KR101086490B1

KR101086490B1 - 센서 노드의 글로벌 시각 동기화 방법

Info

Publication number: KR101086490B1
Application number: KR1020090024031A
Authority: KR
Inventors: 황소영; 주성순; 채종석
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2011-11-25
Also published as: KR20100066269A

Abstract

무선 센서 네트워크에서의 글로벌 시각 동기화 방법이 개시된다. 글로벌 시각에 동기화된 베이스 스테이션을 루트 노드로 하여 트리 구조를 형성하는 센서 노드에서 수행되는 글로벌 시각 동기화 방법은 베이스 스테이션으로부터 브로드캐스팅된 글로벌 시각 정보가 담긴 시각 소인 메시지를 직접 수신하거나 시각 소인 메시지를 수신한 상위 노드로부터 재 브로드캐스팅된 시각 소인 메시지를 수신하는 단계; 수신된 시각 소인 메시지를 이용하여 센서 노드의 시각 정보를 갱신하는 단계; 및 갱신된 시각 정보를 갖는 시각 소인 메시지를 생성하여 하위 노드로 재 브로드캐스팅하는 단계;를 포함한다. 이에 의해 센서 네트워크를 구성하는 전체 센서 노드들이 글로벌 시각에 동기화된다.

Description

센서 노드의 글로벌 시각 동기화 방법{Global time synchronization method in sensor node}

무선 센서 네트워크에 관한 것으로, 특히 무선 센서 네트워크에서의 시각 동기 기술에 관한 것이다.

본 연구는 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[과제관리번호: 2008-F-053-01, 과제명: QoS 및 확장성지원(S-MoRe) 센서네트워크 고도화 기술개발(표준화연계)]

군사 응용, 홈 네트워크, 빌딩 및 공장 자동화 등의 광범위한 응용 분야를 가진 센서 네트워크에서 시각 동기 기술은 주요 요소 기술 중 하나이다. 학계에서는 RBS(Reference Broadcast Synchronization), TPSN(Timing-sync Protocol), FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol) 등과 같은 센서 네트워크 시각 동기 기술이 제시되었다. 알려진 시각 동기 프로토콜은 시각 동기의 정확도 및 정밀도 향상에 초점이 맞추어져 있으며, 실제 시각 정보의 표현 방법은 염두에 두지 않았다.

환경 감시 및 재난 지역 감시와 같은 응용 분야에서 발생한 이벤트를 추적하 기 위해서는 이벤트의 발생 시점을 아는 것이 중요하다. 그러나 기존 센서 네트워크 동기 기법에서는 잦은 오버플로우를 발생시키는 로컬 타이머 레지스터의 값을 시각 정보로 활용하였기 때문에, 이를 통해 정확한 이벤트의 발생 시점을 파악하기에는 그 효용가치가 떨어진다.

센서 네트워크를 구성하는 센서 노드들이 글로벌 시각에 동기화하기 위한 방법을 제공함을 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 글로벌 시각에 동기화된 베이스 스테이션을 루트 노드로 하여 트리 구조를 형성하는 센서 노드에서 수행되는 글로벌 시각 동기화 방법은 베이스 스테이션으로부터 브로드캐스팅된 글로벌 시각 정보가 담긴 시각 소인 메시지를 직접 수신하거나 시각 소인 메시지를 수신한 상위 노드로부터 재 브로드캐스팅된 시각 소인 메시지를 수신하는 단계; 수신된 시각 소인 메시지를 이용하여 센서 노드의 시각 정보를 갱신하는 단계; 및 갱신된 시각 정보를 갖는 시각 소인 메시지를 생성하여 하위 노드로 재 브로드캐스팅하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 추가적인 양상에 따른 글로벌 시각 동기화 방법은 수신된 시각 소인 메시지를 송신한 노드로부터 브로드캐스팅된 송신측 시간 지연 값을 수신하는 단계; 및 수신된 송신측 시간 지연 값을 가지고 센서 노드의 시각 값을 보정하는 단계;를 더 포함한다.

본 발명의 추가적인 양상에 따른 글로벌 시각 동기화 방법은 브로드캐스팅된 시각 소인 메시지의 수신 시점과 갱신 시점에 시각 소인을 수행하여 지연 시간 값을 계산하는 단계; 및 계산된 지연 시간 값을 가지고 센서 노드의 시각 값을 보정하는 단계;를 더 포함한다.

