KR101565787B1 - 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법 및 시스템 - Google Patents

데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법에 관한 것으로서, 센서 노드가 싱크 노드로 비컨(Beacon)을 전송하는 A단계; 상기 센서 노드가 상기 싱크 노드로 비컨 간격(Beacon Interval, BI)동안에 데이터를 전송하는 B단계; 상기 데이터 전송 단계 이후 상기 싱크 노드가 비컨 간격 값을 계산하는 C단계; 상기 비컨 간격의 5배수 동안 발생한 패킷 충돌 횟수를 상기 싱크 노드가 측정하는 D단계; 상기 패킷 충돌 횟수를 이용하여 상기 싱크 노드가 패킷 충돌 비율(Collision rate) 값을 산출하는 E단계; 및 상기 C단계에서 계산된 상기 비컨 간격 값과 상기 E단계에서 산출된 패킷 충돌 비율 값을 이용하여 상기 센서 노드가 전송하는 맥 계층의 프레임의 수를 상기 싱크 노드가 결정하는 F단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 외부의 데이터를 수집하고 전송하는 다수의 센서 노드; 및상기 센서 노드로부터 데이터를 수신받는 싱크 노드; 를 포함하고, 상기 센서 노드는 데이터를 전송하기 위하여 물리 계층(PHY layer)과 맥 계층(MAC layer)으로 구성되는 데이터부를 포함하되, 상기 데이터부는 상기 물리 계층의 프레임 안에 상기 맥 계층의 프레임 복수개를 삽입 할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법 및 시스템{Method of transmission rate decision based on frame aggregation using data collision and System for performing the same}
본 발명은 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법 및 시스템에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크는 기존의 무선 네트워크와는 다른 특성을 가지는데, 가격이 저렴하고 전력 효율이 우수하며 통신 거리가 짧은 노드로 구성된 네트워크이다. 센서는 데이터를 수집하는 센서 노드와 센서 노드로부터 정보를 전달받아 처리하는 싱크 노드로 구성된다. 무선 센서 네트워크는 반도체 기술의 향상으로 소형화, 고성능화가 진행되고 있으며, 유비쿼터스 산업의 활성화로 무인경비, 수질오염 등의 환경 감시, 원격 검침, 재난지역 모니터링, 목표물 트래킹 등 실용적이고 상업적인 다양한 서비스에 적용되고 있다.
무선 센서 네트워크에서 이동성을 고려하여 소형으로 제작되기 때문에 배터리를 통해 공급되는 에너지의 양이 극히 제한적인 단점을 가진다. 또한 심전도 측정 장치와 같은 센서 장비는 실시간으로 데이터를 전송해야 되기 때문에 제한된 에너지 안에서 높은 전송률이 요구된다.
센서 노드의 에너지를 절약하기 위한 데이터 전송 방법에 대해서는 한국특허 제 10-2014-0014640호에 기재되어 있다. 이 방식은 센서 노드의 에너지를 절약하는 것에 대한 기술로, 전송률의 향상은 기재하고 있지 않다.
무선 센서 네트워크에서 일반적으로 사용되는 방식은 IEEE 802.15.4 slotted CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)방식이다. 이 방식은 싱크 노드가 주기적으로 비컨 프레임(Beacon Frame)에 의해 구분되는 슈퍼프레임(Superframe) 구조를 사용한다. 슈퍼 프레임은 도 1을 참조하면, 활성 구간(Active)과 비활성 구간(Inactive)으로 구분되며, 활성 구간은 다시 경쟁 구간(Contention Access Period,CAP)과 비경쟁 구간(Contention Free Period, CFP)으로 나누어 경쟁 구간일 때 여러 센서 노드들은 경쟁을 통해 수집한 데이터를 싱크 노드로 전송한다.
