KR101021890B1 - 저전력 기반에서 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 노드의 통신 처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크 시스템에서 제한된 전력을 효율적으로 사용하기 위한 데이터 송수신을 이행하고, 안부패킷을 통해 시간 동기화를 이행하는 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 노드의 통신 처리방법에 관한 것이다. 상기한 본 발명에 따르는 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 노드의 통신 처리방법은, 미리 정해둔 저전력 모드 유지시간 동안 저전력 모드로 동작하는 노드가, 상기 저전력 모드 유지시간이 경과되면, 일반모드로 진입하는 제1단계; 상기 일반모드로 진입하면, 다른 노드로 전송할 데이터가 존재하는지를 체크하는 제2단계; 상기 다른 노드로 전송할 데이터가 존재하지 않으면, 제1안부패킷을 브로드캐스팅한 후에 다른 노드로부터 제1응답패킷이 수신되면 이를 처리하고, 다른 노드로부터 제1응답패킷이 수신되지 않으면 저전력 모드로 진입하는 제3단계; 상기 다른 노드로 전송할 데이터가 존재하면, 상기 데이터를 전송할 목표노드가 제1안부패킷을 송신할 때까지 대기하고, 상기 목표노드가 상기 제1안부패킷을 송신하면, 상기 데이터를 제1응답패킷으로 구성하여 상기 목표노드로 전송하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 방법에서, 상기 노드는 네트워크 기준 시각 (reference time)를 상기 제1안부패킷에 포함시켜 전송하고, 상기 제1안부패킷이 수신되면, 상기 제1안부패킷에 포함된 시각정보에 따라 내부 타이머의 시각정보를 동기화함을 특징으로 한다.
무선 센서 네트워크 시스템, 저전력 통신 처리 방식, 시각동기화, 안부패킷

Description

저전력 기반에서 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 노드의 통신 처리방법{Method of processing communication in node composed wireless sensor network for low power}
본 발명은 무선 센서 네트워크 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 센서 네트워크 시스템에서 제한된 전력을 효율적으로 사용하기 위한 데이터 송수신을 이행하며, 안부패킷을 통해 시간 동기화를 이행하는 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 노드의 통신 처리방법에 관한 것이다.
유비쿼터스 센서 네트워크의 핵심이 되는 기술인 무선 센서 네트워크는 현실세계에서 발생하는 여러 이벤트를 센서로 감지하여 이를 무선 네트워크를 통해 수집, 처리하는 방식에 기반하고 있다.
무선 센서 네트워크는 직접적인 접근이 어려운 전쟁터에서의 적군의 감시, 강수량, 지질 상태 등을 모니터링 하는 시스템, 교통 감시와 제어를 위한 지능형 교통 통제 시스템, 장기간의 환경 관찰을 통한 생태계를 감시하는 시스템 등 미래의 유비쿼터스 환경에서 폭넓게 사용될 수 있다.
이러한 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드들은 배터리로 구동하기 때 문에 제한된 양의 전력을 가지고 있으며, 낮은 처리 능력과 통신 능력을 가지고 있기 때문에 기존의 분산 시스템에서 사용되는 통신 방법을 그대로 사용하기에는 문제가 있었다.
따라서 이러한 센서 노드는 전력을 아끼기 위해 저전력 모드(power save mode)와 일반 모드, 두 개의 동작 모드를 가지고 있으며, 센서 노드들을 저전력으로 통신시키는 방법에 대한 연구는 무선 센서 네트워크에서 핵심 이슈 중에 하나이다.
OSI(Open Systems Interconnection Reference Model) 통신 모델에서 데이터 링크 계층의 하위 계층의 하나인 MAC(Medium Access Control) 계층은 데이터의 원활한 전송과 미디엄(medium)에서의 자원관리를 담당하고 있으며, 기존의 IEEE 802.11에서 사용되는 MAC 프로토콜을 무선 센서 네트워크에 그대로 적용할 경우에는 메시지 충돌(collision), 오버히어링(overhearing), 컨트롤 패킷 오버헤드 (control packet overhead), 아이들 리스닝 (idle listening) 등의 문제가 발생한다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위한 기존의 MAC 프로토콜로는 S-MAC(Sensor MAC), B-MAC (Berkeley-MAC) 등이 있다.
상기 S-MAC은 듀티 사이클(duty cycle)을 줄이기 위해 센서 노드들이 주기적으로 취침(sleep)과 기상(listen)을 반복하는 것을 기본으로 한다. 또한 메시지 전송시의 충돌을 방지하기 위해 가상 채널(virtual channel)과 물리 채널(physical channel)에서의 캐리어 센싱(carrier sesing)을 하며 동시에 이를 만족시켜야 메시지 전송을 시작한다. 또한 오버히어링에 의한 전력 소비를 줄이기 위해 전송시 전 송 노드와 수신 노드의 원 홉 거리에 있는 모든 노드는 취침 모드에 있는다.
