KR20120128916A - 무선전력전송 기반의 센서네트워크 시스템, 센서 노드 및 센서 노드의 통신방법 - Google Patents

무선전력전송 기반의 센서네트워크 시스템, 센서 노드 및 센서 노드의 통신방법 Download PDF

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Abstract

무선전력전송 기반의 센서네트워크 시스템, 센서 노드 및 센서 노드의 통신방법이 제공된다. 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드의 통신 방법은 싱크 노드로부터 전력을 수신하여 에너지를 충전하는 단계(a); 및 미리 설정된 임계 값만큼 에너지가 충전되는 경우 상기 싱크 노드로 센싱 데이터를 전송하기 위해 다른 센서 노드들과의 채널 경쟁을 하는 단계(b)를 포함하되 상기 채널 경쟁을 하는 시간은 상기 수신되는 전력의 세기를 이용하여 설정되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 무선전력전송 기반의 MAC 프로토콜 구현을 위한 센서네트워크 시스템, 센서 노드 및 센서 노드의 통신방법이 제공된다.

Description

무선전력전송 기반의 센서네트워크 시스템, 센서 노드 및 센서 노드의 통신방법 {SENSOR NETWORK SYSTEM, SENSOR NODE AND METHOD FOR COMMUNICATION IN A WIRELESS ELECTRIC POWER TRANSMISSION}
본 발명의 실시예들은 무선전력전송 기반의 센서네트워크 시스템, 센서 노드 및 센서 노드의 통신방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선전력전송 기반의 MAC 프로토콜 구현을 위한 센서네트워크 시스템, 센서 노드 및 센서 노드의 통신방법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크는 기존 네트워크보다 많은 수의 노드로 구성되며 노드 배치의 밀집도가 높은 특징을 갖는다. 센싱 필드에 배치된 많은 센서 노드는 환경 정보, 혹은 이벤트를 탐지하여 이를 의미 있는 정보로 가공하고 멀티 홉을 통해 소수의 싱크 노드로 전달한다. 이와 같은 통신 구조로 인해 무선 센서 네트워크는 기존 네트워크와는 상이한 트래픽 구조를 갖는다.
무선 센서 네트워크의 대부분을 차지하는 트래픽은 센서 노드에서 싱크 노드로 향하는 상향 트래픽으로 주로 센싱 등의 태스크 수행 결과를 싱크 노드로 전달하는 과정에서 발생한다.
이러한 상향 트래픽의 폭주로 인하여 네트워크 혼잡이 발생하게 되면 패킷 손실 및 높은 전송 지연을 야기하게 되고 이러한 현상은 전체 무선 센서 네트워크의 에너지 효율성을 떨어뜨리며 QoS(Quality of Service)에 영향을 미친다. 따라서, 무선 센서 네트워크에서 상향 트래픽으로 인해 발생하는 에너지 사용량을 제어하기 위한 기법으로서 듀티 사이클(Duty Cycle)기반의 MAC(Media Access Control) 프로토콜 기법이 제안되었다.
듀티 사이클 기반의 MAC 프로토콜을 이용하는 센서 노드는 주기적으로 활성 상태와 수면상태를 반복하면서 수면 상태일 때는 센서 노드의 전력 소모를 최소화함으로써 통신에 의한 에너지 소모를 줄인다.
종래에 제시된 듀티 사이클 기반의 MAC 프로토콜로는 배터리 기반의 센서네트워크를 위한 프로토콜들 과 주변에 존재하는 태양광, 풍력, 진동 등과 같은 환경에 존재하는 에너지 획득에 기반하여 동작하는 센서네트워크를 위한 듀티 사이클 제어 프로토콜 등이 제시되었으나 무선전력전송 기반 센서네트워크를 위한 MAC 프로토콜은 기술은 연구가 충분히 진행되고 않지 있다.