본 발명에 의해 센서 네트워크 내 전체 센서 노드는 글로벌 시각에 동기화된다. 특히 시각 동기 과정에서 에러 요인을 보정할 수 있는 기법을 적용하여 동기 정확도를 향상시킴으로써, 정확하고 정밀한 시각 정보가 요구되는 다양한 센서 네트워크 응용 분야에 활용될 수 있다.

우선 본 명세서에서 사용되는 일부 용어에 대해 다음과 같이 정의한다.

- BS(Base Station): 전체 센서 네트워크 시스템을 시작, 운용 및 관리를 목적으로 하는 센서 네트워크 노드

- Sensor node(센서 노드): 센싱 정보를 생성하여 베이스 스테이션으로 정보를 전달함을 목적으로 하는 센서 네트워크 노드

- CXO(Cristal Oscillator): 센서 네트워크 노드의 클록을 생성하는 하드웨어 구성 요소

- Timestamp(시각 소인): 이벤트의 발생 시점을 기록하거나 시각 동기를 위해 교환되는 시각 값, 노드가 제공하는 시각 구조에 의해 정의됨

- : NIC: Network Interface Card(네트워크 인터페이스 카드)의 약자

센서 네트워크를 구성하는 센서 노드들은 베이스 스테이션을 루트 노드로 하여 트리 구조를 형성한다. 여기서 베이스 스테이션은 외부 망과 연동하여 글로벌 시각에 동기화된다. 일 실시예에 있어서, 센서 노드는 64비트의 논리적 시각 구조 를 갖는 글로벌 시각 정보를 이용하여 글로벌 시각에 동기화한다. 64비트의 논리적 시각 구조는 인터넷에서 사용되는 대표적인 시각 동기 프로토콜인 NTP(Network Time Protocol)에서 사용되는 시각 구조를 활용한 것이다.

상위 32비트는 1900년 1월 1일 0시부터 현재까지의 글로벌 시간을 초 단위 값으로 유지하고, 하위 32비트는 초 단위 이하의 시간 값으로 마이크로 초 단위 값을 갖도록 한다. 이를 통해 센서 네트워크 내 센서 노드의 시각 값은 다른 변환 절차 없이 외부 망과 연동되어 사용될 수 있으며, 사용자가 쉽게 인지할 수 있다.

본 발명의 일 양상에 따른 시각 동기화 방법은 글로벌 시각에 동기된 베이스 스테이션이 글로벌 시각 정보가 담긴 시각 소인(timestamp) 메시지를 센서 네트워크에 브로드캐스팅하고, 이를 수신한 센서 노드는 자신의 글로벌 시각 정보를 갱신하고 하위 노드로 재 브로드캐스팅 하는 것이다. 이 과정에서 송신 노드 및 수신 노드 측에 에러 요소로 작용하는 전송 지연이 발생하게 되는데, 이러한 지연 값을 추가적으로 반영함으로써 센서 네트워크 내 노드들은 글로벌 시각에 정확히 동기화할 수 있다.

이하 본 발명의 양상들에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 센서 노드의 글로벌 시각 동기화를 위한 구성 예시도이다.

센서 노드에 탑재되어 있는 오실레이터, 예를 들어 CXO(Cristal Oscillator)는 노드의 기본 클록을 생성하고, 이 클록을 기반으로 타이머가 동작하여 자신의 글로벌 시각을 갱신한다.

도 2는 센서 노드가 글로벌 시각에 동기화하여 UTC TOD(Universal Time Coordinated, Time of Day), 즉 글로벌 시각을 유지하기 위한 논리적 시각 구조 예시도이다. 상위 32비트는 1900년 1월 1일 0시부터 현재까지의 UTC 시간을 초 단위 값으로 유지하고, 하위 32비트는 초 단위 이하의 시간 값으로 마이크로 초 단위 값을 갖도록 한다. 센서 노드가 처음 동작을 시작하면 이 값은 0으로 설정되고, 도 1에 제시된 바와 같이 노드의 로컬 클록에 기반하여 시각 값이 갱신된다.

도 3은 센서 네트워크의 트리 구조 예시도이다.

베이스 스테이션은 외부 망과 연동하여 글로벌 시각에 동기되고, 시각 구조는 도 2에 제시한 것과 같다. 이러한 시각 값을 갖는 시각 소인 메시지를 하위 센서 노드로 브로드캐스팅한다. 시각 소인 메시지를 수신한 센서 노드들은 자신의 시각 정보를 갱신하고, 자신의 시각 값을 갖는 시각 소인 메시지를 하위 노드로 재 브로드캐스팅한다. 이러한 절차를 반복함으로써 센서 네트워크 내 모든 센서 노드들은 글로벌 시각에 동기를 이루게 된다. 여기서 글로벌 시각 동기를 위한 시각 소인 메시지 브로드캐스팅의 주기는 사용자에 의해 베이스 스테이션에 설정될 수 있다.

