KR20240015838A - 클러스터 내 다중 슬롯프레임 간의 중첩을 방지하는 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템 - Google Patents

클러스터 내 다중 슬롯프레임 간의 중첩을 방지하는 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템 Download PDF

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KR20240015838A
KR20240015838A KR1020220093589A KR20220093589A KR20240015838A KR 20240015838 A KR20240015838 A KR 20240015838A KR 1020220093589 A KR1020220093589 A KR 1020220093589A KR 20220093589 A KR20220093589 A KR 20220093589A KR 20240015838 A KR20240015838 A KR 20240015838A
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한림대학교 산학협력단
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Abstract

다중 동시 슬롯프레임 스케줄링(MCSS) 프로토콜을 활용하는 WPT(Wireless Power Transfer) 지원 무선 센서 네트워크가 개시된다. 본 무선 센서 네트워크 상에서, MCSS는 CM 슬롯프레임, HAP 슬롯프레임, 및 WPT 슬롯프레임의 세 가지 유형의 TSCH(time-slotted channel hopping) 동시 슬롯프레임을 정의하며, 각 TSCH 동시 슬롯프레임의 길이를 상호 소수로 설정하여 슬롯프레임에 할당된 셀 간의 중첩을 최소화하고, 전송되는 트래픽의 특성에 따라 전송 우선순위를 결정한다.

Description

클러스터 내 다중 슬롯프레임 간의 중첩을 방지하는 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템 { WIRELESS POWER TRANSFER BASED WIRELESS SENSOR NETWORK SYSTEM FOR PREVENTING OVERLAP BETWEEN MULTI-SLOTRAMES OF CLUSTER }
본 개시는 WPT(Wireless Power Transfer) 지원 무선 센서 네트워크를 위한 다중 동시 슬롯프레임 스케줄링(MCSS) 프로토콜에 관한 것으로, HAP(Hybrid Access Point) 및 센서 노드를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
WSN(Wireless Sensor Network)은 IoT(Internet of Things) 시스템에서 장치 간 무선 연결을 제공하는 필수 기술로 스마트 그리드 관리, 프로세스 자동화 및 모니터링과 같은 다양한 IoT 응용 프로그램을 구현하는 데 핵심적인 역할을 한다. WSN에서 센서 노드는 배터리 충전이나 교체와 같은 빈번한 유지 보수가 필요하며 일반적으로 배터리로 구동되기 때문에 잔여 에너지가 낮을 때 통신이 제한되는 경우가 많다. 최근에는 무선 주파수(RF) 신호에서 에너지를 수확하는 무선 전력 전송(WPT) 기술이 WSN에 널리 적용되었다. 따라서 RF 신호를 사용하여 전력과 데이터를 모두 전송하는 WPT 지원 WSN은 센서 노드의 배터리 종속성을 줄이고 네트워크 수명을 연장하는 이점이 있다.
기존 WSN과 달리 WPT 지원 WSN에는 PRU(전력 수신 장치) 역할을 하는 센서 노드에 전원을 공급하는 PTU(전력 전송 장치) 역할을 하는 장치인 HAP(하이브리드 액세스 포인트)가 포함되며 다음을 포함한다. WPT 지원 WSN에서 이러한 이기종 장치(즉, HAP 및 센서 노드)는 클러스터 트리 네트워크를 구성하며, 여기서 각 클러스터는 클러스터 헤드(CH) 역할을 하는 하나의 HAP와 클러스터 구성원 역할을 하는 여러 센서 노드를 포함한다. 따라서 센서 노드는 인접한 HAP에서 에너지를 수집하고 데이터를 CH로 전송한다. HAP는 센서 노드에서 데이터를 수집하여 싱크로 전달한다. 이러한 WPT 지원 WSN 구조에서 이기종 장치 간의 적시적인 에너지 수확 및 데이터 교환을 위해 네트워크 토폴로지 및 다양한 트래픽 유형(즉, 제어 메시지(CM), 클러스터 내 트래픽, 클러스터 간 트래픽)을 고려한 매체 접근 제어(MAC) 계층 프로토콜을 종합적으로 설계하는 것은 어려운 문제이다.
종래 WPT 지원 WSN을 위한 MAC 계층 프로토콜을 개발하려는 많은 연구가 있었다. Naderi et al., Ha et al., Kim et al. 은 HAP와 센서 노드가 경쟁적으로 채널을 점유하여 WPT 및 데이터 전송을 수행하는 반송파 감지 다중 접근/충돌 회피(CSMA/CA) 기반 MAC 프로토콜을 제안했다. 그러나 이는 센서 노드의 불필요한 에너지 소모와 임의의 백오프 기간 및 재전송 메커니즘을 사용하는 비결정적 전력 및 데이터 전송을 유발하였다.
Kim et al., Cho et al. 은 CSMA/CA 및 TDMA(시분할 다중 액세스) 구간을 포함하는 슈퍼프레임 구조를 사용하는 하이브리드 MAC 프로토콜을 제안했다. CSMA/CA 구간을 사용하면 여전히 센서 노드의 불필요한 에너지 소모가 발생하지만 두 접근 방식의 이점이 결합된 작업이다.
Ju et al., Xie et al., Niyato et al. 은 에너지 수확 및 데이터 전송이 경쟁 없는 방식으로 수행되는 TDMA 기반 수확 후 전송 프로토콜을 제안했다. 센서 노드가 프레임 스케줄링을 통해 에너지 수확 및 데이터 전송을 수행할 수 있도록 하여 충돌 또는 유휴 청취로 인한 불필요한 에너지 소모를 방지한다. 그러나 기존의 TDMA 기반 수확 후 전송 프로토콜은 네트워크 토폴로지 및 트래픽 유형에 관계없이 고정된 길이의 프레임을 사용하기 때문에 WPT 지원 WSN에서 리소스를 낭비할 수도 있다.
IEEE 802.15.4-2015 표준에 규정된 TSCH(Time-slotted channel hopping)는 동시 슬롯프레임을 사용함으로써 기존 MAC 프로토콜의 문제점을 해결할 수 있다. 구체적으로, TSCH는 길이가 다른 하나 이상의 슬롯프레임을 동시에 사용하여 네트워크 토폴로지 및 트래픽 유형에 따라 달라지는 다양한 통신 스케줄을 효율적으로 지원한다. 각 슬롯프레임은 타임슬롯과 채널 오프셋을 갖는 쌍으로 표현되는 다중 셀로 구성되며, 각 슬롯프레임의 길이는 타임슬롯의 수에 따라 결정된다. 지금까지 여러 연구에서 네트워크 토폴로지 및 트래픽 유형을 지원하기 위해 다중 동시 슬롯프레임을 사용하는 TSCH 스케줄링 방식을 제안했다.
Duquennov et al., Jeong et al., Kim et al. 은 세 가지 유형의 슬롯프레임을 사용했다. 각 슬롯프레임은 EB(Enhanced Beacon), CM(Control message) 및 데이터를 위해 사용된다. 각 슬롯프레임의 길이는 네트워크 토폴로지에 따라 달라지는 트래픽 양을 고려하여 경험적으로 결정된다. 그러나 TSCH 스케줄링 방식은 데이터 전달에만 특화되어 있으며, 센서 노드 ID를 기준으로 한 슬롯프레임 내에서 데이터 전송을 위한 하나의 셀과 데이터 수신을 위한 하나의 셀이 할당되는 슬롯프레임 구조를 사용한다. 따라서 유연하지 않은 슬롯프레임 구조는 센서 노드에서 요구하는 WPT 동작을 지원하는 데 적합하지 않다.
He et al. 은 WPT와 WSN에서의 데이터 전송을 지원하기 위해 네트워크 토폴로지 정보에 기반한 자원 할당 알고리즘을 사용하여 링크 용량을 늘렸다. 그러나 센서 노드만으로 구성된 동종 네트워크 환경을 고려하였으므로 PTU와 PRU를 모두 포함하는 WPT 지원 WSN에서 이기종 장치 간의 WPT 및 데이터 전송 작업에는 적합하지 않았다.
Kim et al. 은 전송 주기가 다른 센서 노드의 에너지 수확 및 데이터 전송을 지원하기 위해 TSCH 기반 MAC 프로토콜을 제안했다. 여기서, 센서 노드는 전송 주기와 동일한 길이의 동시 슬롯프레임을 사용하여 셀 할당을 수행하여 셀 간 중첩이 빈번하게 발생하고 이를 해결하기 위한 계산 부하가 증가하였다.
본 개시는 WPT 지원 WSN에서 클러스터 트리 네트워크 토폴로지와 다양한 트래픽 유형을 지원하는 MCSS(Multiple Concurrent Slotframe Scheduling) 프로토콜을 활용하는 네트워크 시스템을 제공한다.
