KR20230057984A - 스캔윈도우를 유동적으로 설정하여 전력 소모를 최소화하는 노드의 제어 방법 - Google Patents

스캔윈도우를 유동적으로 설정하여 전력 소모를 최소화하는 노드의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

저전력 메시 네트워크에 포함되는 노드의 제어 방법이 개시된다. 본 제어 방법은, 적어도 하나의 외부 노드로부터 제1 게시 데이터를 수신하는 단계, 제1 게시 데이터가 수신된 이후 기설정된 게시 주기가 경과한 시점을 식별하는 단계, 식별된 시점 및 게시 프로세스 시간을 기반으로, 외부 노드로부터 제2 게시 데이터를 수신하기 위한 스캔 윈도우를 설정하는 단계를 포함한다.

Description

스캔윈도우를 유동적으로 설정하여 전력 소모를 최소화하는 노드의 제어 방법 { CONTROL METHOD OF NODE FOR MINIMIZING POWER CONSUMPTION BY FLEXIBLY SETTING SCAN WINDOW }
본 개시는 저전력 메시 네트워크의 운용 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 네트워크 내에서 신호를 릴레이하는 노드의 스캔 윈도우 설정 과정에 관한 것이다.
블루투스 메시(Bluetooth mesh) 네트워크는 2017년 블루투스 SIG(Special Interesting Group)에서 채택한 표준 프로토콜로, 다수 기기 간의(N by N) 통신을 위한 블루투스 표준 프로토콜이다.
블루투스 메시는 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy, 이하 BLE) 스택을 기반으로 동작하며, 여러 기기 사이의 네트워크 구축, 릴레이(Relay) 특성을 바탕으로 한 통신거리 확장, 네트워크에 포함된 기기 간의 고유키를 이용한 보안 강화(APP key, Network key 등), 네트워크 안정성 유지(: 네트워크에서 몇몇 기기 (노드)가 제외되더라도 메시 네트워크를 유지) 등의 장점이 있다.
블루투스 메시 네트워크에서는 메시지 캐싱(Network Message Cache) 기법과 TTL(Time-to-Live) 기법을 활용해 효과적으로 메시 신호가 전파되도록 설계되었으나, 사전에 네트워크를 등록하는 과정이 다소 복잡하며 새로운 기기를 추가할 때마다 프로비져너 (Provisioner; 새로운 노드를 메시 네트워크에 추가하는 역할을 수행하는 장치)를 이용해 세팅하는 과정을 수행해야 한다. 또한, 네트워크를 유지하는데 핵심적인 역할을 수행하는 릴레이 노드는 주변 노드로 재전송할 신호를 계속해서 확인해야 하므로 무선 수신 모듈(RX radio)을 상시 작동시켜야 하는데, 이러한 문제로 인해, 배터리 전원으로 구동되는 디바이스만 존재하는 환경에서는 메시 네트워크를 구축하는데 한계가 있다.
노드는, 저전력 메시 네트워크를 구성하는 다양한 기기 각각을 가리키며, 연결 프로세스 없이 주변 노드로 데이터를 송신하기 위해, 전달하고자 하는 데이터를 게시 데이터에 실어서 송신한다.
이러한 관점에서, 일부 노드는 일종의 비콘(beacon)처럼 동작하며, 이때 게시되는 신호는 iBeacon, ALT Beacon, Eddystone 등 기존에 정형화된 비콘 포맷을 활용할 수도 있고, 혹은 별도의 규격으로 데이터를 송신할 수 있다.
메시 네트워크를 구성하는 일부 노드는 각종 센서와 결합하여 해당 정보를 주변으로 송신하는 센서 노드로 구성될 수도 있으며, 혹은 센서 없이 특정 정보(예: 시간, 날짜 등)를 주변으로 송신하는 기능을 수행할 수도 있다.
스캔(혹은 스캐닝) 이란 노드에서 메시지를 수신하는 과정을 총칭한다. 일반적인 비콘 장치와는 다르게 저전력 메시 네트워크를 구성하는 노드 중 주변으로 메시지를 전달하는 노드, 즉 릴레이(Relay) 특성을 갖는 노드의 경우는 근처 노드에서 측정된 신호를 주변으로 전달해야 하므로 주변 신호를 스캔하는 과정을 수행해야 한다.
