KR101182422B1 - ＩＥＥＥ802.15.4-2006 비콘(Ｂｅａｃｏｎ)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network)에서의 운영시간 확장 방법 및 장치에 관한 것으로서,상세하게는 Beacon-Enabled 모드로 동작하는 경우에 슈퍼프레임(Superframe)의 활성구간(Active Period)에서 발생할 수 있는 불필요한 대기 소모 전력을 줄여 궁극적으로는 무선 센서 네트워크를 구성하는 조정자(Coordinator)들의 동일 전력 대비 운영 시간을 확장시킬 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network)에서의 운영시간 확장 방법 및 장치는 IEEE802.15.4-2006 Low-Rate WPAN(Wireless Personal Area Network)를 이용하는 무선 센서 네트워크 시스템에 있어서 기존의 고정된 슈퍼프레임 활성 구간의 사용과 달리 슈퍼프레임 활성 구간의 길이 조절이 가능함에 특징이 있다.
본 발명의 슈퍼프레임 활성 구간의 길이 조절이 가능한 IEEE802.15.4-2006 비콘 기반의 슈퍼프레임 구조와 이를 이용한 데이터 통신 방법을 이용하면 기존의 비활성 구간만의 길이 조절만으로 이루어지는 무선 센서 네트워크의 수명 연장 방법에 보다 확장된 결과를 얻을 수 있으며, 궁극적으로는 무선 센서 네트워크 시스템 전체의 운영 시간을 동일 전력 대비 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
Figure R1020080117479
무선 센서 네트워크 (WSN:Wireless Sensor Network),IEEE802.15.4-2006, 슈퍼프레임(Superframe)구조, 조정자(Coordinator),비콘(Beacon) 프레임

Description

ＩＥＥＥ802.15.4-2006 비콘(Ｂｅａｃｏｎ)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 방법 및 장치{Apparatus and method for extending operational lifetime of wireless sensor network operated in IEEE802.15.4-2006 Beacon-enabled mode}
본 발명은 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 슈퍼프레임의 활성구간에서 발생할 수 있는 불필요한 대기 소모 전력을 줄여 궁극적으로는 무선 센서 네트워크(WSN : Wireless Sensor Network)를 구성하는 조정자들의 동일 전력 대비 운영 시간을 확장시킬 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT 성장동력 기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[2005-S-106-04, RFID/USN용 센서 태그 및 센서 노드 기술 개발]
무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network: WSN)는 사물에 대한 인식정보 또는 주변의 환경정보를 감지할 수 있는 센서가 탑재된 여러개의 센서 노드를 통해 무선 센서 네트워크를 구성한다.
무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network: WSN)는 다양한 센서들을 통해 입력되는 정보를 실시간으로 외부네트워크와 연결하여 정보를 처리하고 관리하는 네트워크 시스템을 의미한다.
무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network: WSN)는 궁극적으로 모든 사물에 컴퓨팅 및 통신 기능을 부여함으로써, 네트워크종류, 디바이스 종류 또는 서비스 종류에 관계없이 언제(anytime), 어디서나(anywhere) 통신 가능한 환경의 구현을 목적으로 한다.
도 1은 무선 센서 네트워크 시스템의 일 예로서 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반에서 동작하는 트리 네트워크 구성을 보여주는 도면이다.
IEEE802.15.4 표준은 Low-Rate WPAN(Wireless Personal Area Network)의 물리적 계층과 데이터 링크 계층에 대한 표준이다.
IEEE802.15.4 표준은 저속의 통신 대역과 저전력을 목표로 하는 프로토콜로서 전송 거리가 비교적 짧은 WPAN(Wireless Personal Area Network)의 디바이스에 적합하도록 설계되어 무선 센서 네트워크 시스템의 구현에서 가장 적합한 통신 방식으로 인정받아 사용되고 있다.
IEEE802.15.4-2006 표준은 IEEE802.15.4 표준에서 문제시 되었던 조정자간에 비콘(Beacon) 충돌을 방지하기 위하여 개정되었으며, 개정의 핵심은 슈퍼프레임의 활성 구간을 수신 영역과 송신 영역의 두 영역으로 구분하여 사용하도록 함에 있다.
IEEE802.15.4-2006 비콘 기반 네트워크에서 각 조정자들은 슈퍼프레임 구조 를 사용하여 서로 데이터 통신을 수행한다.
슈퍼프레임(Superframe)은 PAN(Personal Area Network) 조정자(100)에 의해서 관리되며 PAN 조정자가 지정된 간격마다 전송하는 비콘 프레임에 의하여 그 범위가 결정된다.
각 비콘 프레임은 네트워크 조정자(110)들의 네트워크 동기화 정보를 포함한다.
