KR101430736B1 - 환경감시 시스템 및 기회적 라우팅에 의한 패킷전송방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 모바일 네트워크(WMN: Wireless Mobile Network)에 있어서,
상기 WMN 범위에 설치된 복수의 CCTV; 상기 복수의 CCTV 각각에 연결되어 CCTV에서 획득된 영상신호를 전송하되, 상호간에 영상신호 중계가 가능한 복수의 소스노드; 상기 WMN 범위에 설치되어 감지된 센서 정보를 RF신호로 변환하여 송출하되, 상호간에 신호 중계가 가능한 복수의 센서노드; 상기 복수의 센서 중 적어도 하나의 센서로부터 송출된 RF신호를 수신하여 상기 소스노드에 전송하는 적어도 하나 이상의 베이스노드; 및 상기 소스 노드로부터 상기 영상신호 또는 상기 RF신호를 수신하는 관제부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 환경감시 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 환경감시 시스템 및 환경감시를 위한 무선 모바일 네트워크에서 기회적 라우팅에 의한 패킷전송방법에 관한 기술이 개시된다.

Description

환경감시 시스템 및 기회적 라우팅에 의한 패킷전송방법{ENVIRONMENT MONITORING SYSTEM AND PACKET TRANSMISSION METHOD BY OPPORTUNISTIC ROUTING}

본 발명은 유선의 네트워킹 장비 설치가 어려운 산, 해안 등지에서 메쉬 네트워크와 유비쿼터스 센서 네트워크의 연동에 의한 환경감시 시스템 및 패킷전송방법에 관한 것이다.

환경에 대한 관심이 점차 증가함에 따라, 녹색변환(Green Conversion)을 통해 경제성장과 환경보호를 동시에 추진하는 새로운 패러다임으로서 녹색성장이 전세계적으로 큰 관심을 모으고 있다. 산업별 가치사슬 전체를 환경 친화적 저탄소형으로 전환해 경쟁우위를 확보하고, 신규시장을 창출하는 신패러다임인 것이다.

이러한 시대의 흐름에 따라, 환경 관련 기술로서 환경 감시기술에 관한 관심도 점차 증가되고 있다. 이와 관련된 기술로서 환경 감시 시스템은 센서에 의해서 센싱된 데이터들을 유무선 네트워크나 CDMA 모듈들을 통하여 중앙의 관제 시스템으로 전달하는 구조를 가진다.

위와 같은 환경감시 기술과 관련하여 본 발명의 출원인은 등록번호 10-1179996호(발명의 명칭: 유해가스 감지 시스템 및 방법)에서 이전 기술보다 더 바람직한 기술을 제안한 바도 있다. 그러나 상기 특허는 데이터 전송량이 적은 센서로 구성되는 센서 네트워크에 한정된 발명이다.

환경감시를 위해 네트워크를 설치함에 있어서, 지형상 유선 네트워크 설치의 어려움, 데이터의 전송량 및 종류에 따른 효율적인 데이터 전송의 필요성으로 인하여 기존의 방식과 차별화된 시스템 또는 방법의 도입이 절실하다.

