KR102089113B1 - Congestion control method at large scale crop management system based on wireless multimedia sensor network - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ICT 기반 대규모 재배 시스템에서 다양한 스칼라 센싱 데이터뿐만 아니라 이미지 정보를 효율적으로 전송할 수 있는 개선된 응용 프로토콜을 제안하고, 이미지 정보의 서비스 품질을 보장하기 위해서 네트워크 프로토콜과의 상호 작용에 대해 정의한다.
본 발명에 의하면, 이미지 전송 효율을 향상시키고 PSNR 성능을 개선한다.
The present invention proposes an improved application protocol that can efficiently transmit image information as well as various scalar sensing data in a large-scale cultivation system based on ICT, and defines interactions with network protocols to ensure the quality of service of image information. .
According to the present invention, image transmission efficiency is improved and PSNR performance is improved.

Description

ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스품질(QoS) 보장형 이미지 전송 방법{CONGESTION CONTROL METHOD AT LARGE SCALE CROP MANAGEMENT SYSTEM BASED ON WIRELESS MULTIMEDIA SENSOR NETWORK}Service quality (QoS) guaranteed image transmission method in large-scale cultivation system based on ICT {CONGESTION CONTROL METHOD AT LARGE SCALE CROP MANAGEMENT SYSTEM BASED ON WIRELESS MULTIMEDIA SENSOR NETWORK}

본 발명은 ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스품질(QoS) 보장형 이미지 전송 프로토콜에 관한 것이다.
The present invention relates to a quality of service (QoS) guaranteed image transmission protocol in a large-scale cultivation system based on ICT.

ICT(Information and Communications Technology) 기술을 대규모 온실이나 노지의 작물 생장 환경에 적용하여 생산 효율성을 높이고 자연 재해나 병해충에 의한 농작물 피해를 줄일 수 있는 시스템에 대한 연구가 국내외에서 활발하게 진행되고 있다. Research on systems that can increase production efficiency and reduce crop damage caused by natural disasters or pests by applying ICT (Information and Communications Technology) technology to large-scale greenhouses or open-field crop growth environments has been actively conducted at home and abroad.

대규모 온실에서의 작물 재배 환경은 온/습도, CO2 등의 간단한 수치 데이터뿐만 아니라 CCTV나 카메라로 받아오는 이미지 데이터가 존재한다. 이미지 데이터는 단순 스칼라 데이터와는 달리, 데이터 크기가 상대적으로 크고, 지연에 민감한 특성이 있다. ICT 기반 대규모 재배 시스템은 기본적으로 재배 환경 및 생장에 관련된 정보를 수집하는 다양한 센서들로 구성된다. 최근에는 병충해 진단 및 생산량 예측을 위하여 이미지 및 영상 정보를 캡처할 수 있는 멀티미디어 센서들의 배치가 증가하고 있다. Cultivation in large scale greenhouse environment on / humidity, as well as simple numerical data, such as CO 2 is present, the image data received by CCTV and the camera comes. Unlike simple scalar data, image data has a relatively large data size and delay-sensitive characteristics. ICT-based large-scale cultivation system basically consists of various sensors that collect information related to the cultivation environment and growth. Recently, the deployment of multimedia sensors capable of capturing image and image information for the diagnosis and production of pests and pests has increased.

종래의 재배 관리 시스템은 온도, 습도 등의 재배 환경에 관련된 정보를 스칼라 형태의 환경 정보를 수집하고, 이를 기반으로 단순 모니터링 서비스가 제공되고 있지만, 최근에는 정교하고 지능적으로 재배 환경을 제어하기 위하여 다양한 센서 및 액추에이터가 배치되었다. 이러한 다양한 센서 등의 배치가 증대됨에 따라, ICT 기반 재배 시스템에서 전송되는 트래픽 패턴에도 변화가 발생하게 되고, 특히 이미지 등 멀티미디어 정보를 효율적으로 전송할 수 있는 메커니즘이 추가되어야 한다. Conventional cultivation management system collects environmental information in the form of scalar for information related to the cultivation environment such as temperature and humidity, and a simple monitoring service is provided based on this, but recently, a variety of sophisticated and intelligent control of the cultivation environment is provided. Sensors and actuators were deployed. As the arrangement of various sensors and the like increases, a change occurs in the traffic pattern transmitted from the ICT-based cultivation system, and in particular, a mechanism for efficiently transmitting multimedia information such as images must be added.

무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network : WSN) 기반 재배관리 시스템에서 효율적인 이미지 전송에 어려움이 있다. 그 원인은 대용량 데이터 처리 및 전송에 적합하지 않은 이미지 프로세싱 구조 및 통신 방식의 한계성에 기인한다. WSN은 저전력 무선통신을 기반으로 동작하므로 무선 링크 상태가 상대적으로 불안정하므로 전송 오류 발생 가능성이 높기 때문에 패킷 오류율이 높은 편이다. 또한 특정 이벤트의 발생시 트래픽이 급격히 증가하기 때문에 혼잡이 발생하여 많은 데이터가 폐기되는 상황이 빈번히 발생한다. 중요한 데이터의 경우 전송 오류가 발생하거나 혼잡에 의해 폐기되는 패킷에 대해서 재전송이 필요하다. 따라서 재전송에 기인한 에너지 효율이 낮아지고, 자원을 비효율적으로 이용하게 되는 문제점이 발생한다.In a wireless sensor network (WSN) based cultivation management system, there is a difficulty in efficient image transmission. The cause is due to the limitations of the image processing structure and communication method, which are not suitable for large data processing and transmission. Since the WSN operates based on low-power wireless communication, the radio link state is relatively unstable, so the probability of transmission error is high, so the packet error rate is high. In addition, when a specific event occurs, traffic rapidly increases, and congestion occurs, so that a lot of data is discarded. In the case of important data, retransmission is required for packets that are discarded due to transmission errors or congestion. Therefore, the energy efficiency due to retransmission is lowered, and there arises a problem of using resources inefficiently.

따라서 WMSN 기반 이미지 정보 전송을 위한 에너지 효율적이고 서비스 품질을 보장하는 통신 구조 및 프로토콜이 필요하다.
Therefore, there is a need for a communication structure and protocol for energy-efficient and quality of service for WMSN-based image information transmission.

대한민국 공개특허 2010-0021057(2010.02.24)Republic of Korea Patent Publication 2010-0021057 (2010.02.24)

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일반적인 목적은 종래 기술에서의 한계와 단점에 의해 발생하는 다양한 문제점을 실질적으로 보완할 수 있는 ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스품질(QoS) 보장형 이미지 전송 프로토콜을 제공하기 위한 것이다.Therefore, the present invention was devised to solve the problems of the prior art as described above, and the general purpose of the present invention is ICT-based large-scale cultivation that can substantially compensate for various problems caused by limitations and disadvantages in the prior art. The system is to provide a quality of service (QoS) guaranteed image transmission protocol.

