KR101571076B1 - 비동기식 무선 통신 네트워크의 라우팅 노드의 동작을 세팅하기 위한 방법, 상기 방법을 구현하는 네트워크 노드 및 통신 네트워크 - Google Patents

비동기식 무선 통신 네트워크의 라우팅 노드의 동작을 세팅하기 위한 방법, 상기 방법을 구현하는 네트워크 노드 및 통신 네트워크 Download PDF

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Abstract

듀티-사이클 비동기식 무선 통신 네트워크에서의 에너지 소비를 최소화하기 위해서, 동작 파라미터들의 적적한 값들, 즉, 상기 네트워크의 라우팅 노드들 (R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7)의 깨어있는 구간의 지속시간 및 슬립 구간의 지속 시간이 결정되고 세팅된다. 에너지 소비 모델은 랜덤 액세스의 영향을 고려한다; 상기 모델을 단순화하기 위해서, 상기 네트워크는 복수의 클러스터들 (CL1, CL2, …)로 파티션되어 상기 클러스터들 (CL1, CL2, …)의 각각이 하나의 클러스터-헤드 노드 (R3, R4, …)를 포함하도록 한다. 이 모델에 따라서, 클러스터의 에너지 소비는 주로 상기 클러스터의 노드들이 전송을 시도할 때의 비지 채널의 확률, 전송 동안의 통신 충돌의 확률, 상기 클러스터의 클러스터-헤드 노드의 깨어있는 구간의 지속시간 및 슬립 구간의 지속 시간의 함수이다. 에너지 소비를 최소화하는 것은 비지 채널의 상기 확률의 그리고 통신 충돌의 상기 확률의 미리 정해진 값들 아래에서 그리고 상기 클러스터 내에서의 데이터 패킷들의 성공적인 전달의 확률에 대한 그리고 상기 클러스터 내에서의 데이터 패킷 전달의 평균 지연에 대한 미리 정해진 제한 아래에서 수행된다; 이런 방식에서, 상기 클러스터-헤드 노드의 상기 깨어있는 구간의 지속시간 그리고 슬립 구간의 지속시간의 최적의 값들이 결정된다.

Description

비동기식 무선 통신 네트워크의 라우팅 노드의 동작을 세팅하기 위한 방법, 상기 방법을 구현하는 네트워크 노드 및 통신 네트워크{Method for setting the operation of a routing node of an asynchronous wireless communication network, network node and communication network implementing the method}
본 발명은 비동기식 무선 통신 네트워크의 라우팅 노드의 동작을 세팅하기 위한 방법 그리고 상기 방법을 구현하는 네트워크 노드 및 통신 네트워크에 관련된다.
WPAN [Wireless Personal Area Network] 네트워크들은 여러 해 동안 알려졌다; PAN [Personal Area Network] 네트워크는 한 사람에게 가까이에 있는 기기들 사이에서의 통신을 위한 컴퓨터 네트워크로서 정의될 수 있다; WPAN 네트워크는 무선 단거리-영역 통신 기술들을 이용하는 PAN 네트워크이다.
WPAN 네트워크를 구현하기 위해서 아주 자주 사용되는 통신 기술은 지그비 (ZigBee)이다.
WPAN 네트워크들의 중요한 최근의 애플리케이션들 중의 하나는 WSN [Wireless Sensor Network] 네트워크이다.
WPAN 네트워크에서, 주요한 컴포넌트들은 기기들이라고 불리는 네트워크의 노드들이다. 일반적으로, WPAN 네트워크는 메인으로 전력을 공급받는 기기들과 배터리로 전력을 공급받는 기기들의 혼합을 포함할 수 있을 것이다; 배터리로 전력을 공급받는 기기들은 자신의 배터리의 긴 수명을 보장하기 위해서 자신의 에너지 소비를 제한하도록 설계된다. 센서 네트워크 노드들은 자신의 배터리의 에너지가 다 소모되면 쉽게 충전되거나 교체되지 않을 수 있을 것이기 때문에 WSN 네트워크들에서 에너지의 효율적인 사용을 제공하는 것은 긴 기간동안 애플리케이션을 배치하기 위해서 특히 중요하다
에너지 소비에 주로 책임이 있는 WPAN 네트워크 노드의 컴포넌트는 라디오 트랜시버이다 (전송할 때에 그리고 수신할 때의 두 가지 모두의 경우); 비동기식 WPAN 네트워크 (노드들이 동기화 클록을 구비하고 있지 않으며 그래서 동기하여 전송하고 수신하지 않는 경우의 네트워크)에서 에너지 소비를 줄이는 전형적으로 효율적인 방법은 "듀티-사이클링 (duty-cycling)"을 이용하는 것, 즉, 상기 기기들의 라디오 트랜시버가 시간에 있어서 짧은 구간들 동안 간헐적으로 동작하도록 하는 것이다; 이런 방식에서, 각 노드의 동작은 (짧은) 깨어있는 (awake) 구간과 (긴) 슬립 (sleep) 구간의 주기적인 (고정된 트랜시버 동작 주기의) 시퀀스이다. 물론, 이는 WPAN 네트워크들에서 사용되는 통신 프로토콜들을 복잡하게 한다.
종래 기술에서, 비동기식 WSN 네트워크들이 알려져 있는데, 그 경우에 모든 (또는 거의 대부분의) 노드들이 배터리로 전력을 공급받고 그래서 에너지 소비를 제한하도록 설계되며 그리고 라디오 트랜시버들의 에너지 소비를 제한하기 위해서 특별한 MAC 프로토콜들이 사용된다.
J. Polastre 등에 의한 논문 "Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks" (SenSys 2004, November 2004)는 "프리앰블 샘플링"을 기반으로 하는 "B-MAC"으로 불리는 그런 MAC 프로토콜들 중의 하나를 상세하게 설명한다. 이 프로토콜에 따르면, 송신자 노드가 전송할 데이터를 가질 때에, 그것은수신자 노드의 슬립 구간 간격의 길이만큼 적어도 유지하는 프리앰블을 전송하며 (이 지속시간은 "프리앰블 길이"로서 언급된다), 수신기 노드가 웨이크 업 (wake up) 할 때에 (이는 "검사 간격"으로서 언급되는 구간에 따라서 발생한다), 그것은 상기 프리앰블을 검출하고 그리고 데이터를 수신하기 위해서 깨어있는 (awake) 상태를 유지한다. 이 논문은 에너지 소비를, 지연 및 처리량을 최적화하고 그리고 네트워크 상태들을 변경하도록 적응하기 위해서 애플리케이션이 상기 "검사 간격" 및 상기 "프리앰블 길이"를 변경하는 것을 허용하는 양방향 인터페이스들의 세트를 사용하는 것을 또한 언급한다.
M. Buettner 등에 의한 논문 "X-MAC: A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks" (SenSys 2006, November 2006)는 "X-MAC"으로 불리는 그와 같은 다른 MAC 프로토콜들을 "프리앰블 샘플링" 및 짧은 고정-길이 프리앰블들의 시퀀스를 기반으로 하여 상세하게 설명한다. 이 프로토콜에 따르면, 소스 노드가 정보 패킷을 전송해야만 할 때에, 그것의 전송기는 일련의 짧은 그리고 고정된-길이의 프리앰블들을 전송하며, 그 프리앰블 각각은 목적지 노드의 주소를 포함하며; 프리앰블들 사이의 작은 중단된 부분들은 상기 목적지 노드의 수신기가 (자기 자신의 내부 동작 스케줄에 따라서) 깨어있도록 하고, 상기 프리앰블을 탐지하고 그리고 프리앰블들의 시퀀스를 중지시키고 그리고 상기 목적지 노드의 데이터를 수신할 수 있는 가용성을 시그날링하는 수신 확인을 송신하는 것을 허용한다; 스트로브된 프리앰블들을 우연히 듣는 비-목적지 수신기들은 데이터를 수신하기 위해서 깨어있기 보다는 즉각적으로 슬립으로 돌아갈 수 있다. 이 논문은 패킷 당 에너지 소비 그리고 지연 또는 두 가지 모두를 최적화하기 위해서 듀티-사이클 파라미터들을 동적으로 조절하기 위해서 사용될 수 있는 적응적 알고리즘을 또한 설명한다.