그리고 상기 B-MAC은 통신을 원하는 노드는 긴 프리엠블(preamble)을 발생시켜 자고 있던 노드가 이 프리엠블을 듣고 일어나 메시지를 수신하게 만드는 방식이다. 이 방식은 시간 동기화가 필요없어 알고리즘이 간단하고, 추가로 들어오는 노드가 쉽게 네트워크에 편입될 수 있기 때문에 확장성이 좋다. 하지만 프리엠블로 인해 채널이 불필요하게 점유당하는 일이 많아 지연시간(latency)가 길어지고, 노드들은 프리엠블을 아이들 리스닝하는 등의 문제가 있다.
본 발명은 무선 센서 네트워크 시스템에서 제한된 전력을 효율적으로 사용하기 위한 데이터 송수신을 이행하는 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 노드의 통신 처리방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명의 다른 목적은 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 노드들간 안부패킷을 통해 무선 센서 네트워크 시스템의 시간 동기화를 이행하는 통신 처리방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르는 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 노드의 통신 처리방법은, 미리 정해둔 저전력 모드 유지시간 동안 저전력 모드로 동작하는 노드가, 상기 저전력 모드 유지시간이 경과되면, 일반모드로 진입하는 제1단계; 상기 일반모드로 진입하면, 다른 노드로 전송할 데이터가 존재하는지를 체크하는 제2단계; 상기 다른 노드로 전송할 데이터가 존재하지 않으면, 제1안부패킷을 브로드캐스팅한 후에 다른 노드로부터 제1응답패킷이 수신되면 이를 처리하고, 다른 노드로부터 제1응답패킷이 수신되지 않으면 저전력 모드로 진입하는 제3단계; 상기 다른 노드로 전송할 데이터가 존재하면, 상기 데이터를 전송할 목표노드가 제1안부패킷을 송신할 때까지 대기하고, 상기 목표노드가 상기 제1안부패킷을 송신하면, 상기 데이터를 제1응답패킷으로 구성하여 상기 목표노드로 전송하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 방법에서, 상기 노드는 기준 시각정보를 상기 제1안부패킷에 포함시켜 전송하고, 상기 제1안부패킷이 수신되면, 상기 제1안부패킷에 포함된 시각정보에 따라 내부 타이머의 시각정보를 동기화함을 특징으로 한다.
또한 상기 방법에서, 상기 제4단계는, 상기 다른 노드로 전송할 데이터가 존재하면, 상기 데이터를 전송할 목표노드에 대한 우선권 선언을 위한 제2안부패킷을 브로드캐스팅하는 단계; 상기 제2안부패킷에 대응되는 제2응답패킷이 수신되는지를 체크하는 단계; 상기 제2응답패킷이 수신되면, 저전력 모드로 진입하는 단계; 상기 제2응답패킷이 수신되지 않으면, 상기 목표노드가 제1안부패킷을 송신할 때까지 대기하는 단계; 상기 대기상태에서 다른 노드로부터 상기 목표노드에 대한 우선권 선언을 위한 제2안부패킷이 수신되면, 상기 제2안부패킷을 송신한 노드로 우선권이 선언되었음을 안내하는 제2응답패킷을 송신하는 단계;로 구성됨을 특징으로 한다.
상기한 본 발명은 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 노드들 각각이 제한된 전력을 효율적으로 사용할 수 있게 하여, 노드의 동작시간을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 상기한 본 발명은 시간 동기화가 MAC 프로토콜 중에 별도의 과정없이 이루어짐으로서 시간 동기화 과정을 간소화시킬 수 있는 효과가 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 시스템의 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.
무선 센서 네트워크 시스템은 다수의 노드(N1~N6)로 구성되며, 다수의 노드(N1~N6) 각각은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 저전력모드와 일반모드로 동작하면서 다른 노드들과의 통신을 이행한다. 특히 상기 다수의 노드(N1~N6) 각각은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 안부패킷에 시간정보를 부가하여 무선 센서 네트워크 시스템의 시간 동기화를 이행한다.
상기한 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 다수의 노드는 그 동작이 동일하므로, 이하 어느 한 노드의 동작방법만을 도 2를 참조하여 설명한다.
상기 무선 센서 네트워크 시스템의 노드는 내부 타이머를 구동하여, 상기 내부 타이머의 계수시각이 미리 정해둔 저전력 모드 유지시간인지를 체크하고, 상기 저전력 모드 유지시간이면 상기 내부 타이머 계수 정도의 구동을 이행하는 저전력 모드로 동작한다(200,202단계).
상기 노드는 상기 내부 타이머의 계수시각이 미리 정해둔 저전력 모드 유지시간이 아니면, 상기 노드를 구성하는 모듈들을 모두 구동하는 일반모드로 진입한다(204단계).
상기 일반모드로 진입하면, 상기 노드는 무선 센서 네트워크 시스템에 속하는 다른 노드로 전송하고자 하는 데이터가 존재하는지를 체크한다(206단계).