그러나 이 방식은 두 개 이상의 센서 노드가 전송할 때 패킷 충돌이 발생하여 데이터 재전송을 위한 추가적인 에너지 손실이 발생하거나, 패킷 충돌을 회피하기 위해 과도하게 큰 백오프(Backoff) 값이 주어지는 경우에는 채널의 이용률이 낮아져 전송률 감소 및 센서 네트워크의 전체 가동시간이 증가하는 문제점이 있다. 이러한 문제가 빈번하게 발생하는 경우, 네트워크의 전체 성능을 저하시킬 뿐만 아니라 네트워크의 생명주기를 단축시키는 결과를 가져올 수 있다.
또한 기존의 IEEE 802.15.4 방식의 프로토콜은 데이터 통신이 이루어지는 물리 계층(PHY layer)과 무선 채널 접근 제어가 이루어지는 매체 접근 제어 계층(Medium Access Control layer, 이하, 맥 계층)으로 구조화되어 있는데, 이 방식은 데이터를 하나 보내면 ACK를 하나 수신하는 방식이어서 채널의 상황에 따라 유동적으로 대응할 수 없고, 에너지 손실이 크다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 무선 센서 네트워크에서 경쟁 구간에서 다수의 맥 프레임이 물리 계층에 포함된 구조를 제안하여 동일 시간내 전송률을 향상 시키고 에너지 효율성을 향상시키는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 센서 노드가 싱크 노드로 비컨(Beacon)을 전송하는 A단계; 상기 센서 노드가 상기 싱크 노드로 비컨 간격(Beacon Interval, BI)동안에 데이터를 전송하는 B단계; 상기 데이터 전송 단계 이후 상기 싱크 노드가 비컨 간격 값을 계산하는 C단계; 상기 비컨 간격의 5배수 동안 발생한 패킷 충돌 횟수를 상기 싱크 노드가 측정하는 D단계; 상기 패킷 충돌 횟수를 이용하여 상기 싱크 노드가 패킷 충돌 비율(Collision rate) 값을 산출하는 E단계; 및 상기 C단계에서 계산된 상기 비컨 간격 값과 상기 E단계에서 산출된 패킷 충돌 비율 값을 이용하여 상기 센서 노드가 전송하는 맥 계층의 프레임의 수를 상기 싱크 노드가 결정하는 F단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법에 의해 달성될 수 있다.
또한, 상기 E단계는 상기 D단계에서 측정한 상기 패킷 충돌 횟수를 상기 센서 노드가 상기 싱크 노드로 전송한 데이터의 총 패킷 횟수로 나누어 패킷 충돌 비율을 계산한다.
그리고 상기 F단계는 상기 E단계에서 산출된 패킷 충돌 비율 값을 상기 싱크 노드에 의해서 지정된 최대 패킷 충돌 지수 또는 최소 패킷 충돌 지수와 비교하여, 상기 최대 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 크거나 같은 경우에는 상기 맥 계층의 프레임의 수를 감소시키고, 상기 최소 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 작거나 같은 경우에는 상기 맥 계층의 프레임의 수를 증가시키며, 위의 두 가지 경우에 해당하지 않을 경우에는 상기 맥 계층의 프레임의 수를 그대로 유지시킬 수 있다.
한편, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 외부의 데이터를 수집하고 전송하는 다수의 센서 노드; 및 상기 센서 노드로부터 데이터를 수신받는 싱크 노드; 를 포함하고, 상기 센서 노드는 데이터를 전송하기 위하여 물리 계층(PHY layer)과 맥 계층(MAC layer)으로 구성되는 데이터부를 포함하되, 상기 데이터부는 상기 물리 계층의 프레임 안에 상기 맥 계층의 프레임 복수개를 삽입 할 수 있는 것을 특징으로 하는 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템에 의해서도 달성될 수 있다.
또한, 상기 맥 계층의 프레임의 개수는 유동적으로 증가 또는 감소하거나 유지된다.
