KR101378496B1

KR101378496B1 - 무선 센서 네트워크 노드 및 데이터 전송 방법

Info

Publication number: KR101378496B1
Application number: KR1020120113194A
Authority: KR
Inventors: 추현승; 최준성; 명성호; 이태우
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2014-03-28

Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방법에 있어서, (a) 데이터 전송 노드가 각 이웃 노드 및 전송할 패킷의 목적지 노드의 위치, 상기 각 이웃 노드의 수면 지연 시간(sleep latency), 및 상기 각 이웃 노드와의 패킷 송수신 성공 확률(packet reception rate)을 포함하는 정보를 수집하는 단계; (b) 상기 데이터 전송 노드가 상기 각 이웃 노드 및 목적지 노드의 위치에 기초하여, 상기 각 이웃 노드의 거리 점수를 산출하는 단계; (c) 상기 데이터 전송 노드가 상기 수면 지연 시간에 기초하여, 상기 각 이웃 노드의 예상 전송 지연 점수를 산출하는 단계; (d) 상기 데이터 전송 노드가 상기 거리 점수 및 상기 패킷 송수신 성공 확률에 기초하여, 상기 각 이웃 노드의 링크 퀄리티-거리 점수를 산출하는 단계; (e) 상기 데이터 전송 노드가 상기 산출된 예상 전송 지연 점수 및 링크 퀄리티-거리 점수에 기초하여, 상기 각 이웃 노드의 포워딩 적합성 점수를 산출하는 단계; (f) 상기 데이터 전송 노드가 상기 포워딩 적합성 점수가 가장 높은 이웃 노드로 상기 패킷을 전송하는 단계;를 포함하는 데이터 전송 방법을 제공한다.

Description

무선 센서 네트워크 노드 및 데이터 전송 방법{WIRELESS SENSOR NETWORK NODE AND METHOD FOR TRANSFERRING DATA THEREOF}

본 발명은 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방법에 관한 것이다.

최근 무선 센서 네트워크(wireless sensor network)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 재해 현장이나 전쟁터 등 다양한 활용처를 갖고 있기 때문이다.

그러나 무선 센서 네트워크의 각 노드는 한정된 자원을 가지고 있기 때문에 운영에 어려움이 있다. 특히 용량 및 재충전에 제약이 있는 배터리에 의존하여 에너지를 공급받는 경우가 많기 때문에 에너지 소비를 최대한으로 줄이기 위한 노력이 필요하다. 한정된 에너지를 최대한 오랫동안 사용해야 할 필요는 많은 무선 센서 네트워크 노드가 로우 듀티 사이클(low duty cycle) 환경에서 동작하는 이유이다.

또한, 일반적으로 무선 센서 네트워크는 각 노드가 이동하거나 새로운 노드가 추가되고 기존 노드가 빠지는 경우가 많기 때문에 토폴로지(topology)가 자주 바뀌는 애드 혹 네트워크(ad hoc network)이다. 토폴로지가 자주 바뀌더라도 패킷을 성공적으로 전달할 수 있는 경로 설정(라우팅: routing) 방법이 필요하다.

따라서 각 노드의 한정된 자원만으로도 효율적이면서 신뢰도가 높은 데이터 전송 방법을 제공하기 위한 연구가 많이 있어왔다. 대표적인 것이 위치 기반 라우팅 방법이며, 그중에서도 패킷의 소스 노드와 목적지 노드 사이에 있는 각 노드가 자신의 이웃 노드 중에서 목적지 노드에 가장 가까운 노드로 패킷을 포워딩하는 그리디 포워딩(greedy forwarding)이 주목을 받아왔으며, 이를 좀더 개선하기 위한 방법들이 많이 제안되었다.

특히, 목적지 노드까지의 거리 뿐만 아니라, 링크 퀄리티(link quality)까지 고려하는 방법이 에너지 효율적이면서도 신뢰성과 성능이 좋은 방법으로 인정받고 있다. 그러나 이 방법은 각 노드가 로우 듀티 사이클 환경에서 동작하는 데 따른 수면 지연성(sleep latency)은 고려하지 않기 때문에, 높은 전송 대기로 인해 패킷 전송 지연이 길고 많은 에너지를 소모하는 문제가 있다.

무선 센서 네트워크와 관련하여 한국등록특허 제10-0927536호("위치 정보 기반 라우팅 방법 및 시스템")에는 그리디 포워딩시 정보를 수집하는 구성이 개시되어 있다.

