KR100902873B1

KR100902873B1 - 양방향 데이터 통신이 가능한 선형 구조를 갖는 무선 센서네트워크 및 그 방법

Info

Publication number: KR100902873B1
Application number: KR1020070008935A
Authority: KR
Inventors: 정한수; 문정호; 정태윤
Original assignee: 강릉원주대학교산학협력단
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2009-06-16
Also published as: WO2008093939A1; US8203981B2; US20100097988A1; KR20080070966A

Abstract

본 발명은 양방향 통신이 가능한 선형 구조를 갖는 무선 센서 네트워크 및 그 방법에 관한 것이다. 상기 무선 센서 네트워크는 모든 구성 노드들이 하나의 상위 노드 및 하나의 하위 노드와 연결되도록 하여 싱크 노드부터 단말 노드까지 선형적으로 연결되며, 각 노드는 기설정된 시간 간격을 갖는 활성 구간과 비활성 구간이 순차적으로 반복되며, 상기 활성 구간은 싱크노드로부터 단말 노드로의 데이터/명령어를 전송하는 다운링크 활성 구간, 휴지 구간, 단말 노드로부터 싱크 노드로의 데이터/명령어를 전송하는 업링크 활성 구간을 구비하며, 상기 다운링크 활성 구간 및 업링크 활성 구간은 각각 RX, TX, ACK가 순차적으로 구성되어, 활성 구간의 단일 주기내에서 싱크 노드와 단말 노드간의 양방향 통신을 수행할 수 있다.

본 발명에 의하여, 선형 구조를 갖는 무선 센서 네트워크에서 활성 구간의 단일 주기내에서 싱크 노드와 단말 노드간의 양방향 데이터 송수신이 가능해진다.

무선 센서 네트워크, 선형 구조

Description

양방향 데이터 통신이 가능한 선형 구조를 갖는 무선 센서 네트워크 및 그 방법{Wireless Sensor Network with linear structure being capable of bidirectional communication and method thereof}

도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 데이터 송수신 구조를 도시한 개념도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에 있어서, 신규 노드가 합류하는 과정을 도시한 개념도이다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 어느 한 노드의 링크가 끊어진 경우 복구하는 과정을 도시한 개념도이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 데이터 송수신 구조를 도시한 개념도이다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에 있어서, 신규 노드가 합류하는 과정을 도시한 개념도이다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 어느 한 노드의 링크가 끊어진 경우 복구하는 과정을 도시한 개념도이다.

본 발명은 선형 구조를 갖는 무선 센서 네트워크에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 활성 구간의 단일 주기내에 업링크 활성 구간 및 다운링크 활성 구간을 구비하여 단일 주기내에서 양방향 통신을 모두 수행하는 선형 구조를 갖는 무선 센서 네트워크에 관한 것이다.

센서 네트워크는 유비쿼터스 컴퓨팅 기술을 실현하기 위한 핵심적인 기술 인프라이며, 유선 또는 무선으로 연결되어 동작될 수 있다. 센서 네트워크에서는 각 노드가 제한된 용량의 배터리를 사용하므로 최소의 에너지를 사용하여 센싱 데이터를 전달하는 것이 최우선적인 목적이다. 또한 센서 네트워크를 실시간 응용 시스템에 적용시키기 위하여는 대규모 센서 네트워크에서의 네트워크의 지연이 최소화되어야 한다. 따라서, 실시간 모니터링이 필요한 센서 네트워크는 배터리 소모를 최소화하면서 네트워크 지연이 작은 프로토콜이 요구된다.

무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network;'WSN')를 구성하는 각 노드들은 제한된 배터리를 이용하여 주변 정보의 센싱, 컴퓨팅, 무선 통신 등의 작업을 수행하게 된다. 기존의 MANET 및 IEEE 802.11과 같은 전통적인 MAC 프로토콜을 센서 네트워크에 적용할 경우, 무선 네트워크에서 에너지를 낭비하는 패킷 충돌/지연(packet collision/latency), 오버히어링(overhearing), 제어패킷 오버헤드(control packet overhead), 유휴대기(Idle listening) 등의 문제점이 발생하게 된다. 특히 유휴 대기는 통신 기능이 요구되지 않는 기간에도 센서 노드가 항상 활성(active) 상태로 동작하기 때문에, 많은 에너지 소모를 유발하게 된다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 센서 네트워크에서 사용되는 MAC(Medium Access Control) 프로토콜은 평상시에 Sleep 상태로 동작하여 전력소모를 최소화시키고, 주기적으로 깨어나 활성 상태로 동작하는 방법을 통하여 에너지를 절감한다. 이러한 방법을 이용하는 센서 MAC 프로토콜은 Sensor-MAC, Timeout-MAC, B-MAC 등이 있다.

전술한 센서 MAC 프로토콜들은 에너지 효율성이 떨어지게 되며, 이러한 에너지 효율성을 증가시키기 위하여 듀티 사이클을 낮추게 되면 이에 비례하는 네트워크 지연이 발생하게 된다. 즉, 전술한 센서 MAC 프로토콜은 에너지 소모와 네트워크 지연에 있어서 서로 반비례 관계를 가지므로, 배터리 등과 같은 제한적인 전원을 사용하면서 실시간 응용이 필요한 경우에 문제를 유발하게 된다.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 한국등록특허 제10-656385호의 "선형 구조를 가지는 실시간 무선 센서 네트워크 통신 방법"은 무선 센서 네트워크에 적용되는 선형 구조의 통신 프로토콜을 제안하였다. 그런데, 전술한 등록특허에서 제안된 통신 프로토콜은 전반적으로 효율적인 무선 센서 네트워크의 구성이 가능하기는 하나, 싱크 노드(Sink Node)로부터 단말 노드(Terminal Node)로의 데이터 또는 명령 전송하는 downstream이 불가능하다는 문제점이 있다.

