KR101159580B1 - 적응형 휴먼 인지 동기화 관리를 위한 무선 센서네트워크의 재구성 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 센서네트워크의 재구성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 센서 노드들로부터의 생성되는 인지 요소들에 대해 사람이 자연스럽게 받아들일 수 있는 수준의 동기화가 보장될 수 있도록 무선 센서네트워크를 재구성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 센서 노드들의 액추에이션에 대한 휴먼 인지 동기화 관리를 위한 무선 센서네트워크의 재구성 방법에 있어서, 센서 노드가 인지 유형 정보에 대응하는 허용 시간 범위와 현재까지 도달하는데 소요된 소요시간 정보를 포함하는 비컨 신호를 수신하는 단계; 상기 센서 노드로부터 자식 노드로의 예상 지연 시간과 상기 소요시간의 합이 상기 허용 시간 범위 내에 있는 경우, 상기 예상 지연 시간 정보를 상기 비컨 신호에 포함시켜 상기 자식 노드로 전송하는 단계; 및 상기 예상 지연 시간과 상기 소요시간의 합이 상기 허용 시간 범위를 벗어나는 경우, 상기 센서 노드는 상기 비컨 신호에 대한 수신 확인 신호로 응답하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해, 멀티미디어 인지 요소들에 대해 적응적인 무선 센서네트워크 형성이 가능하게 되며, 이는 사용자들의 네트워크 관리를 용이하게 할 뿐만 아니라 무선 센서네트워크 시스템의 신뢰도를 높이는 간접적인 효과도 기대할 수 있다.

Description

적응형 휴먼 인지 동기화 관리를 위한 무선 센서네트워크의 재구성{RE-CONFIGURATION OF WIRELESS SENSOR NETWORK FOR AN ADAPTIVE HUMAN COGNITION SYNCHRONIZATION MANAGEMENT}

본 발명은 무선 센서네트워크의 재구성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 센서 노드들로부터의 생성되는 인지 요소들에 대해 사람이 자연스럽게 받아들일 수 있는 수준의 동기화가 보장될 수 있도록 무선 센서네트워크를 재구성하는 방법에 관한 것이다.

무선 센서네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)는 소형 센서들을 생산할 수 있게 만든 MEMS 기술의 발달로 인해 각광을 받게 된 분야이다.

수십 내지 수천 개의 소형 센서들이 분산 네트워크를 형성하고, 소형 센서들을 통해 수집된 환경정보가 싱크 노드를 거쳐 호스트 컴퓨터로 제공되는 방식으로 무선 센서네트워크가 운용된다는 것은 널리 주지되어 있다.

응용 분야로, 무선 센서네트워크는 인프라가 없거나 제한된 환경들 예컨대, 군사적인 목표물 추적, 감시, 재해복구, 의료용 생체 공학, 위험지역탐사, 지진 감지 등 분야에 유용한 것으로 알려져 있다.

그런데 센서 노드에 액추에이터가 장착되어 센서 노드가 LED를 발광하거나, 소리를 발생시키는 액추에이션 기능을 수행하는 액추에이터 노드로 사용되면서, 무선 센서네트워크의 응용 분야가 미디어 아트 분야 등 전혀 새로운 분야까지 확장되기 시작했다.

이에 따라, 지금까지 무선 센서네트워크를 구성함에 있어 고려되지 않았던 부분들이 성능을 결정짓는 중요한 인자로 부상했는데, 그 중 하나가 사람들이 소리, 음악, 비디오 등을 자연스럽게 인지하도록 동기화하는 문제이다.

도1은 인지공학적인 측면에서 다양한 동기 멀티미디어 요소들에 대한 사람들의 인지 허용 범위(Perception Tolerance)를 나타내는 표이다.

도1의 표를 종합하여 살펴보면, 각 인지 요소마다 11us~750ms까지 다양한 인지 한도 시간을 가짐을 볼 수 있다. 여기에서, 인지 한도 시간이란 각각의 현상들이 부분적으로 상호 시간차를 두고 일어나더라도 사람이 자연스럽게 느낄 수 있도록 하는 최대 시간차를 의미한다. 이러한 인지 공학적인 실험 결과는 평균적인 것으로서, 사람의 세밀함, 인지 능력, 감각 등에 따라 인지 한도 시간이 다르게 나타난다.