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 하나의 HAP(Hybrid Access Point) 및 하나 이상의 센서 노드를 포함하는 클러스터를 하나 이상 포함하는, 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템에 있어서, 상기 HAP는, 상기 클러스터 내 EB(Enhanced Beacon) 프레임의 송수신을 위한 CM 슬롯프레임 내에서 적어도 하나의 제1 셀을 선택하고, 서로 다른 클러스터에 속한 HAP 간에 데이터를 전달하기 위한 HAP 슬롯프레임 내에서, 상기 제1 셀과 타임슬롯이 중첩되지 않는 적어도 하나의 제2 셀을 선택하고, 상기 클러스터 내 전력 전송 및 데이터 전송을 지원하는 WPT(Wireless Power Transfer) 슬롯프레임 내에서, 상기 제1 셀 및 상기 제2 셀과 타임슬롯이 중첩되지 않는 적어도 하나의 제3 셀을 선택한다.
상기 CM 슬롯프레임, 상기 HAP 슬롯프레임, 및 상기 WPT 슬롯프레임 각각의 길이는 서로 소수일 수 있다. 그리고, 상기 HAP 슬롯프레임의 길이는 상기 CM 슬롯프레임 및 상기 WPT 슬롯프레임 각각의 길이보다 짧을 수 있다.
상기 HAP는, 상기 WPT 슬롯프레임의 초기 길이를 포함하는 제1 EB 프레임을 상기 클러스터 내에 브로드캐스트하고, 상기 클러스터 내에 포함된 전체 클러스터 구성원으로부터 수신되는 메시지를 바탕으로, 상기 WPT 슬롯프레임 내에 할당되는 최소 데이터 셀 수 및 최소 전력 셀 수를 식별하고, 상기 CM 슬롯프레임, 상기 HAP 슬롯프레임, 및 상기 WPT 슬롯프레임 간의 전송 우선순위에 따라 중첩이 방지됨을 전제로, 상기 WPT 슬롯프레임 내에 추가적으로 할당되는 셀의 수를 산출하고, 상기 최소 데이터 셀 수, 상기 최소 전력 셀 수, 및 상기 추가적으로 할당되는 셀의 수를 바탕으로 변경된 WPT 슬롯프레임의 길이를 포함하는 제2 EB 프레임을 브로드캐스트할 수 있다.
이때, 상기 HAP는, 이하 수학식을 바탕으로 각 클러스터 구성원에 필요한 최소 전력 셀 수를 산출함으로써, 상기 WPT 슬롯프레임 내에 할당되는 최소 전력 셀 수를 식별할 수 있다. . i는 상기 클러스터 내 클러스터 구성원의 인덱스이고, j는 상기 HAP가 포함된 상기 클러스터의 인덱스이고, nnode,j는 j번째 클러스터의 클러스터 구성원의 수이고, M은 무선 센서 네트워크에 포함된 HAP의 전체 수이고, nminDC,i는 i번째 클러스터 구성원을 위해 필요한 데이터 셀의 최소 수이고, ERx,timeslot,i은 단일 타임슬롯 동안 상기 HAP로부터 i번째 클러스터 구성원으로 제공되는 에너지이다.
또한, 상기 HAP는, 이하 수학식들을 바탕으로 각 클러스터 구성원에 대하여 오버 프로비저닝된 전력 셀의 수(noverPC,i) 및 데이터 셀의 수(nnoverDC,i)를 각각 산출함으로써, 상기 WPT 슬롯프레임 내에 추가적으로 할당되는 셀의 수를 산출할 수 있다.
. novercell,j는 j번째 클러스터에서 오버 프로비저닝된 셀의 전체 수이다.
이때, 상기 HAP는, 이하 수학식을 바탕으로, j번째 클러스터의 다중 동시 슬롯프레임들의 최소공배수(lLCM,j)에 따라 novercell,j를 산출할 수 있다. . lWPT,j는 j번째 클러스터의 초기 WPT 슬롯프레임 길이이고, ntotalcell,j는 lLCM,j 타임슬롯 동안 j번째 클러스터를 위하여 MCSS 스케줄에 할당될 것으로 기대되는 셀의 전체 수이다.
이 경우, 상기 HAP는, 이하 수학식을 바탕으로 ntotalcell,j를 산출할 수 있다. . nCMcell,j 및 nHAPcell,j 는 lLCM,j 개의 타임슬롯 동안 j번째 클러스터의 CM 슬롯프레임 및 HAP 슬롯프레임에 각각 독립적으로 할당될 것으로 기대되는 셀들의 수이고, ndupcell,CM&HAP,j는 lLCM,j 개의 타임슬롯 동안 j번째 클러스터의 CM 슬롯프레임 및 HAP 슬롯프레임 사이에 중첩 할당될 것으로 기대되는 셀들의 수이다.
또한, 상기 HAP는, 이하 수학식들을 바탕으로, 각 클러스터 구성원을 위해 필요한 전력 셀의 수(nreqPC,i) 및 데이터 셀의 수(nreqDC,i)를 각각 산출할 수 있다.
또한, 상기 HAP는 이하 수학식에 따라 j번째 클러스터의 WPT 슬롯프레임의 최소 길이(lminWPT,j)를 결정할 수 있다.
이 경우, 상기 HAP는, 상기 WPT 슬롯프레임의 최소 길이(lminWPT,j)가 소수인 경우, 상기 최소 길이를 상기 WPT 슬롯프레임의 길이로 결정하고, 상기 WPT 슬롯프레임의 최소 길이(lminWPT,j)가 소수가 아닌 경우, 상기 최소 길이를 1씩 증가시키면서 상기 최소 길이보다 큰 최소의 소수를 선택하여 상기 WPT 슬롯프레임의 길이로 결정하고, 상기 결정된 상기 WPT 슬롯프레임의 길이에 대한 정보를 포함하는 EB 프레임을 브로드캐스트할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따라 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 복수의 클러스터 중 일 클러스터에 포함된 HAP(Hybrid Access Point)의 제어 방법은, 상기 클러스터 내 EB(Enhanced Beacon) 프레임의 송수신을 위한 CM 슬롯프레임 내에서 적어도 하나의 제1 셀을 선택하는 단계, 서로 다른 클러스터에 속한 HAP 간에 데이터를 전달하기 위한 HAP 슬롯프레임 내에서, 상기 제1 셀과 타임슬롯이 중첩되지 않는 적어도 하나의 제2 셀을 선택하는 단계, 상기 클러스터 내 전력 전송 및 데이터 전송을 지원하는 WPT(Wireless Power Transfer) 슬롯프레임 내에서, 상기 제1 셀 및 상기 제2 셀과 타임슬롯이 중첩되지 않는 적어도 하나의 제3 셀을 선택하는 단계를 포함한다.
시뮬레이션 결과에 따르면, 본 개시에 따라 MCSS를 활용하는 무선 센서 네트워크 시스템은, 평균 종단 간 지연, 총 처리량 및 평균 수확 에너지에 대해 기존 TSCH 매체 접근 제어 프로토콜 및 TMSS(다중 슬롯프레임 스케줄링)보다 성능이 우수한 것으로 확인되었다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크 시스템의 시스템 아키텍처가 도시된 도면,
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크 시스템에서 활용될 수 있는 2단계 및 3단계 6P 트랜잭션의 과정이 도시된 도면,
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크 시스템 내 장치들 및 슬롯프레임 구성을 설명하기 위한 도면들,
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 MCSS 스케줄이 도시된 도면,
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 3단계 6P 트랜잭션을 도시한 도면,
도 6은 본 개시에 따른 MCSS 기반 무선 센서 네트워크 시스템에 있어 초당 전송되는 데이터 패킷 수에 따른 총 처리량 변화를 도시한 그래프들,
도 7은 본 개시에 따른 MCSS 기반 무선 센서 네트워크 시스템에 있어서 초당 전송되는 데이터 패킷 수에 대한 평균 종단 간 지연의 변화를 도시한 그래프,
도 8은 본 개시에 따른 무선 센서 네트워크 시스템에 있어서 초당 전송되는 데이터 패킷 수에 따른 WPT 슬롯프레임의 길이를 클러스터 구성원의 수에 따라 도시한 그래프들,
도 9는 본 개시에 따른 무선 센서 네트워크 시스템에 있어서 초당 전송되는 데이터 패킷 수에 따른 총 처리량의 변화를 도시한 그래프,
도 10은 본 개시에 따른 무선 센서 네트워크 시스템에 있어서 초당 전송되는 데이터 패킷 수에 따른 평균 수확 에너지를 도시한 그래프, 그리고
도 11은 WPT가 MCSS의 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해 HAP가 센서 노드에 전력을 전송하는 경우와 그렇지 않은 경우의 총 처리량이 비교된 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 구성요소가 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 연결뿐 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.
본 개시의 일 실시 예에 따라 무선 센서 네트워크 상에서 활용되는 MCSS는 전력 전송 장치 역할을 하는 HAP(Hybrid Access Point)와 전력 수신 장치 역할을 하는 센서 노드를 포함하는 이기종 장치로 구성된 클러스터 트리 네트워크 토폴로지를 지원하며, 그 밖에 전력, 데이터, 제어 메시지(CM) 등 다양한 트래픽 유형들을 포함한다.
