KR20100077919A - 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법 - Google Patents

유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법에 관한 것으로, 다수의 센서 노드와 이를 제어하기 위한 코디네이터를 포함한 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법으로서, 코디네이터는 각 센서 노드에서 전송된 데이터를 바탕으로 각 센서 노드의 우선 순위를 결정하는 단계와, 결정된 우선 순위에 상응하는 백오프 기간(BP:Backoff Period)값을 할당하는 단계와, 해당 센서 노드가 낮은 우선권을 갖는 제1 센서 노드 그룹과 높은 우선권을 갖는 제2 센서 노드 그룹 중 어느 그룹에 속하는지 판단하는 단계 및 해당 센서 노드가 속하는 그룹에 상응하는 백오프 과정을 수행하는 단계를 포함하는 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법이 제공된다.
유비쿼터스 헬스 케어 시스템, 무선 센서 네트워크, 백오프, 우선 순위

Description

유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법 {Method for performing backoff in wireless sensor network for ubiquitous health care system}
본 발명은 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 데이터의 중요성 또는 긴급성에 따라 센서 노드를 구분하고, 그에 해당하는 백오프 방법을 적용하여 보다 안정적인 유비쿼터스 헬스 케어시스템을 구현하기 위한 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법에 관한 것이다.
유비쿼터스 헬스 케어 시스템은 무선 IT 기술을 이용하여 언제 어디서나 어떤 장비로도 사용자의 건강관리를 받을 수 있는 시스템으로, 최근 그 수요가 점점 늘어남에 따라 센서 네트워크 기술의 중요성은 커져가고 있다.
IEEE 802.15.4[1],[2]는 저속, 저전력 근거리 무선통신을 위한 표준으로, 가격이 저렴하고 크기가 매우 작으며 저전력으로 동작하는 것이 특징이다. 그러므로 무선 센서 네트워크를 구성하기 위한 좋은 특성을 가지고 있다고 할 수 있다.
도 1은 IEEE 802.15.4 MAC 계층의 비컨 가능 슈퍼프레임 구조의 개략도이다.
IEEE 802.15.4 MAC계층은 슈퍼프레임 구조를 사용한다. 슈퍼프레임 구조는 슬롯의 사용여부에 따라 슬롯기반 CSMA-C를 사용하는 비컨 가능 네트워크와 슬롯없는CSMA-CA를 사용하는 비컨 불능 네트워크를 선택할 수 있다. 슬롯기반 CSMA-CA는 도 1과 같은 구조로 되어있다.
도 1에 도시된 슬롯기반 CSMA-CA는 코디네이터로부터 전송 받는 비컨으로 데이터 전송의 시작을 알림과 동시에 CSMA-CA에서 충돌회피를 위해 얼마나 백오프(back-off)할 것인가에 대한 정보를 받게 되면, 도 1의 CAP(Contention Access Period)구간에서 센서 노드들 간의 채널확보를 위한 경쟁을 하게 된다. 각 노드들은 CCA(Clear Channel Assessment)를 통해 채널의 상태를 확인하게 된다. 만약 채널이 비어있으면 전송을 시작하게 되고, 채널이 사용 중이면 일정 기간 백오프 지연을 가지므로 다른 센서 노드와 CCA의 충돌을 방지하게 된다.
슈퍼프레임의 CAP구간에서는 센서 노드들 간의 경쟁을 통해 데이터가 전송이 된다. 센서 노드는 데이터를 전송하기 위해 임의의 시간을 대기하게 되며, 이 시간을 백오프 기간(BP:Backoff Period)이라 한다. 이러한 BP값은 0 ~ 2BE-1 사이에서 결정되며 BE값은 임의로 정해진다. 기존의 CSMA-CA에서의 백오프 알고리즘은 백오프 기간값을 0 ~ 2BE-1까지의 값 중에서 무작위로 하나를 선정했기 때문에 불필요한 백오프 기간이 생기는 문제점이 발생하였다. 이는 불필요한 슬롯의 낭비를 가져올 수 있으며, 또한CAP구간 안에서 데이터 전송이 완료되지 못하는 문제점도 발생하였다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 각 센서 노드의 데이터 특성에 따라 센서 노드를 낮은 우선권을 갖는 제1 센서 노드 그룹과 높은 우선권을 갖는 제2 센서 노드 그룹으로 구분하여, 각 센서 노드 그룹에 적합한 백오프 방법을 수행함으로써, 제1 센서 노드 그룹은 충돌을 최소화하고 저전력을 구현하는데 적합하며, 제2 센서 노드 그룹은 데이터 전송 서비스 품질을 높여서 구현하는데 적합한 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 다수의 센서 노드와 이를 제어하기 위한 코디네이터를 포함한 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법으로서, 상기 코디네이터는 상기 각 센서 노드에서 전송된 데이터를 바탕으로 각 센서 노드의 우선 순위를 결정하는 단계; 상기 결정된 우선 순위에 상응하는 백오프 기간(BP:Backoff Period)값을 할당하는 단계; 해당 센서 노드가 낮은 우선권을 갖는 제1 센서 노드 그룹과 높은 우선권을 갖는 제2 센서 노드 그룹 중 어느 그룹에 속하는지 판단하는 단계; 및 상기 해당 센서 노드가 속하는 그룹에 상응하는 백오프 과정을 수행하는 단계를 포함하는 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법이 제공된다.