또한, 상기 데이터부는 복수개의 상기 맥 계층의 프레임을 집합하여 하나의 집합 맥 프레임을 생성할 수 있다.
또한, 상기 싱크 노드는 상기 센서 노드가 상기 싱크 노드로 데이터를 전송하는 중에 발생하는 패킷충돌 수를 측정하는 카운터를 더 포함한다.
또한, 상기 싱크 노드는 상기 센서 노드로부터 비컨을 전송받고 비컨 간격을 계산하는 비컨 간격 계산부; 및 상기 비컨 간격 계산부로부터 계산된 비컨 간격 값과 상기 카운터에서 측정된 패킷 충돌 수를 이용하여 패킷 충돌 비율 값을 산출하는 패킷 충돌 비율 산출부를 더 포함한다.
또한, 상기 패킷 충돌 비율 산출부는 상기 카운터가 측정한 상기 패킷 충돌 횟수를 상기 센서 노드가 상기 싱크 노드로 전송한 데이터의 총 패킷 횟수로 나누어 패킷 충돌 비율을 계산한다.
또한, 상기 싱크 노드는 상기 패킷 충돌 비율 산출부에서 산출된 패킷 충돌 비율 값을 상기 싱크 노드에 의해서 지정된 최대 패킷 충돌 지수 또는 최소 패킷 충돌 지수와 비교하여, 상기 최대 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 크거나 같은 경우에는 상기 맥 계층의 프레임의 수를 감소시키고, 상기 최소 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 작거나 같은 경우에는 상기 맥 계층의 프레임의 수를 증가시키며, 위의 두 가지 경우에 해당하지 않을 경우에는 상기 맥 계층의 프레임의 수를 그대로 유지시키는 맥 프레임 수 결정부를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 네트워크의 상태에 따라 전송하는 데이터의 패킷 수를 조절할 수 있다.
둘째, 동일시간내 데이터 전송률을 향상 시킬 수 있다.
셋째, 센서 노드 및 싱크 노드의 에너지 효율성을 높일 수 있다.
도 1은 공지의 IEEE 802.15.4의 슈퍼프레임(Superframe)의 구조를 도시한 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법에 대한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법에 대한 알고리즘을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템에 대한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템에서 센서노드의 내부 구조를 간략하게 나타낸 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템에서 센서 노드의 데이터부의 내부 구조를 도시한 구조도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템에서의 싱크 노드의 내부 구조를 간략하게 나타낸 블럭도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어 진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.
1. 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법에 대한 설명
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템에 대한 개략도이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법은, 센서 노드(100)가 싱크 노드(200)로 비컨(Beacon)을 전송하는 비컨 전송 단계(이하, A단계)(S100)와 상기 센서 노드(100)가 상기 싱크 노드(200)로 비컨 간격(Beacon Interval, BI)동안에 데이터를 전송하는 데이터 전송 단계(이하, B단계)(S200)와 상기 데이터 전송 단계 이후 상기 싱크 노드가 비컨 간격 값을 계산하는 비컨 간격 계산 단계(이하, C단계)(S300)와 상기 비컨 간격의 5배수 동안 발생한 패킷 충돌 횟수를 상기 싱크 노드가 측정하는 패킷 충돌 횟수 측정단계(이하, D단계)(S400)와 상기 패킷 충돌 횟수를 이용하여 상기 싱크 노드가 패킷 충돌 비율(Collision ratio) 값을 산출하는 패킷 충돌 비율 산출단계 (이하, E단계)(S500)와 상기 E단계에서 산출된 패킷 충돌 비율 값을 이용하여 상기 센서 노드가 전송하는 맥 계층의 프레임의 수를 상기 싱크 노드가 결정하는 맥 프레임 수 결정단계(이하, F단계)(S600)로 마련될 수 있다.