네트워크 동기화 정보는 데이터를 수신할 조정자의 네트워크 식별자(Network Address), 비콘 주기(Beacon Interval)를 결정하는 BO(Beacon Order), 활성 구간인 슈퍼프레임의 길이(SD, Superframe Duration)를 결정하는 SO(Superframe Order)를 포함한다.
도 2 는 IEEE802.15.4-2006 표준에서 사용되는 기존 슈퍼프레임의 구조를 보여주는 도면이다.
슈퍼프레임의 구조는 도 2에서 도시된 바와 같이 비콘 프레임 구간(200,230), 활성 구간(210,240), 비활성 구간(220,250)으로 구분된다.
비콘 프레임 구간은 수신 비콘 프레임 구간(200)과 송신비콘 프레임구간(230)으로 구분된다.
활성 구간은 조정자의 비콘 수신과 송신 영역에 따라 수신 슈퍼프레임 구간(210)과 송신 슈퍼프레임 구간(240)으로 구분된다.
비활성구간은 송신구간(220)과 수신구간(250)에 각각 존재한다.
도2에 도시된 슈퍼프레임 구조를 사용하여 각 조정자들은 비활성 구간 동안 저전력(Sleep) 모드로 전환하여 전력의 소모를 최소로 할 수 있다.
슈퍼프레임의 길이(SD, Superframe Duration)와 비콘 주기 (BI, Beacon Interval)는 각각 SO(Superframe Order)와 BO(Beacon Order) 값에 의해서 결정되며, 슈퍼프레임의 길이(SD, Superframe Duration)와 비콘 주기 (BI, Beacon Interval)는 수학식 1 및 수학식 2에 의하여 구하여진다.
Figure 112008081218394-pat00001
SD = 기본 슈퍼프레임 길이 * symbols
Figure 112008081218394-pat00002
BI = 기본 슈퍼프레임 길이 * symbols
여기서 SO는 "0"보다 크거나 같고 BO보다 작거나 같다, BO는 "0"보다 크거나 같고 "14"보다 작거나 같다.
수학식 1을 이용하여 2.4GHz로 동작하는 IEEE802.15.4에서 최소 슈퍼프레임 길이를 계산하면, 즉 SO=0 일 경우에 최소 SD=15.36msec가 된다.
따라서 기존의 IEEE802.15.4-2006 슈퍼프레임 구조를 따르는 조정자는 상위부모 조정자나 하위 자식 조정자로부터 데이터 수신이 없을 시에도 최소한의 송신 및 수신 슈퍼프레임 길이, 2*SD=30.72msec만큼의 송·수신 슈퍼프레임 활성 구간을 유지하여야 한다.
또한 최소한 송신 및 수신 슈퍼프레임의 길이는 SO의 값이 커질수록 증가된다.
도2에 도시된 IEEE802.15.4-2006 슈퍼프레임 구조를 따르는 조정자는 상위부모 조정자나 하위 자식 조정자로부터의 데이터 수신이 없는 경우에도 활성 구간 동안 수신 대기 상태에 있기 때문에 불필요한 수신 대기 전력을 소모하는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기의 문제점을 해결하기 위하여 I 상위 부모 조정자나 하위 자식 조정자로부터의 데이터 수신 유무시에 송신 및 수신 슈퍼 프레임 활성 구간의 길이를 조절하여 최소한으로 유지함으로써 무선 네트워크에 참여하고 있는 조정자들의 수명을 최대한으로 확장할 수 있는 무선 센서 네트워크에서의 운영 시간 확장 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 기술적 과제는 비콘(Beacon) 프레임을 송신 및 수신 하는 조정자가 상위 부모 조정자나 하위 자식조정자로부터의 데이터 존재 유무를 판단하기 위한 방법을 제공하고, 이를 이용하여 조정자의 송·수신 슈퍼프레임 활성 구간의 길이를 조절하는 슈퍼프레임 구조를 제공하는데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 방법의 일 실시예는, 상위 부모 조정자로부터 비콘(Beacon) 프레임을 수신하는 비콘 프레임 수신단계;상기 비콘 프레임의 소정 영역에 포함된 식별자를 조정자의 식별자와 비교하는 식별자 비교 단계;및 상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치하면 상기 조정자는 수신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간동안 상기 상위 부모 조정자로부터 데이터 수신 후 수신 슈퍼 프레임의 비활성 구간으로 모드 전환하고, 상기 비 콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치하지 않으면 상기 조정자는 상기 수신 슈퍼 프레임의 활성 구간동안 데이터를 수신하지 않고 상기 수신 슈퍼 프레임의 비활성 구간으로 모드 전환하는 모드 전환단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 모드 전환단계에서 상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치할때의 상기 수신 슈퍼 프레임의 활성 구간이 상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치하지 않을때의 상기 슈퍼 프레임의 활성 구간보다 긴 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 식별자 비교 단계에서 상기 비콘 프레임에 포함된 식별자는 상기 비콘 프레임의 펜딩 주소 영역에 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 방법의 일 실시예는, 하위 자식 조정자로부터 데이터를 수신하기 위하여 최대 수신 대기 시간을 초기화 하는 최대 수신 대기 시간 초기화 단계; 상기 하위 자식 조정자로부터 데이터를 수신하기 위하여 송신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간을 유지하는 데이터 수신 대기 상태; 및 상기 데이터 수신이 있으면 상기 데이터 수신후 상기 최대 수신 대기 시간을 재초기화 하고, 상기 데이터 수신이 없고 상기 데이터 수신 대기 시간이 상기 최대 수신 대기 시간을 초과한 경우에는 상기 송신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간에서 상기 송신 슈퍼 프레임의 비활성구간으로 모드 전환하는 모드 전환단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 하위 자식 조정자에게 비콘(Beacon) 프레임을 송신하는 비콘 프레임 송신 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 최대 수신 대기 시간 초기화 단계에서 상기 최대 수신 대기 시간은 IEEE802.15.4에서 사용되는 슬롯기반(Slotted) CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)알고리즘에 기초하여
최대 수신 대기 시간 = 기본 백옵(Backoff) 길이 * (
Figure 112008081218394-pat00003
) symbols 으로 구하고, 여기서, BE(max)는 Backoff Exponent의 최대값을 의미한다.
