KR20100070112A

KR20100070112A - 비동기식 ｍａｃ 프로토콜에 기반한 센서 노드 및 그 센서 노드에서 수행되는 데이터 송수신 방법

Info

Publication number: KR20100070112A
Application number: KR1020080128716A
Authority: KR
Inventors: 김세한; 김내수; 표철식; 추은상; 조병관
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-06-25
Also published as: KR101190864B1; US20100150043A1

Abstract

Wake-Up 트랜시버를 활용한 비동기식 MAC 프로토콜에 기반한 센서 노드가 개시된다. 센서 노드는 데이터 송수신을 위한 주 트랜시버; 노드의 상태 전환을 위한 웨이크업 트랜시버; 및 비활성 상태의 수신 노드를 활성 상태로 깨우기 위해 웨이크업 트랜시버를 통해 웨이크업 프레임을 적어도 하나의 수신 노드로 전송하며, 웨이크업 프레임을 수신하여 활성화된 수신 노드로 상기 주 트랜시버를 통해 데이터를 전송하는 마이크로 컨트롤 유닛;을 포함한다. 이에 의해 동기식 방식에서 사용되면 불필요한 전력 소비를 줄이며, 홉간 지연 감소, 시간 동기를 위해 별도의 구현이 필요한 부분을 감소시켜 효율적인 센서 네트워크를 구성한다.

Description

비동기식 ＭＡＣ 프로토콜에 기반한 센서 노드 및 그 센서 노드에서 수행되는 데이터 송수신 방법{Asynchronous MAC protocol based sensor node using Wake-Up transceiver and data transmitting/receiving method in the sensor}

본 발명은 유비쿼터스 센서 네트워크에 관련된 것으로, 특히 유비쿼터스 센서 네트워크를 구성하는데 있어서 사용되는 매체접근제어 프로토콜에 관한 것이다.

본 연구는 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[과제관리번호: 2005-S-106-04, RFID/USN용 센서 태그 및 센서 노드 기술 개발]

유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network, USN)란 사물에 대한 인식정보 또는 주변의 환경정보를 감지할 수 있는 센서가 탑재된 센서 노드를 통해 무선 센서 네트워크를 구성하고, 다양한 센서들을 통해 입력되는 정보를 실시간으로 네트워크를 통해 외부와 연결하여 정보를 처리하고 관리하는 네트워크 시스템을 의미한다. USN은 궁극적으로 모든 사물에 컴퓨팅 및 통신 기능을 부여함으로써, 언제(anytime), 어디서나(anywhere) 네트워크, 디바이스 또는 서비스에 관계없이 통신 가능한 환경의 구현을 목적으로 한다.

한편, 센서 네트워크는 기존의 데이터 전송을 위한 무선 네트워크와 달리 저전력, 소형, 저가격을 목표로 하는 네트워크로, 배터리를 전원으로 사용하는 것을 기본 전제로 한다. 이렇게 한정된 자원인 배터리를 사용하는 통신 방식을 위해서 미리 정해진 통신 구간인 Active Period에만 통신을 하고, 통신하지 않는 구간인 Inactive Period에서는 무선 트랜시버의 전원을 OFF하여 최소한의 전원만으로 유지되도록 한다.

부연 설명하면, Zigbee 및 IEEE802.15.4 Low-Rate WPAN과 같이 동기식 기반의 센서 네트워크 매체 접근 제어(Medium Access Control, MAC) 프로토콜은 각 센서 노드들이 전원 소비를 최소한으로 사용하기 위해 비활성 주기(Inactive Period)와 활성 주기(Active Period)로 나누어 전원을 사용하고 통신을 하도록 하여 센서 네트워크 전체의 전원 사용을 최소로 하도록 구성된다. 그러나 이 같은 동기식 기반의 센서 네트워크 MAC 프로토콜은 불필요한 전력 소모, 홉간 지연, 시간 동기화 구현으로 인한 오버헤드의 문제를 야기한다.