상기 각 센서 노드의 우선 순위를 결정하는 단계 이전에, 상기 각 센서 노드 에서 전송된 데이터가 응급 이벤트에 따른 응급 데이터인지 판단하는 단계; 및 판단 결과, 응급 데이터인 경우 응급 데이터 전송을 위한 백오프 과정으로 진행하고, 응급 데이터가 아닌 경우 상기 각 센서 노드의 우선 순위를 결정하는 단계로 진행하는 단계를 더 포함한다.
상기 각 센서 노드의 우선 순위를 결정하는 단계 이전에, 상기 각 센서 노드에서 전송된 데이터가 상기 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 데이터인지 판단하는 단계; 및 판단 결과, 일반 데이터인 경우 일반 데이터 전송을 위한 백오프 과정으로 진행하고, 상기 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 데이터인 경우 상기 각 센서 노드의 우선 순위를 결정하는 단계로 진행하는 단계를 더 포함한다.
상기 해당 센서 노드가 어느 그룹에 속하는지 판단하는 단계는, 상기 해당 센서 노드의 데이터의 중요성이나 데이터 길이를 기준으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 센서 노드 그룹을 위한 백오프 과정은 데이터 전송시 충돌이 발생하면 상기 백오프 기간값을 미리 결정된 값만큼 증가시키며 CCA(Clear Channel Assessment)를 수행한다.
상기 제2 센서 노드 그룹을 위한 백오프 과정은 임의의 센서 노드의 데이터 전송이 완료되면, 나머지 센서 노드들의 백오프 기간값을 미리 결정된 값만큼 감소시키며 CCA(Clear Channel Assessment)를 수행한다.
상기 제1 센서 노드 그룹을 위한 백오프 과정은 해당 센서 노드의 백오프 경계를 실행하는 단계; 0 ~ BP+1 이내의 범위 안에서 결정된 백오프 기간값 만큼 지 연하는 단계; 백오프 기간 경계에서 상기 CCA를 수행하는 단계; 채널이 사용 중인지를 판단하는 단계; 판단 결과, 만약 채널이 사용중인 경우에는 해당 센서 노드의 백오프 기간값을 미리 결정된 값만큼 증가시킨 후, 상기 결정된 백오프 기간값 만큼 지연하는 단계로 진행시키고, 만약 채널이 비어있는 경우에는 데이터를 전송하는 단계를 포함한다.
상기 제2 센서 노드 그룹을 위한 백오프 과정은 해당 센서 노드의 백오프 경계를 실행하는 단계; 0 ~ BP+1 이내의 범위 안에서 결정된 백오프 기간값 만큼 지연하는 단계; 백오프 기간 경계에서 상기 CCA를 수행하는 단계; 채널이 사용 중인지를 판단하는 단계; 판단 결과, 만약 채널이 비어있는 경우에는 해당 노드의 백오프 기간값이 기준값에 해당되는지 판단한 후, 상기 기준값에 해당되면 데이터를 전송하며, 상기 기준값에 해당되지 않으면 상기 해당 노드의 백오프 기간값을 미리 결정된 값만큼 감소시킨 후, 상기 결정된 백오프 기간값 만큼 지연하는 단계로 진행시키고, 만약 채널이 사용중인 경우에는 상기 결정된 백오프 기간값 만큼 지연하는 단계로 진행시키는 단계를 포함한다.