바람직하게, 상기 하위 자식 조정자에게 송신하는 비콘 프레임의 소정 영역에 상기 하위 자식 조정자의 식별자를 포함하여 송신하는 것을 특징으로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 장치의 일 실시예는, 상위 부모 조정자로부터 수신된 비콘 프레임의 소정 영역에 포함된 식별자와 조정자 식별자의 비교결과에 기초하여 상기 상위 부모 조정자로부터 데이터 수신여부를 결정하고, 데이터 수신후 수신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간에서 수신 슈퍼 프레임의 비활성 구간으로 모드를 전환하는 수신부; 및 하위 자식 조정자로부터 데이터 수신이 있으면 상기 데이터 수신후 최대 수신 대기 시간을 초기화 하여 송신 슈퍼 프레임 활성 구간을 유지하고, 상기 하위 자식 조정자로부터 데이터 수신이 없고 상기 데이터 수신 대기 시간이 상기 최대 수신 대기 시간을 초과한 경우에는 상기 송신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간에서 상기 송신 슈퍼 프레임의 비 활성구간으로 모드 전환하는 송신부;를 포함한다.
바람직하게, 상기 수신부는 상기 상위 부모 조정자로부터 비콘(Beacon) 프레임을 수신하는 비콘 프레임 수신부; 상기 비콘 프레임의 소정 영역에 포함된 식별자를 조정자의 식별자와 비교하는 식별자 비교부; 및 상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치하면 상기 조정자는 수신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간동안 상기 상위 부모 조정자로부터 데이터 수신 후 수신 슈퍼 프레임의 비활성 구간으로 모드 전환하고, 상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치하지 않으면 상기 조정자는 상기 수신 슈퍼 프레임의 활성 구간동안 데이터를 수신하지 않고 상기 수신 슈퍼 프레임의 비활성 구간으로 모드 전환하는 모드 전환부;를 포함한다.
바람직하게, 상기 하위 자식 조정자로부터 데이터를 수신하기 위하여 최대 수신 대기 시간을 초기화 하는 최대 수신 대기 시간 초기화부; 상기 최대 수신 대기 시간동안 송신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간을 유지하여 상기 하위 자식 조정자로부터 데이터를 수신하는 데이터 수신부; 및 상기 데이터 수신이 있으면 상기 데이터 수신후 상기 최대 수신 대기 시간을 재초기화 하고, 상기 데이터 수신이 없고 상기 데이터 수신 대기 시간이 상기 최대 수신 대기 시간을 초과한 경우에는 상기 송신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간에서 상기 송신 슈퍼 프레임의 비활성구간으로 모드 전환하는 모드 전환부;를 포함한다.
바람직하게, 상기 수신부의 상기 모드 전환부에서 상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치할때의 상기 수신 슈퍼 프레임의 활성 구간이 상 기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치하지 않을때의 상기 슈퍼 프레임의 활성 구간보다 긴 것을 특징으로한다.
바람직하게, 상기 수신부의 상기 식별자 비교부에서 상기 비콘 프레임에 포함된 식별자는 상기 비콘 프레임의 펜딩 주소 영역에 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 송신부는 상기 하위 자식 조정자에게 비콘(Beacon) 프레임을 송신하는 비콘 프레임 송신부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 최대 수신 대기 시간 초기화부에서 상기 최대 수신 대기 시간은 IEEE802.15.4에서 사용되는 슬롯기반(Slotted) CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)알고리즘에 기초하여
최대 수신 대기 시간 = 기본 백옵(Backoff) 길이 * (
Figure 112008081218394-pat00004
) symbols 으로 구하고, 여기서, BE(max)는 Backoff Exponent의 최대값을 의미한다.
