KR102416088B1 - 타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법 및 시스템 - Google Patents

타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법 및 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102416088B1
KR102416088B1 KR1020200072351A KR20200072351A KR102416088B1 KR 102416088 B1 KR102416088 B1 KR 102416088B1 KR 1020200072351 A KR1020200072351 A KR 1020200072351A KR 20200072351 A KR20200072351 A KR 20200072351A KR 102416088 B1 KR102416088 B1 KR 102416088B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nodes
priority
time
node
path
Prior art date
Application number
KR1020200072351A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210155176A (ko
Inventor
김명균
아르마간 다르반디
Original Assignee
울산대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 울산대학교 산학협력단 filed Critical 울산대학교 산학협력단
Priority to KR1020200072351A priority Critical patent/KR102416088B1/ko
Publication of KR20210155176A publication Critical patent/KR20210155176A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102416088B1 publication Critical patent/KR102416088B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/50—Allocation or scheduling criteria for wireless resources
    • H04W72/56—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on priority criteria
    • H04W72/566—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on priority criteria of the information or information source or recipient
    • H04W72/1247—
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/04—Wireless resource allocation
    • H04W72/044—Wireless resource allocation based on the type of the allocated resource
    • H04W72/0446—Resources in time domain, e.g. slots or frames
    • H04W72/1257—
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/50—Allocation or scheduling criteria for wireless resources
    • H04W72/535—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on resource usage policies
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W74/00—Wireless channel access
    • H04W74/04—Scheduled access
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W84/00—Network topologies
    • H04W84/18—Self-organising networks, e.g. ad-hoc networks or sensor networks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

본 발명은 타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법에 관한 것으로, 무선 센서 네트워크의 트리 구조를 형성하는 복수의 노드들 중 데이터를 전송할 복수의 노드들에 대한 전송 우선 순위를 결정하는 단계; 상기 데이터를 전송할 복수의 노드들 중 우선 순위가 가장 높은 노드의 전송할 데이터를 제1 슬롯의 제1 채널에 할당하는 단계; 및 상기 데이터를 전송할 복수의 노드들 중 상기 우선 순위가 가장 높은 노드와 이중 충돌(duplex conflict)이 발생하는 노드를 제외한 나머지 노드들을 상기 제1 슬롯의 나머지 채널들에 할당하는 단계;를 포함한다.

Description

타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM OF PATH COLLISION AWARE REAL TIME LINK SCHEDULING FOR TIME SLOTTED CHANNEL HOPPING WIRELESS NETWORKS}
본 발명은 무선 센서 네트워크에서의 실시간 스케줄링 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법 및 시스템에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)는 센서 모듈을 무선 통신이 가능하게 하여 센서들 간에 연결되어 정보를 주고 받는 네트워크로서, 온도, 습도, 거리, 무게 등과 같은 물리적 조건 등을 측정하기 위하여 흩어져 있는 센서 노드들이 무선을 매개로 통신한다. 무선 통신은 편의성, 비용, 이동성의 측면에서 유선 통신보다 유리하기 때문에 무선 센서 네트워크는 다가올 IoT(internet on things) 패러다임에서의 핵심적인 역할을 하는 기술 중 하나이다.
예컨대, 상기 무선 센서 네트워크(WSN)는 산업 통신 분야에서 가장 유망한 해결 방법들 중 하나로서, 공장 자동화, 분산 및 (스마트 그리드 및 스마트 빌딩에서 방사선 검사를 위한 액화/가스 유출의 스마트 검출 같은) 프로세스 제어를 포함하는 많은 산업상 응용들에서 저전력 및 저 전송률의 센서 디바이스들을 갖는 상기 WSN들의 채용이 증가해오고 있다. 그러한 실시간 응용들에서, 종단간(end-to-end) 지연들은 상한값들(upper bounds)(예컨대, 데드라인들(deadlines)), 예컨대, 분산 제조에 대해서는 수십 밀리 초, 프로세스 제어에 대해서 수 초, 자산 모니터링에 대해서 수 분 만큼으로 제한된다. 추가로, 프로토콜의 높은 확장성은 넓은 지리적 영역들이 모니터링될 필요가 있을 때, 네트워크 스케일 내에서 알고리즘이 잘 동작하는 것을 보장한다.
IEEE 802.15.4 표준은 저전력 및 저 전송률 WSN들에 대한 물리 계층 및 MAC 계층을 제공하기 위한 참고용 표준으로서 고려될 수 있다. 그러나, 상기 IEEE 802.15.4 표준에서의 기본적인 채널 액세스 제어는 CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)를 통한 것이므로, 많은 이전 연구들은 예측 가능하고 견고한 통신을 필요로 하는 새로운 실시간 응용들에 대해 부적합함을 보여준다. 그러므로, 2012년 IEEE 802.15e 워킹 그룹은 IEEE 802.15.4e 수정을 정의하며, 이는 TSCH(time slotted channel hopping)로 명명된 MAC 프로토콜을 소개한다. TSCH에서, 다중 채널에 따른 시간 슬롯 채널 액세스 방식 및 주파수 호핑 가능성은 결정론적 지연(deterministic latency), 및 간섭과 다중 경로 페이딩에 대한 높은 저항성을 보장한다.
한편, 표준이 2012년에 공개되었기 때문에 TSCH 네트워크를 위한 스케줄링이 연구되었으며, 그 결과는 두 가지 주요한 클래스들로 카테고리화 될 수 있다. 제1 클래스는 TSCH 네트워크에서 분산된 스케줄링 문제를 처리하는 접근 방법을 포함한다. 이러한 연구에서, 연속적인 충돌-회피(collision-free) 링크 수립에 초점이 맞추어져 있으므로, 지연 제한에 기반한 트래픽 우선 순위에 대한 노력에는 관심이 없다. 제2 클래스는 중앙 집중화된 TSCH 스케줄링이 문제를 해결하는 접근 방법을 포함한다. 이러한 것은 유일하게 그 생성된 트래픽 및 그 디바이스를 통해 통과하는 트래픽의 양에 기반하여 센서 디바이스의 우선 순위를 정하는 것을 연구한다. 패킷 지연은 주요한 제한으로서 인식되지 않았다. 그러므로, 이러한 접근 방법들은 산업적 응용들의 전체적인 종단간 지연 성능을 제한하며, 종단간 데드라인의 관점에서 스케줄 가능성(schedulability)을 보장할 수 없다.
상기한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따르면 결정론에 대한 엄격한 요구 조건 및 짧은 지연을 만족하기 위한 설계 알고리즘 및 TSCH 네트워크에 대한 프로토콜에 의해, 타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법은, 무선 센서 네트워크의 트리 구조를 형성하는 복수의 노드들 중 데이터를 전송할 복수의 노드들에 대한 전송 우선 순위를 결정하는 단계; 상기 데이터를 전송할 복수의 노드들 중 우선 순위가 가장 높은 노드의 전송할 데이터를 제1 슬롯의 제1 채널에 할당하는 단계; 및 상기 데이터를 전송할 복수의 노드들 중 상기 우선 순위가 가장 높은 노드와 이중 충돌(duplex conflict)이 발생하는 노드를 제외한 나머지 노드들을 상기 제1 슬롯의 나머지 채널들에 할당하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 우선 순위를 결정하는 단계는, 상기 전송할 데이터의 종단간(end-to-end) 데드라인(deadline)에 대한 여유시간(laxity time)에 기반하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 우선 순위를 결정하는 단계는, 목적지 디바이스로의 지정된 경로를 따라 발생하는 충돌량에 기반하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 우선 순위를 결정하는 단계는, 상기 무선 센서 네트워크의 트리 구조를 형성하는 복수의 노드들에 대한 충돌량에 기반하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 우선 순위를 결정하는 단계는, 남은 경로를 따라 처리될 패킷의 충돌량에 기반하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 우선 순위를 결정하는 단계는, 상기 복수의 노드들 중 목적지에서 더 많은 홉 수로 떨어져 있고, 더 짧은 데드라인을 갖는 데이터를 전송하는 노드에 더 큰 가중치를 할당하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 복수의 노드들 각각은, 서로 상이한 릴리즈 시간, 주기, 및 데드라인을 갖는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에서 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 시스템은, 무선 센서 네트워크의 트리 구조를 형성하는 복수의 노드들로부터 노드 정보를 수신하는 통신부; 상기 통신부를 통해 수신된 노드 정보를 저장하는 메모리; 및 상기 통신부를 통해 수신된 노드 정보에 기반하여, 상기 복수의 노드들 중 데이터를 전송할 복수의 노드들에 대한 전송 우선 순위를 결정하고, 상기 데이터를 전송할 복수의 노드들 중 우선 순위가 가장 높은 노드의 전송할 데이터를 제1 슬롯의 제1 채널에 할당하고, 상기 데이터를 전송할 복수의 노드들 중 상기 우선 순위가 가장 높은 노드와 이중 충돌(duplex conflict)이 발생하는 노드를 제외한 나머지 노드들을 상기 제1 슬롯의 나머지 채널들에 할당하는, 프로세서를 포함한다.