이를 위해 MCSS는 CM 슬롯프레임, HAP 슬롯프레임 및 WPT 슬롯프레임의 세 가지 유형의 TSCH(time-slotted channel hopping) 동시 슬롯프레임을 정의한다. 이러한 슬롯프레임은 각각 CM 트래픽, 클러스터 간 트래픽(inter-cluster traffic) 및 클러스터 내 트래픽(intra-cluster traffic)에 사용된다. MCSS에서는 각 TSCH 동시 슬롯프레임의 길이를 상호 소수로 설정하여 슬롯프레임에 할당된 셀 간의 중첩을 최소화하고, 전송되는 트래픽의 특성에 따라 전송 우선순위를 결정한다. 또한, MCSS는 센서 노드의 에너지 수확 및 데이터 전송에 필요한 최소 전력 및 데이터 셀 수와 셀 간 중첩을 보상하기 위해 필요한 오버 프로비저닝된 셀 수를 고려하여 WPT 슬롯프레임 길이를 결정한다.
MCSS는 CM 슬롯프레임, HAP 슬롯프레임 및 WPT 슬롯프레임의 세 가지 유형의 TSCH 동시 슬롯프레임을 사용한다. 각 슬롯프레임은 CM 트래픽, 클러스터 간 트래픽 및 클러스터 내 트래픽 전송 각각에 대한 전용 슬롯프레임이다. MCSS는 네트워크 성능에 대한 슬롯프레임 간의 중첩된 스케줄(즉, 중첩된 셀)의 영향을 완화하기 위해 각 TSCH 동시 슬롯프레임의 길이를 상호 소수로 설정하고 전송 트래픽의 특성을 고려하여 슬롯프레임의 전송 우선순위를 결정할 수 있다. 또한, MCSS는 오버 프로비저닝된 셀 수를 포함하는 필요 전력 셀 수 및 데이터 셀 수를 사용하여 각 클러스터에 대한 WPT 슬롯프레임 길이를 결정한다. 이 작업의 기여는 다음과 같이 요약된다.
- 첫째, MCSS가 이기종 장치(HAP 및 센서 노드)로 구성된 클러스터 트리 네트워크를 지원할 수 있도록 3가지 트래픽 유형(즉, CM 트래픽, 클러스터 간 트래픽, 클러스터 내 트래픽)에 따라 길이가 다른 여러 TSCH 동시 슬롯프레임을 사용한다. 이기종 장치(HAP 및 센서 노드)로 구성된 클러스터 트리 네트워크는 WPT 지원 WSN의 일반적인 형태이다.
- 둘째, WPT 슬롯프레임 길이는 클러스터 내 트래픽 양에 따라 클러스터마다 다르게 설정될 수 있으므로 WPT 슬롯프레임 내 빈 셀의 수를 줄이고 센서 노드의 에너지 수확 및 데이터 전송을 위한 채널 활용도를 향상시킬 수 있다.
- 마지막으로 TSCH 동시 슬롯프레임의 길이를 상호 소수로 설정하고 전송 우선순위를 차등화하여 동시 슬롯프레임 간의 중첩 셀의 영향을 줄인다.
도 1은 여러 HAP와 센서 노드로 구성된 MCSS의 시스템 아키텍처를 보여준다. MCSS에서는 하나의 HAP와 센서 노드로 구성된 클러스터를 HAP 클러스터(즉, 클러스터 내)로 간주한다.
HAP는 메모리, 프로세서 등을 포함하는 전자 장치 내지는 컴퓨터로 구현될 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 메모리에 저장된 인스트럭션을 실행함으로써 후술할 다양한 제어 방법을 수행할 수 있다. 또한, HAP는 무선 통신을 수행하기 위한 무선 통신 모듈, 무선으로 전력을 공급하기 위한 무선 전력 송신 모듈 등을 포함할 수 있다.
HAP는 지향성 및 무지향성 안테나를 갖추고 있으며 HAP 클러스터에서 CH 역할을 한다. HAP는 빔을 특정 방향으로 조종하는 빔포밍 기술을 사용하여 인접한 센서 노드에 전력을 전달할 수 있다. 또한, HAP는 자신의 클러스터 구성원(즉, 센서 노드)으로부터 수집한 데이터를 이웃 HAP(즉, 부모 HAP)로 전송하여 수집된 데이터를 루트로 보낼 수 있도록 한다. HAP는 항상 전원에 연결되어 있을 수 있으며 이 경우 다른 HAP에서 에너지를 수집할 필요가 없다. 이때, HAP 간에는 데이터만 교환된다. 센서 노드는 HAP(즉, 해당 CH)에서 에너지를 수집하고 HAP에 데이터를 전송하는 단일 무지향성 안테나가 있는 배터리 구동 장치로 간주될 수 있다.
MCSS에서 센서 노드가 데이터 패킷을 전송하기 위해 소모하는 에너지 양(ETX,timeslot)은 종래(Vilaiosana et al.)의 에너지 소모 모델을 기반으로 다음과 같이 유도된다.
이때, Psleep, Ptx, Pidle, Prx는 타임슬롯 내에서 센서 노드가 슬립, 송신(Tx), 유휴(Idle), 수신(Rx) 상태일 때 소모하는 에너지의 양을 각각 나타낸다. 또한, LTsTxOffset 및 LTsRxAckDelay 은 센서 노드가 데이터 패킷 전송을 준비하는 시간 간격 및 센서 노드가 HAP로부터 승인(Ack)을 수신하기 위해 대기하는 시간 간격을 각각 나타낸다. 또한, Ldata, LAck-, Ltimeslot 은 데이터 패킷과 Ack를 전송하는 데 걸리는 시간과 타임슬롯 길이를 각각 나타낸다. HAP는 상술한 수학식 1에 의해 도출된 각 센서 노드의 에너지 소모량에 따라 센서 노드에 전력을 공급하여 센서 노드의 데이터 전송을 가능하게 하고 에너지 고갈을 방지한다.
본 개시에 따른 MCSS에서는 HAP와 센서 노드 사이의 라우팅에 저전력 및 손실 네트워크용 IPv6 라우팅 프로토콜(RPL)이 사용될 수 있다. RPL은 Rank라는 라우팅 메트릭에 따라 DODAG(Destination-Oriented Directed Acyclic Graph)를 구성하여 경로 다양성을 제공한다. Rank는 센서 노드에서 루트까지의 라우팅 거리를 나타내며 목적 함수(OF)에 의해 결정될 수 있다. 각 센서 노드의 OF는 예상 전송 횟수를 기반으로 각 센서 노드의 Rank를 계산한다. DODAG 형성을 위해 RPL에서 각 센서 노드는 Rank가 포함된 DIO(DODAG Information Object) 메시지를 이웃에게 브로드캐스트할 수 있다. DIO 메시지를 수신한 센서 노드는 DIO 메시지에 포함된 Rank를 고려하여 인접 HAP 중에서 부모를 선택한다. MCSS에서는 HAP만이 센서 노드 및 HAP의 부모로 선택될 수 있다. 부모 선택이 완료되면 센서 노드는 DAO(DODAG Advertisement Object) 메시지를 루트로 전송할 수 있다. 루트는 수신된 DAO 메시지를 통해 새로운 목적지 정보와 센서 노드의 참여를 인식할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따라 무선 센서 네트워크 상에서 활용되는 TSCH는 IEEE 802.15.4-2015에서 표준화된 다중 채널 및 타임슬롯 액세스를 기반으로 하는 저전력 및 손실 네트워크용 MAC 프로토콜에 해당할 수 있다. 또한 TSCH는 슬롯프레임 구조를 사용하여 노드 간의 신뢰성과 결정적 통신을 지원할 수 있다. 슬롯프레임은 여러 셀로 구성되며 시간이 지남에 따라 반복된다. 각 셀은 타임슬롯과 채널 오프셋으로 식별된다. 셀은 최대 크기의 데이터 프레임과 승인 프레임을 교환할 수 있을 만큼 충분히 길며 일반적으로 10ms일 수 있다. 셀은 전용 또는 공유 셀로 분류될 수 있다. 전용 셀은 노드 쌍 간의 전송을 보장한다. 대조적으로, 공유 셀은 여러 노드가 동일한 채널에 동시에 액세스할 수 있도록 한다. 각 셀에서 노드는 다음과 같이 채널 도약에 의해 결정된 채널에서 통신할 수 있다.
여기서 channelHoppingSequence는 도약할 채널 목록을 나타낸다. ASN은 네트워크가 시작된 이후 매 타임슬롯마다 증가하는 타임슬롯의 총 수를 나타내는 절대 슬롯 번호를 나타낸다. offsetch는 채널 오프셋을 나타내고, navailableCh는 TSCH 네트워크 내 사용 가능한 채널들의 수를 가리킨다.
TSCH 네트워크에서 모든 노드는 EB를 통해 네트워크에 전역적으로 동기화된다. EB는 slotframe 구조, ASN, channelHoppingSequence와 같은 정보를 포함한다. TSCH 네트워크 형성이 완료된 후 셀 할당이 수행된다. IETF 6TiSCH 작업 그룹에서 정의한 IEEE 802.15.4e의 TSCH 모드에서의 IPv6 (6TiSCH) 동작 하위 계층(6top) 프로토콜(6P) 은 TSCH 셀 할당을 위한 6P 트랜잭션을 제공할 수 있다(Wang et al.). 6P 트랜잭션은 인접 노드가 TSCH 스케줄에 셀을 추가, 삭제 및 재배치할 수 있도록 하는 메커니즘에 해당한다. 특히, 6P 트랜잭션은 2단계 또는 3단계로 구성될 수 있다. 2단계 6P 트랜잭션에서 후보 셀 목록은 6P 요청 메시지를 보내는 노드가 할당할 수 있는 셀로 구성된다. 그러나 3단계 6P 트랜잭션에서 셀 목록에는 6P 요청 메시지를 수신한 노드가 할당할 수 있는 셀이 포함될 수 있다.
