KR20130061931A

KR20130061931A - 무선 멀티홉 네트워크에서 다채널 할당 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20130061931A
Application number: KR1020110128256A
Authority: KR
Inventors: 김해용; 송준근; 정종수; 차우석; 마평수
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2013-06-12

Abstract

본 발명은 무선 멀티홉 네트워크에서의 다채널 할당 기술에 관한 것으로, 데이터 수집을 위해 트리 형태로 구성된 무선 센서 네트워크 및 애드혹 네트워크 상에서 멀티홉 통신의 신뢰도를 높이기 위해 네트워크 내 일반 디바이스와 백본 라우터 간의 논리적인 거리, 즉 홉수를 이용하여 각 디바이스들이 수신시 사용할 채널을 결정하여 상위 홉의 디바이스들 및 하위 홉의 디바이스들과 다른 채널을 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 디바이스간 통신에 있어서의 성능 향상을 단순히 두 개의 디바이스 간의 문제로 보고 해결하는 것이 아니라, 멀티홉으로 구성된 네트워크 차원에서 성능 향상을 수행함으로써, 네트워크 내에 CSMA가 사용되는 부분에 복수의 채널을 적절하게 할당하여 패킷 충돌을 줄이고 높은 신뢰성을 획득할 수 있다.

Description

무선 멀티홉 네트워크에서 다채널 할당 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR　MULTIPLE CHANNEL ALLOCATING IN A WIRELESS MULTI-HOP NETWORK}

본 발명은 다채널 할당 및 주파수 분할 기술에 관한 것으로서, 특히 데이터 수집을 위해 트리 형태로 구성된 무선 센서 네트워크 및 애드혹 네트워크 상에서 멀티홉 통신의 신뢰도를 높이는데 적합한 무선 멀티홉 네트워크에서 다채널 할당 장치 및 방법에 관한 것이다.

기본적으로 멀티홉 무선 네트워크 내 통신은 CSMA방식을 사용하여 이뤄진다. CSMA 방식은 TDMA의 경우처럼 주기적인 시간 동기화 과정이 필요하지 않기 때문에 에너지 소모를 줄일 수 있는 장점이 있다. 단, 일반적으로 스타형으로 구성된 무선 네트워크의 경우에는 CSMA가 TDMA에 비해 신뢰도가 크게 저하되지도 않지만, 트리 형태의 멀티홉 무선 네트워크의 경우에는 스타형으로 구성된 네트워크와는 달리 히든 노드 문제(Hidden Node Problem)가 필연적으로 빈번하게 발생할 수 있다.

여기서, 히든 노드 문제는 무선 통신에서 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) MAC(Media Access Control) 프로토콜 사용시 각각의 디바이스가 수행하는 CCA(Clear Channel Assessment)로 패킷 충돌을 방지할 수 없는 상황에 발생하는 문제이다.

즉, 도 1에 도시한 바와 같이 상호 간에 송신 상태 파악이 불가능할 정도로 멀리 떨어진 두 개의 송신 디바이스(110, 120)가 각 송신 디바이스의 통신 범위(112, 122) 안에 속한 수신 디바이스(100)로 동시에 데이터를 전달하려 하는 경우가 발생할 수 있다. 이때, 동시에 전송되는 데이터는 충돌로 인해 수신 디바이스(100)에서는 어떠한 데이터도 수신하지 못하게 된다.

스타 형태로 구성된 네트워크에서는 네트워크에 속한 디바이스들이 상호간 모두 데이터 전송범위 이내에 있는 것이 일반적이기 때문에 히든 노드 문제가 자주 발생하지 않지만, 데이터 수집을 위해 구성된 트리 형태의 멀티홉 무선 네트워크에서는 각 디바이스의 부모 디바이스와 자식 디바이스 간에 히든 노드 문제가 매우 빈번하게 일어나며, 이 문제가 네트워크 성능을 치명적으로 저하 시키게 된다.

