KR20090078298A - 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 방법은 클러스터 내의 다수의 센서 노드들을 복수의 그룹으로 분류하고, 상기 분류된 그룹들마다 각각의 타임 슬롯을 할당하며, 상기 할당된 타임 슬롯에 따라 데이터 통신을 수행함으로써, 센서노드들 간의 충돌을 방지하도록 하고, 센서노드는 자신의 타임슬롯에 해당되지 않는 기간에는 슬립모드(sleep mode)로 동작함으로써, 센서노드의 전력소비를 최소화할 수 있다.

Description

무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 방법 및 장치{Method and apparatus for scheduling timing between sensor nodes of the Wireless Sensor Network}

본 제안발명은 무선 센서 네트워크(wireless sensor network) 시스템에 있어서, 센서노드들을 여러 개의 그룹(group)으로 분류하고 이렇게 분류된 그룹마다에는 그 그룹만의 타임슬롯(time slot)을 할당하는 이러한 일련의 타이밍 스케쥴링에 의해 각각의 센서노드들이 상호 통신하도록 함으로써, 센서노드들 간의 충돌을 방지하도록 하는 것을 목적으로 한다.

무선 네트워크들에서 지향성 안테나의 사용은 당해 분야에서 널리 논의되어왔다. 그러나, 대부분의 논의는 지향성 안테나를 애드 혹(ad hoc) 무선 네트워크와 함께 사용하는 데 집중되어 있다. 이 접근방법의 문제는 전력 소비이다. IEEE 802.11 같은 CSMA 기반의 MAC 프로토콜은 높은 전력 소비 때문에 무선 센서 네트워크에 사용되기에는 실용적이지 않다. 이것은 캐리어를 센싱하는 대부분의 시간 동안 노드들이 활성화되어야 하기 때문이다. 나아가, 지향성 안테나를 애드 혹 무선 네트워크에 사용하는 것은 deafness나 directional hidden terminals 같은 새로운 통신 문제를 야기한다.

Directional Hidden Terminal은 기존의 Omnidirectional 환경에서 A,B,C 세 노드가 나란히 있을 때, A-B, B-C는 서로 통신을 할 수 있는 거리에 있고, A-C는 서로 통신을 할 수 없는 거리에 있을 때, A, C 모두 B와 통신할 수 있다고 생각하고 동시에 B에게 데이터를 보내면 B는 Collision이 생겨서 두 가지 모두 받지 못하는 상태를 의미한다. Deafness는 A라는 노드가 Directional 안테나를 이용해 어느 한 특정 방향을 주시하고 있을 때, 다른 방향에서 A와 마주하고 있는 B라는 노드는 A가 B의 방향으로 안테나를 재설정하기 전까지는 A와 통신을 할 수 없는 상태를 의미한다.

이 문제들은 무선 센서 네트워크에서와 같이 노드들의 숫자가 많을수록 그 영향력이 커진다. 노드들 간의 경합을 피하기 위해, 타임 스케줄 MAC이 제시되었다. 상기 타임 스케줄 MAC의 사용으로 네트워크 수명이 증가되고 노드들간의 경합이 제거된다. 그러나, 무선 센서 네트워크 내에서와 같이 많은 수의 노드들이 있을 특별한 경우의 타임 스케줄 계산은 복잡하고 비용이 많이 드는 작업이다. 요약하면, 기존 채널 접근 방법들을 사용하는 무선 센서 네트워크에서의 지향성 안테나의 사용은 높은 전력 소비, 높은 경합률 및 복잡한 스케줄 계산이라는 문제를 발생한다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 클러스터 내의 다수의 센서 노드들을 복수의 그룹으로 분류하여, 각각의 할당된 타임 슬롯에 따라 데이터 통신을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 방법 및 장치에 관한 것이다.

상기의 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 방법은 클러스터 내의 다수의 센서 노드들을 복수의 그룹으로 분류하는 단계; 상기 분류된 그룹들마다 각각의 타임 슬롯을 할당하는 단계; 및 상기 할당된 타임 슬롯에 따라 데이터 통신을 수행하는 단계를 포함한다.

상기 다수의 센서 노드들을 상기 복수의 그룹으로 분류하는 단계는 상기 센서 노드들에 이웃하는 이웃 노드들의 이웃 관계정보를 수집하는 단계; 및 상기 수집된 이웃 관계정보를 사용해, 최단 경로 트리에 따라 상기 센서 노드들의 그룹을 지정하는 단계를 포함한다.