이에, 본 출원인은 선형 구조를 갖는 무선 센서 네트워크에 있어서 싱크 노드와 단말 노드간의 신뢰성 있는 양방향 통신을 효율적으로 수행할 수 있는 프로토콜을 제안하고자 한다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 양방향 통신이 가능한 선 형 구조의 센서 네트워크를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 선형 구조를 갖는 센서 네트워크에서의 양방향 통신이 가능한 통신 방법을 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 다수 개의 노드들로 구성되며 각 노드는 하나의 상위 노드 및 하나의 하위 노드와 연결되도록 하여 싱크 노드부터 단말 노드까지 선형적으로 연결되는 무선 센서 네트워크에 관한 것으로서,

각 노드는 기설정된 시간 간격을 갖는 활성 구간(Active Duration)과 비활성 구간(Inactive Duration)이 순차적으로 반복되며,

상기 활성 구간은 싱크노드로부터 단말 노드로의 데이터/명령어를 전송하는 다운링크 활성 구간, 휴지 구간, 단말 노드로부터 싱크 노드로의 데이터/명령어를 전송하는 업링크 활성 구간이 순차적으로 이루어지며,

상기 다운링크 활성 구간 및 업링크 활성 구간은 각각 수신 구간(Receive Duration; 이하 'RX'라 한다), 송신 구간(Transmit Duration; 이하 'TX'라 한다), 확인 구간(Acknowledge Duration; 이하 'ACK'라 한다)이 순차적으로 구성되어,

활성 구간의 단일 주기내에서 싱크 노드와 단말 노드간의 양방향 통신을 수행할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따른 무선 센서 네트워크의 각 노드는 기설정된 시간 간격을 갖는 활성 구간(Active Duration)과 비활성 구간(Inactive Duration)이 순 차적으로 반복되며,

상기 활성 구간은 단말 노드로부터 싱크 노드로의 데이터/명령어를 전송하는 업링크 활성 구간, 휴지 구간, 싱크노드로부터 단말 노드로의 데이터/명령어를 전송하는 다운링크 활성 구간이 순차적으로 이루어지며,

전술한 특징들을 갖는 무선 센서 네트워크는 다운링크 활성 구간 및 업링크 활성 구간의 동기 상태(Sychronized State)에서 데이터/명령어 전송이 이루어지며, 상기 동기 상태는, 상기 활성 구간의 다운 링크 활성 구간에서는 부모 노드의 TX와 자식 노드의 RX가 동기화되고, 자식 노드의 TX와 부모 노드의 ACK도 동기화되며, 상기 활성 구간의 업링크 활성 구간에서는 자식 노드의 TX와 부모 노드의 RX가 동기화되고, 부모 노드의 TX와 자식 노드의 ACK가 동기화되는 것이 바람직하다.

또한, 전술한 특징을 갖는 무선 센서 네트워크의 각 노드의 휴지 기간은 네트워크의 전체 홉수 및 자신의 깊이(Depth)에 따라 결정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 무선센서 네트워크에서의 양방향 데이터 송수신 방법은,

(a) 다운링크 활성 구간에서 각 노드는 부모 노드의 TX와 자신의 RX를 동기 시키고, 자신의 TX와 부모 노드의 ACK를 동기시켜, 부모 노드로부터 데이터/명령어를 수신하는 단계; 및

(b) 업링크 활성 구간에서 각 노드는 자신의 TX와 부모 노드의 RX를 동기시키고, 부모 노드의 TX와 자신의 ACK를 동기시켜, 부모 노드로 데이터/명령어를 송신하는 단계를 구비하여 활성 구간의 단일 주기 동안 데이터/명령어의 양방향 전송을 수행한다.

전술한 특징을 갖는 무선센서 네트워크에서의 양방향 데이터 송수신 방법에 있어서, 만약 외부의 신규 노드가 상기 무선 센서 네트워크에 합류(Join)하고자 하는 경우,

(a) 상기 신규 노드는 상기 네트워크의 노드들을 스캔하여 단말 노드를 검색하고, 검색된 단말 노드로 합류 요청 메시지를 전송하는 단계,

(b) 상기 단말 노드는 홉수 증가 요청(Increase Hop Request) 메시지를 상위의 중간 노드들을 경유하여 싱크 노드로 전달하는 단계,

(c) 상기 싱크 노드는 수신된 홉수 증가 요청 메시지에 따라 홉수를 증가시키고, 홉수 증가 응답(Increase Hop Response) 메시지를 하위의 중간 노드들을 경유하여 단말 노드로 전송하고, 자신의 휴지 기간을 갱신시키는 단계,

(d) 중간 노드들은 자신의 상위 노드로부터 수신된 메시지를 하위 노드로 전송하고, 변경된 홉수에 따라 자신의 휴지 기간을 갱신시키는 단계,

(e) 중간 노드로부터 홉수 증가 응답 메시지를 수신한 단말 노드는 변경된 홉수에 따라 자신의 휴지 기간을 갱신시키고, 합류 응답(Join Response) 메시지를 상기 신규 노드로 전송하는 단계,

(g) 합류 응답 메시지를 수신한 상기 신규 노드는 홉수와 자신의 깊이로 휴지 기간을 결정하고, 결정된 휴지 기간에 따라 동기 상태로 변경시키며, 다음 주기에서 상기 신규 노드는 단말 노드가 되는 단계

를 구비하여 신규 노드가 상기 네트워크에 합류되는 것이 바람직하다.