무선 에너지 전송기반 센서 네트워크란 센서 노드가 배터리 또는 주변 환경에 존재하는 에너지를 획득하여 동작하는 것이 아니라 싱크 노드로부터 무선 에너지를 공급받아 동작하는 센서네트워크를 의미한다. 이러한 무선 에너지 전송기반 센서네트워크는 주변 환경에 존재하는 에너지원이 없으면서 건물, 동식물, 시설 등에 센서 노드가 삽입되어 전원 공급이나 배터리 교체가 불가능한 환경에서 사용될 수 있는 센서 네트워크이다.
무선전력전송 기반 센서네트워크에 상기 기존의 무선 센서 네트워크용 MAC 프로토콜을 그대로 적용할 경우에는 다음과 같은 문제점이 발생한다.
먼저, 배터리 기반 센서 네트워크를 위한 MAC 프로토콜은 무선에너지 전송 기술에 의하여 획득되는 에너지 획득량에 적응적으로 동작할 수 없으므로 매우 비효율적으로 동작하거나 동작 자체가 불가능할 수 있게 된다.
다음으로, 환경 에너지 획득기반 센서 네트워크를 위한 듀티 사이클 제어기술은 무선 에너지를 전송하는 노드와 수신하는 노드 간의 거리차이로 인한 에너지 획득양의 차이로 인한 통신 기회의 불공정성 (unfairness)에 대한 해결책을 제시 하 있지 않아 무선전력전송 센서네트워크에는 적합하지 않다.
본 발명에서는 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 무선전력전송 기반의 MAC 프로토콜 구현을 위한 센서네트워크 시스템, 센서 노드 및 센서 노드의 통신방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 싱크 노드와 센서 노드간의 서로 다른 거리에 따른 센싱 데이터 전송 량의 불공정성을 해소하는 무선전력전송 기반의 센서네트워크 시스템, 센서 노드 및 센서 노드의 통신방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 무선전력전송 기반의 센서 노드의 통신방법을 이용한 MAC 프로토콜을 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 무선 전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드의 통신 방법에 있어서, 싱크 노드로부터 전력을 수신하여 에너지를 충전하는 단계(a); 및 미리 설정된 임계 값만큼 에너지가 충전되는 경우 상기 싱크 노드로 센싱 데이터를 전송하기 위해 다른 센서 노드들과의 채널 경쟁을 하는 단계(b)를 포함하되, 상기 채널 경쟁을 하는 시간은 상기 수신되는 전력의 세기를 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드의 통신 방법이 제공된다.
상기 채널 경쟁에 성공하여 채널을 획득하는 경우, 상기 채널을 이용하여 상기 싱크 노드로 센싱 데이터를 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 채널 경쟁을 하는 시간이 모두 경과되거나, 상기 채널 경쟁에서 성공하여 채널을 획득 후 상기 채널을 이용하여 상기 싱크 노드로 센싱 데이터를 전송하는 경우 상기 (a) 단계 내지 상기 (b) 단계를 재 수행할 수 있다.
상기 센서 노드가 채널 경쟁을 하거나, 상기 센서 노드가 상기 싱크 노드로 센싱 데이터를 전송하는 경우 상기 충전된 에너지를 소모할 수 있다.
또한, 상기 채널 경쟁을 하는 시간은 상기 센서 노드 및 상기 다른 센서 노드들에 수신되는 전력의 세기의 평균값 및 상기 센서 노드에 수신되는 전력의 세기를 이용하여 설정될 수 있다.
상기 채널 경쟁을 하는 시간은 상기 센서 노드에 수신되는 전력의 세기가 상기 평균값보다 작은 경우 미리 설정된 기준 채널 경쟁 시간보다 작게 설정되며, 상기 센서 노드에 수신되는 전력의 세기가 상기 평균값 보다 큰 경우 미리 설정된 기준 채널 경쟁 시간보다 크게 설정될 수 있다,
상기 (b) 단계는, CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 알고리즘을 이용하여 다른 센서 노드와의 채널 경쟁을 수행할 수 있다.
