KR101670809B1 - 다중 홉 구조 무선통신 시스템에서 부하 분산을 고려한 부모 노드 선택 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

다중 홉 구조 무선통신 시스템에서 부하 분산을 고려한 부모 노드 선택 방법 및 이를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 홉(Multi-Hop) 구조를 가지는 무선통신 시스템에서 자녀 노드가 부하 분산을 고려하여 부모 노드를 선택하는 방식에 대한 것이다.
이를 위해 자녀 노드는 하나 이상의 이웃 노드들의 홉(hop)수에 대한 정보, 이웃 노드들 각각과의 링크 품질 정보, 및 이웃 노드들의 큐 길이 정보를 획득하여, 이들에 따라 규정되는 라우팅 메트릭을 고려하여 부모 노드를 선택한다.

Description

다중 홉 구조 무선통신 시스템에서 부하 분산을 고려한 부모 노드 선택 방법 및 이를 위한 장치{Method For Selecting Parent Node Considering Load Balancing In a Wireless Communication System with Multi-Hop Structure}
본 발명은 다중 홉(Multi-Hop) 구조를 가지는 무선통신 시스템에서 자녀 노드가 부하 분산을 고려하여 부모 노드를 선택하고, 데이터를 전송하는 방법 및 이를 위한 무선 기기에 대한 것이다.
2012년 저전력 무선 네트워크를 위한 라우팅 기술 RPL (Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks)이 IETF에서 표준화되었다. RPL은 다이나믹한 채널 환경에서 저전력 노드들이 안정적으로 다중 홉 통신을 할 수 있는 부모 선택 방법을 제공할 뿐만 아니라 종단간 IP 통신을 지원할 수 있고, 간단한 구조로 적은 메모리의 기기에 탑재 가능하다.
RPL의 각 노드는 부모 후보와 루트 노드 사이의 랭크(rank) 및 부모 후보와 자신의 링크 품질(link quality)을 기반으로 부모를 선택한다. 한편, 각 노드는 자신의 랭크 정보가 담긴 라우팅 제어 메시지를 trickle timer에 기반하여 전송한다. 상기 trickle timer는 라우팅 상태가 안정적일 때는 라우팅 제어 메시지 전송 주기를 2배씩 증가시키고, 라우팅 상태가 불안정적일 때 다시 최소 주기로 초기화함으로써 적은 오버헤드로도 다이나믹한 환경에서 적절하게 랭크 정보를 제공할 수 있다.
그러나 RPL 기반 네트워크를 스마트 그리드와 같은 대규모 응용 분야(즉, 트래픽량이 많은 응용 분야)에 적용할 경우 다량의 트래픽을 제대로 전달하지 못해 성능이 심각하게 저하된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에서는 다중 홉(Multi-Hop) 구조를 가지는 무선통신 시스템에서 자녀 노드가 부하 분산을 고려하여 부모 노드에 데이터를 전송하는 방법에 있어서, 상기 자녀 노드가 하나 이상의 이웃 노드들의 홉(hop)수에 대한 정보, 상기 이웃 노드들 각각과의 링크 품질 정보, 및 상기 이웃 노드들의 큐 길이 정보를 획득하고, 상기 홉 수 정보, 상기 링크 품질 정보 및 상기 큐 길이 정보에 따라 규정되는 라우팅 메트릭을 고려하여 부모 노드를 선택하며, 상기 선택된 부모 노드에 데이터를 전송하는 것을 포함하는, 부하 분산 기반 데이터 전송 방법을 제안한다.
여기서, 상기 라우팅 메트릭은 상기 이웃 노드들의 큐 길이 정보를 상기 링크 품질 정보와 독립적인 파라미터로서 고려하는 것이 바람직하다.
상기 홉 수 정보 및 상기 큐 길이 정보는 상기 이웃 노드들로부터 수신되는 DIO (DODAG Information Object) 메시지를 통해 획득되며, 상기 링크 품질 정보는 상기 이웃 노드와 상기 자녀 노드 사이의 전체 신호 전송 수 및 성공적인 신호 전송 수를 고려하여 결정될 수 있다.
이때, 상기 DIO 메시지는 상기 홉 수 정보를 나타내는 랭크 정보 필드 및 상기 큐 길이 정보를 나타내는 큐 길이 정보 필드를 포함할 수도 있으며, 이와 달리 상기 DIO 메시지는 상기 홉 수 정보 및 상기 큐 길이 정보를 나타내는 랭크 정보 필드를 포함할 수도 있다.
또한, 상기 자녀 노드는 상기 이웃 노드들 중 홉 수가 상기 자녀 노드의 홉 수보다 작고, 상기 링크 품질이 일정 수준 이상인 하나 이상의 이웃 노드를 부모 후보 노드로 결정할 수 있으며, 상기 부모 후보 노드의 라우팅 메트릭이 현재 부모 노드의 라우팅 메트릭보다 제 1 기준치 이상 크지 않은 경우 상기 현재 부모 노드를 유지할 수 있다.
