KR101022054B1 - 수중 센서네트워크의 적응적 통신환경 설정방법 및 장치 - Google Patents
수중 센서네트워크의 적응적 통신환경 설정방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 수중 센서네트워크의 적응적 통신환경 설정방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 마스터/슬레이브 계층 구조의 수중 센서네트워크에서 수중 모뎀 등을 통한 데이터 통신을 수행할 때의 네트워크 혼잡도와 채널 품질 중 적어도 하나를 추정한다. 네트워크 혼잡도는 슬레이브 개수(# of Slave)와 맥 계층에 제공되는 MIB에 저장된 정보 중 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps'을 입력받아 산출하고, 채널 품질은 슬레이브 개수, 비트오류율(BER), MIB에 저장된 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps', 'Self_error_Correction_Rate'을 입력받아 산출한다. 그 산출된 네트워크 혼잡도와 채널품질에 대응되는 값을 메모리에 테이블 형태로 저장된 정책 테이블에서 선택한다. 정책 적용부, 즉 SCB 알고리즘은 상기 선택된 결과에 따라 통신환경의 전송정책 또는 응답정책 등을 수중 센서네트워크에 적용한다. 아울러 네트워크 스케일의 추정도 가능하다. 따라서 수중환경의 특성에 맞게 수중 센서네트워크의 통신환경을 설정할 수 있다. 이로써 수중환경 변화와 상관없이 노드들은 최적의 통신 조건에서 데이터 통신을 효율적으로 처리할 수 있다.
수중 센서네트워크, MAC, 정책 적용, SCB
Description
본 발명은 무선 센서네트워크에 관한 것으로, 특히 해양환경 등의 특성에 맞게 통신환경을 설정하여 최적화된 방식으로 데이터 통신을 할 수 있도록 한 수중 센서네트워크의 적응적 통신환경 설정방법 및 장치에 관한 것이다.
무선 센서네트워크 기술은 필요한 사물이나 장소에 센서나 전자태그를 부착하고 이를 통하여 사물의 인식정보, 주변의 환경정보 및 위치정보를 탐지한 후 이를 실시간으로 네트워크에 연결해 통신이 가능한 환경을 구현하는 것이다. 이러한 무선 센서네트워크를 효율적으로 운용하기 위하여 IEEE 802.15.4 LR-WPAN(Low Rate-Wireless Personal Area Network)에서는 저전력으로 적은 데이터량을 송수신할 수 있는 PHY와 MAC 프로토콜의 표준화가 완료되었다. 즉, 상기 IEEE 802.15.4는 PHY와 MAC에 대한 표준이며 저속의 통신 대역과 저전력을 목표로 하는 프로토콜로서 현재 무선 센서네트워크 구현에 가장 적합한 통신기술로 인식되고 있다.
상기 무선 센서네트워크 기술은 해양환경에도 적용된다. 이에 수중 센서네트 워크의 필요성이 증대하고 있다. 이는 해양 수자원 및 환경에 대한 필요성의 증가, 육지의 자원 한계성으로 인한 바다자원의 개발 및 대체자원의 관심으로 인한 사회적 요구 증가, 수질 환경의 측정 요구에 따라 기존 기술과 다른 새로운 대체재로 해양환경에서의 센서네트워크가 관심을 받고 있기 때문이다. 이와 같은 수중 센서네트워크는 해양 생태계조사, 해저자원탐사, 오염물질 및 오염도 측정, 기상 관측 및 해일 경보 등에도 적용되고 있어 그 사용분야는 점차 확대되고 있는 추세이다.
도 1에는 일반적인 수중 센서네트워크의 구성도가 도시되어 있다.
도 1을 살펴보면, 수중에서 타킷 데이터를 감지하는 모니터링 센서를 구비하는 센서노드(10)들이 구비된다. 상기 센서노드(10)를 관리하고 그 센서노드(10)가 감지한 데이터를 처리하는 싱크노드(20)가 구비된다. 상기 싱크노드(20)는 일정 범위내에 존재하는 복수의 센서노드(10)로부터 데이터를 전달받게 된다. 상기 싱크 노드(20)로부터 데이터를 수신하고 최적화된 경로를 통해 게이트웨이로 전달하고 자율적으로 센서네트워크의 구성 및 장애 관리를 수행하는 릴레이노드(30)가 구비된다. 그리고 상기 릴레이노드(30)로부터 수신한 데이터를 무선통신을 통하여 인터넷 등으로 전달하기 위한 연동기능을 수행하는 게이트웨이노드(40)가 구비된다.