또한, 전술한 특징을 갖는 무선센서 네트워크에서의 양방향 데이터 송수신 방법에 있어서, 만약 임의의 한 노드가 자신의 부모 노드와 메시지를 송수신하지 못하게 되는 경우,

(a) 상기 노드는 링크 실패한 것으로 판단하고, 조부모 노드와 데이터를 송수신할 수 있는 상태로 변경시키고, 상기 조부모 노드에게 복구 요청 메시지를 전송하는 단계;

(b) 상기 조부모 노드는 자신의 상위 노드 및 상기 노드와 데이터를 송수신할 수 있는 상태로 변경시키고, 상위의 중간 노드들을 경유하여 싱크 노드로 복구 요청 메시지를 전송하는 단계;

(c) 복구 요청(Recovery Request) 메시지를 수신한 싱크 노드는 전체 홉수를 감소시키고, 홉수 감소 명령(Decrease Hop Command)을 송신하고, 자신의 휴지 기간을 재조정하는 단계;

(d) 상기 싱크 노드와 상기 조부모 노드 사이의 중간 노드들은 변경된 홉수에 따라 자신의 휴지 기간을 재조정하는 단계;

(e) 홉수 감소 명령을 수신한 조부모 노드는 동기 상태로 변경시키고, 변경 된 홉수에 따라 자신의 휴지 기간을 재조정하고, 복구 응답(Recovery Response) 메시지를 상기 노드로 전송하는 단계;

(f) 복구 응답 메시지를 수신한 상기 노드는 후진 이동(Backward Shift) 명령을 하위 노드로 전송한 후, 동기 상태로 변경시키는 단계;

(g) 상기 노드로부터 단말 노드까지의 모든 하위 노드들은 후진 이동하는 단계를 구비하여 네트워크가 복구되는 것이 바람직하다.

(a) 업링크 활성 구간에서 각 노드는 자신의 TX와 부모 노드의 RX를 동기시키고, 부모 노드의 TX와 자신의 ACK를 동기시켜, 부모 노드로 데이터/명령어를 송신하는 단계; 및

(b) 다운링크 활성 구간에서 각 노드는 부모 노드의 TX와 자신의 RX를 동기시키고, 자신의 TX와 부모 노드의 ACK를 동기시켜, 부모 노드로부터 데이터/명령어를 수신하는 단계를 구비하여 활성 구간의 단일 주기 동안 데이터/명령어의 양방향 전송을 수행한다.

(b) 상기 단말 노드는 합류 응답(Join Response) 메시지와 자신의 깊이에 대한 정보를 상기 신규 노드에게 전송하고 자신을 중간 노드로 변경시키는 단계,

(c) 합류 응답 메시지를 수신한 상기 신규 노드는 단말 노드의 깊이에 대한 정보를 기초로 하여 자신의 깊이와 휴지기간을 결정하고, 결정된 휴지 기간에 따라 동기 상태로 변경시키며, 다음 주기에서 상기 신규 노드는 단말 노드가 되는 단계를 구비하여 신규 노드가 상기 네트워크에 합류되는 것이 바람직하다.

전술한 특징을 갖는 무선센서 네트워크에서의 양방향 데이터 송수신 방법에 있어서, 만약 임의의 한 노드가 자신의 부모 노드와 메시지를 송수신하지 못하게 되는 경우,

(a) 상기 노드는 링크 실패한 것으로 판단하고, 조부모 노드와 데이터를 송수신할 수 있는 상태로 변경시키고, 상기 조부모 노드에게 확장 요청 메시지를 전송하는 단계;

(b) 상기 조부모 노드는 상기 확장 요청 메시지에 따라 자신의 상위 노드 및 상기 노드와 데이터를 송수신할 수 있는 상태로 변경시키고, 확장 응답 메시지를 상기 노드에게 전송하는 단계,

(c) 상기 조부모 노드는 전진 이동(Forward Shift) 및 깊이 감소 명령을 상기 노드에게 전송하고 동기 상태로 돌아가는 단계,

(d) 전진 이동 및 깊이 감소 명령을 받은 상기 노드는 하위 노드에게 전송하고, 동기 상태로 변경하는 단계,

(e) 상기 노드로부터 단말 노드까지의 중간 노드들은 자신의 변경된 깊이에 따라 자신의 휴지 기간을 재조정하고, 모두 전진 이동하는 단계를 구비하여 네트워크가 복구되는 것이 바람직하다.

바람직한 제1 실시예

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 선형 구조를 갖는 센서 네트워크 및 상기 센서 네트워크에서의 통신 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 명세서에 사용되는 용어들에 대하여 다음과 같이 정의한다.

싱크 노드(Sink node)는 WSLP 양방향 네트워크를 동작가능케 하는 노드이다. 단말 노드(Terminaal node)는 자식 노드를 갖지 않는 노드이다. 중간 노드(middle node)는 부모 노드와 자식 노드를 갖는 노드이다. 부모 노드(parent node), 조부모 노드(grandparent node), 자식 노드(child node) 및 손자 노드(grandchild node)는 각각 상위 노드, 차 상위 노드, 하위 노드, 차 하위 노드를 의미한다. 결합(join)은 WSLP 네트워크의 노드의 하나로 결합되는 것을 의미한다. 깊이(depth)는 싱크 노드로부터 원하는 노드에 도달하기 위하여 요구되는 접속 동작(access operation)의 횟수를 의미한다. 다운스트림 명령/데이터(downstream command/data)는 싱크 노드로부터 단말 노드로의 명령 및 데이터이다. 업스트림 명령/데이터(upstream command/data)는 단말 노드로부터 싱크 노드로의 명령/데이터이다.

