KR102535933B1 - 정렬된 적응형 트리클 기법을 통한 데이터 전파 방법 및 저전력 무선 네트워크 시스템 - Google Patents

Abstract

정렬된 적응형 트리클 기법을 통한 데이터 전파 방법 및 저전력 무선 네트워크 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 다중 홉 무선 네트워크를 구성하는 네트워크 노드로서, 이웃하는 타 네트워크 노드와 통신을 수행하는 통신 모듈; 송신 노드로부터 새로운 패킷을 수신한 경우, 전송 간격을 초기값으로 재설정하고 두 배씩 늘려가며, 상기 전송 간격을 1/2씩 구분하여 전반부를 수신 전용 구간으로, 후반부를 전송 구간으로 설정하는 트리클 프로세스 모듈; 및 상기 패킷을 송신한 송신 노드의 전송 간격이 시작된 시기를 판별하고, 간격 경계선을 정렬하는 조정을 수행하는 간격 경계선 조정 모듈을 포함하는 네트워크 노드가 제공된다.

Description

정렬된 적응형 트리클 기법을 통한 데이터 전파 방법 및 저전력 무선 네트워크 시스템{Data transmitting method using adaptive and aligned trickle algorithm and low-power wireless network system}

본 발명은 정렬된 적응형 트리클 기법을 통한 데이터 전파 방법 및 저전력 무선 네트워크 시스템에 관한 것이다.

사물인터넷 기술의 발전으로 저전력 다중 홉 무선 네트워크(예컨대, 스마트 팩토리, 스마트 마켓, 무선전력검침 네트워크 등)에서 다양한 통신기기(이하, 노드라고 칭함)들이 중앙으로 수집된 데이터를 전송하게 된다.

또한, 중앙 관리자(예: 서버, 게이트웨이 등)에서 전체 네트워크 노드에게 데이터를 전송하는 동작도 다분하다. 예를 들어, 네트워크 설정, OTA(Over-the-Air) 소프트웨어 업데이트 등을 위해 전체 네트워크 노드에게로의 데이터 전송이 요구된다.

네트워크 설정의 경우에는 중앙 관리자로부터 모든 네트워크 노드에게 최대한 빠르게 전파될 것이 요구된다.

OTA 소프트웨어 업데이트의 경우에는 전송해야 할 데이터의 사이즈가 크기 때문에 재전송을 최소화하여 전력을 아끼면서 모든 노드들에게 전파될 것이 요구된다.

따라서, 저전력 다중 홉 무선 네트워크의 이러한 요구조건인 네트워크 응답시간(latency), 신뢰성(reliability), 에너지 사용량(energy consumption) 등에서 절충점을 찾을 필요가 있다.

단일 홉 네트워크에서의 데이터 전파는 단순하지만, 다중 홉 네트워크에서의 데이터 전파는 홉의 증가에 따라 충돌과 혼잡이 많아지게 되어, 모든 네트워크 형태(topology)에 맞는 완벽한 절충안을 찾을 수 없는 한계가 있다.

이를 해결하기 위해 트리클(Trickle) 알고리즘이 개발되었지만, 트리클 알고리즘 또한 파라미터 설정에 따른 성능 차이가 큰 문제점이 있다.

한국등록특허 제10-1374035호 (2014.03.06. 등록) - 무선 메쉬 네트워크에서의 노드, 라우팅 설정 방법 및 장치

본 발명은 다중 홉 네트워크 상에서 데이터 전파를 위한 트리클 알고리즘을 발전시켜 다양한 네트워크 토폴로지에 적응하여 낮은 네트워크 응답시간과 높은 신뢰성을 보장하며 불필요한 오버헤드를 줄일 수 있는 정렬된 적응형 트리클 기법을 통한 데이터 전파 방법 및 저전력 무선 네트워크 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 간격 시작 조정, 전송 간격 분할, 동적 파라미터 변경이라는 3가지 단계를 통해 기존의 네트워크에서 더욱 효율적으로 동작할 수 있도록 한 정렬된 적응형 트리클 기법을 통한 데이터 전파 방법 및 저전력 무선 네트워크 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예를 통하여 보다 명확해질 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 다중 홉 무선 네트워크를 구성하는 네트워크 노드로서, 이웃하는 타 네트워크 노드와 통신을 수행하는 통신 모듈; 송신 노드로부터 새로운 패킷을 수신한 경우, 전송 간격을 초기값으로 재설정하고 두 배씩 늘려가며, 상기 전송 간격을 1/2씩 구분하여 전반부를 수신 전용 구간으로, 후반부를 전송 구간으로 설정하는 트리클 프로세스 모듈; 및 상기 패킷을 송신한 송신 노드의 전송 간격이 시작된 시기를 판별하고, 간격 경계선을 정렬하는 조정을 수행하는 간격 경계선 조정 모듈을 포함하는 네트워크 노드가 제공된다.

상기 간격 경계선 조정 모듈은, 상기 패킷에 포함된 상기 송신 노드의 잔여 전송시간을 추출하고, 간격 타이머를 상기 전송 구간과 상기 잔여 전송시간의 차만큼 풀링(pulling)하여, 상기 송신 노드의 첫번째 전송 구간의 시작과 동시에 상기 간격 타이머를 시작하게 할 수 있다.

상기 패킷을 다수 회 전파하는 과정에서 두번째 및 이후 전송 구간을 분할하는 전송 구간 분할 모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 전송 구간 분할 모듈은 타일링(tiling) 방식으로 상기 전송 구간을 짝수 개의 타일로 분할할 수 있다.

상기 전송 구간 분할 모듈은 홀수번째 타일 혹은 짝수번째 타일을 새 전송 구간으로 선택할 수 있다.

