KR101017277B1 - 동기식 매체 접근 제어 프로토콜을 사용하는 무선 멀티 홉 네트워크를 위한 방법 - Google Patents

동기식 매체 접근 제어 프로토콜을 사용하는 무선 멀티 홉 네트워크를 위한 방법 Download PDF

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Abstract

무선 멀티 홉 네트워크를 위한 기술이 개시된다. 개시된 기술 중 일실시예에따른 무선 멀티 홉 네트워크에 있는 소스 노드의 동작 방법은 (a) 데이터 패킷 생성 간격을 기초로, 제1 내지 제M (2 이상인 자연수) 프레임 구조들 중 하나를 선택하는 단계; (b) 활성 상태에서, 상기 선택된 프레임 구조의 첫번째 동기 구간에 이웃 노드들과의 동기를 맞추는 단계; 및 (c) 활성 상태에서, 상기 선택된 프레임 구조에 따른 데이터 구간에 제어 패킷 - 상기 데이터 구간을 뒤따르는 슬립 구간에 데이터 패킷을 송신할 것임을 알리는 패킷으로서, 상기 선택된 프레임 구조에 대한 정보를 포함함 - 을 다음 홉으로 송신하여, 상기 다음 홉의 응답을 대기하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 제1 내지 제M 프레임 구조들은 적어도 하나의 동기 구간, 적어도 하나의 데이터 구간, 및 적어도 하나의 슬립 구간을 포함하되, 서로 다른 듀티 사이클을 갖는 프레임을 정의한다.

Description

동기식 매체 접근 제어 프로토콜을 사용하는 무선 멀티 홉 네트워크를 위한 방법 {method for a wireless multi-hop network using synchronous MAC protocol}
개시된 기술은 무선 멀티 홉 네트워크에 관한 것이며, 보다 상세하지만 제한됨이 없이는(more particularly, but not exclusively), 무선 센서 네트워크의 성능 향상을 위한 동기식(synchronous) 매체 접근 제어(Medium Access Control : 이하, MAC) 방법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크 및 모바일 애드혹 네트워크와 같은 무선 멀티 홉 네트워크에서, 소스(source) 노드로부터 송신되는 데이터는 중간(intermediate) 노드(들)의 릴레이를 거쳐 목적(destination) 노드에 도달할 수 있다.
이러한 무선 멀티 홉 네트워크를 설계할 때, 다른 통신 시스템들과 마찬가지로 단대단 전송 지연, 전송률 등과 같은 전송 성능이 고려되며, 무선 멀티 홉 네트워크를 이루는 노드들이 에너지 제한적인 경우에는 에너지 효율성도 고려될 수 있다.
개시된 기술이 이루고자 하는 기술적 과제는 동기화된 복수의 노드들을 포함하는 무선 멀티 홉 네트워크에서 노드가 동작하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위해, 개시된 기술의 일 측면은 무선 멀티 홉 네트워크에서 소스 노드가 동작하는 방법에 있어서, (a) 데이터 패킷 생성 간격을 기초로, 제1 내지 제M (2 이상인 자연수) 프레임 구조들 중 하나를 선택하는 단계; (b) 활성 상태에서, 상기 선택된 프레임 구조의 첫번째 동기 구간에 이웃 노드들과의 동기를 맞추는 단계; 및 (c) 활성 상태에서, 상기 선택된 프레임 구조에 따른 데이터 구간에 제어 패킷 - 상기 데이터 구간을 뒤따르는 슬립 구간에 데이터 패킷을 송신할 것임을 알리는 패킷으로서, 상기 선택된 프레임 구조에 대한 정보를 포함함 - 을 다음 홉으로 송신하여, 상기 다음 홉의 응답을 대기하는 단계를 포함하고, 상기 제1 내지 제M 프레임 구조들은 적어도 하나의 동기 구간, 적어도 하나의 데이터 구간, 및 적어도 하나의 슬립 구간을 포함하되, 서로 다른 듀티 사이클을 갖는 프레임을 정의하는 방법을 제공한다.
일실시예에 있어서, 상기 제1 내지 제M 프레임 구조들은 동기 기간, 데이터 기간, 및 슬립 기간을 순차적으로 포함하는 서로 다른 개수의 부프레임으로 이루어지되, 미리 설정된 시간 길이 T1를 가지는 프레임을 정의하고, 각 부프레임에 포함되는 동기 기간 및 데이터 기간은 각각 프레임 구조와 관계없는 고정된 시간 길이를 갖는다. 일실시예에 있어서, 상기 제m(1 내지 M 중 어느 하나인 자연수) 프레임 구조에 따라 정의되는 프레임은, Tm=T1/2m-1인 시간 길이를 가지는 2m-1 개의 부프레임으로 구성된다. 일실시예에 있어서, 상기 (a) 단계는, 상기 데이터 패킷 생성 간격 Dint가 2·T1보다 크거나 같으면, 상기 제1 프레임 구조를 선택하고, 그렇지 않으면, Tm-1≤Dint<2·Tm-1 (여기서, m은 2 이상이고, M보다 작거나 같은 자연수)을 충족하는 제m 프레임 구조를 선택하는 단계를 포함한다.
