KR100930277B1

KR100930277B1 - 양방향 데이터 통신이 가능한 이중 링크된 무선 센서네트워크 및 데이터 송수신 방법

Info

Publication number: KR100930277B1
Application number: KR1020080039752A
Authority: KR
Inventors: 정한수; 문정호; 정태윤
Original assignee: 강릉원주대학교산학협력단
Priority date: 2008-04-29
Filing date: 2008-04-29
Publication date: 2009-12-09
Also published as: KR20090114007A; WO2009134005A1; US20110038252A1; US8411648B2

Abstract

본 발명은 양방향 통신이 가능한 이중 링크된 무선 센서 네트워크 시스템 및 데이터 송수신 방법에 관한 것이다. 상기 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 각 노드는 활성 구간 및 비활성 구간을 반복적으로 수행하며, 상기 활성 구간은 업링크 구간, 휴지 구간, 다운링크 구간을 구비한다. 상기 다운링크 구간 및 업링크 구간은 각각 제2 수신 구간, 제2 수신 처리 구간, 제1 수신 구간, 제1 수신 처리 구간, 송신 구간, 송신 처리 구간, 제1 확인 구간, 제1 확인 처리 구간, 제2 확인 구간, 제2 확인 처리 구간이 순차적으로 구성되어, 활성 구간의 단일 주기내에서 싱크 노드와 단말 노드간의 양방향 통신을 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 무선 센서 네트워크 시스템은 송신 처리 구간(TXP)을 다른 노드로부터 데이터를 수신할 수 있는 수신 모드로 유지함으로써, 신규 노드가 단말 노드 또는 중간 노드로 쉽게 합류(Join)할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크 시스템은 업링크 구간 및 다운링크 구간의 각각에 연속되는 2개의 수신 구간을 구비함으로써, 연속되는 2개의 노드에 대한 링크가 끊어지더라도 간단하게 복구(Recovery)할 수 있게 된다.

무선 센서 네트워크, 복구, 링크, 센서 노드, 선형 구조

Description

양방향 데이터 통신이 가능한 이중 링크된 무선 센서 네트워크 및 데이터 송수신 방법{Double Linked Wireless Sensor Network being capable of bidirectional communication and method thereof}

본 발명은 선형 구조를 갖는 이중 링크된 무선 센서 네트워크 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 활성 구간의 단일 주기내에 업링크 구간 및 다운링크 구간을 구비하여 단일 주기내에서 양방향 통신을 모두 수행하는 선형 구조를 갖는 무선 센서 네트워크 시스템 및 상기 무선 센서 네트워크 시스템에서의 데이터 송수신 방법에 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 제 안된 통신 프로토콜은 전반적으로 효율적인 무선 센서 네트워크의 구성이 가능하기는 하나, 싱크 노드(Sink Node)로부터 단말 노드(Terminal Node)로의 데이터 또는 명령 전송하는 다운스트림(downstream)이 불가능하다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 특허출원 10-2007-0008935호를 제안한 바 있다. 도 1 및 도 2는 전술한 특허에서 제안한 무선 센서 네트워크의 데이터 송수신 구조를 도시한 개념도들이다. 그런데, 전술한 특허출원에 따른 무선 센서 네트워크는 연속되는 2개의 노드에 대한 링크가 깨어지는 경우, 링크 복구(Recovery)가 어려운 문제점을 갖고 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 1개의 노드의 링크가 끊어지거나 연속되는 2개의 노드의 링크가 끊어지더라도 간단하게 복구할 수 있는 구조를 갖는 양방향 통신이 가능한 선형 구조의 센서 네트워크 및 그 데이터 송수신 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 신규 노드가 단말 노드 또는 중간 노드로 간단하게 합류할 수 있는 구조를 갖는 양방향 통신이 가능한 선형 구조의 센서 네트워크 및 그 데이터 송수신 방법을 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은 다수 개의 노드들로 구성되는 무선 센서 네트워크에 있어서, 각 노드는 상위 노드 및 하위 노드와 데이터를 송수신하는 활성 구간(Active Duration)을 구비하며, 상기 활성 구간은 단말 노드로부터 싱크 노드로의 데이터 및 명령어를 전송하는 업링크 구간, 싱크 노드로부터 단말 노드로의 데이터 및 명령어를 전송하는 다운링크 구간, 및 상기 다운링크 구간 및 상기 업링크 구간의 사이에 상하위 노드와 데이터를 송수신하지 않는 휴지 구간을 구비하며,

