KR100920211B1 - 무선센서네트워크의 센서 노드들의 타이머 동기화 방법 - Google Patents

무선센서네트워크의 센서 노드들의 타이머 동기화 방법 Download PDF

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김홍록
이승구
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장웅진
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경북대학교 산학협력단
포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드들 간의 타이머 동기화 방법에 관한 것이다. 상기 타이머 동기화 방법은, 센서 노드가 초기화 과정을 수행한 후, 일정 시간을 주기로 하여 매주기마다 반복적으로 동기화 과정을 수행한다. 상기 동기화 과정은 다음과 같다. 초기 동기화 패킷을 송수신하여 2f+1개의 센서 노드의 타이머 값을 기록하며, 기록된 타이머 값 중 중앙값을 검출하여 기준 시간값으로 설정하며, 기준 시간값을 기록한 동기화 패킷을 센서 노드들간에 송수신하며, 동기화 패킷을 수신한 센서 노드는 동기화 패킷의 기준 시간값을 이용하여 타이머를 보정한다. 상기 타이머 동기화 방법은 주기적으로 동기화 과정을 수행함으로써 무선 센서 네트워크내에 타이머 결함이 있는 센서 노드의 개수가 f개 존재하더라도 정상인 센서 노드가 f+1개이상인 경우 일정한 수준의 정확성을 갖는 시간 동기화를 유지할 수 있으며, N개의 센서 노드로 구성된 센서 네트워크에서 N-1 개의 센서 노드에 일시적인 단순 결함이 발생한 경우에도 시간 동기화가 가능하다.
무선 센서 네트워크, 센서 노드, 타이머, 동기화

Description

무선센서네트워크의 센서 노드들의 타이머 동기화 방법{Method for synchronizing timers of sensor nodes in the wireless sensor network}
본 발명은 무선 센서 네트워크에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드들 간의 타이머 동기화 방법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크는 센서를 장착한 다수의 센서 노드들로 구성되어 해당 지역에서 원하는 정보를 자동적으로 수집하고 수집된 정보를 다양하게 활용하기 위한 시스템이다. 이러한 무선 센서 네트워크는 무인 경비, 재해 감지, 자연 생태 조사, 산업 시설의 상태 파악, 환자의 건강 상태 파악 등과 같은 다양한 분야에 활용이 가능하기 때문에 최근 들어 많은 관심을 받고 있다.
무선 센서 네트워크에 있어서, 대상 추적 기능과 같은 응용 프로그램은 센서에 의해 감지된 정보의 시간적 순서나 각 정보 간의 시간적 차이값을 필요로 하며 이런 경우 각 노드들간의 시간 동기화가 선행되어야 한다. 또한, 시분할 다중화(Time Division Multiplexing) 기법을 수행하기 위해서는 무선 센서 네트워크를 구성하는 각각의 장치들이 관리하는 시계들이 모두 동기화되어야 한다. 또한, 정해진 시간 내에 주어진 작업을 완료해야 하는 실시간 응용 프로그램을 위해서도 무선 센서 네트워크를 구성하는 노드를 간에 시간 동기화가 필요하다.
한편, 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드들은 일반적인 시스템에 비해 연산 능력 및 통신 능력이 낮으며, 메모리의 용량이 적으며, 배터리와 같이 제한된 전원에 의해서도 비교적 장기간 동안 동작되어야 하므로 저전력으로 구동되는 것이 일반적이다. 이러한 특성을 갖는 센서 노드들은 저전력으로 무선 통신을 함에 따라 신호의 강도가 약해지고 같은 주파수 대를 사용하는 다른 기기들에 의해 통신 링크가 끊어질 가능성이 높아지게 된다.
무선 통신을 기반으로 하는 기존의 시간 동기화 기술들은 GPS나 기지국과 같이 추가적인 장비를 필요하거나 정확도의 향상을 위해 복잡한 연산을 필요로 하기 때문에 제한된 성능을 가진 무선 센서 네트워크에는 적합하지 않다.
최근 들어 이러한 점들을 고려하여 무선 센서 네트워크를 대상으로 하는 시간 동기화 기술들이 다양하게 제시되었다. 이러한 시간 동기화 기술들을 별도의 장치를 필요로 하지 않고 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드들 중의 특정 노드를 기준으로 다른 노드들이 시간 값을 조정하게 된다. 하지만, 이러한 방법들은 결함이 있는 센서 노드나 통신 링크에 대해 고려하고 있지 않기 때문에 결함이 있는 노드를 기준으로 할 경우 전체 네트워크의 시간 동기화 수준을 보장할 수 없게 된다.