에너지 소비를 줄이기 위한 다른 접근 방법이 미국 특허 US 7,035,240에 의해서 개시된다. 이 특허는 에너지 효율적인 네트워크를 구현하기 위한 방법 및 네트워크 구조를 다룬다. 상기 네트워크는 최후에는 기지국으로 발송되는 데이터를 수집하고 전송하는 복수의 노드들을 포함한다. 상기 네트워크 노드들은 클러스터-헤드 (cluster-head)로서 행동하는 단일의 노드를 구비한 클러스터들의 세트를 형성한다. 상기 클러스터-헤드는 노드들이 자신의 클러스터를 연결시키고, 클러스터 내에서의 데이터 수집의 스케줄을 정하고 그리고 상기 데이터를 기지국으로 전송하는 것을 공고한다. 클러스터는 개별 노드들로부터의 데이터를 지능적으로 결합할 수 있다. 동작의 한 주기 이후에, 상기 클러스터들은 클러스터-노드들로서 행동하는 노드들의 상이한 세트로 재구성된다. 상기 네트워크는 개별 노드들의 에너지 사용을 균형을 맞추어서 시스템 수명을 늘어나게 한다.
본 출원인은 동기식 무선 통신 네트워크들에서, 특히 WPN/WSN 네트워크들에서, 알려진 프로토콜들에 관하여 네트워크 노드들의 에너지 소비에 대해 더욱 양호한 최적화를 할 필요가 있다고, 다음과 같은 이유 때문에 숙고하였다.
미국 특허 US 7,035,240 으로부터 알려진 해결책은 네트워크의 클러스터-헤드 노드들에서의 로드 균형 및 데이터 주합을 필요로 하며 그리고 상기 네트워크의 각 클러스터 내에서 TDMA [Time Division Multiple Access] 스케줄을 기반으로 하여 동기식 네트워크를 제공하는, 하이-레벨의 접근 방법을 기반으로 한다.
상기에서 언급된 두 논문들로부터 알려진 해결책들은 데이터 트래픽의 기능인 랜덤 액세스의 영향, MAC 파라미터들 그리고 네트워크 토폴러지 (topology)를 고려하지 않으며 그리고 상기 랜덤 액세스가 에너지 소비에 대해 큰 책임을 지며, 즉, 에너지 소비 모델이 너무 간이화되어서 그래서 어떤 진정한 최소화로 이끌 수가 없다.
US 7,035,240
J. Polastre et al, "Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks", SenSys 2004, November 2004. M. Buettner et al, "X-MAC: A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks", SenSys 2006, November 2006.
본 발명은 상기 종래의 기술의 해결책들을 개선하는 것에 목표를 둔다. 특히, 본 발명은 듀티-사이클 (duty-cycled) 비동기식 무선 통신 네트워크에서의 에너지 소비를 최소화하는 문제에 중점을 두어서 다룬다.
본 발명 배후의 기본적인 아이디어는 랜덤 액세스의 영향을 염두에 두는 에너지 소비 모델을 이용하는 것이다; 어쨌든, 상기 모델을 간이화하기 위해서, 상기 네트워크는 복수의 클러스터들로 파티션되어서 상기 클러스터들의 각각이 하나의 클러스터-헤드 노드를 포함하도록 하며; 이렇게 파티셔닝한 목적을 위해서 , 클러스터-헤드 노드는 상기 클러스터의 다른 노드들로부터 데이터 패킷들을 수신하는 것만이 고려된 라우팅 노드이며 그리고 상기 클러스터의 상기 다른 노드들은 상기 클러스터-헤드 노드로 데이터 패킷들을 전송하는 것만이 고려된 노드들이다 - 이는, 이렇게 파티션한 것에 따라서 클러스터들이 부분적으로 겹칠 수 있을 것이라는 것을 의미한다.
상기 모델을 구축하기 위해서, 본 출원인은 클러스터 내에서의 전송이 상기 클러스터의 노드들 중의 어떤 노드에 의해서 시도될 때에 비지 채널 (busy channel)의 확률에 마주치며, 클러스터 내에서의 전송이 상기 클러스터의 노드들 중의 어떤 노드에 의해서 실행될 때에 통신 충돌의 확률에 마주치며, 그리고 클러스터 내에서 데이터 패킷은 성공적인 전달의 확률 (이는 "신뢰성 (reliability)"으로 불릴 수 있을 것이다) 그리고 전달의 평균 지연 (이는 "잠재성 (latency)"이라고 불릴 수 있을 것이다)을 가지고 전달된다는 것을 고려했다; 추가로, 본 출원인은 상기 클러스터들의 노드들의 개수 그리고 평균 데이터 패킷 생성 레이트 (이들에 따라서 데이터 패킷들이 상기 클러스터들의 노드들에 의해서 전송된다)의 영향을 고려했다.
여기에서 제안된 모델에 따라서, 클러스터의 에너지 소비는 주로 비지 채널의 확률, 통신 충돌의 확률, 클러스터-헤드 노드의 깨어있는 구간의 지속시간 그리고 슬립 구간의 지속시간의 함수이다; 추가로, 상기 에너지 소비는 상기 클러스터의 노드들의 개수 및 평균 데이터 패킷 생성 레이트의 함수이다.
에너지 소비의 최소화는 비지 채널 확률의 그리고 통신 충돌의 확률의 미리 정해진 값들 아래에서 그리고 성공적인 전달의 확률에 대한 그리고 전달의 평균 지연에 대한 미리 정해진 제한 아래에서 수행된다; 이런 방식에서, 상기 클러스터-헤드 노드의 상기 깨어있는 구간의 지속시간 그리고 슬립 구간의 지속시간의 최적의 값들이 결정된다. 일단 이런 최적의 값들이 결정되면, 그 값들은 세팅되어 상기 클러스터-헤드 노드의 동작 파라미터들로서 사용된다.
상기 네트워크를 복수의 클러스터들로 파티션하는 것은 고정되고 그리고 미리 정해질 수 있을 것이다; 대안으로, 그것은 본 발명에 따라서 한번만 또는 반복해서, 예를 들면, 주기적으로 수행되는 단계들 중의 하나일 수 있을 것이다.
일반적으로 네트워크의 다양한 라우팅 노드들의 동작 파라미터들은 상이할 것이라는 것에 유의한다.
최적의 동작 파라미터들을 결정하는 것은 네트워크의 동작 동안에 반복될 수 있을 것이며, 예를 들면, 주기적으로 반복될 수 있을 것이다. 이는, 예를 들면 비지 채널의 확률이나 통신 충돌의 확률 또는 그런 확률들 둘 다가 네트워크의 동작 동안에 변경되는 경우에 유리하다.
이런 두 개의 확률들은 네트워크의 각 라우팅 노드에 의해서 라우팅 노드의 동작 동안에 결정될 수 있을 것이다; 특히, 비지 채널의 확률은 동일 클러스터의 다른 노드들에 의해서 만들어진 비지 채널의 확률의 추정들을 수신함으로써 그리고 그 수신된 추정들의 평균이나 최대를 계산함으로써 결정될 수 있을 것이다.
상기 동작 파라미터들의 최적의 값들은 상기 네트워크의 각 라우팅 노드에 의해서 라우팅 노드의 동작 동안에 결정될 수 있을 것이다; 이를 신속하게 그리고 단순한 하드웨어에 의해서 수행하기 위해서, 그런 결정은 미리-계산된 값들의 테이블을 기반으로 할 수 있을 것이다; 그런 테이블은 각 라우팅 노드의 내부에 저장될 수 있을 것이다; 상기 라우팅 노드들로의 그런 저장은, 예를 들면, 기지국에 의해서 수행될 수 있을 것이다; 그런 기지국은 상기 네트워크가 동작을 시작하기 이전에 상기 테이블이나 테이블들의 모든 값들을 계산했을 수 있을 것이다.
추가의 모습에 따르면, 본 발명은 에너지 소비를 최소화하는 상기의 방법을 실행하는 네트워크 노드과 통신 네트워크에 관련된다.