상기 패킷의 전파를 억제하는 임계값인 억제 카운터를 동적으로 변경하여 적응적 억제를 수행하는 동적 파라미터 변경 모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 동적 파라미터 변경 모듈은, 상기 송신 노드의 순위를 확인하고, 자신과 같은 홉에 해당하는 노드의 수(N_same)와 최소 홉으로 업데이트되는 노드의 수(N_min)를 계산하여, 동적으로 상기 억제 카운터를 조정하되, 상기 순위는 소스 노드인 메시지 생성기에서 해당 노드까지의 최단 홉 수를 나타낼 수 있다.

상기 동적 파라미터 변경 모듈은, 상기 송신 노드의 순위가 자신과 동일한 경우 자신과 같은 홉에 해당하는 노드의 수(N_same)를 증가시키고, 상기 송신 노드의 순위가 자신보다 더 낮을 경우 더 낮은 순위의 노드의 수(N_lower)를 카운트하고, 포워딩 메시지로 전달하며, 상기 송신 노드의 순위가 자신보다 더 높을 경우 최소 홉으로 업데이트되는 노드의 수(N_min)를 최소 N_lower와 비교하고 기록하며, 상기 억제 카운터 K는 다음 수학식과 같이 계산될 수 있다.

한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 다중 홉 무선 네트워크에 적용되는 정렬된 적응형 트리클 기법을 통한 데이터 전파 방법으로서, (a) 소스 노드에서 네트워크 노드 전체로 데이터 전파를 요청하는 단계; (b) 임의의 네트워크 노드에서 타 네트워크 노드로 데이터가 전파되는 단계; (c) 네트워크 노드는 정렬된 적응형 트리클 기법에 따라 노드별 전송 간격을 정렬하는 단계; 및 (d) 정렬된 상기 전송 간격에 따라 데이터 전파를 수행하는 단계를 포함하는 정렬된 적응형 트리클 기법을 통한 데이터 전파 방법이 제공된다.

상기 단계 (c)는, 송신 노드에서 데이터 전송시 잔여 전송시간을 상기 데이터에 추가하는 단계; 수신 노드에서 수신한 데이터로부터 상기 잔여 전송시간을 추출하는 단계; 및 상기 송신 노드의 전송 시작시간에 맞춰 상기 수신 노드의 전송 간격의 시작을 정렬하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 단계 (c)는 상기 전송 간격을 분할하는 단계를 더 포함하되, 상기 전송 간격 중 후반부에 해당하는 전송 구간을 타일링 방식으로 분할하는 단계; 및 분할된 복수의 타일 중 홀수번째 혹은 짝수번째 타일을 새로운 전송 구간으로 설정하고, 나머지는 듣는 구간으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 단계 (c)는, 상기 송신 노드의 순위를 확인하는 단계; 수신 노드에서 같은 홉에 해당하는 노드의 수와, 최소 홉으로 업데이트되는 노드의 수를 확인하고, 이를 활용하여 동적으로 억제 카운터를 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 다중 홉 네트워크 상에서 데이터 전파를 위한 트리클 알고리즘을 발전시켜 다양한 네트워크 토폴로지에 적응하여 낮은 네트워크 응답시간과 높은 신뢰성을 보장하며 불필요한 오버헤드를 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 간격 시작 조정, 전송 간격 분할, 동적 파라미터 변경이라는 3가지 단계를 통해 기존의 네트워크에서 더욱 효율적으로 동작할 수 있도록 한 효과도 있다.

도 1은 트리클 기법의 기본 작동 모습을 나타낸 도면,
도 2는 트리클 기법에서 발생 가능한 충돌 시나리오를 나타낸 도면,
도 3은 병목 시나리오를 보여주는 네트워크 토폴로지 예시도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬된 적응형 트리클 기법이 적용된 네트워크 노드의 구성을 나타낸 블록도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬된 적응형 트리클 기법을 통한 데이터 전파 방법의 순서도,
도 6은 간격 경계선 정렬 방법의 순서도,
도 7은 전송 구간 분할 방법의 순서도,
도 8은 적응형 억제 방법의 순서도,
도 9는 간격 경계선 정렬이 적용된 노드의 전송 간격 그래프,
도 10은 전송 구간 분할이 적용된 노드의 전송 간격 그래프,
도 11은 평가를 위한 네트워크 토폴로지의 예시도,
도 12는 그리드 토폴로지에서의 시뮬레이션 결과,
도 13은 교차 토폴로지에서의 시뮬레이션 결과,
도 14는 100 랜덤 토폴로지의 평균 시뮬레이션 결과,
도 15는 테스트베드 실험 결과.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

트리클 알고리즘은 무선 센서 네트워크를 위한 효율적인 플러딩(flooding) 알고리즘으로 처음 제안되었으며, 나중에 저전력 및 손실 무선 네트워크에 대해 RFC 6206에서 표준화되었다. 트리클은 플러딩의 타이밍과 속도를 제어하여 네트워크 일관성을 유지하면서 네트워크의 중복 패킷을 줄이는 것을 목표로 한다.

이를 위해 트리클은 전송 속도 조정(transmission rate adaptation)과 중복 패킷 억제(redundant packet suppression)라는 두 가지 대표적인 기법을 채택하고 있다.

도 1은 트리클 기법의 기본 작동 모습을 나타낸 도면이다.

우선 전송 속도 조정에 대해 설명하기로 한다.

