KR20080087868A - 노드가 애드－혹 네트워크 내의 적절한 듀티 사이클을결정하도록 하는 방법 및 장치 - Google Patents

노드가 애드－혹 네트워크 내의 적절한 듀티 사이클을결정하도록 하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

노드의 적절한 듀티 사이클을 결정하기 위한 방법 및 장치가 본원에 제공된다. 네트워크(100) 내의 모든 노드들(500)은 개인 에어리어 네트워크 코디네이터(PNC)로부터 장치로의 홉들의 수에 기초하여 듀티-사이클들을 대화식으로 스위칭할 것이다. PNC로부터의 홉들의 수에 기초하여 듀티 사이클들을 변경시키면 듀티-사이클들의 공간 패턴들이 데이터 처리량을 최대화하기 위하여 그리고 네트워크 넓은 전력 소모들을 최소화하기 위하여 네트워크 내에 형성하도록 한다.
듀티 사이클, 노드, 홉, 공간 패턴, 코디네이터

Description

노드가 애드－혹 네트워크 내의 적절한 듀티 사이클을 결정하도록 하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR A NODE TO DETERMINE A PROPER DUTY CYCLE WITHIN AN AD-HOC NETWORK}
본 발명은 일반적으로 애드-혹 네트워크들에 관한 것이며, 특히 노드가 애드-혹 네트워크 내에서 적절한 듀티 사이클을 결정하도록 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
저 전력 소모 및 긴 배터리 수명은 차세대 애드-혹 무선 장치들의 성공에 중요하다. 이를 염두에 두고,많은 애드-혹 네트워크들은 노드들이 주기적으로 슬립(sleep) 또는 전력 다운하도록 하여, 배터리 수명을 유지하여야 한다. 활동도 및 비활동도의 기간은 통상적으로 노드들 듀티 사이클(DC)이라 칭한다. 노드가 경험하는 데이터 트래픽의 양들은 합리적인 시간 기간(즉, 합리적인 데이터 전달 레이트를 가짐) 내의 데이터를 적절하게 전송하기 위하여 특정 듀티-사이클을 필요로 할 것이다. 중 부하(Heavy load)는 전체 듀티-사이클을 요구하는 반면에, 경 부하(light load)는 낮은 듀티-사이클을 위하여 허용된다. 노드의 적절한 듀티 사이 클을 결정하기 위한 기술은 효율적인 동작에 필수적이다. 그러므로, 노드가 애드-혹 네트워크 내에서 적절한 듀티 사이클을 결정하기 위한 방법 및 장치가 필요로 된다.
상술된 요구를 처리하기 위하여, 노드의 적절한 듀티 사이클을 결정하기 위한 방법 및 장치가 본원에 제공된다. 특히, 네트워크 내의 모든 노드들은 개인 에어리어 네트워크 코디네이터(personal area network coordinator; PNC)로부터 상기 장치로의 홉(hop)들의 수에 기초하여 듀티-사이클들을 대화식으로 스위칭할 것이다. PNC로부터의 홉들의 수에 기초하여 듀티 사이클들을 변경시키면 듀티-사이클들의 공간 패턴들이 데이터 처리량을 최대화하기 위하여 그리고 네트워크 넓은 전력 소모들을 최소화하기 위하여 네트워크 내에 형성하도록 한다.
본 발명은 노드가 애드-혹 네트워크 내의 적절한 듀티 사이클(DC)을 결정하도록 하는 방법을 포함한다. 이 방법은 조정 노드(coordinating node)로부터 상기 노드로의 홉(hop)들의 수를 결정하는 단계 및 상기 조정 노드로부터 상기 노드로의 홉들의 수에 기초하여 듀티 사이클을 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명은 부가적으로 조정 노드로부터 상기 노드로의 홉들의 수를 결정하고 조정 노드로부터 상기 노드로의 홉들의 수에 기초하여 듀티 사이클을 조정하는 논리 회로를 포함하는 장치를 포함한다.
