KR101564175B1 - 긴 센싱 주기를 가지는 센서 네트워크에서 3단계 듀티 사이클을 적용한 저전력 mac 통신 방법 - Google Patents

긴 센싱 주기를 가지는 센서 네트워크에서 3단계 듀티 사이클을 적용한 저전력 mac 통신 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법은, 각 노드는 휴면 상태, 보조 휴면 상태 및 보조 활동 상태를 포함하는 3단계 듀티 사이클로 동작하며, 상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드가 비콘 신호를 수신 노드로 전달하는 단계; 상기 수신 노드로부터 상기 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 송신하기 위하여 준비하는 단계; 상기 데이터를 송신하기 위한 준비가 완료됨에 따라, 상기 보조 활동 상태의 주기에 대응하는 프리앰블 신호를 전송하여 수신 노드와 연결을 수립하는 단계; 상기 연결이 수립된 수신 노드로 데이터를 전송하는 단계; 및 상기 데이터의 전송이 완료됨에 따라 상기 송신 노드와 상기 수신 노드간 동기화 작업을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

긴 센싱 주기를 가지는 센서 네트워크에서 3단계 듀티 사이클을 적용한 저전력 MAC 통신 방법{A LOW POWER MAC PROTOCOL BASED ON 3 PHASE DUTY CYCLE WITH LONG SENSING PERIOD IN WIRELESS SENSOR NETWORK}
아래의 설명은 센서 네트워크에서 발생하는 소모 전력을 감소시키고 지연 시간 문제를 해결하기 위한 기술에 관한 것이다.
센서 네트워크의 통신 방식은 일반적으로 소모 전력 감소를 위하여 주기적으로 휴면 상태 및 활동 상태를 반복하는 듀티 사이클을 적용하여 동작하게 된다. 이 과정에서 통신을 위하여 노드간 통신 연결 수립하는 준비과정이 필요하다. 비동기 기반 방식의 경우 프리앰블 전송 및 저전력 리슨 등의 작업이 필요하고, 동기 기반의 방식의 경우 지속적으로 동기화를 맞춰주는 준비 작업이 필요하다. 각 노드들은 항상 준비 작업을 수행하며 통신을 해야할 경우에 통신을 진행하게 된다.
종래의 방식의 경우 센싱 데이터가 발생하지 않는 구간에서도 잦은 빈도로 통신 준비 작업을 수행하게 된다. 이 시간 동안 통신 준비 작업을 지속적으로 수행하는 것은 매우 비효율적이다. 따라서 통신 준비 작업 및 동기화 작업을 센서 노드의 동작 주기에 맞추어 한번에 진행하고 이 과정에서 에너지 절약을 달성할 수 있는 방식을 제안할 필요가 있다.
또한, 센서 네트워크에서 또 다른 문제점은 에너지 절약을 위하여 통신을 준비하는 주기가 길어질 경우 큰 지연이 발생하게 된다는 점이다. 이런 문제를 해결하기 위하여 다양한 방법이 제안되어 있으나, 정확한 동기화가 필요하다는 점, 클락 드리프트 문제를 고려하지 않은 점 때문에 정상적으로 동작하기 힘든 점이 있다. 이에 따라 긴 주기로 동작하는 응용에서 클락 드리프트 문제에도 문제없이 동작할 수 있는 통신 방식을 제안하고자 한다.