상기 분류된 그룹들마다 각각의 타임슬롯을 할당하는 단계는 상기 센서 노드들에 이웃하는 이웃 노드들의 이웃 관계 정보 및 상기 이웃 관계 정보에 따른 각 이웃 노드들의 충돌 관계를 고려하여 각각의 타임 슬롯을 할당하는 것을 특징으로 한다.

상기 할당된 타임 슬롯에 따라 데이터 통신을 수행하는 단계는 상기 센서 노 드들은 자신의 타임 슬롯에 해당하지 않는 기간에는 슬립모드로 전환되는 것을 특징으로 한다.

상기의 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 클러스터 내의 다수의 센서 노드들을 복수의 그룹으로 분류하는 단계; 상기 분류된 그룹들마다 각각의 타임 슬롯을 할당하는 단계; 및 상기 할당된 타임 슬롯에 따라 데이터 통신을 수행하는 단계를 실행하기 위한 프로그램을 기록하고 있다.

상기의 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 장치는 클러스터 내의 다수의 센서 노드들; 및 상기 다수의 센서 노드들을 복수의 그룹으로 분류하고, 상기 분류된 그룹들마다 각각의 타임 슬롯을 할당하는 클러스터 헤드 노드를 포함하고, 상기 할당된 타임 슬롯에 따라 상기 센서 노드들과 상기 클러스터 헤드 노드 사이의 데이터 통신을 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 다수의 센서 노드들은 각각 전 방향에 대해 신호를 수신하고 특정 영역으로 신호를 송신하는 다중 영역 안테나 및 통신을 컨트롤하는 트랜시버를 포함한다.

상기 클러스터 헤드 노드는 상기 센서 노드들에 이웃하는 이웃 노드들의 이웃 관계정보를 수집하고, 상기 수집된 이웃 관계정보를 사용해, 최단 경로 트리에 따라 상기 센서 노드들의 그룹을 지정하는 것을 특징으로 한다.

상기 클러스터 헤드 노드는 상기 센서 노드들에 이웃하는 이웃 노드들의 이웃 관계 정보 및 상기 이웃 관계 정보에 따른 각 이웃 노드들의 충돌 관계를 고려 하여 각각의 타임 슬롯을 할당하는 것을 특징으로 한다.

상기 센서 노드들은 자신의 타임 슬롯에 해당하지 않는 기간에는 슬립 모드로 전환되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 방법 및 장치는 센서노드들을 여러 개의 그룹(group)으로 분류하고 이렇게 분류된 그룹마다에는 그 그룹만의 타임슬롯(time slot)을 할당하는 이러한 일련의 타이밍 스케쥴링에 의해 각각의 센서노드들이 상호 통신하도록 함으로써, 센서노드들 간의 충돌을 방지하도록 하고, 센서노드의 전력소비가 최소화되도록 하며, 센서 노드의 수명을 오래 유지할 수 있도록 하는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 의한 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

검토중인 무선 센서 네트워크(WSN) 어플리케이션들에 있어, 무선 센서 네트워크 구조는 계층적(hierarchical)이며 각 클러스터마다 하나의 클러스터 헤드를 갖는 센서들의 클러스터들로 구성되어 있다. 하나의 클러스터 내에서 센서 노드들에 의해 수집된 데이터는 다수의 홉을 거쳐 상기 클러스터 헤드로 포워딩된다. 그 후, 클러스터 헤드를 향해 생성된 하류 트래픽(downstream traffic)은 상급의 (upper-tier) 게이트웨이 노드로, 궁극적으로는 명령 & 제어 센터와 같은 단일의 네트워크 위치로 전달된다. 게다가, 이 중심 위치에서 생성된 메시지들은 반대 방 향의 센서 노드들에 전달되어야 한다. 네트워크가 다수의 개별적인(disjoint) 클러스터들로 나뉘어져 있기 때문에, 각각의 클러스터에서 프로토콜의 각 경우가 실행된다. 본 발명에 있어서 이하에서는 SAMAC(Sectored Antenna-Based Medium Access Control) 프로토콜은 하나의 클러스터에 대해서 설명한다.

