KR20180076770A

KR20180076770A - 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20180076770A
Application number: KR1020160181283A
Authority: KR
Inventors: 정상화; 이윤성
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2018-07-06

Abstract

본 발명은 산업 무선 센서 네트워크에서 유휴슬롯을 활용하여 재전송을 위한 예약 슬롯으로 할당하여 네트워크 지연을 줄이고, 노드간 통신 슬롯 충돌 문제를 보정하여 전력 소모를 줄일 수 있도록 한 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것으로,데이터 통신을 위한 슬롯을 추가로 할당하는 슬롯 스틸(Slot stealing)을 통해 분산 스케줄링을 하는 분산 스케줄링부;분산 스케줄링으로 할당된 데이터 슬롯을 이용하여 패킷 전송을 하는 패킷 전송부;GroupACK 전송 시점에서 CFP(Contention Free Period) 구간의 유휴 슬롯을 사용하여 GroupACK 전송을 하는 GroupACK 판단부;재전송 유휴 슬롯이 존재하는지를 판단하는 유휴 슬롯 확인부;재전송 유휴 슬롯이 존재하지 않으면 CAP(Contention Access Period) 구간에 재전송 예약 슬롯을 할당하는 재전송 예약 슬롯 할당부;재전송이 성공하였는지를 판단하는 재전송 확인부;를 포함하는 것이다.

Description

산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법{Apparatus and Method for distributed scheduling based on retransmission reservation slot in industrial wireless sensor network}

본 발명은 산업 무선 센서 네트워크에 관한 것으로, 구체적으로 유휴슬롯을 활용하여 재전송을 위한 예약 슬롯으로 할당하여 네트워크 지연을 줄이고, 노드간 통신 슬롯 충돌 문제를 보정하여 전력 소모를 줄일 수 있도록 한 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것이다.

산업 무선 센서 네트워크는 다양한 목적을 가진 센서 장치를 무선으로 연결하여 네트워크를 형성하는 것으로 유비쿼터스 환경을 구축하기 위한 필수적인 기술이다.

IoT 기술의 발달과 함께 급속도로 기술이 보급되고 있으며 환경 모니터링, 보안 및 감시, 스마트그리드, 스마트팩토리 등 다양한 분야에서 응용되고 있다.

특히, 스마트팩토리는 ICT 및 센서 기술의 발달에 힘입어 공장 스스로 생산, 공정 통제 및 수리, 안전 관리 등 전과정을 최적화, 효율화하는 개념으로 모든 사물이 인터넷으로 연결되어 사람과 사물, 사물과 사물 간 정보 교환 및 상호 소통하는 IoT 핵심 적용 분야이다.

스마트팩토리가 보급되면 사용자의 수요에 따라 공정 내부 설비 및 작업자가 이동하여 최적화되는 유연한 공정 변화나 맞춤형 제조가 활발해져서 제조 경쟁력이 높아진다.

그러나 이러한 유연한 공정 변화는 스마트팩토리를 구성하고 있는 네트워크 인프라의 변동이나 이동을 전제로 하고 있으므로 동적 네트워크에 기반한 적응적인 무선 네트워크 기술이 필수적이다.

그중 산업 무선 센서 네트워크를 통해 수집되는 데이터의 시의성 확보를 위한 분산 스케줄링 기법이 가장 대표적인 기술이다.

그러나 분산 스케줄링 기법 적용시 주변 노드와의 빈번한 통신이나 정보 교환이 잦아지므로 IoT 장치의 전력 소모는 심해지는 경향이 있다.

따라서, 스마트팩토리와 같이 이동성이 빈번한 네트워크에서는 종래 기술의 스케줄링 및 데이터 수집 기법을 그대로 사용하기에는 문제가 있다.

이에 이동성을 지원하는 산업 무선 센서 네트워크를 위한 효율적인 스케줄링 기법이 제시되고 있으며 크게 중앙집중식 스케줄링과 분산 스케줄링 기법으로 나눌 수 있다.

중앙 집중 스케줄링 기법은 기지국이 전체 네트워크의 정보를 수집한 후, 각각 타임 슬롯을 할당하여 다시 전체 노드에 스케줄 정보를 보내는 방식이다.

중앙에서 전체 노드의 상황을 파악하고 고성능의 기지국을 이용하여 최적의 스케줄을 제공하기 때문에 데이터 수집에 소요되는 종단간 지연시간을 최대한 감소시킬 수 있다.

하지만, 대규모의 네트워크를 형성하는 경우에는 전체 네트워크를 기지국이 관리하기 위한 비용이 매우 증가하기 때문에 스케줄링을 위한 지연시간이 증가하고, 더불어 에너지 소모도 증가한다.

