KR20160083186A - ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스품질(QoS) 보장형 이미지 전송 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 ICT 기반 대규모 재배 시스템에서 다양한 스칼라 센싱 데이터뿐만 아니라 이미지 정보를 효율적으로 전송할 수 있는 개선된 응용 프로토콜을 제안하고, 이미지 정보의 서비스 품질을 보장하기 위해서 네트워크 프로토콜과의 상호 작용에 대해 정의한다.
본 발명에 의하면, 이미지 전송 효율을 향상시키고 PSNR 성능을 개선한다.
본 발명에 의하면, 이미지 전송 효율을 향상시키고 PSNR 성능을 개선한다.
Description
본 발명은 ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스품질(QoS) 보장형 이미지 전송 프로토콜에 관한 것이다.
ICT(Information and Communications Technology) 기술을 대규모 온실이나 노지의 작물 생장 환경에 적용하여 생산 효율성을 높이고 자연 재해나 병해충에 의한 농작물 피해를 줄일 수 있는 시스템에 대한 연구가 국내외에서 활발하게 진행되고 있다.
대규모 온실에서의 작물 재배 환경은 온/습도, CO2 등의 간단한 수치 데이터뿐만 아니라 CCTV나 카메라로 받아오는 이미지 데이터가 존재한다. 이미지 데이터는 단순 스칼라 데이터와는 달리, 데이터 크기가 상대적으로 크고, 지연에 민감한 특성이 있다. ICT 기반 대규모 재배 시스템은 기본적으로 재배 환경 및 생장에 관련된 정보를 수집하는 다양한 센서들로 구성된다. 최근에는 병충해 진단 및 생산량 예측을 위하여 이미지 및 영상 정보를 캡처할 수 있는 멀티미디어 센서들의 배치가 증가하고 있다.
종래의 재배 관리 시스템은 온도, 습도 등의 재배 환경에 관련된 정보를 스칼라 형태의 환경 정보를 수집하고, 이를 기반으로 단순 모니터링 서비스가 제공되고 있지만, 최근에는 정교하고 지능적으로 재배 환경을 제어하기 위하여 다양한 센서 및 액추에이터가 배치되었다. 이러한 다양한 센서 등의 배치가 증대됨에 따라, ICT 기반 재배 시스템에서 전송되는 트래픽 패턴에도 변화가 발생하게 되고, 특히 이미지 등 멀티미디어 정보를 효율적으로 전송할 수 있는 메커니즘이 추가되어야 한다.
무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network : WSN) 기반 재배관리 시스템에서 효율적인 이미지 전송에 어려움이 있다. 그 원인은 대용량 데이터 처리 및 전송에 적합하지 않은 이미지 프로세싱 구조 및 통신 방식의 한계성에 기인한다. WSN은 저전력 무선통신을 기반으로 동작하므로 무선 링크 상태가 상대적으로 불안정하므로 전송 오류 발생 가능성이 높기 때문에 패킷 오류율이 높은 편이다. 또한 특정 이벤트의 발생시 트래픽이 급격히 증가하기 때문에 혼잡이 발생하여 많은 데이터가 폐기되는 상황이 빈번히 발생한다. 중요한 데이터의 경우 전송 오류가 발생하거나 혼잡에 의해 폐기되는 패킷에 대해서 재전송이 필요하다. 따라서 재전송에 기인한 에너지 효율이 낮아지고, 자원을 비효율적으로 이용하게 되는 문제점이 발생한다.
따라서 WMSN 기반 이미지 정보 전송을 위한 에너지 효율적이고 서비스 품질을 보장하는 통신 구조 및 프로토콜이 필요하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일반적인 목적은 종래 기술에서의 한계와 단점에 의해 발생하는 다양한 문제점을 실질적으로 보완할 수 있는 ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스품질(QoS) 보장형 이미지 전송 프로토콜을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 보다 구체적인 다른 목적은 ICT 기반 대규모 재배 시스템에서 다양한 스칼라 센싱 데이터뿐만 아니라 이미지 정보를 효율적으로 전송하고, 이미지 정보의 서비스 품질을 보장할 수 있는 ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스품질(QoS) 보장형 이미지 전송 프로토콜을 제공하기 위한 것이다.