그런데, 무선 센서네트워크를 구성하는 센서 노드들의 연결 상태가 인지 한도 시간보다 큰 데이터 전송 지연 시간을 나타내는 경우, 센서 노드로부터 생성되는 인지 요소들은 사람들에게 부자연스럽게 보일 수밖에 없다. 이러한 현상은 미디어 아트 분야의 아티스트에게는 더욱 치명적이고 예민한 문제가 아닐 수 없다.

그러므로, 일단 구성된 무선 센서네트워크라도 센서 노드들을 통해 멀티미디어 관련 인지 요소들을 생성하고자 하는 경우, 그 인지 허용 범위를 기초로 무선 센서네트워크를 재구성할 필요가 있다.

본 발명은 전술한 문제점으로부터 안출된 것으로서, 인지 요소별 데이터 지연시간이 인지 한도 시간을 만족하도록 네트워크를 재구성하고, 이를 통해 무선 센서네트워크의 성능에 대한 사용자 및 고객의 신뢰도를 높이고자 하는 것이다.

상기 목적은 본 발명의 일 양태에 따른, 센서 노드들의 액추에이션에 대한 휴먼 인지 동기화 관리를 위한 무선 센서네트워크의 재구성 방법에 있어서, 센서 노드가 인지 유형 정보에 대응하는 허용 시간 범위와 현재까지 도달하는데 소요된 소요시간 정보를 포함하는 비컨 신호를 수신하는 단계; 상기 센서 노드로부터 자식 노드로의 예상 지연 시간과 상기 소요시간의 합이 상기 허용 시간 범위 내에 있는 경우, 상기 예상 지연 시간 정보를 상기 비컨 신호에 포함시켜 상기 자식 노드로 전송하는 단계; 상기 예상 지연 시간과 상기 소요시간의 합이 상기 허용 시간 범위를 벗어나는 경우, 상기 센서 노드는 상기 비컨 신호에 대한 수신 확인 신호로 응답하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서네트워크의 재구성 방법에 의해 달성될 수 있다.

여기에서, 상기 예상 지연 시간과 상기 소요시간의 합이 상기 허용 시간 범위를 벗어나는 경우, 상기 센서 노드와의 연결을 끊고 상기 자식 노드가 이웃 노드 중 상기 센서 노드 미만의 뎁스(depth)를 갖는 노드와 연결하도록 하는 재구성 명령을 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 자식 노드가 상기 센서 노드 미만의 뎁스를 갖는 이웃 노드에 재구성 요청을 하는 단계; 및 상기 이웃 노드로부터 승인이 있는 경우, 상기 자식 노드가 상기 비컨 신호에 대한 수신 확인 신호를 전송하는 단계를 더 포함하도록 할 수 있다. 그리고, 상기 이웃 노드의 승인이 없는 경우 및 상기 센서 노드 미만의 뎁스를 갖는 이웃 노드가 없는 경우 중 어느 하나에 있어서, 상기 자식 노드는 코디네이터 노드에 네트워크 재구성을 요청하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 본 발명은 상기 코디네이터 노드는 인지 유형을 변경하여 상기 비콘 신호를 재전송하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 코디네이터 노드가 상기 비컨 신호를 주기적으로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의해, 멀티미디어 인지 요소들에 대해 적응적인 무선 센서네트워크 형성이 가능하게 되며, 이는 사용자들의 네트워크 관리를 용이하게 할 뿐만 아니라 무선 센서네트워크 시스템의 신뢰도를 높이는 간접적인 효과도 기대할 수 있다.