데이터의 중요성 때문에 메시지 전달의 신뢰성은 네트워크 동작의 최우선적인 사항이다. 이 조건에 부합하기 위해, 패킷 손실률(packet loss rate)은 최소화되어야 한다. 무선통신 매체가 공유되기 때문에, 동시 패킷 전송에 의한 패킷 충돌도 또한 회피되어야 한다. 또한, 무선 센서 네트워크의 지향성(directional) 안테나를 사용한 통신은 제한된 리소스에 더해서 Directional Hidden Terminal 과 Deafness 문제와 같은 해결해야 할 주요 문제 등을 가지고 있다. 따라서, SAMAC에는 다음과 같은 세 가지 목표가 있다. 첫째, 공유된 무선 통신 매체에서 채널 경합(contention)과 패킷 충돌을 최소화함으로써 높은 패킷 전달률을 얻는 것이다. 둘째, 지향성 안테나의 공간적인 재활용 능력을 활용함으로써 센서 네트워크의 작업 처리량 특성을 향상시키는 것이다. 셋째, 전력 소비를 최소화함으로써 센서 배터리의 수명을 연장시키는 것이다. 상기 SAMAC 프로토콜은 시간분할 다중접근(TDMA)과 패킷 교환을 통한 4방향 신호 변경(handshake), 즉 IEEE 802.11에서와 같은 RTS-CTS-DATA-ACK 시퀀스를 이용하는 채널 경합의 조합으로 설명될 수 있다. 이 메커니즘은 프로토콜 운용 시간을 TDMA 식으로 개별적인 타임 슬롯으로 나누는 것을 바탕으로 한다. 각각의 타임 슬롯 동안, 하나 또는 그 이상의 노드 그룹들은 다른 짝(pair)에 영향을 주지 않고 통신할 수 있다. 잠정적으로 경합될 짝들은 각 기 다른 타임 슬롯에 통신하도록 스케줄링된다. 상기 SAMAC 프로토콜은 센서들이 효과적으로 일정 타임 슬롯에서 통신을 할 수 있도록 한다. 그 외의 시간에는 센서들은 전력 절약을 위한 슬립(sleep) 모드로 작동하여 전력 소비를 최소화하기 위해 자신들의 안테나를 끈다. 센서 안테나들은 해당 센서가 통신하도록 예정된 타임 슬롯 동안 켜진다. 이를 위해서, 모든 노드들은 각각 타임 스케줄을 필요로 한다. 타임 스케줄들의 계산은 리소스가 풍부한 클러스터 헤드에 의해 수행되고 그 후에 한 클러스터 내의 센서들에게 분배된다. 스케줄 계산을 수행하기 위해, 상기 클러스터 헤드는 해당 클러스터 내의 모든 센서들로부터 취득한 완전한 이웃관계 정보(neighborhood relation information)를 필요로 한다.

본원 발명은 무선 센서 네트워크(wireless sensor network) 시스템에 있어서, 센서노드들을 여러 개의 그룹(group)으로 분류하고 이렇게 분류된 그룹마다에는 그 그룹만의 타임슬롯(time slot)을 할당하는 이러한 일련의 타이밍 스케쥴링에 의해 각각의 센서노드들이 상호 통신하도록 한다. 이를 위해, 센서 노드들 각각은 전 방향에 대해서 신호를 수신하고 특정 영역(sector)으로 신호를 송신하는 다중 영역 안테나 및 통신을 컨트롤하는 트랜시버를 포함하여 이루어진다. 다중 영역 안테나는 각(angular) 송신 총 영역이 전방향 360도 전 영역을 포함한다. 정보 전송은 영역을 선택함으로써 실시된다. 수신에 있어서는, 활성 영역은 지연없이 바로 정보를 수신해서 통신 스택에서 보다 높은 층으로 전달한다. 상기한 타임슬롯 할당에는 센서노드들 간의 이웃관계(neighborhood relations)와 이웃노드들의 각 섹터간의 충돌관계(conflict relations)가 고려된다. 또한, 센서노드는 자신의 타임슬 롯에 해당되지 않는 기간에는 슬립모드(sleep mode)로 전환된다.

도 1은 본 발명에 의한 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 방법을 설명하기 위한 일 실시예의 플로차트이다.

먼저, 클러스터 내의 다수의 센서 노드들을 복수의 그룹으로 분류한다(제10 단계). 센서 노드들은 미리 로드된 이웃 관계정보를 전혀 갖고 있지 않다. 따라서, 각 노드는 네트워크 동작이 시작될 때 모든 이웃 노드들에 그 정보를 클러스터 헤드 노드로 전송한다.

도 2는 도 1의 클러스터 내의 다수의 센서 노드들을 복수의 그룹으로 분류하는 단계를 설명하기 위한 일 실시예의 플로차트이다.