Zigbee 및 IEEE802.15.4 Low-Rate WPAN과 같이 동기식 기반의 센서 네트워크 MAC 프로토콜을 활용하여 USN을 구성하는데 있어서 발생하는 문제점, 즉 데이터 전달 지연 감소, 시간 동기화로 인한 오버헤드 감소, 배터리 소모량 감소와 같은 문제점을 없애고자 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에서 데이터 전송을 위해 수행되는 데이터 전송 방법은, 비활성 상태에 있는 적어도 하나의 수신 노드가 활성화되도록 수신 노드로 웨이크업(Wake-Up) 프레임을 전송하는 단계; 및 웨이크업 프레임을 수신하여 활성화된 적어도 하나의 수신 노드로 데이터를 전송하는 단계;를 포함한다. 여기서 웨이크업 프레임 전송 단계는, 센서 노드의 주 트랜시버 외에 추가로 구현되는 웨이크업 트랜시버를 통해 웨이크업 프레임을 전송함을 특징으로 한다.

본 발명의 일 양상에 따른 웨이크업 프레임 전송 단계는, 전원이 미공급 상태인 웨이크업 트랜시버에 전원이 공급되도록 하는 단계; 및 전원이 공급된 웨이크업 트랜시버를 통해 웨이크업 프레임을 상기 적어도 하나의 수신 노드로 전송하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 양상에 따른 수신 노드로 데이터를 전송하는 단계는, 전원이 미공급 상태인 상기 주 트랜시버에 전원이 공급되도록 하는 단계; 적어도 하나의 수신 노드로부터 전원이 공급된 주 트랜시버를 통해 웨이크업 프레임에 대한 응답 패킷을 수신하는 단계; 및 응답 패킷을 전송한 수신 노드로 주 트랜시버를 통해 데이터를 전송하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 양상에 따른 수신 노드로 데이터를 전송하는 단계는 응답 신호를 전송한 수신 노드로 응답 확인 패킷을 전송하는 단계;를 더 포함하며, 주 트랜시버를 통해 데이터를 전송하는 단계는 응답 확인 패킷을 전송하는 단계 이후에 수행된다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에서 송신 노드로부터 전송되는 데이터를 수신하기 위해 수행되는 방법은, 비활성 상태에서 송신 노드로부터 전송된 웨이크업(Wake-Up) 프레임을 수신하여 활성 상태로 천이하는 단계; 활성 상태로 천이 후 송신 노드로 웨이크업 프레임 수신에 대한 응답 패킷을 전송하는 단계; 및 응답 패킷을 수신한 송신 노드로부터 전송되는 데이터를 수신하는 단계;를 포함한다. 여기서 웨이크업 프레임은 센서 노드의 주 트랜시버 외에 추가로 구현되는 웨이크업 트랜시버를 통해 수신됨을 특징으로 한다.

본 발명의 일 양상에 따른 활성 상태로 천이하는 단계는, 비활성 상태에서 동작중인 웨이크업 트랜시버가 웨이크업 프레임 수신에 따라 슬립 모드 동작중인 마이크로 컨트롤 유닛으로 웨이크업 인터럽트 신호를 출력하는 단계; 및 웨이크업 인터럽트 신호를 수신하여 활성 모드가 된 마이크로 컨트롤 유닛이 주 트랜시버에 전원이 공급되도록 하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 양상에 따른 활성 상태로 천이하는 단계는, 활성 모드가 된 마 이크로 컨트롤 유닛이 웨이크업 트랜시버로의 전원 공급을 차단하는 단계;를 더 포함한다.

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 송신 센서 노드는 데이터 송수신을 위한 주 트랜시버; 노드의 상태 전환을 위한 웨이크업 트랜시버; 및 비활성 상태의 수신 노드를 활성 상태로 깨우기 위해 상기 웨이크업 트랜시버를 통해 웨이크업 프레임을 적어도 하나의 수신 노드로 전송하며, 상기 웨이크업 프레임을 수신하여 활성화된 수신 노드로 상기 주 트랜시버를 통해 데이터를 전송하는 마이크로 컨트롤 유닛;을 포함한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수신 센서 노드는 데이터의 송수신을 위한 주 트랜시버; 노드의 상태 전환을 위해 비활성 상태에서 동작하는 웨이크업 트랜시버; 및 송신 노드로부터 전송되는 웨이크업 프레임이 상기 웨이크업 트랜시버로 수신되면 현재 비활성 상태에서 활성 상태로 천이하고, 활성 상태에서 동작하는 상기 주 트랜시버를 통해 상기 송신 노드로부터 전송되는 데이터를 수신하는 마이크로 컨트롤 유닛;을 포함한다.

