KR20200079112A - 멀티 홉 네트워크 환경에서 pco-d기법 기반의 에너지 효율적 mac 프로토콜 - Google Patents

멀티 홉 네트워크 환경에서 pco-d기법 기반의 에너지 효율적 mac 프로토콜 Download PDF

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Abstract

멀티 홉 네트워크 환경에서 PCO-D기법 기반의 에너지 효율적 MAC 프로토콜이 개시된다.

Description

멀티 홉 네트워크 환경에서 PCO-D기법 기반의 에너지 효율적 MAC 프로토콜{Pulse-Coupled Oscillator Desynchronization-based Energy efficient MAC Protocol for Wireless Multi-hop Networks}
본 발명은 멀티 홉 네트워크 환경에서 PCO-D기법 기반의 에너지 효율적 MAC 프로토콜에 관한 것이다.
최근에는 환경 변화의 적응성이나 분산처리 상황에서의 자가구성 능력, 안정성, 확장성, 적응성 등 많은 장점을 가지고 있는 네트워크 기술에 관한 연구가 이루어지고 있다. 특히 멀티 홉 네트워크 환경에서는 각 노드가 중앙조정자 없이 분산적, 독립적으로 제한된 양의 자원을 효율적이고 공평하게 점유할 수 있어야 하므로, 멀티 홉 네트워크가 가진 이러한 특성과 문제점을 개선하고 해결하기 위해 무선자원 할당 기법이 연구되고 있다. 본 발명에서는 심장박동기의 동기화를 활용한 PCO-D 기술을 활용하여 에너지 효율을 고려한 무선할당 기법을 제안하고자 한다. 제안하는 기법은 각 노드가 컨트롤 메시지의 송수신을 통해, 이웃 노드의 정보를 공유하고, 공유한 정보를 통해 시간자원을 점유하는 방식으로 동작한다. 제안하는 기법의 목적은 송수신 이외의 동작에서 사용되는 에너지 소비량을 최소화함으로서 높은 에너지 효율을 얻고, 각 노드가 공평한 자원 점유를 하는 것이다. 본 발명에서는 에너지 효율을 고려한 자원점유를 위해, 각 노드의 컨트롤 메시지의 구조와 프레임의 구조를 정의하고, 각 노드의 동작 방식을 제안한다.
무선 멀티 홉 네트워크에서 각 노드는 자신의 배터리를 기반으로 동작하기 때문에, 배터리 잔량에 의해 각 노드의 생존시간이 제한된다. 그래서 에너지 효율은 MAC 프로토콜 설계에 있어 중요한 이슈 중 하나이다. 특히 무선 멀티 홉 네트워크 환경에서는 배터리가 방전된 노드는 송수신 뿐 만 아니라 릴레이 노드의 역할을 수행할 수 없어, 해당 노드가 속한 루트를 사용할 수 없게 되며, 이로 인한 링크의 재설정 등의 이유로 네트워크의 지속성이나 안정성과 같은 성능이 저하된다. 따라서 무선 멀티 홉 네트워크에서는 각 노드의 에너지 소비를 효율적으로 제어할 수 있는 기술이 절대적으로 요구된다. 멀티 홉 네트워크 환경에서 각 노드가 소비하는 에너지를 절약하여 에너지 효율성을 높이고 네트워크의 지속성을 증대시키기 위한 다양한 형태의 전력 절약 기법이 연구되고 있다. 일반적으로 멀티 홉 네트워크 환경 전력 절약 기법에서 각 노드는 awake와 doze 두 가지 모드로 동작하게 된다. Awake상태에서는 노드의 송수신기 (transceiver)가 동작하여 항상 데이터 송수신이 가능한 상태이며, doze상태는 노드가 에너지를 절약하기 위해서 송수신기의 작동이 중단된다. Doze 상태에 있는 노드는 데이터 송수신이 불가능하기 때문에, 각 노드는 컨트롤 메시지의 송수신을 통해 동작 상태를 결정하고 동작 구간에 대한 정보를 공유하여 데이터 전송이 가능하게 한다. 경쟁 기반의 자원할당 기법에서는 각 노드가 경쟁을 통해 전송 기회를 얻고, 충돌을 피하기 위해 무선 채널의 상태를 확인하여야 한다. 이 때 각 노드는 데이터를 송신하지 않을 때에도 항상 무선 채널을 수신하여 해당 채널에서의 데이터 송수신 여부를 확인해야 하고, 이러한 대기 청취 상태인 송수신기가 소비하는 전력 소비로 인하여 채널이 대부분 유휴 상태인 상황에서 에너지 낭비가 증가하게 된다. 트래픽이 많은 상황에서 데이터 송수신시 발생하는 패킷 충돌은 에너지 소비의 또 다른 주요 원인이다. 각 노드는 자신이 송신한 메시지에 대한 회신 메시지의 수신 여부를 통해 패킷 충돌 발생 여부를 감지할 수 있다. 충돌이 발생하게 되면, 패킷 재전송에 사용되는 에너지가 소비되므로 충돌 발생을 줄이고 에너지 효율을 높일 수 있는 MAC 프로토콜의 설계가 필요하다.