일실시예에 있어서, 상기 무선 멀티 홉 네트워크는 무선 센서 네트워크를 포함한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위해, 개시된 기술의 다른 측면은 무선 멀티 홉 네트워크에서 송신할 데이터 패킷을 가진 노드가 동작하는 방법에 있어서, (a) 현재의 프레임 구조를 결정하는 단계; 및 (b) 활성 상태에서, 상기 결정된 프레임 구조에 따른 데이터 구간에 제어 패킷 - 상기 데이터 구간을 뒤따르는 슬립 구간에 상기 데이터 패킷을 송신할 것임을 알리는 패킷으로서, 상기 결정된 프레임 구조에 대한 정보를 포함함 - 을 다음 홉으로 송신하여, 상기 다음 홉의 응답을 수신하는 단계를 포함하고, 상기 결정된 프레임 구조는 제1 내지 제M (2 이상인 자연수) 프레임 구조들 중 어느 하나이며, 상기 제1 내지 제M 프레임 구조들은 이웃 노드들과 동기를 맞추기 위한 적어도 하나의 동기 구간, 적어도 하나의 데이터 구간, 및 적어도 하나의 슬립 구간을 포함하되, 서로 다른 듀티 사이클을 갖는 프레임을 정의하는 방법을 제공한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위해, 개시된 기술의 또 다른 측면은 무선 멀 티 홉 네트워크에서 노드가 동작하는 방법에 있어서, (a) 현재의 프레임 구조 ?? 제1 내지 제M (2 이상인 자연수) 프레임 구조들 중 어느 하나임 - 에 따른 동기 기간에 활성 상태에서 이웃 노드들과 동기를 맞추는 단계; (b) 현재의 프레임 구조에 따른 데이터 기간에 활성 상태에서 상기 이웃 노드들 중 어느 하나로부터 제어 패킷 - 상기 데이터 구간을 뒤따르는 슬립 구간에 상기 데이터 패킷을 송신할 것임을 알리는 패킷으로서, 프레임 구조 정보를 포함함 - 을 수신하는 단계; 및 (c) 상기 수신된 제어 패킷에 포함된 다음 홉 주소가 상기 노드 자신의 주소이면, 현재의 프레임 구조를 상기 프레임 구조 정보에 따른 프레임 구조로 갱신하는 단계; 및 (d) 상기 갱신된 프레임 구조에 따라 동작하는 단계를 포함하고, 상기 제1 내지 제M 프레임 구조들은 이웃 노드들과 동기를 맞추기 위한 적어도 하나의 동기 구간, 적어도 하나의 데이터 구간, 및 적어도 하나의 슬립 구간을 포함하되, 서로 다른 듀티 사이클을 갖는 프레임을 정의하는 방법을 제공한다.
상기에서 제시한 본 발명의 실시예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 본 발명의 모든 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
첫째, 전력 소비를 줄일 수 있다. 본 발명에서는 트래픽 발생량이 적을 경우 듀티 사이클이 작은 프레임 구조를 선택함으로써 노드가 필요 없이 깨어있는 시간을 줄여 전력 소비를 줄일 수 있다. 또한 데이터의 다중 홉 전송 거리 연장 방법을 통해 데이터를 전송하기 위한 제어 패킷의 오버헤드를 줄이게 되므로 전력 소비를 줄일 수 있다.
둘째, 전송 지연이 작다. 트래픽 발생이 많아지면 노드는 듀티 사이클이 큰 프레임 구조를 선택함으로써 전송 지연을 줄일 수 있으며, 다중 홉 전송 거리 연장 방법을 통해 한 주기 내에 전송 지연을 추가적으로 줄일 수 있다.
셋째, 데이터 패킷 처리량이 높다. 센서노드는 트래픽 발생량에 따라서 전송 지연이 급격히 증가하지 않도록 프레임 구조를 변경하여 동작하기 때문에 데이터 패킷 처리량을 높게 유지 할 수 있다.
위의 효과들로 인하여 본 발명은 제한된 자원을 가지고 통신을 해야 하는 무선 센서 네트워크의 수명을 늘리고 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 관한 설명은 본 발명의 구조적 내지 기능적 설명들을 위하여 예시된 것에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예들에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 본 발명의 실시예들은 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시가능 한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및/또는 제3 항목"의 의미는 "제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중 적어도 하나 이상"을 의미하는 것으로, 제1, 제2 또는 제3 항목뿐만 아니라 제1, 제2 및 제3 항목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
본 발명에서 기재된 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 기술한 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
개시된 기술은 무선 멀티 홉 네트워크에 있는 노드들이 특정 주기에 동기화되어 동작할 수 있는 환경에 적용될 수 있다. 이하에서는, 편의상, 무선 센서 네트워크를 위주로, 개시된 기술을 설명할 것이나, 개시된 기술의 적용 범위는 반드시 이에 한정되는 것은 아님은 이 분야에 종사하는 자라면 충분히 이해할 수 있다.
무선 센서 네트워크는 기존 유무선 네트워크 인프라에 상황인지를 위한 센서장치를 결합하여 다양한 응용서비스를 제공하는 기술이다. 이러한 무선 센서 네트워크는 근거리 무선통신이 가능하고, 자율적으로 네트워크를 형성 할 수 있는 센서 노드들로 구성되어 산업, 환경, 군사, 의료 등 다양한 분야에 응용 가능하다.
도 1은 무선 센서 네트워크를 예시하는 도면이다.
도 1에 도시된 원들 각각은 무선 센서 네트워크(100)의 센서 노드를 나타내며, 도 1에 도시된 네모는 무선 센서 네트워크(100)의 싱크(sink) 노드를 나타낸다.