반면 분산 스케줄링 기법은 네트워크상의 각 센서 노드가 분산적으로 타임 슬롯을 선택하여 스케줄링 하는 방법으로, 기지국과 스케줄링 데이터를 주고받으면서 발생하는 에너지 소모가 없어서 대규모 네트워크에서 매우 효율적이다.

하지만, 각 노드는 서로의 스케줄링 정보를 모르기 때문에, 선택한 타임 슬롯에서 충돌이 일어나 신뢰성이 보장되지 않을 수 있다.

그러므로 타임 슬롯 스케줄을 분산적으로 처리할 때 발생하는 충돌문제를 해결하고, 필연적으로 발생하게 되는 데이터 수집 지연 시간 증가를 해결하기 위한 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.

한국공개특허번호 10-2013-0103439호 한국공개특허번호 10-2014-0060098호 한국공개특허번호 10-2013-0042443호

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 스케줄링 및 데이터 수집 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 유휴슬롯을 활용하여 재전송을 위한 예약 슬롯으로 할당하여 네트워크 지연을 줄일 수 있도록 한 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 유휴슬롯을 활용하여 재전송을 위한 예약 슬롯으로 할당하여 노드간 통신 슬롯 충돌 문제를 보정하여 전력 소모를 줄일 수 있도록 한 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 분산스케줄링을 위하여 슬롯 스틸(Slot stealing)을 통해 빼앗은 슬롯에서 발생하는 충돌을 보정하기 위한 GroupACK와 재전송 예약 슬롯을 할당하여 효율적인 분산 스케줄링이 가능하도록 한 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 CFP 구간 내에 통신을 수행하는 노드의 개수가 많다면, GroupACK를 여러개 할당하여 각 센서 노드의 데이터 통신 성공 여부를 알려주고, GroupACK를 관리하여 재전송이 필요하면 CAP 구간의 유휴슬롯을 통해 패킷을 재전송하고, 다시 자신의 CFP 구간의 데이터 슬롯에서는 다음 패킷을 전송하여 노드간 통신 슬롯 충돌 문제 및 데이터 수집 지연 시간 증가를 해결할 수 있도록 한 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 재전송 예약슬롯을 CAP 구간내에 첫 번째 슬롯을 제외한 어떤 슬롯에서도 공유해서 설정할 수 있도록 하는 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 네트워크 토폴로지가 수시로 변경되는 환경에서 센서 노드의 이동이나 재형성이 가능하도록 하여 스마트팩토리에 적용하여 공정의 최적화를 가능하도록 한 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치는 데이터 통신을 위한 슬롯을 추가로 할당하는 슬롯 스틸(Slot stealing)을 통해 분산 스케줄링을 하는 분산 스케줄링부;분산 스케줄링으로 할당된 데이터 슬롯을 이용하여 패킷 전송을 하는 패킷 전송부;GroupACK 전송 시점에서 CFP(Contention Free Period) 구간의 유휴 슬롯을 사용하여 GroupACK 전송을 하는 GroupACK 판단부;재전송 유휴 슬롯이 존재하는지를 판단하는 유휴 슬롯 확인부;재전송 유휴 슬롯이 존재하지 않으면 CAP(Contention Access Period) 구간에 재전송 예약 슬롯을 할당하는 재전송 예약 슬롯 할당부;재전송이 성공하였는지를 판단하는 재전송 확인부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 분산 스케줄링부는, 코디네이터(Coordinator)가 자신의 스케줄링 정보와 슬롯 충돌(Collision), 링크 품질, 자신의 클러스터내의 전체 큐 길이(Queue length)를 비교하여 슬롯 스틸(Slot stealing)을 통해 분산 스케줄링을 하는 것을 특징으로 한다.

그리고 재전송 확인부는, 재전송이 성공하였는지를 판단하여 성공하지 않은 경우에는 다시 분산 스케줄링으로 데이터 슬롯을 할당하는 단계를 수행하도록 하는 것을 특징으로 한다.

그리고 재전송 예약 슬롯 할당부는, CAP 구간에서 새로운 노드가 추가되거나 관리를 위한 패킷 전송을 피하기 위하여, 재전송 예약슬롯을 CAP 구간내에 첫 번째 슬롯을 제외한 어떤 슬롯에서도 공유하도록 설정하는 것을 특징으로 한다.