일반적으로 무선 멀티 홉 네트워크에서는 전송 반경 외 노드의 정보의 부재로 인한 숨겨진 단말 문제(Hidden node problem)가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 각 노드는 자신의 2홉 이내의 이웃 노드들의 자원 할당 상태를 상시 인지할 수 있어야 한다. 이러한 이유로 각 노드는 자신의 상태정보를 포함한 제어 메시지를 수시로 주위 노드들과 공유할 필요가 있다. 그러나 이러한 제어 메시지는 중복성(Redundancy)에 의한 시그널링 오버헤드(Signaling overhead)를 증가시키고, 이는 제어 메시지를 처리하고 계산하기 위해 소모되는 에너지로 인해 노드의 에너지 효율이 감소하게 된다. 따라서, 무선 멀티 홉 네트워크에서 네트워크 생존시간을 증가시키고, 노드의 안정적인 동작을 위해서는 숨겨진 단말 문제를 효과적으로 해결함과 동시에 에너지 소비 효율을 높일 수 있는 MAC 프로토콜 설계에 대한 고찰이 필요하다.
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 멀티 홉 네트워크 환경에서 PCO-D기법 기반의 에너지 효율적 MAC 프로토콜이 개시된다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 멀티 홉 네트워크 환경에서 PCO-D기법 기반의 에너지 효율적 MAC 프로토콜이 개시된다.
본 발명에서는 무선 멀티 홉 네트워크 환경에서 에너지 효율을 고려한 자원 할당 알고리즘을 제안하였다. 본 발명에서는 숨겨진 단말 문제를 해결하고, 노드의 에너지 소비를 절약할 수 있도록 하는 효율적인 프레임 구조와 펄스 메시지 구조에 대해 정의하였다. 본 발명에서 제안하는 기법은 각 노드가 분산적으로 자원을 점유함과 동시에 각 노드가 송수신 이외의 데이터 채널 구간에서 에너지를 절약하는 방식으로 동작한다. 또한, 기존의 종래기술과를 비교하면 제안하는 기법이 공평한 자원할당을 통해 높은 수율과 낮은 지연시간, 공정성과 높은 에너지 효율과 같은 성능을 보인다.
도 1은 제안하는 프레임 구조를 나타낸다.
도 2는 제안펄스 메시지 구조를 나타낸다.
도 3은 펄스 위상 업데이트 동작 절차를 나타낸다.
도 4는 데이터 시간 슬롯 점유 동작 방식을 나타낸다.
도 5는 (a) 노드 1의 패킷 큐와 송신, 수신 노드 관계의 예 (b) 데이터 채널에서 노드 1이 점유한 데이터 슬롯의 예 (c) 노드 1의 데이터 슬롯 설정 정보의 업데이트의 예를 나타낸다.
도 6은 노드의 동작 상태에 대한 예를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
기존의 PCO-D 기법에서, 각 노드는 다른 노드의 펄스 신호를 수신함으로서 자신의 펄스 위상을 업데이트했다. 그러나, 멀티 홉 네트워크 환경에서 각 노드는 1-홉 반경에 있는 노드의 신호만 수신이 가능하기 때문에, 기존에 제안되었던 기법을 무선 멀티 홉 네트워크 환경에 적용시킬 수 없다. 또한, 숨겨진 노드 문제와 노출된 노드 문제를 풀기 위해서는 각 노드가 2-홉 이웃의 정보를 알고 있어야 하지만, 기존의 방식으로는 각 노드가 2-홉 이웃에 대한 정보를 알 수 없다. 반면에 펄스 신호를 통해 공유해야 하는 정보의 수가 증가할 때, 오버헤드 또한 증가하게 되고, 시그널링 오버헤드가 증가하게 되어 자원 사용 효율이나 에너지 효율이 줄어들게 된다. 따라서, 본 발명에서는 무선 멀티 홉 네트워크 환경에서 2-홉간 펄스 신호 정보를 공유하기 위한 낮은 오버헤드를 가진 효율적인 메시지 구조를 제안하고, 또한 에너지 효율을 높이기 위한 송수신 노드 간 정보 공유 방식을 제안한다.
