KR102180320B1 - Method for efficient convergecast scheduling in multihop network - Google Patents

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Abstract

멀티홉 네트워크에서 효율적인 컨버어지캐스트 스케줄링 방법이 개시된다. 상기 방법은 경로 계산 엔진(path computation element(PCE))이 자식 노드의 정보에 기초하여 부모 노드들의 집합을 결정하는 단계와, 상기 자식 노드가 상기 부모 노드들 각각의 우선 순위를 부여하는 단계와, 상기 자식 노드는 상기 모든 부모 노드들로 애니 캐스트(anycast) 방식으로 데이터 프레임을 전송하는 단계와, 상기 부모 노드들 중에서 가장 높은 우선순위를 가지고 상기 데이터 프레임을 정확히 수신한 부모 노드가 응답을 전송하는 단계를 포함한다.Disclosed is an efficient convergedcast scheduling method in a multihop network. The method includes the steps of determining, by a path computation element (PCE), a set of parent nodes based on information of a child node, and giving priority to each of the parent nodes by the child node, The child node transmits a data frame to all the parent nodes in an anycast method, and a parent node having the highest priority among the parent nodes and correctly receiving the data frame transmits a response. Includes steps.

Description

멀티홉 네트워크에서 효율적인 컨버어지캐스트 스케줄링 방법{METHOD FOR EFFICIENT CONVERGECAST SCHEDULING IN MULTIHOP NETWORK}Efficient Convergencecast Scheduling Method in Multi-Hop Network {METHOD FOR EFFICIENT CONVERGECAST SCHEDULING IN MULTIHOP NETWORK}

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 멀티홉 네트워크에서 효율적인 컨버어지캐스트 스케줄링 방법에 관한 것으로, 특히 MAC 계층의 기회주의적 특성을 이용하기 위한 효율적인 스케줄링 방법에 관한 것이다.An embodiment according to the concept of the present invention relates to an efficient convergedcast scheduling method in a multi-hop network, and in particular, to an efficient scheduling method for using opportunistic characteristics of the MAC layer.

최근 기술의 발전은 새로운 사물 인터넷(internet of things(IoT))을 생성하기 위해 상호 접속될 수 있는 스마트 오브젝트들의 생성을 가능하게 했다. IEEE 802.15.4 작업 그룹은 2012년에 산업 시장에서 에너지 효율적인 네트워킹을 가능하게 하는 개정안을 제안했다. 전송은 종종 예측 가능하기 때문에, 타임 슬롯된 채널 호핑(timesloted channel hopping(TSCH)) 모드는 신뢰도를 향상시키기 위해 느린 채널 호핑 전략과 결합된 타임 슬롯들을 할당할 것을 제안했다. 에너지 효율성을 위하여, TSCH는 암시적(implicit) 동기화를 구현한다. 모든 데이터 또는 제어 패킷은 수신기 또는 송신기에서 사용되어 클럭 드리프트를 계산할 수 있다. 이러한 전략은 주기적(periodic) 및/또는 예측적(predictive) 전송에 특히 효율적이다. Recent advances in technology have enabled the creation of smart objects that can be interconnected to create a new Internet of things (IoT). The IEEE 802.15.4 working group proposed an amendment in 2012 to enable energy efficient networking in the industrial market. Since transmission is often predictable, the timesloted channel hopping (TSCH) mode has proposed allocating time slots combined with a slow channel hopping strategy to improve reliability. For energy efficiency, TSCH implements implicit synchronization. Any data or control packet can be used at the receiver or transmitter to calculate the clock drift. This strategy is particularly efficient for periodic and/or predictive transmission.

다중홉(multihop) 네트워크에서, 중앙 집중형(centralized) 경로 계산 엔진(path computation engine(PCE))은 각 흐름에 사용될 경로를 계산할 수 있다. 대안적으로, RPL(IPv6 Routing Protocol for Low Power Lossy Networks)과 같은 라우팅 프로토콜은 경로를 분산적으로 구성할 수 있다. In a multihop network, a centralized path computation engine (PCE) can calculate the path to be used for each flow. Alternatively, routing protocols such as RPL (IPv6 Routing Protocol for Low Power Lossy Networks) can configure paths distributedly.

컨버어지캐스트(convergecast) 형태의 트래픽의 경우, 대부분의 접근법은 경계 라우터들(border routers; 즉, 인터넷의 게이트웨이)을 근원으로하는 방향성 비주기 그래프를 구성한다. 그런 다음, 각 노드는 경계 라우터를 향해 다음 홉들을 구성하는 부모 노드들의 집합(a set of parents)을 가진다. 그러나, 현재 RPL은 모든 트래픽을 전달하기 위해 오로지 하나의 부모 노드만을 선택하고, 다른 노드들은 백업 목적으로 사용된다. For traffic in the form of convergecast, most approaches construct a directional aperiodic graph based on border routers (ie, gateways of the Internet). Then, each node has a set of parents that make up the next hops towards the border router. However, currently RPL only selects one parent node to carry all traffic, and other nodes are used for backup purposes.

등록특허공보 제10-1363219호는 기회주의적 라우팅 기법을 이용한 멀티홉 무선 네트워크를 이용한 통신 방법에 관한 것으로, 데스티네이션 노드가 기회주의적으로 데이터 패킷을 수신하고, 이러한 수신 결과를 데이터 패킷의 전송 경로 상 다른 노드들에게 알려 이미 전송이 완료된 데이터 패킷의 불필요한 전송을 방지함으로써 네트워크의 처리량을 향상시키는 발명이 개시되어 있다.Registered Patent Publication No. 10-1363219 relates to a communication method using a multi-hop wireless network using an opportunistic routing technique. A destination node opportunistically receives a data packet, and the reception result is transmitted on a transmission path of the data packet. Disclosed is an invention for improving the throughput of a network by notifying other nodes to prevent unnecessary transmission of already-transmitted data packets.

그러나 상기 선행기술문헌은 소스 노드 및 상기 소스 노드로부터 데스티네이션 노드로의 경로 상에 위치하는 노드들로부터 상기 복수의 노드들 각각에 의해 전송된 데이터 패킷을 하나의 데스티네이션 노드가 기회주의적으로 수신하므로, 신뢰성이 떨어진다는 문제점이 있다.However, in the prior art document, since one destination node opportunistically receives data packets transmitted by each of the plurality of nodes from the source node and nodes located on the path from the source node to the destination node , There is a problem that reliability is poor.