또한, 한국공개특허 제10-2009-0061559호("센서 네트워크에서 노드의 이동성을 지원하는 방법")는 노드가 이동하였을 때 주소를 갱신하는 구성이 개시되어 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 에너지 소비가 낮으면서도 패킷 전송율 및 패킷 전송 속도가 높은 무선 센서 네트워크 노드 및 데이터 전송 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 측면에 따른 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방법은 (a) 데이터 전송 노드가 각 이웃 노드 및 전송할 패킷의 목적지 노드의 위치, 상기 각 이웃 노드의 수면 지연 시간(sleep latency), 및 상기 각 이웃 노드와의 패킷 송수신 성공 확률(packet reception rate)을 포함하는 정보를 수집하는 단계; (b) 상기 데이터 전송 노드가 상기 각 이웃 노드 및 목적지 노드의 위치에 기초하여, 상기 각 이웃 노드의 거리 점수를 산출하는 단계; (c) 상기 데이터 전송 노드가 상기 수면 지연 시간에 기초하여, 상기 각 이웃 노드의 예상 전송 지연 점수를 산출하는 단계; (d) 상기 데이터 전송 노드가 상기 거리 점수 및 상기 패킷 송수신 성공 확률에 기초하여, 상기 각 이웃 노드의 링크 퀄리티-거리 점수를 산출하는 단계; (e) 상기 데이터 전송 노드가 상기 산출된 예상 전송 지연 점수 및 링크 퀄리티-거리 점수에 기초하여, 상기 각 이웃 노드의 포워딩 적합성 점수를 산출하는 단계; (f) 상기 데이터 전송 노드가 상기 포워딩 적합성 점수가 가장 높은 이웃 노드로 상기 패킷을 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 측면에 따른 무선 센서 네트워크를 구성하는 노드(node)는 상기 노드 및 다른 노드의 위치를 파악하는 위치 파악부; 상기 노드가 주기적으로 수면 상태와 활성화 상태에 번갈아 진입하도록 하는 에너지 관리부; 이웃 노드와 패킷을 송수신하는 네트워크 인터페이스; 및 상기 위치 파악부, 에너지 관리부, 및 네트워크 인터페이스를 활용하여 각 이웃 노드 및 패킷을 전송할 목적지 노드의 위치, 상기 각 이웃 노드의 수면 지연 시간(sleep latency), 및 상기 각 이웃 노드와의 패킷 송수신 성공 확률(packet reception rate)을 포함하는 정보를 수집하고, 상기 수집된 정보에 기초하여 상기 패킷을 전송할 이웃 노드를 선정하는 라우팅 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 무선 센서 네트워크 노드에서의 데이터 전송 방법에 있어, 효율적으로 패킷의 경로를 설정하는 효과를 얻는다.

구체적으로 본 발명은 에너지 효율적이면서도 패킷 전송 성공 확률이 높고 패킷 전송 속도가 빠른 데이터 전송 방법을 제공한다.

이는 각 노드가 이웃 노드의 수면 지연성을 링크 퀄리티 및 목적지 노드까지의 거리와 함께 고려하여 패킷을 전송할 다음 노드를 선택한다는 본 발명의 특징에 따라 얻게되는 장점이다.

특히 무선 센서 네트워크의 각 노드가 로우 듀티 사이클(low duty cycle) 환경에서 동작하더라도 패킷 전송 지연이 길지 않아 패킷 전송 성능을 높일 수 있다. 또한 링크 퀄리티와 목적지 노드까지의 거리를 고려하여 패킷을 전송하므로 패킷 전송율이 높으면서도 짧은 경로로 패킷을 전송할 수 있어 패킷 전송 성능을 높일 수 있다. 부가적으로, 패킷의 손실에 따른 재전송을 줄일 수 있으므로 각 노드의 에너지 소비를 더욱 줄일 수 있다. 에너지 소비를 줄일 수 있으므로 노드의 수명을 늘릴 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 노드를 도시함.
도 2는 듀티 사이클의 실시예를 도시함.
도 3은 링크 퀄리티 및 거리를 비교하는 실시예를 도시함.
도 4는 수면 지연성에 따른 예상 전송 지연을 비교하는 실시예를 도시함.
도 5는 노드 수에 따른 데이터 전송율을 비교한 실시예를 도시함.
도 6은 듀티 사이클에 데이터 전송율을 비교한 실시예를 도시함.
도 7은 노드 수에 따른 패킷 전송 지연을 비교한 실시예를 도시함.
도 8은 듀티 사이클에 패킷 전송 지연을 비교한 실시예를 도시함.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 방법의 흐름을 도시하고 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 노드를 도시하고 있다.

무선 센서 네트워크(1)는 하나 이상의 노드(10)로 구성된다. 본 발명의 일실시예에 따른 노드(10)는 위치 파악부(100), 에너지 관리부(200), 네트워크 인터페이스(300), 및 라우팅 제어부(400)를 포함한다. 도시되어 있지 않지만 노드(10)는 또한 다른 구성 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 노드(10)가 하나 이상의 센서를 포함할 것임은 당업자에게 자명할 것이다.

