KR100965058B1 - 무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것으로, 무선 센서 네트워크에서 게이트웨이가 센서노드로 전송한 단일 프로브 패킷의 전송시간 및 도착시간의 시간차를 이용하여 가용 대역폭을 추정하고, 가용 대역폭을 이용하여 센서노드의 보고주기를 결정하기 위한, 무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 보고주기 결정 방법에 있어서, 전송시간을 기록한 프로브 패킷을 센서노드로 전송하는 전송 단계; 상기 전송시간 및 상기 프로브 패킷의 도착시간에 대한 시간차에 따라 추정된 가용 대역폭을 상기 센서노드로부터 제공받는 단계; 및 상기 가용 대역폭을 이용하여 상기 센서노드의 보고주기를 결정하는 결정 단계를 포함한다.
무선 센서 네트워크, 가용 대역폭, 보고주기, 센서노드, 게이트웨이

Description

무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정 방법{method for the decision of reporting frequency based on available bandwidth in Wireless Sensor Network}
본 발명은 무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 센서 네트워크에서 게이트웨이가 센서노드로 전송한 단일 프로브 패킷의 전송시간 및 도착시간의 시간차를 이용하여 가용 대역폭을 추정하고, 가용 대역폭을 이용하여 센서노드의 보고주기를 결정하기 위한, 무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.
최근 들어, 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network: WSN)는 온도, 습도, 조도, 압력 등과 같은 상태 및 환경정보를 측정 및 감지하기 위해 활용되고 있다. 특히, 무선 센서 네트워크는 구조물 및 빌딩 상태감시, 화산활동 상태감시, 식 물재배 상태감시 등과 같이, 사람의 접근이 어렵거나 수시로 측정 및 감시할 필요가 있는 지역과 대상물에 효과적으로 활용될 수 있다.
최근 무선 센서 네트워크의 연구자들은 모든 센서노드에 IP 주소를 할당한 후 관리서버에서 해당 센서노드를 제어할 수 있도록 하는 기술에 대한 연구를 진행하고 있다.
이때, 무선 센서 네트워크에서는 TCP 기반의 프로토콜 및 이미지센서를 이용하는 경우에 대용량 트래픽이 발생함에 따라, 네트워크 혼잡(congestion)에 의한 데이터의 전송품질(QoS)을 보장하기 어렵다.
따라서 무선 센서 네트워크가 본격적인 도입되기에 앞서, 무선 센서 네트워크에서는 센서망의 특성을 반영하여 가용 대역폭(available bandwidth)을 추정하고, 그에 따라 트래픽량을 미리 조절할 수 있는 기술이 제안될 필요성이 있다.
즉, 무선 센서 네트워크는 '센서노드-게이트웨이(싱크노드 포함)-관리서버'와 같이 계층적인 개념에 따라 구성되고, 게이트웨이에서 인터넷을 통해 외부망 즉, 관리서버로 데이터를 전달하는 방식을 기본적으로 적용하고 있기 때문에, 게이트웨이에서 적절한 가용 대역폭을 추정하고 그에 따라 센서노드의 보고주기를 조정할 필요성이 더욱 요구되고 있다.
하지만, 종래의 방식은 대부분 무선 센서 네트워크의 도메인 내에서 보고주기를 결정하는 방식에 초점이 맞춰 있으며, 실제 게이트웨이에서 가용 대역폭을 추정하여 센서노드의 보고주기를 결정하는 방식에 대해 제안되고 있지 않은 실정이다.
종래에 가용 대역폭 추정 방식은 대표적으로 PGM(Probe Gap Model), PRM(Probe Rate Model) 등이 있다.
도 1은 종래의 가용 대역폭 추정 방식에 대한 설명도이다.
도 1에 도시된 종래의 가용 대역폭 추정 방식은 프로브 패킷(probe packet) 사이의 시간차의 변화를 기준으로 가용대역폭을 산정하는 PGM 방식을 나타내고 있다.
즉, PGM 방식은 송신 시간차(Δin)를 갖는 일련의 프로브 패킷을 전송한 후, 일련의 프로브 패킷 간의 수신 시간차(Δout)를 재확인하여, 하기 [수학식 1]에 따라 해당 가용 대역폭을 추정하는 방식이다.