바람직하게, 상기 송신부는 상기 비콘 프레임의 소정 영역에 상기 하위 자식 조정자의 식별자를 포함하여 송신하는 것을 특징으로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 슈퍼 프레임(Superframe)을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로 그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체의 일 실시예는, 상위 부모 조정자로부터 비콘(Beacon) 프레임을 수신하는 수신 비콘 프레임 구간; 상기 비콘 프레임의 소정 영역에 포함된 식별자와 조정자 식별자의 비교결과 에 기초하여 상기 상위 부모 조정자로부터 데이터를 수신여부를 결정하고, 상기 데이터량에 따라서 상기 조정자의 동작구간 길이를 조절하는 수신 슈퍼프레임 활성 구간; 상기 데이터 수신 완료 후 상기 조정자의 소모 전력을 대기상태로 유지하는 수신 슈퍼프레임 비활성 구간; 하위 자식 조정자에게 비콘(Beacon) 프레임을 송신하는 송신 비콘 프레임 구간; 상기 하위 자식 조정자로부터 데이터를 수신하기 위하여 최대 수신 대기 시간동안 상기 조정자를 동작상태로 유지하는 송신 슈퍼프레임 활성 구간;및 상기 최대 수신 대기 시간 경과후 상기 조정자의 소모 전력을 대기상태로 유지하는 송신 슈퍼프레임 비활성 구간;을 포함한다.
바람직하게, 상기 수신 비콘 프레임 구간, 상기 수신 슈퍼 프레임 활성 구간 및 상기 수신 슈퍼 프레임 비활성 구간의 합은 슈퍼 프레임의 길이와 같은 것을 특징으로 하고,슈퍼 프레임의 길이 = 기본 슈퍼프레임 길이 *
Figure 112008081218394-pat00005
symbols 에 의하여 슈퍼 프레임의 길이를 구하고, 여기서 SO는 "0"보다 크거나 같고 BO보다 작거나 같다, BO는 "0"보다 크거나 같고 "14"보다 작거나 같다.
바람직하게, 상기 송신 비콘 프레임 구간, 상기 송신 슈퍼 프레임 활성 구간 및 상기 송신 슈퍼 프레임 비활성 구간의 합은 슈퍼 프레임의 길이와 같은 것을 특징으로 하고,슈퍼 프레임의 길이 = 기본 슈퍼프레임 길이 *
Figure 112008081218394-pat00006
symbols 에 의하여 슈퍼 프레임의 길이를 구하고, 여기서 SO는 "0"보다 크거나 같고 BO보다 작거나 같다, BO는 "0"보다 크거나 같고 "14"보다 작거나 같다.
바람직하게, IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 슈퍼 프레임(Superframe)은 상기 상위 부모 조정자로부터 데이터 수신이 없거나 상기 하위 자식 조정자로부터 데이터 수신이 없는 비활성 구간;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 운영 시간 확장 방법 및 장치는 IEEE802.15.4-2006 Low-Rate WPAN(Wireless Personal Area Network)를 이용하는 무선 센서 네트워크 시스템에 있어서 기존의 고정된 슈퍼프레임 구간의 사용과 달리 슈퍼프레임 활성 구간의 길이 조절이 가능한 IEEE802.15.4-2006 비콘 기반의 슈퍼프레임 구조와 이를 이용한 데이터 통신 방법을 사용하는데 특징이 있다.
본 발명의 무선 센서 네트워크에서의 운영 시간 확장 방법 및 장치는 기존의 비활성 구간만의 길이 조절만으로 이루어지는 무선 센서 네트워크의 수명 연장 방법에 있어서 보다 확장된 결과를 얻을 수 있으며, 궁극적으로는 무선 센서 네트워크 시스템 전체의 운영 시간을 동일 전력 대비 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명이 적용되는 IEEE802.15.4-2006 Low-Rate WPAN에서 사용되는 슈퍼프레임의 구조를 보여주는 도면이다.
본 발명에 따른 슈퍼프레임은 수신 비콘 프레임 구간(310), 수신 슈퍼프레임 활성 구간(320), 수신 슈퍼프레임 비활성 구간(330), 송신 비콘 프레임 구간(350), 송신 슈퍼프레임 활성 구간(360), 송신 슈퍼프레임 비활성 구간(370), 비활성 구간(340,380)으로 구분된다.
본 발명에 따른 슈퍼 프레임의 비콘 주기(BI)과 슈퍼프레임 길이(SD)는 수학식1과 수학식2에 의하여 구할 수 있다.
도 3에 도시된 슈퍼프레임 구조에서 활성 구간과 비활성 구간을 나누는 이유는 조정자의 동작에 요구되는 전력의 소모를 최소로 하여 조정자의 전체 운영 시간을 증가시키기 위함이다.