기존의 동기식 방법은 전력 소모를 줄이기 위해 통신할 수 있는 Active 구간과 최소한의 전력을 유지하고 통신을 하지 않는 Inactive 구간의 반복을 통해 전력 소모를 최소화한다. 하지만 이 경우 데이터 전송이 요구되지 않는 경우에도 Actvice 구간이 있어 불필요한 전력 소모를 하며, Active 구간에서만 데이터 전송이 가능하여 홉간 지연의 발생이 매우 크다. 또한 Active/Inactive의 시간 동기화 를 위한 부가적인 구현 기법이 필요하며, 장시간 운영시 시간 동기의 어려움으로 인해 네트워크가 불안정해진다. 이에 본 발명은 송신 노드가 데이터 전송이 필요한 구간에서만 수신 노드를 Wake-Up하여 전송하는 방식을 취함으로써, 동기식의 Active/Inactive의 주기적 동작이 필요 없게 되어 불필요한 전력 소비, 홉간 지연 방지, 동기 구현을 위한 오버헤드 감소를 가능하게 하며, 이로 인한 전송 신뢰성을 달성한다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 IEEE801.15.4의 동기식 방식의 MAC을 이용하여 유비쿼터스 센서 네트워크를 구성한 예시도이며, 도 2는 동기 방식 MAC 운용을 설명하기 위한 예시도이다.

First PAN Coordinator(101)는 센서 네트워크의 구성을 대표하는 노드로서, 센서 네트워크의 무선 자원 활용을 관리하고 외부 망과의 연동 역할을 한다. Coordinator(102, 103, 104, 105)는 센서를 통한 정보 수집과 Device Node(or End Node)(106, 107, 108, 109)에서 수집된 센서 데이터를 중계(Routing)하는 역할을 한다. 도 1에서 점선(dotted line)(101-1, 102-1, 103-1, 104-1, 105-1)은 중앙에 위치한 First Coordinator(101)와 Coordinator(102, 103, 104, 105)의 물리적 전파 도달거리를 의미한다.

센서 네트워크가 구성되기 위해, 노드들간 부모-자식들(Parent-Childs)의 논리적 연결(Association)을 통해 네트워크가 구성된다. 도 1의 경우 노드(101)는 노드(102)의 부모가 되고, 노드(102)는 노드(104)의 부모, 노드(104)는 노드(108)의 부모가 되며, 노드(108)에서 수집된 정보는 상위 부모들인 노드(104)와 노드(102)를 거쳐 노드(101)로 전달되고, 노드(101)은 외부와 연결된 네트워크를 통해 수집된 정보를 최종 전달한다. 이렇게 부모와 자식 간의 연결을 결합(Association)이라는 과정을 통해 논리적 연결을 맺고, 센서 데이터 전달을 연결(결합)된 노드들만을 통해서 전달되게 된다. 예를 들어 노드(108)의 노드의 전파 범위가 노드(102)와 노드(104) 모두 가능하더라도 반드시 노드(104)를 거쳐 노드(102)에게 전달된다.

이러한 망 구성을 위해서 IEEE802.15.4는 도 2와 같이 MAC을 운용한다. 비활성 주기(Inactive Period) 동안은 센서 노드들의 전원을 최소로, 활성 주기(Active Period) 동안에만 센서 노드들이 동작하여 통신을 할 수 있도록 전원을 정상적으로 운용함으로써, 센서 네트워크 전체의 전원 사용이 최소로 되도록 MAC 프로토콜이 구성된다. 이러한 구성을 위해, Active/Inactive Period의 구성(무선 자원의 설계)은 First Coordinator에서 설정되어 First Coordinator 및 각 Coordinator의 주기적인 Beacon 패킷 전송을 통해 각 Coordinator에 속한 자식 노드들에게 송신되어, Beacon에 포함된 무선 Active/Inactive Period의 시간 동기에 맞추어 동작하게 된다. 이런 주기적 Beacon 전송에 의해 네트워크를 구성하는 센 서 노드들은 항상 Active/Inactive 구간을 유지해야 한다.

