KR20140106869A - 무선랜 시스템을 이용한 센서 장치의 전력 보존 방법 - Google Patents

무선랜 시스템을 이용한 센서 장치의 전력 보존 방법 Download PDF

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Abstract

무선랜 기반의 센서 시스템에서 전력을 보존하는 방법에 있어서,
AP(Access Point)가 센서 노드로부터 상기 센서 노드의 동작 특성에 대한 정보를 포함하는 연결 요청 패킷을 수신하는 단계;
상기 동작 특성에 대한 정보를 기초로 상기 센서 노드의 생존 확인 주기를 결정하는 단계; 및
상기 결정된 생존 확인 주기에 대한 정보를 포함하는 연결 응답 패킷을 상기 센서 노드로 전송하여 상기 센서 노드의 생존 확인을 위한 메시지의 전송 횟수를 감소시키는 단계
를 포함하는 전력 보존 방법.

Description

무선랜 시스템을 이용한 센서 장치의 전력 보존 방법{POWER SAVING METHOD FOR WIRELESS LAN ENABLED SENSORS}
본 발명의 실시예들은 무선랜 기반의 센서 시스템에서 전력 소모를 줄일 수 있는 무선랜 시스템을 이용한 센서 장치의 전력 보존 방법에 관한 것이다.
최근 기존의 많은 센서 시스템들이 무선으로 변화되고 있다. 이러한 센서 시스템에는 무선 프로토콜로 지그비(ZigBee) 또는 IEEE 802.15.4이 많이 적용되고 있다. 그러나, 무선랜의 보급이 폭발적으로 증가하고 저전력의 무선랜 기술이 발달하면서, 센서 시스템에서도 무선랜 시스템을 적용할 수 있는 환경이 만들어지고 있다.
그러나, 무선랜 시스템은 지그비와 같이 기존 센서 시스템 및 스루풋(throughput)이 낮은 시스템을 목표로 하지 않았기 때문에, 전력 사용이 많다는 문제점이 있다.
프로토콜 관점에서 무선랜 기반의 센서 시스템을 살펴보면, 무선랜 기반의 센서 시스템은 도 1과 같이 동작한다.
기존의 무선랜 센서 시스템은 센서에 전원이 들어오면(110) 초기(Initialization) 상태가 되며(120), 통신을 위한 초기화가 이루어진다. 다음으로, 인증(Authentication) 상태가 되어 AP(Access Point)를 통한 인증 작업이 이루어진다. 이 때, 인증 작업은 필요에 따라 생략될 수도 있다(130).
이후, 해당 센서를 AP의 BSS(Basic Service Set)에 포함시키기 위한 연결(Association) 과정이 일어난다(140). 이 과정에서는 먼저 센서 노드(STA: Station)가 AP에 연결 요청 패킷(association request packet)을 전송한다. 연결 요청 패킷에는 지원 전송률(supported rate), 전력 능력(power capability), 지원 채널(supported channels) 등 STA의 동작과 관련한 다양한 정보가 포함되어 있다. 이러한 연결 요청 패킷을 수신한 AP는 해당 STA로 연결 응답 패킷(association response packet)을 전송함으로써 연결을 완료한다.
이후, 센서는 이벤트가 발생할 때마다 생성된 데이터를 AP로 전송하고, 만약 이벤트에 따른 동작이 필요할 시에는 AP를 통해 메시지를 수신하여 동작하게 된다. 이 과정에서 AP는 자신의 BSS에 포함된 STA의 정보를 항상 최신으로 갱신하기 위하여, 일정 기간 동안 패킷의 송/수신 과정이 없었던 STA에 대해서는 QoS 널 프레임(Quality of Service null frame)과 같은 패킷을 전송하여 해당 STA가 생존해있는지를 확인한다.
만약, 어떤 STA에 일정 기간 동안의 송수신 내역이 없어 AP가 해당 STA로 QoS 널 프레임을 전송했음에도 불구하고 해당 STA로부터 응답이 없는 경우, AP는 BSS 내의 STA 리스트에서 해당 STA에 대한 정보를 제거한다.
한편, 센서 시스템과 같이 아주 적은 양의 데이터만 간간히 전송이 필요한 시스템에서는, STA가 QoS 널 프레임을 대체하기 위한 메시지(keep alive message)를 주기적으로 AP로 전송하여 자신의 존재를 알려주게 된다.
그러나, 만약 이러한 과정이 없거나 STA가 AP로 생존을 알리는 메시지를 전송하였음에도 불구하고 연결이 끊어질 경우, STA는 매번 인증 및 연결 과정을 반복하여 AP에 연결하여야 한다.
이러한 과정에서 발생하는 소비 전력은 실제 데이터 전송과는 전혀 관련 없는 동작임에도 불구하고, 전체 소비 전력에서 차지하는 비율이 상당히 크다. 따라서, 이러한 문제점의 개선 없이는 무선랜을 센서에 적용하기에는 어려움이 있다.