도 1에 예시된 바와 같이, 제1 센서 노드(N1)로부터 송신되는 데이터는 제2 내지 제7 센서 노드(N2 내지 N7)의 무선 중계를 통하여 싱크 노드(SN)에 도달하게 된다. 이 경우, 제1 노드(N1)은 소스 노드에 해당하며, 싱크 노드(SN)는 목적 노드에 해당한다.
미래의 유비쿼터스 환경에서 시스템 구성요소들은 서비스 환경 변화에 능동적으로 대처하여, 서비스 환경에 적합한 네트워크를 구성하고 목적에 알맞은 서비스를 제공할 수 있어야 한다. 그러나 기존의 무선 센서 네트워크에서는 센서 노드를 네트워크에 배치하기 전에 센서 노드가 특정 이벤트에 대한 동작을 수행하도록 입력하므로 센서 노드에 입력되지 않은 이벤트에 대한 능동적인 대처가 불가능하게 된다. 따라서 무선 센서 네트워크는 변화하는 서비스 및 네트워크 환경에 유연하게 대처하기 어려운 단점이 있다. 또한 배터리와 같은 제한된 전력을 사용하는 센서 노드의 수명은 배터리의 수명과 밀접한 관계가 있다. 이와 같은 이유로 센서 노드는 초소형, 저가격, 저전력 등의 하드웨어 요구사항을 만족해야 하고, 변화하는 네트워크 환경에서 노드 간 안정적인 통신을 제공하여야 하며, 발생하는 다양한 종류의 이벤트를 실시간으로 처리할 수 있어야 한다.
무선 센서 네트워크를 위한 여러 기술 중 저전력 기술은 제한된 전력으로 동작하는 센서 노드를 고려할 때 매우 중요한 기술이며, 전력의 낭비를 최소화하기 위한 방법을 중심으로 무선 센서 네트워크의 MAC 에 대한 연구가 진행되어 오고 있다.
무선 센서 네트워크에서의 MAC 프로토콜은 동기식 MAC 프로토콜과 비동기식(asynchronous) MAC 프로토콜로 대별된다.
동기식 MAC 프로토콜에 따르면, 각 노드는 활성 구간과 슬립 구간을 반복하여 동작하게 되며, 노드들이 활성 구간과 슬립 구간의 주기를 주변 노드와 동기화하여 동작하는 방식이다. 본 명세서에서, 활성 상태라 함은, 수신 동작 및 오버히어링 동작이 가능하고, 송신할 신호(예컨대, 제어 패킷, 데이터 패킷, ACK)가 있는 경우, 송신 동작이 가능한 상태를 의미한다. 여기서, 오버히어링 동작은 다른 노드를 목적지로 하는 신호를 엿듣는 동작을 의미한다. 또한, 본 명세서에서, 슬립 상태라 함은, 전력 절감을 위해 수신 동작 및 송신 동작을 수행하지 않는 상태를 의미한다.
비동기식 MAC 프로토콜에 따르면, 각 노드는 일정 주기로 깨어나 프리앰블(preamble) 패킷을 수신하게 되며, 해당 데이터가 자신에게 전송되는 데이터일 경우 활성 상태를 유지하여 이를 수신하고 자신에게 전송되는 데이터가 아닐 경우에는 즉시, 슬립 상태로 전환한다.
비동기식 MAC 프로토콜은 동기식 MAC 프로토콜과 비교하여 동기를 맞추기 위해 발생하는 패킷 교환 오버헤드를 제거하였고, 네트워크상에 트래픽이 적을 때에는 동기식 MAC 프로토콜과 비교하여 뛰어난 성능을 보인다. 그러나 네트워크상에 트래픽이 증가하면 그에 따른 프리앰블 패킷의 전송이 증가되어 전력 소비가 급격하게 증가하는 단점이 있다.
무선 센서 네트워크를 위한 동기식 MAC 프로토콜 중 하나인 RMAC (Routing enhanced MAC)은 "RMAC : A Routing-Enhanced Duty-Cycle MAC Protocol for Wireless Sensor Networks," in INFOCOM 2007 pp. 1478??1486, May 2007로 특정되는 논문에서 제안된 기술로서, 네트워크의 라우팅 정보를 이용하여 한 주기 내에서 데이터의 다중 홉 전송을 수행함으로써 센서 노드의 전력 소비 및 전송 지연을 감소시킨다. 상기 논문의 내용은 개시된 기술과 모순되지 않는 범위 내에서 본 명세서에 포함(incorporate)된다.
도 2는 RMAC 프로토콜에 따른 노드들의 동작 과정을 예시한다.
RMAC 프로토콜에 따르면, 하나의 프레임은 활성 구간과 슬립 구간으로 구성된다. 여기서, 활성 구간의 길이(Tactive)는 동기 구간의 길이(Tsync)와 데이터 구간의 길이(Tdata)의 합으로 정의되며, 프레임의 한 주기(Tcycle)은 Tactive와 슬립 구간의 길이(Tsleep)의 합으로 정의된다. 또한, 듀티 사이클(duty cycle)은 Tactive / Tcycle· 100으로 정의된다.
한편, 도 2의 하단에 도시된 기호에 대한 설명은 본 명세서의 나머지 도면(예컨대, 도 3, 5, 및 6)에서도 그대로 적용된다.
