KR101431213B1 - 무선 센서 네트워크에서 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

잔여 에너지가 많은 이웃 노드에게 데이터를 전송함으로써 각각의 센서 노드들이 균형있게 에너지를 사용할 수 있는 데이터 전송 방법이 제공된다. 데이터 전송 방법은 제 1 센서 노드가 이웃 센서 노드들로 RTR(Request To Receiver) 메시지를 브로드 캐스팅하는 단계와 상기 RTR 메시지를 수신한 이웃 센서 노드들 중 잔여 에너지가 가장 많은 제 2 센서 노드가 상기 제 1 센서 노드로 CTR(Clear To Receiver)메시지를 전송하는 단계, 상기 CTR 메시지를 수신한 상기 제 1 센서 노드가 상기 제 2 센서 노드로 데이터를 전송하는 단계 및 상기 제 2 센서 노드가 목적지 노드의 활성화 상태에 상기 제 1 센서 노드의 제 1 데이터 및 제 2 센서 노드의 제 2 데이터를 상기 목적지 노드로 전송하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 각각의 센서 노드들이 에너지를 균형있게 사용할 수 있어 전체 센서 네트워크의 수명을 연장할 수 있다.

Description

무선 센서 네트워크에서 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법 및 시스템{METHOD OF TRANSMITTING DATA FOR SAVING ENERGY OF SENSOR NODE IN WIRELESS SENSOR NETWORKS AND SYSTEM FOR PERFORMING THE SAME}
본 발명은 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 센서 네트워크에서 센서 노드의 에너지를 절약하기 위한 데이터 전송 방법 및 장치에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크에서 센서 노드가 에너지를 적게 사용하여 네트워크 시간을 연장하는 것은 중요한 이슈이다. 센서 노드의 에너지 소비를 줄이기 위해 듀티 사이클이 제안되었고 낮은 비동기식 듀티 사이클에서 각 센서 노드는 독립적으로 활성화되며 트래픽이 적은 경우에 에너지를 효율적으로 줄인다. 하지만 전송할 데이터가 증가하면 낮은 듀티 사이클로 인해 송신 노드는 수신 노드의 활성화 시간까지 많은 시간을 기다려야 한다. 이때 사용하는 에너지는 데이터 전송에 사용되는 에너지보다 크다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 전송 노드는 자신보다 잔여 에너지가 큰 이웃 노드에게 데이터를 전송하고 비활성상태로 전환되고 데이터를 모아 전송하는 OC-MAC 기법이 제안되었다. 하지만 OC-MAC 기법은 데이터를 위임할 이웃 노드 선택시 자신보다 잔여 에너지가 큰 노드들 중 잔여 에너지가 제일 적은 노드를 선택한다. 이에 따라 센서 노드들이 에너지를 균형있게 사용하지 못하는 문제점이 발생한다.
보다 구체적으로 설명하면, 무선 센서 네트워크에서 네트워크 시간 연장을 위해 센서 노드는 에너지를 절약해야 한다. 이를 위해 듀티 사이클 기법이 제안되었고 이는 센서 노드를 활성화 상태와 비활성화 상태로 나누어 상태를 변환함으로써 센서 노드의 에너지 사용을 줄인다(비특허문헌 1). 듀티 사이클이 적용된 센서 노드의 활성화 시간은 듀티에 의해 결정된다. 만약 듀티가 큰 경우 센서 노드는 대부분의 시간동안 활성화 되어 있다. 하지만 낮은 듀티가 적용된 경우 센서 노드는 대부분 비활성되어 있으며 센서 노드는 활성화되었을 경우에만 데이터를 수신받을 수 있기 때문에 듀티가 낮은 경우에 송신 노드는 수신 노드의 활성화시간까지 오랜 시간 기다려야 하는데 이 때 사용되는 에너지가 데이터 전송에 사용되는 에너지보다 크다.
상기와 같은 문제점으로 인해 OC-MAC(Opportunistic Cooperation MAC) 기법이 제안되었다. OC-MAC 기법은 송신 노드들 간에 기회적 데이터 협력을 통해 데이터를 이웃 노드에게 전송하고 자신은 비활성모드로 전환되어 에너지 소모를 줄인다. 하지만 데이터 협력에 참여할 센서 노드는 자신의 이웃 노드들 중 가장 적은 에너지를 갖는 센서 노드가 선택된다. 선택된 센서 노드는 전송받은 데이터와 자신의 데이터를 주변의 협력 센서 노드에게 전송하고 만약 더 이상 협력할 센서 노드가 없다면 수신 노드의 활성화 시간에 위임받은 데이터와 자신의 데이터를 전송한다.