상기 다운링크 구간 및 업링크 구간은 각각 제2 수신 구간(Second Receive Slot; 'RX2'), 제2 수신 처리 구간(Second Receive Processing Slot;'RXP2'), 제1 수신 구간(First Receive Slot; 'RX1'), 제1 수신 처리 구간(First Receive Processing Slot;'RXP1'), 송신 구간(Transmit Slot;'TX'), 송신 처리 구간(Transmit Processing Slot;'TXP'), 제1 확인 구간(First Acknowledge Slot;'ACK1'), 제1 확인 처리 구간(First Acknowledge Processing Slot;'ACKP1'), 제2 확인 구간(Second Acknowledge Slot;'ACK2'), 제2 확인 처리 구간(Second Acknowledge Processing Slot;'ACKP2')이 순차적으로 구성되어, 활성 구간의 단일 주기내에서 싱크 노드와 단말 노드간의 양방향 통신을 수행한다.

전술한 특징을 갖는 상기 무선 센서 네트워크는 다운링크 구간 및 업링크 구간의 동기 상태(Sychronized State)에서 데이터 및 명령어 전송이 이루어지며,

임의의 노드에 대한 업링크 구간에서의 동기 상태에서는, 해당 노드의 RX1 및 ACK1은 각각 자식 노드의 TX 및 부모 노드의 TX와 동기화되며, 해당 노드의 RX2 및 ACK2는 각각 손자 노드의 TX 및 조부모 노드의 TX와 동기화되며,

임의의 노드에 대한 다운링크 구간에서의 동기 상태에서는, 해당 노드의 RX1 및 ACK1은 각각 부모 노드의 TX 및 자식 노드의 TX와 동기화되며, 해당 노드의 RX2 및 ACK2는 각각 조부모 노드의 TX 및 손자 노드의 TX와 동기화되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 특징에 따른 무선 센서 네트워크에서의 양방향 데이터 송수신 방법은, 다수 개의 노드들로 구성되는 무선 센서 네트워크에 있어서,

(a1) 특정 노드의 업링크 구간의 RX1 및 ACK1은 자식 노드의 TX 및 부모 노드의 TX와 동기화되며, RX2 및 ACK2는 손자 노드의 TX 및 조부모 노드의 TX와 동기화시키는 단계; 및

(a2) 상기 특정 노드의 다운링크 구간의 RX1 및 ACK1은 부모 노드의 TX 및 자식 노드의 TX와 동기화되며, RX2 및 ACK2는 조부모 노드의 TX 및 손자 노드의 TX와 동기화시키는 단계:를 구비한다.

전술한 특징을 갖는 무선 센세 네트워크에서의 양방향 데이터 송수신 방법은, 만약 외부의 신규 노드가 상기 무선 센서 네트워크의 단말 노드에 합류(Join)하고자 하는 경우,

(b1) 상기 신규 노드는 상기 네트워크의 노드들을 스캔하여 단말 노드를 검색하는 단계;

(b2) 상기 신규 노드는 상기 검색된 단말 노드로 합류 요청 메시지를 전송하는 단계,

(b3) 상기 단말 노드는 합류 응답 명령어를 상기 신규 노드로 전송하는 단계;

(b4) 상기 신규 노드는 상기 단말 노드로부터의 합류 응답 명령어에 따라, 동기 상태로 변경시키며 다음 주기에서 상기 신규 노드는 단말 노드가 되는 단계;를 구비하여 신규 노드가 상기 네트워크에 단말 노드로서 합류한다.

전술한 특징을 갖는 무선 센세 네트워크에서의 양방향 데이터 송수신 방법은, 만약 외부의 신규 노드가 상기 무선 센서 네트워크의 중간 노드로서 합류(Join)하고자 하는 경우,

(b1) 상기 신규 노드는 상기 네트워크의 노드들을 스캔하여 스캔된 노드들 중 하나를 부모 노드로 선택하는 단계;

(b2) 상기 신규 노드는 업링크 구간의 ACKP1 동안 합류 요청 메시지를 상기 선택한 부모 노드로 전송하는 단계;

(b3) 상기 부모 노드는 업링크 구간의 TXP 동안 신규 노드로부터 합류 요청 메시지를 수신하는 경우, 다운링크 구간의 TX 동안 하위 노드에게 후진 이동 명령어(Backward Shift Command)를 전송하는 단계;

(b4) 상기 하위 노드는 부모 노드로부터 수신된 후진 이동 명령어에 따라 1타임 슬롯 구간을 후진 이동하는 단계;

(b5) 다음 주기에서 상기 부모 노드는 업링크 구간의 TX동안 합류 응답 명령어를 상기 신규 노드로 전송하는 단계;

(b6) 상기 신규 노드는 상기 단말 노드로부터의 합류 응답 명령어에 따라, 동기 상태로 변경시켜 상기 신규 노드가 상기 부모 노드의 하위 노드가 되는 단계;를 구비하여 신규 노드가 상기 네트워크에 중간 노드로서 합류한다.