도 3에서, DIFS는 경쟁 윈도우 구간의 만료 후, 실제 매체를 접속하기 전까지 대기하는 기간으로 미리 설정될 수 있으며, SIFS는 노드가 송수신 모두를 전환하여 패킷을 처리하기에 필요한 시간 즉, 패킷 간 시간 간격으로서 미리 설정될 수 있다.
RMAC 프로토콜에 따르면, 노드들은 동기 구간에서 이웃 노드들과의 동기를 맞추기 위한 제어 패킷을 교환하고, 데이터구간에서는 PION (Pioneer)이라 불리는 제어 패킷을 사용하여 주변 노드와 다중 홉 데이터 전송에 필요한 정보를 교환함으로써, 도 1에 예시된 데이터 패킷 전달 경로가 예약되며, 슬립 기간 동안 상기 예약된 데이터 전달 경로에 위치하는 노드들은 해당 웨이크 업 시점에 활성 상태로 천이하여 해당 데이터의 송신 또는 중계를 수행하며, 나머지 노드들은 슬립 상태에 있게 된다.
PION에 포함되는 정보의 예로는, 현재 노드(즉, 해당 PION을 송신하는 노드 자신)의 주소, 다음 홉 주소, 데이터 전송에 걸리는 시간, 데이터의 목적지 주소, 홉 수 정보를 포함한다. 여기서, 홉 수 정보는 PION이 현재 주기의 데이터 구간에서 노드를 거쳐 온 누적 홉 수이며, 슬립 구간에서 데이터를 송수신하기 위해 깨어나야 하는 시간을 설정하기 위해 사용된다. 홉 수는 데이터 구간에서 최초로 PION을 전송하는 노드가 0으로 초기화하여 전송하며 한 홉을 거쳐 가면서 1씩 증가하게 된다. 슬립 구간에 진입한 노드들은 자신의 상태를 슬립 상태로 전환하게 되며, 이중 PION 교환에 성공한 노드들(예컨대, 도 2에서, 소스 노드, 노드 A, 노드 B, 노드 C)만이 데이터 전송을 위해 계산된 시간에 활성화되어 목적지를 향해 데이터를 전송한다.
RMAC에는, 활성 구간에서 제어 패킷의 교환에 성공한 노드들만 슬립 구간에서 활성화되어 데이터를 전송하고, 나머지 노드들은 슬립상태로 전환함으로써 전력 소비를 줄이는 특징이 있다. 그러나 RMAC은 고정된 듀티 사이클로 동작하기 때문에 Tactive와 Tsleep 간의 비율에 따라 전력 소비와 전송 지연이 서로 상충되는 문제가 발생한다. 예를 들어, Tactive가 고정되어있고 듀티 사이클이 커지면, Tsleep 이 짧아져, 한 주기가 반복되는 시간이 짧아진다. 따라서, 패킷 처리량이 증가하고 전송 지연은 줄어들게 되지만, 패킷 전송이 없는 시간에도 활성 상태를 유지하는 상태가 많아지기 때문에 전력 효율이 감소한다. 반면에, Tactive가 고정되어있고 듀티 사이클이 작아지면, Tsleep 이 길어져, 한 주기가 반복되는 시간이 길이지므로 전력 소비를 줄일 수 있지만, 슬립 구간에서 패킷이 생성된 경우, 활성 상태로 되기까지 패킷이 버퍼에 대기하는 시간이 길어지기 때문에 전송 지연이 증가한다.
도 3은 RMAC 프로토콜에서, 매 주기마다 하나 이상의 데이터 패킷이 생성될 경우 데이터 패킷이 버퍼에 대기하는 시간이 길어져 데이터 전송 지연이 증가하는 예를 나타낸다.
도 3을 참조하면, (i-1) 번째 주기(즉, 프레임)에 소스 노드에서 발생된 (k-1)번째 데이터 패킷은 i번째 주기에서 소스 노드로부터 노드 A 및 B의 중계를 통하여 노드 C까지 전달되고, 노드 C는 i번째 주기에서 수신한 데이터 패킷을 전달하기 위해 (i+1)번째 주기의 데이터 구간에서 PION을 전송한다. 또한, 소스 노드가 k번째 패킷을 전송하기 위해 (i+1)번째 주기의 데이터 구간에서 PION을 전송하게 되고, 이 PION은 노드 A 및 B의 중계를 거쳐 노드 C에게 도달된다. 그러나, RMAC 프 로토콜에 따른 노드들은 데이터구간에서 하나의 PION만 전송할 수 있기 때문에 이미 다음 홉으로의 PION을 전송한 노드 C는 노드 B로부터 수신한 PION에 대한 응답 PION을 전송하지 못하게 된다. 결국, 노드 B는 응답 PION을 수신하지 못하고, 노드 B가 보낼 데이터 패킷은 버퍼에 대기하게 된다. 이와 같은 상황은 다음 주기인 (i+2)번째 주기의 데이터 구간에서도 연속적으로 발생하게 되어 데이터 전송 지연이 증가하게 된다.
본 명세서에서, 제1 노드에서 송신된 PION이 제2 노드에 전달된 경우, 제1 노드에 대한 제2 노드의 응답 PION은 상기 PION이 정상적으로 수신되었다는 것을 알리기 위해 제2 노드가 적극적으로 제1 노드에게 송신하는 제어 패킷(예컨대, 일종의 ACK)을 의미하거나, 또는, 제2 노드가 제3 노드에게 PION을 송신할 때 제1 노드에서 오버히어링되는 PION을 의미하는 개념이다.