선행기술문헌: <대한민국 공개특허공보 제10-2011-0069072호>
본 발명은 클락 드리프트 문제, 에너지 및 지연시간 문제를 해결하기 위한 저전력 MAC 통신 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법은, 각 노드는 휴면 상태, 보조 휴면 상태 및 보조 활동 상태를 포함하는 3단계 듀티 사이클로 동작하며, 상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드가 비콘 신호를 수신 노드로 전달하는 단계; 상기 수신 노드로부터 상기 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 송신하기 위하여 준비하는 단계; 상기 데이터를 송신하기 위한 준비가 완료됨에 따라, 상기 보조 활동 상태의 주기에 대응하는 프리앰블 신호를 전송하여 수신 노드와 연결을 수립하는 단계; 상기 연결이 수립된 수신 노드로 데이터를 전송하는 단계; 및 상기 데이터의 전송이 완료됨에 따라 상기 송신 노드와 상기 수신 노드간 동기화 작업을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드가 비콘 신호를 수신 노드로 전달하는 단계는, 상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드가 보조 듀티 사이클을 시작하고, 상기 송신 노드와 상기 수신 노드의 상태를 공유하기 위한 제1 비콘 신호 및 제2 비콘 신호를 상기 수신 노드로 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 수신 노드로부터 상기 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 송신하기 위하여 준비하는 단계는, 상기 수신 노드가 상기 송신 노드 보다 먼저 휴면 상태로부터 깨어난 경우, 상기 수신 노드로부터 제1 비콘 신호에 대한 응답을 수신하는 단계; 및 상기 제1 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 상기 수신 노드가 보조 듀티 사이클을 진행 중임을 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 수신 노드로부터 상기 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 송신하기 위하여 준비하는 단계는, 상기 송신 노드가 상기 수신 노드 보다 먼저 휴면 상태로부터 깨어난 경우, 상기 수신 노드로부터 상기 제1 비콘 신호에 대한 응답을 수신하지 못하는 단계; 상기 수신 노드로부터 상기 제1 비콘 신호에 대한 응답을 수신하지 못함에 따라 상기 수신 노드가 휴면 상태에 있음을 판단하는 단계; 및 상기 수신 노드가 휴면 상태로부터 깨어날 때까지 보조 휴면 상태에서 대기하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 수신 노드로부터 상기 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 송신하기 위하여 준비하는 단계는, 상기 휴면 상태로부터 깨어난 수신 노드로부터 상기 제2 비콘 신호에 대한 응답을 수신하는 단계; 및 상기 제2 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 상기 수신 노드가 보조 듀티 사이클을 진행 중임을 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 데이터의 전송이 완료됨에 따라 상기 송신 노드와 상기 수신 노드간 동기화 작업을 수행하는 단계는, 상기 송신 노드와 상기 수신 노드간 상기 동기화 작업을 위한 파워 사이클 상태로 보조 듀티 사이클 상태를 유지하는 단계; 및 상기 송신 노드와 상기 수신 노드간 패킷 교환을 통하여 동기화 작업을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법은, 상기 송신 노드와 상기 수신 노드간 동기화 작업을 수행한 후, 미리 정해진 시간 동안 휴면 상태로 존재하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법은, 각 노드는 휴면 상태, 보조 휴면 상태 및 보조 활동 상태를 포함하는 3단계 듀티 사이클로 동작하며, 상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드로부터 비콘 신호를 수신하는 단계; 상기 비콘 신호에 대한 응답을 상기 송신 노드로 전달함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 상기 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 수신하기 위하여 준비하는 단계; 상기 데이터를 수신하기 위한 준비가 완료됨에 따라, 상기 프리앰블 신호를 수신하여 상기 송신 노드와 연결을 수립하는 단계; 상기 연결이 수립된 송신 노드로부터 데이터를 수신하는 단계; 및 상기 데이터의 수신이 완료됨에 따라 상기 송신 노드와 상기 수신 노드간 동기화 작업이 수행되는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드로부터 비콘 신호를 수신하는 단계는, 상기 송신 노드와 상기 수신 노드의 상태를 공유하기 위한 제1 비콘 신호 또는 제2 비콘 신호를 보조 듀티 사이클을 진행 중인 상기 송신 노드로 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 비콘 신호에 대한 응답을 상기 송신 노드로 전달함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 상기 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 수신하기 위하여 준비하는 단계는, 상기 수신 노드가 상기 송신 노드 보다 먼저 휴면 상태로부터 깨어난 경우, 상기 송신 노드로 