KR20080050963A - 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지그비(Zigbee) 등과 같은 무선 센서 네트워크에서 한 개의 라디오 인터페이스를 구비한 경우 상호 인터피어런스가 발생하지 않도록 채널을 변경시켜 여러 채널을 통해 데이터를 전송하기 위한, 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법에 관한 것으로서, 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법에 있어서, 병행도를 산출하여 동일한 게이트웨이를 이용하는 각 PAN(Personal Area Network)의 코디네이터를 설정하는 단계; 상기 각 PAN의 채널정보를 관리하는 채널정보 관리단계; 메인 채널 및 타 채널의 수퍼프레임 스케줄 정보를 포함하는 비이컨 프레임을 생성하여 해당 PAN의 각 노드들로 전송하는 단계; 및 메인 채널의 비활성화 구간에 타 채널(보조 채널)의 수퍼프레임 스케줄 정보를 이용하여 데이터를 수신하는 데이터 수신단계를 포함한다.
Figure P1020070069614
무선 센서 네트워크, 멀티채널 운용, PAN, 병행도, 수퍼프레임 스케줄 정보

Description

무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법{Method for operating multi channel in wireless sensor network}
본 발명은 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지그비(Zigbee) 등과 같은 무선 센서 네트워크에서 한 개의 라디오 인터페이스를 구비한 경우 상호 인터피어런스가 발생하지 않도록 채널을 변경시켜 여러 채널을 통해 데이터를 전송하기 위한, 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2005-S-038-02, 과제명: UHF RF-ID 및 Ubiquitous 네트워킹 기술].
무선 센서 네트워크(WSN : Wireless Sensor Network)는 환경감시, 의학 시스템, 로봇 탐사 등과 같은 다양한 분야에서 그 응용이 활발히 진행되고 있다. 이러한 무선 센서 네트워크는 주로 분산된 노드들이 스스로 멀티-홉 형태로 네트워크를 구성하여 이루어진다. 각 노드들은 여러 개의 센서와 임베디드 프로세서, 저전력 라디오를 갖추고 있으며, 주로 배터리로 동작한다. 아울러, 이러한 노드들은 전형적으로 공통의 작업을 수행하는 상호협력관계에 있다.
모든 공유 매체 네트워크에서처럼 매체 접근 제어(MAC : Media Access Control)는 네트워크의 성공적 동작을 위해 아주 중요한 기술 요소이다.
MAC의 가장 근본적인 기능은 두 개 이상의 노드가 동시에 데이터 전송을 시작하지 못하도록 하여 충돌을 피하게 하는 기능으로서, 무선 음성 또는 무선 데이터 네트워크를 위해 많은 MAC 프로토콜이 개발되었다. 그 전형적인 예로 TDMA(Time Division Multiple Access), CDMA(Code Division Multiple Access) 및 IEEE 802.11과 같은 회선 쟁탈(contention) 기반의 프로토콜이 있다.
무선 센서 네트워크를 위한 좋은 MAC 프로토콜을 설계하기 위하여, 첫째로 중요하게 고려하는 사항이 에너지 효율성이다. 앞서 언급한 것처럼 센서 노드는 배터리 전력 공급 방식이므로 배터리 교체나 재충전이 어렵다. 따라서 센서 노드들은 언젠가 아주 싼 가격에 제작되어 재충전해서 쓰기보다는 수명이 다하면 폐기되는 방식을 취할 것이다. 결국, 이러한 노드들로 구성된 네트워크의 수명(lifetime)을 연장하는 것은 아주 중요한 관심 사항이 되었다.
또 다른 중요한 사항은 네트워크 크기(size), 노드 밀도(node density), 토폴로지(topology)의 변화에 따른 확장성(scalability)이다. 시간이 지남에 따라 네트워크의 토폴로지를 변화시키는 여러 요인이 발생하는데, 좋은 MAC은 이러한 네트워크의 변화를 잘 수용해야 한다.
이러한 요구사항을 고려하여 지그비(ZigBee) 표준 및 'SMAC'이 연구되어 활용되고 있으며, 조금씩 변형된 다양한 방식들이 제안되었다.