전술한 특징을 갖는 무선 센세 네트워크에서의 양방향 데이터 송수신 방법은, 상위 노드인 제1 노드로부터 제2 노드, 제3 노드가 순차적으로 연결되어 있는 센서 네트워크에서 상기 제2 노드에 대한 링크가 끊어진 경우,

(c1) 상기 제3 노드는 업링크 구간의 TX 동안 제1 노드 및 제2 노드로 메시지를 송신하는 단계;

(c2) 상기 제1 노드는 상기 제2 노드의 링크 상태가 끊어진 것을 확인하면, 상기 제3 노드를 상기 제1 노드의 자식 노드로 변경시키는 단계;를 구비하여 다른 노드들의 구간 변경과정없이 네트워크가 복구된다.

전술한 특징을 갖는 무선 센세 네트워크에서의 양방향 데이터 송수신 방법은, 상위노드인 제1 노드로부터 제2 노드, 제3 노드, 제4 노드, 제5 노드가 순차적으로 연결되어 있는 센서 네트워크에서 연속되는 상기 제2 노드 및 제3 노드에 대한 링크가 끊어진 경우,

(d1) 상기 제4 노드는 제2 노드 및 제3 노드와 데이터 송수신이 안되는 것을 확인하면, 링크 복구 요청 메시지를 상기 제1 노드로 전송한 후, 상기 제1 노드로부터 데이터를 수신할 수 있도록 동기화된 제3 수신 구간을 생성하는 단계;

(d2) 상기 제1 노드는 제4 노드로부터 링크 복구 요청 메시지를 수신하면, 제2 노드와 제3 노드와의 링크 상태를 확인한 후, 제4 노드로 링크 복구 응답 명령어를 송신하는 단계;

(d3) 상기 제4 노드는 상기 제3 수신 구간동안 상기 제1 노드로부터 링크 복구 응답 명령어를 수신하면, 제5 노드로 전진 이동 요청 명령어를 전송하는 단계;

(d4) 상기 제5 노드는 상기 제4 노드로부터의 전진 이동 요청 명령어에 따라 1개의 타임 슬롯 구간만큼 전진 이동하는 단계;를 구비하여 네트워크가 복구된다. 여기서, 상기 제4 노드의 제3 수신 구간은 제2 확인 처리 구간(ACKP2)의 뒤에 연속하여 생성되며, 상기 제1 노드의 송신 구간(TX)과 동기되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 무선 센서 네트워크는 송신 처리 구간(TXP)을 다른 노드로부터 데이터를 수신할 수 있는 수신 모드로 유지함으로써, 신규 노드가 단말 노드 또는 중간 노드로 쉽게 합류(Join)할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크는 업링크 구간 및 다운링크 구간의 각각에 연속되는 2개의 수신 구간을 구비함으로써, 연속되는 2개의 노드에 대한 링크가 끊어지더라도 간단하게 복구(Recovery)할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 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. 합류(join)는 WSLP 네트워크의 노드의 하나로 결합되는 것을 의미한다. 각 노드의 깊이(depth)는 싱크 노드로부터 해당 노드까지 도달하기 위하여 요구되는 접속 동작(access operation)의 횟수를 의미한다. 다운스트림 명령어/데이터(downstream command/data)는 싱크 노드로부터 단말 노드로의 명령어 및 데이터이다. 업스트림 명령어/데이터(upstream command/data)는 단말 노드로부터 싱크 노드로의 명령어 및 데이터이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 통신이 가능한 선형 구조 의 센서 네트워크에서의 TDMA 구조를 도시한 개념도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 센서 네트워크의 각 노드는 기설정된 시간 간격을 갖는 활성 구간(Active Duration;300)과 비활성 구간(Inactive Duration;350)이 반복되며, 상기 활성 구간은 노드들간에 데이터 또는 명령어들이 송수신되는 구간으로서, 업링크 구간(Upstream Duration;310), 휴지 구간(Intermission Duration;325), 다운링크 구간(Downstream Duration;330)으로 이루어진다. 상기 업링크 구간 및 다운링크 구간은 신호를 수신하는 제2 수신 구간(Second Receive Slot; 이하 'RX2'라 한다;311, 331), 수신된 신호를 처리하는 제2 수신 처리 구간(Second Receive Processing Slot; 이하 'RXP2'라 한다;312, 332), 신호를 수신하는 제1 수신 구간(First Receive Slot; 이하 'RX1'라 한다;313, 333), 수신된 신호를 처리하는 제1 수신 처리 구간(First Receive Processing Slot; 이하 'RXP1'라 한다;314, 334), 신호를 송신하는 송신 구간(Transmit Slot; 이하 'TX'라 한다;315, 335), 신호를 처리하거나 신호를 수신하는 송신 처리 구간(Transmit Peocessing Slot; 이하 'TXP'라 한다;316, 336), 제1 확인 구간(First Acknowledge Slot; 이하 'ACK1'라 한다;317, 337), 제1 확인 처리 구간(First Acknowledge Processing Slot; 이하 'ACKP1'라 한다;318, 338), 제2 확인 구간(Second Acknowledge Slot; 이하 'ACK2'라 한다;319, 339), 제2 확인 처리 구간(Second Acknowledge Processing Slot; 이하 'ACKP2'라 한다;320, 340)이 순차적으로 구성된다.

