KR101685467B1 - 무선 센서 네트워크, 이의 싱크 노드와 센서 노드, 그리고 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법 - Google Patents

Abstract

무선 센서 네트워크, 이의 싱크 노드와 센서 노드, 그리고 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법은 기준 시각을 갖는 싱크 노드가, 분산 배치된 센서 노드들로 응답 요청 메시지를 전송하는 것; 센서 노드들이 각각 응답 요청 메시지에 대한 응답 메시지를 싱크 노드로 전송하는 것; 그리고 싱크 노드가 센서 노드들로부터 수신된 응답 메시지들을 이용하여 네트워크 초기 설정을 수행하는 것을 포함한다. 응답 메시지에는 센서 노드의 식별자, 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 응답 메시지의 송신 시각이 포함된다. 네트워크 초기 설정을 수행하는 것은, 응답 메시지에 포함된 정보를 이용하여, 싱크 노드의 이웃 노드를 탐지하는 것, 싱크 노드와 센서 노드들의 시간을 동기화하는 것 및 싱크 노드와 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역을 할당하는 것을 동시적으로 수행한다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 이웃 노드 탐지, 시간 동기화, 주파수 대역 할당을 통합적으로 수행하여, 네트워크 초기 설정에 소요되는 복잡도를 줄이고 네트워크 초기 설정 시간을 단축시킬 수 있다.

Description

무선 센서 네트워크, 이의 싱크 노드와 센서 노드, 그리고 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법{WIRELESS SENSOR NETWORK, SINK NODE, SENSOR NODE AND NETWORK INITIALIZATION METHOD THEREOF}

본 발명은 무선 센서 네트워크, 이의 싱크 노드와 센서 노드, 그리고 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 싱크 노드와 센서 노드들 간에 자율적인 메시지 교환을 통해 이웃 노드 탐지, 시간 동기화, 주파수 대역 할당 등을 통합적으로 수행하여 네트워크 초기 설정을 신속하게 수행할 수 있는 분산형 무선 센서 네트워크, 이의 싱크 노드와 센서 노드, 그리고 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법에 관한 것이다.

수중 무선 센서 네트워크(underwater wireless sensor network)는 전략적 감시, 환경 정보 수집, 재난 방제 등의 다양한 목적을 위해 수중의 특정 영역에 구축되는 네트워크를 말한다. 일반적으로 수중 무선 센서 네트워크는 다수의 수중 센서 노드들과 이들로부터 데이터를 수집하기 위한 싱크 노드로 구성된다. 수중 무선 센서 노드를 구축하기 위해서, 먼저 특정 영역 내에 센서 노드들과 싱크 노드를 배치한 후, 원활한 통신을 위해 네트워크 초기 설정을 수행해야 한다.

종래의 네트워크 초기 설정 방식은 노드를 배치하기 전에 라우팅(Routing)과 같은 각종 네트워크 정보를 미리 설정시켜 두거나, 노드 배치 후에 사용자가 각 노드에 개별적으로 네트워크 정보를 부여하는 것이다. 하지만 이와 같은 중앙 제어 형태의 경우 특정 수의 센서 노드를 어떤 위치에 배치할지를 미리 정해두어야만 한다. 특히 후자의 경우 배치되는 노드의 수에 따라 소요되는 시간이 선형적으로 증가한다. 또한 최초 설치 이후에 노드의 추가 혹은 유실 등의 변화에 대해 유연하게 대처하기 어려운 단점이 있다.

네트워크 초기 설정 시에, 이후의 통신을 원활히 하기 위한 여러 가지 사항들이 선행되어야 한다. 센서 노드들은 배치 직후 주변 상황에 대한 어떠한 정보도 보유하고 있지 않으므로, 이웃 노드를 탐지하는 과정을 통해서 이웃 정보를 미리 파악해야 한다. 또한 수중 환경에서는 인공위성 항법 체계(Global Positioning System: GPS)를 활용할 수 없으므로, 노드 간 동기화 과정이 별도로 수행되어야 한다. 또한 수중 환경은 지상에 비해 채널 특성이 열악하기 때문에, 높은 네트워크 성능을 위해서는 채널 특성을 반영한 통신 주파수 대역 할당 과정이 필요하다.

기존 네트워크 형성 과정에서는 네트워크 초기 설정에 필요한 제반 과정들, 즉 이웃 노드 탐지, 시간 동기화, 주파수 대역 할당 등의 과정들이 직렬적으로 수행되어 왔다. 예컨대 이웃 노드 탐지를 완료한 후, 노드들의 시간 동기화를 수행하고, 이어서 주파수 대역 할당을 행하여, 이웃 노드 탐지, 시간 동기화, 주파수 대역 할당 과정이 하나씩 순차적으로 수행되었다. 하지만 이러한 방식은 네트워크 초기 설정 시간을 증가시키고, 네트워크 초기 설정의 복잡도를 늘리는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 이웃 노드 탐지, 시간 동기화, 주파수 대역 할당을 통합적으로 수행하여, 네트워크 초기 설정에 소요되는 복잡도를 줄이고 네트워크 초기 설정 시간을 단축시키는 무선 센서 네트워크, 이의 싱크 노드와 센서 노드, 그리고 초기 설정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법은 기준 시각을 갖는 싱크 노드가, 분산 배치된 센서 노드들로 응답 요청 메시지를 전송하는 것; 상기 센서 노드들이 각각 상기 응답 요청 메시지에 대한 응답 메시지를 상기 싱크 노드로 전송하는 것; 그리고 상기 싱크 노드가 상기 센서 노드들로부터 수신된 응답 메시지들을 이용하여 네트워크 초기 설정을 수행하는 것을 포함하고, 상기 응답 메시지는 센서 노드의 식별자, 상기 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 상기 응답 메시지의 송신 시각을 포함하며, 상기 네트워크 초기 설정을 수행하는 것은, 상기 응답 메시지에 포함된 정보를 이용하여, 상기 싱크 노드의 이웃 노드를 탐지하는 것, 상기 센서 노드들 간에 시간을 동기화하는 것 및 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역을 할당하는 것을 동시적으로 수행한다.

상기 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법은, 상기 응답 요청 메시지가 상기 센서 노드로 전송되면, 상기 센서 노드가, 상기 센서 노드의 식별자, 상기 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 상기 응답 메시지의 송신 시각을 포함하는 상기 응답 메시지를 생성하는 것을 더 포함할 수 있다.

상기 네트워크 초기 설정을 수행하는 것은, 상기 응답 요청 메시지의 송신 시각, 상기 응답 요청 메시지의 수신 시각, 상기 응답 메시지의 송신 시각 및 상기 응답 메시지의 수신 시각을 이용하여, 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 산출하는 것; 상기 센서 노드들 각각의 전파지연 및 상기 센서 노드들 각각의 식별자를 이용하여, 상기 싱크 노드의 이웃 노드를 탐지하는 것; 상기 응답 요청 메시지의 송신 시각, 상기 센서 노드들 각각에 대한 상기 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 이용하여, 상기 센서 노드들의 시각을 동기화하는 것; 그리고 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 이용하여, 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역을 할당하는 것을 포함할 수 있다.

상기 응답 요청 메시지를 전송하는 것은 기설정된 횟수만큼 반복되고, 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 산출하는 것은, 복수의 응답 요청 메시지의 송신 시각들과 상기 복수의 응답 요청 메시지의 수신 시각들을 변수로 하는 제1 선형 회귀의 기울기를 산출하여 상기 센서 노드들 각각의 제1 클록 스큐를 산출하는 것; 그리고 상기 응답 요청 메시지의 송신 시각과 수신 시각, 상기 응답 메시지의 송신 시각과 수신 시각, 및 상기 제1 클록 스큐를 이용하여, 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 상기 복수의 응답 요청 메시지별로 산출하는 것을 포함할 수 있다.