그러나 무선 센서 네트워크에 대한 저전력 소비(Low Power consumption) 및 확장성(Scalability) 관련 연구는 많은 진행이 이루어졌으나, 처리량(throughput) 및 신뢰도(reliability)를 고려한 연구는 아직 전혀 이루어지기 않고 있는 형편이다.
도 1 은 일반적인 무선 센서 네트워크의 일예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 무선 센서 네트워크의 센서 노드(11)는 게이트웨이(GW)(12)를 통해 유선 인터넷 백본망에 연결되어 있는 서버(13)와 연동한다.
이때, 무선 센서 네트워크에 전달되는 트래픽의 유형은 게이트웨이(12)로부터 모든 센서 노드(11)로 향하는 다운스트림(down stream)과 모든 센서 노드(11)로부터 게이트웨이(12)로 향하는 업스트림(up stream)으로 나뉜다.
다운스트림의 경우 트래픽이 폭주하여도 게이트웨이(12)에서 충분한 용량의 버퍼를 구비하고 있다면 데이터의 유실을 막을 수 있을 것이다. 보통, 게이트웨이는 전력공급이 원활한 곳에 위치하는 유선 인터넷 백본망에 접속되는 장비로서, 충분한 용량의 버퍼를 구비하고 있다.
하지만, 센서 노드들은 기본적으로 배터리 기반의 저전력 소모형 노드이므로, 버퍼의 용량도 작을뿐더러 라디오 인터페이스의 동작도 최소화하도록 구현되었다. 따라서 업스트림의 경우는 재빨리 전송기회를 잡고 데이터를 전송하지 않으면 트래픽 폭주시 중간 라우터 역할의 노드에서는 작은 용량의 버퍼가 넘쳐나는 데이 터 유실 현상이 발생할 수 있다.
한편, 멀티채널 활용 방안에 대한 연구로 하기와 같은 4가지 방안이 제안되었다.
- 전용 제어 채널(Dedicated Control Channel)(2 Radios)
- 보통의 호핑 시퀀스(Common hopping Sequence)
- 분할된 위상(Split Phase)
- 평행 랑데부(Parallel Rendezvous)
이러한 방안들은 IEEE 802.11 무선 LAN 기반 환경에서 고속의 광대역을 얻기 위해 제안된 것으로, 다음과 같은 차이점으로 인해 무선 센서 네트워크에 적용할 수 없다.
무선 센서 네트워크에서는 저전력화를 위하여 하나의 라디오 인터페이스를 구비하는 것이 주류이며, 실제 발생하는 트래픽이 아주 적어서 낮은 임무 주기(low duty cycle)로 운용된다. 즉, 대부분의 시간 동안 RF(Radio Frequency)를 오프(OFF)시켜 놓고 비활성(Inactive)으로 슬립(sleep) 상태에 있다가, 약속으로 정해진 시간에 깨서(wake up) 활성화(Active) 시간 동안 서로 통신하는 비이컨 방식의 전력소비 절감형으로 동작한다.
또한, 무선 센서 네트워크는 트래픽 특성상 트래픽이 게이트웨이 방향으로 집중(aggregated)되어 폭주지점이 발생할 수 있으며, 여러 개의 홉을 거치는 경우 긴급 전송이 요구되는 트래픽 처리 방안이 필요하다.
이러한 점을 고려하여 저전력으로 동작하는 무선 센서 네트워크의 요구사항을 만족하면서도 멀티채널로 동작하여 네트워크의 전송 성능을 높이고 데이터 유실을 방지할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기 요구에 부응하기 제안된 것으로, 지그비(Zigbee) 등과 같은 무선 센서 네트워크에서 한 개의 라디오 인터페이스를 구비한 경우 상호 인터피어런스가 발생하지 않도록 채널을 변경시켜 여러 채널을 통해 데이터를 전송하기 위한, 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 과제 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 과제 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 방법은, 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법에 있어서, 병행도를 산출하여 동일한 게이트웨이를 이용하는 각 PAN(Personal Area Network)의 코디네이터를 설정하는 단계; 상기 각 PAN의 채널정 보를 관리하는 채널정보 관리단계; 메인 채널 및 타 채널의 수퍼프레임 스케줄 정보를 포함하는 비이컨 프레임을 생성하여 해당 PAN의 각 노드들로 전송하는 단계; 및 메인 채널의 비활성화 구간에 타 채널(보조 채널)의 수퍼프레임 스케줄 정보를 이용하여 데이터를 수신하는 데이터 수신단계를 포함한다.