등록특허공보 제10-1363219호Registered Patent Publication No. 10-1363219

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 멀티홉 네트워크에서 효율적인 컨버어지캐스트 스케줄링 방법은 부모 노드들을 효과적으로 선택하고, 채널 품질을 고려하여 트래픽을 전달하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an efficient convergencecast scheduling method in a multi-hop network of the present invention aims to effectively select parent nodes and transmit traffic in consideration of channel quality.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 멀티홉 네트워크에서 효율적인 컨버어지캐스트 스케줄링 방법은 경로 계산 엔진(path computation element(PCE))이 자식 노드의 정보에 기초하여 부모 노드들의 집합을 결정하는 단계와, 상기 자식 노드가 상기 부모 노드들 각각의 우선 순위를 부여하는 단계와, 상기 자식 노드는 상기 모든 부모 노드들로 애니 캐스트(anycast) 방식으로 데이터 프레임을 전송하는 단계와, 상기 부모 노드들 중에서 가장 높은 우선순위를 가지고 상기 데이터 프레임을 정확히 수신한 부모 노드가 응답을 전송하는 단계;를 포함한다.In an efficient convergedcast scheduling method in a multi-hop network of the present invention for achieving the above object, a path computation element (PCE) determines a set of parent nodes based on information of a child node, and , The child node giving priority to each of the parent nodes, the child node transmitting a data frame to all the parent nodes in an anycast method, and the most of the parent nodes And transmitting a response by a parent node having a high priority and correctly receiving the data frame.

또한, 상기 부모 노드가 응답을 전송하는 단계는, 상기 부모 노드가 턴어라운드 시간(turnarround time) 간격을 두고 연속적인 클리어 채널 평가(clear channel assessment(CCA))를 수행하는 단계와, 상기 부모 노드가 다른 상기 부모 노드들로부터 응답을 듣지 못하면 상기 부모 노드가 응답을 전송하는 단계;를 포함한다.In addition, the step of transmitting the response by the parent node includes: performing a continuous clear channel assessment (CCA) by the parent node at turn-around time intervals, and the parent node is different from And transmitting, by the parent node, if a response is not received from the parent nodes.

또한, 상기 데이터 프레임을 전송하는 단계 및 상기 응답을 전송하는 단계는 소정 길이의 매 타임슬롯마다 수행된다.In addition, the step of transmitting the data frame and the step of transmitting the response are performed every timeslot of a predetermined length.

또한, 상기 타임슬롯은 상기 데이터 프레임을 전송하는 단계를 위한 데이터 프레임 구간과 상기 응답을 전송하는 단계를 위한 응답 구간을 포함한다.In addition, the timeslot includes a data frame period for transmitting the data frame and a response period for transmitting the response.

또한, 상기 부모 노드들의 집합을 결정하는 단계는, 상기 자식 노드의 에너지 예산과 상기 자식 노드와 상기 부모 노드의 채널 상태에 기초하여 결정한다.In addition, the determining of the set of parent nodes is determined based on an energy budget of the child node and a channel state of the child node and the parent node.

또한, 상기 채널 상태는 상기 자식 노드와 상기 부모 노드 사이의 무선 링크에서 측정된 신호 대 잡음비(signal-to-noise(SNR))가 임계값보다 낮으면 상기 채널의 상태는 제1 상태, 그렇지 않으면 상기 채널의 상태는 제2 상태를 갖는다.In addition, the channel state is a first state when the signal-to-noise (SNR) measured in the radio link between the child node and the parent node is lower than a threshold value, otherwise The state of the channel has a second state.

또한, 상기 에너지 예산은 상기 데이터 프레임을 상기 부모 노드로 전송할 때, 특정 채널 상태에서 상기 자식 노드의 전송 에너지를 의미하고, 하기의 수학식 1을 만족한다.In addition, the energy budget means transmission energy of the child node in a specific channel state when transmitting the data frame to the parent node, and satisfies Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112018116070727-pat00001
Figure 112018116070727-pat00001

여기서,

Figure 112018116070727-pat00002
는 상기 자식 노드가 상기 부모 노드로 상기 타임슬롯 t 동안 상기 데이터 프레임을 전송할 수 있음을 의미하고,
Figure 112018116070727-pat00003
는 상기 자식 노드와 상기 부모 노드 사이의 무선 링크의 채널 상태이고, N0는 부가적인 가우시안 잡음(Gaussian noise)이고, r은 전송률이고, W는 대역폭이다.here,
Figure 112018116070727-pat00002
Means that the child node can transmit the data frame to the parent node during the timeslot t,
Figure 112018116070727-pat00003
Is a channel state of the radio link between the child node and the parent node, N 0 is an additional Gaussian noise, r is a transmission rate, and W is a bandwidth.

상기한 바와 같은 본 발명의 멀티홉 네트워크에서 효율적인 컨버어지캐스트 스케줄링 방법은 기회주의적 멀티-부모 노드 접근을 사용함으로써, 상기 네트워크의 에너지 소비를 줄임과 동시에 신뢰도를 높일 수 있는 효과가 있다.As described above, the efficient convergedcast scheduling method in a multi-hop network according to the present invention uses an opportunistic multi-parent node access, thereby reducing energy consumption of the network and increasing reliability.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼 프레임 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 RPL의 DODAG 구조를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 구조에서 무선 링크들에 대한 타임슬롯 구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 채널 상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 스케줄링 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
A detailed description of each drawing is provided in order to more fully understand the drawings cited in the detailed description of the present invention.
1 shows a super frame structure according to an embodiment of the present invention.
2 shows the DODAG structure of RPL according to an embodiment of the present invention.
3 shows a time slot structure for radio links in the structure shown in FIG. 2.
4 is a conceptual diagram illustrating a channel state according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a scheduling method according to an embodiment of the present invention.

저전력 손실 네트워크(low power and lossy networks(LLNs)는 스마트 오브젝트를 사물 인터넷(internet of thins(IoT))에 통합하는 것을 목표로 한다. IEEE 802.15.4-TSCH는 현재 링크 계층에 대한 유망한 표준으로서, 전송을 스케쥴링하고 느린 채널 홉핑을 구현하여 안정성을 향상시키는 한편, 라우팅 계층은 소규모 목적지들의 집합(즉, convergecast)을 위한 분산된 경로들을 구축하는데 집중한다. 본 명세서에서는, MAC 계층의 기회주의적 특성을 이용하기 위한 효율적인 스케쥴링 정책을 제안한다. 다음 홉들의 집합 중에서 패킷을 전송할 어느 하나의 홉을 기회주의적으로 결정함으로써 단일 전송이 수신된다. MAC과 라우팅 계층에서 이러한 기회주의적 포워딩을 고려하여 신뢰성과 에너지 효율성을 위한 최적의 스케쥴링 정책을 고려한다. 시뮬레이션 결과는 제안된 정책의 유효성을 입증한다. 부모 노드들(즉, 다음 홉들)을 효과적으로 선택하고, 채널 품질을 신중하게 고려함으로써 패킷 당 에너지 소모가 감소된다. 게다가 신뢰성을 향상시킨다. 네트워크는 신뢰할 수 없는 무선 링크도 사용할 수 있다. 여기서, 다음 홉들 중에서 오로지 하나의 홉만 패킷을 수신하여 전달한다. 이러한 스케쥴링 정책은 일반적으로 IEEE 802.15.4 e-TSCH의 경로 계산 엔진(path computation engine(PCE)에서 구현될 수 있다. Low power and lossy networks (LLNs) aim to integrate smart objects into the Internet of thins (IoT). IEEE 802.15.4-TSCH is a promising standard for the current link layer. While scheduling transmission and implementing slow channel hopping to improve stability, the routing layer concentrates on constructing distributed paths for a set of small destinations (ie, convergecast) In this specification, the opportunistic characteristics of the MAC layer are discussed. We propose an efficient scheduling policy to use: A single transmission is received by opportunistically determining which one of the set of next hops a packet will be transmitted to. The MAC and routing layers take into account this opportunistic forwarding, and thus reliability and energy efficiency. Consider the optimal scheduling policy for each packet The simulation results prove the validity of the proposed policy The energy consumption per packet is reduced by effectively selecting the parent nodes (ie, next hops) and carefully considering the channel quality. In addition, it improves reliability The network can also use unreliable radio links, where only one of the next hops receives and forwards a packet This scheduling policy is generally the IEEE 802.15.4 e-TSCH path. It can be implemented in the path computation engine (PCE).