무선랜 기반의 센서 시스템의 소비 전력을 감소시킬 수 있는 무선랜 시스템을 이용한 센서 장치의 전력 보존 방법이 제공된다.
무선랜 기반의 센서 시스템에서 전력을 보존하는 방법은 AP(Access Point)가 센서 노드로부터 상기 센서 노드의 동작 특성에 대한 정보를 포함하는 연결 요청 패킷을 수신하는 단계, 상기 동작 특성에 대한 정보를 기초로 상기 센서 노드의 생존 확인 주기를 결정하는 단계 및 상기 결정된 생존 확인 주기에 대한 정보를 포함하는 연결 응답 패킷을 상기 센서 노드로 전송하여 상기 센서 노드의 생존 확인을 위한 메시지의 전송 횟수를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 동작 특성에 대한 정보는 상기 센서 노드의 전원 형태에 대한 정보, 센서의 형태(Sensor Type)에 대한 정보 및 상기 센서에 의해 센싱된 정보를 전송하는 주기에 대한 정보를 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 동작 특성에 대한 정보는 상기 연결 요청 패킷의 정보 필드에 추가될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 결정된 생존 확인 주기에 대한 정보는 상기 연결 응답 패킷의 정보 필드에 추가될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 결정된 생존 확인 주기는 상기 센서 노드로부터 수신된 상기 센서 노드의 생존을 알리는 주기보다 길게 설정될 수 있다.
센서 노드로부터 AP(Access Point)로 전송되는 연결 요청 패킷에 해당 센서 노드의 동작 특성에 대한 정보를 추가하고, AP가 동작 특성에 대한 정보를 기초로 해당 센서 노드의 생존 확인 주기를 제어할 수 있도록 함으로써, 센서 노드가 AP로 자신의 생존을 알리기 위한 패킷을 전송하는 횟수를 감소시킬 수 있다.
따라서, 불필요한 패킷의 전송이 줄어들고, 센서 노드가 AP와 연결이 끊어져 재연결해야 하는 경우도 줄어들기 때문에 전체 전력 소모가 줄어드는 효과가 있다.
도 1은 무선랜 기반의 센서 시스템의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 매니지먼트 프레임의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 연결 요청 프레임에 추가되는 정보를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 연결 응답 프레임에 추가되는 정보를 나타내는 도면이다.
도 5는 주기적으로 센싱된 정보를 전달하는 시스템의 동작을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 주기적으로 센싱된 정보를 전달하는 시스템의 동작을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
일반적으로, 센서는 크게 온도감지기 또는 자동온도조절기 등과 같이 주기적으로 센싱(sensing) 정보를 전달하는 센서, 연기감지기 등과 같이 특정 이벤트에 의해 센싱된 정보를 전달하는 센서 및 주기적으로 그리고 특정 이벤트 시 센싱 정보를 전달하면서 자체 커맨드 메시지(command message)를 발생하는 센서로 분류될 수 있다.
주기적으로 센싱된 정보를 전달하는 센서 및 특정 이벤트 시 센싱된 정보를 전달하는 센서는 전체 전력 소모에서 보았을 때, 실제 센싱된 정보를 전달하는데 사용되는 전력에 비하여 초기화, 인증, 연결 및 센서의 생존 확인을 위한 메시지(keep alive message)를 전달하는데 소비되는 전력이 오히려 크게 나타날 수 있다.
반면, 주기적으로 그리고 특정 이벤트 시 센싱 정보를 전달하면서 자체 커맨드 메시지를 발생하는 센서는 커맨드 메시지를 발생하는 양이 클 경우 전체 소모 전력에서 정보 전달에 소비되는 전력이 높은 비율을 차지할 수 있으나, 여전히 기타 패킷의 전송을 위한 에너지 소모를 피할 수 없다.