위치 파악부(100)는 노드(10)의 위치를 파악하도록 구성되고, 에너지 관리부(200)는 노드(10)가 주기적으로 수면 상태와 활성화 상태에 번갈아 진입하도록 하며, 네트워크 인터페이스(300)는 노드(10)가 패킷을 송수신하도록 구성된다.

노드(10)는 위치 파악부(100)를 통해 자기 자신의 위치 뿐 아니라 이웃 노드들의 위치, 및 패킷이 전달될 목적지 노드의 위치를 파악한다. 위치 파악부(100)가 노드(10)와 다른 노드의 위치를 파악하는 방법에는 제한이 없다. 예를 들어, 위치 파악부(100)는 GPS를 사용하여 노드(10)의 위치를 파악할 수 있다. 또는 위치 파악부(100)는 네트워크 인터페이스(300)를 활용하여 패킷을 송수신함으로써 다른 노드의 위치를 수집하고 노드(10)의 위치를 다른 노드에 알릴 수 있다.

본 발명의 일실시예에서 이웃 노드는 노드(10)와 한 홉(hop) 떨어져 있는 노드이다. 즉, 노드(10)와 직접적으로 패킷을 송수신하는 노드이다. 홉은 두개의 노드 간 패킷을 전송하기 위해 몇개의 노드를 거쳐야 하는가를 나타내는 용어로, 두 노드가 직접 패킷을 주고받을 수 있다면 한 홉 떨어져 있다고 하고, 다른 노드를 하나 더 거쳐서 주고받아야 한다면 두 홉 떨어져 있다고 한다.

예를 들어, 노드 A, B, C, D, E로 구성된 무선 센서 네트워크에서, 노드 A는 노드 B, 노드 C와는 직접 패킷을 송수신하지만, 노드 D와는 노드 B 또는 노드 C를 거쳐 패킷을 주고받는다면, 노드 A와 노드 B, 노드 A와 노드 C, 노드 B와 노드 D, 노드 B와 노드 D는 한 홉 떨어져 있고, 노드 B와 노드 C는 노드 A의 이웃 노드이다. 그러나 노드 D는 노드 A와 두 홉 떨어져 있기 때문에 노드 A의 이웃 노드가 아니다. 또한 노드 E가 노드 D의 이웃이지만 노드 B 또는 노드 C와는 이웃이 아니라면, 노드 E는 노드 A와 세 홉 떨어져 있는 것이고 또한 노드 A의 이웃 노드가 아니다.

홉이 두 노드간 물리적인 거리를 나타내지는 않는다. 예를 들어, 노드 B와 노드 C는 모두 노드 A의 이웃 노드이지만, 노드 B가 노드 A와 떨어져 있는 거리와 노드 C가 노드 A와 떨어져 있는 거리는 동일하지 않을 수 있다.

노드 A에서 노드 E로 패킷을 전송하려고 한다면, 노드 A는 소스 노드(source node), 노드 E는 목적지 노드(destination node)라고 불리게 된다. 또한 소스 노드와 목적지 노드 사이에 위치하고 있는 노드들은 중간 노드(intermediate node)라고 불린다.

본 예제에서 노드 A에서 노드 E로 패킷을 전송할 수 있는 경로는 두가지이다. 노드 A에서 노드 B, 노드 D를 거쳐 노드 E로 전송하거나, 노드 A에서 노드 C, 노드 D를 거쳐 노드 E로 전송할 수 있다.

따라서 노드 A는 노드 B와 노드 C 중 패킷을 포워딩하기에 더 적합한 노드를 선택하여 해당 노드로 패킷을 전송한다. 이는 소스 노드와 목적지 노드 사이에 있는 노드인 노드 B나 노드 C도 마찬가지이다.

이렇게 데이터를 전송하려는 노드(이하 데이터 전송 노드) 각자가 라우터의 역할을 수행하기 때문에 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 방법은 라우터를 따로 둘 필요가 없다. 또한 각 노드가 경로를 설정할 때도 자신의 이웃 노드들 중 하나를 선택하기만 하면 되는 지역적인 데이터 전송 방법을 사용하므로, 각 노드의 경로 설정 부하도 상대적으로 낮다. 전체 토폴로지를 고려하지 않아도 되기 때문이다.

이는 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 방법이 그리디 포워딩(greedy forwarding)에 기반하기 때문에 얻을 수 있는 효과이다. 그리디 포워딩 기법에서 소스 노드 또는 패킷을 포워딩받은 중간 노드, 즉 데이터 전송 노드는 자신의 이웃 노드 중 목적지 노드에 가장 가까운 노드를 패킷을 포워딩하기에 가장 적합한 노드로 선정하고 해당 노드로 패킷을 전송한다.