여기서, 기회주의적 포워딩을 가능하도록 MAC 포워딩 전략을 수정하기 위해 모든 부모 노드들을 이용하여 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 제안한다. 현재 6TiSCH는 트랙 개념을 사용하여 유니캐스트 전송에 중점을 둔다. 여기서, IEEE 802.15.4-TSCH의 기회주의적 버전과 함께 병렬로 여러 부모 노드들을 활용하여 에너지 소비를 줄이는 한편 신뢰도를 높이기 위한 방향으로 나아갈 것을 목표로 한다. 일반적으로 이러한 솔루션은 중앙 집중식 컨트롤러(PCE)를 갖춘 6TiSCH로 구현될 수 있다. 효율적인 스케쥴 제안을 위해서, 최적의 송신 전력을 결정할 필요가 있다. 실제로, 최대 전력을 사용하는 것은 신뢰성을 향상시킬 수 있지만 에너지 소비도 증가할 수 있다. 게다가, 채널 품질은 페이딩(fading)으로 인해 시간에 따라 변한다. 따라서, 채널이 양질인 시간 동안 전송을 스케쥴링함으로써 상당한 에너지 보존을 달성할 수 있다. 여기서, 멀티 홉 convergecast 네트워크에서의 스케쥴링 문제를 고려하여 종단간 신뢰성과 전역 에너지 소비를 향상시킬 수 있다. 특히, 개별적으로 결함이 있는 링크들에 대처하기 위해 MAC 계층에서 다중 부모 노드 기회주의적 스케쥴링을 사용한다.Here, in order to modify the MAC forwarding strategy to enable opportunistic forwarding, it is proposed to improve reliability by using all parent nodes. Currently, 6TiSCH focuses on unicast transmission using the concept of a track. Here, it aims to reduce energy consumption and increase reliability by utilizing several parent nodes in parallel with the opportunistic version of IEEE 802.15.4-TSCH. Typically, such a solution can be implemented as a 6TiSCH with a centralized controller (PCE). In order to propose an efficient schedule, it is necessary to determine the optimal transmission power. In fact, using maximum power can improve reliability, but it can also increase energy consumption. In addition, the channel quality changes over time due to fading. Thus, significant energy conservation can be achieved by scheduling transmissions during times when the channel is of good quality. Here, it is possible to improve end-to-end reliability and global energy consumption in consideration of a scheduling problem in a multi-hop convergecast network. In particular, multiple parent node opportunistic scheduling is used in the MAC layer to cope with individually defective links.

IEEE 802.15.4-TSCH에서, 스케줄은 각 타임슬롯(timeslot)의 시작에서, 각 노드가 프레임을 수신하거나 송신하기 위해 깨어 있어야 하는지를 알 수 있도록 설정된다. 셀(cell)은 타임슬롯과 채널 오프셋으로 표시되는 전송 기회를 나타낸다. In IEEE 802.15.4-TSCH, a schedule is set so that at the beginning of each timeslot, each node knows whether it must be awake to receive or transmit a frame. A cell represents a transmission opportunity represented by a timeslot and a channel offset.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼 프레임 구조를 나타낸다. 일반적으로 IEEE 802.15.4는 스타(star) 구조를 지원하며, 이 구조에서는 코디네이터(coordinator)를 매개체로 통신을 하게 된다. 코디네이터는 주기적으로 비컨(beacon)을 전송하게 되며, 한 셀(cell)에 소속되어 있는 노드(node)는 비컨과 비컨 사이 전송 구간인 슈퍼프레임(superframe) 동안에 데이터를 전송할 수 있다.1 shows a super frame structure according to an embodiment of the present invention. In general, IEEE 802.15.4 supports a star structure, in which communication is performed through a coordinator as a medium. The coordinator periodically transmits a beacon, and a node belonging to one cell may transmit data during a superframe, which is a transmission period between the beacon and the beacon.

도 1을 참조하면, 슬롯 프레임은 특정 수의 타임슬롯들을 포함하고, 시간이 지남에 따라 반복된다. 슬롯은 하나의 전송기에 할당되거나, 간섭 노드들의 그룹 사이에서 공유된다. 무선 링크(C→PANc)는 전송을 위해서 두 개의 셀들(타임슬롯들 5, 7)을 예약한다.Referring to FIG. 1, a slot frame includes a specific number of timeslots, and is repeated over time. A slot is assigned to one transmitter or shared between a group of interfering nodes. The radio link (C→PANc) reserves two cells (timeslots 5 and 7) for transmission.

TSCH는 PCE(path computation engine)을 이용한 중앙집중형 스케줄링을 사용한다. PCE는 각 흐름에 사용되는 경로들과 각 무선 링크에 사용되는 셀들을 계산하는 중앙 엔티티를 의미한다. 이 경우, 6TiSCH 구조는 스프트웨어 정의 네트워킹(software-defined networking) 접근을 채택한 결정론적 네트워킹 구조(deterministic networking architecture)의 확장이다.TSCH uses centralized scheduling using a path computation engine (PCE). PCE refers to a central entity that calculates paths used for each flow and cells used for each radio link. In this case, the 6TiSCH structure is an extension of a deterministic networking architecture adopting a software-defined networking approach.

스케줄은 또한 분산될 수 있고, 6top 프로토콜을 사용하여 셀 그룹을 협상하기 위해 한 홉씩 결정될 수 있다. 각 노드 쌍은 사용될 셀을 자동으로 선택하기 때문에 간섭은 일어날 수 있다. 일부 매커니즘은 로컬 스케줄을 모니터링하고 조정하는데 필요하다.Schedules can also be distributed and determined hop by hop to negotiate a group of cells using the 6top protocol. Since each node pair automatically selects a cell to be used, interference may occur. Some mechanisms are needed to monitor and adjust the local schedule.

간섭은 다음과 같은 경우에 발생할 수 있다.Interference can occur in the following cases.

내부 간섭은 동일한 셀이 한 쌍의 간섭하는 송신기에 할당되면 발생한다. 매체 액세스가 구현되지 않기 때문에 모든 셀에서 충돌이 발생한다. 여기서는 간섭 토폴로지가 선험적이라고 가정하고, 우리의 스케줄링 알고리즘이 동일한 셀을 2 개의 상이한 간섭 송신기에 할당하는 것을 방지한다고 가정한다. 따라서 우리는 이 내부 간섭을 무시한다. Internal interference occurs when the same cell is assigned to a pair of interfering transmitters. Because media access is not implemented, collisions occur in all cells. Here, we assume that the interference topology is a priori, and our scheduling algorithm prevents allocating the same cell to two different interfering transmitters. So we ignore this internal interference.