본 발명은 상기와 같은 문제로부터 창출된 것으로서, 센서의 의해 획득되는 정보신호 및 환경감시를 위해 설치된 CCTV의 영상신호를 효율적으로 전송하면서도 각종 센서에 의해 감지된 센서 정보를 무선 네트워크 환경에서 전송하되, 기존의 유선의 네트워크와 연동되는 하이브리드 네트워크에 의한 환경감시 시스템 및 방법에 관한 기술을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 환경감시 시스템은, 무선 모바일 네트워크(WMN: Wireless Mobile Network)에 있어서, 상기 WMN 범위에 설치된 복수의 CCTV; 및 상기 복수의 CCTV 각각에 연결되어 CCTV에서 획득된 영상신호를 전송하되, 상호간에 영상신호 중계가 가능한 복수의 소스노드; 를 포함하는 메쉬 네트워크(Mesh Network)와, 상기 WMN 범위에 설치되어 감지된 센서 정보를 RF신호로 변환하여 송출하되, 상호간에 신호 중계가 가능한 복수의 센서노드; 및 상기 복수의 센서 중 적어도 하나의 센서로부터 송출된 RF신호를 수신하여 상기 소스노드에 전송하는 적어도 하나 이상의 베이스노드; 를 포함하는 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network)가, 상기 베이스노드 및 상기 센서노드의 연결에 의하여 통합된 네트워크가 구성되고, 상기 소스노드로부터 상기 영상신호 또는 상기 RF신호를 수신하는 관제부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 소스노드는, 상기 복수의 소스노드 또는 베이스노드에서 전송된 영상신호 또는 RF신호를 전송받아 타 네트워크로 전송하는 목적노드; 를 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 소스 또는 목적노드는, 상기 영상신호를 변환하는 메쉬 변환부; 상기 변환된 영상신호를 송수신하는 메쉬 통신부; 상기 변환된 영상신호의 송수신을 제어하는 메쉬 콘트롤러; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 센서 노드는, 환경감시를 위한 센서 감지부; 및 상기 센서 감지부에서 감지된 센서 정보를 RF신호로 변환하여 송수신하는 센서 통신부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 베이스노드는, 환경감시를 위한 센서 감지부; 상기 센서 감지부에서 감지된 센서 정보를 RF신호로 변환하여 송수신하는 센서 통신부; 상기 센서 통신부에 의해 수신된 RF신호를 디지털신호로 변환하는 변환부; 상기 디지털신호로 변환된 센서 정보를 상기 소스노드로 전송하기 위한 통신부; 및 상기 센서노드, 변환부 및 통신부를 제어하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 센서노드는, 열감지센서, 습도센서, 가속도/지진강도 센서, 음향센서, 지자기센서, 위치(GPS)센서, 조도센서, 풍향센서 또는 공기 중의 성분 기체의 양을 감지하는 센서 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 환경감시 시스템에서의 기회적 라우팅에 의한 패킷전송방법은, 무선 모바일 네트워크를 활용한 환경감시 시스템에 있어서, 유비쿼터스 센서 네트워크에 의하여 얻어진 패킷을 메쉬 네트워크에서 얻어진 패킷과 함께, 메쉬 네트워크의 소스노드를 거쳐, 메쉬 네트워크의 최종 노드인 목적노드로 전송하기 위하여, 상기 메쉬 네트워크의 메쉬 콘트롤러에 의해 상기 메쉬 통신부를 통해 복수의 이웃한 소스노드에 브로드 캐스팅에 의해 패킷을 전송하는 단계; (패킷전송단계) 상기 패킷을 전송받은 소스노드의 메쉬 콘트롤러에 의해 상기 패킷을 전송한 소스노드로 수신을 확인하는 확인응답(Ack)을 전송하는 단계; (확인응답단계) 상기 패킷을 전송받은 소스노드의 메쉬 콘트롤러에 의해, 전송받은 패킷의 헤더를 분석하고, 수신노드의 전달받은 순위를 고려하여, 다음 소스노드로 패킷을 전달하는 포워더로서의 우선순위가 선정되는 단계; (우선순위선정단계) 상기 선정된 포워더가 다음 소스노드로 패킷을 전달하기 전에 대기해야 하는 대기시간인 포워딩 타이머가 메쉬 콘트롤러에 의해 설정되는 단계; (타이머설정단계) 상기 설정된 포워딩 타이머에 따라, 포워딩 타이머가 가장 먼저 만료되는 소스노드가 다음 소스노드로 패킷을 전송하고 전송사실을 상기 포워딩 타이머가 설정된 타 소스노드에 알리는 단계; (패킷포워딩단계) 상기 알림이 전해지면, 타 소스노드의 콘트롤러에 의해, 자신의 큐에서 전송대기 패킷이 제거되어지되, 자신보다 우선순위가 높은 소스노드의 패킷 전송사실이 알려지지 않은 경우, 통신부에 의해 자신의 전송을 시도하는 단계; (패킷리포워딩단계) 및 상기 단계들의 반복을 통하여, 전송하는 소스노드의 콘트롤러 및 통신부에 의해, 패킷을 최종적으로 목적노드로 전송하는 단계; (패킷도착단계)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 패킷은, USN 상의 센서노드에서 감지된 센서 정보를 취합하는 베이스노드 및 메쉬 네트워크상의 소스노드를 연결하여 네트워크를 구성함으로써, 메쉬 네트워크상의 소스노드에 연결된 CCTV의 영상신호 및 USN 상의 센서노드에서 감지된 센서 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 패킷전송단계 이전에, 유비쿼터스 센서 네트워크 상의 센서노드에서 감지된 센서 정보가 베이스노드에 취합되고, 취합된 센서 정보가 소스노드에 전송되는 센서정보 전송단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 우선순위선정 또는 타이머설정단계에서, 소스노드 자신의 단위 패킷 당 평균 전송시간이 추가로 고려되어 우선순위 또는 타이머가 설정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 우선순위선정 또는 타이머설정단계에서, 소스노드 자신이 전달해야 할 패킷의 양이 추가로 고려되어 우선순위 또는 타이머가 설정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 우선순위선정 또는 타이머설정단계에서, 서로 인접한 두 개의 소스노드 중에서, 과거의 누적된 패킷 전송 기록을 기반으로, 패킷 전송이 성공된 확률이 추가로 고려되어 우선순위 또는 타이머가 설정되는 것을 특징으로 한다.

위와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 유선 네트워크의 구축이 어려운 지역에서 무선 메쉬 네트워크 및 유비쿼터스 센서 네트워크의 장점을 살린 환경감시 시스템을 구축할 수 있다.

둘째, 무선 메쉬 네트워크를 이용하여 환경 감시를 위해 설치된 무선 CCTV의 영상신호의 전송 및 유비쿼터스 센서 네트워크를 통한 센서 정보의 효율적인 전송에 의한 환경 모니터링을 할 수 있다.

둘째, 메쉬 네트워크에서 기회적 라우팅에 의하여 데이터량이 많은 CCTV의 영상신호를 효율적으로 전송할 수 있다.

셋째, 메쉬 네트워크의 기회적 라우팅에서, 효율적인 포워더 선정에 의해 데이터의 중복송신을 줄여 데이터량이 많은 CCTV의 영상신호 및 센서 정보를 효율적으로 전송할 수 있다.

도 1은 메쉬 네트워크의 한 예로서 Infrastructure mesh networks를 도시하고 있다.
도 2는 메쉬 네트워크의 한 예로서 Client mesh networks를 도시하고 있다.
도 3은 메쉬 네트워크의 한 예로서 Hybrid mesh networks를 도시하고 있다.
도 4는 기회적 라우팅에 관한 예를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 환경 감시를 위한 무선 모바일 네트워크에서 기회적 라우팅에 의한 패킷전송방법의 단계를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명에 따른 환경감시 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.
도 7은 본 발명에 따른 소스노드 구성의 블록도이다.
도 8은 본 발명에 따른 센서노드 구성의 블록도이다.
도 9는 본 발명에 따른 베이스노드 구성의 블록도이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시에를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성 요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

무선 메쉬 네트워크는 낮은 설치 및 관리 비용, 확장성 등의 장점으로 인해 커뮤니티 네트워크, 무선 백홀(backhaul) 등의 기반 기술로 최근 들어 각광을 받고 있다. 무선 메쉬 네트워크에서는 다중 홉(multi-hop) 전송을 통해 사용자의 트래픽을 유선 백본망과 연결되어 있는 메쉬 게이트웨이(mesh gateway)로 전달하기 때문에 라우팅이 전체적인 네트워크 성능에 큰 영향을 미친다.

