KR101856729B1 - 에너지 효율성을 고려한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템 및 방법 - Google Patents

에너지 효율성을 고려한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템의 데이터 전송 방법은 복수의 센서 노드 별로 기설정된 듀티사이클에 따른 주기마다 다른 센서 노드로부터 데이터를 수신하는 활성화 타임슬롯을 할당하여 스케줄링하고, 기설정된 기준에 기초하여 활성화 타임슬롯에 대한 병합 처리 여부를 결정하고, 병합 처리가 결정되면 복수의 센서 노드 별로 듀티사이클의 주기 중 기설정된 개수의 주기에 할당된 활성화 타임슬롯들을 연속되도록 병합하고, 병합된 활성화 타임슬롯이 적용된 스케줄링 정보를 각 센서 노드로 전송한다.

Description

에너지 효율성을 고려한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템 및 방법{DATA TRANSMISSION SYSTEM AND METHOD FOR ENERGY EFFICIENCY IN WIRELESS SENSOR NETWORK}
본 발명은 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 무선 센서 네트워크의 센서 노드는 작은 배터리로 작동하기 때문에, 무선 센서 네트워크 분야에서 에너지 소모와 관련된 문제는 매우 중요한 이슈이다.
기존의 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 기법들은 센서 노드가 항상 활성화 상태인 환경을 가정하였으며, 이에 따라 에너지 효율성을 고려하지 못하였다. 이에 따른 문제를 극복하기 위해, 무선 센서 네트워크에서 에너지 소비를 효율적으로 관리하기 위한 방법 중 하나로서 듀티사이클(duty cycle)을 적용한 스케줄링 방식이 제안되었다.
듀티사이클을 적용한 기법에서는 일정한 주기로 센서 노드가 온/오프(on/off)를 반복하도록 하였다. 즉, 센서 노드가 데이터를 보낼 때는 센서 노드를 활성화하며 그 외의 상태에서는 비활성화하여 센서 노드의 불필요한 에너지 소비를 줄이는 방식을 사용하였다.
이와 관련하여, 대한민국등록특허 제 10-1135517 호(발명의 명칭: 무선 센서 네트워크의 에너지 효율 향상방법)에서는, 수신측 노드가 송신측 노드로부터 제공된 듀티 사이클, 데이터 재전송 간격 및 데이터 재전송 횟수를 근거로 하여 산출되는 시점을 기준으로 송신측 노드의 주기와 동기화함으로써 노드 간의 불필요한 재전송 횟수를 감소시키는 무선 센서 네트워크의 에너지 효율 향상 방법을 개시하고 있다.
그러나 종래의 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방식은, 각 센서 노드에서 전송되는 데이터가 설정된 주기에 따라 전송이 되므로 센서 노드의 수가 증가할수록 에너지 소비 효율이 떨어진다는 문제가 있었다. 또한, 각 센서 노드 별로 자신에게 설정된(즉, 듀티사이클에 따른) 활성화 시간을 대기하여야 하므로 데이터 전송 시 지연이 발생하게 되는 한계가 있었다.
뿐만 아니라, 듀티사이클 적용 시 각 센서 노드가 일정 주기로 활성화 및 비활성화 상태를 반복하게 되나, 기존에는 이처럼 상태가 변화되는 순간의 에너지 소비를 고려하지 못하였다. 구체적으로, 도 1에서와 같이, 듀티사이클을 적용한 센서 노드의 경우, 비활성화(Sleep) 상태에서 활성화(Active) 상태로, 활성화 상태에서 비활성화 상태로 전환이 되는 순간에 에너지를 소비한다. 특히, 비활성화 상태에서 활성화 상태로 전환되는 순간에는 데이터 전송 시의 약 50%에 해당되는 에너지가 소비될 수 있다.
한편, 기존의 통신은 인간 중심의 통신이 중심이 되어왔지만 앞으로는 사물이 통신의 주체가 됨으로써 현재보다 더 다양한 서비스를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 사물 중심의 통신에서 효율적인 통신 방식을 사용하기 위한 수많은 연구가 진행되고 있으며, 특히 사물인터넷(Internet of Things, IoT)에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다.
사물인터넷은 일종의 센서 네트워크일 수 있으며, 사물인터넷에서는 각각의 사물들이 인터넷에 연결되어 상호 소통하여 지능적인 서비스를 제공한다. 이러한 사물인터넷은 무선 센서 네트워크와 마찬가지로 여러 종류의 수많은 센서들로 구성되며, 각 센서들은 주어진 환경에서 제한된 에너지로 작동한다. 따라서 사물인터넷 분야에서도 사물 간의 데이터 통신에 따른 에너지를 효율적으로 소비하는 것이 큰 이슈가 되고 있다.