센서 노드들에 이웃하는 이웃 노드들의 이웃 관계정보를 수집한다(제20 단계). 두 개의 노드가 무선링크를 통한 단일 송신에서 서로의 패킷을 수신할 수 있다면 서로 이웃에 해당된다. 따라서, 다중 영역의 안테나를 구비한 두 노드간의 이웃관계는 이 노드들이 통신할 수 있는 개별 영역들의 ID를 포함한다. 예를 들면, 노드A가 영역 2를 통해 패킷을 전송하고 수신하며 노드 B는 노드A와 통신하기 위해 영역 4를 사용한다면, 노드-영역 쌍 (A, 2) 및 (B, 4)은 서로 이웃에 해당된다. 이웃 관계들이 각 센서 노드들에 의해서 발견된 후에, 이러한 관계는 상기 클러스터 헤드 노드에 전달된다. SAMAC 프로토콜은 네트워크 동작의 시작시점에 클러스터 헤드 노드에서 이웃정보의 수집을 실시한다.

제20 단계 후에, 수집된 이웃 관계정보를 사용해, 최단 경로 트리에 따라 센서 노드들의 그룹을 지정한다(제22 단계).

상기 SAMAC 프로토콜은 하나의 클러스터 내의 센서 노드들을 단일 타임 슬롯에 할당될 수 있는 그룹들로 불리는 작은 세트들로 나누기 위해서 노드 그룹을 형성한다. SAMAC 그룹에는 정확히 하나의 부모노드가 있고, 다른 모든 센서들은 자녀노드들이다.

하나의 클러스터 내에 그룹 형성은 이웃관계를 이용하여 클러스터 헤드 노드 에 의해서 이루어진다. 그룹 형성 공정은 클러스터 헤드에서 출발하여 립(leaf) 노드로 진행된다. 첫째, 상기 클러스터 헤드 노드의 각 영역은 다른 그룹과 관련된다. 이 그룹들의 멤버들은 해당하는 영역에서의 클러스터 헤드 노드의 자녀 노드이다. 둘째, 상기 클러스터 헤드 노드의 자녀 노드들의 영역들은 새로운 그룹을 형성하는데 고려된다. 예를 들면, 상기 클러스터 헤드 노드의 자녀 노드A를 가정하면, 노드A가 최단 경로 트리상에 자녀 노드를 갖는다면, 노드A와 함께 그 영역의 노드들은 단일 그룹으로 간주된다.

도 3은 노드A에 대한 그룹을 지정하는 과정을 예시한 도면이다. 노드 A의 영역 2는 이미 그룹내에 포함되어 있기 때문에, 다른 영역들이 다른 추가적인 그룹을 형성하는데 사용될 수 있다. 최단 경로 트리에서 부모 노드에서 그 자녀 노드로 반복함으로써, 이 공정은 모든 노드가 고려될 때까지 립 노드 쪽으로 계속된다.

제10 단계 후에, 분류된 그룹들마다 각각의 타임 슬롯을 할당한다(제12 단계). 클러스터 내의 그룹들과 각 그룹의 멤버가 정해진 후에, 타임 슬롯이 각 그룹에 할당될 수 있다. 타임 슬롯을 각 그룹에 할당하기 전에, 클러스터 헤드 노드는 발생 가능한 공통 노드 충돌 및 공통 인터페이스 충돌을 위한 각 그룹 쌍을 이웃 관계를 사용하여 확인한다.

클러스터 헤드 노드에서 수집된 이웃관계정보는 동시 전송의 경우에 잠정적으로 경합하는 무선링크를 결정하는데 사용된다. 이러한 경합하는 무선링크는 충돌이라고 불린다.

도 4는 서로 다른 유형의 발생 가능한 충돌의 유형을 나타낸다.

도 4(a)에서, 센서 A 및 B는 이웃하는 노드들이다. 마찬가지로, 센서 C및 D는 이웃하는 노드들이다. 따라서, 노드 A 및 B간의 통신을 가능하게 하기 위해서, 이 노드들은 각각 영역 2 및 4을 걸쳐서 동일한 타임 슬롯에 스케줄링되어야 한다. 그러나, 노드 A의 영역 2로부터 전송은 노드 D의 영역 3에서 수신된다. 따라서, 노드 C 및 D간의 통신 및 노드 A 및 B간의 통신은 동일한 타임 슬롯에 스케줄링된다면, 패킷 충돌이 이 두 전송 간에 일어날 수 있다. 따라서, 이 두 개의 송신 쌍은 가능하면 다른 타임슬롯에 스케줄링되어야 한다. 이런 유형의 충돌은 공통 인터페이스 충돌이라고 불린다. 한편, 공통 노드 충돌이라 불리는 다른 유형의 충돌은 도 4 (b) 및 (c)에 도시된다. 도 4(b)에서, 두 개의 통신 노드 쌍, 즉, A 및 B그리고 A 및 C가 존재한다. 노드 B 및 C는 노드A의 다른 영역 상에서 노드 A와 통신한다. 하나의 노드가 하나 이상의 영역 상에서의 동시 전송은 하드웨어 제한으로 인해서 불가능하므로, 노드 A는 노드 B 및 C와 동시에 통신할 수 없다. 따라서, 이러한 두 개의 통신 쌍은 다른 타임 슬롯으로 예정되어야 한다. 도 4(c)에서, 노드 B 및 C는 노드A 의 동일한 영역 상에서 노드 A와 통신한다. 이러한 경우에 노드 간의 충돌은 경합 기반의 접근 메커니즘을 이용하여 회피될 수 있다.

