KR101678954B1 - Rpl 기반 사물인터넷 무선 네트워크에서 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려한 라우팅 장치 및 방법 - Google Patents

Rpl 기반 사물인터넷 무선 네트워크에서 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려한 라우팅 장치 및 방법 Download PDF

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KR101678954B1 KR1020150133316A KR20150133316A KR101678954B1 KR 101678954 B1 KR101678954 B1 KR 101678954B1 KR 1020150133316 A KR1020150133316 A KR 1020150133316A KR 20150133316 A KR20150133316 A KR 20150133316A KR 101678954 B1 KR101678954 B1 KR 101678954B1
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Abstract

본 발명은 RPL 기반 사물인터넷(Internet of Things : IoT) 무선 네트워크 환경에서 DODAG라는 단일 목적지에 관한 경로들을 형성함에 있어 병목현상이 발생하는 노드의 수명과 해당 전체 경로의 링크 품질을 고려하여 경로를 설정하는 라우팅 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로서, DIO 메시지를 수신한 노드의 잔여 에너지와 해당 노드의 부모 노드 간의 링크 품질, 데이터 전송 속도, 전송 모드에서의 송신 세기를 고려하여 계산되는 노드의 평균 에너지 정보를 산출하는 평균 에너지 산출부와, 전송의 성공여부를 기반으로 계산되는 전송 경로의 누적 링크 품질을 산출하는 경로 링크 품질 산출부와, DIO 메시지를 수신한 노드가 패킷을 송신한 횟수를 기반으로 해당 노드의 트래픽 양을 검출하는 트래픽 검출부와, 상기 산출되는 평균 에너지 정보, 누적 링크 품질 및 상기 검출되는 트래픽 양의 정보를 RPL 라우팅 프로토콜에서 사용하는 DIO(DODAG Information Object) 메시지 필드에 추가하는 DIO 메시지 처리부와, DIO(DODAG Information Object) 메시지를 통해 메트릭이 필요한 정보를 획득하고, 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려하여 후보 부모 노드들 중 메트릭 값이 가장 높은 하나를 선택하여 경로를 생성하는 경로 생성부와, 상기 경로 생성부에서 생성된 경로를 기반으로 RF(Radio Frequency) 통신을 통해 타이머에 의해 결정되는 송신시기에 RF 트랜시버를 이용하여 IoT 무선 네트워크 환경에서 모든 노드들에 주기적으로 DIO 메시지를 전달하는 데이터 패킷 전송부를 포함하여 구성되는데 있다.

Description

RPL 기반 사물인터넷 무선 네트워크에서 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려한 라우팅 장치 및 방법{Routing Apparatus for Considering Bottleneck Node Lifetime and Route Link Quality in RPL-based IoT Wireless Network and Method of the Same}
본 발명은 RPL 기반 사물인터넷(Internet of Things : IoT) 무선 네트워크 환경에서 DODAG라는 단일 목적지에 관한 경로들을 형성함에 있어 병목현상이 발생하는 노드의 수명과 해당 전체 경로의 링크 품질을 고려하여 경로를 설정하는 라우팅 장치 및 방법에 관한 것이다.
IETF(Internet Engineering Task Force) ROLL 워킹그룹에서는 다수의 사물이 인터넷 기반으로 상호 간 데이터를 전달하기 위한 IPv6 기반 저전력 무선 네트워크의 표준 라우팅 프로토콜인 RPL(IPv6 Routing Protocol Low power and Lossy Networks)를 제안하였다. 해당 프로토콜은 트리 기반의 DODAG(Destination Oriented Directed Acyclic Graph)를 형성하고 라우팅을 수행한다. 그리고 사물인터넷(Internet of Things : IoT) 네트워크의 라우팅 경로 설정을 위해서는 미리 탑재된 OF(Objective Function)에 의해 네트워크 경로를 구축하게 된다.
상기 RPL 표준에서 채택하고 있는 OF0(Objective Function Zero)는 단순하게 두 노드 사이에서의 링크 품질만을 고려하여 네트워크를 형성하기 때문에 링크 품질이 좋은 노드로 트래픽이 몰리게 되며, 특정 노드의 에너지 고갈 및 네트워크에서의 종단 간 지연시간 증가에 따른 시의성 문제가 발생한다.