하지만 전술한 바와 같이 OC-MAC 기법은 데이터를 위임할 이웃 노드 선택시 자신보다 잔여 에너지가 큰 노드들 중 잔여 에너지가 제일 적은 노드를 선택한다. 이에 따라 잔여 에너지가 적은 노드가 다시 에너지를 더 소비하게 되고, 잔여 에너지가 많은 노드는 에너지를 덜 소비하여, 센서 노드들이 에너지를 균형있게 사용하지 못한다. 결과적으로 센서 노드들 중 일부가 잔여 에너지가 존재하지 않게 된 경우에도, 센서 네트워크 설비의 특성상 일부 센서를 교체하는 것이 용이하지 않아 한정된 전력 자원을 갖음으로 결과적으로 전체 센서 네트워크의 수명이 줄어들게 되는 문제점이 있다.
한국 공개 특허 제 10-2009-0059291 호("사건에 따른 센서 네트워크 전원 관리 방법 및 센서네트워크 전원 관리 시스템", 한국전자통신연구원, 2009년 6월 11일 공개)
무선 센서 네트워크에서 중복 메시지 수신 회피를 통한 에너지 소비절감 매체 접근 제어, 한정안, 이문호, 한국데이타베이스학회, 정보기술과 데이타베이스 저널 제 12권 4호, pp.13 ~ 24, 2005.
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 이웃 노드 중 잔여 에너지가 큰 이웃 노드에게 데이터를 전송함으로 센서 노드의 에너지를 균형 있게 사용하고 무선 센서네트워크 수명을 연장할 필요성이 있다. 즉, 기존의 OC-MAC 기법을 기반으로 하되, 잔여 에너지가 많은 이웃 노드에게 데이터를 전송함으로 센서 노드의 에너지 사용을 줄여 무선 센서 네트워크의 수명을 오래 유지할 수 있다.
따라서, 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 OC-MAC 기법을 기반으로 하되, 잔여 에너지가 많은 이웃 노드에게 데이터를 전송함으로써 각각의 센서 노드들이 균형있게 에너지를 사용하도록 함으로서 전체 무선 센서 네트워크의 수명을 연장할 수 있는 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 OC-MAC 기법을 기반으로 하되, 잔여 에너지가 많은 이웃 노드에게 데이터를 전송함으로써 각각의 센서 노드들이 균형있게 에너지를 사용하도록 함으로서 전체 무선 센서 네트워크의 수명을 연장할 수 있는 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 시스템을 제공하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법은 제 1 센서 노드가 이웃 센서 노드들로 RTR(Request To Receiver) 메시지를 브로드 캐스팅하는 단계; 상기 RTR 메시지를 수신한 이웃 센서 노드들 중 잔여 에너지가 가장 많은 제 2 센서 노드가 상기 제 1 센서 노드로 CTR(Clear To Receiver)메시지를 전송하는 단계; 상기 CTR 메시지를 수신한 상기 제 1 센서 노드가 상기 제 2 센서 노드로 데이터를 전송하는 단계; 및 상기 제 2 센서 노드가 목적지 노드의 활성화 상태에 상기 제 1 센서 노드의 제 1 데이터 및 제 2 센서 노드의 제 2 데이터를 상기 목적지 노드로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 여기서, 상기 CTR 메시지를 전송하는 단계는 잔여 에너지가 가장 많은 센서 노드가 짧은 백오프(back off) 시간을 가지도록 상기 이웃 센서 노드들이 각각의 백오프 시간을 산출하는 단계; 및 상기 이웃 센서 노드들이 상기 백오프 시간이 경과한 후 상기 제 1 센서 노드로 CTR 메시지를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 백오프 시간을 산출하는 단계는 하기의 수학식을 기반으로 백오프 시간을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
백오프 시간 = ((자신의 잔여에너지 / (자신의 잔여에너지 + 협력통신을 요청한 센서 노드의 잔여에너지)) * 응답요청 대기시간)-1
여기서, 상기 제 2 센서 노드로 데이터를 전송하는 단계는 상기 제 1 센서 노드가 전송해야 할 데이터를 상기 제 2 센서 노드로 더 전송하는 것을 특징으로 할 수 있다.