도1은 인지공학적인 측면에서 다양한 동기 멀티미디어 요소들에 대한 사람들의 인지 허용 범위(Perception Tolerance)를 나타내는 표;
도2는 본 발명의 실시예에 따라, 인지 요소별 또는 적용 어플리케이션별 인지 허용 시간 범위를 규정하고 이를 클래스 레벨로 구분한 표;
도3, 도5 내지 도7은 본 발명의 실시예에 따른 센서 노드에서의 휴먼 인지 동기화 판단 과정 및 센서네트워크 재구성 과정을 나타내는 플로우 챠트로서,
도3은 디바이스 MLME 및 자식 노드가 동기 허용 범위 내인 경우의 처리 과정을 나타내는 플로우 차트;
도5는 자식 노드가 동기 허용 범위를 초과하는 것을 판단될 때의 초기 처리과정을 나타내는 플로우 차트;
도6은 도5의 동기 허용 범위 밖의 자식 노드가 네트워크에 재접속하는 과정을 나타내는 플로우 차트;
도7은 도6에서 자식 노드가 새로운 부모 노드를 찾을 수 없는 경우의 처리 과정을 나타내는 플로우 차트;
도4a 및 도4b는 본 발명의 실시예에 따른 지그비 네트워크에서의 비컨 프레임의 구성 및 사용자가 정의하여 사용할 수 있는 비컨 페이로드(payload)의 구성을 개략적으로 나타낸 것; 및
도8 및 도9는 코디네이터 MLME(호스트) 차원에서 인지 동기화 관리를 위한 플로우 차트이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

앞서 제안된 휴먼 인지 동기화가 요구되는 무선 센서네트워크에서의 사람의 인지 과정은 센서 및 액추에이터의 종류에 따라, 또한 개개인의 인지 능력에 따라 조금씩 다르기 때문에 일반의 인지 상황에 대한 동작 허용 범위를 추정할 필요가 있다.

도2는 본 발명의 실시예에 따라, 인지 요소별 또는 적용 어플리케이션별 인지 허용 시간 범위를 규정하고 이를 클래스 레벨로 구분한 표이다.

도2를 참조하면 클래스 1은 스테레오 사운드와 같이 소리들이 연관되어 있거나 이미지와 소리가 연관되어 있는 경우로 긴급한 제어가 필요한 모드이며, 50ms의 인지 허용 시간 범위가 주어져 있는 것을 알 수 있다. 반면 클래스 2는 보통의 제어가 필요한 모드로서 100ms 이하의 인지 허용 시간 범위가 주어진 것을 알 수 있으며, 클래스 레벨이 높아질수록 인지 허용 시간 범위가 더욱 커지고 더 늦은 제어가 허용되는 모드로 분류되어 있다.

도3, 도5 내지 도7은 본 발명의 실시예에 따른 센서 노드에서의 휴먼 인지 동기화 판단 과정 및 센서네트워크 재구성 과정을 나타내는 플로우 챠트이다.

(1) 디바이스 MLME 및 자식 노드가 동기 허용 범위 내인 경우

먼저 도3을 참조하면, 코디네이터 MLME(MACLayer Management Entity, 이하 "코디테이터"라고 함)는 코디네이터와 1-hop에 위치하는 뎁스(depth)가 1인 각 노드들(디바이스 MLME)에 비컨 프레임을 전송한다.

도4a 및 도4b는 본 발명의 실시예에 따른 지그비 네트워크에서의 비컨 프레임의 구성 및 사용자가 정의하여 사용할 수 있는 비컨 페이로드(payload) 필드 부분의 구체적인 내용들 즉, 인지 요소 클래스, 클래스의 동기 허용 범위, 현재까지 지연시간, 예상전송 지연시간으로 구성되는 비컨 페이로드를 도시하고 있다.

디바이스 MLME는 비컨 페이로드로부터 클래스의 동기 허용 범위와, 현재까지의 지연시간을 비교한다.

현재까지의 지연시간이 동기 허용 범위 이내라면, 도3에 도시된 바와 같이, 디바이스 MLME는 다음 1-hop으로의 전송이 동기화 허용 범위 안에 전달될 것인지를 판단한다. 자식 노드로의 예상 전송 지연 시간은 이전의 패킷 충돌, 재전송 요소를 고려하여 결정되며, 일반적으로 액티브 스캔 및 이전 데이터 송수신을 통해 이미 알고 있는 정보라고 보아야 한다.

도3에서는 자식 노드로의 예상 전송 지연 시간과 현재까지 지연된 시간의 합이 동기 허용 범위 이내라고 판단하여, 비컨 프레임을 갱신하여 자식 노드로 전송하는 것을 알 수 있다. 새로운 비컨 프레임에 현재까지 지연된 시간은 수신된 비컨 프레임 내의 '현재까지 지연시간' 및 '예상전송 지연시간'의 합으로 결정되었다.