도 1은 일반적인 무선 센서 네트워크에서의 각 센서 노드의 타이머 결함에 대해 설명하기 위하여 도시한 그래프이다. 무선 센서 네트워크를 구성하는 각각의 센서 노드들은 내부적으로 동작하는 타이머 값을 시간 값으로 사용한다. 이와 같이 각 센서 노드의 타이머는 센서 노드의 동작 클럭에 비례하여 증가하게 되는데, 일 반적으로 모든 센서 노드의 동작 클럭들이 정확하게 일치하는 것이 아니라 미세하게 차이가 나게 된다. 도 1을 참조하면, 7개의 센서 노드들에 대한 타이머 값이 예시적으로 도시되어 있다. 점선으로 표시된 것은 절대적인 실제 시간과 정확히 일치하여 증가되는 가상의 타이머 값을 갖는 센서 노드를 나타낸 것이다. 이 점선을 기준으로 상단에 위치한 실선은 실제 시간보다 타이머 값이 더 빨리 증가하는 센서 노드들을 나타내고, 하단에 위치한 실선은 실제 시간 보다 타이머 값이 더 천천히 증가하는 센서 노드들을 나타낸다. 실제 시간에 대한 타이머 값의 편차율(drfit rate)의 허용 범위를 ρ라고 하고, 임의의 시간 t1과 t2에서의 센서 노드 i의 시간을 각각 ci(t2), ci(t1) 이라고 할 때, 센서 노드의 타이머 결함의 허용 범위는 수학식 1과 같이 산출된다.
Figure 112008028139364-pat00001
이러한 타이머 결함을 갖고 있는 센서 노드를 기준 노드로 선정할 경우 시간 동기화를 하더라도 빠른 시간 내에 시간값의 오차가 증가하게 되므로 높은 수준의 시간 동기화 정확도를 보장할 수 없게 된다.
센서 노드는 상기의 타이머 결함 외에도 비정상적인 동작을 할 수 있다. 이러한 비정상적인 동작들 중에서 다른 정상적인 센서 노드의 동작까지 방해하는 악의적인 결함을 제외한 결함을 단순 결함이라고 부르도록 하겠다. 이러한 단순 결함에는 송/수신 기능의 정지, 잘못된 타이머 값의 전송, 센서 노드 자체의 동작 정지 와 같은 경우가 해당한다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드의 타이머 결함이나 단순 결함을 포용할 수 있는 센서 노드의 타이머 동기화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 N개의 센서 노드로 구성된 무선 센서 네트워크에서 타이머 결함에 대해서는 f 개의 결함 센서 노드에 대해 정상인 센서 노드가 f+1 개 이상이고, 일시적인 단순 결함에 대해서는 N-1개의 결함이 발생하더라도 정상 노드들끼리 일정한 수준의 정확도로 시간 동기화를 유지할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은 다수 개의 센서 노드들로 구성되는 무선 센서 네트워크에서의 타이머 동기화 방법에 관한 것으로서,
(a) 센서 노드들의 타이머의 시간을 일정한 값으로 초기화시키는 단계; 및
(b) 일정 시간을 주기로 하여 매주기마다 기준 시간값을 생성하고 기준 시간값을 이용하여 센서 노드들을 동기화시키는 단계;
(c) 전원 절약 모드에서 복귀한 센서 노드에게 시간 동기화 정보를 제공하여 상기 복귀한 센서 노드를 재동기화시키는 단계;를 구비하고,
상기 (b) 단계는 센서 노드들의 현재 시간값을 획득하고, 획득된 센서 노드들의 현재 시간값들 중 중앙값에 해당하는 값을 기준 시간값을 결정하고, 결정된 기준 시간값을 이용하여 센서 노드들을 동기화한다.
전술한 특징의 타이머 동기화 방법의 상기 (a) 단계는,
(a1) 각 센서 노드는 랜덤 시간을 설정하고, 설정된 상기 랜덤 시간 동안 대기한 후 가장 먼저 대기 시간을 통과한 센서 노드가 초기 시간값을 기록한 초기화 패킷을 생성하여 전송하는 단계;
(a2) 상기 초기화 패킷을 받은 센서 노드들은 자신의 시간값을 상기 초기화 패킷에 기록된 초기 시간값으로 조정하고 패킷에 기록된 시간을 갱신하여 재전송하는 단계;를 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 상기 타이머 동기화 방법은 각 센서 노드들이 상기 무선 센서 네트워크에서 포용할 수 있는 타이머의 결함을 갖는 센서 노드의 개수(f)를 설정하는 단계를 더 구비하고,
상기 (b) 단계는,
(b1) 각 센서 노드가 사전에 설정된 동기화 주기를 대기하는 단계;
(b2) 각 센서 노드는 랜덤 시간을 설정하고, 상기 랜덤 시간 동안 대기한 후, 가장 먼저 대기 시간을 통과한 센서 노드가 자신의 타이머 값을 기록한 초기 동기화 패킷을 송신하며, 초기 동기화 패킷을 수신한 센서 노드들은 초기 동기화 패킷에 자신의 타이머 값을 기록하여 재전송하여, 2f+1 개의 타이머 값을 기록한 초기 동기화 패킷을 완성하는 단계;
(b3) 2f+1 개의 타이머 값이 기록된 초기 동기화 패킷을 수신한 센서 노드는 상기 초기 동기화 패킷에 기록된 타이머 값들 중 중간값을 검출하여 기준 시간값으 로 기록한 동기화 패킷을 생성하고, 상기 동기화 패킷을 다른 센서 노드로 전송하는 단계;
(b4) 동기화 패킷을 수신한 센서 노드들은 동기화 패킷의 기준 시간값을 이용하여 자신의 타이머 값을 보정하는 단계;를 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 타이머 동기화 방법의 상기 (c) 단계는