바람직하게는, 상기 프로세서는, 상기 전송할 데이터의 종단간(end-to-end) 데드라인(deadline)에 대한 여유시간(laxity time)에 기반하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 프로세서는, 목적지 디바이스로의 지정된 경로를 따라 발생하는 충돌량에 기반하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 프로세서는, 상기 무선 센서 네트워크의 트리 구조를 형성하는 복수의 노드들에 대한 충돌량에 기반하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 프로세서는, 남은 경로를 따라 처리될 패킷의 충돌량에 기반하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 프로세서는, 상기 복수의 노드들 중 목적지에서 더 많은 홉 수로 떨어져 있고, 더 짧은 데드라인을 갖는 데이터를 전송하는 노드에 더 큰 가중치를 할당하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 복수의 노드들 각각은, 서로 상이한 릴리즈 시간, 주기, 및 데드라인을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 멀티 프로세서 및 분산 시스템에 대한 존재하는 스케줄 가능성 분석에 기반하여 TSCH 네트워크에 대한 스케줄링 휴리스틱 접근 방법 및 스케줄 가능성 조건을 제시한다. 본 발명의 실시예에 따라, 메시지 우선 순위화 접근 방법이 제안되며, 이는 그 종단간 데드라인 및 목적지까지 경로를 통해 처리될 수 있는 충돌들을 고려하여 각 메시지를 동적으로 우선 순위화할 수 있다. 그런 다음, 본 발명에서 제안된 스케줄링 접근 방법에 의해, 상기 메시지는 TSCH 네트워크상에서 스케줄링된다. 본 발명에 따르면, 제안된 휴리스틱 접근 방법 및 본 발명의 스케줄 가능성 조건이 다양한 설정들에서 종래의 접근 방법보다 뛰어나며, 스케줄 가능성 비율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 적용되는 TSCH 네트워크 토폴로지의 예를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 TSCH 통신 스케줄 테이블의 예를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 타임 슬롯들을 포함하는 TSCH 슈퍼 프레임 및 슬롯 프레임의 송신 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 정보를 전송하는 센서 디바이스들을 갖는 네트워크를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 플로우에 의해 생성된 패킷의 각종 파라미터들을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 전자 장치의 세부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명에 따른 스케줄링 절차를 나타내는 흐름도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 실험 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따른 실험 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 실험 결과를 나타내는 그래프들이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 실시 예에 기초하여 설명한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있는 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백히 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
저전력 및 저 전송률 WSN(wireless sensor network)이 산업 응용 분야에 널리 사용됨에 따라, 그러한 응용들의 스케줄링은 결정론(determinism) 및 엄격한 지연 시간의 절대적인 요구를 만족시키는 것을 보장하기 위해 중요한 이슈가 되고 있다. 본 발명은 시간 슬롯 채널 호핑(time-slotted channel hopping; TSCH) 네트워크에서 실시간 산업 응용들을 위한 링크 스케줄링 방법을 제안한다. 본 발명은 경로 충돌 인식 최소 여유시간 우선(path-collision aware least laxity first; PC-LLF) 알고리즘과 관련된 중앙집중 링크 스케줄링을 위한 휴리스틱(heuristic) 알고리즘을 제안하며, 이는 메시지들이 종단간(end-to-end) 데드라인(deadline)에 대한 여유시간(laxity time) 및 목적지 디바이스로의 그 지정된 경로를 따라 직면하는 충돌량에 기반하여 패킷들을 동적으로 우선적으로 처리하는 알고리즘이다. 본 발명은 멀티 프로세서 및 분산 시스템의 실시간 스케줄 능력 분석에 기반하여, TSCH 네트워크를 통해 본 발명의 우선 순위화(prioritization) 접근 방법 하에 스케줄링 된 실시간 응용들의 스케줄 가능한 분석을 제안한다. 본 발명은 종래의 접근 방법에 비해 개선된 스케줄 능력 조건을 제공한다. 성능 평가는 다양한 시나리오상에서 본 발명에서 제안하는 접근 방법의 성능을 정량적으로 분석한다. 본 발명에서는, 스케줄링 방법들은 결정론에 대한 엄격한 요구 조건 및 짧은 지연을 만족하기 위한 설계 알고리즘 및 TSCH 네트워크에 대한 프로토콜을 목표로 한다.
본 발명의 주요한 특징은 새로운 휴리스틱 스케줄링 알고리즘이며, 그 여유 시간(laxity)(즉, 종단간 데드라인 전 잔여 시간) 및 목적지 디바이스로까지의 그 경로를 통해 발생하는 충돌들에 의해 부과되는 지연량에 기반하여, 각 패킷 전송을 동적으로 우선 순위화하는 것이다. 그러므로, 이러한 알고리즘은 경로 충돌-인식 최소 여유시간 우선(Path Collision-aware Least Laxity First; PC-LLF) 알고리즘으로 지칭될 수 있다. 본 발명의 우선 순위화 전력은 패킷 여유시간을 동적으로 고려하며, 패킷 지연을 동적으로 예상하기 때문에, 목적지 디바이스에서의 메시지 도착 시간과 그 종단간 데드라인 사이의 시간 영역(time phase)으로 정의된, 패킷 지연(packet lateness)을 최소화하는 좋은 성능의 실현 가능한 해결책을 제공할 수 있다. 본 발명의 확장된 실험 결과로서, 본 발명에 의해 제공된 우선 순위화는 종래 방법들에 비해 네트워크 작업 부하에서 종단간 지연들 및 동작 변경들을 처리하는데 중요한 이점이 있다.
이하, 본 발명의 설명에서는 먼저 관련 기술들을 개시하며, 다음으로 본 발명의 실시예에 따른 시스템 및 응용 모델 및 문제 형식화를 소개한다. 이후, 본 발명의 실시예에 따른 상세한 제안 방법을 개시하며, 다음으로 본 발명의 실시예들이 적용된 실험 결과를 설명한다.
먼저, 본 발명에 대한 관련 기술로서 TSCH를 설명한다. 개념적으로, TSCH는 WirelessHART 및 ISA100.11a와 같이 산업적 네트워크 기술에서 사용되고 있다. 많은 논문들은 이러한 프로토콜들에 대해 종단간 패킷 통신들의 중앙 집중화된 스케줄링을 목표로 하며, 주로 높은 성능 및 낮은 에너지 소모를 가져오는 것을 목표로 한다. 많은 경우에서, 이는 상기 이론을 단순화하기 위해 일정의 가정들을 가져옴으로써 문제에 접근한다. 예를 들면, 트리-구조화된 WirelessHART 네트워크에 대한 스케줄링 알고리즘이 제안되었다. 여기서, 각 필드에 대해 단일-버퍼 디바이스는 각 슈퍼 프레임의 시작에 단일 데이터 패킷을 생성하고, 수퍼 프레임의 종료 전에 전달되어야 함을 가정한다. 이러한 조건하에서, 상기 가정은 상기 응용 QoS 제한에 기반하여 상이할 수 있는 생성율 및 데드라인들을 갖는 주기적인 흐름들의 경우를 고려하지 않는다.
TSCH 네트워크들에 대한 중앙 집중화된 스케줄링의 전략들이 제안되었으며, 이러한 접근 방법은 생성하여 자식 노드들로부터 부모 노들들로 전달하는 트래픽의 양에 기반하여 각 센서 필드 디바이스를 동적으로 우선 순위화한다. 기본적으로, 그 서브 트리에 있는 대량의 패킷들을 가지는 노드는 모든 서브 트리들에서의 패킷들의 양이 균형화될 때, 결과적으로 높은 우선 순위를 달성한다. 그러므로, 상기 방법은 패킷 지연 문제를 강조하지 않으며, 결과적으로 그 원인을 조사하거나, 그 것을 하기 위한 어떠한 해결책도 제안하지 않는다. 예를 들면, 큰 서브-트리를 갖는 하나의 노드를 계속적으로 스케줄링하는 것은 패킷 지연을 가져오고, WSN은 자원이 제한되므로 결과적으로 작은 서브-트리들에서 패킷 손실을 가져온다.
다른 방법으로서, 일반화된 WirelessHART 네트워크 모델을 위한 중앙 집중화된 스케줄 알고리즘이 제안되며, 여기서 노드들은 상이한 전송률의 패킷 흐름을 생성한다. 상기 방법은 짧은 생성율을 갖는 패킷에 더 높은 우선 순위를 할당하는 비율 단조 전략에 기반하여 각 패킷을 우선 순위화한다. 그러나, 비율 단조는 정적인 우선 순위 메커니즘이며, 이는 그 데드라인들에 접근하거나, 그 지정된 경로상에 높은 충돌 양을 처리할 때, 패킷의 우선 순위를 상승시키지 않는다. 본 발명에서는, 패킷 지연 문제에 대한 기본적인 원인으로서 충돌들을 전체적으로 조사한다. 본 발명은 패킷 지연이 적절한 패킷 우선 순위화에 의해 경감될 수 있음을 보여준다.
이전 대부분 방법과 대조적으로, 본 발명은 더 많은 실질적인 응용 도메인을 지원하는 일반화된 네트워크 토폴로지에 기반한다. 본 발명의 시스템 모델에서, 모든 필드 디바이스는 상이한 타이밍 요구들(즉, 릴리즈 시간, 주기, 데드라인)을 가지고 전송 흐름들을 생성한다. 이러한 시스템 모델 하에서, 가지(branch) 및 경계 알고리즘에 기반한 최적화 알고리즘을 제안한다. 각 가지는 최종적인 실현 가능한 또는 실현 불가능한 해결책을 달성하기 위해, 추가 밸런싱을 통해 진행되어야 하는 부분 스케줄링을 나타낸다. 상기 방법은 검색 트리의 실현 불가능한 가지들을 잘라내기 위해 패킷 지연에 대한 상위 경계를 제안한다. 본 발명은, 이러한 상위 경계가 매우 비관적이며, 큰 셋의 문제들의 스케줄 가능성을 보장할 수 없음을 보여준다. 본 발명은 멀티 프로세서 및 분산 시스템들의 실시간 스케줄 가능한 분석에 기반하여 패킷 지연을 위한 엄격한 상위 경계 예측에 의한 이러한 스케줄 가능성 조건을 개선한다. 본 발명의 실험 결과는 이러한 스케줄 가능성 조건이 최대 스케줄 가능한 이용을 효과적으로 증가시킴을 보여준다.
