KR101802608B1 - 무선 센서 네트워크에서 신뢰성 있는 명령어 전송을 위한 슬랏 스케쥴링 및 브로드케스트 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크에서 신뢰성 있는 명령어 전송을 위한 슬랏 스케쥴링 및 브로드케스트 방법 Download PDF

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Abstract

발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법은 노드(i)가 수신 슬롯 상태가 되면 로스트플래그(lostflag)를 설정하고 메시지를 대기하는 단계; 상기 노드가 메시지를 수신하면, 로스트플래그를 지우고(clear) 슬립모드로 변경하는 단계; 및 상기 노드가 송신 슬롯 상태가 되면 메시지를 수신한 경우 메시지를 재방송하고, 메시지를 수신하지 않은 경우 슬립모드로 변경하는 단계를 포함한다.

Description

무선 센서 네트워크에서 신뢰성 있는 명령어 전송을 위한 슬랏 스케쥴링 및 브로드케스트 방법{A SLOT SCHEDULING AND BROADCASTING METHOD FOR A RELIABLE COMMAND TRANSMISSION IN WIRELESS SENSOR NETWORKS}
본 발명은 무선 센서 네트워크에서 신뢰성 있는 명령어 전송을 위한 슬랏 스케쥴링 및 브로드케스트 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 신뢰성 있게 명령어 전송을 요구하는 산업용 무선 센서 네트워크에서, 각 트리 깊이의 노드들에게 트리 깊이 별로 공유 슬롯을 할당하고, 각 노드들은 자신의 트리 깊이에 할당된 공유슬롯 내에서 동일한 트리 깊이에 위치하고 있는 다른 노드들과 경쟁적으로 메시지를 브로드케스트하는 방식을 사용하고, 메시지의 브로드케스트는 트리의 하위 깊이에서 상위 깊이로 순차적으로 브로드케스트가 이루어 질 수 있도록 하는 무선 센서 네트워크에서 신뢰성 있는 명령어 전송을 위한 슬랏 스케쥴링 및 브로드케스트 방법에 관한 것이다.
데이터를 센싱하는 많은 노드들 및 노드들로부터 데이터를 수집하는 싱크노드들로 구성되는 무선 센서 네트워크는 시간에 민감한 산업용 모니터링 분야 혹은 제어 분야에서 응용되어 확대되고 있다. 무선 센서 네트워크가 위험한 작업 환경의 안전 감시에 사용되는 경우 신뢰성 있는 실시간 전송이 요구된다. 실시간 전송은 데이터를 설정된 시간 내에 싱크노드에 전달하는 것이고, 신뢰성 전송은 데이터의 전송을 분실 없이 싱크노드에 전달하는 것이다.
대상 환경을 모니터링 및 제어하기 위한 무선 센서 네트워크(WSN: wireless sensor network)에서, 싱크노드는 주기적으로 센서노드들의 센싱데이터를 수집 및 분석하고, 센서노드들의 동작을 제어하기 위해 특정 센서노드, 센서노드 그룹, 혹은 모든 센서노드들에게 명령어를 전송할 필요가 있다.