스캔과 관련된 주요 파라미터로는 스캔 주기(scan interval)와 스캔 윈도우 (scan window)가 있는데, 먼저 스캔 주기의 경우 게시 신호를 스캔하는 간격을 가리키고, 스캔 윈도우는 정의된 스캔 주기 내에서 실질적으로 무선 수신 모듈을 활성화하는 시간을 가리킨다(도 1a 참조). 스캔 윈도우는 스캔 주기를 초과할 수 없으며, 스캔 윈도우의 시간 길이가 스캔 주기에 근접할수록 주변 신호를 수신할 확률이 증가하지만 동시에 전력 소모량도 증가한다.
게시(advertising)를 통해 실질적인 데이터를 주고받는 비콘 기반의 고정형 혹은 이동형 노드가 운용되는 경우, 주변 노드가 전파 도달 거리 내에 위치함을 전제로, 하나의 노드에서 송신된 신호는 다수의 주변 노드(ex. 싱크 노드)에서 확인될 수 있다
하지만, 전파 도달 범위를 벗어나는 조건에는 하나의 노드에서 다수의 노드로 신호가 전달될 수 없다. 이 경우, 싱크 노드에 근접한 일부 노드들이 릴레이 노드로 동작한다면, 비교적 거리가 먼 다른 노드까지 신호가 전달될 수 있다. 다만, 앞서 언급하였듯, 릴레이 노드의 스캔 기능이 상시 활성화된 상태라면 배터리 전원으로 동작하는 기기는 장시간 구동이 어렵다.
일반적으로, 게시 데이터를 스캔하는 (릴레이 노드의) 수신단에서는 스캔 주기마다 게시 채널(37, 38, 39)을 바꿔가며 주변 신호를 스캔할 수 있다. 구체적으로, 현재 스캔 중인 채널과 송신된 신호의 채널이 일치할 경우 해당 신호를 수신하게 된다(도 1b 참조).
다만, 신호를 송수신하는 주기가 정확하게 동기화 되어있지 않기 때문에, 게시 데이터를 정상적으로 수신하기 위해서는 스캔 윈도우를 스캔 주기의 최소 70% 이상으로 설정해줘야 한다.
본 개시는 스캔 주기와 스캔 윈도우를 효율적으로 조정하여 릴레이를 수행하는 노드의 제어 방법 및 시스템의 운용 방법을 제공한다.
본 개시는, 블루투스 SIG에서 제안한 메시 표준 프로토콜 대신, 기존 BLE 프로토콜의 게시(advertisement)와 스캔(scan) 기능을 이용하여 저전력 무선 메시 네트워크를 구축함으로써, 배터리 전원으로 구동되는 디바이스만으로 구성된 네트워크에서도 메시 토폴로지(topology) 개념을 구현할 수 있도록 한다.
본 개시의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 개시의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 개시의 실시 예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 개시의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 개시의 일 실시 예에 따라 저전력 메시 네트워크에 포함되는 노드의 제어 방법은, 적어도 하나의 외부 노드로부터 제1 게시 데이터를 수신하는 단계, 상기 제1 게시 데이터가 수신된 이후 기설정된 게시 주기가 경과한 시점을 식별하는 단계, 상기 식별된 시점 및 게시 프로세스 시간을 기반으로, 상기 외부 노드로부터 제2 게시 데이터를 수신하기 위한 스캔 윈도우를 설정하는 단계를 포함한다.
상기 노드의 제어 방법은, 상기 외부 노드로부터 상기 제2 게시 데이터가 수신되면, 상기 제2 게시 데이터가 수신된 이후 상기 기설정된 게시 주기가 경과한 시점 및 상기 게시 프로세스 시간에 따라 다음 스캔 윈도우를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 스캔 윈도우를 설정하는 단계는, 상기 게시 프로세스 시간 및 지연 시간을 합산한 시간을 산출하고, 상기 시점으로부터 상기 산출된 시간 동안 지속되는 시간 구간을 상기 스캔 윈도우로 설정할 수 있다.
이때, 본 제어 방법은, 추가 스캔 시간에 따라 상기 설정된 스캔 윈도우를 전후로 연장할 수도 있다.