송신단 및 수신단이 정해진 기존의 유선 네트워크 또는 무선 네트워크와는 달리 메쉬 네트워크에서는 송신단 또는 수신단이 정해져 있지 않기 때문에 기존의 라우팅 방법을 사용하는데 어려움이 많다. 더구나 일반적인 기회적 라우팅 방법은 데이터의 중복전송이 많아서 효율적이지 못한 문제점이 많았다.

무선 메쉬 네트워크는 일반적인 무선랜과 달리 그물망처럼 여기저기에 흩어져 있는 무선 장비들이 서로 연결되어 망을 형성하는 구조이다. 무선 AP(Access Point)라고 하는 장치에 노트북 PC나 PDA 등과 같은 무선 기기들은 2.4GHz 라고 하는 무선 주파수를 활용해서 인터넷 등을 사용할 수 있는 것이 전형적인 무선랜 환경이다. 그런데 기존의 무선랜에서 무선 구간은 AP와 노트북 다말만 무선 구간이 되어 있고 AP와 실제 데이터를 주고받고 하는 시스템(Switch)는 유선으로 연결되어 있는 것이 특징이다.

무선 메쉬 네트워크에서는 AP에 연결되어 있던 케이블 대신 메쉬 노드라고 하는 무선 메쉬 네트워크를 구성하는 시스템이 들어감으로써 모든 구간을 무선화 시킬 수 있다. 즉 무선 AP는 말 그대로 사용자 단말과의 Access 망을 구성해 주고, Mesh망은 무선 전송로를 구현해 주는 인프라 시스템에 해당한다.

기존의 무선랜에서, 모든 네트워크 단말(PC, Printer, Server 등)은 이더넷 스위치와 연결되어 있는 UTP Cable로 연결되어 있다. 무선랜을 구성해 주는 AP조차도 건물내에서 UTP Cable로 연결되어 있다. 무선 노트북 사용자를 제외하고는 모든 것들이 케이블을 통해 스위치에 연결되어 있다.

무선 메쉬 네트워크에서는 스위치가 없어지고, 각각의 이더넷 단말들은 메쉬 노등에 연결된다. 그리고 스위치로 연결되어 있던 모든 케이블이 없어진다. 대신 무선이 케이블을 대체하고, 모든 구간을 무선으로 연결, 손쉽게 네트워크를 구성할 수 있다.

이 경우 무선 메쉬 네트워크를 구성하는 모든 메쉬 노들들이 1:1 통신을 하는 것이 아니라 인접하여 있는 모든 메쉬 노드들과 통신할 수 있는 무선 메쉬 라우팅 경로를 가지게 된다. 이것이 바로 Ad-Hoc 기능에서 발전되어 메쉬 네트워킹을 만들어 주는 기본원리이다. 이를 위해서 메쉬 라우팅 프로토콜이 개발되고 이에 다양한 부가 기능 등이 첨부되어 IEEE 802.11s로 표준화가 이루어지고 있다.

무선 메쉬 네트워크는 크게 두 개의 모드로 분류될 수 있다. 하나는 Infrastructure 메쉬 네트워크이고, 다른 하나는 Client 메쉬 네트워크이다. 도 1은 Infrastructure 메쉬 네트워크를 도시하고 있으며, 도 2는 Client 메쉬 네트워크를 도시하고 있다. 메쉬망이 제공하는 혜택을 최대로 누리기 위해서는 두 개의 모두가 동시에 이음없이 하나의 네트워크에서 지원되도록 하여야 한다.

도 1에서 Infrastructure 메쉬 네트워크는 무선 메쉬 백본(Wireless mesh backbone), 와이파이 네트워크(Wi-fi networks), 휴대폰 통신망(Cellular networks), 와이맥스 네트워크(Wi-max networks) 및 센서 네트워크(Sensor networks)로 구성된다. 또한 무선 메쉬 백본은 인터넷에 연결되어 있다. 무선 메쉬 백본은 복수의 메쉬 노드인 메쉬 라우터로 구성된다. 이 중에는 게이트웨이 역할을 하는 메쉬 라우터도 있다.

도 2에서 Client 메쉬 네트워킹은 복수의 메쉬 클라이언트로 구성된다.

도 3은 하이브리드 메쉬 네트워크(Hybrid mesh networks)를 도시하고 있다. 하이브리드 메쉬 네트워크는 무선 메쉬 백본(Wireless mesh backbone), 무선 메쉬 클라이언트(Wireless mesh clients), 기존의 기간망(Wi-fi, Wi-max, Sensor networks, Celluar networks etc)으로 구성된다. 무선 메쉬 백본은 복수의 메쉬 라우터로 구성되며, 게이트웨이를 겸하는 라우터도 있다. 무선 백본은 인터넷에 연결되어 있다.

메쉬 네트워크의 장점은 데이터 전송에 있어서 신뢰성의 향상, 중복성 및 커버리지의 증가이다. 또한 자체적으로 설정(configuration)이 가능한 고속의 다이나믹한 무선 모바일 노드를 공급할 수 있다. 따라서 네트워크 상에서 메쉬 노드들이 고정적이거나 이동이 가능하다. 또한 네트워크의 크기를 무한으로 확대할 수 있다. 전송 데이터는 센서 또는 모니터링이 요구되는 어떤 것도 가능하다. 또한 네트워크 설정(configuration)이 스스로 가능하여, 모바일 네트워크 설정에 사람이 개입할 필요가 없다.

