KR101619855B1 - 전장감시를 위한 무선 센서 네트워크 환경에서 적응형 전송 프로파일을 사용한 대용량 데이터 전송 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무선 센서 네트워크 환경에서 영상과 같은 대용량의 데이터를 효율적으로 전송하기 위하여 통신 환경을 반영한 전송 프로파일을 정의하고 이를 이용하여 대용량 데이터를 전송하는 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 무선 센서 네트워크 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 무선 센서 네트워크 환경에서 영상과 같은 대용량의 데이터를 효율적으로 전송하기 위하여 통신 환경을 반영한 전송 프로파일을 정의하고 이를 이용하여 대용량 데이터를 전송하는 방법에 대한 것이다.
무선 Ad-hoc 센서 네트워크는 다양한 응용 분야에 적용되고 있으며 그 분야와 목적에 따라 프로토콜 설계가 달라진다. 이러한 응용 분야로서는, 국경 감시, 전장 감시, 산림 감시, 재해 관리, 시설 보안 등을 들 수 있다. 따라서 대상 응용에 대한 데이터 발생 특성과 유형을 정확히 파악하여야 하며 한정된 배터리 에너지를 사용함에 따라 에너지 효율을 극대화하기 위한 기술이 요구된다.
무선 센서 네트워크의 대표적 프로토콜인 IEEE 802.15.4 또는 일반적인 센싱 데이터 전송 프로토콜들은 데이터 유통량이 적은 전송 응용에 최적화되어 에너지 효율을 높이는 여러 알고리즘을 적용하고 있다.
그러나 센서 네트워크 환경에서 멀티미디어 등과 같은 대용량 데이터 전송이 필요할 경우, 이와 같은 프로토콜은 매체 간 충돌 확률 및 채널 점유 시간 증가를 초래하여 에너지 소비가 전송량과 비례하여 급격하게 증가하는 문제가 발생한다.
1. 정광수외, "감시정찰 센서 네트워크 특성을 고려한 통신 프로토콜 및 저 전력 운용방법"한국정보기술학회지 제10권 제7호 (2012. 7) pp.133-143
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 에너지 효율과 대용량 전송 요구를 동시 수용할 수 있도록 데이터 전송 특성과 유형을 파악하여 응용 계층부터 물리 계층까지 전 계층 간 상호 작용이 가능한 적응형 전송 프로파일을 사용한 대용량 데이터 전송 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위 배경기술에 따른 에너지 효율과 대용량 전송 요구를 동시 수용할 수 있도록 데이터 전송 특성과 유형을 파악하여 응용 계층부터 물리 계층까지 전 계층 간 상호 작용이 가능한 다수의 센서 노드로 이루어지는 전장감시를 위한 무선 센서 네트워크 환경에서 적응형 전송 프로파일을 사용한 대용량 데이터 전송 방법을 제공한다.