상기 센서 노드들의 시각을 동기화하는 것은, 상기 복수의 응답 요청 메시지들 각각의 송신 시각, 및 상기 복수의 응답 요청 메시지 각각의 수신 시각과 전파지연의 차이 값을 변수로 하는 제2 선형 회귀의 기울기를 상기 센서 노드들 별로 산출하여 상기 센서 노드들 각각에 대한 제2 클록 스큐를 산출하고, 상기 제2 선형 회귀의 y절편을 상기 센서 노드들 별로 산출하여 상기 센서 노드들 각각에 대한 클록 오프셋을 산출하는 것을 포함할 수 있다.

상기 통신 주파수 대역을 할당하는 것은, 상기 복수의 응답 요청 메시지별로 산출된 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 이용하여, 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 거리를 산출하는 것; 그리고 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 거리에 따라 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역을 할당하는 것을 포함할 수 있다.

상기 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법은, 상기 싱크 노드가 상기 센서 노드들 각각의 제2 클록 스큐, 상기 센서 노드들 각각의 클록 오프셋, 및 상기 센서 노드들 각각에 할당된 통신 주파수 대역을 포함하는 통지 메시지를 상기 센서 노드들로 전송하는 것을 더 포함할 수 있다.

상기 응답 요청 메시지는 센서 노드의 응답 메시지 전송 여부를 결정하기 위한 필드를 포함하고, 반복하여 상기 센서 노드들로 송신된 상기 응답 요청 메시지에 따라, 설정된 개수 이상의 응답 메시지를 송신한 제1 센서 노드가 존재하는 경우, 상기 싱크 노드는 상기 필드에 상기 제1 센서 노드를 나타내는 식별 정보가 포함되도록 상기 응답 요청 메시지를 생성하여 상기 센서 노드들로 전송할 수 있다.

상기 응답 요청 메시지를 수신한 상기 센서 노드들은 각각 상기 필드에 포함된 식별 정보를 확인하고, 상기 식별 정보에 대응하는 센서 노드는 응답 메시지의 전송을 중단할 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 분산 배치된 센서 노드들; 그리고 기준 시각을 갖는 싱크 노드를 포함하며, 상기 싱크 노드는 상기 센서 노드들로 전송할 응답 요청 메시지를 생성하고, 상기 센서 노드들은 각각 상기 싱크 노드로부터 전송된 상기 응답 요청 메시지에 대한 응답 메시지를 생성하고, 상기 싱크 노드는 상기 센서 노드들로부터 수신된 응답 메시지들을 이용하여 네트워크 초기 설정을 수행하며, 상기 센서 노드들은 각각 센서 노드의 식별자, 상기 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 상기 응답 메시지의 송신 시각이 포함되도록 상기 응답 메시지를 생성하고, 상기 싱크 노드는 상기 응답 메시지에 포함된 정보를 이용하여, 상기 싱크 노드의 이웃 노드 탐지, 상기 센서 노드들 간의 시간 동기화 및 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역 할당을 동시적으로 수행하는 무선 센서 네트워크가 제공될 수 있다.

상기 싱크 노드는 상기 응답 요청 메시지의 송신 시각과 수신 시각, 상기 응답 메시지의 송신 시각과 수신 시각을 이용하여, 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 산출하는 전파지연 산출부; 그리고 상기 이웃 노드 탐지를 위한 작업, 상기 센서 노드들 간의 시각 동기화를 위한 작업, 및 상기 통신 주파수 대역 할당을 위한 작업을 포함하는 작업들이 병렬적으로 수행되도록 상기 작업들을 서로 다른 코어 또는 스레드의 작업부들로 분배하는 작업 분배부를 포함할 수 있다.

상기 작업부들은, 상기 센서 노드들 각각의 전파지연 및 상기 센서 노드들 각각의 식별자를 이용하여, 상기 싱크 노드의 이웃 노드를 탐지하는 이웃노드 탐지부; 상기 응답 요청 메시지의 송신 시각, 상기 센서 노드들 각각에 대한 상기 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 이용하여, 상기 센서 노드들의 시각을 동기화하는 동기화부; 그리고 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 이용하여, 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역을 할당하는 주파수 할당부를 포함할 수 있다.

상기 싱크 노드는 시간 간격을 두고 기설정된 횟수만큼 반복하여 상기 응답 요청 메시지를 상기 센서 노드들로 전송하고, 상기 전파지연 산출부는, 복수의 응답 요청 메시지의 송신 시각들과 상기 복수의 응답 요청 메시지의 수신 시각들을 변수로 하는 제1 선형 회귀의 기울기를 산출하여 상기 센서 노드들 각각의 제1 클록 스큐를 산출하는 제1 클록스큐 산출부; 그리고 상기 응답 요청 메시지의 송신 시각과 수신 시각, 상기 응답 메시지의 송신 시각과 수신 시각, 및 상기 제1 클록 스큐를 이용하여, 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 상기 복수의 응답 요청 메시지별로 산출하는 전파지연 산출모듈을 포함할 수 있다.

상기 동기화부는, 상기 복수의 응답 요청 메시지들 각각의 송신 시각, 및 상기 복수의 응답 요청 메시지 각각의 수신 시각과 전파지연의 차이 값을 변수로 하는 제2 선형 회귀의 기울기를 상기 센서 노드들 별로 산출하여 상기 센서 노드들 각각에 대한 제2 클록 스큐를 산출하는 제2 클록스큐 산출부; 그리고 상기 제2 선형 회귀의 y절편을 상기 센서 노드들 별로 산출하여 상기 센서 노드들 각각에 대한 클록 오프셋을 산출하는 클록오프셋 산출부를 포함할 수 있다.

상기 주파수 할당부는, 상기 복수의 응답 요청 메시지별로 산출된 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 이용하여, 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 거리를 산출하는 거리산출부; 그리고 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 거리에 따라 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역을 할당하는 주파수 할당모듈을 포함할 수 있다.

상기 싱크 노드는, 상기 센서 노드들 각각의 상기 제2 클록 스큐, 상기 센서 노드들 각각의 상기 클록 오프셋, 및 상기 센서 노드들 각각에 할당된 상기 통신 주파수 대역을 포함하는 통지 메시지를 상기 센서 노드들로 전송할 수 있다.

상기 싱크 노드는, 센서 노드의 응답 메시지 전송 여부를 결정하기 위한 필드가 포함되도록 상기 응답 요청 메시지를 생성하고, 반복하여 상기 센서 노드들로 송신된 상기 응답 요청 메시지에 따라, 설정된 개수 이상의 응답 메시지를 송신한 제1 센서 노드가 존재하는 경우, 상기 필드에 상기 제1 센서 노드를 나타내는 식별 정보가 포함되도록 상기 응답 요청 메시지를 생성할 수 있다.