이를 위해 본 발명은 ICT 기반 대규모 재배 시스템에서 다양한 스칼라 센싱 데이터뿐만 아니라 이미지 정보를 효율적으로 전송할 수 있는 개선된 응용 프로토콜을 제안하고, 이미지 정보의 서비스 품질을 보장하기 위해서 네트워크 프로토콜과의 상호 작용에 대해 정의한다.
시뮬레이션 방법을 통한 성능분석 결과에 의하면, 본 발명에서 제안한 메커니즘이 이미지 전송의 효율을 향상시키고, PSNR 성능을 개선시키는 것으로 나타났다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스품질(QoS) 보장형 이미지 전송 프로토콜을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션의 네트워크 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 평균 패킷 지연 시간 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 패킷 손실율 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 PSNR 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션의 네트워크 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 평균 패킷 지연 시간 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 패킷 손실율 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 PSNR 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
WSN에서 이미지 등 멀티미디어 정보의 효율적인 전송이 어려운데, 그 이유는 다음과 같은 두 가지 원인에 기인한다.
첫째, WSN은 저전력 무선통신을 기반으로 동작되므로, 무선 링크 상태가 상대적으로 불안정하므로 전송 오류 발생 가능성이 높기 때문에 패킷 오류율이 높은 편이다. 이미지는 여러개의 패킷의 순서적인 결합에 의해 정확히 재생될수 있는데, 높은 패킷 오류율은 수신측에서 적절한 이미지 재생을 어렵게 한다.
둘째, WSN은 상대적으로 혼잡 발생 가능성이 높다. 노드의 밀집도가 매우 높기 때문에 특정 이벤트의 발생시 다수의 센서 노드가 이벤트를 감지하여 동시에 트래픽을 전송한다. 따라서 순간적으로 트래픽이 급격히 증가하기 때문에 혼잡이 발생하여 상당수 패킷이 폐기되는 상황이 빈번히 발생한다.
WSN에서 효율적인 이미지 전송을 위해서 통신 프로토콜이 지원하여야 할 요구조건은 다음과 같다.
○ 이미지 재생에 요구되는 수준의 신뢰성과 서비스 품질을 보장해야 한다.
○ 이미지 정보의 신뢰성을 제공하기 위해서는 오류 또는 손실된 패킷에 대해 재전송 메커니즘이 필요하다.
○ WSN 이 메모리 등 자원의 제약이 있으므로 hop-by-hop 재전송 방식보다는 종단간 응용 프로토콜 차원에서 재전송을 수행하도록 한다.
○ 네트워크 계층에서는 데이터의 중요성에 따라 차별적으로 처리하는 QoS 보장 메커니즘을 지원하여야 한다.
○ 네트워크의 혼잡이 발생했을 때 이미지 패킷 등 우선순위가 높은 정보에 대해서 우선적으로 전달하는 기능을 포함하여야 한다.
○ 재전송 프로토콜은 자원 제약이 없는 싱크 노드에서는 복잡한 기능을 수행하고, 센서 노드에서는 최소한의 기능만을 수행하도록 하는 비대칭 형태의 구조를 가져야 한다.
○ CPU 성능 등 컴퓨팅 자원이 부족하며, 배터리 공급 및 교체가 어려운 WSN 상황을 고려하여 통신 프로토콜은 에너지 효율성이 높아야 하고, 프로토콜 구현은 최적화되어야 한다.
따라서 WSN에서 이미지 전송을 위해서 네트워크 계층 등 통신 프토콜에 추가적인 메커니즘이 필요하다.
본 발명에서는 신뢰성 있는 이미지 전송을 위한 통신 프로토콜의 요구조선을 분석하고, 이를 토대로 네트워크 계층과 응용 계층의 기능을 정의하고, 개선된 프로토콜을 제안한다. 제안한 프로토콜의 성능분석은 시뮬레이션 방법을 이용한다.
2.