상기 적응형 전송 프로파일을 사용한 대용량 데이터 전송 방법은,
(a) 상기 다수의 센서 노드 중 하나의 송신 노드가 상기 다수의 센서 노드 중 하나의 수신 노드에 대용량 전송을 요청하는 단계;
(b) 상기 수신 노드가 상기 송신 노드에 전송할 전송 프로파일을 결정하는 단계;
(c) 상기 수신 노드가 인접한 인접 노드에 통신 채널 자원의 예약을 요청하는 단계; 및
(d) 상기 수신 노드가 상기 전송 프로파일을 상기 송신 노드에 전송함에 따라 상기 수신 노드 및 송신 노드가 절전 운용 모드에서 대용량 집중(Burst) 전송 모드로 전환되어 대용량 전송을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 전송 프로파일은 대용량 데이터 전송을 위한 상기 송신 노드측 신호세기를 측정하여 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 방법은, 상기 (d) 단계 이후, 상기 수신 노드가 수신 완료 응답을 상기 송신 노드에 전송하고 상기 대용량 집중(Burst) 모드 상태에서 상기 절전 운용 모드로 전환하는 단계; 및 상기 송신 노드가 상기 수신 완료 응답을 받아 상기 절전 운용 모드로 복귀하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전송 프로파일은, 수신신호세기(RSSI: Received Signal Strength Indicator) 기준, 상기 송신 노드의 신호세기 대비 BER(Bit Error Rate)을 보상하고 미리 정해진 전송 성공률을 보장하는 물리계층 전송 단위 크기 및 에러 정정 코드를 조합하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 에러 정정 코드는 순방향 에러 정정 코드(FEC: Forward Error Correction Codes) 방식을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계는, 상기 인접 노드가 통신 채널 자원 예약의 시간을 이용하여 휴전 모드를 설정하는 단계; 및 상기 통신 채널 자원의 예약 전송 시간 초과에 의하여 상기 절전 운용 모드로 복귀하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 대용량 전송은 물리계층의 패킷 전송 단위 크기로 패킷을 분할하여 다수의 분할 패킷 형태로 상기 수신 노드의 응답 없이 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다수의 분할 패킷 중 마지막 분할 패킷 헤더에는 송신 종료 정보를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 무선 센서 네트워크는 무선 Ad-hoc 센서 네트워크인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 평소에는 절전 운용 모드를 유지하고 대용량 데이터 전송 시에는 대용량 집중(Burst) 전송 모드로 운용하여 통신환경 조건 대비 가용한 최대 성능으로 대용량 전송을 완료함으로써 통신채널 점유 시간과 송 · 수신기 사용 시간을 최소화하여 에너지 효율 및 전송 성능을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 열악한 통신환경 조건에서도 전송 프로파일을 가변 적용하여 전송 신뢰성을 높일 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 절전 운용 모드와 대용량 집중(Burst) 전송 모드를 혼용함으로써 대용량 전송 응용과 더불어 다양한 응용에 적용이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 무선 센서 네트워크의 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 센서 노드의 구성 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 전송 요구에 대한 처리 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전송매체의 BER/RSSI(Bit Error Rate/Received Signal Strength Indicator) 곡선 그래프이다.
도 5는 도 4에 도시된 BER/RSSI 곡선 그래프에 대한 전송 프로파일 설정예이다.
도 2는 도 1에 도시된 센서 노드의 구성 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 전송 요구에 대한 처리 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전송매체의 BER/RSSI(Bit Error Rate/Received Signal Strength Indicator) 곡선 그래프이다.
도 5는 도 4에 도시된 BER/RSSI 곡선 그래프에 대한 전송 프로파일 설정예이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 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.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 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 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 전장감시를 위한 무선 센서 네트워크 환경에서 적응형 전송 프로파일을 사용한 대용량 데이터 전송 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 무선 센서 네트워크의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 무선 센서 네트워크에는 표적(10)을 검출하기 위한 다수의 센서 노드(110-1 내지 110-n)가 배치된다. 무선 센서 네트워크를 구성하고 있는 센서 노드(110-1 내지 110-n)는 저전력 운용을 위하여 평소에는 절전 운용 모드를 유지한다.
그러나, 대용량 데이터 전송이 요청되면 대용량 집중(Burst) 전송 모드로 전환되어 통신환경에 적합한 최대 전송 성능으로 대용량 데이터 전송을 완료한다. 이때 인접 노드의 채널 간섭 및/또는 충돌을 방지하기 위해 통신 채널 자원 예약을 수행한다.
절전 운용 모드에서는 센서간 무선 통신 연결에 소비되는 에너지를 최소화하기 위해 Duty-Cycle 주기로 무선 송/수신기를 켜고 끄는 수행을 반복함으로써 전력 관리를 수행한다. 대용량 전송을 위한 대용량 집중(Burst) 전송 모드에서는 통신 환경을 반영한 전송 프로파일을 적용하여 전송이 필요한 데이터를 물리계층의 패킷 전송 단위(PHY PDU) 크기로 분할하여 수신측 응답 없이 연속적으로 전송한다.