상기 센서 노드들은 각각 상기 필드에 포함된 식별 정보를 확인하고, 상기 식별 정보에 대응하는 센서 노드는 응답 메시지의 전송을 중단할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 분산 배치된 센서 노드들로부터 데이터를 수집하기 위한 무선 센서 네트워크의 싱크 노드에 있어서, 상기 센서 노드들로 전송하기 위한 응답 요청 메시지를 생성하는 응답요청메시지 생성부; 상기 센서 노드들로 상기 응답 요청 메시지를 전송하고, 상기 응답 요청 메시지에 응답하여 상기 센서 노드들로부터 전송된 응답 메시지를 수신하기 위한 통신부; 그리고 상기 센서 노드들로부터 수신된 응답 메시지들을 이용하여 네트워크 초기 설정을 수행하는 네트워크 초기 설정부를 포함하고, 상기 네트워크 초기 설정부는, 상기 응답 메시지에 포함된 센서 노드의 식별자, 상기 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 상기 응답 메시지의 송신 시각을 이용하여, 상기 싱크 노드의 이웃 노드 탐지, 상기 센서 노드들 간의 시간 동기화 및 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역 할당을 동시적으로 수행하는 무선 센서 네트워크의 싱크 노드가 제공된다.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 무선 센서 네트워크의 싱크 노드로 데이터를 전송하기 위한 무선 센서 네트워크의 센서 노드에 있어서, 상기 싱크 노드로부터 응답 요청 메시지를 수신하고, 상기 응답 요청 메시지에 응답하여 상기 싱크 노드로 응답 메시지를 송신하기 위한 송수신부; 상기 싱크 노드에 의해 이웃 노드 탐지, 시각 동기화 및 통신 주파수 채널 할당이 동시적으로 수행될 수 있도록, 상기 센서 노드의 식별자, 상기 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 상기 응답 메시지의 송신 시각을 포함하는 응답 메시지를 생성하는 응답메시지 생성부; 그리고 상기 응답 요청 메시지의 필드에 포함된 식별 정보를 확인하고, 상기 식별 정보에 따라, 상기 응답 메시지의 생성 여부를 결정하는 결정부를 포함하는 무선 센서 네트워크의 센서 노드가 제공될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 이웃 노드 탐지, 시간 동기화, 주파수 대역 할당을 통합적으로 수행하여, 네트워크 초기 설정에 소요되는 복잡도를 줄이고 네트워크 초기 설정 시간을 단축시키는 무선 센서 네트워크, 이의 싱크 노드와 센서 노드, 그리고 초기 설정 방법이 제공된다.

본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크(10)를 개략적으로 보여주는 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크를 구성하는 싱크 노드(100)의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크의 동작을 시간 축에서 표현한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드(200)의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 노드에 의해 생성된 응답 메시지의 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 싱크 노드를 구성하는 네트워크 초기 설정부(140)의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 싱크 노드를 구성하는 전파지연 산출부(142)의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 싱크 노드를 구성하는 동기화부(1464)의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 싱크 노드를 구성하는 주파수 할당부(1466)의 구성도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법의 흐름도이다.
도 11은 도 10에 도시된 단계 S70의 흐름도이다.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서 전체에서 사용되는 '~부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부'가 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.

일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소와 '~부'에서 제공하는 기능은 복수의 구성요소 및 '~부'들에 의해 분리되어 수행될 수도 있고, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법은 기준 시각을 갖는 싱크 노드가, 분산 배치된 센서 노드들로 응답 요청 메시지를 전송하는 것; 센서 노드들이 각각 상기 응답 요청 메시지에 대한 것으로, 센서 노드의 식별자, 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 응답 메시지의 송신 시각을 포함하는 응답 메시지를 상기 싱크 노드로 전송하는 것; 그리고 싱크 노드가 상기 센서 노드들로부터 수신된 응답 메시지들을 이용하여 네트워크 초기 설정을 수행하는 것을 포함한다.

상기 네트워크 초기 설정을 수행하는 것은, 상기 응답 메시지에 포함된 정보를 이용하여, 싱크 노드의 이웃 노드를 탐지하는 것, 센서 노드들 간에 시간을 동기화하는 것 및 싱크 노드와 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역을 할당하는 것을 동시적으로 수행한다. 본 실시 예에 의하면, 이웃 노드 탐지, 시간 동기화, 주파수 대역 할당을 통합적으로 수행하여, 네트워크 초기 설정에 소요되는 복잡도를 줄이고 네트워크 초기 설정 시간을 단축시킬 수 있다.

이하에서 수중 센서 네트워크를 예로 들어, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크에 대해 설명한다. 다만 이하의 실시 예는 어디까지나 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 설명되는 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크는 수중 센서 네트워크에 적용된 것으로 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크(10)를 개략적으로 보여주는 측면도이다. 무선 센서 네트워크(10)는 예를 들어, 전략적 감시, 환경 정보 수집, 재난 방제 등의 다양한 목적을 위해 구축될 수 있으며, 특정한 목적 및 용도로 제한되지 않는다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크(10)는 싱크 노드(100)와, 센서 노드(200)들을 포함한다.

싱크 노드(100)는 센서 노드(200)들로부터 데이터를 수집하기 위해 제공될 수 있다. 일 실시 예에서, 싱크 노드(100)는 부이를 통해 수면(22)에 부유할 수 있다. 싱크 노드(100)는 계류 수단(닻이나 계류선 등)에 의해 수면(22)의 일정한 영역에 위치할 수 있다.

일 실시 예로, 싱크 노드(100)는 기준 시각을 갖는 노드일 수 있다. 싱크 노드(100)는 일 예로, GPS(Global Positioning System)를 활용하여 무선 센서 네트워크의 시간 동기화에 필요한 기준 시각을 획득할 수 있다. 다른 예로, 기준 시각은 사용자 등에 의해 임의적으로 설정된 시각으로 결정될 수도 있다. 센서 노드(200)들은 수중 영역(20)에 분산되어 고정 배치될 수 있다. 센서 노드(200)들은 감시, 환경 정보 수집, 혹은 재해 방제 등의 다양한 목적을 수행하기 위해 제공될 수 있으며, 정보를 수집하기 위한 센서들을 구비할 수 있다. 지상 제어국에서는 싱크 노드(100)를 통해 센서 노드(200)들에 대한 네트워크 초기 설정 과정을 GUI(Graphic User Interface) 프로그램으로 확인할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크를 구성하는 싱크 노드(100)의 구성도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 싱크 노드(100)는 제어부(110), 응답요청메시지 생성부(120), 통신부(130), 네트워크 초기 설정부(140) 및 저장부(150)를 포함한다.

제어부(110)는 싱크 노드(100)의 동작을 제어하기 위한 것으로, 적어도 하나의 프로세서(processor)로 제공될 수 있다. 저장부(150)는 무선 센서 네트워크의 초기 설정을 위한 프로그램, 싱크 노드(100)와 센서 노드(200)들 간에 전송되는 메시지들의 송/수신 시각, 센서 노드(200)별 시각 집합 정보, 싱크 노드(100)에 의해 탐지되는 이웃 노드 정보, 시각 동기화를 위한 클록 스큐와 클록 오프셋 정보, 센서 노드별 통신 주파수 대역 할당 정보, 그 밖의 정보를 저장한다. 제어부(110)에 의하여, 무선 센서 네트워크의 초기 설정을 위해 저장부(150)에 기록된 프로그램이 네트워크 초기 설정부(140)에서 실행되어, 네트워크 초기 설정이 수행될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크의 동작을 시간 축에서 표현한 흐름도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 싱크 노드(100)의 응답요청메시지 생성부(120)는 센서 노드(200)들로 전송하기 위한 응답 요청 메시지(D_PING)를 생성한다. 통신부(130)는 센서 노드(200)들로 응답 요청 메시지(D_PING)를 방송하고, 센서 노드(200)들로부터 응답 메시지(D_ECHO)를 수신하고, 네트워크 초기 설정 이후에 센서 노드들(200)과 데이터를 송수신하고, GPS 통신을 수행하는 등의 기능을 수행하도록 제공될 수 있다. 일 실시 예로, 싱크 노드(100)의 통신부(130)를 통해, 일정 시간 간격으로 응답 요청 메시지(D_PING)가 반복하여 방송될 수 있다. 먼저 싱크 노드(100)는 1차 응답 요청 메시지를 방송한다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드(200)의 구성도이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 센서 노드(200)는 제어부(210), 송수신부(220), 응답메시지 생성부(230), 결정부(240), 저장부(250)를 포함할 수 있다. 제어부(210)는 센서 노드(200)의 동작을 제어하기 위한 것으로, 적어도 하나의 프로세서(processor)로 제공될 수 있다. 저장부(250)는 무선 센서 네트워크의 초기 설정을 위한 프로그램, 싱크 노드(100)와 센서 노드(200)들 간에 전송되는 메시지들의 송/수신 시각, 싱크 노드(100)로부터 전달되는 이웃 노드 정보, 시각 동기화를 위한 정보(클록 스큐와 클록 오프셋 정보), 싱크 노드(100)에 의해 할당되어 전송된 통신 주파수 대역 정보, 그 밖의 정보를 저장한다.