전술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 시스템은 제 1 센서 노드로 부터 이웃 센서 노드들로 브로드 캐스팅된 RTR(Request To Receiver) 메시지를 수신하고 상기 RTR 메시지를 수신한 이웃 센서 노드들 중 잔여 에너지가 가장 많으며, 상기 제 1 센서 노드로 CTR(Clear To Receiver)메시지를 전송하는 제 2 센서 노드를 포함하되, 상기 CTR 메시지의 전송이 성공하면 상기 제 2 센서 노드는 상기 제 1 센서 노드로부터 제 1 데이터를 수신하고 목적지 노드의 활성화 상태에 상기 제 1 센서 노드의 제 1 데이터 및 제 2 센서 노드의 제 2 데이터를 상기 목적지 노드로 전송하는 것을 특징으로 할 수 있다. 여기서, 상기 제 2 센서 노드는 잔여 에너지가 가장 많은 센서 노드가 짧은 백오프(back off) 시간을 가지도록 백오프 시간을 산출하는 산출부; 및 상기 백오프 시간이 경과한 후 상기 제 1 센서 노드로 CTR 메시지를 전송하는 전송부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 여기서, 상기 산출부는 하기의 수학식을 기반으로 백오프 시간을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
백오프 시간 = ((자신의 잔여에너지 / (자신의 잔여에너지 + 협력통신을 요청한 센서 노드의 잔여에너지)) * 응답요청 대기시간)-1
여기서, 상기 제 1 센서 노드는 상기 제 1 센서 노드가 전송해야 할 데이터를 상기 제 2 센서 노드로 더 전송하는 것을 특징으로 할 수 있다.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법 및 장치에 따르면, 특정 센서 노드가 이웃 노드들 중 어느 한 노드에 데이터를 전송함에 있어서 잔여 에너지가 많은 노드에게 데이터를 전송할 수 있다. 이를 통해 각각의 센서 노드들이 에너지를 균형있게 사용할 수 있어 전체 센서 네트워크의 수명을 연장할 수 있다. 따라서 전체 센서 네트워크의 수명이 길어져 센서 노드들을 교체하기 위한 시간 및 비용을 크게 절감할 수 있다.
도 1은 OC-MAC 기법의 데이터 전송을 나타내는 개념도이다.
도 2는 센서 네트워크의 센서 노드 배치의 예시도이다.
도 3은 도 2와 같이 센서 노드가 배치되어 있을 때 OC-MAC 기법의 전송 과정을 나타내는 개념도이다.
도 4는 도 2와 같이 센서 노드가 배치되어 있을 때 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법의 전송 과정을 나타내는 개념도이다.
도 5 및 도 6은 각각 센서 네트워크의 토폴로지의 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법의 흐름도이다.
도 8은 도 7의 CTR 메시지 전송 단계의 상세 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
OC - MAC ( Opportunistic Cooperation MAC )기법
먼저, 하기에서 기존의 OC-MAC 기법을 보다 상세히 설명한다.
무선 센서 네트워크의 수명을 연장하기 위해 듀티 사이클이 제안되었고 이에 관련된 기법들이 연구되었다. 듀티 사이클에서 송신 노드는 데이터 전송을 위해 수신 노드의 활성화 시간까지 유휴 청취(idle listening) 상태로 기다린다. 낮은 듀티 사이클일 때 수신 노드의 활성화 상태까지 기다리는데 소모되는 에너지는 데이터 전송에 사용되는 에너지보다 크다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 비동기식 듀티 사이클에서 OC-MAC 기법은 송신 노드와 이웃 노드들의 협력 통신을 통해 에너지 사용을 줄인다.
도 1은 OC-MAC 기법의 데이터 전송을 나타내는 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 두 개의 송신 노드 b 및 c 는 데이터 전송을 위해 수신 노드인 a 가 일어나기를 기다린다. 센서 노드 c 는 자신의 데이터를 위임받을 이웃 노드를 찾기 위해 RTR(Request To Receiver) 메시지를 브로드 캐스팅한다. RTR 을 수신한 센서 노드 b는 자신의 잔여 에너지와 센서 노드 c의 잔여 에너지를 비교한다. 자신의 잔여 에너지가 요청 노드의 잔여 에너지보다 적을 경우에는 RTR 요청을 무시하고 자신이 갖고 있는 데이터를 위임하기 위해 RTR 메시지를 브로드 캐스팅하게 된다. 만약 자신의 잔여 에너지가 요청 노드의 잔여 에너지보다 클 경우에는 하기의 수학식 1에 의해 산출되는 백오프(backoff) 만큼 기다렸다가 데이터 위임을 허락하는 CTR(Clear To Receiver) 메시지를 전송한다.