상기 채널 경쟁을 하는 시간은 상기 CSMA/CA 알고리즘에서의 백오프(backoff)의 크기에 상기 수신되는 전력의 세기를 이용한 가중치가 적용되어 설정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 무선 전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드에 있어서, 싱크 노드로부터 전력을 수신 받아 에너지를 충전하는 에너지 충전부; 상기 에너지 충전부에 미리 설정된 임계 값만큼 에너지가 충전되는 경우 상기 싱크 노드로 데이터를 전송하기 위해 다른 센서 노드들과의 채널 경쟁을 하는 채널 경쟁부; 및 상기 채널 경쟁에서 성공하는 경우 상기 싱크 노드로 싱크 데이터를 전송하는 통신부를 포함하되, 상기 채널 경쟁을 하는 시간은 상기 수신되는 전력의 세기를 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드가 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 무선전력전송 기반 센서네트워크 시스템에 있어서, 센서 노드로 전력을 송신하는 싱크 노드; 및
상기 싱크 노드로부터 전력을 수신받아 에너지를 충전하며, 상기 미리 설정된 임계 값만큼 에너지가 충전되는 경우 상기 싱크 노드로 데이터를 전송하기 위해 다른 센서 노드들과의 채널 경쟁을 하며, 상기 채널 경쟁에서 성공하는 경우 상기 싱크 노드로 싱크 데이터를 전송하는 센서 노드를 포함하되, 상기 채널 경쟁의 시간은 상기 센서 노드에 수신되는 전력의 세기를 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크 시스템이 제공된다.
본 발명에 따르면, 무선전력전송 기반의 MAC 프로토콜 구현을 위한 센서네트워크 시스템, 센서 노드 및 센서 노드의 통신방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면 무선전력 전송 기반 센서네트워크에서 싱크 노드와 센서 노드간의 거리에 따른 센싱 데이터 전송 량의 불공정성을 해소할 수 있다.
도 1은 무선전력전송 기반 센서 네트워크의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 무선전력전송 센서 네트워크에서의 에너지 전송모델을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송기반 MAC 프로토콜 구현을 위한 센서 노드의 통신 방법을 설명하기 위해 도시한 상태천이다이어그램이다.
도 4는 상태천이다이어그램에 따른 센서 노드의 에너지 상태의 변화를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송 기반 센서 네트워크에서의 센서 노드의 블록도를 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 CSMA-CA 알고리즘의 순서도를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드들의 데이터 전송량을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 무선전력전송 기반 센서 네트워크의 일례를 도시한 도면이다.
싱크 노드(100)는 센서 노드(110)로부터 센싱 데이터를 수신하는 수신부(101), RF 에너지를 기반으로 전력을 전송하는 RF 에너지 전송부(103) 및 수신부(101) 및 RF 에너지 전송부(103)를 제어하는 마이크로 컨트롤러(105)로 구성된다.
센서 노드(110)는 싱크 노드(100)로부터 전력을 수신 받아 에너지를 충전하는 에너지 충전부(111), 센싱 데이터를 수집하는 센서(113), 싱크 노드(100)에 센싱 데이터를 송신하는 송신부(117) 및 이들을 제어하는 마이크로 컨트롤러(115)로 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 센서 노드(110)로 무선 전력을 전송하는 방법은 RF 에너지에 한정되지 않으며, 전자기파를 이용한 방법, 자기유도를 이용한 방법, 공진자기유도를 이용한 방법 등 무선으로 전력을 전송하는 다양한 방법이 사용될 수 있으며 이에 대한 자세한 설명은 종래기술이므로 생략하도록 한다.
센서 노드(110)는 에너지 충전부(111)에서 획득된 에너지를 이용하여 센싱 데이터를 수집하고, 수집된 센싱 데이터를 싱크 노드(100)로 전송한다. 즉, 에너지는 싱크 노드(100)로부터 센서 노드(110)로 전송되며, 센싱 데이터는 센서 노드(110)로부터 싱크 노드(110)로 전송된다.
도 2는 무선전력전송 센서 네트워크에서의 에너지 전송모델을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 싱크 노드(100)가
Figure pat00001
크기의 전력을 센서 노드(110)들로 전송하면 센서 노드(110)들은 싱크 노드(100)와의 거리와 센서 노드(110)의 안테나의 이득에 따라서
Figure pat00002
의 크기를 가지는 전력을 획득하게 된다.