업링크 구간에서의 동기 상태(Synchronized state)에서는, 임의의 노드의 RX1 슬롯 및 ACK1 슬롯은 자식 노드의 TX 슬롯 및 부모 노드의 TX 슬롯과 각각 동 기되며, RX2 슬롯 및 ACK2 슬롯은 손자 노드의 TX 슬롯 및 조부모 노드의 TX 슬롯과 각각 동기된다. 다운링크 구간에서의 동기 상태(Synchronized state)에서는, 임의의 노드의 RX1 슬롯 및 ACK1 슬롯은 부모 노드의 TX 슬롯 및 자식 노드의 TX 슬롯과 각각 동기되며, RX2 슬롯 및 ACK2 슬롯은 조부모 노드의 TX 슬롯 및 손자 노드의 TX 슬롯과 각각 동기된다.

한편, 본 발명에 따른 통신 네트워크에 있어서, 전체 홉수가 n인 네트워크에서 깊이(depth)가 k인 노드의 휴지 기간(I)은 수학식 1과 같이 결정될 수 있다.

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

제1 신규노드 합류( Terminal Join )

이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 센서 네트워크에 있어서 신규 노드가 기존 네트워크에 단말 노드로 합류하는 과정을 설명한다. 설명의 편의상, 네트워크는 3개의 노드로 구성되는 것으로 가정하며, 상기 3개의 노드는 제1 노드, 제2 노드 및 단말 노드이며, 이들이 선형적으로 연결된다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 센서 네트워크에 단말 노드로 합류하고자 하는 신규 노드는 초기화한 후(단계 500), 주변 노드들을 스캔하여(단계 510) 부모 노드가 될 해당 센서 네트워크의 단말 노드를 찾아낸 후(단계 520), 단말 노드와 타임 동기화를 시킨다(단계 530). 다음 상기 단말 노드에 합류할 것을 결정한 후(단계 540), 업링크 활성구간의 TX 동안 합류 요청(Join Request) 메시지를 단말 노드로 전송한다(단계 550).

한편 단말 노드는 업링크 활성 구간의 제1 수신 구간(RX1) 동안 신규 노드로부터 합류 요청 메시지를 수신하는 경우(①), 업링크 활성 구간의 제1 수신 처리 구간(RXP1) 동안 합류 응답 명령어(Join Response Command)를 생성하여(단계 560), 송신 구간(TX) 동안 신규 노드에게 전송한다(단계 570).

신규 노드는 업링크 활성 구간의 제1 확인 구간(ACK1) 동안 상기 단말 노드로부터 합류 응답 명령어를 수신하여(②) 휴지 구간을 조정하고 동기 상태로 변경하여, 다음 주기에 해당 센서 네트워크의 단말 노드가 된다(단계 580).