이 같은 방식으로 인해 실제 데이터 전송이 불필요한 경우에도 센서 노드들은 Active/Inactive 구간에 맞게 동작하여야 하고, 또한 Active 구간에만 데이터 전송이 가능하기 때문에 불필요한 전원소비가 발생하게 된다. 또한 그로 인한 홉간 딜레이가 발생하는 단점이 있다. 또한 Beacon에 의한 정확한 타이밍을 유지하기 위해 구현이 복잡한 단점이 있다.

이에 본 발명은 Wake-Up 통신 모듈을 이용해 필요할 때만 통신을 하도록 하는 비동기식 MAC 프로토콜에 대해 제안한다. 이를 통해 데이터 전달 지연 감소, 시간 동기화로 인한 오버헤드 감소, 배터리 소모량을 감소시키고자 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Wack-Up RF를 활용한 비동기식 MAC 프로토콜의 운영을 설명하기 위한 참조도이다.

평상시 송수신하려는 패킷이 없는 경우에는 기존의 동기식에서 주기적으로 Actvie/Inactive로 유지되는 상태와 다르게 비동기식 MAC에서는 항상 Inactive 상태로 유지되고, 패킷 전송이 필요할 때만 Active 상태를 유지하도록 한다. 평상시 저전력으로 유지되던 Inactive 상태의 센서 노드를 Active 상태로 만들기 위해, 송신 노드는 Wake-Up 패킷을 이용해서 수신 센서 노드를 깨우게 된다. 수신 센서 노드가 Inactive 상태에서 Active 상태로 전환된 후 송신 센서 노드는 데이터 패킷을 전송한다. 이후 송신 센서 노드에서 더 이상 전송할 패킷이 존재하지 않으면, 수신 센서 노드는 다음 이벤트가 발생할 때까지 계속해서 Inactive 상태로 머무르게 된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 블록도이다.

센서 노드는 센서 데이터의 송신 혹은 수신에 따라 송신 노드(410)와 수신 노드(420)로 구분될 수 있다. 센서 노드는 센서 데이터의 처리 및 MAC 소프트웨어(SW)가 탑재되어 무선 트랜시버를 제어하는 제어부(Micro Control Unit, MCU)(411)(421), 데이터 전송을 위한 주 트랜시버(Main Transceiver)(412)(422), Inactive 상태의 센서 노드를 Active 상태로 깨우기 위한 웨이크업 트랜시버(이하 ‘Wake-Up RF 모듈’이라 한다)(413)(423)로 구성된다.

송신할 데이터 패킷을 가지는 송신 노드(410)는 활성 상태로 동작하며, 패킷을 수신할 수신 노드(420)는 비활성 상태로 동작한다. 활성 상태는 Full Power Mode로서, MCU(411)가 활성화되고 Main Transceiver(412)의 전원이 On 상태(RX On or TX On)임을 의미한다. 비활성 상태는 최소한의 전원을 소비하는 모드(Sleep Mode)로서, MCU(421)는 최소한의 전력소모를 유지하는 Sleep Mode로, Main Transceiver(422)의 전원은 Off, 그리고 저전력의 Wake-Up RF 모듈(423)의 전원은 On된 상태를 의미한다.

송신 노드(410)는 Wake-Up RF 모듈(413)을 이용해 수신 노드(420)로 Wake-Up 프레임을 전송하고, Wake-Up 프레임을 수신한 수신 노드(420)의 Wake-Up RF 모듈(423)은 Wake-Up Interrupt를 통해 저전력 상태의 MCU(421)를 깨운다. Wake-Up된 MCU(421)는 Main Transceiver(422)의 전원을 켠다. 이에 따라 송신 노드(410)와 수신 노드(420)는 데이터를 송수신할 수 있는 상태가 된다.

한편, 노드의 구성에 따라 Main Transceiver와 Wake-Up RF 모듈은 동일 칩 또는 모듈로 구성될 수 있으며, 동일 주파수를 사용하는 경우에 Main Transceiver에 연결된 안테나와 Wake-Up RF 모듈에 연결된 안테나는 단일 안테나로 구현될 수도 있다. 그리고 Wake-Up RF 모듈의 인터페이스는 기존 센서 노드 내 통신 방식인 SPI(Serial Peripheral Interface) 방식으로 구현되어 통신 방식을 통일화시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Wake-Up MAC의 동작 절차도이다.