예를 들어, 전술한 예제에서 노드 A는 이웃 노드인 노드 B와 노드 C 중에서 노드 B보다는 노드 C가 목적지 노드인 노드 E와 가깝기 때문에 노드 C로 패킷을 전송할 수 있다.

그러나 전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 방법은 그리디 포워딩에 기반하지만, 패킷을 포워딩하기에 좀더 적합한 노드를 선정하기 위해 목적지 노드까지의 거리 이외 다른 정보를 더 고려하기 때문에 좀더 최적의 경로를 설정해나갈 수 있다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따른 노드(10)의 라우팅 제어부(400)는 위치 파악부(100), 에너지 관리부(200), 네트워크 인터페이스(300)를 활용하여 각 이웃 노드 및 패킷을 전송할 목적지 노드의 위치, 각 이웃 노드의 수면 지연 시간(sleep latency), 및 각 이웃 노드와의 패킷 송수신 성공 확률(packet reception rate)을 포함하는 정보를 수집하고, 수집된 정보에 기초하여 패킷을 전송할 이웃 노드를 선정한다. 구체적인 내용은 후술한다.

도 2는 듀티 사이클의 실시예를 도시하고 있다.

전술한 바와 같이, 무선 센서 네트워크(1)의 각 노드(10)는 한정된 에너지 자원을 절약하여 오래 지속해야 하기 때문에 로우 듀티 사이클 환경에서 동작한다. 즉, 각 노드(10)는 주기적으로 활성 상태(adtive state)와 수면 상태(dormant state)로 번갈아 천이되며, 통상적으로 수면 상태에 머무르는 기간이 더 길다. 활성 상태는 각 노드가 센싱이나 패킷 수신 대기, 패킷 송신 등 필요한 작업을 수행하는 상태이며, 수면 상태는 각 노드가 작업을 수행하지 않는 상태이다. 작업을 하지 않는 상태에 오래 머뭄으로써 에너지 소비를 줄이겠다는 것이다.

무선 센서 네트워크(1)의 각 노드(10)가 활성 상태에 있기보다 수면 상태에 더 오래 머무를 수 있는 이유는 무선 센서 네트워크의 특성상 노드간 전송되는 패킷의 수가 많지 않고 패킷의 크기 또한 크지 않기 때문이다. 패킷이 간헐적으로만 전송되므로 이를 대기하는 데 에너지를 소비하는 것은 낭비이다. 따라서 에너지 소모가 현저히 줄어드는 수면 상태에 오래 머무름으로써 무선 센서 네트워크(1)의 각 노드(10)는 전력 자원을 절약할 수 있다.

도면에 도시된 예에서는 활성 상태가 7개의 타임 슬롯(time slot)으로 구성되어 있고, 수면 상태가 9개의 타임 슬롯으로 구성되어 있다. 즉, 듀티 사이클을 이루는 기본 단위는 타임 슬롯이며, 활성 상태와 수면 상태는 타임 슬롯의 정수배(타음 슬롯의 개수)에 해당하는 기간 동안 유지된다. 활성 상태 또는 수면 상태를 구성하는 타임 슬롯의 수에는 제한이 없으며, 무선 센서 네트워크(1)의 각 노드(10)마다 다를 수 있다.

본 발명의 일실시예에서 활성 상태와 수면 상태의 주기는 고정되어 있다. 이러한 실시예에서 한 노드가 다른 노드에 의해 수면 상태에서 활성 상태로 천이되는 경우는 고려되지 않는다. 따라서 패킷을 수신할 노드가 수면 상태에 있다면 패킷을 송신하려는 노드는 해당 노드가 활성 상태로 천이할 때까지 기다리거나 패킷을 재전송해야 한다. 이에 따른 지연을 수면 지연(sleep latency)이라고 한다.

수면 지연은 패킷의 전송 지연 중에서 가장 큰 부분을 차지하지만, 종래의 데이터 전송 방법은 이를 고려하지 않아, 패킷 전송 성능이 낮아지는 문제가 있었다. 패킷 전송 지연 때문에 전송 속도가 낮아졌으며, 패킷 전송 대기 또는 재전송 때문에 에너지 소모도 많았다.

본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 방법은 이웃 노드의 수면 지연성을 고려함으로써 이러한 문제를 해결하였다. 자세한 내용을 도 3 및 도 4를 통해 설명한다.

도 3은 링크 퀄리티 및 거리를 비교하는 실시예를 도시하고 있으며, 도 4는 수면 지연성에 따른 예상 전송 지연을 비교하는 실시예를 도시하고 있다.

먼저 도 3을 살펴보자.