이를 해결하기 위한 노드의 잔여에너지에 기반을 두어 네트워크를 형성하는 기법은 각 노드의 에너지 소비 균등을 목적으로 잔여에너지가 많은 노드에 경로를 형성하여 패킷을 전달하게 된다. 하지만 이 기법은 노드 간 링크 품질을 고려하지 않기 때문에, 잔여에너지가 많은 노드와의 링크 품질이 현저히 나쁨에도 경로를 형성하게 된다. 이는 재전송 횟수를 늘리게 되며, 오히려 에너지 소모량이 증가할 수 있으며 목적지까지 패킷이 전달되는데 지연시간이 증가하게 되는 단점이 있다.
또한, 특정 노드로 트래픽이 많아져 병목현상이 발생하는 노드의 트래픽을 분산함으로써 네트워크 성능 향상을 이루어내는 기법은 병목현상이 발생하는 노드와 해당 노드의 부모 노드의 링크 품질만을 고려하고 있으므로, 패킷이 전달되는 전체 경로의 누적된 링크 품질 정보를 고려하지 않아 패킷이 전달되는 데 걸리는 시간이 증가할 수 있다.
이처럼, 기존의 기법들은 다수의 장치가 구성되는 IoT 무선 네트워크에서의 각 노드의 수명 및 시의성을 떨어뜨릴 수 있는 문제점을 가지고 있다. 따라서 네트워크에서의 시의성을 만족하고 이를 통해 네트워크를 구성하는 노드의 에너지 소비를 줄일 수 있는 기술 개발이 필요하다.
등록특허공보 제10-1208400호(등록일자 2012.11.29) : RPL 라우팅 프로토콜에서의 혼합 모드 라우팅 노드 및 방법
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, RPL 기반 사물인터넷(Internet of Things : IoT) 무선 네트워크 환경에서 DODAG라는 단일 목적지에 관한 경로들을 형성함에 있어 병목현상이 발생하는 노드의 수명과 해당 전체 경로의 링크 품질을 고려하여 경로를 설정하는 라우팅 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 RPL 기반 사물인터넷 무선 네트워크에서 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려한 라우팅 장치의 특징은 DIO 메시지를 수신한 노드의 잔여 에너지와 해당 노드의 부모 노드 간의 링크 품질, 데이터 전송 속도, 전송 모드에서의 송신 세기를 고려하여 계산되는 노드의 평균 에너지 정보를 산출하는 평균 에너지 산출부와, 전송의 성공여부를 기반으로 계산되는 전송 경로의 누적 링크 품질을 산출하는 경로 링크 품질 산출부와, DIO 메시지를 수신한 노드가 패킷을 송신한 횟수를 기반으로 해당 노드의 트래픽 양을 검출하는 트래픽 검출부와, 상기 산출되는 평균 에너지 정보, 누적 링크 품질 및 상기 검출되는 트래픽 양의 정보를 RPL 라우팅 프로토콜에서 사용하는 DIO(DODAG Information Object) 메시지 필드에 추가하는 DIO 메시지 처리부와, DIO(DODAG Information Object) 메시지를 통해 메트릭이 필요한 정보를 획득하고, 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려하여 후보 부모 노드들 중 메트릭 값이 가장 높은 하나를 선택하여 경로를 생성하는 경로 생성부와, 상기 경로 생성부에서 생성된 경로를 기반으로 RF(Radio Frequency) 통신을 통해 타이머에 의해 결정되는 송신시기에 RF 트랜시버를 이용하여 IoT 무선 네트워크 환경에서 모든 노드들에 주기적으로 DIO 메시지를 전달하는 데이터 패킷 전송부를 포함하여 구성되는데 있다.
