KR100918399B1

KR100918399B1 - 무선 센서 네트워크에서의 통신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100918399B1
Application number: KR1020070132709A
Authority: KR
Inventors: 류재홍; 채종석; 표철식; 김봉수; 김동원; 윤미희
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2009-09-21
Also published as: KR20090065231A; US20090161637A1

Abstract

클러스터 트리 구조를 가지는 무선 센서 네트워크에서 하나 이상의 채널들을 사용하여 통신하는 방법 및 장치에 관한 발명이 개시된다. 본 발명은 각 채널별로, 비컨 간격을 분할한 윈도우들을 생성하고, 윈도우들 중 특정 노드로부터 일정 범위 내에 존재하는 노드들에 할당되지 않은 윈도우를 선택하며, 특정 노드는 선택된 윈도우에 해당하는 시간에 선택된 윈도우가 속하는 채널을 이용하여 특정 노드의 자식 노드와 통신하는 것을 특징으로 한다.

무선 센서 네트워크, 멀티 채널

Description

무선 센서 네트워크에서의 통신 장치 및 방법{Apparatus and method for communication in wireless sensor network}

본 발명은 무선 센서 네트워크에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비컨 전송시 충돌을 방지하기 위한 스케줄링에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2005-S-038-03, 과제명: UHF RF-ID 및 Ubiquitous 네트워킹 기술 개발].

기존의 IEEE802.15.4 ZigBee와 같은 센서네트워크에서 액티브 구간과 스탠바이 구간으로 운용되는 낮은 듀티 싸이클을 통해 전력 소모를 줄이는 방식을 택하고, 비교적 넓은 지역에 산재된 센서 노드들을 센서 네트워크로 네트워킹하기 위해서는 스타(Star) 토폴로지 구성은 적합하지 않고 클러스터 트리(Cluster Tree)나 메쉬(Mesh) 형태의 구성이 되어야 한다.

낮은 듀티 사이클로 사용하기 위해서는 IEEE802.15.4 ZigBee 규격에서 비컨 엔에이블 모드(Beacon Enable Mode)로 동작을 해야 하는데 이때 동기화(synchronization)와 확장성(scalability)이 동시에 만족될 수 있도록 방법을 강 구할 필요가 있다.

클러스터 트리 토폴로지 구성시 어떻게 구축하고 어떻게 클러스터 간 동기와 스케줄을 할당하고 관리하는지에 대한 언급이 없다.

클러스터 트리 모델은 여러 개의 코디네이터(지그비 라우터라고도 불림)로 네트워크가 구성이 되며, 각 코디네이터는 주기적인 비컨 프레임을 발생시키고, 이 비컨 프레임을 통해 주변 이웃(클러스터)의 노드들을 동기화시킨다.

이러한 경우 주기적 비컨 프레임은 특별한 스케쥴에 따르지 않고 임의로 보내지게 되면 비컨 프레임끼리 서로 충돌하거나 데이터 프레임과 충돌이 일어날 수 있다. 비컨 프레임 충돌의 경우 주기적으로 비컨 프레임을 기다리는 노드들의 입장에선 그들의 코디네이터와 동기를 상실하게 되는 것이며 궁극적으로 네트워크에서 통신이 불가하게 된다.

이러한 비컨 충돌 문제가 생기는 원인에는 다음과 같은 세 가지가 있다. 첫번째로 직접 비컨 프레임 충돌은 두 개 이상의 코디네이터가 상호(직접 이웃이거나 부모와 자식관계; direct neighbors or parent-to-child relation) 무선전송 범위 안에 존재하면서 거의 같은 시간대에 비컨 프레임을 전송할 경우 생긴다. 두번째 간접 비컨 프레임 충돌은 두 개 이상의 코디네이터들이 상호(간접 이웃 indirect neighbors 관계에 있음) 들을 수 없으나, 무선 전송 범위가 겹치는 곳에서 거의 동시에 비컨 프레임을 전송하는 경우에 발생한다. 마지막으로, 데이터와 비컨 프레임간의 충돌은 이웃 클러스터의 액티브 구간 동안에 비컨 프레임을 전송하는 경우 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 IEEE 802.15.4 표준의 개선 작업에서는 비컨 프레임 충돌 회피를 위한 기본적인 두 가지 접근방법을 다루었다. 매 슈퍼프레임 시작부분에 비컨 프레임 전송을 위하여 예비된 구간을 두는 방식인 오직 비컨 기간(Beacon-Only Period) 방식과 어떤 주어진 클러스터의 비컨 프레임은 다른 클러스터들의 비활성화 구간(inactive period) 동안에 전송되어지도록 하는 방식인 시분할(Time division) 방식이 그것이다.

하지만 어떻게 실현할까에 대해서는 언급이 없으며, 특히 IEEE 802.15.4b 2006 규격에는 TG 15.4b에서의 접근 방식이 채택되지 않았다.

