KR101033872B1 - Method for forming Communication protocol for underwater environment, Method for forming Network and Method for communication using the communication protocol - Google Patents

Method for forming Communication protocol for underwater environment, Method for forming Network and Method for communication using the communication protocol Download PDF

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Abstract

본 발명은 수중 환경에 적합한 통신 프로토콜과 이를 이용한 네트워크 형성방법 및 통신방법에 관한 것이다. 먼저 본 발명은 싱크노드(s1)(s2)(s3)와 센서노드(A 내지 F)가 구비된 클러스터링 기반의 구조화된 네트워크 토폴리지를 형성하고 노드 간 시간 동기화를 수행하는 초기화 구간(10)과, 상기 초기화 구간(10)에서 형성된 네트워크 토폴리지를 유지/보수하고 노드 상호간에 데이터의 송수신이 이루어지는 수퍼프레임 구간(20)으로 된 맥 프로토콜이 제공된다. 상기 초기화 구간(10)은, 다시 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)와 센서노드(A 내지 F)간의 채널상태 및 채널변이를 측정하는 프리엠블 구간(12), 상기 클러스터에 가입될 센서노드(A 내지 F)를 결정하여 네트워크 토폴리지를 형성하는 구성 구간(14), 상기 가입된 센서노드(A 내지 F)와 이를 관리하는 싱크노드(s1)(s2)(s3)와의 시간 동기화를 수행하는 동기화 구간(16)으로 이루어진다. 그리고 상기 맥 프로토콜에 의해 최선의 네트워크 토폴리지를 형성한다. 상기 네트워크 토폴리지의 형성시 노드간의 전파지연시간에 의한 거리 값뿐만 아니라 채널상태 및 다양한 채널변이 정보 등이 함께 고려된다. 그와 같은 본 발명에 따르면, 수중 환경에 적응적이고 노드 변환에 유연한 네트워크 토폴리지를 형성할 수 있는 이점이 있다. The present invention relates to a communication protocol suitable for an underwater environment, a network forming method and a communication method using the same. First, the present invention provides a clustering-based structured network topology having sink nodes s1, s2, s3, and sensor nodes A through F, and an initialization section 10 for performing time synchronization between nodes; The MAC protocol is provided as a superframe section 20 which maintains and repairs the network topology formed in the initialization section 10 and transmits and receives data between nodes. The initialization section 10, the preamble section 12 for measuring the channel state and channel variation between the sink node (s1) (s2) (s3) and the sensor nodes (A to F) to be joined to the cluster A configuration section 14 which determines sensor nodes A to F to form a network topology, and time synchronization with the subscribed sensor nodes A to F and the sink nodes s1 to s3 managing them. It consists of a synchronization section 16 to perform. The MAC protocol forms the best network topology. In the formation of the network topology, not only the distance value due to the propagation delay time between nodes, but also the channel state and various channel variation information are considered together. According to the present invention, there is an advantage in that it is possible to form a network topology that is adaptable to the underwater environment and flexible to node transformation.

네트워크 토폴리지, 프로토콜, 노드, 채널상태, 채널변이  Network topology, protocol, node, channel status, channel variation

Description

수중 환경에 적합한 통신 프로토콜 형성방법과 이를 이용한 네트워크 형성방법 및 통신방법{Method for forming Communication protocol for underwater environment, Method for forming Network and Method for communication using the communication protocol}Method for forming Communication protocol for underwater environment, Method for forming Network and Method for communication using the communication protocol

본 발명은 센서네트워크에 관한 것으로, 특히 수중 채널의 상태 변화에 적응적이고 노드의 이동성에 따른 토폴리지(Topolgy)의 변화에 유연하며 에너지의 저전력 소모를 가능하게 하는 통신 프로토콜 형성방법과 이를 적용한 네트워크 형성방법 및 통신방법에 관한 것이다. The present invention relates to a sensor network, and more particularly, to a method for forming a communication protocol that is adaptive to a change in the state of an underwater channel, is flexible to a change in topology according to the mobility of a node, and enables a low power consumption of energy. It relates to a method and a communication method.

본 명세서는 수중 환경에서의 센서네트워크를 기반으로 설명한다.The present specification is described based on a sensor network in an underwater environment.

수중 센서네트워크는 지상 센서네트워크에 비해 열악한 통신환경을 가진다.그렇기 때문에, 수중 센서네트워크는 수중에서의 다양한 환경 요소 등을 고려하여 설계하는 것이 중요하다. Underwater sensor networks have a poor communication environment compared to terrestrial sensor networks. Therefore, it is important to design underwater sensor networks considering various environmental factors in the water.

특히 수중 센서네트워크 설계시에는 수중 통신에 적합한 프로토콜에 대한 연구도 함께 고려되어야 한다. 수중 센서네트워크는 지상 센서네트워크에 비해 무선 전송매체의 제한된 무선 대역폭, 높은 에너지 비용, 긴 전파 지연, 낮은 음파 속도 등의 특성이 있기 때문이다. Especially when designing underwater sensor network, research on protocol suitable for underwater communication should be considered. Underwater sensor networks have characteristics such as limited radio bandwidth, high energy cost, long propagation delay and low sound speed of radio transmission media compared to terrestrial sensor networks.

하지만, 아직까지는 수중 센서네트워크에 적합한 통신 프로토콜에 대한 연구가 시작 단계에 불과하다. However, research on communication protocols suitable for underwater sensor networks is only just beginning.

그래서 대부분의 수중 센서네트워크 구조를 이루고 있는 노드들은 노드간 채널의 변화에 상관없이 초기 설정한 통신프로토콜에 의하여 일관된 방식으로 다른 노드 또는 상위 노드와 통신을 수행하고 있는 실정이다. Therefore, most of the nodes in the underwater sensor network structure communicate with other nodes or higher nodes in a consistent manner by the communication protocol initially set regardless of the channel change between nodes.

예컨대, 종래 수중 센서네트워크 구조에서 싱크노드와 센서노드간의 통신 경로를 설정하는 경우를 설명하면, 먼저 싱크노드는 클러스터 내에서 자신의 전송범위내에 위치한 다수의 센서노드에게 메시지를 브로드캐스팅하고, 상기 센서노드는 브로드캐스팅된 메시지에 대한 응답메시지를 상기 싱크노드로 전송한다. 그러면 상기 싱크노드는 상기 응답메시지를 수신하고, 그 수신결과에 따라 센서노드와의 전파지연시간을 추정한다. 그리고 이를 기초로 센서노드와의 거리정보를 계산하고 있다. 결국 종래에는 한정된 특정 정보만을 네트워크 토폴리지 구성에 적용하고 있을 뿐이다. For example, in the case of establishing a communication path between the sink node and the sensor node in the conventional underwater sensor network structure, the sink node first broadcasts a message to a plurality of sensor nodes located within its transmission range in the cluster, and then the sensor The node sends a response message to the sink node in response to the broadcasted message. The sink node then receives the response message and estimates the propagation delay time with the sensor node according to the received result. Based on this, distance information with the sensor node is calculated. As a result, conventionally, only limited information is applied to the network topology configuration.

즉, 앞서 설명한 바와 같이 해양 환경은 다양한 변수가 있지만, 종래에는 단지 싱크노드와 센서노드와의 전파지연시간만을 추정하여 활용하고 있고, 실제 싱크노드와 센서노드 사이의 채널상태나 각종 변수 등은 전혀 고려하지 않고 있는 것이다. That is, as described above, the marine environment has various variables, but in the related art, only the propagation delay time between the sink node and the sensor node is estimated and utilized, and the actual channel state or various variables between the sink node and the sensor node are never used. It is not considered.

이 경우 싱크노드와 센서노드와의 시간 동기화가 맞지 않게 되어 데이터 송수신이 정상적으로 수행되지 못하는 문제가 발생한다. In this case, time synchronization between the sync node and the sensor node is not matched, which causes a problem that data transmission and reception are not normally performed.