그 중 상기 센서노드(10)는 모니터링 센서를 장착한 상태로 수중에 위치하면서 각종 정보를 모니터링하고 있다. 그리고 상기 모니터링된 정보는 상기한 센서네트워크 구조의 다른 센서노드와 통신을 수행하면서 상기 싱크노드(20), 릴레이노드(30), 게이트웨이노드(40)와의 설정된 경로를 통해 전달되고, 최종적으로 사용자가 확인할 수 있게 하고 있다.
하지만, 수중 센서네트워크는 지상 센서네트워크에 비해 통신환경이 열악하다.
즉 지상 환경보다 수중 환경에서는 경로손실(Path Loss), 잡음(Noise), 다중경로(Multi-path), 도플러효과(Doppler Spread), 음파 음영구역문제(Shadow Zone Problem) 등 많은 영향이 미치고 있다. 예를 들어, 수중에서는 전파의 산란과 감쇄 현상 때문에 지상에서 통신매체로 사용하고 있는 전자파나 레이저 신호를 사용하지 못하고 초음파를 사용하여 통신을 하게 된다. 그러나 수중에서는 공기 중의 이동통신과 달리 음파의 느린 속도(초당 약 1.5km)와 협소한 사용 가능 대역폭, 표면과 해저면의 반사 등의 한계로 인해 수중에서 데이터 통신이 원활하게 수행되지 못하고 있다.
또 수중 환경에서는 해수 깊이, 온도, 염분 등에 의하여 전파지연 현상이 발생한다.
그럼에도 현재 수중 센서네트워크 구조를 이루고 있는 노드들은 초기 설정한 통신방식에 의해서 일관되게 다른 노드 또는 상위 노드와 통신을 하고 있다.
그렇기 때문에, 지상 센서네트워크보다 환경특성의 변화가 더 심한 수중 센서네트워크에서의 통신은 정보 전송의 정확성이 저하되고 있는 실정이다. 예컨대 수중 센서네트워크의 기본적인 고려사항으로 해수 깊이(압력), 해수 온도, 해수 염분 등에 따라 전파 지연이 발생하지만 이러한 여건은 고려하지 않고 미리 설정된 통신속도 등으로 데이터 통신을 수행하고 있다. 또 수중 센서네트워크의 마스터/슬레이브의 계층 구조에서 하나의 마스터 노드가 복수의 슬레이브 노드로부터 정보 수신시 다양한 문제로 인하여 서비스 혼잡이 발생할 수 있으나, 이 역시 초기 설정된 방식으로 통신을 계속 수행하고 있다.
그와 같이 통신방식을 적절하게 조절하지 못하는 경우 수중 센서네트워크 구조에서의 데이터 통신은 안정적인 서비스를 보장해 주지 못하게 된다. 경우에 따라서 전송중인 데이터가 손실되는 문제가 발생할 수 있다.
그렇기 때문에 수중환경의 조건에 능동적으로 대응하는 통신 방식이 필요하다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수중 센서 네트워크 구조에서 가변하는 해양환경의 특성에 맞게 통신환경을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 수중 센서네트워크의 전송 부하, 전송품질, 네트워크 크기의 최적화를 도모하고자 하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 센서네트워크의 혼잡도를 추정하는 제 1추정부; 상기 센서네트워크의 채널 품질을 추정하는 제 2추정부; 상기 제 1추정부와 제 2추정부의 추정된 값에 따라 정책 결정을 위한 정보를 테이블 형태로 저장하고 있는 저장부; 그리고, 상기 제 1추정부와 제 2추정부에 의해 추정된 값에 따라 상기 저장부에서 대응하는 전송정책 및 응답정책을 상기 센서네트워크에 적용하는 정책 적용부;를 포함하여 구성되며, 상기 제 1추정부는 비트레이트 변환 값인 트랜스레이트(Trans rate)에 의해 혼잡도를 추정하고, 상기 트랜스레이트는 다음 식 1에 의해 구해진다.
삭제
"(# of Slave) × (MPDU_Default_Length)×(Trans_count_per_sec)/(Network_Capacity_bps)" ---식(1)
(여기서, # of Slave: 슬레이브의 개수, MPDU_Default_Length: 패킷의 사이즈(byte), Trans_count_per_sec: 초당 데이터 전송율, Network_Capacity_bps: 네트워크 용량)
(여기서, # of Slave: 슬레이브의 개수, MPDU_Default_Length: 패킷의 사이즈(byte), Trans_count_per_sec: 초당 데이터 전송율, Network_Capacity_bps: 네트워크 용량)
상기 제 2추정부는, 에러율(Error_rate)에 의해 구해지고, 상기 에러율은 다음 식 2에 의해 추정된다.