상기 다른 노드로 전송하고자 하는 데이터가 존재하지 않으면, 네트워크 기준 시각정보를 포함하는 안부 패킷을 다른 노드들로 브로드캐스팅한다(208단계). 이후 상기 노드는 상기 안부패킷에 대한 응답 패킷이 수신되는지를 체크한다(210단계). 즉, 주변 노드 중 상기 노드가 깨어나면 데이터를 전송하려고 준비하고 있던 노드가 존재하며, 상기 노드가 일반 모드로 진입함을 알리는 안부 패킷을 송신함에 응답하여 노드로 전송하고자 하는 데이터를 상기 안부 패킷에 대한 응답 패킷으로 구성하여 송신하는지를 체크한다.
상기 안부패킷에 대한 응답패킷이 수신되면, 상기 노드는 상기 수신한 응답패킷에 대한 처리를 이행한다(212단계).
이와달리 상기 안부패킷을 브로드캐스팅하였음에도 불구 다른 노드들로부터의 응답패킷이 수신되지 않으면, 저전력모드로 진입한다(214단계).
한편, 상기 206단계에서 일반모드로 진입한 노드가 전송하고자 하는 데이터가 있으면, 데이터를 전송할 목표 노드에 대한 우선권 선언을 위한 안부패킷을 브로드캐스팅한다(216단계).
이후 상기 노드는 상기 우선권 선언을 위한 안부패킷에 대한 응답 패킷이 존재하는지를 체크한다(218단계). 상기 우선권 선언을 위한 안부패킷에 대한 응답패킷이 존재하면, 상기 노드는 다음 일반모드시에 상기 데이터 전송을 이행하기 위해 저전력 모드로 진입한다(214단계).
이와달리 상기 우선권 선언을 위한 안부패킷에 대한 응답 패킷이 수신되지 않으면, 목표노드가 일반모드로 구동함에 따라 안부패킷을 송신할 때까지 대기하며, 상기 대기중에 다른 노드로부터 목표노드로의 우선권 선언을 위한 안부패킷이 수신되면, 우선권 선언이 되어 있음을 알리는 응답 패킷을 해당 노드로 송신한다(220,224,226단계).
그리고 상기한 대기중에 목표노드가 일반모드로 구동함에 따라 안부패킷을 송신하면, 상기 노드는 전송하고자 하는 데이터를 응답패킷으로 구성하여 상기 안부패킷을 송신한 목표노드로 전송한다(222단계). 또한 상기 노드는 상기 안부패킷이 수신되면, 상기 안부패킷에 포함된 시간정보를 토대로 자신의 타이머의 시각정보를 조정하며, 이로서 상기 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 다수의 노드의 시각정보가 동기화된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 노드의 통신 처리 과정을 도시한 도면.

Claims (3)

  1. 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 노드의 통신 처리방법에 있어서,
    미리 정해둔 저전력 모드 유지시간 동안 저전력 모드로 동작하는 노드가, 상기 저전력 모드 유지시간이 경과되면, 일반모드로 진입하는 제1단계;
    상기 일반모드로 진입하면, 다른 노드로 전송할 데이터가 존재하는지를 체크하는 제2단계;
    상기 다른 노드로 전송할 데이터가 존재하지 않으면, 제1안부패킷을 브로드캐스팅한 후에 다른 노드로부터 제1응답패킷이 수신되면 이를 처리하고, 다른 노드로부터 제1응답패킷이 수신되지 않으면 저전력 모드로 진입하는 제3단계;
    상기 다른 노드로 전송할 데이터가 존재하면, 상기 데이터를 전송할 목표노드가 제1안부패킷을 송신할 때까지 대기하고, 상기 목표노드가 상기 제1안부패킷을 송신하면, 상기 데이터를 제1응답패킷으로 구성하여 상기 목표노드로 전송하는 제4단계;를 포함하며,
    상기 제4단계는,
    상기 다른 노드로 전송할 데이터가 존재하면, 상기 데이터를 전송할 목표노드에 대한 우선권 선언을 위한 제2안부패킷을 브로드캐스팅하는 단계;
    상기 제2안부패킷에 대응되는 제2응답패킷이 수신되는지를 체크하는 단계;
    상기 제2응답패킷이 수신되면, 저전력 모드로 진입하는 단계;
    상기 제2응답패킷이 수신되지 않으면, 상기 목표노드가 제1안부패킷을 송신할 때까지 대기하는 단계;
    상기 대기상태에서 다른 노드로부터 상기 목표노드에 대한 우선권 선언을 위한 제2안부패킷이 수신되면, 상기 제2안부패킷을 송신한 노드로 우선권이 선언되었음을 안내하는 제2응답패킷을 송신하는 단계;로 구성됨을 특징으로 하는 통신 처리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노드는 내부 타이머의 시각정보를 상기 제1안부패킷에 포함시켜 전송하고,
    상기 제1안부패킷이 수신되면, 상기 제1안부패킷에 포함된 시각정보에 따라 네트워크의 기준 시각정보를 동기화함을 특징으로 하는 통신 처리방법.
  3. 삭제
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