SAMAC 프로토콜의 스케줄 할당에 있어서, 각 그룹에는 그룹 내의 센서 노드가 패킷을 서로에게 전송할 수 있는 하나 또는 그 이상의 타임 기간이 할당된다. 동일한 타임 기간의 할당으로 인해 그룹이 서로 충돌하는 것을 피하기 위해서, 스케줄 계산시 패킷 충돌이 발생하지 않도록 타임 기간 할당이 고려된다. 동일한 그룹내의 노드간 충돌은 전술한 바와 같이 경합 기반의 접근제어에 의해 처리된다. 각 그룹에 타임 기간을 할당하는 것은 가장 먼 그룹에서 시작하여 클러스터 헤드로의 컬러링 알고리즘에 의해 수행된다. 이 알고리즘의 단계들은 다음과 같이 설명될 수 있다. 먼저, 각 그룹의 부모 노드의 클러스터 헤드 노드로의 홉(hop) 거리가 결정된다. 이 홉 거리 값은 클러스터 헤드 노드로의 그룹거리를 가리킨다. 그런 후에, 그룹들은 클러스터 헤드 노드로의 거리에 따라서 내림차순으로 정렬된다. 만일 두 개의 그룹이 동일한 거리값을 갖는다면, 상대적으로 더 많은 노드를 갖는 그룹이 먼저 고려된다. 그 후, 할당된 스케줄이 없는 제 1그룹이 발견될 때까지 그룹의 목록이 순차적으로 스캔 된다. 이러한 그룹은 최단 경로 트리에 의해 정의된 그룹들의 멀티 홉 경로에서 타임 기간을 나타내는 색상이 할당된다. 색상은 정수로 표현된다. 선택된 그룹은 타임 기간 세트에서 우선적으로 이용 가능한 타임 기간이 할당된다. 동일한 타임 기간에 할당된 다른 그룹과의 충돌관계가 있다면 이 타임 기간은 이용 가능하지 않다. 만약 충돌이 있다면, 색상 인덱스는 증가되고 새로운 타임 기간은 발생 가능한 할당을 위해 확인된다. 색상 인덱스가 증가하여 최대 색상 인덱스에 도달된다면, 최대 색상 인덱스는 그 그룹에 할당된다. 타임 기간이 립(leaf) 그룹에 할당된 후에, 알고리즘은 그룹별로 반복된다. 각 그룹에 있어서, 이용 가능한 색상 인덱스는 가장 최근에 할당된 색상값에서 시작하여 하나씩 오름차순으로 할당된다. 이전 할당과의 충돌이 없는 타임 기간이 발견된다면, 이 타임 기간은 할당을 위해 사용된다. 그렇지 않으면, 최대 색상 인덱스는 초과되고 색상인덱스는 타임 기간 세트 내의 제1 타임 기간으로 돌아가고, 모든 타임 기간은 립 그룹의 타임 기간이 도달될 때까지 시도된다. 이 경우에는, 최대 색상지수는 증가되고 새로운 색상이 그룹에 할당된다. 이런 그룹 분기 (branch)상의 모든 그룹에는 색상이 할당되고 클러스터 헤드 노드가 도달되면, 다음 그룹은 색상이 할당되지 않은 그룹의 목록에서 제1그룹으로서 선택된다. 이 새로운 그룹은 다음으로 가장 큰 클러스터 헤드로의 홉 거리를 갖는 그룹에 해당한다. 색상 할당 알고리즘은 모든 그룹이 색상 할당이 예정되어있을 때 종료된다.

도 5(a)는 타임 슬롯 할당을 도시하고, 도 5(b)는 각 활성 타임 슬롯에서 사용된 영역들을 도시한다. X는 노드가 타임 슬롯에서 활성화되어 있지 않음을 의미한다.