(c1) 전원절약모드에서 복귀한 센서 노드가 랜덤 시간동안 대기한 후 동기화 정보 요청 패킷을 송신하고 응답 패킷을 수신하여 자신의 타이머값을 보정하며, 랜덤 시간이 종료하기 전에 동기화 패킷을 수신하는 경우 상기 동기화 패킷을 이용하여 자신의 타이머 값을 보정하는 단계;
(c2) 동기화 정보 요청 패킷을 수신한 센서 노드는 자신의 타이머 값을 기록한 응답 패킷을 생성하여 상기 동기화 정보 요청 패킷을 송신한 센서 노드로 전송하는 단계;를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 특징은 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에서의 타이머 동기화 방법에 관한 것으로서,
(a) 센서 노드가 처음 시작되는 상태인지 또는 전원절약모드에서 복귀한 상태인지 여부를 확인하는 단계;
(b) 센서 노드가 처음 시작되는 상태인 경우, 상기 무선 센서 네트워크가 타이머 결함을 포용할 수 있는 센서 노드의 개수(f)를 설정하고 타이머를 초기화시키는 단계;
(c) 센서 노드가 전원 절약 모드에서 복귀한 상태인 경우, 타이머 값을 보정 하여 재동기화시키는 단계;
(d) 상기 타이머 결함을 포용할 수 있는 센서 노드의 개수(f)를 이용하여 타이머 값을 보정하며, 일정 시간을 주기로 하여 반복적으로 타이머 값을 보정하여 동기화시키는 단계;를 구비한다.
전술한 특징을 갖는 타이머 동기화 방법의 상기 (b) 단계는
(b1) 무선 센서 네트워크가 포용할 수 있는 타이머 결함을 갖는 센서 노드의 개수(f)를 설정하는 단계;
(b2) 랜덤 시간을 설정하는 단계;
(b3) 만약 상기 랜덤 시간이 종료되기 전에 다른 센서 노드로부터 초기화 패킷을 수신하는 경우, 상기 수신된 초기화 패킷으로부터 초기 시간값을 검출하고 타이머머를 상기 검출된 초기 시간값으로 설정하며, 상기 초기화 패킷을 다른 센서 노드로 재전송하는 단계;
(b4) 만약 초기화 패킷을 수신하지 아니하고 상기 랜덤 시간이 종료된 경우, 타이머를 일정한 초기 시간값으로 설정하고 상기 초기 시간값을 기록한 초기화 패킷(IP)을 생성하여 다른 센서 노드로 전송하는 단계;를 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 타이머 동기화 방법의 상기 (c) 단계는
(c1) 랜덤 시간을 설정하는 단계;
(c2) 만약 상기 랜덤 시간이 종료되기 전에 다른 센서 노드로부터 동기화 패킷(SP)을 수신하는 경우, 동기화 패킷으로부터 기준 시간값을 검출하고, 상기 기준 시간값을 이용하여 타이머 값을 보정하는 단계;
(c3) 만약 동기화 패킷을 수신하지 아니하고 상기 랜덤 시간이 종료된 경우, 동기화 정보 요청 패킷(RSP)을 생성하여 다른 센서 노드로 전송한 후, 다른 센서 노드로부터 응답 패킷(SRP)을 수신하면, 상기 수신된 응답 패킷으로부터 기준 시간값을 검출하고, 검출된 기준 시간값을 이용하여 타이머 값을 보정하는 단계;를 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징을 갖는 타이머 동기화 방법의 상기 (d) 단계는,
(d1) 사전에 설정된 동기화 주기를 대기하는 단계;
(d2) 랜덤 시간을 설정하는 단계;
(d3) 만약 상기 설정된 랜덤 시간이 종료되기 전에 다른 센서 노드로부터 초기 동기화 패킷(ISP)을 수신하는 경우, 초기 동기화 패킷내의 타이머 값을 기록한 필드의 개수가 2f+1 개이면, 상기 초기 동기화 패킷으로부터 기준 시간값을 검출하여 타이머 값을 보정하고 상기 기준 시간값을 기록한 동기화 패킷을 생성하여 다른 센서 노드로 전송하는 단계;
(d4) 만약 상기 설정된 랜덤 시간이 종료되기 전에 다른 센서 노드로부터 초기 동기화 패킷(ISP)을 수신하는 경우, 초기 동기화 패킷내의 타이머 값을 기록한 필드의 개수가 2f+1 개보다 적으면, 타이머 현재값을 상기 초기 동기화 패킷에 추가한 후 다른 센서 노드로 재전송하며, 다른 센서 노드로부터 동기화 패킷을 수신하여 타이머 값을 보정하는 단계;
(d5) 만약 다른 센서 노드로부터 초기 동기화 패킷을 수신하지 아니하고 상기 랜덤 시간이 종료된 경우, 타이머 현재값을 기록한 초기 동기화 패킷을 생성하 여 다른 센서 노드로 전송하며, 다른 센서 노드로부터 동기화 패킷을 수신하여 타이머 값을 보정하는 단계;를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 센서 노드의 타이머 동기화 방법을 적용한 무선 센서 네트워크는, 정상 범위로 허용되는 타이머 값의 편차율이 ρ이고 타이머 결함을 가진 노드가 f개이고 정상 노드가 f+1개 이상일 때, 중앙값인 타이머 값으로 모든 센서 노드들의 타이머 값을 동기화하면 정상 노드들은 허용 편차율 내에서 타이머 값이 조절된다. 여기에서 각 시간 동기화 주기에서 가장 빠른 노드가 동기화되는데 걸리는 시간을 tmin, 가장 느린 노드가 동기화 되는데 걸리는 시간을 tmax라고 할 때, 요구되는 시간 동기화 정확도 δ를 얻기 위한 시간 동기화 주기 T는 수학식 3과 같이 산출된다.
