KR101328455B1 - 수중 무선 센서 네트워크에서의 스케줄링 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수중 무선 센서 네트워크에서의 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 무선 센서 네트워크에서 스케줄링을 수행하는 장치는, 수중 센서노드와 방향성 있는 음파를 통해 통신을 수행하는 음파 통신부, 음파 통신부를 통해 미리 결정된 복수의 방향으로 방향성 있는 음파를 이용하여 동기화 요청 메시지를 순차적으로 전송하고, 동기화 요청 메시지에 대응하여 응답 메시지를 회신한 수중 센서노드들의 응답 시간을 고려하여 단계적 레벨의 클러스터를 구성하는 클러스터링부 및 단계적 레벨의 클러스터를 통해 수중 싱크노드가 센싱 정보를 수집하는 전체 음파 통신 주기 내에서, 클러스터를 구성하는 각각의 수중 센서노드에 대하여 각각의 레벨별로 비활성화 구간을 할당하는 비활성화 구간 할당부를 포함한다.
Description
본 발명은, 수중 무선 센서 네트워크에서의 스케줄링 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 수중 통신 환경의 특성을 고려하여 수중 센서노드들에 대한 레벨 단위의 클러스터를 구축하고 각각의 레벨별로 스케줄링을 수행함으로써 수중 센서노드의 에너지 효율을 개선하고 수중 무선 센서 네트워크의 지속적인 유지 및 관리를 가능하게 하는 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 인간 외부 환경의 감지와 제어 기능을 수행하는 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network: USN) 기술이 급속히 발전하고 있다. 이러한 USN 기술에 해당하는 수중 무선 센서 네트워크(Underwater Wireless Sensor Network: UWSN) 기술이란, 수중에서 분산 배치된 수중 센서노드(Underwater Sensor Node)들이 상호 네트워크를 형성하여 인간이 필요로 하는 기능을 수행하도록 하는 수중 USN 기술을 말한다. 이러한 UWSN 기술은, 수중(underwater), 특히 지구의 70%를 차지하면서도 아직까지 미지의 영역에 해당하는 해양에서 환경, 생태, 해양자원, 국방, 방재 등과 관련하여 과학, 산업, 경제적으로 그 활용 가치가 매우 크다.
그러나, 지금까지의 중점적으로 연구 개발되어 온 USN 기술은 지상에서의 전파 통신을 기반으로 한 것이었다. 전파 통신 기반의 기존의 USN 기술은 지상과는 전혀 다른 전달 매체를 이용하여야 하는 수중 환경의 특성으로 인해 수중에서는 그 활용이 거의 불가능하다. 즉, 해저와 같은 수중(underwater)에서는 기지국, 코어 망 등 통신망을 설치하기가 곤란하여 지상과 같이 원활한 통신을 수행하기 곤란하다. 또한, 지상 환경에서는 전파의 감쇠가 작고 음파의 감쇠가 크지만, 수중 환경에서는 음파의 감쇠가 작고 전파의 감쇠가 크다. 실제로 수중에서 전파(radio wave)가 원거리까지 전달되기 위해서는 아주 낮은 주파수 대역(30~300Hz)을 사용하여야 할 뿐만 아니라, 수중에서 전파를 사용하기 위해서는 긴 안테나와 높은 전송 파워(transmission power)를 필요로 한다. 한편, 광파의 경우 긴 안테나와 높은 전송 파워 그리고 낮은 주파수 대역으로 전송되었다 하더라도 수중에서 급격히 감쇠한다.
따라서, UWSN 기술은 수중환경에서 통신 매체로서 음파(acoustic wave)를 사용한다. UWSN 기술에 사용되는 수중 음파 통신은 지상의 무선 전파 통신과 비교할 때 통신 속도, 대역폭, 에너지 효율의 측면에서 다음과 같은 차이점들이 존재한다. 즉, 통신 속도의 측면에서, 음파는 그 전달 속도가 1500m/s로 매우 느리기 때문에 통신 데이터의 전달 지연시간이 매우 크다. 또한, 대역폭의 측면에서, 사용 가능한 대역폭과 채널이 극히 제한된다. 또한, 에너지 효율의 측면에서, 수중 음파 통신은 별도의 초음파 모뎀 및 초음파 센서 등을 사용하여 지상의 무선 전파 통신보다 전력 소모량이 크다. 이하에서 인용된 비특허문헌에는 수중 환경에서의 무선 통신의 어려움과 이를 위한 센서 네트워크의 기본 구조에 대해 설명하고 있다.