이러한 목적을 위하여 싱크 혹은 서버는 명령어를 전 노드에 신로성 있게 실시간으로 명령어를 보낼 수 있는 방송프로토콜 (Broadcast Protocol)이 요구된다. 방송프로토콜을 응용하면 쉽게 특정 노드 혹은 노드 그룹에 효율적으로 명령어를 전송할 수 있다. 하지만, 산업현장의 경우에 통신장애물, 노드의 이동, 신호 페이딩(signal fading), 그림자 효과(shading effect) 등이 심하기 때문에 신뢰성 전송이 용이하지 않다. 또한 다른 명령어의 전송과의 메시지 충돌(message collision)로 인하여 신뢰성 통신이 저해되기 때문에 이러한 문제를 고려한 방송프로토콜의 설계가 요구된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법은 슬롯 공유의 개념을 사용하는 방송 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법은 노드(i)가 수신 슬롯 상태가 되면 로스트플래그(lostflag)를 설정하고 메시지를 대기하는 단계; 상기 노드가 메시지를 수신하면, 로스트플래그를 지우고(clear) 슬립모드로 변경하는 단계; 및 상기 노드가 송신 슬롯 상태가 되면 메시지를 수신한 경우 메시지를 재방송하고, 메시지를 수신하지 않은 경우 슬립모드로 변경하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법은 노드가 다른 레벨로 이동하는 경우 자신의 공유 슬롯을 변경하기만 하면 됨으로 토폴로지의 변경에 빠르게 응답할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법은 자손노드가 같은 레벨에서 존재하는 다른 노드와 연결되어 있는 한, 메시지를 여전히 수신할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법은 모든 노드가 같은 레벨에 있는 이웃 노드들 하고만 경쟁하기 때문에 충돌 가능성을 현저히 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법은 복수의 노드가 적절히 거리를 두고 배치되는 경우 다중 노드(multiple nodes)의 병렬 전송(parallel transmission)이 가능하다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법은 각 노드가 자신보다 한 단계 낮은 레벨에 있는 다중 노드와 연결되는 가능성이 크기 때문에 동일한 메시지의 복수 수신 가능성으로 인하여 메시지 수신의 신뢰성이 상대적으로 개선되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법은 노드가 메시지를 수신하면 즉시 슬립모드로 들어가고 송신 슬롯의 시작점에서 깨어나도록 할 수 있기 때문에 에너지 관리 측면에서 효율적이다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 프로토콜 구조 및 슬롯 스케쥴링을 나타내는 도면이다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 구성도를 도시한 예시도이다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 다중 접속 방송 프로토콜(multiple access broadcasting protocol)을 나타내는 도면이다.
도 4는 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 노드가 배치되는 정사각형의 한변의 길이의 변화에 따른 레벨의 분포를 나타내는 도면이다.
도 5는 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 다른 네트워크 전개영역(network dimensions)에 따른 노드 차수(node degree)의 분포를 나타내는 도면이다.
도 6은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 nNbrs의 변화에 따른 W1 및 s슬롯의 값을 나타내는 그래프이다.
도 7은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 s슬롯에 따른 PDR 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 Ricean 파라미터의 값에 따른 PDR 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 Ricean 파라미터의 값에 따른 PPL 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 Ricean 파라미터의 값에 따른 에너지 소비를 나타내는 그래프이다.
도 11은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 모바일 노드의 수에 따른 PDR 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 모바일 노드의 수에 따른 PPL 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 13은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 모바일 노드의 수에 따른 에너지 소비를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변형 및 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 프로토콜 구조 및 슬롯 스케쥴링을 나타내는 도면이고, 도 2는 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 구성도를 도시한 예시도이다.
싱크노드(1) 및 싱크노드(1)로부터 트리 형태로 형성되는 복수 개의 센서노드(2-7)들을 포함한다. 싱크노드(S)의 트리깊이 값은 1이며, 싱크노드(S)의 자식노드(하위노드)(2, 4)들은 트리깊이 값이 2이며, 말단노드(리프노드)들(6, 7)은 트리깊이 값 4를 갖게 된다. 이와 같이 트리깊이 값이 낮아질수록 싱크노드(1) 측에 위치하는 노드를 나타내게 되며 트리깊이 값이 커질수록 말단노드 측에 위치하는 노드를 나타내게 된다.
트리깊이 값이 3인 센서노드(5) 및 트리깊이 값이 4인 센서노드(6) 사이의 링크가 절단 등의 이유로 훼손된 경우, 종래의 무선 센서 네트워크는 트리구조가 복구되고 슬롯 재스케줄링이 이루어질 때까지 센서노드(5) 및 센서노드(6)에 할당된 슬롯들이 사용되지 못하는 상태로 낭비될 것이다.
그러나, 본 발명이 적용되는 무선 센서 네트워크에서는 센서노드(6)가 센서노드(3)를 새로운 부모노드로 변경하여 데이터 송신을 수행할 수 있다.