먼저, A단계(S100)에서 다수의 센서 노드(100)가 싱크 노드(200)로 비컨 프레임(Beacon frame)을 전송하게 된다. 도 1을 참조하면, 슈퍼 프레임의 양단에 비컨 프레임이 있다. 이 비컨 프레임 사이의 간격을 비컨 간격(Beacon Interval, BI)이라 하며, B단계(S200)에서 상기 비컨 간격 동안에 상기 센서 노드(100)는 상기 싱크 노드(200)로 데이터를 전송한다. 또한, 상기 센서 노드(100)는 데이터를 전송하면서 총 송신 패킷 횟수를 측정한다.
C단계(S300)에서 상기 싱크 노드(200)는 상기 센서 노드(100)가 보내는 비컨 프레임을 수신하고 비컨 간격 계산부(230)를 통해서 비컨 간격을 측정하여 비컨 간격 값을 계산한다.
D단계(S400)에서 상기 비컨 간격 값의 5배수되는 기간을 1 사이클로 하여, 1 사이클 동안에 상기 센서 노드(100)가 상기 싱크 노드(200)로 데이터를 전송하면서 발생한 패킷 충돌 횟수를 상기 싱크 노드(200)의 카운터(240)가 측정한다.
E단계(S500)에서 상기 D단계(S400)에서 측정된 패킷의 총 충돌 횟수와 상기 B단계(S200)에서 측정한 총 송신 패킷 횟수를 이용해서 하기 [수학식 1]을 이용하여 패킷 충돌 비율을 계산한다.
Figure 112014022935910-pat00001
F단계(S600)에서 상기 C단계(S300)에서 계산된 비컨 간격 값과 상기 E단계(S500)에서 계산된 충돌 비율을 이용하여 상기 센서 노드(100)가 전송할 맥 프레임의 개수를 결정한다. 보다 상세하게는 상기 E단계(S500)에서 산출된 패킷 충돌 비율 값을 상기 싱크 노드(200)의 제어부(270)에 의해서 지정된 최대 패킷 충돌 지수 또는 최소 패킷 충돌 지수와 비교하여, 상기 최대 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 크거나 같은 경우에는 상기 맥 계층의 프레임의 수를 감소시키고, 상기 최소 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 작거나 같은 경우에는 상기 맥 계층의 프레임의 수를 증가시키며, 상기 최대 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 작고, 상기 최소 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 큰 경우에는 상기 맥 계층의 프레임의 수를 그대로 유지시키게 된다.
F단계(S600) 이후에 상기 F단계(S600)에서 결정된 맥 프레임의 수를 상기 센서 노드(100)로 전송하여 다음 사이클에서 데이터를 전송할 때 상기 F단계(S600)에서 결정된 맥 프레임의 개수대로 상기 센서 노드(100)의 데이터부(120)에서 하나의 집합 맥 프레임을 형성하여 상기 싱크 노드(200)로 전송하게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법에 대한 알고리즘을 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법에 대하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도 3에서 n은 맥 프레임의 개수를 의미한다.
우선, 최대 맥 프레임의 수(n)를 4로 초기화한다.(S1 단계) 최대 맥프레임의 개수는 하기의 [수학식 2]를 이용하여 센서 노드(100)의 데이터부(120)가 계산한다.
Figure 112014022935910-pat00002
상기 [수학식 2]에서 frame은 센서 노드(100)에서 싱크 노드(200)로 전송하는 단위 맥 프레임의 크기를 의미하고, max frame은 전송할 수 있는 최대 크기의 맥 프레임을 의미한다. n은 하나의 물리 계층에 저장할 수 있는 최대 맥 프레임의 수를 의미한다. 이는 물리 계층의 프레임 범위를 초과하지 않는다.
예를 들어, 단위 맥 프레임의 크기가 30byte이고, 전송할 수 있는 맥 프레임의 최대 크기가 150byte이면, 물리 계층에 집합할 수 있는 최대 맥 프레임의 수는 5개가 된다.