제1 비콘 신호에 대한 응답을 송신하는 단계; 및 상기 제1 비콘 신호에 대한 응답을 송신함에 따라 상기 송신 노드에게 상기 수신 노드가 보조 듀티 사이클을 진행 중임을 알리는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 비콘 신호에 대한 응답을 상기 송신 노드로 전달함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 상기 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 수신하기 위하여 준비하는 단계는, 상기 송신 노드가 상기 수신 노드 보다 먼저 휴면 상태로부터 깨어난 경우, 상기 송신 노드로 상기 제1 비콘 신호에 대한 응답을 송신하지 못하는 단계; 및 상기 송신 노드로 상기 제1 비콘 신호에 대한 응답을 송신하지 못함에 따라 상기 송신 노드에게 상기 수신 노드가 휴면 상태에 있음을 알리는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 수신 노드로부터 상기 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 송신하기 위하여 준비하는 단계는, 상기 휴면 상태로부터 깨어난 수신 노드로부터 상기 송신 노드로 상기 제2 비콘 신호에 대한 응답을 송신하는 단계; 및 상기 제2 비콘 신호에 대한 응답을 송신함에 따라 상기 송신 노드에게 상기 수신 노드가 보조 듀티 사이클을 진행 중임을 알리는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 장치는, 각 노드는 휴면 상태, 보조 휴면 상태 및 보조 활동 상태를 포함하는 3단계 듀티 사이클로 동작하며, 상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드가 비콘 신호를 수신 노드로 전달하는 비콘 송신부; 상기 수신 노드로부터의 상기 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 상기 보조 휴면 상태와 상기 보조 활동 상태를 반복하는 파워 사이클을 적용하여 데이터를 송신하기 위하여 준비하고, 상기 보조 활동 상태의 주기에 대응하는 프리앰블 신호를 전송하여 수신 노드와 연결을 수립하는 프리앰블 신호부; 및 상기 연결이 수립된 수신 노드로 데이터를 전송하고, 상기 데이터의 전송이 완료됨에 따라 상기 송신 노드와 상기 수신 노드간 동기화 작업을 수행하는 동기화부를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 비콘 송신부는, 상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드에서 보조 듀티 사이클을 시작하고, 상기 송신 노드와 상기 수신 노드의 상태를 공유하기 위한 제1 비콘 신호 및 제2 비콘 신호를 상기 수신 노드로 전달할 수 있다.
일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 저전력 MAC 통신 방법은 3단계 듀티 사이클을 적용하고, Wake up 비콘 신호를 사용함으로써 통신 과정에 드는 에너지를 획기적으로 줄일 수 있으며, 동시에 지연 시간을 단축시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 3단계 듀티 사이클 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 장치의 지연 시간을 단축시키는 동작을 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 장치의 보조 듀티 사이클의 동작을 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 저전력 통신 장치의 송신 노드의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 저전력 통신 장치의 수신 노드의 동작을 나타낸 흐름도이다.
이하, 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 3단계 듀티 사이클 방식을 설명하기 위한 도면이다.
센서 네트워크에서 저전력 통신 장치는 송신 노드와 수신 노드의 동작을 통하여 통신이 이루어질 수 있으며, 데이터 발생 주기가 매우 긴 상황에서 에너지 소모를 줄이기 위하여 동기 기반 방식을 이용하여 통신을 진행할 수 있다.
도 1a와 같이 센서 노드(110, 111)의 동작 주기에 맞추어 통신이 필요 없는 기간 동안에는 통신 준비 작업을 하거나 동기화를 진행하는 것은 매우 비효율적이다. 센서 노드(110, 111)가 정보를 전달할 필요가 생겼을 경우, 이 작업을 한번에 진행하도록 할 수 있다. 하지만, 도 1a와 같이 통신 준비 작업 및 동기화 작업을 잦은 빈도로 하지 않고, 센서 노드(110, 111)의 동작 주기에 맞추어 한번에 진행하는 경우, 통신 작업 및 동기화를 1회 진행하는데 드는 비용이 증가할 수 있다.
도 1b와 같이 센서 노드 간(120, 121) 동기화를 자주하지 않은 경우, 클락 드리프트가 심하게 발행하게 되고, 클락 드리프트를 보정하기 위하여 오랜 시간 동안 활동 상태를 유지해야 한다. 이에 따라 도 1c에서는 길어진 활동 시간에서 소모하는 에너지를 줄이기 위하여 3단계 듀티 사이클을 제안할 수 있다.
도 1c은 센서 노드(130, 131)의 기존의 활동 상태를 보조 휴면 상태(Sub-Sleep State) 및 보조 활동 상태(Sub-Active State)로 나누어서 {휴면 상태, 보조 휴면 상태, 보조 활동 상태}의 3단계 듀티 사이클로 동작하도록 할 수 있다. 도 1c과 같이 활동 상태에서 보조 듀티 사이클을 적용함으로써, 대부분의 활동 상태 시간을 휴면 상태에 존재하게 하여 에너지 절약을 달성할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 장치의 지연 시간을 단축시키는 동작을 나타낸 도면이다.