한편, 도 3에서 설명한 바와 같이 기존의 RMAC에서 발생하는 데이터 전송 지연이 증가하는 문제와 불필요한 전력 낭비 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예에서 따르면, 트래픽 양이 변화함에 따라 그에 적합한 프레임 구조를 동적으로 선택함으로써, 전력 소비를 최소화함과 동시에 높은 데이터 처리량을 유지하고 작은 전송 지연으로 데이터 전송을 수행할 수 있도록 한다. 또한, 본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 데이터의 다중 홉 전송 거리를 연장함으로써 전력 소비 및 전송 지연을 추가적으로 줄일 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 프레임 구조들을 예시한다.
일실시예에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 무선 센서 네트워크에서 패킷이 매우 드물게 발생하는 환경을 고려한 고정된 길이의 최대 사이클 주기 (Tmax_cycle)를 정의한다. Tm은 타입(Type) m 프레임에서의 부사이클(sub-cycle) 주기를 나타내며, Tm = Tmax_cycle / 2(m-1)로 결정된다. 이때, 타입 m 프레임은 2(m-1) 개의 부 프레임으로 구성되고, 각 부프레임은 동기 구간, 데이터 구간, 슬립 구간으로 이루어진다. 일실시예에 있어서, 타입 m 프레임으로 동작하는 노드들은 첫번째 부프레임의 동기 구간에서만 동기를 맞추며, 나머지 부프레임의 동기 구간에서는 슬립 상태를 유지하여 전력 소비를 줄인다.
일실시예에 있어서, 소스 노드는 데이터 패킷 생성 간격(Dint)를 기초로 현재의 프레임 구조를 결정하여 PION에 상기 결정된 프레임 구조에 대한 정보(즉, 프레임 구조 정보)를 포함시켜 전송한다. 구체적인 일실시예에 있어서, 소스 노드는 데이터 패킷 생성 간격(Dint)를 측정하여, Dint ≥ 2·Tmax_cycle일 경우, 현재의 프레임 구조를 타입 1 프레임 구조로 결정하고, Tm-1 ≤ Dint < 2·Tm-1 (m=2, 3, 4, …)일 경우, 현재의 프레임 구조를 타입 m 프레임 구조로 결정한다. PION을 수신한 목적지까지의 경로 상에 있는 노드들은 PION의 프레임 구조 정보를 이용하여 자신의 프레임 구조를 결정한다.
일실시예에 있어서, 소스 노드를 제외한 나머지 노드들(즉, PION을 수신한 목적지까지의 경로 상에 있는 노드들)은 자신을 향하여 송신된 PION에 포함된 프레임 구조 정보에 따른 프레임 구조를 현재의 프레임 구조로 결정한다. 구체적인 일실시예에 있어서, 소스 노드를 제외한 나머지 노드들이 여러 PION에 따른 프레임 구조 정보를 가지는 경우, 가장 높은 타입의 프레임 구조를 현재의 프레임 구조로 결정한다.
도 5(즉, 도 5a 및 5b)는 본 발명의 일실시예에 따른 프레임 구조들이 트래픽량에 따라 적응적으로 사용되는 경우, 데이터 전송 지연이 증가하는 현상을 방지하는 예를 나타낸다. 보다 상세하게는, 도 5는 도 4에 예시된 타입 2 프레임 구조가 사용됨으로써, 도 3에서 나타난 데이터 전송 지연이 증가하는 현상을 방지하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5에 도시된 모든 노드들은 송신 또는 중계할 데이터 패킷의 생성 간격 Dint이 T1 ≤ Dint < 2·T1인 범위에 있으므로, 도 5에 도시된 모든 노드들은 타입 2 프레임 구조를 사용하며, 이를 통하여 각 노드가 하나의 활성 구간에서 2개 이상의 PION을 수신하는 것을 방지한다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 도 3에 따른 데이터 전송 지연의 증가 현상(즉, 노드가 2번째 PION을 수신한 후, 응답 PION을 전송하지 않아 데이터 전송 지연이 증가하는 현상)을 방지할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 구간에서 데이터의 다중 홉 전송 거리를 연장하기 위한 노드들의 동작을 예시한다.
도 6에서, tsleep은 슬립 구간이 시작되는 시점, DPION은 PION 전송에 걸리는 시간, tRXstart는 해당 노드가 PION을 수신하기 시작하는 시점을 나타낸다.