또한, 상기 부모 후보 노드의 라우팅 메트릭이 상기 현재 부모 노드의 라우팅 메트릭보다 상기 제 1 기준치 이상 큰 경우, 상기 자녀 노드의 혼잡도가 제 2 기준치 이상인지 여부를 추가적으로 판정할 수 있으며, 상기 자녀 노드의 혼잡도가 상기 제 2 기준치 이상인 경우 상기 부모 후보 노드의 큐 길이와 상기 현재 부모 노드의 큐 길이의 차이를 고려하여 결정되는 확률에 따라 부모 노드 변경을 결정할 수 있다.
상기 자녀 노드가 현재 부모 노드를 상기 이웃 노드들 중 어느 한 노드로 변경하는 경우, 상기 변경된 부모 노드의 큐 길이 정보를 고려하여 상기 자녀 노드의 큐 길이 정보를 갱신하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 홉 수 정보 및 상기 큐 길이 정보는 매 전송시마다 값이 증가되는 특정 타이머의 만료 시점에서 상기 이웃 노드들로부터 수신되는 DIO (DODAG Information Object) 메시지를 통해 획득될 수 있으며, 상기 특정 타이머의 값은 소정 횟수 이상의 큐 손실이 발생하는 경우 초기값으로 갱신되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 일 측면에서는 다중 홉(Multi-Hop) 구조를 가지는 무선통신 시스템에서 부하 분산을 고려하여 자녀 노드로서 부모 노드를 선택하도록 구성되는 무선 기기에 있어서, 하나 이상의 이웃노드들로부터 상기 이웃 노드들의 홉(hop)수에 대한 정보, 상기 이웃 노드들 각각과의 링크 품질 정보, 및 상기 이웃 노드들의 큐 길이 정보를 포함하는 메시지를 수신하는 송수신기(transceiver); 및 상기 송수신기와 연결되어, 상기 홉 수 정보, 상기 링크 품질 정보 및 상기 큐 길이 정보에 따라 규정되는 라우팅 메트릭을 고려하여 부모 노드를 선택하도록 구성되는 프로세서를 포함하는, 무선 기기를 제안한다.
상기 프로세서는 상기 라우팅 메트릭 산정 시 상기 이웃 노드들의 큐 길이 정보를 상기 링크 품질 정보와 독립적인 파라미터로서 고려할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 홉 수 정보 및 상기 큐 길이 정보를 상기 이웃 노드들로부터 수신되는 DIO (DODAG Information Object) 메시지를 통해 획득할 수 있으며, 상기 링크 품질 정보는 상기 이웃 노드와 상기 자녀 노드 사이의 전체 신호 전송 수 및 성공적인 신호 전송 수를 고려하여 결정하도록 구성될 수 있다.
이 경우에도 역시, 상기 DIO 메시지는 상기 홉 수 정보를 나타내는 랭크 정보 필드 및 상기 큐 길이 정보를 나타내는 큐 길이 정보 필드를 포함할 수도, 이와 달리 랭크 정보 필드가 상기 홉 수 정보 및 상기 큐 길이 정보를 모두 나타낼 수도 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 이웃 노드들 중 홉 수가 상기 무선 기기의 홉 수보다 작고, 상기 링크 품질이 일정 수준 이상인 하나 이상의 이웃 노드를 부모 후보 노드로 결정할 수 있으며, 상기 부모 후보 노드의 라우팅 메트릭이 현재 부모 노드의 라우팅 메트릭보다 제 1 기준치 이상 크지 않은 경우, 상기 현재 부모 노드를 유지하도록 구성될 수 있다.
아울러, 상기 프로세서는 상기 부모 후보 노드의 라우팅 메트릭이 상기 현재 부모 노드의 라우팅 메트릭보다 상기 제 1 기준치 이상 큰 경우, 상기 무선 기기의 혼잡도가 제 2 기준치 이상인지 여부를 추가적으로 판정할 수 있으며, 상기 무선 기기의 혼잡도가 상기 제 2 기준치 이상인 경우 상기 부모 후보 노드의 큐 길이와 상기 현재 부모 노드의 큐 길이의 차이를 고려하여 결정되는 확률에 따라 부모 노드 변경을 결정할 수 있다.
또한, 상기 무선 기기가 현재 부모 노드를 상기 이웃 노드들 중 어느 한 노드로 변경하는 경우, 상기 프로세서는 상기 변경된 부모 노드의 큐 길이 정보를 고려하여 상기 무선 기기의 큐 길이 정보를 갱신할 수 있다.
상기 홉 수 정보 및 상기 큐 길이 정보는 매 전송시마다 값이 증가되는 특정 타이머의 만료 시점에서 상기 이웃 노드들로부터 수신되는 DIO (DODAG Information Object) 메시지를 통해 획득될 수 있으며, 상기 특정 타이머의 값은 소정 횟수 이상의 큐 손실이 발생하는 경우 초기값으로 갱신되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시형태들은 기존 RPL이 홉 수와 링크 품질을 고려하여 부모를 선택하던 것과 달리, 큐 길이를 함께 고려하여 부모를 선택함으로써 제한된 큐에서 발생하는 패킷 손실을 최소화하고 종단간 전송신뢰성을 향상 시킨다.
또한, 노드의 혼잡도가 일정 수준 이상인 경우 확률적으로 부모 노드를 선택하도록 하는 경우, 부하가 낮은 노드에 자녀 노드가 집중되어 발생하는 핑퐁 현상을 방지할 수 있다.