본 명세서의 해당되는 부분에 명시되어 있음
본 발명은 첨부된 도면들과 결합하여 숙고되는 다음의 설명으로부터 더욱 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 듀티-사이클 비동기식 무선 통신 네트워크를 보여주며, 이 경우에 첫 번째 클러스터와 두 번째 클러스터는 강조되어서 표시된다.
도 2는 복수의 짧은 프리앰블들을 이용한 프리앰블 샘플링을 기반으로 하는 비동기식 듀티-사이클링 MAC 프로토콜에 따른 소스 노드와 목적지 노드의 동작을 설명하는 타임 도면을 보여준다.
도 3은 본 발명에 따른, 비지 채널 확률을 추정하기 위한 방법을 설명하는 흐름도를 보여준다.
도 4는 본 발명에 따른, 충돌 확률을 추정하기 위한 방법을 설명하는 흐름도를 보여준다.
도 5는 본 발명에 따른 최적 동작 파라미터들을 결정하기 위해서 라우팅 노드에 의해 사용되는 값들의 테이블을 보여준다.
도 6은 본 발명에 따라, 라우팅 노드에 의해 도 5의 테이블을 사용하는 방법을 설명하는 흐름도를 보여준다.
다음의 설명 그리고 첨부된 도면들은 본 발명을 한정하는 것으로서가 아니라 단순하게 예시하는 것으로서 해석되어야 한다는 것이 이해되어야만 한다.
비록 본 발명이 비동기식 무선 통신 네트워크에 더욱 일반적으로 적용될 수 있을 것이지만, 다음에서 설명될 본 발명의 실시예는 WPAN [Wireless Personal Area Network] 네트워크, 특히 지그비 기술을 사용하는 WSN [Wireless Sensor Network] 네트워크에 관련된다. 네트워크 노드의 동작은 예를 들면 수정 진동자인 타이머 (대개는 로컬 타이머)에 의해서 생성되는 자신의 클락 신호에 의해서 타이밍이 정해진다; 상기 타이머는 시간 구간들의 지속 시간을 측정하기 위해서 상기 네트워크 노드들에 의해서 또한 사용된다. 이미 설명된 것처럼, 네트워크는 자신의 노드들이 동기화 클락을 가지고 있지 않고 그래서 동기해서 전송하고 수신하지 않는다면, "비동기식"으로서 정의된다.
듀티-사이클 (duty-cycled) 비동기식 무선 통신 네트워크의 동작은 잘 알려져 있으며, 예를 들면, 상기에서 이미 인용된 M. Buettner의 논문에서 설명되어 있다; 추가로, 이 논문은 짧은 고정-길이 프리앰블들의 시퀀스 전송을 기반으로 하여 MAC 프로토콜을 설명하며, 이는 다음에서 설명될 본 발명의 실시예에서의 상황이다.
도 1은 본 발명에 따른 WSN 네트워크로서 지그비 메시 토플러지 (ZigBee mesh topology)를 구체화한다. 이 네트워크는 7개의 라우터들 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, 그리고 7개의 최종 (end) 기기들 E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7을 포함한다.
도 2는 도 1의 네트워크에서 데이터가 소스 노드 SN 으로부터 목적지 노드 DN 으로 전송되려고 할 때에 상기 소스 노드 SN (예를 들면, 노드 E4) 그리고 상기 목적지 노드 DN (예를 들면, 노드 R3)의 동작을 설명하는 타임 도면을 보여준다.
"듀티-사이클 (duty-cycled)" 전송 방식에 따라, 상기 목적지 노드 DN 은, 예를 들면, 상기 소스 노드 SN 으로부터의 자신을 위한 데이터가 존재하는가의 여부를 검사하기 위해서 주기적으로 깨어나며; 데이터가 존재하면 데이터를 수신하고; 데이터가 존재하지 않으면 슬립 상태로 돌아간다; 이는 주기적으로 반복되며; 슬립 상태에서 소비된 시간은 "슬립 시간"으로 불리며 그리고 슬립 구간 (
Figure 112011037147918-pct00001
)의 지속 시간에 대응하며 그리고 깨어있는 상태에서 소비된 시간은 "깨어있는 시간"으로 불리며 그리고 깨어있는 구간 (
Figure 112011037147918-pct00002
)의 지속시간에 대응한다.
"프리앰블 샘플링" MAC 프로토콜들에서, 소스 노드가 목적지 노드로 전송할 데이터를 가지면, 그것은 각각이 상기 목적지 노드의 식별자를 포함하는 일련의 짧은 프리앰블 패킷들을 전송하며, 이 전송을 상기 목적지 노드로부터 수신확인 패킷을 수신할 때까지 또는 도 2의 예에서 목적지 노드의 최대 슬립 시간에 대응하는 "시간-제한" TL이 초과될 때까지 계속하며, 수신확인 패킷 ACK 은 오직 두 개의 프리앰블 패킷들 PRE1 그리고 PRE2만의 전송 이후에 상기 소스 노드 SN에 의해서 수신된다.
일반적으로, 목적지 노드가 깨어나서 통신 채널에 어떤 라디오 신호도 없다는 것을 탐지하면, 그 목적지 노드는 즉각적으로 슬립으로 돌아간다; 상기 목적지 노드가 프리앰블 패킷을 수신하지만, 상기 목적지 노드가 그 프리앰블의 타겟이 아니면, 이런 검사 후에 슬립으로 돌아간다; 상기 목적지 노드가 프리앰블 패킷을 수신하고 그리고 자신이 그 프리앰블 패킷의 타겟이면, 그 목적지 노드는 그 프리앰블 패킷을 수신한 이후에 소스 노드로 수신확인 패킷을 전송한다; 상기 수신확인 패킷을 수신한 후에, 상기 소스 노드는 데이터 패킷을 상기 목적지 노드로 전송한다.
도 2의 도면은 그런 통신에 연결된 더욱 상세한 내용들을 도시한다; 도 2에서의 이벤트들의 시퀀스는 도 1의 네트워크의 동작 동안에 발생할 수 있을 많은 가능성들 중의 하나만이 강조된 것이다.
전송 요청 RT이 상기 소스 노드 SN의 상위 계층으로부터 MAC 계층으로 송신되며 그리고 랜덤한 양의 시간 RB1 ("랜덤 백오프 (random backoff)"로 불린다)이 통신 채널이 감지되기 이전에 소비된다; 채널을 감지하는 것은 이 순간에 짧은 시간 구간 CS1 동안에 수행되며; 그 순간에 상기 통신 채널에 라디오 신호들이 존재한다, 즉, 상기 채널은 비지 (busy)한 것이며 (상기 채널은 보통은 전송을 위해서 다른 노드에 의해서 사용된다), 그러므로, 랜덤한 양의 다른 시간 RB2가 소비되며 그리고 채널은 시간 구간 CS2 동안에 다시 감지되며; 이제, 상기 채널은 이용 가능하고, 그러므로, 프리앰블 패킷 PRE1이 상기 소스 노드 SN에 의해서 전송된다.
상기 프리앰블 패킷 PRE1 전송 이후에, 상기 소스 노드 SN은 목적지 노드 DN으로부터의 응답을 기다리면서 시간 구간 TO1을 소비한다; 이 경우에, 상기 시간 구간 TO1은 "타임-아웃" TO로서 지속된다; 이 시간 구간 TO1 동안에, 상기 프리앰블 패킷 PRE1이 전송될 때에 상기 목적지 노드 DN이 슬립하고 있기 때문에 목적지 노드 DN은 응답하지 않는다.
시간 구간 TO1 이후에, 목적지 모드 DN이 응답하지 않았기 때문에, 시간 구간 CS3 동안에 상기 통신 채널이 감지되기 이전에 랜덤한 양의 시간 RB3이 소비되며 (상기 채널이 이용 가능하다고 발견된다) 그리고 프리앰블 패킷 PRE2가 상기 소스 노드 SN에 의해서 전송된다; 상기 랜덤한 양의 시간 RB3 동안에, 상기 목적지 노드 DN은 깨어난다 (도 2에서 시간의 순간 tAW).