상술한 과제, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 하기의 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 쉽게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명은, 지그비(Zigbee) 등과 같은 무선 센서 네트워크에서 한 개의 라디오 인터페이스를 구비한 경우 상호 인터피어런스가 발생하지 않도록 채널을 변경시켜 여러 채널을 통해 데이터를 전송함으로써, 무선 센서 네트워크에서 멀티채널을 운용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2 는 본 발명에 이용되는 P2P 클러스터 트리 구조의 일예시도이다.
일반적으로, 지그비(Zigbee)는 2.45GHz 대역에서 16개의 채널을, 915MHz 대역에서 10개의 채널을 지원할 수 있도록 규격화되어 있다. PAN(Personal Area Network) 구성 시, 코디네이터(coordinator)가 한 개의 채널을 선택한 후 그 채널을 통해 비이컨을 주기적으로 송출하면, 이 송출된 비이컨을 감지한 전파영역(coverage area) 내의 디바이스들이 가입(join)하여 PAN을 구성한다.
이러한 PAN은 도 2에 도시된 바와 같이, P2P(Peer-to-Peer) 클러스터 트리 구조로 확장될 수 있다. 즉, 겹쳐지는 전파영역 내에 각각 다른 채널을 잡은 PAN이 여러 개 있을 수 있다.
여기서, 모든 노드들은 단일 라디오 인터페이스를 가지며, PNC(FFD)(210)는 최상위 PAN의 코디네이터를, C(FFD)는 하위 PAN의 코디네이터를, D(FFD or RFD)는 디바이스(Device)를 의미한다.
또한, 각 PAN(22, 23, 24) 내의 연결선은 서로 다른 채널을 의미하며, 각 채널별 클러스터 트리를 구성한다.
또한, PNC(210)는 멀티 채널 운용을 위해 시간대에 따라 '22' 채널에서 '23' 채널, '24' 채널 순으로 변경시키면서 동작한다. 자세한 동작 및 운용 방식은 도 4를 참조하여 이후에 설명하기로 한다.
도 3 은 본 발명에 따른 수퍼 프레임 및 비이컨 프레임의 일실시예 구조도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수퍼 프레임은, 비이컨 구간과 노 드들이 송수신 행위를 할 수 있는 활성화 구간(Active Period) 및 전력소모를 최소로 한 상태에서 슬립(Sleep) 또는 준비(Standby)하는 비활성화 구간(Inactive Period)을 포함한다.
여기서, 활성화 구간은 보장형 서비스를 요구하는 실시간 트래픽(RTT : Real Time Traffic)의 수송에 사용되는 CFP(Contention Free Period) 구간과 일반적으로 최선의 서비스(Best Efforts)를 요구하는 비실시간 트래픽(NTT : Non-real Time Traffic)의 수송에 사용되는 CAP(Contention Access Period) 구간으로 나누어서 운용된다.
또한, 비이컨 프레임은, PNC(210) 또는 코디네이터에서 생성되어 송출되며, 사용자가 정의하여 사용할 수 있는 페이로드(Payload) 필드에, 현재 채널의 수퍼프레임 스케줄 정보(303)뿐만 아니라, 다른 채널의 수퍼프레임 스케줄 정보(304)를 담고 있다.
따라서 현재 채널에 트래픽이 폭주할 경우 다른 채널(보조 채널)의 수퍼프레임 스케줄 정보를 이용하여 데이터를 전송할 수 있다.
여기서, 현재 채널의 수퍼프레임 스케줄 정보(303)는 채널정보(CH{mod-N(k)}), 비이컨 간격(BI : Beacon Interval), 종료 시간(Stop time)을 포함하며, 다른 채널의 수퍼프레임 스케줄 정보(304)는 채널정보(CH{mod-N(k+1)}), 비이컨 간격(BI : Beacon Interval), 시작시간(Start time), 종료시간(Stop time)을 포함한다.
