KR20100066310A - 데이터 전달을 보장하는 무선 센서 네트워크 장치 및 이를 이용한 데이터 전달 보장 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 센서 노드로 명명되는 디바이스들로 구성된 네트워크의 생존시간을 연장시키면서 서비스 품질을 구분하고 사전에 설정된 등급별로 데이터 전달을 보장하기 위한 것으로 사전에 설정된 서비스 등급에 따라 백오프 값을 설정하여 데이터 송수신을 제어하는 싱크와, 상기 싱크로부터의 상기 백오프 값에 따라 데이터 전송 동작 및 휴면 동작을 수행하는 적어도 하나의 노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전달을 보장하는 무선 센서 네트워크 장치 및 이를 이용한 데이터 전달 보장 방법을 제공한다.
무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network), 백오프(Back-Off), CSMA(Carrier Sense Multiple Access)
Description
본 발명은 무선 센서 네트워크 장치 및 이를 이용한 데이터 전달 보장 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 센서 노드로 명명되는 디바이스들로 구성된 네트워크의 생존 시간을 연장시키면서 서비스 품질을 구분하고 사전에 설정된 등급별로 데이터 전달을 보장하는 무선 센서 네트워크 장치 및 이를 이용한 데이터 전달 보장 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 가장 널리 애용되고 있는 유/무선 LAN 및 CDMA는 음성은 물론 비디오, 데이터 통신, 멀티미디어 콘텐츠와 같이 실시간성(Real-time), 최선 전달성 (Best-effort), 버스트성(Burst) 등과 같은 특성을 가진 다양한 데이터를 전달할 수 있다.
이러한 유/무선 네트워크는 응용의 요구조건에 따라 다양한 방식으로 서비스 등급을 분류하는 방법과 품질을 제공할 수 있으며, 자원예약(resource reservation), 호 수락 제어(admission call control), 감찰(policing), 패킷 스케 줄링(packet scheduling) 등과 같은 기능을 겸비하고 있다.
일반적으로 서비스 품질(Quality of Service)은 종단간 지연(end-to-end delay), 패킷 손실(packet loss), 전달 성능(throughput)과 같은 전기적인 특성으로 정의될 수 있다.
한편, 상술한 유/무선 네트워크의 일환인 센서 네트워크는 환경감시, 의학, 건설, 자산관리, 로봇 탐사 등과 같은 다양한 응용 분야에 사용될 수 있고, 응용 분야가 다양한 만큼 다양한 센서/이벤트 데이터 전달 요구사항을 지닌다. 또한, 여러 응용 분야에서 활용 가능한 센서(이벤트)의 종류 및 전기적 특성이 서로 다른 이종 센서 들간에 가능한 조합으로부터 무수한 응용 서비스가 가능하다.
그러나, 센서 네트워크가 사용되는 응용 분야의 대부분이 열악한 환경에서 센서 네트워크가 설치되며, 센서 네트워크가 기존의 유/무선 네트워크와 상대적으로 적은 용량의 제한된 전원으로 동작하므로 기존 네트워크에서 제공하는 서비스 등급을 분류하는 방법과 품질을 제공하는 기능을 도입할 수 없는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 센서 노드로 명명되는 디바이스들로 구성된 네트워크의 생존시간을 연장시키면서 서비스 품질을 구분하고 사전에 설정된 등급별로 데이터 전달을 보장하는 무선 센서 네트워크 장치 및 이를 이용한 데이터 전달 보장 방법을 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면은 사전에 설정된 서비스 등급에 따라 백오프 값을 설정하여 데이터 송수신을 제어하는 싱크와, 상기 싱크로부터의 상기 백오프 값에 따라 데이터 전송 동작 및 휴면 동작을 수행하는 적어도 하나의 노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전달을 보장하는 무선 센서 네트워크 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 싱크는 상기 서비스 등급에 따라 상기 백오프 값을 계산하는 품질 계산부와, 상기 백오프 값을 상기 노드에 전송하여 데이터 송수신을 제어하고, 상기 노드에 의해 실행된 백오프 값의 통계치를 피드백받는 송수신 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 싱크는 상기 송수신 제어부로부터의 상기 백오프 값의 통계치를 전송받아 각 노드의 백오프 값의 통계치를 평 균하고, 상기 품질 계산부의 백오프 값 계산을 보정하게하는 품질 통계 처리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 노드는 상기 싱크로부터의 상기 백오프 값을 전달받고, 상기 