본 발명은 부가적으로 노드가 애드-혹 네트워크 내에서 적절한 듀티 사이클을 결정하도록 하는 방법을 포함한다. 이 방법은 업스트림 노드에 대한 듀티 사이클을 결정하는 단계 및 상기 업스트림 노드에 대한 상기 듀티 사이클에 기초하여 상기 듀티 사이클을 조정하는 단계를 포함한다.
도 1은 애드-혹 네트워크의 블록도.
도 2는 도 1의 네트워크의 더욱 상세한 블록도.
도 3은 도 1 및 도 2의 네트워크를 위한 슈퍼프레임 구조(superframe structure)를 도시한 도면.
도 4는 도 3의 슈퍼프레임 구조의 더욱 상세한 도면.
도 5는 노드의 블록도.
도 6은 도 5의 노드의 동작을 도시한 순서도.
도 7은 도 5의 노드의 동작을 도시한 순서도.
지금부터 도면을 참조하면, 동일한 참조번호들이 동일한 구성요소들에 병기된다. 도 1은 네트워크(100)를 도시한다. 네트워크(100)는 802.15.3 고속 데이터 레이트들을 위한 무선 개인용 에어리어 네트워크들 또는 IEEE 802.15.4 저 레이트 무선 개인용 에어리어 네트워크들로 정의되는 네트워크 프로토콜을 이용한다. 그러나, 당업자는 다른 네트워크 프로토콜들이 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 이용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 예를 들어, 네트워크(100)는 애드혹 주문형 거리 벡터 라우팅(AODV), 다이나믹 소스 라우팅(DSR), 시간적으로 순서화된 라우팅 알고리즘(TORA), 블루투스TM 표준(IEEE 표준 802.15.1).... 등과 같은 네트워크 프로토콜들을 이용하거나 이로 제한되지 않는다. 도시된 바와 같이, 네트워크(100)는 조정 장치(10)와 통신시 다수의 조정 장치(또한, 루트 노드, 루트 제로 노드, 개인 에어리어 네트워크(PAN) 코디네이터라 칭함)(10) 및 다수의 슬레이브 노드들(20)을 포함한다. 노드들(20)은 조정 장치들(10)에 의해 제공되는 동기화를 통해서 상호 통신하는 장치들을 표시한다. 노드들(20)은 이동될 수 있거나(이동) 이들은 소정 장소에서 고정될 수 있다.
도 2는 PAN 코디네이터(PNC)(210) 및 노드들(203-209)를 도시한 시스템(100)의 상세하게 도시한 도면. 본 발명의 일 실시예에서 네트워크 전송 프로토콜은 미국 출원 10/304428 및 지그비 릴리스 1.0.에 서술된 바와 같이 사용된다. 모든 통신은 PNC(210)을 통과할 것이다. PNC(210)는 PAN 내에서 장치들의 타이밍 및 동기화시키며, 특정 네트워크 논리 어드레스를 할당하며, 내부 PAN 라우팅 메시지들에, 장치 발견 및 서비스 발견 정보를 브로드캐스트하는 역할을 하고 전력 제어를 위한 역할을 한다. 각 PNC(210)는 이 아래의 칠드런 노드들의 최대 수(Cm)를 가질 수 있다. 유사한 방식으로, 각 챠일드 노드는 최대 Cm 챠일드 노드들을 가질 수 있다. 따라서, 예를 들어, 도 2에서, PNC(210)은 이와 관련된 2개의 챠일드 노드들(노드들 203 및 204)를 갖는다. 유사한 방식으로, 챠일드 노드(209)는 또한 이와 관련된 2 개의 챠일드 노드들(노드들 207 및 208)을 갖는다.
애드-혹 네트워크 내에서, 임의의 노드는 전체 네트워크 내에 허용된 최대 홉들의 수인 Lm까지 PNC 노드로부터 벗어난 임의수의 홉들일 수 있다. 도 2와 관련하여, 노드들(207 및 208)은 PNC(210)로부터 벗어난 3개의 홉들이며, 노드들(205, 206, 및 209)는 루트 노드(210)로부터 벗어난 2개의 홉들이다. 최종적으로, 노드들(203 및 204)은 PNC(210)로부터 벗어난 하나의 홉이다.