즉 활성 구간에 비하여 비활성 구간이 증가할수록 전체 센서 네트워크의 운영 시간은 증가하게 된다.
활성 구간을 수신 슈퍼프레임 구간과 송신 슈퍼프레임 구간으로 나누는 이유는 조정자가 주변 조정들과의 비콘 충돌없이 상위 부모 조정자나 하위 자식 조정자와의 통신을 원활하게 하기 위함이다.
본 발명의 특징인 송신 및 수신 슈퍼프레임 구간을 슈퍼프레임 활성 구간과 슈퍼프레임 비활성 구간으로 나누는 이유는 상위 부모 조정자나 하위 자식 조정자로부터의 데이터 수신 여부에 따라 슈퍼프레임 활성 구간의 길이를 조절가능하게 하고, 슈퍼프레임 활성 구간의 길이 조절하여 최소한으로 유지함으로써 조정자의 전체 운영 시간을 보다 확장하기 위함이다.
일반적으로 무선 센서 네트워크 시스템에서, 센서 노드를 포함하여 조정자들간의 데이터 통신은 간헐적으로 일어난다.
따라서 조정자들은 비활성 구간을 포함하여 대부분의 슈퍼프레임 구간에서도 데이터 통신을 위한 특별한 활동이 없는 경우가 빈번하다.
조정자들은 데이터의 활동이 없을 경우 슈퍼프레임 구간에서의 수신 대기 상태를 해제하고 수신기의 전원을 파워 다운함으로써, 즉 활성 구간의 길이를 줄이고 비활성 구간으로 전환하여 수신 대기 전력 소모를 최소화하고 조정자의 운영 시간을 확대할 수 있다.
도 4은 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 운영 시간 확장 방법에서의 송신 데이터 유무를 포함하는 비콘 프레임의 구성을 보여주는 도면이다.
상위 부모 조정자는 데이터 송신이 있을 시 도 4에 예시된 Pending Address(400)영역에 조정자의 식별자(Network Address)를 실어 보낸다.
도 5는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 운영 시간 확장 장치에서의 조정자의 수신 슈퍼프레임 구간에서의 동작을 보여주는 흐름도이다.
상위 부모 조정자는 데이터 송신이 있을 시 도 4에 예시된 Pending Address(400)영역에 조정자의 식별자(Network Address)를 실어 보내며, 조정자는 상위 부모 조정자로부터 수신 비콘 프레임 구간(도3의 310)에 비콘을 수신한다(Step 510).
조정자는 상위 부모 조정자로부터 수신된 비콘의 Pending Address영역을 검사하여(Step520) Pending Address영역 식별자가 자신의 식별자와 동일여부를 판단한다.(Step 530).
Pending Address영역을 검사 결과 식별자가 자신의 것과 일치할 경우 조정자는 수신 슈퍼프레임 활성 구간(도3의 320)동안 데이터 수신 동작을 수행하고(Step 540),데이터 수신 후 슈퍼프레임 비활성 모드로 전환한다(Step 550).
그러나 수신된 비콘의 Pending Address영역 식별자가 자신의 것과 일치하지 않을 경우에 조정자는 수신 슈퍼프레임 구간에서 바로 슈퍼프레임 비활성 구간(도3의 330)로 전환한다(Step550).
도 6은 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 장치에 조정자의 송신 슈퍼프레임 구간에서의 동작을 보여주는 흐름도이다.
조정자는 송신 비콘 프레임 구간(도3의 350)에 하위 자식 조정자에게 데이터를 송신하고자 할때 송신 비콘 프레임의 Pending Address 영역에 데이터를 보내고자 하는 하위 자식 조정자의 식별자를 실어 보낸다(Step 610).
조정자는 비콘 프레임 송신 후 하위 자식 조정자로부터의 데이터 수신을 위한 최대 수신 대기 시간을 초기화 한다(Step620).
조정자는 송신 슈퍼프레임 활성 구간(도3의 360) 동안 하위 자식 조정자로부터의 데이터 수신을 대기한다(Step630).
조정자는 하위 자식 조정자로부터 데이터 수신여부를 판단한다(Step640).
조정자는 하위 자식 조정자로부터 데이터 수신이 있을 경우 데이터 수신 동 작을 수행한다(Step650).
조정자는 데이터 수신후 최대 수신 대기 시간을 초기화한다(Step620).
조정자는 하위 자식 조정자로부터 데이터 수신이 없을 경우 최대 수신 대기 시간을 초과여부를 판단한다(Step660).
조정자의 데이터 수신이 없고 데이터 수신 대기 시간이 최대 수신 대기 시간을 초과한 경우에는 상기 송신 슈퍼프레임의 비활성 구간으로 모드를 전환한다.(Step670).