현재 사물인터넷은 중앙집중형(centralized) 환경을 고려하고 있으며, 수신 센서는 주기적 또는 비주기적으로 통신을 수행하게 된다. 그러나 송신이 연속적으로 이루어지지 않을 경우 수신 센서에서는 데이터 수신 모드를 수행할 때마다 소모할 필요가 없는 에너지를 낭비하게 된다.
따라서 사물인터넷 등에 적용되는 무선 센서 네트워크에서 각 센서의 에너지 소비를 효율적으로 관리하여 센서의 수명을 연장시킬 수 있는 기법이 필요하다.
본 발명의 실시예는 사물인터넷 등의 무선 센서 네트워크에서 에너지 효율성을 고려하여 스케줄링을 처리하는 데이터 전송 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 복수의 센서 노드를 포함하는 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템은, 상기 복수의 센서 노드들과의 데이터 송수신을 처리하는 통신 모듈; 상기 복수의 센서 노드들에 대한 듀티사이클을 적용한 스케줄링 및 활성화 타임슬롯 병합을 처리하는 프로그램이 저장된 메모리; 및 상기 메모리에 저장된 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하며, 상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 대응하여, 상기 복수의 센서 노드 별로 기설정된 듀티사이클에 따른 주기마다 다른 센서 노드로부터 데이터를 수신하는 활성화 타임슬롯을 할당하여 스케줄링하고, 기설정된 기준에 기초하여 활성화 타임슬롯에 대한 병합 처리가 결정되면 상기 복수의 센서 노드 별로 상기 듀티사이클의 주기 중 기설정된 개수의 주기에 할당된 활성화 타임슬롯들을 연속되도록 병합하고, 상기 병합된 활성화 타임슬롯이 적용된 스케줄링 정보를 각 센서 노드로 전송한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 복수의 센서 노드를 포함하는 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템을 통한 데이터 전송 방법은, 상기 복수의 센서 노드 별로 기설정된 듀티사이클에 따른 주기마다 다른 센서 노드로부터 데이터를 수신하는 활성화 타임슬롯을 할당하여 스케줄링하는 단계; 기설정된 기준에 기초하여 활성화 타임슬롯에 대한 병합 처리 여부를 결정하는 단계; 상기 병합 처리가 결정되면, 상기 복수의 센서 노드 별로 상기 듀티사이클의 주기 중 기설정된 개수의 주기에 할당된 활성화 타임슬롯들을 연속되도록 병합하는 단계; 및 상기 병합된 활성화 타임슬롯이 적용된 스케줄링 정보를 각 센서 노드로 전송하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 중앙집중형 사물인터넷(centralized Internet of Things) 환경에서 적어도 하나의 센서 노드를 거쳐 모든 센서 노드로부터의 데이터를 수신하는 중앙 센서 노드는, 상기 사물인터넷에 포함된 다른 센서 노드와의 데이터 송수신을 처리하는 통신 모듈; 상기 사물인터넷에 포함된 복수의 센서 노드들에 대해 듀티사이클을 적용한 스케줄링 및 활성화 타임슬롯 병합을 처리하는 프로그램이 저장된 메모리; 및 상기 메모리에 저장된 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하며, 상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 대응하여, 상기 복수의 센서 노드 별로 기설정된 듀티사이클에 따른 주기마다 다른 센서 노드로부터 데이터를 수신하는 활성화 타임슬롯을 할당하여 스케줄링하고, 기설정된 기준에 기초하여 활성화 타임슬롯에 대한 병합 처리가 결정되면 상기 복수의 센서 노드 별로 상기 듀티사이클의 주기 중 기설정된 개수의 주기에 할당된 활성화 타임슬롯들을 연속되도록 병합하고, 상기 병합된 활성화 타임슬롯이 적용된 스케줄링 정보를 상기 다른 센서 노드로 전송한다. 이때, 상기 프로세서는 상기 병합된 활성화 타임슬롯의 스케줄에 대응하도록 송신 타임슬롯을 할당하여 스케줄링하고, 상기 병합된 활성화 타임슬롯 및 상기 할당된 송신 타임슬롯의 정보를 포함하는 상기 스케줄링 정보를 상기 다른 센서 노드로 전송하되, 중앙 센서 노드로 향하는 데이터 전송 경로 상에 위치하는 센서 노드들 중 동일한 센서 노드로 데이터를 전송하는 둘 이상의 센서 노드들에 대해서는 상기 송신 타임슬롯이 중복되지 않도록 스케줄링한다. 또한, 상기 송신 타임슬롯은 상기 활성화 타임슬롯이 할당된 적어도 하나의 수신 센서 노드로 데이터를 전송하는 송신 센서 노드에 대해 할당된 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 사물인터넷과 같이 제한된 자원을 사용하는 무선 센서 네트워크에서, 센서 노드의 수신 모드에 따른 활성화 및 비활성화 상태 전환을 최소화하여 불필요한 에너지 소모를 방지하여 에너지 효율성을 크게 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 복수의 주기에 걸쳐 할당된 목적 센서 노드의 수신 가능 상태를 대기하는 시간이 감축되므로 데이터 지연이 감소되고, 연속된 타임슬롯을 사용하여 데이터를 전송함으로써 대용량 데이터의 전송 효율 또한 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 듀티사이클이 적용된 무선 센서 네트워크에서 센서 노드의 소비 전력 상태 변화를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성화 타임슬롯 병합 방식을 설명하기 위한 예시도다.
