KR101144822B1 - 센서 네트워크 노드에서의 ＱｏＳ 패킷 전송 방법 - Google Patents

센서 네트워크 노드에서의 ＱｏＳ 패킷 전송 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법에 관한 것으로, 센서 네트워크 노드의 응용 계층, 네트워크 계층 및 접속제어 계층상에서 서로의 정보를 공유함으로써, 에너지 소모 및 지연을 최대한 줄여 패킷의 QoS를 보장하기 위한, 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은, 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법에 있어서, 응용 계층에서 감지 주기와, 소스 노드에서 싱크 노드까지의 QoS를 보장하기 위한 지연값(이하, QoS 지연값)을 설정받는 설정단계; 네트워크 계층에서 1홉 이웃 노드들 중 자신보다 홉 수가 적은 노드들의 비용값을 계산한 후, 비용값이 가장 작은 이웃 노드를 QoS 패킷의 수신 노드로 결정하는 수신 노드 결정단계; 접속제어 계층에서 에너지 최적화 채널 샘플링 시간과 1홉당 QoS 지연값을 산출한 후 작은 값을 최적의 채널 샘플링 시간으로 결정하는 단계; 및 상기 네트워크 계층에서 결정한 수신 노드로 상기 최적의 채널 샘플링 시간에 맞춰 QoS 패킷을 전송하는 QoS 패킷 전송단계를 포함한다.
센서 네트워크 노드, QoS 패킷, 응용 계층, 네트워크 계층, 접속제어 계층, 채널 샘플링 시간, 백오프 시간

Description

센서 네트워크 노드에서의 ＱｏＳ 패킷 전송 방법{METHOD FOR TRANSMITTING QoS PACKET IN WIRELESS SENSOR NETWORK NODE}
본 발명은 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센서 네트워크 노드의 응용 계층, 네트워크 계층 및 접속제어 계층상에서 서로의 정보를 공유함으로써, 에너지 소모 및 지연을 최대한 줄여 패킷의 QoS를 보장하기 위한, 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크(WSN; Wireless Sensor Network)에서 가장 중요한 요건은 각 센서노드의 에너지 소모를 줄여 네트워크의 수명이 오래 유지되도록 하는 것이다. 하지만, 요즘은 무선 센서 네트워크의 응용(application)에 따른 QoS(Quality of Service)를 보장하기 위해, 지연(delay) 및 처리량(throughput) 등과 같은 요소들도 중요하게 다루어지고 있다.
기본적으로 에너지의 소모와 지연은 서로 'trade-off'의 관계에 있기 때문에 에너지의 소모를 줄이면서 지연을 줄이는 것은 쉽지 않다.
이를 해결하기 위해, 센서 네트워크 노드 내 각 계층(layer)이 독립적으로 동작하는 보편적인 프로토콜은 응용에 따른 QoS를 보장하기 어렵다고 판단되어, 교차 계층(Cross-layer) 방식으로 프로토콜을 디자인하는 방식이 제안되었다.
이하, 도 1 을 참조하여 교차 계층 프로토콜 기반 무선 센서 네트워크에서의 QoS 보장 방법에 대해 살펴보기로 한다.
먼저, 각 노드는 각자의 응용 계층(application layer), 네트워크 계층(network layer), 접속제어 계층(MAC layer) 및 물리 계층(physical layer) 상의 상태(States) 정보를 저장하고 있다.
그리고 각 노드는 상기 저장하고 있는 정보를 일정한 주기마다 1 홉 이웃노드로 전송한다.
또한, 각 노드는 1 홉 이웃노드로부터 전송받은 정보를 로컬 이웃 테이블(Local neighbor table)에 각 노드별로 저장한다.
이후, 각 노드는 자신의 정보와 각 이웃 노드들의 정보를 이용하여 패킷의 QoS를 보장한다.
이러한 종래의 교차 계층 프로토콜 기반 무선 센서 네트워크 노드에서의 QoS 보장 방법은, 패킷의 QoS 보장을 위한 전반적인 방향에 대해서만 제안하였을 뿐 그 구체적인 구현 방안, 예를 들어 네트워크 계층에서 가장 적은 에너지 및 지연으로 QoS 패킷을 전송할 수 있는 중계 노드를 어떻게 선정할 것인지, 접속제어 계층에서 어떠한 조건하에서 QoS 패킷을 전송할 것인지, 이때 백오프 시간(backoff period) 은 어떻게 설정할 것인지 등에 대한 상세 방안이 제시되지 못한 문제점이 있었다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것이 본 발명의 과제이다.