이때, 다른 채널의 수퍼프레임 스케줄 정보의 수는 스캔(scan)을 통해 인지 한 비이컨 프레임 수에 상응한다.
또한, 비이컨 프레임은 비이컨을 송출하고 있는 코디네이터가 루트(root)로부터 몇 번째 홉에 위치하는지를 나타내는 깊이(depth) 필드(301)와 현재 몇 개의 디바이스가 참가하고 있는지를 나타내는 NOAD(Number Of Associated Device) 필드(302)를 포함한다.
따라서 디바이스(FFD, RFD)들은 스캔(scan)을 통해 비이컨 프레임을 송출하고 있는 코디네이터를 인지한 후 접속하고자 하는 부모 노드를 용이하게 선정할 수 있다.
도 4 는 본 발명에 따른 수퍼프레임을 이용한 멀티채널 운용 방식에 대한 일실시예 설명도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 멀티채널 수퍼프레임은, 깊이 필드, NOAD, 메인 채널의 수퍼프레임 스케줄 정보, 보조 채널의 수퍼프레임 스케줄 정보, 및 다른 보조 채널의 수퍼프레임 스케줄 정보(401)를 포함하는 비이컨 프레임, 데이터 필드(D : Data), 및 응답 필드(A : ACK)를 포함한다.
여기서, 'SD'는 수퍼프레임 주기를 의미한다.
먼저, PNC(210)는 비이컨 프레임 구성시 채널별로, 즉 채널 1 -> 채널 2 -> 채널 3 -> 채널 1 … 순으로 반복 처리한다. 이때, 각 채널은 서로 다른 PAN을 구성한다.
이후, PNC(210)는 메인 채널(CH1)을 통해 활성화 구간 동안 수퍼프레임을 수신하고, 메인 채널의 비활성화 구간에 긴급 데이터 전송이 발생할 경우, 보조 채 널(CH2)을 통해 상기 메인 채널의 수퍼프레임 주기(SD)에 채널 스위치 전환시간(CH Switch over Time)을 더한 시간 이후에 보조 채널의 수퍼프레임(401)을 이용하여 긴급 데이터를 수신할 수 있다.
이때, 각 채널의 수퍼프레임 스케줄 정보는 스캔(scan) 절차를 거치는 동안 채널 관리기(CH descriptor)를 통해 관리한다. 즉, 동일한 게이트웨이를 이용하는(첫 번째 PAN 코디네이터 ID가 같은) PAN 들의 채널 정보를 관리한다. 이는 홈 채널의 스케줄을 기준으로 보조 채널의 시작시간과 종료시간을 상대적 시간 정보로 관리한다.
예를 들어, PNC(210)를 중심으로 서로 다른 채널을 사용하는 3개의 클러스터 트리(제 1 트리, 제 2 트리, 제 3 트리)가 구성되었다고 하자. 각 클러스터 트리의 수퍼프레임 스케줄 정보는 모두 다를 것이다. 이때, 각 트리는 인접해 있다.
제 2 트리를 기준으로 수퍼프레임 스케줄러에 따라 데이터를 전송한 후 현재 비활성화 구간인데, 긴급 데이터를 전송해야 할 경우 다음 활성화 구간까지 기다리지 않고, 함께 받은 타 채널의 수퍼프레임 정보, 즉 제 1 트리 또는 제 2 트리에서 사용하는 수퍼프레임 스케줄 정보를 이용하여 활성화 구간에 맞춰 긴급 데이터를 전송한다.
이렇게 함으로써, 다음 활성화 구간까지 기다리지 않고 빠르게 효율적으로 데이터를 전송할 수 있다. 이때, 보조 채널을 통해 데이터를 전송하는 노드는 상기 보조 채널을 메인 채널로 사용하는 트리의 구성요소가 아니므로, 상호 인터피어런스가 발생하지 않는다.
이하, 도 1 및 도 2 그리고 도 5 내지 도 8을 참조하여 다양한 멀티채널 운용 방식에 대해 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.