외부 간섭은 ISM 대역을 사용하기 때문에 다른 무선 기술 (Bluetooth, Wi-Fi 등)에서 발생할 수 있다[12, 13]. 그러나 채널 호핑은 이러한 종류의 외부 간섭을 완화시켜 재전송 횟수를 줄이는 데 특히 효율적이다[14]. 외부 간섭이 패킷 오류율(Packet Error Rate, PER)에 부정적인 영향을 미친다는 점을 고려한다. 외부 간섭이있을 때 더 많은 셀을 할당해야 한다. 게다가 장기적인 성능에 포커스를 둔다. 즉 외부 간섭이 PER을 통해 추정되기에 충분히 안정적이어서 스케줄링 과정에서 고려된다. 우리는 시뮬레이션에서 외부 간섭의 영향을 조사한다.External interference can occur in other wireless technologies (Bluetooth, Wi-Fi, etc.) because ISM band is used [12, 13]. However, channel hopping is particularly effective in reducing the number of retransmissions by mitigating this kind of external interference [14]. Consider that external interference negatively affects the packet error rate (PER). When there is external interference, more cells should be allocated. Moreover, it focuses on long-term performance. That is, the external interference is sufficiently stable to be estimated through PER and is considered in the scheduling process. We investigate the effect of external interference in the simulation.

도 2는 RPL의 DODAG 구조를 나타낸다. IEEE 802.15.4e-TSCH 기반 디바이스는 시분할 다중화(time-division multiplexing(TDM)) 방식을 사용하기 때문에 각 노드들 사이의 시간 동기화가 중요하다. 따라서, RPL 루트를 기준으로 시간 동기화를 맞추고 RPL DODAG(destication oriented Directed acyclic graphs) 기반 경로 설정 동작이 이루어진다. 2 shows the DODAG structure of RPL. Since IEEE 802.15.4e-TSCH-based devices use a time-division multiplexing (TDM) method, time synchronization between nodes is important. Therefore, time synchronization is achieved based on the RPL route, and a path setting operation based on RPL DODAG (destication oriented directed acyclic graphs) is performed.

도 2를 참조하면, 우선 순위가 더 높은 부모 노드가 먼저 패킷을 받았음을 알린다. 그들은 기회가 있는 MAC 레이어를 사용하고, 여기서 단일 전송만으로 패킷을 모든 부모 노드들로 전달하기에 충분하다. 기회주의적으로, 가장 높은 우선순위를 가지고, 패킷을 수신한 부모 노드는 수신을 알리고 패킷을 전달한다. Referring to FIG. 2, it is notified that a parent node having a higher priority has received a packet first. They use the MAC layer where they have the opportunity, where a single transmission is sufficient to deliver the packet to all parent nodes. Opportunistically, with the highest priority, the parent node receiving the packet announces reception and forwards the packet.

본 명세서에서는 MAC 계층에서 기회주의적 포워딩이 어떻게 에너지 소비를 제한하면서 신뢰도를 향상시킬 수 있는지를 탐색하는 방법을 제안한다. 이러한 멀티-부모 노드 기능은 이러한 스케줄링 알고리즘에 통합 될 수 있다. TSCH를 수정하여 기회주의적 포워딩을 수행한다. 즉, 자식 노드는 데이터 프레임들을 부모 노드들 중에서 어느 부모 노드에게나 애니 캐스트로 전달한다.In this specification, a method of discovering how opportunistic forwarding can improve reliability while limiting energy consumption in the MAC layer is proposed. These multi-parent node functions can be incorporated into these scheduling algorithms. TSCH is modified to perform opportunistic forwarding. That is, the child node transfers the data frames to any parent node among the parent nodes by anycast.

또한, 경로 계산 요소(path computation element(PCE))에 본 발명의 스케쥴링 방법을 구현하는 것을 목적으로 한다. 그럼으로써 6TiSCH 프로토콜들을 완전히 재사용할 수 있다.In addition, it is an object of the present invention to implement the scheduling method of the present invention in a path computation element (PCE). This makes it possible to completely reuse the 6TiSCH protocols.

도 3은 도 2에 도시된 구조에서 무선 링크들에 대한 타임슬롯 구조를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 무선 링크들 (A,B)와 (A,C)에서, 부모 노드 B는 부모 노드 C보다 선호된다(preferred)고 가정한다. 첫 번째 타임슬롯에서 부모 노드 B가 먼저 응답하고(ack(B)), C는 매체 청취(listening to the medium)를 멈출 것이다. 두 번째 타임슬롯에서 B는 정확히 패킷을 수신하지 못했고, C는 충분히 지연된 후 응답할 것이다(ack(C)). 모든 부모 노드들이 패킷을 디코딩할 수 없는 경우에만 전송은 실패한다.3 shows a time slot structure for radio links in the structure shown in FIG. 2. Referring to FIG. 3, it is assumed that in radio links (A,B) and (A,C), a parent node B is preferred to a parent node C. In the first timeslot, parent node B will respond first (ack(B)), and C will stop listening to the medium. In the second timeslot, B did not correctly receive the packet, and C will respond after a sufficient delay (ack(C)). Transmission fails only if all parent nodes are unable to decode the packet.

구체적으로, 기회주의적(opportunistic) TSCH에 대해, 몇몇 부모 노드들은 할당된 셀의 시작시에 웨이크-업해야 한다. 자식 노드은 애니캐스트 방식으로 데이터 프레임을 전송하고, 가장 높은 우선순위를 가지고 패킷을 정확하게 수신한 부모 노드는 응답을 보내야한다. Specifically, for opportunistic TSCH, some parent nodes must wake-up at the start of the assigned cell. The child node transmits the data frame in anycast method, and the parent node that correctly receives the packet with the highest priority must send a response.

타임슬롯의 데이터 패킷 파트 이후 타임슬롯의 나머지 파트는 기회주의적 응답들을 위해 할당된다. 자식 노드은 부모 노드들 중에서 우선순위를 부여한다. 만약 부모 노드가 충분히 긴 시간 동안 다른 상기 부모 노드들로부터 응답을 듣지 못하면 그 부모 노드는 패킷을 전달하기로 결정한다.After the data packet part of the timeslot, the remaining part of the timeslot is allocated for opportunistic responses. Child nodes are given priority among parent nodes. If the parent node does not hear a response from the other parent nodes for a sufficiently long time, the parent node decides to forward the packet.

더 구체적으로, k번째 부모 노드는 턴어라운드 시간(turnarroundtime) 간격을 두고 k개의 연속적인 클리어 채널 평가(clear channel assessment(CCA))를 시작한다. 여기서 턴어라운드 시간이란, 수신 모드로부터 송신 모드로 전환하기 위한 최대 시간을 의미한다. 부모 노드들은 엄격히 질서정연하므로(strictly ordered), 부모 노드는 응답을 받자마자 연기(deferring)를 중단한다. More specifically, the k-th parent node starts k consecutive clear channel assessments (CCA) at turn-around time intervals. Here, the turnaround time means the maximum time for switching from the reception mode to the transmission mode. Parent nodes are strictly ordered, so the parent node stops deferring as soon as it receives a response.