제12 단계 후에, 할당된 타임 슬롯에 따라 데이터 통신을 수행한다(제14 단계). 네트워크 동작의 처음에는, 센서 노드는 BASIC 모드로 작동된다. BASIC 모드에서는, 노드는 어떠한 스케줄 정보도 갖지 않고 영역간의 차별화가 없다. BASIC 모드 중에는 노드들은 그 이웃에 대한 정보를 수집하고 이 정보를 클러스터 헤드에 전달한다. 타임스케줄을 계산한 후에 클러스터 헤드 노드는 SCHEDULE 패킷에 채워서 스케줄 정보를 그의 클러스터에 분배한다. 상기 SCHEDULE 패킷은 상기 클러스터 내의 모든 노드들의 활성 타임 슬롯 할당에 대한 정보를 포함한다. SCHEDULE 패킷의 수신 시에, 센서 노드는 상기 스케줄 정보를 추출하고, 그 이웃에 상기 SCHEDULE 패킷을 전달하고, 그 구성을 초기화하고, ADVANCE 모드로 들어간다. 결국에는, 상기 클러스터내의 모든 노드는 SCHEDULE 패킷을 수신한다. SCHEDULE 패킷을 수신하지 않는 센서노드는 SAMAC 프로토콜과 클러스터 내의 데이터 이송에 관여할 수 없다.

ADVANCE 모드 상태인 동안에는, 각 타임 슬롯마다, 센서노드들은 파워 (슬립모드)를 절약하기 위해서 그들의 안테나를 끄거나 또는 통신 이벤트에 관여하기 위해서 그 안테나를 계속 유지시킨다. SLEEP 모드로의 결정은 SCHEDULE 패킷으로부터 수신되는 센서의 타임 스케줄에 의해 이루어진다. 노드A의 예시적인 스케줄정보는 표1에 도시된다.

활성화	타임 슬롯	활성 영역
True	0	2
True	1	1
True	2	3
False	3	X

이 표에서는, 슈퍼 프레임은 4개의 타임 슬롯으로 구성된다. 슬롯 3에서는, 노드A가 활성화되어 있지 않아서, SLEEP 모드에서는 특정된 영역번호를 갖고 있지 않다. 이러한 스케줄에 따라서, 센서 노드가 활성화될 때, 주어진 타임 슬롯에서 그 영역들 중에 오직 하나의 영역을 통해서 통신할 수 있다. 예를 들면, 표 1에서, 노 드A는 타임 슬롯 2에서 제3 영역 상의 이웃들과 통신할 수 있다. 따라서, 노드 A는 채널에 패킷을 전송하고 타임슬롯 2에서 제 3 영역 상의 프로토콜 스택에 수신된 패킷을 전달할 수 있다. 그러나, 노드 A는 다른 영역으로는 패킷을 전송할 수 없다. 게다가, 다른 영역으로부터 수신된 패킷은 물리층에 저장되고 SAMAC이 이 패킷을 처리할 필요가 있기 전에는 SAMAC로 전달되지 않는다.

도 6은 SAMAC에서 타임슬롯 구조를 예시한 것이다. 각 타임 슬롯에 시작시점에서, 노드들은 자신들이 타임슬롯에서 활성화되어 있는지 아닌지를 판단하기 위해서 그들의 스케줄 정보를 확인한다. 노드가 타임슬롯에서 활성화되어 있으면, 이 노드는 통신이벤트에 참여할 수 있다. 이 이벤트 참여는 데이터 송신 (TX) 또는 데이터 수신 (RX)일 수 있다. 처리되어야 할 다른 노드와의 통신이 있는지를 판단하기 위해 할당된 MIN AWAKE TIME으로 불리는 일정분량의 시간이 존재한다.

도 7은 슬립 모드 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다. 이 노드가 송신할 데이터가 없고 이 MIN AWAKE TIME 시간 동안에 데이터 수신이 없다면, 도 7(a)에 도시된 바와 같이 노드는 SLEEP 모드로 들어갈 것을 결정을 한다. 이 상태에서, 모든 안테나는 파워를 절약하기 위해서 전원을 끈다. 따라서, 노드가 그의 안테나를 켤 때까지 채널과의 상호작용이 없다. 한편, 통신 이벤트 (TX/RX)가 있다면, 이 이벤트는 즉시 처리된다.