바람직하게 상기 평균 에너지 산출부는 노드의 평균 에너지를 다음 수식
Figure 112015091914712-pat00001
을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 노드의 잔여 에너지는 MCU에서 제공되는 ADC를 이용하여 동작 전압값을 측정하거나, MCU 제조회사에서 제공하는 RF 통신 시 사용되는 전원에 RF 트랜시버 동작 시간을 타이머로 측정한 값을 계산함으로써 잔여 에너지의 추정치를 통해 검출하고, 상기 링크 품질은 RF 트랜시버를 이용하여 검출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 경로 링크 품질 산출부는 다음 수식
Figure 112015091914712-pat00002
을 이용하여 경로 링크 품질을 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 트래픽 검출부에서 해당 노드의 트래픽 양은 DIO 메시지를 수신한 노드가 패킷을 송신한 횟수로 결정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 경로 생성부는 다음 수식
Figure 112015091914712-pat00003
를 이용하여 메트릭을 산출하여, 후보 부모 노드들 중 메트릭 값이 가장 높은 하나를 선택하여 경로를 생성하며, 이때, 상기
Figure 112015091914712-pat00004
와
Figure 112015091914712-pat00005
는 해당 노드의 평균 에너지와 전송 경로 링크 품질 및 노드의 트래픽 양을 반영하기 위한 가중치를 나타내는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 RPL 기반 사물인터넷 무선 네트워크에서 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려한 라우팅 방법의 특징은 RPL 기반 사물인터넷 무선 네트워크에서의 라우팅 방법에 있어서, 노드는 (A) DIO 메시지를 수신하고, 수신된 DIO 메시지의 필드 내용을 기반으로 DIO 메시지를 송신한 노드가 이웃노드인지 여부를 판단하는 단계와, (B) 상기 (A) 단계결과, 이웃노드로 판단되면 수신된 DIO 메시지안의 랭크(rank)값을 미리 설정된 임계치를 갖는 기준 랭크(rank)값과 비교하는 단계와, (C) 상기 (B) 단계결과, 수신된 DIO 메시지안의 랭크(rank)값이 기준 랭크(rank)값보다 크면, 송신된 노드의 부모 노드가 존재하는지 여부를 확인하는 단계와, (D) 상기 (C) 단계결과, 부모노드가 존재하면 현재 노드 트래픽을 부모 노드로의 전송 횟수로 변경하고, 부모노드가 존재하지 않으면 현재 노드 트래픽을 '1'로 변경하는 단계와, (E) 평균 에너지 산출부를 통해 산출된 노드의 평균 에너지를 DIO에 추가로 넣어서 메시지를 전달하여, DIO 필드 메시지 정보에 담긴 이웃 노드의 경로 상의 병목 노드 메트릭 값을 계산하는 단계와, (F) 이웃 노드 중 하나와 현재 노드 간 링크 품질을 계산하여 현재 노드까지의 누적 경로 링크 품질을 임시로 가진 뒤, 계산된 현재 노드의 메트릭 값을 포함하여 모든 이웃 노드에 대해 계산된 병목 노드 메트릭 값 중 최소값을 각각 선택하는 단계와, (G) 노드의 모든 이웃 노드에 대해 선택된 최소값들 중 최대값을 선택하고, 상기 선택된 최대값에 해당되는 이웃 노드를 부모 노드로 선택하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
바람직하게 상기 (C) 단계는 (B) 단계결과, 수신된 DIO 메시지안의 랭크(rank)값이 기준 랭크(rank)값보다 작거나 같으면, 임계치 만큼 랭크(rank)값을 상승한 후, 에러 메시지를 출력하는 단계와, (B) 단계결과, 수신된 DIO 메시지안의 랭크(rank)값이 기준 랭크(rank)값보다 크면, 수신된 DIO 메시지의 필드 정보 및 이웃노드 수를 저장하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 (E) 단계는
Figure 112015091914712-pat00006