그러므로, 본 발명에 따른 무선랜 기반의 센서 시스템에서 전력을 보존하는 방법은 센서 노드(STA: station)와 AP(Access Point) 간의 연결 시 해당 센서 노드가 가진 동작 특성 또는 그 시스템의 고유한 특성이 센서 노드로부터 AP로 전송되는 연결 요청 패킷(association request packet)에 반영되도록 하고, 이를 수신한 AP가 해당 센서 노드 또는 시스템의 동작 특성을 고려하여 해당 센서 노드의 생존을 확인하는 주기 또는 시간(information keeping time)을 확정한 후 이를 연결 응답 패킷(association response packet)을 이용하여 해당 센서 노드에 알려주도록 함으로써, 해당 센서 노드의 생존을 확인하기 위한 메시지(keep alive message)가 해당 센서 노드로부터 AP로 전송되는 횟수를 최소화시킬 수 있으며, 센서 노드와 AP가 재연결(re-association)되는 경우 또한 줄일 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 전력 보존 방법에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 2는 매니지먼트 프레임의 구성을 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서 연결 요청 프레임에 추가되는 정보를 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서 연결 응답 프레임에 추가되는 정보를 나타내는 도면이다.
매니지먼트 프레임(management frame)은 도 2에 도시된 것과 같이, 프레임 제어(Frame Control) 필드, 주기(Duration) 필드, 복수개의 주소(Address 1, Address 2 및 Address 3) 필드, 시퀀스 제어(Sequence Control) 필드, HT 제어(HT control) 필드, 프레임 바디(Frame Body) 및 FSC(Frame Check Sequence) 필드를 포함한다.
연결 요청 프레임(Association request frame) 및 연결 응답 프레임(Association response frame)은 매니지먼트 프레임(management frame)의 한 종류로서, 프레임 제어 필드(Frame Control field)에 포함된 타입(Type) 필드 및 서브타입(Subtype) 필드의 비트(bit) 설정에 의해 결정된다. 한편, 프레임 바디 필드에는 매니지먼트(management) 관련 정보 필드(information field)가 기술된다.
따라서, 본 발명에 따른 저력 보존 방법은 무선 통신 시스템에서 센서 노드의 소비 전력을 감소시키기 위하여 연결 요청 프레임(association request frame)에 도 3에 도시된 것과 같은 정보 필드(information field)를 추가하고, 연결 응답 프레임(association response frame)에 도 4에 도시된 것과 같은 정보 필드를 추가할 수 있다.
연결 요청 프레임의 정보 필드에 추가되는 정보는 다음의 표 1과 같다.
Field Bit width Description
Power Type 2 STA의 power type에 대한 정보
0: AC powered station, 1: Rechargeable station
2: Battery powered station. 3: reserved
Sensor Type 2 Sensor 시스템의 경우, sensor의 동작 type
0: not sensor
1: periodic data transmission type,
2: Event-triggered data transmission type,
3: two combined type
Time Unit 2 Time의 단위
0: second, 1: minute, 2: hour
Time 6 Sensing information transition time interval 정보
reserved 4 Reserved bits
센서 노드(STA)는 표 1과 같은 센서 노드의 동작 특성에 대한 정보를 AP로 전달함으로써 AP가 이를 센서 노드에 대한 정보를 유지하는 시간을 결정할 때 사용할 수 있도록 한다. 이 때, 센서 노드는 전원 형태(Power Type)에 대한 정보 이외에, 센서의 형태(Sensor Type)에 대한 정보 및 센싱된 정보를 전송하는 주기(time)에 대한 정보를 AP로 전달할 수 있다.
한편, 연결 응답 프레임의 정보 필드에 추가되는 정보는 다음의 표 2와 같다.
Field Bit width Description
Time Unit 1 Time의 단위
0: second, 1: minute, 2: hour
Time 6 Alive check period