백오프 값의 통계치를 상기 싱크에 전송하는 통계 처리부와, 상기 통계 처리부로부터의 상기 백오프 값에 따라 상기 데이터 전송 동작 및 휴면 동작을 수행하고, 상기 백오프 값의 통계치를 상기 통계 처리부에 전달하는 CSMA 처리부를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 백오프 값은 백오프 시간 및 횟수일 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면은 무선 센서 네트워크의 싱크가 사전에 설정된 서비스 등급에 따라 백오프 값을 설정하는 단계와, 무선 센서 네트워크의 적어도 하나의 노드가 데이터 전송 경로가 점유 중이면 상기 백오프 값에 따라 휴면하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 장치를 이용한 데이터 전달 보장 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 데이터 전송 경로가 점유 중이 아니면 상기 데이터 전송 경로로 데이터를 전송하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 데이터 전송 이후, 상기 백오프 값을 재설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 백오프 값은 백오프 시간 및 횟수일 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 휴면 단계는 상기 데이터 전송 경로가 점유인지 판단하는 단계와, 상기 데이터 전송 경로가 점유 중이면 상기 백오프 값에 따른 시간동안 휴면하는 단계와, 상기 백오프 값에 따른 백오프 횟수를 초과했는지 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 센서 노드로 명명되는 디바이스들로 구성된 무선 센서 네트워크에서 사전에 설정된 서비스 등급별로 백오프 시간 및/또는 횟수를 달리 설정하여 데이터 전달을 보장할 수 있는 효과가 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 일반적인 무선 센서 네트워크의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 무선 센서 네트워크(100)는 싱크(110)와 복수의 노드(120)로 구성된 네트워크(N)로 이루어지며, 무선 센서 네트워크(100)의 데이터 전달 경로는 노드(120)들의 조합으로 이루어질 수 있다. 싱크(110)는 노드(120)들 로부터의 데이터를 취합하여 외부의 LAN과 같은 네트워크로 전송할 수 있다.
현재 무선 매체를 공유하는 네트워크에서 데이터 전달의 품질을 구분하고 보장하는 방법으로는 대표적으로 시간할당 기반의 TDMA(Time Division Multiple Access)와 경쟁기반의 CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)가 있다.
TDMA는 사전예약을 통하여 독립적인 전송시간을 할당받고, CSMA는 임의 단말이 매체를 사용하고 있으면 매체 사용을 포기하는 백오프(back-off)를 임의 시간 동안 수행함으로써 충돌 상황을 피하는 방법이다. 물러나는 시간의 임의성(randomness)로 인하여 단말간에 매체를 공평하게 공유할 수 있다는 것을 특징으로 한다.
무선 센서 네트워크에서는 경쟁기반의 순수 CSMA-CA와 IEEE802.15.4가 대표적인 무선 매체 공유 방법인데 주로 비활성화(idle) 또는 휴면(sleeping)시간을 늘여 저전력 통신을 하기 위한 방법이 고안되어 오고 있다.
IEEE802.15.4는 슬롯기반(slotted)과 비슬롯 기반(unslotted) CSMA-CA를 제공하는데, 특히, 슬롯기반 CSMA-CA는 매체 공유 시간을 비경쟁 구간(Contention Free Period)과 경쟁구간(Contention Period)으로 구분함으로써 서비스 품질을 크게 두 가지로 제공할 수 있다. 실시간성 서비스는 비경쟁 구간에 할당, 전송함으로써 경쟁구간에서 발생하는 충돌 상황으로 인한 지연을 겪지 않게 된다.
본 발명은 짧은 백오프 값을 가지는 데이터는 상대적으로 긴 백오프 값을 가지는 데이터보다 짧은 시간 동안 기다렸다가 전달 순서가 할당되는 CSMA-CA에서의 매체 공유 액세스 특성을 활용하되, 백오프 값을 원하는 영역으로 조정함에 따라 데이터의 전달 특성을 조절하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 멀티 홉으로 구성되는 연쇄적인 전달의 경우에도 각각 홉에서 같은 백오프 값을 할당하는 상황에서는 우선 전달을 보장할 수 있고, 각 홉에서 다른 백오프 값으로 할당되는 상황에서는 네트워크 관점의 점대점(end-to-end) 전달에서는 다양한 조합의 품질 등급이 가능하게 된다. 따라서, 백오프 값의 범위를 구분함으로써 서비스 품질의 등급이 다변화되고 서비스 품질의 등급화 및 제공을 가시화시킨다.