상기의 장점을 지닌 메쉬 네트워킹은 홈 네트워킹, 빌딩 네트워킹, 도시 네트워킹, 긴급상황(범죄, 재난 등)에 대비한 네트워킹, 전쟁 네트워킹 등에 활용될 수 있다. 또한 험준한 산악이나 인적이 없는 해안에서의 산불 감시 또는 오염방지의 모니터링에 메쉬 네트워킹이 활용되고 있다.

반면에 유비쿼터스 센서 네트워크(USN: Ubiquitous Sensor Network)는, 인간의 생활 공간, 생활 기기, 기계 등 모든 사물에 컴퓨팅, 네트워킹 기능을 부여하여, 환경과 상황의 자동 인지를 통해 사용자에게 최적의 서비스를 가능하게 하여 인간 생활의 편리성과 안전성을 고도화 함을 목적으로 하는 것이 특징이다.

최근 IT 패러다임은 인터넷 중심에서 인간과 사물, 컴퓨터가 융합되는 기술로 급속히 전환중에 있다. 이를 위해 인간과 사물간, 사물과 사물간 네트워크화를 위해서 RFID/USN 분야가 핵심 IT 산업군으로 형성할 것으로 전망되고 있다. USN은 어느 곳에나 부착된 태그와 센서로부터 사물 및 환경 정보를 감지, 저장, 가공하여 인터넷을 통해 전달하는 기술로 거의 모든 인간 생활에 활용하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 생태계나 환경오염의 관측과 같은 과학적인 목적에 사용되는 것을 목적으로 한다. 특히 유선의 네트워크가 설비되기 어려운 산간지역 또는 해안가의 환경감시를 위하여 활용될 수 있다.

이하 본 발명에 따른 환경감시 시스템에 대하여 설명한다.

무선 모바일 네트워크(WMN: Wireless Mobile Network)에 있어서, 본 발명에 따른 메쉬 네트워크(Mesh Network) 및 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network) 통합의 환경감시 시스템은, CCTV(110), 복수의 소스노드(120), 하나 이상의 목적노드(130), 복수의 센서노드(140), 하나 이상의 베이스노드(150) 및 관제부(160)를 포함한다.

도 6은 본 발명에 따른 환경감시 시스템의 네트워크도를 개략적으로 도시하고 있다. 본 발명에 따른 하나의 실시예로서 육면체 모양의 센서노드(140)로 구성된 유비쿼터스 센서 네트워크가 구성되는데, 그 중에 하나의 노드는 베이드노드(150)에 해당하고, 다시 각각의 베이스노드는 메쉬노드인 소스노드(120)에 연결되어 있으며, 각각의 소스노드에는 CCTV가 연결되어 있으며, 복수의 소스노드(120)로 구성되는 메쉬 네트워크 중에서 하나 이상의 목적노드(130)를 포함하는데, 목적노드(130)는 외부의 타 네트워크와 연결된다. 관제부(160)는 도시되지 않았지만 외부의 타 네트워크를 통해 목적노드(130)에 연결되거나, 목적노드(130)와 직접 연결될 수 있다.

CCTV(110)는 산간지역이나 해안가 등과 같이 환경감시 대상이 되는 지역에 설치되어 영상신호를 수집한다. 아날로그 형태 또는 디지털 형태의 CCTV가 모두 가능하다. 상기 메쉬 노드에 유선으로 CCTV가 연결되는데, 이를 소스노드(120)라고 하며, 소스노드는 복수 개로 구비된다. 각각의 소스노드에 연결된 CCTV에서 영상신호를 획득하여 목적노드(130)로 전송한다. 목적노드(130)는 메쉬 노드의 일종으로 영상신호가 최종적으로 도달되는 노드이다. 또한 목적노드(130)는 직접 관제부와 연결될 수 있으며, 유선의 타 네트워크에 연결될 수 있다.

복수의 센서노드(140)는 각종 센서를 포함한다. 각종 센서에는 열감지, 습도 측정, 가속소/지진강도 측정, 음향 측정, 지자기 측정, 위치 측정, 조도 측정, 풍향 측정, 수면 측정 또는 공기 중의 성분 기체의 양을 측정하는 센서가 포함된다. 또한, 복수의 센서노드(140) 중에서 하나 이상의 베이스노드(150)가 존재한다. 센서노드에서 감지된 센서 정보는 상호 전송되어 베이스노드(150)에 최종적으로 전송된다. 베이스노드는 상기 소스노드에 연결된다. 상기 베이스노드와 상기 소스노드의 연결은 유선 또는 무선으로도 가능하다.

도 7에서 상기 소스노드 또는 목적노드는, 영상신호를 변환하는 메쉬 변환부(121), 상기 변환된 영상신호를 송수신하는 메쉬 통신부(122), 상기 변환된 영상신호의 송수신을 제어하는 메쉬 콘트롤러(123) 및 메쉬 전원부(124)를 포함한다.

상기 메쉬 변환부(121)는 CCTV(110)에서 획득한 영상신호를 무선의 메쉬 네트워크를 통해 전송하기 위하여 연상신호를 인코딩한다. 상기 메쉬 통신부(122)는 상기 메쉬 변환부(121)에서 인코딩된 영상신호를 주변의 타 소스(메쉬) 노드(120)로 전송을 한다. 상기 메쉬 콘트롤러(123)는 상기 메쉬 변환부(121) 및 상기 메쉬 통신부(122)를 제어한다. 각각의 소스노드에는 메쉬 전원부(124)가 구비된다. 상기 메쉬 전원부(124)는 AC전원을 변환하여 사용하거나 DC배터리의 형태도 가능하다.