센서 노드(110)가 획득하는 전력의 세기는 하기의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00003
여기서,
Figure pat00004
는 i번째 센서 노드에서 획득하는 전력의 세기,
Figure pat00005
는 센서 노드의 에너지 획득 효율,
Figure pat00006
는 싱크 노드의 전력 전송 안테나의 이득,
Figure pat00007
은 센서 노드의 전력 수신 안테나의 이득,
Figure pat00008
는 전력 전송에 사용되는 RF의 파장,
Figure pat00009
는 i번째 센서 노드와 싱크 노드와의 거리를 각각 의미한다.
상기 수학식 1을 살펴보면, 싱크 노드(100)와 센서 노드(110)와의 거리가 멀어질수록 전력의 세기는 급격하게 떨어짐을 확인할 수 있다.
무선전력전송 기반 센서 네트워크에서 싱크 노드(100)는 상용전원을 이용하여 동작하며 따라서, 싱크 노드(100)는 센서 노드(110)가 어느 시점에서 데이터를 보내더라도 수신할 수 있도록 항상 수신 대기 상태로 동작한다.
센서 노드(110)는 싱크 노드(100)로부터 전송된 전력을 획득하여 에너지를 충전하고, 충전된 에너지를 이용하여 싱크 노드(100)로 데이터를 전송한다. 이때, 센서 노드(110)는 도 3과 같은 상태천이다이어그램을 이용하여 동작하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송기반 MAC 프로토콜 구현을 위한 센서 노드의 통신 방법을 설명하기 위해 도시한 상태천이다이어그램이다.
도 3을 참조하면, 센서 노드는 센싱 데이터를 전송하기에 필요한 충분한 에너지가 충전될 때까지 "Sleep" 상태에서 대기하다가 한 번의 센싱 데이터 전송을 위한 충분한 에너지가 충전되면 "Active" 상태에 해당하는 "Contention" 상태로 천이가 된다. "Contention" 상태에 센서 노드는 채널획득을 위한 채널 경쟁을 수행하고 경쟁에서 성공하여 채널을 얻게 되면 "Transmit" 상태로 천이하여 센싱 데이터를 싱크 노드에게 전송하며, 채널 경쟁에서 실패하면 "Transmit" 상태로 천이하지 않고 바로 "Sleep" 상태로 전환된다.
도 4는 상태천이다이어그램에 따른 센서 노드의 에너지 상태의 변화를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 에너지의 양이
Figure pat00010
까지 충전되면 센서 노드는 "Active" 상태로 동작하며 채널에 대한 경쟁 및 센싱 데이터 전송으로 발생하는 에너지를 소비한다. 센싱 데이터를 전송하거나 또는 채널 경쟁에 대한 시도가 끝나면 "Active" 에서 "Sleep" 상태로 천이되어 다시 에너지가 충전되게 된다. 이러한 과정을 반복함으로써 센서 노드는 센서 노드에서 획득되는 에너지의 양에 따라 적응적으로 듀티 사이클을 관리하고 센싱 데이터 전송을 수행하게 된다.
센서 노드들은 수학식 1에서 살펴본 바와 같이 싱크 노드와의 거리가 멀어짐에 따라서 전력의 세기가 급격히 감소하게 되며 따라서 에너지 획득 량도 급격하게 감소한다. 이렇게 센서 노드들의 위치에 따른 에너지 획득 량의 차이는 싱크 노드로 센싱 데이터를 전송할 기회에 대한 불공정을 가져오게 된다.