프레임 및 펄스 메시지 구조
기존의 PCO-D 기법에서는 처음에 네트워크에 진입하는 두 개 노드의 펄스 신호가 겹칠 때, 각 노드는 다른 펄스 신호를 수신하지 못하기 때문에 펄스 정보의 업데이트가 이루어지지 않기 때문에 각 노드가 같은 자원을 점유하게 되어 송신 노드가 수신 노드에게 정상적으로 데이터를 보낼 수 없다. 따라서 기존의 펄스 신호의 중복에 대한 해결책으로 안정적으로 펄스 신호를 공유하고 펄스 위상의 중복에 대한 문제를 해결하며 에너지 효율을 고려한 새로운 프레임과 메시지 구조를 다음과 같이 제안하였다.
프레임 구조
제안하는 MH-PCO-D 기법에서는 데이터 채널의 시간 위상을 0부터 1까지로 정의하여 각 노드의 시간 위상을 결정하게 하고, 이 정보를 펄싱 메시지에 포함하여 컨트롤 슬롯을 통해 전송한다. 즉, 기존의 PCO-D 에서는 펄스 신호를 송신하는 실제 시간의 위치가 자원할당을 위한 기준이 되는 반면에, 제안하는 MH-PCO-D 기법에서는 자원할당을 위한 기준이 되는 데이터 채널의 펄스 신호 위치를 컨트롤 채널을 통해 교환하여 이웃 노드들에게 논리적인 형태로 알려주는 방식이다. 도 1에서와 같이 본 발명에서 제안하는 프레임 구조는 펄스 신호 정보 공유를 위한 컨트롤 채널 (Control channel)과 컨트롤 채널을 통해 점유한 데이터 전송을 위한 데이터 채널 (Data channel)로 구분한다. 컨트롤 채널은
Figure pat00001
개의 컨트롤 시간 슬롯 (control time-slot)으로, 데이터 채널은
Figure pat00002
개의 데이터 시간 슬롯 (data time-slot)으로 구성된다. 각 노드는 하나의 컨트롤 시간슬롯을 점유하고, 매 프레임마다 안정적으로 펄스 신호가 담긴 펄스 메시지 (pulsing message)를 송·수신한다. 각 노드가 2-홉 이웃의 펄스 위상정보를 인지하기 위해서는 연속된 두 개의 프레임이 필요하고, 이에 따라서 1개의 슈퍼프레임(Superframe)을 각각 홀수 프레임(Odd frame)과 짝수 프레임(Even frame)으로 구분한다.
펄스 메시지 구조
펄스 메시지는 전송 시 충돌을 방지하기 위해 컨트롤 시간 슬롯 할당 정보를 알리기 위한
Figure pat00003
개의 컨트롤 슬롯 정보 (Control slot info)와 데이터 충돌을 방지하기 위해 자신과 1-홉 이웃 노드의 펄스 시간 위상 정보를 알리기 위한
Figure pat00004
개의 펄스 위상 정보 (Pulsing phase info)로 구성한다. 컨트롤 슬롯 정보와 펄스 위상 정보는 최소한의 오버헤드로 2홉 이웃 노드의 정보를 알리기 위해 아이디 정보 (ID Info)와 홉 정보 (Hop Info), 데이터 슬롯 설정 정보 (Data slot configuration info)으로 표현하였다. 아이디 정보와 데이터 슬롯 설정 정보의 경우, 노드의 ID정보를 기록한다. 홉 정보의 경우, 자기 자신의 정보를 표시할 때는 0을, 1홉 이웃의 정보를 표시할 때는 1을 기록한다. 도 2에서는 펄스 위상이 4인 노드 2가 3번째 컨트롤 시간 슬롯을 점유하여 펄스 메시지를 보내는 상황에서 프레임 및 펄스 메시지 구조를 보여주고 있다. 