도 8에서 상기 센서노드(140)는 센서 감지부(141), 센서 통신부(142) 및 센서 전원부(143)를 포함한다. 센서 감지부(141)는 인간의 오감을 대신하여 물리계 또는 환경계의 현상을 정량적으로 측정하여 정보를 검출하는 소자로서 센서노드의 중요한 구성요소이다. 센서 네트워크의 다양한 응용 영역에 따라 일체식의 다양한 종류의 센서가 필요하므로 열, 습도, 가속도/지진강도, 음향, 지자기, 위치(GPS), 조도 등과 같은 센서 중 선택적으로 센서노드에 장착할 수 있다. 이를 위해 다중 이종 센서를 집적할 수 있는 기술이 요구된다. 또한, 공기 중의 성분 기체의 양을 감지하는 센서도 구비될 수 있다.

센서 통신부(143)는 감지된 센서 정보를 변환하여 주변의 센서노드(140) 또는 최종적으로는 베이스노드(150)에 전송한다. 따라서 센서 통신부(142)는 RF, 모뎀, MAC를 포함한다. 센서 전원부(143)는 AC전원을 변환하여 사용하거나 DC배터리의 형태도 가능하다. 센서의 소비전력은 작은 것이 특징이므로 DC배터리가 바람직하다.

도 9에서 상기 베이스노드(150)는 상기 센서 노드의 구성 중에서 센서 감지부 및 센서 통신부 이외에, 변환부(153), 통신부(154), 센서 제어부(155), 전원부(156)를 더 포함한다. 상기 베이스노드(150)는 센서 노드로서의 기능과, 센서 노드로부터 전송받은 센서 정보를 메쉬노드(소스노드)로 전송하는 기능을 한다. 상기 변환부(153)는 수신된 RF신호를 소스노드로 전송하기에 앞서 디지털 신호로 변환하는 장치이다. 상기 통신부(154)는 메쉬 노드와의 통신을 위한 장치이다. 베이스노드(150)도 전원부를 구비한다. 전원부는 AC전원을 변환하여 사용하거나 DC배터리의 형태도 가능하다.

본 발명에 따른 환경감시 시스템을 구성하는 상기 요소에 의하여, 유비쿼터스 센서 네트워크로 구성되는 무선 모바일 네트워크를 통해 얻어진 센서 정보는 상기 CCTV에서 획득된 영상신호와 더해져 메쉬 네트워크를 통해 관제부로 전송된다. CCTV가 설치되어 있는 하나의 소스노드는 메쉬노드 역할을 하면서 목적노들를 최종 도착지점으로 하여 자신의 노드에서 획득된 CCTV의 영상신호 및 베이스노드로부터 전송받은 센서 정보를 근접한 다른 소스노드(메쉬노드)로 전송한다. 상기 과정의 반복에 의하여 CCTV 영상신호 및 센서 정보는 목적노드(130)에 전송된다.

상기 목적노드(130)는 유선의 네트워크에 연결되거나 직접 관제부에 연결될 수 있다. 상기 목적노드(130)가 유선의 네트워크에 연결되고, 다시 유선 네트워크를 통해 관제부에 연결되는 경우 하이브리드 네트워크를 구성하게 된다.

관제부(160)는 데이터베이스부(161), 디스플레이부(162) 및 제어부(163)를 포함한다. 데이터베이스부(161)에는 메쉬 네트워크를 통해 전송된 CCTV의 영상에 대한 데이터베이스와 다양한 센서가 전송한 센서 데이터를 기반으로 하는 센서데이터베이스가 저장한다. 또한, 각종 영상 데이터 및 센서 데이터를 출력하는 디스플레이부(162)를 구비한다. 제어부(163)는 관제부(160)의 구성 요소를 제어하는 것 이외에 메쉬 네트워크의 CCTV 및 유비쿼터스 센서 네트워크의 센서노드 및 베이스노드를 제어한다.

이하 메쉬 네트워크 상에서 영상신호 및 센서 정보를 전송함에 있어서, 라우팅 기법에 대한 방법발명에 대하여 설명한다.

<환경 감시를 위한 메쉬 네트워크에서 기회적 라우팅에 의한 패킷전송방법>

유선의 네트워크 또는 기존의 무선의 네트워크에서 이루어졌던 라우팅 기법은 송신단 및 수신단이 정해져 있는 경우의 기법이므로, 송신단 및 수신단이 정해져 있지 않은 메쉬 네트워크에서의 라우팅 기법으로는 적합하지 않다.

최근 들어, 기회적 라우팅을 무선 메쉬 네트워크에 적용하고자 하는 노력이 계속되고 있다. 기존 무선 네트워크에서의 라우팅이 미리 결정된 하나의 경로를 통해 트래픽을 전달하는 데에 반해, 기회적 라우팅은 실제 전송이 일어난 후에 포워더를 결정하기 때문에 매순간 무선 채널의 상황을 기회적으로 이용할 수 있다.

기회적 라우팅은 어떤 노드가 패킷을 전송할 때 수신 노드를 미리 정하여 전송하는 기존 방식과는 달리, 복수의 전달 후보 노드를 둠으로써 무선 채널의 기회적 이득(opportunistic gain)을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 이러한 기회적 이득은 전달 후보 노드의 수가 많을수록, 무선 채널의 변화가 심할수록 높다는 것이 알려져 있다.

기회적 라우팅은 유선망에서 사용하던 라우팅 패러다임을 무선망에 그대로 적용한 기존 무선 라우팅들과는 근본적으로 다른 방식으로 동작한다.