최적화 접근 방법은 과도한 양의 실행 시간을 가지기 때문에, 스케줄 패킷 전송에 대한 휴리스틱 알고리즘들이 적용될 수 있다. 휴리스틱은 현재 필드 디바이스(목적지를 향해 패킷을 라우팅하는)에서 처리해야하는 충돌의 양 및 데드라인 전 잔여 시간의 양에 기반하여, 각 시간 슬롯상의 릴리즈된 전송을 동적으로 우선순위화한다. 본 발명의 알고리즘은 남은 경로를 따라 처리될 패킷의 충돌 양을 처리하는 알고리즘으로서, 주어진 문제를 스케줄링하기 위한 더 높은 성공율을 달성한다.
반복적인 H-SA(Hop-wise Scheduling Algorithm)이 제안되었으며, 이는 k번째 반복에서, 모든 플로우들의 경로상에서 k번째 링크들에서의 전송을 스케줄링하고, 그 동안 충돌 관계 및 우선 순위가 고려되어야 한다. 상기 방법은 데드라인 전 잔여 시간 및 목적지까지의 남은 홉 수에 기반하여 각 전송의 우선 순위를 정의한다. 목적지에서 더 많은 홉 수로 떨어져 있고, 더 짧은 데드라인을 갖는 플로우는 더 큰 가중치가 할당된다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 IEEE 802.15.4e TSCH 프로토콜 통신 메커니즘을 보여준다. TSCH에서는 정해진 시간대에 정해진 대역으로 두 노드가 통신을 한다. 즉, 시간 축을 타임 슬롯(time slot)으로 이산화하여, 특정한 시간대(time slot offset)에 특정한 주파수대(channel offset)를 매체로 두 노드가 통신한다.
TSCH 네트워크가 개시된 이후로 특정 타임 슬롯(특정 시점)에는 고유의 숫자가 부여되며 시간이 흐를수록 1씩 증가된다. 이 숫자를 도 2에 도시된 바와 같이 ASN(Absolute Sequence Number)이라 하며 표준에서는 5바이트 크기로 정의한다. 정해진 타임 슬롯 개수가 모여 슬롯 프레임 (slot frame)을 이루고, 이 슬롯 프레임은 계속 반복된다.
타임 슬롯 오프셋과 채널 오프셋으로 정해지는 하나의 링크는 두 노드들 간의 순서쌍 형태를 띠고 있다. 이 두 개의 노드들 중 하나는 패킷을 보내는 송신 노드이고, 다른 하나는 패킷을 받는 수신 노드이다. 특정 슬롯 오프셋에서(특정 시간대에서) 특정 노드는 패킷을 보내거나, 받거나, 혹은 슬립하는 동작 중 한 동작을 취할 수 있다.
IEEE 802.15.4 표준에서는 2.4GHz 대역의 11 ~ 26채널, 총 16채널을 사용하도록 하고 있다. TSCH 네트워크에서 노드는 자신만의 전용 슬롯(dedicated slot)을 가질 수 있는데 이는 스케줄링을 이용하여 실현될 수 있다.
예를 들면, 도 2에서 timeslot offset 0, channel offset 0에서, 노드 B는 노드 A에게 패킷을 전송하는 스케줄을 가지고 있고, 노드 A는 노드 B로부터 패킷을 전송 받는 스케줄을 가지고 있다. 이는 도 1의 네트워크 그래프에서도 나타나고 있다. 즉, 도 2의 스케줄링 테이블의 셀(cell) 하나는 도 1의 네트워크 그래프의 각 노드간 선 하나와 대응된다.
일반적인 TSCH 프로토콜에서는 채널 호핑 방식으로 주파수가 선택된다. 채널 호핑은 통신 시 모든 주파수가 균등한 분포를 가지면서 임의로 선택될 수 있다. 이는 외부 간섭이나 다중 경로 페이딩의 영향으로 인해 통신 신뢰성이 감소하는 것을 경감시켜줄 수 있다.
TSCH 프로토콜에서 사용되는 일반적인 채널 선택 방식은 수학식 1에서와 같다.
Figure 112020061289350-pat00001
상기 수학식 1은 스케줄에서 나타나는 channel offset을 실제로 통신에 사용할 채널로 사상시켜주는 역할을 한다. ASN은 동기화된 모든 노드들이 공유하고 있으며 네트워크가 시작한 이래로 타임 슬롯이 증가할 때마다 1씩 증가한다. Channel Offset은 0에서 15까지의 값을 선택할 수 있다.
HSL에는 실제로 사용 가능한 채널 11 ~ 26을 보관하고 있는 테이블이다. 이는 ASN은 타임 슬롯 하나가 진행될 때 유일한 값을 가지므로 한 시점에서 최대 16개의 채널을 사용하여 동시에 통신이 가능하다는 것을 의미한다.
IEEE 802.15.4e 표준은 통신의 신뢰성을 높이는 데 기여하지만 2.4GHz 주파수 대역을 사용하는 여러 기술들에 의해 외부 간섭 (Cross-technology interference)을 받을 수 있다.
Bluetooth, Wi-Fi, microwave oven과 같은 도구 등 2.4GHz 비면허 ISM 대역을 사용하는 많은 기술들이 있으며, 비면허 대역이기 때문에 앞으로 생겨날 많은 무선 기술이 2.4GHz 대역을 사용할 수 있다. IEEE 802.15.4e 표준은 (Time Slotted) Channel Hopping 기법을 통해 간섭이 많이 일어나는 채널을 의도적으로 회피하여 원활한 통신이 가능하게 할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 시스템 모델 및 문제 형식화를 설명한다.
<시스템 모델>
전술한 바와 같이 TSCH에서, 통신은 도 3에 도시된 바와 같이 슬롯프레임으로 지칭된 주기적인 사이클들로 동일하게 발생한다. 각 슬롯프레임은 고정된 수 Ns의 동일한 크기의 타임 슬롯들로 구분된다. 하나의 타임 슬롯은 최대 길이 패킷을 전송하기 위해 송신측에 대해 충분한 길이이며, ACK를 회신하기 위해 수신측에 대해 충분한 길이이다. 네트워크의 시작 또는 PAN(personal area network) 코디네이터에 의해 결정된 임의의 시작 시간 이후로 경과된 타임 슬롯들의 총 개수는 ASN(absolute slot number)으로 지칭된다. 이는 각 타임 슬롯의 시작 시 네트워크에서 전역적으로 증가하며, 슬롯 카운터로서 디바이스에 의해 전역적으로 사용된다. 초기에, nch≤16 상이한 채널들이 통신을 위해 이용될 수 있다. 각 채널은 채널 오프셋(channel-offset)에 의해 확인되며, 이는 [0, 15] 범위 내의 정수 값이다. 타임 슬롯 내에서, 송신측은 타임 슬롯의 시작 이후 TsTxOffset μs 시점에 전송을 시작하며, 수신측은 guardTime μs 전에 상기 채널에서의 수신 데이터에 대한 모니터링을 시작한다. 이러한 메커니즘은 guardTime μs 이상 동안 반드시 비동기화되지 않음을 필요로 하며, 그 결과로 통신이 가능하다. 각 디바이스는 다중 채널들에서 통신을 지원하기 때문에, 다중 노드 쌍들은 상이한 채널 오프셋들을 사용하여 동일한 타임 슬롯에서 통신할 수 있으며, 그에 의해 네트워크 용량을 증가시킨다. TSCH에서, 통신 셀은 주어진 채널 오프셋에 대해 주어진 타임 슬롯에서 디바이스들(즉, 노드들) 사이의 직접적인 통신의 페어링된 할당으로 정의된다. 그러므로, 통신하는 디바이스들 간의 통신 셀은 한 쌍의 “(타임 슬롯, 채널 오프셋)”으로 나타낼 수 있다. 노드들 사이의 간섭을 감지하는 어려움 및 간섭 패턴들의 다양성 때문에, 그리고 스케줄 가능성 분석에서의 단순화를 위해, 본 발명의 설명에서는 전체 네트워크를 통과하는 각 통신 셀에서 단 하나의 전송만을 허용함을 예시한다. 이는 통신 셀(“(타임 슬롯, 채널 오프셋)”)이 단일한 통신 링크 vpvq로 지정됨을 의미한다. 그러므로, 임의의 시간 슬롯에서 동시 전송될 수 있는 최대 수는 가용한 채널 수를 초과할 수 없다.
<응용 모델>
본 발명에서, TSCH 네트워크는 DAG(Directed Acyclic Graph) G=(V,E)로 모델링되는 메쉬(mesh) 네트워크를 형성하며, 도 4에 도시된 바와 같이 여기서 V={v1, v2,..., vN}은 모든 필드 디바이스들의 집합이며, E에서의 아크(arc)들은 통신 링크들이다. E에서의 각 링크는 순서화된 노드들의 쌍, 예컨대, vpvq에 의해 식별되며, vp 및 vq는 각각 송신 노드 및 수신 노드들이다. 두 개의 링크가 공통의 송신자(송신 노드) 또는 수신자(수신 노드)를 공유하면 서로 이중 충돌(duplex conflict; DC)이 발생한다. 상기 이중 충돌하는 링크들은 동일한 타임 슬롯을 공유할 수 없다. 본 발명에서 특정 링크 vpvq에서 이중 충돌할 수 있는 모든 링크들의 셋을 CNF(vpvq)로 정의하면, 도 4에 도시된 그래프에서는 예컨대, CNF(v4v1)={v1v0, v3v1, v6v4, v7v4}로 나타낼 수 있다. 하나의 링크의 수신측 또는 송신측이 다른 링크의 송신측의 전송에 대해 모니터링할 수 있으면, 두 개의 링크는 서로 간섭한다. 서로 간섭하는 링크는 동시 전송에서 동일한 통신 셀을 공유할 수 없다. 본 발명에서는 특정 링크 vpvq에 대해 간섭하는 모든 링크들의 셋을 INF(vpvq)로 정의한다.