본 발명의 보다 구체적인 다른 목적은 ICT 기반 대규모 재배 시스템에서 응용 계층 프로토콜에 의해 다양한 스칼라 센싱 데이터뿐만 아니라 이미지 정보(멀티미디어 데이터)를 효율적으로 전송하고, 네트워크 계층 프로토콜과의 상호 작용에 의해 이미지 정보(멀티미디어 데이터)의 서비스 품질을 보장할 수 있는 ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스품질(QoS) 보장형 이미지 전송 방법을 제공하기 위한 것이다. Another specific object of the present invention is to efficiently transmit various scalar sensing data as well as image information (multimedia data) by an application layer protocol in a large-scale cultivation system based on ICT, and image information (multimedia) by interaction with a network layer protocol. Data) to provide a service quality (QoS) guaranteed image transmission method in a large-scale cultivation system based on ICT that can guarantee service quality.

이를 위해 본 발명은 ICT 기반 대규모 재배 시스템에서 다양한 스칼라 센싱 데이터뿐만 아니라 이미지 정보(멀티미디어 데이터)를 효율적으로 전송할 수 있는 개선된 응용 계층 프로토콜을 제안하고, 멀티미디어 데이터의 서비스 품질(지연 및 오류율)을 보장하기 위해서 네트워크 계층 프로토콜과의 상호 작용에 대해 정의한다. To this end, the present invention proposes an improved application layer protocol capable of efficiently transmitting image information (multimedia data) as well as various scalar sensing data in a large-scale cultivation system based on ICT, and guarantees service quality (delay and error rate) of multimedia data. In order to do so, it defines the interaction with the network layer protocol.

시뮬레이션 방법을 통한 성능분석 결과에 의하면, 본 발명에서 제안한 메커니즘이 이미지 전송의 효율을 향상시키고, PSNR 성능을 개선시키는 것으로 나타났다.
According to the results of the performance analysis through the simulation method, it was found that the mechanism proposed in the present invention improves the efficiency of image transmission and improves PSNR performance.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스품질(QoS) 보장형 이미지 전송 프로토콜을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션의 네트워크 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 평균 패킷 지연 시간 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 패킷 손실율 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 PSNR 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a flowchart illustrating a quality of service (QoS) guaranteed image transmission protocol in an ICT-based large-scale cultivation system according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a network configuration of a simulation according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing an average packet delay time result.
4 is a graph showing packet loss rate results.
5 is a graph showing PSNR comparison results.

WSN에서 이미지 등 멀티미디어 정보의 효율적인 전송이 어려운데, 그 이유는 다음과 같은 두 가지 원인에 기인한다.Efficient transmission of multimedia information such as images is difficult in WSN due to the following two reasons.

첫째, WSN은 저전력 무선통신을 기반으로 동작되므로, 무선 링크 상태가 상대적으로 불안정하므로 전송 오류 발생 가능성이 높기 때문에 패킷 오류율이 높은 편이다. 이미지는 여러개의 패킷의 순서적인 결합에 의해 정확히 재생될수 있는데, 높은 패킷 오류율은 수신측에서 적절한 이미지 재생을 어렵게 한다.First, since the WSN is operated based on low-power wireless communication, since the radio link state is relatively unstable, the probability of transmission error is high, so the packet error rate is high. The image can be accurately reproduced by the sequential combination of multiple packets, and the high packet error rate makes it difficult for the receiver to properly reproduce the image.

둘째, WSN은 상대적으로 혼잡 발생 가능성이 높다. 노드의 밀집도가 매우 높기 때문에 특정 이벤트의 발생시 다수의 센서 노드가 이벤트를 감지하여 동시에 트래픽을 전송한다. 따라서 순간적으로 트래픽이 급격히 증가하기 때문에 혼잡이 발생하여 상당수 패킷이 폐기되는 상황이 빈번히 발생한다. Second, WSN is relatively prone to congestion. Because the density of nodes is very high, when a specific event occurs, multiple sensor nodes detect the event and transmit traffic at the same time. Therefore, the traffic is rapidly increased instantaneously, and congestion occurs, and a situation in which a large number of packets are discarded frequently occurs.

WSN에서 효율적인 이미지 전송을 위해서 통신 프로토콜이 지원하여야 할 요구조건은 다음과 같다.The requirements that a communication protocol must support for efficient image transmission in WSN are as follows.

○ 이미지 재생에 요구되는 수준의 신뢰성과 서비스 품질을 보장해야 한다.○ The level of reliability and quality of service required for image reproduction must be guaranteed.

○ 이미지 정보의 신뢰성을 제공하기 위해서는 오류 또는 손실된 패킷에 대해 재전송 메커니즘이 필요하다.○ In order to provide reliability of image information, a retransmission mechanism is required for errors or lost packets.

○ WSN 이 메모리 등 자원의 제약이 있으므로 hop-by-hop 재전송 방식보다는 종단간 응용 프로토콜 차원에서 재전송을 수행하도록 한다.○ Because WSN has resource limitations such as memory, retransmission is performed at the end-to-end application protocol level rather than hop-by-hop retransmission.

○ 네트워크 계층에서는 데이터의 중요성에 따라 차별적으로 처리하는 QoS 보장 메커니즘을 지원하여야 한다.○ At the network layer, the QoS guarantee mechanism, which is differentiated according to the importance of data, must be supported.

○ 네트워크의 혼잡이 발생했을 때 이미지 패킷 등 우선순위가 높은 정보에 대해서 우선적으로 전달하는 기능을 포함하여야 한다. ○ When a network congestion occurs, it should include a function that preferentially delivers information of high priority such as image packets.

○ 재전송 프로토콜은 자원 제약이 없는 싱크 노드에서는 복잡한 기능을 수행하고, 센서 노드에서는 최소한의 기능만을 수행하도록 하는 비대칭 형태의 구조를 가져야 한다.○ The retransmission protocol must have an asymmetrical structure that performs complex functions in the sink node without resource constraints and performs minimal functions in the sensor node.

○ CPU 성능 등 컴퓨팅 자원이 부족하며, 배터리 공급 및 교체가 어려운 WSN 상황을 고려하여 통신 프로토콜은 에너지 효율성이 높아야 하고, 프로토콜 구현은 최적화되어야 한다. ○ In consideration of the WSN situation in which computing resources such as CPU performance are insufficient and battery supply and replacement are difficult, the communication protocol must be high in energy efficiency and the protocol implementation should be optimized.

따라서 WSN에서 이미지 전송을 위해서 네트워크 계층 등 통신 프토콜에 추가적인 메커니즘이 필요하다. Therefore, additional mechanisms are needed for communication protocols such as the network layer for image transmission in WSN.

본 발명에서는 신뢰성 있는 이미지 전송을 위한 통신 프로토콜의 요구조선을 분석하고, 이를 토대로 네트워크 계층과 응용 계층의 기능을 정의하고, 개선된 프로토콜을 제안한다. 제안한 프로토콜의 성능분석은 시뮬레이션 방법을 이용한다.
The present invention analyzes the requirements of a communication protocol for reliable image transmission, defines the functions of the network layer and application layer based on this, and proposes an improved protocol. The simulation method is used to analyze the performance of the proposed protocol.