따라서 본 발명은 센서 네트워크 노드의 응용 계층, 네트워크 계층 및 접속제어 계층상에서 서로의 정보를 공유함으로써, 에너지 소모 및 지연을 최대한 줄여 패킷의 QoS를 보장하기 위한, 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법에 있어서, 응용 계층에서 감지 주기와, 소스 노드에서 싱크 노드까지의 QoS를 보장하기 위한 지연값(이하, QoS 지연값)을 설정받는 설정단계; 네트워크 계층에서 1홉 이웃 노드들 중 자신보다 홉 수가 적은 노드들의 비용값을 계산한 후, 비용값이 가장 작은 이웃 노드를 QoS 패킷의 수신 노드로 결정하는 수신 노드 결정단계; 접속제어 계층에서 에너지 최적화 채널 샘플링 시간과 1홉당 QoS 지연값을 산출한 후 작은 값을 최적의 채널 샘플링 시간으로 결정하는 단계; 및 상기 네트워크 계층에서 결정한 수신 노드로 상기 최적의 채널 샘플링 시간에 맞춰 QoS 패킷을 전송하는 QoS 패킷 전송단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 무선 센서 네트워크에서 물체의 위치 추적에 이용될 수 있다.
또한, 본 발명은 응용 계층, 네트워크 계층 및 접속제어 계층상에서 서로의 정보를 공유함으로써, 에너지 소모 및 지연을 최대한 줄여 패킷의 QoS를 보장한다.
또한, 본 발명은 무선 센서 네트워크에서 교차 계층(Cross-layer)으로 설계한 프로토콜로서, 저전력으로 동작과 빠른 데이터 전송을 보장한다.
또한, 본 발명은 접속제어 계층(MAC layer), 네트워크 계층(Network layer), 응용 계층(Application layer)의 정보들을 서로 공유하여 각각의 상황에 가장 최적화된 동작을 수행한다.
즉, 접속제어 계층(MAC layer)에서 공유하는 정보는 비동기식 MAC 프로토콜에서 사용되는 샘플링 시간(sampling period)이다. 이러한 샘플링 시간을 조절함으로 인해서 각 노드의 1 홉 지연과 에너지 소모를 조절할 수 있다. 그리고 네트워크 계층(Network layer)에서 공유하는 정보는 싱크 노드로부터 최소 홉 수이다. 마지막으로, 응용 계층(Application layer)에서 공유하는 정보는 각 노드가 위치 추적하는 노드인지 아니면 데이터를 중계해주는 노드인지 알려주는 것이다. 이러한 정보들을 통해서 각 노드들은 응용에서 요청한 QoS를 보장한다.
또한, 본 발명은 무선 센서 네트워크에서 각 응용에 따른 QoS를 보장하면서 네트워크에서의 에너지 소모를 최대한 줄여서 네트워크 수명을 연장시킨다. 그리고 위치 추적을 위해 이벤트(event)를 감지한 노드에서 싱크 노드까지 지연을 만족시켜야 한다. 그러므로 각 노드는 샘플링 시간을 조절하여 1홉 지연을 조절하고 그를 통해서 소스 노드부터 목적지 노드인 싱크 노드까지 QoS를 보장한다. 즉, 단대단(end to end) 지연을 보장해서 움직이는 물체의 위치 추적이 가능하도록 한다.
상기와 같은 본 발명은, 센서 네트워크 노드의 응용 계층, 네트워크 계층 및 접속제어 계층상에서 서로의 정보를 공유함으로써, 에너지 소모 및 지연을 최대한 줄여 패킷의 QoS를 보장할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 기존에 제시되었던 프로토콜과는 다르게 접속제어 계층(MAC layer)에서 작은 이동성(mobility)에 의한 네트워크 토폴로지(network topology)의 변화에 대처가 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 노드의 스케줄링에 의한 오버헤드(overhead)가 매우 작아서 에너지 소모가 매우 적은 장점이 있다.
또한, 본 발명은 네트워크 계층에서 트리 토폴로지(Tree topology)를 사용하지 않기 때문에 노드의 토폴로지에 변화가 있더라도 큰 오버헤드 없이 적응할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 빠른 데이터 전송을 위한 라우팅 경로와 에너지 효율적인 라우팅 경로를 함께 고려하여 네트워크 수명은 물론 응용의 QoS도 보장할 수 있는 장점이 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에서 제시하는 프리로드 메시지(preload message), 프리로드 프레임(preloads frame), 데이터 프레임(data frame), 및 ACK 프레임(ACK frame)에 대해 살펴보기로 한다.
이때, 서로 다른 액티브 스케쥴로서 액티브 모드와 슬립 모드를 반복적으로 천이하는 모든 노드들 간에 데이터 통신을 수행할 수 있도록 하기 위해, 즉 송신 노드가 데이터를 전송하기 전에 수신 노드와 동기를 맞추기 위해 네트워크 상으로 보내는 메시지를 프리로드 메시지로 정의한다.
