KR101056835B1 - 무선 센서 네트워크에서의 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크에서의 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

트리 구조를 갖는 비컨 기반의 무선 센서 네트워크에서 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법이 개시된다. 중간 노드(조정자)에 의해 수행되는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법은 상위 노드로부터 비컨 프레임을 수신하는 수신 단계; 및 수신된 비컨 프레임에 기반하여 업 링크용 또는 다운 링크용 송수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하는 할당 단계;를 포함한다. 이에 의해 양방향 전송 지연을 최소화할 수 있다.

Description

무선 센서 네트워크에서의 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법{Method for minimizing two-way data transmission delay in wireless sensor network}
무선 센서 네트워크에 관한 것으로, 특히 트리 구조를 갖는 비컨 기반의 무선 센서 네트워크 시스템에서의 데이터 전송에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[과제관리번호: 2005-S-106-04, RFID/USN용 센서 태그 및 센서 노드 기술 개발]
무선 센서 네트워크 시스템은 사물에 대한 인식 정보 또는 주변의 환경 정보를 감지할 수 있는 센서가 탑재된 센서 노드들이 무선으로 네트워크를 형성하고, 다양한 센서들을 통해 입력되는 정보들을 실시간으로 무선 네트워크를 통해 외부와 연결하여 정보를 처리하고 관리하는 네트워크 시스템을 이른다. 그런데 기존 IEEE802.15.4-2006 기반의 슈퍼프레임 구조를 이용하여 송수신 슈퍼프레임 활성 구간을 할당할 경우, 업 링크 또는 다운 링크로의 데이터 전송시 불필요하게 과도한 전송 지연이 일어날 수 있다.
무선 센서 네트워크 시스템에서의 업 링크 데이터 전송 또는 다운 링크 데이터 전송시에 발생할 수 있는 데이터 전송 지연의 문제점을 해결함을 목적으로 한다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 중간 노드에 의해 수행되는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법은 상위 노드로부터 비컨 프레임을 수신하는 수신 단계; 및 수신된 비컨 프레임에 기반하여 업 링크용 또는 다운 링크용 송수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하는 할당 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 양상에 따른 할당 단계는 수신된 비컨 프레임에 따라 상위 노드로부터 데이터 수신을 위한 다운 링크용 수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하는 단계; 및 다운 링크용 비컨 프레임을 하위 노드로 송신하고, 하위 노드로 데이터 송신을 위한 다운 링크용 송신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 할당 단계는 수신된 비컨 프레임에 따라 상위 노드로 데이터 송신을 위한 업 링크용 수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하는 단계; 및 업 링크용 비컨 프레임을 하위 노드로 송신하고, 하위 노드로부터 데이터 수신을 위한 업 링크용 송신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하는 단계;를 포함한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 최상위 노드에 의해 수행되는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법은 비컨 주기 내에서 한 슬롯 시간 에 다운 링크용 비컨 프레임을 하위 노드로 송신하고 하위 노드로 데이터를 송신하기 위한 다운 링크용 송신 슈퍼프레임 활성 구간을 할당하는 단계; 및 비컨 주기 내에서 다른 슬롯 시간에 업 링크용 송신 비컨 프레임을 송신하고 하위 노드로부터 데이터를 수신하기 위한 업 링크용 송신 슈퍼프레임 활성 구간을 할당하는 단계;를 포함한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 최하위 노드에 의해 수행되는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법은 상위 노드로부터 비컨 프레임을 수신하는 단계; 수신된 비컨 프레임이 다운 링크용 송신 비컨 프레임인 경우 상위 노드로부터 데이터 수신을 위한 다운 링크용 송신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하는 단계; 및 수신된 비컨 프레임이 업 링크용 송신 비컨 프레임인 경우 상위 노드로 데이터 송신을 위한 업 링크용 수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하는 단계;를 포함한다.