도 3에서는 데이터부(120)가 상기 [수학식 2]를 이용하여 계산한 최대 맥 프레임의 수(n)가 4개인 것으로 설정한다.(S1 단계)
그런 후에, 충돌 비율, 충돌 횟수, 시뮬레이션 시간, 송신 패킷 횟수를 각각 0으로 초기화한다.(S2 단계) 그리고, 맥 프레임을 데이터 페이로드(data payload)에 적재한다. 이 때, 상기 S1단계에서 최대 맥 프레임의 수(n)를 4로 초기화 했으므로 4개의 맥 프레임을 하나의 새로운 집합 맥 프레임으로 형성한다.(S3 단계)
상기 S3단계에서 형성된 집합 맥 프레임을 싱크 노드(200)로 전송하고, 총 송신 패킷 횟수가 1 증가된다. (S4 단계)
상기 싱크 노드(200)로부터 상기 센서 노드(100)가 ACK를 수신하면 충돌이 일어나지 않은 것이므로 다음 단계로 진행되고, ACK를 수신하지 못하면 충돌이 일어난 것이므로 충돌 횟수가 1 증가된 후 다음 단계로 진행된다.(S5 단계)
5배수의 비컨 간격(BI)을 1 사이클로 하는데, 1 사이클보다 시뮬레이션 시간이 작거나 같으면 S4단계로 돌아가고, 1 사이클보다 크면 다음 단계로 진행된다.(S6 단계)
상기 [수학식 1]과 같이, 1 사이클 동안에 발생한 충돌 횟수를 총 송신 패킷 횟수로 나누어서 충돌 비율을 계산한다. (S7 단계)
싱크 노드(200)의 제어부(270)에서 지정한 최대 패킷 충돌 지수인 0.1보다 S7단계에서 계산한 충돌 비율이 크거나 같으면 맥 프레임의 개수(n)을 1 감소시킨다. 그러나 n 값이 1보다 작을 수는 없다. 0.1보다 작으면 다음 단계로 진행된다.(S8 단계)
제어부(270)에서 지정한 최소 패킷 충돌 지수인 0.01보다 S7 단계에서 계산한 충돌 비율이 작거나 같으면 맥 프레임의 개수(n)을 1 증가시킨다. 그러나 n 값이 최대 맥 프레임의 개수인 4보다 클 수는 없다. 0.01보다 크면 다음 단계로 진행된다.(S9 단계)
상기 S8 단계와 상기 S9 단계에 모두 해당되지 않는 경우에는 맥 프레임의 개수(n)을 그대로 유지시키고 S10 단계로 간다. 예를 들어, S7 단계에서 계산된 충돌 비율이 0.05인 경우에는 0.1보다는 작지만 0.01보다는 크기 때문에 맥 프레임의 개수(n)을 그대로 유지시킨다.
상기 S8 단계와 상기 S9 단계에 해당하는 경우 각각에 맞는 조건에 따라 맥 프레임의 개수(n)을 조정한 후 S10 단계로 간다.
S10 단계는 다시 S2 단계로 돌아가는 단계이다.
위와 같은 방식으로 하여 무선 센서 네트워크가 작동하는 동안에는 계속하여 반복해서 각 단계를 수행하게 되고, 작동이 정지되면 자동으로 종료하게 된다.
2. 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템에 대한 설명
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템에 대한 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템은 외부의 데이터를 수집하고 전송하는 다수개의 센서 노드(100)와 상기 센서 노드(100)로부터 데이터를 전송받는 싱크 노드(200)로 구성된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템에서 센서노드의 내부 구조를 간략하게 나타낸 블럭도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 센서 노드(100)는 센서부(110), 데이터부(120), 데이터 송수신부(130)로 구성된다.
센서부(110)는 다양한 데이터를 수집할 수 있는데, 상기 데이터는 예를 들어, 일산화 탄소, 온도, 연기, ON/OFF 신호, 전원 콘센트에 흐르는 과전류, 수질 오염도 등으로 다양하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템에서 센서 노드(100)의 데이터부(120)의 내부 구조를 도시한 구조도이다.