멀티채널을 활용하여 저전력이면서도 처리능력을 높일 수 있는 연구가 시작 되고 있으나 멀티채널의 할당과 비컨 충돌을 막기 위한 동기화 스케줄링 방법, 확장성(scalability)를 만족하는 연구결과는 아직 없다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 무선 센서 네트워크에서 효율적인 멀티채널 할당과 비컨 충돌을 막기 위한 스케쥴링 방식을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 통신 방법은 하나 이상의 채널들을 사용하며 트리 구조를 가지는 무선 센서 네트워크의 통신 방법에 있어서, 상기 각 채널별로, 비컨 간격을 분할한 윈도우들을 생성하는 단계; 상기 윈도우들 중 특정 노드로부터 일정 범위 내에 존재하는 노드들에 할당되지 않은 윈도우를 선택하는 단계; 및 상기 특정 노드는 상기 선택된 윈도우에 해당하는 시간에 상기 선택된 윈도우가 속하는 채널을 이용하여 상기 특정 노드의 자식 노드와 통신하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 게이트웨이에서의 통신 방법은 하나 이상의 채널들을 사용하며 트리 구조를 가지는 무선 센서 네트워크의 게이트웨이에서의 통신 방법에 있어서, 상기 각 채널별로, 비컨 간격을 분할한 윈도우들을 생성하는 단계; 및 상기 윈도우들의 일부 또는 전부를 자식 노드들에 하나씩 할당하고, 상기 할당된 각 윈도우에 해당하는 시간에 상기 각 윈도우가 속하는 채널을 통하여 상기 각 윈도우가 할당된 자식 노드와 통신하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 통신 장치는 하나 이상의 채널들을 사용하며 트리 구조를 가지는 무선 센서 네트워크의 통신 장치에 있어서, 상기 각 채널별로, 비컨 간격을 분할한 윈도우들을 생성하는 윈도우 생성부; 상기 윈도우들 중 특정 노드로부터 일정 범위 내에 존재하는 노드들에 할당되지 않은 윈도우를 선택하는 윈도우 선택부; 및 상기 특정 노드는 상기 선택된 윈도우에 해당하는 시간에 상기 선택된 윈도우가 속하는 채널을 이용하여 상기 특정 노드의 자식 노드와 통신하는 통신부;를 포함한다.

본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 게이트웨이는 하나 이상의 채널들을 사용하며 트리 구조를 가지는 무선 센서 네트워크의 게이트웨이에 있어서, 상기 각 채널별로, 비컨 간격을 분할한 윈도우들을 생성하는 윈도우 생성부; 및 상기 윈도우들의 일부 또는 전부를 자식 노드들에 하나씩 할당하고, 상기 할당된 각 윈도우에 해당하는 시간에 상기 각 윈도우가 속하는 채널을 통하여 상기 각 윈도우가 할당된 자식 노드와 통신하는 통신부;를 포함한다.

제안한 방식은 싱글 채널만 사용하는 것이 아니라 이미 IEEE 802.15.4에서 2.45GHz 대역에서 16채널이 정의되어 있는바, 멀티채널로 상호 간섭이 생기지 않게 클러스터 트리를 구성해 나가기 위한 채널 할당 방식과 비컨 충돌을 방지하는 클러스터간 스케줄링 방식을 포함하고 있다. 제안한 방식은 멀티채널 사용으로 인하여 네트워크 처리양(throughput)을 향상시키고, 채널 할당과 스케줄링을 효과적으로 하게됨으로써, 클러스터간 상호간섭이 생기지 않으므로 클러스터 트리 구축이 용이하여 확장성(scalability)이 뛰어나며, 비컨 충돌이 발생되지 않아서 네트워크 신뢰성이 향상된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 프레임 및 비컨 구조의 일 실시예를 나타내는 구조도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에서의 프레임 구조는 기본적으로 IEEE 802.15.4 ZigBee 규격을 준수한다. 단, 비컨 구조에 있어서 사용자가 정의하여 사용할 수 있는 페이로드(Payload) 필드를 이용한 새로운 정의가 추가되었다.

HC는 PNC(piconet cordinatior, 또는 게이트웨이)로부터의 홉 수이다. HC를 통해 트리 구조상에서 깊이(depth)를 파악할 수 있으며 이를 통해 부모, 자식 관계를 파악할 수 있다.

NOAD(the Number Of Associated Device)는 참가한 디바이스의 개수이다. NOAD는 참가할 때 로드 균형 및 클러스터 성능을 보장하기 위해 허가 제어에 사용하는 정보이다.

CH1_WV 내지 CHn_WV는 멀티 채널 윈도우 벡터들이다. 각각은 n개의 멀티 채널을 사용할 경우 채널별 각 윈도우들의 점유 여부를 나타낸다. 벡터의 길이는 채널의 개수(1≤k≤n)와 윈도우의 개수(1≤j≤m)에 따라 결정된다. 각 비트는 채널과 윈도우의 쌍으로 주소가 부여된다. 점유되지 않은 주소는 0으로 표시되며, 자기가 제어권을 갖는 채널과 윈도우에 해당하는 비트(MCW#) 및 무선 신호가 직접 도달할 수 있는 영역에 존재하는 노드인 이웃 노드에서 점유한 것으로 발견되는 채널과 윈 도우에 해당하는 비트는 1로 표시된다. MCW#은 비컨의 관찰을 통해 다른 노드들이 인지할 수도 있다.