도 2a는 본 발명에서 제시하는 프리로드 메시지(preload message)에 대한 일실시예 구조도이고, 도 2b는 본 발명에서 제시하는 프리로드 프레임(preloads frame)에 대한 일실시예 구조도이고, 도 2c는 본 발명에서 제시하는 데이터 프레임(data frame)에 대한 일실시예 구조도이고, 도 2d는 본 발명에서 제시하는 ACK 프레임(ACK frame)에 대한 일실시예 구조도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 프리로드 메시지(preload message)는 4바이트(4Bytes)의 프리앰블(Preamble)과 1바이트의 구분자(Delimiter)와 4바이트의 주소(Address)와 2바이트의 듀레이션(Duration)으로 이루어진다.
도 2a에서, 상기 프리앰블은 노드 간 칩/심벌 동기화 정보를 포함하며, 상기 구분자는 의미있는 메시지 시작을 알리며, 상기 주소는 목적지 주소를 나타내며, 상기 듀레이션은 송신 노드가 데이터를 보내기 전까지의 남은 시간을 나타낸다.
도 2b에는 프리로드 프레임(preloads frame)이 도시되어 있는데, 상기 프리로드 프레임은 약정한 개수(예 : 10개)의 프리로드 메시지(preload message)가 반복(연속)되는 형태로 이루어진다. 예를 들어, 상기 프리로드 메시지가 11바이트(11Bytes)의 크기를 갖으며, 상기 프리로드 프레임은 11배수로 이루어지는 데이터 크기를 갖음을 알 수 있다.
그리고 본 발명에서는 송신 노드가 도 2b에 도시된 프리로드 프레임을 전송하는데 사용할 시간을 프리로드 시간(preloads period)이라고 정의한다. 즉, 본 발명에서 프리로드 시간은 채널 샘플링 시간(channel sampling period)에 따라 가변적으로 변화한다. 이러한 프리로드 시간과 채널 샘플링 시간간의 관계에 대해서는 하기에서 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2c에는 송신 노드가 수신 노드의 채널 샘플 시간(channel sampling period)을 변경시키고자 하는 경우에 보내는 데이터 프레임(data frame)이 도시되어 있다.
도 2c에서, 상기 데이터 프레임은 프리로드 프레임(preloads frame)과 데이터(data)와 2바이트의 요청 샘플링 시간(RSP; Request Sampling Period)을 포함한다. 여기서, 요청 샘플링 시간은 데이터 프레임의 마지막 부분에 추가되는데, 이와 같은 요청 샘플링 시간은 송신 노드가 수신 노드(즉, 목적지 노드)의 초기 채널 샘플링 시간을 바꾸고 싶은 경우에 최초에 한 번만 전송된다. 그리고 초기 채널 샘플링 시간은 네트워크 관리자(network manager)에 의해 네트워크 환경 등에 따라 결정된다.
도 2d에는 데이터 전송 신뢰성을 보장하기 위한, 즉 수신 노드가 송신 노드에게 데이터를 잘 받았다는 것을 응답하는데 사용되는 ACK 프레임(ACK frame)이 도시되어 있다.
도 2d에서, 상기 ACK 프레임은 4바이트의 프리앰블(preamble)과 1바이트의 구분자(Delimiter)와 1바이트의 Ack와 4바이트의 주소(Address)를 포함한다. 여기서, Ack는 해당 프레임이 ACK 프레임이라는 것을 나타내며, 주소는 해당 ACK 프레임을 전송하는 자신의 주소[즉, 수신 노드의 주소]를 나타낸다.
다음으로, 본 발명에 따른 송신 노드의 데이터 전송 과정을 도 3을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3 은 본 발명에 따른 송신 노드의 데이터 전송 과정 및 수신 노드의 데이 터 수신 과정을 보여주기 위한 일실시예 설명도이다.
먼저, 본 발명에 따른 송신 노드의 데이터 전송 과정을 설명한다.
송신 노드에서 데이터가 센싱되면, 상기 송신 노드는 데이터 전송 충돌을 방지하기 위해 소정 시간 동안 캐리어 센싱(carrier sensing)을 수행한다.
이후, 상기 캐리어 센싱 수행 결과로 다른 노드에 의한 채널 활동이 감지되지 않으면, 상기 송신 노드는 네트워크 상의 싱크 노드(sink node)를 향해 멀티-홉 방식으로 다른 노드의 중계를 통해 상기 센싱한 데이터를 전송하는 과정을 수행한다.
즉, 상기 송신 노드는 수신 노드[상기 센싱한 데이터의 목적지에 해당되는 노드]와의 데이터 통신을 위해 상기 수신 노드의 채널 샘플링 시간(channel sampling period)보다 더 긴 시간 동안 프리로드 메시지(preload message)가 포함된 프리로드 프레임(preloads frame)을 네트워크 상으로 전송한다.