도 4에서 디바이스 v0는 중앙 컨트롤러로 동작하며, 각 필드 디바이스(예컨대, v1 내지 v7)는 센서 또는 액추에이터 중 적어도 어느 하나가 될 수 있다. 센서 노드는 센싱 정보를 주기적으로 수집하고, 상기 생성된 데이터를 상기 중앙 컨트롤러(v0)로 전송한다. 액추에이터 디바이스는 상기 중앙 컨트롤러(v0)로부터 동작의 최적화된 코스에 대한 정보를 주기적으로 수신한다. 두 디바이스들은 멀티 홉 라우팅을 지원한다. 각 필드 디바이스는 동시에 송신 및 수신할 수 없는 반-이중 무선 송수신기임을 가정한다. 각 디바이스는 다중 비-중첩 채널상에서의 통신을 지원하지만 주어진 타임 슬롯에서 하나의 채널상에서만 송신 또는 수신할 수 있다.
각 소스 노드 vi는 플로우 Fi를 생성하며, F={F1, F2,..., FM}는 스케줄링 할 모든 플로우들의 집합이다. 각 플로우 Fi는 슬롯 프레임이 시작되고 Ri 타임 유닛들 후에 데이터가 발생하며, 그 이후는 도 5에 도시된 바와 같이 Ti 주기로 주기적으로 발생된다. 한 슬롯 프레임에서 Fi의 j번째 실시(invocation)는 Pi,j로 나타내는 j번째 패킷을 생성하며, 그 방출 시간(release time)은 ri,j= Ri + (j-1)·Ti 이며, 그 전송의 시작은 si,j이며, 목적지에서의 수신 시간은 fi,j이다. vp가 목적지 노드로부터 k 홉만큼 떨어진 노드일 때, 그 에지(edge) 링크 vpvq를 따르는 Pi,j의 전송은 τi,j k로 나타낸다. 도 4에서, 플로우 F4 및 F7에 의해 생성된 전송 패킷들은 해당 링크상에 입력된다. 본 발명에서는, 네트워크에서 스케줄되어야 하는 모든 패킷의 모든 전송의 셋을 U로 정의한다. 추가로, 슬롯 프레임의 길이는 Ls로 정의하며, F에서의 모든 플로우들의 주기들의 최소공배수(LCM; least common multiple)와 같다.
플로우 Fi는 Di에 의해 정의된 종단간 데드라인을 가지며, Fi에 의해 생성된 각 패킷 Pi,j는 ri,j +Di 전에 목적지에 도착해야 함을 가리킨다. pi,j에 대한 종단간 지연은 di,j로 나타내며, 소스 노드에서 pi,j의 릴리즈 타임으로부터 목적지 노드에서의 그 도착 시간까지 사이의 시간 간격(즉, di,j=fi,j-ri,j)이다. Fi의 종단간 데드라인(Di)을 만족하기 위해, 각 j번째 패킷에 대해 di,j≤Di를 만족해야 한다. 도 4를 참조하면, 각 플로우(Fi)의 종단간 데드라인(Di)은 그 주기(Ti)와 같고, 이는 각 패킷이 다음 패킷의 방출 시간(release time) 전에 목적지에 도착해야 함을 의미한다. 상기 값들은 슬롯들의 번호를 그 단위로 할 수 있다.
<문제의 형식화>
본 발명에서의 문제는 메시지 지연을 최소화하기 위해, IEEE 802.15.4e TSCH 프로토콜에 대한 그 각각의 지정된 경로를 따라 각 플로우의 모든 전송들의 가능한 스케줄을 검색하는 것이다. TSCH 네트워크 G 및 플로우 셋 F, 주기 T, 방출 시간 R, 각 플로우의 종단간 데드라인의 집합 D, 각 패킷의 전송들의 집합 U가 주어지면, 하기 수학식 2 내지 6을 산출할 수 있다.
Figure 112020061289350-pat00002
Figure 112020061289350-pat00003
Figure 112020061289350-pat00004
Figure 112020061289350-pat00005
Figure 112020061289350-pat00006
여기서, 스케줄 Γ가 정의될 때, E(G, F, D, R, T, U, nch)는 메시지 지연 또는 스케줄 길이를 나타낸다. 상기 수학식 3 및 4에서의 제한은 전송 τi,j k가 τi,j k+1보다 더 빨리 발생해야 함을 의미하며, 종단간 지연들은 각각 종단간 데드라인들에 의해 제한되어야 함을 의미한다. 상기 수학식 5 및 6의 제한은, 두 개의 간섭하는 링크들은 동일한 통신 셀 (t, ch)에서 스케줄될 수 없으며, 두 개의 충돌하는 링크들은 동일한 시간 슬롯 t에서 스케줄될 수 없음을 의미한다. Xp,q(t,ch)는 링크 vpvq상에서의 전송이 통신 셀 (t, ch)에 할당될 때 1로 설정되고, 그렇지 않으면 0으로 설정되는 이진 결정 값이다. 유사하게, Yp,q(t)는 링크 vpvq상에서의 전송이 타임 슬롯 t에 할당될 때 1로 설정되고, 그렇지 않으면 0으로 설정되는 이진 결정 값이다.
<스케줄링 해결 방법>
이하, 본 발명의 스케줄링 접근 방법을 설명한다. 본 발명의 주요한 구성 요소들은 다음과 같다. 먼저 각 패킷의 각 전송에 대한 우선 순위를 정의한다. 그런 다음, 본 발명의 휴리스틱 스케줄링 알고리즘을 제안한다. 이후, 본 발명의 우선 순위화 접근 방법에 따라 필요 충분적인 스케줄 가능성 조건을 개시한다. 본 발명에서 사용되는 변수들은 하기 <표 1>과 같다.
Figure 112020061289350-pat00007
<우선 순위 할당>
본 발명에 따른 우선 순위화는 두 가지 주요한 파라미터들에 기반하여 각 타임 슬롯에서 각 전송 τi,j k의 우선 순위를 동적으로 업데이트하는 것이다. 첫 번째 파라미터는 종단간 데드라인에 대한 잔여 시간이며, 두 번째 파라미터는 상기 패킷이 각 남아있는 중간 노드에서 발생하는 충돌의 평균 양에 의한 지연이다. 높은 충돌 양은 상기 전송이 제한된 여유시간 내에서 데드라인까지 스케줄되기가 더 어려워, 높은 우선 순위에 대응함을 알 수 있다. 반면 적은 충돌과 긴 데드라인은 일반적으로 유연하게 스케줄되도록 전송을 위한 더 큰 여유가 있음을 암시한다.
본 발명의 우선 순위화에서 슬롯 S에서의 데드라인 여유시간을 포함시키기 위해, 본 발명에서는 각 전송 τi,j k에 대한 시간 윈도우(time window)를 TW(τi,j k,S)로 정의하며, 이는 전송 τi,j k이 가장 빠른 타임 슬롯부터 그 전송을 시작할 수 있는 가장 늦은 타임 슬롯까지의 시간 영역(time phase)이다. 슬롯 S에서 τi,j k에 대해 상기 가장 빠른 시작 시간 및 가장 늦은 시작 시간은 각각 EST(τi,j k, S) 및 LST(τi,j k ,S)으로 정의되며, 하기 수학식 7 및 8로 나타낼 수 있다.
Figure 112020061289350-pat00008
Figure 112020061289350-pat00009
상기 수학식에서 τi,j k는 그 목적지로부터 k 홉 떨어진 시간이며, 그 소스 노드로부터 prei,j k 홉 떨어진 시간이다.
시간 슬롯 S에서 각 τi,j k에 대해 TW(τi,j k, S)를 정의하기 위해, 본 발명에서는 소스 노드로부터 시작하여 목적지 노드로 향하는 DAG(direct acyclic graph) G를 가로지름으로써 EST(τi,j k, S)를 판단할 수 있다. EST(τi,j k,S)는 현재 타임 슬롯 S에 의존하기 때문에, 각 타임 슬롯에서 동적으로 재산출해야 한다. LST(τi,j k, S)는 목적지 노드로부터 시작하여 소스 노드로 향하는 DAG G를 가로지름으로써 계산될 수 있다. 그러나, LST(τi,j k, S)는 현재 타임 슬롯에 의존하지 않기 때문에 시간에 대해 고정된 값을 갖는다.
Figure 112020061289350-pat00010
상기 표 2는 본 발명에 따라 도 4에서 주어진 네트워크에 대해 각 플로우에 의해 생성된 패킷의 전송들을 나타낸다. 플로우 F4는 16 타임 슬롯들 내에서 하나의 슬롯프레임 내에서 두 개의 패킷 τ4,1 및 τ4,2 을 생성한다. 시간 윈도우 [x, 16:y]는 시간 윈도우가 현재 슬롯프레임에서 타임 슬롯 x로부터 시작하고, 다음 슬롯프레임에서의 슬롯 y에서 종료함을 나타낸다.
현재 타임 슬롯 S에서 τi,j k를 우선 순위화하기 위해 고려하는 두 번째 파라미터는 각 잔여 전송들(즉, τi,j k, τi,j k-1, τi,j k-2,..., τi,j 0)에 대해 타임 슬롯 S에서 발생하는 충돌에 의한 평균 지연이다. 그렇게 하기 위해, 본 발명에서는 이중 상호 충돌(duplex conflicting collision) 및 간섭 충돌(interfering collision)의 두 가지 유형의 충돌을 고려한다.
이중 상호 충돌은 CNF(vpvq)에서 충돌 링크상에 존재하는 전송 τm,n l에 의해 부여되며, 그 라이프 타임(즉, TW(τm,n l, S))은 TW(τi,j k, S)와 중첩된다. ncnf(τi,j k, S)는 타임 슬롯 S에서 τi,j k와 이중 상호 충돌하는 전송의 양을 나타낸다. 그런 다음, 본 발명에서는 타임 슬롯 S에서 상에서 야기되는 스케줄링 지연의 상한값으로서 dcnf max(τi,j k, S)를 정의하며, 이는 ncnf(τi,j k, S)에 의해 부여된다. 최악의 경우로서, 모든 이러한 충돌 전송은 τi,j k의 스케줄링을 ncnf(τi,j k, S) 타임 슬롯 이후까지 지연시킬 수 있다. 그러므로, 본 발명에서, dcnf max(τi,j k, S)=ncnf(τi,j k, S)이다.