도 3은 도 2의 네트워크에 대한 전송 방식을 도시한다. 장치들(201-208) 중에 통신들 동안, 특정 전송 프로토콜은 네트워크(100)에 의해 사용되는 데, 각 PAN은 미국특허 출원 10/414,838에 서술된 바와 같이 특정 비-중첩 슈퍼프레임(301, 302) 내에서 통신한다. 도 2와 관련하여, PNC(210)과 관련된 노드들은 슈퍼프레임(301) 내의 모든 필요한 전송들을 완료하는 반면, 또 다른 피코넷과 관련된 노드들은 슈퍼프레임(302) 내의 모든 필요한 전송들을 완료한다. 슈퍼프레임 동안, 특정 PNC는 비콘 필드 내에서 PAN 타이밍 제어 정보를 브로드캐스트하는 반면에 각 노드(코디네이터(PNC))를 포함)는 전송을 위하여 IEEE 802.15.3의 경쟁 액세스 기간(CAP), 경쟁프리 RLKS 슬롯, 채널 시간 할당(CTA) 설비의 부분을 가질 것이다. 보장된 시간 슬롯 동안, 특정 노드는 임의의 특정 노드로 실행되길 원하는 임의의 명령(COM)을 브로드캐스하거나 단일 노드 또는 노드들의 세트를 위하여 데이터를 전송할 수 있다.
시간 슬롯 동안, 노드는 또한 비콘을 브로드캐스트한다. 비콘 인에이블된 애드-혹 센서 네트워크에서, 네트워크 관계는 프록시미티를 주사하고 네트워크에 가 입하는 초대로서 작용하는 비콘들을 발견하는 노드로 개시된다. 노드가 네트워크 관계를 완료할 때, 이는 시간 동기화의 수단으로서 그리고 관계 초대의 신호로서 자신들의 비콘들을 송신하기 시작한다. 비콘 인터벌(BI) 및 슈퍼프레임 길이 또는 지속기간(SD)은 BI=2^(B0) 여기서 BO=0, 1, 2,...14 및 SD=2^(SO) 여기서 SO=1,2,..BO로서 비콘 순서(BO) 및 슈퍼프레임 순서(SO) 각각에 의해 결정된다. 듀티-사이클은 SD/BI로서 정의된다. 이는 도 4에 도시된다.
애드-혹 무선 네트워크들에서, 배터리 수명을 증가시키기 위하여 장치들이 연장된 기간들 동안 슬립하도록 하는 것이 유용하다. 그러므로, 노드가 전송할 데이터를 갖지 않거나 다른 노드의 전송들을 청취하길 원하지 않을 때, 노드는 슬립 모드로 들어가 자신의 송신기를 전력 다운시킨다. 이 노드는 노드가 비콘 신호를 다시 전송하도록 할 때 어웨이크될 것이다. 상술된 바와 같이, 노드가 겪는 데이터 트래픽의 량들은 데이터 전달 비의 적절한 값을 성취하기 위하여 특정 듀티-사이클을 필요로 한다. 중 부하(Heavy load)는 전체 듀티-사이클을 요구하는 반면에, 경 부하(light load)는 낮은 듀티-사이클을 위하여 허용된다. 노드의 적절한 듀티 사이클을 결정하기 위한 기술은 효율적인 동작에 필수적이다. 이 이슈를 처리하기 위하여, 네트워크(100) 내의 노드들은 개인 에어리어 네트워크 코디네이터(PNC)로부터 상기 장치로의 홉들의 수에 기초하여 듀티-사이클들을 대화식으로 스위칭할 것이다. PNC로부터의 홉들의 수에 기초하여 듀티 사이클들을 변경시키면 듀티-사이클들의 공간 패턴들이 데이터 처리량을 최대화하기 위하여 그리고 네트워크 넓은 전력 소모들을 최소화하기 위하여 네트워크 내에 형성하도록 한다.
