KR20110130146A - 전송 파워 결정 방법 - Google Patents

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Abstract

최소 전력 및 전송 에러 발생을 방지할 수 있는 최적의 전력으로 데이터를 전송할 수 있고, 신속하고 정확하게 전송 파워를 결정할 수 있는 전송 파워 결정 방법이 개시된다. 전송 파워 결정 방법은, 송신기에서 응답 신호(acknowledge, ACK)를 수신하는 단계, 상기 수신된 응답 신호에 포함된 수신 신호 세기 지표(received signal strength indicator, RSSI)와 상관도(correlation value, CV)를 이용하여 전송 파워를 결정하는 단계 및 상기 결정된 전송 파워로 데이터를 전송하는 단계로 이루어질 수 있다.

Description

전송 파워 결정 방법{METHOD FOR DETERMINING TRANSMISSION POWER}
본 발명은 무선 센서 네트워크에서 최소 전송 파워를 결정하고 전송 에러 없이 데이터를 전송할 수 있는 파워의 크기를 결정하기 위한 전송 파워 결정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network 또는 Ubiquitous Sensor Network)는 다수의 센서를 분산 배치하여 네트워크화하고, 센서에 의해 감지된 각종 데이터를 무선으로 수집 및 처리하여 관리자에게 탐지된 자료를 송수신하는 네트워크를 말한다. 이러한 무선 센서 네트워크는 통상의 무선 이동통신 네트워크와 비교하여 첫째, 자기구조(Self-Organizing) 능력이 있으며, 둘째, 단거리 방송(Broadcast) 커뮤니케이션 및 다중 홉 라우팅(Multi-hop Routing)의 특징을 가지며, 셋째, 센서 노드가 과밀하게 배치(Dense Deployment)되며, 넷째, 센서 노드간에 협동적인 노력을 수행하며, 다섯째, 전파 페이딩 및 센서 노드의 장애에 의해 급변하는 토폴로지를 갖고, 여섯째, 센서 노드의 초소형화된 구조로 인해 사용 에너지, 전송 출력, 메모리 및 컴퓨팅 능력에 제한을 가진다.
종래 무선 센서 네트워크에서 각 노드들은 배터리로 운용되는데 노드의 배터리 수명이 유한하기 때문에 데이터의 송수신 시 소비 파워를 줄이고 작동시간을 늘리는 것이 중요하다.
여기서 전송되는 파워의 세기를 제어하여 전송 파워가 일정 수준을 유지할 수 있도록 전송 파워 제어(Transmission Power Control, TPC) 명령을 전송하는 폐루프 파워 제어 방식이 있다. 파워 제어 방법은 무선 센서 네트워크에서 데이터 전송 시 적절한 파워 크기를 조절하여 전송 시 소모되는 에너지를 줄일 수 있다.
그런데 기존의 TPC 방법은 송신기에서 수신기로 데이터를 송신하기 위한 대략적인 전송 파워를 결정한 후, 일정 정도로 설정된 범위 내에서 전송 파워 레벨을 1 증가 또는 1 감소시키면서 적절한 전송 파워를 결정하였다. 따라서 기존에는 전송 파워를 결정하기 위해서 수행되는 반복 루프(loop) 수가 많아서 결정 방법이 복잡하고 시간이 오래 걸려서 비효율적이었다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들은 무선 센서 네트워크에서 데이터 전송 파워를 효과적으로 결정하고, 전송 파워 결정 시간을 단축시킬 수 있는 전송 파워 결정 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 저전력으로 효율적이고 안정적인 네트워크를 구성하기 위한 전송 파워 결정 방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 무선 네트워크에서 데이터의 전송을 위한 파워 결정 방법은, 송신기에서 응답 신호(acknowledge, ACK)를 수신하는 단계, 상기 수신된 응답 신호에 포함된 수신 신호 세기 지표(received signal strength indicator, RSSI)와 상관도(correlation value, CV)를 이용하여 전송 파워를 결정하는 단계 및 상기 결정된 전송 파워로 데이터를 전송하는 단계로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 전송 파워(PTX)는
Figure pat00001
로 산출될 수 있다. 여기서, PTX _ old는 이전에 데이터 전송 시의 파워이고, MDSS는 노드에서 패킷의 손실 없이 수신할 수 있는 최소한의 파워 범위(minimum detectable signal strength, MDSS)이고, RSSI는 수신 신호 세기 지표이다.
여기서, 상기 파워 결정 범위 MDSS는
Figure pat00002