2. 2. QoSQoS 보장형 이미지 전송 프로토콜 제안 Proposed image transmission protocol

2.1 각 계층 프로토콜의 기능 정의2.1 Function definition of each layer protocol

(1) 응용 계층 프로토콜 기능(1) Application layer protocol function

응용 계층 프로토콜은 네트워크 계층에서 제공되는 서비스를 이용하여, 통신을 수행하는 두 종단 지점의 응용 프로세스간의 신뢰성 있는 정보 전송 기능을 지원한다. WSN의 이미지 정보 전송 관점에서의 응용 프로토콜의 역할은 이미지 정보를 캡처하는 이미지 센서와 이미지 정보를 수집하는 싱크노드의 응용 프로세스간에 모든 이미지 정보를 순서에 맞게 오류 없이 송수신하는 기능을 수행한다. WSN은 센서 노드들간의 무선을 통해 정보를 전달하고, 전송률이 상대적으로 낮기 때문에 이미지 정보 전체를 한번에 전송하는 것을 불가능하다. 따라서, 송신측에서는 하나의 이미지 정보를 여러 개의 패킷으로 분할하고, 각 분할된 패킷을 독립적으로 싱크 노드로 전송한다. 각각의 패킷은 분할된 이미지 정보 이외에 각 패킷의 순서를 나타내는 순서 번호 정보 및 오류 감지 정보 등 제어 정보가 추가로 부착된다. 이미지 정보의 최종 목적지인 싱크 노드에서는 수신된 패킷의 순서 번호 정보를 이용하여, 일정기간에 손실된 패킷에 대한 정보를 파악하여, 손실되거나 손상된 패킷들에 대해서 송신측에 재전송을 요청한다.The application layer protocol supports a reliable information transmission function between application processes of two end points performing communication by using a service provided at the network layer. The role of the application protocol in terms of transmitting image information of WSN is to transmit and receive all image information without error in order between the image sensor capturing the image information and the application process of the sink node collecting the image information. WSN transfers information over the air between sensor nodes, and since the transmission rate is relatively low, it is impossible to transmit the entire image information at once. Therefore, the transmitting side divides one image information into several packets, and each segmented packet is independently transmitted to the sink node. In addition to the segmented image information, control information such as sequence number information and error detection information indicating the order of each packet is additionally attached to each packet. The sink node, which is the final destination of the image information, uses the sequence number information of the received packet to grasp information about the packet that has been lost in a certain period, and requests retransmission of the lost or damaged packets to the transmitter.

WSN의 응용 계층은 신뢰성이 있는 정보 전송 이외에도 센싱 데이터를 중요도에 따라 분류하고, 데이터의 중요성에 따라 전송 정책을 결정하는 역할을 수행한다. WSN의 노드의 밀집도가 매우 높기 때문에 특정 이벤트를 인접 노드들이 중복으로 센싱할 가능성이 높고, 센서 노드는 그 역할에 따라 다양한 센서가 장착되어 있어, 센싱되는 데이터의 종류 및 특성이 매우 다양하다. 센서 노드의 자원 한계성 및 저속의 전송률을 고려할 때, 센싱된 데이터를 중요성과 특성에 맞게 차별적으로 전송하는 것이 효율적이다. 센싱 데이터의 분류는 일차적으로 스칼라 데이터와 멀티미디어 데이터로 분류한다.In addition to reliable information transmission, the application layer of WSN classifies sensing data according to importance and determines the transmission policy according to the importance of data. Since the density of WSN nodes is very high, there is a high possibility that adjacent nodes sense a specific event in duplicate, and the sensor node is equipped with various sensors according to its role, so the types and characteristics of the sensed data are very diverse. Considering the resource limit of the sensor node and the low data rate, it is efficient to transmit the sensed data differentially according to importance and characteristics. The classification of sensing data is primarily classified into scalar data and multimedia data.

스칼라 데이터는 온도, 습도 조도 등의 환경 정보를 의미하며, 단순한 수치 값으로 구성되므로, 데이터 용량이 상대적으로 적다. ,멀티미디어 데이터는 이미지, 사운드, 동영상 정보로서, 데이터 용량이 매우 크며, 일련의 값들이 상호 연관되어 정보를 표현한다. 또한 응용 계층 차원에서 소스노드와 싱크노드의 응용 계층 차원의 논리적인 연결(세션) 설정 여부에 따라 연결형 응용과 비연결형 응용으로 분류된다. 멀티미디어 정보는 일정 기간의 데이터가 상호 연관성이 크므로 논리적인 연결(세션)의 유지가 필요하다. 이에 반해 스칼라 데이터는 연결 유지가 필요없는 비연결형 서비스 형태이다.Scalar data means environmental information such as temperature and humidity, and is composed of simple numerical values, so the data capacity is relatively small. , Multimedia data is image, sound, and video information. The data capacity is very large, and a series of values are correlated to represent information. Also, at the application layer level, it is classified into a connected application and a connectionless application according to whether a logical connection (session) is established at the application layer level of the source node and the sink node. In multimedia information, it is necessary to maintain a logical connection (session) because data of a certain period is highly correlated. In contrast, Scala data is a connectionless service that does not require connection maintenance.

센싱된 데이터 특성을 고려하여 다음과 같은 네 가지 유형으로 분류한다.It is classified into the following four types in consideration of the sensed data characteristics.

○ 에너지 효율성 : best effort○ Energy efficiency: best effort

○ 신뢰성 보장형 : 지연에 민감하지는 않으나, 신뢰성 있는 데이터 전송이 요구됨○ Reliability type: It is not sensitive to delay, but requires reliable data transmission

○ 실시간 보장형 : 신뢰성은 크게 중요하지 않으나, 마감시간 내에 데이터 전송이 반드시 이루어져야 함○ Real-time guarantee: Reliability is not very important, but data must be transmitted within the deadline.

○ 신뢰성-실시간 보장형 : 높은 신뢰성뿐만 아니라 마감 시간 내에 전송해야 하는 중요한 데이터
○ Reliability-real-time guarantee type: High reliability as well as important data that must be transmitted within the deadline

(2) 네트워크 계층 프로토콜 기능(2) Network layer protocol function

네트워크 계층의 주된 역할을 소스 센서 노드로부터 목적지 노드(싱크 노드)까지 패킷의 전송 경로를 결정하고, 해당 경로를 통해 멀티-홉(multi-hop) 무선 통신을 통해 싱크노드로 전달하는 기능을 수행한다. 경로 설정의 네트워크 계층의 핵심 기능으로서, 지리적 특성, 링크 상태, 버퍼 점유율 등을 고려하여 목적지까지의 최적의 경로를 선택한다. 초기 WSN에서 경로 설정 및 패킷 전달시에 가장 중요하고 고려한 요소는 에너지 소비를 최소화하는 것이었다. 최근 들어 WSN 기능이 확장됨에 따라서 서비스 품질을 보장할 수 있는 메커니즘이 부각되고 있다. 특히 혼잡 상황이 발생할 가능성이 높기 때문에, 혼잡을 미리 방지하는 라우팅 기법과 혼잡이 발생할 때 중요한 패킷을 우선적으로 전달할 수 있는 기능에 요구가 더욱 커지고 있다. The main role of the network layer is to determine the transmission path of the packet from the source sensor node to the destination node (sink node), and perform the function of transferring the packet to the sink node through multi-hop wireless communication through the corresponding path. . As a core function of the network layer of routing, an optimal route to a destination is selected in consideration of geographical characteristics, link status, buffer occupancy, and the like. In the initial WSN, the most important and considered factor in routing and packet delivery was to minimize energy consumption. Recently, as the WSN function is expanded, a mechanism capable of guaranteeing service quality has emerged. In particular, since there is a high possibility of a congestion situation, there is a growing demand for a routing technique that prevents congestion in advance and a function capable of preferentially delivering important packets when congestion occurs.