Figure 112012059480801-pat00001
CTR 메시지를 수신받은 센서 노드 c는 자신의 데이터를 센서 노드 b에게 전송하고 비활성화 상태로 전환하여 에너지 소모를 절약한다. 센서 노드 b는 자신의 데이터와 전송받은 센서 노드 c의 데이터를 위임하기 위해 RTR 메시지를 브로드 캐스팅한다. 이 과정은 더 이상 협력해 줄 이웃 노드가 없을 때까지 반복되게 되며 수신 노드 a가 일어났을 경우 데이터를 전송한다.
센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법
본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법은 특정 센서 노드가 자신의 데이터를 이웃 노드들 중 적어도 어느 하나에 위임함에 있어서 전술한 OC-MAC 기법과 같이 가장 적은 잔여 에너지값을 갖는 센서 노드가 아닌, 잔여 에너지가 많은 센서 노드에게 데이터를 전송하여 센서 노드의 에너지 사용을 균형있게 사용할 수 있다.
도 2는 센서 네트워크의 센서 노드 배치의 예시도이고, 도 3은 도 2와 같이 센서 노드가 배치되어 있을 때 OC-MAC 기법의 전송 과정을 나타내는 개념도이다. 또한 도 4는 도 2와 같이 센서 노드가 배치되어 있을 때 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법의 전송 과정을 나타내는 개념도이다. 도 3 내지 도 4에서 R은 RTR 을 의미하고 C 는 CTR, A 는 ACK, B 는 Beacon 메시지를 의미한다.
도 2에서 원 안의 수는 잔여 에너지를 뜻한다. 센서 노드 a 는 소스 노드이며 센서 노드 d 는 목적지 노드이다. 도 2의 환경에서 도 3은 OC-MAC 기법의 전송과정이다. 전송할 데이터가 발생한 센서 노드 a 는 RTR 메시지를 브로드 캐스팅함으로써 협력 통신을 요청하고 상기 브로드 캐스팅된 RTR 메시지를 수신한 센서 노드 c 및 b 는 상기 수학식 1에 의해 산출된 시간만큼 백오프(backoff) 뒤 CTR 메시지를 전송한다. 수학식 1 에 의해 잔여 에너지가 적은 센서 노드 b 가 c 보다 먼저 a 에게 CTR 메시지를 전송한다. CTR 을 수신한 센서 노드 a 는 자신의 데이터(DATA 1)를 센서 노드 b 에게 전송한다. 이 후 센서 노드 b 는 협력 요청을 위해 RTR 을 브로드 캐스팅하고 이를 수락한 센서 노드 c 는 센서 노드 a 의 데이터(DATA 1)와 센서 노드 b 의 데이터(DATA 2)를 전송받는다. 이후 목적지 노드 d 가 활성화되었을 때 센서 노드 c는 자신이 갖고 있는 데이터(DATA 3)와 센서 노드 a의 데이터(DATA 1) 및 센서 노드 b 의 데이터(DATA 2)를 모두 전송한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법의 전송 과정은 도 4에 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법은 CTR 을 보내는 백오프(backoff) 시간을 하기의 수학식 2 와 같이 수학식 1 에 역수를 취해 구할 수 있다.
Figure 112012059480801-pat00002
상기 수학식 2를 기반으로 할 경우, 이웃 노드들 중 잔여 에너지가 가장 큰 센서 노드가 먼저 CTR 을 전송한다. 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명하면, 데이터를 위임하길 원하는 센서 노드 a 는 기존 방법과 같이 RTR을 브로드 캐스팅한다. 이를 수신한 센서 노드 c 및 센서 노드 b 는 상기 수학식 2를 기반으로 잔여 에너지가 큰 센서 노드 c 가 CTR 을 센서 노드 b 보다 먼저 상기 센서 노드 a로 전송한다. 이를 수신한 센서 노드 a 는 자신의 데이터(DATA 1)를 센서 노드 c 에게 전송한다. 이후 센서 노드 b 는 센서 노드 c 에게 데이터를 전송하는데 기존의 OC-MAC 기법에서는 데이터(DATA 1) 과 데이터(DATA 2)를 두 번 전송하지만, 이와 다르게 자신의 데이터(DATA 2)만 전송하므로 데이터 전송 횟수를 줄일 수 있다. 무선 센서네트워크에서 데이터 전송에 사용되는 에너지 비용은 크며 전송 횟수를 줄인다면 센서 노드는 에너지를 절약할 수 있다.