한편, 상기 노드의 제어 방법은, 제1 외부 노드로부터 제3 게시 데이터를 수신하는 단계, 상기 제3 게시 데이터가 수신된 이후 상기 기설정된 게시 주기가 경과한 시점 및 상기 게시 프로세스 시간을 기반으로, 상기 제1 외부 노드로부터 제4 게시 데이터를 수신하기 위한 제1 스캔 윈도우를 설정하는 단계, 제2 외부 노드로부터 제5 게시 데이터를 수신하는 단계, 상기 제5 게시 데이터가 수신된 이후 상기 기설정된 게시 주기가 경과한 시점 및 상기 게시 프로세스 시간을 기반으로, 상기 제2 외부 노드로부터 제6 게시 데이터를 수신하기 위한 제2 스캔 윈도우를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시에 따른 노드의 제어 방법은, 스캔 윈도우를 효율적으로 짧게 설정함으로써 저전력 메시 네트워크를 구축하기 위한 솔루션을 제공한다.
본 개시에 따른 노드의 제어 방법이 채택되는 경우, 네트워크의 운용에 있어 표준 BLE 프로토콜을 이용할 수 있기 때문에, 기존의 BLE 기기와 호환이 가능하다는 장점이 있다.
본 개시에 따른 노드의 제어 방법은, 별도의 페어링 없이 게시(advertising)를 통해 실질적인 데이터를 전달하는 방식의 노드(ex. 비콘)를 활용하는 네트워크에서 효과적으로 활용될 수 있다.
도 1a는 스캔 주기와 스캔 윈도우의 개념을 설명하기 위한 그래프,
도 1b는 종래 기술에 따라 스캔 윈도우를 설정하는 일 예를 설명하기 위한 그래프,
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 저전력 메시 네트워크의 구성을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 노드에 해당하는 전자 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도,
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 노드의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도, 그리고
도 5a 내지 도 5b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 노드의 제어 방법의 효과를 설명하기 위한 그래프들이다.
본 개시에 대하여 구체적으로 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 도면의 기재 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어는 본 개시의 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 일반적인 용어들을 선택하였다. 하지만, 이러한 용어들은 당해 기술 분야에 종사하는 기술자의 의도나 법률적 또는 기술적 해석 및 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 일부 용어는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있다. 이러한 용어에 대해서는 본 명세서에서 정의된 의미로 해석될 수 있으며, 구체적인 용어 정의가 없으면 본 명세서의 전반적인 내용 및 당해 기술 분야의 통상적인 기술 상식을 토대로 해석될 수도 있다.
또한, 본 명세서에 첨부된 각 도면에 기재된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다. 설명 및 이해의 편의를 위해서 서로 다른 실시 예들에서도 동일한 참조번호 또는 부호를 사용하여 설명한다. 즉, 복수의 도면에서 동일한 참조 번호를 가지는 구성요소를 모두 도시되어 있다고 하더라도, 복수의 도면들이 하나의 실시 예를 의미하는 것은 아니다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에서는 구성요소들 간의 구별을 위하여 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어가 사용될 수 있다. 이러한 서수는 동일 또는 유사한 구성요소들을 서로 구별하기 위하여 사용하는 것이며 이러한 서수 사용으로 인하여 용어의 의미가 한정 해석되어서는 안 된다. 일 예로, 이러한 서수와 결합된 구성요소는 그 숫자에 의해 사용 순서나 배치 순서 등이 제한되어서는 안 된다. 필요에 따라서는, 각 서수들은 서로 교체되어 사용될 수도 있다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 개시의 실시 예에서 "모듈", "유닛", "부(part)" 등과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 수행하는 구성요소를 지칭하기 위한 용어이며, 이러한 구성요소는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 복수의 "모듈", "유닛", "부(part)" 등은 각각이 개별적인 특정한 하드웨어로 구현될 필요가 있는 경우를 제외하고는, 적어도 하나의 모듈이나 칩으로 일체화되어 적어도 하나의 프로세서로 구현될 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결뿐만 아니라, 다른 매체를 통한 간접적인 연결의 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다는 의미는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 저전력 메시 네트워크의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
네트워크(1000)는 표준 BLE(Bluetooth Low Energy) 프로토콜을 이용하는 하나 이상의 기기들을 포함한다. 이때, 각각의 기기는 노드(node)로 정의될 수 있다.
도 2를 참조하면, 네트워크(1000)는 하나 이상의 릴레이 노드(100-1, 2, …), 하나 이상의 센서 노드(200-1, 2, …) 등을 포함할 수 있다.
센서 노드(200-1, 2, …)는, 비콘(beacon)에 해당할 수 있으며, 게시 주기에 따라 센싱 데이터를 포함하는 게시 데이터를 주기적으로 출력할 수 있다.