따라서 네트워크 계층에서는 응용 계층에서 전달되는 패킷을 중요도와 네트워크 상태를 고려하여, 차별적인 서비스 품질을 보장하며, 전체 네트워크 에너지 효율성을 지원하면서 패킷을 싱크 노드로 전달한다. Therefore, in the network layer, the packets delivered from the application layer are considered in consideration of importance and network status, thereby guaranteeing a differentiated quality of service, and transmitting packets to the sink node while supporting overall network energy efficiency.

네트워크 계층에서는 패킷의 중요성에 따라 재전송 필요, 실시간 전송, 최선형 전송 등으로 구분할 수 있으며, 패킷의 중요성 판단은 응용계층에서 수행하고, 이 정보를 기반으로 네트워크 계층에서 패킷 중요도 분류 및 경로 설정에 반영한다. 패킷 전달 기능은 중계 노드에서 패킷을 목적지를 향해 전달하는 기능으로서 패킷의 중요도에 따라 차별화된 전달 정책(policy)을 적용할 수 있다. 만일 중계 노드에서 혼잡이 발생할 경우, 낮은 중요도를 갖는 패킷은 불가피하게 중간에서 폐기할 수도 있다. At the network layer, it can be classified into the need for retransmission, real-time transmission, and best transmission according to the importance of the packet, and the importance of the packet is determined at the application layer, and based on this information, it is reflected in the packet importance classification and routing at the network layer. . The packet forwarding function is a function of forwarding a packet to a destination at a relay node, and a differentiated delivery policy may be applied according to the importance of the packet. If congestion occurs at the relay node, packets with low importance may inevitably be discarded in the middle.

(3) 계층 간의 인터페이스 정의(3) Interface definition between layers

응용 계층과 네트워크 계층간에서 패킷 송수신을 위한 인터페이스는 연결형 서비스와 비연결형 서비스에 따라 두 가지 형태로 구분된다.The interface for packet transmission and reception between the application layer and the network layer is divided into two types according to a connected service and a connectionless service.

비연결형 서비스를 지원하기 위한 인터페이스는 다음과 같다.The interface for supporting a connectionless service is as follows.

○ CL_DATA_REQ○ CL_DATA_REQ

- 상태관리 없이 네트워크 계층에게 패킷 전송을 요청-Request packet transmission to network layer without state management

- 파라미터 : 패킷 내용, 데이터 중요도, 트래픽 유형-Parameters: packet content, data importance, traffic type

○ CL_DATA_IND○ CL_DATA_IND

- 상태관리 없이 응용 계층에게 패킷 수신을 통지-Notification of packet reception to application layer without state management

- 파라미터 : 패킷 내용, 데이터 중요도, 트래픽 유형-Parameters: packet content, data importance, traffic type

연결형 서비스를 지원하기 위한 인터페이스는 다음과 같다.The interface for supporting the connected service is as follows.

○ CO_DATA_REQ○ CO_DATA_REQ

- 두 응용 계층간의 논리적인 연결을 유지하고, 네트워크 계층에게 패킷 전송을 요청-Maintain logical connection between two application layers and request packet transmission from network layer

- 파라미터 : 패킷 내용, 연결 식별자, 데이터 중요도, 트래픽 유형-Parameters: packet content, connection identifier, data importance, traffic type

○ CO_DATA_IND○ CO_DATA_IND

- 두 응용 계층간의 논리적인 연결을 유지하고, 응용 계층에게 패킷 수신을 통지-Maintain a logical connection between the two application layers, and notify the application layer of packet reception

- 파라미터 : 패킷 내용, 연결 식별자, 데이터 중요도, 트래픽 유형-Parameters: packet content, connection identifier, data importance, traffic type

○ CO_DATA_RJT○ CO_DATA_RJT

- 싱크노드의 응용 계층에서 손실된 패킷에 대한 재전송을 요구하는 패킷 전송을 네트워크 계층에게 요청-Requests packet transmission from the application layer of the sink node to retransmit the lost packet to the network layer

- 파라미터 : 센서 노드 번호, 연결 식별자, 재전송 패킷 순서번호-Parameters: sensor node number, connection identifier, retransmission packet sequence number

○ CO_DATA_RTX○ CO_DATA_RTX

- 센서 노드의 네트워크 계층에서 응용 계층으로 전달되는 프리미티브로서, 싱크노드에서 재전송을 요구하는 패킷 수신을 통지-As a primitive transmitted from the network layer of the sensor node to the application layer, the sync node notifies the reception of a packet requesting retransmission

- 파라미터 : 센서 노드 번호, 연결 식별자, 재전송 패킷 순서번호
-Parameters: sensor node number, connection identifier, retransmission packet sequence number

2.2 이미지 전송을 위한 응용 프로토콜 2.2 Application protocol for image transmission

중요한 데이터의 경우 전송 오류가 발생하거나 혼잡에 의해 폐기되는 패킷에 대해서 재전송이 필요하다. 기존 WSN에 비해 WMSN에서 이미지 정보 전송의 필요성이 증대되고 있다. WMSN은 센서노드에 의해 상대적으로 데이터 크기가 큰 이미지, 사운드 등의 멀티미디어 정보가 생성된다. 이를 효율적으로 처리하고 전송하기 위해서는 더 많은 에너지가 소비된다. 멀티미디어 정보는 지연 및 오류율 등 서비스 품질을 보장하여 전송하여야만 정상적인 서비스를 제공할 수 있다. 따라서 서비스 품질을 보장하면서 네트워크 수명을 최대화하기 위해서 에너지 효율적인 멀티미디어 정보 처리 기능과 통신 프로토콜이 요구된다. 이미지 전송을 위한 통신 프로토콜은 센서 노드의 자원 한계성을 고려하여 응용 계층과 네트워크 계층간의 밀접한 상호작용이 필요하며, 프로토콜 구조는 cross layer 설계 모델을 통해 최적화되어야 한다.In the case of important data, retransmission is required for packets that are discarded due to transmission errors or congestion. The need for image information transmission in WMSN is increasing compared to the existing WSN. WMSN generates multimedia information such as images and sounds with relatively large data sizes by sensor nodes. More energy is consumed to efficiently process and transmit it. Multimedia information can be provided only when the quality of service such as delay and error rate is guaranteed and transmitted. Therefore, an energy efficient multimedia information processing function and a communication protocol are required to maximize network life while ensuring service quality. The communication protocol for image transmission requires close interaction between the application layer and the network layer considering the resource limitation of the sensor node, and the protocol structure should be optimized through the cross layer design model.