상기 응급 데이터 전송을 위한 백오프 과정은 해당 센서노드의 백오프 기간값을 0으로 할당하는 단계; 상기 해당 센서 노드가 낮은 우선권을 갖는 제1 센서 노드 그룹과 높은 우선권을 갖는 제2 센서 노드 그룹 중 어느 그룹에 속하는지 판단하는 단계; 상기 해당 센서 노드가 상기 제2 센서 노드 그룹에 속하는 경우, 미리 결정된 백오프 기간 경계에서 CCA(Clear Channel Assessment)를 수행하는 단계; 채널이 사용 중인지를 판단하는 단계; 판단 결과, 만약 채널이 사용중인 경우에는 0 ~ BP+1 이내의 범위 안에서 결정된 백오프 기간값 만큼 지연시킨 후, 상기 CCA를 수행하는 과정으로 진행하며, 만약 채널이 비어있는 경우에는 데이터를 전송하는 단계를 포함한다.
상기 해당 센서 노드는 데이터 길이가 40 프레임 이하이면 상기 제1 센서 노드 그룹에 속하는 것으로 판단하고, 데이터 길이가 100 프레임 이상이면 상기 제2 센서 노드 그룹에 속하는 것으로 판단한다.
본 발명에서와 같이, 코디네이터는 각 센서 노드의 특성에 맞게 우선순위를 각 센서 노드에게 부여하고, 센서 그룹별로 해당 그룹에 적합한 백오프 기간을 할당함으로써, 불필요한 백오프로 인한 시간 손실을 막고, 데이터의 안전한 전송을 보장할 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법의 흐름도이다.
무선 센서 네트워크는 기본적으로 다수의 센서 노드들과 이러한 다수의 센서 노드들을 제어하기 위한 코디네이터로 구성된다. 센서 노드들은 서로를 연결한 네트워크로 인해 그리드 컴퓨팅 (Grid Computing)처럼 정보를 분산 처리하며, 무선 센서 네트워크는 코디네이터를 중심으로 방사형 형태로 확장하며 스스로 네트워크 를 형성한다.
도 2를 참조하면, 코디네이터는 각 센서 노드에서 전송하는 데이터를 수신한다(S100).
그리고 나서, 각 센서 노드에서 전송된 데이터가 유비쿼터스 헬스 케어 시스템에 이용되는 데이터인지 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용이 아닌 다른 시스템에 이용되는 일반 데이터인지를 판단하는 과정을 수행한다(S200).
S200 과정을 통해 판단한 결과, 센서 노드에서 전송된 데이터가 일반 데이터인 경우 일반 데이터 전송을 위한 백오프 과정으로 진행(S300)하고, 센서 노드에서 전송된 데이터가 유비쿼터스 헬스 케어 시스템에 이용되는 데이터인 경우에는 각 센서 노드에서 전송된 데이터가 응급 이벤트에 따른 응급 데이터인지 판단하는 과정을 수행한다(S400).
S400 과정을 통하여 응급 데이터로 판단된 경우에는 응급 데이터를 위한 백오프 방법으로 진행(S500)되며, 만약 응급 데이터가 아닌 경우 각 센서 노드의 우선 순위를 결정하는 과정을 수행한다(S600). 코디네이터는 각 센서 노드에서 전송된 데이터를 바탕으로 각 센서 노드의 우선 순위를 결정한다. 우선 순위를 결정함에 있어서 코디네이터는 각 센서 노드가 수집한 생체 데이터들의 중요성 또는 데이터 전송 패킷에 실릴 페이로드의 크기에 따라 결정한다. 그러나, 우선 순위를 결정하기 위한 파라미터가 본 실시예에서 설명한 파라미터로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 혈압, ECG(Electrocardiogram, 심박), EEG(Electroencephalogram, 뇌파)와 같은 데이터는 상대적으로 높은 최고 주파수를 갖고 있어서 잦은 샘플링을 해야 하고, 데이터의 내용이 환자의 응급상태를 파악할 수 있는 중요한 근거가 되기 때문에, 상대적으로 높은 우선권(High Priority, HP)과 응급의 특성을 필요로 한다. 반면에 혈당, 체지방, 근전도, 피부전도율과 같은 생체 데이터는 하루에 한번 정도 데이터를 수집하고 한번 수집할 때 마다 수집되는 데이터의 크기가 매우 작고 낮은 응급의 특성을 나타내기 때문에 이러한 종류의 데이터는 상대적으로 낮은 우선권(Low Priority, LP)을 갖는다. 이와 같이, 코디네이터는 각 센서 노드가 수집한 생체 데이터들의 중요성, 응급 특성 또는 데이터 크기 등을 고려하여 우선 순위를 결정한다.