즉, 싱크 노드와 가까운 센서 노드는 에너지 획득 량이 많아서 "Sleep" 상태에서 머무는 시간이 상대적으로 짧아지게 되며 따라서 "Active" 상태가 자주 발생하게 된다. 그러나 싱크 노드로부터 멀리 떨어진 센서 노드는 에너지 획득 량이 적어 "Sleep" 상태에 머무는 시간이 길어지게 되고 따라서 "Active" 상태가 드물게 발생하게 된다. 결론적으로, 센서 노드가 싱크 노드와 거리가 멀수록 싱크 노드에 전송하는 센싱 데이터의 전송량이 급격하게 감소하게 되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 싱크 노드와 센서 노드간의 거리에 따른 센싱 데이터 전송량의 불공정성을 해소하기 위해 센서 노드는 데이터 전송을 위해 채널 경쟁을 하는 "Contention" 상태의 시간을 싱크 노드로부터 수신하는 전력의 세기에 따라 적응적으로 설정할 수 있다.
보다 상세하게, 센서 노드와 싱크 노드와의 거리가 멀수록 즉, 센서 노드에 수신되는 전력의 세기가 작을 수록 채널 경쟁의 시간을 미리 설정된 기준 채널 경쟁 시간보다 작게 설정하고, 센서 노드에 수신되는 전력의 세기가 클수록 채널 경쟁의 시간을 미리 설정된 기준 채널 경쟁 시간보다 크게 설정할 수 있다.
이와 같이 센서 노드에 수신되는 전력의 세기에 따라 채널 경쟁의 시간을 달리하는 경우, 전력의 세기가 작아 채널 경쟁의 시간이 줄어든 센서 노드는 채널 경쟁에 의해 소모되는 에너지를 감소시킬 수 있다. 따라서, "Active" 상태로 천이되기 위해 에너지를 충전하는 시간이 감소되므로, "Active" 상태가 이전보다 자주 발생하게 된다. 이에 반해 전력의 세기가 커서 채널 경쟁의 시간이 늘어난 센서 노드는 "Active" 상태에서 소비되는 에너지가 많아지므로 "Sleep" 상태에서 "Active" 상태로 천이되기 위해 에너지를 충전하는 시간이 증가하게 된다. 따라서 "Active" 상태의 발생 빈도가 이전보다 감소되므로 싱크 노드와 센서 노드간의 거리에 따른 센싱 데이터 전송량의 불공정성이 해소될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 채널 경쟁의 시간은 센서 노드에 수신되는 전력의 세기가 채널 경쟁을 하는 센서 노드들에 수신되는 전력의 세기의 평균 값보다 작은 경우 미리 설정된 기준 채널 경쟁 시간보다 작게 설정될 수 있으며, 센서 노드에 수신되는 전력의 세기가 채널 경쟁을 하는 센서 노드들에 수신되는 전력의 세기의 평균 값보다 큰 경우 미리 설정된 기준 채널 경쟁 시간보다 크게 설정될 수 있다.
이때, 채널 경쟁을 하는 센서 노드들은 자신이 수신하는 전력의 세기 정보를 싱크 노드로 전송하고, 싱크 노드로부터 센서 노드들이 수신하는 전력의 세기의 평균값을 수신 받을 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송 기반 센서 네트워크에서의 센서 노드의 블록도를 도시한 도면이다.
센서 노드(500)는 에너지 충전부(501), 전력세기 송수신부(503), 채널 경쟁부(505), 센싱 데이터 수집부(507) 및 통신부(509)를 포함한다.
에너지 충전부(501)는 싱크 노드로부터 전력을 수신받아 에너지를 충전한다.
전력세기 송수신부(503)는 에너지 충전부(501)에 수신되는 전력의 세기를 싱크 노드에 송신하고 싱크 노드로부터 채널 경쟁을 하는 센서 노드들에 수신되는 전력의 세기의 평균 값을 수신한다.
채널 경쟁부(505)는 에너지 충전부(501)에 미리 설정된 임계 값만큼 에너지가 충전되는 경우 싱크 노드로 센싱 데이터를 전송하기 위해 다른 센서 노드들과의 채널 경쟁을 한다. 여기서 다른 센서 노드들은 상기 싱크 노드로 데이터 전송을 시도하는 센서 노드들을 의미한다.
채널 경쟁부(505)는 전력세기 송수신부(503)에 수신된 전력의 세기의 평균 값 및 에너지 충전부(501)에 수신되는 전력의 세기를 이용하여 채널 경쟁의 시간을 설정할 수 있다.