동기 상태(Synchronized state)는 RX 구간 또는 ACK 구간이 부모 노드의 TX 구간과 동기화된 상태를 의미한다. 데이터 확장 상태(Data Extended state)는 RX 구간 또는 ACK 구간이 손자 노드의 TX 구간과 동기화된 상태를 의미한다. 확인 확 장 상태(Ack Ext. state)는 RX 구간 또는 ACK 구간이 조부모 노드의 TX 구간과 동기화된 상태를 의미한다. 업링크 복구 상태(Uplink Recovery state)는 조부모 노드에게 데이터 확장 상태로 변환 요청하는 상태를 의미한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선형 구조의 센서 네트워크에서의 TDMA 구조를 도시한 개념도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 센서 네트워크의 각 노드는 기설정된 시간 간격을 갖는 활성 구간(Active Duration;100)과 비활성 구간(Inactive Duration;140)이 반복되며, 상기 활성 구간은 다운링크 활성 구간(Downstream Duration;110), 휴지 구간(Intermission Duration;120), 업링크 활성 구간(Upstream Duration;130)으로 이루어지며, 상기 다운링크 활성 구간 및 업링크 활성 구간은 각각 수신 구간(Receive Duration; 이하 'RX'라 한다;112, 132), 송신 구간(Transmit Duration; 이하 'TX'라 한다;114, 134), 확인 구간(Acknowledge Duration; 이하 'ACK'라 한다;116, 136)이 순차적으로 구성된다.

한편, 각 노드에서 송수신되는 데이터 패킷은 자신의 식별 정보 및 링크방향 식별 정보를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 링크방향 식별 정보는 다운링크 활성 구간 및 업링크 활성 구간 중의 어느 하나를 나타내는 것으로서, 해당 패킷의 진행 방향을 나타내게 된다.

상기 센서 네트워크는 제1 노드, 제2 노드, ... , 제n 노드로 구성되는 경우, 상기 제1 노드 내지 제n 노드는 선형적으로 연결되어 있으며, 상기 제1 노드는 싱크 노드(Sink Node)이며, 마지막 노드인 상기 제n 노드는 단말 노드(Terminal Node)라 불리운다. 상기 활성 구간의 다운링크 활성 구간(110)은 싱크 노드가 단말 노드로 명령어를 전송하는 구간이며, 업링크 활성 구간(130)은 싱크 노드로부터의 명령에 따라 단말 노드가 싱크 노드로 데이터를 전송하는 구간이다.

이하, 동기 상태에 있어서, 다운링크 활성 구간 동안 싱크 노드가 단말 노드로 명령을 전송하는 과정을 설명한다. 다운링크 활성 구간에 있어서, 센서 네트워크를 구성하는 각 노드는 자신의 하위 노드에 대하여 부모 노드로서 동작하고, 자신의 상위 노드에 대하여는 자식 노드로서 동작한다. 따라서, 부모 노드(Parent Node)와 자식 노드(Child Node)는 부모 노드의 Rx와 자식 노드의 Tx가 동기화되며 자식 노드의 Tx와 부모 노드의 ACK 가 동기화된다. 따라서, 부모 노드는 RX동안 자신의 상위 노드로부터 명령을 전송받고(S100), TX동안 상기 전송받은 명령을 자식 노드에게 전송함(S102)과 동시에 자신의 상위 노드로 확인 응답 신호를 전송한다(S104). 한편, 자식 노드는 RX동안 부모 노드로부터 명령을 전송받고, TX동안 상기 전송받은 명령을 자신의 하위 노드에게 전송함(S108)과 동시에 부모 노드로 확인 응답 신호를 전송한다(S106). 따라서, 부모 노드는 다운링크 활성 구간의 ACK 동안 자식 노드로부터 확인 응답 신호를 수신하게 되며, 그 결과 데이터 송수신이 정상적으로 진행되었음을 확인한다.

이하, 업링크 활성 구간 동안 단말 노드가 싱크 노드로 데이터를 전송하는 과정을 설명한다. 업링크 활성 구간 동안, 부모 노드(Parent Node)와 자식 노드(Child Node)는 자식 노드의 Rx와 부모 노드의 Tx가 동기화되며 부모 노드의 Tx와 자식 노드의 ACK 가 동기화된다. 따라서, 자식 노드는 RX동안 하위 노드로부터 데이터를 전송받고, TX동안 상기 전송받은 데이터를 부모 노드에게 전송함(S110)과 동시에 하위 노드로 확인 응답 신호를 전송한다(S112). 한편, 부모 노드는 RX동안 자식 노드로부터 데이터를 전송받고, TX동안 상기 전송받은 데이터를 자신의 상위 노드에게 전송함(S114)과 동시에 자식 노드로 확인 응답 신호를 전송한다(S116). 따라서, 자식 노드는 업링크 활성 구간의 ACK 동안 부모 노드로부터 확인 응답 신호를 수신하게 되며, 그 결과 데이터 송수신이 정상적으로 진행되었음을 확인한다.