게이트웨이(12) 및 모든 디바이스는 하나의 라디오를 구비하고 있다. 그리고 운용하고자 하는 채널의 개수를 N이라 할 때 k={k|1, 2, ... , N} 이다. 이때, 3개의 채널(제 1 채널, 제 2 채널, 제 3 채널)을 운용하는 경우 N=3이다.
먼저, 게이트웨이(12)는 제 1 채널로 비이컨을 송출하여, 자신의 영역 내 제 1 채널로 PAN에 참가한 노드들(11C, 11D)을 대상으로 활성화 구간(500) 동안 서빙한다.
이후, 제 1 채널의 첫 번째(1st) 클러스터 노드들(11C, 11D)이 슬립 상태가 되고, 게이트웨이(12)는 RF를 제 2 채널로 스위칭(CH switchover 타임)한 후, 제 2 채널로 비이컨을 송출하여 자신의 영역 내에 제 2 채널로 PAN에 참가한 노드들(21C, 21D)을 대상으로 활성화 구간(501) 동안 서빙한다.
이때, 제 1 채널의 두 번째(2nd) 클러스터 노드들(12C, 12D)이 클러스터 헤더의 비이컨을 통해 자신들의 스케줄에 따라 제 2 채널의 활성화 구간(501)에 동시에 활성화된다.
이후, 제 2 채널의 첫 번째 클러스터 노드들(21C, 21D) 및 제 1 채널의 두 번째 클러스터 노드들(12C, 12D)이 슬립 상태에 있는 동안, 게이트웨이(12)는 RF를 제 3 채널로 스위칭(CH switchover 타임)한 후, 제 3 채널로 비이컨을 송출하여 자신의 영역 내에 제 3 채널로 PAN에 참가한 노드들(31C, 31D)을 대상으로 활성화 구간(502) 동안 서빙한다.
이때, 제 2 채널의 두 번째 클러스터 노드들(22C, 22D)이 클러스터 헤더의 비이컨을 통해 자신들의 스케줄에 따라 제 3 채널의 활성화 구간(502)에 동시에 활성화된다.
이후, 제 3 채널의 첫 번째 클러스터 노드들(31C, 31D) 및 제 2 채널의 두 번째 클러스터 노드들(22C, 22D)이 슬립 상태가 되고, 제 1 채널의 비이컨 간격(503) 동안 비활성화된다.
이후, 제 1 채널의 첫 번째 클러스터 노드들(11C, 11D)이 활성화되면 제 3 채널의 두 번째 클러스터 노드들(32C, 32D) 및 제 2 채널의 세 번째 클러스터 노드(23D)가 동시에 활성화된다.
이후, 제 2 채널의 첫 번째 클러스터 노드들(21C, 21D)이 활성화되면 제 1 채널의 두 번째 클러스터 노드들(12C, 12D) 및 제 3 채널의 세 번째 클러스터 노드(33D)가 동시에 활성화된다.
이후, 제 3 채널의 첫 번째 클러스터 노드들(31C, 31D)이 활성화되면 제 2 채널의 두 번째 노드들(22C, 22D) 및 제 1 채널의 세 번째 노드(13D)가 동시에 활성화된다.
결국, 게이트웨이(12)는 제 1 채널, 제 2 채널, 및 제 3 채널을 순차적으로 서비스하고, 다시 제 1 채널, 제 2 채널 순으로 반복 순회 서비스한다. 여기서, 두 번째 클러스터부터 입력 비이컨과 출력 비이컨의 스케줄링 관계는 IEEE 802.15.4-2006 버전을 따르는 것이 바람직하다.
이러한 멀티채널 운용 방식은, 각 채널의 두 번째 노드(12C, 22C, 32C) 입장 에서 PNC(210)으로부터의 비이컨(grand parent beacon) 수신이 가능한 경우로, 예를 들어 제 1 채널의 두 번째 노드(12C)는 제 1 채널의 첫 번째 노드(11C)로부터의 입력(incoming) 비이컨 스케줄을 고려하여 출력(outgoing) 비이컨 스케줄을 정해야 하는데, PNC(210)로부터의 비이컨(grand parent beacon) 수신이 가능한 위치에 있다면, 상기 2개의 입력(incoming) 비이컨 내의 스케줄을 고려하여 활성화 구간을 정해야 하는 단점이 있다. 아울러, 이때 소요 시간이 배정되지 않는 점도 단점으로 작용한다.