와 같이 REF값을 통해 산출할 수 있다. 여기서, PN은 최소 잡음 전력(noise floor)이고, REF는 수신 노드에서 패킷 에러율을 최소화 할 수 있는 SNR(signal to noise ratio)이다.
그리고 상기 최소 잡음 전력 PN은,
Figure pat00003
와 같이 RSS와 SNR값을 통해 산출될 수 있다. 여기서, RSS는 상기 수신기에서의 신호 수신 세기이다.
그리고 상기 신호 대 잡음비 SNR은 수신된 CV값을 통해 산출된다.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 무선 네트워크에서 데이터의 전송을 위한 파워 결정 방법은, 최초 최대 파워(
Figure pat00004
)로 데이터를 전송하는 단계, 상기 데이터에 대한 응답 신호를 수신하는 단계, 상기 데이터 전송 시 기존의 파워(PTX _ old)와 상기 응답 신호에 포함된 수신 신호 세기 및 상관도를 이용하여 파워(PTX)를 산출하는 단계, 상기 산출된 파워(PTX) 값을 전송 파워로 결정하는 단계 및 상기 결정된 전송 파워로 데이터를 송신하는 단계로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 데이터 송신 단계에서 데이터 송신에 실패하는 경우 재전송을 요청하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 상관관계(correlation)를 이용하여 한 번의 루프를 통해 최소 전송 파워를 결정할 수 있으므로 전송 파워 결정 효율을 향상시키고 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 불필요한 출력을 최소화하고 최소한의 에러가 발생하지 않는 최소 전송 파워를 효과적으로 결정할 수 있어서 저전력으로 안정적인 네트워크를 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 모식도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전송 파워 결정 방법의 알고리즘을 설명하기 위한 모식도;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전송 파워 결정 방법을 설명하기 위한 블록도;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전송 파워 결정 방법을 설명하기 위한 순서도;
도 5는 도 3 및 도 4의 전송 파워 결정 방법에서 SNR과 CV 사이의 그래프이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전송 파워 결정 방법에 대해 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전송 파워 결정 방법의 알고리즘을 설명하기 위한 모식도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전송 파워 결정 방법을 설명하기 위한 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전송 파워 결정 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 그리고 도 5는 도 3 및 도 4의 전송 파워 결정 방법에서 RSSI와 CV 사이의 그래프이다.
무선 센서 네트워크는 송신기(transmitter)와 하나 또는 복수의 수신기(node)로 구성되며, 송신기에서 데이터 송수신이 가능한 통신 가능 영역 내에는 복수의 수신기가 구비될 수 있다. 여기서, 무선 센서 네트워크에서 데이터 전송은 송신기와 수신기 사이의 거리와 전파 상태, 수신기 또는 송신기의 이동 여부에 따라 결정되는데, 데이터의 송수신 시 소비 전력을 줄일 수 있는 적절한 크기의 전송 파워를 결정하여 데이터를 전송하게 된다. 또한, 데이터 전송 시 에러가 발생하지 않는 적절한 크기의 전송 파워를 결정하여야 한다.
본 실시예에 따르면, 전송 파워 결정 방법은 저전력 데이터 송수신이 가능한 전송 파워의 크기를 결정할 수 있으며, 전송 파워 결정에 걸리는 시간을 단축시킬 수 있다. 상세하게는, 전송 파워 결정 방법은 송신기에서 전송한 소정의 데이터(DATA)에 대한 응답 신호(acknowledge, ACK)의 수신 세기(received signal strength indicator, RSSI) 및 상관도(correlation value, CV)를 이용하여 저전력 및 최적의 전송 파워를 결정할 수 있으며, 특히, 단일 단계만으로 전송 파워를 결정할 수 있다.
도면을 참조하면, 송신기(transmitter)는 계산된 소정의 전송 파워로 데이터를 전송한다. 여기서, 송신기는 데이터 송신을 위해 계산된 최대의 전송 파워(
Figure pat00005
)로 데이터를 전송한다.