제2 신규 노드 합류( Break Join )

이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 센서 네트워크에 있어서 신규 노드가 기존 네트워크에 중간 노드로 합류하는 과정을 설명한다. 설명의 편의상, 네트워크는 3개의 노드로 구성되는 것으로 가정하며, 상기 3개의 노드는 제1 노드, 제2 노드 및 제3 노드이며, 이들이 선형적으로 연결된다. 이하 신규 노드가 제2 노드에 합류되는 과정을 설명한다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 센서 네트워크에 중간 노드로 합류하고자 하는 신규 노드는 초기화한 후(단계 600), 주변 노드들을 스캔하여(단계 610) 부모 노드가 될 해당 센서 네트워크의 중간 노드인 제2 노드를 찾아낸 후(단계 620), 제2 노드와 타임 동기화를 시킨다(단계 630). 다음 상기 제2 노드에 합류할 것을 결정한 후(단계 640), 업링크 활성구간의 제1 확인 처리 구간(ACKP1) 동안 합류 요청(Join Request) 메시지를 제2 노드로 전송한다(단계 650).

한편 제2 노드는 업링크 활성 구간의 송신 처리 구간(TXP) 동안 신규 노드로부터 합류 요청 메시지를 수신하는 경우(①), 다운링크 활성 구간의 송신 구간(TX) 동안 제3 노드로 후진 이동 명령어(Backward Shift Command) 및 깊이 조정 명령을 전송한다(단계 660).

한편, 상기 제3 노드는 제2 수신 구간동안 후진 이동 명령어를 수신하게 되면(②), 1 개의 타임 슬롯 구간을 후진 이동하고 깊이를 1개 증가시킨다(단계670).

다음 사이클이 도래하면, 제2 노드는 업링크 활성 구간의 송신 구간(TX) 동안 합류 응답 명령어(Join Response Command)를 신규 노드로 전송한다(단계 680).

신규 노드는 다음 사이클의 업링크 활성 구간의 제1 확인 구간(ACK1) 동안 상기 단말 노드로부터 합류 응답 명령어를 수신하여(③) 휴지 구간을 조정하고 동기 상태로 변경하여, 해당 센서 네트워크의 제2 노드의 자식 노드(Child Node) 및 제3 노드의 부모 노드(Parent Node)로 합류한다(단계 690).

이와 같이, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크는 송신 처리 구간(TXP)을 다른 노드로부터 데이터를 수신할 수 있는 수신 모드로 유지함으로써, 신규 노드가 단말 노드 또는 중간 노드로 쉽게 합류(Join)할 수 있게 된다.

제1 복구 과정

이하, 도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 센서 네트워크에 있어서 1개의 노드의 링크가 끊어진 경우의 링크 복구(Recovery) 과정을 설명한다. 링크 복구 과정은 전체 네트워크의 토폴로지에서 중간 노드의 링크가 끊어진 경우에 복구되는 과정이다. 설명의 편의상, 네트워크는 3개의 노드로 구성되는 것으로 가정하며, 상기 3개의 노드는 제1 노드, 제2 노드 및 제3 노드이며, 제2 노드의 링크가 끊어진 경우에 복구되는 과정을 설명한다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 제3 노드는 업링크 활성 구간의 송신 구간(TX) 동안 제2 노드 및 제1 노드로 메시지를 송신한다(단계 S800).

한편, 제1 노드는 제1 수신 구간(RX1) 동안 자식노드인 제2 노드로부터 데이터 수신이 없는 경우, 제2 노드의 링크 상태를 확인한다(단계 810). 만약 제2 노드의 링크 상태가 끊어진 것이 확인되면, 제1 노드는 자식 노드를 제2 노드에서 제3 노드로 변경시켜(단계 820), 복구 과정을 완료한다.

따라서, 본 발명에 따른 센서 네트워크는 하나의 노드의 링크가 끊어지는 경우, 다른 노드들의 구간의 변경없이 부모 노드에 대한 자식 노드의 변경만으로 간단하게 복구 과정을 완료하게 된다.

여기서, 제2 노드의 링크 상태를 확인하는 과정은 제2 노드의 LQI(Link Quality Indicator)를 확인하여 결정하게 되며, 상기 LQI는 제2 노드로부터의 데이터 수신 성공 여부에 따라 결정되는 상수값이다. 하지만, 본 발명은 링크 상태를 확인하는 방법으로서 LQI를 사용하는 방법만으로 한정하는 것은 아니며, 그 외에도 가능한 다양한 방법을 사용할 수 있다.