Figure 112008028139364-pat00002
또한, 본 발명에 따른 동기화 방법을 적용함으로써, 일정한 주기를 설정하고 시간 동기화를 위한 제어 패킷들을 매주기마다 연속적으로 보내는 방법을 사용하여, 전체 노드의 개수가 N개인 무선 센서 네트워크에서 일시적으로 발생하는 단순 결함을 최대 N-1개까지 포용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 무선 센서 네트워크에서의 시간 동기화를 하는데 있어서 2f + 1개의 타이머 값 중에서 중앙값을 골라 시간 동기화의 기 준으로 함으로써 각 센서 노드 사이의 타이머 편차율 때문에 시간이 경과함에 따라 증가하는 시간값 오차를 줄이고 f 개까지의 타이머 결함을 포용한다. 그리고, 연속적으로 제어 패킷을 보냄으로써 일시적으로 발생하는 단순 결함을 N개의 센서 노드로 구성된 무선 센서 네트워크에서 N-1 개까지 포용할 수 있다. 이 과정에서 복잡한 연산이 필요 없고 센서 노드 간의 메시지 교환과 단순한 사칙연산만을 필요로 한다. 따라서, 본 발명에 따른 동기화 방법은 연산 능력이 부족한 센서 노드로 구성된 무선 센서 네트워크에 적용하기에 매우 적합하다.
이하, 첨부된 도면 2 내지 도면 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드의 동기화 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서 노드 동기화 방법을 전체적으로 도시한 흐름도이며, 도 3은 도 2의 초기화 과정을 구체적으로 도시한 흐름도이며, 도 4는 도 2의 동기화 과정을 구체적으로 도시한 흐름도이며, 도 5는 도 2의 재동기화 과정을 구체적으로 도시한 흐름도이다. 도 6은 도 2를 전체적으로 도시한 흐름도이다.
먼저 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 동기화 방법을 전체적으로 설명한다. 먼저, 센서 노드는 네트워크에 추가되어 새로이 시작되거나 전원 절약 모드에서 복귀하는 경우인지 여부를 확인한다(단계 20).
만약 네트워크에 추가되어 새로이 시작되는 경우, 초기화 패킷(INIT PACKET;'IP'라 한다.)을 송수신하여 모든 센서 노드들의 타이머를 일정한 값으로 설정하는 타이머 초기화 과정(단계 30)을 수행한 후, 일정 시간을 주기로 하여 동기화 과정을 반복적으로 수행한다(단계 40). 상기 동기화 과정은, 초기 동기화 패킷(INIT SYNC PACKET;'ISP'라 한다)을 송수신하여 초기 동기화 패킷내에 2f+1개의 필드의 타이머 값을 기록하고, 상기 초기 동기화 패킷으로부터 기준 시간값을 검출하여 동기화 패킷(SYNC PACKET;'SP'라 한다)을 생성한 후, 동기화 패킷을 이용하여 모든 센서 노드들의 타이머를 보정하게 된다.
만약 전원 절약 모드에서 복귀하는 경우, 재동기화 과정을 수행한 후 (단계 50), 동기화 과정을 반복적으로 수행한다(단계 40). 상기 재동기화 과정은 랜덤 시간동안 다른 센서 노드로부터 동기화 패킷이 수신되는 경우 동기화 패킷을 이용하여 타이머 값을 보정한다. 만약 랜덤 시간동안 동기화 패킷이 수신되지 않는 경우 동기화 정보 요청 패킷(RESYNC PACKET;'RSP'라 한다)을 송신하고 응답 패킷(SYNC REPLY PACKET; 'SRP'라 한다)을 수신하여 타이머 값을 보정한 후, 동기화 과정을 반복(反復)적으로 수행하게 된다.