따라서 코디네이터를 지정할 때 PNC(210)로부터의 비이컨(grand parent beacon) 수신이 불가능한 위치에 있는 디바이스(FFD)를 코디네이터로 지정하여 병행도를 높이는 것이 바람직하다.
이하, PAN 상에서 같은 시간 구간에 활성화 가능한 채널 수를 의미하는 병행도에 대해 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.
먼저, 3개 채널 운영 시 통상 '비이컨 간격 > 수퍼프레임 주기'라 가정한다.
4×(수퍼프레임 주기 + 채널 변경 소요시간) > 비이컨 간격 > 3×시작시간 > 3×(수퍼프레임 주기 + 채널 변경 시간)
상기 [수학식 1]의 조건하에서 2개의 비이컨 수신이 가능한 지역에 코디네이터가 위치하는 경우, 병행도 3으로 운용하기 위해서는 스케줄링 시 도 5에 도시된 바와 같이, 부모 노드인 "11C" 및 조부모 노드인 PNC(210)의 활성화 구간을 피해서 활성화시켜야 한다.
그러나 PNC(210)로부터의 비이컨 수신이 불가능한 위치인 경우, 도 6에 도시된 바와 같은 스케줄링도 가능하다.
즉, 게이트웨이(12)는 제 1 채널로 비이컨을 송출하여, 자신의 영역 내 제 1 채널로 PAN에 참가한 노드들(11C, 11D)을 대상으로 활성화 구간(600) 동안 서빙한다.
이후, 제 1 채널의 첫 번째(1st) 클러스터 노드들(11C, 11D)이 슬립 상태가 되고, 게이트웨이(12)는 RF를 제 2 채널로 스위칭(CH switchover 타임)한 후, 제 2 채널로 비이컨을 송출하여 자신의 영역 내에 제 2 채널로 PAN에 참가한 노드들(21C, 21D)을 대상으로 활성화 구간(601) 동안 서빙한다.
이때, 제 1 채널의 두 번째(2nd) 클러스터 노드들(12C, 12D)이 클러스터 헤더의 비이컨을 통해 자신들의 스케줄에 따라 제 2 채널의 활성화 구간(601)에 동시에 활성화된다.
이후, 제 2 채널의 첫 번째 클러스터 노드들(21C, 21D) 및 제 1 채널의 두 번째 클러스터 노드들(12C, 12D)이 슬립 상태에 있는 동안, 게이트웨이(12)는 RF를 제 3 채널로 스위칭(CH switchover 타임)한 후, 제 3 채널로 비이컨을 송출하여 자신의 영역 내에 제 3 채널로 PAN에 참가한 노드들(31C, 31D)을 대상으로 활성화 구간(602) 동안 서빙한다.
이때, 제 2 채널의 두 번째 클러스터 노드들(22C, 22D)이 클러스터 헤더의 비이컨을 통해 자신들의 스케줄에 따라 제 3 채널의 활성화 구간(602)에 동시에 활성화된다.
이후, 제 3 채널의 첫 번째 클러스터 노드들(31C, 31D) 및 제 2 채널의 두 번째 클러스터 노드들(22C, 22D)이 슬립 상태가 되고, 제 1 채널의 비이컨 간격(503) 동안 비활성화된다.
이후, 제 1 채널의 첫 번째 클러스터 노드들(11C, 11D)이 활성화되면 제 3 채널의 두 번째 클러스터 노드들(32C, 32D) 및 제 1 채널의 세 번째 클러스터 노드(13D)가 동시에 활성화된다.
이후, 제 2 채널의 첫 번째 클러스터 노드들(21C, 21D)이 활성화되면 제 1 채널의 두 번째 클러스터 노드들(12C, 12D) 및 제 2 채널의 세 번째 클러스터 노드(23D)가 동시에 활성화된다.
이후, 제 3 채널의 첫 번째 클러스터 노드들(31C, 31D)이 활성화되면 제 2 채널의 두 번째 노드들(22C, 22D) 및 제 3 채널의 세 번째 노드(33D)가 동시에 활성화된다.