도 2는 2단계 및 3단계 6P 트랜잭션의 예를 보여준다. 도 2의 (a)에서 노드 A는 노드 B로 6P ADD 요청 메시지를 전송하여 필요한 셀을 할당한다. 6P ADD 요청 메시지에는 추가할 셀의 개수(즉, NumCells)와 노드 A가 결정한 후보 셀의 목록(즉, CellList)이 포함될 수 있다. 노드 B는 수신된 6P ADD 요청 메시지의 CellList를 자신의 TSCH 스케줄과 비교하여 사용 가능한 셀을 식별하고 사용 가능한 두 개의 셀을 선택한다. 선택된 셀의 목록은 6P 응답 메시지에 포함될 CellList가 된다. 노드 B는 노드 A에 6P 응답 메시지를 전송하여 두 개의 선택된 셀을 알린다. 노드 A와 노드 B는 6P 트랜잭션이 성공적으로 완료되면 TSCH 스케줄에 두 개의 선택된 셀을 할당한다. 도 2의 (b)에서 노드 A는 비어있는 CellList를 포함하는 6P ADD 요청 메시지를 노드 B로 전송한다. 노드 B가 6P ADD 요청 메시지를 수신하면 노드 B는 자신의 TSCH 스케줄에서 사용 가능한 NumCells 이상의 후보 셀을 포함하는 CellList를 구성하고 6P 응답 메시지를 노드 A로 전송할 수 있다. 노드 A는 6P 응답 메시지의 CellList 중 사용 가능한 후보 셀만 선택하여 CellList를 구성하고 해당 CellList가 포함된 6P 확인 메시지를 Node B로 전송한다. 결과적으로 6P 트랜잭션이 완료되고 노드 A와 B는 선택된 셀을 자신의 TSCH 스케줄에 할당한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 MCSS에서는 3단계 6P 트랜잭션을 사용하여 HAP 클러스터에 포함된 모든 센서 노드의 스케줄(즉, 셀 할당 결과)을 알고 있는 각 HAP가 후보 셀 목록을 구성할 수 있도록 할 수 있다.
WPT 지원 WSN에서 클러스터 트리 토폴로지 및 다양한 유형의 트래픽을 지원하기 위해 MCSS는 다중 TSCH 동시 슬롯프레임을 정의하고 전력 셀과 데이터 셀을 할당하고 전송 우선순위를 결정할 수 있다.
MCSS는 3개의 슬롯프레임을 사용하여 다음과 같이 WPT 지원 WSN에서 이종 트래픽 유형(즉, CM 트래픽, 클러스터 간 트래픽 및 클러스터 내 트래픽)을 처리할 수 있다.
- CM 슬롯프레임은 HAP 클러스터의 MCSS 스케줄을 알려주는 EB 프레임을 송수신하는 데 사용된다. 또한 RPL 메시지 및 6P 메시지와 같은 다른 CM을 교환하는 데에 사용될 수 있다. CM 슬롯프레임에서는 송수신이 모두 가능한 하나의 공유 셀(TxRxS)이 할당되며 이를 통해 이웃 간에 모든 CM이 교환된다. CM 슬롯프레임의 길이는 EB 전송 주기를 고려하여 설정된다.
- HAP 슬롯프레임은 HAP 사이에 데이터 트래픽(즉, 클러스터 간 트래픽)을 전달하는 데 사용되며, HAP에는 부모에게 데이터 트래픽을 전송하기 위해 적어도 하나의 데이터 전송 셀(DTx)이 할당될 수 있다. 또한, HAP 슬롯프레임에 다중 데이터 수신 셀(DRx)이 할당될 수 있다. 데이터 수신 셀의 수는 HAP의 자식 HAP의 수와 같다. HAP 슬롯프레임 길이는 데이터 트래픽의 전달 지연을 최소화하기 위해 다른 동시 슬롯프레임보다 짧게 설정될 수 있다.
- WPT 슬롯프레임은 HAP 클러스터 내에서 전력 및 데이터 트래픽(즉, 클러스터 내 트래픽) 전송을 지원한다. WPT 슬롯프레임에서 앞서 설명한 3단계 6P 트랜잭션을 통해 HAP 및 센서 노드에 의해 여러 개의 PTx(전력 전송 셀) 및 DRx(데이터 수신 셀)이 할당될 수 있다. WPT 슬롯프레임의 길이는 HAP 클러스터마다 다르게 설정될 수 있으며 각 클러스터 내 HAP에 의해 결정될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 MCSS는 여러 개의 동시 슬롯프레임을 단일 평면에 투영하여 통신 스케줄을 설정할 수 있다. 다만, 이러한 동작은 서로 다른 슬롯프레임에 할당된 셀들 사이에 중첩을 유발할 수 있다. 중첩된 셀을 줄이기 위해 MCSS는 각 슬롯프레임 내의 타임슬롯 수를 서로 다른 소수로 설정하여 슬롯프레임의 길이를 상호 소수로 만들 수 있다. 또한, 각 슬롯프레임에 대한 전송 우선순위는 트래픽 특성을 고려하여 CM 슬롯프레임 > HAP 슬롯프레임 > WPT 슬롯프레임의 우선순위로 설정될 수 있다. 따라서, MCSS는 셀 간에 중첩이 발생하면 전송 우선순위가 가장 높은 슬롯프레임에 할당된 셀을 선택한다. WPT 슬롯프레임은 슬롯프레임 중 전송 우선순위가 가장 낮다. WPT 슬롯프레임의 중첩된 셀을 보상하기 위해 MCSS는 최소 전력 및 데이터 셀 수와 오버 프로비저닝된 셀 수를 사용하여 각 HAP 클러스터에 대한 WPT 슬롯프레임의 길이를 결정할 수 있다. WPT 슬롯프레임의 길이 결정은 길이 결정 부분에서 보다 자세히 후술한다.
도 3의 (a)는 3개의 HAP(HAP 0, 1, 2)와 2개의 센서 노드(센서 노드 0 및 1)로 구성된 WPT 지원 WSN 토폴로지의 예를 도시한다. 도 3의 (b, c, d)는 CM, HAP, WPT 슬롯프레임을 나타내며 각각 길이는 19, 5, 11이다. 또한 HAP 1은 CM 슬롯프레임 내의 타임슬롯 0 및 19(CM TxRxS)에서 EB 프레임을 브로드캐스트 할 수 있다. 또한 RPL 및 6P 메시지를 타임슬롯 0 및 19에서 부모(즉, HAP 0) 또는 자식 노드(즉, HAP 2 및 센서 노드 1)와 교환할 수 있다. 또한 HAP 1은 HAP 2에서 데이터 패킷을 수신할 수 있다. 예를 들어, 타임슬롯 2, 7, 12, 17(DRxs)에서 HAP 2에서 HAP 1로 데이터 패킷이 전송되고 HAP 슬롯프레임 내의 타임슬롯 3, 8, 13 및 18(DTx)에서 HAP 1은 데이터 패킷을 HAP 0으로 전송할 수 있다. WPT 슬롯프레임에서 HAP 1은 전력 전송 셀(PTxs)을 사용하여 센서 노드 1에 전력을 전송하고 데이터 수신 셀(DRxs)을 사용하여 센서 노드 1로부터 데이터 패킷을 수신할 수 있다.
도 4는 도 3의 (a)의 HAP 1의 MCSS 스케줄을 나타낸 것이다. 도면에서 HAP 1의 여러 동시 슬롯프레임은 하나의 평면에 투영되며 결과적으로 각 타임슬롯에 하나의 셀만 할당된다. 구체적으로, HAP 슬롯프레임의 데이터 수신 셀(DRx)과 WPT 슬롯프레임의 데이터 수신 셀(DRx)은 MCSS 스케줄의 셀(1, 2)에서 겹친다. 이 경우, HAP 슬롯프레임이 WPT 슬롯프레임보다 우선순위가 높기 때문에 HAP 슬롯프레임의 데이터 수신 셀(DRx)은 HAP 1의 MCSS 스케줄에 할당된다. 타임슬롯 0, 2, 3, 7, 8, 12, 13, 18, 19에서 서로 다른 채널 오프셋을 가진 두 개 이상의 셀이 스케줄링되지만 동시 슬롯프레임의 우선순위에 따라 하나의 셀만 MCSS 스케줄에 할당된다.
WPT 지원 WSN에서 각 HAP 클러스터의 클러스터 내 트래픽 양은 클러스터 구성원 수에 따라 달라질 수 있다. 따라서 MCSS는 클러스터 구성원의 에너지 수확 및 데이터 전송에 필요한 최소 전력 및 데이터 셀의 수와 슬롯프레임 간에 중첩되는 셀의 수를 고려하여 HAP 클러스터마다 WPT 슬롯프레임 길이를 다르게 결정할 수 있다. WPT 슬롯프레임에 전력 및 데이터 셀을 할당하기 위해 MCSS는 6TiSCH 표준에 지정된 3단계 6P 트랜잭션을 사용할 수 있다. 그러나 MCSS는 기존 표준과 달리 수정된 6P 메시지를 사용하여 전력 셀 할당 및 데이터 셀 할당에 대한 모든 정보를 수용할 수도 있다.