상기 프리앰블 패킷 PRE2의 전송 이후에, 상기 소스 노드 SN은 상기 목적지 노드 DN으로부터의 응답을 기다리면서 시간 구간 TO2를 소비한다; 이 경우에, 상기 프리앰블 패킷 PRE2가 전송되고 그리고 상기 소스 노드 SN으로 응답했을 때에 상기 목적지 노드 DN이 깨어있기 때문에 상기 시간 구간 TO2는 "타임-아웃" TO 보다 더 짧게 유지된다.
상기 프리앰블 패킷 PRE2를 수신한 이후에, 상기 목적지 노드 DN은 시간 구간 CS4 동안에 상기 통신 채널을 감지하기 이전에 랜덤한 양의 시간 RB4를 소비하고 (상기 채널이 이용 가능하다고 발견된다) 그리고 수신확인 패킷 ACK을 상기 소스 노드 SN으로 전송한다.
상기 수신확인 패킷 ACK 수신한 후에, 상기 소스 노드 SN은 시간 구간 CS5 동안에 상기 통신 채널을 감지하기 이전에 랜덤한 양의 시간 RB5를 소비하고 (상기 채널이 이용 가능하다고 발견된다) 그리고 데이터 패킷 DAT를 상기 목적지 노드 DN으로 전송한다.
상기 수신확인 패킷 ACK을 전송한 후에, 상기 목적지 노드 DN은 상기 데이터 패킷 DAT를 단순하게 기다리며 그리고 데이터 패킷 DAT을 수신한 이후에 슬립으로 돌아간다 (도 2에서 시간 순간 tAS).
"프리앰블 샘플링" 프로토콜들에서, 데이터 패킷을 전송하기 위한 랜덤 액세스에서 소모된 시간의 양은 보통은 전송에서 소모된 시간의 양보다 아주 더 많다 (예를 들면, 디폴트 파리미터들 세팅을 이용한 IEEE 802.15.4에 따르면, 데이터 패킷 전송 이전의 최대 백오프 타임은 27.4 ms이나 56 바이트 데이터 패킷의 전송 시간은 250 kbps에서 1.79 ms이다); 랜덤 액세스는 데이터 트래픽, MAC 파라미터들 그리고 네트워크 토폴러지에 종속되며; 랜덤 액세스는 에너지 소비의 원인이다; 그러므로, 정밀한 에너지 소비 모델은 랜덤 액세스를 고려해야만 한다.
본 발명에 따른 에너지 소비 모델에 대해, 네트워크의 노드들은 클러스터들로 조직된다고 가정된다; 동일한 모델이 각 클러스터에 적용될 것이다.
클러스터로 된 토폴러지에서, 노드들은 클러스터-헤드 노드로서 행동하는 하나의 노드 (그것은 라우팅 노드이다)를 구비한 클러스터들로 조직된다; 상기 클러스터들의 모든 노드들 (상기 클러스터-헤드 노드는 제외)은 자신의 데이터를 상기 클러스터-헤드 노드로 직접 전송한다.
상기 네트워크가 "트리" 토폴러지를 구비하면, 상기 클러스터-헤드 노드들은 상기 클러스터들의 다른 노드들 (이들은 최종 기기들이다) 모두로부터 데이터를 수신하며 그리고 그것들을 조정자 노드 (coordinator node)로서 행동하는 기지국으로 포워딩한다; 상기 네트워가 "메시 (mesh)" 토폴러지를 구비하면, 상기 클러스터-헤드 노드들은 상기 클러스터들의 다른 노드들 모두로부터 데이터를 수신하며 그리고 그것들을 라우터 노드들로 포워딩한다.
본 발명에 따른 에너지 소비 모델을 "트리" 토폴러지에 적용하는 것은 직관적이다.
이 모델을 "메시" 토폴러지에 적용하기 위해서, 상기 네트워크는 복수의 클러스터들로 파티션되어서, 상기 클러스터들의 각각이 하나의 클러스터-헤드 노드를 포함하도록 한다; 이런 파티션하는 것의 목적을 위해서, 클러스터-헤드 노드는 상기 클러스터의 다른 노드들로부터 데이터 패킷들을 수신하는 것만이 고려된 라우팅 노드이며 그리고 상기 클러스터의 상기 다른 노드들은 상기 클러스터-헤드 노드로 데이터 패킷들을 전송하는 것만이 고려된 노드들이다; 라우팅 노드는 데이터 패킷들을 수신하는 것만이 아니라 데이터 패킷들을 전송할 수 있을 것이라는 사실을 고려하기 위해서, 라우팅 노드는 보통은 적어도 두 개의 상이한 클러스터들에 속하지만 그것은 오직 하나의 클러스터의 클러스터-헤드 노드이다; 이는 이렇게 파티션 하는 것에 따라서, 클러스터들이 부분적으로 겹칠 수 있을 것이라는 것을 의미한다.
도 1을 참조하면, 상기 네트워크의 첫 번째 클러스터 CL1은 라우터들 R2, R3 및 R4 그리고 최종 기기들 E4 및 E5를 포함하며 그리고 라우터 R3을 자신의 클러스터-헤드 노드로 간주하며, 그리고 상기 네트워크의 첫 번째 클러스터 CL2는 라우터들 R3, R4, R5 및 R6을 포함하고 그리고 최종 기기들은 포함하지 않으며 그리고 라우터 R4를 자신의 클러스터-헤드 노드로 간주한다; 그러므로, 노드 R3 및 노드 R4는 두 개의 상이한 클러스터들, 즉, CL1 및 CL2에 속하지만, 상기 첫 번째 클러스터 CL1을 고려할 때에 노드 R3은 데이터 패킷들을 수신하기만 하며 그리고 노드 R4는 데이터 패킷들을 전송하기만 하며 그리고 상기 두 번째 클러스터 CL2를 고려할 때에는 노드 R3은 데이터 패킷들을 전송하기만 하며 그리고 노드 R4는 데이터 패킷들을 수신하기만 한다. 도 1의 네트워크를 파티션하는 것을 완료하여 7개의 클러스터들을 공급하며, 클러스터는 상기 네트워크의 각 라우터에 대해서 하나라는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 설명의 전체에 걸쳐서, 슬립 구간의 지속 시간에 의해서 주어진 시간 지속시간에 깨어있는 구간의 지속시간을 더한 시간 동안에 노드는 전송할 최대 하나의 데이터 패킷을 가지도록 상기 네트워크의 노드들의 데이터 패킷 생성 레이트 (rate)가 정해진다고 가정한다. 결과적으로, 노드가 Rl + Rs 내에 데이터 패킷을 전송할 수 없으면, 그러면 그 패킷은 폐기된다.
다음에서, "RX" 및 "rx"의 약자는 "수신기" 또는 "수신 노드" 대신에 종종 사용될 것이며 그리고 "TX" 및 "tx"의 약자는 "전송기" 또는 "전송 노드" 대신에 종종 사용될 것이다.
다음의 수학적인 표현들에서의 심볼들 모두가 목록으로 나열되어서 아래의 표에서 설명된다.