한편, 하기의 [수학식 2]와 같은 조건하에서 2개의 비이컨 수신이 가능한 지역에 코디네이터가 위치하면, 세 번째 클러스터 노드들을 위한 채널을 할당할 수 없다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이 병행도 2를 갖는다.
3×시작시간 > 3×(수퍼프레임 주기 + 채널 변경 소요시간) > 비이컨 간격 > 2×시작시간 > 2×(수퍼프레임 주기 + 채널 변경 소요시간)
한편, 하기의 [수학식 3]과 같은 조건하에서 2개의 비이컨 수신이 가능한 지역에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 병행도 3으로 운용이 가능하다.
즉, 관측되는 모든 입력(incoming) 비이컨과 출력(outgoing) 비이컨의 처리시간 범위 내에서 병행성을 갖는다.
이때, "*"로 마크된 구간은 최상위 PAN의 비이컨 수신이 가능한 지역에 할당해서는 안된다.
비이컨 간격 > 4×시작시간 > 4×(수퍼프레임 주기 + 채널 변경 소요시간)
결국, 상기 [수학식 1] 또는 [수학식 3] 조건하에서는 병행도 3 이하로 멀티채널 운용이 가능한 반면에, 상기 [수학식 2] 조건하에서는 병행도 2로 멀티채널 운용이 가능하다.
도 9 는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법에 대한 일예시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 각 클러스터들은 자신의 홈 채널(Home CH)이 활성화 구간 동안 'CSMA/CA' 방식으로 데이터를 전송한다. 그러나 활성화 구간 동안 데 이터를 전송하지 못했거나, 긴급히 전송해야 하는 경우 다른 보조 채널의 활성화 구간에서 깨어나 데이터를 전송함으로써, 지연시간을 단축하고 데이터의 손실을 방지한다.
이를 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.
먼저, 정상전달 시 멀티홉 전송지연시간(900)을 살펴보면, 제 2 채널의 세 번째 클러스터 노드인 '23D'가 자신의 활성화 구간에 코디네이터인 '22C'로 데이터를 전송한다(901).
이후, 제 2 채널의 두 번째 노드로서의 '22C'는 자신의 활성화 구간에 데이터를 코디네이터인 '21C'로 전송한다(902).
그러면, 제 2 채널의 첫 번째 노드로서의 '21C'는 자신의 활성화 구간에 게이트웨이를 통해 PNC로 데이터를 전송한다(903).
다음으로, 데이터 폭주 시 멀티홉 전송지연시간(910)을 살펴보면, 제 2 채널의 세 번째 클러스터 노드인 '23D'가 자신의 활성화 구간에 코디네이터인 '22C'로 데이터를 전송한다(901).
이후, 제 2 채널의 두 번째 노드로서의 '22C'가 자신의 최초 활성화 구간에 데이터를 전송하지 못한 경우, 그 다음 활성화 구간에 데이터를 코디네이터인 '21'로 전송한다(912).
이후, 제 2 채널의 첫 번째 노드로서의 '21C'는 자신의 활성화 구간에 게이트웨이를 통해 PNC로 데이터를 전송한다(913).
다음으로, 본 발명에 따른 멀티채널방식에서 보조채널을 사용 시 멀티홉 전 송지연시간(920)을 살펴보면, 제 2 채널의 세 번째 클러스터 노드인 '23D'가 자신의 활성화 구간에 코디네이터인 '22C'로 데이터를 전송한다(901).
이후, 제 2 채널의 두 번째 노드로서의 '22C'가 자신의 최초 활성화 구간에 데이터를 전송하지 못한 경우, 제 3 채널을 보조 채널로 사용하여 데이터를 제 3 채널의 첫 번째 노드인 '31C'로 전송한다(922).
이후, 제 3 채널의 첫 번째 노드인 31C가 자신의 활성화 구간에 데이터를 PNC로 전송한다(923).