이미지 정보의 용량을 가능한 최소화시키기 위해서는 백그라운드 이미지에서 업데이트 된 오브젝트(object)를 추출하고, 추출된 업데이트 오브젝트 정보만을 전송하므로써 전송의 효율성과 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. WMSN 응용에서 카메라 모트는 고정된 뷰 프레임(view frame)을 가진다. 움직이는 오브젝트를 감지하기 위해서 백그라운드 서브트랙션(background subtraction) 기법을 이용한다. 즉, 현재 프레임과 배경이미지의 차이로부터 오브젝트를 감지하는 방법으로서, 배경이미지는 움직이는 물체 없이 정지된 카메라 뷰를 의미하며, 주기적(정기적)으로 업데이트 하며, 러닝 가우시안 평균(Running Gausian average) 기법을 이용한다.In order to minimize the capacity of the image information, it is possible to improve transmission efficiency and energy efficiency by extracting the updated object from the background image and transmitting only the extracted update object information. In WMSN applications, the camera mot has a fixed view frame. In order to detect moving objects, a background subtraction technique is used. That is, as a method of detecting an object from a difference between a current frame and a background image, the background image means a stationary camera view without a moving object, updates periodically (periodically), and uses a running Gausian average technique. .

(1) 제어 메시지 정의(1) Control message definition

○ image packet (sensor -> sink)○ image packet (sensor-> sink)

- 목적 : 실제 이미지 데이터를 전송하는 메시지-Purpose: A message that transmits real image data

- 파라미터 : Packet ID, Image data 정보, CRC 정보-Parameters: Packet ID, Image data information, CRC information

○ camera setup (sink -> sensor)○ camera setup (sink-> sensor)

- 목적 : 센서 노드의 카메라 설정 정보를 지정-Purpose: To specify the camera setting information of the sensor node

- 파라미터 : camera 설정 정보 관련 파라미터-Parameters: parameters related to camera setting information

○ image query (sink -> sensor)○ image query (sink-> sensor)

- 목적 : 이미지에 대한 요약 정보를 요청하는 메시지-Purpose: A message requesting summary information about an image

- 파라미터 : Packet ID, Image data 정보, CRC 정보-Parameters: Packet ID, Image data information, CRC information

○ image summary (sensor -> sink)○ image summary (sensor-> sink)

- 목적 : image query 에 대한 응답으로 이미지 크기 등 이미지 특징에 대한 요약 정보를 전송하는 메시지-Purpose: A message that transmits summary information about image characteristics, such as image size, in response to an image query.

- 파라미터 : Image size 등 summary 정보-Parameters: summary information such as image size

○ ACK (sensor <-> sink)○ ACK (sensor <-> sink)

- 목적 : 메시지의 정상적인 수신에 대한 긍정확인 응답-Purpose: Affirmative response to normal receipt of message

- 파라미터 : Packet ID 등-Parameters: Packet ID, etc.

○ NACK (sensor <-> sink)○ NACK (sensor <-> sink)

- 목적 : 메시지 오류 발생 등 비정상적인 메시지 수신에 대한 부정응답, 재전송 요구 등-Purpose: Incorrect response to abnormal message reception, such as a message error, retransmission request, etc.

- 파라미터 : Packet ID 등-Parameters: Packet ID, etc.

○ Start-of-TX (sink -> sensor)○ Start-of-TX (sink-> sensor)

- 목적 : 이미지 데이터 전송의 시작을 요청하는 메시지-Purpose: A message requesting the start of image data transfer

- 파라미터 : Packet size 및 전송 정책 ID-Parameters: Packet size and transmission policy ID

○ End-of-TX (sink -> sensor)○ End-of-TX (sink-> sensor)

- 목적 : 이미지 데이터 전송 절차를 종료시키는 메시지-Purpose: To end the image data transfer procedure

- 파라미터 : 패킷 사이즈(Packet size) 및 전송 정책 ID
-Parameters: Packet size and transmission policy ID

(2) 메시지 전달 흐름 (2) Message delivery flow

이미지 전송을 위해서 첫 번째 해결해야 할 문제는 패킷 오류에 대한 민감성 문제이다. 특히 압축에서 중요한 부분에 해당되는 패킷의 손실은 싱크에서 이미지 재생하는데 상당한 문제점을 초래한다. 따라서, 응용 계층에서의 신뢰성 있는 전송 프로토콜이 요구된다. 모든 이미지 정보를 순서에 맞게 오류 없이 송수신하는 것이 필수적이다. 이미지 정보를 여러 개의 패킷으로 분할하고, 각 패킷에 번호(ID)를 부여하고, 또함 패킷 제어 정보 및 오류 감지 정보를 추가한다. 각 패킷을 순서에 맞게 전송한다. 이후 확인 응답 및 재전송 등의 절차를 포함한다.The first problem to be solved for image transmission is the sensitivity to packet errors. In particular, the loss of a packet corresponding to an important part of compression causes a significant problem in image reproduction in the sink. Therefore, a reliable transport protocol at the application layer is required. It is essential to send and receive all image information without error in order. The image information is divided into several packets, and a number (ID) is assigned to each packet, and additional packet control information and error detection information are added. Each packet is transmitted in order. After that, it includes procedures such as acknowledgment and retransmission.

기존 발명은 어느 특정 세션(session) 동안 하나의 센서 노드만이 이미지 데이터 전송이 가능하지만, 본 발명에서는 특정 시간대에 다수의 센서 노드가 동시에 이미지 정보 전송이 가능하다. In the conventional invention, only one sensor node can transmit image data during a specific session, but in the present invention, multiple sensor nodes can simultaneously transmit image information at a specific time.

이미지 정보를 획득하고, 싱크로 전송할 필요가 있다고 판단한 센서 노드는 이미지 요약 메시지를 싱크 노드로 전송한다. 이미지 요약 메시지를 수신한 센서 노드는 이미지 요약 정보와 현재의 네트워크 상태를 파악하여 이미지 정보 수신이 필요하다고 판단되면, 이미지 요청 메시지를 통해 응답한다. 이미지 요청 메시지를 수신한 센서 노드는 적절한 크기 패킷으로 분할하여 순차적으로 이미지 정보를 싱크 노드로 전송한다. 이미지 정보를 수신한 싱크 노드는 오류가 발생하거나, 순서가 빠진 패킷에 대해 재전송 정보를 센서 노드에게 전송한다. 이때 필요에 따라 싱크 노드에서 일정한 갯수의 패킷에 대해 긍정응답을 전송할 수 있다.The sensor node that acquires the image information and determines that it is necessary to transmit to the sink sends an image summary message to the sink node. Upon receiving the image summary message, the sensor node grasps the image summary information and the current network status, and when it is determined that image information reception is necessary, responds through the image request message. The sensor node receiving the image request message is divided into appropriate size packets and sequentially transmits image information to the sink node. The sink node receiving the image information transmits retransmission information to the sensor node for an error or out-of-order packet. At this time, if necessary, an acknowledgment can be sent to a certain number of packets at the sink node.