기존의 RMAC프로토콜에 따르면, 데이터 구간 내에서 PION을 전송하고 나서, SIFS 시간 후에 응답 PION을 수신 중인 노드(예컨대, 도 2의 노드 B)이면, tsleep에서 자신의 상태를 슬립 상태로 전환하지 않고, 제어 패킷의 수신이 완료될 때까지 추가적인 활성 상태를 유지한다. 또한, 기존의 RMAC 프로토콜에 따르면, PION을 전송하지 않은 상태에서 PION을 수신하는 노드(예컨대, 도 2의 노드 D)는 tsleep 에 자신의 상태를 슬립 상태로 전환한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 노드가 추가적인 활성 상태를 유지함으로써, 다중 홉 전송 거리를 1홉 연장할 수 있다. 도 5의 노드 C와 같이, PION 송신 중에 슬립 구간 시작 시점(tsleep)을 포함하는 노드는 PION 송신을 완료한 이후에 DPION+ SIFS 시간 동안 활성 상태를 추가적으로 유지하여 제어 패킷에 대한 응답을 기다린다. 또한, 도 5의 노드 D와 같이 PION을 전송하지 않은 상태에서, [(tsleep-DPION), tsleep] 구간에 PION을 수신하는 노드는 tsleep 에도 자신의 상태를 슬립 상태로 전환하지 않고, DPION-(tsleep-tRX_start) 동안 활성 상태를 추가로 유지하여 해당 PION이 자신에게 전송되는 PION인지를 판단한다. 만약, 수신한 PION의 다음 홉 주소와 노드 자신의 주소가 일치할 경우, 해당 노드는 DPION+SIFS 시간 동안 활성 상태를 추가로 유지하여 PION을 송신하게 되고, 그렇지 않을 경우에는 자신의 상태를 슬립 모드로 전환한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 송신할 데이터 패킷을 가진 노드에서 데이터 구간 동안 수행되는 동작 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, S700에서 해당 노드는 현재의 프레임 구조를 결정한다. 일례로, 상기 송신할 데이터 패킷을 가진 노드가 상기 데이터 패킷을 생성한 상기 무선 멀티 홉 네트워크 상의 소스 노드인 경우, 데이터 패킷 생성 간격 Dint을 기초로, 도 4에서 설명한 바와 같이, 타입 1 내지 타입M 프레임 구조들 중 하나를 선택하여 현재의 프레임 구조로 결정한다. 다른 일례로, 상기 송신할 데이터 패킷을 가진 노드가 상기 무선 멀티 홉 네트워크 상의 소스 노드에 의해 생성된 상기 데이터 패킷을 이전 홉 노드로부터 수신한 노드인 경우, 상기 이전 홉 노드로부터 수신한 제어 패킷에 포함된 프레임 구조 정보에 따라 정해지는 프레임 구조를 현재의 프레임 구조로 결정한다.
S710에서, 해당 노드는 S700에서 결정된 프레임 구조에 대한 정보를 PION에 포함시켜 다음 홉으로의 송신을 시작한다.
S720에서, 해당 노드는 PION을 송신하기 시작한 시점 tTXstart이 tsleep-DPION와 tsleep 사이에 있는지를 판단한다.
tTXstart가 tsleep-DPION보다 앞서 있으면 즉, PION 송신 중에 슬립 구간에 진입하지 않은 경우이면(S720), 응답 PION을 수신 완료한 후(S740), 데이터 구간에 따른 통신 동작(즉, PION 전달 과정)을 종료한다.
tTXstart이 tsleep-DPION와 tsleep 사이에 있으면, 즉, PION 송신 중에 슬립 구간에 진입한 경우이면(S720), 제어 패킷의 송신 완료 후 (DPION+SIFS) 동안 추가적인 활성 상태를 유지하여(S730) 응답 PION을 수신한 후(S740), 데이터 구간에 따른 통신 동작을 종료한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 노드가 데이터 구간 내에 PION을 수신하는 경우의 동작 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, S800에서, 현재의 프레임 구조에 따른 데이터 구간에 활성 상태에서 해당 노드는 이웃 노드들 중 어느 하나로부터 PION을 수신 시작한다.
S810에서, 해당 노드는 PION을 수신하기 시작한 시점 tRXstart이 tsleep-DPION와 tsleep 사이에 있는지를 판단한다.
tRXstart가 tsleep-DPION보다 앞서 있으면 즉, PION 수신 중에 슬립 구간에 진입하지 않은 경우이면(S810), 수신된 PION에 포함된 다음 홉 주소가 자신의 주소와 같은지를 판단한다(S820). 수신된 PION에 포함된 다음 홉 주소가 자신의 주소와 다르면(S820), 수신된 PION을 폐기하고 남아 있는 데이터 구간 동안 또 다른 PION의 수 신을 대기한다(미도시). 수신된 PION에 포함된 다음 홉 주소가 자신의 주소와 같으면(S820), 수신된 PION에 포함된 프레임 구조 정보에 따른 프레임 구조로 현재의 프레임 구조를 갱신하고(S830), 응답 PION을 송신한다(S840).
tRXstart이 tsleep-DPION와 tsleep 사이에 있으면, 즉, PION 수신 중에 슬립 구간에 진입한 경우이면(S810), 슬립 구간 진입 후(즉, tsleep후) DPION-(tsleep-tRXstart) 동안 추가적인 활성 상태를 유지하여 해당 PION을 수신 완료하고(S850), 수신된 PION에 포함된 다음 홉 주소가 자신의 주소와 같은지를 판단한다(S860).
수신된 PION에 포함된 다음 홉 주소가 자신의 주소와 다르면(S860), 수신된 PION을 폐기하고 남아 있는 데이터 구간 동안 또 다른 PION의 수신을 대기한다(미도시). 수신된 PION에 포함된 다음 홉 주소가 자신의 주소와 같으면(S860), 수신된 PION에 포함된 프레임 구조 정보에 따른 프레임 구조로 현재의 프레임 구조를 갱신하고(S870), DPION+SIFS 동안 추가적인 활성 상태를 유지하여 응답 PION을 송신한다(S880).
