도우 조절부(400)로 구성된다.

이때, 상기 센서 라우팅 프로토콜부(100)는 싱크 노드가 원하는 데이터를 수집하기 위해 플루딩(flooding)하는 관심(interest) 패킷에 경유한 거리 정보를 나타내는 홉 카운트(라우터를 거치는 횟수) 정보를 포함한다.

또한 상기 모니터링부(300)는 미리 정의된 임계치 값과 모니터링된 패킷의 개수를 비교하여 트래픽의 혼잡상태여부를 결정한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 3을 참조하여 설명하면, 먼저 싱크 노드가 센서 타겟 노드들로부터 원하는 데이터를 받고자 관심(interest) 패킷을 플루딩(flooding)한다(S10). 이 패킷에는 원하는 데이터의 종류, 지역적 위치범위, 타임 스탬프(time stamp), 타임 간격(time interval) 등의 값 이외에 한 홉(hop)을 거치면서 증가된 홉 카운트(라우터를 거치는 횟수)를 포함한다.

이어, 상기 관심(interest) 패킷을 받은 노드는 홉 카운트를 계산하고 관심(interest) 패킷을 이웃 노드로 중계(relay)한다(S20).

그리고 라우팅 메트릭(metric)을 사용하여 싱크까지의 경로를 설정한다(S30). 이때, 상기 라우팅 메트릭은 경로(route)들을 서로 비교하는데 사용되는 비용 측정치로서, 상기 관심 패킷을 이용하여 싱크 노드로 향하는 모든 경로를 검출한 후, 홉 카운트, 대역폭, 지연, 전송단위, 신뢰성 등을 기반으로 상기 검출된 다수의 경로 중 하나의 경로만을 산출한다. 그리고 상기 산출된 경로를 소스 노드에서 싱크 노드로의 경로로 설정한다.

이렇게 최종적으로 라우팅 메트릭을 사용하여 데이터 소스 노드에서 싱크 노드까지의 경로가 설정되고 나면, 상기 설정된 경로에 기반하는 현재 인터페이스 버퍼에 쌓여 있는 패킷의 개수인 트래픽 노드를 미리 정의해 둔 임계값과의 비교를 통해 현재 상태가 혼잡이 일어날 것인지 판단한다(S40). 참고로 상기 트래픽 노드가 정의된 임계값보다 크면 혼잡이 발생된 것으로 판단한다.

따라서 상기 판단 결과(S40) 혼잡이 일어나지 않을 것으로 판단되면, 경쟁 윈도우(CW)의 값을 크게 조절하여 링크접근을 경쟁하도록 한다(S50).

또한 상기 판단 결과(S40) 혼잡이 일어날 것을 판단되면, 경쟁 윈도우(CW)의 값을 작게 조절하여 링크접근을 경쟁하도록 한다(S60).

이처럼 본 발명은 네트워크 계층의 라우팅 정보를 이용하여 MAC 계층에서 동적인 채널 접근을 하는 기법을 십자층(cross layer) 기법이라 하며, 이는 종래에 MAC 계층 프로토콜이 [0, CW] 사이의 값을 랜덤한 백오프 기간이 선택되는 값의 범위에서 경쟁 윈도우 값을 선택하던 것을 다음 수학식 1과 같이 홉 수에 따라 백오프 기간을 설정하여 상기 경쟁 윈도값 값을 선택한다.

Adaptive_CW = CW - α/n, Queue Length < Threshold

Adaptive_CW = CW + α/n, Queue Length > Threshold

(단, 1 < α < CW)