IEEE802.15.4-2006 기반의 표준을 따르면서 무선 센서 네트워크에서의 양방향 전송 지연을 최소화하는 효과를 창출한다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 무선 네트워크 시스템의 일 예로서 IEEE802.15.4-2006 비컨 기반에서 동작하는 트리 네트워크 구성도이다.
IEEE802.15.4 표준은 Low-Rate WPAN(Wireless Personal Area Network)의 물리적 계층과 데이터 링크 계층에 대한 표준이며 저속의 통신 대역과 저전력을 목표로 하는 프로토콜로서, 전송 거리가 비교적 짧은 WPAN의 디바이스에 적합하도록 설계되어 무선 센서 네트워크 시스템의 구현에 있어 가장 적합한 통신 방식으로 인정받아 사용되고 있다. 그리고 IEEE802.15.4-2006 표준은 IEEE802.15.4 표준에서 문제시되었던 조정자(Coordinator) 간에 비컨 충돌을 방지하기 위하여 개정되었으며, 이는 슈퍼프레임의 활성 구간을 수신 영역과 송신 영역의 두 영역으로 구분하여 사용하도록 하고 있다.
IEEE802.15.4-2006 비컨 기반 네트워크에서 각 디바이스들은 슈퍼프레임 구조를 사용하여 서로 데이터 통신을 수행한다. 이러한 슈퍼프레임은 PAN 조정자에 의해서 관리되며, PAN 조정자가 지정된 간격마다 전송하는 비컨 프레임에 의하여 그 범위가 결정된다. 각 비컨 프레임은 네트워크 디바이스들의 네트워크 동기화에 도움이 되는 정보를 포함하며, 이러한 정보는 데이터를 수신할 디바이스의 네트워크 식별자(Network Address), 비컨 주기(Beacon Interval)를 결정하는 BO(Beacon Order), 활성 구간인 슈퍼프레임의 길이(Superframe Duration, SD)를 결정하는 SO(Superframe Order)를 포함한다.
도 2는 IEEE802.15.4-2006 표준에서 사용되는 기존 슈퍼프레임의 구조도이다.
슈퍼프레임의 구조는 크게 비컨 프레임 구간, 활성 구간, 비활성 구간으로 구분되며, 활성 구간은 조정자의 비컨 수신과 송신 영역에 따라 수신 슈퍼프레임 구간과 송신 슈퍼프레임 구간으로 구분된다. 이와 같은 슈퍼프레임 구조를 사용하여 각 조정자들은 비활성 구간 동안 저전력(Sleep) 모드로 전환하여 전력의 소모를 최소로 할 수 있다.
도 3은 IEEE802.15.4-2006 슈퍼프레임 구조를 이용하여 다운 링크(A) 또는 업 링크(B)시 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 송수신 슈퍼프레임 활성 구간의 할당을 보여주는 예시도이다.
무선 센서 네트워크는 최상위 노드인 PAN 조정자(Sink), 중간 노드인 조정자(R), 최하위 노드인 엔드 디바이스(End Device, ED)로 구성되는 트리 네트워크 구조를 이루고 있으며, 데이터 전송이 다운 링크 또는 업 링크에 따라서 각각 전송 지연이 최소화되도록 송수신 슈퍼프레임 활성 구간을 비컨 주기(BI) 내에서 시간적으로 할당할 수 있다.
도 4는 IEEE802.15.4-2006 슈퍼프레임 구조를 이용하여 다운 링크시 데이터 전송 지연을 최소화할 경우, 업 링크에서 데이터 전송 지연이 최대로 발생함을 보여주는 예시도이다.
다운 링크 또는 업 링크만을 요구하는 무선 센서 네트워크에서는 도 3에 예시된 송수신 슈퍼프레임 활성 구간의 할당 방법을 사용하면 최소한의 데이터 전송 지연을 얻을 수 있다. 그러나 양방향으로 긴급한 데이터 전송을 요구하는 무선 센서 네트워크에서는 도 4에 예시된 바와 같이 다운 링크의 데이터 전송 지연을 최소 화할 경우에 업 링크에서 최대 전송 지연이 일어나며, 반대로 업 링크에서 전송 지연을 최소화할 경우에 다운 링크에서 최대 전송 지연이 일어난다.