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 패킷이 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 케리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이러한 본원 발명인 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
상기에서 제시한 본 발명의 실시예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 본 발명의 모든 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
단대단 전송 지연이 작은 무선 멀티 홉 네트워크가 제공될 수 있다. 또한, 에너지 효율적인 무선 멀티 홉 네트워크가 제공될 수 있다.
도 1은 무선 센서 네트워크를 예시하는 도면이다.
도 2는 RMAC 프로토콜에 따른 노드들의 동작 과정을 예시한다.
도 3은 RMAC 프로토콜에서, 매 주기마다 하나 이상의 데이터 패킷이 생성될 경우 데이터 패킷이 버퍼에 대기하는 시간이 길어져 데이터 전송 지연이 증가하는 예를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 프레임 구조들을 예시한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 프레임 구조들이 트래픽량에 따라 적응적으로 사용되는 경우, 데이터 전송 지연이 증가하는 현상을 방지하는 예를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 구간에서 데이터의 다중 홉 전송 거리를 연장하기 위한 노드들의 동작을 예시한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 송신할 데이터 패킷을 가진 노드에서 데이터 구간 동안 수행되는 동작 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 노드가 데이터 구간 내에 PION을 수신하는 경우의 동작 방법을 예시하는 흐름도이다.

Claims (18)

  1. 무선 멀티 홉 네트워크에서 소스 노드가 동작하는 방법에 있어서,
    (a) 데이터 패킷 생성 간격을 기초로, 제1 내지 제M (2 이상인 자연수) 프레임 구조들 중 하나를 선택하는 단계;
    (b) 활성 상태에서, 상기 선택된 프레임 구조의 첫번째 동기 구간에 이웃 노드들과의 동기를 맞추는 단계; 및
    (c) 활성 상태에서, 상기 선택된 프레임 구조에 따른 데이터 구간에 제어 패킷 - 상기 데이터 구간을 뒤따르는 슬립 구간에 데이터 패킷을 송신할 것임을 알리는 패킷으로서, 상기 선택된 프레임 구조에 대한 정보를 포함함 - 을 다음 홉으로 송신하여, 상기 다음 홉의 응답을 대기하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 내지 제M 프레임 구조들은 적어도 하나의 동기 구간, 적어도 하나의 데이터 구간, 및 적어도 하나의 슬립 구간을 포함하되, 서로 다른 듀티 사이클을 갖는 프레임을 정의하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제M 프레임 구조들은 동기 기간, 데이터 기간, 및 슬립 기간을 순차적으로 포함하는 서로 다른 개수의 부프레임으로 이루어지되, 미리 설정된 시간 길이 T1를 가지는 프레임을 정의하고,
    각 부프레임에 포함되는 동기 기간 및 데이터 기간은 각각 프레임 구조와 관계없는 고정된 시간 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제m(1 내지 M 중 어느 하나인 자연수) 프레임 구조에 따라 정의되는 프레임은, Tm=T1/2m-1인 시간 길이를 가지는 2m-1 개의 부프레임으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
    상기 데이터 패킷 생성 간격 Dint가 2·T1보다 크거나 같으면, 상기 제1 프레임 구조를 선택하고, 그렇지 않으면, Tm-1≤Dint<2·Tm-1 (여기서, m은 2 이상이고, M보다 작거나 같은 자연수)을 충족하는 제m 프레임 구조를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무선 멀티 홉 네트워크는, 무선 센서 네트워크를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 무선 멀티 홉 네트워크에서 송신할 데이터 패킷을 가진 노드가 동작하는 방 법에 있어서,
    (a) 현재의 프레임 구조를 결정하는 단계; 및
    (b) 활성 상태에서, 상기 결정된 프레임 구조에 따른 데이터 구간에 제어 패킷 - 상기 데이터 구간을 뒤따르는 슬립 구간에 상기 데이터 패킷을 송신할 것임을 알리는 패킷으로서, 상기 결정된 프레임 구조에 대한 정보를 포함함 - 을 다음 홉으로 송신하여, 상기 다음 홉의 응답을 수신하는 단계를 포함하고,
    상기 결정된 프레임 구조는 제1 내지 제M (2 이상인 자연수) 프레임 구조들 중 어느 하나이며,
    상기 제1 내지 제M 프레임 구조들은 이웃 노드들과 동기를 맞추기 위한 적어도 하나의 동기 구간, 적어도 하나의 데이터 구간, 및 적어도 하나의 슬립 구간을 포함하되, 서로 다른 듀티 사이클을 갖는 프레임을 정의하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 송신할 데이터 패킷을 가진 노드는, 상기 데이터 패킷을 생성한 상기 무선 멀티 홉 네트워크 상의 소스 노드이고,
    상기 (a) 단계는, 데이터 패킷 생성 간격을 기초로, 제1 내지 제M 프레임 구조들 중 하나를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 송신할 데이터 패킷을 가진 노드는, 상기 무선 멀티 홉 네트워크 상의 소스 노드에 의해 생성된 상기 데이터 패킷을 이전 홉 노드로부터 수신한 노드이고,