이하, 본 발명에서 사용되는 초기화 패킷(IP), 초기 동기화 패킷(ISP), 동기화 패킷(SP), 동기화 정보 요청 패킷(RSP) 및 응답 패킷(SRP)에 대하여 설명한다. 상기 초기화 패킷(IP)은 초기화 과정에서 센서 노드의 타이머를 초기화시키는 시간값이 기록되어 송수신된다. 상기 초기 동기화 패킷(ISP)은 동기화 과정에서 2f+1 개의 센서 노드를 송수신하여 해당 센서 노드들의 타이머 값을 기록한 패킷이다. 상기 동기화 패킷(SP)은 상기 ISP에 기록된 타이머 값들 중 중간값을 검출하여 기준 시간값으로 기록한 패킷으로서, 센서 노드들이 SP의 기준 시간값을 이용하여 자 신의 타이머 값을 보정한다. 상기 동기화 정보 요청 패킷(RSP)은 재동기화 과정에서 전원절약모드에서 복귀한 센서 노드가 타이머 동기화 정보를 요청하기 위하여 다른 센서 노드로 전송하는 패킷이다. 상기 응답 패킷(SRP)은 상기 RSP을 수신한 센서 노드가 상기 RSP에 응답하여 기준 시간값을 기록하여 전송하는 패킷으로서, 상기 RSP를 요청한 센서 노드가 상기 SRP에 따라 타이머를 보정하게 된다.
초기화 과정
이하, 도 3을 참조하여 각 센서 노드가 타이머를 초기화시키는 과정(단계 30)을 순차적으로 설명한다. 무선 센서 네트워크에서 포용할 수 있는 타이머 결함을 갖는 센서 노드의 개수(f)를 설정한다(단계 300). 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드의 개수가 N인 경우, 2f+1 <= N 이어야 한다. 포용가능한 타이머 결함을 갖는 센서 노드의 갯수(f)는 사전에 관리자로부터 입력되거나 프로그램에 사전에 설정될 수 있으며, 그 갯수(f)를 입력하거나 설정하는 방법에 대해서는 본 발명에서는 구체적으로 제한하지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 동기화 방법은 무선 센서 네트워크내에 타이머 결함을 갖는 센서 노드가 f개인 경우, 무선 센서 네트워크 내에 2f+1 개 이상의 센서 노드의 타이머값을 확인하여 기준 노드를 설정함으로써, 보다 정확한 시간 동기화를 보장할 수 있게 된다.
다음, 다른 센서 노드와의 통신 충돌을 피하기 위한 랜덤(random) 시간을 설정한다(단계 310). 설정된 랜덤 시간을 대기한 후(단계 320) 자신의 타이머값을 일정한 값인 초기화시키고, 초기화된 타이머의 초기 시간값을 기록한 초기화 패킷(IP)을 생성하여 전송한다(단계 350). 만약 단계 320에서 랜덤 시간을 대기하는 동안 다른 센서 노드로부터 초기화 패킷(IP)을 수신하는 경우(단계 330), 랜덤 시간의 대기를 종료하고, 상기 수신된 초기화 패킷(IP)으로부터 초기 시간값을 검출하고, 검출된 초기 시간값을 이용하여 자신의 타이머를 초기화시킨다(단계 340). 다음, 초기화 패킷을 수신하지 못한 센서 노드들로 상기 초기화 패킷을 재전송한다(단계 342). 초기화 패킷을 재전송하는 경우, 센서 노드들간의 데이터 송수신에 따른 지연 시간을 보상하여 재전송하거나, 초기화 패킷을 수신하는 센서 노드들이 수신된 패킷의 데이터 송수신에 따른 지연 시간을 보상한 후 자신의 타이머값을 초기화시킬 수 있다.
만약 단계 330에서 여러 개의 초기화 패킷(IP)을 수신한 경우, 가장 마지막에 수신된 초기화 패킷에 기록된 초기 시간값을 이용하여 타이머를 초기화시킬 수 있다.
동기화 과정
이하, 도 4를 참조하여 초기화 과정을 거친 센서 노드의 동기화 과정(단계 40)을 구체적으로 설명한다.
전술한 과정에 의해 센서 노드를 초기화시킨 후, 사전에 설정된 동기화 주기를 대기한다(단계 410). 이와 같이, 일정 시간을 주기로 하여 매 주기마다 타이머 동기화 과정을 반복적으로 수행함으로써, 무선 센서 네트워크의 모든 센서 노드들이 시간이 경과하더라도 타이머의 오차를 최소화시킬 수 있게 된다.
만약 다음 동기화 주기를 대기하는 동안 다른 센서 노드로부터 동기화 정보 요청 패킷(RSP)을 수신하는 경우, 타이머의 현재 시간값을 기록한 응답 패킷(SRP) 을 생성하여 상기 동기화 정보 요청 패킷을 전송한 센서 노드로 송신한다(단계 412).