심볼 의미
TX 노드 전송기 노드
RX 노드 수신기 노드 (클러스터 헤드)
T1 실제로 프리앰블 패킷을 전송하기 이전에 TX 노드에 의해서 소비되는 랜덤 지연
T2 전송 시작부터 수신확인을 수신할 때까지 TX 노드에 의해서 소비되는 랜덤 지연
T3 수신확인을 수신한 순간부터 데이터 패킷 전송까지 TX 노드에 의해서 소비되는 랜덤 지연
Tp 데이터 패킷이 성공적으로 수신되기 이전에 기다리는 랜덤 지연
Ts TX로부터 보이는 RX의 랜덤 슬립 시간
(그것은 [0, Rs]에 걸쳐 균일하게 분포된다)
Ts 프리앰블을 수신하면 계산된 것과 같은 RX의 랜덤 리스닝 시간
(그것은 [0, Rl]에 걸쳐 균일하게 분포된다)
Tack RX 노드가 채널에 액세스하여 수신확인을 송신할 수 있기 이전의 랜덤 시간
TTX , out TX 노드가 프리앰블을 송신한 이후에 ACK을 기다리는 최대 시간
Tout TX 노드가 데이터 패킷 전송을 포기하기 이전에 ACK을 수신하는 순간으로부터 TX 노드가 대기하는 최대 시간
Np 송신될 수 있는 프리앰블들의 최대 개수
Nb 프리앰블 패킷을 송신하기 위해서 채널을 감지하기 위한 백-오프의 최대 개수
NBmax 채널 액세스 실패를 선언하기 이전의 백-오프들의 최대 개수
N 클러스터 내의 노드들의 개수
λ 노드 당 패킷 생성 레이트
dTX TX 노드가 구간 Rs + Rl 에서 송신할 패킷을 가질 확률
c 비지 채널의 확률
b 프리앰블 충돌의 확률
p 데이터 패킷 충돌의 확률
ψmin 성공적인 패킷 전송의 최소 확률 (신뢰성 필요)
τmax 최대 지연의 최대 확률 (잠재성 (latency) 필요)
Emax 리스닝-슬리핑 사이클 당 최대 에너지 소비 (에너지 필요)
Sp ,j 프리앰블의 j-번째 랜덤 백-오프 시간
μSp ,j Sp ,j의 평균
Sc 깨끗한 채널 평가를 위해서 채널 감지 지속 시간
Sp 프리엠블 지속 시간
Sa 수신확인 패킷 지속 시간
Sd 데이터 패킷 지속 시간
Sb CSMA/CA 알고리즘에 의해서 사용되는 기본 시간 구간을 형성의 지속 시간
Rs 수신기 노드 (클러스터 헤드)의 슬립 시간
Rl 수신기 노드 (클러스터 헤드)의 활성 시간
Ak 채널이 k-1 회 비지인 상태일 때에 발생하는 이벤트
Bk RX 노드의 활성 시간에서 수신되기 이전에 프리앰블이 k 회 송신되어야만 하고 그리고 대응하는 수신확인이 RX 노드에 의해서 송신되어 TX 노드의 타임 아웃 이전에 수신될 때에, 발생하는 이벤트
Figure 112011037147918-pct00003
 수신기의 활성 상태 동안에 프리앰블이 성공적으로 수신될 때에 발생하는 이벤트
Figure 112011037147918-pct00004
 프리앰블이 성공적으로 수신되었다면 RX의 타임아웃이 만료되기 이전에 ACK가 성공적으로 송신될 때에 발생하는 이벤트
Figure 112011037147918-pct00005
 프리앰블이 성공적으로 수신되고 그리고 ACK 역시 성공적으로 수신되었다면 TX가 데이타 패킷을 성공적으로 송신할 때에 발생하는 이벤트
Ptx 전송 전력
Ptx 수신 전력
Ptx 슬립 전력
지연 모델링 (Modelling of the Delay)
소스 노드 (전송 노드)로부터 목적지 노드 (수신 노드 또는 클러스터-헤드 노드)로 데이터 패킷을 전송하기 위한 지연의 확률은 다음의 식으로 주어진다.
Figure 112011037147918-pct00006
이 경우에, ETa 그리고 ETl 은 각각 Ta (T 아래첨자 A) 그리고 Tl (T 아래첨자 L)의 분포에 관한 통계적인 평균을 나타내며; Ta (T 아래첨자 A)는 상기 전송들의 시작 부분에서부터, 깨어있는 구간이 시작할 때까지 기다리는 랜덤 시간이며, Tl (T 아래첨자 L)은 그 깨어있는 구간 동안에 프리앰블 패킷이 수신되는 순간으로부터 상기 깨어있는 구간이 시간 만료될 때까지의 지속시간이며, Tp 는 데이터 패킷이 성공적으로 수신되기 이전에 기다리는 지연이며, tmax 는 상기 적용이 필요로 하는 최대의 지연이며, c는 통신 충돌의 확률이다.
패킷이 tmax 지연되거나 또는 tmax 보다 작게 지연될 확률은 다음의 식으로 주어진다.
Figure 112011037147918-pct00007
Tp 의 평균 그리고 분산은 다음의 식들로 주어진다.
Figure 112011037147918-pct00008
이 경우에
Figure 112011037147918-pct00009
그리고
Figure 112011037147918-pct00010
는 각각 Tp의 평균과 분산이며, T2 는 데이터 패킷이 내부적으로 생성될 때의 순간부터 대응 수신확인 패킷이 TX 노드에 도달할 때까지 상기 TX 노드에 의해서 소비되는 시간의 구간이며 그리고 T3는 상기 수신확인 패킷이 수신되자마자 시작하여 상기 데이터 패킷이 전송된 직전에 종료하는 TX 노드에 의해서 소비된 시간의 구간이다.
T2 의 평균과 분산은 다음의 식들로 주어진다.
Figure 112011037147918-pct00011
이 경우에,
Figure 112011037147918-pct00012
이 경우에,
Figure 112011037147918-pct00013
그리고
Figure 112011037147918-pct00014
이다.
상기의 식들에 보이는 것처럼, T2 의 평균과 분산은 T1 (데이터 패킷이 내부적으로 생성될 때의 순간부터 첫 번째의 대응 프리앰블 패킷이 실제로 전송될 때까지 TX 노드에 의해서 소비되는 시간 구간)의 평균과 분산에 관련되며, 이는 다음의 식들로 주어진다.
Figure 112011037147918-pct00015
이 경우,
Figure 112011037147918-pct00016
이 경우에,
Figure 112011037147918-pct00017
상기의 식들에서 보이는 것처럼, T2 의 평균과 분산은 Tack (프리앰블 패킷 전송의 종료로부터 대응 수신확인 패킷의 전송의 종료 때까지의 시간 구간)의 평균과 분산에 또한 관련되며, 이는 다음의 식들로 주어진다.
Figure 112011037147918-pct00018
T3 의 평균과 분산은 다음의 식들로 주어진다.
Figure 112011037147918-pct00019

신뢰성 모델링 (Modelling of the Reliability)
데이터 패킷을 소스 노드 (전송 노드)로부터 목적지 노드 (수신 노드 또는 클러스터-헤드 노드)로 성공적으로 전달할 확률은, "신뢰성"이라고 불리는데, 다음의 식으로 주어진다.
Figure 112011037147918-pct00020
이 경우, 상기 RX 노드의 깨어있는 구간 동안에 프리앰블 패킷이 성공적으로 전송되고 그리고 대응하는 수신확인 패킷이 상기 TX 노드 시간만료의 타임아웃 이전에 성공적으로 전송되는 확률은 다음의 식으로 주어진다.
Figure 112011037147918-pct00021
프리앰블 패킷이 성공적으로 수신되고 그리고 상기 수신확인 패킷이 또한 성공적으로 수신된다고 하면 상기 TX 노드가 데이터 패킷을 성공적으로 전송할 확률은 다음의 식으로 주어진다.
Figure 112011037147918-pct00022

에너지 소비 모델링 (Modelling of the Energy Consumption)
상기 네트워크의 각 클러스터에 대해서
Figure 112011037147918-pct00023
로 정규화된 평균 에너지 소비 (다른 말로 하면, 전체 에너지
Figure 112011037147918-pct00024
의 예상되는 값
Figure 112011037147918-pct00025
)은 다음의 식으로 주어진다:
Figure 112011037147918-pct00026
이 경우, N은 상기 클러스터 내의 전송 노드들의 개수이며 (이는 상기 클러스터의 노드들의 전체 개수에서 하나, 즉, 상기 클러스터-헤드 노드를 뺀 개수와 동일하다) 그리고
Figure 112011037147918-pct00027
는 전송 노드가
Figure 112011037147918-pct00028
의 시간 구간 동안에 상기 클러스터-헤드 노드로 전송할 적어도 하나의 데이터 패킷을 가지고 있을 확률이다, 즉,
Figure 112011037147918-pct00029
이며, 이 경우
Figure 112011037147918-pct00030
는 평균 데이터 패킷 생성 레이트이다.
이 식에서, 첫 번째 가수 (addend)는 상기 전송 노드들의 평균 에너지 소비이며 그리고 두 번째 가수는 상기 수신 노드, 즉, 클러스터-헤드 노드의 평균 에너지 소비이다.