분할된 이미지 패킷의 전송이 완료되면, 싱크 노드는 이미지 전송 완료 메시지를 전송하여 이미지 전송 세션을 완료한다.
When the transmission of the segmented image packet is completed, the sink node transmits an image transmission completion message to complete the image transmission session.

2.3 이미지 전송을 위한 네트워크 프로토콜2.3 Network protocol for image transmission

네트워크 계층에서는 응용 계층에서 판단한 패킷의 중요성을 토대로 패킷에 품질 레벨을 마킹한다. 이 부분은 패킷 마킹 알고리즘[~]을 기반으로 한다. 품질 레벨은 그린(Green), 옐로우(Yellow), 레드(Red)의 3단계로 분류되고[~] 각각의 품질 레벨이 의미하는 것은 다음과 같다.At the network layer, the quality level is marked on the packet based on the importance of the packet determined by the application layer. This part is based on the packet marking algorithm [~]. The quality level is classified into three levels: green, yellow, and red [~]. Each quality level is as follows.

○ 그린 패킷(Green Packet) - 가장 높은 중요도를 가지며 높은 신뢰성과 실시간을 보장받아야 하는 패킷을 의미한다. 링크 품질을 최우선으로 경로를 설정한다.○ Green Packet-means a packet that has the highest importance and should be guaranteed with high reliability and real time. Set the path with link quality as the top priority.

○ 옐로우 패킷(Yellow Packet) - 중간 단계의 중요도를 가지며 링크 품질과 버퍼 점유율 등을 적당한 수준으로 고려하여 경로를 설정한다.○ Yellow Packet-It has an intermediate level of importance and considers link quality and buffer occupancy at an appropriate level to establish a route.

○ 레드 패킷(Red Packet) - 중요도가 가장 낮은 단계의 패킷에 마킹되는 품질 레벨이다. 링크 품질이 낮더라도 전송 가능하며 혼잡 상황 발생 시 상황에 따라 버려질 수도 있다.○ Red Packet-This is the quality level marked on the packet with the lowest importance. Even if the link quality is low, it can be transmitted and may be discarded depending on the situation when congestion occurs.

이미지나 영상, 사운드 같은 멀티미디어 데이터의 경우 그린으로 마킹되고 온도, 습도, 조도 등과 같은 스칼라 데이터는 레드로 마킹 될 수 있다. 각각의 센서 노드의 분류기에서 해당 패킷의 중요도에 따라 패킷 우선순위 필드(Priority Field)에 품질 레벨을 마킹하고 마킹된 패킷에 따라 차별적인 라우팅 정책을 반영하여 싱크노드 까지 경로를 설정한다.In the case of multimedia data such as images, videos, and sounds, green data may be marked, and scalar data such as temperature, humidity, and illuminance may be marked in red. In the classifier of each sensor node, the quality level is marked in the packet priority field according to the importance of the corresponding packet, and a differentiated routing policy is reflected according to the marked packet to set the path to the sink node.

3. 이미지 전송 프로토콜 성능분석3. Performance analysis of image transmission protocol

3.1 시뮬레이션 구성3.1 Simulation Configuration

도 2는 시뮬레이션의 네트워크 토폴로지를 보여준다. 10x10 정사각형 배열의 구조로 100개의 노드로 구성되며 노드들 사이의 거리는 1m로 설정한다. 노드의 종류로는 싱크노드, 소스노드, 중계노드, 백그라운드 트래픽 노드로 분류된다. 싱크 노드는 모든 패킷들의 목적지 노드로서 각각의 노드들이 센싱한 데이터를 수집하여 분석하고 패킷에 문제가 있을 경우 재전송을 요청한다. 소스노드는 이미지 센서가 장착된 노드로서 이미지 데이터를 일정한 크기의 패킷으로 나누어 주기적으로 전송한다. 싱크노드로부터 가장 멀리 떨어진 노드로 설정한다. 중계노드는 이웃노드로부터 받은 데이터 차별적인 경로 설정으로 싱크노드 까지 전송한다. 백그라운드 트래픽 노드는 네트워크 망의 상태를 조절하기 위한 노드로서 패킷 생성 주기를 조절하면서 네트워크 망의 혼잡도를 제어한다. 시뮬레이션의 모든 노드들은 싱크노드로 전송하기 위하여 근접한 위쪽, 왼쪽으로만 전송이 가능하도록 한다.2 shows the network topology of the simulation. The structure of 10x10 square array is composed of 100 nodes, and the distance between nodes is set to 1m. The types of nodes are classified into sink node, source node, relay node, and background traffic node. The sink node is a destination node of all packets, collects and analyzes data sensed by each node, and requests retransmission when there is a problem with the packet. The source node is a node equipped with an image sensor and periodically transmits image data in packets of a certain size. Set the node farthest from the sink node. The relay node transmits data to the sink node by setting the differential path of data received from the neighbor node. The background traffic node is a node for adjusting the state of the network, and controls the congestion of the network while adjusting the packet generation cycle. In order to transmit all nodes in the simulation to the sink node, it is possible to transmit only the upper and the left adjacent.

3.2 시뮬레이션 환경3.2 Simulation Environment

[표 1]은 시뮬레이션에서 사용된 파라미터들을 나타낸다. 시뮬레이션은 Visual Studio 2010 환경에서 수행되었고, 시뮬레이션 프로그램은 C++을 이용하였다. 싱크 노드는 (0, 0)으로 설정하고 소스노드는 (10, 10)으로 설정한다. 네트워크 망의 상태를 조절하기 위한 백그라운드 트래픽 노드들은 네트워크가 사각형이라 가정할 때 오른쪽 변과 밑변에서 소스노드를 제외한 노드들이 해당된다. 네트워크 영역에 존재하는 나머지 노드들은 중계노드의 역할을 수행한다. 전송 범위는 1M로 설정한다. 각 노드들 사이에는 링크 품질을 의미하는 링크 코스트 값이 존재한다. 링크 코스트 값은 범위내의 랜덤한 값(1.0~2.0사이 0.01단위)으로 설정하였고, 링크 코스트 값에 따라 전송 시간에 차이가 존재한다. 링크코스트가 1.0일 경우 전송시간은 0.96ms 이고 2.0일 경우 1.92ms의 전송시간을 가진다. 노드들의 초기 에너지 값은 1000000 (1J)로 설정한다. 소비되는 에너지 값으로 전송 시 185uj, 수신 시 83uj, 충돌 대기 시 15uj가 있으며 싱크노드는 에너지의 소비가 없도록 설정한다.Table 1 shows the parameters used in the simulation. The simulation was performed in the Visual Studio 2010 environment, and the simulation program was performed using C ++. The sink node is set to (0, 0) and the source node is set to (10, 10). Background traffic nodes for controlling the state of the network are nodes except the source node at the right and bottom sides, assuming the network is rectangular. The remaining nodes in the network area act as relay nodes. The transmission range is set to 1M. Between each node, a link cost value indicating link quality exists. The link cost value was set to a random value in the range (between 1.0 and 2.0 in 0.01 units), and there is a difference in transmission time according to the link cost value. When the link cost is 1.0, the transmission time is 0.96 ms, and when it is 2.0, the transmission time is 1.92 ms. The initial energy values of the nodes are set to 1000000 (1J). The energy value is 185uj for transmission, 83uj for reception, and 15uj for waiting for collision.