BER × (1-Self_error_Correction_Rate) --- 식(2)
(여기서, BER:비트오류율(bit error rate), Self_error_Correction_Rate : 자진오류보정율)
(여기서, BER:비트오류율(bit error rate), Self_error_Correction_Rate : 자진오류보정율)
상기 슬레이브 개수(# of Slave), 그리고 맥 계층에서의 MIB(Management Information Base)에 저장된 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps'을 입력받고, 'Beacon_Guard_time', 'GT_value', 'GTL_value', 'TDMA_interval', 'Beacon_interval' 값들을 추정하여 상기 센서네트워크의 스케일을 추정하는 제 3추정부를 더 포함하여 구성된다.
(여기서, Beacon_Guard_time: 비콘 메시지의 전달을 위해 필요한 대기시간, GT_value: 이득시간(gain time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, GTL_value: 가드시간(guard time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, TDMA_interval: 현재의 초당 최대 전송 슬롯수, Beacon_interval: 비콘 메시지 전송을 위한 슬롯간격)
(여기서, Beacon_Guard_time: 비콘 메시지의 전달을 위해 필요한 대기시간, GT_value: 이득시간(gain time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, GTL_value: 가드시간(guard time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, TDMA_interval: 현재의 초당 최대 전송 슬롯수, Beacon_interval: 비콘 메시지 전송을 위한 슬롯간격)
본 발명의 다른 특징에 따르면, 수중환경에 구성된 수중 센서네트워크의 각 노드 상호간이 데이터 통신을 수행하는 도중에, 상기 데이터 통신의 상태를 분석하여 네트워크 혼잡도, 채널품질 상태, 센서네트워크의 스케일을 추정하는 추정부; 그리고, 상기 추정부의 추정된 값에 따라 상기 수중환경에 적합한 데이터 통신환경을 선택하여 상기 수중 센서네트워크에 적용하는 스마트 캘큐레이션 블럭(SCB: Smart Calculation Block);을 포함하여 구성되며, 상기 추정부는 비트레이트 변환 값인 트랜스레이트(Trans rate)에 의해 혼잡도를 추정하고, 상기 트랜스레이트는 상기한 식(1)에 의해 구해진다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 센서네트워크의 혼잡도와 채널 품질 중 적어도 하나를 추정하는 단계; 상기 추정된 센서네트워크의 혼잡도와 채널 품질에 대응하는 정책을 정책 테이블에서 선택하는 단계; 그리고, 상기 선택된 정책을 센서네트워크에 적용하는 단계;를 포함하여 구성되며, 상기 센서네트워크 혼잡도는, 마스터/슬레이브 계층 구조에서 슬레이브 개수 (# of Slave)와 맥 계층에 제공되는 MIB(Management Information Base)에 저장된 정보 중 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps'을 입력받고, 상기한 식(1)에 의해 구하게 된다.
삭제
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상기 채널 품질은, 슬레이브 개수(# of Slave), 비트 오류율(BER : bit error rate), 맥 계층의 MIB(Management Information Base)에 저장된 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps', 'Self_error_Correction_Rate'을 입력받고, 다음 식(2)에 의해 구하게 된다.
BER × (1-Self_error_Correction_Rate)---식(2)
상기 슬레이브 개수(# of Slave), 그리고 상기 MIB에 저장된 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps'을 입력받고, 'Beacon_Guard_time', 'GT_value', 'GTL_value', 'TDMA_interval', 'Beacon_interval' 값들을 추정하여 상기 센서네트워크의 스케일(Scale)을 추정하는 단계를 더 포함하여 구성된다.
(여기서, Beacon_Guard_time: 비콘 메시지의 전달을 위해 필요한 대기시간, GT_value: 이득시간(gain time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, GTL_value: 가드시간(guard time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, TDMA_interval: 현재의 초당 최대 전송 슬롯수, Beacon_interval: 비콘 메시지 전송을 위한 슬롯간격)
(여기서, Beacon_Guard_time: 비콘 메시지의 전달을 위해 필요한 대기시간, GT_value: 이득시간(gain time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, GTL_value: 가드시간(guard time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, TDMA_interval: 현재의 초당 최대 전송 슬롯수, Beacon_interval: 비콘 메시지 전송을 위한 슬롯간격)
본 발명에서는, 해양환경의 각종 파라미터에 의해 데이터 통신환경이 변하더라도 마스터/슬레이브 계층 구조를 갖는 수중 센서네트워크에서 노드의 수에 기초하여 그 센서네트워크의 혼잡도, 데이터 전송시의 채널 품질, 네트워크 스케일 등을 추정하고, 상기 추정된 결과에 따라 SCB 알고리즘이 센서네트워크의 전송정책 및 응답정책 등을 적용하고 있다.