각 센서 노드(200)는 싱크 노드(100)에 의해 방송된 응답 요청 메시지(D_PING)를 송수신부(220)를 통해 수신한다. 센서 노드(200)의 응답메시지 생성부(230)는 응답 요청 메시지(D_PING)를 수신 시 응답 메시지(D_ECHO)를 생성하고, 설정된 제1 대기 시간(τ_BACKOFF) 동안 대기한 후 응답 메시지(D_ECHO)로 싱크 노드(100)에 응답한다. 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 노드에 의해 생성된 응답 메시지의 예를 보여주는 도면이다. 도 1 내지 도 5를 참조하면, 응답 메시지(D_ECHO) 내에는 센서 노드(200)의 식별자(ID), 응답 요청 메시지(D_PING)의 수신 시각(T_2j ^1st)과, 응답 메시지(D_ECHO)의 송신 시각(T_3j ^1st)이 포함되어 있다.

싱크 노드(100)는 응답 요청 메시지(D_PING)를 방송한 이후 센서 노드(200)들로부터 응답 메시지(D_ECHO)를 수신하기 위해, 설정된 제2 대기 시간(τ_WF1) 동안 대기한다. 싱크 노드(100)는 센서 노드(200)로부터 1차 응답 요청 메시지(D_PING)에 대한 응답 메시지(D_ECHO)를 수신하면, 응답 요청 메시지(D_PING)의 송신 시각(T_1j ^1st), 응답 메시지(D_ECHO) 내에 포함되어 있는 응답 요청 메시지(D_PING)의 수신 시각(T_2j ^1st)과 응답 메시지(D_ECHO)의 송신 시각(T_3j ^1st), 그리고 응답 메시지(D_ECHO)의 수신 시각(T_4j ^1st)을 집합 단위로 묶어 저장부(150)에 기억해둔다.

즉 싱크 노드(100)는 1차 응답 요청 메시지(D_PING)를 방송하고, 이에 대한 각 센서 노드(200)의 응답 메시지(D_ECHO) 수신이 완료되는 시점에서, {T_1j ^1st, T_2j ^1st, T_3j ^1st, T_4j ^1st} (j = 1, 2, ... , N) (j는 센서 노드의 인덱스, N은 센서 노드의 수) 시각 집합 정보들을 보유하게 된다. 센서 노드(200)들의 시각 집합 정보들은 추후 이웃 노드 탐지, 시간 동기화 및 통신 주파수 대역 할당을 위한 연산 시에 활용된다. 싱크 노드(100)는 센서 노드(200)로부터 미리 설정된 개수(N_ECHO)의 응답 메시지(D_ECHO)를 수신할 때까지 위와 같은 과정을 반복해서 수행할 수 있다.

채널 특성의 차이, 메시지 충돌 등의 요인으로 인해, 싱크 노드(100)가 각 센서 노드(200)로부터 성공적으로 수신하는 응답 메시지(D_ECHO) 메시지의 수에 차이가 발생할 수 있다. 따라서 싱크 노드(100)는 미리 설정된 개수(N_ECHO)의 응답 요청 메시지를 송신한 후, 적어도 일부의 센서 노드에서 상기 미리 설정된 개수(N_ECHO)의 응답 메시지가 송신되지 않으면, 응답 메시지들 중의 일부가 싱크 노드(100)로 수신되지 않은 센서 노드에 대해 응답 메시지를 추가로 수신받기 위해, 추가적으로 응답 요청 메시지를 방송할 수 있다.

싱크 노드(100)는 센서 노드(200)들 중 제1 센서 노드로부터 미리 설정된 개수(N_ECHO)의 응답 메시지(D_ECHO)가 먼저 수신되면, 추가로 전송될 응답 요청 메시지의 필드에 상기 제1 센서 노드의 식별 정보(예컨대, 센서 노드의 ID)를 포함시킨 후, 응답 요청 메시지를 추가로 방송한다.

센서 노드(200)의 결정부(240)는 응답 요청 메시지(D_PING)의 필드에 포함된 식별 정보를 확인하여, 응답 요청 메시지에 대한 응답 여부를 결정할 수 있다. 예컨대, 센서 노드는 응답 요청 메시지(D_PING)를 참조하여 관련 필드에 자신의 식별 정보(ID)가 포함되어 있는 경우, 응답 메시지(D_ECHO)를 전송하지 않고 응답을 중단한 채로 대기한다. 반면, 응답 요청 메시지의 해당 필드에 자신의 ID가 포함되어 있지 않은 센서 노드는 계속해서 응답 메시지(D_ECHO)로 싱크 노드(100)에 응답을 수행한다. 이를 통해 싱크 노드(100) 측에서 발생하는 메시지 충돌의 확률을 절감할 수 있게 된다.

하드웨어적 또는 소프트웨어적인 문제가 발생하였거나 채널 특성이 매우 열악한 등의 이유로 싱크 노드(100)가 특정 센서 노드의 응답 메시지(D_ECHO)를 계속해서 수신하지 못하는 상황이 발생할 수 있다. 따라서 싱크 노드(100)는 미리 설정된 최대치(N_{MAX _PING})까지 응답 요청 메시지(D_PING)를 방송하게 되면, 네트워크 초기 설정의 지연을 방지하기 위해, 응답 메시지(D_ECHO)를 충분히 수신하지 못한 센서 노드가 일부 존재한다고 하더라도, 획득한 시각 정보들만을 가지고 동기화를 위한 연산을 시작한다.

싱크 노드(100)와 센서 노드(200)들 간의 응답 요청 메시지(D_PING)와 응답 메시지(D_ECHO)의 교환 과정은 GPS를 통해 기준 시각을 보유하고 있는 싱크 노드(100)가 GPS를 활용하지 못하는 수중의 센서 노드(200)들과의 시간 동기화 연산을 수행하기 위한 데이터를 획득하기 위해 수행된다. 이 과정에서 싱크 노드(100)는 자연스럽게 이웃 노드를 탐지하는 과정도 동시에 수행할 수 있다. 즉 싱크 노드(100)가 방송한 응답 요청 메시지(D_PING)에 대해 응답 메시지(D_ECHO)로 응답하는 센서 노드(200)의 식별자(ID)를 확인함으로써, 해당 센서 노드(200)가 이웃에 위치하고 있음을 자연스럽게 탐지할 수 있다.

싱크 노드(100)의 네트워크 초기 설정부(140)는 센서 노드(200)들로부터 수신된 응답 메시지들을 이용하여 네트워크 초기 설정을 수행한다. 싱크 노드(100)는 미리 설정된 최대치(N_{MAX _PING})까지 응답 요청 메시지(D_PING)의 방송을 완료하면, 응답 메시지(D_ECHO)에 포함된 센서 노드(200)의 식별자(ID), 각 센서 노드(200)에 대해서 축적된 시각 집합 정보(응답 요청 메시지의 송/수신 시각, 응답 메시지의 송/수신 시각)를 활용하여, 싱크 노드(100)의 이웃 노드 탐지, 싱크 노드(100)와 센서 노드(200)들 간의 시간 동기화, 및 통신 주파수 채널 할당을 위한 연산을 동시적(병렬적)으로 수행할 수 있다.

