KR20080061497A - System for transmitting data in wireless sensor network based on virtual backbone - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템의 예시적인 구성도.1 is an exemplary configuration diagram of a virtual backbone wireless sensor network data transmission system in accordance with the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에서의 예시적인 데이터 흐름을 나타내는 도면.2 illustrates an exemplary data flow in a virtual backbone wireless sensor network data transmission system in accordance with the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서 슈퍼프레임의 예시적인 구성을 나타내는 도면.3 illustrates an exemplary configuration of a superframe in a virtual backbone wireless sensor network data transmission system in accordance with the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서 활성화 구간의 예시적인 구성을 나타내는 도면.4 is a diagram illustrating an exemplary configuration of an activation interval in a virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서 TDMA 기반 동기화의 예시적인 수행을 나타내는 도면.5 illustrates an exemplary performance of TDMA based synchronization in a virtual backbone wireless sensor network data transmission system in accordance with the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서 경쟁 기반 데이터 전송의 예시적인 수행을 나타내는 도면.6 illustrates an exemplary performance of contention based data transmission in a virtual backbone wireless sensor network data transmission system in accordance with the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
110: 브랜치 노드 130: 센서 노드110: branch node 130: sensor node
본 발명은 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 선형 구조와 스타 구조가 혼합된 가상 백본 구조의 센서 네트워크를 이용하여 기존의 MAC 프로토콜이 가지고 있는 네트워크 지연, 에너지 소모, 오버히어링 등의 문제를 최소화하고 낮은 듀티 사이클을 지원하여 실시간 데이터 전송이 가능한 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a virtual backbone wireless sensor network data transmission system, and more specifically, to a network delay, energy consumption, and overload of a conventional MAC protocol by using a sensor network of a virtual backbone structure in which a linear structure and a star structure are mixed. The present invention relates to a virtual backbone wireless sensor network data transmission system capable of real-time data transmission by minimizing problems such as hearing and supporting low duty cycle.
센서 네트워크는 유비쿼터스 컴퓨팅 기술을 실현하기 위한 핵심 기술적인 인프라이다. 그러나 무선 센서 네트워크는 센서 노드 사이의 무선 통신 거리의 제한으로 네트워크 범위가 대규모로 구성하기 어려운 단점이 있다. 즉 네트워크가 확장될수록 데이터 전송이 멀티 홉으로 전송이 이루어짐으로 네트워크 지연이 증가하고, 센서 노드의 에너지 소모가 증가하기 때문이다. Sensor networks are the core technical infrastructure for ubiquitous computing technology. However, the wireless sensor network has a disadvantage in that the network range is difficult to configure on a large scale due to the limitation of the wireless communication distance between sensor nodes. That is, as the network is expanded, data transmission is multi-hop, which increases network delay and increases energy consumption of sensor nodes.
또한 무선 센서 네트워크의 노드는 제한된 용량의 배터리를 이용하여 센싱 또는 컴퓨팅 등의 기능을 수행한다. 그러나 센서 네트워크는 기존의 무선 네트워크와는 달리 제한된 용량의 배터리 전원을 사용하므로 최소의 에너지를 사용하여 감지된 센싱 데이터를 전달하는 구성이 요구된다.In addition, a node of a wireless sensor network uses a limited capacity battery to perform functions such as sensing or computing. However, unlike conventional wireless networks, the sensor network uses a limited amount of battery power and thus requires a configuration that delivers sensed data using minimum energy.
따라서 무선 네트워크를 구성하는 여러 계층 가운데 데이터의 에러 및 흐름을 제어하고 자원을 관리하는 MAC(media access control) 계층에서의 에너지 효율적인 MAC 프로토콜이 요구된다. 기존의 MANET(Mobile Ad-hoc Network) 또는 IEEE 802.11과 같은 구성의 MAC 프로토콜을 센서 네트워크에 적용하는 경우 패킷 충돌(collision), 오버히어링(overhearing), 제어 패킷 오버헤드(overhead), 아이들 리스닝(idle listening) 등의 문제점이 발생하여 센서 네트워크 내에서 에너지를 낭비하는 문제점이 발생한다. 특히 아이들 리스닝은 통신 기능이 요구되지 않는 기간에도 센서 노드가 항상 액티브 상태로 동작함에 따라 많은 에너지 소모를 유발하게 된다.Therefore, there is a need for an energy efficient MAC protocol in a media access control (MAC) layer that controls errors and flows of data and manages resources among the various layers constituting a wireless network. When applying the MAC protocol of the existing MANET (Mobile Ad-hoc Network) or IEEE 802.11 to the sensor network, packet collision, overhearing, control packet overhead, idle listening Problems such as listening occur, causing a problem of wasting energy in the sensor network. In particular, idle listening causes a lot of energy consumption as the sensor node is always active while the communication function is not required.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 특히 센서 네트워크에 특화된 MAC 프로토콜 구조는 주기적으로 활성화(active)와 슬리프(sleep) 상태를 반복하여 평상시에는 슬리프 상태로 동작하여 에너지 소모를 최소화하다가 주기적으로 활성화되어 동작하는 방식을 사용한다. 이 경우 슬리프 상태의 시간에 따라서 에너지를 절감하게 된다.In order to solve this problem, the MAC protocol structure specially designed for the sensor network periodically repeats the active and sleep states to operate in the sleep state in order to minimize energy consumption and to be activated periodically. Use the method. In this case, energy is saved according to the sleep time.
이러한 종래의 센서 네트워크에 특화된 MAC 프로토콜은 예컨대 S-MAC(Sensor-MAC), T-MAC(Timeout-MAC) 또는 B-MAC 등이 있다.MAC protocols specific to such conventional sensor networks include, for example, Sensor-MAC (S-MAC), Timeout-MAC (T-MAC), or B-MAC.
S-MAC 프로토콜은 센서 노드가 주기적으로 슬리프 상태로 전환하게 하여 낮은 듀티 사이클(duty cycle)을 지원하는 프로토콜이다. 이러한 슬리핑 모드로의 주기적인 전환을 통하여 에너지를 절감하고 경쟁(contention) 기반의 스케줄링(scheduling)을 사용하여 확장성을 개선하며 패킷의 충돌을 회피할 수 있다. 그러나 한편으로는 아이들 리스닝으로 인하여 네트워크 지연이 커지는 단점이 있다. 또한S-MAC 구조는 실제 데이터를 전송하기 위하여 매번 전송 시마다 리스닝 구간에서 패킷을 전송하고 동기를 위한 패킷을 교환하기 때문에 에너지 효율이 감소되는 문제점이 있다.The S-MAC protocol supports low duty cycle by allowing the sensor node to go to sleep periodically. Periodic switching to the sleep mode can save energy, improve content scalability by using contention-based scheduling, and avoid packet collisions. However, on the other hand, there is a disadvantage in that network delay is increased due to idle listening. In addition, the S-MAC structure has a problem in that energy efficiency is reduced because the S-MAC structure transmits a packet in a listening section and exchanges a packet for synchronization every time transmission.
또한 T-MAC의 경우 유동적인 듀티 사이클을 사용하지만 불필요한 아이들 리스닝을 줄이는 과정에서의 타이머 설정에 따른 에너지 소모의 문제점이 있다.In addition, T-MAC uses a flexible duty cycle, but there is a problem of energy consumption due to timer setting in a process of reducing unnecessary idle listening.
또한 B-MAC은 기본적으로 CSMA에 기반한 MAC 프로토콜로써 아이들 리스닝을 최소화하기 위하여 저전력 리스닝(Low-power listening, LPL)을 이용한다. 이 경우 데이터를 보내는 노드는 LPL을 이용하여 주기적으로 매우 짧은 시간 동안 리스닝을 수행하고 이 주기보다 긴 프리앰블을 가지는 패킷을 전송한다. 이 경우 다른 노드가 LPL 기간에 프리앰블을 인지하게 되면 이후에 들어오는 데이터는 모두 수신하여 처리한다. 이러한 B-MAC은 기본적으로 S-MAC에 비하여 저전력 환경 하에서 낮은 전송 지연을 제공하지만 프리앰블 확인 간격(Preamble Check Interval)에 따라 네트워크 지연과 에너지 소모가 반비례 관계를 가지고 있다.In addition, B-MAC is basically a MAC protocol based on CSMA and uses low-power listening (LPL) to minimize idle listening. In this case, the node sending the data periodically listens for a very short time using the LPL and transmits a packet having a preamble longer than this period. In this case, when another node recognizes the preamble during the LPL period, all subsequent data is received and processed. The B-MAC provides lower transmission delay in a lower power environment than the S-MAC, but the network delay and energy consumption are inversely related to the preamble check interval.