이러한 차이점들로 인해, UWSN 기술의 경우, 통신 방식에서부터 센서노드의 배치에 이르기까지 기존의 USN 기술과는 차별화된 연구를 필요로 하고 있다. 특히, 수중 무선 센서 네트워크를 구성하는 자원 제약적인 수중 센서노드의 경우, 일반적으로 지상 센서 네트워크의 센서노드보다 에너지 효율이 떨어지고 수명이 단축된다. 나아가, 수중 환경이라는 특성상 센서노드의 재배치 및 관리가 어렵다. 이에 따라, 수중 무선 센서 네트워크가 이용되는 수중 환경 및 음파 통신의 특성을 고려하여, 수중 센서노드의 에너지 효율을 개선하고 다수의 수중 센서노드들을 지속적으로 유지 및 관리할 수 있는 수중 무선 센서 네트워크 스케줄링 및 동기화 기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
수중통신과 해양센서네트워크 기술, 박성준, 박수현, 김상경, 김창화, 정보과학회지 제28권 제7호 통권 제254호 (2010년 7월) pp.79-88 ISSN 1015-9908, 한국정보과학회, 2010.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 기술적 과제는, 수중 무선 센서 네트워크에서 수중 통신 환경의 특성을 고려한 통신 스케줄링을 수행함으로써 수중 센서노드의 에너지 효율을 개선하고 수중 무선 센서 네트워크의 지속적인 유지 및 관리를 가능하게 하는 스케줄링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 기술적 과제는, 수중 무선 센서 네트워크에서 수중 통신 환경의 특성을 고려한 통신 스케줄링을 수행함으로써 수중 센서노드의 에너지 효율을 개선하고 수중 무선 센서 네트워크의 지속적인 유지 및 관리를 가능하게 하는 스케줄링 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 첫 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 센싱 정보를 감지하는 수중 센서노드(underwater sensor node), 및 상기 수중 센서노드로부터 상기 센싱 정보를 수집하는 수중 싱크노드(underwater sink node)를 포함하는 수중 무선 센서 네트워크(underwater wireless sensor network)에서 스케줄링(scheduling)을 수행하는 장치에서, 상기 장치는, 상기 수중 싱크노드에 구비되고, 상기 수중 센서노드와 방향성(directivity) 있는 음파(acoustic wave)를 통해 통신을 수행하는 음파 통신부; 상기 음파 통신부를 통해 미리 결정된 복수의 방향으로 상기 방향성 있는 음파를 이용하여 동기화 요청 메시지를 순차적으로 전송하고, 상기 동기화 요청 메시지에 대응하여 응답 메시지를 회신한 수중 센서노드들의 응답 시간을 고려하여 단계적 레벨(level)의 클러스터(cluster)를 구성하는 클러스터링부; 및 상기 단계적 레벨의 클러스터를 통해 상기 수중 싱크노드가 센싱 정보를 수집하는 전체 음파 통신 주기 내에서, 상기 클러스터를 구성하는 각각의 수중 센서노드에 대하여 각각의 레벨별로 비활성화(sleep) 구간을 할당하는 비활성화 구간 할당부를 포함한다.
상기된 일 실시예에서, 상기 단계적 레벨의 클러스터는, 상기 수중 싱크노드가 동기화 요청 메시지를 전송한 전송 시각으로부터 상기 수중 센서노드로부터 응답 메시지를 수신한 수신 시각까지의 시간 간격인 전달 시간에 기초하여 각각의 수중 센서노드들의 레벨을 단계적으로 분류함으로써 구성된다.
또한, 상기된 일 실시예에서, 상기 단계적 레벨의 클러스터는, 상기 수중 센서노드들이 상기 동기화 요청 메시지를 수신하는 시각의 유사성에 따라 유사한 레벨을 형성하고, 상기 비활성화 구간 할당부는, 상기 레벨별로 비활성화 구간을 할당함으로써 상기 동기화 요청 메시지의 수신 시각이 유사한 수중 센서노드들로 구성된 클러스터별로 비활성(sleep) 구간으로부터 활성(wakeup) 구간으로 전환하는 스케줄링을 수행한다.
상기된 일 실시예에서, 상기 단계적 레벨의 클러스터는, 상기 수중 싱크노드가 동기화 요청 메시지를 전송한 전송 시각으로부터 상기 수중 센서노드로부터 응답 메시지를 수신한 수신 시각까지의 시간 간격인 전달 시간에 기초하여 각각의 수중 센서노드들의 레벨을 단계적으로 분류함으로써 구성된다.
상기된 일 실시예에서, 상기 단계적 레벨의 클러스터는, 상기 수중 센서노드들이 상기 동기화 요청 메시지를 수신하는 시각의 유사성에 따라 유사한 레벨을 형성하고, 상기 비활성화 구간 할당부는, 상기 레벨별로 비활성화 구간을 할당함으로써 상기 동기화 요청 메시지의 수신 시각이 유사한 수중 센서노드들로 구성된 클러스터별로 비활성(sleep) 구간으로부터 활성(wakeup) 구간으로 전환하는 스케줄링을 수행한다.
상기된 일 실시예에서, 상기 클러스터링부는, 상기 음파 통신부를 통해 상기 복수의 방향 중 일 방향으로 상기 동기화 요청 메시지를 전송한 후 예상 응답 시간 내에 상기 응답 메시지를 수신하지 못하는 경우, 상기 음파 통신부를 통해 상기 일 방향으로 상기 동기화 요청 메시지를 재전송한다. 또한, 상기 클러스터링부는, 상기 예상 응답 시간 내에 상기 응답 메시지를 수신하지 못하는 경우, 미리 결정된 재전송 횟수만큼 상기 동기화 요청 메시지를 재전송한다. 나아가, 상기 클러스터링부는, 상기 미리 결정된 재전송 횟수만큼 상기 동기화 요청 메시지를 재전송하는 동안 상기 예상 응답 시간 내에 상기 응답 메시지를 수신하지 못하는 경우, 상기 음파 통신부를 통해 상기 복수의 방향 중 타 방향으로 상기 동기화 요청 메시지를 전송한다.