도 2는 무선 센서 네트워크에 채용된 본 발명의 싱크의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 상술한 무선 센서 네트워크에 있어서, 데이터 전달을 보장하기 위해 본 발명의 싱크(110)는 품질 계산부(111), 송수신 제어부(112) 및 품질 통계 처리부(113)를 포함할 수 있다.
품질 계산부(111)는 사전에 설정된 서비스 등급에 따라 백오프 값을 설정한다. 상술한 서비스 등급의 설정 기준으로는 데이터 지연 시간, 데이터 손실, 전달 성능 등을 예로 들을 수 있다. 상기 백오프 값은 백오프 시간 및 백오프 횟수일 수 있다.
송수신 제어부(112)는 품질 계산부(111)로부터의 백오프 값에 따라 노드(120)의 데이터 전달 동작 및 휴면 동작을 제어하고 노드(120)로부터 피드백된 백오프 값의 통계치를 수신받는다. 피드백된 백오프 값의 통계치는 품질 통계 처리부(113)에 전달된다.
품질 통계 처리부(113)는 각 노드(120)로부터 피드백된 백오프 값의 통계치를 취합하고 평균하여 품질 계산부(111)에 백오프 값 보정을 위해 전달될 수 있다.
도 3은 무선 센서 네트워크에 채용된 본 발명의 노드의 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 상술한 무선 센서 네트워크에 있어서, 데이터 전달을 보장하기 위해 본 발명의 노드(120)는 통계 처리부(121)와 CSMA 처리부(122)를 포함할 수 있다.
통계 처리부(121)는 싱크(110)의 송수신 제어부(112)로부터의 상기 백오프 값을 전달받고, 상기 백오프 값에 따른 데이터 전송동작 및 휴면 동작에 의한 상기 백오프 값의 통계치를 싱크(110)의 송수신 제어부(112)에 전송한다.
CSMA 처리부(122)는 통계 처리부(121)로부터의 상기 백오프 값에 따라 데이터 전송 동작 및 휴면 동작을 수행하고, 상기 백오프 값의 통계치를 통계 처리부(121)에 전달한다.
도 4는 본 발명의 데이터 전달 보장 방법을 나타내는 플로우 챠트이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 무선 센서 네트워크 장치를 이용한 데이터 전달 보장 방법은, 먼저 무선 센서 네트워크의 싱크(110)가 사전에 설정된 서비스 등급에 따라 백오프 값을 설정한다(S10).
상기 백오프 값은 적어도 하나의 노드(120)에 전송된다.
이후, 노드(120)는 데이터 전송 경로가 점유 중이면 상기 백오프 값에 따라 일정 시간 동안 휴면하고(S20), 상기 데이터 전송 경로가 점유 중이 아니면 데이터를 전송한다(S30).
즉, 노드(120)는 상기 데이터 전송 경로가 점유인지 아닌지를 판단하여(S21), 상기 데이터 전송 경로가 점유 중이면 상기 백오프 값에 따른 일정시간 동안 휴면하고(S220), 상기 백오프 값에 따른 백오프 횟수가 초과됐는지 판단하여 데이터 전송을 포기하거나, 상기 데이터 전송 경로가 점유인지 아닌지를 다시 판단한다(S23).
상기 데이터 전송 이후, 싱크(110)는 노드(120)로부터의 백오프 값의 통계치에 따라 백오프 값을 재설정(S40)할 수 있다.
도 5는 일반적인 CSMA-CA에서 임의의 백오프 값에 따른 전송 지연을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 노드 a의 패킷a이 전송되고 있는 시간에 노드 b가 패킷b 를 전송하려고 데이터 전송 경로 사용을 확인하니, 노드 a가 사용 중이므로 임의의 백오프 값에 따라 시간이 (t2-t1)만큼 할당되어 t2까지는 패킷b를 전송하지 못하고 t2까지 휴면한다. 이후, t2에서 활성화되어 노드 b가 데이터 전송 경로 사용을 확인하니 그동안 노드 a가 패킷 a의 전송을 마쳤으므로 노드 b가 전송 기회를 얻게 된다. 따라서, t2에서 노드 b가 패킷b 전송을 시작한다. 노드 b가 패킷b 전송을 계속하고 있는 t3에 노드 a가 패킷c를 전송하고자 하나, 노드 b가 데이터 전송 경로를 사용하고 있으므로 백오프 값에 의한 시간을 (t4-t3)만큼 할당 받는다. 이어서, 백오프 값에 의한 시간이 경과한 t4 순간에는 아무도 데이터 전송 경로를 사용하고 있지 않으므로 노드 a가 패킷 c를 전송하게 된다.