Figure 112008047370519-pat00001
여기서, 'A'는 가용 대역폭이고, 'C'는 병목링크(bottle neck)의 용량(capacity)이다. 'C'는 병목링크에 패킷이 전송되지 않을 때 최대 가용 대역폭이다.
부가적으로, PRM 방식은 PGM 방식과 매우 유사하며, 가용 대역폭과 비교하여 프로브 패킷의 전송률을 달리하면서 송수신 데이터의 전송속도가 일치하는 점에서 가용 대역폭을 추정하는 방식이다.
종래의 PGM 방식 및 PRM 방식은 대용량 멀티미디어 데이터를 전송하기 위해 대역폭을 미리 산정하기 위한 방식으로서, 적어도 2개 이상의 프로브 패킷을 전송하여 가용 대역폭을 추정하는 방식을 기본적으로 취하고 있다.
그런데, 무선 센서 네트워크에서는 멀티미디어 데이터와 달리 패킷의 길이가 길지 않은 단순 데이터를 전송하고 센서망 특성상 모든 센서노드의 보고주기가 동일한 경우가 대부분이므로, 종래와 같이 다수의 프로브 패킷을 전송하여 가용 대역폭 추정을 자주 할 필요가 없다.
따라서 무선 센서 네트워크에서는 센서망 자체에 부담을 줄일 뿐만 아니라 센서망 특성을 고려한 방식으로 가용 대역폭을 추정하여 센서노드의 보고주기를 결정할 필요성이 더욱 요구된다.
따라서 상기와 같은 종래 기술은 무선 센서 네트워크의 특성에 맞게 가용 대역폭을 추정하여 센서노드의 보고주기를 결정하는 기술이 제안되지 않는 문제점이 있으며, 이러한 문제점을 해결하고자 하는 것이 본 발명의 과제이다.
따라서 본 발명은 무선 센서 네트워크에서 게이트웨이가 센서노드로 전송한 단일 프로브 패킷의 전송시간 및 도착시간의 시간차를 이용하여 가용 대역폭을 추정하고, 가용 대역폭을 이용하여 센서노드의 보고주기를 결정하기 위한, 무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 보고주기 결정 방법에 있어서, 전송시간을 기록한 프로브 패킷을 센서노드로 전송하는 전송 단계; 상기 전송 시간 및 상기 프로브 패킷의 도착시간에 대한 시간차에 따라 추정된 가용 대역폭을 상기 센서노드로부터 제공받는 단계; 및 상기 가용 대역폭을 이용하여 상기 센서노드의 보고주기를 결정하는 결정 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 방법은, 보고주기 결정 방법에 있어서, 전송시간을 기록한 프로브 패킷을 센서노드로 전송하는 전송 단계; 상기 전송시간 및 상기 프로브 패킷의 도착시간에 대한 시간차를 상기 센서노드로부터 제공받는 단계; 상기 시간차를 이용하여 가용 대역폭을 추정하는 단계; 및 상기 가용 대역폭을 이용하여 상기 센서노드의 보고주기를 결정하는 결정 단계를 포함한다.
한편, 본 발명은, 프로세서를 구비한 게이트웨이에, 전송시간을 기록한 프로브 패킷을 센서노드로 전송하는 기능; 상기 전송시간 및 상기 프로브 패킷의 도착시간에 대한 시간차에 따라 추정된 가용 대역폭을 상기 센서노드로부터 제공받는 기능; 및 상기 가용 대역폭을 이용하여 상기 센서노드의 보고주기를 결정하는 기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
또한, 본 발명은, 프로세서를 구비한 게이트웨이에, 전송시간을 기록한 프로브 패킷을 센서노드로 전송하는 기능; 상기 전송시간 및 상기 프로브 패킷의 도착시간에 대한 시간차를 상기 센서노드로부터 제공받는 기능; 상기 시간차를 이용하여 가용 대역폭을 추정하는 기능; 및 상기 가용 대역폭을 이용하여 상기 센서노드의 보고주기를 결정하는 기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
상기와 같은 본 발명은 무선 센서 네트워크에서 가용 대역폭을 추정하여 센서노드의 보고주기를 결정함으로써, 무선 센서 네트워크를 효율적으로 관리할 수 있는 효과가 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명이 적용되는 무선 센서 네트워크에 대한 일실시예 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 무선 센서 네트워크는 센싱 모듈(즉, 센서), 데이터 프로세싱 모듈, 통신 모듈을 갖는 센서노드(sensor node, 210), 각각의 센서노드(210)로부터 수집된 센싱데이터를 관리서버(230)로 전송하는 게이트웨이(gateway, 220)로 구성된다.