도 4는 기회적 라우팅을 설명하는 간단한 예를 보여준다. 도 4에서 노드S 는 중간에 위치한 노드들(노드A, B, C, D)을 포워더로 하여 노드T 에게 패킷을 전송한다. 어떤 링크에서 패킷 전송이 성공할 확률은 각 링크 위에 숫자로 표시되어 있다. 기존 라우팅 기법에서처럼 미리 정해진 하나의 경로를 통해 패킷이 전송되는 상황에서 경로가 노드S - 노드A - 노드T로 정해졌다고 하자. 그러면 노드S 가 노드T에게 성공적으로 패킷을 전송하기 위해서는 평균 6번(노드S 와 노드 A사이에서 1/ 0.2 = 5번, 노드 A 와 노드T 사이에서 1/1=1번)의 전송이 필요하다. 이에 반해, 포워더가 미리 결정되어 있지 않은 기회적 라우팅에서는 노드S가 브로드캐스트(broadcast)로 전송한 패킷을 성공적으로 수신한 노드들 중에서 우선순위가 가장 높은 노드가 포워더가 되기 때문에 첫 번째 링크에서 약 1/(1. 0.8⁴ )≒1.7 번의 전송만 필요하게 된다. 따라서, 기회적 라우팅을 사용하면 전체적인 네트워크 수율을 높일 수 있다.

하지만 포워더 후보들을 적절히 선정하지 않으면 중복된 전송을 야기해서 오히려 성능이 감소할 수 있다. 예를 들어, 노드A 와 노드D 가 노드S의 전송을 성공적으로 수신했다고 하자. 이때, 우선순위가 높은(가정) 노드A 가 노드T에게 전송한 것을 노드D가 듣지(overhearing) 못하면, 노드D 는 노드T 에게 불필요하게 중복 전송을 함으로써 무선 자원을 낭비하게 된다. 따라서, 기회적 라우팅에서는 포워더 후보들간의 채널 상황 등을 고려하여 이를 적절히 선정하는 것이 중요하다.

포워더 후보들은 패킷을 수신하면 패킷의 헤더에서 자신이 몇 번째에 위치하는지(우선순위)에 따라 포워딩 타이머(forwarding timer)를 적절한 값으로 설정한다. 만약, 포워딩 타이머가 만료되기 전에 자신보다 우선순위가 높은 다른 포워더 후보가 전송하는 것을 듣게 되면 큐에서 이 패킷을 제거하며, 그렇지 않고 포워딩 타이머가 만료되면 자신이 전송을 시도한다.

<패킷전송단계>

환경 파괴 내지는 환경오염 감시를 위하여 설치된 무선 CCTV의 영상을 전송하기 위해 메쉬 네트워크가 구비된다. 메쉬 네트워크는 Client 메쉬 네트워크 형태인 것이 바람직하나, Infrastructure 메쉬 네트워크 또는 하이브리드 형태도 가능하다. 모니터링이 요구되는 장소에 CCTV가 설치된다. 각각의 CCTV는 메쉬 노드에 연결되며 CCTV는 소스노드에 해당된다.

또한, 패킷전송단계 이전에 유비쿼터스 센서 네트워크 상의 복수의 센서노드에서 감지된 센서 정보를 베이스노드가 수신하여 소스노드에 전송한다. 따라서 각각의 CCTV에서 획득된 영상 신호 및 베이스노드로 부터 수신된 센서 정보가 포함된 패킷은 인접한 메쉬 노드로 라우팅에 의해 목적노드로 전송된다.

<확인응답단계>

상기 소스노드를 포함하는 송신노드로부터 상기 영상 신호 및 센서 정보가 포함된 패킷을 전송받은 수신노드에서 상기 소스노드로 확인응답을 전송한다. 기존의 기회적 라우팅에서는 중복 전송 문제로 인해 서로 멀리 떨어져 있는 노드들을 포워더 후보에 포함시키는 것을 기피했다. 하지만, 이렇게 하면 기회적 이득이 줄어들 수밖에 없다. 기회적 이득을 포기하지 않으면서도 중복 전송 문제를 방지하기 위해 확인응답(Ack)을 전송한다.

<우선순위선정단계>

상기 송신노드로부터 상기 영상 신호 및 센서 정보가 포함된 패킷을 전송받은 수신노드에서 전달받은 상기 패킷의 헤더를 분석하여 수신노드의 전달받은 순위를 고려하여 다음 노드로 상기 패킷을 전달하는 송신노드로서의 우선순위를 정하여 포워더 후보를 선정한다. 하나의 메쉬 노드가 패킷을 수신하면, 패킷을 수신한 메쉬 노드는 송신노드의 위치에 있게 된다. 이러한 송신노드는 포워더 후보에 해당한다.

따라서 수신된 순서에 의하여 포워더 후보의 우선 순위가 결정되며, 이 외에 단위 패킷 당 평균 전송시간을 고려하여 우선순위가 결정되거나, 전달해야 할 패킷의 양을 고려하여 우선순위가 결정되거나 과거의 누적된 패킷 전송 기록을 기반으로 송신노드와 수신노드 간의 패킷 전송이 성공된 확률을 고려하여 우선순위가 결정된다.

상기 고려되어야 할 사항은, 전송확률, 패킷 당 전송시간, 패킷의 양, 전달받은 순위이다. 상기 사항 중에서 패킷 당 전송시간과 패킷의 양은 함께 고려되어 총전송 시간을 고려하여 판단된다. 상기 판단은 소스노드의 제어부에 의하여 판단된다. 가장 우선 고려되어야 할 것은 전송확률이며, 다음으로 총전송 시간, 다음으로 전달받은 순위이다. 하나의 실시예로서 위의 세가지 사항이 모두 고려될 수 있다.