동기화 주기가 도래되면, 다른 센서 노드와의 통신 충돌을 피하기 위한 랜덤 시간을 설정하고, 설정된 랜덤 시간을 대기한 후(단계 420), 자신의 타이머의 현재값을 기록한 초기 동기화 패킷(ISP)을 생성하여(단계 422) 다른 센서 노드로 송신한 후(단계 444), 다른 센서 노드로부터 동기화 패킷(SP)을 수신할 때까지 대기한다(단계 446). 동기화 패킷을 수신할 때까지 대기하는 동안, 다른 ISP를 수신하는 경우, ISP에 타이머값을 기록하여 다시 전송한다(단계 445).
동기화 패킷(ISP)을 수신하는 경우, 동기화 패킷(SP)으로부터 기준 시간값을 검출하고, 검출된 기준 시간값을 이용하여 자신의 타이머를 보정하고(단계 448), 동기화 패킷(SP)을 다른 센서 노드로 재전송한다(단계 449). 타이머를 보정하는 방법을 후술한다. 한편, 단계 446에서 서로 다른 기준 시간값을 갖는 여러 개의 동기화 패킷(ISP)을 수신하는 경우, 각 동기화 패킷에 기록된 기준 시간값의 최소값, 최대값 또는 평균값 들중의 하나를 선택하여 기준 시간값으로 사용할 수 있을 것이다.
단계 420에서 설정된 랜덤 시간이 종료되기 전에 다른 센서 노드로부터 초기 동기화 패킷(ISP)이 수신되는 경우(단계 430), 상기 초기 동기화 패킷(ISP)내에 존재하는 타이머 값을 기록하는 필드의 개수가 2f+1 개인지 여부를 확인한다(단계 440). 만약 초기 동기화 패킷(ISP)내에 존재하는 타이머 값을 기록하는 필드의 개수가 2f+1개보다 적은 경우, 상기 수신된 초기 동기화 패킷(ISP)에 자신의 타이머 값을 추가한 후(단계 442) 해당 초기 동기화 패킷을 다른 센서 노드로 송신한다(단계 444). 다음, 다른 센서 노드로부터 동기화 패킷(SP)을 수신할 때까지 대기한다(단계 446). 동기화 패킷(SP)을 수신하는 경우, 동기화 패킷(SP)으로부터 기준 시간값을 검출하고, 검출된 기준 시간값을 이용하여 자신의 타이머를 보정하고(단계 448), 동기화 패킷(SP)을 다른 센서 노드로 재전송한다(단계 449).
만약 단계 440에서 초기 동기화 패킷내에 존재하는 타이머 값을 기록하는 필드가 2f+1개 인 경우, 상기 초기 동기화 패킷의 각 필드들에 기록된 타이머값 중 중간값(median value)을 검출하고, 검출된 중간값을 기준 시간값으로 기록한 동기화 패킷(SYNC PACKET)을 생성하여 다른 센서 노드로 전송한 후(단계 450), 상기 기준 시간값으로 해당 센서 노드의 타이머를 보정한다(단계 460).
이하, 센서 노드가 동기화 패킷의 타이머 동기 값을 이용하여 자신의 타이머를 보정하는 과정을 간략하게 설명한다. 먼저 동기화 패킷의 기준 시간값을 fixoffset 으로 저장하고, 현재 자신의 타이머의 시간 값을 prevtimerval 으로 저장하고, 자신의 시간 값의 편차율이 기준 시간 값의 편차율과 일치하도록 보정하기 위한 값을 fixfreq 으로 저장하면, 임의의 시간 값 timerval 에 대해 보정된 시간값 correcttimerval 은 수학식 3과 같이 산출된다.
Figure 112008028139364-pat00003
상기 단계를 거치고 각 센서 노드는 다음 시간 동기화 주기가 될 때까지 대기하고, 다음 동기화 주기가 도래하면 상기 시간 동기화 단계를 다시 수행한다.
재동기화 과정
이하, 도 5를 참조하여, 재동기화 과정(단계 50)에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 5를 참조하면, 먼저 랜덤 시간을 설정한 후 설정된 랜덤 시간을 대기한 후(단계 500), 동기화 정보 요청 패킷(RSP)을 전송한 후(단계 520), 다른 센서 노드로부터 응답 패킷(SRP)을 수신하면(단계 530), 수신된 응답 패킷에 포함된 기준 시간값에 따라 타이머 값을 보정한다(단계 540).
만약 단계 550에서 랜덤 시간이 종료되기 전에 다른 센서 노드로부터 초기 동기화 패킷(ISP)을 수신하는 경우(S504), 초기 동기화 패킷에 타이머값을 기록하여 전송한다(S508). 만약, 동기화 패킷을 수신하는 경우(단계 510), 수신된 동기화 패킷으로부터 기준 시간값을 검출하고, 검출된 기준 시간값으로 타이머 값을 보정한다(단계 540).
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 동기화 방법은 각 센서 노드들이 동기화 과정(단계 40) 또는 재동기화 과정(단계 50)을 수행한 후 다시 동기화 과정을 반복적으로 수행하게 된다.