을 이용하여 노드의 평균 에너지를 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 (G) 단계 이후, 부모 노드로 산출된 노드의 메트릭 값에 사용된 정보를 수신된 DIO 메시지 필드 정보와 비교하는 단계와, 상기 비교결과, 두 정보가 서로 다르면 수신된 DIO 메시지 필드 정보를 상기 산출된 선택 노드의 메트릭 값에 사용된 정보로 변경하고, 두 정보가 서로 같으면 수신된 DIO 메시지 필드 정보를 그대로 유지하는 단계와, 현재 노드의 DIO 메시지 안 랭크(rank)값을 누적 계산하여, 현재 노드까지의 전체 경로 링크 품질을 갱신하는 단계와, 상기 계산된 랭크(rank) 결과 값을 업데이트하여 DIO 메시지를 주위 노드들에게 데이터 패킷 전송부를 통해 송신하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 RPL 기반 사물인터넷 무선 네트워크에서 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려한 라우팅 장치 및 방법은 트래픽 집중이 발생되어 병목현상이 일어나는 노드의 수명을 고려하고 각 노드에서 싱크 노드까지의 전체 전송 경로의 링크 품질을 감안하여 종단 간 지연시간을 감소시켜 시인성을 높이고, 이를 통해 각 노드의 에너지 소비를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 RPL 기반 사물인터넷 무선 네트워크에서 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려한 라우팅 장치의 구성을 나타낸 블록도
도 2 는 도 1의 라우팅 장치에서 싱크 노드로 구성하는 트리 구조의 토폴로지의 예시를 나타낸 구성도
도 3 은 도 1에서 DIO 메시지 필드의 구조를 나타낸 구성도
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 RPL 기반 사물인터넷 무선 네트워크에서 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려한 라우팅 방법을 설명하기 위한 흐름도
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 RPL 기반 사물인터넷 무선 네트워크에서 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려한 라우팅 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 RPL 기반 사물인터넷 무선 네트워크에서 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려한 라우팅 장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 이때, 도 2와 같이 노드 1번을 싱크 노드로 구성하는 트리 구조의 토폴로지에서 동작하며, 각 노드마다 연결선은 해당 노드 간 통신이 가능한 링크를 나타낸다. 그리고 각 노드는 주기적으로 DIO 메시지를 전달하기 위해 타이머 기능이 있는 MCU(Micro Control Unit) 및 RF(Radio Frequency) 통신을 수행할 수 있는 트랜시버를 가지고 있으며, IoT 무선 네트워크 환경에서 사용되는 MCU는 타이머 기능 및 RF 트랜시버가 내장되어 있다. 또한, IPv6을 지원하는 RPL 프로토콜을 위해 노드마다 고유의 IP를 가지고 있어야 하며 각 노드를 IP로 식별할 수 있다.
도 1을 참조하여 설명하면, DIO 메시지를 수신한 노드의 잔여 에너지와 해당 노드의 부모 노드 간의 링크 품질, 데이터 전송 속도, 전송 모드에서의 송신 세기를 고려하여 계산되는 노드의 평균 에너지 정보를 산출하는 평균 에너지 산출부(100)와, 전송의 성공여부를 기반으로 계산되는 전송 경로의 누적 링크 품질을 산출하는 경로 링크 품질 산출부(200)와, DIO 메시지를 수신한 노드가 패킷을 송신한 횟수를 기반으로 해당 노드의 트래픽 양을 검출하는 트래픽 검출부(300)와, 상기 산출되는 평균 에너지 정보, 누적 링크 품질 및 상기 검출되는 트래픽 양의 정보를 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 RPL 라우팅 프로토콜에서 사용하는 DIO(DODAG Information Object) 메시지 필드에 추가하는 DIO 메시지 처리부(400)와, DIO(DODAG Information Object) 메시지를 통해 메트릭이 필요한 정보를 획득하고, 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려하여 후보 부모 노드들 중 메트릭 값이 가장 높은 하나를 선택하여 경로를 생성하는 경로 생성부(500)와, 상기 경로 생성부에서 생성된 경로를 기반으로 RF(Radio Frequency) 통신을 통해 타이머에 의해 결정되는 송신시기에 RF 트랜시버를 이용하여 IoT 무선 네트워크 환경에서 모든 노드들에 주기적으로 갱신된 DIO 메시지를 전달하는 데이터 패킷 전송부(600)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 평균 에너지 산출부(100)는 노드의 잔여 에너지와 해당 노드의 부모 노드 간의 링크 품질, 데이터 전송 속도, 전송 모드에서의 송신 세기를 이용하여 다음 수학식 1을 통해 노드의 평균 에너지를 산출한다.