도 4는 본 발명의 일 실시예가 적용된 중앙집중형 사물인터넷에서의 활성화 타임슬롯 병합 방식을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서 '부(部)' 또는 ‘모듈’이란, 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 하드웨어 및 소프트웨어 둘다를 이용하여 실현되는 유닛을 포함하며, 하나의 유닛이 둘 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 둘 이상의 유닛이 하나의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템 및 그 방법에 대해서 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템의 구성도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템(100)은 통신모듈(110), 메모리(120) 및 프로세서(130)를 포함한다.
이때, 본 발명의 일 실시예가 적용되는 무선 센서 네트워크는 복수의 센서 노드를 포함할 수 있으며, 데이터 전송 시스템(100)은 복수의 센서 노드 모두와 연결되는 별도의 장치로서 무선 센서 네트워크에 포함되거나, 복수의 센서 노드 중 어느 하나의 센서 노드일 수 있다. 또한, 데이터 전송 시스템(100)은 복수의 센서 노드 각각에 구현되는 것도 가능하다. 이하에서는, 설명의 편의상 데이터 전송 시스템(100)이 무선 센서 네트워크 상의 어느 하나의 센서 노드인 것을 예로서 설명하도록 한다.
데이터 전송 시스템(100)은 어느 하나의 센서 노드로서, 무선 센서 네트워크 내 다른 센서 노드로 데이터를 전송하는 송신 센서 노드이자, 다른 센서로부터 데이터를 수신하는 수신 센서 노드 역할을 한다. 참고로, 다른 센서 노드들도 각각 송신 및 수신 센서 노드 모두의 역할을 함께 수행한다.
통신 모듈(110)은 다른 센서 노드들과의 데이터 송수신을 처리하되, 프로세서(130)의 제어에 따라 다른 센서 노드로 스케줄링 정보를 전송한다.
메모리(120)는 복수의 센서 노드들에 대한 듀티사이클을 적용한 스케줄링 및 활성화 타임슬롯 병합을 처리하는 프로그램이 저장된다. 이때, 메모리(120)는 스케줄링 및 활성화 타임슬롯 병합을 처리하는 프로그램 외에도, 무선 센서 네트워크 내에서 해당 센서 노드(즉, 데이터 전송 시스템)에 설정된 목적(예를 들어, "데이터 센싱" 등)에 따른 각종 처리를 수행하기 위한 구동 프로그램이 더 저장될 수 있다. 이러한 스케줄링 및 활성화 타임슬롯 병합 프로그램과 상기 구동 프로그램은 각각 프로세서(130)를 통해 실행되어 그에 따른 각종 처리가 수행되며, 서로 연동되거나 하나의 프로그램으로 구현되는 것도 가능하다.
참고로, 메모리(120)는 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 비휘발성 저장장치 및 저장된 정보를 유지하기 위하여 전력이 필요한 휘발성 저장장치를 통칭하는 것이다.
프로세서(130)는 메모리(120)에 저장된 프로그램을 실행한다.
이하에서는 도 3 및 도 4를 참조하여, 프로세서(130)가 메모리(120)에 저장된 프로그램을 실행하는 처리에 대해서 상세히 설명하도록 한다.
먼저, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성화 타임슬롯 병합 방식을 설명하기 위한 예시도다.
이하에서 설명할 듀티사이클은 주기마다 복수의 타임슬롯으로 구성된 것으로서, 프로세서(130)는 기설정된 주기 별로 센서 노드가 데이터 수신을 위해 온(On)되는 활성화 타임슬롯 및 센서 노드가 데이터를 수신하지 않고 오프(Off)되는 비활성화 타임슬롯을 스케줄링한다.
도 3의 (a)에는 임의의 센서 노드에 대해 듀티사이클이 적용된 타임슬롯에 활성화 타임슬롯이 할당된 예를 나타내었으며, 3개의 주기(Period)마다 각각 하나의 활성화 타임슬롯(Active Timeslot)이 할당된 것을 나타내었다.
이러한 방식으로, 프로세서(130)는 복수의 센서 노드 별로 기설정된 듀티사이클에 따른 주기마다 다른 센서 노드로부터 데이터를 수신하는 활성화 타임슬롯을 할당하여 스케줄링한다.