이 문제는 단순히 통신 대역폭을 낮출 뿐만 아니라 통신 신뢰성(전송률)도 매우 저하시킴으로써, 기존에 신뢰성이 높은 유/무선 네트워크에서 사용되던 상위 계층의 프로토콜들에 예기치 못한 문제를 야기시키고 이로 인해 급격한 성능저하를 가져오기 때문이다.

이를 해결하기 위해 RTS/CTS(Request to Send/Clear to Send)를 사용하기도 하지만, 이는 각 디바이스에서 발생되는 데이터량이 매우 크고 연속적인 경우에만 이득이 있으며, 작은 데이터를 자주 보내는 경우에는 오히려 RTS/CTS로 인한 오버헤드가 너무 커지기 때문에 일반적으로 데이터 수집을 위해 멀티홉으로 구성된 무선 네트워크에서는 사용되지 않는다.

또한, 다른 방식으로는 네트워크에서 구역별로 사용하는 채널을 달리할 수 있는 컬러링(coloring) 알고리즘을 제시하였는데, 컬러링 문제(coloring problem)를 해결하기 위한 휴리스틱(heuristic) 알고리즘을 제시하는 것에 지나지 않았다. 즉, 정적으로 고정된 네트워크 토폴로지를 위한 최적의 채널 할당 솔루션을 제시하는 것에 불과했기 때문에 토폴로지의 변화에 대한 대처가 불가능하고 다양한 라우팅 알고리즘과 병합되기 힘들었다. 또한 대부분이 다중 라디오(multi radio)를 가정하고 있어, 단일 라디오(single radio)를 지닌 디바이스들에게 적용될 수 없었다.

Dragos, Niculescu, Sudeept Bhatnagar, Samrat Ganguly, Allocation of channels in wireless tree topologies, IEEE ISWPC 2011

상기한 바와 같이 종래 기술에 의한 무선 통신에서 CSMA/CA MAC 프로토콜을 사용하는 경우 발생할 수 있는 히든 노드 문제를 해결하기 위해 다양한 방안이 연구되었으나, 대부분 사용 상의 제약이 있고, 멀티홉으로 구성된 무선 네트워크에서는 사용할 수 없다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명의 실시예는, 데이터 수집을 위해 트리 형태로 구성된 무선 센서 네트워크 및 애드혹 네트워크 상에서 멀티홉 통신의 신뢰도를 높일 수 있는 무선 멀티홉 네트워크에서 다채널 할당 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

또한 본 발명의 실시예는, 데이터 수집을 위해 트리 형태로 구성된 무선 센서 네트워크 및 애드혹 네트워크 상에서 멀티홉 통신의 히든 노드 문제를 줄이고, 신뢰성 확보를 위해 네트워크 내 일반 디바이스와 백본 라우터(루트 디바이스 또는 싱크 노드)간의 논리적인 거리, 즉 홉수를 이용해 각 디바이스들이 수신시에 사용하는 채널을 결정하여 상위 홉의 디바이스들 및 하위 홉의 디바이스들과 다른 채널을 사용함으로써, 히든 노드 문제를 획기적으로 줄일 수 있는 무선 멀티홉 네트워크에서 다채널 할당 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 멀티홉 네트워크에서 다채널 할당 장치 는, 홉수에 따라 적어도 세개의 채널 중 하나를 순차적으로 설정하는 다채널 알고리즘을 생성하도록 다채널 알고리즘 생성부와, 적어도 하나의 하위계층 홉 디바이스로부터 네트워크 조인 요청 메시지를 수신한 경우, 상기 다채널 알고리즘을 포함하는 네트워크 조인 응답 메시지를 상기 하위계층 홉 디바이스로 전송하는 제어부와, 상기 제어부의 제어하에 메시지를 송수신하여 상기 하위계층 홉 디바이스와 연동하고, 데이터를 수신하는 송수신부를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 멀티홉 네트워크에서 다채널 할당 장치 는, 각 채널 별 전체 스캔을 수행하는 채널 스캔부와, 각 채널 별 네트워크 조인 요청 메시지를 전송하여 다채널 알고리즘이 포함된 백본 라우터 또는 상위계층 홉 디바이스로부터 네트워크 조인 요청 메시지를 수신한 경우, 홉을 설정하고, 상기 다채널 알고리즘을 토대로 상기 백본 라우터 또는 상위계층 홉 디바이스에 설정된 채널 이외의 채널을 순차적으로 설정하는 제어부와, 상기 제어부의 제어하에 메시지를 송수신하여 상기 백본 라우터, 상위계층 혹은 하위계층 홉 디바이스와 연동하고, 데이터를 수신하는 송수신부를 포함할 수 있다.

