KR20140054694A - 센서 네트워크에서의 트래픽 절감을 위한 센서 노드 및 적응적 센싱 데이터 보고방법 - Google Patents

Abstract

센서 네트워크에서의 트래픽 절감을 위한 센서 노드 및 적응적 센싱 데이터 보고방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 노드는 이전에 보고한 센싱값과 현재 센싱값의 차이를 임계값과 비교하여 차이가 임계값보다 큰 경우에 현재 센싱값을 보고하고, 센싱값 비교에 의한 현재 센싱값 전송 유무에 따라 적응적으로 타이머의 주기를 가변하며, 센싱값 비교에 의한 현재 센싱값 전송이 발생한 경우에 타이머의 주기 이내에서 현재 센싱값을 추가로 보고한다.

Description

센서 네트워크에서의 트래픽 절감을 위한 센서 노드 및 적응적 센싱 데이터 보고방법 {Adaptive sensing data reporting method for reducing network traffic in sensor networks}

본 발명은 센서 네트워크 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적응적 센싱 데이터 보고기술에 관한 것이다.

센서 네트워크(sensor network)는 저전력 디바이스를 이용하여 필요한 지역의 센싱 데이터를 수집하는 것을 주목적으로 한다. 일반적으로 센서 노드는 배터리로 동작하며 주기적으로 자신의 센싱 데이터를 서버로 전송한다. 센서 노드의 전력 소모는 주로 무선 통신에 의해 발생하며, 센서 노드의 수명을 연장하기 위해서는 통신 횟수를 줄여야 한다. 특히 센서 네트워크에서 트래픽이 증가하면 동일한 데이터의 재전송 횟수가 늘어나며, 이는 결국 센서 노드의 전력 소모를 증가시킨다.

서버가 보다 정확한 센싱 정보를 획득하기 위해 센서는 자주 센싱 데이터를 서버로 보고해야 한다. 하지만, 센싱 데이터를 빠른 주기로 보고하는 경우, 트래픽 증가로 인해 센싱 데이터의 도착시간이 지연될 뿐만 아니라 센서 노드의 수명이 단축될 우려가 있다.

센서 네트워크에서 데이터 보고 통신량을 줄이기 위해 각 센서에 임계값(threshold)을 설정하고 임계값 이상의 데이터만 보고하게 하거나, 센싱 데이터의 변화에 따라 보고 주기를 동적으로 변화시키는 기법이 연구되었다. 임계값 이상의 센싱 데이터만 보고하는 경우, 서버는 임계값을 넘는 보고는 수신할 수 있지만, 그 과정에서 발생하는 센싱 데이터의 값은 확인하지 못한다. 또한 데이터의 변화에 따라 보고 주기를 동적으로 변화시키는 경우, 통신량 절감의 측면과 정확한 데이터 수신 둘 다의 부분에서 성능이 제한될 수 있다.

이전의 센싱 보고 주기 변경 기법들은 주로 서버에서 센싱 주기를 설정하였다. 다시 말해, 언제 센서 노드가 센싱값을 획득하고 전송할지를 서버가 직접 결정하였다. 하지만, 동적으로 변화는 환경에서 센싱 데이터의 정확성을 위해서 센서는 자주 센싱을 수행해야 한다. 즉, 센서 노드의 전력소모를 줄이기 위해 통신 횟수는 줄이더라도 센싱 빈도는 높여야 한다. 이는 센싱에 소모되는 전력 소모량이 크지 않기 때문이다. 따라서 센서 네트워크에서 센싱 데이터 획득 시, 센싱 데이터의 정확도를 유지하면서도 센서 노드의 전력소모 및 네트워크 트래픽을 감소시킬 수 있는 보고 기법이 필요하다.

일 실시 예에 따라, 센서 네트워크에서 잦은 센싱 데이터 보고에 의해 발생하는 트래픽을 절감하고 센서 노드의 수명을 연장하는 동시에, 센싱 데이터의 정확도를 유지하기 위한 센서 노드의 적응적 센싱 데이터 보고 기법을 제안한다.