또한 종래의 지그비(ZigBee)는 IEEE 802.15.4 CSMA-CA MAC 프로토콜을 기반으로 하는 네트워크 프로토콜로써, 비콘 가능(Beacon enable) 모드일 경우 비컨 패킷을 기준으로 활성화(Active)/비활성화(Inactive) 구간의 동기화를 이루어 비활성화 구간에서의 에너지를 절감한다. 그러나 지그비 또한 활성화 구간에서 아이들 리스닝이 존재하고, 슬롯(slotted) CSMA-CA로 인한 네트워크 지연이 여전히 문제가 된다.In addition, the conventional ZigBee is a network protocol based on the IEEE 802.15.4 CSMA-CA MAC protocol, and in the beacon enable mode, the ZigBee is an active / inactive section based on a beacon packet. Synchronization saves energy in the inactive section. However, Zigbee also has idle listening in the activation period, and network delay due to slotted CSMA-CA is still a problem.
이러한 종래의 S-MAC, T-MAC 또는 B-MAC, 지그비 등의 문제점에 대해서 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.The problems of the conventional S-MAC, T-MAC or B-MAC, Zigbee, etc. will be described in more detail as follows.
우선 파워 소모의 관점이다.The first point is power consumption.
이러한 종래의 S-MAC이나 T-MAC, B-MAC은 모두 기본적으로 데이터를 전송하는 것에 에너지를 소모하는 것 외에 부가적으로 제어 패킷(Control Packet) 또는 긴 프리앰블을 전송하거나 수신하는 것에 에너지를 소모하게 되며 또한 트래픽 환경에 따라 다르긴 하지만 특정 기간 동안 아이들 리스닝을 통한 에너지 낭비가 발생하게 된다. These conventional S-MACs, T-MACs, and B-MACs all basically consume energy for transmitting data, but additionally consume energy for transmitting or receiving control packets or long preambles. And depending on the traffic environment, there is a waste of energy through idle listening for a certain period of time.
또한 S-MAC과 T-MAC은 CSMA-CA방식을 사용함에 따른 부과적인 에너지가 소모가 따르고 B-MAC은 오버히어링(Overhearing)으로 인한 에너지 소모가 추가적으로 발생하게 된다. In addition, S-MAC and T-MAC consume additional energy due to the CSMA-CA method, and B-MAC additionally consumes energy due to overhearing.
고정적인 듀티 사이클을 사용하는 S-MAC은 기존의 전통적인 무선 MAC 프로토콜보다 에너지 효율성 측면에서는 좋은 결과를 가져오지만, 센서 네트워크에서 노드가 센싱하는 데이터의 양이 극히 적은 경우 불필요한 아이들 리스닝을 수행하므로, 에너지 효율성이 매우 떨어지게 된다.S-MAC, which uses a fixed duty cycle, has better energy efficiency than traditional wireless MAC protocols, but performs unnecessary idle listening when the amount of data sensed by the nodes in the sensor network is extremely small. It is very inefficient.
S-MAC에서의 문제점을 보완하기 위해 제안된 T-MAC은 유동적인 듀티 사이클을 사용하므로 인해 네트워크의 트래픽 환경이 적은 경우에 타이머를 동작하여 불필요한 아이들 리스닝 시간을 줄이게 하여 에너지를 절감하는 방안을 채택하였으나, 별도의 타이머를 설정하게 하므로 인해 그만큼의 시간 동안 에너지를 소모하는 문제점이 있다. 또한 네트워크의 트래픽이 많은 환경에서는 듀티 사이클 동작이 불가능하게 되어 효율적인 에너지 절감 효과를 얻기 어렵다. 또한 지그비 표준의 경우에도 센서 노드의 라우팅 참여, 멀티홉 전송으로 인한 네트워크 지연 등으로 에너지 소모에 있어서 효율적이지 못하다. Since the proposed T-MAC uses a flexible duty cycle to compensate for the problems in the S-MAC, it adopts a method that saves energy by reducing the unnecessary idle listening time by operating a timer when the network traffic environment is low. However, there is a problem that consumes energy for that time due to setting a separate timer. In addition, duty cycle operation is not possible in a network-traffic environment, making it difficult to achieve efficient energy savings. In addition, the ZigBee standard is not efficient in energy consumption due to sensor node's participation in routing and network delay due to multi-hop transmission.
또한 전송 지연의 관점에서의 문제점은 다음과 같다.In addition, problems in terms of transmission delay are as follows.
종래의 센서 네트워크용 MAC 프로토콜은 네트워크 지연에 있어서 매우 커다란 단점을 지니고 있다. 즉 센서 네트워크용 프로토콜인 S-MAC, T-MAC 또는 B-MAC은 에너지 효율성을 높이기 위하여 듀티 사이클을 낮추면 네트워크 지연은 그에 비례하여 증가하게 된다. 즉, 기존의 프로토콜은 에너지 소모와 네트워크 지연에 있어서 서로 반비례한 관계를 유지하게 된다. 이는 배터리 등과 같은 제한적인 전원을 사용하면서 실시간 응용이 필요한 경우 문제를 유발하게 된다. 특히 센서네트워크의 망의 크기가 클 경우에 이러한 지연은 매우 커다란 영향을 유발한다. The conventional MAC protocol for sensor networks has a very big disadvantage in network delay. In other words, S-MAC, T-MAC or B-MAC, which is a protocol for sensor networks, reduces the duty cycle to increase energy efficiency, and the network delay increases proportionally. In other words, existing protocols maintain an inverse relationship with each other in terms of energy consumption and network delay. This causes problems when real-time applications are needed with limited power sources such as batteries. Especially when the network size of the sensor network is large, this delay causes a very big effect.
또한 센서 노드의 통신 거리와 데이터 전송률의 한계로 인하여 확장성에 제한이 존재한다. 즉 소규모의 네트워크 구조에서는 네트워크 지연이나 노드의 에너지 소모가 별 차이가 없지만 대규모로 네트워크가 확장 되었을 때 네트워크 지연이나 노드의 에너지 소모는 센서 노드 수가 증가함에 따라서 기하 급수적으로 증가하는 단점이 있다.In addition, there is a limitation in scalability due to the limitation of the communication distance and data rate of the sensor node. That is, in small network structure, there is no difference in network delay or node energy consumption, but network delay or energy consumption of node increases exponentially as the number of sensor nodes increases.
또한 컨버지캐스트(Convergecast) 네트워크 관점에서의 문제점은 다음과 같다. 기존의 센서 네트워크의 데이터의 목적지는 최상위 노드인 싱크(Sink) 노드 혹은 코디네이터(Coordinator)이다. 즉, 각 노드의 데이터가 한 곳으로 모이는 형태의 컨버지캐스트 구조를 이루고 있다.In addition, the problems from the perspective of the convergecast network (Convergecast) network is as follows. The destination of the data of the existing sensor network is the sink node or coordinator, which is the top node. In other words, it forms a converged structure in which data of each node is gathered in one place.
이는 특정 노드에 대한 제어 및 관리가 실시간으로 필요한 경우에 네트워크 지연 및 트래픽 발생 등의 매우 커다란 단점을 지니고 있다. 센서 네트워크용 프로토콜인 S-MAC, T-MAC, B-MAC은 양방향 통신이 많아지면 많아질수록 네트워크 트래 픽이 증가하는 단점을 가지고 있다.This has a very big disadvantage such as network delay and traffic generation when control and management of a specific node is needed in real time. S-MAC, T-MAC, and B-MAC, which are protocols for sensor networks, have the disadvantage of increasing network traffic as more bi-directional communication becomes available.
또한 우선 순위 관점에서의 문제점은 다음과 같다.In addition, the problems in terms of priority are as follows.
기존의 무선 센서 네트워크는 상태 모니터링을 위해 센싱 정보에 대한 우선 순위를 두지 않는다. 이 경우 전송하고자 하는 데이터가 긴급할 경우에 다른 데이터보다 우선적으로 보내야 함에도 불구하고 다른 데이터들과 같은 레벨로 전송되는 문제를 가지고 있다. 즉, 전송하고자 하는 데이터가 긴급을 요하는 데이터일 때 긴급을 요하지 않는 데이터보다 우선적으로 전송되어야 하며, 이처럼 우선 순위가 높은 데이터를 가지고 있는 노드에게 우선적으로 전송 기회가 주어져야 하지만 이러한 우선 순위에 대한 고려는 종래 수행되지 않은 사항이다.Conventional wireless sensor networks do not prioritize sensing information for health monitoring. In this case, although the data to be transmitted is urgently transmitted over other data in case of an emergency, it has a problem of being transmitted at the same level as other data. That is, when the data to be transmitted is urgent data, it should be transmitted preferentially over the non-urgent data, and the node with the high priority data should be given priority to the transmission, but consideration of such priority Is not performed in the past.