릴레이 노드(100-1, 2, …)는 주변 노드로부터 수신된 신호(ex. 게시 데이터)를 다른 노드로 전달할 수 있으며, 싱크 노드에 해당할 수도 있다.
또한, 네트워크(1000)는 센서를 구비하지 않고도 단순히 특정 정보(ex. 시간, 날짜 등)를 주변으로 송신하는 노드를 포함할 수 있다.
네트워크(1000)는 적어도 하나의 서버, 중계 장치, 다양한 단말들(ex. 스마트폰, 태블릿 PC, 데스크탑 PC, 노트북 PC, 웨어러블 장치 등)을 포함할 수 있으며, 각 기기는 하나의 노드로 정의되어 구분될 수 있다.
센서 노드(200-1)는 게시 데이터(advertising data)를 일정 주기로 전송할 수 있고, 릴레이 노드(100-1, 2)는 센서 노드(200-1)로부터 게시 데이터를 주기적으로 수신할 수 있다.
다만, 센서 노드(200-1)와 릴레이 노드(100-3) 간의 거리가 BLE 기반의 전파 도달 거리보다 먼 거리인 경우, 릴레이 노드(100-1) 및/또는 릴레이 노드(100-2)가 센서 노드(200-1)의 게시 데이터를 주기적으로 수신하여 릴레이 노드(100-3)로 재전송(relay) 할 수 있다.
이렇듯, 게시 데이터의 전송을 릴레이 할 수 있는 각 노드(100-1, 2, 3)에 있어서, 본 개시에 따른 제어 방법은, 스캔 윈도우를 비교적 짧게 설정할 수 있도록 하여 전력 소모를 최소화할 수 있다.
이하 도면들을 통해, 본 개시에 따른 (릴레이) 노드의 제어 방법을 보다 상세하게 설명한다.
먼저, 도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 노드(ex. 릴레이 노드)에 해당하는 전자 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 노드(100)는 메모리(110), 통신부(120), 프로세서(130) 등을 포함할 수 있다.
메모리(110)는 노드(100)의 구성요소들의 전반적인 동작을 제어하기 위한 운영체제(OS: Operating System) 및 노드(100)의 구성요소와 관련된 적어도 하나의 인스트럭션 또는 데이터를 저장하기 위한 구성이다.
메모리(110)는 ROM, 플래시 메모리 등의 비휘발성 메모리를 포함할 수 있으며, DRAM 등으로 구성된 휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 또한, 메모리(110)는 하드 디스크, SSD(Solid state drive) 등을 포함할 수도 있다.
메모리(110)는 기설정된 UUID(universally unique identifier)에 대한 정보를 포함할 수 있다. 기설정된 UUID는, 노드(100)가 포함된 네트워크(1000)를 구성하는 기기들을 통해 공유되는 것으로서, 각 기기가 네트워크(1000)에 포함되는지 여부를 구분하기 위한 고유키 값으로 활용될 수 있다.
또한, 메모리(110)는 네트워크(1000) 내 적어도 하나의 센서 노드의 게시 주기, 적어도 하나의 릴레이 노드(또는 싱크 노드)의 스캔 주기 등에 대한 정보를 포함할 수 있다.
게시 주기(TADV)는, 일정한 간격의 송신 주기에 해당하며, 적어도 하나의 센서 노드가 게시 데이터를 송신하는 주기에 해당할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 게시 주기는 일정 값(ex. 500ms)으로 고정될 수 있으나, 사용자 입력 또는 통신 환경에 따라 유동적으로 조정될 수도 있다.
스캔 주기(TSCAN)는, 적어도 하나의 릴레이 노드(또는 싱크 노드)가 게시 데이터를 스캔하는 주기에 해당할 수 있다.
게시 주기 및/또는 스캔 주기는, 사용자 입력에 따라 등록된 것일 수도 있고, 네트워크(1000) 내 기기들 간에 주기적으로 공유되는 값에 해당할 수도 있다.
또한, 메모리(110)는 게시 프로세스 시간, 지연 시간, 추가 스캔 시간 등에 대한 정보를 포함할 수 있다.