싱크 노드는 단말 노드로 명령(Command)을 전송하거나, 단말노드로부터 전송되는 데이터를 수신하며, 전체 네트워크내에 연결된 노드들간의 데이터 송수신을 제어하거나 각 노드들간의 링크(Link) 상태를 관리한다. 싱크 노드 및 각 노드는 네트워크를 구성하는 전체 홉(Hop) 수와 자신의 깊이(depth)에 대한 정보를 관리하며, 각 노드에 대한 상기 휴지 기간은 전체 홉 수와 자신의 depth에 따라 결정된다. 예컨대, 홉수가 n인 네트워크에 있어서, 깊이가 n인 단말 노드의 휴지 기간은 항상 2개의 타임 구간으로 형성되며, 깊이가 (n-1)인 단말 노드의 부모 노드의 휴지 기간은 4개의 타임 구간으로 형성된다. 따라서, 전체 홉 수가 n인 센서 네트워크에 있어서, 깊이가 k 인 노드의 휴지 기간(I)은 수학식 1에 의해 결정된다.

I = (total hop - depth + 1) * 2 * blank duration

여기서, 블랭크 간격(blank duration)은 기설정된 시간 간격으로서, 시스템 운용자나 설계자에 의해 사전에 설정되거나 시스템의 성능이나 사양에 따라 적절히 조정될 수 있는 값이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 센서 네트워크는 하나의 주기내에 명령어를 전송하는 다운링크 활성 구간과 각 노드로부터 데이터를 전송하는 업링크 활성 구간을 모두 구비하므로, 싱크 노드는 하나의 주기내에서 명령어 전송 및 이에 대한 처리의 결과까지 수신할 수 있게 된다.

이하, 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 센서 네트워크에 있어서 신규 노드가 기존 네트워크에 결합(Join)하는 과정을 설명한다. 설명의 편의상, 네트워크는 3개의 노드로 구성되는 것으로 가정하며, 상기 3개의 노드는 싱크 노드, 중간(middle) 노드 및 단말 노드이며, 이들이 선형적으로 연결된다.

도 2의 (a)를 참조하면, 네트워크에 접속하고자 하는 신규 노드는 주변 노드들을 스캔하여, 해당 네트워크의 단말 노드를 찾아낸 후, 단말 노드와 타임 동기화를 시킨다.

다음, 상기 신규 노드는 다운링크 활성 구간의 TX 동안 합류 요청(Join Request) 메시지를 단말 노드로 전송한다(S200).

단말 노드는 업링크 활성 구간의 TX 동안 홉수 증가 요청(Increase Hop Request) 메시지를 상위 노드인 중간 노드로 전송하며(S202), 중간 노드는 단말 노드로부터 전송받은 메시지를 상위 노드인 싱크 노드로 전달하며(S204), 싱크 노드는 업링크 활성 구간의 RX 동안 홉수 증가 요청 메시지를 수신한다.

도 2의 (b)를 참조하면, 연속되는 다음 주기에서, 싱크 노드는 홉수를 증가시키고, 다운링크 활성 구간의 TX 동안 홉수 증가 응답(Increase Hop Response) 메시지를 중간 노드로 전송하고(S210), 자신의 휴지 기간을 갱신시킨다. 상기 홉수 증가 응답 메시지는 홉수 변경 명령을 포함한다. 중간 노드는 다운링크 활성 구간 의 RX 동안 상기 싱크 노드로부터 수신된 메시지를 하위 노드인 단말 노드로 전송하고(S212), 변경된 홉수에 따라 자신의 휴지 기간을 갱신시킨다. 중간 노드로부터 홉수 증가 응답 메시지를 수신한 단말 노드는 변경된 홉수에 따라 자신의 휴지 기간을 갱신시키고, 다운링크 활성 구간의 TX 동안 합류 응답(Join Response) 메시지를 상기 신규 노드로 전송한다(S214).

도 2의 (c)를 참조하면, 다운링크 활성 구간의 RX 동안 상기 단말 노드로부터 합류 응답 메시지를 수신한 상기 신규 노드는 홉수와 자신의 깊이로 휴지 기간을 결정하고, 결정된 휴지 기간에 따라 동기 상태(Sync State)로 변경시키며, 다음 주기에서 상기 신규 노드는 단말 노드가 된다.

이하, 도 3을 참조하여, 본 실시예에 따른 링크 복구(recovery) 과정을 설명한다. 링크 복구 과정은 전체 네트워크의 토폴로지에서 중간 노드의 링크가 끊어진 경우에 복구되는 과정이다. 설명의 편의상 전체 네트워크는 5개의 노드로 이루어진다고 가정하며, 상기 5개의 노드는 싱크 노드, 제1 노드, 제2 노드, 제3 노드 및 단말 노드로 상정하며, 제2 노드의 링크가 끊어진 것으로 상정하여 설명한다.

도 3의 (a)를 참조하면, 제3 노드가 다운링크 활성 구간의 RX 동안 제2 노드로부터 메시지를 수신하지 못하게 되는 경우, 제3 노드는 상향 링크(Up Link)가 실패한 것으로 판단한다.

도 3의 (b)를 참조하면, 상기 제3 노드는 조부모 노드와 데이터를 송수신할 수 있는 상태로 변경시키고, 상기 조부모 노드에게 복구 요청 메시지를 전송하며 데이터 확장 상태(Data Extended State)로의 변경을 요청한다.

도 3의 (c)를 참조하면, 데이터 확장 상태로의 요청을 전송받은 상기 조부모 노드인 제1 노드는 자신의 상위 노드 및 상기 노드와 데이터를 송수신할 수 있는 상태로 변경시키고, 상위의 중간 노드들을 경유하여 싱크 노드로 복구 요청 메시지를 전송한다.