기존의 OC-MAC 기법은 이웃 노드 중 적은 잔여 에너지를 갖는 노드에게 데이터를 전달한 다음 잔여 에너지가 큰 노드에게 순차적으로 데이터를 전달하게 된다. 하지만 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법에 따르면 잔여 에너지가 큰 노드에게 데이터를 바로 전달하게 되어 중간 노드들의 전송 횟수를 줄일 수 있다. 데이터 전송시 에너지 1 이 소모된다고 가정하면, 기존의 OC-MAC 기법에서 센서 노드 b 는 데이터 전송에 2 의 에너지를 사용하지만 본 발명의 일 실시예에서는 전송 횟수가 줄어 1 만의 에너지를 사용한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법의 흐름도이고, 도 8은 도 7의 CTR 메시지 전송 단계의 상세 흐름도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 네트워크에서의 데이터 전송에 있어서, 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법은 먼저 제 1 센서 노드가 이웃 센서 노드들로 RTR(Request To Receiver) 메시지를 브로드 캐스팅할 수 있다(S710). 즉, 복수의 센서 노드들 중 특정 센서 노드를 의미하는 제 1 센서 노드는 자신의 데이터를 전송할 이웃 센서 노드를 검색하기 위해, 주변의 이웃 센서 노드들로 데이터의 전송을 받을 준비가 되어있는지 여부를 묻는 RTR 메시지를 브로드 캐스팅할 수 있다. 도 2를 참조하여 예를 들어 설명하면, 데이터를 위임하길 원하는 특정 센서 노드 a는 RTR 메시지를 이웃 센서 노드들인 센서 노드 b 및 센서 노드 c로 브로드 캐스팅할 수 있다.
이후, 상기 RTR 메시지를 수신한 이웃 센서 노드들 중 잔여 에너지가 가장 많은 제 2 센서 노드가 상기 제 1 센서 노드로 CTR(Clear To Receiver)메시지를 전송할 수 있다(S720). 상기 제 1 센서 노드가 브로드 캐스팅한 RTR 메시지를 수신한 이웃 센서 노드들 중 상기 제 1 센서 노드의 데이터를 수신하고자 하는 센서 노드는 상기 제 1 센서 노드로 CTR 메시지를 전송하여 상기와 같은 데이터 수신 의사를 표시할 수 있다. 여기서, 상기 CTR 메시지를 전송하는 단계(S720)는 잔여 에너지가 가장 많은 센서 노드가 짧은 백오프(back off) 시간을 가지도록 상기 이웃 센서 노드들이 각각의 백오프 시간을 산출하는 단계(S721) 및 상기 이웃 센서 노드들이 상기 백오프 시간이 경과한 후 상기 제 1 센서 노드로 CTR 메시지를 전송하는 단계(S723)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 2를 참조하여 예를 들어 설명하면, 제 1 센서 노드(도 2에서 센서 노드 a)는 이웃 센서 노드들(도 2에서 센서 노드 b 및 센서 노드 c)로 RTR 메시지를 전송할 수 있다. 여기서, 상기 RTR 메시지를 수신한 이웃 센서 노드 b 및 이웃 센서 노드 c는 잔여 에너지가 가장 많은 센서 노드가 짧은 백오프 시간을 가지도록 각각의 백오프 시간을 산출할 수 있다(S721). 여기서, 상기 백오프 시간 산출 단계(S721)는 전술한 수학식 2를 기반으로 백오프 시간을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기와 같이 수학식 2를 기반으로 백오프 시간을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기와 같이 수학식 2를 기반으로 백오프 시간을 산출할 경우 더 큰 잔여 에너지를 가지고 있는 센서 노드가 더 짧은 백오프 시간을 가지도록 상기 센서 노드의 백오프 시간을 산출할 수 있다.
이후, 상기 센서 노드 b 및 센서 노드 c는 각각 상기 산출된 백오프 시간이 경과한 후 상기 제 1 센서 노드(도 2에서 센서 노드a)로 CTR 메시지를 전송할 수 있다. 여기서, 상기 수학식 2를 기반으로 백오프 시간을 산출한 경우, 잔여 에너지를 많이 가지고 있는 센서 노드의 백오프 시간이 더 짧게 산출되므로 센서 노드 c의 백오프 시간이 더 짧고, 센서 노드 c가 센서 노드 b보다 먼저 상기 제 1 센서 노드(도 2에서 센서 노드 a)로 CTR 메시지를 전송할 수 있다. 따라서, 상기 센서 노드 c가 도 2에서 제 2 센서 노드가 된다.