센서 데이터 등 전송할 데이터를 가지는 송신 노드(410)는 비활성 상태의 수신 노드(420)를 Wake-Up하기 위해, Wake-Up RF Module(413)을 Power On한다. 그리고 Wake-Up Frame을 생성하여 Wake-Up RF Module(413)을 통해 수신 노드(420)로 전송하고, 이에 대해 수신 노드(420)로부터 Ack Packet을 수신하기 위해 Main Transceiver(412)를 Power On한다.

Inactive 상태(MCU Sleep, Main Transceiver Off, Wake-Up RX ON)의 수신 노드(420)에서는 Wake-Up 프레임을 수신한 Wake-Up RF 모듈(423)의 인터럽트(Wake-Up Interrupt)를 통해 MUC(421)가 활성화되고, 활성화된 MCU(421)는 Main Transceiver(422)의 TX On을 통해 수신 노드(420)가 비활성 상태에서 활성 상태로 깨어났다는 Ack(Ch)를 전송한다. 그리고 Wake-Up RF 모듈(423)의 Power를 Off한다.

여기서 송신 노드(410)에서 전송하는 Wake-Up 프레임에는 송신 노드(410)가 사용하려는 채널 정보 및 수신 노드(420)의 주소 정보가 포함되며, 수신 노드(420)의 MCU(421)는 송신 Wake-Up 프레임에 포함된 채널 정보를 Piggy Back한 Ack(Ch)를 전송한다. 수신 노드(420)는 Ack 전송 후 송신 노드(410)로부터 확인(Confirm)을 받기까지 Ack Timer를 운용한다. Ack(Ch)를 수신한 송신 노드(410)의 MCU(411)는 Confirm 프레임을 Main Transceiver(412)를 통해 수신 노드(420)에게 전송하여 수신 노드(420)가 Wake-Up되었음을 확인한다. 송신 노드(410) 및 수신 노드(420)가 모두 활성 상태로 된 이후, 송신 노드(410)는 다양한 방법을 통해 데이터를 전송할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 송신 노드(410)는 IEEE802.15.4에 따른 데이터 전송 방식을 이용하여 데이터를 전송한다. 그리고 수신 노드(420)는 Confirm 프레임에 있는 활성 상태 유지 시간 정보에 따라 해당 시간만큼 활성 상태를 유지한 후 비활성 상태로 천이한다.

도 6은 송신 노드가 주위의 센서 노드 전체를 깨우는 Broadcast Wake-Up을 나타낸 예시도이며, 도 7은 Broadcast Wake-Up 절차도이다.

송신 노드는 Wake-Up RF를 통해 Broadcast Wake-Up(Ch) 패킷을 주위의 센서 노드에게 전송하고, Broadcast Wake-Up With Timer를 유지한다. Broadcast Wake-Up(Ch) 패킷을 수신한 송신 노드 주위의 모든 센서 노드들을 Wake-Up Ack 패킷을 송신 노드로 각각 보낸다. Wake-Up Ack 패킷을 수신한 송신 노드는 Broadcast Wake-Up Wait Timer 시간 이후에 Wake-Up Confirm 패킷을 수신 노드들로 전송하여 Wake-Up 상태를 확인한다.

도 8은 송신 노드가 주위의 센서 노드를 그룹 단위로 깨우는 Multicast Wake-Up을 나타낸 예시도이며, 도 9는 Multicast Wake-Up 절차도이다.

송신 노드는 Wake-Up RF를 통해 Multicast Wake-Up(Ch) 패킷을 주위의 센서 노드에게 전송하고, Multicast Wake-Up Wait Timer를 유지한다. Multicast Wake-Up(Ch) 패킷을 수신한 송신 노드 주위의 그룹 아이디를 가지는 센서 노드들은 Wake-Up Ack 패킷을 송신 노드로 각각 보낸다. Wake-Up Ack 패킷을 수신한 송신 노드는 Multicast Wake-Up Wait Timer 시간 이후에 Wake-Up Comfirm 패킷을 수신 노드들로 전송하여 Wake-Up 상태를 확인한다.

도 10은 송신 노드가 수신을 위한 한 개의 센서 노드를 깨우는 Unicast Wake-Up을 나타낸 예시도이며, 도 11은 Unicast Wake-Up 절차도이다.