일 실시 예에 따른 센서 노드는, 센싱값을 획득하는 센서와, 획득된 센싱값을 전송하는 통신부와, 센싱값 전송을 위해 시간을 카운팅하는 타이머와, 이전에 보고한 센싱값과 현재 센싱값의 차이를 임계값과 비교하여 차이가 임계값보다 큰 경우에 현재 센싱값을 통신부를 통해 보고하고, 센싱값 비교에 의한 현재 센싱값 전송 유무에 따라 적응적으로 타이머의 주기를 가변하는 제어부를 포함한다.

제어부는, 센싱값 비교에 의해 차이가 임계값보다 크면 현재 센싱값을 보고하고 타이머의 주기가 감소하도록 타이머를 재설정할 수 있는데, 타이머의 주기를 지수적으로 감소시킬 수 있다.

제어부는, 타이머의 주기 종료 시점까지 센싱 값 비교에 의한 차이가 임계값보다 큰 현재 센싱값이 존재하지 않으면 타이머의 주기가 증가하도록 타이머를 재설정할 수 있는데, 타이머의 주기를 지수적으로 증가시킬 수 있다.

제어부는, 센싱값 비교에 의한 현재 센싱값 전송이 발생한 경우에 통신부를 통해 타이머의 주기 이내에서 현재 센싱값을 추가로 보고할 수 있다. 이때, 현재 센싱값을 추가로 보고하는 시점은 타이머의 주기 이내에서 임의로 설정한 시점일 수 있다. 제어부는, 타이머 주기 이내에서 보고시점에 도달하면 통신부를 통해 현재 센싱값을 추가로 보고하고, 타이머 주기가 종료되어 타이머 재설정 시점이 도달하면 타이머의 주기를 지수적으로 증가하도록 타이머를 재설정할 수 있다.

다른 실시 예에 따른 센서 노드의 센싱 데이터 보고방법은, 센싱값을 획득하는 단계와, 이전에 보고한 센싱값과 현재 센싱값의 차이를 임계값과 비교하여 차이가 임계값보다 큰 경우에 현재 센싱값을 보고하는 단계와, 센싱값 비교에 의한 현재 센싱값 전송 유무에 따라 적응적으로 타이머의 주기를 가변하는 단계를 포함한다.

일 실시 예에 따르면, 센서 네트워크에서 잦은 센싱 데이터 보고에 의해 발생하는 트래픽을 절감하고 센서 노드의 수명을 연장하면서도, 센싱 데이터의 정확도를 유지할 수 있다. 즉, 센서 노드가 이전에 서버로 전송한 센싱값과 현재 센싱값의 차이가 임계값보다 큰 경우에만 센싱값을 보고하고, 적응적 지수 증감 타이머를 이용하여 타이머 주기에서 랜덤하게 선택된 시간의 센싱값을 추가로 보고함으로써, 통신량을 줄이면서도 정확한 센싱 데이터를 제공할 수 있다.

특히, 센서 노드는 측정을 자주 하면서도 보고 횟수는 줄일 수 있으며, 센싱 데이터의 동적인 변화에도 능동적으로 대처할 수 있다. 나아가, 시스템이 원하는 변화는 모두 실시간으로 감지할 수 있는 동시에 센서 노드의 수명을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 네트워크에서의 센서 노드의 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 노드의 적응적 센싱 데이터 보고방법을 도시한 흐름도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 적응적 센싱 데이터 보고가 적용되는 타이머 주기를 도시한 참조도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 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.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 네트워크에서의 센서 노드(1)의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 센서 노드(1)는 센서(10), 타이머(12), 통신부(14), 제어부(16) 및 저장부(18)를 포함한다.

본 발명은 센서 네트워크에서 트래픽을 절감하고 센서 노드(1)의 수명을 연장시키는 동시에, 센싱 데이터의 정확도를 유지하기 위한 적응적 센싱 데이터 보고 기법에 대한 것이다. 센서 노드(1)의 잦은 센싱 데이터 보고는 통신 횟수를 증가시킬 뿐만 아니라 네트워크 트래픽을 증가시키게 된다. 트래픽이 증가하면 센싱 데이터의 도달 시간이 지연될 뿐만 아니라, 데이터 전송 실패에 따른 재전송 횟수를 증가시켜 결국 센서 노드(1)의 수명을 단축시키는 결과를 초래한다. 하지만, 센싱 데이터의 변화를 정확히 감지하기 위해서는 보다 잦은 센싱 데이터 보고가 필요하므로 센싱 데이터 보고의 최적화 과정이 필요하다.