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 방법은 데이터 통신을 위한 슬롯을 추가로 할당하는 슬롯 스틸(Slot stealing)을 통해 분산 스케줄링을 하는 분산 스케줄링 단계;분산 스케줄링으로 할당된 데이터 슬롯을 이용하여 패킷 전송을 하는 패킷 전송 단계;GroupACK 전송 시점에서 CFP(Contention Free Period) 구간의 유휴 슬롯을 사용하여 GroupACK 전송을 하는 GroupACK 판단 전송 단계;재전송 유휴 슬롯이 존재하는지를 판단하는 유휴 슬롯 확인 단계;재전송 유휴 슬롯이 존재하지 않으면 CAP(Contention Access Period) 구간에 재전송 예약 슬롯을 할당하는 재전송 예약 슬롯 할당 단계;재전송이 성공하였는지를 판단하는 재전송 확인 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 재전송 예약 슬롯 할당 단계에서, CAP 구간에서 새로운 노드가 추가되거나 관리를 위한 패킷 전송을 피하기 위하여, 재전송 예약슬롯을 CAP 구간내에 첫 번째 슬롯을 제외한 어떤 슬롯에서도 공유하도록 설정하는 것을 특징으로 한다.

그리고 재전송이 필요하면 CAP 구간의 유휴슬롯을 통해 패킷을 재전송하고, 다시 자신의 CFP 구간의 데이터 슬롯에서는 다음 패킷을 전송하는 것을 특징으로 한다.

그리고 재전송 예약 슬롯 할당 단계에서, CAP 구간의 재전송 예약 슬롯에서 재전송을 하고자 시도하는 센서 노드가 여러 개 있다고 해도 캐리어 센싱(Carrier sensing)을 통해 채널을 사용중인지 확인하고 패킷을 전송하여 충돌을 피하고, 예약슬롯을 통해 패킷을 전송하지 못한다면, 다음 데이터 슬롯에서 패킷을 전송할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

그리고 분산 스케줄링 단계에서, 코디네이터(Coordinator)가 자신의 스케줄링 정보와 슬롯 충돌(Collision), 링크 품질, 자신의 클러스터내의 전체 큐 길이(Queue length)를 비교하여 슬롯 스틸(Slot stealing)을 통해 분산 스케줄링을 하는 것을 특징으로 한다.

그리고 재전송 확인 단계에서, 재전송이 성공하였는지를 판단하여 성공하지 않은 경우에는 다시 분산 스케줄링으로 데이터 슬롯을 할당하는 단계를 수행하도록 하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 유휴슬롯을 활용하여 재전송을 위한 예약 슬롯으로 할당하여 네트워크 지연을 줄일 수 있다.

둘째, 유휴슬롯을 활용하여 재전송을 위한 예약 슬롯으로 할당하여 노드간 통신 슬롯 충돌 문제를 보정하여 전력 소모를 줄일 수 있도록 한다.

셋째, 분산스케줄링을 위하여 슬롯 스틸(Slot stealing)을 통해 빼앗은 슬롯에서 발생하는 충돌을 보정하기 위한 GroupACK와 재전송 예약 슬롯을 할당하여 효율적인 분산 스케줄링이 가능하다.

넷째, 재전송 예약슬롯을 CAP 구간내에 첫 번째 슬롯을 제외한 어떤 슬롯에서도 공유해서 설정할 수 있도록 하여 효율적인 분산 스케줄링이 가능하다.

다섯째, 네트워크 토폴로지가 수시로 변경되는 환경에서 센서 노드의 이동이나 재형성이 가능하도록 하여 스마트팩토리에 적용하여 공정의 최적화를 가능하도록 한다.

여섯째, IEEE 802.15.4 legacy를 지원하고, 네트워크의 규모나 이동성에 구애받지 않는 유연한 스케줄링으로 기술 확산이 용이하며, 소규모 사업장에서 쉽게 적용이 가능하다.

도 1은 중앙 집중식 스케줄링 센서 네트워크 구성도
도 2는 분산기반 스케줄링 센서 네트워크 구성도
도 3은 IEEE 802.15.4e DSME 통신 방법을 나타낸 구성도
도 4는 IEEE 802.15.4e DSME 표준의 GroupACK 메커니즘을 나타낸 구성도
도 5는 IEEE 802.15.4e DSME 표준의 CFP 슬롯 관리 구성도
도 6은 본 발명에 따른 재전송 예약슬롯 기반 GroupACK 메커니즘을 나타낸 구성도
도 7은 본 발명에 따른 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치의 구성도
도 8은 본 발명에 따른 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 방법을 나타낸 플로우 차트
도 9는 본 발명에 따른 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법이 적용되는 스마트팩토리 네트워크 구성도

이하, 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치의 구성도이다.

본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법은 CFP 구간 내에 통신을 수행하는 노드의 개수가 많다면, GroupACK를 여러개 할당하여 각 센서 노드의 데이터 통신 성공 여부를 알려주고, GroupACK를 관리하여 재전송이 필요하면 CAP 구간의 유휴슬롯을 통해 패킷을 재전송하고, 다시 자신의 CFP 구간의 데이터 슬롯에서는 다음 패킷을 전송하여 노드간 통신 슬롯 충돌 문제 및 데이터 수집 지연 시간 증가를 해결할 수 있도록 한 것이다.