WPT 슬롯프레임 길이를 결정하기 위해 HAP는 초기 WPT 슬롯프레임의 길이를 포함하여 EB 프레임을 브로드캐스트할 수 있다. 초기 WPT 슬롯프레임 길이는 최소 6TiSCH 구성에서 기본 슬롯프레임 길이와 같다고 가정할 수 있다. 그런 다음 HAP는 HAP 클러스터의 모든 클러스터 구성원으로부터 Hello 메시지를 수신할 때까지 기다릴 수 있다. Hello 메시지에는 클러스터 구성원에서 전송되는 데이터 트래픽을 수용하기 위해 초기 WPT 슬롯프레임에 할당되어야 하는 최소 데이터 셀 수가 포함된다. 모든 클러스터 구성원으로부터 메시지를 수신하면 HAP는 최소 데이터 셀 수를 사용하여 최소 전력 셀 수를 계산할 수 있다. i번째 클러스터 구성원에 필요한 최소 전력 셀 수(nminPC,i)는 다음과 같이 계산될 수 있다.
여기서 i는 HAP 클러스터에 있는 클러스터 구성원의 인덱스를 나타내고, j는 HAP의 인덱스를 나타낸다. nnode,j는 j번째 HAP 클러스터의 클러스터 구성원의 수를 나타낸다. 또한, M은 네트워크 내 HAP의 전체 수를 나타내며, nminDC,i는 i번째 클러스터 구성원을 위해 필요한 데이터 셀의 최소 수를 나타낸다. 또한, ERx,timeslot,i은 단일 타임슬롯 동안 HAP로부터 i번째 클러스터 구성원으로 제공되는 에너지를 나타낸다. ERx,timeslot,i는 이하와 같이 산출될 수 있다.
이때, PRx,i는 i번째 클러스터 구성원이 매초마다 수신하는 전력이고, 이하와 같이 산출될 수 있다.
이때, η는 에너지 수확 효율 계수를 의미하고, PTx는 HAP의 전송 전력을 나타내며, h는 HAP로부터 수확된 전력 이득을 나타내고, di는 i번째 클러스터 구성원과 그 부모 간의 거리를 나타내며, α는 경로-손실 매개변수에 해당한다. di-는 이하와 같이 계산될 수 있다.
여기서 A는 부모에서 1m 떨어진 클러스터 구성원의 수신 신호 세기를 나타내고, rssiavg,i는 i번째 클러스터 구성원의 부모로부터 수신된 데이터 패킷의 RSSI의 평균을 나타낸다.
그리고, HAP는 오버 프로비저닝된 전력 및 데이터 셀의 수를 계산하는데, 이는 셀 간의 중첩을 보상하기 위해 할당되어야 하는 전력 및 데이터 셀을 의미한다. 오버 프로비저닝된 셀의 할당은 슬롯프레임 간의 우선순위 차이로 인한 전력 및 데이터 트래픽 지연을 방지한다. i번째 클러스터 구성원에 대한 오버 프로비저닝된 전력 및 데이터 셀의 수(noverPC,i 및 noverDC,i)는 j번째 HAP 클러스터의 모든 클러스터 구성원에 대한 전력 및 데이터 셀의 최소 개수의 합에 대한 nminPC,I 및 nminDC,i의 비율을 고려하여 다음과 같이 계산된다.
novercell,j는 j번째 클러스터에서 오버 프로비저닝된 셀의 전체 수를 나타내고, novercell,j는 j번째 HAP 클러스터의 다중 동시 슬롯프레임들의 최소공배수(lLCM,j)를 바탕으로 결정되며 이하와 같이 산출될 수 있다.
LWPT,j는 j번째 HAP 클러스터의 초기 WPT 슬롯프레임 길이를 나타낸다. ntotalcell,j는 lLCM,j 타임슬롯 동안 j번째 HAP 클러스터를 위하여 MCSS 스케줄에 할당될 것으로 기대되는 셀의 전체 수를 나타낸다. 이하와 같이 산출될 수 있다.
nCMcell,j 및 nHAPcell,j 는 lLCM,j 타임슬롯 동안 j번째 HAP 클러스터의 CM 슬롯프레임 및 HAP 슬롯프레임에 각각 독립적으로 할당될 것으로 기대되는 셀들의 수를 나타낸다. 또한, ndupcell,CM&HAP,j 는 lLCM,j 타임슬롯 동안 j번째 HAP 클러스터의 CM 슬롯프레임 및 HAP 슬롯프레임 사이에 중첩 할당될 것으로 기대되는 셀들의 수를 나타낸다. nCMcell,j 및 nHAPcell,j는 이하와 같이 산출될 수 있다.
LCM 및 LHAP는 각각 CM 슬롯프레임 및 HAP 슬롯프레임의 길이를 나타낸다. nHAP,j는 j번째 HAP 클러스터 내 HAP들의 전체 수를 나타낸다. 또한, 상술한 수학식의 ndupcell,CM&HAP,j는 같은 주기의 다중 동시 슬롯프레임들의 반복된 사이클 사이의 관계를 바탕으로 이하와 같이 산출될 수 있다.
LCM(LCM, LHAP)은 CM 슬롯프레임 및 HAP 슬롯프레임 각각의 길이의 최소공배수를 나타낸다. 또한, LCM(x1, x2, ??, xw)은 x1, x2,??, xw의 최소공배수를 나타내며, 이때 w는 다중 동시 슬롯프레임들의 수에 해당한다.
결론적으로, HAP 클러스터 내 i번째 클러스터 구성원을 위해 필요한 전력 및 데이터 셀의 수는 이하와 같이 산출될 수 있다.
WPT 슬롯프레임 길이 결정을 위해 각 HAP는 클러스터 구성원에 대한 정보를 포함하는 HAP 클러스터 테이블(HCT)을 유지할 수 있다. 구체적으로, j번째 HAP에 대한 HCT(즉, j번째 HCT)의 테이블 엔트리는 j번째 HAP의 클러스터 구성원의 ID 목록(ID(j))과 필요한 전력 및 데이터 셀 리스트(NreqPC(j) 및 NreqDC(j))의 수를 포함한다. 결과적으로, ID(j), NreqPC(j), 및 NreqDC(j)는 각각 이하와 같이 표현될 수 있다.
이때, id(i)는 j번째 HAP 클러스터 내 i번째 클러스터 구성원의 ID에 해당한다.
알고리즘 1은 각 HAP에 대한 WPT 슬롯프레임 길이 결정 절차를 나타낸다. HAP는 변수들(ex. lminWPT,j 및 primeNumFlag)을 초기화한다. lminWPT,j 는 j번째 HAP 클러스터의 WPT 슬롯프레임의 길이를 결정하는 데에 필요한 최소 길이를 나타내며, WPT 슬롯프레임은 HCT 내 모든 클러스터 구성원에 대한 nreqPC,i 및 nreqDC,I 의 합에 해당한다. 또한 primeNumFlag는 HAP가 lminWPT,j보다 큰 최소의 소수를 찾았는지 여부를 결정할 수 있다. 그리고, HAP는 ID(j) 내에 포함된 모든 클러스터 구성원들의 nreqPC,i 및 nreqDC,I 를 더함으로써 lminWPT,j을 산출할 수 있다. 또한, j번째 HAP의 lminWPT,j는 이하와 같이 산출될 수 있다.
만약 lminWPT,j가 소수가 아닌 경우, j번째 HAP는 lminWPT,j를 1씩 증가시켜 lminWPT,j보다 큰 최소의 소수를 결정한다. 그리고, HAP는 lWPT,j를 결정된 lminWPT,j로 설정할 수 있다. WPT 슬롯프레임의 길이 결정이 완료된 이후, HAP는 클러스터 구성원으로 lWPT,j를 알리기 위해 EB 프레임을 브로드캐스트할 수 있다.
필요한 전력 및 데이터 셀의 수(nreqPC.i 및 nreqDC,i)를 포함하는 EB 프레임을 수신하면 클러스터 구성원은 전력 및 데이터 셀을 WPT 슬롯프레임에 할당하기 위해 3단계 6P 트랜잭션을 시작한다. 이를 위해, i번째 클러스터 구성원은 비어 있는 PowerCellList 및 비어 있는 DataCellList와 함께 nreqPC,i 및 nreqDC,i를 포함하는 수정된 6P ADD 요청을 자신의 부모에게 전송할 수 있다. HAP 클러스터의 i번째 클러스터 구성원으로부터 수정된 6P ADD 요청이 수신되면, HAP는 WPT 슬롯프레임 스케줄을 고려하여 i번째 클러스터 구성원(PC(i) 및 DC(i))에 대한 PowerCellList 및 DataCellList를 구성할 수 있다. 또한, PC(i) 및 DC(i)는 이하와 같이 표현될 수 있다.