도 4의 (a)를 참조하면, 다음 주기에 있어서 상기 제1 노드 및 중간 노드들을 경유하여 복구 요청(Recovery Request) 메시지를 수신한 싱크 노드는 전체 홉수를 감소시킨 후, 홉수 감소 명령(Decrease Hop Command)을 송신하고, 감소된 홉수에 따라 자신의 휴지 기간을 재조정한다.

다음, 상기 싱크 노드와 상기 제1 노드 사이의 중간 노드들은 싱크 노드로부터의 홉수 감소 명령에 따라 변경된 홉수를 이용하여 자신의 휴지 기간을 재조정한다. 그리고, 홉수 감소 명령을 수신한 제1 노드는 동기 상태로 변경시키고, 변경된 홉수에 따라 자신의 휴지 기간을 재조정하고, 복구 응답(Recovery Response) 메시지를 상기 제3 노드로 전송한다.

도 4의 (b)를 참조하면, 상기 제1 노드로부터 복구 응답 메시지를 수신한 상기 제3 노드는 후진 이동(Backward Shift) 명령을 하위 노드들로 전송한 후, 자신은 동기 상태로 변경시킨다. 상기 제3 노드로부터 단말 노드까지의 모든 하위 노드들은 상기 제1 노드로부터의 후진 이동 명령에 따라 후진 이동함으로써, 전체 네트워크가 복구되는 것이 바람직하다.

제2 실시예

이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선형 구조 를 갖는 센서 네트워크 및 상기 센서 네트워크에서의 통신 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 다만, 전술한 제1 실시예의 설명과 중복되는 설명은 생략한다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선형 구조의 센서 네트워크에서의 TDMA 구조를 도시한 개념도이다. 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 센서 네트워크의 각 노드는 기설정된 시간 간격을 갖는 활성 구간(Active Duration;400)과 비활성 구간(Inactive Duration;440)이 반복되며, 상기 활성 구간은 업링크 활성 구간(Upstream Duration;410), 휴지 구간(Intermission Duration;420), 다운링크 활성 구간(Downstream Duration;430)으로 이루어지며, 상기 업링크 활성 구간 및 다운링크 활성 구간은 수신 구간(Receive Duration; 이하 'RX'라 한다;412, 432), 송신 구간(Transmit Duration; 이하 'TX'라 한다;414, 434), 확인 구간(Acknowledge Duration; 이하 'ACK'라 한다;416, 436)이 순차적으로 구성된다.

한편, 본 실시예에 따른 통신 네트워크에 있어서, 전체 홉수가 n인 네트워크에서 깊이(depth)가 k인 노드의 휴지 기간(I)은 수학식 2와 같이 결정될 수 있다.

I = (depth + 1) * 2 * blank duration

이하, 도 6을 참조하여 본 실시예에 따른 센서 네트워크에 있어서 신규 노드가 기존 네트워크에 접속하는 과정을 설명한다. 설명의 편의상, 네트워크는 3개의 노드로 구성되는 것으로 가정하며, 상기 3개의 노드는 싱크 노드, 중간(middle) 노드 및 단말 노드이며, 이들이 선형적으로 연결된다.

도 6의 (a)를 참조하면, 네트워크에 접속하고자 하는 신규 노드는 주변 노드 들을 스캔하여, 해당 네트워크의 단말 노드를 찾아낸 후, 단말 노드와 타임 동기화를 시킨다.

다음, 도 6의 (b)를 참조하면, 상기 신규 노드는 업링크 활성 구간의 TX 동안 합류 요청(Join Request) 메시지를 단말 노드로 전송한다. 단말 노드는 업링크 활성 구간의 Tx 동안 합류 응답 명령어(Join Response command)를 신규 노드에게 전송한다. 신규 노드는 업링크 활성 구간(Uplink active duration)의 Ack 동안 합류 응답 명령어(Join Response command)를 수신하여 휴지 구간(Intermission)을 조정하고 동기 상태(Sync state)로 변경하여, 다음 주기에 상기 신규 노드는 단말 노드가 된다.

이하, 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 실시예에 따른 링크 복구(recovery) 과정을 설명한다. 링크 복구 과정은 전체 네트워크의 토폴로지에서 중간 노드의 링크가 끊어진 경우에 복구되는 과정이다. 설명의 편의상 전체 네트워크는 6개의 노드로 이루어진다고 가정하며, 상기 5개의 노드는 싱크 노드, 제1 노드, 제2 노드, 제3 노드, 제4 노드 및 단말 노드로 상정하며, 제2 노드의 링크가 끊어진 것으로 상정하여 설명한다.

도 7의 (a)를 참조하면, 제3 노드가 다운링크 활성 구간의 RX 동안 제2 노드로부터 메시지를 수신하지 못하게 되는 경우, 제3 노드는 상향 링크(Up Link)가 실패한 것으로 판단한다.

도 7의 (b)를 참조하면, 다음 주기에서 제3 노드는 조부모 노드와 데이터를 송수신할 수 있는 업링크 복구 상태(Uplink Recovery state)로 변경하고 조부모 노 드(Grandparent node)인 제1 노드에게 확장 요청 명령어(Ext. Request command)를 송신한다. 도 7의 (c)를 참조하면, 제1 노드는 상기 확장 요청 명령어에 따라 자신의 상위 노드 및 상기 제3 노드와 데이터를 송수신할 수 있는 상태로 변경한다.