조정자의 데이터 수신이 없고 수신 대기 시간이 최대 수신 대기 시간을 초과하지 않은 경우에 조정자는 최대 수신 대기 시간을 초과할때까지 데이터 수신 대기 상태를 유지한다(Step 630).
조정자의 최대 수신 대기 시간은 비콘 기반 IEEE802.15.4에서 사용되는 Slotted CSMA-CA 알고리즘에 따라 수학식3과 같이 결정된다.
Figure 112008081218394-pat00007
최대 수신 대기 시간 = 기본 백옵 길이 * () symbols
여기서 기본 백옵 길이는 20 심볼이며, BE(Backoff Exponent)의 최대값은 5이므로, 최대 수신 대기 시간은 620 심볼이다.
최대수신 대기 시간은 2.4GHz로 동작하는 경우에 9.992msec에 해당한다.
도 7 는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 장치의 구 성을 보여주는 도면이다.
수신부(700)는 상위 부모 조정자로부터 수신된 비콘 프레임의 소정 영역에 포함된 식별자와 조정자 식별자의 비교결과에 기초하여 상기 상위 부모 조정자로부터 데이터 수신여부를 결정하고, 데이터 수신후 수신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간에서 수신 슈퍼 프레임의 비활성 구간으로 모드를 전환한다.
수신부(700)는 비콘 프레임 수신부(710),식별자 비교부(720) 및 모드 전환부(730)를 포함하여 구성된다.
비콘 프레임 수신부(710)는 상위 부모 조정자로부터 비콘(Beacon) 프레임을 수신한다.
식별자 비교부(720)는 수신된 비콘 프레임의 소정 영역에 포함된 식별자를 조정자의 식별자와 비교한다.
식별자 비교부(720)에서 식별자는 상기 비콘 프레임의 펜딩 주소 영역에 포함된다.
모드 전환부(730)는 상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치하면 상기 조정자는 수신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간동안 상기 상위 부모 조정자로부터 데이터 수신 후 수신 슈퍼 프레임의 비활성 구간으로 모드 전환하고, 상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치하지 않으면 상기 조정자는 상기 수신 슈퍼 프레임의 활성 구간동안 데이터를 수신하지 않고 상기 수신 슈퍼 프레임의 비활성 구간으로 모드 전환한다.
모드 전환부(730)에서 상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자 가 일치할때의 상기 수신 슈퍼 프레임의 활성 구간은 상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치하지 않을때의 상기 슈퍼 프레임의 활성 구간보다 길다.
즉, 본원 발명의 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 방법 및 장치는 상기 상위 부모 조정자로부터의 데이터 수신유무에 따라 수신 슈퍼프레임 활성 구간의 길이 조절이 가능하다.
송신부(740)는 하위 자식 조정자로부터 데이터 수신이 있으면 데이터 수신후 최대 수신 대기 시간을 초기화 하여 송신 슈퍼 프레임 활성 구간을 유지하고, 상기 하위 자식 조정자로부터 데이터 수신이 없고 데이터 수신 대기 시간이 최대 수신 대기 시간을 초과한 경우에는 송신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간에서 송신 슈퍼 프레임의 비활성구간으로 모드 전환한다.
송신부(740)는 비콘 프레임 송신부(750),최대수신대기 시간 초기화부(760), 데이터 수신부(770) 및 모드 전환부(780)를 포함하여 구성된다.
비콘 프레임 송신부(750)는 하위 자식 조정자에게 비콘(Beacon) 프레임을 송신한다.
최대 수신 대기 시간 초기화부(760)는 상기 하위 자식 조정자로부터 데이터 수신을 위한 최대 수신 대기 시간을 초기화 한다.
데이터 수신부(770)는 상기 조정자 송신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간동안 상기 하위 자식 조정자로부터 데이터를 수신한다.
모드 전환부(780)는 하위 자식 조정자로부터 데이터 수신이 있으면 상기 데 이터 수신후 상기 최대 수신 대기 시간을 재초기화 하고, 상기 데이터 수신이 없고 상기 데이터 수신 대기 시간이 상기 최대 수신 대기 시간을 초과한 경우에는 상기 송신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간에서 상기 송신 슈퍼 프레임의 비활성구간으로 모드 전환한다.
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 센서 네트워크 시스템의 일 예로서 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반에서 동작하는 트리 네트워크 구성을 보여주는 도면이다.
도 2 는 IEEE802.15.4-2006 표준에서 사용되는 기존 슈퍼프레임의 구조를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명이 적용되는 IEEE802.15.4-2006 Low-Rate WPAN에서 사용되는 슈퍼프레임의 구조를 보여주는 도면이다.
도 4은 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 운영 시간 확장 방법에서의 송신 데이터 유무를 포함하는 비콘 프레임의 구성을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 운영 시간 확장 장치에서의 조정자의 수신 슈퍼프레임 구간에서의 동작을 보여주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 장치에 조정자의 송신 슈퍼프레임 구간에서의 동작을 보여주는 흐름도이다.