본 발명의 목적은 선형 구조와 스타 구조가 혼합된 가상 백본 구조의 센서 네트워크를 이용하여 기존의 MAC 프로토콜이 가지고 있는 네트워크 지연, 에너지 소모, 오버히어링 등의 문제를 최소화하고 낮은 듀티 사이클을 지원하여 실시간 데이터 전송이 가능한 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템을 제공하는 데 있다.The purpose of the present invention is to minimize the network delay, energy consumption, and overhearing problems of the MAC protocol by using a virtual backbone sensor network, which is a mixture of linear and star structures. The present invention provides a virtual backbone wireless sensor network data transmission system capable of data transmission.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 상위 노드와 하위 노드 형태로 구성되어 상기 하위 노드로부터 상기 상위 노드로의 데이터 전송을 수행하는 다수의 브랜치 노드와, 다수의 상기 브랜치 노드 각각에 대응하여 배치되는 다수의 센서 노드로서, 상기 센서 노드 각각은 감지 데이터 생성을 위한 센서를 구비하며 상기 감지 데이터의 전송을 위하여 대응되는 상기 브랜치 노드 내의 다른 센서 노드와의 경쟁 기반으로 대응되는 상기 브랜치 노드에게로 상기 감지 데이터 전송을 수행하는 것인 다수의 센서 노드를 포함하는 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention has a plurality of branch nodes configured in the form of an upper node and a lower node to perform data transmission from the lower node to the upper node, and arranged in correspondence with each of the plurality of branch nodes. A plurality of sensor nodes, each sensor node having a sensor for generating sensory data and the branching node to the corresponding branch node on a contention basis with other sensor nodes in the corresponding branch node for transmission of the sensory data. It provides a virtual backbone wireless sensor network data transmission system including a plurality of sensor nodes for performing sense data transmission.
본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서, 상기 다수의 브랜치 노드 중의 최상위 노드인 싱크 노드는 상기 감지 데이터를 분석하기 위한 분석 장치와 유무선 통신을 통하여 연결될 수 있다.In the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, a sink node, which is the highest node of the plurality of branch nodes, may be connected to an analysis device for analyzing the sensed data through wired or wireless communication.
또한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서, 상기 브랜치 노드 사이 또는 상기 브랜치 노드와 상기 센서 노드 사이에는 활성화 구간과 비활성화 구간을 포함하는 슈퍼프레임 형태를 기초로 데이터 전송이 수행되며, 상기 활성화 구간은 데이터 전송 구간 또는 데이터 수신 구간 또는 데이터 전송을 위한 경쟁 구간으로 구분될 수 있다.In the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, data transmission is performed based on a superframe type including an activation period and an inactivation period between the branch nodes or between the branch nodes and the sensor nodes. The activation section may be divided into a data transmission section, a data reception section, or a competition section for data transmission.
또한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서, 상기 상위 노드의 상기 데이터 수신 구간 내에서 상기 하위 노드의 데이터 전송이 수행될 수 있다.In addition, in the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, data transmission of the lower node may be performed within the data reception interval of the upper node.
또한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서, 대응되는 상기 브랜치 노드에 대해서 할당된 다수의 상기 센서 노드가 상기 경쟁 구간 내에서 경쟁 기반으로 대응되는 상기 브랜치 노드에 데이터를 전송할 수 있다.In addition, in the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, the plurality of sensor nodes allocated to the corresponding branch node may transmit data to the corresponding branch node on a contention basis within the contention period. .
또한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서, 상기 슈퍼프레임의 지속시간(SuperframeDuration)은, 상기 활성화 구간의 지속시간(ActiveDuration)과 상기 비활성화 구간의 지속시간(InactiveDuration)의 합으로 구성되며, 상기 SuperframeDuration, 상기 ActiveDuration은 SuperframeDuration = ActiveDuration×2SuperframeOrder(SuperframeOrder는 0 이상 15 이하의 정수임)를 만족할 수 있다.In addition, in the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, the superframe duration is composed of the sum of the duration of the activation period and the duration of the inactive duration. The SuperframeDuration and the ActiveDuration may satisfy SuperframeDuration = ActiveDuration × 2 SuperframeOrder (SuperframeOrder is an integer of 0 to 15).
또한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서, 상기 데이터 수신 구간 및 상기 데이터 전송 구간은 상기 슈퍼 프레임의 주기에 따라서 다수의 상기 브랜치 노드 또는 다수의 상기 센서 노드 간의 동기를 보정하기 위한 보호 구간(Guard)을 포함할 수 있다.In the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, the data reception section and the data transmission section are for correcting synchronization between a plurality of branch nodes or a plurality of sensor nodes according to a period of the super frame. It may include a guard (Guard).
또한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서, 상기 데이터 수신 구간 및 상기 데이터 전송 구간 및 상기 경쟁 구간의 지속시간은 동일할 수 있다.In the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, durations of the data reception section, the data transmission section, and the contention section may be the same.
또한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서, 상기 데이터 수신 구간은 제1 보호 구간 슬롯(Guard)과, 수신 데이터 슬롯(RxData)과, 제2 보호 구간 슬롯(Guard)과, 수신 데이터 처리 슬롯(RxDataProcessing)과, 전송 확인 슬롯(TxAck)과, 전송 확인 처리 슬롯(TxAckProcessing)을 포함하는 것이고, 상기 데이터 전송 구간은 전송 데이터 슬롯(TxData)과, 전송 데이터 처리 슬롯(TxDataProcessing)과, 제1 보호 구간 슬롯(Guard)과, 수신 확인 슬롯(RxAck)과, 제2 보호 구간 슬롯(Guard)과, 수신 확인 처리 슬롯(RxAckProcessing)을 포함하는 것이고, 상기 제1 또는 제2 보호 구간 슬롯을 제외한 다른 슬롯들은 기본 슬롯 지속시간(aBaseSlotDuration)의 SlotOrder 배수만큼의 지속시간을 가지며, SlotOrder는 2 이상 15 이하의 자연수일 수 있다.In the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, the data reception interval includes a first guard interval slot (Guard), a reception data slot (RxData), a second guard interval slot (Guard), and a reception And a data processing slot (RxDataProcessing), a transmission acknowledgment slot (TxAck), a transmission acknowledgment processing slot (TxAckProcessing), and the data transmission interval includes a transmission data slot (TxData), a transmission data processing slot (TxDataProcessing), And a first guard interval slot (Guard), an acknowledgment slot (RxAck), a second guard interval slot (Guard), and an acknowledgment processing slot (RxAckProcessing). Except for the other slots have a duration of SlotOrder multiple of the base slot duration (aBaseSlotDuration), SlotOrder may be a natural number of 2 or more and 15 or less.
또한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서, 다수의 상기 브랜치 노드 또는 다수의 상기 센서 노드는 자체 동기화 정책에 따라서 네트워크 동기화를 수행할 수 있다.In addition, in the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, the plurality of branch nodes or the plurality of sensor nodes may perform network synchronization according to a self synchronization policy.
또한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서, 다수의 상기 브랜치 노드 또는 다수의 상기 센서 노드는 자체 동기화 정책에 따라서 네트워크 동기화를 수행하는 것이고, 상기 브랜치 노드 중의 최상위 노드인 싱크 노드에서 전송되는 SFD(Start of Frame Delimiter)를 기초로 상기 상위 노드에서 상기 하위 노드로 또는 상기 브랜치 노드에서 상기 센서 노드로 상기 네트워크 동기화가 수행될 수 있다.In addition, in the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, the plurality of branch nodes or the plurality of sensor nodes perform network synchronization according to a self-synchronization policy, and at a sink node which is the highest node of the branch nodes. The network synchronization may be performed from the upper node to the lower node or the branch node to the sensor node based on the transmitted Start of Frame Delimiter (SFD).
또한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서, 대응되는 상기 브랜치 노드는 상기 경쟁을 통하여 데이터를 전송할 상기 센서 노드가 결정되는 경우 결정된 상기 센서 노드에 응답 메시지를 전송할 수 있다.In addition, in the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, the corresponding branch node may transmit a response message to the determined sensor node when the sensor node to transmit data is determined through the competition.
또한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서, 대응되는 상기 브랜치 노드는 상기 결정을 상기 할당된 다수의 상기 센서 노드 모두에 전송할 수 있다.In addition, in the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, the corresponding branch node may transmit the determination to all of the assigned plurality of sensor nodes.