도 4는 시각 소인 메시지 송신 및 수신 과정에서 발생하는 에러 요소를 나타낸 참조도이다. 송신 측에서 생성된 시각 소인 메시지가 수신 측에 도달하기까지 송신측 지연(Sender delay), 전달 지연(Propagation delay), 수신측 지연(Receiver delay)이 발생하게 된다. 이러한 지연 요소는 정확하고 정밀한 글로벌 시각 동기를 저해하는 요소가 된다.

따라서 글로벌 시각 동기 정확도를 향상시키기 위해 글로벌 시각 동기 과정 에 시각 보정 과정을 제시한다. 송신 노드의 시각 소인 메시지가 실제 전송되는 즉, NIC를 통해 메시지가 전송되는 시점에 시각 소인을 수행하여 송신측 지연을 계산하고, 계산된 송신측 지연 정보를 추가적으로 브로드캐스팅한다. 이에 수신 노드는 송신 노드로부터 브로드캐스팅된 송신측 지연 정보를 수신하여 자신의 시각 값을 보정한다. 추가로 수신 노드 또한 NIC를 통해 시각 소인 메시지를 수신하는 시점과 시각 정보를 갱신하는 시점에 시각 소인을 수행하여 수신측 지연을 계산하고 자신의 시각 값을 보정한다. 즉, 수신 노드는 송신측 지연 정보와 수신측 지연 정보를 함께 반영하여 자신의 시각 값을 보정함으로써, 보다 정확하고 정밀한 글로벌 시각 동기를 가능하게 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예를 나타낸 것으로, 대표적인 센서 노드 중 하나의 Crossbow 사의 MicaZ 센서 노드와 센서 네트워크의 대표적인 OS 중 하나인 TinyOS 2.0 버전을 기반으로 전술한 내용을 적용하여 실험하였다. 베이스 스테이션은 NTP를 통해 글로벌 시각에 동기되어 있고, 동기된 시각 정보를 센서 네트워크에 브로드캐스팅하도록 하였다. 그리고 참고로, 도 6은 TinyOS 상에서 구현된 64비트 논리적 시각 구조와 이 시각 값을 갱신하고 읽어오기 위한 기본 함수를 나타낸 것이며, 도 7은 동기 알고리즘을 적용하여 센서 노드가 베이스 스테이션 시각에 동기된 결과를 나타낸 것이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 네트워크에서의 글로벌 시각 동기화 방법에 대한 전체 흐름도이다.

우선, 외부 망과 연동하여 글로벌 시각에 동기된 베이스 스테이션(300)이 시 각 소인 메시지를 하위 노드들(310, 320)로 브로드캐스팅한다(단계 S800). 또한 베이스 스테이션(300)은 시각 소인 메시지가 실제 전송되는, 즉 NIC를 통해 메시지가 전송되는 시점에 시각 소인을 수행하여 송신측 시간 지연값을 계산하고 이 정보를 추가로 브로드캐스팅한다(단계 S810). 하위 노드(310)와 하위 노드(320) 각각은 베이스 스테이션(300)에 의해 브로드캐스팅된 시각 소인 메시지를 수신하고, 또한 송신측 시간 지연 정보를 수신한다(단계 S820). 하위 노드(310)와 하위 노드(320) 각각은 수신된 시각 소인 메시지와 CXO로 생성한 기록 클록을 가지고 자신의 시각 값을 갱신한다(단계 S830). 이때 하위 노드(310)와 하위 노드(320) 각각은 NIC를 통해 시각 소인 메시지를 수신하는 시점과 자신의 시각 값을 갱신하는 시점에 시각 소인을 수행하여 수신측 시간 지연을 계산한다. 그리고 계산된 수신측 시간 지연값과 수신된 송신측 지연값을 합하여 자신의 시각 값을 보정한다. 이후 하위 노드(310)는 자신의 시각 값을 갖는 시각 소인 메시지를 하위 노드들(330, 3340)로 재 브로드캐스팅하며, 하위 노드(320)는 자신의 시각 값을 갖는 시각 소인 메시지를 하위 노드들(350, 360)로 재 브로드캐스팅한다(단계 S840). 또한 하위 노드들(310, 320)은 단계 S840을 수행하는 과정에서의 지연 시간 값을 계산하고 계산된 송신측 지연 시간 값을 하위 노드들(330, 340, 350, 360)로 브로드캐스팅한다(단계 S850).

