WO2011129515A1 - 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 mac 통신 방법 - Google Patents

환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 mac 통신 방법 Download PDF

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WO2011129515A1
WO2011129515A1 PCT/KR2010/009192 KR2010009192W WO2011129515A1 WO 2011129515 A1 WO2011129515 A1 WO 2011129515A1 KR 2010009192 W KR2010009192 W KR 2010009192W WO 2011129515 A1 WO2011129515 A1 WO 2011129515A1
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WO
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slave node
data
node
energy
master node
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PCT/KR2010/009192
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김재호
이상신
안일엽
문연국
송민환
원광호
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전자부품연구원
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    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Definitions

  • the present invention relates to a low-power MAC communication method for an environmental energy acquisition-based sensor network, and more particularly, to an environmental energy acquisition-based sensor network capable of adaptively changing a communication method according to an energy situation of a slave node in a wireless power transmission-based sensor network. It relates to a low power MAC communication method for.
  • FIG. 1 is a timing chart according to a B-MAC protocol among existing MAC (Media Access Layer) technologies for sensor networks.
  • the B-MAC adds a preamble before the message.
  • the receiver switches from the sleep mode to the wake-up mode at regular intervals. In this state, when the surrounding channel is found and the preamble is found, the receiver wakes up the receiving node and receives data at the end of the preamble. If not found, it goes back to sleep mode.
  • LPL low power listening
  • B-MAC is a suitable model for small networks with few nodes.
  • the long preamble causes energy waste in the transmission process by the preamble itself.
  • all nodes including the receiving node around the transmitting node, wake up until the end of the preamble. Therefore, X-MAC has been proposed to reduce energy consumption due to this long preamble.
  • the essential content of X-MAC is to make a long preamble into a series of short preambles and include a target address for each preamble. In this way, the energy consumption of the preamble itself can be reduced, and since each preamble has a destination address, only the intended node wakes up when the receiver finds the preamble.
  • X-MAC is a further development of B-MAC in asynchronous mode.
  • the sensor network can be solved by changing the long preamble into a short preamble, reducing the waiting time at the transmitting and receiving end, and solving the overhearing problem in which adjacent nodes other than the target node wake up Has brought an overall energy saving.
  • asynchronous B-MAC and X-MAC include a preamble at the transmitting end, data transmission takes a long time.
  • the preamble itself is directed against all the neighboring nodes, collisions may occur while the nodes transmit.
  • FIG. 2 is a timing chart according to the RI-MAC protocol among existing media access layer (MAC) technologies for sensor networks.
  • a receiver-initiated MAC (RI-MAC) is an asynchronous duty cycle scheme, which, as the name implies, determines transmission at the receiving end R side.
  • Each node of the RI-MAC wakes up periodically on its own schedule.
  • the receiving end R wakes up and sends a beacon B toward the transmitting end S in the sense that it is ready to receive when the medium is ideal.
  • the transmitting end S receiving the beacon B immediately transmits the data packet DATA with reference to the address of the receiving end R included in the beacon B. Therefore, RI-MAC does not have to wait until the preamble is finished, so it is possible to minimize the time until data is transmitted and send data to the address received at the time of transmission, thus eliminating waking up the wrong node, thereby improving energy efficiency.
  • RI-MAC When using RI-MAC, an overhearing problem does not occur by clearly indicating a position to be transmitted from a receiving end to a transmitting end, and since there is a certain target node, contention between nodes occurs in the transmission process, thereby avoiding collision between data.
  • data can be sent immediately after receiving beacons, which reduces the waiting time for transmission and reception, thereby reducing energy consumption.
  • the power transmission-based sensor network is an important technology that can be applied to a variety of applications that can not replace the battery of the sensor node.
  • Such a power transmission based sensor network MAC technology requires very low power since the power can be obtained through wireless power transmission.
  • the power transmission-based sensor network requires a MAC technology that can operate adaptively in such a situation because the remaining power varies dynamically according to the supply and use of energy.
  • the existing sensor network MAC technology for supporting low power has achieved considerable results for low power, but it is not a technology that takes into account the situation in which the remaining available power increases or decreases dynamically over time and transmits power. Because the technologies do not consider the characteristics of the node and the node receiving the power, the communication method cannot be adaptively changed according to the energy situation of the slave node, and thus communication performance is deteriorated such that communication is not performed when necessary. There was this.
  • the present invention has been made to solve the above-described problem, and in the wireless power transmission-based sensor network, it is possible to adaptively change the communication method according to the energy situation of the slave node, thereby improving the environmental performance.
  • An object of the present invention is to provide a low power MAC communication method.
  • a low power MAC communication method for an environmental energy acquisition-based sensor network of the present invention for achieving the above object includes a master node and at least one slave node operating by charging external energy.
  • the MAC communication method is configured to enable an active method that operates by autonomously determining a duty cycle according to a required data transmission period, and a passive method where the duty cycle is determined and operated according to the amount of energy obtained,
  • the slave node operates by selecting one of the active method and the passive method according to a charging energy situation.