또한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서, 상기 브랜치 노드 각각은 자신을 기준으로 상위인 브랜치 노드보다 먼저 웨이크업하여 자신을 기준으로 하위인 브랜치 노드로부터 데이터를 수신하고 자신에게 할당된 다수의 상기 센서 노드로부터 데이터를 수신하여 상기 상위인 브랜치 노드에게로 전송할 수 있다.In addition, in the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, each branch node wakes up before the branch node that is higher based on its own to receive data from the branch node that is lower than its own and assigns it to itself. Data may be received from the plurality of sensor nodes and transmitted to the branch node that is higher.
또한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서, 상기 브랜치 노드 각각은 상기 하위인 브랜치 노드로부터 수신한 데이터와 상기 자신에게 할당된 다수의 상기 센서 노드로부터 수신한 데이터 중에서 우선 순위를 기초로 선택하여 선택한 데이터를 우선적으로 상기 상위인 브랜치 노드로 전송할 수 있다.In the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, each of the branch nodes is based on a priority among data received from the subordinate branch node and data received from the plurality of sensor nodes assigned to the branch node. The selected data may be preferentially transmitted to the upper branch node.
또한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서, 상기 브랜치 노드 또는 상기 센서 노드에 대해서 동적으로 상기 가상 백본 무선 센서 네트워크 전송 시스템에 참여 또는 탈퇴가 수행될 수 있다.In addition, in the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, the branch node or the sensor node may dynamically join or leave the virtual backbone wireless sensor network transmission system.
이하, 본 발명의 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, embodiments of the virtual backbone wireless sensor network data transmission system of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템의 예시적인 구성도이다.1 is an exemplary configuration diagram of a virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention.
도시되듯이 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템은 다수의 브랜치 노드(110a 내지 110d)와 다수의 센서 노드(130a 내지 130i)를 포함한다.As shown, the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention includes a plurality of
다수의 브랜치 노드(110a 내지 110d)는 상위 노드와 하위 노드 형태로 구성 되는 선형 구조 형태를 가질 수 있어서 하위 노드로부터 상위 노드로의 데이터 전송을 수행할 수 있다.The plurality of
예컨대 브랜치 노드(110b)를 기준으로 하는 경우, 브랜치 노드(110a)가 브랜치 노드(110b)의 상위 노드가 될 것이며, 브랜치 노드(110c)가 브랜치 노드(110b)의 하위 노드가 될 것이다. 또한 브랜치 노드(110a)는 상위 노드가 존재하지 않는 최상위 노드로서 싱크 노드라고도 지칭된다.For example, based on the
이러한 싱크 노드 즉 브랜치 노드(110a)는 감지 데이터를 분석하기 위한 분석 장치와 유무선 통신을 통하여 연결되어 감지 데이터의 전송을 수행하도록 구성될 수 있다. The sink node, that is, the
다수의 센서 노드(130a 내지 130i)는 다수의 브랜치 노드(110a 내지 110d) 각각에 대응하여 배치된다. 센서 노드(130a 내지 130i) 각각은 감지 데이터 생성을 위한 센서를 내부에 구비하여 감지 데이터를 생성한다.The plurality of
센서 노드(130a 내지 130i)에서 생성한 감지 데이터는 대응하는 브랜치 노드 내의 다른 센서 노드와의 경쟁 기반을 통하여 대응되는 브랜치 노드에게로 전송된다.Sensing data generated by the
예컨대 브랜치 노드(110b)를 기준으로 하는 경우, 3개의 센서 노드(130c 내지 130f)가 대응되어 배치된다.For example, based on the
이 경우 3개의 센서 노드(130c 내지 130f)는 감지 데이터를 생성하여 이를 전송하고자 하는 경우 경쟁 기반으로 브랜치 노드(110b)로의 데이터 전송을 수행하게 된다. 센서 노드(130c 내지 130f)는 스타 구조 형태로 연결될 수 있으며, 기타 다른 센서 노드 역시 브랜치 노드의 입장에서는 스타 구조 형태로 연결될 수 있다.In this case, the three
본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템은 TDMA/CSMA-CA를 기반으로 한다. 이러한 구성을 통하여 종래의 MAC 프로토콜이 가지는 네트워크 지연, 에너지 소모 또는 오버히어링 등의 문제점을 최소화할 수 있으며 낮은 듀티 사이클을 지원하면서 실시간 데이터의 전송이 가능하다. The virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention is based on TDMA / CSMA-CA. This configuration can minimize problems such as network delay, energy consumption, or overhealing of the conventional MAC protocol, and enables real-time data transmission while supporting a low duty cycle.
즉 TDMA를 통한 브랜치 노드(110a 내지 110d) 또는 센서 노드(130a 내지 130i) 사이의 동기화는 오버히어링 문제를 제거할 수 있으며 에너지 소모를 최소화한다. 또한 CSMA-CA를 통한 센서 노드(130a 내지 130i) 사이의 경쟁 구조는 보다 많은 센서 노드를 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 추가 가능하도록 구성할 수 있어서 백본 기능에 대한 효율성을 높일 수 있다.That is, synchronization between the
이하 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에서의 데이터 전송에 대해서 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, data transmission in the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention will be described in more detail.
도 2는 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에서의 예시적인 데이터 흐름을 나타내는 도면이다.2 is a diagram illustrating an exemplary data flow in a virtual backbone wireless sensor network data transmission system in accordance with the present invention.
도시되듯이 상위 노드(위 부분)의 데이터 수신 구간(위 우측의 RxDataPeriod)은 기준 노드(가운데 부분)의 데이터 전송 구간(가운데 우측의 TxDataPeriod)에 대응되며, 기준 노드의 데이터 수신 구간(가운데 좌측의 RxDataPeriod)은 하위 노드(아래 부분)의 데이터 전송 구간(아래 우측의 TxDataPeriod)에 대응한다. 이 경우 하위 노드와 기준 노드 사이에서는 기준 노드로부터 하위 노드로의 비컨(Beacon) 전송과 하위 노드로부터 기준 노드로의 데이 터(Data) 전송이 수행된다. 또한 기준 노드와 상위 노드 사이에서는 기준 노드로부터 상위 노드로의 데이터(Data) 전송과 상위 노드로부터 기준 노드로의 비컨(Beacon) 전송이 수행된다. As shown, the data reception interval (RxDataPeriod on the upper right) of the upper node (upper part) corresponds to the data transmission interval (TxDataPeriod on the middle right) of the reference node (middle), and the data reception interval (middle left) of the reference node. RxDataPeriod) corresponds to the data transmission section (TxDataPeriod on the bottom right) of the lower node (lower portion). In this case, beacon transmission from the reference node to the lower node and data transmission from the lower node to the reference node are performed between the lower node and the reference node. In addition, data transmission from the reference node to the upper node and beacon transmission from the upper node to the reference node are performed between the reference node and the upper node.
또한 경쟁 구간(Contention Period) 내에서는 경쟁을 통한 선점(Preemption) 요청 또는 데이터(Data) 전송과 선점 요청에 대응하는 응답(Response)이 수행된다.In the contention period, a preemption request or data transmission and a response corresponding to the preemption request are performed.
이러한 경쟁 구간은 센서 노드 사이에서 사용되며, 데이터 전송 구간 또는 데이터 수신 구간은 브랜치 노드 사이에서 사용된다.This competition section is used between sensor nodes, and the data transmission section or data reception section is used between branch nodes.
도 3은 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서 슈퍼프레임의 예시적인 구성을 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating an exemplary configuration of a superframe in the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention.
도시되듯이 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 사용되는 시간 슬롯은 크게 활성화(Active) 구간과 비활성화(Inactive) 구간으로 구분될 수 있다. 또한 활성화 구간은 도시되듯이 Rx-Tx-Contention-Tx-Rx의 5개 구간으로 구분될 수 있다. 이러한 시간 슬롯 구조를 본원 발명의 설명에서는 슈퍼프레임이라 지칭한다.As shown, time slots used in the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention may be largely divided into an active section and an inactive section. In addition, the activation section may be divided into five sections of Rx-Tx-Contention-Tx-Rx. This time slot structure is referred to as a superframe in the description of the present invention.
이러한 슈퍼프레임은 브랜치 노드와 브랜치 노드 사이 또는 브랜치 노드와 센서 노드 사이에서 적용될 수 있다.Such a superframe may be applied between a branch node and a branch node or between a branch node and a sensor node.