미리 설정된 최대치(N_{MAX _PING})까지 응답 요청 메시지(D_PING)가 반복 전송되었을 때, 이상적인 경우 싱크 노드(100)는 모든 센서 노드(200)들에 대해 N_ECHO 개씩의 시각 집합 정보를 보유한 상태가 된다. 즉 싱크 노드(100)에는 {T₁ ^1st, T_{2 ,1} ^1st, T_3,1 ^1st, T_{4 ,1} ^1st}, {T₁ ^2nd, T_{2 ,1} ^2nd, T_{3 ,1} ^2nd, T_{4 ,1} ^2nd}, {T₁ ^{NECHO - th}, T_{2 ,1} ^{NECHO - th}, T_{3 ,1} ^{NECHO - th}, T_4,1 ^NECHO-th}, {T₁ ^1st, T_{2 ,2} ^1st, T_{3 ,2} ^1st, T_{4 ,2} ^1st}, {T₁ ^2nd, T_{2 ,2} ^2nd, T_{3 ,2} ^2nd, T_{4 ,2} ^2nd}, {T₁ ^{NECHO - th}, T_2,2 ^NECHO-th, T_{3 ,2} ^{NECHO - th}, T_{4 ,2} ^{NECHO - th}}, {T₁ ^1st, T_{2 , N} ^1st, T_{3 , N} ^1st, T_{4 , N} ^1st}, {T₁ ^2nd, T_{2 , N} ^2nd, T_3,N ^2nd, T_{4 , N} ^2nd}, {T₁ ^{NECHO - th}, T_{2 , N} ^{NECHO - th}, T_{3 , N} ^{NECHO - th}, T_{4 , N} ^{NECHO - th}} 과 같이, 총 N×N_ECHO 개(N은 센서 노드의 수, N_ECHO는 미리 설정된 2 이상의 정수)의 시각 집합들이 저장된다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 싱크 노드를 구성하는 네트워크 초기 설정부(140)의 구성도이다. 도 3 및 도 6을 참조하면, 네트워크 초기 설정부(140)는 전파지연 산출부(142), 작업 분배부(144), 그리고 작업부들(146)을 포함할 수 있다. 전파지연 산출부(142)는 응답 요청 메시지(D_PING)의 송신 시각과 수신 시각, 응답 메시지(D_ECHO)의 송신 시각과 수신 시각을 이용하여, 센서 노드들 각각의 전파지연을 산출한다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 싱크 노드를 구성하는 전파지연 산출부(142)의 구성도이다. 도 3 및 도 7을 참조하면, 전파지연 산출부(142)는 제1 클록스큐 산출부(1422)와, 전파지연 산출모듈(1424)을 포함한다. 제1 클록스큐 산출부(1422)는 복수의 응답 요청 메시지(D_PING)의 송신 시각들과 복수의 응답 요청 메시지(D_PING)의 수신 시각들을 변수로 하는 제1 선형 회귀의 기울기를 산출하여 센서 노드(200)들 각각의 제1 클록 스큐를 산출한다.

구체적으로, 상기 제1 클록 스큐의 산출을 위해, 싱크 노드(100)는 각 센서 노드(200)에 대해서 보유하고 있는 시각 집합 정보 중에 처음 두 개의 값들(응답 요청 메시지의 송신 시각과 수신 시각), 즉 {T₁ ^1st, T_{2 , j} ^1st}, {T₁ ^2nd, T_{2 , j} ^2nd}, …, {T₁ ^NECHO-th, T_{2 , j} ^{NECHO - th}} 값들에 1차로 선형 회귀(Linear regression)를 적용한다. 선형 회귀 적용 시의 기울기 값으로부터, 싱크 노드(100)는 자신이 보유하고 있는 기준 시각에 대한 각 센서 노드(200)의 클록 스큐(Clock skew)를 파악할 수 있다.

전파지연 산출모듈(1424)은 응답 요청 메시지(D_PING)의 송/수신 시각, 응답 메시지(D_ECHO)의 송/수신 시각, 및 상기 제1 클록스큐 산출부(1422)에 의해 산출된 제1 클록 스큐를 이용하여, 센서 노드(200)들 각각의 전파지연을 복수의 응답 요청 메시지별로 산출할 수 있다. 예컨대, 싱크 노드(100)는 각 센서 노드(200)의 제1 클록 스큐

와, 시각 정보 {T₁ ^1st, T_{2 , j} ^1st, T_{3 , j} ^1st, T_{4 , j} ^1st}, {T₁ ^2nd, T_{2 , j} ^2nd, T_3,j ^2nd, T_{4 , j} ^2nd}, {T₁ ^{NECHO - th}, T_{2 , j} ^{NECHO - th}, T_{3 , j} ^{NECHO - th}, T_{4 , j} ^{NECHO - th}} 를 기반으로, 각 시각 집합에 대한 개별 전파지연

을 센서 노드(200) 별로 계산할 수 있다.

전파지연

은

을 통해 계산될 수 있으며, 이는 i번째 응답 요청 메시지(D_PING)의 방송 및 응답 메시지(D_ECHO)의 응답 과정에 해당하는 싱크 노드(100)와 센서 노드 j (j = 1, 2, ... , N) (N은 센서 노드의 수) 간의 전파 지연을 의미한다. 이때 채널은 대칭적(symmetric)이라고 가정한다. 즉 특정 두 지점간에 소요되는 각각의 단방향 전파 지연은 동일하다고 가정한다.

다시 도 3 및 도 6을 참조하면, 작업 분배부(144)는 싱크 노드(100)의 이웃 노드 탐지를 위한 작업, 싱크 노드(100)와 센서 노드(200)들 간의 시각 동기화를 위한 작업, 및 통신 주파수 대역 할당을 위한 작업을 포함하는 작업들이 병렬적으로 수행되도록, 상기 작업들을 서로 다른 코어 또는 스레드의 작업부들(146)로 분배한다.

일 실시 예로, 작업부들(146)은 제1 내지 제3 작업부를 포함할 수 있다. 제1 작업부는 이웃노드 탐지부(1462)이고, 제2 작업부는 동기화부(1464)이고, 제3 작업부는 주파수 할당부(1466)일 수 있다. 작업부들(146)은 멀티 코어 혹은 멀티 스레드에 의해 이웃노드 탐지, 시간 동기화, 통신 주파수 할당을 동시적으로 수행할 수 있다.

이웃노드 탐지부(1462)는 센서 노드(200)들 각각의 전파지연 및 센서 노드들 각각의 식별자를 이용하여, 싱크 노드(100)의 이웃 노드를 탐지할 수 있다. 예컨대, 전파지연 값이 작은 센서 노드의 경우, 근거리에 위치한 것으로 판단하여, 해당 센서 노드가 싱크 노드(100)의 이웃 노드인 것으로 판단할 수 있다. 싱크 노드(100)와 센서 노드(200) 간의 거리는 예컨대, 응답 요청 메시지들에 대해 산출된 산출된 전파지연 값들의 평균값에 기초하여 산출될 수 있다.

동기화부(1464)는 응답 요청 메시지(D_PING)의 송신 시각, 센서 노드(200)들 각각에 대한 응답 요청 메시지(D_PING)의 수신 시각 및 센서 노드(200)들 각각의 전파지연을 이용하여, 센서 노드(200)들의 시각을 동기화하기 위한 제2 클록 스큐 및 클록 오프셋을 산출할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 싱크 노드를 구성하는 동기화부(1464)의 구성도이다. 도 3, 도 6 및 도 8을 참조하면, 동기화부(1464)는 제2 클록스큐 산출부(1464a)와, 클록오프셋 산출부(1464b)를 포함할 수 있다. 제2 클록스큐 산출부(1464a)는 복수의 응답 요청 메시지(D_PING) 각각의 송/수신 시각, 및 복수의 응답 요청 메시지(D_PING) 각각의 수신 시각과 전파지연의 차이 값을 변수로 하는 제2 선형 회귀의 기울기를 센서 노드(200)들 별로 산출하여 센서 노드(200)들 각각에 대한 제2 클록 스큐를 산출한다. 클록오프셋 산출부(1464b)는 상기 제2 선형 회귀의 y절편을 센서 노드(200)들 별로 산출하여 센서 노드(200)들 각각에 대한 클록 오프셋(Clock offset)을 산출한다.