또한, 부모 노드 변경시 자녀 노드의 큐 길이 정보를 부모 노드의 부하를 고려하여 갱신함으로써, 높은 부하를 가지는 노드의 자녀 노드를 부모 노드로 연결될 확률을 저감시킬 수 있다.
아울러, 이웃 노드들의 정보 전송을 위한 타이머 값이 부모 후보 노드들의 부하 상태가 높아 큐 손실이 연속되는 경우 초기값으로 갱신하도록 함으로써, 효율적으로 부하 집중 현상을 모니터링하여 대처할 수 있다.
도 1은 Mesh Network 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명이 적용될 다중 홉 구조 무선통신 시스템의 구조에 대한 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따라 부하 분산 방식을 적용할 경우의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라 자녀 노드가 부하 분산을 고려하여 부모 노드를 선택하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 확률적 부모 선택 방식 및 큐 길이 갱신의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따라 DIO 메시지 전송을 위한 타이머 설정 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 상술한 바와 같은 동작을 수행하기 위한 장치를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다.
몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 RPL의 문제점을 해결하기 위해, 그 일 측면에서는 패킷 큐 길이를 고려한 확률적 부모 선택 매커니즘을 제공한다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에서는 부모의 패킷 큐 길이를 고려한 패킷 큐 길이 수정을 통해 부하를 여러 노드에 분산시키는 방식을 제안하며, 이러한 설명을 위해 먼저 다중 홉 구조를 가지는 무선 통신 시스템에 대해 구체적으로 설명한다.
도 1은 Mesh Network 개념을 설명하기 위한 도면이다.
Mesh Network는 각각의 노드가 네트워크를 위해 데이터를 중개할 수 있는 네트워크를 의미한다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같은 노드들은 네트워크 내에서 데이터의 분배를 위해 협동할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 Mesh Network에서 메시지의 전달에는 라우팅 기술이 이용될 수 있다. 라우팅을 통해 해당 메시지는 어느 한 노드로부터 다른 노드로 최종 목적지에 도달할때까지 호핑(hopping)을 통해 전달될 수 있다.
이러한 라우팅을 효율적으로 수행하기 위해 특정 노드(100)는 이웃 노드들의 정보를 파악하여 연결을 수행할 수 있으며, 효율을 위해 부모 노드와 자녀 노드로 구분되어 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명이 적용될 다중 홉 구조 무선통신 시스템의 구조에 대한 일례를 도시한 도면이다.
도 2에서는 특정 LBR(LLN Border Router)하에 다수의 LLN (Low Power and Lossy Network) 노드들이 배치되는 구조를 도시하고 있다. UDP 종단 호스트로서 특정 LLN 노드는 LBR을 통해 다른 UDP 종단 호스트와 연결될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 LBR은 LLN 노드들을 공공 인터넷 또는 사설 IP 기반 네트워크와 같은 WAN (Wide Area Network)을 통해 연결시킬 수 있다.
특정 LLN 노드(220)는 다른 LLN 노드(210)를 부모 노드로 선택하여 연결될 수 있다. 즉, 부모 LLN 노드 (210)의 입장에서 자신에게 연결된 LLN 노드(220)는 자녀 노드가 될 수 있다. 자녀 노드(220)는 부모 노드를 통해 데이터를 송수신할 수 있다.
본 발명이 적용될 다중 홉 구조 네트워크에서 홉 수(hop count)는 다양하게 적용될 수 있으나, 그 일례로서 LBR로부터의 연결 노드 수를 나타낼 수 있다. 즉, LBR의 홉수를 1이라고 하면, LLN 노드 (220)의 홉수는 4가 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따라 부하 분산 방식을 적용할 경우의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 측면에서는 먼저 부모 선택을 위한 라우팅 메트릭에 홉수에 대란 기존 랭크 정보와 링크 품질 정보뿐만 아니라 부모 후보의 패킷 큐 길이를 포함시킴으로써, 각 노드가 부모를 선택할 때 부모 후보 노드가 감당하는 부하량을 고려하도록 하는 것을 제안한다. 또한 바람직한 일 실시형태에서는 부모 교체를 확률적으로 수행하므로 부하량이 적은 노드에 순간적으로 부하가 몰리는 현상을 방지하도록 할 수 있다. 아울러, 바람직한 일 실시형태에서는 각 노드가 부모의 패킷 큐 길이에 비례하도록 자신의 큐 길이를 수정하게 함으로써 하위 트리의 부하도 효율적으로 분산 시킬 수 있는 방식을 제안한다.
도 3은 사무실 환경에서 30개의 노드로 이루어진 저전력 무선 네트워크에서 RPL과 본 발명의 일 측면에 따라 구성한 라우팅 토폴로지를 나타낸다. 도 3에서 보는 바와 같이 기존 RPL은 18번 노드에 대부분의 부하가 집중되어 있음에도 불구하고 이 문제를 인식하지 못해 토폴로지를 바꾸지 않는다. 그러나 상술한 발명에 따르면 부하량을 인지하여 토폴로지를 바꾸기 때문에 10번과 19번의 부하가 비슷하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
이하에서는 상술한 방식을 구현하기 위한 실시예들을 구체적으로 설명한다.