그리고 상기 제어부는, 상기 하위계층 홉 디바이스로부터 네트워크 조인 요청 메시지를 수신한 경우, 설정 채널 정보를 포함하는 상기 다채널 알고리즘을 네트워크 조인 응답 메시지에 포함시켜 상기 하위계층 홉 디바이스로 전송할 수 있다.

그리고 상기 제어부는, 상기 다채널 알고리즘에 포함된 상기 설정 채널 정보를 확인하고, 모든 채널이 기 할당된 경우, 다시 처음 할당된 채널부터 순차적으로 재할당 받을 수 있다.

그리고 상기 무선 멀티홉 네트워크는, 트리 형태로서, CSMA/CA MAC 프로토콜로 통신할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 멀티홉 네트워크에서 다채널 할당 방법은, 홉수에 따라 적어도 세개의 채널 중 하나를 순차적으로 설정하도록 다채널 알고리즘을 생성하는 과정과, 제1 채널을 설정하는 과정과, 적어도 하나의 하위계층 홉 디바이스로부터 네트워크 조인 요청 메시지를 수신한 경우, 상기 다채널 알고리즘을 포함하는 네트워크 조인 응답 메시지를 상기 하위계층 홉 디바이스로 전송하는 과정과, 상기 하위계층 홉 디바이스와 연동하여 데이터를 수신하는 과정을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 멀티홉 네트워크에서 다채널 할당 방법은, 각 채널 별로 전체 스캔을 수행하는 과정과, 상기 각 채널 별로 네트워크 조인 요청 메시지를 전송하여 다채널 알고리즘이 포함된 백본 라우터 또는 상위계층 홉 디바이스로부터 네트워크 조인 응답 메시지를 수신한 경우, 홉을 설정하고, 상기 다채널 알고리즘을 토대로 상기 백본 라우터 또는 상위계층 홉 디바이스에 설정된 채널 이외의 채널을 순차적으로 설정하는 과정과, 상기 백본 라우터, 상위계층 혹은 하위계층 홉 디바이스와 연동하여 데이터를 수신하는 과정을 포함할 수 있다.

그리고 상기 설정하는 과정은, 상기 하위계층 홉 디바이스로부터 네트워크 조인 요청 메시지를 수신한 경우, 설정 채널 정보를 포함하는 상기 다채널 알고리즘을 네트워크 조인 응답 메시지에 포함시켜 상기 하위계층 홉 디바이스로 전송할 수 있다.

그리고 상기 설정하는 과정은, 상기 다채널 알고리즘에 포함된 상기 설정 채널 정보를 확인하는 과정과, 모든 채널이 기 할당된 경우, 다시 처음 할당된 채널부터 순차적으로 재할당 받을 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 무선 멀티홉 네트워크에서 다채널 할당 장치 및 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 무선 멀티홉 네트워크에서 다채널 할당 장치 및 방법에 의하면, 디바이스간 통신에 있어서의 성능 향상을 단순히 두 개의 디바이스 간의 문제로 보고 해결하는 것이 아니라, 멀티홉으로 구성된 네트워크 차원에서 성능 향상을 수행함으로써, 네트워크 내에 CSMA가 사용되는 부분에 복수의 채널을 적절하게 할당하여 패킷 충돌을 줄이고 높은 신뢰성을 획득할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 멀티홉 무선 네트워크에서 발생되는 히든 노드 문제의 예를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 할당 장치의 구조를 간략히 도시한 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 할당 장치의 동작 절차를 도시한 흐름도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 알고리즘을 이용한 채널 할당 방식을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 알고리즘을 이용한 채널 할당 절차를 도시한 흐름도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.