그리고 수신기(node N)는 해당 데이터를 수신하면 TPC 요청 신호 즉, 데이터 수신에 대한 ACK를 전송한다. 여기서, ACK 패킷(packet)에는 상관도(correlation value, CV) 또는 수신 신호 세기 지표(received signal strength indicator, RSSI)에 대한 정보가 포함되어 있다.
그리고 송신기는 ACK을 수신하면 수신된 ACK 패킷에 포함된 RSSI와 CV를 이용하여 수신 신호의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)을 계산하고 패킷 손실이 없는 수신 파워 범위 (minimum detectable signal strength, MDSS)를 산출한다.
다음으로, 송신기는 산출된 MDSS와 수신된 응답 신호의 RSSI를 고려하여 송신기에서 데이터를 전송하기 위한 최적 전송 파워(PTX)를 결정할 수 있다.
Figure pat00006
수학식 1을 참조하면, 최적 전송 파워(PTX)는 패킷 손실이 없는 수신기의 수신 감도와, 기존의 파워(PTX _ old), 수신기에서의 수신 파워 세기 지표값으로 구할 수 있다.
한편, 패킷 에러률(packet error ratio, PER)은 RSSI와 주변 환경에 따라 변하게 되는데, 통신 시 에러가 발생하지 않는 수신 노드의 최소 수신 파워 MDSS(minimum detectable signal strength)는 수신기에 수신된 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)에 의해 결정되며, 이러한 신호 대 잡음비는 CV값에 의해 산출한다. 예를 들어, 도 5에서 신호 대 잡음비SNR과 상관도 CV에 대한 그래프를 참조하면, 데이터 통신 시 에러 발생을 방지할 수 있는 범위 MDSS는 PRR이 1 내지 1에 가까운 값을 갖는 소정의 범위로 결정된다.
상세하게는, MDSS는 아래 수학식 2와 같이 수신된 ACK의 CV를 통해 산출된신호 대 잡음비 SNR의 크기로부터 산출될 수 있다.
Figure pat00007
그리고 수학식 3에 기재된 바와 같이, 패킷 수신률을 최대화할 수 있는 비교적 정확한 파워 결정 범위 MDSS를 산출할 수 있다.
참고적으로, REF는 패킷 에러율을 최소화할 수 있는 SNR(signal to noise ratio)이고, PN은 노이즈 플로어 또는 최소 잡음 전력(noise floor)이며 아래 수학식 3과 같이 구할 수 있으며, 신호 대 잡음비 SNR(signal to noise ratio)는 수신된 CV와 SNR의 관계 그래프를 통해 산출될 수 있다.
Figure pat00008
그리고 상술한 바와 같이 수학식 1 내지 3을 통해 결정된 최적 전송 파워(PTX)로 데이터를 전송함으로써 저전력 및 에러 없이 데이터를 전송할 수 있다.
본 실시예에 따른 전송 파워(PTX) 결정 방법을 알고리즘으로 도시하면 도 4와 같다.
도 4를 참조하면, 송신기는 계산된 최대의 전송 파워(
Figure pat00009
)로 데이터를 전송하고, 이와 같이 전송된 데이터에 대해서 수신기에서 수신된 ACK 패킷에 포함된 RSSI와 CV를 수신한다.
그리고 송신기는 수신된 RSSI와 CV를 이용하여 데이터 전송을 위한 최적의 전송 파워를 결정한다.
여기서, 상술한 전송 파워(PTX)로 데이터 전송이 실패한 경우에는 수신기에 데이터 전송을 재요청하고, 재요청에 의해 수신기에서 전송된 ACK에 포함된 RSSI와 CV를 고려하여 상술한 바와 같이 새로 전송 파워(PTX)를 결정할 수 있다.
그리고 데이터 전송이 성공한 경우에는, 수신기는 수신된 데이터에 대한 ACK를 전송하고, 송신기는 수신된 ACK에 포함된 RSSI와 CV를 고려하여 전송 파워를 결정할 수 있다. 이 경우 데이터 전송에 성공한 전송 파워(PTX)를 그대로 유지하거나, 주변 환경의 변화로 인해 수신 감도가 변화된 경우에는 전송 파워가 변경될 수 있다. 따라서, 송신기는 항상 저전력 및 패킷의 손실 없이 최적의 전송 파워로 데이터를 전송할 수 있다.
본 실시예에 따른 전송 파워 결정 방법은 수신된 ACK의 RSSI와 CV를 이용하여 PER을 최소화하고 전력 소모가 작은 저전력 최적의 전송 파워를 단일 단계로 결정할 수 있다. 즉, 시행착오(trial and error) 방식으로 여러 단계의 폐루프를 거쳐서 전송 파워를 결정하는 것이 아니라 송신기에서 1회의 데이터 송신 및 수신을 통해 최적 전송파워를 결정할 수 있으므로 전송 파워 결정 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 수신된 ACK의 RSSI와 CV를 고려하여 최적의 전송 파워가 결정되므로 패킷 에러율 PER을 최대화할 수 있고, 해당 네트워크 환경에서 최적의 전송 파워를 결정할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (6)