이에 따라 수중 센서네트워크에서 최적의 통신방식을 지속적으로 제공할 수 있어 노드 상호간의 데이터 통신을 보다 효율적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 상기 전송정책 및 응답정책 등을 활용하여 수중 센서네트워크에 최적화된 모델, 즉 네트워크 스케일에 따라 적정한 노드 개수, 통신방식 등을 제시할 수 있는 효과도 있다.
이하 본 발명에 의한 수중 센서네트워크의 적응적 통신환경 설정방법 및 장치를 첨부된 도면에 도시된 바람직한 실시 예를 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시 예에서는 설명의 편의를 위해 수중 센서네트워크를 구성하는 센서노드를 예를 들어 설명하기로 한다. 상기 센서노드는 물리계층으로 IEEE 802.15.4 PHY 프로토콜, 링크계층으로 IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜을 구비하고 있다. 그리고 본 실시 예는 통신프로토콜 중 수중환경에 적합한 맥(MAC) 계층에 대한 프로토콜에 관한 것이고, 특히 수중환경의 여러 요인에 의해 변하는 센서네트워크의 환경에 적합한 최적의 통신방식을 제공하는 것이다.
도 2에는 본 발명의 실시 예에 따른 센서노드의 구성도가 도시되어 있다.
도 2를 보면, 센서노드(100)에는 해수의 깊이, 온도, 염분을 측정하는 센서(102)가 구비된다. 상기 센서(102)는 측정하고자 하는 목적에 따라 대응하는 센서들이 각각 구비되고 있다.
상기 센서네트워크의 혼잡도를 추정하는 혼잡도 추정부(이하, '제 1추정부'라 함)(104)가 구비된다. 상기 제 1추정부(104)는 데이터 전송율인 트랜스레이트(Trans rate), 즉 비트레이트 변환 값에 의해 구해진다. 상기 트랜스레이트는, 센서 네트워크 구성의 마스터/슬레이브 계층 구조에서 슬레이브 개수(# of Slave)와, 맥 계층에서 네트워크 정보를 담고 있는 데이터베이스인 MIB(Management Information Base)에 저장된 정보 중 'MPDU_Default_Length'(패킷사이즈), 'Trans_count_per_sec'(초당 데이터 전송율), 'Network_Capacity_bps'(네트워크 용량)에 기초하여 다음 식(1)에 의해 구해진다.
트랜스레이트 = '(# of Slave) × (MPDU_Default_Length) × (Trans_count_per_sec)/(Network_Capacity_bps)' ---- 식(1)
상기 센서네트워크의 채널 품질을 추정하는 채널 품질 추정부(이하, '제 2추정부'라 함)(106)가 구비된다. 상기 제 2추정부(106)는, 에러율(Error_rate)에 의해 구해진다. 상기 에러율은, 슬레이브 개수(# of Slave), 비트 오류율(BER : bit error rate), 상기 MIB에 저장된 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps', 'Self_error_Correction_Rate'(자신오류보정율)에 의해 다음 식(2)에 의해 구해진다.
에러율 = 'BER × (1-Self_error_Correction_Rate)' --- 식(2)
상기 제 1추정부(104) 및 제 2추정부(106)에 의한 추정된 값에 대응하는 값을 테이블 형태(이하, '정책 테이블'이라 함)로 저장하는 메모리(110)가 구비된다. 이는 전송정책 및 응답 정책 등을 결정하도록 하기 위함이다. 상기 정책 테이블은 다음 [표 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[표 1]
| Network Congestion | Network Error Rate | Transmission Policy | Ack Police |
| HIGH |
HIGH | Blocked_Data | No_Ack |
| MID | Blocked_Data | No_Ack | |
| LOW | Blocked_Data | No_Ack | |
| CLEAR | Blocked_Data | No_Ack | |
| NID |
HIGH | Blocked_Data | No_Ack |
| MID | Blocked_Data | No_Ack | |
| LOW | Blocked_Data | Blocked_Ack | |
| CLEAR | Blocked_Data | Blocked_Ack | |
| LOW |
HIGH | Blocked_Data | No_Ack |
| MID | Blocked_Data | Blocked_Ack | |
| LOW | Blocked_Data | Blocked_Ack | |
| CLEAR | Normal_Data | Normal_Ack | |
| CLEAR |
HIGH | Normal_Data | No_Ack |
| MID | Normal_Data | Normal_Ack | |
| LOW | Normal_Data | Normal_Ack | |
| CLEAR | Normal_Data | Normal_Ack |
상기 메모리(110)는 상기 센서노드(100)의 동작에 필요한 각종 프로그램, 상기 센서(102)에 의해 측정된 각종 정보 등을 저장하고 있다.