    상기 (a) 단계는, 상기 이전 홉 노드로부터 수신한 제어 패킷에 포함된 프레임 구조 정보에 따라 정해지는 프레임 구조를 현재의 프레임 구조로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    (c) tTXstart가 tsleep-DPION 보다 앞선 경우, tsleep에 슬립 상태로 천이하여, 웨이크 업 시점 - 상기 데이터 패킷을 상기 다음 홉으로 송신하기 위해 활성 상태로 천이하는 시점으로서, 상기 데이터 구간을 뒤따르는 슬립 구간에 존재함 - 까지 슬립 상태를 지속하는 단계를 더 포함하고,
    상기 tTXstart는 상기 (b) 단계에서 상기 제어 패킷을 송신하기 시작한 시점이고,
    상기 tsleep는 상기 (b) 단계에서의 데이터 구간이 만료되는 시점이고,
    상기 DPION는 상기 제어 패킷의 지속 시간인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 (b) 단계는, tTXstart가 tsleep-DPION와 tsleep 사이에 있는 경우, 상기 제어 패킷의 송신을 완료한 후, 추가 시간인 DPION+SIFS 동안 활성 상태를 유지하여 상기 다음 홉의 응답을 수신하는 단계를 포함하고,
    (c) 상기 추가 시간이 경과하면, 슬립 상태로 천이하여, 웨이크 업 시점 - 상기 데이터 패킷을 상기 다음 홉으로 송신하기 위해 활성 상태로 천이하는 시점으로서, 상기 데이터 구간을 뒤따르는 슬립 구간에 존재함 - 까지 슬립 상태를 지속하는 단계를 더 포함하고,
    상기 tTXstart는 상기 (b) 단계에서 상기 제어 패킷을 송신하기 시작한 시점이고,
    상기 tsleep는 상기 tTXstart가 속하는 데이터 구간을 뒤따르는 슬립 구간이 시작되는 시점이고,
    상기 DPION는 상기 제어 패킷의 지속 시간이고,
    상기 SIFS는 미리 설정된 패킷 간의 시간 간격인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 무선 멀티 홉 네트워크에서 노드가 동작하는 방법에 있어서,
    (a) 현재의 프레임 구조 - 제1 내지 제M (2 이상인 자연수) 프레임 구조들 중 어느 하나임 - 에 따른 동기 기간에 활성 상태에서 이웃 노드들과 동기를 맞추는 단계;
    (b) 현재의 프레임 구조에 따른 데이터 기간에 활성 상태에서 상기 이웃 노드들 중 어느 하나로부터 제어 패킷 - 상기 데이터 구간을 뒤따르는 슬립 구간에 상기 데이터 패킷을 송신할 것임을 알리는 패킷으로서, 프레임 구조 정보를 포함함 - 을 수신하는 단계; 및
    (c) 상기 수신된 제어 패킷에 포함된 다음 홉 주소가 상기 노드 자신의 주소이면, 현재의 프레임 구조를 상기 프레임 구조 정보에 따른 프레임 구조로 갱신하는 단계; 및
    (d) 상기 갱신된 프레임 구조에 따라 동작하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 내지 제M 프레임 구조들은 이웃 노드들과 동기를 맞추기 위한 적어도 하나의 동기 구간, 적어도 하나의 데이터 구간, 및 적어도 하나의 슬립 구간을 포함하되, 서로 다른 듀티 사이클을 갖는 프레임을 정의하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (d) 단계는, 상기 (b) 단계에서 수신된 제어 패킷을 다음 홉 노드로 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 (d) 단계는, 상기 (b) 단계에서 수신된 제어 패킷에 대한 응답을 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 (b) 단계는, tRXstart가 tsleep-DPION과 tsleep 사이에 있는 경우, 상기 tRXstart부터 DPION-(tsleep-tRXstart) 동안 활성 상태를 유지하여, 상기 제어 패킷의 수신을 완료하는 단계를 포함하고,
    상기 (d) 단계는, 상기 제어 패킷의 수신을 완료한 시점부터 추가 시간인DPION+SIFS 동안 활성 상태를 유지하여 상기 수신된 제어 패킷에 대한 응답을 송신하는 단계를 포함하고,
    상기 tRXstart은 상기 (b) 단계에서 상기 제어 패킷을 수신하기 시작한 시점이고,
    상기 tsleep은 상기 tRXstart가 포함된 데이터 기간을 뒤따르는 슬립 기간이 시작되는 지점이며,
    상기 DPION은 상기 제어 패킷의 지속 시간이며,
    상기 SIFS는 미리 설정된 패킷 간의 시간 간격인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 내지 제M 프레임 구조들은 동기 기간, 데이터 기간, 및 슬립 기간을 순차적으로 포함하는 서로 다른 개수의 부프레임으로 구성되고, 미리 설정된 시 간 길이 T1를 가지는 프레임을 정의하고,
    각 부프레임에 포함되는 동기 기간 및 데이터 기간은 각각 프레임 구조와 관계없는 고정된 시간 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
    현재의 프레임 구조의 첫번째 동기 기간을 제외한 나머지 동기 기간에는 슬립 상태에 있는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 프레임 구조 정보에 따른 프레임 구조는, 데이터 패킷 생성 간격을 기초로, 상기 제1 내지 제M 프레임 구조들 중에서 상기 데이터 패킷의 소스 노드에 의해 선택된 프레임 구조인 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제11항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    현재의 프레임 구조에 따른 프레임 동안 2 이상의 제어 패킷을 수신한 경우, 상기 2 이상의 제어 패킷에 포함된 정보에 따른 프레임 구조들 중 가장 듀티 사이클이 큰 프레임 구조를 현재의 프레임 구조로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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