이후, 상기 CTR 메시지를 수신한 상기 제 1 센서 노드가 상기 제 2 센서 노드로 데이터를 전송할 수 있다(S730). 도 2를 참조하여 예를 들어 설명하면, 상기 제 2 센서 노드(도 2에서 센서 노드 c)로부터 CTR 메시지를 수신한 제 1 센서 노드(도 2에서 센서 노드 a)는 센서 노드 a 자신의 데이터(DATA 1)를 상기 제 2 센서 노드(도 2에서 센서 노드 c)로 전송할 수 있다.
상기에서, 특정 센서 노드를 의미하는 제 1 센서 노드가 도 2에서 센서 노드 a인 경우만을 설명하였으나, 각각의 센서 노드는 제 1 센서 노드로서 주변의 센서 노드로 자신의 데이터를 각각 전송할 수 있다.
이후, 상기 제 2 센서 노드가 목적지 노드의 활성화 상태에 상기 제 1 센서 노드의 제 1 데이터 및 제 2 센서 노드의 제 2 데이터를 상기 목적지 노드로 전송할 수 있다(S740). 즉, 비동기식 듀티 사이클 기법에서 최종적으로 데이터를 수신하고자 하는 목적지 노드가 활성화 상태에 도달하면, 상기 제 2 센서 노드는 자신의 데이터인 제 2 데이터 및 제 1 센서 노드로부터 수신한 제 1 센서 노드의 제 1 데이터를 상기 목적지 노드로 전송할 수 있다. 여기서, 상기 제2 센서 노드로 데이터를 전송하는 단계(S740)는 상기 제 1 센서 노드가 전송해야 할 데이터를 상기 제 2 센서 노드로 더 전송하는 것을 특징으로 할 수 있다. 여기서 더 전송해야 할 데이터는 상기 제 1 센서 노드가 다른 센서 노드로부터 미리 수신한 데이터를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하여 예를 들어 설명하면, 목적지 노드(도 2에서 센서 노드 d)가 활성화 상태가 되면, 제 2 센서 노드(도 2에서 센서 노드 c)는 상기 목적지 노드로 상기 제 1 센서 노드(도 2에서 센서 노드 a)로부터 수신한 제 1 데이터 및 상기 제 2 센서 노드의 제 2 데이터를 전송할 수 있다(S740). 또한, 상기 제 2 센서 노드(도 2에서 센서 노드 c)는 센서 노드 b로부터 수신한 센서 노드 b의 데이터를 상기 목적지 노드로 더 전송할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법은 밀도가 높은 환경일수록 좋은 성능을 보인다. 하기의 예는 이를 증명한다.
도 5 및 도 6은 각각 센서 네트워크의 토폴로지의 예시도이다.
도 5 및 도 6에서 센서 노드 e 가 목적지 노드이며 센서 노드 b, c, d 는 활성화 되어 있으며 전송할 데이터를 가지고 있다고 가정한다. 이 때, OC-MAC 기법은 도 5에 도시된 바와 같이 데이터를 전송하고 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 방법은 도 6에 도시된 바와 같이 데이터를 전송할 수 있다.
OC-MAC 기법에서는 센서 노드 a가 RTR 및 CTR 을 통해 센서 노드 d에게 자신의 데이터를 전송할 수 있고 센서 노드 d 는 자신의 데이터와 센서 노드 a의 데이터를 센서 노드 b 에게 전송할 수 있다. 데이터를 수신한 센서 노드 b 는 상기 과정과 같이 센서 노드c 에게 데이터를 전송하고 목적지 노드인 e 가 활성화되었을 때 a, b, c, d의 데이터를 e 에게 전송하여 총 10 번의 전송 횟수가 발생한다. 하지만 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 방법은 도 6에 도시된 바와 같이 센서 노드 a, b, d 가 c 에게 데이터를 전송하게 되어 총 7 번의 전송 횟수가 발생하여 3 번의 전송 횟수를 줄일 수 있다.