다음은 본 발명에서 사용되는 윈도우의 개념에 대한 것이다.

모든 클러스터들이 동일한 BO(Beacon Order, 비컨 순서), SO(Superframe Order, 수퍼프레임 순서) 값을 사용한다고 가정하면, BI(Beacon Interval, 비컨 간격)와 SD(Superframe Duration, 수퍼프레임 지속시간)은 다음 식을 만족하게 된다.

BI = aBaseSuperframeDuration * 2^BO

SD = aBaseSuperframeDuration * 2^SO

도 2는 본 발명에 따른 윈도우의 생성 방법을 나타내는 일 실시예의 개념도이다.

도 2를 참조하면, 하나의 채널만을 사용하며 BO=6, SO=4인 경우 BI 안에 4개의 SD를 스케줄링할 수 있는 윈도우로 나누어질 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 윈도우의 생성 방법을 나타내는 다른 실시예의 개념도이다.

도 3를 참조하면, 하나의 채널만을 사용하며 BO=6, SO=3인 경우 BI 안에 8개의 SD를 스케줄링할 수 있는 윈도우로 나누어질 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 윈도우의 생성 방법을 나타내는 또 다른 실시예의 개념도이다.

도 4를 참조하면, 8개의 멀티 채널을 사용하고 BO=6, SO=3인 경우 각 채널별 로 8개의 윈도우로 나누어질 수 있다.

이러한 구성에서 각 채널별 윈도우들을 나타내기 위해 다음과 같은 비트 벡터로 표현한다.

CH1-WV {11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18}

CH2-WV {21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28}

CH3-WV {31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38}

CH4-WV {41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48}

CH5-WV {51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58}

CH6-WV {61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68}

CH7-WV {71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78}

CH8-WV {81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88}

Multi-k CH_WV에서 채널의 개수(1≤k≤n)와 Window 개수(1≤j≤m)에 따라 표현을 일반화시키면 다음과 같다.

CH1-WV {11, 12, ..., 1j, ..., 1m}

CH2-WV {21, 22, ..., 2j, ..., 2m}

... ...

CHk-WV {k1, k2, ..., kj, ..., km}

... ...

CHn-WV {n1, n2, ..., nj, ..., nm}

각 비트는 채널과 윈도우의 쌍(kj)으로 주소가 부여되며, 채널별 윈도우 벡 터의 각 구성요소가 취할 수 있는 값은 아래의 두 가지 경우 점유된 주소는 1이고, 점유되지 않거나 아래의 두 가지 경우에 해당하지 않으면 0이다.

- 자기가 제어권을 갖고있는 My channel Window # (MCW#), 이것은 비컨의 관찰을 통해 다른 노드들이 직접 인지도 가능하다.

- 무선신호가 도달 가능한 영역 내에 위치한 노드(이웃노드)에서 점유한 것으로 발견되는 윈도우#

다음은 본 발명에서 사용되는 네트워크 구성요소 및 역할에 대한 것이다.

PNC는 한 비컨 간격 내에서 각 윈도우별로 채널을 달리하면서 자식 노드인 코디네이터와 통신한다. 코디네이터는 IEEE 802.15.4 ZigBee에서 말하는 일반적인 코디네이터 역할을 수행하며, 부모 노드에 가입하는 경우 부모 노드의 채널을 그대로 사용하며 코디네이터로서 부모 노드의 윈도우 스케줄 및 주변의 해당 채널을 사용하는 노드들의 스케줄들과 자신의 윈도우 스케줄이 충돌하지 않도록 가입한다. 단, 자신의 윈도우 스케줄을 본 연구에서 제안하는 방법에 따라 결정한다. 브리지 코디네이터는 본 발명에서 새롭게 도입되는 개념의 코디네이터로서, 적어도 2개의 서로 다른 채널의 부모 노드에 가입하여 멀티 패스의 제공을 통해 튼튼한 연결성(robust connectivity)를 제공한다. 디바이스는 IEEE 802.15.4 ZigBee 규격의 디바이스 역할을 한다.

다음으로 새로운 노드가 네트워크에 가입하는 절차는 다음과 같다.