이를 통해, 데이터 폭주 시 멀티홉 전송지연시간(910)보다 멀티채널방식에서 보조채널을 사용 시 멀티홉 전송지연시간(920)이 더 짧음을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
도 1 은 일반적인 무선 센서 네트워크의 일예시도,
도 2 는 본 발명에 이용되는 P2P 클러스터 트리 구조의 일예시도,
도 3 은 본 발명에 따른 수퍼 프레임 및 비이컨 프레임의 일실시예 구조도,
도 4 는 본 발명에 따른 수퍼프레임을 이용한 멀티채널 운용 방식에 대한 일실시예 설명도,
도 5 는 본 발명에 따른 수퍼프레임을 이용한 멀티채널 운용 과정에 대한 일실시예 설명도,
도 6 은 본 발명에 따른 수퍼프레임을 이용한 멀티채널 운용 과정에 대한 다른 실시예 설명도,
도 7 은 본 발명에 따른 수퍼프레임을 이용한 멀티채널 운용 과정에 대한 또 다른 실시예 설명도,
도 8 은 본 발명에 따른 수퍼프레임을 이용한 멀티채널 운용 과정에 대한 또 다른 실시예 설명도,
도 9 는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법에 대한 일예시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
12 : 게이트웨이 13 : 서버
22 : 제 1 채널 23 : 제 2 채널
24 : 제 3 채널

Claims (9)

  1. 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법에 있어서,
    병행도를 산출하여 동일한 게이트웨이를 이용하는 각 PAN(Personal Area Network)의 코디네이터를 설정하는 단계;
    상기 각 PAN의 채널정보를 관리하는 채널정보 관리단계;
    메인 채널 및 타 채널의 수퍼프레임 스케줄 정보를 포함하는 비이컨 프레임을 생성하여 해당 PAN의 각 노드들로 전송하는 단계; 및
    메인 채널의 비활성화 구간에 타 채널(보조 채널)의 수퍼프레임 스케줄 정보를 이용하여 데이터를 수신하는 데이터 수신단계
    를 포함하는 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널정보 관리단계는,
    메인 채널의 스케줄을 기준으로 타 채널(보조 채널)의 시작시간과 종료시간을 상대적 시간 정보로 관리하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 데이터 수신단계는,
    메인 채널을 통해 활성화 구간 동안 수퍼프레임을 수신하고, 메인 채널의 비활성화 구간에 긴급 데이터 전송이 발생한 경우, 타 채널(보조 채널)을 통해 메인 채널의 수퍼프레임 주기에 채널 스위치 전환시간을 더한 시간 이후에 타 채널(보조 채널)의 수퍼프레임을 이용하여 긴급 데이터를 수신하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 비이컨 프레임은,
    비이컨을 송출하고 있는 상기 코디네이터가 루트(root)로부터 몇 번째 홉에 위치하는지를 나타내는 깊이(depth) 필드, 현재 몇 개의 디바이스가 참가하고 있는지를 나타내는 NOAD(Number Of Associated Device) 필드, 메인 채널(현재 채널)의 수퍼프레임 스케줄 정보, 및 타 채널의 수퍼프레임 스케줄 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 메인 채널의 수퍼프레임 스케줄 정보는,
    채널정보, 비이컨 간격(BI : Beacon Interval), 종료시간(Stop time)을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 타 채널의 수퍼프레임 스케줄 정보는,
    채널정보, 비이컨 간격(BI : Beacon Interval), 시작시간(Start time), 종료시간(Stop time)을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 병행도는,
    하기의 [수학식 A]를 만족하는 경우 3으로 운용하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법.
    [수학식 A]
    4×(수퍼프레임 주기 + 채널 변경 소요시간) > 비이컨 간격 > 3×시작시간 > 3×(수퍼프레임 주기 + 채널 변경 시간)
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 병행도는,
    하기의 [수학식 B]를 만족하는 경우 2로 운용하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법.
    [수학식 B]
    3×시작시간 > 3×(수퍼프레임 주기 + 채널 변경 소요시간) > 비이컨 간격 > 2×시작시간 > 2×(수퍼프레임 주기 + 채널 변경 소요시간)
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 병행도는,
    하기의 [수학식 C]를 만족하는 경우 3으로 운용하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 멀티채널 운용 방법.
    [수학식 C]
    비이컨 간격 > 4×시작시간 > 4×(수퍼프레임 주기 + 채널 변경 소요시간)
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