이하에서의 실시예는 TinyOS에 구현된 RPL (즉, TinyRPL)에 기반하여 설명한다. TinyRPL에서 노드 k 와 LBR간 홉 수를 h ( k ) 라 하면 노드 k 는 자신의 랭크 RANK ( k ) 를 [수학식 1]과 같이 결정할 수 있다.
Figure 112015501834898-pat00001
또한 TinyRPL은 노드 k 와 노드 k 의 이웃 노드 n k 사이의 링크 품질을 [수학식 2]와 같이 정의된 ETX를 통해 나타낼 수 있다.
Figure 112015501834898-pat00002
노드 k 는 자신의 이웃 노드 n k 가 h ( n k )< h ( k ) 이고 ETX ( k , n k )< δ 일 때 이를 자신의 부모 후보 집합 P k 에 포함시킬 수 있다. 이 때 δ 는 신뢰성 있는 통신이 가능하도록 하는 링크 품질의 임계 값이다.
노드 k 는 자신의 부모 후보 p k (∈ P k ) 의 라우팅 메트릭 R ( p k ) 을 수학식 3과 같이 결정하고, 이와 같이 규정되는 R ( p k ) 가 가장 작은 부모 후보를 대체 부모
Figure 112015501834898-pat00003
로 선택할 수 있다.
Figure 112015501834898-pat00004
아울러, 현재 부모 노드가 P k 일 때, 노드 k 는
Figure 112015501834898-pat00005
이면 부모를 대체 부모
Figure 112015501834898-pat00006
로 바꾸고, 그렇지 않으면 현재 부모 P k 를 유지할 수 있다. 여기서 σ 는 다이나믹한 링크 환경에서 안정적인 토폴로지 구축을 위한 임계 값으로, σ 가 클수록 현재의 부모를 유지하는 성향이 강하게 된다.
위와 같이 현재 RPL은 홉 수와 링크 품질을 함께 고려하여 라우팅 토폴로지를 구성하지만, 부하 분산을 고려하고 있지 않아 트래픽이 많은 환경에서 패킷 큐가 넘쳐서 전송 성능이 감소할 수 있는 문제가 있다.
상술한 바와 같은 모델링을 기반으로 본 발명의 일 실시형태를 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라 자녀 노드가 부하 분산을 고려하여 부모 노드를 선택하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 자녀 노드로 동작하는 노드 k가 부모 노드를 선택할 때 기존의 홉 수 정보 및 링크 품질 정보뿐만 아니라 해당 이웃 노드의 큐 상태를 함께 고려하여 부모 선택을 위한 메트릭을 산정하여 이용하는 것을 제안한다. 노드 k의 패킷 큐 길이 Q ( k ) 는 아래 수학식 4와 같이 규정하는 것을 가정한다.
Figure 112015501834898-pat00007
이를 위해 노드 k(410)는 하나 이상의 이웃 노드들(430, 440)의 홉수에 대한 정보, 이웃 노드들(430, 440) 각각과의 링크 품질 정보, 및 이웃 노드들(430, 440)의 큐 길이 정보를 획득한다. 이웃 노드들(430, 440)의 홉 수에 대한 정보 및 큐 길이 정보는 도 4에 도시된 바와 같이 이웃 노드들(430, 440)이 특정 타이머(Trickle Timer)에 기반하여 방송하는 DIO (DODAG Information Object) 메시지를 통해 획득될 수 있다. 여기서 "DODAG" 은 'destination-oriented directed acyclic graph' 의 약자이다.
DIO 메시지는 상술한 정보를 전달하기 위해 큐 길이 정보를 위한 별도의 필드를 포함할 수 있다. 또는 이와 달리 DIO 메시지는 종래와 같이 해당 노드의 홉 수에 대한 정보로 규정되는 랭크(RANK) 필드가 본 실시형태에 따라 규정되는 큐 길이 정보를 추가적으로 포함하도록 구성할 수도 있다. 후자의 경우 상술한 수학식 3은 다음과 같이 변경될 수 있다.
Figure 112015501834898-pat00008
여기서, β 는 단일 필드에서 2개의 값을 추출하기 위한 암호화 파라미터로 볼 수 있다.
이와 같이 변경되는 RANK 정보를 포함하는 DIO 메시지를 수신한 노드는 다음과 같이 홉 수 정보와 큐 길이 정보를 추출할 수 있다.
Figure 112015501834898-pat00009
Figure 112015501834898-pat00010
여기서
Figure 112015501834898-pat00011
는 x 이하의 최대 정수를 나타낸다.
한편, 이웃 노드들(430, 440)과의 링크 품질 정보는 상기 수학식 2와 같이 각 이웃 노드(430, 440)와 노드 k(410) 사이의 전체 신호 전송 수 및 성공적인 신호 전송 수를 고려하여 결정할 수 있다.
이와 같이 획득된 정보를 통해 노드 k(410)는 홉 수 정보, 링크 품질 정보 및 큐 길이 정보에 따라 규정되는 라우팅 메트릭을 고려하여 부모 노드를 선택할 수 있다. 구체적으로, 노드 k(410)는 먼저 RPL과 같이 자신의 이웃 노드 n k (430, 440)가 h ( n k )< h ( k ) 이고 ETX ( k , n k )< δ 일 때 이를 자신의 부모 후보 집합 P k 에 포함시킬 수 있다. 이후 노드 k(410)는 자신의 부모 후보 p k (∈ P k ) (430, 440)에 대하여 라우팅 메트릭 R QU ( p k ) 을 수학식 8와 같이 계산할 수 있다.