노드의 듀티 사이클을 결정하기 위한 단계들은 필요로 되는 데이터 전달비로부터 도출되는 필요로 되는 트래픽 부하(R), 현재 슈퍼프레임 순서(SO), 및 최대 홉 수(HMAX)에 기초한다. 데이터 전달비의 기능으로서 데이터 트래픽 부하는 시뮬레이션들, 측정들, 또는 다른 수단을 통해서 얻어질 수 있다. 그러므로, 글로벌 전체 듀티-사이클(R1), 저 듀티-사이클(R2) 및 듀티-사이클 그래디언트 모드를 허용하기 위한 데이터 트래픽의 문턱치들은 커버리지 에어리어어(A)에서 주어진 총 노드들(N)의 수에 대해서 결정된다.
(i) R이 문턱치 R1보다 클 때, 노드는 최대 듀티-사이클(DC=DMAX)로 스위치한다.
(ii) R이 문턱치 R2보다 작을 때, 노드는 최소 듀티-사이클(DC=DMIN)로 스위치한다.
(iii) R이 R1 및 R2 사이일 때(즉, R2<R<R1), 노드는 "듀티-사이클 그래디언트" 모드(DMIN<DC<DMAX))로 스위치한다. 본 발명의 제1 실시예에서, 듀티 사이클은 PNC로부터 상기 노드로의 홉들의 수에 기초한다. 본 발명의 제2 실시예에서, 듀티--사이클은 이웃하는 노드의 듀티 사이클에 기초한다. 특히, 이웃하는 노드의 SO가 얻어지고 나서 1씩 만큼 감소된다. 이 결과의 SO는 SO'=mSO"를 규정함으로써 정수 또는 분수의 포맷을 갖도록 허용된다.
도 5는 노드(500)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 노드(500)는 논리 회로(501)에 차례로 결합된 송신기(503) 및 수신기(505)를 포함한다. 동작 파라미터들 데이터베이스(509)는 SO, R1, R2, DCMIN, DCMAX, DC, HMAX, 및 HMIN과 같은 네 트워크 파라미터들을 저장하도록 제공된다. 클록 (507)은 정확한 시스템 시간에 노드(500)를 적절하게 시간 동기화시키도록 하는 타이밍 수단으로서 작용한다. 노드(500)에 대한 각종 형태들이 포함되었지만, 본 발명의 바람직한 실시예서, 노드(500)는 프리스케일 사로부터 형성된다. MC13192 송수신기(송신기(504) 및 수신기(505))는 모토로라 HC08-8비트 프로세서(501)에 결합된다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따라서 노드(500)의 동작을 도시한 순서도이다. 본 발명의 제1 실시예에서, 노드(500)의 듀티 사이클은 루트 노드(PNC)에 대한 홉들의 수에 기초한다. 논리 흐름은 노드(500)가 특정 듀티 사이클(예를 들어, DC)로 동작하는 단계(601)에서 시작한다. 단계(603)에서 논리 회로(501)는 데이터베이스(509)에 액세스하고 PNC로부터 홉들(H)의 수를 결정한다. 단계(605)에서, 논리 회로(501)는 데이터베이스에 액세스하고 자신의 현재 필요로 되는 데이터 처리량 또는 부하를 결정한다. 이는 얼마나 많은 데이터가 이전 시간 기간(예를 들어, 이전 10초에 걸쳐서 송신기(503)에 의해 송신되는지를 분석함으로써 성취된다. 단계(607)에서, 논리 회로(501)는 현재 데이터 부하가 제 1 문턱치 R1보다 큰지를 결정하고 만일 그렇다면 논리 흐름은 듀티 사이클이 최대값(DMAX=1)으로 설정되는 단계(609)로 계속된다. 현재 데이터 부하가 R1보다 크지 않다라고 결정하면, 논리 흐름은 논리 회로(501)가 현재 부하가 제 2 문턱치 R2보다 작은지를 결정하는 단계(611)로 계속된다. 단계(611)에서, 현재 부하가 R2보다 작다라고 결정하면, 논리 흐름은 듀티 사이클이 최소값(DMIN)으로 설정되고 논리 흐름이 단계(601)로 리턴되는 단계(613)로 계속된다.