노드가 네트워크를 통해 전파해야 하는 새로운 정보(혹은 메시지, 패킷, 이하에서는 '데이터'로 통칭하기도 함)가 포함된 패킷을 수신하면, 패킷을 다시 브로드캐스트하여 아직 수신하지 않은 이웃에게 전달해야 한다. 각 노드에서 빠르고 공격적인 전송이 이루어질 때, 네트워크에서 신속한 전파 및 데이터 불일치 해소가 이루어질 수 있다.

하지만, ACK(응답) 폭발 문제와 유사한 브로드캐스트 스톰 문제가 발생하여 네트워크 정체 및 대역폭 낭비가 발생할 수 있다. 반면에 너무 느리게 전송되면 네트워크의 반응성이 낮고, 지연시간이 길어져 데이터 불일치가 발생할 수 있다.

트리클 기법의 경우, 전송 간격(interval)을 반복적으로 두 배로 늘려가면서 전송 속도를 조정하여, 처음에는 빠르게 전송하고 점차 기하급수적으로 느려지게 된다. 새로운 데이터를 감지하면, 트리클은 초기 간격 I_min의 후반부 내에서 전송시간 t(예: 도 1의 t₁)를 다시 선택하게 된다.

전송 간격은 I_max에 도달할 때까지 두 배씩 늘어나며, I_max에 도달한 경우 I_max로 고정된다. 네트워크 토폴로지에 신속하게 대응하기 위해 트리클은 데이터 불일치(새 데이터 포함) 또는 설정 변경을 감지하면 간격 길이를 초기값 I_min으로 재설정한다.

다음으로 중복 패킷 억제에 대해 설명하기로 한다.

N개의 노드가 있고, 모든 노드가 서로의 전송 범위 내에 있는 단일 홉 네트워크에서는 단일 링크 브로드캐스트를 통해 충분히 배포가 이루어질 수 있다. 모든 N-1 개의 수신 노드가 재방송하면, N-1 중복이 이루어지고, 이는 불필요한 패킷 전송이 된다(100% 수신의 이상적인 경우 가정).

링크 PRR(패킷 수신 비율, packet reception ratio)이 100%가 아니고, 몇 번의 재전송이 필요할 수 있는 보다 현실적인 시나리오에서도(특히 링크 브로드캐스트에 대한 ACK(응답) 부족으로 인해), 너무 많은 동일한 패킷의 동시 전송은 네트워크 정체와 채널 낭비를 유발할 뿐이다. 이러한 이유로 트리클은 억제 메커니즘을 채택하여 네트워크 일관성을 유지하면서 최소한의 중복 패킷을 보내려고 한다.

트리클 기법이 적용된 노드(트리클 노드)는 전송 간격을 절반으로 나누고, 각각 수신 전용 구간(listen-only period)과 전송 구간(transmission period)에 사용한다. 이 경우 노드는 전체 I 주기가 아닌 전송 구간(전송 간격의 후반부) 내에서 전송시간 t를 무작위로 선택하고, 인접한 노드로부터 청취한 동일한 패킷 수 c를 카운트한다.

시간 t에서 노드는 c가 특정 임계값 K를 초과하는지 여부를 확인한다. c가 K보다 큰 경우(혹은 동일한 경우가 포함될 수도 있음) 모든 이웃 노드에 대해 이미 데이터를 수신한 것으로 간주하여 충분한 양의 동일한 전송이 있었던 것으로 보고, 중복 패킷을 줄이기 위해 전송을 중단한다.

여기서, 전송 간격의 후반부, 즉 전송 구간만을 전송에 이용함으로써 1 홉 깊이 후속하는 이웃 사이에서 충돌 확률이 감소하기도 한다.

이처럼 전송 속도 조정과 중복 패킷 억제를 이용한 트리클 기법은 다양한 사용 사례에서 성공을 거두었으며, IETF 표준과 많은 네트워크 프로토콜에 채택되었다.

하지만, 트리클 기법은 일부 시나리오에서는 여전히 매우 낮은 성능을 나타내는 한계가 있다.

도 2는 트리클 기법에서 발생 가능한 충돌 시나리오를 나타낸 도면이고, 도 3은 병목 시나리오를 보여주는 네트워크 토폴로지 예시도이다.

첫째로 전송 간격을 절반으로 줄여 다음 홉/깊이 노드 간의 충돌 확률을 줄이기는 하지만, 이웃 노드의 수가 증가함에 따라 중첩 영역이 확대되어 충돌 확률은 여전히 높을 수 있다.

예를 들어, 도 2에서 노드 A는 전송시간 t^A ₁을 임의로 선택한다. t^A ₁에서 노드 A는 패킷(새 데이터 포함)을 전송하고 노드 B는 패킷 수신시 전송 간격 타이머를 시작한다. 이 경우 도면에 도시된 것과 같이 노드 B의 이후 간격이 노드 A의 간격과 겹치므로 둘 사이의 충돌이 발생한다. 또한 시간이 지남에 따라 두 배로 인해 겹치는 영역이 커진다. 이는 트리클 노드가 동일한 배포 레벨의 노드뿐만 아니라 서로 다른 레벨의 노드와도 경쟁해야 함을 의미하며, 이는 간격을 절반으로 줄이는 계획의 전체 의도를 무효화한다. 이 문제는 동기화되지 않은 간격 경계선으로 인해 발생하며 이웃 노드 수가 증가할수록 심각해진다.

둘째로, 트리클 기법에서는 순진한 억제(na

ve suppression) 문제가 있을 수 있다. 트리클 노드는 중복 카운터 c가 미리 설정된 임계값 K보다 크면 전송을 억제한다(혹은 c와 K가 같은 경우에도 억제할 수 있음).