QoS
보장형 이미지 전송 프로토콜 제안
2.1 각 계층 프로토콜의 기능 정의
(1) 응용 계층 프로토콜 기능
응용 계층 프로토콜은 네트워크 계층에서 제공되는 서비스를 이용하여, 통신을 수행하는 두 종단 지점의 응용 프로세스간의 신뢰성 있는 정보 전송 기능을 지원한다. WSN의 이미지 정보 전송 관점에서의 응용 프로토콜의 역할은 이미지 정보를 캡처하는 이미지 센서와 이미지 정보를 수집하는 싱크노드의 응용 프로세스간에 모든 이미지 정보를 순서에 맞게 오류 없이 송수신하는 기능을 수행한다. WSN은 센서 노드들간의 무선을 통해 정보를 전달하고, 전송률이 상대적으로 낮기 때문에 이미지 정보 전체를 한번에 전송하는 것을 불가능하다. 따라서, 송신측에서는 하나의 이미지 정보를 여러 개의 패킷으로 분할하고, 각 분할된 패킷을 독립적으로 싱크 노드로 전송한다. 각각의 패킷은 분할된 이미지 정보 이외에 각 패킷의 순서를 나타내는 순서 번호 정보 및 오류 감지 정보 등 제어 정보가 추가로 부착된다. 이미지 정보의 최종 목적지인 싱크 노드에서는 수신된 패킷의 순서 번호 정보를 이용하여, 일정기간에 손실된 패킷에 대한 정보를 파악하여, 손실되거나 손상된 패킷들에 대해서 송신측에 재전송을 요청한다.
WSN의 응용 계층은 신뢰성이 있는 정보 전송 이외에도 센싱 데이터를 중요도에 따라 분류하고, 데이터의 중요성에 따라 전송 정책을 결정하는 역할을 수행한다. WSN의 노드의 밀집도가 매우 높기 때문에 특정 이벤트를 인접 노드들이 중복으로 센싱할 가능성이 높고, 센서 노드는 그 역할에 따라 다양한 센서가 장착되어 있어, 센싱되는 데이터의 종류 및 특성이 매우 다양하다. 센서 노드의 자원 한계성 및 저속의 전송률을 고려할 때, 센싱된 데이터를 중요성과 특성에 맞게 차별적으로 전송하는 것이 효율적이다. 센싱 데이터의 분류는 일차적으로 스칼라 데이터와 멀티미디어 데이터로 분류한다.
스칼라 데이터는 온도, 습도 조도 등의 환경 정보를 의미하며, 단순한 수치 값으로 구성되므로, 데이터 용량이 상대적으로 적다. ,멀티미디어 데이터는 이미지, 사운드, 동영상 정보로서, 데이터 용량이 매우 크며, 일련의 값들이 상호 연관되어 정보를 표현한다. 또한 응용 계층 차원에서 소스노드와 싱크노드의 응용 계층 차원의 논리적인 연결(세션) 설정 여부에 따라 연결형 응용과 비연결형 응용으로 분류된다. 멀티미디어 정보는 일정 기간의 데이터가 상호 연관성이 크므로 논리적인 연결(세션)의 유지가 필요하다. 이에 반해 스칼라 데이터는 연결 유지가 필요없는 비연결형 서비스 형태이다.
센싱된 데이터 특성을 고려하여 다음과 같은 네 가지 유형으로 분류한다.
○ 에너지 효율성 : best effort
○ 신뢰성 보장형 : 지연에 민감하지는 않으나, 신뢰성 있는 데이터 전송이 요구됨
○ 실시간 보장형 : 신뢰성은 크게 중요하지 않으나, 마감시간 내에 데이터 전송이 반드시 이루어져야 함
○ 신뢰성-실시간 보장형 : 높은 신뢰성뿐만 아니라 마감 시간 내에 전송해야 하는 중요한 데이터
(2) 네트워크 계층 프로토콜 기능
네트워크 계층의 주된 역할을 소스 센서 노드로부터 목적지 노드(싱크 노드)까지 패킷의 전송 경로를 결정하고, 해당 경로를 통해 멀티-홉(multi-hop) 무선 통신을 통해 싱크노드로 전달하는 기능을 수행한다. 경로 설정의 네트워크 계층의 핵심 기능으로서, 지리적 특성, 링크 상태, 버퍼 점유율 등을 고려하여 목적지까지의 최적의 경로를 선택한다. 초기 WSN에서 경로 설정 및 패킷 전달시에 가장 중요하고 고려한 요소는 에너지 소비를 최소화하는 것이었다. 최근 들어 WSN 기능이 확장됨에 따라서 서비스 품질을 보장할 수 있는 메커니즘이 부각되고 있다. 특히 혼잡 상황이 발생할 가능성이 높기 때문에, 혼잡을 미리 방지하는 라우팅 기법과 혼잡이 발생할 때 중요한 패킷을 우선적으로 전달할 수 있는 기능에 요구가 더욱 커지고 있다.