<실시예>

하나의 실시예를 들어보면, 포워더 A, B, C가 있는 경우, A의 전송확률은 50%, B의 전송확률은 30%, C의 전송확률은 20%인 경우, A의 총전송시간이 0.2㎲, B의 총전송시간이 0.1㎲, C의 총전송시간이 0.05㎲인 경우, 전달받은 순위가 C - B(+0.01㎲) - A(+0.02㎲)인 경우, 단순하게 상기 세 가지 고려 사항에 각각 해당하는 세 가지 숫자를 서로 곱하여 우선순위를 결정하는 인자를 만들 수 있다. 첫째 숫자는 1-(확률(소수)), 둘째 숫자는 총전송시간(㎲), 셋째 숫자는 맨 처음 전달받은 경우 1로 하고 나머지는 경과된 시간(㎲)을 더해서 만들 수 있다.

상기 숫자의 곱에 의해 만들어지는 인자는, A에 대해서는 (1-0.5)*(0.2)*(1.02)= 0.102, B에 대해서는 (1-0.3)*(0.1)*(1.01)= 0.0707, C에 대해서는 (1-0.2)*(0.05)*(1)= 0.04 라는 인자가 생성되므로, 우선순위는 작은 값을 가지는 C를 시작으로 B, A 순서이다. 상기 실시예는 단순한 과정에 의한 것이므로 좀더 과학적인 결과를 얻기 위해서는 각 고려사항에 대하여 가중치를 줄 수 있으며, 시간의 단위도 고려하여야 할 것이다.

<타이머설정단계>

상기 결정된 우선순위에 의하여, 최우선 순위가 아닌 포워더 후보에 해당하는 노드들은 전송을 하기 전에 대기 시간을 가지게 된다. 이 대기 시간을 설정하는 단계가 포워딩 타이머 설정단계이다. 포워딩 타이머 설정은 상기의 우선순위 순으로 시간이 길어지게 설정된다. 또한, 상기 실시예에서의 네 가지 고려 사항이 적용되어, 타이머 설정에서도 상기 우선순위선정단계와 마찬가지로 패킷 당 평균 전송시간이 고려되며, 전달해야 할 패킷의 양, 즉 큐에 대기되어 있는 전송 예정 패킷의 양이 고려되며, 패킷 전송이 성공된 확률이 고려된다. 이상 우선순위결정단계와 동일하다.

<패킷포워딩단계>

상기 포워딩 타이머가 설정된 송신노드 중에서, 포워딩 타이머가 가장 먼저 만료되는 송신노드가 다음 수신노드로 상기 영상 신호 및 센서 정보가 포함된 패킷을 전송하고 전송사실을 타 노드에 알리는 단계이다.

<패킷리포워딩단계>

상기 포워딩 타이머 만료 이전에 자신보다 우선순위가 높은 다른 포워더 후보가 전송하는 것을 알게 되면 큐에서 이 패킷을 제거하되, 자신보다 우선순위가 높은 송신노드의 패킷 전송이 모두 실패된 경우, 즉 전송사실에 대한 알림이 없는 경우에는 자신의 전송을 시도하는 단계이다.

<패킷도착단계>

상기 단계에 의하여 전송된 영상 신호 및 센서 정보가 포함된 패킷을 최종적으로 목적노드로 전송하는 단계이다.

상기 패킷전송단계를 시작으로 패킷 도착단계로 구성되는 기회적 라우팅에 의한 CCTV 영상 전송방법은, 확인응답단계 내지 패킷리포워딩단계의 반복을 포함한다. 즉 하나의 메쉬노드가 송신한 패킷을 다음 노드가 수신을 하는 경우, 수신노드는 다시 송신노드가 되어서 상기 확인응답단계 내지 패킷리포워딩단계를 반복하게 된다. 즉 멀티 홉(Hop) 방식에 의한 라우팅에 의하여 패킷이 전송된다.

도 5에 상기 단계를 도시하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.

110: CCTV
120: 소스노드
121: 메쉬 변환부
122: 메쉬 통신부
123: 메쉬 콘트롤러
124: 메쉬 전원부
130: 목적노드
140: 센서노드
141: 센서 감지부
142: 센서 통신부
143: 센서 전원부
150: 베이스노드
151: 센서 감지부
152: 센서 통신부
153: 변환부
154: 통신부
155: 센서 제어부
156: 전원부
160: 관제부
161: 데이터베이스부
162: 디스플레이부
163: 제어부

Claims (12)