그런 후, 상기 송신 노드는 프리로드 프레임 전송에 이어서 해당 데이터[상기 센싱한 데이터]를 데이터 프레임(data frame)에 실어서 네트워크 상으로 전송한다.
특히, 송신 노드에서 센싱되는 데이터, 즉 송신 노드가 네트워크 상으로 전송해야 되는 데이터의 빈도가 변화하게 되면[burst data 발생], 상기 송신 노드는 데이터 프레임에 요청 샘플링 시간(RSP; Request Sampling Period)을 삽입시켜 해당 데이터가 포함된 데이터 프레임을 네트워크 상으로 전송한다. 여기서, 데이터 프레임에 삽입되는 요청 샘플링 시간(RSP)은 송신 노드가 다음의 [수학식 1]을 사 용하여 계산한다.
Figure 112009017732407-pat00001
상기 [수학식 1]에서, "TP *"은 에너지 최적화 채널 샘플링 시간(channel sampling period)[즉, 요청 샘플링 시간(RSP)]을, "Psample"은 노드가 채널 샘플링 수행 시 소모하는 전력(power)을, "Psleep"은 노드가 슬립 모드에서 소모하는 전력을, "tspl"은 채널 샘플링 평균 수행 시간을, "Ptx"는 노드가 데이터 전송 시 소모하는 전력을, "rdata"는 노드에서 발생하는 데이터 레이트(data rate)를 각각 나타낸다.
물론, 본 발명에서는 송신 노드가 수신 노드에 관한 채널 샘플링 시간 변경을 원하지 않는 경우에는 데이터 프레임에 요청 샘플링 시간(RSP)을 삽입하지 않고서 프리로드 프레임과 데이터를 데이터 프레임에 실어서 수신 노드로 전송하면 된다.
그리고 상기 송신 노드는 데이터 프레임을 전송한 후에 해당 목적지에 해당되는 수신 노드로부터 ACK 프레임(ACK frame)이 응답되기를 기다린다. 이때, 상기 ACK 프레임이 사전에 정한 제한 시간 내에 응답되지 않으면 상기 송신 노드는 상기 데이터 프레임을 네트워크 상으로 재전송한다.
그리고 상기 송신 노드는 데이터 프레임을 전송하고서 다음의 [표 1]과 같은 자신의 프리로드 테이블(Preloads Table)에 상기 데이터 프레임을 수신받을 해당 수신 노드의 주소를 기록함과 아울러 프리로드 테이블의 프리로드 시간 필드(preloads period field)에 상기 데이터 프레임에 삽입했던 요청 샘플링 시간(RSP)을 기록한다. 여기서, 프리로드 시간은 앞서 설명한 바와 같이 프리로드 프레임을 전송하는데 사용할 시간을 의미한다.
Figure 112009017732407-pat00002
한편, 상기 수신 노드에 요청 샘플링 시간(RSP)이 삽입된 데이터 프레임이 수신되면, 상기 수신 노드는 다음의 [표 2]와 같은 자신의 채널 샘플링 테이블(Channel Sampling Table)에 상기 데이터 프레임을 전송하였던 송신 노드의 주소를 기록함과 아울러 상기 데이터 프레임에 삽입된 요청 샘플링 시간(RSP)을 채널 샘플링 테이블의 채널 샘플링 시간 필드(channel sampling period field)에 기록한다. 이와 같은 수신 노드의 동작에 대해서는 하기에서 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.
Figure 112009017732407-pat00003
본 발명에서 모든 노드, 즉 상기 송신 노드 및 상기 수신 노드 각각은 상기 [표 1]과 같은 프리로드 테이블(Preloads Table)과 상기 [표 2]와 같은 채널 샘플링 테이블(Channel Sampling Table)을 구비하고 있으며, 프리로드 테이블 및 채널 샘플링 테이블 각각에 있어 특정 필드에 정보[바람직하게는 요청 샘플링 시간(RSP)]가 기록되는 시점부터 사전에 소정값으로 셋팅된 타이머(timer)의 값이 "0"을 향해 구동되도록 설정된다.
본 발명에서 상기 프리로드 테이블과 채널 샘플링 테이블을 각 노드에 구비해 요청 샘플링 시간(RSP)을 기록하고서 타이머를 구동시키는 것은 프리로드 시간(preloads period)과 채널 샘플링 시간(channel sampling period)을 조정하기 위함이며, 이에 따라 노드의 듀티 싸이클 변경을 통해 노드의 저전력 구현 및 빠른 데이터 전송을 보장할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에서는 데이터 송/수신 빈도가 낮은 무선 센서 네트워크 환경에 있어 노드 에너지 소모를 줄이기 위해, 프리로드 시간과 채널 샘플링 시간을 길게 유지하여 노드의 듀티 싸이클이 낮아지도록 설정한다[노드의 로우 듀티 싸이클 구현].