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 따른 센서 노드의 타이머 동기화 방법은 다수 개의 센서 노드들로 구성되는 무선 센서 네트워크 등과 같이 서로 다른 타이머를 사용하는 단말들로 구성되는 네트워크에 널리 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 7개의 센서 노드들에 대한 타이머 값이 예시적으로 도시되어 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서 노드 동기화 방법을 전체적으로 도시한 흐름도이다.
도 3은 도 2의 초기화 과정을 구체적으로 도시한 흐름도이며, 도 4는 도 2의 동기화 과정을 구체적으로 도시한 흐름도이며, 도 5는 도 2의 재동기화 과정을 구체적으로 도시한 흐름도이며, 도 6은 도 2를 전체적으로 다시 도시한 흐름도이다.

Claims (11)

  1. 다수 개의 센서 노드들로 구성되는 무선 센서 네트워크에서의 타이머 동기화 방법에 있어서;
    (a) 센서 노드들의 타이머의 시간을 일정한 값으로 초기화시키는 단계; 및
    (b) 일정 시간을 주기로 하여 매주기마다 기준 시간값을 생성하고 기준 시간값을 이용하여 센서 노드들을 동기화시키는 단계;를 구비하고,
    상기 (b) 단계는 센서 노드들의 현재 시간값을 획득하고, 획득된 센서 노드들의 현재 시간값들을 이용하여 기준 시간값을 결정하고, 결정된 기준 시간값을 이용하여 센서 노드들을 동기화하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 타이머 동기화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 시간 동기화 방법은 (c) 전원 절약 모드에서 복귀한 센서 노드에게 시간 동기화 정보를 제공하여 상기 복귀한 센서 노드를 재동기화시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 타이머 동기화 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 (b) 단계는 모든 센서 노드들의 현재 시간값들 중 중앙값에 해당하는 값을 기준 시간값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 타이머 동기화 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
    (a1) 각 센서 노드는 랜덤 시간을 설정하고, 설정된 상기 랜덤 시간 동안 대기한 후 가장 먼저 대기 시간을 통과한 센서 노드가 초기 시간값을 기록한 초기화 패킷을 생성하여 전송하는 단계;
    (a2) 상기 초기화 패킷을 받은 센서 노드들은 자신의 시간값을 상기 초기화 패킷에 기록된 초기 시간값으로 조정하고 패킷에 기록된 시간을 갱신하여 재전송하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 타이머 동기화 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    (b1) 각 센서 노드가 사전에 설정된 동기화 주기를 대기하는 단계;
    (b2) 각 센서 노드는 랜덤 시간을 설정하고, 상기 랜덤 시간 동안 대기한 후, 가장 먼저 대기 시간을 통과한 센서 노드가 자신의 타이머 값을 기록한 초기 동기화 패킷을 송신하며, 초기 동기화 패킷을 수신한 센서 노드들은 초기 동기화 패킷에 자신의 타이머 값을 기록하여 재전송하여, 초기 동기화 패킷을 완성하는 단계;
    (b3) 사전에 설정된 개수의 타이머 값이 기록된 초기 동기화 패킷을 수신한 센서 노드는 상기 초기 동기화 패킷의 타이머 값들 중 중간값을 검출하여 기준 시 간값으로 기록한 동기화 패킷을 생성하고, 상기 동기화 패킷을 다른 센서 노드로 전송하는 단계;
    (b4) 동기화 패킷을 수신한 센서 노드들은 동기화 패킷의 기준 시간값을 이용하여 자신의 타이머 값을 보정하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 타이머 동기화 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시간 동기화 방법은 각 센서 노드들이 상기 무선 센서 네트워크에서 포용할 수 있는 타이머의 결함을 갖는 센서 노드의 개수(f)를 설정하는 단계를 더 구비하고,
    상기 (b) 단계는,
    (b1) 각 센서 노드가 사전에 설정된 동기화 주기를 대기하는 단계;
    (b2) 각 센서 노드는 랜덤 시간을 설정하고, 상기 랜덤 시간 동안 대기한 후, 가장 먼저 대기 시간을 통과한 센서 노드가 자신의 타이머 값을 기록한 초기 동기화 패킷을 송신하며, 초기 동기화 패킷을 수신한 센서 노드들은 초기 동기화 패킷에 자신의 타이머 값을 기록하여 재전송하여, 2f+1 개의 타이머 값을 기록한 초기 동기화 패킷을 완성하는 단계;
    (b3) 2f+1 개의 타이머 값이 기록된 초기 동기화 패킷을 수신한 센서 노드는 상기 초기 동기화 패킷에 기록된 타이머 값들 중 중간값을 검출하여 기준 시간값으로 기록한 동기화 패킷을 생성하고, 상기 동기화 패킷을 다른 센서 노드로 전송하 는 단계;
    (b4) 동기화 패킷을 수신한 센서 노드들은 동기화 패킷의 기준 시간값을 이용하여 자신의 타이머 값을 보정하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 타이머 동기화 방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    (c1) 전원절약모드에서 복귀한 센서 노드가 랜덤 시간동안 대기한 후 동기화 정보 요청 패킷을 송신하고 응답 패킷을 수신하여 자신의 타이머값을 보정하며, 랜덤 시간이 종료하기 전에 동기화 패킷을 수신하는 경우 상기 동기화 패킷을 이용하여 자신의 타이머 값을 보정하는 단계;
    (c2) 동기화 정보 요청 패킷을 수신한 센서 노드는 자신의 타이머 값을 기록한 응답 패킷을 생성하여 상기 동기화 정보 요청 패킷을 송신한 센서 노드로 전송하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 타이머 동기화 방법.