Figure 112015501834898-pat00012
상기 수학식 8에서 보는 바와 같이 본 실시형태에서 사용하는 라우팅 메트릭 R QU ( p k ) 는 기존 RPL에서 쓰이는 R ( p k ) 와 달리 부모 후보의 패킷 큐 길이 Q ( p k ) 를 추가한 것을 알 수 있다.
여기서 α 는 라우팅 메트릭에 Q ( p k ) 가 미치는 영향을 조절하는 파라미터이다. Q ( p k ) 값의 범위가 0에서 1사이 값이고 h ( p k ) 및 ETX ( k , p k ) 이 1이상의 값이라는 것을 고려할 때, α 가 1이상의 값을 가져야 Q ( p k ) 가 라우팅 메트릭에 영향을 미칠 수 있다.
도 4에서는 이웃 노드 n1(430)을 새로운 부모 노드로 선택하여 연결 요청을 수행하고, 이에 따라 데이터를 전송하는 예를 도시하고 있다.
상기 수학식 8와 같은 새로운 매트릭을 이용하여 부모 노드를 선택하는 방식은 기존의 부하 조절(load Balancing) 방식과 다음과 같은 점에서 차이를 가진다. 기존의 부하 조절 방식의 경우 특정 노드에 부하가 집중되는 경우, 이로 인해 링크 품질이 나빠지게 되며, 따라서 부호 노드 선택을 위한 매트릭 중 링크 품질 값에 발생하는 변화에 따라 부모 노드 변경이 개시될 수 있다. 다만, 본 실시형태에서 제안하는 방식의 경우 링크 품질 값과 별도로 파라미터로서 부모 후보 노드의 큐 길이 정보를 활용하는 것을 제안한다. 본 발명자는 다중 홉 구조를 가지는 네트워크에서 패킷 유실은 링크 유실보다는 각 노드 내에서 패킷 큐 내에서 발생하는 점, 그리고 큐 유실은 부하가 집중되는 특정 노드에서 발생되는 점을 주목하였다. 따라서, 상술한 바와 같이 부모 후보 노드의 큐 길이 정보를 부모 선택에 별도의 파라미터로 이용하는 것이 이러한 부호 집중으로 인하여 링크 품질 저감에 따라 간접적으로 조절하는 것보다 효율적일 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 일 실시형태에서는 상술한 바와 같이 부모 노드 선택 매트릭에 부모 후보 노드의 큐 길이 정보를 추가적으로 포함시키는 것에 추가적으로 네트워크의 혼잡도를 고려하여 부모 노드를 확률적으로 선택하도록 하여 부하가 낮은 노드에 자녀 노드가 집중되는 것을 막는 메커니즘을 제안한다. 또한, 본 발명의 바람직한 일 실시형태에서는 부모 노드를 교체하는 경우 자녀 노드의 큐 길이 정보를 부모 노드의 큐 길이 정보를 고려하여 갱신함으로써, 큰 부하를 가지는 부모 노드 하의 자녀 노드가 다른 노드의 부모 노드가 될 확률을 저감시키는 메커니즘을 제안한다. 이를 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 확률적 부모 선택 방식 및 큐 길이 갱신의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 상술한 바와 같이 특정 노드 k는 이웃 노드들의 홉 수 정보, 링크 품질 정보를 고려하여 일정 조건을 만족시키면 이를 부모 후보 집합에 포함시킬 수 있다(S501). 이와 같이 구성되는 부모 후보 전체에 대해 노드 k는 상기 수학식 8과 같은 라우팅 매트릭을 계산할 수 있다(S502). 이와 같이 산정된 라우팅 매트릭에 기반하여 노드 k는 가장 라우팅 메트릭 R QU (p k ) 가 가장 작은 부모 후보를 대체 부모
Figure 112015501834898-pat00013
로 선택할 수 있다(S503).
상술한 동작(S501 ~ S503)에 있어서, 노드 k는 부모 후보 집합의 구성에서부터 바로 이웃 노드의 큐 길이 정보를 고려할 수도 있을 것이다.
한편, 본 실시형태에서는
Figure 112015501834898-pat00014
를 만족하지 않으면 부모를 현재의 부모 P k 로 유지할 수 있다(S506). 반대로
Figure 112015501834898-pat00015
를 만족하는 경우, 추가적으로 노드 k 주변의 트래픽 혼잡을 나타내는 μ k (부모 후보 전체의 큐 사이즈를 일정 기간 동안 모니터링한 값들 중 max 값)가 임계 값 r 보다 큰지 여부를 판정하는 것을 제안한다 (S505). 이는 노드 k 주변의 트래픽 혼잡도가 높은 경우, 낮은 부하 레벨을 가지는 노드에 자녀 노드들이 집중되는 것을 방지하기 위함이다.