수중 환경에서는 지상의 경우와 달리 전파의 감쇠가 심하므로 주로 음파를 활용하게 된다. 하지만 음파 신호의 전파 속력이 전파에 비해 매우 느리므로, 송/수신기 간 전파 지연이 상당히 증가한다. 노드 간의 정확한 시간 동기화를 위해서는 이러한 긴 전파 지연을 보상해주어야 한다. 따라서 각 센서 노드(200)에 대해서 각 시각 집합에 대한 개별 전파 지연 계산이 완료되면, 싱크 노드(100)는 해당 센서 노드(200)에 대한 시각 집합 중 두 번째 값(응답 메시지의 수신 시각)을 계산된 전파 지연만큼 각각 차감한다. 결과적으로 싱크 노드(100)는 각 센서 노드(200)에 대해서 새로운 시각 집합

,

, … ,

을 보유하게 된다.

전파 지연 차감 과정은 싱크 노드(100)가 자신의 기준 시각에 대해서 모든 센서 노드(200)의 지역적 시각을 동기화하기 위해서 수중 채널 특성에 따른 긴 전파 지연 요소를 배제하기 위함이다. 싱크 노드(100)는 긴 전파 지연이 배제된 새로운 시각 집합 정보에 2차로 선형 회귀를 적용함으로써, 각 센서 노드(200)에 대한 최종 클록 스큐(제2 클록 스큐)와 클록 오프셋을 파악하게 된다.

다시 도 6을 참조하면, 주파수 할당부(1466)는 센서 노드(200)들 각각의 전파지연을 이용하여, 싱크 노드(100)와 센서 노드(200)들 간의 통신 주파수 대역을 할당한다. 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 싱크 노드를 구성하는 주파수 할당부(1466)의 구성도이다. 도 3, 도 6 및 도 9를 참조하면, 주파수 할당부(1466)는 거리산출부(1466a)와, 주파수 할당모듈(1466b)을 포함할 수 있다.

거리산출부(1466a)는 복수의 응답 요청 메시지(D_PING)별로 산출된 센서 노드(200)들 각각의 전파지연을 이용하여, 싱크 노드(100)와 센서 노드(200)들 간의 물리적 거리를 산출한다. 주파수 할당모듈(1466b)은 싱크 노드(100)와 센서 노드(200)들 간의 거리에 따라 싱크 노드(100)와 각 센서 노드(200) 간의 통신 주파수 대역을 할당한다.

통신 거리가 증가할수록 고주파 대역의 신호 감쇠가 상대적으로 심하므로, 높은 네트워크 성능을 위하여, 싱크 노드(100)는 각 센서 노드(200)에 대해서 근사화된 물리적 거리 값에 따라 주파수 대역을 알맞게 할당한다. 예컨대, 물리적 거리가 상대적으로 가까운 센서 노드에 대하여는 고주파 대역을 할당하고, 물리적 거리가 상대적으로 먼 센서 노드에 대하여는 저주파 대역을 할당한다.

다시 도 1 및 도 3을 참조하면, 싱크 노드(100)는 각 센서 노드(200)에 대한 제2 클록 스큐, 클록 오프셋 정보와, 통신 주파수 대역 할당 정보를 통지 메시지(BAND_SYNC_NOTIFY)에 포함시켜 방송하여, 통지 메시지를 센서 노드(200)들로 전송한다. 싱크 노드(100)는 통지 메시지(BAND_SYNC_NOTIFY)를 방송한 이후 센서 노드(200)들로부터 확인 메시지(BAND_SYNC_NOTIFY_ACK)를 수신하기 위해, 설정된 제3 대기 시간(τ_WF2) 동안 대기한다.

각 센서 노드(200)는 통지 메시지(BAND_SYNC_NOTIFY)를 수신하면, 메시지 내에 포함된 정보를 통해 자신의 지역적 클록 스큐(제2 클록 스큐) 및 클록 오프셋, 및 통신 주파수 대역을 파악한다. 센서 노드(200) 별로 제공된 제2 클록 스큐와 클록 오프셋을 통해, 싱크 노드(100)와 센서 노드(200)들의 시각이 동기화되고, 싱크 노드(100)와 센서 노드(200)들 간에 통신 채널이 설정될 수 있다. 센서 노드(200)는 통지 메시지를 수신한 후, 임의의 대기 시간(τ_BACKOFF)동안 대기한 후, 확인 메시지(BAND_SYNC_NOTIFY_ACK)를 싱크 노드(100)로 응답함으로써, 싱크 노드(100)에게 자신의 정보를 성공적으로 파악했음을 알린다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 싱크 노드에서 이웃 노드의 탐지, 싱크 노드와 센서 노드들의 시간 동기화, 싱크 노드와 각 센서 노드 간 주파수 대역의 할당을 통합적으로 수행하여, 네트워크 초기 설정에 소요되는 복잡도를 줄이고 네트워크 초기 설정 시간을 단축시킬 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법의 흐름도이다. 도 10을 참조하면, 무선 센서 네트워크의 초기 설정을 위해, 먼저 기준 시각을 갖는 싱크 노드가 센서 노드들로 응답 요청 메시지를 전송한다(S10). 응답 요청 메시지는 일정 시간 간격으로 반복하여 방송될 수 있다. 센서 노드들은 응답 요청 메시지에 대한 응답 여부를 결정하고(S20), 응답 요청 메시지에 대해 응답하는 것으로 결정되면 응답 메시지를 싱크 노드로 전송한다(S30). 예컨대, 센서 노드는 응답 요청 메시지의 필드에 자신의 식별 정보(ID)가 포함되어 있는 경우 싱크 노드로의 응답을 중단하고, 응답 요청 메시지의 필드에 자신의 식별 정보(ID)가 포함되어 있지 않은 경우 단계 S30으로 진행하여 응답 메시지를 싱크 노드로 전송할 수 있다. 싱크 노드에서 이웃 노드 탐지, 시각 동기화, 통신 주파수 대역 할당을 통합적으로 수행할 수 있도록, 응답 메시지에는 센서 노드의 식별자, 응답 요청 메시지의 수신 시각과, 응답 메시지의 송신 시각이 포함된다. 응답 요청 메시지의 방송은 기설정된 횟수(N_ECHO)까지 반복된다(S40). N_ECHO 번의 응답 요청 메시지가 방송되면, 이상적인 경우 센서 노드별로 N_ECHO 개의 응답 메시지가 확보되고, 센서 노드별로 N_ECHO 개의 시각 집합 정보(응답 요청 메시지의 송/수신 시각, 응답 메시지의 송/수신 시각)가 획득된다.

N_ECHO 번의 응답 요청 메시지가 방송되면, 싱크 노드는 응답 요청 메시지의 추가 전송 여부를 판단할 수 있다(S50). 응답 메시지가 충분히 확보되지 않은 센서 노드가 존재하는 것으로 판단되면, 싱크 노드는 설정된 최대치(N_{MAX _PING})까지 응답 요청 메시지를 추가적으로 방송한다. 만약 모든 센서 노드에 대해 설정된 개수 이상의 응답 메시지가 확보된 것으로 판단되면, 추가적인 응답 요청 메시지의 방송을 생략할 수도 있다.

추가로 방송될 응답 요청 메시지의 필드에는 충분한 개수의 응답 메시지가 확보된 센서 노드의 식별 정보(예컨대 센서 노드의 ID)가 추가된다(S60). 이후 응답 요청 메시지의 추가 방송 후 응답 요청 메시지가 센서 노드로 전송되면, 응답 요청 메시지의 필드에 자신의 ID가 포함되어 있는 센서 노드의 경우, 단계 S20을 통해 싱크 노드로의 응답을 중단하여 메시지의 충돌 확률을 줄이게 된다.