또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.

본 발명의 실시예는, 데이터 수집을 위해 트리 형태로 구성된 무선 센서 네트워크 및 애드혹 네트워크 상에서 멀티홉 통신의 신뢰도를 높이기 위한 것이다. 즉, 무선 센서 네트워크 및 애드혹 네트워크 상에서 발생할 수 있는 히든 노드 문제를 줄이기 위해 네트워크 내 일반 디바이스와 백본 라우터(예컨대, 루트 디바이스 혹은 싱크노드)간의 논리적인 거리, 즉 홉수를 이용해 각 디바이스들이 송수신시에 사용하는 채널을 결정하여 상위 홉의 디바이스들 및 하위 홉의 디바이스들과 다른 채널을 사용함으로써, 히든 노드 문제를 획기적으로 줄이기 위한 것이다.

이와 같이 본 발명의 실시예를 통해 데이터 수집을 위해 트리 형태로 구성된 무선 멀티홉 네트워크에서 통신의 신뢰성 확보를 위한 다채널 할당 및 주파수 분할을 수행할 수 있다.

이때 무선 멀티홉 네트워크란 소수의 백본 라우터 즉, 루트 디바이스 혹은 싱크노드들로 네트워크에서 발생한 데이터가 수집되는 트리 형태의 네트워크를 말하며, 예를 들어, 센서 네트워크 혹은 애드혹 네트워크가 이에 속할 수 있다. 네트워크를 구성하는 디바이스는 하나 혹은 그 이상의 무선 주파수 송수신기(RF Transceiver)를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 데이터 수집을 위해 트리 형태로 구성된 무선 멀티홉 네트워크의 데이터 통신에 있어서, 고신뢰성 확보를 위한 다채널 할당 방법에 대해 설명하도록 한다. 이러한 네트워크에서는 일반적으로 네트워크 전체에서 발생된 데이터가 단 하나의 백본 라우터라 불리우는 디바이스로 집중되게 된다. 이러한 백본 라우터는 경우에 따라 두 개 이상이 될 수도 있으며 본 발명의 실시예에서는 이러한 백본 라우터의 수에 관계없이 적용될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 할당 장치의 구조를 간략히 도시한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 다채널 할당 장치는 백본 라우터(200) 및 복수의 디바이스(250) 등을 포함할 수 있다. 여기서 백본 라우터(200)는 송수신부(202), 제어부(204), 다채널 알고리즘 생성부(206) 등을 포함할 수 있으며, 복수의 디바이스(250)는 송수신부(252), 채널 스캔부(254), 제어부(256) 등을 포함할 수 있다.

구체적으로 백본 라우터(200)는 네트워크에서 발생한 데이터를 수집하는 트리 형태의 네트워크에서 루트 디바이스 혹은 싱크 노드가 될 수 있다. 백본 라우터(200) 내 송수신부(202)는 메시지 및 데이터를 송수신한 것으로서, 적어도 하나의 하위계층 홉 디바이스들로부터 네트워크 조인 요청 메시지(Network_Join_Request)를 수신할 수 있으며, 제어부(204)의 제어하에 이에 대응하는 네트워크 조인 응답 메시지(Network_Join_Reply)를 전송할 수 있다.

또한, 메시지 송수신을 통해 하위계층 홉 디바이스들과 연동된 경우, 하위계층 홉 디바이스들로부터 데이터를 전송 받을 수 있으며, 각 디바이스들로 전송된 데이터를 수집할 수 있다.