  8. 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에서의 타이머 동기화 방법에 있어서,
    (a) 센서 노드가 처음 시작되는 상태인지 또는 전원절약모드에서 복귀한 상 태인지 여부를 확인하는 단계;
    (b) 센서 노드가 처음 시작되는 상태인 경우, 상기 무선 센서 네트워크가 타이머 결함을 포용할 수 있는 센서 노드의 개수(f)를 설정하고 타이머를 초기화시키는 단계;
    (c) 센서 노드가 전원 절약 모드에서 복귀한 상태인 경우, 타이머 값을 보정하여 재동기화시키는 단계;
    (d) 상기 타이머 결함을 포용할 수 있는 센서 노드의 개수(f)를 이용하여 타이머 값을 보정하며, 일정 시간을 주기로 하여 반복적으로 타이머 값을 보정하여 동기화시키는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 센서 노드에서의 타이머 동기화 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 (b) 단계는
    (b1) 무선 센서 네트워크가 포용할 수 있는 타이머 결함을 갖는 센서 노드의 개수(f)를 설정하는 단계;
    (b2) 랜덤 시간을 설정하는 단계;
    (b3) 만약 상기 랜덤 시간이 종료되기 전에 다른 센서 노드로부터 초기화 패킷을 수신하는 경우, 상기 수신된 초기화 패킷으로부터 초기 시간값을 검출하고 타이머머를 상기 검출된 초기 시간값으로 설정하며, 상기 초기화 패킷을 다른 센서 노드로 재전송하는 단계;
    (b4) 만약 초기화 패킷을 수신하지 아니하고 상기 랜덤 시간이 종료된 경우, 타이머를 일정한 초기 시간값으로 설정하고 상기 초기 시간값을 기록한 초기화 패킷(IP)을 생성하여 다른 센서 노드로 전송하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 센서 노드에서의 타이머 동기화 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 (c) 단계는
    (c1) 랜덤 시간을 설정하는 단계;
    (c2) 만약 상기 랜덤 시간이 종료되기 전에 다른 센서 노드로부터 동기화 패킷(SP)을 수신하는 경우, 동기화 패킷으로부터 기준 시간값을 검출하고, 상기 기준 시간값을 이용하여 타이머 값을 보정하는 단계;
    (c3) 만약 동기화 패킷을 수신하지 아니하고 상기 랜덤 시간이 종료된 경우, 동기화 정보 요청 패킷(RSP)을 생성하여 다른 센서 노드로 전송한 후, 다른 센서 노드로부터 응답 패킷(SRP)을 수신하면, 상기 수신된 응답 패킷으로부터 기준 시간값을 검출하고, 검출된 기준 시간값을 이용하여 타이머 값을 보정하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 센서 노드에서의 타이머 동기화 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    (d1) 사전에 설정된 동기화 주기를 대기하는 단계;
    (d2) 랜덤 시간을 설정하는 단계;
    (d3) 만약 상기 설정된 랜덤 시간이 종료되기 전에 다른 센서 노드로부터 초기 동기화 패킷(ISP)을 수신하는 경우, 초기 동기화 패킷내의 타이머 값을 기록한 필드의 개수가 2f+1 개이면, 상기 초기 동기화 패킷으로부터 기준 시간값을 검출하여 타이머 값을 보정하고 상기 기준 시간값을 기록한 동기화 패킷을 생성하여 다른 센서 노드로 전송하는 단계;
    (d4) 만약 상기 설정된 랜덤 시간이 종료되기 전에 다른 센서 노드로부터 초기 동기화 패킷(ISP)을 수신하는 경우, 초기 동기화 패킷내의 타이머 값을 기록한 필드의 개수가 2f+1 개보다 적으면, 타이머 현재값을 상기 초기 동기화 패킷에 추가한 후 다른 센서 노드로 재전송하며, 다른 센서 노드로부터 동기화 패킷을 수신하여 타이머 값을 보정하는 단계;
    (d5) 만약 다른 센서 노드로부터 초기 동기화 패킷을 수신하지 아니하고 상기 랜덤 시간이 종료된 경우, 타이머 현재값을 기록한 초기 동기화 패킷을 생성하여 다른 센서 노드로 전송하며, 다른 센서 노드로부터 동기화 패킷을 수신하여 타이머 값을 보정하는 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 타이머 동기화 방법.
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