소스 노드 S는 이웃 노드인 노드 A와 노드 B 중에서 패킷을 포워딩하기에 가장 적합한 노드를 선정해야 한다. 기본적인 그리디 포워딩을 사용한다면, 노드 B가 노드 A보다 목적지 노드 D에 더 가깝게 위치하고 있으므로, 노드 B를 선택하는 것이 최선이다.

그러나 노드 S와 노드 A간 링크 퀄리티(link quality)가 노드 S와 노드 B간 링크 퀄리티보다 월등히 좋다면 노드 A를 선택하는 것이 나을 수도 있다. 예를 들어, 노드 S에서 노드 A로 전송한 패킷은 100%의 확률로 노드 A로 도착하지만, 노드 S에서 노드 B로 전송한 패킷은 1%만이 도착한다면, 패킷 손실로 인해 패킷이 목적지 노드 D에 도달할 확률, 즉 패킷 전송 신뢰도가 낮아진다. 노드 S에서 노드 B로 계속해서 패킷을 재전송한다고 하더라도 패킷이 노드 B를 거쳐 노드 D에 도달할 확률은 그리 높지 않다. 이러한 일이 발생하면 패킷 전송율이 높아지지 않음에도 불구하고 노드 S가 재전송에 소모하게 되는 에너지 또한 커진다는 문제가 있다.

따라서 전술한 바와 같이, 목적지 노드까지의 거리 뿐 아니라 해당 이웃 노드와의 링크 퀄리티도 함께 고려하는 방법이 제안되었다. 해당 방법은 이웃 노드까지의 패킷 송수신 성공 확률(packet reception rate)을 양방향 링크 퀄리티를 측정하는 지수로 사용한다. 예를 들어, 노드 S에서 노드 B로 전송한 패킷이 노드 B로 도착할 확률과 노드 B가 해당 패킷을 수신하였음을 알리기 위해 노드 S로 전송한 확인 패킷(ACK packet)이 노드 S에 도착할 확률의 곱을 사용하여 노드 S와 노드 B 사이 링크의 패킷 송수신 성공 확률을 산출할 수 있으며, 이를 양방향 링크 퀄리티로 사용할 수 있다.

일실시예에서 패킷 송수신 성공 확률을 산출하기 위해 각 이웃 노드에 프로빙 패킷(probing packet)을 전송할 수 있다. 예를 들어, 노드 S는 노드 B와의 링크 퀄리티를 측정하기 위해, 노드 B로 하나 이상의 프로빙 패킷을 송신하고, 이에 대해 노드 B는 노드 S로 ACK 패킷을 송신할 수 있다.

즉, 이웃 노드와의 패킷 송수신 성공 확률을 PPR이라고 하고, 프로빙 패킷이 이웃 노드에 도달될 전송율을 PRR_forwarding, 이웃 노드가 보낸 ACK 패킷에 대한 전송율을 PRR_ACK라고 한다면, PRR은 다음 수학식 1을 통해 구할 수 있다.

도 3의 실시예에서 노드 S와 노드 A 사이 링크의 패킷 송수신 성공 확률(PRR_SA)과 노드 S와 노드 B 사이 링크의 패킷 송수신 성공 확률(PRR_SB)은 모두 0.5으로 동일하다고 가정한다. 이에 따라 링크 퀄리티가 동일한데 목적지 노드까지의 거리는 노드 B쪽이 가까우므로, 노드 S는 노드 B로 패킷을 전송하는 것이 타당하다. 그러나 노드 A와 노드 B의 수면 지연성까지 고려한다면 타당하지 않은 선택일 수 있다.

이를 설명하기 위해 도 4를 살펴보자.

편의상 활성화 상태에 해당하는 타임슬롯에는 색을 칠하여 도시하였다.

노드 S는 1개의 타임슬롯 동안 활성화 상태에 있으며, 13개의 타임슬롯 동안 수면 상태에 놓여있다. 1번과 14번 타임슬롯에서 깨어나 작업을 수행한다. 노드 A는 1개의 타임슬롯 동안 활성화 상태에 있으며, 9개의 타임슬롯 동안 수면 상태에 놓여있다. 2번과 12번 타임슬롯에서 깨어나 작업을 수행한다. 노드 B는 1개의 타임슬롯 동안 활성화 상태에 있으며, 9개의 타임슬롯 동안 수면 상태에 놓여있다. 즉, 8번과 18번 타임슬롯에서 깨어나 작업을 수행한다.

도 3에 도시된 바와 같이 노드 A와 노드 B의 노드 S와의 링크의 패킷 송수신 성공 확률은 0.5이므로, 두 링크 모두 2번의 기대 전송 횟수를 갖는다. 즉, 처음 보낸 패킷은 손실되고 1번 재전송했을 때 전송이 성공적으로 이루어질 가능성이 높다.