간섭 충돌은 IFN(vpvq)에서 간섭하는 링크에 존재하는 전송 τi,j k에 의해 부여된다. 이때, 그 라이프 타임 TW(τi,j q, S)는 TW(τi,j k, S)와 중첩된다. 본 발명은 또한 타임 슬롯 S에서 τi,j k와 간섭하는 전송의 양을 ninf(τi,j k, S)로 정의한다. 그런 다음, 다시 본 발명에서는 dinf max(τi,j k, S)를 간섭하는 전송의 최대 양 때문에 τi,j k 가 타임 슬롯 S 에서 처리되는 최대 지연이 되도록 정의한다. 지연 이론에 기반하여, ninf(τi,j k, S)가 간섭하는 전송이 τi,j k를 스케줄링하는데 야기될 수 있는 스케줄링 지연의 양에서의 상한값을
Figure 112020061289350-pat00011
로 정의한다.
본 발명은 타임 슬롯 S에서 잔여 경로를 따라 이중 상호 충돌 전송 및 간섭 충돌 때문에 패킷 τi,j k에 부여되는 평균 지연을 설명한다. 이러한 평균 지연은 각각 Dcnf avg(τi,j k, S) 및 Dinf avg(τi,j k, S)로 나타낸다. 상기 잔여 경로는 현재 전송 τi,j k 및 이후의 전송 τi,j k-1, τi,j k-2, ...,τi,j 0을 포함한다. 본 발명에서, Dcnf avg(τi,j k, S) 및 Dinf avg(τi,j k, S)는 동작 변수들이며, 그 값은 각 타임 슬롯에서 변경된다. 타임 슬롯 S에서 특정 링크 상에서의 충돌 양은 새로 도착한 전송에 의존하고, 이전 타임 슬롯에서 출발된 전송에 의존한다. 상기 Dcnf avg(τi,j k, S) 및 Dinf avg(τi,j k, S)는 하기 수학식 9 및 10에 의해 산출된다.
Figure 112020061289350-pat00012
Figure 112020061289350-pat00013
전술한 수학식 7 내지 10을 참조하면, 전송 τi,j k의 우선 순위는 하기 수학식 11에 의해 정의된다.
Figure 112020061289350-pat00014
여기서,
Figure 112020061289350-pat00015
는 타임 슬롯 S 이후 τi,j k가 스케줄링 될 수 있는 가능한 타임 슬롯들의 개수이다. 예를 들면, 표 2에서 도 4에 주어진 네트워크에서 각 플로우에 의해 생성된 패킷에 대한 dcnf max(τi,j k, 1), Dcnf avg(τi,j k, 1) 및 Pr(τi,j k, 1)이 표시된다.
<PC-LLF>
본 발명에 따른 PC-LLF 스케줄링 알고리즘은 아래 알고리즘 1과 같이 구현될 수 있다. PC-LLF 알고리즘의 입력 파라미터들은 G, F, D, R, T, U, nch, 이며, 그 출력은 가능한 스케줄링 결과이다.
Algorithm 1 : PC-LLF (G, F, D, R, T, U, nch)
1. Define the current time slot S=1, and define Pr(τi,j k, 1) for τi,j k.
2. Define Released(S) as the set of released transmissions in the first time slot.
3. While (not all the transmissions are scheduled) do
3.1. IF S≠1, Modify Pr(τi,j k, S) for all transmissions with Eqs. 6-10.
3.2. For each τi,j k in Released(S) check the schedulability condition by Eq. 13.
3.3. If there is a transmission that is not schedulable.
3.3.1. Return "unschedulable", Exit.
3.4. Else
3.4.1. Initiate the channel counter, m=0.
3.4.2. While (m≤nch) do
3.4.2.1 Select a released transmission with the highest priority, call it τ*. When several transmissions have the same priority, assign a higher priority to a transmission with the smallest length for its time window.
3.4.2.2 Assign τ* to current slot S on current channel m.
3.4.2.3 Remove τ* and all transmissions conflicting with τ* from Released(S)
3.4.2.4 Go to the next channel offset, m=m+1.
3.4.3. End while
3.5. End if
5. End While
6. Return the schedule.
위 알고리즘 1을 참조하면, 제1 단계로서, PC-LLF는 Released(S)를 제1 슬롯에서 시작하여, 현재 타임 슬롯 S에서 모든 방출된(released) 전송들의 집합들로 정의한다. 그런 다음, PC-LLF는 라인 3.1에서 수학식 7 내지 11과 같이 그 슬롯에 대한 모든 전송들의 우선 순위들을 갱신한다. 다음 섹션에서 후술할 수학식 14에 의해, 각 스케줄되지 않은 전송의 스케줄 가능성을 보장한다. PC-LLF는 각 반복 실행에서 Released(S)에서의 전송의 최악의 응답 시간에 대한 지연의 상한값을 계산하기 위해, 다음 섹션에서 설명될 지연 분석을 적용한다. 상기 상한값 스케줄 가능성 분석이 Released(S)에서 스케줄되지 않은 전송을 인식하면, PC-LLF는 3.3.1 라인에서 상기 알고리즘 1을 종료한다. 그렇지 않으면, PC-LLF는 라인 3.4.2에서 현재 타임 슬롯에서 가장 높은 우선 순위 전송을 계속해서 스케줄링한다.
다음 타임 슬롯에 대해, PC-LLF는 모든 스케줄링 된 전송들을 삭제하고, 다음 타임 슬롯에서 새롭게 방출된 전송을 추가함으로써 Released(S)를 갱신하고, 전송의 우선 순위를 갱신하고, 다음 타임 슬롯에 대한 스케줄링 절차를 반복한다.
섹션 3.1에서 언급한 바와 같이, Ls로 나타낸 슬롯 프레임의 길이는 플로우 F에서 모든 플로우들에 대해 LCM의 주기와 같다. 그러나, 방출 시간 Ri>1를 갖는 플로우 Fi의 스케줄링은 하나의 슬롯 프레임 내에서 완료되지 않을 수 있다. 도 4에서 PC-LLF는 다음 슬롯프레임에서 적어도 10번째 타임 슬롯까지, 11번째 타임 슬롯으로부터 스케줄링되기 위해 플로우 F7을 고려하여 시작한다.
< 지연의 상한값 분석>
본 발명은 스케줄링 전략에 따라 각 전송 τi,j k의 최악의 응답 시간에 대한 상한값을 유도한다. 상기 τi,j k에 대한 상기 최악의 응답 시간은 τi,j k가 그 방출 시간 이후 처리한 최대 스케줄링 지연이다. 부등식
Figure 112020061289350-pat00016
가 모든 전송들에 대해 유효할 때, 상기 플로우 집합은 스케줄 가능함이 보장된다.
최악의 경우 지연 분석에 대한 상한값에 대한 주요 이유는 전역 멀티 프로세서 플랫폼상에서의 실시간 스케줄링 때문이다. 네트워크에서의 각 채널은 하나의 프로세서로서 보여질 수 있으며, 각 플로우는 주기 Ti, 데드라인 Di, 슬롯 길이와 같은 실행 시간인 하나의 태스크(task)로 보여질 수 있다. 그러나, 마이크로 프로세서 스케줄링과는 달리, 본 발명에서는 전송 충돌에 의해 제한되며, 추가적인 블록킹 시간으로서 패킷들의 비선점(non-preemptability)을 고려하여야 한다. 본 발명은 마이크로프로세서 및 분산 시스템의 스케줄 가능성 분석이 적용될 수 있다.
DelayUB(τi,j k)를 정의하기 위해, 본 발명에서는, τi,j k의 최악의 경우 응답 시간까지 각 전송의 최대 기여상의 상한값을 찾아낸다. 이렇게 하기 위해, 본 발명에서는 스케줄링 사이클, 즉, TW(τi,j l, 1)의 시작에서 정의된, 각 시간 윈도우들이 TW(τi,j k, 1)과 교차하는 전송들의 집합만을 고려한다. 그러한 전송은 중첩 전송으로 지칭된다. 제1 시간 슬롯에서 정의된 시간 윈도우들은 최대 길이를 가진다. 이러한 사실은 τi,j k와 중첩하는 전송의 최대 양을 고려하는 데 도움을 준다. 각 전송의 최대 기여를 정의하기 위해, 본 발명에서는 다음 집합들 중 하나로 각 중첩 전송을 카테고리화한다.
제1 집합 : 이 집합은 각 전송의 시간 윈도우가 타임 인스턴스 t0=EST(τi,j k, 1)를 커버하는 모든 중첩하는 전송을 포함한다. τi,j k의 스케줄링 지연에 대한 전송의 이 집합의 최대 기여는 그 스케줄링 시간이 시간 인스턴스 t0까지 지연될 때 나타나며, 그 결과 τi,j k가 릴리즈될 때 스케줄링이 여전히 가능하다. 예를 들면, 비록 τ5,1 0가 이전 슬롯프레임에서 방출될 수 있다 하더라도, 현재 슬롯 프레임의 제1 슬롯에서 스케줄링하는 것이 여전히 가능할 수 있다.
제2 집합 : 이 집합은 t0=EST(τi,j k, 1) 이후에 가능할 수 있으며, τi,j k,의 응답 시간에 기여할 수 있는 중첩하는 전송의 최대 양을 포함한다. τi,j k의 스케줄링 지연에 대한 전송에서 이 집합의 최대 기여는 그 시간 윈도우들의 시작 시점에서 방출될 때 나타난다. 이것은, 더 긴 방출 지연을 가질수록, τi,j k 를 스케줄링한 후 방출될 수 있는 가능성이 더 커지기 때문이다.