각 통신 (TX/RX) 기간의 마지막 시점에서, 노드들은 수행될 필요가 있는 새로운 송신/수신이 존재하는지 아닌지를 판단하기 위해서 다른 MIN AWAKE TIME를 기다린다. 만약 MIN AWAKE TIME에 대한 트래픽(traffic)이 없다면, 도 7(b)에 도시된 바와 같이 노드는 즉시 SLEEP 모드로 들어가고, 그렇지 않으면 트래픽이 처리된다.

도 6에서, MIN AWAKE TIME은 노드가 하나의 타임 슬롯에서 활성화될 수 있는 최대 기간을 의미한다. 슬롯 시작 시간으로부터 MIN AWAKE TIME후에 노드는 도 8에 도시된 바와 같이 자신의 상태에 상관없이 슬립모드에 들어간다. MIN AWAKE TIME은 구성 파라미터이고 ADVANCE 모드에서 의무 주기 (duty cycle)을 나타낸다.

노드가 활성 슬롯에서 전송되어야 하는 패킷을 갖는다면, 통신 채널은 수신자 노드와의 4-방향 RTS/CTS/DATA/ACK 신호변경(handshake)을 이용하여 예약되어야 한다. 이 신호변경 메커니즘은 동일한 그룹에서 노드 간에 발생하는 모든 충돌을 제거하기 위해 사용된다. 이 공정을 초기화하기 위해서 RTS 패킷을 송신하기 전에, 노드는 일정한 분량의 시간 동안에 채널 액세스로부터 백오프(BACKOFF)할 필요가 있다.

백오프 동안에, 노드가 채널이 바쁜 걸로 감지하면, 노드는 그 백오프를 중단하고 채널이 다시 한가해질 때까지 기다린다. 채널이 일단 한가해지면, 노드는 그 백오프 기간을 계속할 수 있다. 백오프 기간이 완료되면, 노드는 RTS/CTS/DATA/ACK 순서를 이용하여 통신을 시작한다. 노드가 MIN AWAKE TIME에 슬립(sleep)할 필요가 있다면, 백오프 카운터는 중단되어 나머지 백오프 기간이 다음 슈퍼 프레임에서 동일한 슬롯 타임 동안 사용되기 위해 절약된다.

SAMAC는 각 활성 슬롯 타임에 대한 개별적인 백오프 값을 갖는다. 예를 들면, 노드가 타임슬롯1의 끝부분에서 나머지 백오프 타임을 가질 때, 이 값은 다음 슈퍼프레임의 타임슬롯 1에서 사용될 것이다. 모드의 다른 영역에서의 통신 활동은 다를 수 있기 때문에 이것이 필요하다. 따라서, SAMAC는 개별적 타임슬롯에서 RTS/CTS/DATA/ACK 프레임 순서를 갖고 종래의 백오프 절차를 이용하고, 다음 슈퍼프레임의 동일한 타임 슬롯에서 사용하기 위해 백오프 상태를 저장한다. 각 타임 슬롯은 노드의 다른 영역과 연관되어있기 때문에, SAMAC는 다른 영역들에서의 다른 트래픽간의 차이를 효과적으로 구별시킨다. SAMAC는 두 개의 트래픽 방향을 다룬다. 클러스터 헤드로의 트래픽은 상류 트랙픽으로 불린다. 한편 클러스터 헤드로부터의 트래픽은 하류 트래픽으로 불린다. SAMAC는 백오프 절차에서 상류 및 하류 트래픽을 다르게 처리한다. 상류 트래픽은 센서로부터 클러스터 헤드로 전파되고 급한 데이터를 전달하기 때문에, 상류 RTS 프레임을 전송하기 위한 백오프 윈도우는 하류 트래픽의 백오프 윈도우보다 작다. 불완전한 백오프 기간에 의한 채널 예약의 각 실패 후에 백오프 윈도우는 상한에 도달할 때까지 선형적으로 증가한다.

SAMAC를 이용하여 송신되어야 하는 패킷은 내부 SAMAC열 내부에 저장된다. SAMAC에는 각 타임 슬롯에 대해서 별도의 열이 존재한다. 일단 패킷이 MAC층에 도착했을 때, 다음 홉이 결정된다. 상기 패킷이 상류 패킷인 경우에는, 다음 홉은 현재 노드의 부모이다. 따라서, 상기 노드는 그의 부모와 통신하고 패킷을 지정된 슬롯 열에 삽입할 수 있는 슬롯 타임을 찾는다. 패킷 삽입은 열의 끝에서 실행되고, 패킷들은 열의 선단으로부터 POP된다. 패킷은 타임 슬롯에서 전송될 수 없고 재전송 한계치를 넘지 않는다면, 이 패킷은 열의 상부로 밀리고, 다음 슈퍼프레임에서 처리된다. 도 9는 내부 SAMAC 열들을 도시한 것이다.