즉, 본 발명에서, 송신 노드는 수신 노드에게 데이터를 전송하기에 앞서[바람직하게는 두 번째 데이터 프레임 전송 직전의 프리로드 프레임 전송에 앞서] 자신의 프리로드 테이블에 상기 수신 노드에 해당되는 목적지 주소가 존재하는지를 조회한다.
상기 프리로드 테이블의 목적지 주소 조회 결과로 해당되는 목적지 주소가 존재하면 상기 송신 노드는 자신의 프리로드 테이블의 상기 목적지 주소에 매칭된 프리로드 시간 필드에 기록된 시간에 맞추어 프리로드 프레임을 수신 노드[바람직하게는 네트워크 상]로 전송한다.
한편, 상기 프리로드 테이블의 목적지 주소 조회 결과로 해당되는 목적지 주소가 존재하지 않으면 상기 송신 노드는 사전에 설정된 초기 프리로드 시간에 맞추어 프리로드 프레임을 수신 노드[바람직하게는 네트워크 상]로 전송한다.
또한, 상기 송신 노드는 수신 노드에게 데이터를 전송하기에 앞서 자신의 프리로드 테이블의 상기 수신 노드에 해당되는 목적지 주소에 매칭된 타이머도 조회하는데, 상기 프리로드 테이블의 타이머 조회 결과로 해당 타이머의 값이 "0"이 아니면 상기 송신 노드는 해당 프리로드 시간 필드에 기록된 시간에 맞추어 프리로드 프레임을 수신 노드[바람직하게는 네트워크 상]로 전송하며, 상기 프리로드 테이블의 타이머 조회 결과로 해당 타이머의 값이 "0"이면 상기 송신 노드는 사전에 설정된 초기 프리로드 시간에 맞추어 프리로드 프레임을 수신 노드[바람직하게는 네트워크 상]로 전송한다. 여기서, 송신 노드는 프리로드 테이블의 타이머의 값이 "0"인 필드값, 예컨대 해당 타이머에 매칭된 목적지 주소, 프리로드 시간을 테이블 상에서 삭제하는 것이 바람직하며, 이는 노드의 제한된 리소스를 효율적으로 운용하기 위함이다.
다음으로, 본 발명에 따른 수신 노드의 데이터 수신 과정을 도 3 을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
수신 노드는 사전에 설정된 초기 채널 샘플링 시간마다 깨어나서(wake-up)[즉, 슬립 모드에서 액티브 모드로 천이] 채널 샘플링을 통해 네트워크 상의 다른 노드에 의한 채널 활동이 있는지를 검사한다.
상기 채널 활동 검사 결과로 아이들(idle) 상태로 확인되면 상기 수신 노드는 슬립 모드로 복귀한 후에 계속적으로 초기 채널 샘플링 시간마다 채널 샘플링을 수행하며, 상기 채널 활동 검사 결과로 비지(busy) 상태로 확인되면 상기 수신 노드는 액티브 모드를 유지한 상태에서 해당 송신 노드로부터 프리로드 프레임을 수신받는다.
이후, 상기 수신 노드는 송신 노드로부터 수신받은 프리로드 프레임에 포함되어 있는 프리로드 메시지 내의 목적지 주소가 자신의 주소와 일치하는지를 검사한다.
상기 프리로드 메시지 내 목적지 주소 일치 여부 검사 결과로 자신의 주소와 일치하지 않으면 상기 수신 노드는 슬립 모드로 복귀한 후에 다시 계속적으로 초기 채널 샘플링 시간마다 채널 샘플링을 수행한다.
한편, 상기 프리로드 메시지 내 목적지 주소 일치 여부 검사 결과로 자신의 주소와 일치하면 상기 수신 노드는 송신 노드로부터 수신받은 프리로드 프레임에 포함되어 있는 프리로드 메시지 내의 듀레이션을 확인하고서 일단 슬립 모드로 복귀한다.
그런 후, 상기 수신 노드는 상기 확인한 듀레이션이 지난 후에 슬립 모드에서 액티브 모드로 천이한 상태에서 상기 송신 노드로부터 데이터 프레임을 수신받는다.
이후에, 상기 수신 노드는 데이터 프레임을 잘 받았다는 의미로 ACK 프레임을 상기 송신 노드에게 전송한다.