데이터 부하가 R1보다 크지 않고 R2보다 적다면, 논리 흐름은 듀티 사이클이 홉들의 수에 기초하여 PNC로 조정되는 단계(615)로 계속된다. 본 발명의 제1 실시예에서, 듀티 사이클은 네트워크 전개 전 설정된 디폴트값으로부터 SO를 증가 또는 감소시킴으로서 조정된다. SO는 H가 0 및 HMAX 간에서 증가 또는 감소됨에 따라서 SOmin 및 SOmax간에서 증가 또는 감소되도록 설정된다. 따라서, H=0일 때, SO는 SOmax 로 설정되고 H=HMAX일 때, SO는 SOmin=SOmax-HMAX로 설정된다. H가 0 및 HMAX 사이일 때, SO는 SOmax 및 SOmin 간에 선형적으로 감소된다. 특히, 주어진 홉 카운트(H)에 대해서, SO=m(SOmax-H), 여기서 H=0,1...HMAX. 예를 들어, SOmax=7일 때, HMAX=4, H=2를 갖는 노드의 SO 값은 m=1이면 5와 동일한데, 여기서 m은 상수이다. DC=SD/B1=2^(SO)/2^(BO)이기 때문에, SO 감소는 듀티 사이크를 감소시키고 그 반대도 마찬가지이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예를 따른 노드(500)의 동작을 도시한 순서도이다. 본 발명의 제2 실시예에서, 노드(500)의 듀티 사이클은 자신의 패런트 노드의 듀티 사이클에 기초한다. 특히, 노드(500)의 듀티 사이클은 자신의 패런트 노드로부터 증분적으로 감소된다. 노드 흐름은 노드(500)가 특정 듀티 사이클(예를 들어, DC)로 동작하는 단계(701)에서 시작한다. 단계(703)에서, 논리 회로(501)는 데이터베이스(509)에 액세스하고 업스트림 노드(패런트)의 SO의 현재 값을 얻는다. 단계(705)에서, 논리 회로(501)는 현재 필요로 되는 데이터 처리량을 결정한다. 이는 얼마나 많은 데이터가 이전 시간 기간(예를 들어, 이전 10초)에 걸쳐서 송신 기(503)에 의해 송신되는지를 분석함으로써 성취된다. 단계(707)에서 논리 회로(501)는 현재 데이터 부하가 제 1 문턱치 R1보다 큰지를 결정하고 만일 그렇다면, 논리 흐름은 듀티 사이클이 최대값(DMAX=1)으로 설정되는 단계(709)로 계속된다. 현재 데이터 부하가 R1보다 크지 않다라고 결정되면, 논리 흐름은 현재 부하가 제 2 문턱치 R2보다 작은지를 논리 회로(501)가 결정하는 단계(711)로 계속된다. 단계(711)에서, 현재 부하가 R2보다 작다라고 결정되면, 논리 흐름은 듀티 사이클이 최소값(DMIN)으로 설정되고 논리 흐름이 단계(701)로 리턴되는 단계(713)로 계속된다.
데이터 부하가 R1보다 크지 않고 R2보다 적지 않다면, 논리 흐름은 듀티 사이클이 자신의 이웃하는 노드의 듀티 사이클에 기초하여 조정되는 단계(715)로 계속된다. 본 발명의 제 2 실시예에서, 듀티 사이클은 이웃하는 노드의 듀티 사이클에 기초하여 설정되고 특히 이웃하는 노드의 듀티 사이클로부터 감소된다. 따라서, 이웃하는 노드(SOneighbor)SO는 SO가 감소되지 않은 지점인 SO가 최소값에 도달될 때까지 SOneighbor-1로 설정된다.