전송 프로파일은 통신환경 조건인 수신신호세기(RSSI) 기준, 전송 성공률을 보장하기 위한 물리계층 설정 매개변수들의 조합을 말하며, 패킷 전송 단위(PHY PDU) 크기와 에러 정정 코드(FEC)로 구성된다. 이를 보여주는 도면이 도 5에 도시된다. 도 5에 대하여는 후술하기로 한다.
도 1을 계속 참조하면, 다수의 센서 노드(110-1 내지 110-n)는 2차원 및/또는 3차원으로 배치된다.
도 2는 도 1에 도시된 센서 노드의 구성 블록도이다. 도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 다수의 센서 노드(110-1 내지 110-n) 중 대표적으로 제 1 센서 노드(110-1)의 구성 블록도를 나타낸다. 즉, 제 1 센서 노드(110-1)는 표적(10)을 센싱하여 센싱 정보를 생성하는 센싱 유닛(210), 상기 센싱 정보를 처리하거나 상기 센싱 유닛(210)을 제어하는 제어부(220), 센싱 정보 및/또는 센서 노드의 정보를 외부로 전송하는 송신기(230), 외부로부터 다른 센서 노드의 신호 및/또는 센싱 정보 등을 수신하는 수신기(240) 등을 포함하여 구성된다.
센싱 유닛(210)은 PIR(Passive Infra-Red), 이미지, 전자파 센서와 같은 지향성 센서와 진동, 음향, 자기 센서와 같은 비지향성 센서가 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 대용량 전송 요구에 대한 처리 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 전송에 관여하는 송신측 송신 노드, 수신측 수신 노드, 그리고 이 수신 노드에 인접하게 위치하는 인접측 인접 노드 등 세 객체로 구분한다. 또한, 대용량 전송 요청 전의 절전 운용 모드로부터 대용량 데이터를 전송하는 대용량 집중(Burst) 전송 모드, 그리고 전송 후 절전 운용 모드로 복귀하기까지를 단계들로 구분하여 단계별 동작과 각 객체 간 정보 교환 및 상호 관계를 정의한다.
물론, 여기서 수신 노드, 송신 노드 및 인접 노드는 다수의 센서 노드(110-1 내지 110-n) 중에서 그 역할에 따라 구분된다. 도 3에서는 이해를 위해 송신 노드(110-1), 수신 노드(110-2) 및 인접 노드(110-3)이라 가정한다.
응용 계층으로부터 대용량 데이터 전송 요구를 접수한 송신측 송신 노드(110-1)는 S300 단계에서 요구 전송량을 포함한 대용량 전송 요청 메시지를 수신측의 수신 노드(110-2)로 전달한다.
수신측 수신 노드(110-2)는 S311 단계에서 송신측 송신 노드(110-1)로부터 수신된 메시지에 대한 수신신호세기(RSSI: Received Signal Strength Indicator)를 측정하고 요구전송량을 확인한다. S313 단계에서는 수신 신호 세기 및/또는 요구 전송량을 이용하여 적합한 수신 신호 세기(RSSI) 대비 전송 프로파일을 결정한다.
S315 단계에서는 대용량 집중 전송 중 인접 노드(110-3)로부터의 채널 간섭을 배제하기 위해 인접한 모든 인접 노드에게 통신 채널 자원의 예약을 요청한다. 이때, 통신 채널 자원의 예약 시간은 선택된 전송 프로파일을 기준으로 계산한 전송 데이터에 대한 예상 전송시간을 이용하여 계산된다.
예상 전송 시간은 전송 프로파일의 최대 패킷 전송 단위(PHY P여)와 에러 정정 코드(FEC) 적용 여부에 따라 패킷당 오버헤드와 응용 데이터를 포함한 전체 전송 데이터 크기를 산정하고 이를 전송 속도 대비 시간으로 계산하여 얻는다.