데이터부(120)는 도 6에 도시된 바와 같이, 물리 계층(121)과 맥 계층(122)을 포함하는데 맥 계층(122)의 프레임(이하, 맥 프레임) 복수개가 물리 계층에 삽입될 수 있다. 또한, 상기 싱크 노드(200)의 맥 프레임 수 결정부(260)에서 결정한 맥 프레임의 수에 따라 유동적으로 물리 계층(121)에 삽입되는 맥 프레임의 수가 결정되는데, 이 때, 상기 데이터부(120)는 복수개의 맥 프레임을 하나의 집합(aggregated)된 집합 맥 프레임으로 형성할 수 있다.
데이터 송수신부(130)는 센서부(110)에서 수집한 데이터를 싱크 노드(200)로 전송할 수 있다. 또한, 상기 데이터부(120)에서 형성된 상기 집합 맥 프레임을 상기 데이터 전송부(130)를 통해 상기 싱크 노드(200)로 전송할 수 있다. 또한, 싱크 노드(200)로부터 ACK를 수신할 수 있다. 네트워크 상태가 좋을 경우에 집합으로 맥 프레임을 보냄으로써 싱크 노드(200)가 ACK를 한 번만 보내게 함으로써 에너지를 절감할 수 있고, 한번에 많은 데이터를 전송할 수 있으므로 데이터 전송 효율도 좋아진다.
상기 센서 노드(100)에서 상기 싱크 노드(200)로 데이터를 전송할 때는 도 1에 도시한 것과 같은 슈퍼프레임(Superframe)구조를 사용한다. 슈퍼 프레임(Superframe)의 구조는 도 1에 도시한 바와 같이, 비컨 프레임(Beacon frame)에 의해서 구분이 된다. 따라서 상기 센서 노드(100)는 수집한 데이터를 상기 싱크 노드(200)로 전송하기에 앞서, 비컨(Beacon) 프레임을 상기 싱크 노드(200)로 전송한다. 또한, 슈퍼 프레임의 길이는 비컨 간격(Beacon Interval, BI)으로 결정된다.
상기 센서 노드(100)는 데이터 전송부(130)를 이용하여 수집한 데이터를 도 1에 도시된 바와 같이, 슈퍼 프레임의 경쟁 구간 동안에 상기 싱크 노드(200)로 전송한다.
센서 노드(100)에서 싱크 노드(200)로 데이터를 전송할 때 맥 계층의 프레임(이하, 맥 프레임)을 통해서 데이터를 전송한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 물리 계층(121)의 프레임 안에는 다수의 맥 프레임이 삽입될 수 있는데, 맥 프레임은 위에서 언급한 센서 노드(100)에서 수집한 데이터, 즉 일산화 탄소, 온도, 연기, ON/OFF 신호, 전원 콘센트에 흐르는 과전류, 수질 오염도 등의 센서 데이터이다. 하나의 물리 계층(121)의 프레임 안에는 동일한 종류의 센서 데이터로 구성된 맥 프레임이 결합되어 있다. 예를 들면, 온도에 대한 센서 데이터로만 구성되어 있는 맥 프레임이 결합되어 있는 것이다. 맥 프레임은 채널의 혼잡 상황에 따라 줄어들거나 늘어날 수 있으며, 맥 프레임의 최대 개수는 물리 계층의 프레임 범위를 초과하지 않는다.
맥 프레임의 최대 개수를 구하는 것은 상기 [수학식 2]를 이용하여 상기 센서 노드(100)의 데이터부(120)가 계산한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템에서의 싱크 노드(200)의 내부 구조를 간략하게 나타낸 블럭도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 싱크 노드(200)는 데이터 송수신부(210), 데이터 분석부(220), 비컨 간격 계산부(230), 카운터(240), 패킷 충돌 비율 산출부(250), 맥 프레임 수 결정부(260) 및 제어부(270)로 구성된다.