활성화 구간은 도시되듯이 데이터 수신 구간(앞부분의 Rx-Tx)과, 경쟁 구간(Contention)과, 데이터 전송 구간(뒷부분의 Tx-Rx)으로 구분될 수 있다.The activation section may be divided into a data reception section (Rx-Tx at the front), a contention section, and a data transmission section (Tx-Rx at the rear) as shown.
슈퍼프레임에 대한 시간 단위는 16 us를 1 심볼로 하는 심볼 시간(symbol time)을 사용할 수 있다. 슈퍼프레임 지속시간(SuperframeDuration)은 전체 주기를 나타내며, 활성화 구간의 지속시간(ActiveDuration)과 상기 비활성화 구간의 지속시간(InactiveDuration)의 합으로 구성된다.The time unit for the superframe may use a symbol time of 16 us as 1 symbol. SuperframeDuration represents the entire period and is composed of the sum of the duration of the activation period (ActiveDuration) and the duration of the deactivation period (InactiveDuration).
또한 이 경우 슈퍼프레임 지속시간과 활성화 구간의 지속시간 사이에는 다음 수학식 1을 만족할 수 있다.In this case, the following Equation 1 may be satisfied between the superframe duration and the duration of the activation interval.
여기서 SuperframeOrder는 0 이상 15 이하의 정수로서, 활성화 구간 지속시간의 지수배로 슈퍼프레임 지속 시간을 나타내기 위한 값이다. SuperframeOrder가 0인 경우에는 비활성화 구간이 존재하지 않는 경우를 나타낸다. Here, SuperframeOrder is an integer of 0 or more and 15 or less, and is a value for indicating the superframe duration by an exponential multiple of the duration of the activation interval. If SuperframeOrder is 0, this indicates that there is no inactive section.
수학식 1을 기초로 슈퍼프레임 지속시간은 활성화 구간의 지속시간의 함수로 나타낼 수 있다. Based on Equation 1, the superframe duration may be expressed as a function of the duration of the activation interval.
도 4는 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서 활성화 구간의 예시적인 구성을 나타내는 도면이다.4 is a diagram illustrating an exemplary configuration of an activation interval in a virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention.
활성화 구간(ActivePeriod)은 도시되듯이 데이터 수신 구간(RxDataPeriod)과, 경쟁 구간(ContentionPeriod)과, 데이터 전송 구간(TxDataPeriod)으로 구분될 수 있다.As shown, the activation period may be divided into a data reception period RxDataPeriod, a contention period and a data transmission period TxDataPeriod.
데이터 수신 구간은 하위 브랜치 노드가 전송하는 데이터를 수신하는 구간이며, 경쟁 구간은 센서 노드로부터 서로 경쟁하여 브랜치 노드에게 데이터를 전송할 수 있는 우선권을 획득하여 데이터를 전송하는 구간이며, 데이터 전송 구간은 상위 브랜치 노드로 하위 브랜치 노드로부터의 데이터 또는 센서 노드로부터의 데이터를 취합(aggregation)하여 전송하는 구간이다.The data reception section is a section for receiving data transmitted by the lower branch node, and the contention section is a section for transmitting data by obtaining priority to transmit data to the branch nodes by competing with each other from the sensor node. It is a section in which data from a lower branch node or data from a sensor node is aggregated and transmitted to a branch node.
이 경우 데이터 수신 구간은 제1 보호 구간 슬롯(Guard)과, 수신 데이터 슬롯(RxData)과, 제2 보호 구간 슬롯(Guard)과, 수신 데이터 처리 슬롯(RxDataProcessing)과, 전송 확인 슬롯(TxAck)과, 전송 확인 처리 슬롯(TxAckProcessing)을 포함할 수 있다.In this case, the data reception interval includes a first guard interval slot (Guard), a reception data slot (RxData), a second guard interval slot (Guard), a reception data processing slot (RxDataProcessing), and a transmission acknowledgment slot (TxAck). It may include a transmission acknowledgment processing slot (TxAckProcessing).
경쟁 구간은 경쟁 슬롯(Contention)을 포함할 수 있다.The contention section may include contention slots.
또한 데이터 전송 구간은 전송 데이터 슬롯(TxData)과, 전송 데이터 처리 슬롯(TxDataProcessing)과, 제1 보호 구간 슬롯(Guard)과, 수신 확인 슬롯(RxAck)과, 제2 보호 구간 슬롯(Guard)과, 수신 확인 처리 슬롯(RxAckProcessing)을 포함할 수 있다.The data transmission interval may include a transmission data slot (TxData), a transmission data processing slot (TxDataProcessing), a first guard interval slot (Guard), an acknowledgment slot (RxAck), a second guard interval slot (Guard), It may include an acknowledgment processing slot (RxAckProcessing).
이러한 데이터 수신 구간과 데이터 전송 구간의 구성상의 유사성 때문에 바람직하게는 데이터 수신 구간과 데이터 전송 구간 각각의 지속시간(duration)은 동일하게 구성된다. 또한 경쟁 구간의 지속시간 역시 데이터 수신 구간 또는 데이터 전송 구간과 동일하게 구성될 수 있다.Because of the similarity in configuration between the data reception section and the data transmission section, the duration of each of the data receiving section and the data transmission section is preferably the same. In addition, the duration of the competition section may also be configured to be the same as the data reception section or the data transmission section.
이하 데이터 수신 구간을 예로 하여 각 슬롯과 슬롯의 지속시간에 대해서 좀 더 상세히 설명한다.Hereinafter, each slot and the duration of the slot will be described in more detail using the data reception interval as an example.
제1 보호 구간 슬롯(Guard) 또는 제2 보호 구간 슬롯(Guard)은 브랜치 노드 간의 동기 보정을 수행하기 위한 시간 슬롯이다. 이러한 제1 또는 제2 보호 구간 슬롯은 데이터 수신 구간에도 동일하게 적용될 수 있다.The first guard interval slot or the second guard interval slot is a time slot for performing synchronization correction between branch nodes. The first or second guard interval slot may be equally applied to the data reception interval.
수신 데이터 슬롯(RxData)은 하위 브랜치 노드로부터 데이터를 수신하기 위한 슬롯이며, 수신 데이터 처리 슬롯(RxDataProcessing)은 수신된 데이터를 처리하기 위한 슬롯이다.The reception data slot RxData is a slot for receiving data from a lower branch node, and the reception data processing slot RxDataProcessing is a slot for processing the received data.
전송 확인 슬롯(TxAck)은 하위 브랜치 노드로부터의 데이터 수신에 대응하여 응답을 전송하기 위한 슬롯이며, 전송 확인 처리 슬롯(TxAckProcessing)은 이러한 응답 전송 처리를 위한 슬롯이다.A transmission acknowledgment slot (TxAck) is a slot for transmitting a response in response to receiving data from a lower branch node, and a transmission acknowledgment slot (TxAckProcessing) is a slot for such response transmission processing.
또한 전송 데이터 슬롯(TxData)은 상위 브랜치 노드에게로 데이터를 전송하기 위한 슬롯이며, 전송 데이터 처리 슬롯(TxDataProcessing)은 전송되는 데이터를 처리하기 위한 슬롯이다.In addition, the transmission data slot (TxData) is a slot for transmitting data to the upper branch node, the transmission data processing slot (TxDataProcessing) is a slot for processing the transmitted data.
수신 확인 슬롯(RxAck)은 상위 브랜치 노드에게로 데이터 전송에 대응하여 응답을 수신하기 위한 슬롯이며, 수신 확인 처리 슬롯(RxAckProcessing)은 이러한 응답 수신 처리를 위한 슬롯이다.The acknowledgment slot RxAck is a slot for receiving a response in response to data transmission to the upper branch node, and the acknowledgment processing slot RxAckProcessing is a slot for this acknowledgment processing.
이러한 각 슬롯들의 지속시간은 파라미터를 기초로 설정할 수 있다.The duration of each of these slots can be set based on a parameter.
aBaseSlotDuration은 각 슬롯의 지속시간의 기준값으로서 16 symbol을 기준으로 한다. 각 슬롯들은 aBaseSlotDuration의 배수 형태로 설정된다.aBaseSlotDuration is based on 16 symbols as a reference value of the duration of each slot. Each slot is set in multiples of aBaseSlotDuration.
SlotOrder는 각 슬롯 지속시간을 결정하는 파라미터로써 SuperframeOrder와 함께 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템의 슈퍼프레임 구조를 결정할 수 있다. SlotOrder는 2 이상 15 이하의 자연수일 수 있다.SlotOrder can determine the superframe structure of the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention together with SuperframeOrder as a parameter for determining each slot duration. SlotOrder may be a natural number of 2 or more and 15 or less.