S600 과정을 통하여 각 센서 노드의 우선 순위가 결정되면, 결정된 우선 순위에 상응하는 백오프 기간(BP:Backoff Period)값을 할당하는 과정을 수행한다(S700). 이때, 우선 순위가 낮은 센서 노드의 경우는 백오프 기간값을 상대적으로 크게 할당하고, 우선 순위가 높은 센서 노드의 경우는 백오프 기간값을 상대적으로 작게 할당하는 것이 바람직하다.
그리고 나서, 해당 센서 노드가 낮은 우선권을 갖는 LP 센서 노드 그룹에 속하는지 판단하는 과정을 수행한다(S800). 즉, 해당 센서 노드가 낮은 우선권을 갖는 제1 센서 노드 그룹(LP 센서 노드 그룹)과 높은 우선권을 갖는 제2 센서 노드 그룹(HP 센서 노드 그룹) 중 어느 그룹에 속하는지 판단하는 과정을 거친다.
판단 결과, 해당 센서 노드가 LP 센서 노드 그룹에 속하는 경우에는 LP 센서 노드 그룹을 위한 백오프 과정을 수행하며(S900), 만약 해당 센서 노드가 LP 센서 노드 그룹이 아닌 HP 센서 노드 그룹에 속하는 경우에는 HP 센서 노드 그룹을 위한 백오프 과정을 수행한다(S1000).
도 3은 LP(Low Priority) 센서 노드 그룹을 위한 CSMA-CA 백오프 방법의 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 해당 센서 노드의 데이터 크기가 설정값 미만인지를 판단하여 해당 센서 노드가 LP 센서 노드 그룹에 속하는지 여부를 판단하는 과정을 수행한다(S810). 본 실시예의 경우, 데이터 크기가 40 프레임 미만일 경우에 해당 센서 노드는 낮은 우선권을 갖는 LP 센서 노드 그룹에 속하는 것으로 판단한다. 한편, 본 실시예의 경우 해당 센서 노드가 LP 센서 노드 그룹과 HP 센서 노드 그룹 중 어느 그룹에 속하는지를 판단함에 있어서, 해당 센서 노드의 데이터 크기를 기준으로 하고 있으나, 판단 기준이 이에 한정되는 것은 아니며 데이터의 중요성 또는 응급성 등 다양한 파라미터가 적용될 수 있으며, 2가지 이상의 파라미터를 고려할 수도 있다.
판단 결과, 해당 센서 노드가 LP 센서 그룹에 속하는 것으로 판단되면 LP 센서 노드 그룹을 위한 백오프 방법이 수행된다. 우선, 백오프 경계를 결정하기 위하여, NB=0, CW=2로 세팅하는 과정을 수행한다(S910). 이때, NB는 CSMA-CA 알고리즘이 현재의 전송을 시도하는 동안에 요구된 백오프의 수를 나타내며, CW(Contention Window)는 전송이 시작될 수 있기 전에 채널 활동이 없는 것을 필요로 하는 백오프 기간의 수를 정의한다.
그 다음에 해당 센서 노드의 백오프 경계를 실행하며(S920), 0 ~ BP+1 이내 의 범위 안에서 결정된 백오프 기간값 만큼 지연시키는 과정을 수행한다(S930).
그리고 나서, 백오프 기간 경계에서 CCA(Clear Channel Assessment)를 수행(S940)한 후, 채널이 사용 중인지를 판단하는 과정을 수행한다(S950).
판단 결과, 만약 채널이 비어있는 경우에는 CW=CW-1을 수행(S960)한 후, CW=0인지를 판단(S970)하여, CW=0이면 데이터 전송을 실행한다. 만약, CW=0가 아닌 경우에는 S940과정으로 다시 진행한다.
한편, S950 과정을 통한 판단 결과, 채널이 사용중인 경우에는 CW=2, NB=NB+1, BP=BP+1로 세트시킨다. 즉, CW=2로 리셋시키고, NB의 회수는 증가되며, BP값은 종전의 과정의 BP값에 1을 증가시킨 값으로 세트시킨다. 본 실시예의 경우, 해당 센서 노드의 백오프 기간값의 증가분을 1로 설정하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 나서, NB가 설정값을 초과했는지 판단(S990)하여, 만약 설정값보다 작은 경우에는 S930으로 진행하고, 만약 설정값을 초과한 경우에는 데이터 전송 실패로 처리한다.
도 4는 HP(High Priority) 센서 노드 그룹을 위한 CSMA-CA 백오프 방법의 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 해당 센서 노드의 데이터 크기가 설정값 이상인지를 판단하여 해당 센서 노드가 HP 센서 노드 그룹에 속하는지 여부를 판단하는 과정을 수행한다(S810). 본 실시예의 경우, 데이터 크기가 100 프레임 이상일 경우에 해당 센서 노드는 높은 우선권을 갖는 HP 센서 노드 그룹에 속하는 것으로 판단한다. 판단 결과, 해당 센서 노드가 HP 센서 그룹에 속하는 것으로 판단되면 HP 센서 노드 그룹을 위한 백오프 방법을 수행한다.