게시 프로세스 시간(TADVP)은, 노드(100)가 실제 게시 데이터를 송신(또는 수신)하는 데에 걸리는 실질적인 시간이다. 예를 들어, Nordic Semiconductor사의 nRF52 시리즈 BLE 칩의 경우 게시 프로세스에 소요되는 시간은 약 3.7ms이며, 무선 모듈을 시동하는 시간을 제외하면 이보다 적은 시간이 소요된다. 게시 프로세스 시간은, 노드(100)의 사양은 물론 통신부(120) 내 BLE 모듈의 성능에 따라 차이가 있을 수 있다.
지연 시간(TRD)은, 적어도 하나의 센서 노드가 게시 데이터를 송신하는 데에 걸리는 지연 시간을 의미하며, 보다 구체적으로는, 가능한 지연 시간의 최대값(max(TRD))으로 정의되어 활용될 수 있다.
예를 들어, 게시 데이터가 1000ms이고, 지연 시간이 0 ~ 10ms 사이의 값을 가지는 경우, 다음 순번의 게시 데이터(신호)는 게시 데이터가 수신된 직후 1000 ~ 1010ms의 시간이 지난 시점에 수신되는 것으로 이해될 수 있다.
추가 스캔 시간(TSS)은, 스캔 윈도우를 연장하여 보다 확실하게 게시 데이터를 수신하기 위해 설정된 시간에 해당한다.
상술한 게시 프로세스 시간, 지연 시간, 추가 스캔 시간 등은 네트워크 내 적어도 하나의 기기를 통해 수신된 사용자 입력에 따라 설정되어 공유될 수 있으며, 기기의 생산 과정에서 등록되는 것도 가능하다.
통신부(120)는 다양한 외부 장치와 통신을 수행하기 위한 회로, 모듈, 칩 등을 포함할 수 있다.
본 개시에 따르면, 노드(100)는 네트워크(1000) 내에서 BLE 프로토콜을 기반으로 다양한 외부 노드와 통신을 수행할 수 있다.
다만, 통신부(120)는 BLE 프로토콜 외에 다양한 유무선 통신방식으로 적어도 하나의 외부 장치와 통신을 수행할 수도 있다. 이 경우, 통신부(120)는 BLE 기반의 네트워크(1000) 외에 하나 이상의 네트워크에 추가로 접속할 수 있다.
프로세서(130)는 노드(100)를 전반적으로 제어하기 위한 구성이다. 구체적으로, 프로세서(130)는 메모리(110)와 연결되는 한편 메모리(110)에 저장된 적어도 하나의 인스트럭션을 실행함으로써 후술할 다양한 실시 예들에 따른 동작을 수행할 수 있다.
프로세서(130)는 CPU, AP, DSP(Digital Signal Processor) 등과 같은 범용 프로세서, GPU, VPU(Vision Processing Unit) 등과 같은 그래픽 전용 프로세서 또는 NPU와 같은 인공지능 전용 프로세서 등을 포함할 수 있다. 인공지능 전용 프로세서는, 특정 인공지능 모델의 훈련 내지는 이용에 특화된 하드웨어 구조로 설계될 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 노드의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 노드(100)는 적어도 하나의 외부 노드로부터 게시 데이터를 수신할 수 있다(S410). 이때, 외부 노드는 센서 노드일 수 있으나, 적어도 하나의 센서 노드로부터 수신된 게시 데이터를 전달하는 릴레이 노드일 수도 있다.
게시 데이터는, 전달하고자 하는 데이터(ex. 센싱 데이터)와 함께 메시 네트워크의 기능과 관련된 각종 파라미터들(우선 순위, Relay 횟수, 송신 노드 번호, 반복 송신 횟수, TTL(Time-to-Live), Multi-Hop 횟수 등)에 대한 정보를 포함할 수 있다.
우선 순위는, 다양한 주변 노드로부터 수신되는 데이터 중 어떤 데이터를 다른 노드로 전송할지 여부를 의미한다.
반복 송신 횟수는, 노드 본인의 신호 외에 주변 노드로부터 수신된 신호를 반복하여 (릴레이) 전송할 횟수를 의미한다.
TTL 내지 Multi-Hop 횟수는, 노드에서 신호를 수신했을 때, 해당 신호를 주변으로 전파할 횟수(ex. 신호의 전달 경로 상에서 거치는 노드의 수)를 의미한다.
게시 데이터가 수신되면, 노드(100)는 게시 데이터가 수신된 시점으로부터 기설정된 게시 주기(TADV)가 경과한 시점을 식별할 수 있다(S420).