이러한 aBaseSlotDuration과 SlotOrder를 기초로 각 슬롯의 지속시간은 예컨대 다음과 같이 설정가능하다.Based on the aBaseSlotDuration and SlotOrder, the duration of each slot can be set as follows, for example.
RxData 슬롯의 지속시간(RxDataSlotDuration)은 예컨대 aBaseSlotDuration× (SlotOrder + 1)로 설정 가능하다. The duration of the RxData slot (RxDataSlotDuration) can be set to, for example, aBaseSlotDuration × (SlotOrder + 1).
RxDataProcessing 슬롯의 지속시간(RxDataProcessingSlotDuration)은 예컨대 RxDataSlotDuration과 동일하게 설정할 수 있다.The duration of the RxDataProcessing slot (RxDataProcessingSlotDuration) may be set equal to, for example, RxDataSlotDuration.
TxData 슬롯의 지속시간(TxDataSlotDuration)은 RxData 슬롯의 지속시간(RxDataSlotDuration)과 동일하게 설정할 수 있으며, TxDataProcessing 슬롯의 지속시간(TxDataProcessingSlotDuration)은 예컨대 TxDataSlotDuration과 동일하게 설정할 수 있다.The duration (TxDataSlotDuration) of the TxData slot may be set to be the same as the duration (RxDataSlotDuration) of the RxData slot, and the duration (TxDataProcessingSlotDuration) of the TxDataProcessing slot may be set to be the same as, for example, TxDataSlotDuration.
TxAck 슬롯의 지속시간(TxAckSlotDuration)은 예컨대 aBaseSlotDuration× (minSlotOrder + 1)로 설정 가능하다. minSlotOrder는 SlotOrder의 최소값이며, SlotOrder를 2 이상 15 이하의 자연수로 가정하는 경우 2의 값을 가진다.The duration of the TxAck slot (TxAckSlotDuration) can be set to, for example, aBaseSlotDuration × (minSlotOrder + 1). minSlotOrder is the minimum value of SlotOrder, and has a value of 2 when SlotOrder is assumed to be a natural number between 2 and 15, inclusive.
즉 TxAck 슬롯의 지속시간(TxAckSlotDuration)은 aBaseSlotDuration의 3배로 설정할 수 있다.That is, the duration of the TxAck slot (TxAckSlotDuration) may be set to three times aBaseSlotDuration.
TxAckProcessing 슬롯의 지속시간(TxAckProcessingSlotDuration)은 예컨대 TxAck 슬롯의 지속시간(TxAckSlotDuration)과 동일하게 설정할 수 있다.The duration of the TxAckProcessing slot (TxAckProcessingSlotDuration) may be set equal to the duration of the TxAck slot (TxAckSlotDuration), for example.
또한 RxAck 슬롯의 지속시간(RxAckSlotDuration) 또는 RxAckProcessing 슬롯의 지속시간(RxAckProcessingSlotDuration)은 예컨대 TxAck 슬롯의 지속시간(TxAckSlotDuration)과 동일하게 설정할 수 있다.In addition, the duration of the RxAck slot (RxAckSlotDuration) or the duration of the RxAckProcessing slot (RxAckProcessingSlotDuration) may be set equal to the duration of the TxAck slot (TxAckSlotDuration), for example.
Guard의 지속시간(GuardSlotDuration), 즉 제1 보호 구간 또는 제2 보호 구간의 지속시간(GuardSlotDuration)은 센서 노드간의 동기를 보정하기 슈퍼프레임의 주기가 길어지면, 시간에 대한 오차를 고려한 시간으로 시간 동기의 변동에 따른 유연성을 갖도록 설정될 수 있다.GuardSlotDuration of the Guard, that is, GuardSlotDuration of the first guard interval or the second guard interval, is a time synchronization that takes into account the error of time when the period of the superframe is long to compensate the synchronization between the sensor nodes. It can be set to have flexibility according to the variation of.
예컨대 이러한 변동에 대한 파라미터를 aTimeDriftTolerance로 정의한다면,For example, if you define a parameter for this variation as aTimeDriftTolerance,
Guard의 지속시간(GuardSlotDuration)은 Floor[ (RxDataSlotDuration×4+TxAckSlotDuration×4)×2 SuperframeOrder×aTimeDriftTolerance×2÷aBaseSlotDuarion]+1로 설정할 수 있다. 여기서 Floor[x]는 x보다 작은 정수값을 출력하는 함수이다. Guard Duration (GuardSlotDuration) can be set as Floor [(RxDataSlotDuration × 4 + TxAckSlotDuration × 4) × 2 SuperframeOrder × aTimeDriftTolerance × 2 ÷ aBaseSlotDuarion] +1. Floor [x] is a function that outputs an integer value smaller than x.
이러한 경우 Guard의 지속시간(GuardSlotDuration)을 제외하면 다른 슬롯의 지속시간은 aBaseSlotDuration을 기준으로 SlotOrder의 배수의 값을 가지도록 설정가능하다.In this case, except for GuardSlotDuration, the duration of other slots can be set to have a multiple of SlotOrder based on aBaseSlotDuration.
이러한 수신 데이터 구간의 슬롯 구성을 기초로 하면 수신 데이터 구간의 지속 시간(RxDataDuration)은 다음 수학식 2로 표시할 수 있다.Based on the slot configuration of the received data section, the duration RxDataDuration of the received data section can be expressed by the following equation.
도 4에 도시되듯이 데이터 수신 구간과 데이터 전송 구간은 같은 지속시간을 가질 수 있으나, 내부 슬롯 구성이 다르다. 이러한 내부 슬롯 구성의 차이는 브랜치 노드간의 동기화를 수행하는 과정에서 동기가 어긋나는 것을 보정하기 위해서 Guard를 통하여 여유를 설정하기 때문이다. 이러한 동기 오차는 사용하는 클럭에 따라서 슈퍼프레임 주기가 길어질 때 시간에 대한 오차가 가장 크게 발생한다. 전술한 aTimeDriftTolerance는 이러한 것을 고려한 오차에 대한 것으로 이 값을 조정함으로써 동기가 틀어짐에 대한 보정을 최적화 할 수 있다.As shown in FIG. 4, the data reception interval and the data transmission interval may have the same duration, but the internal slot configuration is different. This difference in the internal slot configuration is because the guard is set through the Guard to compensate for the deviation in synchronization in the process of performing the synchronization between branch nodes. This synchronization error causes the greatest error in time when the superframe period is long depending on the clock used. The above-mentioned aTimeDriftTolerance is for the error taking this into consideration, and by adjusting this value, the correction against the synchronization can be optimized.
도 5는 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서 TDMA 기반 동기화의 예시적인 수행을 나타내는 도면이다.5 illustrates an exemplary performance of TDMA based synchronization in a virtual backbone wireless sensor network data transmission system in accordance with the present invention.
본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서 네트워크 동기화는 기존의 TDMA와는 달리 최상위 노드, 즉 싱크 노드가 네트워크를 이루는 다른 모든 브랜치 노드 또는 센서 노드의 시간 슬롯을 할당하는 대신에 각 브랜치 노드 또는 센서 노드에서 자신의 동기화 정책에 따른 기준, 예컨대 도 4를 참조로 설명한 SuperframeOrder 또는 SlotOrder 등의 파라미터에 기초하여 스스로 자신의 시간 슬롯을 할당하여 네트워크 동기화를 수행하는 방식을 사용할 수 있다.In the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, network synchronization is different from conventional TDMA, and each branch node instead of allocating time slots of the top node, that is, all other branch nodes or sensor nodes that make up the network. Alternatively, the sensor node may use a scheme of allocating its own time slot to perform network synchronization based on a criterion according to its synchronization policy, for example, a parameter such as SuperframeOrder or SlotOrder described with reference to FIG. 4.
즉 각 브랜치 노드는 자신과 데이터를 주고 받는 브랜치 노도와 동기를 맞춤으로써 연속적으로 전체 네트워크로 전파되면서 네트워크 동기가 수행된다. 센서 노드 또한 브랜치 노드의 수신 신호 강도(RSSI)를 기반으로 자신과 가장 가까운 브랜치 노드의 상위 브랜치 노드를 기준으로 동기를 맞춘다.In other words, each branch node synchronizes with the branch severity that exchanges data with itself, thereby continuously propagating to the entire network, thereby performing network synchronization. The sensor node also synchronizes based on the branch node closest to the parent branch node based on the received signal strength (RSSI) of the branch node.
동기화의 기준은 브랜치 노드가 보내는 비컨 패킷의 SFD(Start of Frame Delimiter)를 기준으로 한다.The criterion of synchronization is based on the start of frame delimiter (SFD) of the beacon packet sent by the branch node.