도 1은 일반적인 중앙집중식 스케줄링 기법을 사용하는 센서 네트워크를 나타낸 것이고, 도 2는 분산기반 스케줄링 기법을 사용하는 센서 네트워크를 나타낸 것이다.

센서 네트워크 구조는 도 1 및 도 2에서와 같이 중앙의 Root 노드 혹은 PAN Coordinator라고 부르는 노드로 각 노드에서 수집된 센서 데이터를 전송하는 형태로 구성된다.

일반적으로 이런 센서 네트워크 토폴로지는 트리형 또는 스타형 토폴로지를 이루게 되므로 중앙에 있는 노드로 데이터가 몰리는 문제는 피할 수 없다. 센서 네트워크에서 Root 노드나 PAN Coordinator 노드는 비컨이나 Hello 메시지 등을 이용하여 자신의 주변에 있는 노드와 동기화를 이루게 되는데, 이를 클러스터라고 한다.

중앙집중식 스케줄링을 사용하는 센서 네트워크에서는 Root 노드를 중심으로 트리형 토폴로지를 이루게 되고, 모든 노드는 Root 노드의 Hello 메시지를 수신한 후 네트워크에 참여하는 절차를 따르게 된다.

모든 센서 노드는 Root 노드의 Hello 메시지를 수신한 후, 자신이 네트워크에 참여할 수 있도록 요청 메시지를 전송하게 되고, Root 노드는 요청 메시지를 받은 후 자신이 관리하고 있는 중앙집중식 스케줄링 테이블에 이 노드를 등록한 후 통신 채널과 슬롯 번호를 할당하게 된다.

센서 노드는 Root 노드로부터 할당받은 채널과 슬롯 번호가 담긴 응답 메시지를 수신한 후 슬립 모드로 전환하게 된다.

이때 Root 노드와 1-홉 통신 거리내에 있지 않는 센서 노드의 경우 중간의 다른 노드를 거쳐서 Root 노드로 연결된다. 그러므로 멀티-홉의 단계가 길어질수록 Root 노드로 연결되는데 시간이 많이 걸리므로 네트워크 형성 시간이 증가하게 된다.

반면에 분산기반 스케줄링을 적용한 센서 네트워크에서는 PAN Coordinator 노드를 중심으로 기본적으로는 같은 토폴로지를 구성하게 된다.

그러나 도 2에서 보는 것과 같이 스타형 토폴로지와 트리형 토폴로지가 혼용되는 네트워크를 구성하므로 센서 데이터 수집 방식이 서로 다르다.

PAN Coordinator 노드는 주변의 노드로 비컨 메시지를 보내고, 이 메시지를 받은 노드는 앞서의 방식과 유사하게 통신 슬롯을 할당받기 위한 요청 메시지를 전송하게 된다.

이때 1-홉 통신 거리내에 있지 않은 센서 노드는 주변의 다른 노드를 통해 센서 데이터를 보내야 하므로 독자적인 클러스터를 형성하게 된다.

도 2에서의 Full Function device는 비컨을 보낼 수 있고, 양방향 통신을 할수 있는 노드를 의미하며, 센서 네트워크에서 수집한 데이터를 송신만 할 수 있는 Reduced Function device와 대비된다. 이러한 FFD의 경우 주변의 노드와 클러스터를 형성하고, 경로상 가장 적절한 노드 혹은 전력 소모를 고려한 클러스터 헤더 선출 방식을 통해 Coordinator가 된다. 그래서 분산 기반 스케줄링을 적용한 센서 네트워크에서는 각각의 Coordinator를 중심으로한 스타형 토폴로지와 전체 PAN Coordinator로의 데이터 전송을 위한 트리형 토폴로지가 혼용된 계층적 토폴로지를 갖추게 된다.

따라서, 센서 네트워크의 목적에 따라 어떤 스케줄링 기법을 사용하는 것이 유리할지를 결정하는 것이 매우 중요하다.

그러나 스마트팩토리 등 IoT 기반 무선 센서 네트워크는 노드의 이동성을 고려해야 하므로 네트워크 변동에 좀 더 강인한 분산기반 스케줄링 기법이 더 적절하다.

IEEE 802.15.4e 표준은 2.4GHz 비면허 대역을 대상으로 하는 무선 근거리 통신 규격인 IEEE 802.15.4를 보완하기 위해 제안된 새로운 전송 규격으로 2012년 표준화가 완료되었다.