Figure 112015091914712-pat00007
상기 수학식 1에서, 링크 품질은 전송 횟수와 연관이 있으며 값이 작을수록 성공적으로 전송될 확률이 높다. 그리고 송신세기는 한 번 데이터를 송신 시 소모되는 파워를 의미하는데 적은 파워를 사용할수록 평균 에너지양이 늘어난다. 그리고 노드의 잔여 에너지가 높을수록 평균 에너지는 높게 되며, 데이터 전송 속도가 빠를수록 데이터를 처리하는데 소모되는 에너지가 줄어들어 평균에너지가 높아진다.
상기 노드의 잔여 에너지 측정은 MCU에서 보편적으로 제공되는 ADC를 이용하여 동작 전압값을 측정하거나, MCU 제조회사에서 제공하는 RF 통신 시 사용되는 전원에 RF 트랜시버 동작 시간을 타이머로 측정한 값을 계산함으로써 잔여 에너지의 추정치를 얻어 낼 수 있다. 그리고 링크 품질은 RF 트랜시버를 이용하여 나타낼 수 있다. 참고로 시중에 출시된 대부분의 MCU는 다수의 ADC 채널 및 타이머 기능을 지원함으로써 잔여 에너지 및 링크 품질을 측정하는데 적용 가능하다.
상기 경로 링크 품질 산출부(200)에서 해당 링크 품질은 전송이 성공할 수 있는 확률을 나타내므로, 다음 수학식 2에서 나타내고 있는 것과 같이 해당 링크 품질을 곱셈을 통해서 누적시켜 경로 링크 품질을 산출한다.
Figure 112015091914712-pat00008
상기 트래픽 검출부(300)에서 해당 노드의 트래픽 양은 DIO 메시지를 수신한 노드가 패킷을 송신한 횟수로 결정한다. 그리고 네트워크에 새로 합류하는 노드는 트래픽을 1로 결정을 한다. 이때, 주기적인 트래픽 및 링크 품질 측정 기능은 타이머와 RF 트랜시버를 이용하여 구현할 수 있다.
상기 경로 생성부(500)는 다음 수학식 3과 같이 네트워크에 합류하거나 이미 속한 노드가 경로를 결정할 때 평균 에너지 값이 높고 발생되는 트래픽이 적으며, 전송 경로 품질이 좋을수록 메트릭 값이 높아지도록 설계하여 후보 부모 노드들 중 메트릭 값이 가장 높은 하나를 선택해 경로를 생성한다.
Figure 112015091914712-pat00009
상기 수학식 3에서
Figure 112015091914712-pat00010
와
Figure 112015091914712-pat00011
는 해당 노드의 평균 에너지와 전송 경로 링크 품질 및 노드의 트래픽 양 가운데 어느 것을 더 중점적으로 반영하여 경로를 구성할 것인지에 대한 가중치이다. 상기 가중치는 해당 노드의 평균 에너지와 전송 경로 링크 품질 및 노드의 트래픽 양 별로 최적의 성능이 나올 수 있도록 설정하기 위한 서로 다른 수치로서 이는 네트워크 환경에 따라 변경이 가능한 수치로서 고정된 수치는 아님에 주의하여야 한다. 바람직한 실시예로서, 네트워크에서 발생하는 평균 End-to-End 지연시간 측면과, 네트워크를 구성하는 노드들의 평균 에너지 소모 측면을 고려하였을 때
Figure 112015091914712-pat00012
는 0.7,
Figure 112015091914712-pat00013
는 0.3일 때 성능이 가장 좋게 나오는 것으로 실험결과 확인되었다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 RPL 기반 사물인터넷 무선 네트워크에서 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려한 라우팅 장치의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1과 동일한 참조부호는 동일한 기능을 수행하는 동일한 부재를 지칭한다.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 RPL 기반 사물인터넷 무선 네트워크에서 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려한 라우팅 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 먼저 DIO 메시지가 수신되면(S101), 수신된 DIO 메시지의 필드 내용을 기반으로 DIO 메시지를 송신한 노드가 이웃노드인지 여부를 판단한다(S102).