그리고, 노드(100)는 식별된 시점 및 게시 프로세스 시간(TADVP)을 기반으로, 외부 노드로부터 다음 게시 데이터를 수신하기 위한 스캔 윈도우를 설정할 수 있다(S430).
이 경우, 노드(100)는 게시 프로세스 시간(TADV) 및 지연 시간(TRD)을 합산한 시간을 산출하고, 게시 주기만큼 경과한 상술한 시점으로부터 산출된 시간 동안 지속되는 시간 구간을 스캔 윈도우로 설정할 수 있다. BLE 표준에서는 게시 주기와 스캔 주기가 일치하지 않을 수 있기 때문에, 이렇듯 지연 시간이 반영될 수 있다.
구체적으로, 다음 게시 데이터를 수신하기 위한 스캔 윈도우는, 게시 데이터가 수신된 때로부터 TADV 만큼의 시간이 경과한 후의 시점을 시작으로 하여 TADVP + max(TRD) 만큼 유지될 수 있다.
또한, 노드(100)는 추가 스캔 시간(TSS)에 따라 스캔 윈도우를 전후로 더욱 연장하여 설정할 수도 있다.
구체적인 예로, nRF52 BLE 칩의 경우, TADVP + max(TRD) + 2*TSS 값은 약 17.706 ms 정도에 해당하는 바, 스캔 윈도우가 20ms 이내로 설정되는 것이 가능하다.
저전력 메시 노드의 게시 주기가 1000ms 일 경우, 위 조건에서 스캔 윈도우는 17.706ms로 대폭 감소될 수 있으며, 신호(게시 데이터)의 수신 직후 다음 순서의 신호를 수신하기 위해 스캔 모듈을 재시작 하는 프로세스를 고려할 경우 실질적인 스캔 윈도우는 약 35.8ms 정도가 된다. 일반적인 종래의 스캐너(ex. 릴레이 노드)에서 스캔 윈도우를 스캔 주기의 70% 이상으로 설정한다는 점을 고려했을 때, 본 개시에 따른 노드의 제어 방법은 기존 대비 약 20분의 1 정도로 전력 소모를 줄일 수 있음을 의미한다.
한편, 상술한 바와 같이 스캔 윈도우가 설정되면, 노드(100)는 스캔 윈도우에 해당하는 시간 구간 내에서 스캐닝을 수행하여 다음 게시 데이터를 수신할 수 있다.
이렇듯 다음 게시 데이터가 수신되면, 상술한 도 4와 마찬가지로, 노드(100)는 다시 다음 번의 게시 데이터를 수신하기 위한 스캔 윈도우를 설정할 수 있다. 구체적으로, 노드(100)는 게시 데이터가 수신된 이후 게시 주기가 경과한 시점 및 게시 프로세스 시간에 따라 다음 번의 스캔 윈도우를 설정할 수 있다.
이렇듯, 본 개시에 따른 노드의 제어 방법에 따르면, 게시 데이터가 수신될 때마다 다음 게시 데이터를 수신하기 위한 스캔 윈도우가 유동적으로 설정되므로, 게시 주기와 스캔 주기 간의 예기치 않은 오차를 극복되면서도 전력 소모를 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 특정한 외부 노드로부터 게시 데이터를 최초로 수신하는 단계만큼은, 비교적 스캔 윈도우가 넓게 설정될 수 있다(예를 들어, 종래 기술과 같이 스캔 주기의 70%). 도 4의 알고리즘의 특성상, 일단 한 번의 게시 데이터를 수신하는 것을 전제로 이후의 스캔 윈도우를 짧게 가져갈 수 있기 때문이다.
한편, 일 실시 예로, 노드(100)는 게시 데이터를 전송하는 외부 노드 별로 스캔 윈도우를 독립적으로 설정할 수 있다.
구체적으로, 제1 외부 노드로부터 게시 데이터가 수신되면, 노드(100)는 게시 데이터가 수신된 이후 기설정된 게시 주기가 경과한 시점 및 게시 프로세스 시간을 기반으로, 제1 외부 노드로부터 다음 게시 데이터를 수신하기 위한 제1 스캔 윈도우 시간을 설정할 수 있다(도 4 참조).
또한, 제2 외부 노드로부터 게시 데이터가 수신되면, 노드(100)는 게시 데이터가 수신된 이후 기설정된 게시 주기가 경과한 시점 및 게시 프로세스 시간을 기반으로, 제2 외부 노드로부터 다음 게시 데이터를 수신하기 위한 제2 스캔 윈도우 시간을 설정할 수 있다(도 4 참조).