하나의 전송 노드의 평균 에너지 소비는 다음의 식으로 주어진다.
Figure 112011037147918-pct00031
상기 식에서의 첫 번째 줄은 성공적인 데이터 패킷 전송의 경우에 소비된 에너지에 대응하며 그리고 두 번째 줄은 성공적이지 않은 데이터 패킷 전송의 경우에 소비되는 에너지에 대응한다.
상기 식에서 첫 번째 줄에서의 4개의 가수는, 각각, 이벤트 Bi가 발생하는 경우, 즉, i번째 프리앰블 패킷이 성공적으로 전송되고 그리고 대응하는 수신확인 패킷이 성공적으로 수신될 때에, 상기 채널에 액세스하고 그리고 "i"개 프리앰블 패킷들을 전송하기 위한 에너지, 상기 프리앰블 패킷들에 대한 TX 노드의 "i-1" 개의 (고정된) 타임 아웃 구간들 동안에 소비된 에너지, 수신확인 패킷을 수신하기 위한 에너지, 데이터 패킷을 전송하기 위한 에너지이다.
상기 식의 두 번째 줄의 세 개의 가수들은, 각각, Np 개(프리앰블 패킷들의 최대 개수) 프리앰블 패킷들이 전송되지만 채널이 비지 상태이거나 또는 충돌이나 또는 랜덤 백오프로 인해서 수신 노드의 깨어있는 구간을 놓쳐서 어떤 데이터 패킷도 전송되지 않을 때에 소비된 에너지이다.
이 가수들은 다음의 식들에 의해서 정의된다.
Figure 112011037147918-pct00032
이 식들에서, 다음의 항들이 사용된다:
Figure 112011037147918-pct00033
클러스터-헤드 노드에서의 에너지 소비 ("
Figure 112011037147918-pct00034
")는 아이들 리스닝 (idle listening), 수신확인 패킷들 송신 및 데이터 패킷 수신을 위해서 소비된 에너지로 주어진다. 이런 이벤트들은 자신들 사이에서 그리고 다른 노드들 사이에서 고도로 상호-상관되었기 때문에, 그런 이벤트들의 확률들을 위한 폐쇄적인 (closed) 형상의 식을 제공하는 것은 어렵다. 결과적으로, 정확한 특성화는, 몇몇의 다른 노드가 다른 데이터 패킷을 송신하려고 시도하고 있을 때에 상기 수신 노드가 데이터를 수신하느라 비지의 상태일 확률을 모델링할 것을 필요로 할 수 있을 것이다. 그러므로, 수신 노드에서 소비되는 에너지가 전송 노드에서 소비되는 에너지에 비교하면 작다는 것을 고려하여, 다음의 상단 경계가 이용된다:
Figure 112011037147918-pct00035
이 경우, 수신확인 패킷이 상기 깨어있는 구간 끝 부분 직전에 전송되면 상기 깨어있는 구간의 끝 부분 이후에, 상기 수신 노드는 타임-아웃 ("
Figure 112011037147918-pct00036
" = 데이터 패킷을 위한 RX 노드의 고정된 타임 아웃 구간들)을 위해서 리슨 (listen)하고 있을 수 있다고 가정한다.
에너지 소비 최소화 (Minimization of the Energy Consumption)
막 결정된 에너지, 지연 및 신뢰성의 상기 표현들을 사용하기 이전에, 전송을 시도할 때에 비지 채널의 확률 그리고 전송 동안에 통신 충돌의 확률을 결정할 것이 필요하다. 그 이후에, 세팅된 문턱값 아래로 줄어드는 상기 깨어있는 구간의 지속시간 그리고 슬립 구간의 지속시간의 최적값들이, 예를 들면, 에너지 소비를 최소화하는 최적값들이 결정될 수 있을 것이다.
본 발명의 최선 실시예에 따르면, 비지 채널의 확률 그리고 통신 충돌의 확률 두 가지 모두는 가변이며 그리고 네트워크의 동작 동안에 각 클러스터에 대해서 반복적으로 (예를 들면 주기적으로) 결정되며, 그러면 그것들의 값들은 각 클러스터-헤드 노드에 대해서 깨어있는 구간의 지속시간 그리고 슬립 구간의 지속시간의 최적 값들을 반복적으로 결정하기 위해서 사용된다.
비지 채널 확률 결정 (Determining Busy Channel Probability)
클러스터-헤드 노드로 패킷 (프리앰블 패킷 또는 데이터 패킷)을 전송하는 것을 시도하면서 각 비-클러스터 헤드 노드에서 비지 채널 확률이 추정된다. 도 3은 비지 채널 확률을 추정하기 위한 방법의 가능한 흐름도를 보여준다.
노드에 의해서 만들어진 상기 추정은 프리앰블 패킷의 페이로드 내의 상기 클러스터-헤드 노드로 전송될 수 있을 것이다; 바람직하게는, 프리앰블 패킷이 상기 클러스터-헤드 노드로 전송될 때마다, 상기 전송 노드들은 상기 비지 채널 확률에 대한 자신의 이전의 추정을 상기 페이로드에 삽입한다.
상기 클러스터-헤드 노드는 자신의 이웃하는 노드들로부터 수신한 상기 비지 채널 확률 추정들을 (예를 들면 각 이웃하는 노드에 대해서 하나의 값을) 테이블에 저장한다; 최적의 동작 파라미터들을 결정하기 위해서 사용되는 상기 비지 채널 확률은 이 테이블에 저장된 값들의 평균으로서 바람직하게 계산된다; 대안으로, 예를 들면, 상기 최적의 동작 파라미터들을 결정하기 위해서 사용되는 상기 비지 채널 확률은 이 테이블에 저장된 값들의 최대로서 계산될 수 있을 것이다.
도 3의 예는 슬롯화되지 않은 IEEE 802.15.4 CSMA/CA[Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance] 메커니즘의 경우를 참조한다: 네트워크 내의 각 노드는 NB 및 BE라는 두 개의 변수들을 구비한다. NB는, 현재의 전송을 시도하면서 사용되는 백오프들 ("랜덤 백오프 시간"으로 불리는, 랜덤한 시간 구간을 측정하기 위한 단위 시간 구간임)의 개수이다; NB는 모든 새로운 전송 이전에 0으로 초기화된다. BE는 백오프 지수 (Backoff Exponent)로, 이는 노드가 채널을 액세스할 것을 시도하기 전에 얼마나 많은 백오프들을 기다려야 하는지에 관련된다. 상기 랜덤 백오프 시간에 영향을 미치는 파라미터들은 minBE, maxBE 그리고 maxNB 이며, 이들은 각각 BE의 최소, BE의 최대 그리고 NB의 최대에 대응한다.
NB는 0으로 초기화되며 그리고 BE는 minBE로 초기화된다 (단계 301). MAC 계층은 0 부터 2BE-1 까지의 범위 내의 백오프들의 랜덤 개수동안 지연되며 (단계 302), 그리고 물리 계층에게 CCA [Clear Channel Assessment]를 수행할 것을 요청한다 (단계 303). 상기 CCA의 결과가 고려되며 (단계 304); 상기 채널이 비지 상태이면 (블록 304로부터 나가는 아니오 화살표), 상기 채널은 액세스되지 않으며 그리고 상기 MAC 계층은 NB 및 BE 둘 다를 하나씩 증가시켜, BE가 maxBE보다 더 작은 상태인 것을 확실하게 하며 (단계 306), 상기 채널이 이용 가능하면 (블록 304로부터 나가는 예 화살표) 상기 채널은 액세스되며 그리고 상기 방법은 성공적으로 종료된다 (단계 310). NB 및 BE를 증가시킨 후에, NB의 값에 대해서 검사가 수행된다 (단계 307), 즉, NB의 값이 maxNB보다 더 큰가의 여부가 검사된다; 그 검사가 긍정적이면 (블록 307로부터 나가는 예 화살표), 상기 채널은 액세스되지 않으며 그리고 상기 방법은 실패로 끝난다 (단계 308); 상기 검사가 부정적이면 (블록 307로부터 나가는 아니오 화살표), 상기 MAC 계층은 NB 및 BE의 업데이트된 값들을 이용하여 백오프들의 랜덤 개수 동안 지연한다 (단계 302).