먼저 가입하고자 하는 새로운 노드는 IEEE 802.15.4 ZigBee 규격에서처럼 스캔(ED scan, Active scan)을 거쳐 주변의 코디네이터들로부터 네트워크 정보(비컨 리스트)를 획득한다. 다음으로 주변 코디네이터로부터 주기적으로 송출되는 비컨에 포함된 MCW#, multi-k CH-WV 정보를 가지고 가장 적절한 부모 노드를 선택한 후, 그에 따른 채널 및 윈도우 선택 알고리즘을 통해 계산된 채널 #와 윈도우 #를 자기 고유의 채널과 스케줄로 점유한다. 이 노드는 부모 노드에 가입한 후 자기의 활동 채널과 윈도우 스케줄에 따라서 즉, 매 BI 주기로 반복되는 자기 윈도우에 해당하는 시간에 자신에게 가입하는 디바이스들의 동기화와 주변 코디네이터들과의 동기화를 위한 비컨을 송출하면서 코디네이터 역할을 수행한다.

가입시 고려하는 원칙은 다음과 같다.

첫째, 가능한 PNC에 가까운 쪽으로 조인한다. 즉, 홉 수(HC)가 작은 쪽으로 조인하여 네트워크 지연시간 및 홉수를 줄인다. 둘째, 최대허용 가입 디바이스 개수(max. NOAD)를 넘지 않도록 부하 균형을 맞추어 가입한다. 셋째, 코디네이터로 가입하기를 원하더라도 채널 및 윈도우 할당이 이루어질 수 없는 상황이면 디바이스로 가입한다.

도 5는 본 발명에 따른 노드의 가입 절차의 일 실시예를 나타내는 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 먼저 IEEE 802.15.4 규격에서처럼 네트워크에 새로 가입하고자 하는 노드는 스캔 절차를 거친다(S505). 이때, 주변의 코디네이터들로부터 전송되는 비컨들을 가지고 비컨 리스트를 얻게 된다. 만일 수신되는 비컨이 없으면 네트워크에 가입할 수 없다(S590)

만약 PNC로부터 가까이 위치한 노드들은 PNC로부터의 비컨을 관찰할 수 있으 므로, 확장성 측면에서 가능한 PNC에 조인하도록 결정한다(S515). PNC로부터 수신되는 비컨의 NOAD가 최대값을 넘지 않으면(S520) 채널 및 윈도우 선택 알고리즘을 실행한다. 이때, 부모노드는 PNC가 된다(S540). 자신의 채널과 윈도우(MCW)를 할당받으면(S560) 코디네이터로서 PNC에 조인한다(S570). 그렇지 못할 경우, PNC이외의 주변에서 다른 코디네이터들이 존재하는지에 따라서(S525, S530), 만약 아무도 없다면 고아(orphan)가 되며(S590), 다른 비컨이 관찰되면 다음과 같은 절차를 수행하여 코디네이터로 가입한다.

관찰되는 다른 비컨들중 홉수(HC)가 가장 작은 코디네이터 노드를 선택하고(S515), 그 노드에 조인되어있는 디바이스 개수(NOAD)를 체크하여 최대값을 넘지 않았다면(S520) 그 노드를 부모 노드로 하여(S540) 채널 및 윈도우 선택 알고리즘을 실행한다(S560). 윈도우 할당이 불가능하면 이 노드를 제외하고(S525) 다른 코디네이터들에 대해서(S530) 절차를 반복 수행한다.

만약 윈도우가 할당되면 이 값을 자신의 고유 스케줄로 하는 자식 코디네이터로서 선택한 부모 노드에게 조인한다(S570). 그렇지 못할 경우 디바이스(S550, S580)로 조인하거나 고아(orphan)가 된다(S590).

디바이스로 조인을 원하는 노드들도 역시 스캐닝 절차를 거쳐(S505) 주변의 코디네이터들로부터 비컨 정보를 수집한 후(S510) 가능한한 홉수(HC)가 작고(S515) 연결되어 있는 디바이스 숫자(NOAD)가 적은(S520) 코디네이터를 부모 코디네이터로 선택하여(S540) 디바이스로서 가입한다(S550, S580). 접속가능한 코디네이터가 발견되지 않으면 고아(orphan)가 된다(S510, S530, S590).

도 6은 본 발명에 따른 싱글 채널에서 윈도우 선택 알고리즘의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.

도 6을 참조하면, 각 노드의 번호는 현재 자기가 점유한 윈도우 값이다. 채널과 윈도우에 대한 비트벡터(CH-WV)로 표현된 이진 바이너리 값에서 굵게 표시된 1은 자신의 윈도우이고 나머지 1들은 무선 전송 범위 내의 이웃 코디네이터들이 점유한 윈도우이다.

새롭게 코디네이터가 조인할려고 할때 윈도우의 선택은 다음과 같다. 관찰되는 비콘들의 CH-WV를 모두 OR 시켰을때 1로 표시되는 윈도우는 1홉 또는 2홉 이내에서 점유되어 사용되는 윈도우를 뜻한다. 따라서 이러한 윈도우를 제외한 0으로 표시되는 윈도우 중에서 하나를 랜덤(random)하게 선택하면 된다.

결과적으로 7번과 8번 윈도우가 프리(free)하게 남으며 이중 하나인 7을 선택하면, 새로운 노드는 자신의 스케줄을 윈도우 7로 하는 코디네이터로서 네트워크에 가입할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 싱글 채널에서 클러스터 트리 네트워크 구축 과정의 일 실시예를 나타내는 흐름도이다.