따라서 네트워크 계층에서는 응용 계층에서 전달되는 패킷을 중요도와 네트워크 상태를 고려하여, 차별적인 서비스 품질을 보장하며, 전체 네트워크 에너지 효율성을 지원하면서 패킷을 싱크 노드로 전달한다.
네트워크 계층에서는 패킷의 중요성에 따라 재전송 필요, 실시간 전송, 최선형 전송 등으로 구분할 수 있으며, 패킷의 중요성 판단은 응용계층에서 수행하고, 이 정보를 기반으로 네트워크 계층에서 패킷 중요도 분류 및 경로 설정에 반영한다. 패킷 전달 기능은 중계 노드에서 패킷을 목적지를 향해 전달하는 기능으로서 패킷의 중요도에 따라 차별화된 전달 정책(policy)을 적용할 수 있다. 만일 중계 노드에서 혼잡이 발생할 경우, 낮은 중요도를 갖는 패킷은 불가피하게 중간에서 폐기할 수도 있다.
(3) 계층 간의 인터페이스 정의
응용 계층과 네트워크 계층간에서 패킷 송수신을 위한 인터페이스는 연결형 서비스와 비연결형 서비스에 따라 두 가지 형태로 구분된다.
비연결형 서비스를 지원하기 위한 인터페이스는 다음과 같다.
○ CL_DATA_REQ
- 상태관리 없이 네트워크 계층에게 패킷 전송을 요청
- 파라미터 : 패킷 내용, 데이터 중요도, 트래픽 유형
○ CL_DATA_IND
- 상태관리 없이 응용 계층에게 패킷 수신을 통지
- 파라미터 : 패킷 내용, 데이터 중요도, 트래픽 유형
연결형 서비스를 지원하기 위한 인터페이스는 다음과 같다.
○ CO_DATA_REQ
- 두 응용 계층간의 논리적인 연결을 유지하고, 네트워크 계층에게 패킷 전송을 요청
- 파라미터 : 패킷 내용, 연결 식별자, 데이터 중요도, 트래픽 유형
○ CO_DATA_IND
- 두 응용 계층간의 논리적인 연결을 유지하고, 응용 계층에게 패킷 수신을 통지
- 파라미터 : 패킷 내용, 연결 식별자, 데이터 중요도, 트래픽 유형
○ CO_DATA_RJT
- 싱크노드의 응용 계층에서 손실된 패킷에 대한 재전송을 요구하는 패킷 전송을 네트워크 계층에게 요청
- 파라미터 : 센서 노드 번호, 연결 식별자, 재전송 패킷 순서번호
○ CO_DATA_RTX
- 센서 노드의 네트워크 계층에서 응용 계층으로 전달되는 프리미티브로서, 싱크노드에서 재전송을 요구하는 패킷 수신을 통지
- 파라미터 : 센서 노드 번호, 연결 식별자, 재전송 패킷 순서번호
2.2 이미지 전송을 위한 응용 프로토콜
중요한 데이터의 경우 전송 오류가 발생하거나 혼잡에 의해 폐기되는 패킷에 대해서 재전송이 필요하다. 기존 WSN에 비해 WMSN에서 이미지 정보 전송의 필요성이 증대되고 있다. WMSN은 센서노드에 의해 상대적으로 데이터 크기가 큰 이미지, 사운드 등의 멀티미디어 정보가 생성된다. 이를 효율적으로 처리하고 전송하기 위해서는 더 많은 에너지가 소비된다. 멀티미디어 정보는 지연 및 오류율 등 서비스 품질을 보장하여 전송하여야만 정상적인 서비스를 제공할 수 있다. 따라서 서비스 품질을 보장하면서 네트워크 수명을 최대화하기 위해서 에너지 효율적인 멀티미디어 정보 처리 기능과 통신 프로토콜이 요구된다. 이미지 전송을 위한 통신 프로토콜은 센서 노드의 자원 한계성을 고려하여 응용 계층과 네트워크 계층간의 밀접한 상호작용이 필요하며, 프로토콜 구조는 cross layer 설계 모델을 통해 최적화되어야 한다.