비지 채널 확률 "c"는 초기값 "c0"으로 초기화되며 그리고 상기의 프로세스 동안에 업데이트된다; 상기 채널이 비지 상태이면 (블록 304에서 나가는 아니오 화살표) 그것은
Figure 112011037147918-pct00037
로 업데이트되며 (단계 305) 그리고 상기 채널이 이용 가능하면 (블록 304로부터 나가는 예 화살표), 그것은
Figure 112011037147918-pct00038
로 업데이트되며 (단계 309), 이 경우
Figure 112011037147918-pct00039
는 가중 인자이며, 예를 들면, 0.9 또는 0.99이다.
충돌 확률 결정 (Determining Collision Probability)
전송된 프리앰블 패킷에 대한 응답에서 어떤 수신확인 패킷도 수신되지 않으면 전송 노드는 그 전송된 프리앰블 패킷에 충돌이 발생했다고 결론을 내릴 수 있을 것이다; 어쨌든, 수신확인 패킷을 돌려받지 못하는 이유는 대개의 경우들에 있어서 목적지 노드가 상기 전송 동안에 슬립 상태에 있기 때문이다.
그러므로, 본 발명에 따라, 상기 충돌 확률은, 수신기 (즉, 클러스터-헤드 노드) 측에서 유리하게 결정되며, 상기 수신기는 클러스터-헤드 노드이다. 도 4는 어떤 수신 시도에서 상기 충돌 확률을 결정하기 위한 방법의 가능한 흐름도를 보여준다.
클러스터 "n"이 0으로 초기화된다 (단계 401). 상기 클러스터-헤드 노드는 RSSI [Received Signal Strength Indicator]를 검사한다 (단계 402). 상기 RSSI가 수신 문턱값 "Rth" 보다 더 크면 (블록 402로부터 나가는 예 화살표), 패킷들이 전송되고 있는 것이며; 그렇지 않으면 (블록 402로부터 나가는 아니오 화살표), 전송되고 있는 것이 아니며 그리고 카운터는 리셋된다 (단계 401). 전송이 존재하면, 상기 클러스터-헤드 노드는 카운터 "n"을 증가시키고 (단계 403) 그리고 그 값을 패킷 "Nth"을 형성하는 심볼들의 최소 개수와 비교 (단계 404)함으로써, 심볼들 동안에 상기 RSSI가 상기 수신 문턱값보다 큰 그런 심볼들의 개수를 카운트한다. 그렇게 카운트된 심볼들의 개수가 Nth 보다 더 크면 (블록 404로부터 나가는 예 화살표), 패킷은 수신되고 있는 것이며 그리고 상기 프리앰블 비트들에 관하여 검사가 수행된다 (단계 405). 상기 프리앰블 비트들이 성공적으로 탐지되지 않으면 (블록 405로부터 나가는 아니오 화살표) 상기 클러스터-헤드 노드는 충돌이 있는 것으로 가정하고 그리고 상기 충돌 확률을
Figure 112011037147918-pct00040
로 업데이트한다 (단계 406). 상기 프리앰블 비트들이 성공적으로 탐지되면 (블록 405로부터 나가는 예 화살표) CRC [Cyclic Redundancy Check] 가 검사된다 (단계 407). CRC가 검사되지 않으면 (블록 407로부터 나가는 아니오 화살표) 충돌이 있었던 것이며 그리고 상기 충돌 확률은
Figure 112011037147918-pct00041
로 업데이트되며 (단계 406), CRC가 검사되면 (블록 407로부터 나가는 예 화살표) 상기 충돌 확률은
Figure 112011037147918-pct00042
로 업데이트되며 (단계 408), 이 경우
Figure 112011037147918-pct00043
는 가중 인자이며, 예를 들면, 0.9 또는 0,99이다.
최적화 문제 (Optimization Problem)
에너지, 지연 그리고 신뢰성의 표현이 상기 클러스터-헤드의 슬립 및 깨어있는 구간들의 지속시간들, 노드들의 개수, 평균 데이터 패킷 생성 레이트, 비지 채널 및 충돌 확률의 함수로서 주어지면, 에너지는 다음과 같이 신뢰성 및 지연 제한들에 종속되어 최소화된다:
Figure 112011037147918-pct00044
이 경우,
Figure 112011037147918-pct00045
는 지연이
Figure 112011037147918-pct00046
보다 더 작기 위해서 바라는 확률이며 그리고
Figure 112011037147918-pct00047
는 데이터 패킷이 전달되어야만 하는 최소의 원하는 확률이다. 상기 최적화에서, c 및 p는 피드-포워드 (feed-forward) 변수들인 반면에,
Figure 112011037147918-pct00048
,
Figure 112011037147918-pct00049
,
Figure 112011037147918-pct00050
그리고
Figure 112011037147918-pct00051
는 응용에 따른 요구 사항 (requirement)들이다.
동작 파라미터들
Figure 112011037147918-pct00052
그리고
Figure 112011037147918-pct00053
에 관한 이런 최소화 문제의 해결책은 표준의 계산 기술들을 통해서 얻어질 수 있다.
본 발명이 속한 기술분야에서의 통상의 지식을 가진 자는 각 특정 상황에서 상기 클러스터-헤드의 슬립 및 깨어있는 구간들의 지속시간들, 노드들의 개수, 평균 데이터 패킷 생성 레이트, 비지 채널 및 충돌 확률의 값들을 결정할 수 있을 것이며, 상기 값들은 신뢰성 및 지연 제한들에 종속되어 세팅된 문턱값 이하인 에너지 레벨들을 달성하며, 그런 문턱값 레벨은 실제적인 관점에서 최소 에너지 레벨에 충분하게 접근한다. 상기 에너지 레벨을 상기 세팅된 문턱값 이하로 가져오게 하는 상기 클러스터-헤드의 상기 슬립 및 깨어있는 구간들의 지속시간의 이런 값들 그리고 상기에서 표시된 다른 파라미터들의 값들은 최소 에너지 조건을 충족하는 것으로서 또한 간주될 것이다.
본 발명의 유리한 실시예에 따라서, 이 최소화 문제는, 예를 들면, 상기 네트워크에 연결된 기지국에 의해서, 5개의 변수들, 즉, 클러스터 내에서 전체 패킷 생성 레이트 (즉, 노드들의 개수에 평균 데이터 패킷 생성 레이트를 곱한 것), 충돌 확률 및 비지 채널 확률, 지연 제한 및 신뢰성 제한의 많은 대표값들에 대해 오프라인으로 풀린다; 이런 방식에서, 상기 네트워크의 노드들은 실시간으로 복잡한 계산을 수행하기 위한 복잡한 하드웨어가 필요하지 않다.
상기 동작 파라미터들
Figure 112011037147918-pct00054
및
Figure 112011037147918-pct00055
의 대응하는 미리 계산된 최적 값들
Figure 112011037147918-pct00056
및
Figure 112011037147918-pct00057
만이 아니라, 상기 다섯 개의 파라미터들의 값들도 상기 네트워크의 클러스터-헤드 노드들 각각에 포함된 도 5에 도시된 것과 유사한 테이블 TBL에 저장된다.
도 5의 테이블 TBL (또는 유사한 테이블)을 이용하는 방법은 네트워크의 클러스터들 중의 하나의 클러스터의 클러스터-헤드 노드에 관련한 도 6의 흐름도의 도움을 받아서 설명될 것이다.