도 8의 (a)를 참조하면, 다음 주기에 제1 노드는 제3 노드에게 전진 이동 명령어(Forward Shift command) 및 깊이 감소 명령을 전송하고, 동기 상태로 되돌아간다.

도 8의 (b)를 참조하면, 다음 주기에서 제3 노드는 하위 노드에게 전진 이동 명령어(Forward Shift command)를 전송하고 자신의 휴지 구간(Intermission)을 조정한 후 동기 상태(Sync. state)로 변경한다. 다음, 중간 노드(Middle node)는 단말 노드까지 차례로 상기 명령어를 전달하고, 상기 중간 노드들과 단말 노드는 전진 이동(forward shift)하고 휴지 구간(Intermission)을 조정함으로써, 복구 과정이 완료된다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.

그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 의하여, 활성 구간의 단일 주기내에서 싱크 노드와 단말 노드간의 양방향 통신을 수행하게 된다. 그 결과, 단일 주기내에서 싱크 노드의 명령에 따라 해당 노드가 명령 수행한 후 결과를 싱크 노드로 전송할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 의하여 무선 센서 네트워크에서 신뢰성 있는 양방향 통신을 제공할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하여 멀티 홉을 갖는 네트워크에서 각 노드의 깊이(Depth)를 이용하여 효율적으로 네트워크 구성을 관리할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하여 싱크 노드는 하위 노드로부터 센싱 데이터 수집을 효율적으로 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 싱크 노드가 특정 하위 노드 혹은 복수개의 하위 노드로 다운스트림 명령어를 전송할 수 있게 하여 특정 상황 발생시 센싱 데이터의 긴급 재전송, 네트워크 상태 확인 및 구성 재조정 등을 가능하게 됨으로써, 무선 센서 네트워크에서의 실시간 대응을 원활하게 할 수 있게 된다.

Claims

다수 개의 노드들로 구성되며 각 노드는 하나의 상위 노드 및 하나의 하위 노드와 연결되도록 하여 싱크 노드부터 단말 노드까지 선형적으로 연결되는 무선 센서 네트워크에 있어서,

각 노드는 상위 노드 및 하위 노드와 데이터를 송수신하는 활성 구간(Active Duration)을 구비하며, 상기 활성 구간은 싱크노드로부터 단말 노드로의 데이터 및 명령어를 전송하는 다운링크 활성 구간 및 단말 노드로부터 싱크 노드로의 데이터 및 명령어를 전송하는 업링크 활성 구간를 구비하고, 활성 구간의 단일 주기내에서 싱크 노드와 단말 노드간의 양방향 통신을 수행하며,

상기 활성 구간은 상기 다운링크 활성 구간 및 상기 업링크 활성 구간의 사이에 상하위 노드와 데이터를 송수신하지 않는 휴지 구간을 더 구비하며,

상기 휴지 구간은 해당 노드의 깊이(depth) 및 상기 무선 센서 네트워크를 구성하는 홉(Hop) 수에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
삭제
제1항에 있어서, 상기 다운링크 활성 구간 및 업링크 활성 구간은 각각 수신 구간(Receive Duration; 이하 'RX'라 한다), 송신 구간(Transmit Duration; 이하 'TX'라 한다), 확인 구간(Acknowledge Duration; 이하 'ACK'라 한다)이 순차적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
제1항에 있어서, 상기 무선 센서 네트워크의 각 노드가 송수신하는 데이터 패킷은 적어도 노드 식별 정보 및 링크방향식별정보를 구비하며, 상기 링크방향식별정보는 다운링크 활성 구간 및 업링크 활성 구간 중 어느 하나를 나타내는 식별정보인 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
다수 개의 노드들로 구성되며 각 노드는 하나의 상위 노드 및 하나의 하위 노드와 연결되도록 하여 싱크 노드부터 단말 노드까지 선형적으로 연결되는 무선 센서 네트워크에 있어서,

각 노드는 기설정된 시간 간격을 갖는 활성 구간(Active Duration)과 비활성 구간(Inactive Duration)이 순차적으로 반복되며,

상기 활성 구간은 싱크노드로부터 단말 노드로의 데이터 및 명령어를 전송하는 다운링크 활성 구간, 휴지 구간, 단말 노드로부터 싱크 노드로의 데이터 및 명령어를 전송하는 업링크 활성 구간이 순차적으로 이루어지며,

상기 다운링크 활성 구간 및 업링크 활성 구간은 각각 수신 구간(Receive Duration; 이하 'RX'라 한다), 송신 구간(Transmit Duration; 이하 'TX'라 한다), 확인 구간(Acknowledge Duration; 이하 'ACK'라 한다)이 순차적으로 구성되어,

활성 구간의 단일 주기내에서 싱크 노드와 단말 노드간의 양방향 통신을 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
다수 개의 노드들로 구성되며 각 노드는 하나의 상위 노드 및 하나의 하위 노드와 연결되도록 하여 싱크 노드부터 단말 노드까지 선형적으로 연결되는 무선 센서 네트워크에 있어서,

각 노드는 기설정된 시간 간격을 갖는 활성 구간(Active Duration)과 비활성 구간(Inactive Duration)이 순차적으로 반복되며,

상기 활성 구간은 단말 노드로부터 싱크 노드로의 데이터 및 명령어를 전송하는 업링크 활성 구간, 휴지 구간, 싱크노드로부터 단말 노드로의 데이터 및 명령어를 전송하는 다운링크 활성 구간이 순차적으로 이루어지며,