예를 들어, 도 3에서 노드 A가 배포를 시작하고, K가 1로 설정된 경우를 가정한다. 노드 C가 전송시간을 노드 B보다 늦게 선택하면 노드 C는 전송 전에 노드 B의 메시지를 수신하고, c를 1로 증가시키게 된다. 그런 다음 전송시간에 노드 C는 전송을 억제한다.

하지만, 노드 F와 G는 도 3에 도시된 것과 같이 노드 C에서만 새 메시지를 수신할 수 있다. 따라서, 노드 F와 G는 패킷을 수신할 수 없으며, 노드 H와 I도 업데이트되지 않는다.

만약 노드 C가 노드 B보다 먼저 전송할 경우, 노드 D와 E가 같은 이유로 메시지를 수신하지 못하게 된다. 이로 인해 네트워크에 병목 현상이 있는 경우 데이터 불일치 및 정보 분할이라는 심각한 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제들은 다중 홉 네트워크를 통해 데이터를 전파하기 위한 개선된 적응형 메커니즘의 필요성을 보여주며, 이하에서는 본 발명의 실시예들을 통해 정렬된 적응형 트리클 기법의 적용을 통해 개선된 데이터 전파 기술에 대해 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬된 적응형 트리클 기법이 적용된 네트워크 노드의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬된 적응형 트리클 기법을 통한 데이터 전파 방법의 순서도이며, 도 6은 간격 경계선 정렬 방법의 순서도이고, 도 7은 전송 구간 분할 방법의 순서도이며, 도 8은 적응형 억제 방법의 순서도이고, 도 9는 간격 경계선 정렬이 적용된 노드의 전송 간격 그래프이며, 도 10은 전송 구간 분할이 적용된 노드의 전송 간격 그래프이고, 도 11은 평가를 위한 네트워크 토폴로지의 예시도이며, 도 12는 그리드 토폴로지에서의 시뮬레이션 결과이고, 도 13은 교차 토폴로지에서의 시뮬레이션 결과이며, 도 14는 100 랜덤 토폴로지의 평균 시뮬레이션 결과이고, 도 15는 테스트베드 실험 결과이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬된 적응형 트리클 기법이 적용된 네트워크 노드(100)는 전술한 기본 트리클 기법을 향상시키기 위해 간격 경계선 정렬(aligning interval boundary), 전송 구간 분할(tiling the interval), 적응형 억제(adaptive suppression) 중 하나 이상의 기능을 수행하는 모듈을 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 정렬된 적응형 트리클 노드(100)는 통신 모듈(110), 트리클 프로세스 모듈(120), 간격 경계선 조정 모듈(130), 전송 구간 분할 모듈(140), 동적 파라미터 변경 모듈(150)을 포함할 수 있다.

통신 모듈(110)은 인접한 타 네트워크 노드와 통신을 수행하여, 패킷을 송수신할 수 있다.

트리클 프로세스 모듈(120)은 통신 모듈(110)을 통해 새로운 패킷을 수신한 경우, 전술한 기본 트리클 기법에 따라 전송 간격을 초기값으로 재설정하고, 두 배씩 늘려간다. 그리고 각 전송 간격을 1/2씩 구분하여 전반부를 수신 전용 구간으로, 후반부를 전송 구간으로 설정한다.

간격 경계선 조정 모듈(130)은 클럭을 동기화하지 않고서도 수신된 패킷을 송신한 이전 송신 노드의 전송 간격(특히, 전송 구간)이 시작된 시기를 판별하고, 간격 경계선 조정을 수행한다.

이를 통해 새로운 패킷 수신에 따른 새로운 전송 간격의 시작을 빠르게 할 수 있고, 전송 구간 분할과 함께 겹침이나 충돌을 방지할 수 있게 한다.

전송 구간 분할 모듈(140)은 트리클 프로세스 모듈(120)에 의해 두 배씩 확대된 간격 범위(들), 특히 후반부에서 전송 구간 분할을 수행하여, 확대된 간격 범위에서도 인접한 노드 사이의 전송 구간에서 중복을 제거할 수 있다.

동적 파라미터 변경 모듈(150)은 네트워크 토폴로지에서 노드 간의 연결 관계에 따라 패킷 전파 억제를 위한 동적 파라미터인 억제 임계값을 적응적으로 변경 적용하는 적응형 억제를 수행한다. 적응형 억제를 통해 해당 노드는 자신에게서만 메시지를 수신할 수 있는 이웃을 계산하고, 이러한 경우 억제 없이 메시지를 전달하여 정보 분할을 방지하고 강력한 전파를 달성할 수 있다.

도 5를 참조하면, 네트워크에 속하는 다수의 노드들 중에서 메시지 생성기(소스 노드, 중앙 관리자)에서는 네트워크 설정, OTA 업데이트 등을 위해 네트워크 노드 전체로 데이터 전파를 요청할 수 있다(단계 S200).

이 경우 데이터는 임의의 네트워크 노드에서 이웃하는 타 네트워크 노드로 차례차례 전파될 수 있다(단계 S205).

이러한 데이터의 전파 과정에서 네트워크 노드들 각각은 정렬된 적응형 트리클 기법에 따라 노드별 전송 간격을 조정한다(단계 S210). 또한, 전송 구간 분할, 동적 파라미터 변경 등이 추가로 수행될 수 있다.

향후 조정된 전송 간격에 따라 데이터 전파가 이루어지게 된다(단계 S215).

이하 정렬된 적응형 트리클 기법에 관련된 모듈(간격 경계선 조정 모듈(130), 전송 구간 분할 모듈(140), 동적 파라미터 변경 모듈(150))에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

간격 경계선 조정 모듈(130)은 전송 구간 겹침 문제를 해결하기 위해 이웃 노드 간의 간격 경계선을 정렬한다.