도 5는 본 발명에 따라 업 링크용인지 다운 링크용인지 여부를 포함하고 있는 비컨 프레임의 구성 예시도이다.
IEEE802.15.4-2006 표준에 따른 비컨 프레임의 구성은 네트워크 동작에 필요한 정보를 포함하는 Superframe Specification 필드를 포함하고 있다. 그리고 이 Superframe Specification 필드의 13번째 비트는 Reserved로 사용자에게 예비로 제공되고 있다. 본 발명의 일 양상에 따라 이 Superframe Specification 필드의 13번째 비트인 Reserved 필드를 수신 슈퍼프레임 활성구간이 업 링크용인지 다운 링크용인지를 결정하는 링크 방향(Link Direction) 필드로 사용한다.
PAN 조정자는 비컨 주기(BI)마다 Link Direction 필드를 ‘1’로 설정하여 업 링크용 비컨 프레임을 송신하고, Link Direction 필드를 ‘0’으로 설정하여 다운 링크용 비컨 프레임을 송신한다. 비컨을 수신하는 하위 노드들은 비컨 프레임의 Superframe Specification 필드의 Link Direction 필드의 값에 따라 업 링크용 또는 다운 링크용 수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당한다.
도 6은 본 발명에 따른 IEEE802.15.4-2006 비컨 기반의 슈퍼프레임 구조 예시도이다.
슈퍼프레임 구조는 상위 노드와의 동기를 위하여 수신한 비컨 프레임의 Link Direction 필드가 ‘0’일 경우, 다운 링크용 수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하기 위한 다운 링크용 수신 비컨 프레임 구간과 상위 노드로부터 데이터 수신을 위 한 다운 링크용 수신 슈퍼프레임 활성구간을 포함한다. 또한 비컨 프레임의 Link Direction 필드를 ‘0’으로 설정하여 비컨을 송신하기 위한 다운 링크용 송신 슈퍼프레임 활성구간과 하위 노드들로 데이터 송신을 위한 다운 링크용 송신 슈퍼프레임 활성구간을 포함한다.
그리고 상위 노드와의 동기를 위하여 수신한 비컨 프레임의 Link Direction 필드가 ‘1’일 경우, 업 링크용 수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하기 위한 업 링크용 수신 비컨 프레임 구간과 상위 노드로 데이터를 송신하기 위한 업 링크용 수신 슈퍼프레임 활성구간을 포함한다. 또한 비컨 프레임의 Link Direction 필드를 ‘1’로 설정하여 비컨을 송신하는 업 링크용 송신 슈퍼프레임 활성구간과 하위 노드들로부터 데이터 수신을 위한 업 링크용 송신 슈퍼프레임 활성구간을 포함한다.
그리고 상위 노드나 하위 노드들과도 데이터 교환을 할 수 없는 비활성구간을 포함하여 이루어진다.
이상에서 슈퍼프레임 구조를 활성구간과 비활성구간으로 나누는 이유는 조정자의 동작에 요구되는 전력의 소모를 최소로 하여 조정자의 전체 운영 시간을 증가시키기 위함이다. 즉, 활성구간에 비하여 비활성구간이 증가할수록 전체 센서 네트워크의 운영 시간은 증가하게 된다. 그리고 활성구간을 수신 슈퍼프레임 구간과 송신 슈퍼프레임 구간으로 나누는 이유는 조정자가 주변 조정자들과의 비컨 충돌없이 부모나 자식으로의 통신을 원활하게 하기 위함이다.
본 발명의 특징적인 양상에 따라 송수신 슈퍼프레임 활성구간을 업 링크용 슈퍼프레임 활성구간과 다운 링크용 슈퍼프레임 활성구간으로 나누는 이유는 부모 나 자식들과의 데이터 송수신 방향에 따라 최소한의 데이터 전송 지연을 제공하기 위함이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PAN 조정자에서 수행되는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법에 대한 흐름도이다.