오버 헤드를 감소시키기 위해, 우리는 주어진 타임슬롯에서 가능한 액티브 부모 노드들의 수를 허용될 수 있는 상한값으로 제한했다. 실제로, 4개의 부모 노드는 특정 다양성을 제공하기에 충분하다. 주어진 CCA 기간(128μs)과 턴어라운드 시간(210μs)에서, 타임슬롯의 끝에서 응답을 위해 약 2ms가 할당된다.To reduce the overhead, we limited the number of possible active parent nodes in a given timeslot to the upper limit that can be allowed. In fact, four parent nodes are sufficient to provide a certain variety. For a given CCA period (128 μs) and turnaround time (210 μs), approximately 2 ms is allocated for response at the end of the timeslot.

부모 노드는 다른 부모 노드들의 응답을 듣기 위해 서로 경청해야 한다. 스케줄을 구성하기 위해, 노드는 이웃들에게 링크 품질을 보고해야 한다. 그러므로 경로 계산 엔진(path computation engine(PCE))은 주어진 타임슬롯에서 매우 작은 PER을 가지는 부모 노드들의 집합을 선택할 것이다. 게다가, CCA 가 실패하면, 즉, 응답 패킷을 디코딩할 필요가 없고, 단지 CCA 임계값 이상의 무선 활동을 감지할 필요가 있다면, 부모 노드는 패킷이 응답되었다고 간주할 것이다. Parent nodes must listen to each other to hear responses from other parent nodes. To construct a schedule, a node must report the link quality to its neighbors. Therefore, the path computation engine (PCE) will select a set of parent nodes with a very small PER in a given timeslot. In addition, if the CCA fails, i.e., there is no need to decode the response packet, and only needs to detect radio activity above the CCA threshold, the parent node will consider the packet to be answered.

하나의 경계 라우터와 N개의 센서 노드들을 포함하는 무선 센서 네트워크들에서 컨버어지캐스트 트래픽 문제가 고려된다. 센서 노드들은 정기적으로 측정 값들(예컨대, 오염, 잡음, 가스 또는 물 소비)을 루트 노드로 보고한다. 모든 센서 노드들은 한정된 에너지를 가지는 배터리로 구동된다. 본 발명의 실시 예에서, DODAG 구조가 RPL과 같은 라우팅 프로토콜을 사용하여 구성되므로, 각 노드는 그들의 부모 노드들을 사용하여 루트로 데이터를 전송할 수 있다. 본 발명은 데이터를 전송하도록 허용된 일련의 활성화 노드들과 관련된 부모 노드들을 결정하여 수신 데이터의 총량을 최대화하는 환경에서 전체 네트워크의 전송 에너지가 최소화될 수 있도록 하는 것에 그 목적이 있다. 설명의 편의를 위해, 이 명세서의 기호들을 표 1에 요약하였다.A convergedcast traffic problem is considered in wireless sensor networks including one border router and N sensor nodes. Sensor nodes regularly report measurement values (eg pollution, noise, gas or water consumption) to the root node. All sensor nodes are powered by batteries with limited energy. In an embodiment of the present invention, since the DODAG structure is configured using a routing protocol such as RPL, each node can transmit data to a route using their parent nodes. An object of the present invention is to minimize the transmission energy of the entire network in an environment in which the total amount of received data is maximized by determining parent nodes associated with a series of active nodes allowed to transmit data. For convenience of explanation, symbols in this specification are summarized in Table 1.

Figure 112018116070727-pat00004
Figure 112018116070727-pat00004

시스템 모델 System model

i ∈ N 는 센서 노드의 인덱스를 나타내고, Pi 는 부모 노드들의 집합을 나타낸다. 두 노드가 서로 무선 범위 내에 있는 경우 (즉, 프레임을 디코딩하기 위한 소모 전력이 충분한 경우) 상기 두 노드들은 서로 통신할 수 있다. 우리는 IEEE 802.15.4-TSCH에서 사용되는 슬롯된 시간 프레임 구조를 고려한다. 시간은 동일한 사이클들(슬롯 프레임들)로 분할된다. 도 1에서 설명한 바와 같이, 각 사이클은 T개의 타임슬롯들로 구성되고, 타임슬롯은 전송을 위한 기본 단위 시간이다. 각 사이클의 시작에서, 스케줄링 정책은 사이클 내 각 센서 노드의 에너지 예산과 채널 조건에 기초하여, 전송이 허락된 노드들의 집합을 결정한다. i ∈ N represents the index of the sensor node, and Pi represents the set of parent nodes. When the two nodes are within a radio range of each other (ie, when power consumption for decoding a frame is sufficient), the two nodes can communicate with each other. We consider the structure of a slotted time frame used in IEEE 802.15.4-TSCH. Time is divided into equal cycles (slot frames). As described in FIG. 1, each cycle consists of T timeslots, and the timeslot is a basic unit time for transmission. At the beginning of each cycle, the scheduling policy determines the set of nodes allowed to transmit, based on the energy budget and channel conditions of each sensor node in the cycle.

채널 모델Channel model

FSMC(finite-state markov channel) 모델을 사용하여 채널 조건을 모델링할 수 있다. 각 노드는 무선 링크 상에서 신호 대 잡음비(signal-to-noise(SNR))를 평가하기 위해, 일부 할당된 비컨 프레임들을 사용할 수 있다. 여기서, 가능한 SNR값들의 범위를 동일한 구간들로 나누고, 각 구간은 Markov chain의 상태를 나타낸다. Channel conditions can be modeled using a finite-state markov channel (FSMC) model. Each node may use some allocated beacon frames to evaluate the signal-to-noise (SNR) on the radio link. Here, the range of possible SNR values is divided into equal sections, and each section represents the state of the Markov chain.

상기 상태들의 집합을

Figure 112018116070727-pat00005
라 한다.
Figure 112018116070727-pat00006
는 노드 i의 채널 상태를 나타내는 벡터이고, 여기서
Figure 112018116070727-pat00007
는 노드 i와 부모 노드 j 사이의 무선 링크의 채널 상태들이다. 이러한 상태들 Si(t) 중에서 센서 노드들의 채널 상태들은 Markov 프로세스를 따른다. t+1에서 링크
Figure 112018116070727-pat00008
의 연속적인 상태들
Figure 112018116070727-pat00009
은 전이 확률
Figure 112018116070727-pat00010
에 의해 결정된다. The set of states
Figure 112018116070727-pat00005
It is called.
Figure 112018116070727-pat00006
Is a vector representing the channel state of node i, where
Figure 112018116070727-pat00007
Are channel conditions of the radio link between node i and parent node j. Among these states Si (t), the channel states of sensor nodes follow the Markov process. link at t+1
Figure 112018116070727-pat00008
Successive states of
Figure 112018116070727-pat00009
Is the probability of transition
Figure 112018116070727-pat00010
Is determined by

이러한 전이 확률은 SNR의 확률 밀도 함수(probability density function(PDF))를 통해 추정된다. 각 Markov 상태는 SNR의 간격을 나타낸다. 이 함수로부터 우리는 Markov 모델에서 상태 전이 확률을 추정할 수 있다. 이 확률은 주어진 구간 내에 SNR이 있을 확률과 동일하다.This transition probability is estimated through the probability density function (PDF) of the SNR. Each Markov state represents an interval of SNR. From this function we can estimate the state transition probability in the Markov model. This probability is equal to the probability that there is an SNR within a given interval.