트리 구조는 네트워크 동작의 시작지점에서 싱크를 방송하는 트리 구조 요청(tree construction request:TCR) 메시지에 의해 시작된다. 상기 메시지를 수신하는 노드는 연결 요청(join request:J-REQ) 메시지에 응답함으로써 싱크에 참가하려고 한다. 연결 요청 메시지를 수신하는 즉시, 싱크 노드는 노드를 그것의 자식노드로 취하고 접수통지(acknowledgement:ACK) 메시지로 응답한다.
다음으로 노드는 그것이 접수통지 메시지를 수신하면 싱크의 자식으로서 트리 노드가 된다. 유사하게, 근처의 다른 부모노드는 연결요청 메시지를 엿들을 수 있고(overhear), 따라서 이전에 연결 요청 메시지를 발행한 트리노드에 참가할 수 있다. 이러한 참가 과정은 연결 요청 메시지를 수신하는 부모노드가 없을 때까지 계속된다.
단순한 트리 구성 공정은 두 가지의 문제점에 봉착한다. 첫번째는 복수의 노드가 연결 요청 메시지를 거의 동시에 발행하려고 하는 것이고, 이에 따하 메시지 붕괴의 가능성이 증가한다. 두번째는 부모노드가 연결 요청 메시지를 수신하는 즉시 멤버에 참가하는 경우 더 짧은 홉(hop)거리를 갖는 다른 노드로부터 연결 요청 메시지를 수신하면 그것의 부모 노드를 변경할 수 있다는 점이다. 이에 본 발명의 실시예에서는 참여 지연(join delay:jdelay)을 갖기 위해 DSR 프로토콜에서 개발된 무작위 지연 함수(random delay function)의 개념을 하기의 수학식과 같이 채용한다.
jdelay = D × (dr-max(ds,1)+r).......수학식(1)
dr 및 ds는 각각 연결 요청 메시지의 엿듣는 노드 및 송신 노드의 트리깊이(루트는 트리깊이 0)이고, r은 0과 1 사이의 임의의 수이며, D는 홉(hop) 당 도입되는(introdeced) 작은 고정 지연(constant delay)이다.
상기 함수에 의하면, jdelay는 0 내지 2D 사이의 값을 갖고 트리깊이 1에서의 노드는 D×r만큼 대기하며, 다른 노드는 D×(dr-ds+r)만큼 대기한다. 이는 더 낮은 트리깊이의 노드가 더 일찍 트리에 참가하는 것을 가능하게 한다. 노드가 연결 요청 메시지를 발행하면, 그것의 연결 요청 메시지 내에 현재의 타임스탬프(timestamp)를 포함한다. 참여지연의 만기 후에 노드가 복수의 연결 요청 메시지를 엿듣게 되면, 기본 부모(primary parent)로서 싱크까지 가장 짧은 거리를 제공하는 노드를 항상 선택한다. 타임스탬프 순으로 이 관계(ties)가 붕괴되고, 같은 거리를 갖는 트리 노드의 나머지는 부모 지원 노드가 된다.
도 1에서의 프로토콜 구조는 초기 경쟁 주기(initial contention period:ICP), 방송 주기(broadcast period:BP)를 포함하는 반복되는 사이클 및 유지 기간(maintenance period:MP)으로 구성된다. 초기 경쟁 주기 동안 트리가 구성되고, 시간 동기화가 실행된다. 방송 주기 동안 하나의 레벨에서 모든 노드가 그 레벨에 할당된 공유 슬롯 내에서 메시지 재방송을 실행한다. 여기서 자식 노드를 갖니 않는 노드는 메시지를 재방송하지 않는다. 유지 기간동안, 필요한 경우 조건부로 트리 유지가 실행된다. 동일한 레벨은 트리깊이가 같은 것을 의미한다.
도 1에 도시된 바와 같이 공유 슬롯은 동일한 사이즈이다. 모든 노드는 하나의 송신 슬롯 및 수신 슬롯에 할당되고, 노드의 수신 슬롯은 상기 노드는 일 레벨에 있는 그들의 부모 노드가 한 단계 낮은 레벨에서 메시지를 방송하는 동안 노드가 메시지를 수신하여야 하기 때문에 그것의 부모 노드의 송신 슬롯과 완전히 오버랩된다. 따라서, 노드 i의 수신 시작 시간(RxTime(i)) 및 송신 시작 시간(TxTime(i))은 하기의 수학식으로 주어질 수 있다.
RxTime(i)=sTime+(li-2)×sSlot, li＞1....수학식(2)
TxTime(i)=sTime+(li-1)×sSlot, 노드 i가 리프(leaf)가 아닌 경우....수학식(3)
여기서, sTime은 전역시각(global time)의 관점에서 사이클의 시작 시간이고, li는 노드 i의 레벨을 나타내며 sSlot은 공유가능한 슬롯의 길이를 나타낸다.
멀티캐스팅(multicasting)은 방송 방법을 활용함으로써 수행될 수 있다. 메시지를 수신하여야 하는 모든 노드의 그룹이 있다는 가정하에, 메시지의 불필요한 송신 및 전력 소비를 감소시키기 위해 선택적인 방송 접근이 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 접근법은 네트워크의 동적 변화에 적절하게 동작하지 않을 수 있다.노드가 그것의 부모 노드를 변경하였으나 이 변화를 그것의 앤시스터(ancestors)에 아직 업데이트 하지 않았다고 가정하자. 그러면 노드 및 이의 모든 자손(descendants) 노드는 메시지를 놓치게 될 것이다. 도 2에서 R은 {6,7}이고 노드 6과 그의 부모 노드 5의 연결(link)이 끊어진 경우, 노드 3에서 노드 6이 그것의 자식노드임을 아직 모르는 상황에서는 메시지를 재방송하지 않을 것이고 따라서 노드 6이 메시지를 수신하지 못하게 될 것이다. 이를 해결하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법을 도 3을 참조하여 설명한다.
노드 6은 노드 3 및 노드 5와 같이 동일 레벨의 센서 노드 중 둘 이상의 부모 노드를 갖는다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 다중 접속 방송 프로토콜(multiple access broadcasting protocol)을 나타내는 도면이다.
처음으로, 노드가 수신 슬롯이 되면 로스트플래그(lostflag)를 설정하고 메시지를 대기한다(S100). 노드가 메시지를 수신하면, 로스트플래그를 지우고(clear), 즉시 슬립모드가 된다(S200). 노드가 송신 슬롯이 되면 메시지를 수신한 경우 메시지를 재방송하고 그렇지 않은 경우에는 즉시 슬립모드가 된다(S300).
노드가 유지 기간이 되고 로스트플래그가 설정되면, 새로운 부모노드를 발견하기 위해 노드(노드 6)는 부모 요청(parent request:PREQ) 메시지를 방송하고, 새로운 부모노드(노드 3)가 부모 요청 메시지를 수신하면 지연(d) 후에 부모 응답(parent reply:PREP) 메시지에 응답한다(S400). 노드가 부모 응답 메시지를 수신하는 즉시, 이를 나타내기 위해 그것의 부모 노드 및 레벨을 변경하고 부모 인정(parent acknowledgement) 메시지에 응답한다(S500). 부모 인정 메시지를 엿들은 다른 노드는 지연을 지우고(clear), 부모 응답 메시지를 송신하는 것을 포기한다(S600).
S400의 단계에서 부모 요청 메시지를 수신한 모든 노드가 동시에 부모 응답 메시지에 응답하면 부모 요청 메시지의 송신자(sender)는 메시지 충돌로 인해 부모 응답을 수신하는데 실패할 것이다. 또한, 부모 요청 송신자는 새로운 부모 노드로 서버에 더 가까운 노드를 갖고 불필요한 응답을 회피하는 것이 바람직하다. 따라서, 각 노드 i는 하기와 같이 부모 응답에 답하기 이전에 약간의 지연(d)을 갖는다.
d(i)=D×(li-1+r).........수학식(4)
li는 노드 i의 레벨을 나타내고, r은 0과 1 사이의 임의의 수를 나타내며, D는 홉 당 도입되어야 하는 작은 지연 상수 값을 나타낸다. 이러한 지연에 따라. 노드의 레벨이 더 낮아질수록 노드의 응답 지연이 더 짧아진다. 따라서, 부모 요청 메시지 송신자는 더 낮은 레벨에서 트리 멤버에 참여할 가능성이 있다.