전체 네트워크를 관리하는 PAN 조정자(최상위 노드)는 다운 링크로의 데이터 전송 지연을 최소화하기 위하여 비컨 주기 내의 첫 번째 슈퍼프레임 슬롯 시간에 다운 링크용 비컨 프레임을 송신하고(단계 S700), 하위 노드로 데이터를 송신하기 위한 다운 링크용 송신 슈퍼프레임 활성구간을 할당한다(단계 S710). 또한 업 링크로의 데이터 전송 지연을 최소화하기 위하여 비컨 주기 내의 마지막 슈퍼프레임 슬롯 시간에 업 링크용 비컨 프레임을 송신하고(단계 S720), 하위 노드로부터 데이터를 수신하기 위한 업 링크용 송신 슈퍼프레임 활성구간을 할당한다(단계 S730).
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 조정자에서 수행되는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법에 대한 흐름도이다.
네트워크에 참여하는 조정자(중간 노드)들은 상위 노드와의 동기를 위하여 비컨 프레임을 수신하고(단계 S800), 수신된 비컨 프레임의 Superframe Specification 필드 내의 Link Direction 필드 값을 확인하며(단계 S810), 그 확인된 값에 따라 업 링크 또는 다운 링크용 송수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당한다. Link Direction 필드 값이 ‘0’일 경우에 다운 링크용 수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하고(단계 S820), 하위 노드들로의 데이터 전송을 위하여 다운 링크용 수신 슈퍼프레임 활성구간에 이어지는 다음 슈퍼프레임 슬롯 시간에 다운 링크용 송신 비컨 프레임을 송신하고(단계 S830) 다운 링크용 송신 슈퍼프레임 활성구간을 할당한다(단계 S840). Link Direction 필드 값이 ‘1’일 경우에 업 링크용 수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하고(단계 S850), 또한 하위 노드들로부터의 데이터 수신을 위하여 업 링크용 수신 슈퍼프레임 활성구간에 이어지는 다음 비컨 주기의 마지막 슈퍼프레임 슬롯 시간에 업 링크용 송신 비컨 프레임을 송신하고(단계 S860) 업 링크용 송신 슈퍼프레임 활성구간을 할당한다(단계 S870).
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 디바이스에서 수행되는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법에 대한 흐름도이다.
네트워크에 참여하는 엔드 디바이스(최하위 노드)들은 상위 노드와의 동기를 위하여 비컨 프레임을 수신하고(단계 S900), 수신된 비컨 프레임의 Superframe Specification 필드 내의 Link Direction 필드 값을 확인하며(단계 S910), 그 확인된 값에 따라 업 링크 또는 다운 링크용 송수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당한다. Link Direction 필드 값이 ‘0’일 경우에 상위 노드로부터 데이터 수신을 위한 다운 링크용 수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하며(단계 S920), Link Direction 필드 값이 ‘1’일 경우에 상위 노드로 데이터 송신을 위한 업 링크용 수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당한다(단계 S930).
도 10은 본 발명에 따른 IEEE802.15.4-2006 슈퍼프레임 구조를 이용하여 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 업다운 링크용 송수신 슈퍼프레임 활성구간의 할당을 보여주는 예시도이다. 이를 통해 양방향 데이터 전송 지연이 최소화됨을 확인할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 무선 네트워크 시스템의 일 예로서 IEEE802.15.4-2006 비컨 기반에서 동작하는 트리 네트워크 구성도.
도 2는 IEEE802.15.4-2006 표준에서 사용되는 기존 슈퍼프레임의 구조도.
도 3은 IEEE802.15.4-2006 슈퍼프레임 구조를 이용하여 다운 링크(A) 또는 업 링크(B)시 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 송수신 슈퍼프레임 활성 구간의 할당을 보여주는 예시도.