동기화 주기가 길어지면서 1회 동기화를 진행할 때 발생한 클락 드리프트는 증가하게 된다. 이에 따라 송신 노드와 수신 노드가 서로 깨어나는 시간을 예측하기가 어려워지고, 통신 준비 작업에 소요되는 시간이 증가될 수 있다.
클락 드리프트에 의해서 어긋나는 시간 동안 노드가 계속 활동 상태에 존재하게 되면 많은 에너지를 소모하게 된다. 에너지 소모는 송신 노드가 먼저 깨어나는 경우와 수신 노드가 먼저 깨어나는 두 가지 경우로 나누어 볼 수 있다. 각각의 경우, 다른 에너지 소모 양상을 보이게 되므로, 각각의 경우에 따른 고려를 해주지 않으면 심각한 에너지 낭비가 발생하게 된다. 본 발명에서는 두 가지 발생 경우에서 모두 저전력으로 동작하는 방법을 제안한다.
각 노드가 깨어나면서 노드 간에 비콘 신호를 전송함으로써 서로의 듀티 사이클 상태를 공유할 수 있다. 각 노드간 듀티 사이클 상태 정보를 이용하여 상황에 따른 적합한 동작을 수행함으로써 에너지 절약을 달성할 수 있다. 이때, 에너지 절약을 위하여 센서 노드의 동기화 및 준비 작업의 주기를 늘리게 되면, 지연 시간이 커지는 문제가 발생할 수 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 도 2와 같이 통신 노드가 한번 활동 상태에 들어가게 되면 보조 듀티 사이클 내에서 여러 번의 전송이 1회의 활동 상태 동안 모두 이루어지도록 하여 전체 지연 시간을 줄일 수 있게 한다. 활동 상태에서 보조 듀티 사이클을 적용하여 보조 듀티 사이클 내에서는 매우 빠른 빈도로 데이터 전송을 가능하게 하여 전체 지연 시간을 낮출 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 장치의 보조 듀티 사이클의 동작을 나타낸 도면이다.
휴면 상태에서 깨어난 센서 노드들은 보조 듀티 사이클 상태로 동작할 수 있다. 도 3a는 기본적인 보조 듀티 사이클의 동작을 나타낸 것으로, Node A(310)을 송신 노드, Node B(311)을 수신 노드라고 가정하여 설명하기로 한다. 이때, 각 노드들은 상황에 따라 송신 노드 또는 수신 노드가 되어 상황에 맞는 역할을 수행할 수 있다.
송신 노드(310) 및 수신 노드(311)는 보조 듀티 사이클 동안 에너지를 효율적으로 사용하기 위해 짧은 주기로 라디오를 끄는 보조 휴면(Sub-Sleep)과 라디오를 켜는 보조 활동(Sub-Active)을 반복하는 파워 사이클(Power Cycle)을 적용하여 데이터를 송신하거나 수신할 준비를 한다. 이때, 모든 노드들은 주기적으로 짧은 시간의 보조 활동 상태 동안 수신할 패킷이 있는지 확인할 수 있다.
송신 노드(310)는 보조 활동 상태의 주기에 맞추어 상대적으로 긴 시간 동안 프리앰블 신호를 수신 노드(311)로 전송하게 되고, 수신 노드(311)는 프리앰블 신호를 수신함으로써 송신 노드(310)와 수신 노드(311)는 통신 연결을 수립할 수 있다.
도 3b는 클락 드리프트가 발생하여 각 노드가 휴면 상태에서 깨어나는 시간이 다르게 될 경우를 나타낸 도면이다. 도 3b는 송신 노드(320)가 수신 노드(321)보다 먼저 휴면 상태로부터 깨어난 경우를 나타낸 것으로, 송신 노드(320)는 통신을 위하여 지속적으로 수신 노드(321)로 프리앰블 신호를 전송하게 된다. 하지만, 수신 노드(321)는 여전히 휴면 상태에 존재하므로 송신 노드(320)에게 응답을 주지 않는다. 송신 노드(320)는 지속적으로 수신 노드(321)와 연결하기 위하여 통신을 시도하게 되어 필요 이상의 에너지를 낭비하게 된다. 센서 노드간 상태 공유가 없어서 서로의 상태를 알 수 없기 때문에 이러한 문제가 발생하게 된다.