IEEE 802.15.4e는 서비스의 종류에 따라 DSME(Distributed Synchronous Multi-channel Extension), TSCH(Time Slotted Channel Hopping), LL(Low Latency), RFID Blink 모드 등 다양한 MAC 모드를 지원한다. 그 중에서도 DSME는 기존 IEEE 802.15.4의 Superframe 구조를 유지하면서 네트워크의 시의성과 전송 신뢰성을 확보하기 위한 다양한 기능을 제공한다. 이 중 DSME는 기존의 IEEE 802.15.4와 달리 Inactive 구간을 생략하고 네트워크 관리 및 연결을 위한 CAP(Contention Access Period)와 CFP(Contention Free Period)로 나누어져 있다.

이러한 방식은 데이터 통신을 분리할 수 있으므로 고 신뢰 저 지연 데이터 통신을 제공한다.

도 3은 DSME의 통신 방법을 나타낸 것이다.

DSME를 기반으로하는 분산 스케줄링 기법은 PAN Coordinator와 하위의 Coordinator를 통해 주변 센서 노드와 연결되고, 각 Coordinator를 중심으로 통신 슬롯을 스케줄링 하는 방식으로 동작한다.

센서 노드는 자신의 Coordinator로부터 전송된 비컨을 수신하여 동기화를 수행한다. 비컨에는 현재 설정된 네트워크의 통신 슬롯의 크기와 전체 길이 등에 관한 정보가 담겨 있다. 각 센서 노드는 CAP 구간을 이용하여 네트워크에 참여함과 동시에 데이터 통신을 위한 슬롯을 요청하게 되는데, Coordinator는 자신의 데이터 슬롯의 수와 가용채널을 참조하여 슬롯을 할당하여 응답한다.

DSME 기반 분산 스케줄링 기법은 Coordinator가 자신의 스케줄링 정보와 Collision, 링크 품질, 자신의 클러스터내의 전체 Queue length를 비교하여 데이터 통신을 위한 슬롯을 추가로 할당하는 Slot stealing을 통해 수행된다.

각 센서 노드는 주기적인 데이터 통신을 수행하면서 링크 품질이나 자신의 queue length를 Coordinator로 전송한다. 이러한 방식으로 주기적으로 수집한 정보를 토대로 Coordinator는 burst packet을 전송하는 센서 노드에게 추가로 슬롯을 할당하게 되는데, 이때 기존의 스케줄링 정보를 통해 데이터 통신을 수행하는 노드와 충돌이 발생하게 된다. 충돌이 발생하면, 재전송을 시도하게 되므로 전력소모가 증가하고 지연시간이 증가하게 된다.

이러한 문제는 네트워크의 변동이 심한 IoT 환경에서는 전체적인 네트워크 성능을 저하시키므로 이를 해결하기 위한 효율적인 분산 스케줄링 기법이 필요하다.

이를 위하여, 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법에서는 슬롯 스틸(Slot stealing)을 통해 빼앗은 슬롯에서 발생하는 충돌을 보정하기 위한 GroupACK와 재전송 예약 슬롯을 할당하는 구성을 포함한다.

Coordinator와 센서 노드가 네트워크 연결 및 관리를 위해 사용하는 CAP 구간은 총 8개의 슬롯으로 구성되어 있고, 첫 번째 슬롯은 비컨을 전송하는 슬롯이다. 모든 센서 노드는 비컨을 수신하여 동기화를 수행하기 때문에 첫 번째 슬롯은 다른 노드가 사용할 수 없다.

그러나 그 외의 7개 슬롯은 이미 네트워크 연결이 완성된 상황, 즉 안정적으로 데이터를 수집하고 있는 상황에서는 유휴슬롯으로 남겨져 있는 확률이 매우 높다. 그러므로 유휴슬롯을 활용하여 재전송을 위한 예약 슬롯으로 할당한다면, 네트워크 지연을 줄일 수 있다.

또한, 노드간 통신 슬롯 충돌 문제를 보정할 수 있기 때문에 각 노드에서의 전력 소모를 절감하는데도 도움이 된다.

도 4는 IEEE 802.15.4e 표준에서의 GroupACK 동작 방식을 나타낸 것이다.

표준에서는 GroupACK을 두가지 타입으로 정의하고 있다.

GACK1은 CFP 구간에 할당된 슬롯의 데이터 전송 결과를 ACK로 보내주는 것이고, GACK2는 GACK1의 결과에 따른 재전송 결과를 ACK로 보낼 때 설정한다.

그러나 이러한 방식은 CFP 구간에 충분한 유휴슬롯이 존재해야 한다는 한계점을 동시에 가지고 있다.

그러므로 많은 노드가 주기적으로 데이터를 전송하는 IoT 환경에서는 적합하지 않다.