이때, n은 홉 수가 되며, n이 작을수록 싱크에 가까우므로 Adaptive_CW의 값의 변화폭이 커지게 된다. 이때 α의 값에 따라서 경쟁 윈도우의 감소폭이 변화되는데 α값이 커지면 더욱 높은 변화율을 가지고 경쟁하게 되며, α가 작아질수록 공정한 경쟁에 가까워진다. 이때 α의 값은 네트워크 상황이나 관리자의 정책에 따라서 적절하게 설정될 수 있다.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명은 무선 센서 네트워크에서 MAC 계층의 효율적인 거리 적응적 경쟁 윈도우를 조절하여 실제 싱크 노드로 향하는 데이터들이 많거나 노드의 개수가 아주 큰 네트워크에서 본 알고리즘을 적용하였을 때, 트래픽 병목현상이 나타나는 노드에 좀 더 많은 전송기회를 부여함으로써, 채널 경쟁 시간을 줄이고 에너지 소모량도 줄일 수 있다는 잇점이 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 무선 센서 네트워크의 구조를 나타낸 도면

도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치의 구성을 나타낸 도면

도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 방법을 나타낸 흐름도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 싱크 노드 20a~20e : 특정 노드

30 : 하위 노드 100 : 센서 라우팅 프로토콜부

200 : MAC 부 300 : 모니터링부

400 : 윈도우 조절부

Claims (9)

1. 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치는 센서 노드에서 라우팅 프로토콜을 통해 라우팅을 담당하는 센서 라우팅 프로토콜부와,

   데이터 링크 계층과 상호 작용할 수 있는 센서-MAC 기반의 MAC(Media Access Control)부와,

   상기 MAC부에서 인터페이스 버퍼에 쌓여있는 패킷 개수를 모니터링하여 혼잡상태여부를 결정하는 모니터링부와,

   상기 모니터링부를 통해 혼잡상태가 인식되면 경쟁 윈도우의 슬롯(slot) 수를 동적으로 조절하여 채널 경쟁에 참여하도록 하는 윈도우 조절부를 포함하며;

   상기 센서 라우팅 프로토콜부는 플루딩(flooding)하는 관심(interest) 패킷에 경유한 거리 정보를 나타내는 홉 카운트 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 모니터링부는 정의된 임계치 값과 모니터링된 패킷의 개수를 비교하여 트래픽의 혼잡상태여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 거 리 적응적 경쟁 윈도우 조절 장치.
4. (A) 싱크 노드가 센서 타겟 노드들로부터 관심(interest) 패킷을 플루딩(flooding)하는 단계와,

   (B) 상기 관심 패킷을 받은 노드에서 홉 카운트를 계산하고 관심 패킷을 이웃 노드로 중계(relay)하는 단계와,

   (C) 라우팅 메트릭(metric)을 사용하여 싱크까지의 경로를 설정하는 단계와,

   (D) 상기 설정된 경로에 기반하는 현재 인터페이스 버퍼의 트래픽 노드를 정의된 임계값과 비교하여 현재 상태의 혼잡발생 여부를 판단하는 단계와,

   (E) 상기 판단 결과 혼잡이 일어날 것을 판단되면, 경쟁 윈도우의 값을 작게 조절하여 링크접근을 경쟁하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 관심 패킷은 데이터의 종류, 지역적 위치범위, 타임 스탬프, 타임 간격의 값 및 홉 카운트 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 (C) 단계는

   상기 관심 패킷을 이용하여 싱크 노드로 향하는 모든 경로를 검출하는 단계 와,

   상기 검출된 경로 중 홉 카운트, 대역폭, 지연, 전송단위, 신뢰성 중 적어도 하나 이상을 기반으로 서로 비교하여 하나의 경로를 산출하는 단계와,

   상기 산출된 경로를 소스 노드에서 싱크 노드로의 경로로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 방법.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 (D) 단계는

   상기 트래픽 노드가 정의된 임계값보다 크면 혼잡이 일어날 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 방법.
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 판단 결과 혼잡이 일어나지 않을 것으로 판단되면, 경쟁 윈도우의 값을 크게 조절하여 링크접근을 경쟁하도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 방법.
9. 제 4 항 및 제 8 항 중 하나에 있어서,

   상기 경쟁 윈도우의 값은, [0, CW] 사이의 값을 홉 수에 따라 백오프 기간을 설정하여 계산하는 것을 특징으로 하며, 상기 CW는 경쟁 윈도우(contention window)를 의미하는 무선 센서 네트워크에서 거리 적응적 경쟁 윈도우 조절 방법.

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