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본 질적인 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 센서 노드의 글로벌 시각 동기화를 위한 구성 예시도.

도 2는 센서 노드가 글로벌 시각을 유지하기 위한 64비트 논리적 시각 구조 예시도.

도 3은 센서 네트워크의 트리 구조 예시도.

도 4는 시각 소인 메시지 송신 및 수신 과정에서 발생하는 에러 요소를 나타낸 참조도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로, 대표적인 센서 노드 중 하나의 Crossbow 사의 MicaZ 센서 노드와 센서 네트워크의 대표적인 OS 중 하나인 TinyOS 2.0 버전을 기반으로 실험한 것을 나타낸 참조도.

도 6은 TinyOS 상에서 구현된 64비트 논리적 시각 구조와 이 시각 값을 갱신하고 읽어오기 위한 기본 함수를 나타낸 예시도.

도 7은 동기 알고리즘을 적용하여 센서 노드가 베이스 스테이션 시각에 동기된 결과를 나타낸 예시도.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 네트워크에서의 글로벌 시각 동기화 방법에 대한 전체 흐름도.

Claims

센서 노드에서 수행되는 글로벌 시각 동기화 방법에 있어서,

상기 센서 노드가 형성하는 트리 구조의 루트 노드로 외부망과 연동하여 글로벌 시간에 동기화된 베이스 스테이션으로부터 브로드캐스팅된 글로벌 시각 정보가 담긴 시각 소인 메시지를 직접 수신하거나 상기 글로벌 시간 정보가 담긴 시각 소인 메시지를 수신한 상위 노드로부터 재 브로드캐스팅된 시각 소인 메시지를 수신하는 단계;

상기 수신된 글로벌 시간 정보가 담긴 시각 소인 메시지를 이용하여 상기 센서 노드의 시각 정보를 갱신하는 단계; 및

상기 갱신된 글로벌 시각 정보를 갖는 시각 소인 메시지를 생성하여 하위 노드로 재 브로드캐스팅하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 글로벌 시각 동기화 방법.
제1항에 있어서,

상기 상위 노드로부터 재 브로드캐스팅된 시각 소인 메시지는 상기 상위 노드에 의해 갱신된 시각 정보가 담긴 메시지임을 특징으로 하는 글로벌 시각 동기화 방법.
제2항에 있어서,

상기 시각 정보를 갱신하는 단계는, 기본 클록을 생성하고 생성된 기본 클록 을 상기 수신된 시각 소인 메시지의 시각 정보에 반영하여 상기 센서 노드의 시각 정보를 갱신함을 특징으로 하는 글로벌 시각 동기화 방법.
제3항에 있어서,

상기 기본 클록은 상기 센서 노드에 탑재된 크리스털 오실레이터(Cristal Oscillator)에 의해 생성됨을 특징으로 하는 글로벌 시각 동기화 방법.
제1항에 있어서,

상기 시각 정보는 네트워크 타임 프로토콜(Network Time Protocol)에서 사용되는 논리적 시각 구조로 이루어짐을 특징으로 하는 글로벌 시각 동기화 방법.
제1항에 있어서,

상기 수신된 시각 소인 메시지를 송신한 노드로부터 브로드캐스팅된 송신측 시간 지연 값을 수신하는 단계; 및

상기 수신된 송신측 시간 지연 값을 가지고 상기 센서 노드의 시각 값을 보정하는 단계;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 글로벌 시각 동기화 방법.
제6항에 있어서,

상기 브로드캐스팅된 시각 소인 메시지의 수신 시점과 상기 갱신 시점에 시 각 소인을 수행하여 지연 시간 값을 계산하는 단계; 및

상기 계산된 지연 시간 값을 가지고 상기 센서 노드의 시각 값을 보정하는 단계;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 글로벌 시각 동기화 방법.
제6항에 있어서,

상기 하위 노드로 재 브로드캐스팅함에 의해 상기 센서 노드의 시각 값을 갖는 시각 소인 메시지가 네트워크 인터페이스 카드를 통해 전송되는 시점에 시각 소인을 수행하여 시간 지연 값을 계산하고, 계산된 시간 지연 값을 상기 하위 노드로 브로드캐스팅하는 단계;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 글로벌 시각 동기화 방법.