상기 판단결과(S102), 송신한 노드가 이웃노드가 아닌 것으로 판단되면 수신된 DIO 메시지를 삭제하고(S103), 송신한 노드가 이웃노드로 판단되면 수신된 DIO 메시지안의 랭크(rank)값을 미리 설정된 임계치를 갖는 기준 랭크(rank)값과 비교한다(S104).
참고로, 상기 랭크(rank)는 루프(loop) 방지를 위한 것으로, 랭크 계산은 루프 방지를 위해 단조 증가 형태를 취한다. 즉, 현재 자신의 랭크보다 큰 랭크를 가진 노드를 부모 노드로 선택하게 된다면 라우팅 경로 형성 시 루프가 발생하므로, 이를 막기 위해 랭크 계산이 이루어지게 된다.
이에 따라, 상기 비교결과(S104), 송신된 DIO 메시지안의 랭크(rank)값이 기준 랭크(rank)값보다 작거나 같으면, 임계치 만큼 랭크(rank)값을 상승한 후(S105), 에러 메시지를 출력한다(S106).
또한 상기 비교결과(S104), 수신된 DIO 메시지안의 랭크(rank)값이 기준 랭크(rank)값보다 크면, 수신된 DIO 메시지의 필드 정보 및 이웃노드 수를 저장한다(S107).
그리고 상기 송신된 노드의 부모 노드가 존재하는지 여부를 확인하여(S108), 부모노드가 존재하면 현재 노드 트래픽을 부모 노드로의 전송 횟수로 변경하고(S109), 부모노드가 존재하지 않으면 현재 노드 트래픽을 '1'로 변경한다(S110).
이어 평균 에너지 산출부(100)를 통해 수학식 1을 이용하여 산출된 노드의 평균 에너지를 DIO에 추가로 넣어서 메시지를 전달함으로써, DIO 필드 메시지 정보에 담긴 이웃 노드의 경로 상의 병목 노드 메트릭 값을 계산한다(S111). 이처럼, 제안된 메트릭을 활용하여 계산된 결과가 주기적으로 갱신되게 되므로, 각 노드는 최신 정보를 유지할 수 있게 된다.
그리고 이웃 노드 중 하나와 현재 노드 간 링크 품질을 계산하여 현재 노드까지의 누적 경로 링크 품질을 임시로 가진 뒤, 현재 노드의 메트릭 값을 계산한 후(S112), 병목 노드와 현재 노드의 메트릭 값 중 최소값을 선택한다(S113). 즉, 새로 추가되는 노드의 부모가 가능한 노드 중 선호되는 부모를 선택할 때, 노드가 경로에 추가되었을 때 새로운 병목현상이 발생되는 노드가 될 수 있기 때문에 추가되는 노드와 현재 경로 상의 병목현상이 발생하는 노드를 모두 고려하여 부모 노드를 선택해야 한다.
이와 같은 과정을 통해 상기 노드의 모든 이웃 노드에 대해 제안 메트릭이 적용될 때까지 다음 이웃노드를 선택하여 상기 과정을 반복한다(S115).
그리고 모든 이웃 노드에 대한 제안 메트릭이 적용된 것으로 확인되면(S114), 선택된 최소값들 중 최대값을 선택하고(S116), 상기 선택된 최대값에 해당되는 이웃 노드를 부모 노드로 선택한다(S117).
이어 경로 생성부(500)에서 산출된 선택 노드의 메트릭 값에 사용된 정보를 선택된 부모노드로부터 수신된 DIO 메시지 필드 정보와 비교한다(S118).
상기 비교결과(S118), 두 정보가 서로 다르면 수신된 DIO 메시지 필드 정보를 상기 산출된 선택 노드의 메트릭 값에 사용된 정보로 변경하고(S119), 두 정보가 서로 같으면 수신된 DIO 메시지 필드 정보를 그대로 유지한다(S120).