상기된 일 실시예에서, 상기 클러스터링부는, 상기 음파 통신부를 통해 상기 복수의 방향 중 일 방향으로 상기 동기화 요청 메시지를 전송한 후 단계별 예상 응답 시간 내에 상기 응답 메시지를 수신한 경우, 상기 수중 싱크노드가 상기 응답 메시지를 송신한 수중 센서노드를 상기 단계별 레벨의 클러스터를 구성하는 수중 센서노드로 등록한다.
상기된 일 실시예에서, 상기 비활성화 구간 할당부는, 상기 클러스터를 구성하는 상기 각각의 수중 센서노드에 대하여 상기 동기화 요청 메시지를 전송한 시각에서 상기 응답 메시지를 수신한 시각까지의 시간인 전달 시간(propagation time)을 기록한다. 또한, 상기 비활성화 구간 할당부는, 상기 각각의 수중 센서노드에 대한 상기 전달 시간을 통해 상기 각각의 수중 센서노드의 활성화(wakeup) 유지 시간을 단계적 레벨별로 결정하고, 상기 결정된 활성화 유지 시간을 이용하여 상기 전체 음파 통신 주기 내에서 상기 각각의 수중 센서노드의 활성화 구간 및 비활성화 구간을 할당한다. 나아가, 상기 비활성화 구간 할당부는, 상기 할당된 활성화 구간 및 비활성화 구간 정보를 포함하는 활성화 및 비활성화 구간 할당 메시지를 상기 음파 통신부를 통해 상기 각각의 수중 센서노드로 전송한다.
상기된 일 실시예에서, 상기 시간 동기화 장치는, 미리 결정된 주기에 따라 상기 클러스터링부 및 상기 비활성화 구간 할당부의 동작을 반복하도록 한다. 또한, 상기 음파 통신부는, 상기 수중 센서노드들에게 소정 주기 동안 각각 2 회씩 비활성 구간으로부터 활성 구간으로 전환하는 메시지를 전송한다.
상기와 같은 두 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 센싱 정보를 감지하는 수중 센서노드, 및 상기 수중 센서노드로부터 상기 센싱 정보를 수집하는 수중 싱크노드를 포함하는 수중 무선 센서 네트워크에서 스케줄링을 수행하는 방법은, 상기 수중 센서노드가 방향성 있는 음파를 통해 미리 결정된 복수의 방향으로 동기화 요청 메시지를 순차적으로 전송하고, 상기 동기화 요청 메시지에 대응하여 응답 메시지를 회신한 수중 센서노드들의 응답 시간을 고려하여 단계적 레벨의 클러스터를 구성하는 클러스터링 단계; 및 상기 단계적 레벨의 클러스터를 통해 상기 수중 싱크노드가 센싱 정보를 수집하는 전체 음파 통신 주기 내에서, 상기 클러스터를 구성하는 각각의 수중 센서노드에 대하여 각각의 레벨별로 비활성화 구간을 할당하는 비활성화 구간 할당 단계를 포함한다.
한편, 이하에서는 상기 기재된 수중 무선 센서 네트워크에서 스케줄링을 수행하는 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
본 발명은, 다수의 수중 센서노드와 하나의 수중 싱크노드 간에 수중 통신 환경의 특성을 고려한 통신 스케줄링을 수행함으로써 수중 센서노드의 에너지 효율을 개선하고 수명을 증가시키는 장점이 있고, 시간 동기화 과정을 반복 수행함으로써 수중 무선 센서 네트워크의 지속적이고 적응적인 유지 및 관리를 가능하게 하는 이점을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 설정된 주기 동안 2 번씩 활성화 메시지를 전송함으로써 동기화 과정에 소요되는 시간이 절반으로 감소되는 효과가 나타난다.
도 1은 본 발명의 실시예들이 적용되는 수중 무선 센서 네트워크 시스템의 환경을 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 무선 센서 네트워크에서의 스케줄링 장치를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 장치를 이용한 시간 동기화 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 무선 센서 네트워크에서의 스케줄링 기술에 의거하여 단계적 레벨별로 클러스터를 구축한 상황을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 장치를 이용하여 수중 무선 센서 네트워크에서 스케줄링을 수행하는 과정을 구체적으로 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 무선 센서 네트워크에서의 스케줄링 기술에 따라 단계적 레벨별로 메시지의 전달 시간에 차이가 존재함을 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 무선 센서 네트워크에서의 스케줄링 장치를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 장치를 이용한 시간 동기화 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 무선 센서 네트워크에서의 스케줄링 기술에 의거하여 단계적 레벨별로 클러스터를 구축한 상황을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 장치를 이용하여 수중 무선 센서 네트워크에서 스케줄링을 수행하는 과정을 구체적으로 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 무선 센서 네트워크에서의 스케줄링 기술에 따라 단계적 레벨별로 메시지의 전달 시간에 차이가 존재함을 예시한 도면이다.
본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서 실시예들이 구현되는 환경에 대해 개괄적으로 소개하고, 실시예들이 공통적으로 채용하고 있는 기본 아이디어를 제시하고자 한다.
수중 무선 센서 네트워크(Underwater Wireless Sensor Network)의 특징은 다음과 같다.