  • the sensor network serves to transmit energy or collect data by the master node, and the slave node acquires energy transmitted from the master node and transmits the sensed data to the master node. It is characterized in that the sensor network based wireless power transmission in the form of a star topology.
  • the active method wakes up according to a wake-up timer method in which the slave node wakes up using its wake-up timer and a wake-up frame transmitted from the master node by the slave node. It is characterized in that it is divided into the wake-up radio (Wake-up Radio) method.
  • the wake-up radio Wike-up Radio
  • the slave node when the master node transmits data to the slave node, the slave node periodically switches from the sleep mode to the active mode according to a duty cycle that is determined using its wake-up timer. (Ta1) step; A step (ta2) of sending a "READY" packet indicating that the slave node is ready to receive data when the slave node has no data to transmit when it is switched to the active mode and the master node receiving the "READY" packet (Ta3) transmitting data when there is data to be transmitted,
  • the slave node When the slave node transmits data to the master node, the slave node is in the active mode, characterized in that it comprises the step of transmitting data directly to the master node (tb1).
  • the master node when the master node transmits data to the slave node, the master node includes an ID of the slave node corresponding to the master node according to a period corresponding to a duty cycle of the slave node. (Ra1) sending an up frame to the slave node; (Ra2) the slave node receiving the wake-up frame transmitting a "READY" packet to the master node to indicate that it is ready to transmit and receive data and the master node receiving the "READY" packet. (Ra3) transmitting data to the slave node,
  • an ID of the corresponding slave node is determined to check whether there is data to be sent to the slave node according to a period corresponding to a duty cycle of the slave node. (Rb1) transmitting the wake-up frame including the slave node to the slave node and transmitting the data to the master node when the slave node has data to be sent (rb2).
  • the "READY" packet is characterized in that its own energy level information is included.
  • the data may include information indicating whether there is data to be further transmitted next.
  • the passive method is used when the energy acquisition amount of the slave node cannot operate in the active mode.
  • the master node transmits data to the slave node, the energy charge amount of the slave node exceeds the threshold. If the slave node has no data to transmit, polling data of the master node autonomously by sending a "READY" packet (pa1); The master node receiving the "READY” packet transmits data to the slave node (pa2) and when the slave node receives the data, the master node transitions to a down state after transmitting the "ACK" packet (pa3) ) Step,
  • the slave node When the slave node transmits data to the master node, when the amount of energy charging of the slave node exceeds a threshold, the slave node transmits data to be transmitted by itself, and down state when an "ACK" packet is received from the master node. Characterized in that it comprises a step (pb1) is converted to.
  • the low-power MAC communication method for an environmental energy acquisition-based sensor network of the present invention it is possible to minimize idle listening of a slave node of a sensor network using wireless energy transmission and to adaptively operate according to the state of the acquisition power. This maximizes the performance of the network. Therefore, in the present invention, it is impossible to replace the battery in the future, so that various application areas of the sensor network that must operate on a wireless power transmission basis, for example, an implant sensor node such as industrial control, facility monitoring, disaster / disaster management, and agricultural product management are required. It can be applied to a wide range of applications.
  • 1 is a timing chart according to a B-MAC protocol among existing MAC (Media Access Layer) technologies for sensor networks;
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a wireless power transmission-based sensor network system in the form of a star topology to which the communication method of the present invention can be applied.
  • 4A and 4B are timing charts according to a wake-up timer based sleep & wake-up MAC protocol among low power MAC communication methods for a wireless power transmission-based sensor network of the present invention
  • 5A and 5B are timing charts according to a wake-up radio based sleep & wake-up MAC protocol among low power MAC communication methods for a wireless power transmission based sensor network of the present invention
  • 6A and 6B are timing charts according to a passive down & wake-up MAC protocol among low power MAC communication methods for a wireless power transmission based sensor network of the present invention.
  • the low power MAC technology for the wireless power transfer based sensor network of the present invention has to operate at extremely low power because very little power can be obtained through wireless power transfer. Before designing such an ultra low power MAC, it is necessary to define the structure of the system.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a wireless power transmission based sensor network system having a star topology.
  • a node constituting a sensor network in the form of a star topology obtains the sensed data based on the master node (Master), which is responsible for transmitting energy or collecting data, and the transmitted RF energy. It consists of slave nodes (Slaves) to send to the master node.
  • Master master node
  • Slaves slave nodes
  • the master node is basically connected to the main power supply or obtains energy through a high capacity energy harvesting device. Therefore, in the case of the master node, the total available energy per hour is determined, and some of the available energy is transmitted to the sensor nodes and operated using the remaining energy.
  • the slave node stores the RF energy transmitted from the master node in the charging device through a rectenna and periodically transmits sensing data based on the obtained energy. If the amount of energy acquired is larger than the energy required for transmission, transmission is possible according to the set period. Otherwise, a delay of the data transmission period occurs according to the energy charging period.