브랜치 노드는 데이터 수신 구간(RxDataPeriod)에서 하위 브랜치 노드에게 확인(Ack)을 전송할 때 비컨을 함께 전송한다. 이 경우 동기를 수행하기 위해 비컨 을 기다리는 하위 브랜치 노드 또는 이 하위 브랜치 노드에 연결되어 있는 센서 노드들은 비컨을 수신할 때의 SFD를 기준으로 다음 주기를 계산한다.The branch node also transmits a beacon when transmitting an acknowledgment to the lower branch node in the data reception interval RxDataPeriod. In this case, the lower branch node waiting for the beacon to perform synchronization or the sensor nodes connected to the lower branch node calculate the next period based on the SFD when receiving the beacon.
이러한 과정이 매번 반복되어 주기가 비컨의 SFD를 기준으로 다시 계산되기 때문에 동기가 틀어지는 것에 따른 오차는 매 주기마다 누적되지 않는다.Since this process is repeated every time and the period is recalculated based on the SFD of the beacon, the error due to the synchronization is not accumulated every cycle.
이러한 동기화 과정이 도 5에 도시된다.This synchronization process is shown in FIG.
실제 동기화를 맞추는 과정에서는 각 노드에서 웨이크업 시간(Wakeup Time)이 존재한다. 이러한 웨이크업 시간은 비활성화 구간 동안 노드가 슬리프(sleep) 상태로 있다가 깨어나는 데 시간이 필요하기 때문이다. In the process of actual synchronization, there is a wakeup time at each node. This wake-up time is because the node needs time to wake up and sleep during the period of inactivity.
도 5에서 SinkWakeupDuration은 싱크 노드에만 해당되는 지속시간으로서 지속시간은 전체 슈퍼프레임 지속시간(SuperframeDuration)에서 비컨을 전송하기 전까지의 시간을 뺀 지속시간이다.In FIG. 5, SinkWakeupDuration is a duration corresponding to a sink node. The duration is a duration obtained by subtracting the time before transmitting a beacon from the total superframe duration.
싱크 노드를 제외한 나머지 브랜치 노드들은 네트워크 동기화를 위해 노드웨이크업 지속시간(NodeWakeupDuration)을 따르며, 이러한 노드웨이크업 지속시간은 비컨을 수신할 때 SFD를 기준으로 동기화를 맞추고자 하는 브랜치 노드보다 일찍 웨이크업해야 하기 때문에 SinkWakeupDuration에서 RxDataPeriod의 지속시간과 RxDataSlotDuration과 RxDataProcessingSlotDuration과 GuardSlotDuration×2 만큼을 뺀 값을 가진다.The remaining branch nodes, except the sink node, follow the NodeWakeupDuration for network synchronization, which wakes up earlier than the branch node that wants to synchronize based on the SFD when receiving beacons. SinkWakeupDuration minus the duration of RxDataPeriod, RxDataSlotDuration, RxDataProcessingSlotDuration, and GuardSlotDuration × 2.
센서 노드들은 상위 브랜치 노드와의 동기를 수행하는 브랜치 노드와 같은 방법으로 동기화를 수행하지만, 이는 브랜치 노드와의 경쟁 구간을 정합하기 위함이다.The sensor nodes perform synchronization in the same way as the branch node which performs synchronization with the upper branch node, but this is to match the contention interval with the branch node.
즉 센서 노드는 데이터 수신 구간 또는 데이터 전송 구간에서는 아무런 동작을 수행하지 않고 단지 브랜치 노드와의 동기화된 경쟁 구간에서만 이웃한 센서 노드들과의 선점 경쟁을 통하여 브랜치 노드에게로 데이터를 전송하게 된다.That is, the sensor node does not perform any operation in the data reception section or the data transmission section, and transmits data to the branch node only through preemptive competition with neighboring sensor nodes in the synchronized competition section with the branch node.
센서 노드들은 상위 브랜치 노드에 대해 동기화를 맞추고 있는 브랜치 노드의 경쟁 구간(Contention) 내에서 자신이 감지한 센서 데이터를 전송하기 위해 다른 이웃한 센서 노드들과 데이터 전송의 선점(Preemption)을 획득하기 위해 경쟁을 한다. 센서 노드들 간의 경쟁 방법은 종래 IEEE 802.15.4의 언슬롯(unslotted) CSMA-CA 기반으로 하나 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템의 경우 이러한 IEEE 802.15.4의 언슬롯 CSMA-CA를 수정하여 적용할 수 있다.The sensor nodes acquire the preemption of data transmission with other neighboring sensor nodes to transmit sensor data sensed by themselves within the contention of the branch node which is in synchronization with the upper branch node. Compete. The competition method between sensor nodes is based on the conventional unslotted CSMA-CA of IEEE 802.15.4. However, in the case of the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, the unslot CSMA-CA of IEEE 802.15.4 is used. Can be modified and applied.
즉 경쟁 구간 내에서 각 센서 노드는 Max BE(Backoff Exponent)를 가지로 랜덤 백오프를 수행한 후에 CCA(Clear Channel Assessment)를 시도하면서 이웃 센서 노드들과 경쟁한다. 현재 채널이 사용 중이면 BE를 하나 감소시키고, 백오프 시도 횟수가 최대를 넘었는지 확인한 후 최대를 넘지 않으면 다시 백오프를 수행하고 CCA를 반복 시도한다. 백오프 시도가 최대가 되면 다시 처음부터 CSMA-CA를 시도한다. CSMA-CA의 시간 단위는 20 symbol을 기준으로 한다. That is, within the contention period, each sensor node competes with neighboring sensor nodes while attempting a clear channel assessment (CCA) after performing random backoff with Max BE (Backoff Exponent). If the current channel is in use, decrease one BE, check if the number of backoff attempts exceeds the maximum, and if it does not exceed the maximum, perform the backoff again and repeat the CCA. If the backoff attempt is maximized, try CSMA-CA again from the beginning. The time unit of CSMA-CA is based on 20 symbols.
현재 경쟁하고 있는 센서 노드들 중 한 개의 센서 노드만이 데이터를 전송할 수 있으므로, 현재 경쟁에서 이기지 못한 노드들은 BE를 하나 감소시키고 다음 주기 때 경쟁에 참여한다. 이러한 설정은 BE를 감소시킴으로써 먼저 경쟁에 참여한 센서 노드가 다음에 경쟁에서 이길 수 있도록 하기 위함이다.Since only one sensor node of the currently competing sensor nodes can transmit data, nodes that do not win the current race reduce the BE by one and participate in the competition in the next cycle. This setting is intended to reduce the BE so that the sensor nodes that participated in the competition first can win the competition.
도 6은 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템에 있어서 경쟁 기반 데이터 전송의 예시적인 수행을 나타내는 도면이다.6 is a diagram illustrating exemplary performance of contention-based data transmission in a virtual backbone wireless sensor network data transmission system in accordance with the present invention.
도 6을 참조로 하면, 상위 노드인 브랜치 노드(Branch Node) A에 대해서 브랜치 노드 B와 센서 노드(Sensor Node) A, B, C가 동기를 맞추고 있다.Referring to FIG. 6, the branch node B and the sensor nodes A, B, and C are synchronized with respect to the branch node A, which is an upper node.
또한 브랜치 노드 B와 센서 노드 A, B, C는 경쟁 구간이 같은 상태이다.In addition, the branch node B and the sensor nodes A, B, and C have the same contention period.
이 경우 센서 노드 A, B, C 중의 하나의 센서 노드만이 브랜치 노드 B에게로 데이터의 전송이 가능하다.In this case, only one sensor node among the sensor nodes A, B, and C may transmit data to the branch node B.
센서 노드 A, B, C 중 어느 하나의 센서 노드가 선점을 획득하는 과정은 다음과 같다.The process of acquiring a preemption by any one of the sensor nodes A, B, and C is as follows.
각 센서 노드 A, B, C는 CSMA-CA의 초기 백오프f를 거친 후 선점 메시지와 함께 데이터를 실어서 브랜치 노드 B에게 전송한다. 이때 가장 먼저 보낸 센서 노드에 대해 브랜치 노드 B가 응답 메시지를 보내면, 해당 센서 노드가 선점을 획득하고 데이터를 전송하게 된다. Each sensor node A, B, C goes through the initial backoff f of CSMA-CA and loads the data with the preemption message to the branch node B. At this time, when the branch node B sends a response message to the first sensor node, the sensor node acquires preemption and transmits data.
도 6에서는 센서 노드 A가 선점을 획득한 상태이고, 센서 노드 B, C는 다음에 전송을 수행하게 될 것이다.In FIG. 6, the sensor node A has obtained a preemption, and the sensor nodes B and C will perform transmission next time.