이어 선택한 부모노드로부터 수신된 DIO 메시지 내의 랭크 값(부모 노드의 랭크)에서 단조 증가로 현재 노드의 랭크(rank) 값을 계산하여(S121) 갱신한다. 그리고 선택한 부모노드로부터 수신한 DIO 메시지 안의 누적 링크 품질 값에 부모노드와 현재 노드 사이의 링크 품질 값을 누적하여, 현재 노드까지의 전체 경로 링크 품질 값으로 갱신한다(S122).
상기 업데이트된 DIO 메시지를 주위 노드들에게 데이터 패킷 전송부(600)를 통해 송신한다(S123).
이를 반복적으로 수행함으로서 DODAG 루트를 최상위로 하는 일종의 트리구조로 된 LLN 토폴로지가 형성되며, upward route가 만들어진다. 또한 DODAG 루트는 타이머를 통해 주기적으로 DIO 메시지를 재송신하고, DIO 메시지를 수신한 노드들 또한 흐름도에 맞게 주기적으로 동작함으로써 노드의 추가/삭제/변경 등에 따른 토폴로지/라우팅 정보 변경에 유연하게 대처한다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. DIO 메시지를 수신한 노드의 잔여 에너지와 해당 노드의 부모 노드 간의 링크 품질, 데이터 전송 속도, 전송 모드에서의 송신 세기를 고려하여 계산되는 노드의 평균 에너지 정보를 산출하는 평균 에너지 산출부와,
    전송의 성공여부를 기반으로 계산되는 전송 경로의 누적 링크 품질을 산출하는 경로 링크 품질 산출부와,
    DIO 메시지를 수신한 노드가 패킷을 송신한 횟수를 기반으로 해당 노드의 트래픽 양을 검출하는 트래픽 검출부와,
    상기 산출되는 평균 에너지 정보, 누적 링크 품질 및 상기 검출되는 트래픽 양의 정보를 RPL 라우팅 프로토콜에서 사용하는 DIO(DODAG Information Object) 메시지 필드에 추가하는 DIO 메시지 처리부와,
    DIO(DODAG Information Object) 메시지를 통해 메트릭이 필요한 정보를 획득하고, 노드 병목 및 전송 경로 품질을 고려하여 후보 부모 노드들 중 메트릭 값이 가장 높은 하나를 선택하여 경로를 생성하는 경로 생성부와,
    상기 경로 생성부에서 생성된 경로를 기반으로 RF(Radio Frequency) 통신을 통해 타이머에 의해 결정되는 송신시기에 RF 트랜시버를 이용하여 IoT 무선 네트워크 환경에서 모든 노드들에 주기적으로 DIO 메시지를 전달하는 데이터 패킷 전송부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 라우팅 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 평균 에너지 산출부는 노드의 평균 에너지를 다음 수식
    Figure 112015091914712-pat00014
    을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 라우팅 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 노드의 잔여 에너지는 MCU에서 제공되는 ADC를 이용하여 동작 전압값을 측정하거나, MCU 제조회사에서 제공하는 RF 통신 시 사용되는 전원에 RF 트랜시버 동작 시간을 타이머로 측정한 값을 계산함으로써 잔여 에너지의 추정치를 통해 검출하고,
    상기 링크 품질은 RF 트랜시버를 이용하여 검출하는 것을 특징으로 하는 라우팅 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 경로 링크 품질 산출부는 다음 수식
    Figure 112015091914712-pat00015
    을 이용하여 경로 링크 품질을 산출하는 것을 특징으로 하는 라우팅 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 트래픽 검출부에서 해당 노드의 트래픽 양은 DIO 메시지를 수신한 노드가 패킷을 송신한 횟수로 결정하는 것을 특징으로 하는 라우팅 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 경로 생성부는 다음 수식
    Figure 112015091914712-pat00016
    를 이용하여 메트릭을 산출하여, 후보 부모 노드들 중 메트릭 값이 가장 높은 하나를 선택하여 경로를 생성하며,
    이때, 상기
    Figure 112015091914712-pat00017
    와
    Figure 112015091914712-pat00018
    는 해당 노드의 평균 에너지와 전송 경로 링크 품질 및 노드의 트래픽 양을 반영하기 위한 가중치를 나타내는 것을 특징으로 하는 라우팅 장치.