도 7 는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 장치의 구성을 보여주는 도면이다.

Claims (19)

  1. 상위 부모 조정자로부터 비콘(Beacon) 프레임을 수신하는 비콘 프레임 수신단계;
    상기 비콘 프레임의 소정 영역에 포함된 식별자를 조정자의 식별자와 비교하는 식별자 비교 단계;
    상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치하면 상기 조정자는 수신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간동안 상기 상위 부모 조정자로부터 데이터 수신 후 수신 슈퍼 프레임의 비활성 구간으로 모드 전환하고, 상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치하지 않으면 상기 조정자는 상기 수신 슈퍼 프레임의 활성 구간동안 데이터를 수신하지 않고 상기 수신 슈퍼 프레임의 비활성 구간으로 모드 전환하는 수신 슈퍼 프레임 모드 전환단계;
    하위 자식 조정자로부터 데이터 수신을 위한 최대 수신 대기 시간을 초기화 하는 최대 수신 대기 시간 초기화 단계;
    상기 하위 자식 조정자로부터 데이터를 수신하기 위하여 송신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간을 유지하는 데이터 수신 대기 상태; 및
    상기 데이터 수신이 있으면 상기 데이터 수신후 상기 최대 수신 대기 시간을 재초기화 하고, 상기 데이터 수신이 없고 상기 데이터 수신 대기 시간이 상기 최대 수신 대기 시간을 초과한 경우에는 상기 송신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간에서 상기 송신 슈퍼 프레임의 비활성구간으로 모드 전환하는 송신 슈퍼 프레임 모드 전환단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수신 슈퍼 프레임 모드 전환단계에서
    상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치할때의 상기 수신 슈퍼 프레임의 활성 구간이 상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치하지 않을때의 상기 슈퍼 프레임의 활성 구간보다 긴 것을 특징으로 하는IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 식별자 비교 단계에서
    상기 비콘 프레임에 포함된 식별자는 상기 비콘 프레임의 펜딩 주소 영역에 포함되는 것을 특징으로 하는 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하위 자식 조정자에게 비콘(Beacon) 프레임을 송신하는 비콘 프레임 송신 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 최대 수신 대기 시간 초기화 단계에서
    상기 최대 수신 대기 시간은 IEEE802.15.4에서 사용되는 슬롯기반(Slotted) CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)알고리즘에 기초하여
    최대 수신 대기 시간 = 기본 백옵(Backoff) 길이 * (
    Figure 112012011404401-pat00008
    ) symbols 으로 구하는 것을 특징으로 하는 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 방법.
    여기서, BE(max)는 Backoff Exponent의 최대값을 의미한다.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 비콘 프레임의 소정 영역에 상기 하위 자식 조정자의 식별자를 포함하여 송신하는 것을 특징으로 하는 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 방법.
  8. 상위 부모 조정자로부터 수신된 비콘 프레임의 소정 영역에 포함된 식별자와 조정자 식별자의 비교결과에 기초하여 상기 상위 부모 조정자로부터 데이터 수신여부를 결정하고, 데이터 수신후 수신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간에서 수 신 슈퍼 프레임의 비활성 구간으로 모드를 전환하는 수신부; 및
    하위 자식 조정자로부터 데이터 수신이 있으면 상기 데이터 수신후 최대 수신 대기 시간을 초기화 하여 송신 슈퍼 프레임 활성 구간을 유지하고, 상기 하위 자식 조정자로부터 데이터 수신이 없고 데이터 수신 대기 시간이 상기 최대 수신 대기 시간을 초과한 경우에는 상기 송신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간에서 상기 송신 슈퍼 프레임의 비활성구간으로 모드 전환하는 송신부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 수신부는
    상기 상위 부모 조정자로부터 비콘(Beacon) 프레임을 수신하는 비콘 프레임 수신부;
    상기 비콘 프레임의 소정 영역에 포함된 식별자를 조정자의 식별자와 비교하는 식별자 비교부; 및
    상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치하면 상기 조정자는 수신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간동안 상기 상위 부모 조정자로부터 데이터 수신 후 수신 슈퍼 프레임의 비활성 구간으로 모드 전환하고, 상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치하지 않으면 상기 조정자는 상기 수신 슈퍼 프레임의 활성 구간동안 데이터를 수신하지 않고 상기 수신 슈퍼 프레임의 비활성 구간으로 모드 전환하는 모드 전환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 송신부는
    상기 하위 자식 조정자로부터 데이터 수신을 위한 최대 수신 대기 시간을 초기화 하는 최대 수신 대기 시간 초기화부;
    상기 최대 수신 대기 시간동안 송신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간을 유지하여 상기 하위 자식 조정자로부터 데이터를 수신하는 데이터 수신부; 및
    상기 데이터 수신이 있으면 상기 데이터 수신후 상기 최대 수신 대기 시간을 재초기화 하고, 상기 데이터 수신이 없고 데이터 수신 대기 시간이 상기 최대 수신 대기 시간을 초과한 경우에는 상기 송신 슈퍼 프레임(Superframe)의 활성 구간에서 상기 송신 슈퍼 프레임의 비활성구간으로 모드 전환하는 모드 전환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 모드 전환부에서
    상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치할때의 상기 수신 슈퍼 프레임의 활성 구간이 상기 비콘 프레임의 식별자와 상기 조정자의 식별자가 일치하지 않을때의 상기 슈퍼 프레임의 활성 구간보다 긴 것을 특징으로 하는IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 장 치.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 식별자 비교부에서
    상기 비콘 프레임에 포함된 식별자는 상기 비콘 프레임의 펜딩 주소 영역에 포함되는 것을 특징으로 하는 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 하위 자식 조정자에게 비콘(Beacon) 프레임을 송신하는 비콘 프레임 송신부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 장치.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 최대 수신 대기 시간 초기화부에서
    상기 최대 수신 대기 시간은 IEEE802.15.4에서 사용되는 슬롯기반(Slotted) CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)알고리즘에 기초하여
    최대 수신 대기 시간 = 기본 백옵(Backoff) 길이 * (
    Figure 112008081218394-pat00009
    ) symbols 으로 구하는 것을 특징으로 하는 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 장치.