이미지 정보의 용량을 가능한 최소화시키기 위해서는 백그라운드 이미지에서 업데이트 된 오브젝트(object)를 추출하고, 추출된 업데이트 오브젝트 정보만을 전송하므로써 전송의 효율성과 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. WMSN 응용에서 카메라 모트는 고정된 뷰 프레임(view frame)을 가진다. 움직이는 오브젝트를 감지하기 위해서 백그라운드 서브트랙션(background subtraction) 기법을 이용한다. 즉, 현재 프레임과 배경이미지의 차이로부터 오브젝트를 감지하는 방법으로서, 배경이미지는 움직이는 물체 없이 정지된 카메라 뷰를 의미하며, 주기적(정기적)으로 업데이트 하며, 러닝 가우시안 평균(Running Gausian average) 기법을 이용한다.
(1) 제어 메시지 정의
○ image packet (sensor -> sink)
- 목적 : 실제 이미지 데이터를 전송하는 메시지
- 파라미터 : Packet ID, Image data 정보, CRC 정보
○ camera setup (sink -> sensor)
- 목적 : 센서 노드의 카메라 설정 정보를 지정
- 파라미터 : camera 설정 정보 관련 파라미터
○ image query (sink -> sensor)
- 목적 : 이미지에 대한 요약 정보를 요청하는 메시지
- 파라미터 : Packet ID, Image data 정보, CRC 정보
○ image summary (sensor -> sink)
- 목적 : image query 에 대한 응답으로 이미지 크기 등 이미지 특징에 대한 요약 정보를 전송하는 메시지
- 파라미터 : Image size 등 summary 정보
○ ACK (sensor <-> sink)
- 목적 : 메시지의 정상적인 수신에 대한 긍정확인 응답
- 파라미터 : Packet ID 등
○ NACK (sensor <-> sink)
- 목적 : 메시지 오류 발생 등 비정상적인 메시지 수신에 대한 부정응답, 재전송 요구 등
- 파라미터 : Packet ID 등
○ Start-of-TX (sink -> sensor)
- 목적 : 이미지 데이터 전송의 시작을 요청하는 메시지
- 파라미터 : Packet size 및 전송 정책 ID
○ End-of-TX (sink -> sensor)
- 목적 : 이미지 데이터 전송 절차를 종료시키는 메시지
- 파라미터 : 패킷 사이즈(Packet size) 및 전송 정책 ID
(2) 메시지 전달 흐름
이미지 전송을 위해서 첫 번째 해결해야 할 문제는 패킷 오류에 대한 민감성 문제이다. 특히 압축에서 중요한 부분에 해당되는 패킷의 손실은 싱크에서 이미지 재생하는데 상당한 문제점을 초래한다. 따라서, 응용 계층에서의 신뢰성 있는 전송 프로토콜이 요구된다. 모든 이미지 정보를 순서에 맞게 오류 없이 송수신하는 것이 필수적이다. 이미지 정보를 여러 개의 패킷으로 분할하고, 각 패킷에 번호(ID)를 부여하고, 또함 패킷 제어 정보 및 오류 감지 정보를 추가한다. 각 패킷을 순서에 맞게 전송한다. 이후 확인 응답 및 재전송 등의 절차를 포함한다.
기존 발명은 어느 특정 세션(session) 동안 하나의 센서 노드만이 이미지 데이터 전송이 가능하지만, 본 발명에서는 특정 시간대에 다수의 센서 노드가 동시에 이미지 정보 전송이 가능하다.
이미지 정보를 획득하고, 싱크로 전송할 필요가 있다고 판단한 센서 노드는 이미지 요약 메시지를 싱크 노드로 전송한다. 이미지 요약 메시지를 수신한 센서 노드는 이미지 요약 정보와 현재의 네트워크 상태를 파악하여 이미지 정보 수신이 필요하다고 판단되면, 이미지 요청 메시지를 통해 응답한다. 이미지 요청 메시지를 수신한 센서 노드는 적절한 크기 패킷으로 분할하여 순차적으로 이미지 정보를 싱크 노드로 전송한다. 이미지 정보를 수신한 싱크 노드는 오류가 발생하거나, 순서가 빠진 패킷에 대해 재전송 정보를 센서 노드에게 전송한다. 이때 필요에 따라 싱크 노드에서 일정한 갯수의 패킷에 대해 긍정응답을 전송할 수 있다.