(예를 들면 기지국에 의해서 수행될 수 있는) 클러스터-헤드 노드의 초기화에서, 클러스터-헤드 노드의 클러스터의 전체 패킷 생성 레이트
Figure 112011037147918-pct00058
, 지연이
Figure 112011037147918-pct00059
보다 더 작기 위해서 바라는 확률
Figure 112011037147918-pct00060
, 데이터 패킷이 전달되어야만 하는 최소의 원하는 확률
Figure 112011037147918-pct00061
인 세 개의 변수들의 값들이 상기 클러스터-헤드 노드에 저장된다; 추가로, 상기 클러스터-헤드 노드의 동작 파라미터들은, 예를 들면, 디폴트 값들로 세팅된다. 상기 클러스터-헤드 노드는 자신의 이웃하는 노드들로부터 상기 비지 채널 확률의 추정들을 수신하고 그리고 그 추정들의 평균을 계산한다 (단계 601); 상기 클러스터 헤드는 충돌 확률을 추정한다 (단계 602); 상기 세 개의 변수들의 값들, 상기 계산된 평균 비지 채널 확률 및 상기 추정된 충돌 확률을 엔트리 포인트들로서 사용하여,
Figure 112011037147918-pct00062
및
Figure 112011037147918-pct00063
의 두 값들이 상기 클러스터의 에너지 소비를 최소화하는 최적 값들
Figure 112011037147918-pct00064
및
Figure 112011037147918-pct00065
에 대응하는 상기 테이블 TBL로부터 읽혀지며 (단계 603) 그리고 상기 클러스터-헤드 노드의 새로운 동작 파라미터들로서 세팅되어 이전의 동작 파라미터들을 대체한다 (단계 604); 그 이후에, 상기 클러스터-헤드 노드는 상기 방법의 상기 단계들을 반복하기 이전에 잠시 대기한다 (단계 605).
본 명세서에 사용된 부호들에 대해서는 상기 표 1에서 설명되었음

Claims (11)

  1. 비동기식 무선 통신 네트워크의 라우팅 노드 (R3)의 동작을 세팅하는 방법으로서,
    상기 라우팅 노드 (R3)는 간헐적으로 동작하는 라디오 트랜시버를 포함하며,
    상기 간헐적인 동작은 깨어있는 구간 (
    Figure 112011037147918-pct00066
    ) 그리고 슬립 구간 (
    Figure 112011037147918-pct00067
    )의 주기적인 시퀀스에 대응하며,
    상기 네트워크는 복수의 클러스터들 (CL1, CL2, ...)을 포함하며,
    상기 클러스터들 (CL1, CL2, ...)의 각각은 하나의 클러스터-헤드 노드 (R3, R4, ...)를 구비하며,
    클러스터-헤드 노드는 상기 클러스터의 다른 노드들로부터 전송된 데이터 패킷들을 수신하며,
    클러스터 내에서 전송이 시도될 때에 비지 (busy) 채널의 확률 (c)에 마주치며,
    클러스터 내에서 전송이 수행될 때에 통신 충돌의 확률 (p)에 마주치며,
    데이터 패킷은 클러스터 내에서 성공적인 전달의 확률 (
    Figure 112011037147918-pct00068
    ) 그리고 전달의 평균 지연 (
    Figure 112011037147918-pct00069
    )으로 전달될 때에, 상기 방법은:
    A) 상기 라우팅 노드 (R3)의 클러스터 (CL1)가 클러스터-헤드 노드인 상기 클러스터 (CL1)에 대해, 에너지 소비를 비지 채널의 확률 (c), 상기 라우팅 노드 (R3)의 깨어있는 구간 (
    Figure 112011037147918-pct00070
    )의 지속시간 그리고 슬립 구간 (
    Figure 112011037147918-pct00071
    )의 지속 시간의 함수로서 결정하는 단계;
    B) 상기 라우팅 노드 (R3)의 클러스터 (CL1)가 클러스터-헤드 노드인 상기 클러스터 (CL1)에 대해, 상기 에너지 소비를 감소시키는 상기 라우팅 노드 (R3)의 깨어있는 구간 (
    Figure 112011037147918-pct00072
    )의 지속시간 그리고 슬립 구간 (
    Figure 112011037147918-pct00073
    )의 지속 시간의 값들을 세팅된 문턱값 아래로, 비지 채널의 상기 확률 (c)의 그리고 통신 충돌의 상기 확률 (p)의 미리 정해진 값들 아래로 그리고 성공적인 전달의 확률 (
    Figure 112011037147918-pct00074
    ) 그리고 전달의 평균 지연 (
    Figure 112011037147918-pct00075
    )에 대한 미리 결정된 제한 아래에서 결정하는 단계; 및
    C) 상기 라우팅 노드 (R3)의 깨어있는 구간 (
    Figure 112011037147918-pct00076
    )의 지속시간 그리고 슬립 구간 (
    Figure 112011037147918-pct00077
    )의 지속 시간을 단계 B에서 결정된 상기 값들 중에서 선택된 값들로 세팅하는 단계를 포함하는, 라우팅 노드의 동작 세팅 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방법은,
    상기 네트워크를 복수의 클러스터들 (CL1, CL2, ...)로 파티션하여 상기 클러스터들 (CL1, CL2, ...)의 각각이 하나의 클러스터-헤드 노드 (R3, R4, ...)를 포함하도록 하는 단계를 더 포함하는, 라우팅 노드의 동작 세팅 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 라우팅 노드 (R3)의 클러스터 (CL1)가 클러스터-헤드 노드인 상기 클러스터 (CL1)는 노드들의 개수 (N)를 구비하며 그리고
    상기 클러스터 (CL1)의 노드들은 평균 데이터 패킷 생성 레이트 (
    Figure 112011037147918-pct00078
    )에 따라서 데이터 패킷들을 전송하며, 그리고
    단계 A에서, 상기 에너지 소비는 상기 노드들의 개수 (N)의 그리고 상기 평균 데이터 패킷 생성 레이트 (
    Figure 112011037147918-pct00079
    )의 함수로서도 결정되는, 라우팅 노드의 동작 세팅 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 라우팅 노드 (R3)는 비지 채널의 확률 (c)을 반복적으로 결정하며 그리고 그렇게 결정된 확률을 단계 B를 반복적으로 수행하기 위해서 사용하는, 라우팅 노드의 동작 세팅 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 라우팅 노드 (R3)는
    상기 클러스터 (CL1)의 다른 노드들 (R2, E4, E5, R4)에 의해서 만들어진 비지 채널의 확률의 추정들을 수신함으로써 그리고 상기 수신한 추정들의 평균이나 최대를 계산함으로써 비지 채널의 확률 (c)을 결정하는, 라우팅 노드의 동작 세팅 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 라우팅 노드 (R3)는 추정들을 함으로써 통신 충돌의 확률 (p)을 반복적으로 결정하고 그리고 그렇게 결정된 확률을 단계 B를 반복하여 수행하기 위해서 사용하는, 라우팅 노드의 동작 세팅 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    단계 B에서의 결정은 내부적으로 저장된 값들의 테이블 (TBL)을 기반으로 하여 상기 라우팅 노드 (R3)에 의해 수행되는, 라우팅 노드의 동작 세팅 방법.
  8. 제3항 및 제7항에 있어서,
    상기 테이블 (TBL)은 노드들의 개수 (N)의 상이한 값들에 대한 깨어있는 구간 (
    Figure 112011037147918-pct00080
    )의 지속시간 및 슬립 구간 (
    Figure 112011037147918-pct00081
    )의 지속 시간, 평균 데이터 패킷 생성 레이트 (
    Figure 112011037147918-pct00082
    ), 비지 채널의 확률 (p), 통신 충돌의 확률 (p), 성공적인 전달의 확률 (
    Figure 112011037147918-pct00083
    ) 그리고 전달의 평균 지연 (
    Figure 112011037147918-pct00084
    )의 값들의 복수의 세트들을 포함하는, 라우팅 노드의 동작 세팅 방법.
  9. 간헐적인 동작을 하는 라디오 트랜시버를 포함하는 비동기식 무선 통신 네트워크의 노드로서,
    상기 간헐적인 동작은 깨어있는 구간과 슬립 구간의 주기적인 시퀀스에 대응하며,
    상기 라디오 트랜시버는 데이터 패킷을 수신하기 위해서 적어도 사용되며,
    상기 노드의 동작은 제1항에 따른 방법을 통해서 세팅되는, 비동기식 무선 통신 네트워크의 노드.
  10. 제9항에 따른 하나 이상의 라우팅 노드들을 포함하는 비동기식 무선 통신 네트워크.
  11. 제10항에 있어서,
    모든 라우팅 노드들이 제9항에 따르는, 비동기식 무선 통신 네트워크.
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