송신 노드는 Wake-Up RF를 통해 Unicast Wake-Up(Ch) 패킷을 어느 한 센서 노드에게 전송하고, Unicast Wake-Up Wait Timer를 유지한다. Unicast Wake-Up(Ch) 패킷을 수신한 센서 노드는 Wake-Up Ack 패킷을 송신 노드로 보낸다. Wake-Up Ack 패킷을 수신한 송신 노드는 Unicast Wake-Up Wait Timer 시간 이후에 Wake-Up Confirm 패킷을 수신 노드들로 전송하여 Wake-Up 상태를 확인한다.

이하 Wake-Up Packet, Wake-Up Ack Packet, Wake-Up Confirm Packet에 대해 설명한다.

도 12는 송신 노드가 수신 노드를 깨우기 위한 Wake-Up 패킷 구조도이다.

앞서 설명한 Wake-Up 방식에 따라 Unicast, Multicast, Broadcast 패킷으로 구분된다. Wake-Up 패킷의 첫 2Byte는 Wake-Up 방법에 대한 구분으로 “00”은 Unicast, “01”은 Multicast, “1x”는 Broadcast를 나타낸다. 다음 4bit는 송신 노드가 사용하려 하는 채널 정보를 의미한다. Unicast Wake-Up의 경우에는 수신 노드의 주소를 탑재하고, Multicast Wake-Up의 경우에는 Group ID를 탑재하며, Broadcast Wake-Up의 경우에는 Address를 탑재하지 않는다.

도 13은 도 12의 Wake-Up 패킷을 수신한 수신 노드가 송신 노드로 응답하기 위한 Wake-Up Ack Packet 구조도이다.

IEEE802.15.4에 따른 패킷과의 호환을 위해, IEEE802.15.4의 Ack 패킷의 헤더를 기본적으로 사용하며, Frame control(2 Octets), Sequence Number(1 Octet), Wake-Up Info(3 Octets), FCS(Frame Check Sum, 2 Octets)으로 구성되는 프레임으로 구성한다. 패킷의 종류를 구분하기 위해 Frame Control의 Frame Type(3bit) 중 “100”을 “Wake-Up Control”로 명시한다. Wake-Up Info 필드의 경우 Wake-Up Ack를 나타내는 Type(2bit), Attribute(2bit, Reserved), 송신 노드가 보낸 Channel(4bit), 송신 노드의 Short Address인 Source Address(2 Octets)로 구성된다.

도 14는 도 13의 Wake-Up Ack Packet을 수신한 송신 노드가 수신 노드로 전송하는 Wake-Up Confirm Packet의 구조도이다.

IEEE802.15.4에 따른 패킷과의 호환을 위해 IEEE802.15.4의 Ack 패킷의 헤더를 기본적으로 사용하며, Frame control(2 Octets), Sequence Number(1 Octet), Wake-Up Info(3 Octets), FCS(Frame Check Sum, 2 Octets)으로 구성되는 프레임으로 구성한다. 패킷의 종류를 구분하기 위해 Frame Control의 Frame Type(3bit) 중 “100”을 “Wake-Up Control”로 명시한다.

Wake-Up Info 필드의 경우 Wake-Up Confirm을 나타내는 Type(2bit), Wake-Up 이후에 얼마동안 Active 상태를 사용할지를 나타내는 Attribute(2bit)를 사용한다. Expected Data Number(00)는 Wake-Up 이후 몇 개의 데이터 패킷을 송수신한 이후에 다시 Sleep(Inactive) 상태로 전환할 것인지를, Expected Data Number(01)는 Wake-Up 이후 Active 상태가 유지되는 시간(msec), Expected Data Number(10)는 Wake-Up 이후의 컨트롤 메시지 종류를 명시한다. 또한 Exppected Data Number(11)는 사용하지 않는 “reserved”를 나타낸다. Attr_Value(1 Octet)는 Attribute 필드의 실제 값을 나타내는 것으로, Attribute가 Expected Data #이거나 Expected Time인 경우 각각 실제 필요한 데이터 수와 예상 시간을 명시한다. Attribute가 Expected Control인 경우 Attr_Value의 설정에 따라, (Dis)Association, PANID Conflict, Orphan, Scan 과정이 끝난 후 Multicast, Broadcast Wake-Up을 통해 수신 노드를 Wake-Up하는 경우에 사용되며, Wake-Up된 여러 개의 수신 노드에서 송신한 Ack의 수를 계산하여 Wake-Up Confirm을 통해 현재 Wake-Up된 노드의 수를 알린다. GroupID 필드는 Multicast Wake-Up에서 Group ID로 사용된다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 IEEE801.15.4의 동기식 방식의 MAC을 이용하여 유비쿼터스 센서 네트워크를 구성한 예시도.