본 발명에서는 센싱 데이터 전송 횟수를 줄이는 동시에 보다 정확한 데이터 획득을 수행하는 적응적 센싱 데이터 보고 기법을 제안한다. 즉, 이전 보고 데이터와 현재 센싱 데이터의 비교를 통해 임계값 이상 차이가 있을 시에 보고하는 제1 단계와, 적응적 지수 증감 타이머를 이용하여 랜덤으로 보고하는 제2 단계를 포함하는 두 단계를 통해 적응적으로 센싱 데이터를 보고한다. 이하 전술한 두 단계의 적응적 센싱 데이터 보고 기법을 도 1의 구성요소를 중심으로 상세히 후술한다.

우선, 제1 단계로 센서 노드(1)는 센서(10)를 통해 자주 센싱을 수행하며, 현재 센싱된 데이터가 이전에 센싱되어 보고된 데이터보다 일정 임계값(threshold) 이상 변했을 때 현재 센싱 데이터를 통신부(14)를 통해 보고한다. 모든 센서(10)는 센서 타입에 따라 정확도 범위(resolution)을 가진다. 따라서 이러한 정확도 범위 내에서 센싱 데이터가 변화했을 경우 오류일 확률이 높다. 뿐만 아니라 센서(10)를 이용하는 시스템의 경우, 시스템 동작을 위한 최저 변화 조건을 가지며 최저 변화량 이내의 변화는 무시될 수 있다. 본 발명에서는 센서 노드(1)의 제어부(16)가 사용자의 설정에 의해 변화량 임계값을 설정한 후, 설정된 임계값 이상으로 변화했을 때에만 현재 센싱 데이터를 통신부(14)를 통해 서버에 보고한다. 이때, 제어부(16)는 데이터의 변화가 감지되었을 때 이를 바로 보고함으로써 서버가 센싱 데이터의 변화를 신속하게 감지할 수 있도록 한다.

한편, 현재 센싱 데이터가 이전 보고 데이터보다 임계값 이상으로 변했을 때만 보고할 경우, 센싱 데이터는 너무 오랜 시간 동안 보고되지 않을 수 있으며 이는 QoS(Quality of Service) 저하를 초래할 수 있다. 또한, 임계값 이내에서의 변화는 전혀 감지하지 못하며 처음 센싱 데이터를 기준으로 임계값 단위의 센싱 데이터만을 수집하게 된다. 예를 들어, 처음 센싱 데이터가 20이고 임계값이 3인 경우, 18, 19, 21, 22와 같은 센싱 데이터는 측정할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 제2 단계인, 적응적으로 지수를 증감하는 타이머(12)를 이용한 랜덤 보고 기법을 추가로 수행한다.

타이머(12)는 제1 단계의 보고 기법인, 임계값 이상 변화 시 보고가 발생하는 경우 주기가 지수적으로 감소하고, 타이머 종료시점까지 제1 단계의 보고 기법에 의한 임계값 이상 변화가 발생하지 않는 경우 주기가 지수적으로 증가한다. 즉, 정해진 시간 내에 이벤트가 발생하는 경우, 제어부(16)는 센싱 데이터의 변화 주기가 타이머(12)의 주기보다 빠르다고 판단하여, 타이머(12)를 종료시키면서 타이머(12)의 주기를 지수적으로 감소시킨 후 다시 동작을 수행시킨다. 반면 정해진 타이머(12)의 동작시간 동안 이벤트가 발생하지 않으면, 제어부(16)는 현재 센싱 데이터의 변화 주기가 충분히 느리다고 판단하여 지수적으로 타이머(12)의 주기를 증가시킨다.

이때, 만약 타이머(12)의 종료 시에 데이터를 전송하는 경우 임계값 내에서의 변화를 타이머(12)의 주기로만 체크하게 되는데, 이는 센싱 데이터의 복원에 있어 정확도를 낮게 하는 요인이 된다. 이를 극복하기 위해 제어부(16)는 타이머(12)의 종료 시에 센싱 데이터를 보고하는 것이 아니라, 타이머(12)의 주기 내의 한 시점을 랜덤하게 선정한 후 선정된 시점에서 센싱 데이터를 보고함으로써 센싱 데이터의 동적인 변화에 유려하게 대처한다. 저장부(18)는 프로그램 메모리 및 데이터 메모리들로 구성된다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 노드의 적응적 센싱 데이터 보고방법을 도시한 흐름도이다.