우선, 백오프 경계를 결정하기 위하여, CW=2로 세팅하는 과정을 수행한다(S1010).
그 다음에 해당 센서 노드의 백오프 경계를 실행하며(S1020), 0 ~ BP+1 이내의 범위 안에서 결정된 백오프 기간값 만큼 지연시키는 과정을 수행한다(S1030). 그리고 나서, 백오프 기간 경계에서 CCA(Clear Channel Assessment)를 수행(S1040)한 후, 채널이 사용 중인지를 판단하는 과정을 수행한다(S1050).
판단 결과, 만약 채널이 비어있는 경우에는 해당 센서 노드의 백오프 기간값이 0이나 1인지 판단한다(S1060). 판단 결과, 백오프 기간값이 0이나 1이 아닌 경우에는 해당 센서 노드에 할당된 백오프 기간값에서 미리 결정된 값(즉, 본 실시예의 경우는 1)만큼 감소(S1070)시킨 후, S1030 과정으로 진행시킨다.
한편, 백오프 기간값이 0이나 1인 경우에는 CW=CW-1을 수행(S1080)한 후, CW=0인지를 판단(S1090)하여, CW=0이면 데이터 전송을 실행한다. 만약, CW=0가 아닌 경우에는 S1040과정으로 다시 진행한다. 이와 같이, 해당 센서 노드의 백오프 기간값이 0이나 1에 해당하는지 판단하는 과정을 거치는 이유는 우선권이 높은 센서 노드의 데이터를 우선적으로 전송시키기 위한 과정이다. 본 실시예에서는 해당 센서 노드의 백오프 기간값이 1이하 인지 여부를 판단하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
S1050 과정을 통한 판단 결과, 채널이 사용중인 경우에는 해당 센서 노드의 백오프 기간값이 O이거나 또는 1이 아닌 경우에는 해당 센서 노드의 백오프 기간값을 변화시키지 않은 상태에서 S1030으로 진행시키는 과정을 수행한다(S1100, S1110). 한편, 해당 센서 노드의 백오프 기간값이 1인 경우에는 다른 센서 노드와의 충돌을 피하기 위하여 백오프 기간값을 일정 크기(본 실시예의 경우. 1)만큼 증가시킨 다음에 S1030으로 진행시키는 과정을 수행한다.
도 5는 응급 이벤트 발생 시, 응급 데이터를 위한 CSMA-CA 백오프 방법의 흐름도이다. S400 과정을 통하여 응급 데이터로 판단된 경우에는 도 5에 도시된 응급 데이터를 위한 백오프 방법으로 진행된다.
우선, 해당 센서 노드의 데이터가 응급 데이터인 경우에는 해당 센서 노드의 데이터 전송이 최우선적으로 수행되어야 하므로, 백오프 기간값을 0으로 할당하는 과정을 수행한다(S510). 해당 센서 노드가 낮은 우선권을 갖는 LP 센서 노드 그룹에 속하는지 아니면 높은 우선권을 갖는 HP 센서 노드 그룹에 속하는지 판단하는 과정을 수행한다(S520). 판단 결과, 해당 센서 노드가 LP 센서 노드 그룹에 속하면 LP 센서 노드 그룹을 위한 백오프 과정(S800)으로 진행되고, 해당 센서 노드가 HP 센서 노드 그룹에 속하면 미리 결정된 백오프 기간 경계에서 CCA를 실행하는 과정을 수행한다(S530).
그리고 나서, 채널이 사용 중인지를 판단(S540)한 후, 채널이 비어있는 경우에는 응급 데이터를 전송하며, 만약 채널이 사용중인 경우에는
판단 결과, 만약 채널이 비어있는 경우에는 0 ~ BP+1 이내의 범위 안에서 결정된 백오프 기간값 만큼 지연시키는 과정을 수행(S550)한 후, S530으로 진행한다.
도 6은 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 데이터가 아닌 일반 데이터의 CSMA-CA 백오프 방법의 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 우선, 백오프 경계를 결정하기 위하여, NB=0, CW=2, BE=macMinBE로 세팅하는 과정을 수행한다(S310). 그 다음에 0 ~ 2BE-1 이내의 범위 안에서 결정된 백오프 기간값 만큼 지연시키는 과정을 수행한다(S320). 그리고 나서, 백오프 기간 경계에서 CCA(Clear Channel Assessment)를 수행(S330)한 후, 채널이 사용 중인지를 판단하는 과정을 수행한다(S340).