상기 센서네트워크의 네트워크 스케일을 추정하는 추정부(이하, ' 제 3추정부'라 함)(108)가 구비된다. 상기 제 3추정부(108)는 슬레이브 개수(# of Slave), 그리고 상기 MIB에 저장된 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps'을 입력받고, 'Beacon_Guard_time', 'GT_value', 'GTL_value', 'TDMA_interval', 'Beacon_interval' 값들을 추정한다. 이러한 값들에 의해 네트워크 스케일의 추정이 가능하다.
여기서, Beacon_Guard_time: 비콘 메시지의 전달을 위해 필요한 대기시간, GT_value: 이득시간(gain time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, GTL_value: 가드시간(guard time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, TDMA_interval: 현재의 초당 최대 전송 슬롯수, Beacon_interval: 비콘 메시지 전송을 위한 슬롯간격을 나타낸다.
여기서, Beacon_Guard_time: 비콘 메시지의 전달을 위해 필요한 대기시간, GT_value: 이득시간(gain time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, GTL_value: 가드시간(guard time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, TDMA_interval: 현재의 초당 최대 전송 슬롯수, Beacon_interval: 비콘 메시지 전송을 위한 슬롯간격을 나타낸다.
다음, 상기 제 1 내지 제 3추정부(104)(106)(108)에 의해 추정된 센서네트워크의 상태를 분석하고 그 센서네트워크의 센서노드(100)간의 전송 및 응답 정책 등을 상기 [표 1]를 참조하여 적용하는 정책 적용부(120)가 구비된다. 즉 상기 정책 적용부(120)는 수중환경에서 데이터 전송의 효율을 증가시키기 위해 각종 파라미터를 입력받고, 이를 기초로 최적의 전송 환경을 제공하는 역할을 하는 것이다. 본 실시 예에서는 이를 스마트 캘큐레이션 블럭(SCB:Smart Calculation Block) 이라고 한다. 상기 스마트 캘큐레이션 블럭은 일종의 알고리즘으로서, 이하에서는 상기 정책 적용부(120)를 'SCB' 또는 'SCB 알고리즘'이라고 칭하여 설명하기도 한다. 상기 정책 적용부(120)는 마스터/슬레이브 계층 구조에서 마스터 노드에 구비되는 것이 바람직하다.
상기한 제 1 내지 제 3 추정부(104)(106)(108), 정책 적용부(120)는 하드웨어적인 구성이 아니라, 펌웨어(Firmware) 기반으로 제공되며, 추후 OS(Operating System)로의 적용도 가능하다. 그렇기 때문에 상기 제 1 내지 제 3추정부(104)(106)(108) 및 정책 적용부(120)는 상기 메모리(110)에 펌웨어 형태로 저장되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 센서노드(100)에는 센서(102)에 의해 측정된 정보 및 각종 정보를 다른 노드와 송수신하기 위한 수중모뎀(130)이 구비된다. 상기 수중모뎀(130)은 상기 센서노드(100)에 내장되는 형태이거나 결합/분리가 가능한 별도의 보드로 개발될 수 있다. 상기 센서노드(100)를 제어하는 제어부(140)와 상기 수중모뎀(130)은 SPI(Serial Peripheral Interface) 방식을 이용하여 서로 통신한다.
상기 센서(102), 제어부(140), 수중모뎀(130)에 전원을 공급하는 전원공급부(150)가 구비된다.
이하, 상기한 구성을 갖는 센서노드를 포함한 센서 네트워크 구성에서 SCB 알고리즘에 의해 최적화된 전송 정책, 응답 정책이 적용되는 것을 설명하기로 한다.
우선하여, 상기 정책 적용부(120)의 전체적인 절차를 설명한다.
도 3에는 상기 정책 적용부(120)의 전체적인 절차를 보인 구성도가 도시되어 있다.
도 3을 보면, 상기 정책 적용부(120)는 다양한 입력 파라미터, 예컨대, 슬레이브 개수(# of Slave), 비트 오류율(BER : bit error rate), 해수의 깊이/온도/염분에 의해 발생하는 전파지연 정보, MIB(Management Information Base)에 저장된 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps', 'Self_error_Correction_Rate' 등을 입력받는다(s100). 상기 입력된 값에 의해 네트워크 혼잡도, 채널품질, 네트워크 스케일 등을 추정한다(s110). 그런 다음 센서네크워크에서의 최적화된 통신방식을 제공하기 위하여 응답모드(Ack mode), 전송모드(Transmission mode), TDMA 인터벌(TDMA interval), 게인타임 정보(Gain time Info), 가드타임 정보(Guard time Info), 비컨 인터벌(Beacon interval), 거리리스트(Distance List), NAV 플래그(NAV flag) 값 등을 출력한다(s120). 상기 출력된 값에 의해 상기 정책 적용부(120)는 상기 [표 1]을 참조하여 센서네트워크에서 노드들이 최상의 조건에서 통신하도록 각종 정책을 결정할 수 있다.