    여기서, BE(max)는 Backoff Exponent의 최대값을 의미한다.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 비콘 프레임의 소정 영역에 상기 하위 자식 조정자의 식별자를 포함하여 송신하는 것을 특징으로 하는 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 운영시간 확장 장치.
  16. 상위 부모 조정자로부터 비콘(Beacon) 프레임을 수신하는 수신 비콘 프레임 구간;
    상기 비콘 프레임의 소정 영역에 포함된 식별자와 조정자 식별자의 비교결과에 기초하여 상기 상위 부모 조정자로부터 데이터를 수신여부를 결정하고, 상기 데이터량에 따라서 상기 조정자의 동작구간 길이를 조절하는 수신 슈퍼프레임 활성 구간;
    상기 데이터 수신 완료 후 상기 조정자의 소모 전력을 대기상태로 유지하는 수신 슈퍼프레임 비활성 구간;
    하위 자식 조정자에게 비콘(Beacon) 프레임을 송신하는 송신 비콘 프레임 구간;
    상기 하위 자식 조정자로부터 데이터를 수신하기 위하여 최대 수신 대기 시간동안 상기 조정자를 동작상태로 유지하는 송신 슈퍼프레임 활성 구간;및
    상기 최대 수신 대기 시간 경과후 상기 조정자의 소모 전력을 대기상태로 유지하는 송신 슈퍼프레임 비활성 구간;을 포함하는 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon) 기반 무선 센서 네트워크에서의 슈퍼 프레임(Superframe)을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로 그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
    최대 수신 대기 시간 = 기본 백옵(Backoff) 길이 * (
    Figure 112008081218394-pat00010
    ) symbols. 여기서, 상기 최대 수신 대기 시간은 IEEE802.15.4에서 사용되는 슬롯기반(Slotted) CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)알고리즘에 기초하여 구하고, BE(max)는 Backoff Exponent의 최대값을 의미한다.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 수신 비콘 프레임 구간, 상기 수신 슈퍼 프레임 활성 구간 및 상기 수신 슈퍼 프레임 비활성 구간의 합은 슈퍼 프레임의 길이와 같은 것을 특징으로 하는 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 슈퍼 프레임(Superframe)을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로 그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
    슈퍼 프레임의 길이 = 기본 슈퍼프레임 길이 *
    Figure 112008081218394-pat00011
    symbols .
    여기서 SO는 "0"보다 크거나 같고 BO보다 작거나 같다, BO는 "0"보다 크거나 같고 "14"보다 작거나 같다.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 송신 비콘 프레임 구간, 상기 송신 슈퍼 프레임 활성 구간 및 상기 송신 슈퍼 프레임 비활성 구간의 합은 슈퍼 프레임의 길이와 같은 것을 특징으로 하는 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 슈퍼 프레임(Superframe)을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로 그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
    슈퍼 프레임의 길이 = 기본 슈퍼프레임 길이 *
    Figure 112008081218394-pat00012
    symbols .
    여기서 SO는 "0"보다 크거나 같고 BO보다 작거나 같다, BO는 "0"보다 크거나 같고 "14"보다 작거나 같다.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 상위 부모 조정자로부터 데이터 수신이 없거나 상기 하위 자식 조정자로부터 데이터 수신이 없는 비활성 구간;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 IEEE802.15.4-2006 비콘(Beacon)기반 무선 센서 네트워크에서의 슈퍼 프레임(Superframe)을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로 그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
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