분할된 이미지 패킷의 전송이 완료되면, 싱크 노드는 이미지 전송 완료 메시지를 전송하여 이미지 전송 세션을 완료한다.
2.3 이미지 전송을 위한 네트워크 프로토콜
네트워크 계층에서는 응용 계층에서 판단한 패킷의 중요성을 토대로 패킷에 품질 레벨을 마킹한다. 이 부분은 패킷 마킹 알고리즘[~]을 기반으로 한다. 품질 레벨은 그린(Green), 옐로우(Yellow), 레드(Red)의 3단계로 분류되고[~] 각각의 품질 레벨이 의미하는 것은 다음과 같다.
○ 그린 패킷(Green Packet) - 가장 높은 중요도를 가지며 높은 신뢰성과 실시간을 보장받아야 하는 패킷을 의미한다. 링크 품질을 최우선으로 경로를 설정한다.
○ 옐로우 패킷(Yellow Packet) - 중간 단계의 중요도를 가지며 링크 품질과 버퍼 점유율 등을 적당한 수준으로 고려하여 경로를 설정한다.
○ 레드 패킷(Red Packet) - 중요도가 가장 낮은 단계의 패킷에 마킹되는 품질 레벨이다. 링크 품질이 낮더라도 전송 가능하며 혼잡 상황 발생 시 상황에 따라 버려질 수도 있다.
이미지나 영상, 사운드 같은 멀티미디어 데이터의 경우 그린으로 마킹되고 온도, 습도, 조도 등과 같은 스칼라 데이터는 레드로 마킹 될 수 있다. 각각의 센서 노드의 분류기에서 해당 패킷의 중요도에 따라 패킷 우선순위 필드(Priority Field)에 품질 레벨을 마킹하고 마킹된 패킷에 따라 차별적인 라우팅 정책을 반영하여 싱크노드 까지 경로를 설정한다.
3. 이미지 전송 프로토콜 성능분석
3.1 시뮬레이션 구성
도 2는 시뮬레이션의 네트워크 토폴로지를 보여준다. 10x10 정사각형 배열의 구조로 100개의 노드로 구성되며 노드들 사이의 거리는 1m로 설정한다. 노드의 종류로는 싱크노드, 소스노드, 중계노드, 백그라운드 트래픽 노드로 분류된다. 싱크 노드는 모든 패킷들의 목적지 노드로서 각각의 노드들이 센싱한 데이터를 수집하여 분석하고 패킷에 문제가 있을 경우 재전송을 요청한다. 소스노드는 이미지 센서가 장착된 노드로서 이미지 데이터를 일정한 크기의 패킷으로 나누어 주기적으로 전송한다. 싱크노드로부터 가장 멀리 떨어진 노드로 설정한다. 중계노드는 이웃노드로부터 받은 데이터 차별적인 경로 설정으로 싱크노드 까지 전송한다. 백그라운드 트래픽 노드는 네트워크 망의 상태를 조절하기 위한 노드로서 패킷 생성 주기를 조절하면서 네트워크 망의 혼잡도를 제어한다. 시뮬레이션의 모든 노드들은 싱크노드로 전송하기 위하여 근접한 위쪽, 왼쪽으로만 전송이 가능하도록 한다.