간섭 모델Interference model

Figure 112018116070727-pat00011
는 노드 i의 활성화 상태를 나타내는 벡터이다. 여기서 만약 노드 i가 부모 노드들
Figure 112018116070727-pat00012
로 데이터를 전송하면
Figure 112018116070727-pat00013
이다. 본 명세서에서, 기회주의적 멀티-부모 노드 접근을 사용할 경우, 각 노드는 도 3에 도시된 타임슬롯 구조를 이용하여 동시에 부모 노드들로 데이터를 전달할 수 있다.
Figure 112018116070727-pat00011
Is a vector representing the activation state of node i. Where if node i is the parent nodes
Figure 112018116070727-pat00012
When you send data to
Figure 112018116070727-pat00013
to be. In the present specification, when the opportunistic multi-parent node access is used, each node may simultaneously transmit data to the parent nodes by using the timeslot structure shown in FIG. 3.

어느 무선 링크들이 동시에 스케쥴링 될지 결정하기 위해 우리는 경쟁 그래프 모델(contention graph model)을 이용한다. 경쟁 그래프의 각 꼭지점은 무선 링크를 나타내고, 한 쌍의 무선 링크들이 서로 간섭하는 경우 상기 한 쌍의 무선 링크들은 경쟁 그래프에서 이웃들(즉, 엣지가 존재함)이다. 우리는 경쟁 그래프를 구성하기 위해 여기서 간섭 범위 모델을 사용한다. 만약 두 노드들 사이의 거리가 간섭 범위보다 더 짧으면, 상기 두 노드들은 동시에 스케쥴될 수 없고, 경쟁 그래프에서 엣지가 존재한다. 다른 간섭 모델도 관련이 있으나, 단지 경쟁 그래프에 매핑되어야 한다.To determine which radio links are scheduled at the same time, we use a contention graph model. Each vertex of the contention graph represents a radio link, and when a pair of radio links interfere with each other, the pair of radio links are neighbors (ie, edges exist) in the contention graph. We use the interference range model here to construct the competition graph. If the distance between the two nodes is shorter than the interference range, the two nodes cannot be scheduled at the same time, and an edge exists in the contention graph. Other interference models are also relevant, but should only be mapped to the contention graph.

Figure 112018116070727-pat00014
를 부모 노드들 Pi 에 관한 노드 i 의 실현 가능한 활성화 벡터라고 하고,
Figure 112018116070727-pat00015
Figure 112018116070727-pat00016
의 모든 노드들이 동시에 활성화될 수 있는 실현 가능한 집합이라고 하자. GC 는 경쟁 그래프를 나타낸다. 실현 가능한 집합은 독립적인 집합, 즉, 임의의 두개의 꼭지점들 사이의 엣지가 경쟁 그래프에 존재하지 않는 무선 링크들의 집합에 해당한다는 것이 명백하다. 독립적인 집합을 찾는 것은 NP-hard 문제로 널리 알려져 있다. 그러나, 복잡성을 줄이기 위한 몇가지 기술이 있다. 게다가, 특정 네트워크 토폴로지를 위해, 우리는 초기에 한번만 독립적인 집합을 계산해야 한다.
Figure 112018116070727-pat00014
Is the feasible activation vector of node i with respect to the parent nodes Pi,
Figure 112018116070727-pat00015
Is
Figure 112018116070727-pat00016
Let's say it is a feasible set in which all the nodes of can be activated simultaneously. G C Represents the competition graph. It is clear that the feasible set corresponds to an independent set, i.e., a set of radio links whose edges between any two vertices do not exist in the contention graph. Finding an independent set is widely known as the NP-hard problem. However, there are several techniques to reduce the complexity. Moreover, for a particular network topology, we have to compute the independent set only once initially.

본 명세서에서는 휴리스틱 알고리즘(heuristic algorithm)을 채택하여 독립적인 집합들의 하위집합을 결정한다. 이 휴리스틱 알고리즘 하에서 전송률은 가능한 모든 전송들을 사용하여 계산된 것과 매우 가깝다는 것이 밝혀졌다. 노드 i로부터 부모 노드 j로 패킷 전달의 성공/실패는 채널 상태들과 스케쥴 정책에 의존하는 지표 전송 랜덤 변수

Figure 112018116070727-pat00017
에 의해 표현된다. 특히 이 지표 함수는 다음과 같이 정의된다:In this specification, a heuristic algorithm is adopted to determine a subset of independent sets. It has been found that under this heuristic algorithm the rate is very close to that calculated using all possible transfers. The success/failure of packet delivery from node i to parent node j is an indicator transmission random variable depending on channel conditions and schedule policy
Figure 112018116070727-pat00017
Is represented by Specifically, this indicator function is defined as follows:

Figure 112018116070727-pat00018
Figure 112018116070727-pat00018

Figure 112018116070727-pat00019
는 확률 변수이고, 주어진 채널 품질 하에서
Figure 112018116070727-pat00020
가 주어진 조건부 기대(conditional expectation)는 성공 확률과 동일하다. 그러므로, 특정 재널 상태들
Figure 112018116070727-pat00021
에서 활성화 벡터,
Figure 112018116070727-pat00022
는 결정 함수 0/1이 될 수 있다.
Figure 112018116070727-pat00019
Is a random variable, and under a given channel quality
Figure 112018116070727-pat00020
The conditional expectation given is equal to the probability of success. Therefore, certain channel states
Figure 112018116070727-pat00021
Activation vector in,
Figure 112018116070727-pat00022
Can be a decision function 0/1.

실시 예: 도 4는 채널 상태를 설명하기 위한 개념도이다. 특히 도 4는 Gilbert-Elliot 채널이라고 하는 두 상태들의 Markov 채널을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 이 채널 모델에서 각 상태는 아주 좋거나 완전히 나쁜 특정 채널 품질에 해당한다. 만약, 측정된 SNR이 임계 값보다 낮으면, 상기 채널은 “BAD”(B)로 표시되고, 그렇지 않으면 상기 채널은 “GOOD”(G)로 표시된다. 채널 상태는

Figure 112018116070727-pat00023
이다. 상태 i에서 상태 j로의 전이 확률은 pi,j 에 의해 결정된다. 그렇지 않으면, 각 상태는 성공 전송 확률들
Figure 112018116070727-pat00024
과 연관된다. 무선 링크(i,j) 상의 지표 전송 Ii,j 는 확률 pi를 갖는 랜덤 프로세스에 따라 슬롯을 통해 진화한다. 이 예에서, 채널 상태가 B이면 전송은 실패하고(pB=0) 채널 상태가 G이면 성공적인 전송 가능성은 pG가 된다. Embodiment: FIG. 4 is a conceptual diagram for describing a channel state. In particular, FIG. 4 shows a Markov channel in two states called a Gilbert-Elliot channel. Referring to Fig. 4, each state in this channel model corresponds to a specific channel quality that is very good or completely bad. If the measured SNR is lower than the threshold value, the channel is displayed as "BAD" (B), otherwise the channel is displayed as "GOOD" (G). Channel status is
Figure 112018116070727-pat00023
to be. The probability of transition from state i to state j is p i,j Is determined by Otherwise, each state is the success transmission probabilities
Figure 112018116070727-pat00024
Is associated with The indicator transmission I i,j on the radio link (i,j) evolves through the slot according to a random process with probability p i . In this example, if the channel state is B, the transmission fails (p B = 0), and if the channel state is G, the probability of a successful transmission is p G.