판단 결과, 만약 채널이 비어있는 경우에는 CW=CW-1을 수행(S350)한 후, CW=0인지를 판단(S360)하여, CW=0이면 데이터 전송을 실행한다. 만약, CW=0가 아닌 경우에는 S330과정으로 다시 진행한다.
한편, S340 과정을 통한 판단 결과, 채널이 사용중인 경우에는 CW=2, NB=NB+1, BE=min(BE+1, aMaxBE)로 세트시킨다(S370). 그리고 나서, NB가 설정값을 초과했는지 판단(S380)하여, 만약 설정값보다 작은 경우에는 S320으로 진행하고, 만약 설정값을 초과한 경우에는 데이터 전송 실패로 처리한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법의 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 우선 각 센서 노드에서 전송된 데이터가 응급 이벤트에 따른 응급 데이터인지 판단하는 과정을 수행한다(S2001). 판단 결과, 응급 데이터로 판단된 경우에는 백오프 기간값을 1로 할당하는 과정을 수행한다(S2002). 그리고 나서, 이하에서 상술될 백오프 기간 경계에서 CCA(Clear Channel Assessment)를 수행하는 과정(S2008)으로 진행된다.
만약, 응급 데이터가 아닌 경우에는 각 센서 노드에서 전송된 데이터가 유비쿼터스 헬스 케어 시스템에 이용되는 데이터인지 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용이 아닌 다른 시스템에 이용되는 일반 데이터인지를 판단하는 과정을 수행한다(S2003). S2003 과정을 통해 판단한 결과, 센서 노드에서 전송된 데이터가 일반 데이터인 경우 일반 데이터 전송을 위한 백오프 과정(S2004)으로 진행된다.
센서 노드에서 전송된 데이터가 유비쿼터스 헬스 케어 시스템에 이용되는 데이터인 경우에는 우선, 백오프 경계를 결정하기 위하여, NB=0, CW=2로 세팅하는 과정을 수행한다(S2005). 이때, NB는 CSMA-CA 알고리즘이 현재의 전송을 시도하는 동안에 요구된 백오프의 수를 나타내며, CW(Contention Window)는 전송이 시작될 수 있기 전에 채널 활동이 없는 것을 필요로 하는 백오프 기간의 수를 정의한다. 그 다음에 해당 센서 노드의 백오프 경계를 실행하며(S2006), 0 ~ BP+1 이내의 범위 안에서 임의로 결정된 백오프 기간값 만큼 지연시키는 과정을 수행한다(S2007).
그리고 나서, 백오프 기간 경계에서 CCA(Clear Channel Assessment)를 수행(S2008)한 후, 채널 아이들(idle)인지 즉. 채널이 사용 중인지를 판단하는 과 정을 수행한다(S2009).
판단 결과, 만약 채널이 비어있는 경우에는 CW=CW-1을 수행(S2010)한 후, CW=0인지를 판단(S2011)하여, CW=0이면 데이터 전송을 실행한다. 만약, CW=0가 아닌 경우에는 S2008과정으로 다시 진행한다.
한편, S2009 과정을 통한 판단 결과, 채널이 사용중인 경우에는 CW=(w, NB), NB=NB+1, BP=BP+1로 세트시킨다(S2012).
그리고 나서, 해당 센서 노드가 높은 우선권을 갖는 HP 센서 노드 그룹에 속하는지 판단하는 과정을 수행한다(S2013). 해당 센서 노드가 LP 센서 노드 그룹에 속하는 경우에는, NB가 설정값을 초과했는지 판단한다(S2014). 판단 결과, NB가 설정값을 초과한 경우에는 전송을 포기하며, NB가 설정값을 초과하지 않은 경우에는 NB 만큼 오프셋을 갖는다(S2018). 그 후에, 0 ~ BP+1 이내의 범위 안에서 임의로 결정된 백오프 기간값 만큼 지연시키는 과정(S2007)으로 진행한다.