본 발명은 상기 전송들이 t0=EST(τi,j k, 1)에서 방출될 때, 상기 제1 집합의 전송의 기여를 산출할 수 있다. 이러한 지연은, Delay0 UB(τi,j k, t0)으로 표시되며, 하기 수학식 12와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112020061289350-pat00017
여기서, DelayUB hp-cnf(τi,j k, t0) 및 DelayUB hp-inf(τi,j k, t0)는 각각 τi,j k와 이중 충돌 및 간섭하는 충돌로 야기된 제1 집합에서의 전송에 의해 발생된 지연의 상한값을 계산하며, τi,j k보다 더 높은 우선 순위를 갖는다. 이에 따라,
Figure 112020061289350-pat00018
이며,
Figure 112020061289350-pat00019
이다. 여기서, hpcnf(τi,j k, t) 및 hpinf(τi,j k, t)는 각각 τi,j k와 이중 상호 충돌하는 전송의 집합 및 간섭 충돌하는 전송의 집합이며, 타임 슬롯 t에서 더 높은 우선 순위가 부여된다.
제2 집합에서 전송의 기여를 계산하기 위해, 본 발명에서는 하기 수학식 13의 재귀 방정식을 적용한다.
Figure 112020061289350-pat00020
여기서, tm=Delaym-1 UB(τi,j k, tm-1)이다. m번째 반복에서, Delaym UB(τi,j k, tm-1)는 시간 인터벌(tm-1, tm)에서 방출되는 전송의 기여 Delaym-1 UB(τi,j k, tm-1)에 추가된다. 상기 수학식 13의 반복은 안정화된 결과가 획득될 때, 즉, Delaym-1 UB(τi,j k, t)=Delaym UB(τi,j k, t)일 때, 중단된다. 이것은, 늦은 최선 시작 시간 때문에 Delaym-1 UB(τi,j k, t) 시간 시점에 제2 집합에서 더 중첩하는 전송이 방출될 수 없음을 의미한다.
플로우 집합 F에 대해 주어진 문제는 본 발명의 스케줄링 정책에 따라 스케줄될 수 있으며, 각 τi,j k에 대해 하기 수학식 14의 조건이 증명된다.
Figure 112020061289350-pat00021
예시로서, 두 개의 채널을 갖는 네트워크에서, 도 4에서 전송 τ4,1 1의 최악의 응답 시간은 슬롯 프레임의 시작, 즉 t0=0에서 제1 집합={τ1,1 0, τ2,2 0, τ3,1 1, τ3,1 0, τ5,1 0, τ5,1 1, τ6,1 2, τ6,1 1, τ6,1 0, τ7,1 2, τ7,1 1, τ7,1 0}이 이용 가능할 때, 발생한다. 그러나, 이러한 전송들 중 단지 τ1,1 0, τ2,2 0, τ6,1 1, τ6,1 0, τ7,1 1, τ7,1 0만이 더 높은 우선 순위를 부여받으며, 그에 의해 Delay0 UB(τ4,1 1, 0)=5를 획득한다. 6번째 타임 슬롯에서, 제2 집합={τ1,2 0, τ2,1 0, τ3,1 1, τ3,1 0, τ5,1 0, τ5,1 1}에서의 전송은 t0=5, 즉 6번째 타임 슬롯의 시작에서 이용될 수 있다. 그러나, 이러한 전송들 중 단지 τ1,2 0, τ5,1 0만이 더 높은 우선 순위를 획득하며, 그에 의해 Delay0 UB(τ4,1 1, 0)=7을 획득한다. 그러므로, 최악의 경우에서, 전송 τ4,1 1이 스케줄 가능하다.
네트워크에서 패킷들을 위한 다른 스케줄링 전략들은 지연의 상한값 분석에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 실험 결과 본 발명의 지연의 상한값으로부터 유도된 스케줄 가능한 조건이 상당히 더 낮은 응답 시간에 대한 상한값을 획득하며, 최대 스케줄 가능한 이용을 증가시킴을 알 수 있다.
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 시스템 및 방법을 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 전자 장치의 세부 구성을 나타내는 블록도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 전자 장치(100)는 타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 시스템으로서, 통신부(110), 프로세서(120), 메모리(130)를 포함한다.
상기 통신부(110)는 무선 센서 네트워크의 트리 구조를 형성하는 복수의 노드들로부터 노드 정보를 수신한다.
상기 프로세서(120)는 노드 정보 수집 모듈(121) 및 스케줄링 모듈(122)을 포함할 수 있다. 상기 프로세서(120)의 노드 정보 수집 모듈(121)은 상기 통신 부(110)를 통해 수신된 각 노드들의 노드 정보(131)를 메모리(130)에 저장한다.
상기 프로세서(120)의 스케줄링 모듈(122)은 상기 통신부(110)를 통해 수신된 노드 정보(131)에 기반하여, 상기 복수의 노드들 중 데이터를 전송할 복수의 노드들에 대한 전송 우선 순위를 결정한다.
또한, 상기 프로세서(120)의 스케줄링 모듈(122)은 상기 데이터를 전송할 복수의 노드들 중 우선 순위가 가장 높은 노드의 전송할 데이터를 제1 슬롯의 제1 채널에 할당하고, 상기 데이터를 전송할 복수의 노드들 중 상기 우선 순위가 가장 높은 노드와 이중 충돌(duplex conflict)이 발생하는 노드를 제외한 나머지 노드들을 상기 제1 슬롯의 나머지 채널들에 할당한다.
이와 같이, 상기 프로세서(120)의 스케줄링 모듈(122)에서는 각 노드에서 전송할 데이터에 대한 스케줄링을 완료하고 메모리(130)에 스케줄링 정보(132)로 저장할 수 있다. 또한, 상기 프로세서(120)의 스케줄링 모듈(122)은 상기 스케줄링 완료된 결과를 통신부(110)를 통해 각 해당 노드로 전달할 수 있다.
각 노드에서는 상기 전자 장치(100)로부터 스케줄링 정보를 수신하고, 해당 스케줄링 정보에 따라 해당 타임 슬롯의 해당 채널을 통해 데이터를 전송할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 스케줄링 절차를 나타내는 흐름도이다. 도 7을 참조하면, 무선 센서 네트워크를 구성하는 복수의 노드들을 트리 구조로 형성하여 저장한다.(710)
그런 다음, 트리 구조를 형성하는 복수의 노드들 중 데이터를 전송할 복수의 노드들에 대한 전송 우선 순위를 결정한다.(720)
그런 다음, 데이터를 전송할 복수의 노드들 중 우선 순위가 가장 높은 노드의 전송할 데이터를 제1 슬롯의 제1 채널에 할당한다.(730)
그런 다음, 데이터를 전송할 복수의 노드들 중 상기 우선 순위가 가장 높은 노드와 이중 충돌(duplex conflict)이 발생하는 노드를 제외한 나머지 노드들을 상기 제1 슬롯의 나머지 채널들에 할당한다.(740)
<실험 결과들>
본 발명의 실시예에 따라, 스케줄 가능성 비율의 측면에서, PC-LLF의 성능을 평가한다. 본 발명의 실시예에는 전체 실험들에 비해 정의된 문제를 성공적으로 스케줄하는 많은 실험들이 있다. 이하 본 발명의 실험은 네트워크 스케일, 플로우들의 주기 및 데드라인, 각 플로우에 대한 정의된 수 경로들을 변경시킴으로써 본 발명의 알고리즘의 스케줄 가능한 비율을 평가한다. 이하 실험은 본 발명에 따라 제안된 휴리스틱 알고리즘들을 갖는 PC-LLF의 성능을 C-LLF(Collision free-LLF) 및 H-SA(Hop wise Scheduling Algorithm)와 비교한다. 또한, 이하 실험에서는 수학식 14에 의해 정의된 본 발명의 스케줄 가능성 조건의 스케줄 가능성 성능을 C-LLF에 정의된 스케줄 가능성 조건과 비교한다. UP는 본 발명에 따른 스케줄 가능성 조건을 나타내며, UP*는 C-LLF에 정의된 스케줄 가능성 조건을 나타낸다.
PC-LLF, H-SA, 및 C-LLF 사이의 주된 차이점은 우선 순위화 접근 방법에 기인한다. 전술한 바와 같이, H-SA는 목적지로부터 더 많은 홉들로 떨어지고, 더 짧은 데드라인을 갖는 전송들에 더 높은 우선 순위를 할당한다. 이것은 τi,j k를 우선 순위화하기 위해, H-SA는 목적지까지 남아 있는 경로에서의 충돌들을 고려할 수 없음을 의미한다. 그러므로, 비록 하나의 패킷이 높은 혼잡 경로로 처리된다 하더라도 동일한 데드라인과 목적지까지 동일한 거리를 갖는 두 개의 패킷 전송들은 동일한 우선 순위를 획득한다.
전송 τi,j k를 우선 순위화하기 위해, 상기 C-LLF 알고리즘은 데드라인 전 잔여 시간 및 현재 로컬 링크에서의 충돌 양을 고려한다. 따라서, 데드라인에 더 가깝고 높은 로컬 충돌 양을 갖는 전송이 더 높은 우선 순위를 받는다. 그러므로, C-LLF는 매우 혼잡된 경로에서 지연 처리를 보장할 때, 덜 성공적일 수 있다. 예를 들면, 동일한 데드라인 및 로컬 링크에서 동일한 충돌량을 갖는 두 개의 전송을 고려할 때, 이러한 경우에 C-LLF에 의해 동일한 우선 순위를 달성할 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 PC-LLF에 의해, 그 경로에서 더 높은 충돌량을 처리해야 하는 전송은 더 높은 우선 순위를 획득한다. 이러한 사실은 지연 문제를 더 효율적으로 처리하는데 도움을 준다.