첫째, 일반적으로 수중 무선 센서 네트워크에 사용되는 수중 음파 통신은 지상의 전파 통신보다 낮은 주파수를 사용하기 때문에 통신거리가 더 멀다.
둘째, 수중 음파 통신은 별도의 하이드로폰, 프로젝터, 수중 스피커 등이나 초음파 센서, 초음파 모뎀 등을 사용하기 때문에 지상의 전파 통신보다 통신 시의 전력 소모량이 더 크다.
셋째, 수중 음파 통신은 채널 특성상 지상의 전파 통신보다 데이터의 전달속도가 낮고 가변적이며, 다중경로 페이딩이 더 크게 발생할 수 있다.
넷째, 수중 음파 통신은 사용가능한 채널의 수가 제한적이어서 낮은 대역폭을 사용한다.
다섯째, 수중 무선 센서 네트워크에서는 노드의 관리가 용이하지 않으며, 비트 에러율이 높다.
따라서, 본 발명에 따른 실시예들은, 수중 환경에서 방향성(directivity) 있는 음파 통신을 이용하여 다수의 수중 센서노드(Underwater Sensor Node)와 하나의 수중 싱크노드(Underwater Sink Node)를 하나의 클러스터로 구성하고, 이러한 클러스터들이 수중 무선 센서 네트워크를 구성하도록 한다. 특히, 본 발명의 실시예들은 이러한 클러스터를 단순히 하나로 구성하는 것이 아니라, 수중 싱크노드가 동기화 요청 메시지를 전송한 전송 시각으로부터 수중 센서노드로부터 응답 메시지를 수신한 수신 시각까지의 시간 간격인 전달 시간에 기초하여 각각의 수중 센서노드들의 레벨을 단계적으로 분류한다. 즉, 각각의 전달 시간의 차이에 따라 일정 구간 (레벨을 의미한다.)별로 클러스터가 분류되게 된다. 그런 다음, 상기 구성된 각각의 클러스터에서 상기 수중 싱크노드로 하여금 상기 다수의 수중 센서노드들 각각에 대하여 상기 클러스터의 전체 통신 주기 내에서 활성화 구간 및 비활성화 구간을 할당하도록 함으로써 효율적인 데이터 통신을 위한 스케줄링 및 시간 동기화(time synchronization)를 수행하도록 한다.
이하, 본 발명의 기술적 과제의 해결 방안을 명확화하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들이 적용되는 수중 무선 센서 네트워크 시스템의 환경을 예시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 수중 무선 센서 네트워크 시스템(100)은, 수중에서 센싱 정보를 감지하는 수중 센서노드(Underwater Sensor Node; 110), 및 상기 수중 센서노드(110)로부터 상기 센싱 정보를 수집하는 수중 싱크노드(Underwater Sink Node; 120)를 포함한다. 또한, 상기 수중 싱크노드에 의해 수집된 센싱 정보들을 외부로 연계하는 게이트웨이(130) 및 상기 게이트웨이(130)를 통해 상기 수집된 센싱 정보들을 수신하여 모니터링하는 지상 관제 서버(140)를 더 포함할 수 있다.
상기 수중 센서노드(110)는, 한 개 이상 또는 한 종류 이상의 센서를 통해 며, 수중의 온도, 용존 산소량, 지진파, 염도, 수압 등을 센싱하여 센싱 정보를 감지하고, 상기 감지된 센싱 정보를 상기 수중 싱크노드(120)로 전송한다. 이때, 상기 수중 센서노드(110) 및 상기 수중 싱크노드(120)는 음파 통신을 통해 데이터를 상호 송수신한다.
상기 수중 싱크노드(120)는, 다수의 수중 센서노드(110)들로부터 상기 감지된 센싱 정보를 수집하고, 상기 수집된 센싱 정보를 상기 게이트웨이(130)로 전송한다. 이때, 상기 수중 싱크노드(120) 및 상기 게이트웨이(130)는 음파 통신을 통해 데이터를 상호 송수신한다. 이와 같이, 다수의 수중 센서노드(110)와 하나의 수중 싱크노드(120)는 센싱 정보를 수집하기 위한 하나의 클러스터(122)를 한다. 또한, 이러한 클러스터(122)들이 모여서 수중 무선 센서 네트워크를 구성한다. 이와 같은 측면에서 상기 수중 싱크노드(120)를 “클러스터 헤드”로 명할 수 있다.
상기 게이트웨이(130)는, 상기 수중 싱크노드(120)로부터 상기 수집된 센싱 정보를 수신하여 지상 관제 서버로 전송한다. 이때, 상기 게이트웨이(130) 및 상기 지상 관제 서버(140)는 무선 전파 통신, 예컨대 CDMA망을 통해 상호 데이터를 송수신한다. 이를 위해, 상기 게이트웨이(130)는 수면상에 위치할 수 있다. 또한, 일 실시예에 있어서, 상기 게이트웨이(130)는 GPS 장치를 포함하여 상기 지상 관제 서버(140)로 데이터를 전송할 때 자신의 위치를 알릴 수 있다.
상기 지상 관제 서버(140)는, 상기 게이트웨이(130)로부터 상기 수집된 센싱 정보들을 수신하여 수중 환경에 대한 모니터링을 수행한다.