데이터 송수신부(210)는 상기 센서 노드(100)로부터 데이터를 수신하고 ACK를 상기 센서 노드(100)로 송신한다. 또한, 맥 프레임 수 결정부(260)에서 결정한 맥 프레임의 갯수 정보를 상기 센서 노드(100)로 송신한다.
데이터 분석부(220)는 상기 데이터 송수신부(210)가 수신한 데이터를 분석한다. 상기 센서 노드(100)가 전송한 집합 맥 프레임의 데이터를 분석할 수 있다.
비컨 간격 계산부(230)는 상기 센서 노드(100)가 전송한 비컨 프레임을 받아서 비컨 간격(Beacon Interval, BI)을 계산한다. 비컨 간격은 상기 센서 노드(100)가 전송한 비컨 프레임 사이의 간격을 말한다.
카운터(240)는 상기 센서 노드(100)가 데이터를 전송하는 중에 발생한 충돌 횟수를 측정한다.
패킷 충돌 비율 산출부(250)는 상기 카운터(240)에서 측정한 충돌 횟수와 센서 노드(100)가 송신한 총 패킷의 횟수를 이용하여 상기의 [수학식 1]을 이용하여 패킷 충돌 비율을 계산한다.
맥 프레임 수 결정부(260)는 상기 패킷 충돌 비율 산출부(250)에서 계산한 패킷 충돌 비율 값을 상기 제어부(270)에 의해서 지정된 최대 패킷 충돌 지수 또는 최소 패킷 충돌 지수와 비교하여, 상기 최대 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 크거나 같은 경우에는 상기 맥 프레임의 수를 감소시키고, 상기 최소 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 작거나 같은 경우에는 상기 맥 프레임의 수를 증가시키며, 위의 두 가지 경우에 해당하지 않을 경우에는 상기 맥 프레임의 수를 그대로 유지시킨다.
무선 센서 네트워크 상에서의 충돌 상황에 따라서 충돌이 많아서 네트워크 상태가 좋지 않을 때는 맥 프레임의 수를 감소시킴으로써 상기 센서 노드(100)가 데이터를 전송하는데 드는 에너지 양을 줄이고, 충돌이 발생했을 경우에 발생하는 에너지 손실을 줄일 수 있다. 또한, 네트워크에 충돌이 적을 때는 맥 프레임의 수를 증가시킴으로써 상기 싱크 노드(200)가 상기 센서 노드(100)로 ACK를 송신하는 횟수를 줄임으로써 상기 싱크 노드(200)가 소비하는 에너지의 양을 줄일 수 있다. 따라서, 네트워크의 상태에 따라 유동적으로 대처하게 됨으로써, 전체적인 네트워크 망의 에너지 소비 효율을 증진시킬 수 있고, 데이터 전송률도 증진시킬 수 있다.
위에서 설명한 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.