도 2의 왼쪽 흐름도에서 보는 바와 같이 센서 노드는 빠른 주기로 센싱값을 획득한다(200). 이때 획득된 센싱값과 이전에 보고된 센싱값의 절대 차이가 사용자에 의해 설정된 임계값보다 큰지 여부를 체크한다(210). 획득된 센싱값과 보고된 센싱값의 절대 차이가 임계값보다 작으면 획득된 현재 센싱값을 폐기하고 다음 센싱값 획득을 위해 대기한다(200). 본 발명의 적용을 위한 바람직한 예로 센서 노드는 슬립(sleep)에 들어간다. 이에 비하여, 획득된 현재 센싱값과 이전에 보고된 센싱값의 절대 차이가 임계값보다 크면 현재 센싱값을 서버로 전송(230)하고 타이머를 재설정한다(220). 이때, 임계값 비교에 의한 현재 센싱값 전송 시에 타이머의 주기를 지수적으로 감소시킨다.

한편, 도 2의 오른쪽 흐름도에서 보는 바와 같이, 타이머의 주기는 일정 주기마다 증가한다(250). 센서 노드는 현재 타이머가 임의로 설정된 전송 시점에 도달하는지 여부를 체크한다(260). 현재 타이머가 임의로 설정된 전송 시점에 도달하면 센서 노드는 현재 센싱값을 서버로 전송한다(230). 이때 전송 시점은 지수 증감 타이머의 주기 내에서 랜덤하게 선택된 시점일 수 있다. 이에 비하여, 현재 타이머가 임의로 설정된 전송 시점에 도달하지 않는 경우, 현재 타이머가 지수 증감 타이머 주기, 즉 타이머 재설정 시점에 도달하는지 여부를 체크한다(270). 현재 타이머가 타이머 재설정 시점에 도달한 경우 센서 노드는 타이머를 재설정한다(220). 이때, 타이머 재설정 지점 도달에 의한 타이머 재설정 시 타이머는 지수적으로 증가한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 적응적 센싱 데이터 보고가 적용되는 타이머 주기를 도시한 참조도이다.

도 3을 참조하면, 타이머 재설정 시점들(▨) 간의 시간 차이가 지수 증감 타이머의 동적 주기를 나타낸다. 처음 지수 증감 타이머의 제1 주기 동안에는 현재값 전송 시점(□)만이 존재하며 비교값에 의한 현재 센싱값 전송 시점은 없다. 현재값 전송 시점(□)은 도 3에 도시된 바와 같이 타이머 재설정 시점 사이(▨)에서 랜덤하게 하나의 시점이 선택되며, 센서 노드는 해당 시점에서 현재 센싱값을 전송한다. 지수 증감 타이머의 재설정 시점(▨)에 도달할 때까지 비교값에 의한 현재 센싱값 전송 시점이 나타나지 않으면, 도 3의 타이머의 제2 주기 및 제3 주기와 같이 지수 증감 타이머의 주기는 지수적으로 증가한다. 하지만, 도 3의 화살표(↓)와 같이 현재 센싱값과 이전에 보고된 센싱값과의 비교에 의한 현재 센싱값 전송이 발생한 경우, 타이머의 주기는 제4 주기 및 제5 주기와 같이 지수적으로 감소하게 되며, 센서 노드는 감소한 타이머의 주기 내에서 다시 랜덤으로 현재 값 전송 시점(□)을 선택한 후 해당 시점에서 현재 센싱값을 보고한다.

전술한 바에 따르면, 본 발명은 적응적 지수 증감 타이머를 이용하여 주기를 가변하여 센싱 데이터를 전송할 때, 타이머의 주기 내에서 시간을 랜덤하게 선택함으로써 센싱 데이터의 동적인 변화를 보다 정확히 측정할 수 있다. 이때, 랜덤 함수는 일반적인 랜덤 함수를 사용할 수 있으며, 통계적으로 분석할 경우 특정 주기에만 센싱 데이터를 보고하는 경우보다 정확한 복원이 가능하다. 이와 같이 이전 보고 데이터와의 비교를 통한 임계값 이상 변화 시 보고하는 기법과 적응적 지수 증감 타이머를 이용한 랜덤 보고 기법을 동시 적용함으로써, 센서 노드는 센싱 데이터의 정확도를 높이면서도 보고 횟수를 감소시킬 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 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.