도 3c는 노드 간 비콘 신호를 송수신함으로써 노드 간 상태를 공유하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 모든 노드는 보조 듀티 사이클을 시작함과 동시에 비콘 신호를 전송할 수 있고, 비콘 신호를 통하여 노드 간 상태를 공유할 수 있다. 도 3c에서 수신 노드(331)가 휴면 상태라면 통신이 불가능하므로 송신 노드(330)는 수신 노드(331)로의 전송 시도를 멈추고, 보조 휴면 상태에서 수신 노드(331)가 깨어나기를 기다릴 수 있다. 수신 노드(331)가 깨어나면서 비콘 신호를 통하여 수신 노드(331)가 휴면 상태로부터 깨어난 것을 송신 노드(330)에 알릴 수 있고, 이를 통해 송신 노드(330)와 수신 노드(331)가 통신을 수립할 수 있다.
일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 노드의 통신 방법을 통하여 클락 드리프트로 인한 에너지 소모 문제를 비콘 신호를 이용하여 해결할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 저전력 통신 장치의 송신 노드의 동작을 나타낸 흐름도이다.
센서 네트워크에서 저전력 통신 장치는 송신 노드와 수신 노드간의 데이터 송수신을 통하여 동기화 작업을 수행함으로써 에너지 소모 및 지연 시간 문제를 해결할 수 있다.
송신 노드는 휴면 상태, 보조 휴면 상태 및 보조 활동 상태를 포함하는 3 단계 듀티 사이클로 동작될 수 있다. 이에 마찬가지로 수신 노드도 3단계 듀티 사이클로 동작될 수 있다. 3단계 듀티 사이클에 대한 설명은 도 1에서 설명한 바 도 1을 참고하기로 한다.
휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드는 보조 듀티 사이클 상태로 동작하게 되고, 비콘 신호를 수신 노드로 전송할 수 있다(401). 수신 노드는 송신 노드로부터 전송된 비콘 신호를 수신할 수 있고, 상기 비콘 신호에 대하여 응답할 수 있다(402). 이때, 송신 노드는 송신 노드와 수신 노드의 상태를 공유하기 위하여 제1 비콘 신호 및 제2 비콘 신호를 수신 노드로 전달할 수 있다.
송신 노드는 수신 노드로부터 비콘 신호에 대한 응답을 수신(402)함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면(Sub-Sleep)과 라디오를 켜는 보조 활동(Sub-Active)을 반복하는 파워 사이클(Power Cycle)을 적용할 수 있고, 데이터를 송신하기 위하여 준비할 수 있다(403).
만약, 수신 노드가 송신 노드 보다 먼저 휴면 상태로부터 깨어난 경우, 수신 노드로부터 제1 비콘 신호에 대한 응답을 수신할 수 있다. 송신 노드는 제1 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 수신 노드가 보조 듀티 사이클을 진행 중임을 판단할 수 있다.
송신 노드가 수신 노드 보다 먼저 휴면 상태로부터 깨어난 경우, 수신 노드로부터 제1 비콘 신호에 대한 응답을 수신하지 못한다(404). 그러면, 송신 노드는 수신 노드로부터 제1 비콘 신호에 대한 응답을 수신하지 못함에 따라 수신 노드가 휴면 상태에 있음을 판단할 수 있고, 수신 노드가 휴면 상태로부터 깨어날 때까지 보조 휴면 상태에서 대기할 수 있다(405).
송신 노드는 휴면 상태로부터 깨어난 수신 노드로부터 제2 비콘 신호에 대한 응답을 수신할 수 있다(406). 송신 노드는 제2 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 수신 노드가 보조 듀티 사이클을 진행 중임을 판단할 수 있다.