도 7을 참조하면, 각 원 안에 적힌 숫자는 각 노드에 할당된 윈도우를 나타내며, 각 노드에서 세 개의 숫자로 이루어진 세트는 각각 HC, NOAD, MCW를 나타내고, 6개의 숫자로 이루어진 세트는 자기 자신을 포함한 이웃 노드가 점유한 윈도우들을 나타낸다.

할당 가능한 윈도우가 1~6 이고, 최대 NOAD가 2라고 가정한다. 그림에서 점선은 이웃 노드임을 나타내고, 실선은 네트워크에 가입되었음을 나타낸다.

맨 처음 PNC 만이 네트워크에 존재할 때, PNC의 HC는 0이고 이때의 NOAD는 0이다. 또한 PNC에 할당된 윈도우를 1이라면, {0,0,1}, {100000}이다(S701). 이때 새로운 노드가 가입하고자 한다. 이웃노드는 PNC뿐이고, PNC가 점유한 윈도우는 1이므로 2~6 중 하나의 윈도우를 선택할 수 있다. 본 예에서는 윈도우 2를 선택한다. 이에 의해 PNC는 자식 노드를 가지게 되고 이웃 노드가 윈도우 2를 점유하게 되므로 {0,1,1}, {110000}로 변경된다. 새로운 노드는 {1,0,2}, {110000}이 된다(S705).

다시 새로운 노드가 가입하고자 한다(S708). 이웃 노드 중 홉수가 작은 노드는 PNC이고 PNC는 최대 NOAD를 넘지 않으므로 PNC를 부모노드로 결정한다. 이웃 노드가 점유한 윈도우는 1과 2이므로 점유되지 않은 3~6 중 하나인 3을 자신의 윈도우로 선택한다. 따라서 새로운 노드는 {1,0,3}, {111000}이며, PNC는 NOAD가 하나 증가하고, 윈도우 3이 새로운 이웃 노드에 의해 점유되어 {0,2,1}, {111000}이 된다. 이전에 가입한 노드는 윈도우 3이 새로운 이웃 노드에 의해 점유되어 {1,0,2}, {111000}이 된다(S710).

이 후의 과정은 앞서 살핀 바와 동일한 방법으로 수행된다. 즉, 새로운 노드는 이웃 노드들 중 홉수가 가장 작고, NOAD가 최대치를 넘지 않도록 부모 노드를 선택한다. 이때, NOAD가 최대치를 넘지 않는 노드가 없다면 네트워크에 가입할 수 없다(S763). 그리고 이웃 노드가 아직 점유하지 않은 윈도우들 중 하나를 자신의 윈도우로 선택한다. 이때, 만일 자신이 점유할 수 있는 윈도우가 존재하지 않는다면 디바이스로서 네트워크에 가입할 수 밖에 없다(S756, S786).

도 8은 본 발명에 따른 멀티 채널에서 클러스터 트리 네트워크 구축 과정의 일 실시예를 나타내는 흐름도이다.

도 8을 참조하면, 각 노드 옆에 나타낸 숫자들은 도 7에서와 기본적으로 동일하다. 다만, 본 실시 예에서는 멀티 채널을 사용하므로 각 원 안의 숫자 중 앞의 것은 그 노드가 사용하는 채널을, 뒤의 것은 그 노드가 앞의 숫자에 해당하는 채널에 속하는 윈도우를 점유함을 나타낸다. 또한 자기 자신 및 이웃 노드들이 점유한 윈도우들을 나타내는 숫자들의 세트도 채널별로 나타난다.

세 개의 채널이 존재하고, 각 채널별로 6개의 윈도우가 할당 가능하며, PNC의 경우 최대 NOAD는 6, 그 외의 경우 최대 NOAD는 2라 가정한다.

먼저 PNC는 각 윈도우에 해당하는 시간별로 각 채널을 통해 통신하므로 1-1, 2-2, 3-3, 4-1, 5-2, 6-3의 윈도우를 점유한다. 이를 도 8에서는 x-x로 나타내었 다(S810). 이 PNC를 이웃 노드로 하여 새로운 노드가 네트워크에 가입하고자 한다(S813). 이때 PNC는 NOAD가 최대치인 6을 넘지 않으므로 이 PNC를 부모 노드로 하며, 아직 점유되지 않은 윈도우들 중 1-2를 자신의 윈도우로 할당한다. 이에 의해 PNC의 멀티 채널 윈도우 벡터는 {{110100}, {010010}, {001001}}이 된다.

또 다른 새로운 노드가 네트워크에 가입하고자 한다(S816). 이웃 노드들 중 홉수가 작으면서 최대 NOAD를 넘지 않는 PNC를 부모 노드로 하고, 아직 점유되지 않은 윈도우인 2-3를 선택한다(S820). 이에 의해 PNC의 NOAD가 하나 증가하여 {0,2,x-x}가 되고, 멀티 채널 윈도우 벡터는 {{110100}, {011010}, {001001}}이 된다. 다른 이웃 노드(1-2)는 멀티 채널 윈도우 벡터만이 {{110100}, {011010}, {001001}}로 변경된다.