다채널 알고리즘 생성부(206)는 각 계층 별 다채널 할당을 통해 패킷 충돌 현상을 방지하기 위한 알고리즘을 생성하는 것으로서, 논리적인 거리인 홉수에 따라 설정 가능한 채널 정보를 포함하고, 사용할 채널을 설정하여 설정된 복수의 채널을 순차적으로 사용한다는 정보를 알고리즘화하여 생성할 수 있다. 이에 각 계층별 디바이스는 적어도 두개 혹은 세개의 채널 중 하나를 수신 채널로 할당 받을 수 있다.

이러한 다채널 알고리즘은 각기 다른 채널을 낮은 주파수 우선순위 또는 높은 주파수 우선순위 등으로 설정함으로써, 각 디바이스에서는 자신의 홉을 기준으로 순차적인 채널 할당을 받을 수 있다. 이때, 각 채널은 간섭 영향을 받지 않도록 일정한 간격으로 분할된 주파수 정보를 포함하고 있으며, 사용될 수 있는 주파수 대역은 특정 대역에 한정되지 않는다.

그리고 순차적인 할당 방식 외에 남은 채널에 대한 랜덤 할당, 오름차순 및 내림차순 할당, 혹수 채널 및 짝수 채널 할당 등과 같이 다양한 할당 방식이 적용될 수 있다.

제어부(204)는 송수신부(202)로부터 전달 받은 네트워크 조인 요청 메시지에 대응하여 다채널 알고리즘이 포함된 네트워크 조인 응답 메시지를 송수신부(202)로 전달함으로써, 해당 홉 디바이스로의 전송을 제어할 수 있다. 또한, 해당 홉 디바이스로부터 수집된 데이터를 수신한 경우, 이를 저장하거나, 기 설정된 데이터 수집 서버 등으로 전송할 수 있다.

한편 제어부(204)는 다른 홉 디바이스로의 전송을 수행하는 경우, 해당 홉 디바이스 즉, 해당 계층에서 사용하는 채널로 변경하여 메시지 송신을 제어할 수 있다.

트리 형태로 구성된 무선 멀티홉 네트워크에서 각 디바이스는 백본 라우터(200)로부터의 홉 수에 따라 계층이 나뉘어지는데 계층별로 수신 채널을 다르게 할당받을 수 있다. 즉 자신보다 백본 라우터(200)에 가까운 상위계층의 디바이스들(부모)과 자신과 같은 계층의 디바이스들(이웃), 그리고 자신보다 백본 라우터로부터 멀리 떨어진 하위계층 디바이스들(자식)이 모두 다른 수신채널을 유지하고, 송신이 필요한 경우에는 해당 계층에서 사용하는 채널로 변경하여 송신을 수행할 수 있다.

수신시 사용하는 채널은 백본 라우터(200)로부터의 홉 수에 따라 달라지며, 채널 변경과 관련된 전략 즉, 다채널 알고리즘은 백본 라우터(200)에 의해 설정되어 네트워크 전체로 전파될 수 있다. 최소 3개의 채널을 사용하여 알고리즘을 적용할 수 있으며, 사용 가능한 채널들이 홉 수에 따라 반복적으로 사용될 수 있다.

다만, 홉을 기준으로 하는 트리 형태의 디바이스 구성을 시작하는 경우로서, 해당 디바이스에 수신 채널이 설정되어 있지 않은 경우에는 기 설정된 공통 사용 송수신 채널을 사용하거나, 상위 계층에 할당된 채널을 통해 송수신을 수행할 수 있다.

백본 라우터(200) 이하 홉 디바이스(250) 내 채널 스캔부(254)는 각 채널별 전체 스캔을 수행하는 것으로서, 예를 들어, 무선 멀티홉 네트워크에서 1 채널 내지 10채널의 사용이 가능한 경우, 각 채널에 대한 스캐닝을 통해 네트워크 조인 요청 메시지를 전송할 수 있다.