모든 노드가 네트워크 전체의 글로벌 클럭으로 동기화되면 수신자가 트리클 간격을 발신자와 동기화하는 것은 간단해진다. 하지만, 글로벌 클럭을 공유하려면 상당한 추가 오버헤드와 정교한 프로토콜이 필요해진다. 그리고 간격 경계선만 동기화하면 충분하므로, 글로벌 클럭의 동기화는 과도한 작업이 될 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 트리클 기법의 단순성을 유지하기 위해 경량 접근 방식을 고려하기로 한다.

정렬된 적응형 트리클 기법에 따르면, 현재 전송 간격 내에서 자신의 진행 시간을 알려 이웃 노드 간의 간격 경계선을 정렬할 수 있게 한다.

이웃에게 알리기 위해 정렬된 적응형 트리클 노드는 자신이 전송하기로 예정된 포워딩 패킷에 전송 관련 시간 정보(예를 들어, 잔여 전송시간(remaining time))를 추가한다(단계 S300). 또는 전송 구간 내에서 경과한 전송 시간 정보를 추가할 수도 있다. 이는 트리클 프로세서 모듈(120)에서 수행될 수 있다.

예를 들어, 도 9의 송신자 A와 수신자 B를 고려해 보기로 한다. 노드 A는 I_min - t^A 로 계산된 잔여 전송시간 정보를 전송할 수 있다. 여기서, t^A는 노드 A가 선택한 전송 시간이다.

이후 수신자 B는 수신한 패킷에서 송신자 A의 패킷 전송과 관련된 시간 정보(잔여 전송시간)를 추출할 수 있다(단계 S305). 그리고 노드 A의 잔여 전송시간을 활용하여 노드 B는 간격 타이머를 전송 구간(첫번째 전송 간격의 1/2)과 잔여 전송시간의 차만큼 풀링(pulling)함으로써, 노드 A의 전송 간격의 절반에 해당하는 노드 A의 첫번째 전송 구간의 시작과 동시에 노드 B의 간격 타이머를 시작할 수 있다(단계 S310)(도 9 참조). 이런 식으로 노드 B는 간격의 시작을 송신자의 전송 구간 시작에 정렬하고, 후속 노드(예컨대, A, B 및 C)의 첫번째 전송 간격에 대한 겹침을 제거할 수 있다.

또한, 간격의 시작이 모든 후속 노드에 대해 앞으로 당겨지게 됨에 따라 전파가 더 빨라질 가능성이 높아진다.

하지만, 이는 도 9에 도시된 것과 같이 두번째 및 이후 전송 간격에서 겹침을 제거하기에는 불충분하며, 이를 해소하기 위해 전송 간격 분할이 요구된다.

전송 구간 분할 모듈(140)은 임의의 패킷을 다수 회 전파하는 과정에서 두번째 및 이후 전송 간격(특히, 전송 구간)을 분할한다(단계 S320).

앞서 간격 경계선 조정 모듈(130)에 의해 전송 간격이 정렬되었으므로, 타일링(tiling) 방식으로 전송 구간에서 겹치는 영역을 제거할 수 있다.

구체적으로 도 10에 도시된 것과 같이 작은 범위가 반복되는 타일 패턴과 같은 블록으로 전송 구간을 재구성할 수 있다. 각 블록(혹은 타일)의 크기는 첫번째 전송 간격의 전송 구간과 동일할 수 있다.

트리클 기법은 전송 간격을 두 배씩 늘리기 때문에, 각 전송 구간의 블록 수는 짝수가 된다. 따라서, 항상 홀수(혹은 짝수)번째 블록(혹은 타일)을 새 전송 구간(주황색 음영 영역으로, '분할 전송 구간'에 해당)으로 선택하면(단계 S325), 이웃 노드 간의 전송 구간이 완전히 분리될 수 있다.

이 경우 각 전송 간격 내에서 발생하는 전송 구간의 총량은 두번째 간격 이후 원래 트리클 기법에 비해 절반으로 줄어들지만, 이는 전파를 지연시키지도 않고 간격의 지수 배가를 고려하여 충돌 확률을 증가시키지도 않는다. 이는 단 한 단계만 두 배로 이동하는 것과 다르지 않으며, 격리를 통해 충돌 가능성을 줄이게 된다.

예를 들어, 도 10에서 노드 B는 홀수 번호 타일(즉, 강조 표시된 타일) 중에서 임의의 전송시간 t를 선택하고, 이 경우 1 홉 어웨이 노드 A와 C는 모두 수신 전용 상태에 있다. 결과적으로 정렬된 적응형 트리클 노드는 동일한 레벨의 이웃 노드하고만 경쟁하며, 다음 또는 이전 레벨 노드와는 경쟁하지 않는다. 따라서, 간격을 함께 정렬하고, 바둑판 식으로 배열하면 충돌이 줄어들며 더 빠르고 부드러운 전파가 가능하다.

동적 파라미터 변경 모듈(150)은 억제 임계값을 동적으로 변경하여 적응적인 억제가 이루어지게 할 수 있다.

억제 임계값에 고정된 K 값을 사용하면 도 3에 도시된 것과 같은 병목 토폴로지에서는 문제가 발생할 수 있음은 설명한 바 있다. 이웃이 트리클 기법의 순진한 억제를 통해 패킷을 억제하면, 이전 홉 이웃으로부터만 메시지를 수신할 수 있는 노드는 해당 데이터를 수신하지 못할 수 있다. 더 높은 억제 카운터는 문제를 완화할 수 있지만, 채널 낭비와 혼잡이라는 단점도 있다. 따라서, 네트워크 관리자는 노드 장애 또는 고르지 않은 물리적 배치와 같은 다양한 시나리오를 고려하여 적절한 파라미터를 선택할 필요가 있다. 또는 파라미터를 네트워크에 따라 동적으로 적용할 수도 있다.