이 후의 과정은 앞서 살핀 바와 동일한 방법으로 수행된다. 즉, 새로운 노드는 이웃 노드들 중 홉수가 가장 작고, NOAD가 최대치를 넘지 않도록 부모 노드를 선택한다. 이때, NOAD가 최대치를 넘지 않는 노드가 없다면 네트워크에 가입할 수 없을 것이다. 그리고 이웃 노드가 아직 점유하지 않은 윈도우들 중 하나를 자신의 윈도우로 선택한다. 이때, 동일 채널을 이용하여 부모 노드와 통신하기 위해 부모 노드가 사용하는 채널과 동일 채널에 속하는 윈도우를 선택해야 한다(S833, S840, S846, S853, S860, S866, S873, S880).

도 9는 본 발명에 따른 브리지 코디네이터에서 윈도우 할당 방법의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.

도 9를 참조하면, 각 숫자들이 나타내는 의미는 도 8에서와 동일하다. 새로운 노드가 노드 1-2와 노드 2-3을 이웃 노드로 하는 영역에서 가입하고자 한다(910). 이때 채널 1과 채널 2는 서로 다르므로, 부모 노드 선택시 어느 것을 주요 링크로 하여 가입하더라도 문제가 없다. 하지만 상단에서처럼 채널 1에 3번 윈도우로 스케줄을 정하고 동작을 하게 되면, 주요 링크에서 보조(secondary) 링크로 스케줄을 변경코자 할 경우, 윈도우 3번의 자기 윈도우 스케줄 동안에는 코디네이터로 동작을 하다가 자기 보조 링크의 윈도우 2-3의 채널 2의 윈도우 3 시간대에 자식 노드로서의 동작이 중첩된다. 즉, 윈도우 스케줄이 충돌하여 브리지 코디네이터를 통한 이중 링크의 효과를 가질 수 없다(920). 따라서 자식 코디네이터의 스케줄을 정할 시 다음과 같이 수정 채널 및 윈도우 선택 알고리즘을 사용한다.

CHi-Wm 과 CHj-Wn 의 윈도우를 갖는 비콘이 관찰되고, 그 중 하나(CHi-Wm)를 주 부모(primary parent), 다른 것(CHj-Wn)을 보조 부모(secondary (stand by) parent) 코디네이터로 하여 브리지 코디네이터가 되고자 할 때(930), 채널은 주 부모 노드와 동일하게 i로 하되, 윈도우는 그 해당하는 시간이 주 부모 노드 및 부조 부모 노드와 겹치지 않도록 선택한다. 이 경우 주 부모 노드와의 주요 링크를 통해 자식 노드로서의 역할을 수행하고, 동작중 주요 링크를 통해 통신할 수 없는 경우 부 링크를 통해 통신할 수 있다. 도 9에서 새로 가입하고자 하는 노드는 주 부모 노드 및 보조 부모 노드와 그 시간이 겹치지 않는 윈도우인 5를 선택함으로서 이러한 브리지 코디네이터의 역할을 수행할 수 있다(940).

도 10은 본 발명에 따른 브리지 코디네이터에서 윈도우 할당 방법의 다른 실시예를 나타내는 개념도이다.

도 10을 참조하면, 각 숫자들이 나타내는 의미는 도 9에서와 동일하다. 새로 가입하려는 노드의 이웃 노드들의 각 윈도우들로 인해 기존의 싱글채널 IEEE 802.15.4에서는 더 이상 네트워크 확장을 해나갈 수 없다(1010).

하지만 본 발명의 멀티채널 상황에서 브리지 코디네이터 개념을 도입하여 채널을 연결시켜 줄 수 있는 기능을 도입함으로써 네트워크 확장을 가능케하여 확장성을 확보할 수 있다.

새로 가입하려는 노드는 이웃 노드들과는 다른 채널을 사용함으로서 자신의 윈도우에 해당하는 시간이 특정 이웃 노드와 겹치더라도 통신이 가능할 수 있다. 도 10에서 채널 1의 윈도우들만이 모두 점유된 상태이므로 새로 가입하려는 노드는 채널 2에 속하는 윈도우를 사용하여 네트워크에 가입할 수 있다. 이때, 채널 2에 속하는 윈도우라면 어떤 것이든 허용될 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 여기에서 설명되는 실시예에 한정되는 것은 아니며 다른 형태로 변형될 수 있다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전히 이해시키기 위하여 제공되는 것이다.

도 10은 본 발명에 따른 브리지 코디네이터에서 윈도우 할당 방법의 다른 실 시예를 나타내는 개념도이다.