통신 채널 자원의 예약 요청을 수신한 인접 노드(110-3)에서는 S330단계에서 휴면(休眠) 모드로 전환하고 예상 전송시간만큼 휴면 상태 모드를 유지한다. 휴면 모드는 센서간 무선 통신 연결 시도를 금지하고 송수신기를 끈 상태로 Duty-Cycle 주기로 무선 송/수신기를 켜고 끄는 수행을 반복하는 절전 운용 모드와는 구별된다.
수신측 수신 노드(110-2)에서는 S317 단계에서 송신 노드(110-1)의 대용량 전송 요청에 대한 응답으로 선택된 전송 프로파일을 송신측 송신 노드(110-1) 에 전달한다. 송신측 송신 노드(110-1)에서는 S340단계에서 수신측 수신 노드(110-2)로부터 전달받은 전송 프로파일의 물리계층 전송 단위(PHY PDU) 크기와 에러 정정 코드(FEC)를 적용하고 대용량 집중(Burst) 송신 모드로 전환한다.
수신측 수신 노드(110-2) 역시 S319단계에서 송신측 송신 노드(110-1)와 동일한 전송 프로파일을 적용하고 대용량 집중(Burst) 수신 모드로 전환한다. 송신측 송신 노드(110-1)에서는 S341 단계에서 응용 계층으로부터 전달받은 대용량 데이터를 대용량 집중(Burst) 전송 모드에서 전송하되 마지막 분할 패킷 헤더에는 송신 종료 정보를 포함하여 전송한다. 분할 패킷은 전송 프로파일의 최대 패킷 전송 단위(PHY P여)로 전송 데이터를 분할하고 각각의 분할된 데이터에 헤더를 추가한 것이다. 각 패킷의 헤더에는 해당 패킷 순번과 전송 종료 정보 필드가 포함된다.
수신측 수신 노드(110-2)에서는 S321단계에서 S341단계와 상응하게 응답 없이 연속적으로 수신 처리한다. S323단계에서 전송 종료 정보를 포함한 마지막 패킷을 수신한 수신측 수신 노드(110-2)는 송신측 송신 노드(110-3)로 수신 완료를 알리는 수신 완료 응답을 보내고 절전 운용 모드로 복귀한다.
송신측 송신 노드(110-1)도 역시 S210 단계에서 수신 완료 응답을 받아 절전 운용 모드로 복귀한다.
휴면 모드의 인접 노드(110-3)는 S350 단계에서 휴면 모드로 들어가기 전에 설정되었던 예상 전송 시간(통신 채널 자원의 점유 시간)이 초과되면 평시의 절전 운용 모드로 자동 복귀한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전송매체의 BER/RSSI(Bit Error Rate/Received Signal Strength Indicatior) 곡선 그래프이다. 도 4를 참조하면, 가로축은 대상 전송 매체에 대한 실측값을 적용한 수신 신호 세기(RSSI)(420)를 나타내고, 세로축은 BER(440)를 나타낸다. 또한, 수신 신호 세기(RSSI)(420)의 하단 가로축에는 전송 프로파일(430)이 도신된다. 이러한 수신 신호 세기(RSSI) 대비 대상 전송 매체 BER 곡선(410)이 도시된다.
도 5는 도 4에 도시된 BER/RSSI 곡선 그래프에 대한 전송 프로파일 설정예이다. 도 5를 참조하면, 전송 프로파일(Profile No.)은 통신환경 조건인 수신신호세기(RSSI) 기준, 패킷 전송 단위(PHY PDU) 크기, 및 에러 정정 코드(FEC) 등으로 구성된다. 따라서 수신신호세기(RSSI)가 높은 우수한 통신환경 조건인 경우에는 '최대 패킷 전송 단위(PHY PDU)'와 '에러 정정 코드(FEC) 미적용'으로 구성된 전송 프로파일을 선택한다. 이와 달리, 열악한 통신환경 조건인 경우는 '최소 패킷 전송 단위(PHY PDU)'와'에러 정정 코드(FEC) 적용'으로 구성된 전송 프로파일을 선택한다.