또 만약 정상 구동하는 센서노드가 자신이 감지한 데이터 등을 할당된 타임 슬롯을 통해 전송하지 못하거나, 다른 노드와의 충돌로 인하여 데이터 송수신이 불가능한 경우에도, 싱크노드는 장애 발생 여부 등을 신속하게 감지할 수 없는 문제도 있다. In addition, even if a sensor node that normally operates cannot transmit data detected by itself through an assigned time slot, or if data transmission and reception are impossible due to a collision with another node, the sink node can quickly determine whether or not a failure occurs. There are also problems that cannot be detected.

아울러 장애 발생한 센서노드는 싱크노드에게 지속적으로 재가입을 요청하지만, 이 경우 센서노드 및 싱크노드에 제공된 전력 소모가 크게 발생한다. 전력 소모의 발생은 노드들의 수명을 단축시키게 되고, 결국 지속적인 수중 환경정보의 감지 능력이 저하되는 결과를 초래한다. In addition, the failed sensor node continuously requests the sink node to re-register, but in this case, power consumption provided to the sensor node and the sink node is greatly generated. The generation of power consumption shortens the lifespan of the nodes, resulting in a deterioration of the ability to continuously detect underwater environmental information.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수중 환경의 조건에 능동적으로 대응하는 통신 프로토콜 형성방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems, and to provide a method of forming a communication protocol that actively responds to the conditions of the underwater environment.

본 발명의 다른 목적은 수중 환경정보 기반의 통신 프로토콜이 적용된 네트워크 형성방법과 통신방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a network formation method and communication method to which a communication protocol based on underwater environment information is applied.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 싱크노드와 다수의 센서노드가 클러스터링 기반의 구조화된 네트워크 토폴리지를 형성하고 상기 각각의 노드 간에 시간 동기화를 수행하는 초기화구간을 형성하는 단계; 그리고 상기 싱크노드 및 센서노드에서 상기 초기화 구간에서 형성된 네트워크 토폴리지를 유지/보수하고 상기 각 싱크노드 및 센서노드 상호간에 데이터의 송수신이 이루어지는 수퍼프레임구간을 형성하는 단계를 포함하여 구성되고, 상기 초기화 구간은, 상기 싱크노드와 센서노드간의 채널상태 및 채널변이를 측정하는 프리엠블구간 형성단계, 상기 클러스터에 가입될 센서노드를 결정하여 네트워크 토폴리지를 형성하는 구성구간 형성단계, 상기 가입된 센서노드와 이를 관리하는 싱크노드와의 시간 동기화를 수행하는 동기화구간 형성단계를 포함하여 구성된다.According to a feature of the present invention for achieving the above object, the method comprising the steps of: forming an initialization period for the sync node and the plurality of sensor nodes to form a clustering-based structured network topology and to perform time synchronization between the respective nodes; And forming a superframe section in which the sink node and the sensor node maintain and maintain the network topology formed in the initialization section and transmit and receive data between the sink node and the sensor node. The section may include a preamble section forming step of measuring a channel state and channel variation between the sink node and the sensor node, forming a component section forming a network topology by determining a sensor node to join the cluster, and the joined sensor node. And a synchronization section forming step of performing time synchronization with the sink node managing the same.

상기 프리엠블 구간은, 상기 채널상태 및 채널변이를 측정하기 위해 상기 싱크노드가 일정 시간 간격으로 브로드캐스팅하는 프리엠블 메시지를 포함한다. The preamble section includes a preamble message broadcast by the sink node at predetermined time intervals to measure the channel state and channel variation.

상기 구성 구간은, 상기 센서노드가 자신이 가입하고자 할 클러스터에 가입을 요구하는 조인 메시지를 포함한다. The configuration section includes a join message for requesting the sensor node to join the cluster to which the sensor node wants to join.

상기 동기화 구간은, 상기 조인 메시지를 통해 생성된 비컨 프레임(beacon frame)정보와, 상기 센서노드가 자신이 선정한 클로스터에 가입되었는지를 확인할 수 있도록 가입 승인된 센서노드의 목록정보가 있는 응답 메시지를 포함하고, 상기 비컨 프레임은, 참여 노드의 정보, 타임 슬롯(time slot) 할당정보, 수퍼프레임의 간격(interval) 및 반복주기, 활성(active)/비활성(inactive) 정보를 포함한다. The synchronization section may include a beacon frame information generated through the join message, and a response message including list information of sensor nodes that have been approved for subscription so that the sensor node may be subscribed to the selected cloner. The beacon frame includes information of a participating node, time slot allocation information, interval and repetition period of a superframe, and active / inactive information.

상기 수퍼프레임 구간은, 상기 비컨 프레임과, 데이터전송이 이루어지는 활성구간과, 클러스터 가입 실패 및 데이터 전송시 에러가 발생한 센서노드의 재가입을 처리하는 비활성구간을 포함한다. The super frame section includes the beacon frame, an active section in which data transmission is performed, and an inactive section in which cluster join failure and resubscription of a sensor node having an error in data transmission are handled.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 싱크노드가 다수의 센서노드에게 일정 시간 간격으로 제 1 메시지를 브로드캐스팅하는 제 1 단계; 상기 센서노드가 상기 제 1 메시지의 평균수신율 및 시간간격 오차를 통해 채널상태와 채널변이 정보를 추정하는 제 2 단계; 상기 싱크노드가 상기 센서노드로부터 제 2 메시지를 수신하고 상기 제2 메시지에 포함된 상기 센서노드의 채널상태, 채널변이 정보를 기초로 상기 센서노드의 전송지연시간을 예측하는 제 3 단계; 그리고 상기 싱크노드가 상기 제 2 및 제 3 단계에서 추출된 상기 채널상태, 채널변이, 전송지연시간을 기초로 하여 상기 싱크노드가 속한 클러스터에 가입 가능한 센서노드를 결정하고 네트워크 토폴리지를 형성하는 제 4 단계를 포함하여 구성된다. According to another feature of the invention, the sink node broadcasts the first message to a plurality of sensor nodes at regular time intervals; A second step of the sensor node estimating channel state and channel variation information through an average reception rate and a time interval error of the first message; A third step of receiving, by the sink node, a second message from the sensor node and predicting a transmission delay time of the sensor node based on channel state and channel variation information of the sensor node included in the second message; And determining, by the sink node, a sensor node capable of joining the cluster to which the sink node belongs, based on the channel state, channel variation, and transmission delay time extracted in the second and third steps, and forming a network topology. It consists of four steps.

상기 제 3 단계는, 상기 센서노드가 자신이 가입할 클러스터를 선정하는 단계, 상기 클러스터가 선정 완료되면, 상기 제 2 단계에서 추정된 채널상태 및 변이에 따른 상기 싱크노드와의 가상거리정도를 측정하는 단계, 상기 측정된 가상거리정도에 의해 센서노드의 랜덤 백오프 타임을 계산하는 단계, 그리고 상기 전송지연시간 예측을 위해 상기 계산된 랜덤 백오프 타임에 따라 상기 제 2 메시지를 상기 싱크노드로 전송하는 단계를 포함하여 구성된다. In the third step, the sensor node selects a cluster to which the sensor node joins, and when the cluster is selected, measuring the virtual distance with the sink node according to the channel state and variation estimated in the second step. Calculating a random backoff time of a sensor node based on the measured virtual distance degree, and transmitting the second message to the sink node according to the calculated random backoff time for predicting the transmission delay time. It is configured to include.