이때, 채널 경쟁부(505)에서 설정되는 채널 경쟁의 시간은 에너지 충전부(501)에 수신되는 전력의 세기가 전력의 세기의 평균값 보다 작은 경우 미리 설정된 기준 채널 경쟁 시간보다 작게 설정되고, 평균값 보다 큰 경우 미리 설정된 기준 채널 경쟁 시간보다 크게 설정됨으로써 센서 노드들의 센싱 데이터 전송량의 공정성이 확보될 수 있다.
채널 경쟁부(505)에서 채널 경쟁을 통해 채널을 획득한 경우 통신부(509)는 센싱 데이터 수집부(507)에서 수집된 센싱 데이터를 싱크 노드로 전송한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 센서 노드들의 채널 경쟁을 수행하기 위해 CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) 알고리즘을 이용할 수 있으며, 센서 노드들의 센싱 데이터 전송량의 불공정성을 해결 하기 위해 CSMA-CA 알고리즘에서의 백오프(backoff)의 크기에 센서 노드에 수신되는 전력의 세기를 이용한 가중치를 적용할 수 있다.
여기서, CSMA-CA 알고리즘은 무선 통신에서 일반적으로 사용되는 충돌 회피기술로서 여러 디바이스의 동시 전송으로 인한 충돌을 피하기 위해 사용되는 프로토콜을 의미한다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 CSMA-CA 알고리즘을 이용한 채널 경쟁 과정의 순서도를 도시한 도면이다.
i번째 센서 노드에서의 CSMA-CA 알고리즘은
Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
의 세가지 변수를 이용하여 동작한다. 여기서,
Figure pat00014
는 CSMA/CA 알고리즘에서 CCA(Clear Channel Assessment)가 수행되는 횟수를 나타내며,
Figure pat00015
는 i번째 센서 노드가 CCA를 하기 전에 기다려야 하는 최대 시간과 관련된 값으로 Backoff Exponent라 한다.
Figure pat00016
는 가중치를 의미한다.
우선, 단계(S600)에서는
Figure pat00017
를 0으로 초기화 하고,
Figure pat00018
를 미리 설정된 값인 minBE로 초기화한다. 여기서, minBE는 Backoff Exponent의 최소값을 나타낸다.
이어서, 단계(S610)에서는 가중치
Figure pat00019
를 결정한다. 가중치
Figure pat00020
는 센서 노드에 수신되는 전력의 세기에 따라서 센서 노드들의 센싱 데이터 전송의 공정성을 확보해 줄 수 있도록 결정된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가중치
Figure pat00021
는 하기의 수학식 2와 같이 결정될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00022
여기서,
Figure pat00023
는 i번째 센서 노드에서의 백오프(backoff)의 크기에 적용되는 가중치, n은 상기 싱크 노드에 센싱 데이터를 전송하기 위해 채널 경쟁을 하는 센서 노드의 개수,
Figure pat00024
는 i번째 센서 노드에 수신되는 전력의 세기를 각각 의미한다.
수학식 2를 살펴보면, 가중치는 i번째 센서 노드에 수신되는 전력의 세기가 채널 경쟁을 하는 센서 노드들에 수신되는 전력의 세기의 평균값보다 작은 경우에는 1 미만의 값을 가지며, 큰 경우에는 1을 초과하는 값을 가지게 된다.
단계(S620)에서는 가중치가 적용된
Figure pat00025
사이의 랜덤 값을 선택하고, 선택된 값에 backoff Slot 시간을 곱한 만큼의 시간을 기다린다. 여기서 backoff Slot은 backoff 과정에서 사용되는 단위 슬롯에 해당하는 시간이다.
따라서, 센서 노드에 수신되는 전력의 세기가 채널 경쟁을 하는 센서 노드들에 수신되는 전력의 세기의 평균값보다 작은 경우 대기 시간이 짧아지며, 큰 경우에는 대기 시간이 길어짐으로써 전체 채널 경쟁의 시간이 조절될 것이다. 즉, 센서 노드에 수신되는 전력의 세기가 작을수록 채널 경쟁의 시간은 줄어들며, 전력의 세기가 클수록 채널 경쟁의 시간이 늘어나게 되어 센서 노드들의 거리에 따른 센싱 데이터의 전송량의 불공정성이 해소될 수 있다.