AP는 센서 노드로부터 수신한 연결 요청 패킷의 시스템 타입 정보 필드(system type information field)를 기초로 해당 센서 노드에 대한 생존 확인 주기(alive check period)를 결정하고, 결정된 생존 확인 주기에 대한 정보를 포함하는 연결 응답 패킷을 해당 센서 노드로 전송할 수 있다.
도 5는 주기적으로 센싱된 정보를 전달하는 시스템의 동작을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서 주기적으로 센싱된 정보를 전달하는 시스템의 동작을 나타내는 도면이다.
센서 노드(STA)가 AP로 센싱된 정보를 전달하는 주기가 5분이고 AP에서 STA의 생존(alive)을 검사하는 주기가 2분 미만일 경우, 본 발명에 따른 전력 보존 방법이 적용되지 않은 일반적인 시스템은 도 5와 같이 동작한다.
도 5에는 일 예로, STA가 AP에 자신이 여전히 AP의 BSS((Basic Service Set)에 포함되어 있음을 알려주기 위하여 매 1분마다 해당 센서 노드의 생존을 확인하기 위한 메시지(keep alive message)를 AP로 전달하는 것이 도시되어 있다.
이 경우, STA는 센싱 데이터(sensing data)를 전달할 필요가 없음에도 하나의 센싱 데이터를 전달하는 주기 동안 자신의 생존을 알리기 위해 4번의 sleep-awake-keep alive message 동작을 반복함으로써 전력을 소모하는 것을 확인할 수 있다.
반면, 본 발명에 따른 전력 보존 방법이 적용되는 경우에는 도 6에 도시된 것과 같이, STA는 자신의 동작 특성에 대한 정보를 연결 요청 패킷을 통해 AP로 전달하고, AP는 STA의 동작 특성에 대한 정보를 이용하여 해당 STA가 자신의 생존을 알리는 메시지를 전송하는 주기를 결정한다.
도 6에는 일 예로, STA와 AP 간의 연결 시 STA이 5분 단위로 데이터를 전송한다는 정보가 추가된 연결 요청 패킷을 AP로 전송하는 것이 도시되어 있다. 이 경우, AP는 주기 보다 약간 긴 6분 이후에 STA의 상태를 점검하겠다는 정보를 포함하는 연결 응답 패킷을 해당 STA로 전달함으로써 이후의 데이터 전송 기간 중에는 STA가 도 5와 같이 별도로 자신의 생존을 알리는 메시지를 AP로 전달하는 과정이 없어지도록 할 수 있다.
이와 같은 전력 보존 방법은 센서 노드가 이벤트에 의해 트리거(triggered)되어 AP로 데이터를 전달하는 센서 노드인 경우도 적용될 수 있다. 이 경우, 상기 센서 노드는 특별한 주기성이 없으므로, AP에 연결 시 AP에 전달할 시간 값은 최소 생존 메시지(keep alive message)를 보낼 주기일 수 있으며, 이 때 AP는 해당 STA로부터 수신한 시간 값(센서 노드의 생존을 알리는 주기)보다 약간 큰 시간 값을 STA에 전달할 수 있다. 즉, AP는 STA가 자신의 생존을 알리는 주기보다 길게 해당 STA의 생존을 확인하는 주기를 설정함으로써 해당 STA가 자신의 생존을 알리는 메시지(keep alive message)를 AP로 전달하거나, STA가 AP와 재연결하는데 소모되는 전력을 상당히 감소시킬 수 있으므로, 결과적으로 센서 노드의 전력을 보존시킬 수 있다.
본 발명에 따른 전력 보존 방법은 센서 시스템뿐만 아니라, 전원의 형태에 따라 2차 전지(Rechargeable battery)를 가진 경우 또는 센서가 아니지만 전지(battery)를 사용하여 전력소모에 민감한 경우에도 적용될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (1)

  1. 무선랜 기반의 센서 시스템에서 전력을 보존하는 방법에 있어서,
    AP(Access Point)가 센서 노드로부터 상기 센서 노드의 동작 특성에 대한 정보를 포함하는 연결 요청 패킷을 수신하는 단계;
    상기 동작 특성에 대한 정보를 기초로 상기 센서 노드의 생존 확인 주기를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 생존 확인 주기에 대한 정보를 포함하는 연결 응답 패킷을 상기 센서 노드로 전송하여 상기 센서 노드의 생존 확인을 위한 메시지의 전송 횟수를 감소시키는 단계
    를 포함하는 전력 보존 방법.
KR1020130021044A 2013-02-27 2013-02-27 무선랜 시스템을 이용한 센서 장치의 전력 보존 방법 KR20140106869A (ko)

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