자식 노드도 마찬가지로 손자 노드로의 '예상전송 지연시간'과 현재까지 지연된 시간의 합이 동기 허용 범위 이내인지를 판단해야 할 것이나, 도3에서는 손자 노드는 없는 것으로 취급되었다. 이 경우, 자식 노드는 비컨 프레임에 대한 수신 확인 신호(ACK)를 전송함으로써, 자신이 해당 네트워크의 휴먼 인지 동기화 기준의 한계점임을 알려준다. 코디네이터는 수신 확인 신호(ACK)를 보낸 노드가 동기화가 보장되는 노드임을 확인하게 된다.

(2) 자식 노드가 동기 허용 범위를 초과하는 경우

한편, 디바이스 MLME가 자신에게 도달되는 지연시간이 동기 허용 범위 이내에 있지만, 자식 노드까지의 예상 전송 지연 시간과 현재까지 지연된 시간의 합이 동기 허용 범위보다 크다고 판단한 경우를 살펴본다.

도5는 디바이스 MLME 자신은 동기 허용 범위 이내에 있지만 자식 노드는 동기 허용 범위 이내에 있지 않다고 판단한 나머지, 비컨 프레임을 파기하여 브로드캐스팅을 중지하고 비컨 프레임에 대한 수신 확인 신호(ACK)를 코디네이터에게 전달한다.

이 경우, 코디네이터는 수신 확인 신호(ACK)를 보낸 디바이스 MLME가 동기화가 보장되는 한계 노드인 것을 확인하게 된다.

도5의 상황에서 자식 노드는 어떻게 처리되는지에 대해서 다음 도6과 도7을 참조하여 설명하도록 한다.

(3) 동기 허용 범위 밖의 자식 노드의 네트워크 재접속

먼저 도6을 참조하면, 디바이스 MLME는 자식 노드에게 데이터 프레임을 보내면서 상기 센서 노드와의 연결을 끊고, 자식 노드가 이웃 노드 중 상기 센서 노드 미만의 뎁스(depth)를 갖는 노드, 궁극적으로는 자식 노드가 동기 허용 범위에 포함될 수 있도록 하는 부모 노드와 재접속하도록 하는 재구성 명령을 전송한다.

재접속 요청을 받은 노드는 이웃 노드를 검색하여 허용 노드에 포함될 수 있는 부모 노드로 재접속을 요청한다. 허용 노드에 포함될 수 있는 부모 노드를 결정하는데에는 뎁스의 수, 부모 노드가 갖는 자식 노드의 수 등을 함께 고려하여 결정하여야 하고, 시스템의 단순화를 위해 뎁스의 수만을 고려하여 결정할 수도 있다.

도6에서, 이웃 노드는 이에 대해 승인하였다. 자식 노드는 비컨 수신 확인 신호(ACK)를 코디네이터에게 전달하여 자식 노드가 다른 부모 노드에 연결되었음을 알려줌으로서 센서네트워크의 재구성이 완료된다.

(4) 새로운 부모 노드를 찾을 수 없는 경우

도6에서 자식 노드가 액티브 스캔을 통해 이웃 노드 중에서 적절한 부모 노드를 찾을 수 없거나, 요청이 이웃 노드로부터 거절될 때의 처리를 도7을 참조하여 설명한다.

이 경우, 자식 노드는 코디네이터에게 네트워크의 재구성을 요청한다.

요청을 받은 코디네이터(호스트 및 싱크노드)는 물리적으로 네트워크를 재구성해야 한다.

지금까지 도3, 도5 내지 도7을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 센서 노드에서의 휴먼 인지 동기화 판단 과정 및 센서네트워크 재구성 과정을 설명하였다.

이제, 도8 및 도9를 참조하여 코디네이터 MLME(호스트) 차원에서 인지 동기화를 위한 관리 방안을 살펴본다.

도8은 자식 노드가 동기 허용 범위 밖에 있을 때, 인지 요소를 변경하여 클래스 레벨을 높임으로써 네트워크를 재구성하지 않고 디바이스 MLME 및 자식 노드를 활용할 수 있도록 한 것임을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

도9는 코디네이터가 디바이스 MLME와의 데이터 송수신에서 잦은 재전송, 패킷 충돌이 발생하는 경우, 인지 요소를 변경하고 라우팅 경로를 변경하여 모든 네트워크를 재구성하도록 명령하는 과정을 보여준다.