이때, pc(i,k) 및 dc(i,j)는 에너지 수집 및 데이터 전송 각각을 위한 셀들(ex. 타임슬롯 및 채널 오프셋)을 나타낸다. 또한, k 및 l은 PC(i) 및 DC(i) 내의 셀 인덱스를 의미한다. PC(i) 및 DC(i)는 적어도 nreqPC,i 및 nreqDC,i로 구성될 수 있다. PC(i) 및 DC(i)의 구성이 완료된 경우, HAP는 수정된 6P ADD 응답을 i번째 클러스터 구성원으로 전송할 수 있다. 수정된 6P ADD 응답이 수신되면, i번째 클러스터 구성원은 PC(i) 및 DC(i)로부터 필요한 전력 및 데이터 셀들을 선택할 수 있다. 그러면, i번째 클러스터 구성원은 수정된 6P ADD 확인(: 필요한 전력 및 데이터 셀들을 포함)을 자신의 부모로 전송할 수 있다. 그리고, HAP는 선택된 (필요한) 전력 및 데이터 셀들을 HAP의 WPT 슬롯프레임 스케줄에 추가할 수 있다. 마찬가지로, i번째 클러스터 구성원은 이를 자체 WPT 슬롯프레임 스케줄에 추가할 수 있다. 이에, 3단계 6P 트랜잭션은 완료된다. 도 5는 MCSS 내 3단계 6P 트랜잭션의 일 예를 도시한 것이다.
본 개시에 따른 MCSS를 활용하는 무선 센서 네트워크 시스템의 성능을 평가하기 위해 MATLAB 시뮬레이터를 이용하여 IEEE 802.15.4 물리(PHY)/MAC 계층 환경에서 실험 시뮬레이션이 수행되었다. MCSS의 시뮬레이션 결과를 단일 슬롯프레임을 사용하는 기존 TSCH MAC 및 TMSS와 비교하여 MCSS의 우수성을 검증하였다.
시뮬레이션에서 5개의 HAP와 다중 센서 노드로 구성된 클러스터 트리 네트워크 토폴로지가 고려되었다. 여기서 하나의 HAP는 루트로 지정되고 다른 HAP는 클러스터 구성원인 동일한 수의 센서 노드를 유지하고 CH로 동작한다. 클러스터 구성원의 수는 센서 노드 수가 변경됨에 따라 MCSS의 성능을 조사하기 위해 1에서 10까지 변화한다. 또한 각 HAP는 인접한 다른 HAP 중 하나의 통신 범위 내에 무작위로 배치되고 각 센서 노드는 해당 CH에서 2m 거리 내에 무작위로 배치된다고 가정하였다. 네트워크 크기 및 토폴로지에 적합한 TSCH 동시 슬롯프레임의 초기 구조 설정의 영향을 조사하기 위해 클러스터 내 센서 노드 수와 트래픽의 변화가 없는 정적 클러스터 트리 네트워크 환경이 고려되었다. 또한 시뮬레이션 시작 시 모든 센서 노드가 140mA의 동일한 잔여 에너지량을 유지한다고 가정된다.
타임슬롯 길이는 10ms로 설정되었으며, 기존 TSCH MAC은 고정된 100개의 타임슬롯 길이를 갖는 단일 슬롯프레임을 사용한다고 가정하였다. MCSS의 경우 CM 슬롯프레임 및 HAP 슬롯프레임의 길이는 각각 331 및 5개의 타임슬롯으로 설정되었다. CM 슬롯프레임 길이는 CM 교환을 포함한 대표적인 TSCH+RPL 네트워크 구현인 Contiki 구현의 기본 설정을 참조하여 설정되었다. HAP 슬롯프레임 길이는 실험을 통해 총 처리량을 최대화하는 소수로 경험적으로 설정되었다.
WPT 슬롯프레임 길이는 알고리즘 1에 의해 결정되었으며, 그 최대값은 기존 TSCH MAC의 단일 슬롯프레임 길이(즉, 100)에 가장 가까운 소수인 101 타임슬롯으로 제한된다. WPT 슬롯프레임 길이에 제한이 없다면 네트워크에 수용할 수 있는 센서 노드의 수는 거의 동일하다. 따라서 네트워크 성능에서 의미 있는 변화를 얻을 수 없다.
TMSS는 EB 프레임 및 제어 메시지를 전송하기 위해 EB 슬롯프레임을 사용하고 센서 노드의 에너지 수확 및 데이터 전송을 위해 TMSS 슬롯프레임을 사용한다. 따라서 TMSS에서 EB 슬롯프레임 길이는 MCSS의 CM 슬롯프레임과 동일한 331 타임슬롯으로 설정되었고, TMSS 슬롯프레임 길이는 데이터 패킷의 전송 주기를 고려하여 100 타임슬롯으로 설정되었다.
또한 각 센서 노드는 초당 일정 수의 데이터 패킷을 자신의 CH로 전송한다고 가정되었으며, 이는 1, 2, 4로 설정되었다. 데이터 패킷 크기와 데이터 전송률은 각각 127바이트 및 250Kbps로 설정되었다. HAP별 전송 전력(PTx), 경로-손실 매개변수(a), 에너지 수확 효율 계수(η)와 같은 시뮬레이션 매개변수를 각각 100mW, 2.7, 0.65로 설정하여 전력 셀 수를 계산하였다. 또한 한 타임슬롯 동안 센서 노드가 전송(Ptx), 수신(Prx), 유휴(Pidle), 슬립(Psleep) 상태일 때 소모하는 에너지를 각각 20.98, 17.96, 0.001, 0.001mA로 설정하였다.
평균 종단 간 지연, 총 처리량 및 평균 수확 에너지 측면에서 MCSS의 성능이 기존 TSCH MAC 및 TMSS의 성능과 비교되었다. 또한 WPT가 총 처리량에 미치는 영향이 조사되었다. 시뮬레이션은 100번 반복되었다. 자세한 매개변수는 표 1에 나열되어 있다.
MCSS에서 WPT 슬롯프레임 길이는 요구되는 전력 및 데이터 셀의 수에 따라 결정되며, 이중 오버 프로비저닝된 셀의 수는 CM 슬롯프레임과 HAP 슬롯프레임의 길이에 따라 결정된다. 시뮬레이션에서는 먼저 EB 프레임이 EB 전송 주기 내에서 한 번 이상 전송되도록 하기 위해 CM 슬롯프레임 길이는 EB 전송 주기보다 짧게 설정되었다.
그런 다음 총 처리량을 최대화하는 HAP 슬롯프레임 길이가 실험적으로 조사되었다. 이 실험에서 HAP 슬롯프레임의 길이는 3에서 20까지 다양하다. 도 6의 (a), (b), (c)는 초당 전송되는 데이터 패킷의 수가 각각 1, 2, 4일 때 HAP 슬롯프레임 길이와 센서 노드 수의 변화에 따른 MCSS의 총 처리량 변화를 보여준다. 일반적으로 각 도면에서 MCSS의 총 처리량은 HAP 슬롯프레임 길이가 23에서 5로 감소함에 따라 증가하고 5에서 3으로 변경될 때 다시 감소한다. HAP 슬롯프레임 길이가 짧을수록 HAP 간에 데이터 패킷을 더 자주 교환할 수 있다.
그러나 HAP 슬롯프레임에서 셀의 우선순위는 항상 WPT 슬롯프레임에서 셀의 우선순위보다 높다. 따라서, HAP 슬롯프레임 길이가 매우 짧은 경우(즉, 3) WPT 슬롯프레임에서 센서 노드에서 CH로 전송되는 데이터 패킷의 수가 감소하고 결과적으로 총 처리량(aggregate throughput)이 감소한다. 도면에서 색상은 총 처리량 수준을 나타낸다. 색상이 밝을수록 총 처리량이 높은 것이다. 그 결과, HAP 슬롯프레임 길이가 5일 때 총 처리량이 가장 높다. 따라서 이후 실험에서 HAP 슬롯프레임 길이가 5로 설정되었다.
도 7은 초당 전송되는 다양한 데이터 패킷 수에 대한 평균 종단 간 지연의 변화를 보여준다. 평균 종단 간 지연은 데이터 패킷이 센서 노드에서 루트로 전송되는 데 걸리는 평균 시간을 나타낸다. MCSS는 초당 전송되는 데이터 패킷 수에 관계없이 기존 TSCH MAC 및 TMSS보다 더 낮은 평균 종단 간 지연을 나타낸다. MCSS에서 각 HAP는 TSCH 슬롯프레임 및 TMSS 슬롯프레임보다 짧은 HAP 슬롯프레임을 사용하여 클러스터 구성원으로부터 수신한 데이터 패킷을 루트로 전송한다.
MCSS에서 초당 전송되는 데이터 패킷의 수가 1일 때, 평균 종단 간 지연은 센서 노드의 수가 증가함에 따라 크게 증가하지 않는다. 이러한 결과는 MCSS에서 HAP 슬롯프레임이 HAP 슬롯프레임을 이용하여 데이터 트래픽을 충분히 수용할 수 있고, 중첩된 셀로 인한 데이터 전송 지연만 발생하기 때문이다. 초당 전송되는 데이터 패킷의 수가 2와 4일 때, 센서 노드의 수가 각각 36과 20이 될 때까지 평균 종단 간 지연이 증가한다. 이는 센서 노드에서 HAP로 전송되는 데이터 패킷의 수(즉, 클러스터 내 트래픽)가 증가하더라도 HAP 간에 데이터 패킷을 교환하는 셀의 수는 증가하지 않기 때문이다.