시뮬레이션에 사용된 변수와 설정 값Variables and setting values used in simulation 매개변수parameter 설정 값Setting value 네트워크 크기Network size (0, 0) ~ (10, 10)(0, 0) ~ (10, 10) 싱크 노드Sink node (0, 0)(0, 0) 소스 노드Source node (99, 99)(99, 99) 백그라운드 트래픽 노드Background traffic node (90, 90) ~ (97, 97)
(9, 9) ~ (79, 79)
(90, 90) ~ (97, 97)
(9, 9) ~ (79, 79)
노드의 수Number of nodes 100100 전송 범위Transmission range 1M1M 패킷 크기Packet size 16바이트, 256바이트16 bytes, 256 bytes 초기 노드 에너지Initial node energy 1J1J 전송 에너지 소모Transmission energy consumption 0.021Mj/Bit0.021Mj / Bit 수신 에너지 소모Energy consumption 0.014Mj/Bit0.014Mj / Bit 대기 에너지 소모Atmospheric energy consumption 64μJ64μJ 시뮬레이션 시간Simulation time 100MS100MS

3.3 시뮬레이션 결과 분석3.3 Analysis of simulation results

시뮬레이션은 미니멈 홉(Minimum Hop) 라우팅 프로토콜과 제안한 메커니즘의 평균 패킷 지연, 패킷 오류율, 데이터 처리량을 비교한다. 백그라운드 트래픽 노드의 패킷 생성 주기를 100ms부터 35ms까지 변경하며 실험하였다. 생성 주기가 100ms 일 때는 원활한 네트워크 상태를 나타내고 35ms 일 때는 아주 혼잡한 상태를 나타낸다. 소스노드는 100ms로 고정하였다. 재전송 방법으로는 hop-by-hop 재전송과 end-to-end 재전송 두 가지로 설정 가능하고 소스노드에서 전송하는 패킷은 16바이트와 256바이트 두 가지 경우로 설정 가능하도록 하였다.The simulation compares the minimum hop routing protocol with the average packet delay, packet error rate, and data throughput of the proposed mechanism. We experimented by changing the packet generation cycle of the background traffic node from 100ms to 35ms. When the generation cycle is 100ms, it shows a smooth network state and when it is 35ms, it shows a very congested state. The source node was fixed at 100 ms. As a retransmission method, hop-by-hop retransmission and end-to-end retransmission can be set. Packets transmitted from the source node can be set in two cases: 16 bytes and 256 bytes.

3.3.1 평균 패킷 지연(Average Packet Delay)3.3.1 Average Packet Delay

멀티미디어 데이터는 데이터 자체뿐만 아니라 적시 전송이 중요하다. 따라서 전송되는데 걸리는 지연 시간에 민감할 수밖에 없다. 패킷의 지연 시간은 데이터 패킷이 생성된 시간부터 도착지인 싱크노드에서 수신한 시간까지로 정하고 싱크노드에서 수신한 모든 패킷들의 지연 시간의 평균으로 평균 패킷 지연을 정의하였다. 도 3은 min hop 과 제안 메커니즘에서 시뮬레이션이 완료된 후 관찰된 평균 패킷 지연 시간을 보여준다. 실험 결과 제안한 프로토콜이 min hop 라우팅 프로토콜 보다 전체적으로 낮은 지연 시간을 가지는 것으로 나타난다. 제안한 프로토콜은 패킷 지연 시간이 평균적으로 36% 감소되었으며 QoS 차별성 보장을 검증하였다.Timely transmission of multimedia data is important as well as the data itself. Therefore, it is inevitable to be sensitive to the delay time it takes to transmit. The delay time of the packet was determined from the time the data packet was generated to the time received at the destination sink node, and the average packet delay was defined as the average of the delay times of all packets received at the sink node. 3 shows the average packet delay time observed after the simulation is completed in the min hop and proposed mechanism. Experimental results show that the proposed protocol has a lower overall latency than the min hop routing protocol. In the proposed protocol, packet latency is reduced by 36% on average, and QoS QoS guarantee is verified.

3.3.2 패킷 손실률(Packet Error Rate)3.3.2 Packet Error Rate

도 4는 패킷 손실율에 대하여 제안 메커니즘과 min hop 라우팅 프로토콜을 비교하여 나온 결과이다. min hop 라우팅 프로토콜로 이미지를 전송하였을 경우 네트워크 망의 상태가 70% 정도 혼잡할 때부터 패킷이 손실되기 시작하며 점점 증가하여 혼잡 상태가 85%가 되었을 때 이미지의 절반 이상의 패킷이 손실되는 것을 볼 수 있다. 반면에 제안 메커니즘을 적용하여 이미지를 전송하면 네트워크 망의 상태가 80%가 될 때까지 패킷이 손실되지 않고 패킷 손실률이 최대 93% 감소되는 효과를 볼 수 있었다. min hop 라우팅 프로토콜의 경우 모든 패킷들의 반복적인 최단경로 선택으로 인해 혼잡 상황에 매우 취약하다고 볼 수 있다. 하지만 제안 메커니즘은 분산된 패킷 라우팅으로 인해 혼잡이 발생하여 생기는 패킷 손실에 대한 네트워크 혼잡도의 한계치 상승 효과를 보였다. 이를 통해 제안 메커니즘이 패킷 손실률 평가에서 개선됨을 검증하였다.4 is a result of comparing the proposed mechanism and the min hop routing protocol for the packet loss rate. When the image is transmitted using the min hop routing protocol, packets start to be lost when the network status is congested by about 70%, and gradually increase, and when congestion reaches 85%, more than half of the images are lost. have. On the other hand, when the image is transmitted by applying the proposed mechanism, the packet loss rate is reduced by up to 93% until the network network status reaches 80%. The min hop routing protocol is very vulnerable to congestion due to the repeated shortest path selection of all packets. However, the proposed mechanism showed an effect of increasing the limit of network congestion on packet loss caused by congestion due to distributed packet routing. Through this, it was verified that the proposed mechanism was improved in the packet loss rate evaluation.