이때, 프로세서(130)는 복수의 센서 노드들 간에 전송될 데이터 전송량을 산출하고, 산출된 각 센서 노드 별 데이터 전송량 및 전체 센서 노드에 대한 데이터 전송량 중 적어도 하나에 기초하여 스케줄링을 처리할 수 있다. 즉, 도 3의 (a)에서는 임의의 센서 노드에 대해 주기마다 하나의 활성화 타임슬롯을 할당한 것을 나타내었으나, 데이터 전송량에 기초하여 각 주기 별로 둘 이상의 활성화 타임슬롯을 할당할 수도 있으며, 또한 적어도 하나의 주기에 활성화 타임슬롯을 할당하지 않는 것도 가능하다. 또한, 프로세서(130)는 데이터 전송량에 기초하여 듀티사이클에 따른 주기의 길이도 변경할 수 있다. 즉, 한번의 주기 내에 포함되는 타임슬롯의 개수도 변경이 가능하다.
그리고 프로세서(130)는 복수의 센서 노드 별로 듀티사이클의 주기 중 기설정된 개수의 주기에 할당된 활성화 타임슬롯들을 연속되도록 병합한다.
예를 들어, 도 3의 (b)에서는 도 3의 (a)와 같이 스케줄링된 활성화 타임슬롯이 두 번째 주기 상에 연속하는 세 개의 활성화 타임슬롯으로 병합된 것을 나타내었다. 참고로, 병합된 활성화 타임슬롯은 어느 하나의 주기 내에 모두 포함되거나 복수의 주기에 걸쳐 연속되는 것도 가능하다.
이와 같이, 적어도 하나의 센서 노드에 대해서 듀티사이클에 의해 스케줄링된 활성화 타임슬롯을 복수의 주기에 대해 병합함으로써, 센서 노드의 타임슬롯이 비활성화 상태에서 활성화 상태로 전환될 때 소비되는 에너지를 감소시킬 수 있다.
즉, 도 3의 (a)에 도시된 타임슬롯의 특성에 따르면, 앞서 도 1에서 도시한 바와 같이 센서 노드가 데이터 수신을 위해 비활성화(Sleep) 상태에서 활성화(Active) 상태로 변경되는 과정을 3번 각각 처리하게 된다. 이에 따라, 불필요한 에너지가 소비되는 과도(Transient) 상태가 각 변경마다 발생된다. 이에 반해, 도 3의 (b)에서와 같이 3개의 주기에 각각 할당되었던 활성화 타임슬롯을 연속되도록 병합할 경우, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 센서 노드의 상태가 비활성화(Sleep) 상태에서 활성화(Active) 상태로 1회 변경됨으로써 과도(Transient) 상태 또한 크게 감소된다.
뿐만 아니라, 도 3의 (b)에서와 같이 복수의 활성화 타임슬롯을 연속되도록 병합할 경우, 적어도 하나의 다른 센서 노드가 해당 활성화 타임슬롯이 할당된 센서 노드로 데이터를 전송하기 위해 복수의 주기를 대기하지 않고 연속하여 전송할 수 있어, 데이터 지연 시간을 감소시킬 수도 있다.
그리고 프로세서(130)는 병합된 활성화 타임슬롯이 적용된 스케줄링 정보를 통신 모듈(110)을 통해 각 센서 노드로 전송하여, 각 센서 노드에서 스케줄링 정보에 따라 데이터 송수신을 처리하도록 설정한다.
한편, 프로세서(130)는 기설정된 기준에 따라 활성화 타임슬롯의 병합 처리 여부를 결정하는 과정을 수행할 수 있다.
일례로, 프로세서(130)는 듀티사이클에 따른 스케줄링 시 산출된 적어도 하나의 센서 노드 또는 전체 센서 노드의 데이터 전송량이 기설정된 임계값 이상인 경우 활성화 타임슬롯의 병합을 처리할 수 있다. 즉, 프로세서(130)는 무선 센서 네트워크 내 발생된 데이터 전송량이 기존의 듀티사이클에 따른 스케줄링을 통할 경우 데이터 지연이 발생되며 에너지 낭비가 발생될 것으로 판단되면, 수신 센서 노드들에 대한 활성화 타임슬롯 병합을 처리하여 이를 방지할 수 있다.
이때, 프로세서(130)는 데이터 전송량에 기초하여 활성화 타임슬롯의 병합을 처리할 둘 이상의 주기의 개수 및 병합을 적용할 시작점을 결정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(130)는 어느 하나의 센서 노드가 수신할 데이터량이 두 개의 타임슬롯을 할당하여야 수신 가능할 경우, 듀티사이클에 따른 스케줄에서 해당 센서 노드에 주기마다 하나의 활성화 타임슬롯이 할당되었다면 활성화 타임슬롯을 병합할 주기를 두 개로 설정할 수 있다. 또한, 프로세서(130)는 복수의 센서 노드 별로 처리할 데이터량 및 해당 데이터가 발생되는 시점에 기초하여 각 센서 노드의 활성화 타임슬롯을 병합 처리할 시작점(즉, 어느 하나의 주기 내 타임슬롯)을 설정할 수 있다.