또한, ACK를 보내기 위해 GACK를 설정할 때 Coordinator가 superframe ID와 slot ID를 명시해야 하고 DSME-GTSR 슬롯을 CFP 구간 내에 할당해야 하므로 기존 분산 스케줄링과 슬롯 할당시 충돌이 발생할 수 있다.

도 5는 IEEE 802.15.4e DSME 표준에서 CFP 슬롯 관리 메커니즘을 나타낸 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 재전송 예약슬롯 기반 GroupACK 메커니즘을 나타낸 구성도이다.

하나의 데이터 슬롯은 각 노드가 Coordinator로 전송하기 위한 데이터의 크기에 따라 결정되며, 데이터 및 ACK 전송까지 합쳐서 슬롯의 길이를 결정하게 된다.

그러나 CFP 구간에서는 일시적인 링크 에러나 네트워크 변동으로 인한 노드의 삭제 등의 요인이 아니면 스케줄링을 통해 결정된 슬롯에서는 다른 노드가 통신을 수행하지 않으므로 매번 packet을 전송할 때마다 ACK를 보내는 것은 불필요하다.

따라서, 할당된 데이터 슬롯을 묶여서 GroupACK로 관리하게 되면, 데이터 슬롯의 크기를 줄일 수 있으므로 전력 소모 절감 및 지연시간을 줄일 수 있다.

또한, CFP 구간의 구조적인 유휴슬롯 낭비를 줄일 수 있다.

CFP 구간은 통신 슬롯의 개수와 가용 채널을 수를 곱한 만큼의 슬롯 테이블로 구성되는데, 모든 센서 노드가 매 주기마다 데이터 통신을 수행하는 것이 아니라면, 유휴 슬롯이 발생할 수밖에 없으므로 이러한 유휴 슬롯을 활용하여 GroupACK 슬롯으로 할당하면 추가적인 데이터 슬롯을 할당하지 않고도 재전송을 처리할 수 있다.

그러므로 재전송 결과를 수신하기 위한 GACK2는 불필요하게 된다.

또한, DSME-GTSR을 추가적으로 할당하게 되면 CFP 구간의 데이터 슬롯 수의 제한으로 인해 슬롯 이용률(slot utilization)이 떨어지게 되므로 별도의 재전송 예약슬롯을 할당하여 문제를 해결한다.

구체적으로 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치에 관하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치는 도 7에서와 같이, 코디네이터(Coordinator)가 자신의 스케줄링 정보와 슬롯 충돌(Collision), 링크 품질, 자신의 클러스터내의 전체 큐 길이(Queue length)를 비교하여 데이터 통신을 위한 슬롯을 추가로 할당하는 슬롯 스틸(Slot stealing)을 통해 분산 스케줄링을 하는 분산 스케줄링부(71)와, 분산 스케줄링으로 할당된 데이터 슬롯을 이용하여 패킷 전송을 하는 패킷 전송부(72)와, 할당된 데이터 슬롯을 묶어서 관리하는 GroupACK 전송 시점까지 할당된 데이터 슬롯을 이용하여 패킷 전송을 하고, GroupACK 전송 시점에서 DSME(Distributed Synchronous Multi-channel Extension) 모드의 CFP(Contention Free Period) 구간의 유휴 슬롯을 사용하여 GroupACK 전송을 하는 GroupACK 판단부(73)와, 재전송 유휴 슬롯이 존재하는지를 판단하는 유휴 슬롯 확인부(74)와, 재전송 유휴 슬롯이 존재하지 않으면, DSME(Distributed Synchronous Multi-channel Extension) 모드의 CAP(Contention Access Period) 구간에 재전송 예약 슬롯을 할당하는 재전송 예약 슬롯 할당부(75)와, 재전송이 성공하였는지를 판단하여 성공하지 않은 경우에는 다시 분산 스케줄링으로 데이터 슬롯을 할당하는 단계를 수행하도록 하는 재전송 확인부(76)를 포함한다.

본 발명에 따른 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 8은 본 발명에 따른 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 방법을 나타낸 플로우 차트이다.