1. 무선 모바일 네트워크(WMN: Wireless Mobile Network)에 있어서,
   상기 WMN 범위에 설치된 복수의 CCTV; 및
   상기 복수의 CCTV 각각에 연결되어 CCTV에서 획득된 영상신호를 전송하되, 상호간에 영상신호 중계가 가능한 복수의 소스노드; 를 포함하는 메쉬 네트워크(Mesh Network)와,
   상기 WMN 범위에 설치되어 감지된 센서 정보를 RF신호로 변환하여 송출하되, 상호간에 신호 중계가 가능한 복수의 센서노드; 및
   상기 복수의 센서 중 적어도 하나의 센서로부터 송출된 RF신호를 수신하여 상기 소스노드에 전송하는 적어도 하나 이상의 베이스노드; 를 포함하는 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network)가,
   상기 베이스노드 및 상기 센서노드의 연결에 의하여 통합된 네트워크가 구성되고,
   상기 소스노드로부터 상기 영상신호 또는 상기 RF신호를 수신하는 관제부; 를 포함하며,
   상기 소스노드는,
   상기 복수의 소스노드 또는 베이스노드에서 전송된 영상신호 또는 RF신호를 전송받아 타 네트워크로 전송하는 목적노드; 를 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는
   환경감시 시스템.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 소스 또는 목적노드는,
   상기 영상신호를 변환하는 메쉬 변환부;
   상기 변환된 영상신호를 송수신하는 메쉬 통신부;
   상기 변환된 영상신호의 송수신을 제어하는 메쉬 콘트롤러; 를 포함하는 것을 특징으로 하는
   환경감시 시스템.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 센서 노드는,
   환경감시를 위한 센서 감지부; 및
   상기 센서 감지부에서 감지된 센서 정보를 RF신호로 변환하여 송수신하는 센서 통신부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는
   환경감시 시스템.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 베이스노드는,
   환경감시를 위한 센서 감지부;
   상기 센서 감지부에서 감지된 센서 정보를 RF신호로 변환하여 송수신하는 센서 통신부;
   상기 센서 통신부에 의해 수신된 RF신호를 디지털신호로 변환하는 변환부;
   상기 디지털신호로 변환된 센서 정보를 상기 소스노드로 전송하기 위한 통신부; 및
   상기 센서노드, 변환부 및 통신부를 제어하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는
   환경감시 시스템.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 센서노드는,
   열감지센서, 습도센서, 가속도/지진강도 센서, 음향센서, 지자기센서, 위치(GPS)센서, 조도센서, 풍향센서 또는 공기 중의 성분 기체의 양을 감지하는 센서 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는
   환경감시 시스템.
7. 무선 모바일 네트워크를 활용한 환경감시 시스템에서의 기회적 라우팅에 의한 패킷전송방법에 있어서,
   유비쿼터스 센서 네트워크에 의하여 얻어진 패킷을 메쉬 네트워크에서 얻어진 패킷과 함께, 메쉬 네트워크의 소스노드를 거쳐, 메쉬 네트워크의 최종 노드인 목적노드로 전송하기 위하여, 상기 메쉬 네트워크의 메쉬 콘트롤러에 의해 상기 메쉬 통신부를 통해 복수의 이웃한 소스노드에 브로드 캐스팅에 의해 패킷을 전송하는 단계; (패킷전송단계)
   상기 패킷을 전송받은 소스노드의 메쉬 콘트롤러에 의해 상기 패킷을 전송한 소스노드로 수신을 확인하는 확인응답(Ack)을 전송하는 단계; (확인응답단계)
   상기 패킷을 전송받은 소스노드의 메쉬 콘트롤러에 의해, 전송받은 패킷의 헤더를 분석하고, 수신노드의 전달받은 순위를 고려하여, 다음 소스노드로 패킷을 전달하는 포워더로서의 우선순위가 선정되는 단계; (우선순위선정단계)
   상기 선정된 포워더가 다음 소스노드로 패킷을 전달하기 전에 대기해야 하는 대기시간인 포워딩 타이머가 메쉬 콘트롤러에 의해 설정되는 단계; (타이머설정단계)
   상기 설정된 포워딩 타이머에 따라, 포워딩 타이머가 가장 먼저 만료되는 소스노드가 다음 소스노드로 패킷을 전송하고 전송사실을 상기 포워딩 타이머가 설정된 타 소스노드에 알리는 단계; (패킷포워딩단계)
   상기 알림이 전해지면, 타 소스노드의 콘트롤러에 의해, 자신의 큐에서 전송대기 패킷이 제거되어지되, 자신보다 우선순위가 높은 소스노드의 패킷 전송사실이 알려지지 않은 경우, 통신부에 의해 자신의 전송을 시도하는 단계; (패킷리포워딩단계) 및
   상기 확인응답단계 내지 패킷리포워딩단계의 반복을 통하여 멀티 홉 방식의 패킷 전송이 소스노드로부터 목적노드의 전단 소스노드까지 이루어지며, 상기 목적노드의 전단 소스노드에서 패킷을 최종적으로 목적노드로 전송하는 단계; (패킷도착단계)를 포함하는 것을 특징으로 하는 환경감시 시스템에서의 기회적 라우팅에 의한 패킷전송방법.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 패킷은,
   USN 상의 센서노드에서 감지된 센서 정보를 취합하는 베이스노드 및 메쉬 네트워크상의 소스노드를 연결하여 네트워크를 구성함으로써, 메쉬 네트워크상의 소스노드에 연결된 CCTV의 영상신호 및 USN 상의 센서노드에서 감지된 센서 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 환경감시 시스템에서의 기회적 라우팅에 의한 패킷전송방법.
9. 제 7항에 있어서,
   상기 패킷전송단계 이전에,
   유비쿼터스 센서 네트워크 상의 센서노드에서 감지된 센서 정보가 베이스노드에 취합되고, 취합된 센서 정보가 소스노드에 전송되는 센서정보 전송단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환경감시 시스템에서의 기회적 라우팅에 의한 패킷전송방법.
10. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 우선순위선정 또는 타이머설정단계에서,
    소스노드 자신의 단위 패킷 당 평균 전송시간이 추가로 고려되어 우선순위 또는 타이머가 설정되는 것을 특징으로 하는 환경감시 시스템에서의 기회적 라우팅에 의한 패킷전송방법.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 우선순위선정 또는 타이머설정단계에서,
    소스노드 자신이 전달해야 할 패킷의 양이 추가로 고려되어 우선순위 또는 타이머가 설정되는 것을 특징으로 하는 환경감시 시스템에서의 기회적 라우팅에 의한 패킷전송방법.
12. 제 11항에 있어서,
    상기 우선순위선정 또는 타이머설정단계에서,
    서로 인접한 두 개의 소스노드 중에서, 과거의 누적된 패킷 전송 기록을 기반으로, 패킷 전송이 성공된 확률이 추가로 고려되어 우선순위 또는 타이머가 설정되는 것을 특징으로 하는 환경감시 시스템에서의 기회적 라우팅에 의한 패킷전송방법.

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