3.3.3 데이터 처리율(Data Throughput)3.3.3 Data Throughput

데이터 처리율은 재배 관리 시스템의 이미지 전송을 하는 목적을 위해서 중요한 평가 기준이다. 소스노드에서 작물의 RGB 이미지를 센싱하였다고 가정한 원본 이미지와 싱크노드가 수신한 이미지를 PSNR 수식을 통해 비교하였다. 도 5는 실험 결과를 보여준다. PSNR 값은 원본과 차이가 없을 경우 무한대가 되지만 결과 그래프는 무한대를 표기할 수 없으므로 편의상 최대치를 50dB로 잡았다. 그래프를 보면 min hop 라우팅 프로토콜의 PSNR은 네트워크 혼잡도가 60% 이상이 되면 점점 줄어들어 20dB 이하로 감소한다. 반면에 제안 메커니즘은 75% 네트워크 혼잡도까지 원본 영상과 차이가 없다가 85% 혼잡도부터 20% 이하로 감소한다. 시뮬레이션을 통해 데이터 처리가 완벽하게 되는 네트워크 혼잡도 한계치는 15% 개선되었고 제안한 프로토콜이 이미지 전송에 적합하다는 것을 확인하였다. Data throughput is an important evaluation criterion for the purpose of image transfer of the cultivation management system. The original image assuming that the RGB image of the crop was sensed by the source node and the image received by the sink node were compared using the PSNR formula. 5 shows the experimental results. The PSNR value is infinite if there is no difference from the original, but the resulting graph cannot be expressed infinity, so the maximum value is set to 50 dB for convenience. Looking at the graph, the PSNR of the min hop routing protocol gradually decreases when the network congestion exceeds 60% and decreases below 20dB. On the other hand, the proposed mechanism does not differ from the original video up to 75% network congestion, but decreases from 85% congestion to 20% or less. Through simulation, it was confirmed that the network congestion limit for perfect data processing was improved by 15% and the proposed protocol was suitable for image transmission.

본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체를 포함한다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.Embodiments of the present invention include computer readable media including program instructions for performing various computer-implemented operations. Computer-readable media may include program instructions, local data files, local data structures, or the like alone or in combination. The media may be specially designed and constructed for the present invention, or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs, DVDs, magnetic-optical media such as floptical discs, and ROM, RAM, flash memory, etc. Hardware devices specifically configured to store and execute the same program instructions are included. Examples of program instructions include high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc., as well as machine language codes produced by a compiler.

한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다.On the other hand, in the detailed description of the present invention and the accompanying drawings, specific embodiments have been described, but the present invention is not limited to the disclosed embodiments and the technical spirit of the present invention can be understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Various substitutions, modifications and changes are possible without departing from the scope.

Claims (1)

(i) ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스 품질 보장형 이미지 전송을 위한 통신 프로토콜을 응용 계층 프로토콜 및 네트워크 계층 프로토콜로 구분하는 단계;
(ii) 상기 응용 계층 프로토콜에 의해 송신측에서 소스 센서 노드로부터 송신할 다수의 센싱 데이터를 상대적으로 데이터 용량이 적은 스칼라 데이터 및 상대적으로 용량이 큰 멀티미디어 데이터로 분류하는 단계:
(iii) 상기 네트워크 계층 프로토콜에 의해 지리적 특성, 링크 상태, 버퍼 점유율을 고려하여 싱크 노드까지의 최적의 경로를 선택하여 상기 소스 센서 노드로부터 상기 싱크 노드까지 패킷의 전송 경로를 결정하는 단계;
(iv) 상기 응용 계층 프로토콜에 의해 상기 송신측에서 상기 멀티미디어 데이터를 여러 개의 패킷으로 분할하고, 상기 분할된 각 패킷을 상기 네트워크 계층 프로토콜과의 상호 작용에 의해 단계 (iii)에서 상기 네트워크 계층 프로토콜에 의해 결정된 상기 패킷의 전송 경로를 따라 hop-by-hop 재전송 방식 또는 end-to-end 재전송 방식으로 독립적으로 싱크 노드로 전송하되, 각각의 패킷은 분할된 멀티미디어 데이터와 각 패킷의 순서를 나타내는 순서번호정보 또는 오류감지정보를 포함하는 제어정보가 부착되도록 하는 단계; 및
(v) 상기 응용 계층 프로토콜에 의해 멀티미디어 데이터의 최종 목적지인 싱크 노드에서 수신된 패킷의 순서 번호 정보를 이용하여 일정 기간에 손실된 패킷에 대한 정보를 파악하여 손실되거나 손상된 패킷들에 대해 상기 송신측에 재전송을 요청하는 단계를 포함하며,
단계 (iv)는 상기 멀티미디어 데이터에 포함된 백그라운드 이미지와 현재 프레임의 차이를 기초로 하여 상기 백그라운드 이미지에서 업데이트된 오브젝트를 감지 및 추출하여 전송하는 단계를 포함하며,
단계 (v)는 상기 싱크 노드의 응용 계층에서 파라미터로서 센서 노드 번호, 연결 식별자, 및 재전송 패킷 순서번호를 구비한 CO_DATA_RJT를 상기 송신측에 송신함으로써 상기 손실된 패킷에 대한 재전송을 요구하는 패킷 전송을 네트워크 계층에게 요청하는 단계; 및 상기 송신측에 의해 파라미터로서 센서 노드 번호, 연결 식별자, 및 재전송 패킷 순서번호를 구비한 CO_DATA_RTX를 송신함으로써 상기 소스 센서 노드의 네트워크 계층에서 상기 응용 계층으로 전달되는 프리미티브로서, 상기 싱크 노드에서 재전송을 요구하는 패킷 수신을 통지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스품질(QoS) 보장형 이미지 전송 방법.
(i) classifying a communication protocol for quality of service guarantee image transmission in an ICT-based large-scale cultivation system into an application layer protocol and a network layer protocol;
(ii) classifying a plurality of sensing data to be transmitted from the source sensor node at the transmitting side by the application layer protocol into scalar data having a relatively small data capacity and multimedia data having a relatively large capacity:
(iii) determining a transmission path of a packet from the source sensor node to the sink node by selecting an optimal path to a sink node in consideration of geographic characteristics, link status, and buffer occupancy by the network layer protocol;
(iv) The multimedia data is divided into multiple packets at the transmitting side by the application layer protocol, and each of the divided packets is connected to the network layer protocol in step (iii) by interaction with the network layer protocol. Each packet is transmitted to the sink node independently by a hop-by-hop retransmission method or an end-to-end retransmission method along the transmission path of the packet determined by each packet. Allowing control information including information or error detection information to be attached; And
(v) By using the sequence number information of the packet received from the sink node, which is the final destination of multimedia data, by the application layer protocol, information on the packet lost in a certain period of time is identified to transmit the lost or damaged packets. It includes the step of requesting a retransmission,
Step (iv) includes detecting, extracting and transmitting the updated object from the background image based on the difference between the background image and the current frame included in the multimedia data, and transmitting the detected object.
Step (v) transmits a packet requesting retransmission for the lost packet by sending CO_DATA_RJT having a sensor node number, a connection identifier, and a retransmission packet sequence number as parameters in the application layer of the sink node to the transmitting side. Requesting the network layer; And a primitive transmitted from the network layer of the source sensor node to the application layer by transmitting CO_DATA_RTX having a sensor node number, a connection identifier, and a retransmission packet sequence number as parameters by the transmitting side. A method of transmitting a quality of service (QoS) -guaranteed image in a large scale cultivation system based on ICT, comprising the step of notifying the reception of a requested packet.
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