송수신부(252)는 제어부(256)의 제어하에 네트워크 조인 요청 메시지를 전송하고, 백본 라우터 또는 상위계층 홉 디바이스 등으로부터 네트워크 조인 응답 메시지를 수신할 수 있다. 그리고 하위계층 홉 디바이스로부터 네트워크 조인 요청 메시지를 수신한 경우, 이에 대응하여 다채널 알고리즘(자신이 수신 채널 설정 정보가 포함된)이 포함된 네트워크 조인 응답 메시지를 전송할 수 있다.

제어부(256)는 채널 스캔부(254) 및 송수신부(252)를 제어하며, 백본 라우터 또는 상위 홉 디바이스 등과 메시지 또는 신호 송수신을 통해 가장 짧은 경로를 선택하여 자신의 홉 수를 설정할 수 있다.

그리고 백본 라우터 또는 상위 홉 디바이스로부터 특정 채널을 통해 다채널 알고리즘이 포함된 네트워크 조인 응답 메시지를 수신한 경우, 이 다채널 알고리즘에는 백본 라우터 또는 상위계층 홉 디바이스의 수신 채널 설정 정보를 포함하고 있으므로, 제어부(256)에서는 설정된 채널 외 다음 순위의 채널을 자신의 홉에 해당하는 채널로 설정할 수 있다.

그리고 하위계층 홉 디바이스로부터의 네트워크 조인 요청에 따라 기존 채널 설정 정보에 자신이 설정한 수신 채널 정보를 포함시킨 다채널 알고리즘을 네트워크 조인 응답 메시지에 포함시켜 하위계층 홉 디바이스로 전송할 수 있다.

다만, 기 설정된 수신 채널이 3개(예컨대, 1,4,7채널)인 경우, 순차적으로 상위계층 홉 디바이스들로부터 모든 채널이 할당될 수가 있다. 이때 하위계층 홉 디바이스의 제어부에서는 이를 확인하여 다시 1채널부터 재할당할 수 있다.

그리고 제어부(256)는 다른 홉 디바이스로의 메시지 또는 데이터 전송을 수행하는 경우, 해당 홉 디바이스 즉, 해당 계층에서 사용하는 채널로 변경하여 메시지 및 데이터 송신을 제어할 수 있다.

이와 같이 데이터 수집을 위해 구성된 네트워크의 경우에는 데이터가 하위계층의 디바이스들로부터 상위계층의 디바이스를 거쳐 백본 라우터로 전송하게 되므로, 계층별로 각기 다른 채널을 할당함으로써 근접해 있는 계층 간 채널 분리를 통해 부모와 자식 디바이스들 간에 발생하는 히든 노드 문제를 해결할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예에서는 상향 데이터 전송 방식에 대해 나타내고 있으나, 하향 데이터 전송 방식에서도 적용이 가능함은 물론이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 할당 장치의 동작 절차를 도시한 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 300단계에서 백본 라우터(200)의 다채널 알고리즘 생성부(206)는 할당 가능한 채널 정보와, 각 채널을 순차적으로 사용한다는 정보를 포함하는 다채널 알고리즘을 생성하게 된다.

이에 생성된 다채널 알고리즘은 제어부(204)로 전달하여 302단계에서 제어부(204)는 할당 가능한 채널 정보를 확인한 후, 사용할 수신 채널을 제1 채널로 설정하게 된다.

이후, 304단계에서 적어도 하나의 홉 디바이스로부터 네트워크 조인 요청 메시지를 수신하게 되면, 306단계에서 설정한 수신 채널 정보를 다채널 알고리즘에 포함시키고, 네트워크 조인 응답 메시지에 다채널 알고리즘을 포함시켜 해당 홉 디바이스로 전송하게 된다.