스케줄 가능성 조건 UP*는 스케줄 지연을 위한 비관적인 최악의 시나리오에 기반하여 정의된다. 이러한 최악의 시나리오는 그 라이프 타임이 τi,j k의 라이프 타임과 중첩하는 네트워크를 통한 모든 전송이 τi,j k 보다 더 높은 우선 순위를 획득하고, 그들이 τi,j k 전에 스케줄링될 때 정의된다. 그러나, 상기 최악의 시나리오의 정의는 모든 중첩하는 전송들이 τi,j k를 스케줄링하기 전에 해제되는 시간이 없을 수 있기 때문에 비관적인 조건을 제공한다. 더구나, 모든 중첩하는 전송들은 τi,j k보다 더 높은 우선 순위를 획득하지 않을 수 있다.
본 발명의 실험에서, 모든 네트워크들은 랜덤 토폴로지로 생성된다. 각 노드에 대해, 본 발명의 실험에서는 특정 범위에서 램덤으로 선택된 많은 이웃 노드들을 할당한다. 이웃 노드들의 각 쌍 사이의 링크에 대해, 본 발명에서는 그들 사이의 거리에 기반하여 [50-100]% 범위로 랜덤 패킷 수신율을 할당한다. 노드들의 80%는 플로우들의 출발지들 및 목적지들로 사용된다. 각 플로우에 대해, 본 발명에서는 출발지-목적지 쌍으로서 네트워크로부터 두 개의 노드들을 랜덤으로 선택한다. 그런 다음, 본 발명의 실험에서는 출발지가 그 목적지에 연결하는 가장 신뢰성 있는 경로를 결정하기 위해 Dijkstra 알고리즘을 사용한다. 상기 알고리즘은 자바(Java)로 작성되고, 상기 실험은 2.4 GHz 인텔 코어 2 듀오 프로세서의 윈도우 OS에서 수행되었다.
첫 번째 케이스로서, 본 발명에서는 PC-LLF, C-LLF, 및 H-SA의 성능에서 네트워크 스케일과 플로우의 주기의 영향을 평가하기 위한 실험을 수행한다. 실험은 느슨한 주기(loose period), 중간 주기(intermediate period), 타이트한 주기(tight period)로 사례 연구들을 이용한다. 느슨한 주기의 실험에서, 본 발명의 실험은 [26-210] 타임 슬롯 범위 중 랜덤으로 선택된 주기를 갖는 사례 연구들을 이용한다. 플로우 Fi의 종단간 데드라인은 그 주기 Ti와 같다. 세 가지 실험들 중, 각 플로우에 의해 생성된 패킷들의 양이 가장 크고, 그 네트워크는 타이트한 주기를 갖는 실험에서 가장 높은 패킷의 양을 처리해야 하는 반면, 느슨한 주기를 갖는 실험에서 플로우당 패킷들의 수는 가장 적다.
본 발명의 실험들에서, 비합리적인 사례들을 생성하는 것을 피하기 위해, 플로우들의 주기 할당이 출발지 및 목적지 쌍들 사이의 거리에 비례하는 것을 보장한다. 멀리 떨어진 출발지/목적지 쌍들을 갖는 플로우들은 그들이 데드라인을 확률적으로 만족할 수 있도록 하기 위해 더 큰 주기를 할당할 것이다.
도 8a, 도 8b, 도 8c는 네트워크에서 필드 디바이스들의 개수 당 스케줄 가능성 비율을 나타낸다. 도 8a는 느슨한 주기, 도 8b는 중간 주기, 도 8c는 타이트한 주기에서의 스케줄 가능성 비율을 나타낸다.
도 8a, 도 8b, 도 8c를 참조하면, 각 그래프에서 가로축은 네트워크에서 노드들의 수를 표시하고, 이는 [20, 40, 60, 80, 100]의 범위 중 변경된다. 즉, 가로축에서 노드들의 수는 실험을 위해 정의된 문제의 스케일을 가리킨다. 본 발명의 실험은 모든 실험들에서 PC-LLF가 C-LLF 및 H-SA를 능가함을 알 수 있으며, 성능 차이가 증가하는 어려움의 레벨 및 네트워크의 스케일에 따라 커진다. 주된 이유는, 각 스케줄링 단계에서, 본 발명의 알고리즘에 의해 사용된 우선 순위화가 밀집된 중요한 경로들을 통해 전달되어야 하는 중요한 전송들을 확인하는 것이다. 더구나, C-LLF 보다 본 발명의 실험들에서 더 낮은 성능을 달성한 H-SA는 중요한 경로들을 가로질러야 하는 중요한 전송들을 구별하는 능력이 부족하기 때문이다.
추가로, 본 발명의 실험은 본 발명의 스케줄 가능성 조건이 기존의 접근 방법에 의해 정의된 조건을 상당히 개선시킴을 나타낸다. 왜냐하면, τi,j k 스케줄을 지연시키는 것이 불가능한 전송들의 기여를 배제하고, 이는 늦은 해제 시간 또는 낮은 우선 순위에 기인하기 때문이다. 그러므로, 본 발명의 스케줄 가능성 조건은 종래의 스케줄 가능성 조건에 의해 소개된 많은 문제점을 개선할 수 있으며, 상당히 더 낮은 응답 시간들에서의 상위 경계를 획득하고, 최대 스케줄 가능한 이용을 상당히 증가시킨다.
본 발명의 실험의 두 번째 집합은 PC-LLF, C-LLF 및 H-SA의 성능에서 네트워크 스케일 및 플로우들의 데드라인의 영향을 평가한다. 각 플로우에 대해, 본 발명의 실험은 [24-210] 타임 슬롯 범위 내에서 랜덤으로 주기를 할당한다. 본 발명의 실험은 느슨한 데드라인, 중간 데드라인, 타이트한 데드라인으로 사례 연구들을 생성한다. 느슨한 주기의 실험에서, 각 플로우의 데드라인은 그 주기의 90%이며, 중간 데드라인 및 타이트한 데드라인의 실험에서, 각 플로우의 데드라인은 각각 그 주기의 70% 및 80%이다. 데드라인들은 타이트한 데드라인을 갖는 실험들에서 가장 긴급하다.
도 9a, 도 9b, 도 9c는 각 접근 방법의 스케줄 가능성 비율을 나타낸다. 도 9a는 느슨한 데드라인, 도 9b는 중간 데드라인, 도 9c는 타이트한 데드라인에서의 스케줄 가능성 비율을 나타낸다.
도 9a, 도 9b, 도 9c를 참조하면, 네트워크 스케일이 증가하거나 데드라인이 더 타이트하게 됨에 따라, 모든 접근 방법들의 성능이 감소됨을 알 수 있다. 이것은 데드라인이 타이트할 때, 패킷이 그 경로를 통해 만나게 될 수 있는 충돌들에 의해 야기된 지연을 고려하는 것이 더 중요하다는 사실에 기인한다.
다음 실험들에서, 본 발명은 그 알고리즘의 성능에서 다중 경로 라우팅의 효과를 평가한다. 마지막 실험까지, 본 발명의 실험은 60개 노드 및 중간 주기를 갖는 첫 번째 실험에서 무작위 생성된 사례 학습을 사용한다. 라우팅들의 수는 [1, 2, 3]의 범위 중에서 변한다. 본 발명의 실험은 가장 신뢰성 있는 경로를 찾기 위해 Dijekstra 알고리즘을 사용한다. 도 10a 및 도 10b로부터, 경로들의 수가 증가할 때, 가능한 해결책을 찾기 위한 모든 접근 방법들에 대해 더 어렵게 됨을 알 수 있다. 도 10a는 스케줄 가능성 비율을 나타내며, 도 10b는 실행 횟수를 나타낸다. 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 경로들의 수가 높게 증가하는 것은 네트워크에서 패킷 부하의 양을 증가시킨다. 그러나, PC-LLF는 스케줄 가능성 비율에서 다른 방법들에 비해 우수한 성능을 나타내며, 모든 평가된 휴리스틱 알고리즘들 중 가장 긴 시간을 소모한다.
본 발명은 멀티 프로세서 및 분산 시스템에 대한 존재하는 스케줄 가능성 분석에 기반하여 시간 트리거링된 TSCH 네트워크에 대한 스케줄링 휴리스틱 접근 방법 및 스케줄 가능성 조건을 제시한다. 먼저, 메시지 우선 순위화 접근 방법이 제안되었으며, 이는 그 종단간 데드라인 및 목적지까지 경로를 통해 처리될 수 있는 충돌들을 고려하여 각 메시지를 동적으로 우선 순위화하는 것이다. 그런 다음, 본 발명에서 제안된 스케줄링 접근 방법에 의해, 상기 메시지는 시간 트리거링된 TSCH 네트워크상에서 스케줄링된다. 전술한 바와 같이 실험 결과는 제안된 휴리스틱 접근 방법 및 본 발명의 스케줄 가능성 조건이 다양한 설정들에서 종래의 접근 방법보다 뛰어나며, 스케줄 가능한 비율을 증가시킴을 보여준다.
본 발명은 특정 기능들 및 그의 관계들의 성능을 나타내는 방법 단계들의 목적을 가지고 위에서 설명되었다. 이러한 기능적 구성 요소들 및 방법 단계들의 경계들 및 순서는 설명의 편의를 위해 여기에서 임의로 정의되었다. 상기 특정 기능들 및 관계들이 적절히 수행되는 한 대안적인 경계들 및 순서들이 정의될 수 있다. 임의의 그러한 대안적인 경계들 및 순서들은 그러므로 상기 청구된 발명의 범위 및 사상 내에 있다. 추가로, 이러한 기능적 구성 요소들의 경계들은 설명의 편의를 위해 임의로 정의되었다. 어떠한 중요한 기능들이 적절히 수행되는 한 대안적인 경계들이 정의될 수 있다. 마찬가지로, 흐름도 블록들은 또한 어떠한 중요한 기능성을 나타내기 위해 여기에서 임의로 정의되었을 수 있다. 확장된 사용을 위해, 상기 흐름도 블록 경계들 및 순서는 정의되었을 수 있으며 여전히 어떠한 중요한 기능을 수행한다. 기능적 구성 요소들 및 흐름도 블록들 및 순서들 둘 다의 대안적인 정의들은 그러므로 청구된 본 발명의 범위 및 사상 내에 있다.