한편, 상술한 본 발명의 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 방법 발명은 컴퓨터에서 읽을 수 있는 코드/명령들(instructions)/프로그램으로 구현될 수 있다. 클러스터 내의 다수의 센서 노드들을 복수의 그룹으로 분류하는 단계; 상기 분류된 그룹들마다 각각의 타임 슬롯을 할당하는 단계; 및 상기 할당된 타임 슬롯에 따라 데이터 통신을 수행하는 단계를 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체가 본원발명의 또 다른 특징이 된다.

예를 들면, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 이용하여 상기 코드/명령들/프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는 마그네틱 저장 매체(예를 들어, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크, 마그네틱 테이프 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장 매체를 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드를 내장하는 매체(들)로서 구현되어, 네트워크를 통해 연결된 다수개의 컴퓨터 시스템들이 분배되어 처리 동작하도록 할 수 있다. 본 발명을 실현하는 기능적인 프로그램들, 코드들 및 코드 세그먼트(segment)들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의해 쉽게 추론될 수 있다.

이러한 본원 발명인 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 방법을 설명하기 위한 일 실시예의 플로차트이다.

도 2는 도 1의 클러스터 내의 다수의 센서 노드들을 복수의 그룹으로 분류하는 단계를 설명하기 위한 일 실시예의 플로차트이다.

도 3은 노드A에 대한 그룹을 지정하는 과정을 예시한 도면이다.

도 4는 서로 다른 유형의 발생 가능한 충돌의 유형을 나타낸다.

도 5는 타임 슬롯 할당을 예시한 도면이다.

도 6은 SAMAC에서 타임슬롯 구조를 예시한 도면이다.

도 7은 슬립 모드 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.

도 8은 MIN AWAKE TIME 시간 후에 슬립 모드로 들어가는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 9는 내부 SAMAC 열들을 예시한 도면이다.

Claims (9)

1. 클러스터 내의 다수의 센서 노드들을 복수의 그룹으로 분류하는 단계;

   상기 분류된 그룹들마다 각각의 타임 슬롯을 할당하는 단계; 및

   상기 할당된 타임 슬롯에 따라 데이터 통신을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 센서 노드들을 상기 복수의 그룹으로 분류하는 단계는

   상기 센서 노드들에 이웃하는 이웃 노드들의 이웃 관계정보를 수집하는 단계; 및

   상기 수집된 이웃 관계정보를 사용해, 최단 경로 트리에 따라 상기 센서 노드들의 그룹을 지정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 분류된 그룹들마다 각각의 타임슬롯을 할당하는 단계는

   상기 센서 노드들에 이웃하는 이웃 노드들의 이웃 관계 정보 및 상기 이웃 관계 정보에 따른 각 이웃 노드들의 충돌 관계를 고려하여 각각의 타임 슬롯을 할 당하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 할당된 타임 슬롯에 따라 데이터 통신을 수행하는 단계는

   상기 센서 노드들은 자신의 타임 슬롯에 해당하지 않는 기간에는 슬립모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 방법.
5. 클러스터 내의 다수의 센서 노드들; 및

   상기 다수의 센서 노드들을 복수의 그룹으로 분류하고, 상기 분류된 그룹들마다 각각의 타임 슬롯을 할당하는 클러스터 헤드 노드를 포함하고,

   상기 할당된 타임 슬롯에 따라 상기 센서 노드들과 상기 클러스터 헤드 노드 사이의 데이터 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 다수의 센서 노드들은

   각각 전 방향에 대해 신호를 수신하고 특정 영역으로 신호를 송신하는 다중 영역 안테나 및 통신을 컨트롤하는 트랜시버를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 클러스터 헤드 노드는

   상기 센서 노드들에 이웃하는 이웃 노드들의 이웃 관계정보를 수집하고, 상기 수집된 이웃 관계정보를 사용해, 최단 경로 트리에 따라 상기 센서 노드들의 그룹을 지정하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 장치.
8. 제5항에 있어서, 상기 클러스터 헤드 노드는

   상기 센서 노드들에 이웃하는 이웃 노드들의 이웃 관계 정보 및 상기 이웃 관계 정보에 따른 각 이웃 노드들의 충돌 관계를 고려하여 각각의 타임 슬롯을 할당하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 장치.
9. 제5항에 있어서,

   상기 센서 노드들은 자신의 타임 슬롯에 해당하지 않는 기간에는 슬립모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드 간의 타이밍 스케줄링 장치.

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