이러한 단계를 통해 각 계층의 홉 디바이스들이 트리 형태로 연동된 경우, 각각의 홉 디바이스들이 생성하거나 수집된 데이터를 전송하게 되며, 308단계에서 백본 라우터(200)와 논리적인 거리로 가장 가까운 1홉 디바이스로부터 데이터를 수신하게 된다. 이때, 1홉 디바이스에서는 백본 라우터(200)의 수신 채널인 제1채널을 통해 데이터를 전송하게 된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 알고리즘을 이용한 채널 할당 방식을 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 데이터 수집을 위해 트리 형태로 구성된 무선 멀티홉 네트워크의 데이터 통신은 CSMA방식을 사용하나, 스타형으로 구성된 네트워크와는 달리 히든 노드 문제를 빈번하게 발생시킬 수 있으므로, 이를 해결하기 위해 다채널 할당을 수행할 수 있다.

이에 백본 라우터(400)에서는 예를 들어, 수신 채널 1,4,7이 순차적으로 할당되도록 설정한 다채널 알고리즘을 생성한 후, 수신 채널을 1로 설정할 수 있다. 이후 수신 채널 1이 할당되었음을 표시한 다채널 알고리즘을 메시지에 포함시켜 해당 디바이스(410)로 전송할 수 있다.

이에 해당 디바이스(410)에서는 백본 라우터(400)의 메시지를 확인하여 자신을 1홉으로 설정한 후, 다채널 알고리즘을 토대로 수신 채널1이 기 할당되었음을 확인하고, 수신 채널 4를 할당 받을 수 있다. 그리고 1홉 디바이스(410)는 수신 채널 1,4가 할당되었음을 표시한 다채널 알고리즘을 메시지에 포함시켜 하위계층 디바이스(420)로 전송할 수 있다.

하위계층 디바이스(420)에서는 1홉 디바이스(410)의 메시지를 확인하여 자신을 2홉으로 설정한 후, 다채널 알고리즘 확인을 토대로 수신 채널1,4가 기 할당되었음을 확인하고, 수신 채널 7를 할당 받을 수 있다. 그리고 2홉 하위 디바이스(420)는 수신 채널 1,4,7이 할당되었음을 표시한 다채널 알고리즘을 메시지에 포함시켜 통신 가능한 하위계층 디바이스(430)로 전송할 수 있다.

이에 하위계층 디바이스(430)에서는 2홉 디바이스(420)의 메시지를 확인하여 자신을 3홉으로 설정한 후, 다채널 알고리즘 확인을 토대로 수신 채널1,4,7이 기 할당되었음을 확인할 수 있다. 이때, 다채널 알고리즘은 모든 채널이 할당된 경우, 처음 할당된 채널을 재할당하도록 설정하고 있으므로, 다시 채널 1을 할당 받을 수 있다.

그리고 3홉 하위 디바이스(430)는 수신 채널 1이 재할당되었음을 표시한 다채널 알고리즘을 메시지에 포함시켜 통신 가능한 하위계층 디바이스(440)로 전송할 수 있다. 이를 통해 하위계층 디바이스(440)에서는 3홉 하위 디바이스(430)의 메시지를 확인하여 자신을 4홉으로 설정한 후, 다채널 알고리즘 확인을 토대로 수신 채널1이 재할당되었음을 확인하고, 수신 채널 4를 재할당 받을 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 알고리즘을 이용한 채널 할당 절차를 도시한 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 전체 무선 멀티홉 네트워크에서 1, 4, 7 세 개의 채널을 순차적으로 사용한다는 가정하에 500단계에서 백본 라우터(400)는 1, 4, 7 세 개의 채널의 순차적인 할당을 가능하게 하는 다채널 알고리즘을 생성한 후, 1번채널로 수신 채널을 설정하게 된다. 즉, 백본 라우터(400)는 각 디바이스의 연동 전에 알고리즘 생성 및 설정, 채널 설정 등을 수행하게 된다.

이때, 1홉 디바이스(410)에서는 502단계에서 전체 스캔을 수행하여 백본 라우터(400)를 검색하게 되고, 2 홉 디바이스(420)에서도 504단계에서 전체 스캔을 수행하여 백본 라우터(400) 또는 상위 홉 디바이스를 검색하게 된다.