여기서, 상기 전송 및 응답 정책의 결정에는 상기 네트워크 혼잡도, 채널품질, 스케일의 값 등이 모두 적용되는 것이 바람직하나, 경우에 따라서는 네트워크 혼잡도, 채널 품질, 네트워크 스케일 중 적어도 하나 또는 둘 이상을 적용하여 데이터 전송 및 응답 정책을 결정할 수도 있다.
다음에는 상기한 추정과정을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4에는 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 혼잡도의 추정과정의 흐름도가 도시되어 있다.
우선 상기 네트워크 혼잡도는 트랜스레이트(Trans_rate)에 의해 결정된다. 상기 트랜스레이트는, 제 1추정부(104)가 슬레이브 개수(# of Slave), 그리고 상기 MIB에 저장된 정보 중 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps'를 입력받고(s200), 상기 식 (1)에 의해 구한다(s202). 상기 식 (1)은 '(# of Slave) × (MPDU_Default_Length) × (Trans_count_per_sec) / (Network_Capacity_bps)'을 말한다.
상기 식 (1)에 의해 트랜스레이트가 구해지면, 상기 제 1추정부(104)는 상기 트랜스레이트와 미리 정해진 임계값을 비교한다(s204). 본 실시 예에서 트랜스레이트와 비교하는 임계값은 '매우 높음', '높음', '중간', '낮음'으로 제공되고 있으며, 각각의 비교에 따라 네트워크 혼잡도는 '매우 높음', '높음', '중간', '낮음', '클리어'와 같이 5단계로 구분된다. 예컨대, 트랜스레이트가 임계값 '매우 높음' 보다 큰 경우에는(s206), 네트워크 혼잡도가 '매우 높음'이라고 추정한다(s207). 트랜스레이트가 임계값 '높음' 보다 큰 경우에는(s208), 네트워크 혼잡도가 ' 높음'이라고 추정한다(s209). 트랜스레이트가 임계값 '중간' 보다 큰 경우에는(s210), 네트워크 혼잡도가 '중간'이라고 추정한다(s211). 트랜스레이트가 임계값 '낮음' 보다 큰 경우에는(s212), 네트워크 혼잡도가 '낮음'이라고 추정한다(s213). 트랜스레이트가 임계값 '낮음'보다 작은 경우에는 네트워크는 혼잡하지 않다라고 추정한다(s214). 즉 트랜스레이트와 임계값 비교에 따라 네트워크 혼잡도의 추정이 가능하다. 물론 상기 임계값은 센서네트워크의 구성에 따라 다르게 적용할 수 있다.
상기 추정된 네트워크 혼잡도는 상기 정책 적용부(120)에 전달되고, 각종 정책결정을 위한 지표로 사용된다(s216). 물론, 상기 네트워크 혼잡도는 아래에서 상세하게 설명하는 채널 품질과 함께 상기 정책 적용부(120)에 전달되어 정책결정을 하는 것이 바람직하기 때문에, 이는 아래에서 설명될 도 5의 채널 품질이 추정된 이후에 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5에는 본 발명의 실시 예에 따른 채널 품질 추정과정의 흐름도가 도시되어 있다.
도 5는 전송 에러율에 의하여 채널 품질을 측정하는 것이다. 이를 위해 제 2추정부(106)는 슬레이브 개수(# of Slave), 비트 오류율(BER : bit error rate), 상기 MIB에 저장된 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps', 'Self_error_Correction_Rate'를 입력받는다(s300).
상기 정보들이 입력되면, 상기 제 2추정부(106)는 식 (2)에 의해 에러율을 구한다(s302). 식 (2)은, 'BER × (1-Self_error_Correction_Rate)'이다.
상기 제 2추정부(106)가 상기 식 (2)에 의해 에러율을 구하면, 상기 에러율과 미리 정해진 임계값을 비교한다(s304). 즉 본 실시 예에서 상기 구해진 에러율과 비교하는 임계값은 '매우 높음', '높음', '중간', '낮음'으로 제공되고 있으며, 각각의 비교에 따라 네트워크 에러율은 '매우 높음', '높음', '중간', '낮음', '클리어'와 같이 5단계로 구분된다. 예컨대, 상기 구해진 에러율이 임계값 '매우 높음' 보다 큰 경우에는(s306), 네트워크 에러율은 '매우 높음'이라고 추정한다(s307). 에러율이 임계값 '높음' 보다 큰 경우에는(s308), 네트워크 에러율이 '높음'이라고 추정한다(s308). 에러율이 임계값 '중간'보다 큰 경우에는(s310), 네트워크 에러율이 '중간'이라고 추정한다(s311). 에러율이 임계값 '낮음'보다 큰 경우에는(s312), 네트워크 에러율이 '낮음'이라고 추정한다(s313). 에러율이 임계값 '낮음'보다 작은 경우에는 네트워크 에러는 발생하지 않다라고 추정한다(s314). 즉 에러율과 임계값과의 비교에 따라 네트워크의 채널 품질에 대한 추정이 가능하다. 물론 상기 임계값은 센서네트워크의 구성에 따라 다르게 적용할 수 있다. 상기 추정된 에러율은 정책 적용부(120)에 제공된다(s316).