동적 파라미터 변경 모듈(150)은 노드가 수신한 메시지를 보낸 송신 노드의 순위를 확인한다(단계 S340). 그리고 같은 홉에 해당하는 노드의 수와 최소 홉으로 업데이트되는 노드의 수를 계산하여(단계 S345), 동적으로 억제 카운터(억제 임계치)를 조정한다(단계 S350).

정렬된 적응형 트리클 노드는 전파 이전에 각 전파에 대한 순위(즉, 전파와 같은 너비 우선 검색(breadth-first-searching) 측면에서 레벨)를 기억하고 증가시킨다. 순위는 소스 노드인 메시지 생성기(message generator)(예컨대, 중앙 관리자)에서 해당 노드까지의 최단 홉 수를 나타낸다.

각 노드는 메시지를 수신할 때마다 해당 메시지를 보낸 송신 노드의 순위에 따라 다음 세 가지 작업 중 하나를 수행할 수 있다.

첫째, 노드가 동일한 순위의 이웃으로부터 메시지를 수신하면 동일한 순위의 노드의 수 N_same을 증가시킨다.

둘째, 노드가 더 낮은 순위의 이웃으로부터 메시지를 수신하면 더 낮은 순위의 노드의 수 N_lower를 카운트하고, 포워딩 메시지로 전달한다.

셋째, 노드가 더 높은 순위의 이웃으로부터 메시지를 수신할 때마다 N_min을 최소 N_lower 값과 비교하고 기록한다. N_min은 초기에 0으로 설정될 수 있다.

각 전송 간격이 끝날 때, 노드는 수학식 1에 표현된 K 값(억제 카운터)을 계산한다.

N_min이 0이면 초기 설정된 억제 카운터 K_default가 적용된다. N_min이 1이면 무한대의 억제 카운터가 적용된다. N_min이 1보다 크면, 같은 홉에 해당하는 노드의 수와 최소 홉으로 업데이트되는 노드의 수의 상관관계인 N_same/N_min 값이 억제 카운터로 적용될 수 있다.

N_min이 1이면 이 노드에서만 새 메시지를 수신할 수 있는 이웃 노드가 있음을 의미한다. 이 경우 노드는 억제 카운터에 관계없이 데이터 일관성을 위해 메시지를 전달해야 한다. 이 체계는 한 노드에서만 메시지를 수신할 수 있는 노드가 보다 빠르고 안정적으로 메시지를 수신할 수 있게 한다.

수학식 1에서 정렬된 적응형 트리클 노드는 더 높은 순위의 이웃이 낮은 순위의 이웃을 거의 가지고 있지 않음을 관찰하면 높은 K를 선택한다. 정렬된 적응형 트리클 기법은 모든 전송 간격에 대해 억제 임계값을 변경하기 때문에 네트워크 토폴로지에 즉시 적응 가능하다.

본 실시예에서는 기본 트리클 기법에서 겹치는 전송시간을 해결하기 위해 전송 간격의 경계선을 조정한다. 처음 데이터를 전송할 때 남아있는 전송시간을 데이터에 추가하여 수신한 노드들이 송신한 노드의 시작 시간을 알 수 있도록 한다. 이로 인해 수신한 노드들의 시작을 당겨 송신한 노드의 전송 간격의 시작에 맞춘다.

전송 간격의 시작을 조정하더라도 간격이 늘어남에 따라 겹치는 부분이 생긴다. 이는 전송 간격을 더욱 효율적으로 나눔으로서 해결할 수 있다. 듣는 구간과 전송 구간으로 나누어진 한 간격에서 전송 구간을 다시 분할한다. 이때 분할된 전송 구간에서 홀수번(혹은 짝수번)은 전송 시간으로, 짝수번(혹은 홀수번)은 듣는 시간으로 적용하여 서로 겹치는 부분을 없앨 수 있다.

네트워크 분할을 막기 위해 네트워크 형태에 맞추어 동적으로 파라미터를 변경할 수 있다. 트리클 프로세스 모듈(120)에는 같은 메시지를 몇 번 받았는지 저장하는 변수가 있으므로 이를 이용하여 주변의 노드의 간단한 수를 알 수 있다. 수신한 데이터의 홉을 확인하여 최소 홉으로 업데이트 되는 노드의 수와 같은 홈의 노드의 수를 확인하여 동적으로 억제 임계치(억제 카운터)를 정할 수 있다.

본 실시예에 따른 정렬된 적응형 트리클 기법을 다양한 구성의 표준 트리클 기법과 비교 평가한 결과는 다음과 같다. 실제 31개 노드의 실내 테스트 베드에서 실험하고, 100개의 장치를 사용하여 102개의 서로 다른 토폴로지(1 그리드, 1 교차 및 100 랜덤)에 대한 시뮬레이션을 실행하였다.

기본 애플리케이션 계층의 경우 소스 노드는 20초마다 1000개의 고유한 메시지를 생성하며(달리 언급하지 않는 한) 새 메시지가 생성될 때까지 노드가 메시지를 받지 못하는 경우 손실로 정의한다.

트리클의 성능은 억제 임계값 파라미터 K가 구성된 방식에 따라 다르다. 작은 K를 사용하면 에너지 효율적인 작동이 가능하고 큰 K는 데이터 전파의 안정성(및 대기 시간)을 향상시킨다. 103 개의 서로 다른 토폴로지(테스트 베드 1개, 시뮬레이션 102개)에서 평가하기 때문에 모두에 적합한 좋은 K 값은 없다. 따라서 모든 실험과 시뮬레이션은 1, 2 및 5의 서로 다른 세 가지 K 값을 사용하여 수행되었다.