따라서 이러한 가정을 적용하여 노드 S가 노드 A와 노드 B로 전송한 첫번째 패킷은 손실되었다고 했을 때, 재전송한 패킷을 성공적으로 수신할 수 있는 시점이 노드 A는 12번째 타임 슬롯에서이고, 노드 B는 18번째 타임슬롯에서이다. 전술한 바와 같이 활성화 상태에 있을 때만 패킷 수신이 가능하기 때문이다.

노드 S가 패킷을 전송하려고 한 시점이 첫번째 타임슬롯이었으므로, 노드 A까지의 패킷 전송에는 11개의 타임슬롯이, 노드 B까지의 패킷 전송에는 17개의 타임슬롯이 소요되었다. 즉, 노드 A로의 전송 지연이 노드 B로의 전송 지연보다 짧다.

이렇게 각 노드가 활성화 상태가 되기까지 대기하느라 지연되는 전송 지연을 수면 지연성이라고 한다. 즉, 수면 지연 시간은 패킷이 전송될 준비가 된 시점부터 상기 패킷이 성공적으로 전송되기까지의 지연 시간이며, 패킷이 전송될 이웃 노드가 수면 상태에 있을 경우 활성화 상태가 될 때까지 기다리는 시간을 포함한다.

전술한 바와 같이 수면 지연성은 전체 전송 지연 중에서 가장 큰 비중을 차지한다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 방법은 수면 지연성을 고려하여 포워딩에 가장 적합한 이웃 노드를 선정하며, 이를 통해 전술한 문제들을 해결한다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 방법은 이웃 노드의 목적지 노드까지의 거리와 이웃 노드와의 링크 퀄리티, 및 이웃 노드의 수면 지연성을 모두 고려하여, 이웃 노드 중에서 패킷을 포워딩하기에 가장 적합한 노드를 선정한다.

일실시예에서 본 발명의 일실시예에 따른 라우팅 제어부(400)는 각 이웃 노드에 대해 다음 수학식을 통해 포워딩 적합성 점수를 산출한다.

수학식 2에서 w는 포워딩 적합성 점수를 나타내며, 이 점수는 두 개 항목의 합으로 이루어져 있다. 첫번째 항목이 수면 지연성, 두번째 항목이 목적지 노드까지의 거리와 링크 퀄리티를 고려한 항목이다. 본 명세서에서는 전자를 예상 전송 지연 점수, 후자를 링크 퀄리티-거리 점수라고 부르기로 한다.

즉, 수학식에서 ED는 수면 지연성에 기초하여 산출한 이웃 노드까지의 예상되는 데이터 전송 지연을 나타낸다. 전송 지연이 낮은 이웃 노드를 선택하는 것이 적합하므로, 예상 전송 지연 점수가 ED에 반비례하는 것은 당업자에게 자명하다. 수면 지연성에 대해서는 전술하였으므로 여기서는 자세한 기술을 생략한다.

마찬가지 이유로 이웃 노드까지의 패킷 송수신 성공 확률을 나타내는 PRR에 대해서도 설명을 생략한다. AD는 목적지와 가까울수록 높은 값을 갖는 거리 점수이다. 그리디 포워딩에 기반한 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 방법은 되도록 목적지 노드에 가까이 있는 이웃 노드를 선택하려 할 것임이 자명하다. 따라서 AD가 목적지 노드와의 거리에 반비례할 것임도 당업자에게 자명하다. PRR과 AD를 곱한 값이 링크 퀄리티-거리 점수가 된다.

식에서 볼 수 있는 바와 같이, 예상 전송 지연 점수에는 수면 지연성에 기반한 가중치 를, 링크 퀄리티-거리 점수에는 링크 퀄리티와 거리를 고려한 가중치 를 곱하여 전체 포워딩 적합성 점수에서 해당 항목이 차지하는 비중을 조절할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 노드(10)의 라우팅 제어부(400)는 각 이웃 노드에 대해 이러한 포워딩 적합성 점수를 산출하고, 이 점수가 가장 높은 이웃 노드로 패킷을 포워딩한다.

이하 도 5에서 도 8을 통해 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 방법의 성능을 종래 기술과 비교한다.

도 5는 노드 수에 따른 데이터 전송율을 비교한 실시예를, 도 6은 듀티 사이클에 데이터 전송율을 비교한 실시예를, 도 7은 노드 수에 따른 패킷 전송 지연을 비교한 실시예를, 도 8은 듀티 사이클에 패킷 전송 지연을 비교한 실시예를 도시하고 있다.