S500의 단계에서, 노드가 부모 응답 메시지를 수신하는 즉시 그것의 부모와 레벨을 변경하고 새로운 부모 노드로 부모 승인 메시지를 송신한다. 그러면 이전에 부모 요청 메시지를 수신하고 부모의 응답을 엿들은 다른 노드들은 불필요한 트래픽을 절약하기 위해 더 이상의 부모 응답 메시지 송신을 하지 않을 수 있다.
상기의 접근은 노드의 이동에 더 쉽게 응답할 수 있다. 노드는 같은 레벨에서 다른 위치로 이동할 수 있고 다른 레벨의 어떤 위치로 이동할 수도 있다. 전자의 경우에서, 이동한 노드는 한 단계 낮은 레벨에서 다른 노드로부터 방송 메시지를 여전히 수신할 가능성이 있다. 후자의 경우에서 노드는 그것의 수신 슬롯이 종료될 때까지 방송 메시지를 수신하지 않을 수 있다. 노드가 메시지를 수신하지 않으면 노드는 로스트플래그를 설정하고 따라서 유지 기간 동안 트리의 고장난 구조를 수리할 수 있다.
도 4는 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 노드가 배치되는 정사각형의 한변의 길이의 변화에 따른 레벨의 분포를 나타내는 도면이고, 도 5는 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 다른 네트워크 디멘젼(network dimensions)에 따른 노드 차수(node degree)의 분포를 나타내는 도면이다.
노드는 3개의 트리 레벨에 걸쳐서 그것의 이웃노드를 갖는다. 그러나, 노드는 오직 같은 레벨의 이웃하고만 경쟁하기 때문에 거의 nNbrs/3의 경쟁 이웃 노드를 갖는다. nNbrs는 이웃 노드의 평균 수를 나타낸다. 이는 최악의 경우, 송신을 시작하기 전에 노드가 nNbrs/3 노드를 기다려야 함을 의미한다. 따라서, sSlot의 하계(lower bound)는 다음과 같다.
sSlot≥≥Ttx*(nNbrs/3+1)........수학식(5)
Ttx는 다른 송신 사이에서의 충돌을 피하기 위해 공정 지연, 송신 지연, 전달 지연, 시차 지연(staggering delay) 또는 작은 임의의 지연과 같은 모든 지연 요소의 최악의 경우 값을 고려하여 제어 패킷을 발송하는데 필요한 시간 길이를 나타낸다.
정해진 트리 깊이 H에서, 모든 레벨에서 메시지 송신을 마치기 위해 모든 노드에 필요한 시간은 (H-1)*sSlot과 같다. W1이 방송의 완성에 대한 시간 제약(time constraint)이라고 하면 하기의 수학식을 얻는다.
W1≥≥(H-1)*sSolt.........수학식(6)
상기의 수학식(5) 및 (6)을 정리하면,
W1≥≥(H-1)*Ttx*(nNbrs/3+1).......수학식(7)
따라서, H, Ttx 및 nNbrs를 추정할 수 있으면 W1의 하한계(lower bound)를 얻을 수 있다. 처음으로, 싱크 및 모든 센서 노드가 a×a 정사각형 영역에서 등분포(uniformly distributed)한다고 가정하면, 트리 토폴로지에서 노드의 레벨 분포는 두 개의 등분포 노드 사이의 거리 L의 누적 분포 함수(cumulative distribution function)를 사용하여 얻어질 수 있다.
Figure 112015112694812-pat00001
.................수학식(8)
상기의 수학식에서 lx 및 ly는 각각 x축 및 y축의 거리를 나타낸다. 노드의 레벨분포는 도 4에 도시된 바와 같이 노드의 송신 범위가 28m일때 a의 변화에 따라 얻어질 수 있다. a가 증가함에 따라 최대 레벨이 증가함을 확인할 수 있다. a가 100일때, 레벨 6의 확률은 대략 0.05%이다. 따라서 최대 레벨이 6임을 합리적으로 추론할 수 있다.