평가에는 '수렴 시간', '패킷 수신 비율', '총 전송 횟수'의 세 가지 메트릭이 사용된다.

수렴 시간(convergence time)은 메시지를 전체 네트워크로 전파하는 데 필요한 시간이며 가장 중요한 평가 지표이다.

패킷 수신 비율(PRR, packet reception ratio)은 중복을 제외하고 소스에서 생성된 총 메시지 수에 대한 각 노드가 수신한 고유 메시지의 비율이다. Trickle은 단일 패킷에 대해 최종 일관성(100% PRR)을 보장하지만 이전 메시지를 수신하기 전에 새 메시지를 수신하면 메시지가 손실된다.

총 전송 수(Total number of transmissions)는 알고리즘이 에너지 및 채널 사용 효율성을 위해 중복 패킷을 효과적으로 억제하는 방법을 나타낸다.

시뮬레이션은 UDGM(Unit Disk Graph Medium) 전파 모델과 함께 Cooja 시뮬레이터를 사용하여 수행된다. 사용된 102개의 토폴로지 중 `그리드(grid)'와 `교차(cross)'는 수동으로 구성되며 100개는 무작위로 생성된다. 그리드 토폴로지의 경우 100개의 장치가 10 x 10 형식으로 규칙적으로 배치되고 소스 노드(메시지 생성기)는 좌상단 모서리에 배치된다. 크로스 토폴로지는 그림 11의 (a)에 설명되어 있다. 여기서 사각형은 4 x 4 그리드 형태의 16개 노드로 구성된 소규모 네트워크를 나타내고, 원형 노드는 이러한 사각형 네트워크 간에 메시지를 전달하는 병목 노드이다. 이 토폴로지는 네트워크에 제한적이고 병목 현상이 있는 경로가 존재하여 순진한 억제 문제로 인해 정보 불일치가 발생할 수 있는 실제 환경에서 고르지 않은 물리적 배포를 모방하도록 설계되었다. 그리드 및 교차 토폴로지의 각 노드 사이의 거리는 30m로 설정되고 전송 범위는 50m로 설정된다.

시뮬레이션 결과는 그리드, 교차 및 랜덤 토폴로지에 대해 각각 도 12, 13 및 14에 표시되어 있다. 결과는 크게 일관된다. (1) 낮은 K 값 (즉, K = 1)은 전송 횟수를 줄여 에너지 사용량을 낮추지만 PRR과 수렴 시간이 상당히 길어진다. (2) 높은 K 값 (즉, K = 5)은 100% PRR 및 낮은 수렴 시간을 가져오지만 훨씬 더 많은 수의 전송 비용으로 인해 채널 및 에너지 사용량이 높아진다. (3) 순진한 억제 문제가 발생할 가능성이 가장 높은 교차 토폴로지(도 8)는 상당한 손실( < 90% PRR)과 상당히 긴 수렴 시간으로 추세를 가장 강조한다. (4) 정렬된 적응형 트리클(AA Trickle)은 모든 시나리오에서 모든 K 중 최고, 즉 K = 1 및 K = 2 구성 사이의 패킷으로 전송된 패킷 수를 유지하면서 가장 낮은 수렴 시간으로 100% PRR를 적응적으로 달성한다.

100% PRR 조건에서 높은 K 값을 사용하는 것은 자원 낭비이므로 네트워크 관리자는 수렴 시간과 에너지 효율성 간의 균형을 고려하면서 최소 K 값을 수동으로 결정해야 한다. 정렬된 적응형 트리클은 이러한 수동 구성의 필요성을 제거하고 네트워크에 자율적으로 적응하여 모든 K 구성에서 트리클이 달성한 최상의 성능을 제공한다. 즉, 충분한 전송만으로 더 낮은 수렴 시간에 더 높은 PRR을 제공한다.

배포 처리량(Dissemination Throughput) : 다음으로, 패킷 손실 및 정보 일관성 유지없이 메시지 시퀀스가 전체 네트워크로 얼마나 자주 전파될 수 있는지 살펴본다. 예를 들어 이는 네트워크의 OTA 재프로그래밍을 얼마나 빨리 완료할 수 있는지를 결정한다. 분명히 교차 토폴로지는 가장 어려운 부분이며 정렬된 적응형 트리클은 모든 토폴로지의 K 구성에 관계없이 트리클보다 성능이 뛰어나다. 그리드 또는 랜덤 토폴로지에서 정렬된 적응형 트리클은 초당 1 번의 보급까지 99 % 전달을 유지할 수 있다. 트리클은 3초 간격에서 불일치를 보여주기 시작한다. 교차 토폴로지에서 정렬된 적응현 트리클은 2초마다 99%의 메시지를 유지하는 반면, 트리클은 초기에 엄청난 고통을 겪게 된다.

시뮬레이션 결과는 정렬된 적응형 트리클이 메시지를 더 빨리 전파하고 네트워크 토폴로지에 따라 적절한 억제 임계값을 선택함을 나타낸다. 실제 환경에서는 벽이나 사람, 다른 무선 기술의 간섭 등으로 인한 다중 경로 및 페이딩과 같은 예측할 수 없는 변수가 많이 존재한다. 따라서 정렬된 적응형 트리클이 실제 환경에서 작동하는지 확인하기 위한 실험이 수행되어야 한다.