멀티 홉 기반의 센서 네트워크로 이루어진 시스템에서 센서 노드의 액추에이션에 대한 동기를 인지하는 사람의 인지 요소(시각, 청각, 후각 등)에 따라 노드들에 요구되는 허용 범위가 다르므로 각 노드들은 네트워크 구성 후 요구되는 인지 특성에 따라 허용 범위 안에서의 네트워크 지연을 추정하고, 이를 호스트에서 관장한다. 본 발명을 통해 호스트에서는 획득된 정보를 통해 필요에 따라 네트워크를 재구성하거나 시스템의 인지 요소를 결정 또는 동적으로 관리할 수 있고 노드에서는 전체 인지 동기화를 위한 동작으로 휴먼 인지 측면의 동기화 시스템을 이룰 수 있다.

지금까지 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 본 실시예의 변형이 가능하다는 것을 당업자는 충분히 이해할 수 있을 것이다.

예컨대, 상기 실시예는 멀티 홉 기반의 네트워크에 대해 설명하였으나, 이동 가능한 노드로 구성된 이동 센서네트워크에서는 휴먼 인지를 위한 네트워크 재구성을 단일 센서 노드에서 판단이 가능함으로 거의 유사한 방식으로 네트워크의 휴먼 인지 동기화를 이룰 수 있다.

또한, 센서 노드는 센서 모듈이 플랫폼에 장착된 노드를 뜻하는 것이나, 최근 센서 노드는 다수의 센서와 액추에이터가 함께 탑재되는 경우가 있어 그 구별이 모호한 면이 있어, 상기 명칭은 액추에이터가 탑재된 액추에이터 노드를 포함하는 네트워크를 구성하는 노드를 대표하는 명칭으로 사용하였다.

또한, 코디네이터는 비컨 프레임을 주기적으로 전송함으로써 네트워크 환경의 변환에 따른 전송 시간의 변화를 반영하여 인지 동기화에 따른 네트워크의 재구성을 지속적으로 관리하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 보호 범위는 이하의 특허청구범위의 기재로부터 정해지고, 그 균등물에까지 미치는 것으로 보아야할 것이다.

Claims (6)

1. 센서 노드들의 액추에이션에 대한 휴먼 인지 동기화 관리를 위한 무선 센서네트워크의 재구성 방법에 있어서,
   센서 노드가 인지 유형 정보에 대응하는 허용 시간 범위와 현재까지 도달하는데 소요된 소요시간 정보를 포함하는 비컨 신호를 수신하는 단계;
   상기 센서 노드로부터 자식 노드로의 예상 지연 시간과 상기 소요시간의 합이 상기 허용 시간 범위 내에 있는 경우, 상기 예상 지연 시간 정보를 상기 비컨 신호에 포함시켜 상기 자식 노드로 전송하는 단계; 및
   상기 예상 지연 시간과 상기 소요시간의 합이 상기 허용 시간 범위를 벗어나는 경우, 상기 센서 노드는 코디네이터 노드에게 상기 비컨 신호에 대한 수신 확인 신호로 응답하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서네트워크의 재구성 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 예상 지연 시간과 상기 소요시간의 합이 상기 허용 시간 범위를 벗어나는 경우, 상기 센서 노드와의 연결을 끊고 상기 자식 노드가 이웃 노드 중 상기 센서 노드 미만의 뎁스(depth)를 갖는 노드와 연결하도록 하는 재구성 명령을 상기 자식 노드에게 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서네트워크 재구성 방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 재구성 명령을 수신한 상기 자식 노드는 상기 센서 노드 미만의 뎁스를 갖는 이웃 노드에 재구성 요청을 하는 단계; 및
   상기 이웃 노드로부터 승인이 있는 경우, 상기 자식 노드는 상기 비컨 신호에 대한 수신 확인 신호를 상기 코디네이터 노드에게 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서네트워크 재구성 방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 이웃 노드의 승인이 없는 경우 및 상기 센서 노드 미만의 뎁스를 갖는 이웃 노드가 없는 경우 중 어느 하나에 있어서, 상기 자식 노드는 상기 코디네이터 노드에 네트워크 재구성을 요청하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서네트워크 재구성 방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 코디네이터 노드는 인지 유형을 변경하여 상기 비컨 신호를 재전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서네트워크 재구성 방법.
   
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   코디네이터 노드는 상기 비컨 신호를 주기적으로 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서네트워크 재구성 방법.
   

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