즉, 노드 k 주변 혼잡도 μ k 가 임계 값 r 보다 크지 않은 경우, 부모 노드를 단계 S503에서 선택된
Figure 112015501834898-pat00016
로 교체하는 동작을 진행하지만(S507), 혼잡도 μ k 가 임계 값 r 보다 큰 경우에는 아래 수학식 9에 나타낸 확률 prob change (k) 에 따라 부모를 대체 부모
Figure 112015501834898-pat00017
로 교체하는 것을 제안한다.
Figure 112015501834898-pat00018
주변 트래픽이 혼잡할 경우 현재 부모와 대체 부모의 패킷 큐 길이 차이에 비례하는 확률로 부모를 교체하는 이유는 핑퐁(pingpong) 현상과 같이 부모를 지속적으로 교체하는 현상을 막기 위한 것이다. 즉, 확률적인 부모 선택이 없을 경우, 많은 노드들이 가장 부하가 적은 노드를 동시에 부모로 선택하므로 상기 부모 노드에 부하가 집중되므로 성능이 하락하여 또 다시 부모를 교체하게 된다. 이 때 다시 특정 노드에 자녀 노드들이 몰리는 현상이 발생하므로, 부하 분산 없이 의미 없는 부모 교체를 반복 수행하는 문제를 해결하기 위한 것이다.
만일, 부모 노드를 변경하도록 결정한 경우, 노드 k 는 자신의 패킷 큐 길이를 선택한 부모 P k 의 패킷 큐 길이를 고려하여 수학식 10과 같이 수정하는 것을 제안한다.
Figure 112015501834898-pat00019
Q(k) 는 라우팅 메트릭 R QU (k) 와 비례하므로 본 실시형태는 위와 같은 큐 길이 수정을 통해 노드 k 의 부모 노드 P k 가 다량의 트래픽을 수용하고 있을 경우, 부모 노드 P k 뿐만 아니라 노드 k 도 부모로 선택될 우선 순위를 낮출 수 있다. 이는 각 노드 k 가 발생시키거나 수신한 모든 데이터 패킷이 결국 부모 노드 P k 를 통하여 루트 노드로 전달되는 특성을 고려할 때 부하 분산을 효율적으로 수행하도록 하기 위한 과정이다.
정리하면, 본 실시형태에 따른 RPL의 부하 분산 기법은 (i) 단계 S502를 통해 패킷 큐 길이를 라우팅 메트릭에 반영할 뿐만 아니라 (ii) 단계 S505 및 단계 S508을 통해 핑퐁 효과를 방지하고 (iii) 단계 S509를 통해 특정 노드에 부하가 집중될 경우 상기 노드의 하위 트리 노드들의 부하도 경감시킬 수 있다.
본 실시형태에 따른 방식을 통해 작은 큐 크기를 가진 저가의 노드들로 이루어진 네트워크에서 다량의 데이터를 효율적으로 전송할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 측면에서는 이웃 노드들에 대한 정보 획득을 위한 메시지 전송 관점에서 살펴본다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따라 DIO 메시지 전송을 위한 타이머 설정 방식을 설명하기 위한 도면이다.
상술한 바와 같이 이웃 노드들은 소정 초기값을 가지는 Trickle Timer 값이 만료되는 시점에 DIO 메시지를 전송할 수 있다. 도 6은 이해의 편의를 위해 Trickle Timer의 값이 2인 경우를 예시하고 있다. 물론, Trickle Timer 의 초기 값 등의 수치는 시스템 상황에 따라 다양하게 규정될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 Trickle Timer값은 시간 단위 (예, 슬롯, 서브프레임)마다 1씩 감소하여 0이 되는 시점에서 DIO 메시지를 전송하도록 설정될 수 있다.
그리고 상술한 바와 같이 DIO 메시지를 전송할 때 마다 Trickle Timer의 값은 2배로 증가하게 설정될 수 있다. 즉, 도 6에서와 같이 Trickle Timer의 초기값이 2인 경우, DIO 메시지 전송을 수행한 후에는 4로, 다시 DIO 메시지 전송을 수행한 후에는 8로 설정될 수 있다. 따라서, Trickle Timer 값이 초기값으로 재설정되는 이벤트가 발생하지 않는 경우, 이웃 노드들(430, 440)의 DIO 메시지 전송 주기는 지속적으로 증가하게 된다.
종래에서는 이 Trickle Timer의 값은 라우팅 토폴로지에 변화가 발생하지 않으면 초기값으로 재설정이 이루어지지 않았다. 즉, 특정 노드의 부모-자녀 관계의 변경이 발생하지 않는 경우 Trickle Timer의 값은 계속 증가하여 상술한 본 발명의 실시형태들에서와 같이 부모 노드의 부하 집중을 효율적으로 반영하기 어려운 면이 존재한다.
따라서, 본 발명의 일 실시형태에서는 소정 횟수(N)만큼 연속적으로 큐 손실이 발생하는 경우 Trickle Timer의 값을 초기값으로 갱신하는 것을 제안한다. 여기서 소정 횟수(N)는 시스템 상황에 따라 결정될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 N회 이상 반복적으로 큐 손실이 발생하는 경우 Trickle Timer의 값은 다시 초기값(예, 2)으로 재설정할 수 있다.
한편, 도 5와 관련하여 상술한 실시형태에서 혼잡도 μ k 로 어떠한 값을 사용할지에 대해 노드 k의 큐 길이 Q(k)와 부모 노드의 큐 길이 Q(p k ) 를 고려할 수 있다.