송신 노드는 데이터를 송신하기 위한 준비가 완료됨에 따라 보조 활동 상태의 주기에 대응하는 프리앰블 신호를 전송(407)하여 수신 노드와 연결을 수립할 수 있다. 송신 노드가 전송한 프리앰블 신호가 수신 노드에 성공적으로 전달되지 못하였다면, 다시 프리앰블 신호를 수신 노드에 전달할 수 있다. 송신 노드가 전송한 프리앰블 신호가 수신 노드로 성공적으로 전달되었다면 데이터를 전송(408)할 수 있다. 만약, 송신 노드가 수신 노드에게 성공적으로 데이터 전송을 하지 못하였다면, 수신 노드에게 다시 프리앰블 신호를 전송할 수 있다.
송신 노드는 연결이 수립된 수신 노드로 데이터를 성공적으로 전송하였다면, 송신 노드와 수신 노드간 동기화 작업을 수행할 수 있다(409). 송신 노드와 수신 노드간 동기화 작업을 위한 파워 사이클 상태로 보조 듀티 사이클 상태를 유지할 수 있고, 송신 노드와 수신 노드간 패킷 교환을 통하여 동기화 작업을 수행할 수 있다.
만약, 송신 노드와 수신 노드가 동기화 작업이 성공적으로 이루어지지 않은 경우, 다시 동기화 작업을 수행할 수 있다. 송신 노드와 수신 노드간 동기화 작업이 성공적으로 수행된 후, 송신 노드는 미리 정해진 시간 동안 휴면 상태에 존재하게 되고(410), 일정 시간이 지난 뒤 휴면 상태로부터 깨어나(411) 단계401 에서 단계 410 를 수행하게 된다.
일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 저전력 통신 장치는 데이터 발생 주기가 긴 상황에서 에너지 소모를 줄이기 위하여 동기 기반의 방식을 이용하여 통신을 진행할 수 있다. 이에 따라 센서 네트워크에서 저전력 통신 장치는 에너지 소모 및 지연 시간 문제를 해결할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 센서 네트워크에서 저전력 통신 시스템의 수신 노드의 동작을 나타낸 흐름도이다.
각 노드는 휴면 상태, 보조 휴면 상태 및 보조 활동 상태를 포함하는 3단계 듀티 사이클로 동작할 수 있다.
수신 노드는 상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드로부터 비콘 신호를 수신할 수 있다. 이때, 수신 노드는 상기 송신 노드와 상기 수신 노드의 상태를 공유하기 위한 제1 비콘 신호 또는 제2 비콘 신호를 보조 듀티 사이클을 진행 중인 상기 송신 노드로 전달할 수 있다.
단계(510)에서 수신 노드는 비콘 신호에 대한 응답을 상기 송신 노드로 전달함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 상기 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 수신하기 위하여 준비할 수 있다.
만약, 수신 노드가 상기 송신 노드 보다 먼저 휴면 상태로부터 깨어난 경우, 상기 송신 노드로 제1 비콘 신호에 대한 응답을 송신할 수 있다. 수신 노드는 제1 비콘 신호에 대한 응답을 송신함에 따라 상기 송신 노드에게 상기 수신 노드가 보조 듀티 사이클을 진행 중임을 알릴 수 있다.
또한, 상기 송신 노드가 상기 수신 노드 보다 먼저 휴면 상태로부터 깨어난 경우, 수신 노드는 상기 송신 노드로 상기 제1 비콘 신호에 대한 응답을 송신하지 못한다. 수신 노드는 상기 송신 노드로 상기 제1 비콘 신호에 대한 응답을 송신하지 못함에 따라 상기 송신 노드에게 상기 수신 노드가 휴면 상태에 있음을 알릴 수 있다.
휴면 상태로부터 깨어난 수신 노드는 상기 송신 노드로 상기 제2 비콘 신호에 대한 응답을 송신할 수 있고, 제2 비콘 신호에 대한 응답을 송신함에 따라 상기 송신 노드에게 상기 수신 노드가 보조 듀티 사이클을 진행 중임을 알릴 수 있다. 송신 노드는 수신 노드로부터 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 수신 노드가 보조 듀티 사이클을 진행 중임을 판단할 수 있다.
수신 노드는 데이터를 수신하기 위한 준비가 완료됨에 따라, 상기 프리앰블 신호를 수신(520)하여 상기 송신 노드와 연결을 수립할 수 있다. 수신 노드는 송신 노드로부터 프리앰블 신호를 수신하지 못한다면, 단계(510)을 다시 수행할 수 있다.