상기에서 적은 개수의 센서 노드가 존재하는 경우만을 예로 들었지만 더 많은 센서 노드가 존재하여 센서 노드의 밀도가 높아지고, 이웃 노드의 수가 증가하는 경우에는 중간 노드들의 데이터 전달 전송 횟수가 더 큰 폭으로 감소할 수 있다. 이는 센서 노드의 에너지 사용을 줄여 네트워크 수명을 연장할 수 있다. 또한 잔여 에너지가 적은 센서 노드가 데이터 전달에 참여하여 에너지를 소모하지 않고 잔여 에너지가 큰 센서 노드가 데이터를 바로 전달받으므로 센서 노드의 에너지를 균형 있게 사용할 수 있다.
비동기식 듀티 사이클 무선 센서 네트워크 환경에서 센서 노드는 데이터를 전송하기 위해 긴 시간을 기다려야 하고 이 때 소모되는 에너지는 데이터 전송에 사용하는 에너지보다 크다. 전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 방법은 이를 해결하기 위해 데이터 협력 기법을 제안하는 OC-MAC 기법에서 이웃 노드 중 잔여 에너지가 큰 센서 노드가 데이터 위임에 참여하므로 에너지를 균형있게 사용할 수 있다.
센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 시스템
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 시스템(900)은 제 1 센서 노드(910), 제 2 센서 노드(920), 이웃 센서 노드(920-1, 920-2) 및 목적지 노드(930)를 포함할 수 있다.
제 1 센서 노드(910)는 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템에 포함된 복수의 센서 노드들 중 특정 센서 노드를 의미한다. 여기서, 상기 제 1 센서 노드(910)는 이웃 센서 노드들(920, 920-1, 920-2)로 RTR(Request To Receiver) 메시지를 브로드 캐스팅하고 제 2 센서 노드(920)로부터 CTR(Clear to Receiver) 메시지를 수신하면 상기 제 2 센서 노드(920)로 데이터를 전송할 수 있다.
여기서, 상기 제 2 센서 노드(920)는 상기 제 1 센서 노드(910)의 이웃 센서 노드들(920, 920-1, 920-2) 중에서 가장 잔여 에너지가 많은 센서 노드를 의미한다. 상기 제 2 센서 노드(920)는 상기 RTR 메시지를 수신한 이웃 센서 노드들(920, 920-1, 920-2) 중 잔여 에너지가 가장 많으며, 상기 제 1 센서 노드(910)로 CTR(Clear To Receiver) 메시지를 전송할 수 있다. 여기서, 상기 제 2 센서 노드(920)는 잔여 에너지가 가장 많은 센서 노드가 짧은 백오프(back off) 시간을 가지도록 백오프 시간을 산출하는 산출부(921) 및 상기 백오프 시간이 경과한 후 상기 제 1 센서 노드로 CTR 메시지를 전송하는 전송부(923)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 산출부(921)는 전술한 수학식 2를 기반으로 백오프 시간을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다. 따라서, 이웃 센서 노드들(920, 920-1, 920-2) 중 잔여 에너지가 가장 많은 센서 노드가 제 2 센서 노드(920)가 될 수 있다.
전술한 바와 같이, 결과적으로 상기 제 2 센서 노드(920)는 상기 제 2 센서 노드(920)의 데이터 및 상기 제 1 센서 노드(910)의 데이터를 전부 가지게 된다. 상기 제 2 센서 노드(920)는 상기 목적지 노드(930)의 활성화 상태에 상기 목적지 노드(930)로 상기 제 1 센서 노드(910) 및 제 2 센서 노드(920)의 데이터를 전송할 수 있다. 또한, 상기 제 1 센서 노드(910)는 상기 제 1 센서 노드(910)가 전송해야 할 데이터를 상기 제 2 센서 노드(930)로 더 전송하는 것을 특징으로 할 수 있다. 여기서 상기 전송해야 할 데이터는 상기 제 1 센서 노드(910)가 다른 센서 노드로부터 미리 수신한 데이터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 시스템(900)의 구체적인 작동은 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 방법에 따른다.