이 때 노드 2는 2개의 원 홉 노드들 (1번, 3번)을 가지고 있다. 이 때 노드 2는 자신의 펄스 메시지의 제어 슬롯 정보 구역 (Control slot info)의 세 번째 ID Info, Hop Info에 에 자신의 노드 아이디 정보 2와 홉 정보 0을 각각 표시한다. 또한 자신의 펄스 위상 정보 (4)에 해당되는 펄스 위상 정보 구역 (Pusling phase info)의 4번째 ID Info, Hop Info 에 각각 자신의 아이디와 홉 정보를 각각 기술한다. 이와 같은 식으로 자신의 1홉 노드들 1과 3의 ID 정보 및 홉 정보를 각각 제어 슬롯 정보 구역과 펄싱 위상 정보 구역에 표시한다. 이 때 원 홉 노드인 1과 3의 홉 정보는 1로 표시하여 2번 노드의 원 홉 노드임을 나타낸다. 노드 1, 2, 3이 선형으로 연결되어있는 멀티 홉 토폴로지를 가정하면, 노드 2의 펄스 메시지를 수신한 노드 1과 3은 노드 2의 펄스 메시지를 통해 서로의 정보를 알 수 있다. 즉 자신과 1홉 이웃 노드의 정보를 펄스 메시지에 포함하여 전송하면 모든 노드는 자신의 2홉 내 이웃 노드의 펄스 신호 정보를 공유할 수 있다. 데이터 슬롯 설정 정보의 경우, 각 노드가 해당 데이터 슬롯을 이용하여 보낼 패킷의 다음 목적지 노드의 ID를 기록한다. 그림 3에서 노드 2번이 3번과 4번 데이터 시간 슬롯을 점유하고, 1번 노드에게 보낼 패킷을 가지고 있다면, 3번과 4번의 펄스 위상 정보의 데이터 슬롯 설정 정보에 1번 노드의 ID를 기록한다. 데이터 슬롯 설정 정보에 기록된 ID를 통해, 수신 노드는 해당 데이터 시간 슬롯에서 받을 패킷이 있음을 인지하게 된다.
각 노드의 동작 절차
제안하는 기법에서, 각 노드는 매 프레임마다 1) 컨트롤 시간 슬롯을 점유하고, 2) 펄스 위상 점유 및 업데이트를 수행한 후, 3) 데이터 시간 슬롯 점유 4) 점유한 데이터 시간 슬롯의 송신 정보를 공유하고, 5) 점유한 슬롯을 사용하지 않을 경우 doze상태로 동작하여 노드의 소비전력을 절약하고, 6) 데이터 송수신을 진행한다.
컨트롤 시간 슬롯 점유
제안하는 MH-PCO-D 기법에서 네트워크에 새로 진입한 노드는 하나의 슈퍼프레임 동안 컨트롤 메시지를 수신하여 자신의 2-홉 이웃 노드들이 점유하고 있는 컨트롤 시간 정보를 확인한다. 확인한 컨트롤 메시지를 통해 다음 홀수 프레임에서 점유되지 않은 컨트롤 시간 슬롯 중 하나를 임의로 점유하고, 이 컨트롤 시간 슬롯에서 매 프레임마다 펄스 메시지를 송신한다. 이때 2홉 이내에 위치한 어떤 두 노드 A와 B가 동시에 진입하여 같은 컨트롤 시간 슬롯을 점유할 경우 충돌이 발생한다. 이 경우 충돌이 발생한 두 노드에 모두 이웃한 노드 C는 두 노드의 정보를 얻을 수 없기 때문에, 자신이 송신하는 펄스 메시지의 정보를 업데이트 하지 않고 그대로 송신한다. 노드 C의 펄스 메시지를 수신한 두 노드 A와 B는 노드 C가 송신한 펄스 메시지에 자신들의 정보가 업데이트 되지 않은 것을 통해 자신들이 송신한 펄스 메시지 충돌을 인지할 수 있으며, 충돌을 인지한 두 노드는 다음 홀수 프레임에서 컨트롤 시간 슬롯 재 점유를 수행한다.