이 경우 센서 노드의 수가 36, 20보다 크면 WPT 슬롯프레임의 모든 셀이 점유된다. 이 경우, WPT 슬롯프레임에 추가 데이터 셀을 할당할 수 없으므로 종단 간 지연이 더 이상 증가하지 않는다. 기존 TSCH MAC에서 데이터 셀은 고정된 길이의 TSCH 슬롯프레임에 랜덤하게 할당된다. 따라서, HAP는 TSCH 슬롯프레임에서 클러스터 내 트래픽 전송에 사용되는 데이터 셀이 클러스터 내 트래픽 전송에 사용되는 데이터 셀보다 이전 타임슬롯에 할당될 수 있기 때문에 다음 TSCH 슬롯프레임이 전송될 때까지 기다릴 수 있다. TMSS의 평균 종단 간 지연은 기존 TSCH MAC의 지연과 거의 유사하지만 약간 더 길다. TMSS 슬롯프레임과 TSCH 슬롯프레임의 길이는 100개의 타임슬롯과 같으므로, 두 경우 모두 클러스터 간 트래픽과 클러스터 내 트래픽 전송을 위한 동일한 수의 전력 및 데이터 셀이 하나의 슬롯프레임에 할당된다. 그러나 TMSS에서는 별도의 EB 슬롯프레임을 사용하기 때문에 셀 간의 중첩으로 인해 데이터 패킷이 지연될 수 있다. 정량적으로, 초당 전송되는 데이터 패킷의 수가 1, 2, 4일 때 MCSS의 평균 종단 간 지연은 각각 기존 TSCH MAC 및 TMSS의 평균 종단 간 지연보다 94.09%와 94.15%, 80.40%와 80.60%, 37.41%와 38.03% 짧다.
도 8의 (a), (b), (c)는 각각 초당 전송되는 1, 2, 4 데이터 패킷에 대한 클러스터 구성원 수의 변화에 따른 각 HAP에 대한 WPT 슬롯프레임 길이의 변화를 보여준다. 일반적으로 각 도면에서 HAP 1이 루트이고 클러스터 구성원이 없기 때문에 HAP 1의 WPT 슬롯프레임 길이는 2와 같다. 초당 전송되는 데이터 패킷의 수가 1인 경우 HAP 클러스터 내 증가된 전력 및 데이터 트래픽을 수용하기 위해 WPT 슬롯프레임 길이가 결정되기 때문에 클러스터 구성원의 수가 증가함에 따라 HAP(HAP 1 제외)의 WPT 슬롯프레임 길이가 증가한다. 반면, 초당 전송되는 데이터 패킷의 수가 2개 또는 4개인 경우 WPT 슬롯프레임 길이는 증가하다가 최대값인 101개에서 더 이상 증가하지 않는다.
도 9는 초당 전송되는 데이터 패킷 수가 변할 때 총 처리량의 변화를 보여준다. MCSS에서는 WPT 슬롯프레임에 데이터 및 전력 셀만 할당되지만, 기존 TSCH에서는 모든 유형의 셀이 하나의 TSCH 슬롯프레임에 할당된다. 마찬가지로 TMSS에서는 EB 프레임과 제어 메시지를 제외한 모든 전력 및 데이터 셀이 동일한 TMSS 슬롯프레임에 할당된다. 즉, MCSS의 WPT 슬롯프레임은 기존 TSCH MAC의 슬롯프레임보다 더 많은 센서 노드의 데이터 셀을 수용할 수 있다. 따라서 도면에서 MCSS는 센서 노드의 수가 일정 수 이상이고 초당 전송되는 데이터 패킷의 수가 고정되어 있을 때 기존의 TSCH MAC 및 TMSS보다 더 높은 총 처리량을 얻는다. 센서 노드의 수가 일정 수 미만인 경우 슬롯프레임이 모든 네트워크 트래픽을 수용하므로 모든 프로토콜의 총 처리량은 동일하다. 정량적으로 초당 1, 2, 4개의 데이터 패킷이 전송될 때 MCSS의 총 처리량은 기존 TSCH MAC 및 TMSS보다 각각 26.82% 및 26.60%, 18.63% 및 18.37%, 8.21% 및 7.87% 높다.
도 10은 초당 전송되는 다양한 데이터 패킷 수에 대한 평균 수확 에너지를 보여준다. 초당 전송되는 데이터 패킷의 수가 1인 경우 WPT 슬롯프레임 길이가 기존 TSCH MAC 및 TMSS의 슬롯프레임 길이보다 항상 짧기 때문에 MCSS는 센서 노드 수에 관계없이 기존 TSCH MAC 및 TMSS보다 더 높은 평균 수확 에너지를 나타낸다. 초당 전송되는 패킷의 수가 2 또는 4일 때 센서 노드의 수가 24 또는 12보다 크면 도 8과 같이 MCSS의 평균 수확 에너지가 기존 TSCH MAC 및 TMSS보다 낮다. 또한 MCSS는 여러 개의 동시 슬롯프레임을 사용하여 기존 TSCH MAC 및 TMSS보다 많은 수의 센서 노드에 대한 전력 및 데이터 트래픽을 수용할 수 있다. 그러나 이러한 다중 동시 슬롯프레임은 셀 간에 중첩을 유발하여 기존 TSCH MAC 및 TMSS에 비해 MCSS의 개별 센서 노드가 수확하는 평균 에너지를 줄인다.
초당 전송되는 데이터 패킷의 수가 1개일 때, 센서 노드의 수가 증가할수록 WPT 슬롯프레임에 할당된 각 센서 노드에 대한 전력 셀의 수가 감소하기 때문에 MCSS의 평균 수확 에너지는 감소한다. 초당 전송되는 데이터 패킷의 수가 2개 또는 4개라면 MCSS의 평균 수확 에너지는 일정 수준에 도달할 때까지만 감소한다. 그 이유는 WPT 슬롯프레임에 성공적으로 할당된 전력 셀의 수는 센서 노드의 수가 일정 수를 초과하더라도 증가하지 않기 때문이다. 반면, 기존의 TSCH MAC과 TMSS는 슬롯프레임에 할당된 각 센서 노드에 대한 전력 셀의 수가 동일하기 때문에 센서 노드의 수에 관계없이 서로 거의 유사한 일정한 평균 수확 에너지를 유지한다. TMSS에서 별도의 EB 슬롯프레임을 사용하면 기존 TSCH MAC에 비해 더 많은 센서 노드의 에너지 수확이 가능하다. 그러나 TMSS는 셀 간의 중첩으로 인해 기존 TSCH MAC보다 약간 낮은 평균 수확 에너지를 나타낸다. 초당 전송되는 데이터 패킷의 수가 1, 2, 4일 때 MCSS의 평균 수확 에너지는 기존 TSCH MAC 및 TMSS보다 각각 244.30% 및 244.28%, 79.68% 및 79.68%로 11.90% 및 11.90% 높았다.
WPT가 MCSS의 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해 HAP가 센서 노드에 전력을 전송하는 경우(즉, WPT가 있는 MCSS)와 그렇지 않은 경우(즉, WPT가 없는 MCSS)의 총 처리량이 비교되었다. 본 실험에서는 센서 노드의 초기 잔여 에너지량을 70~140mA 사이에서 임의로 설정하였으며, 시뮬레이션 시간은 50분에서 500분으로 50분 단위로 증가하였다. 도 11의 (a), (b)는 센서 노드의 수가 각각 12개와 36개일 때 시뮬레이션 시간에 따른 MCSS의 총 처리량 변화를 보여준다. WPT가 있는 MCSS의 경우 센서 노드의 에너지가 고갈된 상태인 데드 노드가 발생하지 않도록 에너지 수확을 수행하기 때문에 시뮬레이션 시간에 관계없이 총 처리량이 일정하게 유지되었다. 반면, 시뮬레이션 시간이 증가할수록 WPT가 없는 MCSS의 경우 총 처리량은 특정 시뮬레이션 시간까지 일정하게 유지되다가 감소하기 시작하였다. 총 처리량이 일정하게 유지되는 부분에서는 센서 노드가 소모하는 에너지가 잔여 에너지보다 적기 때문에 데드 노드가 발생하지 않는다. 반대로, 반대의 경우 시뮬레이션 시간이 증가할수록 데드 노드의 수가 증가하고 결과적으로 총 처리량이 감소한다.
도 11의 (a)에서 두 경우 모두에서 모든 센서 노드는 WPT 슬롯프레임에 필요한 데이터 셀을 성공적으로 할당한다. 따라서 총 처리량은 특정 시뮬레이션 시간까지 동일하게 유지된다. 한편, 도 11의 (b)와 같이 WPT가 있는 MCSS의 경우 WPT 슬롯프레임에 할당되는 전력 셀의 증가로 인해 자신의 데이터 셀을 할당할 수 없는 센서 노드가 존재한다. 따라서 WPT가 없는 MCSS의 경우 총 처리량이 WPT가 있는 MCSS의 경우보다 높은 부분이 있다. 그러나 WPT가 없는 MCSS의 경우 시뮬레이션 시간이 증가할수록 데드 노드의 수가 증가한다. 따라서 특정 시뮬레이션 시간이 지나면 WPT가 없는 MCSS의 총 처리량은 WPT가 있는 MCSS의 총 처리량보다 낮아진다.