선택된 시간만큼 기다린 후 단계(S630)에서는 CCA를 수행한다. 여기서, CCA란 채널이 사용되고 있는지 여부를 판단하는 동작을 의미한다.
단계(S640)에서 CCA를 통해 채널이 다른 노드들에 의해 사용되지 않는다 판단되면 단계(S680)에서 센서 노드는 싱크 노드로 센싱 데이터를 전송하고 "Sleep" 상태로 전환하여 에너지를 충전한다.
반대로, 채널이 다른 노드들에 의해 사용되고 있다 판단되는 경우 단계(S650)에서는
Figure pat00026
,
Figure pat00027
를 1씩 증가시킨다.
이어서, 단계(S660)에서
Figure pat00028
가 maxCSMABackoffs보다 큰 지 판단하고,
Figure pat00029
가 maxCSMABackoffs 보다 작거나 같으면 단계(S620) 내지 단계(S660)을 반복하며,
Figure pat00030
가 maxCSMABackoffs보다 큰 경우 단계(S670)에서 채널획득에 실패했음을 알리고 CSMA-CA 알고리즘을 종료한다. 여기서, maxCSMABackoffs는 알고리즘 내에 미리 설정된 CCA를 수행하는 횟수를 의미한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드들의 데이터 전송량을 도시한 도면이다.
도 7(a)는 백오프(backoff)의 크기에 가중치를 부여하지 않은 경우의 센서 노드들의 전송량을 도시한 도면이며, 도 7(b)는 백오프(backoff)의 크기에 가중치를 부여한 경우의 센서 노드들의 전송량을 도시한 도면이다.
도 7(a)를 참조하면, 싱크 노드와 거리가 가까운 센서 노드에서의 센싱 데이터 전송량이 거리가 먼 센서 노드의 센싱 데이터 전송량보다 큼을 확인할 수 있다.
이에 반해 도 7(b)를 참조하면, 싱크 노드와 거리가 가까운 센서 노드에서의 센싱 데이터 전송량이 감소했으며, 상대적으로 거리가 먼 센서 노드에서의 센싱 데이터의 전송량은 증가되어 공정성 측면에서 상당한 개선이 이루어졌음 확인할 수 있다.
따라서, 상기에서 살펴본 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드의 통신 방법을 이용하여 무선전력전송 기반의 MAC 프로토콜을 구현할 수 있으며, 센서 노드들의 에너지 획득양의 차이로 인한 센싱 데이터 전송량의 불공정성을 해결 할 수 있을 것이다.
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 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 싱크 노드 101: 수신부
103: RF 에너지 전송부 105: 마이크로 컨트롤러
110: 센서 노드 111: 에너지 충전부
113: 센서 115: 마이크로 컨트롤러
117: 송신부
500: 센서 노드 501: 에너지 충전부
503: 전력세기 송수신부 505: 채널 경쟁부
507: 센싱 데이터 수집부 509: 통신부

Claims (14)

  1. 무선 전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드의 통신 방법에 있어서,
    싱크 노드로부터 전력을 수신하여 에너지를 충전하는 단계(a); 및
    미리 설정된 임계 값만큼 에너지가 충전되는 경우 상기 싱크 노드로 센싱 데이터를 전송하기 위해 다른 센서 노드들과의 채널 경쟁을 하는 단계(b)
    를 포함하되,
    상기 채널 경쟁을 하는 시간은 상기 수신되는 전력의 세기를 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드의 통신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 채널 경쟁에 성공하여 채널을 획득하는 경우, 상기 채널을 이용하여 상기 싱크 노드로 센싱 데이터를 전송하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드의 통신 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 채널 경쟁을 하는 시간이 모두 경과되거나 또는 상기 채널 경쟁에서 성공하여 채널을 획득 후 상기 채널을 이용하여 상기 싱크 노드로 센싱 데이터를 전송하는 경우 상기 (a) 단계 내지 상기 (b) 단계를 재 수행하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드의 통신 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 센서 노드가 채널 경쟁을 하거나 또는 상기 센서 노드가 상기 싱크 노드로 센싱 데이터를 전송하는 경우 상기 충전된 에너지를 소모하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드의 통신 