도 2는 동기 방식 MAC 운용을 설명하기 위한 예시도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Wake-Up RF를 활용한 비동기식 MAC 프로토콜의 운영을 설명하기 위한 참조도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 블록도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Wake-Up MAC의 동작 절차도.

도 6은 송신 노드가 주위의 센서 노드 전체를 깨우는 Broadcast Wake-Up을 나타낸 예시도.

도 7은 Broadcast Wake-Up 절차도.

도 8은 송신 노드가 주위의 센서 노드를 그룹 단위로 깨우는 Multicast Wake-Up을 나타낸 예시도.

도 9는 Multicast Wake-Up 절차도.

도 10은 송신 노드가 수신을 위한 한 개의 센서 노드를 깨우는 Unicast Wake-Up을 나타낸 예시도.

도 11은 Unicast Wake-Up 절차도.

도 12는 송신 노드가 수신 노드를 깨우기 위한 Wake-Up 패킷 구조도.

도 13은 도 12의 Wake-Up 패킷을 수신한 수신 노드가 송신 노드로 응답하기 위한 Wake-Up Ack Packet 구조도.

도 14는 도 13의 Wake-Up Ack Packet을 수신한 송신 노드가 수신 노드로 전송하는 Wake-Up Confirm Packet의 구조도.

Claims

센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에서 데이터 전송을 위해 수행되는 방법에 있어서,

비활성 상태에 있는 적어도 하나의 수신 노드가 활성화되도록 상기 수신 노드로 웨이크업(Wake-Up) 프레임을 전송하는 단계; 및

상기 웨이크업 프레임을 수신하여 활성화된 적어도 하나의 수신 노드로 데이터를 전송하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데이터 전송 방법.
제1항에 있어서,

상기 웨이크업 프레임 전송 단계는, 상기 센서 노드의 주 트랜시버 외에 추가로 구현되는 웨이크업 트랜시버를 통해 웨이크업 프레임을 전송함을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데이터 전송 방법.
제2항에 있어서,

상기 웨이크업 프레임 전송 단계는, 브로드캐스트(Broadcast), 멀티캐스트(Multicast), 유니캐스트(Unicast) 중 어느 한 방식을 이용하여 상기 웨이크업 트랜시버를 통해 데이터를 전송함을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데이터 전송 방법.
제2항에 있어서, 상기 웨이크업 프레임 전송 단계는 :

전원이 미공급 상태인 상기 웨이크업 트랜시버에 전원이 공급되도록 하는 단계; 및

상기 전원이 공급된 웨이크업 트랜시버를 통해 웨이크업 프레임을 상기 적어도 하나의 수신 노드로 전송하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데이터 전송 방법.
제2항에 있어서, 상기 수신 노드로 데이터를 전송하는 단계는 :

전원이 미공급 상태인 상기 주 트랜시버에 전원이 공급되도록 하는 단계;

상기 적어도 하나의 수신 노드로부터 상기 전원이 공급된 주 트랜시버를 통해 상기 웨이크업 프레임에 대한 응답 패킷을 수신하는 단계; 및

상기 응답 패킷을 전송한 수신 노드로 상기 주 트랜시버를 통해 데이터를 전송하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데이터 전송 방법.
제5항에 있어서, 상기 수신 노드로 데이터를 전송하는 단계는 :

상기 응답 신호를 전송한 수신 노드로 응답 확인 패킷을 전송하는 단계;를 더 포함하며,

상기 주 트랜시버를 통해 데이터를 전송하는 단계는 상기 응답 확인 패킷을 전송하는 단계 이후에 수행됨을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데이터 전송 방법.
제6항에 있어서,

상기 응답 확인 패킷에는 수신 노드의 활성 상태 유지 시간 정보가 담겨있음을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데이터 전송 방법.
센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에서 송신 노드로부터 전송되는 데이터를 수신하기 위해 수행되는 방법에 있어서,

비활성 상태에서 상기 송신 노드로부터 전송된 웨이크업(Wake-Up) 프레임을 수신하여 활성 상태로 천이하는 단계;