도 4는 IEEE802.15.4-2006 슈퍼프레임 구조를 이용하여 다운 링크시 데이터 전송 지연을 최소화할 경우, 업 링크에서 데이터 전송 지연이 최대로 발생함을 보여주는 예시도.
도 5는 본 발명에 따라 업 링크용인지 다운 링크용인지 여부를 포함하고 있는 비컨 프레임의 구성 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 IEEE802.15.4-2006 비컨 기반의 슈퍼프레임 구조 예시도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PAN 조정자에서 수행되는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법에 대한 흐름도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 조정자에서 수행되는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법에 대한 흐름도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 디바이스에서 수행되는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법에 대한 흐름도.
도 10은 본 발명에 따른 IEEE802.15.4-2006 슈퍼프레임 구조를 이용하여 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 업다운 링크용 송수신 슈퍼프레임 활성구간의 할당을 보여주는 예시도.

Claims (8)

  1. 트리 구조를 갖는 비컨 기반의 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 중간 노드에 의해 수행되는 방법에 있어서,
    상위 노드로부터 비컨 프레임을 수신하는 수신 단계; 및
    상기 수신된 비컨 프레임에 기반하여 상기 상위 노드로 데이터 송신을 위한 업 링크용 송신 슈퍼프레임 활성 구간 또는 상기 상위 노드로부터 데이터 수신을 위한 다운 링크용 송수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하는 할당 단계;
    업링크용 비컨 프레임 또는 다운 링크용 비컨 프레임을 하위 노드로 송신하고, 상기 하위 노드로부터 데이터 수신을 위한 업링크용 송신 슈퍼 프레임 활성 구간 또는 상기 하위 노드로 데이터 송신을 위한 다운 링크용 송신 슈퍼프레임 활성 구간을 할당하는 단계:
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 슈퍼프레임 활성구간을 할당하는 단계는 상기 수신된 비컨 프레임의 특정 필드 값에 기반하여 업 링크 또는 다운 링크용 송수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당함을 특징으로 하는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 특정 필드 값은 비컨 프레임을 구성하는 슈퍼프레임 명세(superframe sperification) 필드 내에서 예비로 남겨진 13번째 필드 값임을 특징으로 하는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법.
  6. 트리 구조를 갖는 비컨 기반의 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 최상위 노드에 의해 수행되는 방법에 있어서,
    비컨 주기 내에서 한 슬롯 시간에 다운 링크용 비컨 프레임을 하위 노드로 송신하고 상기 하위 노드로 데이터를 송신하기 위한 다운 링크용 송신 슈퍼프레임 활성 구간을 할당하는 단계; 및
    상기 비컨 주기 내에서 다른 슬롯 시간에 업 링크용 비컨 프레임을 송신하고 상기 하위 노드로부터 데이터를 수신하기 위한 업 링크용 송신 슈퍼프레임 활성 구간을 할당하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 한 슬롯은 비컨 주기 내의 첫 번째 슈퍼프레임 슬롯이며, 상기 다른 슬롯은 상기 비컨 주기 내의 마지막 슈퍼프레임 슬롯임을 특징으로 하는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법.
  8. 트리 구조를 갖는 비컨 기반의 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 최하위 노드에 의해 수행되는 방법에 있어서,
    상위 노드로부터 비컨 프레임을 수신하는 단계;
    상기 수신된 비컨 프레임이 다운 링크용 비컨 프레임인 경우 상기 상위 노드로부터 데이터 수신을 위한 다운 링크용 송신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하는 단계; 및
    상기 수신된 비컨 프레임이 업 링크용 비컨 프레임인 경우 상기 상위 노드로 데이터 송신을 위한 업 링크용 수신 슈퍼프레임 활성구간을 할당하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 데이터 전송 지연을 최소화하기 위한 방법.
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KR100656385B1 (ko) 2005-12-21 2006-12-11 전자부품연구원 선형 구조를 가지는 실시간 무선 센서 네트워크 통신방법

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