이때, 센서노드(210)는 배터리 등을 이용하여 사용할 수 있는 전원이 제한됨에 따라 불필요한 에너지 낭비를 최소화하고 전체 에너지 효율을 최대화하기 위해, 활성상태(active mode)에서 소정의 보고주기에 따라 센싱데이터를 주기적으로 통보한다.
특히, 게이트웨이(220)는 단일 프로브 패킷을 센서노드(210)로 전송한 후, 단일 프로브 패킷의 전송결과로부터 추정되는 가용 대역폭 정보를 이용하여 센서노드(210)의 보고주기를 결정한다(후술할 도 4a 및 도 4b 참조).
이를 위해, 게이트웨이(220)는 하기 [표 1]과 같은 '소정의 가용 대역폭 범위별로 센서노드(210)의 보고주기를 대응시켜 놓은 테이블'(이하 "참조 테이블"이라 함)을 관리한다. 이로써, 게이트웨이(220)는 가용 대역폭 정보를 이용한 센서노드(210)의 보고주기 결정 시에, 참조 테이블에서 해당 가용 대역폭 정보가 속하는 가용 대역폭 범위를 확인하여 센서노드(210)의 보고주기를 결정한다.
가용 대역폭 범위 센서노드의 보고주기
A1∼A2 T1
A2∼A3 T2
A3∼A4 T3
… …
예를 들어, 게이트웨이(220)는 가용 대역폭 범위 'A2∼A3'에 속하는 가용 대역폭 정보를 이용하여 센서노드(210)의 보고주기를 결정하는 경우에, 상기 [표 1]의 참조 테이블에 따라 센서노드(210)의 보고주기를 'T2'로 결정한다.
도 3은 본 발명에 따른 가용 대역폭 추정 방식에 대한 일실시예 설명도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가용 대역폭 추정 방식은, 모든 센서노드의 보고주기가 동일한 무선 센서 네트워크의 특성상 다수의 프로브 패킷을 전송하지 않고 '단일 프로브 패킷'을 전송하여 가용 대역폭을 추정한다.
구체적으로, 본 발명의 가용 대역폭은, '단일 프로브 패킷을 전송하는 시간(t1)(이하 "전송시간"이라 함)' 및 '단일 프로브 패킷을 전송받는 시간(t2)(이하 "도착시간"이라 함)'의 시간차(Δt＝t2―t1)를 이용하여, 하기 [수학식 2]를 통해 추정할 수 있다.
Figure 112008047370519-pat00002
여기서, 'Ａ'는 가용 대역폭이고, '패킷 사이즈(packet size)'는 전송할 프로브 패킷의 길이(예, bits/sec)를 나타내고, Δt는 전송시간 및 도착시간의 시간차를 나타낸다.
도 4a는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 게이트웨이(220)는 단일 프로브 패킷에 전송시간을 기록한 후(S401), 단일 프로브 패킷을 센서노드(210)로 전송한다(S402).
이후, 센서노드(210)는 단일 프로브 패킷의 도착시간을 확인한다(S403). 이때, 센서노드(210)는 단일 프로브 패킷에 기록된 전송시간을 확인하고, 전송시간 및 도착시간의 시간차를 계산한다(S404).
그런 다음, 센서노드(210)는 전송시간 및 도착시간의 시간차를 상기 [수학식 2]에 적용하여, 무선 센서 네트워크에서의 가용 대역폭을 추정한다(S405). 이때, 센서노드(210)는 상기와 같이 추정된 가용 대역폭 정보를 게이트웨이(220)로 통보한다(S406).
이후, 게이트웨이(220)는 센서노드(210)로부터 통보된 가용 대역폭 정보를 이용하여 센서노드(210)의 보고주기를 결정한다(S407). 이때, 게이트웨이(220)는 기 저장하고 있는 참조 테이블에서, 해당 가용 대역폭 정보에 대응되는 보고주기를 확인하여, 센서노드(210)의 보고주기로 결정한다.
한편, 게이트웨이(220)는 상기와 같이 결정된 보고주기에 따라 센서노드(210)로부터 전송된 센싱데이터를 관리서버(230)로 전송한다.