수신 노드는 상기 연결이 수립된 송신 노드로부터 데이터를 수신할 수 있고, 송신 노드로부터 데이터를 수신하기 위하여 대기할 수 있다(530). 수신 노드는 송신 노드로부터 데이터의 수신(540)할 수 있고, 데이터를 성공적으로 수신하지 못한 경우, 단계(510)을 다시 수행할 수 있다. 수신 노드는 데이터의 수신이 완료됨에 따라 상기 송신 노드와 상기 수신 노드간 동기화 작업을 수행하기 위한 전송 준비를 완료할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (14)

  1. 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법에 있어서,
    각 노드는 휴면 상태, 보조 휴면 상태 및 보조 활동 상태를 포함하는 3단계 듀티 사이클로 동작하며,
    상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드가 비콘 신호를 수신 노드로 전달하는 단계;
    상기 수신 노드로부터 상기 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 송신하기 위하여 준비하는 단계;
    상기 데이터를 송신하기 위한 준비가 완료됨에 따라, 상기 보조 활동 상태의 주기에 대응하는 프리앰블 신호를 전송하여 수신 노드와 연결을 수립하는 단계;
    상기 연결이 수립된 수신 노드로 데이터를 전송하는 단계; 및
    상기 데이터의 전송이 완료됨에 따라 상기 송신 노드와 상기 수신 노드간 동기화 작업을 수행하는 단계
    를 포함하는 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드가 비콘 신호를 수신 노드로 전달하는 단계는,
    상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드가 보조 듀티 사이클을 시작하고, 상기 송신 노드와 상기 수신 노드의 상태를 공유하기 위한 제1 비콘 신호 및 제2 비콘 신호를 상기 수신 노드로 전달하는 단계
    를 포함하는 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수신 노드로부터 상기 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 송신하기 위하여 준비하는 단계는,
    상기 수신 노드가 상기 송신 노드 보다 먼저 휴면 상태로부터 깨어난 경우, 상기 수신 노드로부터 제1 비콘 신호에 대한 응답을 수신하는 단계; 및
    상기 제1 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 상기 수신 노드가 보조 듀티 사이클을 진행 중임을 판단하는 단계
    를 포함하는 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수신 노드로부터 상기 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 송신하기 위하여 준비하는 단계는,
    상기 송신 노드가 상기 수신 노드 보다 먼저 휴면 상태로부터 깨어난 경우, 상기 수신 노드로부터 상기 제1 비콘 신호에 대한 응답을 수신하지 못하는 단계;
    상기 수신 노드로부터 상기 제1 비콘 신호에 대한 응답을 수신하지 못함에 따라 상기 수신 노드가 휴면 상태에 있음을 판단하는 단계; 및
    상기 수신 노드가 휴면 상태로부터 깨어날 때까지 보조 휴면 상태에서 대기하는 단계
    를 포함하는 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수신 노드로부터 상기 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 송신하기 위하여 준비하는 단계는,
    상기 휴면 상태로부터 깨어난 수신 노드로부터 제2 비콘 신호에 대한 응답을 수신하는 단계; 및
    상기 제2 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 상기 수신 노드가 보조 듀티 사이클을 진행 중임을 판단하는 단계
    를 포함하는 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 데이터의 전송이 완료됨에 따라 상기 송신 노드와 상기 수신 노드간 동기화 작업을 수행하는 단계는,
    상기 송신 노드와 상기 수신 노드간 상기 동기화 작업을 위한 파워 사이클 상태로 보조 듀티 사이클 상태를 유지하는 단계; 및
    상기 송신 노드와 상기 수신 노드간 패킷 교환을 통하여 동기화 작업을 수행하는 단계
    를 포함하는 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 송신 노드와 상기 수신 노드간 동기화 작업을 수행한 후, 미리 정해진 시간 동안 휴면 상태로 존재하는 단계
    를 더 포함하는 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법.