브랜치 노드 B가 보내는 응답 메시지는 선점을 획득한 센서 노드 A에게 우선 전송된다. 그러나 브랜치 노드 B가 보내는 응답 메시지는 경쟁에 참여한 다른 센서 노드, 즉 센서 노드 B, C에 브로드캐스팅(broadcasting)될 수도 있다. 즉 경쟁에 참여한 모든 센서 노드들에게 선점이 종료됨을 알려주어 다음에 데이터를 전송하도록 하기 위함이다. The response message sent by the branch node B is first sent to the sensor node A which obtained the preemption. However, the response message sent by branch node B may be broadcasted to other sensor nodes participating in the competition, that is, sensor nodes B and C. That is, to inform all sensor nodes that participated in the competition that the preemption is finished, to transmit data next time.
또한 이러한 응답 메시지를 받지 못한 센서 노드들이 선점을 보내게 될 경우에는 브랜치 노드 B가 응답을 하지 않기 때문에 응답이 실패되어 다음 주기에 다시 시도하게 된다.In addition, if the sensor nodes that do not receive such a response message send a preemption, the branch node B does not respond, so the response fails, and then tries again in the next cycle.
또한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템은 각 노드의 네트워크 전송 지연을 최소화하기 위하여 데이터 수집(aggregation) 방식을 사용할 수 있다.In addition, the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention may use a data aggregation scheme to minimize network transmission delay of each node.
즉 도 6에 도시되듯이 브랜치 노드 B는 브랜치 노드 A보다 먼저 웨이크업하여 활성화 구간의 데이터 수신 구간-경쟁 구간에서 하위 브랜치 노드, 즉 브랜치 노드 C로부터의 데이터를 수신한다.That is, as shown in FIG. 6, the branch node B wakes up before the branch node A and receives data from the lower branch node, that is, the branch node C, in the data reception interval-competition period of the activation interval.
또한 경쟁 구간에서 센서 노드 중 경쟁을 통하여 전송되는 데이터를 수신한다. In addition, during the contention period, data transmitted through contention among the sensor nodes is received.
이러한 하위 브랜치 노드 및 센서 노드로부터의 데이터를 취합하여 이 중에서 우선 순위에 따라서 재조정하여 선택되는 데이터를 상위 브랜치 노드, 즉 브랜치 노드 A에게로 전송하는 방식을 취한다.The data from the lower branch node and the sensor node is collected and readjusted according to the priority among the lower branch node and the sensor node to transmit the selected data to the upper branch node, that is, the branch node A.
우선 순위는 데이터의 속성 중에서 긴급한 순으로 구분하여 설정될 수 있다.The priority may be set by dividing the data in urgent order.
이러한 방식으로 한 번의 전송 과정에서 많은 데이터를 전송할 수 있어서 네트워크 지연을 최소화할 수 있다.In this way, a large amount of data can be transmitted in one transmission process, thereby minimizing network delay.
본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템의 구성에 있어서 채널 선택, 노드 선택, 네트워크 참여 과정을 수행할 수 있다. In the configuration of the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention, a channel selection, node selection, and network participation process may be performed.
채널 선택은 싱크 노드에서만 수행되는 것으로서 싱크 노드에서 네트워크를 시작할 때 채널 상태가 가장 양호한 채널을 데이터 전송 채널로 선택하기 위한 과정이다. Channel selection is performed only at the sink node, and is a process for selecting a channel having the best channel state as a data transmission channel when starting the network at the sink node.
노드 선택은 노드 타입에 따라서 다르게 수행될 수 있다.Node selection may be performed differently depending on the node type.
브랜치 노드의 경우에는 이웃 브랜치 노드들 중에서 LQI(Link Quality Indication) 정보를 기반으로 네트워크에 참여하기 위한 상위 브랜치 노드를 선택하는 과정이고, 센서 노드의 경우는 마찬가지로 LQI를 기반으로 가장 가까운 브랜치 노드를 선택하는 것으로 이후 경쟁을 통해 데이터를 전송하기 위한 브랜치 노드를 선택하는 것이다. 이 때 여기서 선택된 브랜치 노드는 센서 노드가 동기화를 위해 동기를 맞추는 브랜치 노드가 아니고 센서 노드가 데이터를 전송하는 브랜치 노드인 것을 유념하여야 한다. 즉 전술하였듯이 센서 노드의 동기화를 위한 브랜치 노드는 선택한 브랜치 노드가 동기를 맞추는 상위 브랜치 노드이다. In the case of a branch node, a process of selecting a higher branch node to participate in a network based on link quality indication (LQI) information among neighbor branch nodes, and in the case of a sensor node, selects the nearest branch node based on an LQI as well. The next step is to choose a branch node to send the data through contention. At this time, it should be noted that the branch node selected here is not the branch node to which the sensor node synchronizes for synchronization, but is the branch node to which the sensor node transmits data. That is, as described above, the branch node for synchronizing the sensor node is an upper branch node to which the selected branch node synchronizes.
네트워크 참여는 노드들간의 동기화가 완료된 후 참여 요청을 하고 주소를 할당받음으로써 이루어진다. 브랜치 노드는 상위 브랜치 노드에게 참여 요청을 하고 주소를 할당받으며, 센서 노드는 상위 브랜치 노드에 동기화를 하고, 경쟁 구간에서 현재 브랜치 노드에게 참여 요청을 하고 주소를 할당 받는다. 참여 요청 또한 데이터 전송과 마찬가지로 경쟁을 통해 이루어진다. 이러한 과정을 통해 네트워크 구성은 각 노드가 자율적으로 망을 구성하게 된다. Network participation is achieved by requesting participation and assigning an address after synchronization between nodes is completed. The branch node makes a request to join the upper branch node and is assigned an address, and the sensor node synchronizes to the upper branch node and requests a join to the current branch node and assigns an address in the contention period. Participation requests are made through competition as well as data transmission. Through this process, each node autonomously configures the network.
한편, 네트워크 오류가 발생할 경우 브랜치 노드는 링크 복구, 링크 수정을 통해 상위 브랜치 노드를 다시 선택하고, 센서 노드의 경우 노드 선택을 통해 새로운 브랜치 노드를 선택하여 링크를 복구하는 절차를 가진다.On the other hand, when a network error occurs, the branch node has a procedure of restoring the link by selecting a higher branch node again through link recovery and link modification, and selecting a new branch node through node selection in the case of a sensor node.
이러한 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템은 특히 대규모 센서 네트워크 응용 환경에서 실시간 및 저전력을 동시에 만족해야 하는 분야에서 적용될 수 있다. 예컨대 산불 모니터링, 철도, 도로, 교각 등의 안전 모니터링, 원격 검침 시스템, 실시간 생태계 환경 모니터링 등 실시간성이 필요한 분야에 본 발명에 따른 가상 백본 무선 센서 네트워크 데이터 전송 시스템의 적용이 가능하다. 또한 적은 수의 브랜치 노드만 이용하는 경우에는 소규모의 홈 네트워크 및 홈 빌딩 분야에 적용이 가능하다.The virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention can be applied to a field that must satisfy both real time and low power, especially in a large scale sensor network application environment. For example, it is possible to apply the virtual backbone wireless sensor network data transmission system according to the present invention to a field requiring real time, such as forest fire monitoring, railway, road, pier safety monitoring, remote meter reading system, real-time ecosystem environment monitoring. In addition, if only a small number of branch nodes are used, it can be applied to a small home network and home building field.
비록 본 발명의 구성이 구체적으로 설명되었지만 이는 단지 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.Although the configuration of the present invention has been described in detail, these are merely illustrative of the present invention, and various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. This will be possible.
따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. Therefore, the embodiments disclosed herein are not intended to limit the present invention but to describe the present invention, and the spirit and scope of the present invention are not limited by these embodiments. It is intended that the scope of the invention be interpreted by the following claims, and that all descriptions within the scope equivalent thereto will be construed as being included in the scope of the present invention.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 선형 구조와 스타 구조가 혼합된 가상 백본 구조의 센서 네트워크를 이용하여 기존의 MAC 프로토콜이 가지고 있는 네트워크 지연, 에너지 소모, 오버히어링 등의 문제를 최소화하고 낮은 듀티 사이 클을 지원하여 실시간 데이터 전송이 가능하다.As described above, according to the present invention, a sensor network of a linear backbone structure mixed with a linear structure and a star structure minimizes problems such as network delay, energy consumption, and overhearing of the existing MAC protocol, and provides low duty. Support for real-time data transmission.
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