사무실 환경에서 31개의 장치로 실내 테스트 베드를 구성했다. 1개 장치는 고유한 메시지를 생성하는 소스 노드이고 30개의 다른 장치는 멀티 홉 LLN을 통해 이러한 메시지를 수신한다. 30개의 LLN 노드는 도 11의 (b)와 같이 6 x 5 그리드 형태로 배치되며, 다중 홉 네트워크를 구성하기 위해 무선 tx 전력을 -25dBm으로 설정한다.

도 15는 추세가 시뮬레이션 결과와 일치하는 실험 결과를 보여준다. K = 1 인 경우를 제외하고 모든 경우는 100% PRR을 달성하고, 정렬된 적응형 트리클의 전송 횟수는 K = 1과 K = 2 일 때 사이에 있으며 정렬된 적응형 트리클은 이 속성을 유지하면서 가장 빠른 수렴 시간을 가진다. 이 결과에서 중요한 점은 정렬된 적응형 트리클이 테스트 베드 환경에 대한 실제 실험에서 여전히 원래 트리클을 능가한다는 것이다.

본 실시예에 따르면, 사물인터넷 등 저전력 다중 홉 무선 네트워크에서 중앙 관리자가 데이터를 전파를 할 때, 네트워크상에서 나오는 안전성, 응답 속도, 에너지 사용을 최적화할 수 있다.

네트워크 전체가 시간 동기화를 할 필요 없이 노드들간 간격을 맞출 수 있음으로 오버헤드가 매우 적게 겹치는 전송시간을 해결할 수 있다.

또한, 주변 노드들에 대한 테이블을 따로 저장하지 않고 노드의 개수를 저장함으로 네트워크 형태에 동적으로 적응할 수 있으므로 관리자가 직접 설정할 필요가 없다.

본 실시예에 의하면, 저전력 다중 홉 네트워크상에서 전체 노드에게 전파를 할 때 네트워크 설정 없이 동적으로 적응하여 적은 오버헤드로 낮은 네트워크 응답시간과 높은 신뢰성을 달성할 수 있다.

본 실시예에 따른 정렬된 적응형 트리클 기법을 통한 데이터 전파 방법은 디지털 처리 장치에 내장되거나 설치된 프로그램 등에 의해 시계열적 순서에 따른 자동화된 절차로 수행될 수도 있음은 당연하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 디지털 처리 장치가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 디지털 처리 장치에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 상기 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 정렬된 적응형 트리클 노드 110: 통신 모듈
120: 트리클 프로세스 모듈 130: 간격 경계선 조정 모듈
140: 전송 구간 분할 모듈 150: 동적 파라미터 변경 모듈

Claims (12)

1. 다중 홉 무선 네트워크를 구성하는 네트워크 노드로서,
   이웃하는 타 네트워크 노드와 통신을 수행하는 통신 모듈;
   송신 노드로부터 새로운 패킷을 수신한 경우, 전송 간격을 초기값으로 재설정하고 두 배씩 늘려가며, 상기 전송 간격을 1/2씩 구분하여 전반부를 수신 전용 구간으로, 후반부를 전송 구간으로 설정하는 트리클 프로세스 모듈; 및
   상기 패킷을 송신한 송신 노드의 전송 간격이 시작된 시기를 판별하고, 간격 경계선을 정렬하는 조정을 수행하는 간격 경계선 조정 모듈을 포함하되,
   상기 간격 경계선 조정 모듈은, 상기 패킷에 포함된 상기 송신 노드의 패킷 전송과 관련된 시간 정보인 잔여 전송시간을 추출하고, 간격 타이머를 상기 전송 구간과 상기 잔여 전송시간의 차만큼 풀링(pulling)하여, 상기 송신 노드의 첫번째 전송 구간의 시작과 동시에 상기 간격 타이머를 시작하게 하며,
   상기 패킷을 다수 회 전파하는 과정에서 첫번째를 제외한 두번째 및 이후 전송 구간을 타일링(tiling) 방식으로 짝수 개의 타일로 분할하는 전송 구간 분할 모듈을 더 포함하고,
   분할된 상기 두번째 및 이후 전송 구간은 상기 첫번째 전송 구간과 동일한 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 네트워크 노드.
   
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5. 제1항에 있어서,
   상기 전송 구간 분할 모듈은 홀수번째 타일 혹은 짝수번째 타일을 새 전송 구간으로 선택하는 것을 특징으로 하는 네트워크 노드.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 패킷의 전파를 억제하는 임계값인 억제 카운터를 동적으로 변경하여 적응적 억제를 수행하는 동적 파라미터 변경 모듈을 더 포함하는 네트워크 노드.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 동적 파라미터 변경 모듈은, 상기 송신 노드의 순위를 확인하고, 자신과 같은 홉에 해당하는 노드의 수(N_same)와 최소 홉으로 업데이트되는 노드의 수(N_min)를 계산하여, 동적으로 상기 억제 카운터를 조정하되,
   상기 순위는 소스 노드인 메시지 생성기에서 해당 노드까지의 최단 홉 수를 나타내는 것을 특징으로 하는 네트워크 노드.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 동적 파라미터 변경 모듈은,
   상기 송신 노드의 순위가 자신과 동일한 경우 자신과 같은 홉에 해당하는 노드의 수(N_same)를 증가시키고,
   상기 송신 노드의 순위가 자신보다 더 낮을 경우 더 낮은 순위의 노드의 수(N_lower)를 카운트하고, 포워딩 메시지로 전달하며,
   상기 송신 노드의 순위가 자신보다 더 높을 경우 최소 홉으로 업데이트되는 노드의 수(N_min)를 최소 N_lower와 비교하고 기록하며,
   상기 억제 카운터 K는 다음 수학식과 같이 계산되는 것을 특징으로 하는 네트워크 노드.
   

   

   
   
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