또한, 프로세서(130)는 데이터 전송량이 임계값 미만인 경우 활성화 타임슬롯 병합을 처리하지 않고 기설정된 듀티사이클에 따른 스케줄링 정보를 각 센서 노드로 제공하는 것도 가능하다.
또한, 프로세서(130)는 병합된 활성화 타임슬롯의 스케줄에 대응하도록 송신 타임슬롯을 할당하여 스케줄링하고, 병합된 활성화 타임슬롯 및 이에 대응하는 송신 타임슬롯의 정보를 포함하는 스케줄링 정보를 각 센서 노드로 전송할 수 있다. 참고로, 송신 타임슬롯은 적어도 하나의 센서 노드로 데이터를 전송하는 송신 센서 노드에 대해 데이터를 송신하도록 할당되는 타임슬롯을 의미한다. 참고로, 센서 노드가 다른 센서 노드로 데이터를 전송하는 수신 모드와는 달리 송신 모드는 별도의 온/오프 상태 변경이 없으며, 따라서 센서 노드는 상시 데이터 전송이 가능하다.
이상에서 설명한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템(100)은 사물인터넷 네트워크에 포함된 임의의 사물 기기일 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 데이터 전송 시스템(100)이 중앙집중형 사물인터넷(centralized Internet of Things) 환경에서의 중앙 센서 노드인 것을 상세히 설명하도록 한다.
이때, 중앙 센서 노드는 사물인터넷 네트워크 상에 포함된 어느 하나의 사물 기기이며, 사물인터넷 내 다른 모든 사물 기기(즉, 센서 노드)들로부터의 데이터를 직접 또는 간접적으로 수신하는 장치를 의미한다. 즉, 중앙 센서 노드는 사물인터넷 상의 모든 사물 기기들과 직접 연결되거나 또는 적어도 하나의 다른 사물 기기를 통해 데이터를 수신할 수 있다. 이러한 중앙 센서 노드는 적어도 하나의 다른 센서 노드로 데이터를 전송하는 송신 센서 노드로서의 역할도 수행할 수 있다.
참고로, 본 발명의 일 실시예에서 사물 기기란, 사물이 데이터 처리 및 송수신이 가능한 기기 자체이거나, 가정 내 설치되는 가구 등의 사물에 데이터 처리 및 송수신이 가능한 기기가 일체형 또는 결합형으로 장착되어 다른 사물 기기들과 데이터를 송수신할 수 있는 일종의 센서 노드인 것을 의미한다.
이러한 중앙 센서 노드는 앞서 도 2 및 도 3을 통해 설명한 데이터 전송 시스템(100)의 모든 구성을 포함하며, 데이터 전송 시스템(100)의 각 구성을 통한 모든 처리와 동일 또는 유사한 처리를 수행한다. 이에 따라, 이하에서는 설명의 편의상 데이터 전송 시스템(100)과 중앙 센서 노드 간에 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중앙 센서 노드(100)는 사물인터넷에 포함된 다른 센서 노드와의 데이터 송수신을 처리하는 통신 모듈(110), 사물인터넷에 포함된 복수의 센서 노드들에 대해 듀티사이클을 적용한 스케줄링 및 활성화 타임슬롯 병합을 처리하는 프로그램이 저장된 메모리(120), 및
메모리(120)에 저장된 프로그램을 실행하는 프로세서(130)를 포함한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예가 적용된 중앙집중형 사물인터넷에서의 활성화 타임슬롯 병합 방식을 설명하기 위한 예시도이다.
먼저, 도 4의 (a)에서는 중앙집중형 사물인터넷 네트워크의 구조를 변형된 트리 구조를 갖는 그래프로서 표시하였다. 즉, 중앙집중형 사물인터넷 네트워크는 중앙 센서 노드 N1을 나머지 다른 센서 노드들(N2 내지 N6)이 데이터 전송의 최종 목적지로 하는 복수의 데이터 전송 경로가 설정되는 역트리 구조를 가질 수 있다.
이때, 중앙 센서 노드의 프로세서(130)는, 복수의 센서 노드(즉, 중앙 센서 노드를 포함하는 모든 센서 노드들) 별로 기설정된 듀티사이클에 따른 주기마다 다른 센서 노드로부터 데이터를 수신하는 활성화 타임슬롯을 할당하여 스케줄링한다.