3.2 시뮬레이션 환경
[표 1]은 시뮬레이션에서 사용된 파라미터들을 나타낸다. 시뮬레이션은 Visual Studio 2010 환경에서 수행되었고, 시뮬레이션 프로그램은 C++을 이용하였다. 싱크 노드는 (0, 0)으로 설정하고 소스노드는 (10, 10)으로 설정한다. 네트워크 망의 상태를 조절하기 위한 백그라운드 트래픽 노드들은 네트워크가 사각형이라 가정할 때 오른쪽 변과 밑변에서 소스노드를 제외한 노드들이 해당된다. 네트워크 영역에 존재하는 나머지 노드들은 중계노드의 역할을 수행한다. 전송 범위는 1M로 설정한다. 각 노드들 사이에는 링크 품질을 의미하는 링크 코스트 값이 존재한다. 링크 코스트 값은 범위내의 랜덤한 값(1.0~2.0사이 0.01단위)으로 설정하였고, 링크 코스트 값에 따라 전송 시간에 차이가 존재한다. 링크코스트가 1.0일 경우 전송시간은 0.96ms 이고 2.0일 경우 1.92ms의 전송시간을 가진다. 노드들의 초기 에너지 값은 1000000 (1J)로 설정한다. 소비되는 에너지 값으로 전송 시 185uj, 수신 시 83uj, 충돌 대기 시 15uj가 있으며 싱크노드는 에너지의 소비가 없도록 설정한다.
| 매개변수 | 설정 값 |
| 네트워크 크기 | (0, 0) ~ (10, 10) |
| 싱크 노드 | (0, 0) |
| 소스 노드 | (99, 99) |
| 백그라운드 트래픽 노드 | (90, 90) ~ (97, 97) (9, 9) ~ (79, 79) |
| 노드의 수 | 100 |
| 전송 범위 | 1M |
| 패킷 크기 | 16바이트, 256바이트 |
| 초기 노드 에너지 | 1J |
| 전송 에너지 소모 | 0.021Mj/Bit |
| 수신 에너지 소모 | 0.014Mj/Bit |
| 대기 에너지 소모 | 64μJ |
| 시뮬레이션 시간 | 100MS |
3.3 시뮬레이션 결과 분석
시뮬레이션은 미니멈 홉(Minimum Hop) 라우팅 프로토콜과 제안한 메커니즘의 평균 패킷 지연, 패킷 오류율, 데이터 처리량을 비교한다. 백그라운드 트래픽 노드의 패킷 생성 주기를 100ms부터 35ms까지 변경하며 실험하였다. 생성 주기가 100ms 일 때는 원활한 네트워크 상태를 나타내고 35ms 일 때는 아주 혼잡한 상태를 나타낸다. 소스노드는 100ms로 고정하였다. 재전송 방법으로는 hop-by-hop 재전송과 end-to-end 재전송 두 가지로 설정 가능하고 소스노드에서 전송하는 패킷은 16바이트와 256바이트 두 가지 경우로 설정 가능하도록 하였다.
3.3.1 평균 패킷 지연(Average Packet Delay)
멀티미디어 데이터는 데이터 자체뿐만 아니라 적시 전송이 중요하다. 따라서 전송되는데 걸리는 지연 시간에 민감할 수밖에 없다. 패킷의 지연 시간은 데이터 패킷이 생성된 시간부터 도착지인 싱크노드에서 수신한 시간까지로 정하고 싱크노드에서 수신한 모든 패킷들의 지연 시간의 평균으로 평균 패킷 지연을 정의하였다. 도 3은 min hop 과 제안 메커니즘에서 시뮬레이션이 완료된 후 관찰된 평균 패킷 지연 시간을 보여준다. 실험 결과 제안한 프로토콜이 min hop 라우팅 프로토콜 보다 전체적으로 낮은 지연 시간을 가지는 것으로 나타난다. 제안한 프로토콜은 패킷 지연 시간이 평균적으로 36% 감소되었으며 QoS 차별성 보장을 검증하였다.
3.3.2 패킷 손실률(Packet Error Rate)
도 4는 패킷 손실율에 대하여 제안 메커니즘과 min hop 라우팅 프로토콜을 비교하여 나온 결과이다. min hop 라우팅 프로토콜로 이미지를 전송하였을 경우 네트워크 망의 상태가 70% 정도 혼잡할 때부터 패킷이 손실되기 시작하며 점점 증가하여 혼잡 상태가 85%가 되었을 때 이미지의 절반 이상의 패킷이 손실되는 것을 볼 수 있다. 반면에 제안 메커니즘을 적용하여 이미지를 전송하면 네트워크 망의 상태가 80%가 될 때까지 패킷이 손실되지 않고 패킷 손실률이 최대 93% 감소되는 효과를 볼 수 있었다. min hop 라우팅 프로토콜의 경우 모든 패킷들의 반복적인 최단경로 선택으로 인해 혼잡 상황에 매우 취약하다고 볼 수 있다. 하지만 제안 메커니즘은 분산된 패킷 라우팅으로 인해 혼잡이 발생하여 생기는 패킷 손실에 대한 네트워크 혼잡도의 한계치 상승 효과를 보였다. 이를 통해 제안 메커니즘이 패킷 손실률 평가에서 개선됨을 검증하였다.