앞서 언급한 바와 같이, 수중 환경에서는 통신 수행 시 전달 지연시간이 크기 때문에 수중 무선 센서 네트워크를 구성하는 장치들 간에 시간 동기화(time synchronization) 및 스케줄링을 수행하여 통신 에너지 소비를 감소시켜야 할 필요성 역시 매우 크다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 무선 센서 네트워크에서의 스케줄링 장치를 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 장치를 이용한 시간 동기화 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 스케줄링 장치(또는 시간 동기화 장치가 될 수 있다.)(200)는, 음파 통신부(210), 클러스터링부(220), 비활성화 구간 할당부(230) 및 저장부(240)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 스케줄링 장치(200)는, 상기 수중 싱크노드(120)에 구비될 수 있다.
상기 음파 통신부(210)는, 상기 수중 센서노드(110)와 방향성(directivity) 있는 음파(acoustic wave)를 통해 통신을 수행한다. 이를 위해, 상기 음파 통신부(210)는, 복수의 초음파 센서 및 초음파 송수신 모뎀을 포함할 수 있다.
상기 클러스터링부(220)는, 상기 음파 통신부(210)를 통해 미리 결정된 복수의 방향으로 동기화 요청 메시지를 순차적으로 전송하고, 상기 동기화 요청 메시지에 대응하여 응답 메시지를 회신한 수중 센서노드들의 응답 시간을 고려하여 단계적 레벨(level)의 클러스터(cluster)를 구성한다.
상기 비활성화 구간 할당부(230)는, 상기 단계적 레벨의 클러스터를 통해 상기 수중 싱크노드(120)가 센싱 정보를 수집하는 전체 음파 통신 주기 내에서, 상기 클러스터를 구성하는 각각의 수중 센서노드에 대하여 각각의 레벨별로 통신을 수행하지 않는 비활성화(sleep) 구간을 할당한다.
더욱 구체적으로 설명하면, 우선 상기 클러스터링부(220)는, 상기 음파 통신부(210)를 통해 센싱 정보를 얻고자 하는 미리 결정된 복수의 방향 중 일 방향으로 상기 동기화 요청 메시지를 전송한다(S310). 신호를 브로드캐스팅(broadcasting)하는 지상의 무선 전파 통신과는 달리, 수중의 음파 통신에서 초음파 등을 사용하는 경우 신호를 전 방향(omni-directional)으로 방사하지 않기 때문에, 상기 미리 결정된 방향들로 신호를 전송하도록 방향성 있는 음파를 발생시키는 초음파 센서를 배치하거나 다수의 초음파 센서를 배치하고 방향성 제어 모듈을 통해 통신 방향을 제어할 수 있다.
그 다음, 상기 클러스터링부(220)는, 상기 수중 싱크노드(120)의 통신 거리, 통신 성공률, 에러율 등을 고려하여 미리 결정된 예상 응답 시간 내에 상기 응답 메시지를 수신하지 못하는 경우(S320), 상기 음파 통신부(210)를 통해 상기 일 방향으로 상기 동기화 요청 메시지를 재전송한다. 이때, 상기 클러스터링부(220)부는, 미리 결정된 재전송 횟수만큼 상기 동기화 요청 메시지를 재전송할 수 있다(S330). 상기 재전송 횟수의 임계값은 상기 수중 싱크노드(120)의 에너지 효율성을 고려하여 결정될 수 있으며, 또한 상기 미리 결정된 복수의 방향 각각에 대하여 센싱 정보를 확보할 필요성의 정도를 고려하여 다르게 결정될 수도 있다. 또한, 상기 클러스터링부(220)는, 상기 미리 결정된 재전송 횟수만큼 상기 동기화 요청 메시지를 재전송하는 동안 상기 예상 응답 시간 내에 상기 응답 메시지를 수신하지 못하는 경우(S330), 상기 음파 통신부(210)를 통해 상기 복수의 방향 중 타 방향으로 상기 동기화 요청 메시지를 전송할 수 있다.
반면, 상기 클러스터링부(220)가, 상기 예상 응답 시간 내에 상기 일 방향 측에 위치하는 수중 센서노드(110)로부터 응답 메시지를 수신하는 경우, 상기 응답 메시지를 송신한 상기 수중 센서노드(110)를 상기 클러스터를 구성하는 수중 센서노드로 등록한다(S350). 이때, 상기 클러스터링부(220)는, 상기 응답 메시지에 포함된 상기 수중 센서노드(110)의 ID를 상기 저장부(240)에 기록하여 상기 수중 센서노드(110)를 등록할 수 있다.
특히, 이러한 단계적 레벨의 클러스터는, 수중 싱크노드(120)가 동기화 요청 메시지를 전송한 전송 시각으로부터 상기 수중 센서노드(110)로부터 응답 메시지를 수신한 수신 시각까지의 시간 간격인 '전달 시간'에 기초하여 각각의 수중 센서노드들(110)의 레벨을 단계적으로 분류함으로써 구성된다. 따라서, 상기 단계적 레벨의 클러스터는, 상기 수중 센서노드들(110)이 상기 동기화 요청 메시지를 수신하는 시각의 유사성에 따라 유사한 레벨을 형성하게 된다.
한편, 상기 비활성화 구간 할당부(230)는, 상기 등록된 수중 센서노드(110) 각각에 대하여 상기 동기화 메시지의 전송 시각 및 상기 응답 메시지의 수신 시각을 체크하여 상기 동기화 요청 메시지를 전송한 시각에서 상기 응답 메시지를 수신한 시각까지의 시간인 전달 시간(propagation time)을 상기 저장부(240)에 기록한다(S360). 이를 위해, 상기 비활성화 구간 할당부(230)는, 상기 수중 싱크노드(120)의 MCU(MicroController Unit)에 내장된 타이머를 사용할 수 있다. 즉, 상기 타이머는 외부에서 공급되는 크리스털 클록의 수를 측정하여 시간을 계산할 수 있으며, 상기 비활성화 구간 할당부(230)는 상기 동기화 요청 메시지의 전송 시 상기 타이머를 동작시켜 수중 센서노드로부터 응답 메시지가 수신될 때까지의 시간을 측정하여 상기 저장부(240)에 기록할 수 있다.
결과적으로, 상기 비활성화 구간 할당부(230)는, 상기 클러스터링부(220)를 통해 판별된 레벨별로 비활성화 구간을 할당함으로써 상기 동기화 요청 메시지의 수신 시각이 유사한 수중 센서노드들로 구성된 클러스터별로 비활성(sleep) 구간으로부터 활성(wakeup) 구간으로 전환하는 스케줄링을 수행한다.
즉, 상기 비활성화 구간 할당부(230)는, 상기 각각의 수중 센서노드(110)에 대한 상기 전달 시간을 통해 상기 각각의 수중 센서노드의 활성화(wakeup) 유지 시간을 단계적 레벨별로 결정하고, 상기 결정된 활성화 유지 시간을 이용하여 상기 전체 음파 통신 주기 내에서 상기 각각의 수중 센서노드의 활성화 구간 및 비활성화 구간을 할당한다.
상기 클러스터링부(220) 및 상기 비활성화 구간 할당부(230)는, 상기 미리 결정된 복수의 방향 중 센싱 정보를 얻고자하는 타 방향이 아직 존재하는 경우(S370), 상기 과정(S310 내지 S360)을 반복한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 무선 센서 네트워크에서의 스케줄링 기술에 의거하여 단계적 레벨별로 클러스터를 구축한 상황을 예시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 스케줄링 장치(200)를 구비하는 수중 싱크노드(120)는, 전·후·좌·우·상·하 등 다양한 방향(이러한 방향은 필요에 따라 유연하게 가감될 수 있다.)으로 음파 통신을 수행하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 스케줄링 장치(200)의 상기 클러스터링부(220)는, 다양한 방향으로 초음파 센서를 이용하여 한 방향씩 순차적으로 상기 동기화 메시지를 전송할 수 있다. 이때, 상기 수중 싱크노드(120)의 주변에 배치된 수중 센서노드들은 아직 클러스터가 구성되기 전이기 때문에 상기 수중 싱크노드(120) 측으로부터 동기화 요청 메시지가 수신되기를 기다린다(Listen Period). 상기 동기화 요청 메시지를 받은 수중 센서노드는 상기 수중 싱크노드(120) 측으로 응답 메시지를 전송하여 자신의 존재를 알린다. 상기 클러스터링부(220)는, 상기 동기화 메시지에 대하여 응답 메시지를 송신한 수중 센서노드들로부터 각각의 레벨별로 클러스터를 구성한다. 이 때, 각각의 레벨이 요청 또는 응답 메시지의 전달 시간에 따라 결정될 수 있음을 이미 설명한바 있으며, 도 4에는 레벨 1 내지 레벨 3으로 단계적으로 레벨이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 장치를 이용하여 수중 무선 센서 네트워크에서 스케줄링을 수행하는 과정을 구체적으로 도시한 흐름도이다.
S510 단계에서, 수중 싱크노드가 구비하는 스케줄링 장치(200)는 방향성 있는 음파를 이용하여 동기화 요청 메시지를 전송한다. 그런 다음, S520 단계에서는 미리 설정된 'ξ' 시간만큼이 경과하였는지 여부를 검사한다. 검사 결과, 해당 시간만큼 대기한 후, 'ξ' 시간이 경과하면, S530 단계로 진행한다. S530 단계에서, 수중 싱크노드에 구비된 스케줄링 장치(200)는 수중 센서노드로부터 응답 메시지를 수신하였는지 여부를 검사한 후, 응답 메시지가 수신된 경우에 한해, S540 단계로 진행한다.
S540 단계에서는 응답 메시지를 송신한 수중 센서 노드에 대하여 시간 'ξ'에 따라 레벨을 기록한다. 또한, S550 단계를 통해 센싱 메시지를 수신하고자 하는 다른 수중 센서노드가 존재하는지, 즉 다른 레벨이 존재하는지 여부에 따라 이상의 과정(S520 내지 S540)을 반복적으로 수행하게 된다. 이 경우, 시간 'ξ'의 경과 횟수에 따라 해당 수중 센서노드에 대한 레벨이 결정될 수 있을 것이다. 예를 들어, 1 회의 'ξ' 시간이 경과한 후에 응답 메시지를 수신하였다면 '레벨 1'이 부여(즉, 클러스터 1로 분류됨을 의미한다.)되고, 2 회의 'ξ' 시간이 경과한 후에 응답 메시지를 수신하였다면 '레벨 2'가 부여(즉, 클러스터 2로 분류됨을 의미한다.)되며, 3 회의 'ξ' 시간이 경과한 후에 응답 메시지를 수신하였다면 '레벨 3'이 부여(즉, 클러스터 3으로 분류됨을 의미한다.)될 수 있을 것이다.
S560 단계에서는 전달 시간을 고려하여 등록된 수중 센서노드의 유지시간이 설정되며, S570 단계를 통해 등록된 수중 센서노드의 레벨 단위로 활성화 및 비활성화 구간을 할당하는 메시지를 전송하여 스케줄링을 수행한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 무선 센서 네트워크에서의 스케줄링 기술에 따라 단계적 레벨별로 메시지의 전달 시간에 차이가 존재함을 예시한 도면으로서, 레벨 1은 레벨 2에 비해 수중 싱크노드로부터 수중 센서노드까지의 거리가 가까우며, 레벨 2는 레벨 3에 비해 수중 싱크노드로부터 수중 센서노드까지의 거리가 가깝다고 가정하자. 즉, 별다른 환경 상의 차이가 없는 한, 수중 싱크노드로부터 전송된 동기화 요청 메시지가 도착하는데 소요되는 시간은 레벨 1이 가장 작으며, 레벨 3이 가장 크게 될 것이다.
도 6에는 수중 싱크노드로부터 각각의 레벨별로 동기화 요청 메시지가 도착하는 과정을 시간 순서에 따라 타임 테이블 상에 표기하였다. 앞서 가정한 바와 같이 레벨 1의 클러스터에 포함되는 수중 센서노드에 도착하는 요청 메시지가 레벨 3의 클러스터의 경우에 비해 상대적으로 빨리 도착하는 것을 확인할 수 있으며, 도 5를 통해 설명한 바와 같이 각각의 레벨을 구분하는 구간 또는 기준은 시간 'ξ'가 됨을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 음파 통신부는, 수중 센서노드들에게 미리 설정된 주기 T 동안 각각의 레벨에서 2 회씩 비활성 구간으로부터 활성 구간으로 전환하는 메시지를 전송함으로써 스케줄링의 효율을 향상시키고 있다. 각 레벨에서의 2 회의 활성화(wakeup) 시간 설정으로 인해, 나머지 기간 동안은 대기 모드로 전환되게 되어 전력 소모를 크게 감소시킬 수 있다. 활성화 시간의 설정은 주기 T 내에서 각 레벨별로 'ξ' 시간만큼 차이가 발생하도록 설정하도록 한다. 이러한 시간 'ξ'는 기본적으로 각 레벨의 개수와 주기 시간의 차이에 따라 달라질 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 스케줄링 장치는, 수중 싱크노드의 MCU(MicroController Unit)에 해당하는 마이크로프로세서상에 시스템 온 칩(system on chip) 기술로 구현할 수 있다. 본 발명을 마이크로프로세서로 구현하면 각종 시스템의 크기를 줄일 수 있고, 조립 과정을 단순화시킬 수 있으며, 제조 비용을 절감할 수 있는 등의 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 판독할 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 프로그램 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 본 발명이 소프트웨어를 통해 실행될 때, 본 발명의 구성 수단들은 필요한 작업을 실행하는 코드 세그먼트들이다. 또한, 프로그램 또는 코드 세그먼트들은 컴퓨터의 프로세서 판독가능 매체에 저장되거나 전송 매체 또는 통신망을 통해 반송파와 결합된 컴퓨터 데이터 신호로 전송될 수 있다.
컴퓨터 판독가능 기록매체에는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터를 저장하는 모든 종류의 기록장치가 포함된다. 예컨대, 컴퓨터 판독가능 기록매체에는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 포함될 수 있다. 또한, 컴퓨터 판독가능 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 코드를 분산방식으로 저장하고 실행되도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 다수의 수중 센서노드와 하나의 수중 싱크노드 간에 수중 통신 환경의 특성을 고려한 통신 스케줄링을 수행함으로써 수중 센서노드의 에너지 효율을 개선하고 수명을 증가시키는 장점이 있고, 시간 동기화 과정을 반복 수행함으로써 수중 무선 센서 네트워크의 지속적이고 적응적인 유지 및 관리를 가능하게 하는 이점을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 설정된 주기 동안 2 번씩 활성화 메시지를 전송함으로써 싱크노드와 각 레벨간 한 번 씩 활성화 메시지를 전송하는 경우보다 동기화 과정에 소요되는 시간이 절반으로 감소되는 효과가 나타난다. 즉, 하나의 주기 내에서 활성화 메시지를 두 번 전송하므로 인해 데이터를 전송하는데 소모되는 시간 지연을 감소시키고, 여타의 잔여 시간은 대기함으로써 전력 소모를 최소화할 수 있다.