한편, 해당 센서 노드가 HP 센서 노드 그룹에 속하는 경우에는, NB가 설정값을 초과했는지 판단한다(S2016). 판단 결과, NB가 설정값을 초과하지 않은 경우에는 BP+NB 만큼 오프셋을 가진 후(S2017), S2007 과정으로 진행하며, 만약 NB가 설정값을 초과한 경우에는 NB=0으로 초기화(S2016)한 다음, BP+NB 만큼 오프셋을 가진 후(S2017), S2007 과정으로 진행하게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 데이터 전송의 일 예를 도시한 개략도이다. 도 8에서는 우선 순위를 할당하지 않은 센서 노드에서의 데이터 전송 과정과 본 발명의 일 실시예에 따라 우선 순위가 할당된 센서 노드들과 응급 데이터를 보유한 센서 노드들의 데이터 전송 과정이 도시된다. 우선권=1, 우선권=2를 갖는 센서 노드는 HP 센서 노드 그룹을 위한 백오프 방법에 따라 데이터가 전송되며, 우선권=12, 우선권=14를 갖는 센서 노드는 LP 센서 노드 그룹을 위한 백오프 방법에 따라 데이터가 전송되고, 응급 데이터를 갖는 센서 노드는 응급 데이터를 위한 백오프 방법에 따라 도 8에 도시된 바와 같이 데이터가 전송된다.
도 9 내지 도 11은 IEEE 802.15.4 표준의 CSMA-CA 백오프 방법과 본 발명에 따른 CSMA-CA 백오프 방법간의 전력소비, 전송 성공률 및 전송 속도에 대한 실험결과를 나타낸 도이다.
도 9는 전송된 트래픽 변화량에 따른 패킷당 전력 소비를 나타내며, 도 10은 트래픽당 데이터 전송의 성공률을 나타내고, 도 11은 트래픽당 데이터의 전송속도를 나타낸다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, HP 센서 노드 그룹은 스케줄링 기법을 이용하여 순차적인 전송을 하여, CCA를 많이 사용하기 때문에 일정하지만 높은 소비전력을 나타냄을 알 수 있다. LP 센서 노드 그룹은 데이터 전송량이 적고 백오프가 많아 전력소모가 적게 나타난다. 그렇기 때문에 본 발명에 따른 백오프 방법은 표준과 비교해보면 트래픽이 150이상에서 소비 전력이 약간 많고 그 외에는 적은 변화량을 보이며 전력소모가 적다는 것을 알 수 있다. 우선순위를 정하지 않는 종래 기술의 경우 전력소모가 약간 더 적지만 HP 센서 노드 그룹의 전송 성공률이 보장이 안 되는 것을 확인할 수 있다.
HP 센서 노드 그룹은 높은 전송 성공률을 보이는 반면 LP 센서 노드 그룹은 많은 백오프로 인해 92%까지 떨어지게 된다. 본 발명에 따른 백오프 방법은 HP 센서 노드 그룹의 전송보장으로 인하여, 종래 기술에 따른 백오프 방법과 비슷하게 95%까지 보장이 되는 것을 확인 할 수 있다. 또한, HP센서 노드는 낮은 전송 실패확률과 전송 패킷이 많기 때문에 19kbps정도의 높은 속도를 보장함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법의 예시적인 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1은 IEEE 802.15.4 MAC 계층의 비컨 가능 슈퍼프레임 구조의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법의 흐름도이다.
도 3은 LP(Low Priority) 센서노드 그룹을 위한 CSMA-CA 백오프 방법의 흐름도이다.
도 4는 HP(High Priority) 센서노드 그룹을 위한 CSMA-CA 백오프 방법의 흐름도이다.
도 5는 응급 이벤트 발생 시, 응급 데이터를 위한 CSMA-CA 백오프 방법의 흐름도이다.
도 6은 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 데이터가 아닌 일반 데이터의 CSMA-CA 백오프 방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 데이터 전송의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 9 내지 도 11은 IEEE 802.15.4 표준의 CSMA-CA 백오프 방법과 본 발명에 따른 CSMA-CA 백오프 방법간의 전력소비, 전송 성공률 및 전송 속도에 대한 실험결과를 나타낸 도이다.