10: 표적
110-1 내지 110-n: 제 1 내지 제 n 센서 노드
210: 센싱 유닛
220: 제어부
230: 송신기
240: 수신기
110-1 내지 110-n: 제 1 내지 제 n 센서 노드
210: 센싱 유닛
220: 제어부
230: 송신기
240: 수신기
Claims (9)
- 다수의 센서 노드로 이루어지는 전장감시를 위한 무선 센서 네트워크 환경에서 적응형 전송 프로파일을 사용한 대용량 데이터 전송 방법에 있어서,
(a) 상기 다수의 센서 노드 중 하나의 송신 노드가 상기 다수의 센서 노드 중 하나의 수신 노드에 대용량 전송을 요청하는 단계;
(b) 상기 수신 노드가 상기 송신 노드에 전송할 전송 프로파일을 결정하는 단계;
(c) 상기 수신 노드가 인접한 인접 노드에 채널 간섭 및 충돌을 방지하기 위해 통신 채널 자원의 예약을 요청하는 단계; 및
(d) 상기 수신 노드가 상기 전송 프로파일을 상기 송신 노드에 전송함에 따라 상기 수신 노드 및 송신 노드가 절전 운용 모드에서 대용량 집중(Burst) 전송 모드로 전환되어 대용량 전송을 수행하는 단계;를 포함하며,
상기 대용량 집중 전송 모드에서는 상기 송신노드가 상기 수신 노드로부터 전송된 상기 전송 프로파일을 적용하여 데이터를 분할하여 대용량 전송하며,
상기 수신 노드 및 송신 노드는 절전 운용 모드에서는 듀티-사이클 주기로 전력 관리를 수행하며, 상기 대용량 집중(Burst) 전송 모드는 선택된 전송 프로파일에 기반한 물리계층의 패킷 전송 단위 크기로 패킷을 분할하여 수신 노드의 응답없이 연속적으로 송신하며, 상기 인접 노드는 상기 채널 자원의 예약 요청에 따라 휴면모드로 설정되며,
상기 전송 프로파일은 데이터 전송 특성 및 유형을 파악하여 결정되며,
상기 전송 프로파일은, 수신신호세기(RSSI: Received Signal Strength Indicatior) 기준, 상기 송신 노드의 신호세기 대비 BER(Bit Error Rate)을 보상하고 미리 정해진 전송 성공률을 보장하는 물리계층 전송 단위 크기 및 에러 정정 코드를 조합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 적응형 전송 프로파일을 사용한 대용량 데이터 전송 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 (d) 단계 이후, 상기 수신 노드가 수신 완료 응답을 상기 송신 노드에 전송하고 상기 대용량 집중(Burst) 모드 상태에서 상기 절전 운용 모드로 전환하는 단계; 및
상기 송신 노드가 상기 수신 완료 응답을 받아 상기 절전 운용 모드로 복귀하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 전송 프로파일을 사용한 대용량 데이터 전송 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 에러 정정 코드는 순방향 에러 정정 코드(FEC: Forward Error Correction Codes) 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 적응형 전송 프로파일을 사용한 대용량 데이터 전송 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 (c) 단계는, 상기 인접 노드가 통신 채널 자원 예약의 시간을 이용하여 휴전 모드를 설정하는 단계; 및
상기 통신 채널 자원의 예약 전송 시간 초과에 의하여 상기 절전 운용 모드로 복귀하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 전송 프로파일을 사용한 대용량 데이터 전송 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 다수의 분할 패킷 중 마지막 분할 패킷 헤더에는 송신 종료 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 전송 프로파일을 사용한 대용량 데이터 전송 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 무선 센서 네트워크는 무선 AD-HOC 센서 네트워크인 것을 특징으로 하는 적응형 전송 프로파일을 사용한 대용량 데이터 전송 방법.
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