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 채널 경쟁을 하는 시간은 상기 센서 노드 및 상기 다른 센서 노드들에 수신되는 전력의 세기의 평균값 및 상기 센서 노드에 수신되는 전력의 세기를 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드의 통신 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 채널 경쟁을 하는 시간은 상기 센서 노드에 수신되는 전력의 세기가 상기 평균값보다 작은 경우 미리 설정된 기준 채널 경쟁 시간보다 작게 설정되며, 상기 센서 노드에 수신되는 전력의 세기가 상기 평균값 보다 큰 경우 상기 미리 설정된 기준 채널 경쟁 시간보다 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드의 통신 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 알고리즘을 이용하여 다른 센서 노드와의 채널 경쟁을 수행하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드의 통신 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 채널 경쟁을 하는 시간은 상기 CSMA/CA 알고리즘에서의 백오프(backoff)의 크기에 상기 수신되는 전력의 세기를 이용한 가중치가 적용되어 설정되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드의 통신 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가중치는 하기의 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드의 통신 방법.
    Figure pat00031

    여기서,
    Figure pat00032
    는 i번째 센서 노드에서의 백오프(backoff)의 크기에 적용되는 가중치, n은 상기 싱크 노드에 센싱 데이터를 전송하기 위해 채널 경쟁을 하는 센서 노드의 개수,
    Figure pat00033
    는 i번째 센서 노드에 수신되는 전력의 세기를 각각 의미함.
  10. 무선 전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드에 있어서,
    싱크 노드로부터 전력을 수신 받아 에너지를 충전하는 에너지 충전부;
    상기 에너지 충전부에 미리 설정된 임계 값만큼 에너지가 충전되는 경우 상기 싱크 노드로 데이터를 전송하기 위해 다른 센서 노드들과의 채널 경쟁을 하는 채널 경쟁부; 및
    상기 채널 경쟁에서 성공하는 경우 상기 싱크 노드로 싱크 데이터를 전송하는 통신부
    를 포함하되,
    상기 채널 경쟁을 하는 시간은 상기 수신되는 전력의 세기를 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 센서 노드가 채널 경쟁을 하거나 또는 상기 센서 노드가 상기 싱크 노드로 센싱 데이터를 전송하는 경우 상기 에너지 충전부에 충전된 에너지를 소모하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 수신되는 전력의 세기를 상기 싱크 노드로 전송하며, 상기 싱크 노드로부터 상기 센서 노드 및 상기 다른 센서 노드들에 수신되는 전력의 세기의 평균값을 수신하는 전력세기 송수신부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 채널 경쟁을 하는 시간은 상기 센서 노드에 수신되는 전력의 세기가 상기 평균값보다 작은 경우 미리 설정된 기준 채널 경쟁 시간보다 작게 설정되며, 상기 센서 노드에 수신되는 전력의 세기가 상기 평균값 보다 큰 경우 상기 미리 설정된 기준 채널 경쟁 시간보다 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크에서의 센서 노드.
  14. 무선전력전송 기반 센서네트워크 시스템에 있어서,
    센서 노드로 전력을 송신하는 싱크 노드; 및
    상기 싱크 노드로부터 전력을 수신받아 에너지를 충전하며, 미리 설정된 임계 값만큼 에너지가 충전되는 경우 상기 싱크 노드로 데이터를 전송하기 위해 다른 센서 노드들과의 채널 경쟁을 하며, 상기 채널 경쟁에서 성공하는 경우 상기 싱크 노드로 싱크 데이터를 전송하는 센서 노드
    를 포함하되,
    상기 채널 경쟁의 시간은 상기 센서 노드에 수신되는 전력의 세기를 이용하여 설정되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 기반 센서네트워크 시스템.
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