상기 제 4 단계는, 상기 채널상태, 채널변이, 전송지연시간을 통해 상기 클러스터에 가입된 센서노드의 정보, 타임슬롯 할당정보, 수퍼프레임의 간격(interval) 및 반복주기, 수퍼프레임의 활성(active)/비활성(inactive) 정보가 포함된 비컨 프레임을 생성하는 한다.In the fourth step, the information of the sensor nodes subscribed to the cluster, the timeslot allocation information, the interval and repetition period of the superframe, and the superframe are active through the channel state, channel variation, and transmission delay time. Generate a beacon frame including inactive information.

상기 제 1 메시지는 시퀀스 넘버(sequence number), 시간 간격(time interval), 반복 카운트(repeat count), 송신이력(transmitting history) 정보가 포함되고, 상기 제 2 메시지는 채널상태(channel status), 채널변이(channel variations), 수신이력(receiving history) 정보가 포함된다. The first message includes a sequence number, a time interval, a repeat count, and a transmission history information. The second message includes a channel status, a channel. Channel variations and receiving history information are included.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 네트워크 토폴리지에 참여하는 노드의 정보, 상기 노드의 타임 슬롯(time slot) 할당정보, 수퍼프레임의 간격(interval) 및 반복주기, 활성(active)/비활성(inactive) 정보가 포함된 비컨 프레임이 싱크노드에서 자신의 전송범위내에 있는 다수의 센서노드에게 전송되기 시작하면, 상기 싱크노드와 센서노드간의 데이터 송수신이 수행되는 단계; 상기 데이터 송수신이 수행되는 도중에 상기 센서노드가 자신이 센싱한 수중정보 데이터 및 채널상태, 채널변이 정보를 할당된 타임슬롯을 통해 매 수퍼프레임 전송 주기마다 상기 싱크노드에게 전송하는 단계; 그리고 상기 싱크노드가 상기 전송된 정보를 갱신하여 다음 주기의 수퍼프레임 정책을 수립하는 단계를 포함하여 구성된다.According to another feature of the present invention, information on a node participating in a network topology, time slot allocation information of the node, interval and repetition period of a superframe, active / inactive ) When the beacon frame including the information begins to be transmitted from the sink node to a plurality of sensor nodes within its transmission range, data transmission and reception between the sink node and the sensor node is performed. Transmitting, by the sensor node, the sensor node to the sink node at every superframe transmission period through the allocated time slots during the data transmission and reception; And establishing, by the sink node, the superframe policy of a next period by updating the transmitted information.

본 발명은, 기존의 맥 프로토콜에 노드간 채널상태 및 채널변이를 측정하기 위해 상기 싱크노드가 센서노드에게로 일정 시간 간격으로 브로드캐스팅하는 프리엠블 구간이 추가된 통신프로토콜을 제공하고 있어, 수중 환경에 더 적응적인 네트워크 토폴리지를 형성할 수 있다. The present invention provides a communication protocol including a preamble section in which the sync node broadcasts to a sensor node at regular time intervals in order to measure channel state and channel variation between nodes in the existing MAC protocol. It can form a network topology that is more adaptive to.

또 그 통신프로토콜을 이용하여 싱크노드와 센서노드간의 시간 동기화를 정확하게 이룰 수 있게 함으로써 싱크노드와 센서노드간의 전송 실패율을 줄일 수 있다. In addition, it is possible to reduce the transmission failure rate between the sync node and the sensor node by enabling accurate time synchronization between the sync node and the sensor node using the communication protocol.

또 클러스터 가입 실패 및 데이터 전송 에러가 발생한 노드의 보수를 위해 비활성 구간이 구동될 경우, 해당 노드만이 활성상태를 가지고 이외의 노드는 수면모드상태를 유지하게 되어, 노드의 에너지원의 소모를 최소화할 수 있다. In addition, when the inactive section is operated to repair a node that has failed to join the cluster or a data transmission error, only the node has an active state and the other nodes remain in the sleep mode, minimizing the energy consumption of the node. can do.

이하 본 발명에 의한 수중 환경에 적합한 통신 프로토콜과 이를 적용한 네트워크 형성방법 및 통신방법을 첨부된 도면에 도시된 바람직한 실시 예를 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, a communication protocol suitable for an underwater environment according to the present invention, a network forming method and a communication method applying the same will be described in detail with reference to the preferred embodiments shown in the accompanying drawings.

본 실시 예는 수중환경에 적합한 통신 프로토콜로서 맥(MAC) 계층에 대한 프로토콜에 관한 것이고, 특히 수중환경의 여러 요인에 의해 변하는 센서네트워크의 환경에 적합한 최적의 통신방식을 제공하는 것이다.The present embodiment relates to a protocol for the MAC layer as a communication protocol suitable for aquatic environments, and in particular, to provide an optimal communication scheme suitable for an environment of a sensor network changed by various factors of the underwater environment.

도 1에는 본 발명을 설명하기 위해 제안된 네트워크 토폴리지 구성도가 도시되어 있다. 1 is a block diagram of a network topology proposed to illustrate the present invention.

도 1을 보면 본 발명의 설명을 위해 클러스터링(clustering) 기반의 구조화 된 네트워크 토폴리지가 형성됨을 알 수 있다. 실시 예에서는 상기 네트워크 토폴리지는 3개의 클러스터가 구비되어 있고, 각각의 클러스터는 싱크노드(s1)(s2)(s3) 및 센서노드(A 내지 F)가 구비되어 구성된다. 도면에서는 싱크노드 s1이 위치한 클러스터에만 센서노드(A 내지 F)가 구비되고 있는 것으로 도시하고 있지만, 다른 싱크노드인 s2, s3에도 다수의 센서노드가 구비된다. 그리고 도면에서 상기 센서노드 E는 상기 싱크노드 s1 및 s2의 전송범위에 포함된 센서노드이다. Referring to FIG. 1, it can be seen that a clustering-based structured network topology is formed for explanation of the present invention. In the embodiment, the network topology is provided with three clusters, and each cluster is comprised of sink nodes s1, s2, s3, and sensor nodes A through F. In the drawing, the sensor nodes A to F are provided only in the cluster in which the sink node s1 is located, but a plurality of sensor nodes are also provided in other sink nodes s2 and s3. In the drawing, the sensor node E is a sensor node included in a transmission range of the sink nodes s1 and s2.

상기 센서노드(A 내지 F)는 수중 환경에서의 각종 센싱 데이터를 주기적으로 수집하고, 이를 자신이 속한 클러스터에 위치한 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)에게 전송하는 역할을 수행한다. The sensor nodes A to F periodically collect various sensing data in the underwater environment, and transmit them to the sink nodes s1, s2, and s3 located in the cluster to which the sensor nodes A to F belong.

상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 클러스터 헤드(cluster head)로서 역할을 수행한다. 또 상기 센서노드(A 내지 F)가 전송한 수중 환경 정보를 주기적으로 수집하여 수중환경정보베이스(ML-UEIB : MAC Layer-Underwater Enviroment Information Base, 이하 '데이터 베이스(DB)'라 칭하기로 함)를 생성 및 갱신하는 역할도 수행한다. 아울러 상기 데이터베이스(DB)에 저장된 정보를 기초로 하여 싱크노드(s1)(s2)(s3)와 센서노드(A 내지 F), 센서노드(A 내지 F) 사이에서 데이터 전송시 발생할 수 있는 충돌 현상을 방지하기 위한 동작도 제어한다. The sink nodes s1, s2, and s3 serve as cluster heads. In addition, the underwater environment information collected by the sensor nodes (A to F) is periodically collected and the underwater environment information base (ML-UEIB: MAC Layer-Underwater Enviroment Information Base, hereinafter referred to as 'database (DB)') It also plays a role in creating and updating. In addition, on the basis of the information stored in the database DB, a collision phenomenon that may occur during data transmission between the sync node (s1) (s2) (s3), the sensor nodes (A to F), the sensor nodes (A to F) It also controls the operation to prevent this.