1 : 센서 노드 10 : 센서
12 : 타이머 14 : 통신부
16 : 제어부 18 : 저장부

Claims (15)

1. 센싱값을 획득하는 센서;
   획득된 센싱값을 전송하는 통신부;
   센싱값 보고를 위해 시간을 카운팅하는 타이머; 및
   이전에 보고한 센싱값과 현재 센싱값의 차이를 임계값과 비교하여 차이가 임계값보다 큰 경우에 상기 통신부를 통해 현재 센싱값을 보고하고, 센싱값 비교에 의한 현재 센싱값 전송 유무에 따라 적응적으로 타이머의 주기를 가변하는 제어부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
   센싱값 비교에 의해 차이가 임계값보다 크면 현재 센싱값을 보고하고 타이머의 주기가 감소하도록 타이머를 재설정하는 것을 특징으로 하는 센서 노드.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부는,
   타이머의 주기를 지수적으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 센서 노드.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
   타이머의 주기 종료 시점까지 센싱 값 비교에 의한 차이가 임계값보다 큰 현재 센싱값이 존재하지 않으면 타이머의 주기가 증가하도록 타이머를 재설정하는 것을 특징으로 하는 센서 노드.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제어부는,
   타이머의 주기를 지수적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 센서 노드.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
   센싱값 비교에 의한 현재 센싱값 전송이 발생한 경우에 상기 통신부를 통해 타이머의 주기 이내에서 현재 센싱값을 추가로 보고하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 센서 노드.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 현재 센싱값을 추가로 보고하는 시점은 타이머의 주기 이내에서 임의로 설정한 시점인 것을 특징으로 하는 센서 노드.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 제어부는,
   타이머 주기 이내에서 보고시점에 도달하면 상기 통신부를 통해 현재 센싱값을 추가로 보고하고, 타이머 주기가 종료되어 타이머 재설정 시점이 도달하면 타이머의 주기가 증가하도록 타이머를 재설정하는 것을 특징으로 하는 센서 노드.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 제어부는,
   타이머의 주기를 지수적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 센서 노드.
10. 센싱값을 획득하는 단계;
    이전에 보고한 센싱값과 현재 센싱값의 차이를 임계값과 비교하여 차이가 임계값보다 큰 경우에 현재 센싱값을 보고하는 단계; 및
    센싱값 비교에 의한 현재 센싱값 전송 유무에 따라 적응적으로 타이머의 주기를 가변하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 센싱 데이터 보고방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 보고하는 단계는,
    센싱값 비교에 의해 차이가 임계값보다 크면 현재 센싱값을 보고하고 타이머의 주기가 감소하도록 타이머를 재설정하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 센싱 데이터 보고방법.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 보고하는 단계는,
    타이머의 주기 종료 시점까지 센싱 값 비교에 의한 차이가 임계값보다 큰 현재 센싱값이 존재하지 않으면 타이머의 주기가 증가하도록 타이머를 재설정하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 센싱 데이터 보고방법.
13. 제 10 항에 있어서,
    센싱값 비교에 의한 현재 센싱값 전송이 발생한 경우 타이머의 주기 이내에서 현재 센싱값을 추가로 보고하는 단계;
    를 더 포함하는 센서 노드의 센싱 데이터 보고방법.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 현재 센싱값을 추가로 보고하는 시점은 타이머의 주기 이내에서 임의로 설정한 시점인 것을 특징으로 하는 센서 노드의 센싱 데이터 보고방법.
15. 제 13 항에 있어서, 상기 추가로 보고하는 단계는,
    타이머 주기 이내에서 보고시점에 도달하면 현재 센싱값을 추가로 보고하고, 타이머 주기가 종료되어 타이머 재설정 시점이 도달하면 타이머의 주기가 증가하도록 타이머를 재설정하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 센싱 데이터 보고방법.

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