본 개시에서는 WPT 지원 WSN에서 클러스터 트리 네트워크 토폴로지와 다양한 트래픽 유형을 지원하도록 설계된 MCSS 프로토콜을 제시한다. MCSS는 CM 슬롯프레임, HAP 슬롯프레임 및 WPT 슬롯프레임의 세 가지 유형의 TSCH 동시 슬롯프레임을 정의하여 WPT 지원 WSN에 대한 CM 트래픽, 클러스터 간 트래픽 및 클러스터 내 트래픽을 각각 스케줄링한다. 셀 중첩으로 인한 문제를 해결하기 위해 MCSS는 각 슬롯프레임을 다른 길이와 전송 우선순위로 설정한다. 특히, 각 클러스터에 대한 WPT 슬롯프레임 길이는 계산된 오버 프로비저닝된 셀 수를 포함하여 필요한 전력 및 데이터 셀의 총 수를 기반으로 결정된다. 실험 시뮬레이션은 다양한 네트워크 크기의 환경에서 수행되었다. MCSS, 기존 TSCH MAC, 및 TMSS의 성능이 평균 종단 간 지연, 총 처리량, 및 평균 수확 에너지 측면에서 비교된 결과 MCSS의 우수성이 입증되었다.
한편, 이상에서 설명된 다양한 실시 예들은 서로 저촉되지 않는 한 복수의 실시 예가 결합되어 구현될 수 있다.
한편, 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 각 장치에서의 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 HAP 등 특정 기기의 프로세서에 의해 실행되었을 때 상술한 다양한 실시 예에 따른 HAP의 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 안 될 것이다.

Claims (11)

  1. 하나의 HAP(Hybrid Access Point) 및 하나 이상의 센서 노드를 포함하는 클러스터를 하나 이상 포함하는, 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템에 있어서,
    상기 HAP는,
    상기 클러스터 내 EB(Enhanced Beacon) 프레임의 송수신을 위한 CM 슬롯프레임 내에서 적어도 하나의 제1 셀을 선택하고,
    서로 다른 클러스터에 속한 HAP 간에 데이터를 전달하기 위한 HAP 슬롯프레임 내에서, 상기 제1 셀과 타임슬롯이 중첩되지 않는 적어도 하나의 제2 셀을 선택하고,
    상기 클러스터 내 전력 전송 및 데이터 전송을 지원하는 WPT(Wireless Power Transfer) 슬롯프레임 내에서, 상기 제1 셀 및 상기 제2 셀과 타임슬롯이 중첩되지 않는 적어도 하나의 제3 셀을 선택하는, 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 CM 슬롯프레임, 상기 HAP 슬롯프레임, 및 상기 WPT 슬롯프레임 각각의 길이는 서로 소수이고,
    상기 HAP 슬롯프레임의 길이는 상기 CM 슬롯프레임 및 상기 WPT 슬롯프레임 각각의 길이보다 짧은, 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 HAP는,
    상기 WPT 슬롯프레임의 초기 길이를 포함하는 제1 EB 프레임을 상기 클러스터 내에 브로드캐스트하고,
    상기 클러스터 내에 포함된 전체 클러스터 구성원으로부터 수신되는 메시지를 바탕으로, 상기 WPT 슬롯프레임 내에 할당되는 최소 데이터 셀 수 및 최소 전력 셀 수를 식별하고,
    상기 CM 슬롯프레임, 상기 HAP 슬롯프레임, 및 상기 WPT 슬롯프레임 간의 전송 우선순위에 따라 중첩이 방지됨을 전제로, 상기 WPT 슬롯프레임 내에 추가적으로 할당되는 셀의 수를 산출하고,
    상기 최소 데이터 셀 수, 상기 최소 전력 셀 수, 및 상기 추가적으로 할당되는 셀의 수를 바탕으로 변경된 WPT 슬롯프레임의 길이를 포함하는 제2 EB 프레임을 브로드캐스트하는, 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 HAP는,
    이하 수학식을 바탕으로 각 클러스터 구성원에 필요한 최소 전력 셀 수를 산출함으로써, 상기 WPT 슬롯프레임 내에 할당되는 최소 전력 셀 수를 식별하고,

    i는 상기 클러스터 내 클러스터 구성원의 인덱스이고, j는 상기 HAP가 포함된 상기 클러스터의 인덱스이고, nnode,j는 j번째 클러스터의 클러스터 구성원의 수이고, M은 무선 센서 네트워크에 포함된 HAP의 전체 수이고, nminDC,i는 i번째 클러스터 구성원을 위해 필요한 데이터 셀의 최소 수이고, ERx,timeslot,i은 단일 타임슬롯 동안 상기 HAP로부터 i번째 클러스터 구성원으로 제공되는 에너지인, 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 HAP는,
    이하 수학식들을 바탕으로 각 클러스터 구성원에 대하여 오버 프로비저닝된 전력 셀의 수(noverPC,i) 및 데이터 셀의 수(nnoverDC,i)를 각각 산출함으로써, 상기 WPT 슬롯프레임 내에 추가적으로 할당되는 셀의 수를 산출하고,


    novercell,j는 j번째 클러스터에서 오버 프로비저닝된 셀의 전체 수인, 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 HAP는,
    이하 수학식을 바탕으로, j번째 클러스터의 다중 동시 슬롯프레임들의 최소공배수(lLCM,j)에 따라 novercell,j를 산출하고,

    lWPT,j는 j번째 클러스터의 초기 WPT 슬롯프레임 길이이고, ntotalcell,j는 lLCM,j 타임슬롯 동안 j번째 클러스터를 위하여 MCSS 스케줄에 할당될 것으로 기대되는 셀의 전체 수인, 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 HAP는,
    이하 수학식을 바탕으로 ntotalcell,j를 산출하고,

    nCMcell,j 및 nHAPcell,j 는 lLCM,j 개의 타임슬롯 동안 j번째 클러스터의 CM 슬롯프레임 및 HAP 슬롯프레임에 각각 독립적으로 할당될 것으로 기대되는 셀들의 수이고, ndupcell,CM&HAP,j는 lLCM,j 개의 타임슬롯 동안 j번째 클러스터의 CM 슬롯프레임 및 HAP 슬롯프레임 사이에 중첩 할당될 것으로 기대되는 셀들의 수인, 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 HAP는,
    이하 수학식들을 바탕으로, 각 클러스터 구성원을 위해 필요한 전력 셀의 수(nreqPC,i) 및 데이터 셀의 수(nreqDC,i)를 각각 산출하고,


    이하 수학식에 따라 j번째 클러스터의 WPT 슬롯프레임의 최소 길이(lminWPT,j)를 선택하는,

    무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 HAP는,
    상기 WPT 슬롯프레임의 최소 길이(lminWPT,j)가 소수인 경우, 상기 최소 길이를 상기 WPT 슬롯프레임의 길이로 결정하고,
    상기 WPT 슬롯프레임의 최소 길이(lminWPT,j)가 소수가 아닌 경우, 상기 최소 길이를 1씩 증가시키면서 상기 최소 길이보다 큰 최소의 소수를 선택하여 상기 WPT 슬롯프레임의 길이로 결정하고,
    상기 결정된 상기 WPT 슬롯프레임의 길이에 대한 정보를 포함하는 EB 프레임을 브로드캐스트하는, 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템.
  10. 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템을 구성하는 복수의 클러스터 중 일 클러스터에 포함된 HAP(Hybrid Access Point)의 제어 방법에 있어서,
    상기 클러스터 내 EB(Enhanced Beacon) 프레임의 송수신을 위한 CM 슬롯프레임 내에서 적어도 하나의 제1 셀을 선택하는 단계;
    서로 다른 클러스터에 속한 HAP 간에 데이터를 전달하기 위한 HAP 슬롯프레임 내에서, 상기 제1 셀과 타임슬롯이 중첩되지 않는 적어도 하나의 제2 셀을 선택하는 단계; 및
    상기 클러스터 내 전력 전송 및 데이터 전송을 지원하는 WPT(Wireless Power Transfer) 슬롯프레임 내에서, 상기 제1 셀 및 상기 제2 셀과 타임슬롯이 중첩되지 않는 적어도 하나의 제3 셀을 선택하는 단계;를 포함하는, HAP의 제어 방법.
  11. 전자 장치에 있어서,
    적어도 하나의 인스트럭션이 저장된 메모리; 및
    상기 인스트럭션을 실행함으로써 제10항의 제어 방법을 수행하는, 프로세서;를 포함하는, 전자 장치.
KR1020220093589A 2022-07-28 2022-07-28 클러스터 내 다중 슬롯프레임 간의 중첩을 방지하는 무선 전력 전송 기반의 무선 센서 네트워크 시스템 KR20240015838A (ko)

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