본 발명에 따른 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링이 시작되면(S801), 코디네이터(Coordinator)가 자신의 스케줄링 정보와 슬롯 충돌(Collision), 링크 품질, 자신의 클러스터내의 전체 큐 길이(Queue length)를 비교하여 데이터 통신을 위한 슬롯을 추가로 할당하는 슬롯 스틸(Slot stealing)을 통해 분산 스케줄링을 한다.(S802)

분산 스케줄링으로 할당된 데이터 슬롯을 이용하여 패킷 전송을 한다.(S803)

이어, 할당된 데이터 슬롯을 묶어서 관리하는 GroupACK 전송 시점까지 할당된 데이터 슬롯을 이용하여 패킷 전송을 하고, GroupACK 전송 시점에서 DSME(Distributed Synchronous Multi-channel Extension) 모드의 CFP(Contention Free Period) 구간의 유휴 슬롯을 사용하여 GroupACK 전송을 한다.(S804)

그리고 재전송 유휴 슬롯이 존재하는지를 판단하여(S805) 재전송 유휴 슬롯이 존재하지 않으면, DSME(Distributed Synchronous Multi-channel Extension) 모드의 CAP(Contention Access Period) 구간에 재전송 예약 슬롯을 할당한다.(S806)

이어, 재전송이 성공하였는지를 판단하여 성공하지 않은 경우에는 다시 분산 스케줄링으로 데이터 슬롯을 할당하는 단계를 수행한다.(S807)

이와 같이 본 발명에 따른 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 방법은 재전송 예약슬롯으로 CAP 구간의 유휴슬롯을 사용하는 방법이다.

재전송이 필요하면 CAP 구간의 유휴슬롯을 통해 패킷을 재전송하고, 다시 자신의 CFP 구간의 데이터 슬롯에서는 다음 패킷을 전송하게 된다.

그리고 재전송 예약슬롯은 CAP 구간내에 첫 번째 슬롯을 제외한 어떤 슬롯에서도 공유해서 설정할 수 있도록 하여 CAP 구간에서 새로운 노드가 추가되거나 관리를 위한 패킷 전송을 최대한 피해서 활용할 수 있도록 한다.

CAP 구간의 재전송 예약 슬롯에서는 재전송을 하고자 시도하는 센서 노드가 여러 개 있다고 해도 캐리어 센싱(Carrier sensing)을 통해 채널을 사용중인지 확인하고 패킷을 전송하여 충돌을 피하고, 만약 예약슬롯을 통해 패킷을 전송하지 못한다면, 다음 데이터 슬롯에서 패킷을 전송할 수 있게 되므로 지연시간을 최대한 줄일 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법을 적용하기 위해서 구현해야할 요소는 노드의 큐 길이(queue length), 노드간 링크 품질, 스케줄링 정보 전달 등이 있다.

무선 센서 네트워크에서 각 노드는 자신이 통신하기 위해 TX 버퍼에 데이터를 쓰기 전 큐에 저장하므로 큐 길이를 주기적으로 Coordinator로 전송하면, 클러스터 전체 글로벌 큐 길이(global queue length)를 획득할 수 있다.

링크 품질의 경우, 주기적인 데이터 전송을 통해 통계화된 링크 품질을 계산할 수 있으며, 링크의 품질이 나쁜 채널을 Coordinator의 스케줄링 시 제외하는 방법으로 보정할 수 있다.

또한, 스케줄링 정보 전달은 각 노드와 Coordinator간 CAP 구간의 통신을 통해 전송할 수 있다. 이 경우 Coordinator의 비컨을 통해 전송된 클러스터 정보를 바탕으로 모든 노드가 자신의 통신 슬롯을 계산해야 하므로 동기화를 유지하기 위한 노력이 필요하고, 센서 노드의 데이터 통신 시점에서 깨어나기 위한 전송 오프셋(Tx-offset)을 정확하게 계산하는 것이 필요하다.

이와 같은 본 발명에 따른 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링을 적용한 센서노드는 IEEE 802.15.4 legacy를 지원하므로 기술 확산이 용이하며, 네트워크의 규모나 이동성에 구애받지 않는 유연한 스케줄링 기법이므로 소규모 사업장에서 쉽게 적용이 가능한 방식으로 IoT 기반 스마트팩토리 구축에 효율적으로 사용될 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법이 적용되는 스마트팩토리 네트워크 구성도이다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치 및 방법은 분산스케줄링을 위하여 슬롯 스틸(Slot stealing)을 통해 빼앗은 슬롯에서 발생하는 충돌을 보정하기 위한 GroupACK와 재전송 예약 슬롯을 할당하여 효율적인 분산 스케줄링이 가능하도록 한 것이다.

이와 같은 본 발명은 CFP 구간 내에 통신을 수행하는 노드의 개수가 많다면, GroupACK를 여러 개 할당하여 각 센서 노드의 데이터 통신 성공 여부를 알려주고, GroupACK를 관리하여 재전송이 필요하면 CAP 구간의 유휴슬롯을 통해 패킷을 재전송하고, 다시 자신의 CFP 구간의 데이터 슬롯에서는 다음 패킷을 전송하여 노드간 통신 슬롯 충돌 문제 및 데이터 수집 지연 시간 증가를 해결할 수 있도록 한 것이다.