그와 같은 네트워크 토폴리지 구조에서 수중 환경에 적합한 통신 프로토콜이 제공되어 노드간 데이터 통신을 수행하게 된다. 상기한 통신 프로토콜은 수중 환경에 적합한 적응적이고 동적인 맥(MAC) 프로토콜로서, 'P-MAC(Preamble - MAC)'이라고 한다. 이하에서는 상기 'P-MAC(Preamble - MAC)'을 '맥 프로토콜'이라고 칭하여 설명한다. In such a network topology structure, a communication protocol suitable for an underwater environment is provided to perform data communication between nodes. The above-mentioned communication protocol is an adaptive and dynamic MAC (MAC) protocol suitable for an underwater environment, and is called 'P-MAC (Preamble-MAC)'. Hereinafter, the 'P-MAC (Preamble-MAC)' will be referred to as a 'Mac protocol'.

도 2에 상기 맥 프로토콜의 구조도가 도시되어 있다. 2 is a structural diagram of the MAC protocol.

상기 맥 프로토콜은 초기 토폴리지 형성 및 시간 동기화를 위한 구간으로, 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 상기 데이터베이스(DB)를 생성 및 갱신하며 이를 기초로 하여 시간 동기화 작업을 수행하고, 센서노드(A 내지 F)는 적절한 클러스터에 가입하게 되는 초기화 구간(initializaion period)(10)과, 데이터 전송 및 상기 초기화 구간에 의해 형성된 네트워크 토폴리지의 유지보수를 위한 수퍼프레임 구간(superframe period)(20)으로 이루어진다. The MAC protocol is an interval for initial topology formation and time synchronization, and the sink nodes s1, s2, and s3 generate and update the database DB, and perform a time synchronization operation based on this. The sensor nodes A to F may include an initialization period 10 to join an appropriate cluster, and a superframe period for data transmission and maintenance of a network topology formed by the initialization period ( 20).

상기 초기화 구간(10)은 다시 프리엠블 구간(preamble period)(12), 구성 구간(organization period)(14), 동기화 구간(synchronization period)(16)으로 구분된다. The initialization period 10 is further divided into a preamble period 12, an organization period 14, and a synchronization period 16.

상기 프리엠블 구간(12)은, 적응적 맥 프로토콜 기반의 메시지(Preamble message, 이하 '제 1 메시지'라 함)를 생성하고, 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)가 이를 일정 시간 간격으로 브로드캐스팅(broadcasting)하는 구간이다. 상기 제 1 메시지에는 시퀀스 넘버(sequence number), 시간 간격(time interval), 반복 카운트(repeat count), 송신이력(transmitting history) 등의 정보가 포함된다. 상기 제 1 메시지의 브로드캐스팅에 따라 상기 센서노드(A 내지 F)는 채널상태(channel status) 및 채널변이(channel variations) 등의 정보를 측정할 수 있고, 이는 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)가 자신이 속한 클러스터를 다이나믹(dynamic)하게 구성시키는 정보로 활용된다. The preamble section 12 generates an adaptive MAC protocol based message (hereinafter, referred to as a 'first message'), and the sink nodes s1, s2, and s3 have a predetermined time interval. This is a section for broadcasting. The first message includes information such as a sequence number, a time interval, a repeat count, a transmission history, and the like. According to the broadcasting of the first message, the sensor nodes A to F may measure information such as channel status and channel variations, which is the sink node s1 (s2). (s3) is used as information that dynamically constructs the cluster to which it belongs.

상기 구성 구간(14)은, 상기 프리엠블 구간(12)에 의해 수집된 정보를 기초로 하여 네트워크 토폴리지를 형성하는 구간이다. 이 구간(14)에서는 상기 센서노드(A 내지 F)는 자신이 가입할 클러스터를 선정하고, 선정된 클러스터에 가입하기를 희망하는 조인-메시지(join message, 이하 '제 2 메시지'라 함)를 전송한다. 상기 제 2 메시지에는 채널상태(channel status), 채널변이(channel variations), 수신이력(receiving history) 등의 정보가 포함된다. 또 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 상기 제 2 메시지의 내용을 통해 상기 센서노드(A 내지 F)의 전송지연시간(propagation delay time)을 예측할 수 있다. The configuration section 14 is a section for forming a network topology based on the information collected by the preamble section 12. In this section 14, the sensor nodes A to F select a cluster to join their own, and join a message (hereinafter referred to as a 'second message') that wishes to join the selected cluster. send. The second message includes information such as channel status, channel variations, receiving history, and the like. The sink nodes s1, s2, and s3 may predict a propagation delay time of the sensor nodes A through F through the content of the second message.

상기 동기화 구간(16)은, 상기 구성구간(14)에 의해 형성된 네트워크 토폴리지에 참여한 노드들의 시간 동기화 및 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)가 상기 센서노드(A 내지 F)로부터 전송받은 제 2 메시지를 통해 아래에서 설명될 비컨 프레임(beacon frame)(26)을 생성하는 구간이다. 상기 비컨 프레임(26)에는, 상기 클러스터에 참여한 센서노드(A 내지 F)의 정보, 타임 슬롯(time slot) 할당정보, 수퍼프레임의 간격(interval) 및 반복주기, 활성(active)/비활성(inactive) 정보 등이 포함된다. 또 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 가입 승인된 센서노드(A 내지 F)의 목록 정보가 포함된 응답-메시지(ack-message, 이하 '제 3 메시지'라 함)을 브로드캐스팅하는 구간이기도 한다.The synchronization section 16, time synchronization of nodes participating in the network topology formed by the configuration section 14 and the sink node (s1) (s2) (s3) transmitted from the sensor nodes (A to F) A section for generating a beacon frame 26 to be described below through the received second message. In the beacon frame 26, information of sensor nodes A to F participating in the cluster, time slot allocation information, interval and repetition interval of a super frame, active / inactive Information). In addition, the sink nodes s1, s2, and s3 broadcast response-messages (hereinafter referred to as 'third messages') including list information of the sensor nodes A to F approved to join. It is also a section.

다음, 상기 수퍼프레임 구간(20)이다. 상기 수퍼프레임 구간(20)은, 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)에서 생성된 비컨프레임(26)이 송신되는 시점에 구동 개시하는 구간이다. 이 구간에는 다수의 타임슬롯(S1~Sn)이 존재하고, 하나의 타임슬롯은 활성구간(active period)(22)과 비활성구간(inactive period)(24)으로 구분된다. 상기 활성구간(22)은 상기 비컨프레임(26)의 송신에 따라 센서노드(A 내지 F)가 자신에게 할당된 타임슬롯을 통해 데이터를 전송하고, 지속적으로 갱신되는 채널의 상태 및 변이정보 등을 센싱 데이터와 함께 데이터 메시지(data message, 이하 ' 제 4 메시지'라 함)를 생성하여 싱크노드(s1)(s2)(s3)로 제공하는 구간이다. 반면 상기 비활성구간(24)은 센서노드(A 내지 F) 중 클러스터 가입 실패 및 데이터 전송 에러 등이 발생한 센서노드에 대한 재가입을 위한 구간으로, 그 외 정상적인 센서노드는 수면노드(sleep mode) 상태이다.Next, the superframe section 20. The super frame section 20 is a section starting to drive when the beacon frame 26 generated in the sync node s1, s2, and s3 is transmitted. There are a plurality of timeslots S 1 to S n in this section, and one timeslot is divided into an active period 22 and an inactive period 24. The active period 22 transmits data through timeslots assigned to the sensor nodes A through F according to the transmission of the beacon frame 26, and continuously updates the state and transition information of the channel continuously updated. This section generates a data message (hereinafter referred to as a 'fourth message') along with the sensing data and provides the data message to the sink nodes s1, s2, and s3. On the other hand, the inactive section 24 is a section for resubscribing to a sensor node in which cluster join failure or data transmission error occurs among the sensor nodes A to F, and other normal sensor nodes are in a sleep node state. .

이어, 상기와 같은 맥 프로토콜을 적용하여 네트워크 토폴리지를 형성하고, 형성된 네트워크 토폴리지에서의 노드간 통신방법을 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3에는 본 발명의 실시 예에 따른 맥 프로토콜을 이용하여 네트워크 토폴리지 형성 및 통신방법을 보인 흐름도가 도시되어 있다. 도 3의 과정은 초기화 과정과 데이터 전송구간으로 구분하여 설명한다. Next, a network topology is formed by applying the MAC protocol as described above, and an inter-node communication method in the formed network topology will be described with reference to FIG. 3. 3 is a flowchart illustrating a network topology formation and communication method using a MAC protocol according to an embodiment of the present invention. The process of FIG. 3 is divided into an initialization process and a data transmission section.

초기화 과정Initialization process

초기화 과정은 네트워크 토폴리지를 형성하는 과정이다. 상기 초기화 과정은 먼저 무작위로 배열된 싱크노드(s1)(s2)(s3) 및 센서노드(A 내지 F)에게 전원이 인가되는 것에 의해 개시된다.Initialization is the process of forming a network topology. The initialization process is first started by applying power to the randomly arranged sink nodes s1, s2, s3, and sensor nodes A through F.

전원이 인가되면, 프리엠블 구간(12)에서는 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 시 퀀스 넘버(sequence number), 시간 간격(time interval), 반복 카운트(repeat count), 송신이력(transmitting history) 등의 정보가 포함된 제 1 메시지를 생성하고(s100), 이를 일정 시간 간격 동안 정해진 회수만큼 상기 센서노드(실제로는 A 내지 F보다 더 많은 센서노드가 됨)로 브로드캐스팅 한다(s102). In the preamble section 12, the sink nodes s1, s2, and s3 have a sequence number, a time interval, a repeat count, and a transmission history. A first message including information such as transmitting history is generated (s100) and broadcasted to the sensor node (actually more sensor nodes than A to F) for a predetermined number of times for a predetermined time interval (s102). ).

상기 브로드캐스팅된 제 1 메시지는 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)의 전송범위 이내에 위치한 센서노드(A 내지 F)에게 전달된다. The broadcast first message is delivered to sensor nodes A to F located within the transmission range of the sink nodes s1, s2, and s3.

상기 센서노드(A 내지 F)는 상기 브로드캐스팅된 제 1 메시지를 수신하고(s104), 이를 통해 상기 제 1 메시지의 평균 수신율 및 시간간격의 편차를 계산한 후, 채널상태 및 채널변이 정보 등을 측정한다(s106). The sensor nodes A to F receive the broadcasted first message (s104), calculate the deviation of the average reception rate and time interval of the first message through this, and then calculate channel state and channel variation information. It measures (s106).

일단, 상기 제 106 단계에서 상기 채널상태 및 채널변이 등의 정보가 측정되면, 상기 구성구간(14)에서는 상기 센서노드(A 내지 F)가 상기 측정된 정보 등을 통해 자신이 가입할 클러스터를 선택한다(s110). 즉 상기 센서노드(A 내지 F)는 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)로부터 전송된 제 1 메시지를 참조하여, 자신이 가입하기에 가장 적절한 클러스터를 선택하는 것이다. 예컨대, 도 1에서 센서노드 B는 자신과 가까운 싱크노드 s3이 위치한 클러스터에 가입하는 것이 바람직하다. 싱크노드 s2 및 s3 이 위치한 클러스터에 가입하기에는 노드간 거리가 멀고, 이는 데이터전송의 실패 확률이 증가하는 문제가 있다. Once the information on the channel state, channel variation, etc. is measured in step 106, in the configuration section 14, the sensor nodes A to F select a cluster to which they join through the measured information. (S110). That is, the sensor nodes A to F refer to the first message transmitted from the sink nodes s1, s2, and s3, and select the cluster most suitable for the subscription. For example, in FIG. 1, the sensor node B joins a cluster in which a sink node s3 close to itself is located. The distance between nodes is too long to join the cluster where the sink nodes s2 and s3 are located, which increases the probability of data transmission failure.

상기 가입할 클러스터가 선택되면, 상기 센서노드(A 내지 F)는 상기 측정된 채널상태 및 채널변이에 따른 가상거리정도(virtual distance level)을 추정한다(s112). When the cluster to be subscribed to is selected, the sensor nodes A to F estimate a virtual distance level according to the measured channel state and channel variation (S112).

그런 다음, 상기 추정된 가상거리정도에 따라 각 센서노드(A 내지 F)은 차등화된 랜덤 백오프 타임(differentiated random backoff time)을 계산한다(s114). Then, each of the sensor nodes A to F calculates a differentiated random backoff time according to the estimated virtual distance degree (S114).

상기 차등화된 랜덤 백오프 타임이 계산되면, 상기 센서노드(A 내지 F)는 자신의 랜덤 백오프 타임동안 유지한 후, 정해진 시간이 되면 제 2 메시지를 자신의 싱크노드(s1)(s2)(s3)에게 송신한다(s116). 상기 제 2 메시지에는 상기 센서노드(A 내지 F) 자신이 측정한 채널상태 및 채널변이 정보와, 상기 제 1 메시지를 수신할 때의 수신이력(receiving history) 정보 및 상기 선택한 클러스터로의 참여를 희망하는 정보 등이 포함된다.When the differential random backoff time is calculated, the sensor nodes A to F maintain their random backoff time and, after a predetermined time, transmit a second message to their sync node s1 (s2) ( s3) (s116). The second message includes channel state and channel variation information measured by the sensor nodes A to F, reception history information when the first message is received, and participation in the selected cluster. Information, and the like.

이에, 상기 구성구간(14)에서 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 상기 센서노드(A 내지 F)가 송신한 제 2 메시지를 분석하여, 각 센서노드(A 내지 F)와의 채널상태 및 채널변이 정보 등을 확인한다(s118). 또한 상기 각 센서노드(A 내지 F)의 채널상태 및 채널변이 정보를 기초로 상기 각 센서노드(A 내지 F)의 전송지연시간을 예측한다(s120). 아울러 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 각 센서노드(A 내지 F)의 채널상태, 채널변이, 전송지연시간 등의 정보를 데이터베이스에 지속적으로 누적 갱신한다(s122). Accordingly, in the configuration section 14, the sink nodes s1, s2, and s3 analyze the second message transmitted by the sensor nodes A to F, and channel with each sensor node A to F. Check the status and channel variation information (s118). In addition, the transmission delay time of each sensor node (A to F) is predicted based on the channel state and channel variation information of each sensor node (A to F) (S120). In addition, the sink nodes s1, s2, and s3 continuously accumulate and update information, such as channel state, channel variation, and transmission delay time, of each sensor node A to F in the database (s122).

상기한 과정에 따라 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 상기 센서노드(A 내지 F) 중에서 채널상태가 좋고 짧은 전파지연시간을 가지는 센서노드(즉, A 내지 F)를 판단할 수 있게 된다. 상기 판단은 채널의 변화에 따라 네트워크 토폴리지를 최선으로 구성할 수 있는 자료로 활용된다. According to the above process, the sink nodes s1, s2, and s3 may determine sensor nodes (ie, A to F) having a good channel state and short propagation delay time among the sensor nodes (A to F). Will be. The determination is used as the data that can best configure the network topology according to the channel change.

따라서, 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 상기 제 2 메시지를 송신한 다수의 센서노드(A 내지 F) 중에서 자신이 속한 클러스터에 가입 가능한 센서노드(A 내지 F)를 결정할 수 있게 된다. 결국 도 1과 같은 네트워크 토폴리지를 형성할 수 있는 것이다(s124). 물론 도 1의 네트워크 토폴리지는 하나의 예에 불과하고, 다른 형태로도 구성될 수 있음은 당연하다. 이와 같은 네트워크 토폴리지의 형성은 상기 전파지연시간뿐만 아니라 노드간 거리, 채널상태 및 채널변이 정보 등을 전체적으로 분석할 수 있기 때문이다. Accordingly, the sink nodes s1, s2, and s3 may determine the sensor nodes A to F that can join the cluster to which the second node sends the second message among the plurality of sensor nodes A to F. do. As a result, it is possible to form the network topology as shown in Figure 1 (s124). Of course, the network topology of FIG. 1 is just one example, and may be configured in other forms. The formation of such a network topology is because not only the propagation delay time but also the distance between nodes, channel state and channel variation information can be analyzed as a whole.

그와 같이 네트워크 토폴리지가 형성되면, 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 가입이 승인된 센서노드(A 내지 F)와의 시간 동기화를 수행하게 된다. 상기 시간 동기화는 동기화 구간(16)에서 이루어지고, 이때 센서노드(A 내지 F)는 상기 구성구간(14)에서 자신이 선택한 클러스터에 가입이 되었는지가 확인되어야 한다. As such, when the network topology is formed, the sync nodes s1, s2, and s3 perform time synchronization with the sensor nodes A to F approved for subscription. The time synchronization is performed in the synchronization section 16, in which the sensor nodes (A to F) should be checked whether or not to join the cluster selected by the member in the configuration section (14).

이를 위해, 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 가입이 승인된 센서노드(A 내지 F)의 목록 정보가 있는 제 3 메시지를 브로드캐스팅 한다(s130). 그러면, 상기 센서노드(A 내지 F)는 상기 제 3 메시지를 통해 클러스터에 가입이 되었는지를 확인할 수 있다(s132).To this end, the sink nodes s1, s2, and s3 broadcast a third message including list information of sensor nodes A to F approved to be subscribed to (s130). Then, the sensor nodes (A to F) may check whether the cluster is joined to the cluster through the third message (S132).

상기 클러스터 가입 확인과정이 완료되면, 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 가입 승인된 센서노드(A 내지 F)가 데이터 전송이 가능하도록 타임슬롯을 할당하는 것과 같은 일련의 조치를 수행한다. 즉, 구체적으로 보면, 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 상기 제 2 메시지에 포함된 채널상태(channel status), 채널변이(channel variations), 수신이력(receiving history) 정보와 상기 전송지연시간을 통해 각 센서노드(A 내지 F)의 수퍼 프레임 간격 및 반복주기를 판단하고, 이를 기초로 수립된 수퍼프레임 관련정책이 포함된 비컨 프레임(26)을 생성한다(s134). 상기 비컨 프레임(26)에는 참여 노드의 정보, 타임 슬롯(time slot) 할당정보, 수퍼프레임의 간격(interval) 및 반복주기, 활성(active)/비활성(inactive) 정보 등이 포함되게 된다. When the cluster subscription confirmation process is completed, the sink nodes s1, s2, and s3 perform a series of actions, such as allocating timeslots to allow data transmission of the approved sensor nodes A to F. do. That is, in detail, the sink nodes s1, s2, and s3 may include channel status, channel variations, receiving history information, and transmission information included in the second message. The super frame interval and the repetition period of each sensor node (A to F) are determined through the delay time, and a beacon frame 26 including the super frame related policy established based on this is generated (S134). The beacon frame 26 includes information on participating nodes, time slot allocation information, intervals and repetition periods of superframes, and active / inactive information.

그래서, 상기 동기화 과정이 수행되면, 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 센서노드(A 내지 F)의 상태에 따라 앞서 설명한 도 1과 같은 네트워크 토폴리지에서의 노드간 통신을 원활하게 수행할 수 있게 된다.Thus, when the synchronization process is performed, the sink nodes s1, s2, and s3 smoothly communicate between nodes in the network topology as shown in FIG. 1 according to the state of the sensor nodes A to F. It can be done.

상술한 바와 같이 프리엠블구간(12) - 구성구간(14) - 동기화구간(16)의 각 기능 수행에 따른 초기화 과정에 의해 가장 최선의 네트워크 토폴리지가 형성되고, 네트워크 토폴리지를 형성하는 각 클러스터내에 배열된 싱크노드(s1)(s2)(s3)와 센서노드(A 내지 F)간의 시간 동기화가 완료된다(s136). As described above, the best network topology is formed by an initialization process according to each function of the preamble section 12-the configuration section 14-the synchronization section 16, and each cluster forming the network topology. The time synchronization between the sync nodes s1, s2, and s3 arranged in the sensor nodes A to F is completed (s136).

다음으로 상기 초기화 과정에 의해 형성된 네트워크 토폴리지에서의 데이터 통신방법을 계속해서 도 3을 참조하여 설명한다. Next, the data communication method in the network topology formed by the initialization process will be described with reference to FIG. 3.

데이터 전송과정Data transfer process

상기 데이터 전송과정은 맥 프로토콜의 수퍼프레임 구간(20) 중 활성 구간(22)에서 실행된다. 상기 데이터 전송을 위한 데이터 전송과정은 상기 동기화 구간(16)에서 생성된 비컨 프레임(26)이 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)에서 송신되는 것에 의해 개시된다. The data transmission process is performed in the active section 22 of the superframe section 20 of the Mac protocol. The data transmission process for the data transmission is started by the beacon frame 26 generated in the synchronization section 16 is transmitted in the sync node (s1) (s2) (s3).

상기 비컨 프레임(26)이 송신되면, 상기 센서노드(A 내지 F)는 상기 비컨 프레임(26)에 의해 할당된 타임 슬롯을 통해 데이터 전송을 수행하기 시작한다(s142). 이때 상기 센서노드(A 내지 F)는 채널상태, 채널변이 및 수신내역 정보 등과 상기 센서노드(A 내지 F)가 감지한 센싱 데이터를 포함한 제 4 메시지를 생성하고, 이를 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)로 전송한다(s144). When the beacon frame 26 is transmitted, the sensor nodes A to F start performing data transmission through the time slot allocated by the beacon frame 26 (S142). In this case, the sensor nodes A through F generate a fourth message including channel state, channel variation and reception information, and sensing data sensed by the sensor nodes A through F, and the sink node s1 ( S2) (s3) is transmitted (s144).

그러면, 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 상기 제 4 메시지에 포함된 정보를 데이터베이스에 갱신 저장한다(s146). 아울러 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 상기 제 4 메시지에 포함된 정보를 통해 센서노드(A 내지 F)의 전반적인 상태를 모니터링한다(s148). 상기 모니터링된 결과는 다음 주기의 수퍼프레임 정책에 반영된다. Then, the sink nodes s1, s2, and s3 update and store the information included in the fourth message in a database (s146). In addition, the sink nodes s1, s2, and s3 monitor the overall state of the sensor nodes A through F through the information included in the fourth message (s148). The monitored result is reflected in the next frame superframe policy.

그와 같이 본 실시 예는 맥 프로토콜의 초기화 구간(10)을 통해 적절한 네트워크 토폴리지를 형성할 수 있고, 네트워크 토폴리지에서 노드간 통신을 수행하면서도 센서노드(A 내지 F)의 정상/비정상 여부를 확인할 수 있다. As such, the present embodiment can form an appropriate network topology through the initialization section 10 of the MAC protocol, and whether the sensor nodes A to F are normal / abnormal while performing inter-node communication in the network topology. You can check it.

한편, 상기 초기화 구간(10)에서 네트워크 토폴리지 형성 및 시간 동기화가 수행되는 도중에 장애가 발생할 수 있다. 장애 발생은 다음과 같은 경우가 있고, 이를 설명한다.Meanwhile, a failure may occur during network topology formation and time synchronization in the initialization section 10. The occurrence of a failure can be described as follows.

첫 번째, 네트워크 토폴리지 형성시 초기화 구간에서 센서노드(A 내지 F)가 클러스터로의 가입이 실패한 경우이다. 이때는 상기 센서노드(A 내지 F)는 상기 수퍼프레임 구간(20)의 비활성구간(24) 동안에 가입을 다시 요청한다. First, the sensor nodes A to F have failed to join the cluster in the initialization period when the network topology is formed. In this case, the sensor nodes A to F request to join again during the inactive section 24 of the superframe section 20.

두 번째, 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)가 지정된 타임슬롯을 통해 해당 센서노드(A 내지 F)로부터 데이터를 수신하지 못하는 경우이다. 이때는 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)가 먼저 해당 센서노드(A 내지 F)의 타임슬롯의 할당을 다음 수퍼프레임 주기에서 배제한다. 그러면 상기 센서노드(A 내지 F)는 이전 주기에서 자신이 송신한 데이터가 정상적으로 전송되지 않았음을 인지할 수 있고, 상기 첫 번째 경우와 마찬가지로 상기 센서노드(A 내지 F)는 상기 수퍼프레임구간(20)의 비활성구간(22) 동안 가입을 다시 요청한다. 이때 만약 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)가 센서노드(A 내지 F)로부터 소정 횟수 이상 데이터를 수신받지 못하면, 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 노드 실패(node failure)로 간주하여 해당 센서노드(A 내지 F)를 클러스터에서 탈퇴시킬 수도 있다. 이 경우에도 상기 탈퇴된 센서노드(A 내지 F)가 클러스터에 참여하기를 희망하면, 상기 수퍼프레임구간(20)의 비활성구간(22) 동안 가입을 다시 요청하면 된다. Second, the sink nodes s1, s2, and s3 cannot receive data from the corresponding sensor nodes A through F through the designated timeslot. In this case, the sink nodes s1, s2, and s3 first exclude the allocation of timeslots of the corresponding sensor nodes A to F from the next superframe period. Then, the sensor nodes A to F may recognize that data transmitted by the previous node in the previous period was not normally transmitted. As in the first case, the sensor nodes A to F may be connected to the superframe interval ( The subscription request is made again during the period of inactivity 22 of 20). At this time, if the sink node (s1) (s2) (s3) does not receive data from the sensor nodes (A to F) a predetermined number of times, the sink node (s1) (s2) (s3) is a node failure (node failure) The sensor nodes A to F may be withdrawn from the cluster. In this case, if the detached sensor nodes A to F wish to join the cluster, they may request to join again during the inactive section 22 of the superframe section 20.

상기와 같이 비활성구간(22) 동안에 가입 요청이 발생하면, 상기 싱크노드(s1)(s2)(s3)는 앞서 설명한 구성구간(14) 및 동기화 구간(16)에서의 절차를 수행하고, 가입 여부를 결정한다. When the subscription request occurs during the inactive section 22 as described above, the sync node (s1) (s2) (s3) performs the procedure in the configuration section 14 and the synchronization section 16 described above, and whether or not to join Determine.

한편, 장애 발생의 다른 예로 노드 간의 데이터 충돌이 일어날 수도 있다. 즉, 센서노드(A 내지 F)가 자신이 속한 클러스터의 싱크노드(s1) 및 다른 센서노드로부터 데이터를 동시에 수신할 경우이다. 예컨대, 도 1에서 센서노드 E가 될 수 있다. 센서노드 E는 싱크노드 s1과 센서노드 F로부터 데이터를 동시에 받고 있다.이 경우 데이터 충돌로 인해 데이터 송수신이 실패하게 된다. Meanwhile, as another example of a failure, data collision between nodes may occur. That is, the sensor nodes A to F simultaneously receive data from the sink node s1 of the cluster to which they belong and other sensor nodes. For example, it may be the sensor node E in FIG. The sensor node E is simultaneously receiving data from the sync node s1 and the sensor node F. In this case, data transmission and reception fail due to a data collision.

따라서 상기 싱크노드(s1)는 충돌이 발생한 센서노드 E가 다음 주기에서도 동일한 타임슬롯에서 충돌 발생을 예상할 수 있고, 그렇기 때문에 상기 싱크노드(s1)는 상기 충돌 발생한 센서노드의 타임슬롯을 변경하는 조치를 취하도록 한다. Accordingly, the sink node s1 may expect a collision to occur in the same time slot even when the sensor node E having a collision occurs in the next period. Therefore, the sink node s1 changes the timeslot of the sensor node in the collision. Take action.

그리고 위에서 설명한 상기 장애 발생시 이에 대한 처리를 하는 경우, 상기 맥 프로토콜의 비활성구간에서 처리하고 있어, 노드의 에너지원이 소모되는 것을 최소화할 수 있다.When the above-mentioned failure occurs, the processing is performed in the inactive section of the MAC protocol, thereby minimizing the consumption of the energy source of the node.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예는 맥 프로토콜을 이용하여 클러스터링 기반의 구조화된 네트워크 토폴리지를 형성할 때, 노드간의 전파지연시간에 의한 거리 값뿐만 아니라 채널상태 및 다양한 채널변이 정보 등도 주기적으로 수집, 저장하여 함께 고려하고 있다. 그리고 이를 통해 싱크노드와 센서노드간의 시간 동기화도 수행한다. 따라서 수중 환경에 적합한 네트워크 토폴리지를 형성할 수 있게 됨을 알 수 있다. As described above, the embodiment of the present invention periodically forms not only the distance value due to propagation delay time between nodes but also channel state and various channel variation information when forming a clustering-based structured network topology using the MAC protocol. Collected, stored and considered together. This also performs time synchronization between the sync node and the sensor node. Therefore, it can be seen that the network topology suitable for the underwater environment can be formed.

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. Although described with reference to the illustrated embodiment of the present invention as described above, this is merely exemplary, those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications without departing from the spirit and scope of the present invention. It will be apparent that other embodiments may be modified and equivalent. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

도 1은 본 발명을 설명하기 위해 제안된 네트워크 토폴리지 구성도 1 is a schematic diagram of a network topology proposed to illustrate the present invention.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 맥 프로토콜의 구조도2 is a structural diagram of a Mac protocol according to a preferred embodiment of the present invention

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 맥 프로토콜을 이용하여 네트워크 토폴리지 형성 및 통신방법을 보인 흐름도3 is a flowchart illustrating a network topology formation and communication method using a MAC protocol according to an embodiment of the present invention.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

10 : 초기화 구간 12 : 프리엠블 구간10: initialization section 12: preamble section

14 : 구성 구간 16 : 동기화 구간14: configuration section 16: synchronization section

20 : 수퍼프레임 구간 22 : 활성 구간20: super frame section 22: active section

24 : 비활성 구간 26 : 비컨 프레임24: inactive section 26: beacon frame

s1,s2,s3 : 싱크노드 A 내지 F : 센서노드s1, s2, s3: Sync node A to F: Sensor node

Claims (10)

싱크노드와 다수의 센서노드가 클러스터링 기반의 구조화된 네트워크 토폴리지를 형성하고 상기 각각의 노드 간에 시간 동기화를 수행하는 초기화구간을 형성하는 단계; 및 Forming an initialization section in which a sink node and a plurality of sensor nodes form a clustering-based structured network topology and perform time synchronization between each node; And 상기 싱크노드 및 센서노드에서 상기 초기화 구간에서 형성된 네트워크 토폴리지를 유지/보수하고 상기 싱크노드 및 센서노드 상호간에 데이터의 송수신이 이루어지는 수퍼프레임 구간을 형성하는 단계를 포함하여 구성되고, And forming a superframe section in which the sink node and the sensor node maintain and maintain the network topology formed in the initialization section and transmit and receive data between the sink node and the sensor node. 상기 초기화구간 형성단계는 상기 싱크노드와 센서노드간의 채널상태 및 채널변이를 측정하는 프리엠블구간 형성단계, 상기 클러스터에 가입될 센서노드를 결정하여 네트워크 토폴리지를 형성하는 구성구간 형성단계, 상기 가입된 센서노드와 이를 관리하는 싱크노드와의 시간 동기화를 수행하는 동기화구간 형성단계를 포함하여 구성되는 통신 프로토콜 형성방법.The initializing section forming step includes a preamble section forming step of measuring channel state and channel variation between the sink node and the sensor node, and a forming section forming step of determining a sensor node to join the cluster to form a network topology. And a synchronization section forming step of performing time synchronization between the sensor node and the sink node managing the same. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 프리엠블 구간은 상기 채널상태 및 채널변이를 측정하기 위해 상기 싱크노드가 일정 시간 간격으로 브로드캐스팅하는 프리엠블 메시지를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 프로토콜 형성방법. The preamble section includes a preamble message broadcasted by the sink node at a predetermined time interval to measure the channel state and channel variation. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 구성 구간은 상기 센서노드가 자신이 가입하고자 할 클러스터에 가입을 요구하는 조인 메시지를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 프로토콜 형성방법.The configuration section is a communication protocol forming method characterized in that the sensor node includes a join message for requesting to join the cluster to be subscribed to. 제 3항에 있어서, The method of claim 3, wherein 상기 동기화 구간은, 상기 조인 메시지를 통해 생성된 비컨 프레임(beacon frame)정보와, 상기 센서노드가 자신이 선정한 클로스터에 가입되었는지를 확인할 수 있도록 가입 승인된 센서노드의 목록정보가 있는 응답 메시지를 포함하고, The synchronization section may include a beacon frame information generated through the join message, and a response message including list information of sensor nodes that have been approved for subscription so that the sensor node may be subscribed to the selected cloner. Including, 상기 비컨 프레임은, 참여 노드의 정보, 타임 슬롯(time slot) 할당정보, 수퍼프레임의 간격(interval) 및 반복주기, 활성(active)/비활성(inactive) 정보를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 통신 프로토콜 형성방법.The beacon frame is a communication protocol comprising the information of the participating node, time slot (time slot) allocation information, the interval (interval) and repetition period of the super frame, active / inactive (inactive) information Formation method. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 수퍼프레임 구간은, 상기 비컨 프레임과, 데이터전송이 이루어지는 활성구간과, 클러스터 가입 실패 및 데이터 전송시 에러가 발생한 센서노드의 재가입을 처리하는 비활성구간을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 통신 프로토콜 형성방법.The super frame section includes the beacon frame, an active section in which data is transmitted, and an inactive section in which cluster join failure and reactivation of a sensor node having an error in data transmission are performed. . 싱크노드가 다수의 센서노드에게 일정 시간 간격으로 제 1 메시지를 브로드캐스팅하는 제 1 단계; A first step of the sink node broadcasting the first message to the plurality of sensor nodes at regular time intervals; 상기 센서노드가 상기 제 1 메시지의 평균수신율 및 시간간격 오차를 통해 채널상태와 채널변이 정보를 추정하는 제 2 단계; A second step of the sensor node estimating channel state and channel variation information through an average reception rate and a time interval error of the first message; 상기 싱크노드가 상기 센서노드로부터 제 2 메시지를 수신하고 상기 제2 메시지에 포함된 상기 센서노드의 채널상태, 채널변이 정보를 기초로 상기 센서노드의 전송지연시간을 예측하는 제 3 단계; 그리고 A third step of receiving, by the sink node, a second message from the sensor node and predicting a transmission delay time of the sensor node based on channel state and channel variation information of the sensor node included in the second message; And 상기 싱크노드가 상기 제 2 및 제 3 단계에서 추출된 상기 채널상태, 채널변이, 전송지연시간을 기초로 하여 상기 싱크노드가 속한 클러스터에 가입 가능한 센서노드를 결정하고 네트워크 토폴리지를 형성하는 제 4 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 네트워크 토폴리지 형성방법.A fourth node for determining a sensor node capable of joining the cluster to which the sink node belongs, based on the channel state, channel variation, and transmission delay time extracted by the sink node in the second and third steps; and forming a network topology. Network topology formation method characterized in that it comprises a step. 제 6항에 있어서, 상기 제 3 단계는, The method of claim 6, wherein the third step, 상기 센서노드가 자신이 가입할 클러스터를 선정하는 단계, Selecting, by the sensor node, a cluster to which the sensor node joins; 상기 클러스터가 선정 완료되면, 상기 제 2 단계에서 추정된 채널상태 및 변이에 따른 상기 싱크노드와의 가상거리정도를 측정하는 단계, When the cluster is selected, measuring a virtual distance with the sink node according to the channel state and variation estimated in the second step; 상기 측정된 가상거리정도에 의해 센서노드의 랜덤 백오프 타임을 계산하는 단계, 그리고Calculating a random backoff time of the sensor node based on the measured virtual distance degree, and 상기 전송지연시간 예측을 위해 상기 계산된 랜덤 백오프 타임에 따라 상기 제 2 메시지를 상기 싱크노드로 전송하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 네트워크 토폴리지 형성방법. And transmitting the second message to the sink node according to the calculated random backoff time to predict the transmission delay time. 제 6항에 있어서, 상기 제 4 단계는 The method of claim 6, wherein the fourth step 상기 채널상태, 채널변이, 전송지연시간을 통해 상기 클러스터에 가입된 센서노드의 정보, 타임슬롯 할당정보, 수퍼프레임의 간격(interval) 및 반복주기, 수퍼프레임의 활성(active)/비활성(inactive) 정보가 포함된 비컨 프레임을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 토폴리지 형성방법. The information of the sensor nodes joined to the cluster, the timeslot allocation information, the interval and repetition interval of the superframe, and the active / inactive of the superframe through the channel state, channel variation, and transmission delay time. The method of claim 1, further comprising generating a beacon frame including information. 제 6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 제 1 메시지는 시퀀스 넘버(sequence number), 시간 간격(time interval), 반복 카운트(repeat count), 송신이력(transmitting history) 정보가 포함되고, The first message includes a sequence number, a time interval, a repeat count, and transmission history information. 상기 제 2 메시지는 채널상태(channel status), 채널변이(channel variations), 수신이력(receiving history) 정보가 포함됨을 특징으로 하는 네트워크 토폴리지 형성방법.  And the second message includes channel status, channel variations, and receiving history information. 네트워크 토폴리지에 참여하는 노드의 정보, 상기 노드의 타임 슬롯(time slot) 할당정보, 수퍼프레임의 간격(interval) 및 반복주기, 활성(active)/비활성(inactive) 정보가 포함된 비컨 프레임이 싱크노드에서 자신의 전송범위내에 있는 다수의 센서노드에게 전송되기 시작하면, 상기 싱크노드와 센서노드간의 데이터 송수신이 수행되는 단계;A beacon frame including information of a node participating in a network topology, time slot allocation information of the node, an interval and repetition period of a superframe, and active / inactive information is synchronized. Performing data transmission / reception between the sink node and the sensor node when the node starts to be transmitted to a plurality of sensor nodes within its transmission range; 상기 데이터 송수신이 수행되는 도중에 상기 센서노드가 자신이 센싱한 수중정보 데이터 및 채널상태, 채널변이 정보를 할당된 타임슬롯을 통해 매 수퍼프레임 전송 주기마다 상기 싱크노드에게 전송하는 단계; 그리고 Transmitting, by the sensor node, the sensor node to the sink node at every superframe transmission period through the allocated time slots during the data transmission and reception; And 상기 싱크노드가 상기 전송된 정보를 갱신하여 다음 주기의 수퍼프레임 정책을 수립하는 단계를 포함하여 구성되는 네트워크 토폴리지에서의 통신방법.And the sink node updating the transmitted information to establish a next frame superframe policy.
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