Claims

하나 이상의 채널들을 사용하며 트리 구조를 가지는 무선 센서 네트워크의 통신 방법에 있어서,

상기 각 채널별로, 비컨 간격을 분할한 윈도우들을 생성하는 단계;

상기 윈도우들 중 특정 노드로부터 일정 범위 내에 존재하는 노드들에 할당되지 않은 윈도우를 선택하는 단계; 및

상기 특정 노드는 상기 선택된 윈도우에 해당하는 시간에 상기 선택된 윈도우가 속하는 채널을 이용하여 상기 특정 노드의 자식 노드와 통신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 방법.
제1항에 있어서,

상기 윈도우를 선택하는 단계는 상기 윈도우들 중 상기 노드들에 할당되지 않고, 상기 특정 노드의 부모 노드가 사용하는 채널에 속하는 윈도우를 선택하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 방법.
제1항에 있어서,

상기 윈도우를 선택하는 단계는 상기 특정 노드의 무선 신호가 직접 도달할 수 있는 영역(무선 전송 범위) 내에 존재하거나, 상기 영역에 존재하는 각 노드들의 무선 전송 범위 내에 존재하는 노드들에 할당되지 않은 윈도우를 선택하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 방법.
제3항에 있어서 상기 윈도우를 선택하는 단계는,

상기 특정 노드의 무선 전송 범위 내에 존재하는 노드들 각각에 대해 상기 윈도우들에 대응하는 비트들로 이루어진 비트벡터를 생성하는 단계;

상기 각 비트벡터에 대해 상기 각 비트벡터를 갖는 노드 및 상기 각 비트벡터를 갖는 노드의 무선 전송 범위 내에 있는 노드들에 할당된 윈도우들에 해당하는 비트들만을 1로 표시하는 단계;

상기 표시된 비트 벡터들의 논리합을 비트별로 계산하는 단계; 및

상기 논리합의 비트들 중 0인 비트에 해당하는 윈도우들 중에서 한 개의 윈도우를 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 방법.
제1항에 있어서,

상기 윈도우들을 생성하는 단계는 상기 각 윈도우들의 길이가 수퍼프레임 지속기간인 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 방법.
제1항에 있어서,

상기 특정 노드의 무선 신호가 직접 도달할 수 있는 영역 내에 위치하며, 가입된 장치들의 수가 허용치를 초과하지 않는 노드들 중 하나를 상기 특정 노드의 부모 노드로 선택하는 단계; 및

상기 부모 노드에 할당된 윈도우에 해당하는 시간에 상기 부모 노드에 할당된 윈도우가 속하는 채널을 이용하여 상기 부모 노드와 통신하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 방법.
제6항에 있어서,

상기 부모 노드를 제1 부모 노드로 선택하고, 상기 특정 노드의 무선 신호가 직접 도달할 수 있는 영역 내에 위치하며, 가입된 장치들의 수가 허용치를 초과하지 않는 노드들 중 상기 부모 노드가 아닌 노드를 상기 특정 노드의 제2 부모 노드로 선택하는 단계;를 더 포함하고,

상기 윈도우를 선택하는 단계는 상기 윈도우들 중 상기 특정 노드로부터 일정 범위 내에 존재하는 노드들에 할당되지 않고, 상기 제1 부모 노드 및 상기 제2 부모 노드에 할당된 윈도우에 해당하는 시간과 중복되지 않는 윈도우를 선택하며,

상기 부모 노드와 통신하는 단계는 상기 제1 부모 노드에 할당된 윈도우에 해당하는 시간에 상기 제1 부모 노드에 할당된 윈도우가 속하는 채널을 이용하여 상기 제 1부모 노드와 통신하거나, 상기 제2 부모 노드에 할당된 윈도우에 해당하는 시간에 상기 제2 부모 노드에 할당된 윈도우가 속하는 채널을 이용하여 상기 제2 부모 노드와 통신하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 방법.
제1항에 있어서,

상기 윈도우를 선택하는 단계는 상기 노드들에 할당되지 않은 윈도우들이 존재하면, 상기 노드들에 할당되지 않은 윈도우를 선택하고,

상기 자식 노드와 통신하는 단계는 상기 특정 노드는 상기 노드들에 할당되지 않은 윈도우들이 존재하면 상기 채널을 이용하여 상기 자식 노드와 통신하고, 그렇지 않으면 제한된 기능 장치(RFD)로서 상기 네트워크에 가입하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 방법.
하나 이상의 채널들을 사용하며 트리 구조를 가지는 무선 센서 네트워크의 게이트웨이에서의 통신 방법에 있어서,

상기 각 채널별로, 비컨 간격을 분할한 윈도우들을 생성하는 단계; 및

상기 윈도우들의 일부 또는 전부를 자식 노드들에 하나씩 할당하고, 상기 할당된 각 윈도우에 해당하는 시간에 상기 각 윈도우가 속하는 채널을 통하여 상기 각 윈도우가 할당된 자식 노드와 통신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 게이트웨이에서의 통신 방법.
하나 이상의 채널들을 사용하며 트리 구조를 가지는 무선 센서 네트워크의 통신 장치에 있어서,