제2 복구 과정

이하, 도 10 및 도 11을 참조하여 본 발명에 따른 센서 네트워크에 있어서 연속되는 2개의 노드의 링크가 끊어진 경우의 링크 복구(Recovery) 과정을 설명한다. 링크 복구 과정은 전체 네트워크의 토폴로지에서 중간 노드의 링크가 끊어진 경우에 복구되는 과정이다. 설명의 편의상, 네트워크는 5개의 노드로 구성되는 것으로 가정하며, 상기 5개의 노드는 제1 노드, 제2 노드, 제3 노드, 제4 노드 및 제5 노드이며, 제2 및 제3 노드의 링크가 끊어진 경우에 복구되는 과정을 설명한다.

제4 노드는 부모 노드인 제3 노드 및 조부모 노드인 제2 노드와 데이터 송수신이 안되는 경우, 업링크 활성 구간의 제1 확인 구간(ACK1) 동안 링크 복구 요청(Recovery Request) 메시지를 제1 노드로 전송한 후(단계 900), 제2 확인 처리 구간(ACKP2) 다음에 추가의 제3 수신 구간(RX3)을 생성한다(단계 910). 상기 제2 수신 구간은 제1 노드의 송신 구간(TX)과 동기상태가 되도록 형성된다.

한편, 제1 노드는 제1 수신 구간(RX2) 동안 제4 노드로부터 링크 복구 요청 메시지를 수신하는 경우(①), 자식 노드인 제2 노드와 손자 노드인 제3 노드의 링크 품질 표시자(Link Quality Indicator;'LQI')를 확인한 후(단계 920), 제2 노드와 제3 노드의 링크가 모두 끊어진 것이 확인되면 업링크 활성 구간의 제4 노드로 링크 복구 응답 명령어를 전송한다(단계 930).

상기 제4 노드는 업링크 활성 구간의 제3 수신 구간(RX3) 동안 상기 제1 노드로부터 링크 복구 응답 명령어를 수신하는 경우(②), 다운링크 활성 구간의 송신 구간(TX) 동안 제5 노드로 전진 이동 요청(Forward Shift Request) 명령어 및 깊이 조정 명령어를 전송한다(단계 940). 다음, 제4 노드는 자신의 깊이를 조정하고 1 슬롯 전진 이동한다.

상기 제5 노드는 RX1 구간 동안 상기 제4 노드로부터 전진 이동 요청 명령어 및 깊이 조정 명령어를 수신하는 경우(③), 1개의 구간에 대하여 전진 이동함과 동시에 깊이를 1 감소시킨다(S960).

따라서, 연속하는 제2 노드 및 제3 노드의 링크가 끊어지더라도, 간단하게 링크 복구가 이루어진다.

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 네트워크에서의 통신 방법은 다수 개의 센서 노드들을 구비하는 무선 센서 네트워크(WSN) 또는 유비쿼터스 분야에 널리 사용될 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 무선 센서 네트워크의 데이터 송수신 구조를 도시한 개념도들이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양방향 통신이 가능한 선형 구조의 센서 네트워크에서의 TDMA 구조를 전체적으로 도시한 개념도이다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서 네트워크에 있어서 신규 노드가 기존 네트워크에 단말 노드로 합류하는 과정을 도시한 개념도 및 흐름도이다.

도 6 및 도 7는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서 네트워크에 있어서 신규 노드가 기존 네트워크에 중간 노드로 합류하는 과정을 도시한 개념도 및 흐름도이다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서 네트워크에 있어서 1개의 노드의 링크가 끊어진 경우의 링크 복구(Recovery) 과정을 도시한 개념도 및 흐름도이다.

도 10 및 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서 네트워크에 있어서 연속되는 2개의 노드의 링크가 끊어진 경우의 링크 복구(Recovery) 과정을 도시한 개념도 및 흐름도이다.

Claims

선형 연결된 다수 개의 노드들로 구성되고, 싱크 노드는 상기 노드들 중 최상위 노드이며, 단말 노드는 상기 노드들 중 최하위 노드이며, 부모 노드 및 조부모 노드는 각 노드에 순차적으로 연결되는 상위 노드 및 차상위 노드이며, 자식 노드 및 손자 노드는 각 노드에 순차적으로 연결되는 하위 노드 및 차하위 노드인 무선 센서 네트워크 시스템에 있어서,

각 노드는 상위 노드 및 하위 노드와 데이터를 송수신하는 활성 구간(Active Duration)을 구비하며, 상기 활성 구간은 단말 노드로부터 싱크 노드로의 데이터 및 명령어를 전송하는 업링크 구간, 및 싱크 노드로부터 단말 노드로의 데이터 및 명령어를 전송하는 다운링크 구간을 구비하며,