  7. RPL 기반 사물인터넷 무선 네트워크에서의 라우팅 방법에 있어서, 노드는
    (A) DIO 메시지를 수신하고, 수신된 DIO 메시지의 필드 내용을 기반으로 DIO 메시지를 송신한 노드가 이웃노드인지 여부를 판단하는 단계와,
    (B) 상기 (A) 단계결과, 이웃노드로 판단되면 수신된 DIO 메시지안의 랭크(rank)값을 미리 설정된 임계치를 갖는 기준 랭크(rank)값과 비교하는 단계와,
    (C) 상기 (B) 단계결과, 수신된 DIO 메시지안의 랭크(rank)값이 기준 랭크(rank)값보다 크면, 송신된 노드의 부모 노드가 존재하는지 여부를 확인하는 단계와,
    (D) 상기 (C) 단계결과, 부모노드가 존재하면 현재 노드 트래픽을 부모 노드로의 전송 횟수로 변경하고, 부모노드가 존재하지 않으면 현재 노드 트래픽을 '1'로 변경하는 단계와,
    (E) 평균 에너지 산출부를 통해 산출된 노드의 평균 에너지를 DIO에 추가로 넣어서 메시지를 전달하여, DIO 필드 메시지 정보에 담긴 이웃 노드의 경로 상의 병목 노드 메트릭 값을 계산하는 단계와,
    (F) 이웃 노드 중 하나와 현재 노드 간 링크 품질을 계산하여 현재 노드까지의 누적 경로 링크 품질을 임시로 가진 뒤, 계산된 현재 노드의 메트릭 값을 포함하여 모든 이웃 노드에 대해 계산된 병목 노드 메트릭 값 중 최소값을 각각 선택하는 단계와,
    (G) 노드의 모든 이웃 노드에 대해 선택된 최소값들 중 최대값을 선택하고, 상기 선택된 최대값에 해당되는 이웃 노드를 부모 노드로 선택하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 라우팅 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 (C) 단계는
    (B) 단계결과, 수신된 DIO 메시지안의 랭크(rank)값이 기준 랭크(rank)값보다 작거나 같으면, 임계치 만큼 랭크(rank)값을 상승한 후, 에러 메시지를 출력하는 단계와,
    (B) 단계결과, 수신된 DIO 메시지안의 랭크(rank)값이 기준 랭크(rank)값보다 크면, 수신된 DIO 메시지의 필드 정보 및 이웃노드 수를 저장하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 라우팅 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 (E) 단계는
    Figure 112015091914712-pat00019
    을 이용하여 노드의 평균 에너지를 산출하는 것을 특징으로 하는 라우팅 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 (G) 단계 이후, 부모 노드로 산출된 노드의 메트릭 값에 사용된 정보를 수신된 DIO 메시지 필드 정보와 비교하는 단계와,
    상기 비교결과, 두 정보가 서로 다르면 수신된 DIO 메시지 필드 정보를 상기 부모 노드로 산출된 노드의 메트릭 값에 사용된 정보로 변경하고, 두 정보가 서로 같으면 수신된 DIO 메시지 필드 정보를 그대로 유지하는 단계와,
    상기 산출된 부모 노드로부터 수신된 DIO 메시지 내의 랭크 값(부모 노드의 랭크)에서 단조 증가로 현재 노드의 랭크(rank) 값을 계산하여 갱신하고, 현재 노드의 DIO 메시지 안 누적 링크 품질 값에 선택된 부모 노드와 현재 노드 사이의 링크 품질을 누적 계산하여, 현재 노드까지의 전체 경로 링크 품질을 갱신하는 단계와,
    상기 계산된 랭크(rank) 결과 값을 업데이트하여 DIO 메시지를 주위 노드들에게 데이터 패킷 전송부를 통해 송신하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 라우팅 방법.
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