다음으로, 특정한 a×a 네트워크 차원(network dimension), 송신 범위 R, 노드의 수가 n이면, 하기의 확률 질량 함수(probability mass function)를 사용하여 네트워크에서 노드의 이웃노드 수인, nNbrs의 분포를 계산할 수 있다.
Figure 112015112694812-pat00002
.................수학식(9)
도 5는 R이 28m이고 노드의 수가 75인 네트워크 차원의 변화에 따른 노드 정도(node degree)의 분포를 나타낸다. 노드의 정도는 노드가 가질 수 있는 이웃 노드의 평균 수에 대응하므로, a가 100m에서 nNbrs는 13을 얻을 수 있다.
도 6은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 nNbrs의 변화에 따른 W1 및 s슬롯의 값을 나타내는 그래프이다. 100×100m2의 차원에서 최대 트리 레벨은 6으로 추정된다. 수학식(7)에 H를 6으로 적용하면, 도 6에 도시된 바와 같이 nNbrs 및 Ttx의 변화에 따라 W1 값을 나타낼 수 있다. 분석에 따르면, Ttx는 3.125ms이고 nNbrs는 13이다. 따라서 sSlot 및 W1은 각각 18.75ms 및 93.75ms 이상이어야 한다.
도 7은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 s슬롯에 따른 PDR 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면 sSlot은 19ms 미만에서 PDR이 급격하게 감소함을 확인할 수 있다. 이는 sSlot의 하계가 이상 없음을 나타낸다. 반면, sSlot의 증가는 경합 과정을 완화하기 때문에 PDR을 향상시킨다. sSlot이 25ms 이상이면 PDR은 거의 99%에 근접하여 수렴한다. 따라서 sSlot의 적절한 값은 25ms임을 확인할 수 있다.
또한, 이는 하기의 표 1과 같은 조건에서 얻어질 수 있다.
파라미터 값 파라미터 값
sSlot 25ms Sensor Energy Model MicaZ
Number of Nodes 75 sensor + 1 sink Superframe Size, W1 300 ms
Dimensions 100×100(m2) Fading factor(K) Varying
Transmission Range 28m(-24dBm) Simulation time 600s
도 8은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 Ricean 파라미터의 값에 따른 PDR 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
플러딩(Flooding)에서, 노드는 더 많은 이웃하는 노드로부터 메시지를 수신할 가능성을 갖는다. 따라서, 플러딩의 PDR은 SSMAB(Slotted Sense Multiple Access Broadcasting)의 PDR보다 약간 더 높다. 그러나 RSBP(Reliable Slotted Broadcast Protocol)에서 노드는 할당된 슬롯만을 통해서만 그의 부모 노드로부터 메시지를 수신할 수 있다.
도 9는 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 Ricean 파라미터의 값에 따른 PPL 값의 변화를 나타내는 그래프이다. 플러딩 방식(flooding scheme)의 PPL은 노드가 방송 메시지를 수신할 수 있는 기회가 많아지기 때문에 SSMAB 및 RSBP 보다 훨씬 더 높다는 것을 확인할 수 있다. 반면에, SSMAB에서, 수신모드에서 노드가 메시지를 수신하면 즉시 슬립 모드로 될 수 있다. 송신 모드에서는 방송이 끝나는 즉시 노드가 슬립 모드로 될 수 있다. 따라서, 모든 노드는 오직 하나의 방송 메시지만을 수신한다. 이는 SSMAB의 PPL이 RSBP의 PPL과 거의 같기 때문이다.
도 10은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 Ricean 파라미터의 값에 따른 에너지 소비를 나타내는 그래프이다. RSBP는 전반적으로 SSMAB에 비해 에너지 소비가 적다. 이는 노드 및 그의 자식 노드가 할당된 하나의 슬롯에서 액티브 상태로 머무르는 것을 엄격히 제한하기 때문이다. SSMAB는 저 에너지 소비를 나타냄을 확인할 수 있다. 그러나, SSMAB에서 노드는 송신을 위해 이웃 노드와 경쟁하기 때문에 RSBP에서보다 더 오래 액티브 상태를 유지하고 이는 상대적으로 더 많은 에너지 소비로 연결된다. 플러딩의 경우에서, 모든 노드는 시간 동기(time synchronization)를 사용하지 않기 때문에 항상 액티브 상태를 유지한다.