이에 따라, 도 4의 (b)에서와 같이 복수의 주기에 대해 각 센서 노드 별로 활성화 타임슬롯 및 그에 대응하는 송신 타임슬롯이 스케줄링될 수 있다. 도 4의 (b)에 따르면, 주기마다 4개의 타임슬롯이 구성되며, 그 중 중앙 센서 노드인 N1은 제 1 및 제 2 주기(Period 1, Period 2)마다 첫 번째 타임슬롯이 활성화 타임슬롯으로 할당되었다. 또한, 중앙 센서 노드 N1으로 데이터를 전송하는 센서 노드 N2 및 N3는 각각 제 1 주기(Period 1)의 네 번째 타임슬롯과, 제 1 및 제 2 주기(Period 1, Period 2)마다 세 번째 타임슬롯이 활성화 타임슬롯으로 할당되었다. 도 4의 (b)에서는 나머지 센서 노드 N4 내지 N6는 역트리 구조상 다른 센서 노드로부터 데이터를 수신하지 않는 리프 노드(leaf node)로서, 이들에는 활성화 타임슬롯이 할당되지 않은 것을 나타내었다.
중앙 센서 노드의 프로세서(130)는, 복수의 센서 노드 별로 듀티사이클의 주기 중 기설정된 개수의 주기에 할당된 활성화 타임슬롯들을 연속되도록 병합하고, 병합된 활성화 타임슬롯이 적용된 스케줄링 정보를 다른 센서 노드로 전송한다.
예를 들어 도 4의 (c)에서는, 프로세서(130)가 활성화 타임슬롯을 병합할 주기의 개수를 2개로 설정한 것을 나타내었다. 즉, 도 4의 (c)에 도시한 바와 같이, 중앙 센서 노드 N1을 비롯한 수신 센서 노드 N2 및 N3의 활성화 타임슬롯이 각각 연속하도록 병합된다.
중앙 센서 노드의 프로세서(130)는 병합된 활성화 타임슬롯의 스케줄에 대응하도록 송신 타임슬롯을 할당하여 스케줄링하고, 병합된 활성화 타임슬롯 및 그에 대응하는 송신 타임슬롯의 정보를 포함하는 스케줄링 정보를 다른 센서 노드로 전송할 수 있다.
이때, 중앙 센서 노드의 프로세서(130)는 중앙 센서 노드로 향하는 데이터 전송 경로 상에 위치하는 센서 노드들 중 동일한 센서 노드로 데이터를 전송하는 둘 이상의 센서 노드들에 대해서는 송신 타임슬롯이 중복되지 않도록 스케줄링할 수 있다.
즉, 도 4의 (c)에서와 같이, 센서 노드 N3의 활성화 타임슬롯은 연속된 제 1 주기(Period 1)의 네 번째 타임슬롯 및 제 2 주기(Period 2)의 첫 번째 타임슬롯으로 병합되되, 센서 노드 N3로 데이터를 전송하는 두 센서 노드 N5 및 N6의 송신 타임슬롯 또한 서로 중복되지 않도록 제 1 주기(Period 1)의 네 번째 타임슬롯 및 제 2 주기(Period 2)의 첫 번째 타임슬롯으로 할당될 수 있다. 이때, N5 및 N6의 송신 타임슬롯의 할당 순서는 서로 변경되어도 상관없다. 또한, 수신 센서 노드들의 병합된 활성화 타임슬롯의 순서 및 위치 또한 한정되지 않는다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템을 통한 에너지 효율적인 데이터 전송 방법을 상세히 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저, 복수의 센서 노드 별로 기설정된 듀티사이클에 따른 주기마다 활성화 타임슬롯을 할당하여 스케줄링을 처리한다(S510).
이때, 할당된 활성화 타임슬롯에 대응하도록 적어도 하나의 센서 노드에 대한 송신 타임슬롯이 할당될 수 있다.
다음으로, 복수의 센서 노드 별로 듀티사이클의 주기 중 기설정된 개수의 주기에 할당된 활성화 타임슬롯들을 연속되도록 병합한다(S520).
이때, 상기 단계 (S520)에 앞서, 기설정된 기준에 따라 활성화 타임슬롯의 병합 처리 여부를 결정하는 단계를 더 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 단계 (S510)의 스케줄링 시 산출된 적어도 하나의 센서 노드 또는 전체 센서 노드의 데이터 전송량이 기설정된 임계값 이상인 경우 활성화 타임슬롯의 병합을 처리할 수 있다. 만약, 상기 단계 (S510)의 스케줄링 시 산출된 데이터 전송량이 임계값 미만인 경우, 상기 병합 처리없이 단계 (S510) 이후에 곧바로 기설정된 듀티사이클에 따른 스케줄링 정보를 각 센서 노드로 제공할 수도 있다.
또한, 데이터 전송량에 기초하여 활성화 타임슬롯의 병합을 처리할 주기의 개수 및 상기 병합을 적용할 시작점을 결정할 수 있다. 즉, 듀티사이클에 따른 주기들 내에서 각 센서 노드 별 활성화 타임슬롯이 병합되는 주기의 개수 및 타임슬롯의 위치는 한정되지 않는다.
그런 다음, 병합된 활성화 타임슬롯이 적용된 스케줄링 정보를 각 센서 노드로 전송하여 스케줄을 설정한다(S530).