도 6은 서비스 등급에 따른 백오프 값의 일 실시예를 나타내는 표이다.
도 6을 참조하면, 백오프 값에 의한 전송 지연을 서비스 품질로 구분하는 일 실시예를 나타낸다.
즉, 첫 번째 열에는 n가지 서비스 등급에 대해서 정의하고, 두 번째 열에는 백오프 값을 각 서비스 등급에 활용하는 방법을 보여주는데, 여기서는 균등한 지연 특성을 제공하기 위해 최대 백오프 설정 값을 균등하게 배분한 후, 배수의 조건으로 서비스 품질을 제공하고 있음을 보여 준다.
도 7은 본 발명에 따른 슬롯기반의 CSMA-CA에서 백오프 시간에 따른 전송 지연을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에서 구분된 서비스 등급에 따라 백오프 값에 따른 전송 지연을 슬롯기반(slotted) CSMA-CA에서 보여주고 있다.
즉, 비컨과 비컨 사이로 구분되는 비컨 구간의 경쟁구간(CAP: Contention Access Period)에서 1에서 3등급의 서비스를 제공하는 실시예로서, 1등급 서비스의 패킷은 휴면 구간을 사이에 두고 패킷D를 전송한다. 2등급의 서비스의 패킷은 패킷G, 그 다음 경쟁 구간에서도 (macMaxCSMABackoffs/n)의 물러나기 값 후에 전송된다. 3등급의 서비스의 패킷은 현재 경쟁 구간에서 (macMaxCSMABackoffs/n) x 2의 물러나기 시간 후에 패킷 S를 보내고 다음 비컨 구간이 올 때까지 휴면에 들어간다.
도 8은 본 발명에 따른 비슬롯기반의 CSMA-CA에서 백오프 시간에 따른 전송 지연을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 6에서 구분된 서비스 등급에 따라 백오프 값에 따른 전송 지연을 비슬롯기반(unslotted) CSMA-CA에서 보여주고 있다.
노드 a의 패킷a가 전송되고 있는 시간에 노드 b가 패킷 b를 전송하려고 데이터 전송 경로의 사용을 확인하니, 노드 a가 사용 중이므로 백오프 값에 따른 시간이 (t2-t1)만큼, 즉 (macMaxCSMABackoffs/n) x 2만큼 할당되어 t2까지는 패킷b 를 전송하지 못하고 t2까지 휴면을 한다. t2에서 활성화되어 노드 b가 데이터 전송 경로의 사용을 확인하니 그동안 노드 a가 패킷 a의 전송을 마쳤으므로 노드 b가 전송 기회를 얻게 된다. 따라서, t2에서 노드 b가 패킷 b 전송을 시작한다. 노드 b가 패킷b 전송을 계속하고 있는 t3에 노드 a가 패킷 c를 전송하고자 하나, 노드 b가 데이터 전송 경로를 사용하고 있으므로 백오프 값에 의한 시간이 (t4-t3)만큼, 즉 (macMaxCSMABackoffs/n)만큼 할당받는다. 연이어 백오프 값에 의한 시간만큼 경과한 t4 순간에는 아무도 데이터 전송 경로를 사용하고 있지 않으므로 노드 a가 패킷 c를 전송하게 된다.
도 9는 서비스 등급에 따른 백오프 값의 다른 일 실시예를 나타내는 표이다.
도 9는 백오프 값이 시간뿐만 아니라 백오프 회수, 즉 재전송 회수도 등급 인자로 도입한 실시예이다. 임의의 백오프(random back-off)를 실행하는 CSMA-CA 경우에도 지속적으로 패킷을 전달하지 못할 경우가 부득이하게 발생하므로 종단 데이터 전달의 품질에 영향을 주게 된다. 도 9은 센서 노드에서 발생한 데이터가 전달되어야 하는 전달 지연 요구사항 내에서 물러나기 값과 재전송 회수의 조합에 의하여 제공되는 서비스의 등급을 보여준다. 단, 전달 지연 요구사항과 관련된 값은 MAC 계층 상위의 서비스 요구사항에 종속되어 결정된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 서비스 등급에 따라 백오프 시간 및/또는 횟수를 설정하여 네트워크의 생존 시간을 연장시키면서 서비스 품질을 구분하고 사전에 설정된 등급별로 데이터 전달을 보장할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
도 1은 일반적인 무선 센서 네트워크의 개략적인 구성도.