상술한 바와 같이, 도 4 및 도 5의 제 1 추정부(104) 및 제 2추정부(106)가 네트워크 혼잡도 및 채널 품질을 추정한 값은 정책 적용부(120)로 전달된다. 그러면 상기 정책 적용부(120)는 상기 메모리(110)를 액세스한 다음, 상기 [표 1]을 참조하여 전송 정책 및 응답 정책을 선택하여 센서네트워크에 적용하게 된다. 예를 들어, 상기 제 1추정부(104)에 의해 추정된 네트워크 혼잡도 및 네트워크 에러율이 모두 '높음' 상태이면, 상기 정책 적용부(120)는 전송 정책을 데이터의 전송차단(Blocked_Ddata)으로 적용하고, 응답정책은 'No Ack'로 적용한다. 만약 네트워크 혼잡도가 '클리어' 상태이고 네트워크 에러율이 '높음'상태이면, 상기 정책 적용부(120)는 전송 정책을 데이터 정상전송(Normal_Data)으로 적용하고, 응답정책은 'No Ack'로 적용한다.
이와 같이 센서네트워크의 현재 상태, 즉 네트워크 혼잡도 및 채널 품질에 따라 상기 정책 적용부(120)는 수중 환경에서 노드간 통신 상태가 최적으로 되도록 하고 있음을 알 수 있다.
도 6에는 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 스케일 추정절차를 보인 구성도가 도시되어 있다.
도 6과 같이 네트워크 스케일은, 상기 정책 적용부(120)가 슬레이브 개수(# of Slave)와, 상기 MIB에 저장된 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps', 전파지연 정보 등을 입력받고(s400), 출력값 들을 계산하는 소정 절차를 수행하여 'TDMA_(s410), interval', 'GT_value', 'GTL_value','Beacon_interval', 'Distance List' 값을 출력한다(s420). 이러한 절차에 따라 센서네트워크 스케일을 추정할 수 있다. 상기 추정된 센서네트워크의 스케일도 상기 혼잡도 및 채널 품질 정보와 함께 수중 센서네트워크의 최적화된 모델을 제시하는데 제공된다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명의 속하는 기술분야의 통상 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 일반적인 수중 센서네트워크 구성도
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 센서노드의 구성도
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 정책 적용부의 전체적인 절차를 보인 구성도
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 혼잡도의 추정과정의 흐름도
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 채널 품질 추정과정의 흐름도
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 스케일을 추정하는 절차를 보인 구성도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
102 : 센서 104 : 제 1추정부
106 : 제 2추정부 108 : 제 3추정부
110 : 메모리 120 : 정책 적용부
130 : 수중모뎀 140 : 제어부
150 : 전원공급부
Claims (9)
- 센서네트워크의 혼잡도를 추정하는 제 1추정부;상기 센서네트워크의 채널 품질을 추정하는 제 2추정부;상기 제 1추정부와 제 2추정부의 추정된 값에 따라 정책 결정을 위한 정보를 테이블 형태로 저장하고 있는 저장부; 및상기 제 1추정부와 제 2추정부에 의해 추정된 값에 따라 상기 저장부에서 대응하는 전송정책 및 응답정책을 상기 센서네트워크에 적용하는 정책 적용부;를 포함하여 구성되며,상기 제 1추정부는 비트레이트 변환 값인 트랜스레이트(Trans rate)에 의해 혼잡도를 추정하고, 상기 트랜스레이트는 다음 식(1)에 의해 구해짐을 특징으로 하는 수중 센서네트워크의 적응적 통신환경 설정장치.(# of Slave) × (MPDU_Default_Length) × (Trans_count_per_sec)/ (Network_Capacity_bps) ---식(1)(여기서, # of Slave: 슬레이브의 개수, MPDU_Default_Length: 패킷의 사이즈(byte), Trans_count_per_sec: 초당 데이터 전송율, Network_Capacity_bps: 네트워크 용량)
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 제 2추정부는 에러율(Error_rate)에 의해 구해지고, 상기 에러율은 다음 식(2)에 의해 추정함을 특징으로 하는 수중 센서네트워크의 적응적 통신환경 설정장치.BER × (1-Self_error_Correction_Rate) --- 식(2)(여기서, BER:비트오류율(bit error rate), Self_error_Correction_Rate : 자진오류보정율)