다만, 일 실시 예로, 노드(100)가 게시 데이터를 수신하는 외부 노드의 수가 일정 수(ex. 20개) 이상인 경우, 노드(100)는 전체 시간 중 적어도 하나의 노드로부터 게시 데이터를 수신하기 위한 스캔 윈도우가 유지되는 시간의 비율을 산출할 수 있다. 이 경우, 몇몇 스캔 윈도우는 서로 일부 시간 구간에 대해 중복될 수 있다.
여기서, 만약 산출된 비율이 임계 비율(ex. 50%) 이상인 경우(: 전체 시간 중 50%의 시간 동안은 적어도 하나의 외부 노드로부터 게시 데이터를 수신하기 위한 스캔 윈도우가 유지되는 상태), 노드(100)는 상술한 도 4의 과정을 더 이상 수행하지 않고, 전체 시간 중 일정 비율(ex. 기설정된 스캔 주기의 70%) 만큼은 일괄적으로 스캔 윈도우로 설정하여 동작할 수 있다. 예를 들어, 노드(100)는 스캔 주기를 설정하는 한편, 스캔 주기마다 일정 비율(70%) 만큼은 스캐닝을 수행할 수 있다.
즉, 실질적으로 스캔 윈도우가 유지되는 비율이 임계 비율 이상이라면, 도 4와 같이 게시 데이터를 수신하는 시점마다 새로운 스캔 윈도우를 설정하는 연산을 수행하는 효율성이 크다고 볼 수 없기 때문에, 스캔 윈도우를 새롭게 설정하는 연산을 수행함이 없이 단순히 전체 시간 중 일정 비율에 대하여 스캔 윈도우를 유지할 수 있다.
다만, 전체 시간 중 일정 비율이 일괄적으로 스캔 윈도우로 설정된 상태에서도, 노드(100)는 노드(100)로 게시 데이터를 전송하는 외부 노드의 수를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
이때, 노드(100)로 게시 데이터를 전송하는 외부 노드의 수가 다시 일정 수(ex. 20개) 미만이 되는 경우(ex. 몇몇 외부 노드들이 게시 데이터 송신 중단), 노드(100)는 각 외부 노드에 대하여 다시 도 4의 과정처럼 실시간으로 스캔 윈도우를 개별 설정하여 게시 데이터를 수신할 수 있다.
한편, 도 5a 내지 도 5b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 노드의 제어 방법의 효과를 설명하기 위한 그래프들이다.
구체적으로, 도 5a는 종래의 블루투스 SIG에서 제안하는 표준 메시 프로토콜에 있어 스캔 주기를 효율적으로 조정하지 않는 경우를 도시한 것이다.
도 5a를 참조하면, 표준 메시 스택이 업로드 된 nRF52 BLE 칩의 경우, 평균적으로 11mA 이상의 전류를 소모하게 된다. 매일 충전해서 사용하는 스마트폰이나 유선으로 전원을 공급받는 시스템의 경우 11mA는 사용에 문제가 없을 정도의 전류 소모량이지만, 배터리를 이용해 전원을 공급받는 저전력 기기에서 mA 단위의 전류 소모량은 사용 시간을 극단적으로 낮출 수 있다.
반면, 도 5b는 본 개시에 따른 제어 방법이 채택된 저전력 메시 네트워크의 전류 소모를 도시한 것이다. Nordic사 nRF5 SDK v17.0.2(일반 BLE 스택)이 이용되었다.
도 5b의 평균 전류 소모량은 게시 주기가 500ms 주기인 경우의 예시에 해당한다.
본 개시에 따른 노드의 제어 방법에 있어, 네트워크를 구성하는 노드의 정보를 사전에 알고 있는 경우(게시 주기, UUID 등의 식별자 정보 등), 필요한 시점에만 스캔 윈도우를 활성화시킬 수 있으므로, 평균 소비 전류가 280uA로 대폭 감소한 것을 확인할 수 있다.
2000mAh 용량의 배터리를 사용하는 경우, 도 5a의 표준 메시 프로토콜은 180시간 정도 연속 구동이 가능하지만, 도 5b의 저전력 메시 프로토콜을 이용하는 경우에는 7000시간 넘게 연속 구동이 가능하다.