한편, 상기 수신 노드는 송신 노드로부터 수신받은 데이터 프레임을 멀티-홉 방식으로 다른 노드로 전송, 중계하는데, 상기 데이터 프레임에 요청 샘플링 시간(RSP)이 삽입되어 있으면 상기 수신 노드는 앞서 언급했던 [표 2]와 같은 자신의 채널 샘플링 테이블에 상기 데이터 프레임을 전송했던 송신 노드의 주소를 기록함과 아울러 상기 데이터 프레임에 삽입된 요청 샘플링 시간(RSP)을 채널 샘플링 테이블의 채널 샘플링 시간 필드에 기록한다. 그리고 상기 수신 노드가 채널 샘플링 테이블에 요청 샘플링 시간(RSP)을 기록한 시점에 해당 요청 샘플링 시간 필드에 매칭되는 타이머의 값이 그 시점부터 "0"을 향해 구동되도록 한다. 여기서, 채널 샘플링 테이블의 타이머의 값은 사전에 소정값으로 셋팅되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수신 노드는 송신 노드의 주소 및 요청 샘플링 시간(RSP)을 기록하는데 있어 채널 샘플링 테이블을 조회한 결과로 상기 송신 노드의 주소에 매칭된 채널 샘플링 시간 필드에 다수개의 값[즉, 송신 노드로부터 수신받았던 요청 샘플링 시간(RSP)]이 존재하면 그 다수개의 요청 샘플링 시간(RSP) 중에서 최소값으로서 채널 샘플링 시간을 결정한다.
또한, 수신 노드에 있어서도 채널 샘플링 테이블의 타이머의 값이 "0"인 필드값, 예컨대 해당 타이머에 매칭된 송신 노드의 주소, 채널 샘플링 시간을 테이블 상에서 삭제하는 것이 바람직하며, 이는 노드의 제한된 리소스를 효율적으로 운용하기 위함이다. 물론, 상기 수신 노드는 채널 샘플링 테이블에 어떠한 정보[즉, 채널 샘플링 시간]도 기록되어 있지 않으면 초기 채널 샘플링 시간마다 채널 샘플링을 수행한다.
이후에, 상기 수신 노드는 채널 샘플링 테이블에 기록된 채널 샘플링 시간마다 슬립 모드에서 액티브 모드로 천이해 다른 노드, 예컨대 상기 송신 노드를 포함해 네트워크 상의 다른 노드에 의한 채널 활동이 있는지를 검사하는 과정부터 재수행해 해당 송신 노드로부터 해당 프리로드 프레임, 이어서 데이터 프레임을 수신받는 과정을 수행한다.
이하, 도 4를 참조하여 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법에 대해 살펴보기로 한다. 이때, 상기 언급한 [수학식 1]을 이용한다.
도 4 는 본 발명에 따른 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법에 대한 일실시예 설명도이다.
먼저, 센서 네트워크 노드의 응용 계층(Application layer)에서는 응용 프로그램에 따라 센서 노드(sensor node)에서 감지 데이터를 발생시키는 감지 주기(sensing period)와, 소스 노드(source node)에서 싱크 노드(sink node)까지의 QoS를 보장하기 위한 지연값을 나타내는 QoS 지연값(QoS delay constraint)을 네트워크 계층(network layer)과 접속제어 계층(MAC layer)에 제공한다.
이때, 감지 주기와 QoS 지연값은 응용 프로그램의 관리자가 미리 설정해 놓은 값이다.
예를 들어, 물체의 위치를 추적하는 경우, 응용 계층에서는 물체를 감지하여 감지 데이터를 발생시킴에 따라 추적 노드로서 동작한다. 이 경우 신속하고 정확한 감지 데이터의 전송이 요구되므로 그에 맞는 감지 주기와 QoS 지연값이 결정된다. 이때, 감지 주기와 QoS 지연값은 접속제어 계층의 채널 샘플링 주기에 영향을 주고, 또한 감지 주기는 에너지 소모에 영향을 준다.
다음으로, 센서 네트워크 노드의 네트워크 계층(Network layer)에서는 초기 센서 네트워크 형성 시 플러딩(flooding) 기법을 이용하여 싱크 노드까지의 홉 수(hop count)를 계산하여 저장하고 있다. 즉, 각 노드들은 싱크 노드로부터 자신까지의 홉 수를 알고 있다.
따라서 이를 이용하여 각 노드들은 1홉 이웃 노드들 중에서 자신보다 홉 수가 적은 노드들의 비용값(cost value)을 계산한 후, 비용값이 가장 작은 노드를 감지 데이터의 수신 노드(forwarding node)로 결정한다. 이때, 비용값(C)은 하기의 [수학식 2]를 이용하여 계산한다.
Figure 112009017732407-pat00004
여기서, Cmini는 수신 노드로 감지 데이터를 전송하는데 필요한 에너지를 의미하고, Cenergy는 1홉 이웃 노드로부터 주기적으로 전송받은 해당 1홉 이웃 노드의 배터리 잔량을 의미하며, α,β는 가중치로서 α+β=1을 만족한다.