Claims (8)

  1. 복수 개의 센서 노드가 공존하는 센서 네트워크에서 복수 개의 센서 노드로부터 하나의 목적지 노드로의 데이터 전송 방법에 있어서,
    제 1 센서 노드가 복수 개의 이웃 센서 노드들로 RTR(Request To Receiver) 메시지를 브로드 캐스팅하는 단계;
    상기 RTR 메시지를 수신한 상기 복수 개의 이웃 센서 노드들 중 잔여 에너지가 가장 많은 제 2 센서 노드가 상기 제 1 센서 노드로 CTR(Clear To Receiver)메시지를 전송하는 단계;
    상기 CTR 메시지를 수신한 상기 제 1 센서 노드가 상기 제 2 센서 노드로 목적지 노드로 전송될 제 1 데이터를 전송하는 단계;
    상기 복수 개의 이웃 센서 노드들 중 상기 제 2 센서 노드를 제외한 적어도 하나의 나머지 이웃 센서 노드가 RTR 메시지 및 CTR 메시지를 송수신하여 상기 제 2 센서 노드로 상기 목적지 노드로 전송될 적어도 하나의 제 3 데이터를 각각 전송하는 단계; 및
    상기 제 2 센서 노드가 상기 제 1 데이터, 제 2 센서 노드의 제 2 데이터 및 상기 적어도 하나의 제 3 데이터를 취합하였다가 상기 목적지 노드의 활성화 상태에 상기 목적지 노드로 전송하는 단계를 포함하되,
    상기 제 2 센서 노드로 데이터를 전송한 센서 노드들은 전송 이후 비활성화 상태로 전환하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 CTR 메시지를 전송하는 단계는
    잔여 에너지가 많은 센서 노드일수록 짧은 백오프(back off) 시간을 가지도록 상기 이웃 센서 노드들이 각각의 백오프 시간을 산출하는 단계; 및
    상기 이웃 센서 노드들이 상기 백오프 시간이 경과한 후 상기 제 1 센서 노드로 CTR 메시지를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 백오프 시간을 산출하는 단계는
    하기의 수학식을 기반으로 백오프 시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법.
    백오프 시간 = ((자신의 잔여에너지 / (자신의 잔여에너지 + 협력통신을 요청한 센서 노드의 잔여에너지)) * 응답요청 대기시간)-1
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 센서 노드로 목적지 노드로 전송될 제 1 데이터를 전송하는 단계는
    상기 제 1 센서 노드가 전송해야 할 데이터를 상기 제 2 센서 노드로 더 전송하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 방법.
  5. 복수 개의 센서 노드가 공존하는 센서 네트워크에서의 복수 개의 센서 노드로부터 하나의 목적지 노드로의 데이터 전송 시스템에 있어서,
    복수 개의 이웃 센서 노드들로 RTR(Request To Receiver) 메시지를 브로드캐스팅하며 목적지 노드로 전송될 제 1 데이터를 제 2 센서 노드로 전송하는 제 1 센서 노드;
    상기 브로드 캐스팅한 RTR 메시지를 수신하고 상기 RTR 메시지를 수신한 복수 개의 이웃 센서 노드들 중 잔여 에너지가 가장 많으며, 상기 제 1 센서 노드로 CTR(Clear To Receiver)메시지를 전송하는 제 2 센서 노드; 및
    상기 복수 개의 이웃 센서 노드들 중 상기 제 2 센서 노드를 제외한 이웃 센서 노드로서, RTR 메시지 및 CTR 메시지를 상기 제 2 센서 노드와 송수신하여 상기 제 2 센서 노드로 상기 목적지 노드로 전송될 적어도 하나의 제 3 데이터를 각각 전송하는 적어도 하나의 나머지 이웃 센서 노드를 포함하되,
    상기 제 2 센서 노드는 상기 제 1 데이터, 상기 제 2 센서 노드의 제 2 데이터 및 상기 적어도 하나의 제 3 데이터를 취합하였다가 상기 목적지 노드의 활성화 상태에 상기 목적지 노드로 전송하고,
    상기 제 2 센서 노드로 데이터를 전송한 센서 노드들은 전송 이후 비활성화 상태로 전환하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 센서 노드는
    잔여 에너지가 많은 센서 노드일수록 짧은 백오프(back off) 시간을 가지도록 백오프 시간을 산출하는 산출부; 및
    상기 백오프 시간이 경과한 후 상기 제 1 센서 노드로 CTR 메시지를 전송하는 전송부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 산출부는
    하기의 수학식을 기반으로 백오프 시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 시스템.
    백오프 시간 = ((자신의 잔여에너지 / (자신의 잔여에너지 + 협력통신을 요청한 센서 노드의 잔여에너지)) * 응답요청 대기시간)-1
  8. 제 5항에 있어서, 상기 제 1 센서 노드는
    상기 제 1 센서 노드가 전송해야 할 데이터를 상기 제 2 센서 노드로 더 전송하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 에너지 절약을 위한 데이터 전송 시스템.
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