상기 다운링크 활성 구간 및 업링크 활성 구간은 각각 수신 구간(Receive Duration; 이하 'RX'라 한다), 송신 구간(Transmit Duration; 이하 'TX'라 한다), 확인 구간(Acknowledge Duration; 이하 'ACK'라 한다)이 순차적으로 구성되어,

활성 구간의 단일 주기내에서 싱크 노드와 단말 노드간의 양방향 통신을 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무선 센서 네트워크는 다운링크 활성 구간 및 업링크 활성 구간의 동기 상태(Sychronized State)에서 데이터 및 명령어 전송이 이루어지며, 상기 동기 상태는,

상기 활성 구간의 다운 링크 활성 구간에서는 부모 노드의 TX와 자식 노드의 RX가 동기화되고, 자식 노드의 TX와 부모 노드의 ACK도 동기화되며,

상기 활성 구간의 업링크 활성 구간에서는 자식 노드의 TX와 부모 노드의 RX가 동기화되고, 부모 노드의 TX와 자식 노드의 ACK가 동기화되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 노드의 휴지 기간은 상기 무선 센서 네트워크의 전체 홉수 및 자신의 깊이(Depth)에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
다수 개의 노드들로 구성되며 싱크 노드부터 단말 노드까지 선형적으로 연결되며, 각 노드의 활성 구간은 싱크 노드로부터 단말 노드로 데이터 및 명령어를 전송하는 다운링크 활성 구간 및 단말노드로부터 싱크 노드로 데이터 및 명령어를 전송하는 업링크 활성 구간을 구비하는 무선 센서 네트워크에서의 양방향 데이터 송수신 방법에 있어서,

(a1) 다운링크 활성 구간에서 각 노드는 자신의 상위 노드로부터 데이터 및 명령어를 수신하여 자신의 하위 노드로 전송하는 단계; 및

(a2) 업링크 활성 구간에서 각 노드는 자신의 하위 노드로부터 데이터 및 명령어를 수신하여 자신의 부모 노드로 전송하는 단계

를 구비하여 활성 구간의 단일 주기 동안 싱크 노드와 단말 노드간의 데이터 및 명령어의 양방향 전송을 수행하며,

상기 각 노드가 자신의 깊이(depth)와 전체 홉(hop) 수에 따라 자신의 휴지 구간을 결정하고, 상기 다운링크 활성 구간과 업링크 활성 구간의 사이에 상기 휴지 구간을 배치하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 양방향 데이터 송수신 방법.
삭제
제9항에 있어서, 만약 외부의 신규 노드가 상기 무선 센서 네트워크에 합류(Join)하고자 하는 경우,

(b1) 상기 신규 노드는 상기 무선 센서 네트워크의 노드들을 스캔하여 단말 노드를 검색하고, 검색된 단말 노드로 합류 요청 메시지를 전송하는 단계,

(b2) 상기 단말 노드는 홉수 증가 요청(Increase Hop Request) 메시지를 상위의 중간 노드들을 경유하여 싱크 노드로 전달하는 단계,

(b3) 상기 싱크 노드는 수신된 홉수 증가 요청 메시지에 따라 홉수를 증가시키고, 홉수 증가 응답(Increase Hop Response) 메시지를 하위의 중간 노드들을 경유하여 단말 노드로 전송하는 단계,

(b4) 싱크 노드로부터 홉수 증가 응답 메시지를 수신한 단말 노드는 합류 응답(Join Response) 메시지를 상기 신규 노드로 전송하는 단계,

(b5) 합류 응답 메시지를 수신한 상기 신규 노드는 동기 상태로 변경시키며 다음 주기에서 상기 신규 노드는 단말 노드가 되는 단계

를 구비하여 신규 노드가 상기 무선 센서 네트워크에 합류되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 양방향 데이터 송수신 방법.
제9항에 있어서, 만약 임의의 한 노드가 자신의 부모 노드와 메시지를 송수신하지 못하게 되는 경우,

(c1) 상기 노드는 링크 실패한 것으로 판단하고, 조부모 노드와 데이터를 송수신할 수 있는 상태로 변경시키고, 상기 조부모 노드에게 복구 요청 메시지를 전송하는 단계;

(c2) 상기 조부모 노드는 자신의 상위 노드들을 경유하여 싱크 노드로 복구 요청 메시지를 전송하는 단계;

(c3) 복구 요청(Recovery Request) 메시지를 수신한 싱크 노드는 전체 홉수를 감소시키고, 홉수 감소 명령(Decrease Hop Command)을 송신하는 단계;

(c4) 홉수 감소 명령을 수신한 조부모 노드는 동기 상태로 변경시키고, 복구 응답(Recovery Response) 메시지를 상기 노드로 전송하는 단계;

(c5) 복구 응답 메시지를 수신한 상기 노드는 후진 이동(Backward Shift) 명령을 하위 노드로 전송한 후, 동기 상태로 변경시키는 단계;

(c6) 상기 노드로부터 단말 노드까지의 모든 하위 노드들은 후진 이동하는 단계

를 구비하여 상기 임의의 한 노드가 자신의 부모 노드와 메시지를 송수신하지 못하게 되는 경우에 발생하는 네트워크 장애를 복구하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 양방향 데이터 송수신 방법.
제9항에 있어서, 상기 무선 센서 네트워크를 구성하는 모든 노드들은 자신의 깊이(depth) 및 상기 싱크 노드로부터 전송되는 홉수 정보에 따라 휴지 구간을 결정하고, 상기 휴지 구간은 상기 다운링크 활성 구간과 상기 업링크 활성 구간사이에 배치하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 양방향 데이터 송수신 방법.