상기 다운링크 구간 및 업링크 구간은 각각 제2 수신 구간(Second Receive Slot; 'RX2'), 제2 수신 처리 구간(Second Receive Processing Slot;'RXP2'), 제1 수신 구간(First Receive Slot; 'RX1'), 제1 수신 처리 구간(First Receive Processing Slot;'RXP1'), 송신 구간(Transmit Slot;'TX'), 송신 처리 구간(Transmit Processing Slot;'TXP'), 제1 확인 구간(First Acknowledge Slot;'ACK1'), 제1 확인 처리 구간(First Acknowledge Processing Slot;'ACKP1'), 제2 확인 구간(Second Acknowledge Slot;'ACK2'), 제2 확인 처리 구간(Second Acknowledge Processing Slot;'ACKP2')이 순차적으로 구성되어,

활성 구간의 단일 주기내에서 싱크 노드와 단말 노드간의 양방향 통신을 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템.
제1항에 있어서, 상기 활성 구간은 상기 다운링크 구간 및 상기 업링크 구간의 사이에 상하위 노드와 데이터를 송수신하지 않는 휴지 구간을 더 구비하며, 각 노드가 갖는 휴지 구간은 해당 노드의 깊이(depth) 및 전체 무선 센서 네트워크를 구성하는 홉(Hop) 수에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템.
제1항에 있어서, 상기 무선 센서 네트워크 시스템의 각 노드의 RX1, RX2, ACK1, ACK2 및 TXP를 다른 노드로부터 데이터를 수신할 수 있는 수신 모드로 유지하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무선 센서 네트워크 시스템 은 다운링크 구간 및 업링크 구간의 동기 상태(Sychronized State)에서 데이터 및 명령어 전송이 이루어지며,

각 노드에 대한 업링크 구간의 RX1 및 ACK1은 자식 노드의 TX 및 부모 노드의 TX와 각각 동기화되며, 각 노드에 대한 업링크 구간의 RX2 및 ACK2는 손자 노드의 TX 및 조부모 노드의 TX와 각각 동기화되며,

각 노드에 대한 다운링크 구간의 RX1 및 ACK1은 부모 노드의 TX 및 자식 노드의 TX와 각각 동기화되며, 각 노드에 대한 다운링크 구간의 RX2 및 ACK2는 조부모 노드의 TX 및 손자 노드의 TX와 각각 동기화되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템.
선형 연결된 다수 개의 노드들로 구성되며, 싱크 노드는 상기 노드들 중 최상위 노드이며, 단말 노드는 상기 노드들 중 최하위 노드이며, 부모 노드 및 조부모 노드는 각 노드에 순차적으로 연결되는 상위 노드 및 차상위 노드이며, 자식 노드 및 손자 노드는 각 노드에 순차적으로 연결되는 하위 노드 및 차하위 노드이며, 각 노드의 활성 구간은 단말 노드로부터 싱크 노드로 신호를 전송하는 업링크 구간 및 싱크 노드로부터 단말 노드로 신호를 전송하는 다운링크 구간을 구비하고, 상기 업링크 구간 및 다운링크 구간은 RX2, RXP2, RX1, RXP1, TX, TXP, ACK1, ACKP1, ACK2, ACKP2를 구비하는 무선 센서 네트워크에서의 양방향 데이터 송수신 방법에 있어서,

(a1) 각 노드의 업링크 구간의 RX1 및 ACK1은 자식 노드의 TX 및 부모 노드의 TX와 각각 동기화되며, RX2 및 ACK2는 손자 노드의 TX 및 조부모 노드의 TX와 각각 동기화시키는 단계; 및

(a2) 각 노드의 다운링크 구간의 RX1 및 ACK1은 부모 노드의 TX 및 자식 노드의 TX와 각각 동기화되며, RX2 및 ACK2는 조부모 노드의 TX 및 손자 노드의 TX와 각각 동기화시키는 단계:

를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 양방향 데이터 송수신 방법.
제5항에 있어서, 만약 외부의 신규 노드가 상기 무선 센서 네트워크의 단말 노드에 합류(Join)하고자 하는 경우,

(b1) 상기 신규 노드는 상기 무선 센서 네트워크의 노드들을 스캔하여 단말 노드를 검색하는 단계;

(b2) 상기 신규 노드는 상기 검색된 단말 노드로 합류 요청 메시지를 전송하는 단계,

(b3) 상기 단말 노드는 합류 응답 명령어를 상기 신규 노드로 전송하는 단계;