펄스 위상 시간 슬롯 점유 및 업데이트
각 노드는 슈퍼프레임 동안 주변 노드의 펄스 신호를 수신함으로서 자신의 2홉 이웃 노드들이 점유하고 있는 컨트롤 시간 슬롯 정보와 함께 펄스 위상 정보를 확인할 수 있다. 네트워크에 새로 진입한 노드는 컨트롤 시간 슬롯 점유 방식과 마찬가지로 다음 프레임에서 점유되지 않은 펄스 위상 시간 슬롯 1부터
Figure pat00005
까지 중에서 임의로 하나를 선택한다. 이때 노드
Figure pat00006
가
Figure pat00007
번째 프레임에서 점유한 펄스 위상을
Figure pat00008
으로 정의한다. 노드
Figure pat00009
는 자신의 2홉 이웃 노드들 중에서 자신의 바로 앞의 펄스 위상 시간 슬롯을 가진 노드
Figure pat00010
를 아래와 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00011
이때,
Figure pat00012
는 노드
Figure pat00013
를 포함한 노드
Figure pat00014
의 2홉 이내 이웃노드로 이루어진 집합이다. 제안하는 기법에서 각 노드는 해당 프레임에서의 자신의 펄스 위상 위치
Figure pat00015
와 자신의 바로 앞의 펄스 위상 위치
Figure pat00016
로 다음 프레임에서의 펄스 위상
Figure pat00017
을 아래와 같이 업데이트 한다.
Figure pat00018
Figure pat00019
이 때, floor(x)는 x의 소숫점 이하 첫 번째 자리까지 버리는 함수이다. 이때,
Figure pat00020
은
Figure pat00021
번째 프레임에서 노드
Figure pat00022
가 점유하고자 하는 자원의 목표 (target) 값이고,
Figure pat00023
는 노드
Figure pat00024
가 자신의 현재 위상에서 얼마나 멀리 이동할 것인지 결정해주는 스케일 파라미터이다. 멀티 홉 네트워크 환경에서 각 노드는 자신과 2홉 이내 이웃 노드들과 데이터 시간 슬롯을 공유하기 때문에 전체 데이터 시간 슬롯
Figure pat00025
를 자신의 2홉 이내 이웃 노드 수
Figure pat00026
로 나눈 값만큼 점유하는 것을 목표 아래와 같이 정의한다.
Figure pat00027
도 3은 노드
Figure pat00028
가 점유하고자 하는 자원의 목표 값을
Figure pat00029
로,
Figure pat00030
로 가정했을 때, 제안하는 MH-PCO-D 에서의 펄스 위상 업데이트 개념도이다. 만약
Figure pat00031
일 경우, 노드
Figure pat00032
는 수학식 3에 의해서
Figure pat00033
로, 만약
Figure pat00034
일 경우, 노드
Figure pat00035
는 수학식 3에 의해서
Figure pat00036
로 다음 프레임에서의 펄스 위상 위치를 업데이트 한다.
2홉 이내에 위치한 두 노드 A와 B가 동시에 진입하여 같은 펄스 위상 시간 슬롯을 점유할 경우 충돌이 발생한다. 이 경우 충돌이 발생한 두 노드와 동시에 이웃한 노드 C는 두 노드의 펄스 메시지로부터 얻은 정보를 통해 두 노드의 펄스 위상 충돌이 발생한 것을 알 수 있다. 따라서 노드
Figure pat00037
는 자신의 펄스 메시지에 충돌이 발생한 두 노드의 펄스 위상 정보를 업데이트 하지 않는다. 노드 C의 펄스 메시지를 수신한 두 노드 A와 B는 자신들의 펄스 위상 정보가 업데이트 되지 않은 것을 인지하고, 이를 통해 자신들의 펄스 위상 충돌을 감지할 수 있으며, 충돌을 감지한 두 노드는 다음 홀수 프레임에서 펄스 위상 정보 점유를 다시 시행한다.
데이터 시간 슬롯 점유
도 4에서와 같이 각 노드는 이전 프레임에서의 자신의 바로 앞의 펄스 위상의 다음 시간 슬롯
Figure pat00038
부터 자신의 펄스 위상의 시간 슬롯
Figure pat00039
까지의 데이터 시간 슬롯을 점유한다. 만약
Figure pat00040
일 경우, 도 3의 (a)에서처럼
Figure pat00041
가 위치한 다음 슬롯부터
Figure pat00042
까지의 슬롯을 (n+1)번째 프레임에서 점유함으로서, 노드
Figure pat00043
가 n+1번째 프레임에서 5, 6, 7, 8, 9번 데이터 시간 슬롯을 점유하게 된다. 만약
Figure pat00044
일 경우, 도 3의 (b)에서처럼 자원을 점유함으로서, 노드
Figure pat00045
가 n+1번째 프레임에서 1, 2, 3, 4, 12번 데이터 시간 슬롯을 점유하게 된다.