본 발명자는 Q(k)는 Q(p k ) 를 혼잡도 μ k 로 사용하는 것을 배제하지 않으나, 아래와 같이 규정되는 모든 부모 후보들의 큐 길이 최대값을 μ k 로 사용하는 것을 제안한다.
Figure 112015501834898-pat00020
도 7은 상술한 바와 같은 동작을 수행하기 위한 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7의 무선 장치/기기(800)는 상술한 설명의 특정 노드 k, 그리고 무선 장치/기기(850)는 상술한 설명의 부모 후보가 될 수 있는 이웃 노드에 대응할 수 있다.
무선 기기(800)는 프로세서(810), 메모리(820), 송수신부(830)를 포함할 수 있고, 무선 기기(850) 역시 프로세서(860), 메모리(870) 및 송수신부(880)를 포함할 수 있다. 송수신부(830 및 880)은 무선 신호를 송신/수신하고, IEEE/3GPP 등의 물리적 계층에서 실행될 수 있다. 프로세서(810 및 860)는 물리 계층 및/또는 MAC 계층에서 실행되고, 송수신부(830 및 880)와 연결되어 있다. 프로세서(810 및 860)는 상기 언급된 부모 선택 메커니즘을 수행하도록 동작할 수 있다.
프로세서(810 및 860) 및/또는 송수신부(830 및 880)는 특정 집적 회로(application-specific integrated circuit, ASIC), 다른 칩셋, 논리 회로 및/또는 데이터 프로세서를 포함할 수 있다. 메모리(820 및 870)은 ROM(read-only memory), RAM(random access memory), 플래시 메모리, 메모리 카드, 저장 매체 및/또는 다른 저장 유닛을 포함할 수 있다. 일 실시 예가 소프트웨어에 의해 실행될 때, 상기 기술한 방법은 상기 기술된 기능을 수행하는 모듈(예를 들어, 프로세스, 기능)로서 실행될 수 있다. 상기 모듈은 메모리(820, 870)에 저장될 수 있고, 프로세서(810, 860)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리(820, 870)는 상기 프로세스(810, 860)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있고, 잘 알려진 수단으로 상기 프로세스(810, 860)와 연결될 수 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시형태들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시형태들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다.
따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시형태들은 스마트 그리드와 같은 높은 트래픽이 발생하는 응용 분야에 적용 시 RPL에 비해 성능 개선 효과가 탁월하다.

Claims (18)

  1. 다중 홉(Multi-Hop) 구조를 가지는 무선통신 시스템에서 자녀 노드가 부하 분산을 고려하여 부모 노드에 데이터를 전송하는 방법에 있어서,
    상기 자녀 노드가 하나 이상의 이웃 노드들의 홉(hop)수에 대한 정보, 상기 하나 이상의 이웃 노드들 각각과의 링크 품질 정보, 및 상기 하나 이상의 이웃 노드들의 큐 길이 정보를 획득하고,
    상기 하나 이상의 이웃 노드들 중 홉 수가 상기 자녀 노드의 홉 수보다 작고, 링크 품질이 일정 수준 이상인 하나 이상의 이웃 노드를 부모 후보 노드로 결정하고,
    상기 홉 수에 대한 정보, 상기 링크 품질 정보 및 상기 큐 길이 정보에 따라 규정되는 상기 부모 후보 노드의 라우팅 메트릭과 상기 자녀 노드의 혼잡도를 고려하여 부모 노드를 변경하며,
    상기 변경된 부모 노드에 데이터를 전송하는 것을 포함하되,
    상기 부모 노드는 상기 부모 후보 노드의 라우팅 메트릭이 현재 부모 노드의 라우팅 메트릭보다 제 1 기준치 이상 크고 상기 자녀 노드의 혼잡도가 제 2 기준치 이하인 경우에 변경되는, 부하 분산 기반 데이터 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 라우팅 메트릭은 상기 하나 이상의 이웃 노드들의 큐 길이 정보를 상기 링크 품질 정보와 독립적인 파라미터로서 고려하는, 부하 분산 기반 데이터 전송 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 홉 수에 대한 정보 및 상기 큐 길이 정보는 상기 하나 이상의 이웃 노드들로부터 수신되는 DIO (DODAG Information Object) 메시지를 통해 획득되며,
    상기 링크 품질 정보는 상기 이웃 노드와 상기 자녀 노드 사이의 전체 신호 전송 수 및 성공적인 신호 전송 수를 고려하여 결정되는, 부하 분산 기반 데이터 전송 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 DIO 메시지는 상기 홉 수에 대한 정보를 나타내는 랭크 정보 필드 및 상기 큐 길이 정보를 나타내는 큐 길이 정보 필드를 포함하는, 부하 분산 기반 데이터 전송 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 DIO 메시지는 상기 홉 수에 대한 정보 및 상기 큐 길이 정보를 나타내는 랭크 정보 필드를 포함하는, 부하 분산 기반 데이터 전송 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 부모 후보 노드의 라우팅 메트릭이 현재 부모 노드의 라우팅 메트릭보다 상기 제 1 기준치 이상 크지 않은 경우 상기 현재 부모 노드를 유지하는, 부하 분산 기반 데이터 전송 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 부모 후보 노드의 라우팅 메트릭이 상기 현재 부모 노드의 라우팅 메트릭보다 상기 제 1 기준치 이상 크고 상기 자녀 노드의 혼잡도가 상기 제 2 기준치 이상인 경우, 상기 부모 후보 노드의 큐 길이와 상기 현재 부모 노드의 큐 길이의 차이를 고려하여 결정되는 확률에 따라 부모 노드 변경을 결정하는, 부하 분산 기반 데이터 전송 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 자녀 노드가 현재 부모 노드를 상기 하나 이상의 이웃 노드들 중 어느 한 노드로 변경하는 경우, 상기 변경된 부모 노드의 큐 길이 정보를 고려하여 상기 자녀 노드의 큐 길이 정보를 갱신하는, 부하 분산 기반 데이터 전송 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 홉 수에 대한 정보 및 상기 큐 길이 정보는 매 전송시마다 값이 증가되는 특정 타이머의 만료 시점에서 상기 하나 이상의 이웃 노드들로부터 수신되는 DIO (DODAG Information Object) 메시지를 통해 획득되며,
    상기 특정 타이머의 값은 소정 횟수 이상의 큐 손실이 발생하는 경우 초기값으로 갱신되는, 부하 분산 기반 데이터 전송 방법.