100: 센서 노드
110: 센서부
120: 데이터부
121: 물리계층
122: 맥 계층
130: 데이터 송수신부
200: 싱크 노드
210: 데이터 송수신부
220: 데이터 분석부
230: 비컨 간격 계산부
240: 카운터
250: 패킷 충돌 비율 산출부
260: 맥 프레임 수 결정부
270: 제어부

Claims (10)

  1. 센서 노드가 싱크 노드로 비컨(Beacon)을 전송하는 A단계;
    상기 센서 노드가 상기 싱크 노드로 비컨 간격(Beacon Interval, BI)동안에 데이터를 전송하는 B단계;
    상기 데이터 전송 단계 이후 상기 싱크 노드가 비컨 간격 값을 계산하는 C단계;
    상기 비컨 간격의 5배수 동안 발생한 패킷 충돌 횟수를 상기 싱크 노드가 측정하는 D단계;
    상기 패킷 충돌 횟수를 이용하여 상기 싱크 노드가 패킷 충돌 비율(Collision rate) 값을 산출하는 E단계; 및
    상기 C단계에서 계산된 상기 비컨 간격 값과 상기 E단계에서 산출된 패킷 충돌 비율 값을 이용하여 상기 센서 노드가 전송하는 맥 계층의 프레임의 수를 상기 싱크 노드가 결정하는 F단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 E단계는 상기 D단계에서 측정한 상기 패킷 충돌 횟수를 상기 센서 노드가 상기 싱크 노드로 전송한 데이터의 총 패킷 횟수로 나누어 패킷 충돌 비율 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 F단계는 상기 E단계에서 산출된 패킷 충돌 비율 값을 상기 싱크 노드에 의해서 지정된 최대 패킷 충돌 지수 또는 최소 패킷 충돌 지수와 비교하여, 상기 최대 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 크거나 같은 경우에는 상기 맥 계층의 프레임의 수를 감소시키고, 상기 최소 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 작거나 같은 경우에는 상기 맥 계층의 프레임의 수를 증가시키며, 상기 최대 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 작고, 상기 최소 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 큰 경우에는 상기 맥 계층의 프레임의 수를 그대로 유지시키는 것을 특징으로 하는 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 방법.
  4. 외부의 데이터를 수집하고 전송하는 다수의 센서 노드; 및
    상기 센서 노드로부터 데이터를 수신받는 싱크 노드; 를 포함하고,
    상기 센서 노드는 데이터를 전송하기 위하여 물리 계층(PHY layer)과 맥 계층(MAC layer)으로 구성되는 데이터부를 포함하되,
    상기 데이터부는 상기 물리 계층의 프레임 안에 상기 맥 계층의 프레임 복수개를 삽입 할 수 있으며,
    상기 싱크 노드는,
    상기 센서 노드가 상기 싱크 노드로 데이터를 전송하는 중에 발생하는 패킷충돌 수를 측정하는 카운터를 더 포함하고,
    상기 싱크 노드는,
    상기 센서 노드로부터 비컨을 전송받고 비컨 간격을 계산하는 비컨 간격 계산부; 및 상기 비컨 간격 계산부로부터 계산된 비컨 간격 값과 상기 카운터에서 측정된 패킷 충돌 수를 이용하여 패킷 충돌 비율 값을 산출하는 패킷 충돌 비율 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 맥 계층의 프레임의 개수는 유동적으로 증가 또는 감소하거나 유지되는 것을 특징으로 하는 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 데이터부는 복수개의 상기 맥 계층의 프레임을 집합하여 하나의 집합 맥 프레임을 생성할 수 있는 것을 특징으로 하는 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 패킷 충돌 비율 산출부는 상기 카운터가 측정한 상기 패킷 충돌 횟수를 상기 센서 노드가 상기 싱크 노드로 전송한 데이터의 총 패킷 횟수로 나누어 패킷 충돌 비율을 계산하는 것을 특징으로 하는 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 싱크 노드는,
    상기 패킷 충돌 비율 산출부에서 산출된 패킷 충돌 비율 값을 상기 싱크 노드에 의해서 지정된 최대 패킷 충돌 지수 또는 최소 패킷 충돌 지수와 비교하여, 상기 최대 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 크거나 같은 경우에는 상기 맥 계층의 프레임의 수를 감소시키고, 상기 최소 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 작거나 같은 경우에는 상기 맥 계층의 프레임의 수를 증가시키며, 상기 최대 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 작고, 상기 최소 패킷 충돌 지수보다 상기 패킷 충돌 비율 값이 큰 경우에는 상기 맥 계층의 프레임의 수를 그대로 유지시키는 것을 특징으로 하는 데이터 충돌을 이용한 프레임 집약 기반 전송률 결정 시스템.
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