만약, 응답 요청 메시지의 추가 전송 과정에서, 모든 센서 노드에 대해 충분한 개수의 응답 메시지들이 확보되면, 응답 요청 메시지를 최대치(N_{MAX _PING})까지 반복 전송하지 않고, 중단할 수 있다. 모든 센서 노드에 대해 설정된 개수의 응답 메시지들이 확보되거나, 최대치(N_{MAX _PING})까지 응답 요청 메시지의 방송이 완료되면, 싱크 노드는 센서 노드들로부터 수신된 응답 메시지들을 이용하여 네트워크 초기 설정을 수행한다(S70).

도 11은 도 10에 도시된 단계 S70의 흐름도이다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 네트워크 초기 설정(S70)을 위해, 먼저 센서 노드들 각각의 전파지연을 산출한다(S72). 싱크 노드는 이웃 노드의 탐지(S74), 싱크 노드와 센서 노드들의 시각 동기화(S76), 싱크 노드와 각 센서 노드 간의 통신 주파수 대역 할당(S78)을 동시적으로 수행한다. 각 센서 노드에 대해 응답 요청 메시지별로 전파지연을 산출하는 과정, 싱크 노드의 이웃 노드를 탐지하고, 싱크 노드와 센서 노드들의 시각을 동기화하고, 싱크 노드와 각 센서 노드 간의 통신 주파수 대역을 할당하는 과정은 앞서 설명한 바 있으므로, 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 한다.

싱크 노드는 각 센서 노드의 제2 클록 스큐, 클록 오프셋 정보와, 통신 주파수 대역 할당 정보를 통지 메시지에 포함시켜 방송하여, 통지 메시지를 센서 노드들로 전송한다(S80). 이후 각 센서 노드는 통지 메시지를 수신하면, 메시지 내에 포함된 정보를 통해 자신의 지역적 클록 스큐(제2 클록 스큐) 및 클록 오프셋, 및 통신 주파수 대역을 파악한다. 센서 노드 별로 제공된 제2 클록 스큐와 클록 오프셋을 통해, 싱크 노드와 센서 노드들의 시각이 동기화되고, 싱크 노드와 센서 노드들 간에 통신 주파수 채널이 설정될 수 있다. 센서 노드는 싱크 노드로부터 통지 메시지를 수신한 후, 확인 메시지를 싱크 노드로 응답함으로써, 싱크 노드에게 자신의 정보를 성공적으로 파악했음을 알리게 된다.

본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법의 적어도 일부(예컨대 도 10의 단계 S40 내지 S70)는 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 SRAM(Static RAM), DRAM(Dynamic RAM), SDRAM(Synchronous DRAM) 등과 같은 휘발성 메모리, ROM(Read Only Memory), PROM(Programmable ROM), EPROM(Electrically Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM), 플래시 메모리 장치, PRAM(Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM), RRAM(Resistive RAM), FRAM(Ferroelectric RAM)과 같은 불휘발성 메모리, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 광학적 판독 매체 예를 들어 시디롬, 디브이디 등과 같은 형태의 저장매체일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

10: 무선 센서 네트워크 20: 수중 영역
22: 수면 100: 싱크 노드
110: 제어부 120: 응답요청메시지 생성부
130: 통신부 140: 네트워크 초기 설정부
142: 전파지연 산출부 1422: 제1 클록스큐 산출부
1424: 전파지연 산출모듈 144: 작업 분배부
146: 작업부들 1462: 이웃노드 탐지부
1464: 동기화부 1464a: 제2 클록스큐 산출부
1464b: 클록오프셋 산출부 1466: 주파수 할당부
1466a: 거리산출부 1466b: 주파수 할당모듈
150: 저장부 200: 센서 노드
210: 제어부 220: 송수신부
230: 응답메시지 생성부 240: 결정부
250: 저장부

Claims (20)