이상의 도면은 기본 그리디 포워딩, 링크 퀄리티 및 거리를 고려한 그리디 포워딩을 링크 퀄리티 및 거리 뿐만 아니라 수면 지연성까지 고려한 본 발명과 비교하여, 노드 수와 듀티 사이클의 변화에 따른 패킷 전송 성능을 데이터 전송율과 패킷 전송 지연 측면에서 살펴본 그래프이다.

무선 센서 네트워크는 특성상 노드 밀도가 낮고 로우 듀티 사이클 환경에서 동작하므로, 이의 변화에 따른 패킷 전송 성능의 추이를 살펴보았다.

도 5 및 도 6을 보면 노드 수 또는 듀티 사이클에 상관없이 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 방법이 종래 기술들보다 높은 데이터 전송율을 나타냄을 알 수 있다. 또한 도 7 및 도 8을 보면 노드 수 또는 듀티 사이클에 상관없이 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 방법이 종래 기술들보다 낮은 패킷 전송 지연을 나타냄을 알 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 방법의 흐름을 도시하고 있다. 이하의 흐름은 패킷을 자신의 이웃 노드 중 하나로 전송할 각 노드에서 수행된다. 이하 이 노드를 경로 설정 노드라고 칭한다.

경로 설정 노드는 이웃 노드들과 목적지 노드의 위치, 이웃 노드들의 수면 지연 시간, 및 이웃 노드들의 패킷 송수신 성공 확률 등 이웃 노드 중에서 패킷을 포워딩할 노드를 선정하는 데 필요한 정보를 수집한다(S910). 필요한 정보를 수집하는 시점은 패킷을 전송할 이웃 노드를 선정하는 시점에 제한되지 않는다. 예를 들어, 각 노드는 주기적으로 자신과 이웃 노드의 위치를 파악할 수 있으며, 주기적으로 프로빙 패킷을 이웃 노드들에 전송하여 이웃 노드와의 링크의 퀄리티를 측정할 수 있다.

경로 설정 노드는 각 이웃 노드의 목적지 노드까지의 거리에 기초하여, 각 이웃 노드의 거리 점수를 산출한다(S920). 전술한 바와 같이, 각 이웃 노드의 거리 점수는 목적지 노드와의 거리가 짧을수록 높다.

경로 설정 노드는 각 이웃 노드의 수면 지연 시간에 기초하여, 각 이웃 노드의 예상 전송 지연 점수를 산출한다(S930). 전술한 바와 같이, 예상 전송 지연 점수는 수면 지연 시간이 길수록 낮다.

경로 설정 노드는 각 이웃 노드의 패킷 송수신 성공 확률에 기초하여, 각 이웃 노드의 링크 퀄리티-거리 점수를 산출한다(S940). 전술한 바와 같이, 이 점수는 패킷 송수신 성공 확률과 거리 점수의 곱이다.

상기 단계들(S920, S930, 및 S940)의 순서에는 제한이 없다. 또한 각 단계에서 해당 점수에는 다음 단계(S950)에서 산출할 전체 포워딩 적합성 점수에서 차지하는 비중을 조절하기 위한 가중치가 곱해질 수 있다.

경로 설정 노드는 각 이웃 노드의 예상 전송 지연 점수 및 링크 퀄리티-거리 점수에 기초하여, 각 이웃 노드의 포워딩 적합성 점수를 산출한다(S950). 포워딩 적합성 점수는 예상 전송 지연 점수 및 링크 퀄리티-거리 점수의 합이다.

경로 설정 노드는 포워딩 적합성 점수가 가장 높은 이웃 노드로 패킷을 전송한다(S960).

참고로, 본 발명의 실시예에 따른 도 1에 도시된 구성 요소들은 소프트웨어 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)와 같은 하드웨어 구성 요소를 의미하며, 소정의 역할들을 수행한다.

그렇지만 '구성 요소들'은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, 각 구성 요소는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.

따라서, 일 예로서 구성 요소는 소프트웨어 구성 요소들, 객체지향 소프트웨어 구성 요소들, 클래스 구성 요소들 및 태스크 구성 요소들과 같은 구성 요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다.

구성 요소들과 해당 구성 요소들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성 요소들로 결합되거나 추가적인 구성 요소들로 더 분리될 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 노드
100: 위치 파악부
200: 에너지 관리부
300: 네트워크 인터페이스
400: 라우팅 제어부