상기 각 채널별로, 비컨 간격을 분할한 윈도우들을 생성하는 윈도우 생성부;

상기 윈도우들 중 특정 노드로부터 일정 범위 내에 존재하는 노드들에 할당되지 않은 윈도우를 선택하는 윈도우 선택부; 및

상기 특정 노드는 상기 선택된 윈도우에 해당하는 시간에 상기 선택된 윈도우가 속하는 채널을 이용하여 상기 특정 노드의 자식 노드와 통신하는 통신부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 장치.
제10항에 있어서,

상기 윈도우 선택부는 상기 윈도우들 중 상기 노드들에 할당되지 않고, 상기 특정 노드의 부모 노드가 사용하는 채널에 속하는 윈도우를 선택하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 장치.
제10항에 있어서,

상기 윈도우 선택부는 상기 특정 노드의 무선 신호가 직접 도달할 수 있는 영역(무선 전송 범위) 내에 존재하거나, 상기 영역에 존재하는 각 노드들의 무선 전송 범위 내에 존재하는 노드들에 할당되지 않은 윈도우를 선택하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 장치.
제12항에 있어서 상기 윈도우 선택부는,

상기 특정 노드의 무선 전송 범위 내에 존재하는 노드들 각각에 대해 상기 윈도우들에 대응하는 비트들로 이루어진 비트벡터를 생성하는 비트벡터 생성부;

상기 각 비트벡터에 대해 상기 각 비트벡터를 갖는 노드 및 상기 각 비트벡터를 갖는 노드의 무선 전송 범위 내에 있는 노드들에 할당된 윈도우들에 해당하는 비트들만을 1로 표시하는 비트벡터 표시부;

상기 표시된 비트 벡터들의 논리합을 비트별로 계산하는 계산부; 및

상기 논리합의 비트들 중 0인 비트에 해당하는 윈도우들 중에서 한 개의 윈도우를 선택하는 선택부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 장치.
제10항에 있어서,

상기 윈도우 생성부는 상기 각 윈도우들의 길이가 수퍼프레임 지속기간인 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 장치.
제10항에 있어서,

상기 특정 노드의 무선 신호가 직접 도달할 수 있는 영역 내에 위치하며, 가입된 장치들의 수가 허용치를 초과하지 않는 노드들 중 하나를 상기 특정 노드의 부모 노드로 선택하는 부모 노드 선택부; 및

상기 부모 노드에 할당된 윈도우에 해당하는 시간에 상기 부모 노드에 할당된 윈도우가 속하는 채널을 이용하여 상기 부모 노드와 통신하는 부모 노드 통신부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 장치.
제15항에 있어서,

상기 부모 노드를 제1 부모 노드로 선택하고, 상기 특정 노드의 무선 신호가 직접 도달할 수 있는 영역 내에 위치하며, 가입된 장치들의 수가 허용치를 초과하지 않는 노드들 중 상기 부모 노드가 아닌 노드를 상기 특정 노드의 제2 부모 노드로 선택하는 제2 부모 노드 선택부;를 더 포함하고,

상기 윈도우 선택부는 상기 윈도우들 중 상기 특정 노드로부터 일정 범위 내에 존재하는 노드들에 할당되지 않고, 상기 제1 부모 노드 및 상기 제2 부모 노드에 할당된 윈도우에 해당하는 시간과 중복되지 않는 윈도우를 선택하며,

상기 부모 노드 통신부는 상기 제1 부모 노드에 할당된 윈도우에 해당하는 시간에 상기 제1 부모 노드에 할당된 윈도우가 속하는 채널을 이용하여 상기 제 1부모 노드와 통신하거나, 상기 제2 부모 노드에 할당된 윈도우에 해당하는 시간에 상기 제2 부모 노드에 할당된 윈도우가 속하는 채널을 이용하여 상기 제2 부모 노드와 통신하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 장치.
제10항에 있어서,

상기 윈도우 선택부는 상기 노드들에 할당되지 않은 윈도우들이 존재하면, 상기 노드들에 할당되지 않은 윈도우를 선택하고,

상기 자식 노드 통신부는 상기 특정 노드는 상기 노드들에 할당되지 않은 윈도우들이 존재하면 상기 채널을 이용하여 상기 자식 노드와 통신하고, 그렇지 않으면 제한된 기능 장치(RFD)로서 상기 네트워크에 가입하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 통신 장치.
하나 이상의 채널들을 사용하며 트리 구조를 가지는 무선 센서 네트워크의 게이트웨이에 있어서,

상기 각 채널별로, 비컨 간격을 분할한 윈도우들을 생성하는 윈도우 생성부; 및

상기 윈도우들의 일부 또는 전부를 자식 노드들에 하나씩 할당하고, 상기 할당된 각 윈도우에 해당하는 시간에 상기 각 윈도우가 속하는 채널을 통하여 상기 각 윈도우가 할당된 자식 노드와 통신하는 통신부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 게이트웨이.