- 제 1항에 있어서,상기 슬레이브 개수(# of Slave), 그리고 맥 계층에서의 MIB(Management Information Base)에 저장된 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps'을 입력받고, 'Beacon_Guard_time', 'GT_value', 'GTL_value', 'TDMA_interval', 'Beacon_interval' 값들을 추정하여 상기 센서네트워크의 스케일을 추정하는 제 3추정부를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 수중 센서네트워크의 적응적 통신환경 설정장치.(여기서, Beacon_Guard_time: 비콘 메시지의 전달을 위해 필요한 대기시간, GT_value: 이득시간(gain time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, GTL_value: 가드시간(guard time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, TDMA_interval: 현재의 초당 최대 전송 슬롯수, Beacon_interval: 비콘 메시지 전송을 위한 슬롯간격)
- 수중환경에 구성된 수중 센서네트워크의 각 노드 상호간이 데이터 통신을 수행하는 도중에, 상기 데이터 통신의 상태를 분석하여 네트워크 혼잡도, 채널품질 상태, 센서네트워크의 스케일을 추정하는 추정부; 및상기 추정부의 추정된 값에 따라 상기 수중환경에 따른 데이터 통신환경을 선택하여 상기 수중 센서네트워크에 적용하는 스마트 캘큐레이션 블럭(SCB: Smart Calculation Block);을 포함하여 구성되며,상기 추정부는 비트레이트 변환 값인 트랜스레이트(Trans rate)에 의해 혼잡도를 추정하고, 상기 트랜스레이트는 다음 식(1)에 의해 구해짐을 특징으로 하는 수중 센서네트워크의 적응적 통신환경 설정장치.(# of Slave) × (MPDU_Default_Length) × (Trans_count_per_sec)/ (Network_Capacity_bps) ---식(1)(여기서, # of Slave: 슬레이브의 개수, MPDU_Default_Length: 패킷의 사이즈(byte), Trans_count_per_sec: 초당 데이터 전송율, Network_Capacity_bps: 네트워크 용량)
- 센서네트워크의 혼잡도와 채널 품질 중 적어도 하나를 추정하는 단계;상기 추정된 네트워크 혼잡도와 채널 품질에 대응하는 정책을 정책 테이블에서 선택하는 단계; 및상기 선택된 정책을 센서 네트워크에 적용하는 단계;를 포함하여 구성되며,상기 네트워크 혼잡도는 마스터/슬레이브 계층 구조에서 슬레이브 개수(# of Slave)와 맥 계층에 제공되는 MIB(Management Information Base)에 저장된 정보 중 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps'을 입력받고, 다음 식(1)에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 수중 센서네트워크의 적응적 통신환경 설정방법.(# of Slave) × (MPDU_Default_Length) × (Trans_count_per_sec)/ (Network_Capacity_bps) ---식(1)(여기서, # of Slave: 슬레이브의 개수, MPDU_Default_Length: 패킷의 사이즈(byte), Trans_count_per_sec: 초당 데이터 전송율, Network_Capacity_bps: 네트워크 용량)
- 삭제
- 제 6항에 있어서,상기 채널 품질은 슬레이브 개수(# of Slave), 비트 오류율(BER : bit error rate), 상기 맥 계층에 제공되는 MIB(Management Information Base)에 저장된 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps', 'Self_error_Correction_Rate'을 입력받고, 다음 식(2)에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 수중 센서네트워크의 적응적 통신환경 설정방법.BER × (1-Self_error_Correction_Rate)---식(2)(여기서, Self_error_Correction_Rate : 자진오류보정율)
- 제 6항에 있어서,상기 슬레이브 개수(# of Slave), 그리고 상기 MIB(Management Information Base)에 저장된 'MPDU_Default_Length', 'Trans_count_per_sec', 'Network_Capacity_bps'을 입력받고, 'Beacon_Guard_time', 'GT_value', 'GTL_value', 'TDMA_interval', 'Beacon_interval' 값들을 추정하여 센서 네트워크 스케일을 추정하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 센서네트워크의 적응적 통신환경 설정방법.(여기서, Beacon_Guard_time: 비콘 메시지의 전달을 위해 필요한 대기시간, GT_value: 이득시간(gain time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, GTL_value: 가드시간(guard time)을 슬롯단위로 계산한 슬롯수, TDMA_interval: 현재의 초당 최대 전송 슬롯수, Beacon_interval: 비콘 메시지 전송을 위한 슬롯간격)
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