도 4b는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정 방법에 대한 다른 실시예 흐름도이다.
도 4b에 도시된 바와 같이, S411 단계 내지 S414 단계에 대한 설명은, 상기 도 4a와 동일하므로 여기서는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다만, 도 4b에서는 상기 [수학식 2]를 이용한 가용 대역폭 추정 과정을 센서노드(210)에서 수행하지 않고, 게이트웨이(220)에서 수행하도록 한다(S415, S416).
즉, 센서노드(210)는 게이트웨이(220)로부터 단일 프로브 패킷이 전송되면(S412), 단일 프로브 패킷의 전송시간 및 도착시간을 확인하여 시간차를 계산한다(S413, S414).
이후, 센서노드(210)는 전송시간 및 도착시간의 시간차를 이용하여 자체적으로 가용 대역폭을 추정하지 않고, 전송시간 및 도착시간의 시간차 정보를 게이트웨이(220)로 전송한다(S415).
그에 따라, 게이트웨이(220)는 센서노드(210)로부터 전송된 전송시간 및 도착시간의 시간차 정보를 상기 [수학식 2]에 적용하여, 무선 센서 네트워크에서의 가용 대역폭을 추정한다(S416).
게이트웨이(220)는 도 4a의 S407 단계와 같이 가용 대역폭 정보를 기 저장하고 있는 참조 테이블을 확인하여 센서노드(210)의 보고주기를 결정한다(S417).
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
도 1은 종래의 가용 대역폭 추정 방식에 대한 설명도,
도 2는 본 발명이 적용되는 무선 센서 네트워크에 대한 일실시예 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 가용 대역폭 추정 방식에 대한 일실시예 설명도,
도 4a는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정 방법에 대한 일실시예 흐름도,
도 4b는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정 방법에 대한 다른 실시예 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
210: 센서노드
220: 게이트웨이
230: 관리서버

Claims (7)

  1. 보고주기 결정 방법에 있어서,
    전송시간을 기록한 프로브 패킷을 센서노드로 전송하는 전송 단계;
    상기 전송시간 및 상기 프로브 패킷의 도착시간에 대한 시간차에 따라 추정된 가용 대역폭을 상기 센서노드로부터 제공받는 단계; 및
    상기 가용 대역폭을 이용하여 상기 센서노드의 보고주기를 결정하는 결정 단계
    를 포함하는 무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정 방법.
  2. 보고주기 결정 방법에 있어서,
    전송시간을 기록한 프로브 패킷을 센서노드로 전송하는 전송 단계;
    상기 전송시간 및 상기 프로브 패킷의 도착시간에 대한 시간차를 상기 센서노드로부터 제공받는 단계;
    상기 시간차를 이용하여 가용 대역폭을 추정하는 단계; 및
    상기 가용 대역폭을 이용하여 상기 센서노드의 보고주기를 결정하는 결정 단계
    를 포함하는 무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전송 단계는,
    상기 센서노드로 단일 프로브 패킷을 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 결정 단계는,
    가용 대역폭 범위별 보고주기를 확인할 수 있는 참조 테이블을 이용하여, 상기 가용 대역폭이 속하는 가용 대역폭 범위를 확인하여 보고주기를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가용 대역폭은,
    상기 전송시간 및 상기 도착시간에 대한 시간차에 반비례하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 가용 대역폭 기반의 보고주기 결정 방법.
  6. 프로세서를 구비한 게이트웨이에,
    전송시간을 기록한 프로브 패킷을 센서노드로 전송하는 기능;
    상기 전송시간 및 상기 프로브 패킷의 도착시간에 대한 시간차에 따라 추정된 가용 대역폭을 상기 센서노드로부터 제공받는 기능; 및
    상기 가용 대역폭을 이용하여 상기 센서노드의 보고주기를 결정하는 기능
    을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  7. 프로세서를 구비한 게이트웨이에,
    전송시간을 기록한 프로브 패킷을 센서노드로 전송하는 기능;
    상기 전송시간 및 상기 프로브 패킷의 도착시간에 대한 시간차를 상기 센서노드로부터 제공받는 기능;
    상기 시간차를 이용하여 가용 대역폭을 추정하는 기능; 및
    상기 가용 대역폭을 이용하여 상기 센서노드의 보고주기를 결정하는 기능
    을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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