이때, 병합된 활성화 타임슬롯의 스케줄에 대응하도록 송신 타임슬롯을 할당하여 스케줄링하는 단계를 먼저 수행할 수 있으며, 이에 따라 병합된 활성화 타임슬롯 및 그에 대응된 송신 타임슬롯의 정보를 포함하는 스케줄링 정보를 각 센서 노드로 전송할 수 있다.
한편, 무선 센서 네트워크가 중앙집중형 사물인터넷 네크워크일 경우, 중앙 센서 노드로 향하는 데이터 전송 경로 상에 위치하는 센서 노드들 중 동일한 센서 노드로 데이터를 전송하는 둘 이상의 센서 노드들에 대해서는 송신 타임슬롯이 중복되지 않도록 스케줄링할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 데이터 통신 시스템을 통한 데이터 전송 방법은, 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템
110: 통신 모듈
120: 메모리
130: 프로세서

Claims (14)

  1. 복수의 센서 노드를 포함하는 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템에 있어서,
    상기 복수의 센서 노드들과의 데이터 송수신을 처리하는 통신 모듈;
    상기 복수의 센서 노드들에 대한 듀티사이클을 적용한 스케줄링 및 활성화 타임슬롯 병합을 처리하는 프로그램이 저장된 메모리; 및
    상기 메모리에 저장된 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하며,
    상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 대응하여, 상기 복수의 센서 노드 별로 기설정된 듀티사이클에 따른 주기마다 다른 센서 노드로부터 데이터를 수신하는 활성화 타임슬롯을 할당하여 스케줄링하고, 기설정된 기준에 기초하여 활성화 타임슬롯에 대한 병합 처리가 결정되면 상기 복수의 센서 노드 별로 상기 듀티사이클의 둘 이상의 주기에 할당된 둘 이상의 활성화 타임슬롯들을 시간적으로 연속되도록 병합하고, 상기 병합된 활성화 타임슬롯이 적용된 스케줄링 정보를 각 센서 노드로 전송하며,
    상기 병합된 활성화 타임슬롯이 적용된 스케줄링 정보에 따라, 상기 센서 노드 별로 상기 둘 이상의 주기 내에 상기 연속된 둘 이상의 활성화 타임슬롯 동안 활성화 상태가 유지되는 것인, 상기 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선 센서 네트워크는 사물인터넷 네트워크이며, 상기 센서 노드는 상기 사물인터넷 네트워크에 포함된 사물 기기인 것인, 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 스케줄링 시 산출된 적어도 하나의 센서 노드 또는 전체 센서 노드의 데이터 전송량이 기설정된 임계값 이상인 경우 상기 활성화 타임슬롯의 병합을 처리하며, 상기 임계값 미만인 경우 상기 병합 처리없이 기설정된 듀티사이클에 따른 스케줄링 정보를 각 센서 노드로 제공하는, 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 데이터 전송량에 기초하여 상기 활성화 타임슬롯의 병합을 처리할 둘 이상의 주기의 개수 및 상기 병합을 적용할 시작점을 결정하는, 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 병합된 활성화 타임슬롯의 스케줄에 대응하도록 송신 타임슬롯을 할당하여 스케줄링하고, 상기 병합된 활성화 타임슬롯 및 상기 할당된 송신 타임슬롯의 정보를 포함하는 상기 스케줄링 정보를 각 센서 노드로 전송하며,
    상기 송신 타임슬롯은 상기 활성화 타임슬롯이 할당된 적어도 하나의 수신 센서 노드로 데이터를 전송하는 송신 센서 노드에 대해 할당된 것인, 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템.