에너지 모델Energy model

패킷들의 전송을 위한 에너지와 패킷들을 수신하기 위한 에너지들을 포함하는 통신 라디오들이 에너지 소비의 원천이라고 공통 가정을 한다. 그러나, 패킷을 수신하기 위한 전체 에너지 소비는 고정되고 채널 상태들과 스케줄 정책에 의존하지 않는다. 따라서, 전송 에너지를 최적화 하는데 중점을 둔다. The common assumption is that communication radios, which contain energy for transmitting packets and energy for receiving packets, are a source of energy consumption. However, the overall energy consumption for receiving a packet is fixed and does not depend on channel conditions and schedule policy. Therefore, it focuses on optimizing the transmission energy.

Figure 112018116070727-pat00025
는 패킷을 부모 노드 j에게 전송할 때, 특정 채널 상태
Figure 112018116070727-pat00026
에서 노드 i의 전송 에너지라 하자. 이 에너지는 잘 알려진 Shannon 용량 공식을 이용하여 계산될 수 있다:
Figure 112018116070727-pat00025
Is the specific channel state when transmitting the packet to the parent node j
Figure 112018116070727-pat00026
Let be the transmission energy of node i at. This energy can be calculated using the well-known Shannon capacity formula:

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112018116070727-pat00027
Figure 112018116070727-pat00027

여기서, N0는 부가적인 가우시안 잡음이고, r은 전송률이고, W는 대역폭이다.

Figure 112018116070727-pat00028
는 채널 조건 si,j에서 노드들 i와 j 사이의 채널 이득이다. 만약 xi,j(t) = 0 이면,
Figure 112018116070727-pat00029
이므로, 할당 전력은 활성화 벡터의 함수이기도 하다.
Figure 112018116070727-pat00030
를 시간 t에서 노드 i의 전송 에너지라 하자. 모든 패킷들이 모든 부모 노드들로 도달할 수 있는 충분한 전력으로 전송되도록 보장한다. 표기의 편의를 위해, 나머지 논문에서, 우리는
Figure 112018116070727-pat00031
,
Figure 112018116070727-pat00032
대신에
Figure 112018116070727-pat00033
, 및
Figure 112018116070727-pat00034
를 사용한다.
Figure 112018116070727-pat00035
에 대한 의존성은 함축적이다.Here, N 0 is the additional Gaussian noise, r is the transmission rate, and W is the bandwidth.
Figure 112018116070727-pat00028
Is the channel gain between nodes i and j under the channel condition s i,j . If x i,j (t) = 0,
Figure 112018116070727-pat00029
Therefore, the allocated power is also a function of the activation vector.
Figure 112018116070727-pat00030
Let be the transmission energy of node i at time t. It ensures that all packets are transmitted with sufficient power to reach all parent nodes. For ease of notation, in the rest of the paper, we
Figure 112018116070727-pat00031
,
Figure 112018116070727-pat00032
Instead of
Figure 112018116070727-pat00033
, And
Figure 112018116070727-pat00034
Use.
Figure 112018116070727-pat00035
The dependence on is implicit.

문제 공식화Formulate the problem

각 노드 i는 유틸리티와 연관된다:Each node i is associated with a utility:

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112018116070727-pat00036
Figure 112018116070727-pat00036

이는 처리량(즉, 수신된 패킷들의 수)과 할당된 에너지 사이의 균형을 기술한다. 파라미터

Figure 112018116070727-pat00037
는 각 노드에 대한 처리량 최대화 및 에너지 소비 최소화라는 두 오브젝트들 사이의 트레이드 오프를 제어한다.It describes the balance between throughput (ie, number of packets received) and allocated energy. parameter
Figure 112018116070727-pat00037
Controls the trade-off between the two objects, maximizing throughput and minimizing energy consumption for each node.

그러나, [수학식 2]의 유틸리티 함수는 파라미터

Figure 112018116070727-pat00038
의 값이 시뮬레이션을 통해 정해지므로 불명확하다. 따라서 하기의 [수학식 3]과 같이, 각 노드에 대한 처리량 최대화 및 에너지 소비 최소화의 비율(ratio)로 정의된 새로운 유틸리티 함수를 생성할 수 있다.However, the utility function of [Equation 2] is a parameter
Figure 112018116070727-pat00038
It is unclear because the value of is determined through simulation. Accordingly, as shown in Equation 3 below, a new utility function defined as a ratio of maximizing throughput and minimizing energy consumption for each node can be generated.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112018116070727-pat00039
Figure 112018116070727-pat00039

[수학식 3]의 새로운 유틸리티 함수는 불명확한 파라미터

Figure 112018116070727-pat00040
를 제거함으로써, 스케줄링의 전처리과정에서 시뮬레이션을 통해 정해지는 파라미터
Figure 112018116070727-pat00041
에 의해 지역 최적값(local optima)을 놓칠 수 있는 가능성을 없앨 수 있다.The new utility function in Equation 3 is an unclear parameter
Figure 112018116070727-pat00040
By removing the parameters determined through simulation in the preprocessing of scheduling
Figure 112018116070727-pat00041
The possibility of missing the local optima can be eliminated.

T개의 타임슬롯들로 구성된 한 사이클 길이에 대한 롱-텀 네트워크 성능을 고려한다. 네트워크 성능은 T개의 타임 슬롯들에 걸쳐 모든 센서 노드들의 네트워크전체 유틸리티에 의해 특성화된다. 각 센서 노드 i는 한 사이클 동안 전송되어야 할 Di 개의 패킷들을 가진다. 총 유틸리티를 극대화할 필요가 있다:Consider the long-term network performance for one cycle length consisting of T timeslots. Network performance is characterized by the networkwide utility of all sensor nodes over T time slots. Each sensor node i has D i packets to be transmitted during one cycle. You need to maximize your total utility:

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112018116070727-pat00042
Figure 112018116070727-pat00042

에너지 소비에 대한 제약에 따라, 전송된 패킷은:Depending on the constraints on energy consumption, the transmitted packets are:

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112018116070727-pat00043
Figure 112018116070727-pat00043

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112018116070727-pat00044
.
Figure 112018116070727-pat00044
.