Claims (10)

  1. 다수의 센서 노드와 이를 제어하기 위한 코디네이터를 포함한 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법에 있어서,
    상기 코디네이터는 상기 각 센서 노드에서 전송된 데이터를 바탕으로 각 센서 노드의 우선 순위를 결정하는 단계;
    상기 결정된 우선 순위에 상응하는 백오프 기간(BP:Backoff Period)값을 할당하는 단계;
    해당 센서 노드가 낮은 우선권을 갖는 제1 센서 노드 그룹과 높은 우선권을 갖는 제2 센서 노드 그룹 중 어느 그룹에 속하는지 판단하는 단계; 및
    상기 해당 센서 노드가 속하는 그룹에 상응하는 백오프 과정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각 센서 노드의 우선 순위를 결정하는 단계 이전에,
    상기 각 센서 노드에서 전송된 데이터가 응급 이벤트에 따른 응급 데이터인지 판단하는 단계; 및 판단 결과, 응급 데이터인 경우 응급 데이터 전송을 위한 백오프 과정으로 진행하고, 응급 데이터가 아닌 경우 상기 각 센서 노드의 우선 순위 를 결정하는 단계로 진행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 각 센서 노드의 우선 순위를 결정하는 단계 이전에,
    상기 각 센서 노드에서 전송된 데이터가 상기 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 데이터인지 판단하는 단계; 및 판단 결과, 일반 데이터인 경우 일반 데이터 전송을 위한 백오프 과정으로 진행하고, 상기 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 데이터인 경우 상기 각 센서 노드의 우선 순위를 결정하는 단계로 진행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 해당 센서 노드가 어느 그룹에 속하는지 판단하는 단계는,
    상기 해당 센서 노드의 데이터의 중요성이나 데이터 길이를 기준으로 판단하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 센서 노드 그룹을 위한 백오프 과정은 데이터 전송시 충돌이 발생하면 상기 백오프 기간값을 미리 결정된 값만큼 증가시키며 CCA(Clear Channel Assessment)를 수행하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 센서 노드 그룹을 위한 백오프 과정은 임의의 센서 노드의 데이터 전송이 완료되면, 나머지 센서 노드들의 백오프 기간값을 미리 결정된 값만큼 감소시키며 CCA(Clear Channel Assessment)를 수행하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 센서 노드 그룹을 위한 백오프 과정은,
    해당 센서 노드의 백오프 경계를 실행하는 단계;
    0 ~ BP+1 이내의 범위 안에서 결정된 백오프 기간값 만큼 지연하는 단계;
    백오프 기간 경계에서 상기 CCA를 수행하는 단계;
    채널이 사용 중인지를 판단하는 단계;
    판단 결과, 만약 채널이 사용중인 경우에는 해당 센서 노드의 백오프 기간값을 미리 결정된 값만큼 증가시킨 후, 상기 결정된 백오프 기간값 만큼 지연하는 단계로 진행시키고, 만약 채널이 비어있는 경우에는 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제2 센서 노드 그룹을 위한 백오프 과정은,
    해당 센서 노드의 백오프 경계를 실행하는 단계;
    0 ~ BP+1 이내의 범위 안에서 결정된 백오프 기간값 만큼 지연하는 단계;
    백오프 기간 경계에서 상기 CCA를 수행하는 단계;
    채널이 사용 중인지를 판단하는 단계;
    판단 결과, 만약 채널이 비어있는 경우에는 해당 노드의 백오프 기간값이 기준값에 해당되는지 판단한 후, 상기 기준값에 해당되면 데이터를 전송하며, 상기 기준값에 해당되지 않으면 상기 해당 노드의 백오프 기간값을 미리 결정된 값만큼 감소시킨 후, 상기 결정된 백오프 기간값 만큼 지연하는 단계로 진행시키고, 만약 채널이 사용중인 경우에는 상기 결정된 백오프 기간값 만큼 지연하는 단계로 진행시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법.
  9. 제2항에 있어서, 상기 응급 데이터 전송을 위한 백오프 과정은,
    해당 센서노드의 백오프 기간값을 0으로 할당하는 단계;
    상기 해당 센서 노드가 낮은 우선권을 갖는 제1 센서 노드 그룹과 높은 우선권을 갖는 제2 센서 노드 그룹 중 어느 그룹에 속하는지 판단하는 단계;
    상기 해당 센서 노드가 상기 제2 센서 노드 그룹에 속하는 경우, 미리 결정된 백오프 기간 경계에서 CCA(Clear Channel Assessment)를 수행하는 단계;
    채널이 사용 중인지를 판단하는 단계;
    판단 결과, 만약 채널이 사용중인 경우에는 0 ~ BP+1 이내의 범위 안에서 결정된 백오프 기간값 만큼 지연시킨 후, 상기 CCA를 수행하는 과정으로 진행하며, 만약 채널이 비어있는 경우에는 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법.
  10. 제4항에 있어서, 상기 해당 센서 노드가 어느 그룹에 속하는지 판단하는 단계는,
    상기 해당 센서 노드는 데이터 길이가 40 프레임 이하이면 상기 제1 센서 노드 그룹에 속하는 것으로 판단하고, 데이터 길이가 100 프레임 이상이면 상기 제2 센서 노드 그룹에 속하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 헬스 케어 시스템용 무선 센서 네트워크에서의 백오프 방법.
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