이때, Cmini는 각 링크의 채널을 측정하여 획득한다.
상기 [수학식 2]는 라우팅 최적화를 반영한 적응적인(flexible) 비용함수(cost function)로서, 센서 노드에 남아있는 배터리의 에너지 변수를 포함한다.
부가적으로, 센서 네트워크 노드의 네트워크 계층에서는 빠른 데이터 전송을 위해 프로액티브 라우팅(proactive routing) 프로토콜을 사용한다. 즉, 주기적으로 각각의 라우팅 경로(routing path)를 업데이트한다. 이때, 각 센서 노드는 움직임이 없다고 가정한다. 따라서 라우팅 경로는 거의 변동이 없다.
다음으로, 센서 네트워크 노드의 접속제어 계층(MAC layer)에서는 최적의 채널 샘플링 시간을 구한다.
먼저, 에너지를 가장 적게 소모하는 '에너지 최적화 채널 샘플링 시간'은 상기 [수학식 1]을 통해 계산한다. 이때, 데이터 레이트(data rate)는 감지 데이터와 중계 데이터를 포함하여 계산한다.
또한, 응용 계층으로부터 전달받은 QoS 지연값을 네트워크 계층에서 획득한 소스 노드에서 싱크 노드까지의 홉 수로 나누어 1홉당 QoS 지연값을 산출한다. 이는 [하기의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009017732407-pat00005
여기서, H는 소스 노드에서 싱크 노드까지의 홉 수를 나타내고, T는 QoS 지연값을 나타낸다.
이후, 센서 네트워크 노드의 접속제어 계층에서는 에너지 최적화 채널 샘플링 시간(
Figure 112009017732407-pat00006
)과 1홉당 QoS 지연값(TH)을 비교하여 작은 값을 최적의 채널 샘플링 시간(
Figure 112009017732407-pat00007
)으로 선택한다. 이는 하기의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009017732407-pat00008
한편, 백오프 시간(backoff period)은 최적의 샘플링 시간(
Figure 112009017732407-pat00009
)에 비례해서 결정한다.
즉, 일반적인 최대 경쟁 시간 슬롯(contention period slot)인 N과
Figure 112009017732407-pat00010
및
Figure 112009017732407-pat00011
를 이용하여 계산한 값에서 가장 가까운 정수를 선택한 후, 이를 정수배한 값들 중에서 1 이상의 값들로 랜덤(random)하게 백오프 시간(TB)을 결정한다. 이때, QoS 패킷의 경우에 경쟁(contention)에서 이길 확률을 높게 설정하게 된다.
이는 하기의 [수학식 5]를 통해 계산한다.
Figure 112009017732407-pat00012
결국, 최적의 샘플링 시간에 비례하는 백오프 시간을 결정한 후 랜덤으로 경쟁 슬롯을 선택한다. 이때, 샘플링 시간이 짧을수록 데이터 전송이 빨라지는데, 이에 비례해서 백오프 시간을 결정함으로써, 경쟁에서 이길 확률을 높인다.
또한, 센서 네트워크 노드는 1홉 이웃 노드들과 주기적으로 교환하는 데이터(파라미터)를 자신의 것과 1홉 이웃 노드들로 나뉘어 저장한다.
즉, 자신의 파라미터들은 도 5에 도시된 바와 같은 테이블의 형태로 주기적으로 1홉 이웃 노드들에게 제공(broadcasting)된다.
또한, 1홉 이웃 노드들로부터 전송받은 파라미터들은 도 6에 도시된 바와 같이 테이블로 저장된다. 이때, 각 정보들은 주기적으로 업데이트되며, 상기 테이블을 통해 센서 네트워크 노드는 자신의 행동을 결정한다.
도 7 은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 응용 계층에서 감지 주기와, 소스 노드에서 싱크 노드까지의 QoS를 보장하기 위한 지연값(이하, QoS 지연값)을 설정받는다(701).
그리고 네트워크 계층에서 1홉 이웃 노드들 중 자신보다 홉 수가 적은 노드들의 비용값을 계산한 후, 비용값이 가장 작은 이웃 노드를 QoS 패킷의 수신 노드로 결정한다(702).
그리고 접속제어 계층에서 에너지 최적화 채널 샘플링 시간과 1홉당 QoS 지연값을 산출한 후 작은 값을 최적의 채널 샘플링 시간으로 결정한다(703).
그리고 상기 네트워크 계층에서 결정한 수신 노드로 상기 최적의 채널 샘플링 시간에 맞춰 QoS 패킷을 전송한다(704).
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
본 발명은 센서 네트워크 등에 이용될 수 있다.
도 1 은 종래의 교차 계층 프로토콜 기반 무선 센서 네트워크에서의 QoS 보장 방법에 대한 일실시예 설명도,
도 2a 는 본 발명에서 제시하는 프리로드 메시지(preload message)에 대한 일실시예 구조도,
도 2b 는 본 발명에서 제시하는 프리로드 프레임(preloads frame)에 대한 일실시예 구조도,
도 2c 는 본 발명에서 제시하는 데이터 프레임(data frame)에 대한 일실시예 구조도,
도 2d 는 본 발명에서 제시하는 ACK 프레임(ACK frame)에 대한 일실시예 구조도,
도 3 은 본 발명에 따른 송신 노드의 데이터 전송 과정 및 수신 노드의 데이터 수신 과정을 보여주기 위한 일실시예 설명도,
도 4 는 본 발명에 따른 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법에 대한 일실시예 설명도,
도 5 는 본 발명에 따른 센서 네트워크 노드 테이블에 대한 일예시도,
도 6 은 본 발명에 따른 이웃 노드 테이블에 대한 일예시도,
도 7 은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
410 : 응용 계층 420 : 네트워크 계층
430 : 접속제어 계층

Claims (8)

  1. 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법에 있어서,
    응용 계층에서 감지 주기와, 소스 노드에서 싱크 노드까지의 QoS를 보장하기 위한 지연값(이하, QoS 지연값)을 설정받는 설정단계;
    네트워크 계층에서 1홉 이웃 노드들 중 자신보다 홉 수가 적은 노드들의 비용값을 계산한 후, 비용값이 가장 작은 이웃 노드를 QoS 패킷의 수신 노드로 결정하는 수신 노드 결정단계;
    접속제어 계층에서 에너지 최적화 채널 샘플링 시간과 1홉당 QoS 지연값을 산출한 후 작은 값을 최적의 채널 샘플링 시간으로 결정하는 단계; 및
    상기 네트워크 계층에서 결정한 수신 노드로 상기 최적의 채널 샘플링 시간에 맞춰 QoS 패킷을 전송하는 QoS 패킷 전송단계
    를 포함하는 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 QoS 패킷 전송단계는,
    상기 최적의 채널 샘플링 시간에 비례하는 백오프 시간에 QoS 패킷을 전송하는, 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 백오프 시간은,
    최대 경쟁 시간 슬롯(N)과 최적의 채널 샘플링 시간(
    Figure 112012001558499-pat00013
    ) 및 에너지 최적화 채널 샘플링 시간(
    Figure 112012001558499-pat00014
    )을 이용하여 계산한 값에서 가장 가까운 정수를 선택한 후, 상기 선택된 정수를 정수배한 값들 중에서 1 이상의 값들로 랜덤(random)하게 백오프 시간을 결정하는, 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 백오프 시간(TB)은,
    하기의 [수학식 A]를 통해 계산하는, 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법.
    [수학식 A]
    Figure 112012001558499-pat00015
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 설정단계는,
    상기 센서 네트워크 노드의 상기 응용 계층(Application layer)에서 응용 프로그램에 따라 QoS 패킷을 발생시키는 감지 주기(sensing period)와 상기 QoS 지연값(QoS delay constraint)을 상기 네트워크 계층(network layer) 및 상기 접속제어 계층(MAC layer)과 공유하는, 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 수신 노드 결정단계는,
    하기의 [수학식 B]를 이용하여 결정하는, 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법.
    [수학식 B]
    Figure 112012001558499-pat00016
    여기서, Cmini는 상기 수신 노드로 감지 데이터를 전송하는데 필요한 에너지를 의미하고, Cenergy는 1홉 이웃 노드로부터 주기적으로 전송받은 해당 1홉 이웃 노드의 배터리 잔량을 의미하며, α,β는 가중치로서 α+β=1을 만족한다.
  7. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 에너지 최적화 채널 샘플링 시간(
    Figure 112012001558499-pat00017
    )은,
    하기의 [수학식 C]를 통해 산출하는, 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법.
    [수학식 C]
    Figure 112012001558499-pat00018
    여기서, "Psample"은 노드가 채널 샘플링 수행 시 소모하는 전력(power)을, "Psleep"은 노드가 슬립 모드에서 소모하는 전력을, "tspl"은 채널 샘플링 평균 수행 시간을, "Ptx"는 노드가 데이터 전송 시 소모하는 전력을, "rdata"는 노드에서 발생하는 데이터 레이트(data rate)를 각각 나타낸다.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1홉당 QoS 지연값(TH)은,
    하기의 [수학식 D]를 통해 산출하는, 센서 네트워크 노드에서의 QoS 패킷 전송 방법.
    [수학식 D]
    Figure 112012001558499-pat00019
    여기서, H는 상기 소스 노드에서 상기 싱크 노드까지의 홉 수를 나타내고, T는 QoS 지연값을 나타낸다.
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