Claims

무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방법에 있어서,
(a) 데이터 전송 노드가 각 이웃 노드 및 전송할 패킷의 목적지 노드의 위치, 상기 각 이웃 노드의 수면 지연 시간(sleep latency), 및 상기 각 이웃 노드와의 패킷 송수신 성공 확률(packet reception rate)을 포함하는 정보를 수집하는 단계;
(b) 상기 데이터 전송 노드가 상기 각 이웃 노드 및 목적지 노드의 위치에 기초하여, 상기 각 이웃 노드의 거리 점수를 산출하는 단계;
(c) 상기 데이터 전송 노드가 상기 수면 지연 시간에 기초하여, 상기 각 이웃 노드의 예상 전송 지연 점수를 산출하는 단계;
(d) 상기 데이터 전송 노드가 상기 거리 점수 및 상기 패킷 송수신 성공 확률에 기초하여, 상기 각 이웃 노드의 링크 퀄리티-거리 점수를 산출하는 단계;
(e) 상기 데이터 전송 노드가 상기 산출된 예상 전송 지연 점수 및 링크 퀄리티-거리 점수에 기초하여, 상기 각 이웃 노드의 포워딩 적합성 점수를 산출하는 단계;
(f) 상기 데이터 전송 노드가 상기 포워딩 적합성 점수가 가장 높은 이웃 노드로 상기 패킷을 전송하는 단계;를 포함하며,
상기 포워딩 적합성 점수는 상기 예상 전송 지연 점수와 링크 퀄리티-거리 점수의 합으로 산출되고,
상기 거리 점수는 목적지 노드와의 거리가 짧을수록 상대적으로 높은 값을 가지며,
상기 예상 전송 지연 점수는 수면 지연 시간에 반비례하고,
상기 링크 퀄리티-거리 점수는 상기 거리 점수와 상기 패킷 송수신 성공 확률의 곱인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
삭제
삭제
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 (c) 단계는
상기 예상 전송 지연 점수에 수면 지연성 가중치를 곱하는 단계;를 더 포함하는 데이터 전송 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (d) 단계는
상기 링크 퀄리티-거리 점수에 링크 퀄리티-거리 가중치를 곱하는 단계;를 더 포함하는 데이터 전송 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 무선 네트워크는 데이터 패킷 전송에 실패할 경우 재전송하는 데이터 전송 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 무선 네트워크의 각 노드는 로우 듀티 사이클(low duty cycle) 환경에서 운영되는 데이터 전송 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 수면 지연 시간은 패킷이 전송될 준비가 된 시점부터 상기 패킷이 성공적으로 전송되기까지의 지연 시간인 데이터 전송 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 수면 지연 시간은 상기 패킷이 전송될 이웃 노드가 수면 상태에 있을 경우 활성화 상태가 될 때까지 기다리는 시간을 포함하는 데이터 전송 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 패킷 송수신 성공 확률은 데이터 패킷(data packet)의 송수신 확률과 확인 패킷(ACK packet)의 송수신 확률에 기초하여 산출되는 데이터 전송 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 패킷 송수신 성공 확률은 상기 각 이웃 노드에 프로빙 패킷(probing packet)을 전송하여 산출되는 데이터 전송 방법.
무선 센서 네트워크를 구성하는 노드(node)에 있어서,
상기 노드 및 다른 노드의 위치를 파악하는 위치 파악부;
상기 노드가 주기적으로 수면 상태와 활성화 상태에 번갈아 진입하도록 제어하는 에너지 관리부;
이웃 노드와 패킷을 송수신하는 네트워크 인터페이스; 및
각 이웃 노드 및 패킷을 전송할 목적지 노드의 위치, 상기 각 이웃 노드의 수면 지연 시간(sleep latency), 및 상기 각 이웃 노드와의 패킷 송수신 성공 확률(packet reception rate)을 포함하는 정보를 수집하고, 상기 수집된 정보에 기초하여 산출한 포워딩 적합성 점수에 기초하여 상기 패킷을 전송할 이웃 노드를 선정하는 라우팅 제어부;를 포함하되,
상기 수면 지연 시간은 상기 패킷이 전송될 이웃 노드가 수면 상태에 있을 경우 활성화 상태가 될 때까지 기다리는 시간을 포함하며,
상기 포워딩 적합성 점수는 상기 예상 전송 지연 점수와 링크 퀄리티-거리 점수의 합으로 산출되고,
상기 거리 점수는 목적지 노드와의 거리가 짧을수록 상대적으로 높은 값을 가지며,
상기 예상 전송 지연 점수는 수면 지연 시간에 반비례하고,
링크 퀄리티-거리 점수는 상기 거리 점수와 상기 패킷 송수신 성공 확률의 곱인 것을 특징으로 하는 노드.
제 14 항에 있어서,
상기 라우팅 제어부는 상기 수면 지연 시간에 기초하여 산출한 예상 전송 지연 점수 및, 상기 목적지 노드까지의 거리와 상기 패킷 송수신 성공 확률에 기초하여 산출한 링크 퀄리티-거리 점수의 합으로 상기 각 이웃 노드의 포워딩 적합성 점수를 산출하고, 상기 포워딩 적합성 점수가 가장 높은 이웃 노드로 상기 패킷을 전송하는 노드.