지금까지 본 발명에 대해 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 본질적인 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위에서 본 발명이 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 범위는 첨부된 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 수중 센서노드 120 : 수중 싱크노드
130 : 게이트웨이 140 : 서버
200 : 스케줄링 장치
210 : 음파 통신부 220 : 클러스터링부
230 : 비활성화구간 할당부 240 : 저장부
130 : 게이트웨이 140 : 서버
200 : 스케줄링 장치
210 : 음파 통신부 220 : 클러스터링부
230 : 비활성화구간 할당부 240 : 저장부
Claims (12)
- 수중에서 센싱 정보를 감지하는 수중 센서노드(underwater sensor node), 및 상기 수중 센서노드로부터 상기 센싱 정보를 수집하는 수중 싱크노드(underwater sink node)를 포함하는 수중 무선 센서 네트워크(underwater wireless sensor network)에서 스케줄링(scheduling)을 수행하는 장치에 있어서,
상기 장치는, 상기 수중 싱크노드에 구비되고,
상기 수중 센서노드와 방향성(directivity) 있는 음파(acoustic wave)를 통해 통신을 수행하는 음파 통신부;
상기 음파 통신부를 통해 미리 결정된 복수의 방향으로 상기 방향성 있는 음파를 이용하여 동기화 요청 메시지를 순차적으로 전송하고, 상기 동기화 요청 메시지에 대응하여 응답 메시지를 회신한 수중 센서노드들의 응답 시간을 고려하여 단계적 레벨(level)의 클러스터(cluster)를 구성하는 클러스터링부; 및
상기 단계적 레벨의 클러스터를 통해 상기 수중 싱크노드가 센싱 정보를 수집하는 전체 음파 통신 주기 내에서, 상기 클러스터를 구성하는 각각의 수중 센서노드에 대하여 각각의 레벨별로 비활성화(sleep) 구간을 할당하는 비활성화 구간 할당부를 포함하되,
상기 단계적 레벨의 클러스터는, 상기 수중 싱크노드가 동기화 요청 메시지를 전송한 전송 시각으로부터 상기 수중 센서노드로부터 응답 메시지를 수신한 수신 시각까지의 시간 간격인 전달 시간(propagation time)에 기초하여 각각의 수중 센서노드들의 레벨을 단계적으로 분류함으로써 상기 수중 센서노드들이 상기 동기화 요청 메시지를 수신하는 시각의 유사성에 따라 유사한 레벨을 형성하고,
상기 비활성화 구간 할당부는, 상기 각각의 수중 센서노드에 대한 상기 전달 시간에 기초하여 상기 각각의 수중 센서노드의 활성화(wakeup) 유지 시간을 단계적 레벨별로 결정하고, 상기 결정된 활성화 유지 시간을 이용하여 상기 전체 음파 통신 주기 내에서 상기 레벨별로 비활성화 구간을 할당함으로써 상기 동기화 요청 메시지의 수신 시각이 유사한 수중 센서노드들로 구성된 클러스터별로 비활성(sleep) 구간으로부터 활성(wakeup) 구간으로 전환하는 스케줄링을 수행하는 것을 특징으로 하는 장치. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 클러스터링부는, 상기 음파 통신부를 통해 상기 복수의 방향 중 일 방향으로 상기 동기화 요청 메시지를 전송한 후 예상 응답 시간 내에 상기 응답 메시지를 수신하지 못하는 경우, 상기 음파 통신부를 통해 상기 일 방향으로 상기 동기화 요청 메시지를 재전송하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 클러스터링부는, 상기 예상 응답 시간 내에 상기 응답 메시지를 수신하지 못하는 경우, 미리 결정된 재전송 횟수만큼 상기 동기화 요청 메시지를 재전송하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 클러스터링부는, 상기 미리 결정된 재전송 횟수만큼 상기 동기화 요청 메시지를 재전송하는 동안 상기 예상 응답 시간 내에 상기 응답 메시지를 수신하지 못하는 경우, 상기 음파 통신부를 통해 상기 복수의 방향 중 타 방향으로 상기 동기화 요청 메시지를 전송하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 클러스터링부는, 상기 음파 통신부를 통해 상기 복수의 방향 중 일 방향으로 상기 동기화 요청 메시지를 전송한 후 단계별 예상 응답 시간 내에 상기 응답 메시지를 수신한 경우, 상기 수중 싱크노드가 상기 응답 메시지를 송신한 수중 센서노드를 상기 단계별 레벨의 클러스터를 구성하는 수중 센서노드로 등록하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 비활성화 구간 할당부는, 상기 클러스터를 구성하는 상기 각각의 수중 센서노드에 대하여 상기 동기화 요청 메시지를 전송한 시각에서 상기 응답 메시지를 수신한 시각까지의 시간인 전달 시간(propagation time)을 기록하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 비활성화 구간 할당부는, 상기 결정된 활성화 유지 시간을 이용하여 상기 전체 음파 통신 주기 내에서 상기 각각의 수중 센서노드의 활성화 구간 및 비활성화 구간을 할당하되, 상기 할당된 활성화 구간 및 비활성화 구간 정보를 포함하는 활성화 및 비활성화 구간 할당 메시지를 상기 음파 통신부를 통해 상기 각각의 수중 센서노드로 전송하는 것을 특징으로 하는 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 시간 동기화 장치는, 미리 결정된 주기에 따라 상기 클러스터링부 및 상기 비활성화 구간 할당부의 동작을 반복하도록 하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 음파 통신부는, 상기 수중 센서노드들에게 소정 주기 동안 각각 2 회씩 비활성 구간으로부터 활성 구간으로 전환하는 메시지를 전송하는 것을 특징으로 하는 장치.
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| KR1020110127161A KR101328455B1 (ko) | 2011-11-30 | 2011-11-30 | 수중 무선 센서 네트워크에서의 스케줄링 장치 및 방법 |
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| KR20130060870A (ko) | 2013-06-10 |
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