도 2는 무선 센서 네트워크에 채용된 본 발명의 싱크의 개략적인 구성도.
도 3은 무선 센서 네트워크에 채용된 본 발명의 노드의 개략적인 구성도.
도 4는 본 발명의 데이터 전달 보장 방법을 나타내는 플로우 챠트.
도 5는 일반적인 CSMA-CA에서 임의의 백오프 값에 따른 전송 지연을 나타내는 도면.
도 6은 서비스 등급에 따른 백오프 값의 일 실시예를 나타내는 표.
도 7은 본 발명의 슬롯기반의 CSMA-CA에서 백오프 시간에 따른 전송 지연을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 비슬롯기반의 CSMA-CA에서 백오프 시간에 따른 전송 지연을 나타내는 도면.
도 9는 서비스 등급에 따른 백오프 값의 다른 일 실시예를 나타내는 표.
<도면의 주요 부호에 대한 상세한 설명>
100...무선 센서 네트워크 110...싱크
111...품질 계산부 112...송수신 제어부
113...품질 통계 처리부 120...노드
121...통계 처리부 122...CSMA 처리부
Claims (10)
- 사전에 설정된 서비스 등급에 따라 백오프 값을 설정하여 데이터 송수신을 제어하는 싱크; 및상기 싱크로부터의 상기 백오프 값에 따라 데이터 전송 동작 및 휴면 동작을 수행하는 적어도 하나의 노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전달을 보장하는 무선 센서 네트워크 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 싱크는상기 서비스 등급에 따라 상기 백오프 값을 계산하는 품질 계산부; 및상기 백오프 값을 상기 노드에 전송하여 데이터 송수신을 제어하고, 상기 노드에 의해 실행된 백오프 값의 통계치를 피드백받는 송수신 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전달을 보장하는 무선 센서 네트워크 장치.
- 제2항에 있어서,상기 싱크는 상기 송수신 제어부로부터의 상기 백오프 값의 통계치를 전송받아 각 노드의 백오프 값의 통계치를 평균하고, 상기 품질 계산부의 백오프 값 계산을 보정하게하는 품질 통계 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전달 을 보장하는 무선 센서 네트워크 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 노드는상기 싱크로부터의 상기 백오프 값을 전달받고, 상기 백오프 값의 통계치를 상기 싱크에 전송하는 통계 처리부; 및상기 통계 처리부로부터의 상기 백오프 값에 따라 상기 데이터 전송 동작 및 휴면 동작을 수행하고, 상기 백오프 값의 통계치를 상기 통계 처리부에 전달하는 CSMA 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전달을 보장하는 무선 센서 네트워크 장치.
- 제1항에 있어서,상기 백오프 값은 백오프 시간 및 횟수인 것을 특징으로 하는 데이터 전달을 보장하는 무선 센서 네트워크 장치.
- 무선 센서 네트워크의 싱크가 사전에 설정된 서비스 등급에 따라 백오프 값을 설정하는 단계; 및무선 센서 네트워크의 적어도 하나의 노드가 데이터 전송 경로가 점유 중이면 상기 백오프 값에 따라 휴면하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 장치를 이용한 데이터 전달 보장 방법.
- 제6항에 있어서,상기 데이터 전송 경로가 점유 중이 아니면 상기 데이터 전송 경로로 데이터를 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 장치를 이용한 데이터 전달 보장 방법.
- 제7항에 있어서,상기 데이터 전송 이후, 상기 백오프 값을 재설정하는 단계를 더 포함하는 것을 무선 센서 네트워크 장치를 이용한 데이터 전달 보장 방법.
- 제6항에 있어서,상기 백오프 값은 백오프 시간 및 횟수인 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 장치를 이용한 데이터 전달 보장 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 휴면 단계는상기 데이터 전송 경로가 점유인지 판단하는 단계;상기 데이터 전송 경로가 점유 중이면 상기 백오프 값에 따른 시간동안 휴면하는 단계; 및상기 백오프 값에 따른 백오프 횟수를 초과했는지 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 장치를 이용한 데이터 전달 보장 방법.
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