3.3.3 데이터 처리율(Data Throughput)
데이터 처리율은 재배 관리 시스템의 이미지 전송을 하는 목적을 위해서 중요한 평가 기준이다. 소스노드에서 작물의 RGB 이미지를 센싱하였다고 가정한 원본 이미지와 싱크노드가 수신한 이미지를 PSNR 수식을 통해 비교하였다. 도 5는 실험 결과를 보여준다. PSNR 값은 원본과 차이가 없을 경우 무한대가 되지만 결과 그래프는 무한대를 표기할 수 없으므로 편의상 최대치를 50dB로 잡았다. 그래프를 보면 min hop 라우팅 프로토콜의 PSNR은 네트워크 혼잡도가 60% 이상이 되면 점점 줄어들어 20dB 이하로 감소한다. 반면에 제안 메커니즘은 75% 네트워크 혼잡도까지 원본 영상과 차이가 없다가 85% 혼잡도부터 20% 이하로 감소한다. 시뮬레이션을 통해 데이터 처리가 완벽하게 되는 네트워크 혼잡도 한계치는 15% 개선되었고 제안한 프로토콜이 이미지 전송에 적합하다는 것을 확인하였다.
본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체를 포함한다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다.
Claims (1)
- 송신측에서 하나의 이미지 정보를 여러 개의 패킷으로 분할하고, 분할된 각 패킷을 독립적으로 싱크노드로 전송하되, 각각의 패킷은 분할된 이미지 정보와 각 패킷의 순서를 나타내는 순서번호정보 또는 오류감지정보를 포함하는 제어정보가 부착되도록 하는 과정과;
이미지 정보의 최종 목적지인 싱크 노드에서 수신된 패킷의 순서번호정보를 이용하여 일정기간에 손실된 패킷에 대한 정보를 파악하여 손실되거나 손상된 패킷들에 대해 송신측에 재전송을 요청하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스품질(QoS) 보장형 이미지 전송 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140193097A KR102089113B1 (ko) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스품질(QoS) 보장형 이미지 전송 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140193097A KR102089113B1 (ko) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스품질(QoS) 보장형 이미지 전송 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20160083186A true KR20160083186A (ko) | 2016-07-12 |
| KR102089113B1 KR102089113B1 (ko) | 2020-03-16 |
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ID=56504761
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020140193097A KR102089113B1 (ko) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | ICT 기반 대규모 재배시스템에서 서비스품질(QoS) 보장형 이미지 전송 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102089113B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11664929B2 (en) | 2020-07-06 | 2023-05-30 | Fj Dynamics Co., Ltd. | Terminal, server, internet of things data transmission method, and data transmission system |
| KR102541165B1 (ko) * | 2022-11-29 | 2023-06-13 | 주식회사 미드바르 | 멀티홉 네트워크를 이용한 스마트팜의 통합관리 시스템 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20020053316A (ko) * | 2000-12-27 | 2002-07-05 | 구자홍 | 대용량 데이터 전송을 위한 패킷전송방법 |
| KR20100021057A (ko) | 2008-08-14 | 2010-02-24 | (주)에스에이치아이앤씨 | 유비쿼터스 센서 네트워크환경에서의 멀티감시장치 및 방법 |
| JP2012217164A (ja) * | 2011-03-31 | 2012-11-08 | Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc | マルチホップネットワークにおいて複数の経路を発見する方法および複数の経路を検索するノード |
-
2014
- 2014-12-30 KR KR1020140193097A patent/KR102089113B1/ko active IP Right Grant
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| WO2024117336A1 (ko) * | 2022-11-29 | 2024-06-06 | 주식회사 미드바르 | 멀티홉 네트워크를 이용한 스마트팜의 통합관리 시스템 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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