송신 정보 업데이트
각 노드는 위와 같은 방식으로 자원을 점유하고, 점유한 자원을 통해 데이터 패킷을 송신하게 된다. 이때, 각 노드는 송수신에 사용되지 않는 무선자원에서 전력소모를 줄이기 위해 펄스 메시지의 데이터 슬롯 설정 정보를 업데이트 하게 된다. 도 5의 (a)와 같이, 노드 1, 2, 3이 존재하고, 1번 노드가 전송해야 할 패킷이 있다고 가정하자. 여기서 n은 패킷의 ID를 의미한다. 도 5의 (b)와 같이 노드 1이 데이터 시간 슬롯을 점유하고 있을 때, 1번 노드가 펄스 메시지를 도 5의 (c)와 같이 업데이트하여 전송함으로서, 1번 노드가 주변 노드에게 데이터 슬롯 설정 정보를 업데이트한 펄스 메시지를 전달하게 된다. 노드 1번은 자신이 가지고 있는 패킷의 다음 목적지 노드의 ID를 확인하고, 자신이 점유한 데이터 시간 슬롯에 해당하는 펄스 위상 부분의 데이터 슬롯 설정 정보에 보낼 패킷의 다음 목적지 노드 ID를 입력하게 된다. 도 5의 (a)에서 각각 2번, 3번, 2번으로 순차적으로 패킷을 전송할 경우, 노드 1번이 점유한 5번, 6번, 7번 데이터 시간 슬롯에서 각각 패킷을 전송하게 됨을 데이터 슬롯 설정 정보에 기록하고, 기록된 펄스 메시지 공유를 통해 2번 노드는 5번째와 7번째 데이터 시간 슬롯에서, 3번 노드는 6번째 데이터 시간 슬롯에서 패킷을 수신하게 된다는 사실을 알 수 있게 된다. 먼저 각 노드는 자신이 점유한 컨트롤 시간 슬롯에서 펄스 위상 정보에 송신 정보를 업데이트하여 펄스 메시지를 이웃 노드에게 전송한다. 각 노드는 펄스 위상 정보에 송신 정보를 업데이트하여, 점유한 컨트롤 시간 슬롯에서 펄스 메시지를 통해 송신 정보를 이웃 노드와 공유하게 된다. 각 노드는 자신이 점유한 컨트롤 시간 슬롯에서 자신이 할당받은 데이터 시간 슬롯에 해당하는 펄스 메시지 구조에서 펄스 위상 정보 부분의 업데이트를 위해 현재 프레임에서 전송할 데이터 패킷이 존재하는지 확인한다. 만약 전송해야 할 데이터 패킷이 존재할 경우, 현재 프레임에서 사용하고 있는 슬롯에 해당하는 송신 정보에 보낼 패킷의 다음 목적지 노드의 ID를 기록한다. 각 노드는 업데이트 된 해당 송신 정보를 펄스 메시지를 통해 공유하여, 데이터 채널에서 각 노드가 동작 상태를 스스로 결정할 수 있게 된다.
동작 상태 변경
펄스 메시지로부터 공유된 송신 정보를 통해, 각 노드는 송수신하는 시간슬롯 이외의 나머지 시간슬롯에서 doze상태로 동작함으로서 전력소모를 줄이는 방식으로 동작하게 된다. 도 6과 같이, 펄스 메시지의 공유된 송신 정보를 통해 각 단말이 데이터 채널의 각 데이터 시간 슬롯마다 동작 방식을 결정함으로서, 노드의 전력소모량을 줄이는 방식으로 동작한다. 먼저 매 데이터 시간 슬롯마다 각 노드는 2-홉 이웃과 공유된 송신 정보를 확인한다. 각 노드는 공유된 송신 정보를 바탕으로, 각 노드는 스스로 동작 상태를 결정하게 된다. 먼저, 노드의 현재 데이터 시간 슬롯에 해당하는 펄스 위상 정보에 송신 정보가 작성되어 있고, 노드가 해당 송신 정보가 포함된 슬롯에 해당하는 데이터 시간 슬롯을 점유하고 있을 때는 해당 데이터 시간 슬롯에서 노드가 정보를 전송하게 된다. 이 때, awake상태로 동작하게 되고, 점유한 데이터 시간 슬롯에서 패킷을 전송하게 된다. 또한, 현재 데이터 시간 슬롯에 해당하는 해당 펄스 위상 정보의 송신 정보에 해당 노드의 ID정보가 포함되어 있다면, 노드는 해당 데이터 시간 슬롯에서 데이터를 수신 받게 된다. 따라서 해당 데이터 시간 슬롯에서 awake상태로 동작하고, 패킷을 전송받게 된다. 만약 노드가 해당 데이터 시간 슬롯을 송수신에 사용하지 않을 경우, 각 단말은 해당 데이터 시간 슬롯의 점유 여부와는 상관없이 해당 데이터 시간 슬롯에서 doze상태로 동작한다. 이를 통해 각 단말은 사용하지 않는 데이터 시간 슬롯에서는 doze상태로 동작함으로서, 각 단말이 전력을 절감하게 된다.