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

71. 분산 스케줄링부 72. 패킷 전송부
73. GroupACK 판단부 74. 유휴 슬롯 확인부
75. 재전송 예약 슬롯 할당부 76. 재전송 확인부

Claims

데이터 통신을 위한 슬롯을 추가로 할당하는 슬롯 스틸(Slot stealing)을 통해 분산 스케줄링을 하는 분산 스케줄링부;
분산 스케줄링으로 할당된 데이터 슬롯을 이용하여 패킷 전송을 하는 패킷 전송부;
GroupACK 전송 시점에서 CFP(Contention Free Period) 구간의 유휴 슬롯을 사용하여 GroupACK 전송을 하는 GroupACK 판단부;
재전송 유휴 슬롯이 존재하는지를 판단하는 유휴 슬롯 확인부;
재전송 유휴 슬롯이 존재하지 않으면 CAP(Contention Access Period) 구간에 재전송 예약 슬롯을 할당하는 재전송 예약 슬롯 할당부;
재전송이 성공하였는지를 판단하는 재전송 확인부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치.
제 1 항에 있어서, 분산 스케줄링부는,
코디네이터(Coordinator)가 자신의 스케줄링 정보와 슬롯 충돌(Collision), 링크 품질, 자신의 클러스터내의 전체 큐 길이(Queue length)를 비교하여 슬롯 스틸(Slot stealing)을 통해 분산 스케줄링을 하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치.
제 1 항에 있어서, 재전송 확인부는,
재전송이 성공하였는지를 판단하여 성공하지 않은 경우에는 다시 분산 스케줄링으로 데이터 슬롯을 할당하는 단계를 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치.
제 1 항에 있어서, 재전송 예약 슬롯 할당부는,
CAP 구간에서 새로운 노드가 추가되거나 관리를 위한 패킷 전송을 피하기 위하여, 재전송 예약슬롯을 CAP 구간내에 첫 번째 슬롯을 제외한 어떤 슬롯에서도 공유하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 장치.
데이터 통신을 위한 슬롯을 추가로 할당하는 슬롯 스틸(Slot stealing)을 통해 분산 스케줄링을 하는 분산 스케줄링 단계;
분산 스케줄링으로 할당된 데이터 슬롯을 이용하여 패킷 전송을 하는 패킷 전송 단계;
GroupACK 전송 시점에서 CFP(Contention Free Period) 구간의 유휴 슬롯을 사용하여 GroupACK 전송을 하는 GroupACK 판단 전송 단계;
재전송 유휴 슬롯이 존재하는지를 판단하는 유휴 슬롯 확인 단계;
재전송 유휴 슬롯이 존재하지 않으면 CAP(Contention Access Period) 구간에 재전송 예약 슬롯을 할당하는 재전송 예약 슬롯 할당 단계;
재전송이 성공하였는지를 판단하는 재전송 확인 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 방법.
제 5 항에 있어서, 재전송 예약 슬롯 할당 단계에서,
CAP 구간에서 새로운 노드가 추가되거나 관리를 위한 패킷 전송을 피하기 위하여, 재전송 예약슬롯을 CAP 구간내에 첫 번째 슬롯을 제외한 어떤 슬롯에서도 공유하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 방법.
제 5 항에 있어서, 재전송이 필요하면 CAP 구간의 유휴슬롯을 통해 패킷을 재전송하고, 다시 자신의 CFP 구간의 데이터 슬롯에서는 다음 패킷을 전송하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 방법.
제 5 항에 있어서, 재전송 예약 슬롯 할당 단계에서,
CAP 구간의 재전송 예약 슬롯에서 재전송을 하고자 시도하는 센서 노드가 여러 개 있다고 해도 캐리어 센싱(Carrier sensing)을 통해 채널을 사용중인지 확인하고 패킷을 전송하여 충돌을 피하고,
예약슬롯을 통해 패킷을 전송하지 못한다면, 다음 데이터 슬롯에서 패킷을 전송할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 방법.
제 5 항에 있어서, 분산 스케줄링 단계에서,
코디네이터(Coordinator)가 자신의 스케줄링 정보와 슬롯 충돌(Collision), 링크 품질, 자신의 클러스터내의 전체 큐 길이(Queue length)를 비교하여 슬롯 스틸(Slot stealing)을 통해 분산 스케줄링을 하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 방법.
제 5 항에 있어서, 재전송 확인 단계에서,
재전송이 성공하였는지를 판단하여 성공하지 않은 경우에는 다시 분산 스케줄링으로 데이터 슬롯을 할당하는 단계를 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 산업 무선 센서 네트워크에서의 재전송 예약슬롯 기반 분산 스케줄링 방법.