  6. 복수의 센서 노드를 포함하는 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 시스템을 통한 데이터 전송 방법에 있어서,
    상기 복수의 센서 노드 별로 기설정된 듀티사이클에 따른 주기마다 다른 센서 노드로부터 데이터를 수신하는 활성화 타임슬롯을 할당하여 스케줄링하는 단계;
    기설정된 기준에 기초하여 활성화 타임슬롯에 대한 병합 처리 여부를 결정하는 단계;
    상기 병합 처리가 결정되면, 상기 복수의 센서 노드 별로 상기 듀티사이클의 둘 이상의 주기에 할당된 둘 이상의 활성화 타임슬롯들을 시간적으로 연속되도록 병합하는 단계; 및
    상기 병합된 활성화 타임슬롯이 적용된 스케줄링 정보를 각 센서 노드로 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 병합된 활성화 타임슬롯이 적용된 스케줄링 정보에 따라, 상기 센서 노드 별로 상기 둘 이상의 주기 내에 상기 연속된 둘 이상의 활성화 타임슬롯 동안 활성화 상태가 유지되는 것인, 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 무선 센서 네트워크는 사물인터넷 네트워크이되, 상기 센서 노드는 상기 사물인터넷 네트워크에 포함된 사물 기기인 것인, 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 활성화 타임슬롯들을 연속되도록 병합하는 단계는,
    상기 스케줄링 시 산출된 적어도 하나의 센서 노드 또는 전체 센서 노드의 데이터 전송량이 기설정된 임계값 이상인 경우 상기 활성화 타임슬롯의 병합을 처리하는, 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 활성화 타임슬롯을 할당하여 스케줄링하는 단계 이후에,
    상기 스케줄링 시 산출된 적어도 하나의 센서 노드 또는 전체 센서 노드의 데이터 전송량이 상기 임계값 미만인 경우, 상기 병합 처리없이 기설정된 듀티사이클에 따른 스케줄링 정보를 각 센서 노드로 제공하는 단계를 더 포함하는, 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 활성화 타임슬롯들을 연속되도록 병합하는 단계는,
    상기 데이터 전송량에 기초하여 상기 활성화 타임슬롯의 병합을 처리할 주기의 개수 및 상기 병합을 적용할 시작점을 결정하는, 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    스케줄링 정보를 각 센서 노드로 전송하는 단계 이전에,
    상기 병합된 활성화 타임슬롯의 스케줄에 대응하도록 송신 타임슬롯을 할당하여 스케줄링하는 단계를 더 포함하며,
    상기 병합된 활성화 타임슬롯 및 상기 할당된 송신 타임슬롯의 정보를 포함하는 상기 스케줄링 정보를 각 센서 노드로 전송하며,
    상기 송신 타임슬롯은 상기 활성화 타임슬롯이 할당된 적어도 하나의 수신 센서 노드로 데이터를 전송하는 송신 센서 노드에 대해 할당된 것인, 무선 네트워크의 데이터 전송 방법.
  12. 중앙집중형 사물인터넷(centralized Internet of Things) 환경에서 적어도 하나의 센서 노드를 거쳐 모든 센서 노드로부터의 데이터를 수신하는 중앙 센서 노드에 있어서,
    상기 사물인터넷에 포함된 다른 센서 노드와의 데이터 송수신을 처리하는 통신 모듈;
    상기 사물인터넷에 포함된 복수의 센서 노드들에 대해 듀티사이클을 적용한 스케줄링 및 활성화 타임슬롯 병합을 처리하는 프로그램이 저장된 메모리; 및
    상기 메모리에 저장된 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하며,
    상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 대응하여, 상기 복수의 센서 노드 별로 기설정된 듀티사이클에 따른 주기마다 다른 센서 노드로부터 데이터를 수신하는 활성화 타임슬롯을 할당하여 스케줄링하고, 기설정된 기준에 기초하여 활성화 타임슬롯에 대한 병합 처리가 결정되면 상기 복수의 센서 노드 별로 상기 듀티사이클의 둘 이상의 주기에 할당된 둘 이상의 활성화 타임슬롯들을 시간적으로 연속되도록 병합하고, 상기 병합된 활성화 타임슬롯이 적용된 스케줄링 정보를 상기 다른 센서 노드로 전송하며,
    상기 병합된 활성화 타임슬롯이 적용된 스케줄링 정보에 따라, 상기 센서 노드 별로 상기 둘 이상의 주기 내에 상기 연속된 둘 이상의 활성화 타임슬롯 동안 활성화 상태가 유지되고,
    상기 프로세서는,
    상기 병합된 활성화 타임슬롯의 스케줄에 대응하도록 송신 타임슬롯을 할당하여 스케줄링하고, 상기 병합된 활성화 타임슬롯 및 상기 할당된 송신 타임슬롯의 정보를 포함하는 상기 스케줄링 정보를 상기 다른 센서 노드로 전송하되,
    중앙 센서 노드로 향하는 데이터 전송 경로 상에 위치하는 센서 노드들 중 동일한 센서 노드로 데이터를 전송하는 둘 이상의 센서 노드들에 대해서는 상기 송신 타임슬롯이 중복되지 않도록 스케줄링하며,
    상기 송신 타임슬롯은 상기 활성화 타임슬롯이 할당된 적어도 하나의 수신 센서 노드로 데이터를 전송하는 송신 센서 노드에 대해 할당된 것인, 중앙 센서 노드.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 활성화 타임슬롯을 할당하는 스케줄링 시 산출된 적어도 하나의 센서 노드 또는 전체 센서 노드의 데이터 전송량이 기설정된 임계값 이상인 경우 상기 활성화 타임슬롯의 병합을 처리하며, 상기 임계값 미만인 경우 상기 병합 처리없이 기설정된 듀티사이클에 따른 스케줄링 정보를 각 센서 노드로 제공하는, 중앙 센서 노드.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 데이터 전송량에 기초하여 상기 활성화 타임슬롯의 병합을 처리할 둘 이상의 주기의 개수 및 상기 병합을 적용할 시작점을 결정하는, 중앙 센서 노드.
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