상기 논리 흐름은 논리 회로(501)에서 업스트림 이웃(도 7)의 SO 값들에 기초하여 튜디 사이클을 조정하고 조정 노드(도 6)로부터 상기 노드로의 홉들의 수를 발생시킨다. 본 발명은 특히 특정 실시예와 관련하여 도시되고 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 원리 및 범위를 벗어남이 없이 각종 변경을 행할 수 있다. 예를 들어, 듀티 사이클이 SO를 변경시킴으로써 변경되지만, 업스트림 이웃하는 노드 또는 홉들에 기초하여 듀티 사이클을 PNC로 변경하는 다른 기술들이 포함된다는 점에 유의하여야 한다. 상술된 동일한 원리들은 슈퍼프레임이 분할될 때의 경우에 적용될 수 있다. 이는 도 4에 도시된 바와 같이 규정된 슈퍼프레임이 활성 및 비활성 시간 기간들을 포함하는 서브-구조들로 분할될 때이다. 게다가, IEEE 802.15.4/Zigbee의 슈퍼프레임 구조는 네트워크(100)에 의해 사용되지만, 동일한 듀티-사이클 관리 방식은 다른 슈퍼프레임 구조들에 적용될 수 있다. 이와 같은 변경들은 다음 청구범위 내에서 이루어진다.

Claims (10)

  1. 노드가 애드-혹 네트워크(ad-hoc network) 내의 적절한 듀티 사이클(DC)을 결정하도록 하는 방법에 있어서:
    조정 노드(coordinating node)로부터 상기 노드로의 홉(hop)들의 수를 결정하는 단계; 및
    상기 조정 노드로부터 상기 노드로의 홉들의 수에 기초하여 상기 듀티 사이클을 조정하는 단계를 포함하는, 듀티 사이클을 결정하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조정 노드로부터 상기 노드로의 상기 홉들의 수를 결정하는 단계는 개인 에어리어 네트워크 코디네이터(personal area network coordinator; PNC)로부터 상기 노드로의 홉들의 수를 결정하는 단계를 포함하는, 듀티 사이클을 결정하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 듀티 사이클을 조정하는 단계는 슈퍼프레임 순서(superframe order; SO)를 변경함으로써 상기 듀티 사이클을 조정하는 단계를 포함하는, 듀티 사이클을 결정하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 듀티 사이클은 DC=SD/BI=2^(SO)/2^(BO)로 설정되고, BI는 비콘 인터벌(beacon interval)이고, SD는 슈퍼프레임 길이이고, BO=0,1,2,...14이고, SD=2^(SO)이며, SO=1,2,...BO인, 듀티 사이클을 결정하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 듀티 사이클을 조정하는 단계는 요구된 데이터 처리량(R)에 기초하여 상기 듀티 사이클을 조정하는 단계를 더 포함하는, 듀티 사이클을 결정하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 듀티 사이클은 R이 제 1 문턱치 R1보다 클 때 최대값으로 설정되는, 듀티 사이클을 결정하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 듀티 사이클은 R이 제 2 문턱치 R2보다 작을 때 최소값으로 설정되는, 듀티 사이클을 결정하는 방법.
  8. 조정 노드로부터 노드로의 홉들의 수를 결정하고 상기 조정 노드로부터 상기 노드로의 홉들의 수에 기초하여 상기 듀티 사이클을 조정하는 논리 회로를 포함하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 조정 노드는 개인 에어리어 네트워크 코디네이터(PNC)를 포함하는, 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 논리 회로는 상기 듀티 사이클을 조정하기 위해 슈퍼프레임 순서(SO)를 변경하는, 장치.
KR1020087018211A 2006-01-24 2007-01-08 노드가 애드－혹 네트워크 내의 적절한 듀티 사이클을결정하도록 하는 방법 및 장치 KR101195785B1 (ko)

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