1. 기준 시각을 갖는 싱크 노드가, 분산 배치된 센서 노드들로 응답 요청 메시지를 전송하는 것;
   상기 센서 노드들이 각각 상기 응답 요청 메시지에 대한 응답 메시지를 상기 싱크 노드로 전송하는 것; 그리고
   상기 싱크 노드가 상기 센서 노드들로부터 수신된 응답 메시지들을 이용하여 네트워크 초기 설정을 수행하는 것을 포함하고,
   상기 응답 메시지는 센서 노드의 식별자, 상기 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 상기 응답 메시지의 송신 시각을 포함하며,
   상기 네트워크 초기 설정을 수행하는 것은, 상기 응답 메시지에 포함된 정보를 이용하여, 상기 싱크 노드의 이웃 노드를 탐지하는 것, 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들의 시간을 동기화하는 것 및 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역을 할당하는 것을 동시적으로 수행하는 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 응답 요청 메시지가 상기 센서 노드로 전송되면, 상기 센서 노드가, 상기 센서 노드의 식별자, 상기 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 상기 응답 메시지의 송신 시각을 포함하는 상기 응답 메시지를 생성하는 것을 더 포함하는 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 네트워크 초기 설정을 수행하는 것은,
   상기 응답 요청 메시지의 송신 시각과 수신 시각, 및 상기 응답 메시지의 송신 시각과 수신 시각을 이용하여, 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 산출하는 것;
   상기 센서 노드들 각각의 전파지연 및 상기 센서 노드들 각각의 식별자를 이용하여, 상기 싱크 노드의 이웃 노드를 탐지하는 것;
   상기 응답 요청 메시지의 송신 시각, 상기 센서 노드들 각각에 대한 상기 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 이용하여, 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들의 시각을 동기화하는 것; 그리고
   상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 이용하여, 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역을 할당하는 것을 포함하는 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 응답 요청 메시지를 전송하는 것은 기설정된 횟수만큼 반복되고,
   상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 산출하는 것은,
   복수의 응답 요청 메시지의 송신 시각들과, 상기 복수의 응답 요청 메시지의 수신 시각들을 변수들로 하는 제1 선형 회귀의 기울기를 산출하여 상기 센서 노드들 각각의 제1 클록 스큐를 산출하는 것; 그리고
   상기 응답 요청 메시지의 송신 시각과 수신 시각, 상기 응답 메시지의 송신 시각과 수신 시각, 및 상기 제1 클록 스큐를 이용하여, 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 상기 복수의 응답 요청 메시지별로 산출하는 것을 포함하는 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들의 시각을 동기화하는 것은,
   상기 복수의 응답 요청 메시지 각각의 송신 시각, 및 상기 복수의 응답 요청 메시지 각각의 수신 시각과 전파지연의 차이 값을 변수들로 하는 제2 선형 회귀의 기울기를 상기 센서 노드들 별로 산출하여 상기 센서 노드들 각각에 대한 제2 클록 스큐를 산출하고, 상기 제2 선형 회귀의 y절편을 상기 센서 노드들 별로 산출하여 상기 센서 노드들 각각에 대한 클록 오프셋을 산출하는 것을 포함하는 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 통신 주파수 대역을 할당하는 것은,
   상기 복수의 응답 요청 메시지별로 산출된 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 이용하여, 상기 싱크 노드와 각 센서 노드 간의 거리를 산출하는 것; 그리고
   상기 싱크 노드와 상기 각 센서 노드 간의 거리에 따라 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역을 할당하는 것을 포함하는 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 싱크 노드가 상기 센서 노드들 각각의 제2 클록 스큐와 클록 오프셋, 및 상기 센서 노드들 각각에 할당된 통신 주파수 대역을 포함하는 통지 메시지를 상기 센서 노드들로 전송하는 것을 더 포함하는 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법.
8. 제4 항에 있어서,
   상기 응답 요청 메시지는 센서 노드의 응답 여부를 결정하기 위한 필드를 포함하고,
   상기 센서 노드들로 송신된 상기 복수의 응답 요청 메시지에 따라, 설정된 개수 이상의 응답 메시지를 송신한 제1 센서 노드가 존재하는 경우, 상기 싱크 노드는 상기 필드에 상기 제1 센서 노드를 나타내는 식별 정보가 포함되도록 상기 응답 요청 메시지를 생성하여 상기 센서 노드들로 전송하는 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 응답 요청 메시지를 수신한 상기 센서 노드들은 각각 상기 필드에 포함된 식별 정보를 확인하고, 상기 식별 정보에 대응하는 센서 노드는 응답 메시지의 전송을 중단하는 무선 센서 네트워크의 초기 설정 방법.
10. 분산 배치된 센서 노드들; 그리고
    기준 시각을 가지며, 상기 센서 노드들로부터 데이터를 수집하기 위한 싱크 노드를 포함하며,
    상기 싱크 노드는 상기 센서 노드들로 전송할 응답 요청 메시지를 생성하고,
    상기 센서 노드들은 각각 상기 싱크 노드로부터 전송된 상기 응답 요청 메시지에 대한 응답 메시지를 생성하고,
    상기 싱크 노드는 상기 센서 노드들로부터 수신된 응답 메시지들을 이용하여 네트워크 초기 설정을 수행하며,
    상기 센서 노드들은 각각 센서 노드의 식별자, 상기 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 상기 응답 메시지의 송신 시각이 포함되도록 상기 응답 메시지를 생성하고,
    상기 싱크 노드는 상기 응답 메시지에 포함된 정보를 이용하여, 상기 싱크 노드의 이웃 노드 탐지, 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들의 시간 동기화 및 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역 할당을 동시적으로 수행하는 무선 센서 네트워크.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 싱크 노드는,
    상기 응답 요청 메시지의 송신 시각과 수신 시각, 상기 응답 메시지의 송신 시각과 수신 시각을 이용하여, 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 산출하는 전파지연 산출부; 그리고
    상기 이웃 노드 탐지를 위한 작업, 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 시각 동기화를 위한 작업 및 상기 통신 주파수 대역 할당을 위한 작업을 포함하는 작업들이 병렬적으로 수행되도록 상기 작업들을 서로 다른 코어 또는 스레드의 작업부들로 분배하는 작업 분배부를 포함하는 무선 센서 네트워크.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 작업부들은,
    상기 센서 노드들 각각의 전파지연 및 상기 센서 노드들 각각의 식별자를 이용하여, 상기 싱크 노드의 이웃 노드를 탐지하는 이웃노드 탐지부;
    상기 응답 요청 메시지의 송신 시각, 상기 센서 노드들 각각에 대한 상기 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 이용하여, 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들의 시각을 동기화하는 동기화부; 그리고
    상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 이용하여, 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역을 할당하는 주파수 할당부를 포함하는 무선 센서 네트워크.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 싱크 노드는 시간 간격을 두고 기설정된 횟수만큼 반복하여 상기 응답 요청 메시지를 상기 센서 노드들로 전송하고,
    상기 전파지연 산출부는,
    복수의 응답 요청 메시지의 송신 시각들과 상기 복수의 응답 요청 메시지의 수신 시각들을 변수들로 하는 제1 선형 회귀의 기울기를 산출하여 상기 센서 노드들 각각의 제1 클록 스큐를 산출하는 제1 클록스큐 산출부; 그리고
    상기 응답 요청 메시지의 송신 시각과 수신 시각, 상기 응답 메시지의 송신 시각과 수신 시각, 및 상기 제1 클록 스큐를 이용하여, 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 상기 복수의 응답 요청 메시지별로 산출하는 전파지연 산출모듈을 포함하는 무선 센서 네트워크.
14. 제13 항에 있어서,
    상기 동기화부는,
    상기 복수의 응답 요청 메시지 각각의 송신 시각, 및 상기 복수의 응답 요청 메시지 각각의 수신 시각과 전파지연의 차이 값을 변수들로 하는 제2 선형 회귀의 기울기를 상기 센서 노드들 별로 산출하여 상기 센서 노드들 각각에 대한 제2 클록 스큐를 산출하는 제2 클록스큐 산출부; 그리고
    상기 제2 선형 회귀의 y절편을 상기 센서 노드들 별로 산출하여 상기 센서 노드들 각각에 대한 클록 오프셋을 산출하는 클록오프셋 산출부를 포함하는 무선 센서 네트워크.
15. 제14 항에 있어서,
    상기 주파수 할당부는,
    상기 복수의 응답 요청 메시지별로 산출된 상기 센서 노드들 각각의 전파지연을 이용하여, 상기 싱크 노드와 각 센서 노드 간의 거리를 산출하는 거리산출부; 그리고
    상기 싱크 노드와 상기 각 센서 노드 간의 거리에 따라 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역을 할당하는 주파수 할당모듈을 포함하는 무선 센서 네트워크.
16. 제15 항에 있어서,
    상기 싱크 노드는, 상기 센서 노드들 각각의 상기 제2 클록 스큐와, 상기 클록 오프셋, 및 상기 센서 노드들 각각에 할당된 상기 통신 주파수 대역을 포함하는 통지 메시지를 상기 센서 노드들로 전송하는 무선 센서 네트워크.
17. 제13 항에 있어서,
    상기 싱크 노드는, 센서 노드의 응답 여부를 결정하기 위한 필드가 포함되도록 상기 응답 요청 메시지를 생성하고, 상기 센서 노드들로 송신된 상기 복수의 응답 요청 메시지에 따라, 설정된 개수 이상의 응답 메시지를 송신한 제1 센서 노드가 존재하는 경우, 상기 필드에 상기 제1 센서 노드를 나타내는 식별 정보가 포함되도록 상기 응답 요청 메시지를 생성하는 무선 센서 네트워크.
18. 제17 항에 있어서,
    상기 센서 노드들은 각각 상기 필드에 포함된 식별 정보를 확인하고, 상기 식별 정보에 대응하는 센서 노드는 응답 메시지의 전송을 중단하는 무선 센서 네트워크.
19. 분산 배치된 센서 노드들로부터 데이터를 수집하기 위한 무선 센서 네트워크의 싱크 노드에 있어서,
    상기 센서 노드들로 전송하기 위한 응답 요청 메시지를 생성하는 응답요청메시지 생성부;
    상기 센서 노드들로 상기 응답 요청 메시지를 전송하고, 상기 응답 요청 메시지에 응답하여 상기 센서 노드들로부터 전송된 응답 메시지를 수신하기 위한 통신부; 그리고
    상기 센서 노드들로부터 수신된 응답 메시지들을 이용하여 네트워크 초기 설정을 수행하는 네트워크 초기 설정부를 포함하고,
    상기 네트워크 초기 설정부는, 상기 응답 메시지에 포함된 센서 노드의 식별자, 상기 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 상기 응답 메시지의 송신 시각을 이용하여, 상기 싱크 노드의 이웃 노드 탐지, 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들의 시간 동기화 및 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드들 간의 통신 주파수 대역 할당을 동시적으로 수행하는 무선 센서 네트워크의 싱크 노드.
20. 무선 센서 네트워크의 싱크 노드로 데이터를 전송하기 위한 무선 센서 네트워크의 센서 노드에 있어서,
    상기 싱크 노드로부터 응답 요청 메시지를 수신하고, 상기 응답 요청 메시지에 응답하여 상기 싱크 노드로 응답 메시지를 송신하기 위한 송수신부;
    상기 싱크 노드에 의해 이웃 노드 탐지, 상기 싱크 노드와 상기 센서 노드의 시각 동기화 및 통신 주파수 채널 할당이 동시적으로 수행될 수 있도록, 상기 센서 노드의 식별자, 상기 응답 요청 메시지의 수신 시각 및 상기 응답 메시지의 송신 시각을 포함하는 응답 메시지를 생성하는 응답메시지 생성부; 그리고
    상기 응답 요청 메시지의 필드에 포함된 센서 노드의 식별 정보를 확인하고, 상기 식별 정보에 따라, 상기 응답 메시지의 생성 여부를 결정하는 결정부를 포함하는 무선 센서 네트워크의 센서 노드.

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