도 11은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 모바일 노드의 수에 따른 PDR 값의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 12는 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 모바일 노드의 수에 따른 PPL 값의 변화를 나타내는 그래프이며, 도 13은 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 모바일 노드의 수에 따른 에너지 소비를 나타내는 그래프이다.
도면의 시나리오에서, K 값은 12로 고정되고, 소수의 노드가 1m/s의 최대속도에서 20미터의 경계내에서 독단적으로 이동하도록 허용된다. 이동하는 노드의 수가 증가함에 따라, SSMAB의 PDR은 안정적으로 유지되고 RSBP의 PDR은 급격하게 감소함을 확인할 수 있다. SSMAB의 개선은 노드가 복수의 노드로부터 메시지를 수신하도록 하는 공유 슬롯의 사용에 기인한다. 반대로, RSBP의 경우 노드가 부모 노드와의 연결을 끊기 위해 이동하는 경우, 할당된 슬롯에서만 액티브 상태를 유지하기 때문에 방송 메시지 수신의 가능성이 없어지고, 그것의 모든 자식 노드들이 방송 메시지를 수신할 수 없게 된다. 따라서 RSBP는 네트워크 토폴로지의 동적 변화에 적합하지 않다.
상기에서 검토한 바와 같이, 제안된 SSMAB의 접근은 메시지 방송의 신뢰성을 개선할 뿐만 아니라, 다른 프로토콜에 비해 에너지 소비량을 상당히 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.
따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 노드(i)가 수신 슬롯 상태가 되면 로스트플래그(lostflag)를 설정하고 메시지 수신을 대기하는 단계;
    상기 노드가 메시지를 수신하면, 로스트플래그를 지우고(clear) 슬립모드로 변경하는 단계; 및
    상기 노드가 송신 슬롯 상태가 되면 메시지를 수신한 경우 메시지를 재방송하고, 메시지를 수신하지 않은 경우 슬립모드로 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노드가 유지 기간이 되고 로스트플래그가 설정되면, 상기 노드는 상기 노드의 부모 노드를 새로운 부모 노드로 변경하기 위해 상기 새로운 부모 노드를 발견하기 위한 부모 요청(parent request:PREQ) 메시지를 방송하고,
    상기 부모 요청 메시지를 상기 새로운 부모 노드가 수신하면, 지연(delay:d(i)) 후에 상기 새로운 부모 노드가 상기 부모 요청 메시지를 수신했음을 나타내는 부모 응답(parent reply:PREP) 메시지를 송신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 노드가 부모 응답 메시지를 수신하는 즉시, 이를 나타내기 위해 상기 노드의 상기 부모 노드를 상기 새로운 부모 노드로 변경하고, 상기 노드가 상기 부모 노드를 상기 새로운 부모 노드로 변경했음을 나타내는 부모 인정(parent acknowledgement) 메시지를 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부모 인정 메시지를 엿들은(overhear) 다른 노드는 부모 응답 메시지를 송신하는 것을 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 지연(d(i))은 하기의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법.
    d(i)=D×(li-1+r)
    (li는 노드 i의 레벨을 나타내고, r은 0과 1 사이의 임의의 수를 나타내며, D는 홉(hop) 당 도입되어야 하는 상수 지연)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 노드(i)의 수신 시작 시간(RxTime(i)) 및 송신 시작 시간(TxTime(i))은 하기의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 슬롯 스케쥴링 방법.
    RxTime(i)=sTime+(li-2)×sSlot, li＞1,
    TxTime(i)=sTime+(li-1)×sSlot, 노드 i가 리프(leaf)가 아닌 경우
    (sTime은 전역시각(global time)의 관점에서 사이클의 시작 시간이고, li는 노드 i의 레벨을 나타내며 sSlot은 공유가능한 슬롯의 길이)
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