(b4) 상기 신규 노드는 상기 단말 노드로부터의 합류 응답 명령어에 따라, 동기 상태로 변경시키며 다음 주기에서 상기 신규 노드는 단말 노드가 되는 단계;

를 구비하여 신규 노드가 상기 무선 센서 네트워크에 단말 노드로서 합류되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 양방향 데이터 송수신 방법.
제5항에 있어서, 만약 외부의 신규 노드가 상기 무선 센서 네트워크의 중간노드로서 합류(Join)하고자 하는 경우,

(b1) 상기 신규 노드는 상기 무선 센서 네트워크의 노드들을 스캔하여 다수 개의 노드들 중 하나를 부모 노드로 선택하는 단계;

(b2) 상기 신규 노드는 업링크 구간의 ACKP1 동안 합류 요청 메시지를 상기 선택된 부모 노드로 전송하는 단계;

(b3) 상기 선택된 부모 노드가 업링크 구간의 TXP 동안 신규 노드로부터 합류 요청 메시지를 수신하는 경우, 다운링크 구간의 TX 동안 상기 선택된 부모 노드에 선형 연결된 하위 노드에게 후진 이동 명령어(Backward Shift Command)를 전송하는 단계;

(b4) 상기 선택된 부모 노드로부터 수신된 후진 이동 명령어를 수신한 하위 노드는 1타임 슬롯 구간을 후진 이동하는 단계;

(b5) 다음 주기에서 상기 선택된 부모 노드는 업링크 구간의 TX동안 합류 응답 명령어를 상기 신규 노드로 전송하는 단계;

(b6) 상기 신규 노드는 상기 선택된 부모 노드로부터의 합류 응답 명령어에 따라, 동기 상태로 변경시켜 상기 신규 노드가 상기 선택된 부모 노드의 하위 노드가 되는 단계;

를 구비하여 신규 노드가 상기 무선 센서 네트워크에 중간 노드로서 합류되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 양방향 데이터 송수신 방법.
제5항에 있어서, 상위 노드인 제1 노드로부터 제2 노드, 제3 노드가 순차적으로 연결되어 있는 무선 센서 네트워크에서 상기 제2 노드에 대한 링크가 끊어진 경우,

(c1) 상기 제3 노드는 업링크 구간의 TX 동안 제1 노드 및 제2 노드로 메시지를 송신하는 단계;

(c2) 상기 제1 노드는 상기 제2 노드의 링크 상태가 끊어진 것을 확인하면, 상기 제3 노드를 상기 제1 노드의 자식 노드로 변경시키는 단계;

를 구비하여 다른 노드들의 구간 변경과정없이 무선 센서 네트워크가 복구되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 양방향 데이터 송수신 방법.
제5항에 있어서, 상위노드인 제1 노드로부터 제2 노드, 제3 노드, 제4 노드, 제5 노드가 순차적으로 연결되어 있는 무선 센서 네트워크에서 연속되는 상기 제2 노드 및 제3 노드에 대한 링크가 끊어진 경우,

(d1) 상기 제4 노드는 제2 노드 및 제3 노드와 데이터 송수신이 안되는 것을 확인하면, 링크 복구 요청 메시지를 상기 제1 노드로 전송한 후, 상기 제1 노드로부터 데이터를 수신할 수 있도록 동기화된 제3 수신 구간을 생성하는 단계;

(d2) 상기 제1 노드는 제4 노드로부터 링크 복구 요청 메시지를 수신하면, 제2 노드와 제3 노드와의 링크 상태를 확인한 후, 제4 노드로 링크 복구 응답 명령어를 송신하는 단계;

(d3) 상기 제4 노드는 상기 제3 수신 구간동안 상기 제1 노드로부터 링크 복구 응답 명령어를 수신하면, 제5 노드로 전진 이동 요청 명령어를 전송하는 단계;

(d4) 상기 제5 노드는 상기 제4 노드로부터의 전진 이동 요청 명령어에 따라 1개의 타임 슬롯 구간만큼 전진 이동하는 단계;

를 구비하여, 무선 센서 네트워크가 복구되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 양방향 데이터 송수신 방법.
제9항에 있어서, 상기 제4 노드의 제3 수신 구간은 제2 확인 처리 구간(ACKP2)의 뒤에 연속하여 생성되며, 상기 제1 노드의 송신 구간(TX)과 동기되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 양방향 데이터 송수신 방법.