이에 506단계에서 1홉 디바이스(410)가 전체 채널 스캔을 통해 네트워크 조인 요청 메시지를 백본 라우터(400)로 전송한 경우, 508단계에서 백본 라우터(400)는 제1 채널 또는 기 설정된 공통 채널을 통해 다채널 알고리즘을 포함하는 네트워크 조인 응답 메시지를 1홉 디바이스(410)로 전송하게 된다.

510단계에서 1홉 디바이스(410)는 전송된 메시지를 확인하여 자신을 1홉으로 설정한 후, 다채널 알고리즘에 포함된 채널 정보를 확인하여, 1번 채널이 백본 라우터에 할당되어 있으므로, 순차적으로 4번 채널을 할당하게 된다.

한편, 2홉 디바이스(420)는 백본 라우터로(400)와 직접 통신이 불가능한 거리에 있으므로, 512단계에서 전체 채널 스캔을 통해 1홉 디바이스(410)로 네트워크 조인 요청 메시지를 전송하게 된다.

이에 1홉 디바이스(410)에서는 514단계에서 제4채널 또는 기 설정된 공통 채널을 통해 다채널 알고리즘을 포함하는 네트워크 조인 응답 메시지를 2홉 디바이스(420)로 전송하게 된다.

이를 통해 516단계에서 2홉 디바이스(420)는 전송된 메시지를 확인하여 자신을 2홉으로 설정한 후, 다채널 알고리즘에 포함된 채널 정보를 확인하고, 제1 채널이 백본 라우터(400), 제4 채널이 1홉 디바이스(410)에 할당되어 있으므로, 순차적으로 제7 채널을 할당하게 된다.

이후, 백본 라우터(400)와, 1홉 디바이스(410) 및 2홉 디바이스(420)가 트리 형태로 연동된 경우, 각각의 홉 디바이스들이 생성하거나 수집된 데이터를 전송하게 되는 것으로서, 518단계에서 2홉 디바이스(420)가 1홉 디바이스(410)로 생성되거나, 수집된 데이터를 전송하게 된다.

이에 1홉 디바이스(410)는 520단계에서 2홉 디바이스(420)로부터 수신한 데이터 또는 수신 데이터에 1홉 디바이스(410)에서 생성된 데이터를 포함시켜 백본 라우터(400)로 전송하게 된다. 이를 통해 백본 라우터(400)는 522단계에서 수신한 데이터에 대한 수집 및 저장을 수행하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 멀티홉 네트워크에서 다채널 할당 장치 및 방법은, 데이터 수집을 위해 트리 형태로 구성된 무선 센서 네트워크 및 애드혹 네트워크 상에서 멀티홉 통신의 신뢰도를 높이기 위해 네트워크 내 일반 디바이스와 백본 라우터 간의 논리적인 거리, 즉 홉수를 이용하여 각 디바이스들이 수신시 사용할 채널을 결정하여 상위 홉의 디바이스들 및 하위 홉의 디바이스들과 다른 채널을 사용한다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

200: 백본 라우터 202: 송수신부
204: 제어부 206: 다채널 알고리즘 생성부
250: 디바이스 252: 송수신부
254: 채널 스캔부 256: 제어부

Claims

홉수에 따라 적어도 세개의 채널 중 하나를 순차적으로 설정하도록 다채널 알고리즘을 생성하는 다채널 알고리즘 생성부와,
적어도 하나의 하위계층 홉 디바이스로부터 네트워크 조인 요청 메시지를 수신한 경우, 상기 다채널 알고리즘을 포함하는 네트워크 조인 응답 메시지를 상기 하위계층 홉 디바이스로 전송하는 제어부와,
상기 제어부의 제어하에 메시지를 송수신하여 상기 하위계층 홉 디바이스와 연동하고, 데이터를 수신하는 송수신부
를 포함하는 무선 멀티홉 네트워크에서 다채널 할당 장치.