제안하는 기법에서, 각 노드는 매 프레임마다 1) 컨트롤 시간 슬롯을 점유하고, 2) 펄스 위상 점유 및 업데이트를 수행한 후, 3) 데이터 시간 슬롯 점유 4) 점유한 데이터 시간 슬롯의 송신 정보를 공유하고, 5) 점유한 슬롯을 사용하지 않을 경우 doze상태로 동작하여 노드의 소비전력을 절약하고, 데이터 송수신을 진행한다.
1) 컨트롤 시간 슬롯 점유
제안하는 MH-PCO-D 기법에서 네트워크에 새로 진입한 노드는 하나의 슈퍼프레임 동안 컨트롤 메시지를 수신하여 자신의 2-홉 이웃 노드들이 점유하고 있는 컨트롤 시간 정보를 확인한다. 확인한 컨트롤 메시지를 통해 다음 홀수 프레임에서 점유되지 않은 컨트롤 시간 슬롯 중 하나를 임의로 점유하고, 이 컨트롤 시간 슬롯에서 매 프레임마다 펄스 메시지를 송신한다.
2) 펄스 위상 시간 슬롯 점유 및 업데이트
각 노드는 슈퍼프레임 동안 주변 노드의 펄스 신호를 수신함으로서 자신의 2홉 이웃 노드들이 점유하고 있는 컨트롤 시간 슬롯 정보와 함께 펄스 위상 정보를 확인할 수 있다. 네트워크에 새로 진입한 노드는 컨트롤 시간 슬롯 점유 방식과 마찬가지로 다음 프레임에서 점유되지 않은 펄스 위상 시간 슬롯 1부터
Figure pat00046
까지 중에서 임의로 하나를 선택한다. 각 노드는 해당 프레임에서의 자신의 펄스 위상 위치
Figure pat00047
와 자신의 바로 앞의 펄스 위상 위치
Figure pat00048
로 다음 프레임에서의 펄스 위상
Figure pat00049
을 아래와 같이 업데이트 한다.
Figure pat00050
Figure pat00051
3) 데이터 시간 슬롯 점유
도 4에서와 같이 각 노드는 이전 프레임에서의 자신의 바로 앞의 펄스 위상의 다음 시간 슬롯
Figure pat00052
부터 자신의 펄스 위상의 시간 슬롯
Figure pat00053
까지의 데이터 시간 슬롯을 점유한다.
4) 송신 정보 업데이트
각 노드는 위와 같은 방식으로 자원을 점유하고, 점유한 자원을 통해 데이터 패킷을 송신하게 된다. 이때, 각 노드는 송수신에 사용되지 않는 무선자원에서 전력소모를 줄이기 위해 펄스 메시지의 데이터 슬롯 설정 정보를 업데이트 하게 된다.
5) 동작 상태 변경
펄스 메시지로부터 공유된 송신 정보를 통해, 각 노드는 송수신하는 시간슬롯 이외의 나머지 시간슬롯에서 doze상태로 동작함으로서 전력소모를 줄이는 방식으로 동작하게 된다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (1)

  1. 프레임 구조, 펄스 메시지 구조, 컨트롤 시간 슬롯 점유, 펄스 위상 시간 슬롯 점유 및 업데이트, 데이터 시간 슬롯 점유, 송신 정보 업데이트, 동작 상태 변경을 포함하는 멀티 홉 네트워크 환경에서 PCO-D기법 기반의 에너지 효율적 MAC 프로토콜.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220081912A (ko) * 2020-12-09 2022-06-16 중앙대학교 산학협력단 무선 멀티 홉 네트워크에서 강화 학습 기반 지연 감소 방법 및 장치

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