  8. 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법에 있어서,
    각 노드는 휴면 상태, 보조 휴면 상태 및 보조 활동 상태를 포함하는 3단계 듀티 사이클로 동작하며,
    상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드로부터 비콘 신호를 수신하는 단계;
    상기 비콘 신호에 대한 응답을 상기 송신 노드로 전달함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 상기 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 수신하기 위하여 준비하는 단계;
    상기 데이터를 수신하기 위한 준비가 완료됨에 따라, 프리앰블 신호를 수신하여 상기 송신 노드와 연결을 수립하는 단계;
    상기 연결이 수립된 송신 노드로부터 데이터를 수신하는 단계; 및
    상기 데이터의 수신이 완료됨에 따라 상기 송신 노드와 수신 노드간 동기화 작업이 수행되는 단계
    를 포함하는 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드로부터 비콘 신호를 수신하는 단계는,
    상기 송신 노드와 상기 수신 노드의 상태를 공유하기 위한 제1 비콘 신호 또는 제2 비콘 신호를 보조 듀티 사이클을 진행 중인 상기 송신 노드로 전달하는 단계
    를 포함하는 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 비콘 신호에 대한 응답을 상기 송신 노드로 전달함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 상기 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 수신하기 위하여 준비하는 단계는,
    상기 수신 노드가 상기 송신 노드 보다 먼저 휴면 상태로부터 깨어난 경우, 상기 송신 노드로 제1 비콘 신호에 대한 응답을 송신하는 단계; 및
    상기 제1 비콘 신호에 대한 응답을 송신함에 따라 상기 송신 노드에게 상기 수신 노드가 보조 듀티 사이클을 진행 중임을 알리는 단계
    를 포함하는 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 비콘 신호에 대한 응답을 상기 송신 노드로 전달함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 상기 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 수신하기 위하여 준비하는 단계는,
    상기 송신 노드가 상기 수신 노드 보다 먼저 휴면 상태로부터 깨어난 경우, 상기 송신 노드로 상기 제1 비콘 신호에 대한 응답을 송신하지 못하는 단계; 및
    상기 송신 노드로 상기 제1 비콘 신호에 대한 응답을 송신하지 못함에 따라 상기 송신 노드에게 상기 수신 노드가 휴면 상태에 있음을 알리는 단계
    를 포함하는 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수신 노드로부터 상기 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 라디오를 끄는 보조 휴면과 라디오를 켜는 보조 활동을 반복하는 파워 사이클을 적용하고, 데이터를 송신하기 위하여 준비하는 단계는,
    상기 휴면 상태로부터 깨어난 수신 노드로부터 상기 송신 노드로 제2 비콘 신호에 대한 응답을 송신하는 단계; 및
    상기 제2 비콘 신호에 대한 응답을 송신함에 따라 상기 송신 노드에게 상기 수신 노드가 보조 듀티 사이클을 진행 중임을 알리는 단계
    를 포함하는 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 방법.
  13. 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 장치에 있어서,
    각 노드는 휴면 상태, 보조 휴면 상태 및 보조 활동 상태를 포함하는 3단계 듀티 사이클로 동작하며,
    상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드가 비콘 신호를 수신 노드로 전달하는 비콘 송신부;
    상기 수신 노드로부터의 상기 비콘 신호에 대한 응답을 수신함에 따라 상기 보조 휴면 상태와 상기 보조 활동 상태를 반복하는 파워 사이클을 적용하여 데이터를 송신하기 위하여 준비하고, 상기 보조 활동 상태의 주기에 대응하는 프리앰블 신호를 전송하여 수신 노드와 연결을 수립하는 프리앰블 신호부; 및
    상기 연결이 수립된 수신 노드로 데이터를 전송하고, 상기 데이터의 전송이 완료됨에 따라 상기 송신 노드와 상기 수신 노드간 동기화 작업을 수행하는 동기화부
    를 포함하는 센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 비콘 송신부는,
    상기 휴면 상태로부터 깨어난 송신 노드에서 보조 듀티 사이클을 시작하고, 상기 송신 노드와 상기 수신 노드의 상태를 공유하기 위한 제1 비콘 신호 및 제2 비콘 신호를 상기 수신 노드로 전달하는
    센서 네트워크에서 노드의 저전력 통신 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180076793A (ko) 2016-12-28 2018-07-06 부산대학교 산학협력단 혼잡한 산업 무선 네트워크 환경에서 tsch 위한 빠른 동기화를 위한 스케줄링 장치 및 방법

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