  10. 다중 홉(Multi-Hop) 구조를 가지는 무선통신 시스템에서 부하 분산을 고려하여 자녀 노드로서 부모 노드를 선택하도록 구성되는 무선 기기에 있어서,
    하나 이상의 이웃노드들로부터 상기 하나 이상의 이웃 노드들의 홉(hop)수에 대한 정보, 상기 하나 이상의 이웃 노드들 각각과의 링크 품질 정보, 및 상기 하나 이상의 이웃 노드들의 큐 길이 정보를 포함하는 메시지를 수신하는 송수신기(transceiver); 및
    상기 송수신기와 연결되어, 상기 하나 이상의 이웃 노드들 중 홉 수가 상기 자녀 노드의 홉 수보다 작고 링크 품질이 일정 수준 이상인 하나 이상의 이웃 노드를 부모 후보 노드로 결정하고, 상기 홉 수에 대한 정보, 상기 링크 품질 정보 및 상기 큐 길이 정보에 따라 규정되는 라우팅 메트릭을 고려하여 부모 노드를 변경하도록 구성되는 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는 상기 부모 후보 노드의 라우팅 메트릭이 현재 부모 노드의 라우팅 메트릭보다 제 1 기준치 이상 크고 상기 자녀 노드의 혼잡도가 제 2 기준치 이하인 경우에 상기 부모 노드를 변경하는, 무선 기기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 라우팅 메트릭 산정 시 상기 하나 이상의 이웃 노드들의 큐 길이 정보를 상기 링크 품질 정보와 독립적인 파라미터로서 고려하는, 무선 기기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 홉 수에 대한 정보 및 상기 큐 길이 정보를 상기 하나 이상의 이웃 노드들로부터 수신되는 DIO (DODAG Information Object) 메시지를 통해 획득하며,
    상기 링크 품질 정보는 상기 이웃 노드와 상기 자녀 노드 사이의 전체 신호 전송 수 및 성공적인 신호 전송 수를 고려하여 결정하도록 구성되는, 무선 기기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 DIO 메시지는 상기 홉 수에 대한 정보를 나타내는 랭크 정보 필드 및 상기 큐 길이 정보를 나타내는 큐 길이 정보 필드를 포함하는, 무선 기기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 DIO 메시지는 상기 홉 수에 대한 정보 및 상기 큐 길이 정보를 나타내는 랭크 정보 필드를 포함하는, 무선 기기.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 부모 후보 노드의 라우팅 메트릭이 현재 부모 노드의 라우팅 메트릭보다 상기 제 1 기준치 이상 크지 않은 경우, 상기 현재 부모 노드를 유지하도록 구성되는, 무선 기기.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 부모 후보 노드의 라우팅 메트릭이 상기 현재 부모 노드의 라우팅 메트릭보다 상기 제 1 기준치 이상 크고 상기 무선 기기의 혼잡도가 상기 제 2 기준치 이상인 경우, 상기 부모 후보 노드의 큐 길이와 상기 현재 부모 노드의 큐 길이의 차이를 고려하여 결정되는 확률에 따라 부모 노드 변경을 결정하는, 무선 기기.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 무선 기기가 현재 부모 노드를 상기 하나 이상의 이웃 노드들 중 어느 한 노드로 변경하는 경우, 상기 프로세서는 상기 변경된 부모 노드의 큐 길이 정보를 고려하여 상기 무선 기기의 큐 길이 정보를 갱신하는, 무선 기기.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 홉 수에 대한 정보 및 상기 큐 길이 정보는 매 전송시마다 값이 증가되는 특정 타이머의 만료 시점에서 상기 하나 이상의 이웃 노드들로부터 수신되는 DIO (DODAG Information Object) 메시지를 통해 획득되며,
    상기 특정 타이머의 값은 소정 횟수 이상의 큐 손실이 발생하는 경우 초기값으로 갱신되는, 무선 기기.
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