  1. 무선 네트워크에서 데이터의 전송을 위한 파워 결정 방법에 있어서,
    송신기에서 응답 신호(acknowledge, ACK)를 수신하는 단계;
    상기 수신된 응답 신호에 포함된 수신 신호 세기 지표(received signal strength indicator, RSSI)와 상관도(correlation value, CV)를 이용하여 전송 파워를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 전송 파워로 데이터를 전송하는 단계;
    를 포함하는 전송 파워 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전송 파워(PTX)는 하기 수학식에 의해 산출되는 전송 파워 결정 방법.
    Figure pat00010

    (여기서, PTX _ old는 파워 결정 단계 이전에 데이터 전송 시의 파워이고, MDSS(minimum detectable signal strength)는 수신기에서 패킷의 손실이 없는 최소 수신 파워 결정 범위이며 응답 신호에 포함된 상관도 CV에서 산출된다.)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상관도 CV는 수신된 패킷에서 산출되는 전송 파워 결정 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 MDSS는 다음 수학식에 의해 결정되는 전송 파워 결정 방법.
    Figure pat00011

    (여기서, 상기 REF는 패킷 에러율을 최소화할 수 있는 신호대잡음비 SNR(signal to noise ratio)이고, PN은 노이즈 플로어 또는 최소 잡음 전력(noise floor)이다.)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 PN은 다음 수학식에 의해 결정되는 전송 파워 결정 방법.
    Figure pat00012
  6. 최대 파워(
    Figure pat00013
    )로 데이터를 전송하는 단계;
    상기 데이터에 대한 응답 신호를 수신하는 단계;
    상기 데이터 전송 시 파워(PTX _ old)와 상기 응답 신호에 포함된 수신 신호 세기 및 상관도를 이용하여 파워(PTX)를 산출하는 단계;
    상기 산출된 파워(PTX)와 최소 전송 파워(
    Figure pat00014
    )를 비교하고 두 값 중 큰 값을 전송 파워로 결정하는 단계;
    상기 결정된 전송 파워로 데이터를 송신하는 단계; 및
    상기 데이터 송신 단계에서 데이터 송신에 실패하는 경우 재전송을 요청하는 단계;
    를 포함하는 전송 파워 결정 방법.
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