한편, 이상에서 설명된 다양한 실시 예들은 서로 저촉되지 않는 한 적어도 두 개의 실시 예가 결합되어 구현될 수 있다.
또한, 이상에서 설명된 다양한 실시 예들은 소프트웨어(software), 하드웨어(hardware) 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터(computer) 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록 매체 내에서 구현될 수 있다.
하드웨어적인 구현에 의하면, 본 개시에서 설명되는 실시 예들은 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛(unit) 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
일부의 경우에 본 명세서에서 설명되는 실시 예들이 프로세서 자체로 구현될 수 있다. 소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시 예들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상술한 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다.
한편, 상술한 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 센서 모듈, 싱크 노드 등에서의 처리동작을 수행하기 위한 컴퓨터 명령어(computer instructions) 또는 컴퓨터 프로그램은 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(non-transitory computer-readable medium)에 저장될 수 있다. 이러한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장된 컴퓨터 명령어 또는 컴퓨터 프로그램은 특정 기기의 프로세서에 의해 실행되었을 때 상술한 다양한 실시 예에 따른 노드/전자 장치에서의 처리 동작을 상술한 특정 기기가 수행하도록 한다.
비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체의 구체적인 예로는, CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등이 있을 수 있다.
이상에서는 본 개시의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 개시는 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 개시에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 개시의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
1000: 저전력 메시 네트워크 100: 노드

Claims (1)

  1. 저전력 메시 네트워크에 포함되는 노드의 제어 방법에 있어서,
    적어도 하나의 외부 노드로부터 제1 게시 데이터를 수신하는 단계;
    상기 제1 게시 데이터가 수신된 이후 기설정된 게시 주기가 경과한 시점을 식별하는 단계; 및
    상기 식별된 시점 및 게시 프로세스 시간을 기반으로, 상기 외부 노드로부터 제2 게시 데이터를 수신하기 위한 스캔 윈도우를 설정하는 단계;를 포함하고,
    상기 스캔 윈도우를 설정하는 단계는,
    상기 게시 프로세스 시간 및 지연 시간을 합산한 시간을 산출하고,
    상기 시점으로부터 상기 산출된 시간 동안 지속되는 시간 구간을 상기 스캔 윈도우로 설정하고,
    상기 노드의 제어 방법은,
    상기 외부 노드로부터 상기 제2 게시 데이터가 수신되면, 상기 제2 게시 데이터가 수신된 이후 상기 기설정된 게시 주기가 경과한 시점 및 상기 게시 프로세스 시간에 따라 다음 스캔 윈도우를 설정하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 노드의 제어 방법은,
    상기 노드로 게시 데이터를 전송하는 외부 노드들의 수가 일정 수 이상인 경우, 전체 시간 중 상기 외부 노드들 각각으로부터 게시 데이터를 수신함에 따라 스캔 윈도우가 유지되는 시간의 비율을 산출하는 단계;
    상기 산출된 비율이 일정 비율 이상인 경우, 상기 외부 노드들 각각으로부터 게시 데이터가 수신된 시점과 무관하게, 전체 시간 중 상기 일정 비율에 대하여 스캔 윈도우를 유지하는 단계; 및
    상기 일정 비율에 대하여 스캔 윈도우가 유지되는 상태에서, 상기 노드로 게시 데이터를 전송하는 외부 노드들의 수가 다시 상기 일정 수 미만이 된 경우, 외부 노드 각각으로부터 게시 데이터가 수신된 시점을 바탕으로 각 외부 노드에 대한 스캔 윈도우를 개별 설정하는 단계;를 포함하고,
    상기 노드의 제어 방법은,
    제1 외부 노드로부터 제3 게시 데이터를 수신하는 단계;
    상기 제3 게시 데이터가 수신된 이후 상기 기설정된 게시 주기가 경과한 시점 및 상기 게시 프로세스 시간을 기반으로, 상기 제1 외부 노드로부터 제4 게시 데이터를 수신하기 위한 제1 스캔 윈도우를 설정하는 단계;
    제2 외부 노드로부터 제5 게시 데이터를 수신하는 단계; 및
    상기 제5 게시 데이터가 수신된 이후 상기 기설정된 게시 주기가 경과한 시점 및 상기 게시 프로세스 시간을 기반으로, 상기 제2 외부 노드로부터 제6 게시 데이터를 수신하기 위한 제2 스캔 윈도우를 설정하는 단계;를 포함하는, 노드의 제어 방법.
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