본 발명은 또한 하나 이상의 실시 예들의 용어로, 적어도 부분적으로 설명되었을 수 있다. 본 발명의 실시 예는 본 발명, 그 측면, 그 특징, 그 개념, 및/또는 그 예를 나타내기 위해 여기에서 사용된다. 본 발명을 구현하는 장치, 제조의 물건, 머신, 및/또는 프로세스의 물리적인 실시 예는 여기에 설명된 하나 이상의 실시 예들을 참조하여 설명된 하나 이상의 측면들, 특징들, 개념들, 예들 등을 포함할 수 있다. 더구나, 전체 도면에서, 실시 예들은 상기 동일한 또는 상이한 참조 번호들을 사용할 수 있는 상기 동일하게 또는 유사하게 명명된 기능들, 단계들, 모듈들 등을 통합할 수 있으며, 그와 같이, 상기 기능들, 단계들, 모듈들 등은 상기 동일한 또는 유사한 기능들, 단계들, 모듈들 등 또는 다른 것들일 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 전자 장치 110 : 통신부
120 : 프로세서 121 : 노드 정보 수집 모듈
122 : 스케줄링 모듈 130 : 메모리
131 : 노드 정보 132 : 스케줄링 정보

Claims (15)

  1. 타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법에 있어서,
    무선 센서 네트워크의 트리 구조를 형성하는 복수의 노드들 중 데이터를 전송할 복수의 노드들에 대한 전송 우선 순위를 결정하는 단계;
    상기 데이터를 전송할 복수의 노드들 중 우선 순위가 가장 높은 노드의 전송할 데이터를 제1 슬롯의 제1 채널에 할당하는 단계; 및
    상기 데이터를 전송할 복수의 노드들 중 상기 우선 순위가 가장 높은 노드와 이중 충돌(duplex conflict)이 발생하는 노드를 제외한 나머지 노드들을 상기 제1 슬롯의 나머지 채널들에 할당하는 단계;를 포함하고,
    상기 우선 순위를 결정하는 단계는,
    상기 전송할 데이터의 종단간(end-to-end) 데드라인(deadline)에 대한 여유시간(laxity time)에 기반하여 우선 순위를 결정하거나 또는 목적지 디바이스로의 지정된 경로를 따라 발생하는 충돌량에 기반하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 하는, 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 우선 순위를 결정하는 단계는,
    상기 무선 센서 네트워크의 트리 구조를 형성하는 복수의 노드들에 대한 충돌량에 기반하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 하는, 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 우선 순위를 결정하는 단계는,
    남은 경로를 따라 처리될 패킷의 충돌량에 기반하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 하는, 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 우선 순위를 결정하는 단계는,
    상기 복수의 노드들 중 목적지에서 더 많은 홉 수로 떨어져 있고, 더 짧은 데드라인을 갖는 데이터를 전송하는 노드에 더 큰 가중치를 할당하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 하는, 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 노드들 각각은,
    서로 상이한 릴리즈 시간, 주기, 및 데드라인을 갖는 것을 특징으로 하는, 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법.
  8. 타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 시스템에 있어서,
    무선 센서 네트워크의 트리 구조를 형성하는 복수의 노드들로부터 노드 정보를 수신하는 통신부;
    상기 통신부를 통해 수신된 노드 정보를 저장하는 메모리; 및
    상기 통신부를 통해 수신된 노드 정보에 기반하여, 상기 복수의 노드들 중 데이터를 전송할 복수의 노드들에 대한 전송 우선 순위를 결정하고,
    상기 데이터를 전송할 복수의 노드들 중 우선 순위가 가장 높은 노드의 전송할 데이터를 제1 슬롯의 제1 채널에 할당하고,
    상기 데이터를 전송할 복수의 노드들 중 상기 우선 순위가 가장 높은 노드와 이중 충돌(duplex conflict)이 발생하는 노드를 제외한 나머지 노드들을 상기 제1 슬롯의 나머지 채널들에 할당하는, 프로세서;를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 전송할 데이터의 종단간(end-to-end) 데드라인(deadline)에 대한 여유시간(laxity time)에 기반하여 우선 순위를 결정하거나 또는 목적지 디바이스로의 지정된 경로를 따라 발생하는 충돌량에 기반하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 하는, 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 무선 센서 네트워크의 트리 구조를 형성하는 복수의 노드들에 대한 충돌량에 기반하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 하는, 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 상기 프로세서는,
    남은 경로를 따라 처리될 패킷의 충돌량에 기반하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 하는, 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 시스템.
  13. 제8항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 복수의 노드들 중 목적지에서 더 많은 홉 수로 떨어져 있고, 더 짧은 데드라인을 갖는 데이터를 전송하는 노드에 더 큰 가중치를 할당하여 우선 순위를 결정하는 것을 특징으로 하는, 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 시스템.
  14. 제8항에 있어서, 상기 복수의 노드들 각각은,
    서로 상이한 릴리즈 시간, 주기, 및 데드라인을 갖는 것을 특징으로 하는, 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 시스템.
  15. 컴퓨터에서 제1항, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
KR1020200072351A 2020-06-15 2020-06-15 타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법 및 시스템 KR102416088B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200072351A KR102416088B1 (ko) 2020-06-15 2020-06-15 타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법 및 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200072351A KR102416088B1 (ko) 2020-06-15 2020-06-15 타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법 및 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210155176A KR20210155176A (ko) 2021-12-22
KR102416088B1 true KR102416088B1 (ko) 2022-07-04

Family

ID=79164154

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200072351A KR102416088B1 (ko) 2020-06-15 2020-06-15 타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법 및 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102416088B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160021011A1 (en) * 2014-07-21 2016-01-21 Cisco Technology, Inc. Predictive time allocation scheduling for tsch networks
US20180124812A1 (en) 2016-11-02 2018-05-03 Cisco Technology, Inc. Per-packet, time slotted channel hopping (tsch), meta-timeslot

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101895481B1 (ko) * 2016-12-28 2018-09-05 부산대학교 산학협력단 ＩｏＴ 환경에서의 대량 데이터 수집 효율 향상을 위한 데이터 슬롯 분할 장치 및 방법
KR102316031B1 (ko) * 2017-07-25 2021-10-25 한국전자통신연구원 대규모 IoT 환경에서 네트워크 전송 트래픽에 따른 서비스 품질 보장을 위한 동적 스케줄링 방법 및 이를 이용한 시스템
KR101989148B1 (ko) * 2017-11-22 2019-06-13 성균관대학교산학협력단 트리 생성 방법 및 스케쥴링 방법
KR102180320B1 (ko) * 2017-12-20 2020-11-18 인제대학교 산학협력단 멀티홉 네트워크에서 효율적인 컨버어지캐스트 스케줄링 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160021011A1 (en) * 2014-07-21 2016-01-21 Cisco Technology, Inc. Predictive time allocation scheduling for tsch networks
US20180124812A1 (en) 2016-11-02 2018-05-03 Cisco Technology, Inc. Per-packet, time slotted channel hopping (tsch), meta-timeslot

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210155176A (ko) 2021-12-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hermeto et al. Scheduling for IEEE802. 15.4-TSCH and slow channel hopping MAC in low power industrial wireless networks: A survey
Cai et al. Delay efficient opportunistic routing in asynchronous multi-channel cognitive radio networks
US10305781B2 (en) Content centric cross-layer scheduling for industrial applications
Cheng et al. Cross-layer schemes for reducing delay in multihop wireless networks
Mennes et al. A neural-network-based MF-TDMA MAC scheduler for collaborative wireless networks
Jin et al. Content centric cross-layer scheduling for industrial IoT applications using 6TiSCH
Ahmad et al. An energy efficient schedule for IEEE 802.15. 4/ZigBee cluster tree WSN with multiple collision domains and period crossing constraint
Tavallaie et al. Design and optimization of traffic-aware TSCH scheduling for mobile 6TiSCH networks
Shi et al. Transmission scheduling of periodic real-time traffic in IEEE 802.15. 4e TSCH-based industrial mesh networks
Kherbache et al. Reinforcement learning TDMA-based MAC scheduling in the Industrial Internet of Things: A survey
Kauer et al. Reliable wireless multi-hop networks with decentralized slot management: An analysis of IEEE 802.15. 4 DSME
Gatate et al. Energy preservation and network critic based channel scheduling (EPNCS) in cognitive radio sensor networks
Darbandi et al. Path collision-aware real-time link scheduling for TSCH wireless networks
Ahmad et al. Distributed real time TDMA scheduling algorithm for tree topology WSNs
Shudrenko et al. A novel approach to enhance the end-to-end quality of service for avionic wireless sensor networks
KR102416088B1 (ko) 타임 슬롯 채널 호핑 무선 네트워크를 위한 경로 충돌 인식 실시간 링크 스케줄링 방법 및 시스템
Franchino et al. A power-aware MAC layer protocol for real-time communication in wireless embedded systems
Brummet et al. Recorp: Receiver-oriented policies for industrial wireless networks
Lee et al. Distributed reliable and energy-efficient scheduling for lr-wpans
Franchino et al. WBuST: A real-time energy-aware MAC layer protocol for wireless embedded systems
Mohamadi et al. Performance evaluation of TSCH-minimal and orchestra scheduling in IEEE 802.15. 4e networks
Igarashi et al. Priority-based dynamic multichannel transmission scheme for industrial wireless networks
Lee et al. An architecture for (m, k)-firm real-time streams in wireless sensor networks
Liu et al. Buffer space management in intermittently connected internet of things: sharing or allocation?
Meng et al. Multi-cell, multi-channel urllc with probabilistic per-packet real-time guarantee

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant