KR101035724B1 - 센서 네트워크에서의 실시간 데이터 전송을 위한 플러딩 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 센서 네트워크에서의 실시간 데이터 전송을 위한 플러딩 방법에 관한 것으로서, 현재 노드에서 라운드 트립 지연 요구 신호를 포함하는 헬로우 메시지를 이웃 노드들로 전송한 후 응답 신호를 수신하여 이웃 노드들 각각으로의 패킷 전송 시간을 측정하는 단계; 상기 패킷 전송 시간과 상기 이웃 노드들 각각의 데이터 수신 가능 상태를 고려하여 상기 이웃 노드들 중에서 주 수신 노드 및 부 수신 노드를 결정하는 단계; 상기 현재 노드는 데이터를 상기 주 수신 노드로 전송함과 동시에 상기 데이터의 복사본을 상기 부 수신 노드로 전송하는 단계; 상기 주 수신 노드에서 캐리어 센싱을 통하여 채널 사용 가능 여부를 판단하는 단계; 상기 채널 사용 가능 여부를 판단하는 단계에서 채널 사용이 가능함이 확인되면, 상기 주 수신 노드는 데이터의 전송 중단을 알리는 중단 메시지를 브로드캐스팅하여 상기 부 수신 노드가 가진 상기 데이터의 복사본을 버리도록 하는 데이터 전송 중단 단계; 및 상기 현재 노드는 상기 주 수신 노드를 통하여 상기 데이터를 전송하는 단계를 포함한다.
센서 네트워크, 유니캐스트, 플러딩, 중단 메시지

Description

센서 네트워크에서의 실시간 데이터 전송을 위한 플러딩 방법{Flooding Method for Real-time Data Transmission in Sensor Network}
본 발명은 무선 센서 네트워크에서 실시간으로 데이터를 전송하는 데 있어서, 제한 시간 내에 단위 소모 전력당 실시간 데이터의 전송률(Throughput)을 높이기 위한 가변적인 플러딩(Flooding) 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-053-01, 과제명: QoS 및 확장성지원(S-MoRe) 센서네트워크 고도화 기술개발]
무선 센서 네트워크는 통상적으로 저가의 센서 노드들로 구성되고, 센서 노드들은 소형 배터리로 운영되어 제한된 전력 자원을 가진다. 그럼에도 불구하고, 무선 센서 네트워크는 군사용 감시정찰, 환경 감시, 의학 진단, 교통 통제 및 공장 제어 등과 같이 신뢰성과 실시간성이 요구되는 많은 응용 서비스를 목표로 하고 있다. 따라서, 무선 센서 네트워크는 전력 소모량을 최소로 하면서도 응용 서비스가 요구하는 실시간성을 만족시키는 것이 중요하다.
무선 센서 네트워크에서 데이터 전송을 지연시키는 주된 이유 중 하나는 데 이터가 전송되지 않은 채 전송 큐에 일정시간 머무르게 되는 큐 지연(Queuing Delay) 현상 때문이다. 큐 지연 현상은 무선 환경에서 통신 대역의 제한과 가변적인 무선 환경 등으로 피할 수 없는 장애 요소이다. 큐 지연 현상을 피하기 위해 제안된 기술로, 첫째, 필요한 대역을 예약하는 방법, 둘째, 다수의 데이터 경로를 채택하는 방법이 있다. 여기서, 다수의 데이터 경로를 채택하는 방법은 통신 시작 전에 경로를 미리 결정하는 방법과 통신 시작 후에 각 노드가 동적으로 경로를 결정하는 방법으로 크게 나누어진다.
하지만, 필요한 대역을 예약하는 경우 대역을 예약하기 위해 부가 통신의 오버 헤드가 발생하는 문제점이 있고, 다수의 데이터 경로를 채택하는 경우 통신 환경이 우수함에도 다중 경로를 채택하는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 통신에 참여하는 노드가 멀티캐스팅(Multicasting)으로 다중 경로를 생성할 때 이를 수신하는 수신 노드의 수를 줄여주기 위한 방법들이 제안되었다. 하지만, 이 방법들 또한 확률에 의존하여 수신 노드의 수를 결정하므로 멀티캐스팅이 필요없는 좋은 통신 환경에서도 다수의 수신 노드를 채택할 확률이 존재한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 에너지 효율성을 희생하지 않고, 제한 시간 내에 실시간 데이터들의 전송률을 높이기 위한 센서 네트워크에서의 실시간 데이터 전송을 위한 플러딩 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 현재 노드에서 라운드 트립 지연 요구 신호를 포함하는 헬로우 메시지를 이웃 노드들로 전송한 후 응답 신호를 수신하여 이웃 노드들 각각으로의 패킷 전송 시간을 측정하는 단계; 상기 패킷 전송 시간과 상기 이웃 노드들 각각의 데이터 수신 가능 상태를 고려하여 상기 이웃 노드들 중에서 주 수신 노드 및 부 수신 노드를 결정하는 단계; 상기 현재 노드는 데이터를 상기 주 수신 노드로 전송함과 동시에 상기 데이터의 복사본을 상기 부 수신 노드로 전송하는 단계; 상기 주 수신 노드에서 캐리어 센싱을 통하여 채널 사용 가능 여부를 판단하는 단계; 상기 채널 사용 가능 여부를 판단하는 단계에서 채널 사용이 가능함이 확인되면, 상기 주 수신 노드는 데이터의 전송 중단을 알리는 중단 메시지를 브로드캐스팅하여 상기 부 수신 노드가 가진 상기 데이터의 복사본을 버리도록 하는 데이터 전송 중단 단계; 및 상기 현재 노드는 상기 주 수신 노드를 통하여 상기 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 센서 네트워크에서의 실시간 데이터 전송을 위한 플러딩 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 통신 환경이 좋을 때는 기본적으로 유니캐스트(Unicast) 방식을 택하고, 통신환경이 나쁠 경우에는 플러딩 방식을 사용함으로써, 제한 시간 내에 단위 소모 전력당 실시간 데이터의 전송률을 향상시키는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크는 다수의 센서 노드가 단일 싱크 노드로 데이터를 전송하는 다대일 방식의 무선 네트워크이고, 센서 노드는 전체 네트워크에 대한 정보를 갖고 있지 않은 상태로 지역 정보만으로 운영된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 플러딩 방법은, OSI 7 계층 중 전송 계층(Transport Layer)에서 이루어지고, 하층의 네트워크 계층(Network Layer)에서 유니캐스트(Unicast) 기능과 노드 주소 체계를 제공하고, 데이터 링크 계층(Data Link Layer)에서 캐리어 센싱(Carrier Sensing), 충돌 탐지(Collision Detection) 및 충돌 회피(Collision Avoidance) 중 적어도 하나의 기능을 제공한다.
실시예
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크에서의 실시간 데이터 전송 을 위한 플러딩 방법을 나타낸 흐름도이다.
현재 노드에서 이웃 노드를 관리하기 위한 전통적인 방법은 주기적으로 헬로우(HELLO) 메시지를 이웃 노드들과 교환하는 것이다. 무선 네트워크에서 다수의 라우팅 프로토콜들이 헬로우 메시지를 사용하고 있다.
도 1을 참조하면, 현재 노드에서 라운드 트립 지연 요구(Round-Trip Delay Request) 신호를 포함하는 헬로우 메시지를 이웃 노드들로 전송하고, 이웃 노드로부터 응답 신호(Reply)를 받아 이웃 노드까지의 패킷 전송 시간을 측정한다(S110). 따라서, 본 발명에서는 기존의 라우팅 프로토콜에 헬로우 메시지를 그대로 이용함으로써, 패킷 전송 시간을 측정하기 위한 부가적인 오버헤드가 없고, 네트워크 전체의 시간 동기가 맞지 않아도 동작하는 특성을 갖게 된다.
현재 노드에서 측정된 패킷 전송 시간 및 기 설정된 조건에 의해 데이터를 전달받을 이웃 노드들 중에 주 수신 노드(Primary Recipient) 및 부 수신 노드(Secondary Recipient)를 결정한다(S120). 여기서, 기 설정된 조건이란 이웃 노드가 데이터를 받을 수 있는 상태에 있는지를 나타내는 조건이며, 이에 대한 설명은 도 2에서 하기로 한다.
이어서, 단계 S120에서 주 수신 노드 및 부 수신 노드가 결정되면, 현재 노드에서 데이터를 주 수신 노드로 전송함과 동시에, 데이터의 복사본을 부 수신 노드로 전송한다(S130).
이어서, 주 수신 노드에서 캐리어 센싱을 통하여 자신의 채널 사용이 가능한지 여부를 판단하고(S140), 자신의 채널 사용이 가능한 경우 전송 중단을 알리는 중단(ABORT) 메시지를 브로드캐스트하여 부 수신 노드가 가진 데이터의 복사본을 버리게 한다(S150).
끝으로, 현재 노드는 주 수신 노드를 통하여 데이터를 전송하게 된다(S160).
단계 S140에서 현재 노드는 주 수신 노드의 채널 사용이 불가능한 경우 중단 메시지를 부 수신 노드로 브로드캐스팅하지 않음으로써, 부 수신 노드를 통하여 데이터를 전송하게 된다(S142).
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수신 노드 선택 알고리즘을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, NB1(N)은 현재 노드(N)로부터 1 홉 거리에 있는 이웃 노드들을 나타내고, PR은 주 수신 노드, SR은 부 수신 노드를 나타낸다. 알고리즘 중 3~9 라인에서는 이웃 노드들 중에서 마지막으로 데이터를 수신할 노드와 부모 노드가 이번 홉에서 데이터를 수신하는 노드일 때 해당 노드들을 SR 및 PR 후보에서 제외하고 후보 노드들을 결정한다. 알고리즘 중 10~15라인에서는 후보 노드들 중에 부모 노드가 존재하는 경우 부모 노드를 현재 노드(N)의 PR로 결정하고, 후보 노드들 중에 부모 노드가 없을 경우 후보 노드들 중 여유 시간(Slack Time)이 가장 많은 노드를 PR로 결정하며, 나머지 후보 노드들이 SR이 된다. 이에 대한 상세한 설명은 도 3에서 하기로 한다. 알고리즘 중 라인 17~23에서는 모든 SR이 중단(ABORT) 메시지를 들을 수 있도록 하고, 모든 SR이 중복되는 부모 노드를 가지지 않도록 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 여유 시간 결정 방법을 설명하기 위한 도 면이다.
도 3을 참조하면, T0는 현재 노드(N)가 수신 노드들을 결정하는 순간이며 DL은 패킷의 데드라인이다. 따라서, DL-T0는 데드라인까지 남아 있는 잔여 시간(Tr)을 나타낸다. h는 현재 노드(N)로부터 싱크 노드까지의 홉거리이고, Ti는 현재 노드(N)로부터 이웃 노드(Ni)까지의 지연 예측 시간이다. Tcs는 맥(MAC)이 캐리어 센싱할 때의 지연 시간이며, Tabort는 중단 메시지를 전송하기 위한 지연 시간이다. 따라서, 여유 시간(SLi)은 전체 잔여 시간(Tr)에서 Tcs, Tabort, h*Ti를 뺀 값이 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플러딩 제어 방법을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 싱크 노드로부터 h 홉만큼 떨어진 노드 1, 2, 3, 4와 싱크 노드로부터 (h-1)홉 떨어진 노드 5, 그리고 싱크 노드로부터 (h-2)만큼 떨어진 노드 7, 8, 9, 10이 있다. 긴 점선으로 표시된 링크들이 라우팅 알고리즘에 의해 결정된 경로이고, 실선이 본 발명에 의해 결정된 다중 경로이다. 여기서, 라우팅 경로 상에 있는 노드 5가 '주 수신 노드'가 되고, 노드 4와 6이 '부 수신 노드'가 된다.
노드 1이 데이터를 전송할 경우, 라우팅 경로 상의 노드 5뿐 아니라 1홉 거리의 노드 4와 6도 데이터의 복사본을 갖게 된다. 노드 5는 캐리어 센싱을 통해 채널 사용 가능 여부를 판단하고, 사용 가능한 경우 먼저 중단 메시지를 브로드캐스트하여 노드 4와 6이 가진 데이터의 복사본을 버리게 한 후, 데이터 전송을 계속 진행한다. 노드 5가 캐리어 센싱을 통해 채널이 사용 불가능하다고 판단한 경우, 노드 5는 데이터를 버리고 노드 5로부터 중단 메시지를 기다리던 노드 4와 6은 일정시간이 지난 후까지 중단 메시지가 없을 경우 데이터 전송을 시작한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크에서의 실시간 데이터 전송을 위한 플러딩 방법을 나타낸 흐름도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수신 노드 선택 알고리즘을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 여유 시간 결정 방법을 설명하기 위한 도면, 그리고
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플러딩 제어 방법을 나타낸 도면이다.

Claims (5)

  1. 현재 노드에서 라운드 트립 지연 요구 신호를 포함하는 헬로우 메시지를 이웃 노드들로 전송한 후 응답 신호를 수신하여 이웃 노드들 각각으로의 패킷 전송 시간을 측정하는 단계;
    상기 패킷 전송 시간과 상기 이웃 노드들 각각의 데이터 수신 가능 상태를 고려하여 상기 이웃 노드들 중에서 주 수신 노드 및 부 수신 노드를 결정하는 단계;
    상기 현재 노드는 데이터를 상기 주 수신 노드로 전송함과 동시에 상기 데이터의 복사본을 상기 부 수신 노드로 전송하는 단계;
    상기 주 수신 노드에서 캐리어 센싱을 통하여 채널 사용 가능 여부를 판단하는 단계;
    상기 채널 사용 가능 여부를 판단하는 단계에서 채널 사용이 가능함이 확인되면, 상기 주 수신 노드는 데이터의 전송 중단을 알리는 중단 메시지를 브로드캐스팅하여 상기 부 수신 노드가 가진 상기 데이터의 복사본을 버리도록 하는 데이터 전송 중단 단계; 및
    상기 현재 노드는 상기 주 수신 노드를 통하여 상기 데이터를 전송하는 단계;
    를 포함하는 센서 네트워크에서의 실시간 데이터 전송을 위한 플러딩 방법.
  2. 제1항에 있어서, 주 수신 노드 및 부 수신 노드를 결정하는 단계는,
    상기 이웃 노드들 중에서 마지막으로 데이터를 수신할 노드와 부모 노드가 이번 홉에서 데이터를 수신하는 노드 모두를 주 수신 노드 및 부 수신 노드 후보에서 제외하고 후보 노드들을 결정하는 단계;
    상기 후보 노드들 중에서 부모 노드가 존재하는지 확인하는 단계;
    상기 부모 노드가 존재하면, 상기 부모 노드를 상기 주 수신 노드로 결정하고, 상기 부모 노드가 없으면, 상기 후보 노드들 각각의 여유시간을 계산한 후 상기 후보 노드들 중에서 가장 긴 여유 시간을 가지는 노드를 상기 주 수신 노드로 결정하는 단계; 및
    상기 주 수신 노드를 제외한 나머지 후보 노드들을 상기 부 수신 노드로 결정하는 단계;를 포함하며
    상기 여유 시간은,
    "전체 잔여 시간 - (맥(MAC)이 캐리어 센싱할 때의 지연 시간 + 중단 메시지를 전송하기 위한 지연 시간 + (현재 노드로부터 싱크 노드까지의 홉거리*현재 노드로부터 주변 노드까지의 지연 예측 시간))"의 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서의 실시간 데이터 전송을 위한 플러딩 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 이웃 노드는
    상기 현재 노드로부터 1 홉 거리에 위치하는 노드인 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서의 실시간 데이터 전송을 위한 플러딩 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 채널 사용 가능 여부를 판단하는 단계에서 채널 사용이 불가능함이 확인되면, 상기 주 수신 노드는 상기 중단 메시지를 상기 부 수신 노드로 브로드캐스팅하지 않음으로써, 상기 현재 노드는 상기 부 수신 노드를 통하여 상기 데이터를 전송하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서의 실시간 데이터 전송을 위한 플러딩 방법.
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