수학식 (5)는 한 사이클 내에서 각 센서 노드의 에너지 예산을 제한한다. 수학식 (6)은 각 센서 노드 i가 한 사이클 동안 Di개의 패킷들을 전송함을 보장한다. 이 문제는 NP-hard로 알려진 비선형 정수 프로그래밍의 범주에 속한다. 그렇지 않으면, 각 사용자의 채널 상태가 불확실하고, T개의 타임 슬롯들과 N개의 노드들에 걸쳐 확산되는 문제의 복잡성이 점차 증가하기 때문에 최적의 해를 찾는 것이 어렵다.Equation (5) limits the energy budget of each sensor node within one cycle. Equation (6) ensures that each sensor node i transmits D i packets during one cycle. This problem falls into the category of nonlinear integer programming known as NP-hard. Otherwise, it is difficult to find an optimal solution because the channel state of each user is uncertain and the complexity of the problem spreading over T time slots and N nodes gradually increases.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 스케줄링 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다. 도 5를 참조하면, T개의 타임슬롯들로 구성된 각 사이클의 시작에서, 경로 계산 엔진(path computation element(PCE))이 자식 노드에 대응하는 부모 노드들의 집합을 결정한다(S100).5 is a flowchart illustrating a scheduling method according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, at the beginning of each cycle composed of T timeslots, a path computation element (PCE) determines a set of parent nodes corresponding to child nodes (S100).

상기 자식 노드가 상기 부모 노드들 각각의 우선 순위를 부여한다(S200).The child node gives priority to each of the parent nodes (S200).

상기 자식 노드는 상기 모든 부모 노드들로 애니 캐스트(anycast) 방식으로 데이터 프레임을 전송한다(S300).The child node transmits a data frame to all the parent nodes in an anycast method (S300).

상기 부모 노드들 중에서 가장 높은 우선순위를 가지고 상기 데이터 프레임을 정확히 수신한 부모 노드가 응답을 전송한다(S400).A parent node having the highest priority among the parent nodes and correctly receiving the data frame transmits a response (S400).

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the exemplary embodiment illustrated in the drawings, this is only exemplary, and those of ordinary skill in the art will appreciate that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical idea of the attached registration claims.

Claims (7)

T개의 타임슬롯들로 구성된 각 사이클의 시작에서, 경로 계산 엔진(path computation element(PCE))이 자식 노드에 대응하는 부모 노드들의 집합을 결정하는 단계;
상기 자식 노드가 상기 부모 노드들 각각의 우선 순위를 부여하는 단계;
상기 자식 노드는 상기 모든 부모 노드들로 애니 캐스트(anycast) 방식으로 데이터 프레임을 전송하는 단계; 및
상기 부모 노드들 중에서 가장 높은 우선순위를 가지고 상기 데이터 프레임을 정확히 수신한 부모 노드가 응답을 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티홉 네트워크에서 효율적인 컨버어지캐스트 스케줄링 방법.
At the beginning of each cycle consisting of T timeslots, determining, by a path computation element (PCE), a set of parent nodes corresponding to the child nodes;
Giving priority to each of the parent nodes by the child node;
Transmitting, by the child node, a data frame to all the parent nodes in an anycast manner; And
And transmitting a response from a parent node having the highest priority among the parent nodes and correctly receiving the data frame.
제1항에 있어서,
상기 부모 노드가 응답을 전송하는 단계는,
상기 부모 노드가 턴어라운드 시간(turnarround time) 간격을 두고 연속적인 클리어 채널 평가(clear channel assessment(CCA))를 수행하는 단계; 및
상기 부모 노드가 다른 상기 부모 노드들로부터 응답을 듣지 못하면 상기 부모 노드가 응답을 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티홉 네트워크에서 효율적인 컨버어지캐스트 스케줄링 방법.
The method of claim 1,
The step of transmitting the response by the parent node,
Performing, by the parent node, a continuous clear channel assessment (CCA) at turn-around time intervals; And
And transmitting, by the parent node, a response when the parent node does not hear a response from other parent nodes. 2. An efficient convergedcast scheduling method in a multi-hop network comprising:
제1항에 있어서,
상기 데이터 프레임을 전송하는 단계 및 상기 응답을 전송하는 단계는 매 타임슬롯마다 수행되는 것을 특징으로 하는 멀티홉 네트워크에서 효율적인 컨버어지캐스트 스케줄링 방법.
The method of claim 1,
The transmitting of the data frame and the transmitting of the response are performed every timeslot. The method for efficient convergedcast scheduling in a multi-hop network.
제3항에 있어서,
상기 타임슬롯은 상기 데이터 프레임을 전송하는 단계를 위한 데이터 프레임 구간과 상기 응답을 전송하는 단계를 위한 응답 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티홉 네트워크에서 효율적인 컨버어지캐스트 스케줄링 방법.
The method of claim 3,
And the timeslot includes a data frame period for transmitting the data frame and a response period for transmitting the response.
제1항에 있어서,
상기 부모 노드들의 집합을 결정하는 단계는,
상기 자식 노드의 에너지 예산과 상기 자식 노드와 상기 부모 노드의 채널 상태에 기초하여 결정하는 것을 특징으로 하는 멀티홉 네트워크에서 효율적인 컨버어지캐스트 스케줄링 방법.
The method of claim 1,
The step of determining the set of parent nodes,
And determining based on the energy budget of the child node and channel states of the child node and the parent node. 15. An efficient convergedcast scheduling method in a multi-hop network.
제5항에 있어서,
상기 채널 상태는 상기 자식 노드와 상기 부모 노드 사이의 무선 링크에서 측정된 신호 대 잡음비(signal-to-noise(SNR))가 임계값보다 낮으면 상기 채널의 상태는 제1 상태, 그렇지 않으면 상기 채널의 상태는 제2 상태를 갖는 것을 특징으로 하는 멀티홉 네트워크에서 효율적인 컨버어지캐스트 스케줄링 방법.
The method of claim 5,
The channel state is a first state when a signal-to-noise (SNR) measured in a radio link between the child node and the parent node is lower than a threshold value, otherwise the channel state The state of is an efficient convergedcast scheduling method in a multi-hop network, characterized in that it has a second state.
제5항에 있어서,
상기 에너지 예산은 상기 데이터 프레임을 상기 부모 노드로 전송할 때, 특정 채널 상태에서 상기 자식 노드의 전송 에너지를 의미하고, 하기의 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 멀티홉 네트워크에서 효율적인 컨버어지캐스트 스케줄링 방법.
[수학식 1]
Figure 112020056151341-pat00045

여기서,
Figure 112020056151341-pat00046
는 상기 자식 노드가 상기 부모 노드로 상기 타임슬롯 t 동안 상기 데이터 프레임을 전송하는 것을 의미하고,
Figure 112020056151341-pat00047
는 상기 자식 노드와 상기 부모 노드 사이의 무선 링크의 채널 상태이고, N0는 부가적인 가우시안 잡음(Gaussian noise)이고, r은 전송률이고, W는 대역폭이다.
The method of claim 5,
The energy budget means transmission energy of the child node in a specific channel state when transmitting the data frame to the parent node, and efficient convergedcast scheduling in a multi-hop network, characterized in that it satisfies Equation 1 below. Way.
[Equation 1]
Figure 112020056151341-pat00045

here,
Figure 112020056151341-pat00046
Means that the child node transmits the data frame to the parent node during the timeslot t,
Figure 112020056151341-pat00047
Is the channel state of the radio link between the child node and the parent node, N0 is additional Gaussian noise, r is a transmission rate, and W is a bandwidth.
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