상기 활성 상태로 천이 후 상기 송신 노드로 상기 웨이크업 프레임 수신에 대한 응답 패킷을 전송하는 단계; 및

상기 응답 패킷을 수신한 송신 노드로부터 전송되는 데이터를 수신하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데이터 수신 방법.
제8항에 있어서,

상기 웨이크업 프레임은 상기 센서 노드의 주 트랜시버 외에 추가로 구현되는 웨이크업 트랜시버를 통해 수신됨을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데 이터 수신 방법.
제9항에 있어서, 상기 활성 상태로 천이하는 단계는 :

비활성 상태에서 동작중인 상기 웨이크업 트랜시버가 상기 웨이크업 프레임 수신에 따라 슬립 모드로 동작중인 마이크로 컨트롤 유닛으로 웨이크업 인터럽트 신호를 출력하는 단계; 및

상기 웨이크업 인터럽트 신호를 수신하여 활성 모드가 된 마이크로 컨트롤 유닛이 주 트랜시버에 전원이 공급되도록 하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데이터 수신 방법.
제10항에 있어서, 상기 활성 상태로 천이하는 단계는,

상기 활성 모드가 된 마이크로 컨트롤 유닛이 상기 웨이크업 트랜시버로의 전원 공급을 차단하는 단계;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데이터 수신 방법.
제10항에 있어서,

상기 응답 패킷을 전송하는 단계는 상기 전원이 공급된 주 트랜시버를 통해 응답 패킷을 전송함을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데이터 수신 방법.
제12항에 있어서,

상기 마이크로 컨트롤 유닛이 상기 응답 패킷을 수신한 송신 노드로부터 전송된 응답 확인 패킷을 수신하는 단계;를 더 포함하며,

상기 데이터를 수신하는 단계는 상기 응답 확인 패킷 수신 후에 수행됨을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데이터 수신 방법.
제13항에 있어서,

상기 마이크로 컨트롤 유닛은 상기 주 트랜시버를 통해 상기 응답 확인 패킷을 수신함을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데이터 수신 방법.
제13항에 있어서,

상기 마이크로 컨트롤 유닛은 상기 응답 확인 패킷에 있는 활성 상태 지속 시간에 대한 정보를 확인하여 확인된 시간 이후에는 상기 센서 노드의 상태를 비활성 상태로 천이함을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데이터 수신 방법.
제15항에 있어서,

상기 비활성 상태는 상기 마이크로 컨트롤 유닛은 슬립 모드 상태이고, 상기 주 트랜시버는 전원 오프 상태이며, 상기 웨이크업 트랜시버는 전원 온 상태임을 특징으로 하는 센서 노드에서 수행되는 데이터 수신 방법.
데이터 송수신을 위한 주 트랜시버;

노드의 상태 전환을 위한 웨이크업 트랜시버; 및

데이터 전송시 비활성 상태의 수신 노드를 활성 상태로 깨우기 위해 상기 웨이크업 트랜시버를 통해 웨이크업 프레임을 적어도 하나의 수신 노드로 전송하며, 상기 웨이크업 프레임을 수신하여 활성화된 수신 노드로 상기 주 트랜시버를 통해 데이터를 전송하는 마이크로 컨트롤 유닛;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드.
제17항에 있어서,

상기 마이크로 컨트롤 유닛은, 상기 활성화된 수신 노드로 일정 시간 이후 비활성 상태로 천이하라는 정보가 담긴 패킷을 구성하여 상기 주 트랜시버를 통해 전송함을 특징으로 하는 센서 노드.
제17항에 있어서,

상기 마이크로 컨트롤 유닛은, 비활성 상태에서 상기 웨이크업 트랜시버를 통해 송신 노드로부터 전송되는 웨이크업 프레임이 수신되면 활성 상태로 천이하여 상기 주 트랜시버에 전원이 공급되도록 제어하고, 상기 전원 공급에 의해 동작되는 주 트랜시버를 통해 상기 송신 노드로부터 전송되는 데이터를 수신함을 특징으로 하는 센서 노드.
제19항에 있어서,

상기 마이크로 컨트롤 유닛은 활성 상태에서 일정 시간 이후에 상기 센서 노드의 상태를 비활성 상태로 천이함을 특징으로 하는 센서 노드.