  • the present invention proposes a low power MAC communication method for a wireless power transmission based sensor network, and accordingly, it selectively operates in an active or passive manner according to the wireless power transmission and the energy situation of a slave node. .
  • the active mode is a mode used when sufficient power is acquired for the slave node to communicate according to a predetermined data transmission period.
  • the duty cycle is determined according to the transmission period of the slave node.
  • the active method is divided into a wake-up radio method and a wake-up timer method according to the wake-up operation method of the communication device.
  • the passive method is a situation in which a slave node does not receive enough power to communicate according to a predetermined data transmission period.
  • the system is powered down until the power required for communication is charged and the charged power exceeds a certain threshold. It is a down & wake-up method in which a slave node wakes up and sends data to the master node or informs that it has woken up.
  • A) Active method Sleep & wake-up MAC
  • FIG. 4A and 4B are timing charts according to a wake-up timer based sleep & wake-up MAC protocol among low power MAC communication methods for a wireless power transmission based sensor network of the present invention.
  • the wake-up timer based sleep & wake-up MAC protocol when the master node M sends data to the slave node S, as shown in FIG. 4A, the slave node S has its own wake-up.
  • a timer is used to periodically transition from sleep mode to active mode to match the duty cycle already determined. If the message is not sent when it is started in the active mode, the channel is acquired through a Contention for Channel Access (hereinafter referred to simply as a 'competition procedure') (C) and data is transmitted to the master node (M).
  • C Contention for Channel Access
  • the master node M receives the data packet DATA only when there is a data packet DATA to send as shown on the right side of FIG. 4A. After the transmission is completed, the slave node S sends an "ACK" packet to complete the data transmission process.
  • the data packet (DATA) in the header information of that the send more data packets to the next presence of for example if 0 2 is absent, 0 1 exists) (More pkt) the chamber come frequent by enabling a continuous data transmission It can save overhead energy from competition process.
  • the slave node S sends the data packet DATA to the master node M
  • the slave node S is in an active mode and the data packet is transmitted to the master node M.
  • FIG. (DATA) is sent. Since the master node (M) is always on, the data packet (DATA) is sent immediately after acquiring a channel through the competition procedure (C). Also in this case, the data packet DATA can be continuously transmitted by putting information More pkt of whether there is a data packet to be further sent later in the header of the data packet DATA.
  • Short Interframe Space (SIFS) in FIG. 4 refers to a short time interval given between frames.
  • 5A and 5B are timing charts according to a wake-up radio based sleep & wake-up MAC protocol among low power MAC communication methods for a wireless power transmission based sensor network of the present invention.
  • the master node M when the master node M sends a data packet DATA to the slave node S, it corresponds to the duty cycle of the slave node S as shown in FIG. 5A.
  • the master transmits a wake-up frame including the ID of the corresponding slave node S through the wake-up channel of the slave node S, and the contention procedure (C) for acquiring the channel prior to such transmission.
  • the slave node S receiving the wake-up frame sends a "READY" packet to the master node M through a contention procedure C to inform that it is ready to transmit and receive the data packet DATA. After obtaining the will be sent.
  • This "READY" packet contains its own energy level (Batt Level).
  • the master node M transmits a data packet DATA to the slave node S.
  • the slave node S notifies the master node M that the data packet DATA has been successfully received through the "ACK" packet.
  • the data packet DATA includes information on whether there is a data packet to be sent further (More pkt) to support continuous data transmission. The number of allowances can be changed. Mechanisms that allow the simultaneous transmission of multiple data packets can reduce the energy consumption overhead of data transmission.
  • the master node when the slave node S sends the data packet DATA to the master node M, as shown in FIG. 5B, the master node according to the period corresponding to the duty cycle of the slave node S first determined as shown in FIG. 5B.
  • (M) performs polling to check whether there is data to be sent to the slave node S.
  • a wake-up frame including the ID of the corresponding slave node S is transmitted through the wake-up channel of the slave node S.
  • a competition procedure (C) is first performed. Meanwhile, if the slave node S receives the wake-up frame and has a data packet DATA to send, the slave node S performs a contention procedure C to obtain a corresponding channel, and then the data packet DATA. Is transmitted to the master node (M). If the data is successfully transmitted, the master node M notifies that the data packet DATA has been successfully received through the "ACK" packet.
  • the data packet DATA may include information on whether there is a data packet to be sent next, as described above (more pkt), thereby enabling continuous data transmission.
  • the maximum allowable number of consecutive frame transmissions through the "More pkt" is changeable.
  • the sleep & wake-up scheme uses a wake-up timer or wake-up radio as a wake up slave node and uses the sleep mode as the standby state of the low power mode.
  • the MAC of the down & wake-up method described below uses a method in which the slave node wakes itself up when the energy of the wireless power transmission is charged above a threshold capable of transmitting data packets.
  • the duty cycle is determined manually by the system according to the state of energy acquisition. This method is configured to operate after allocating channels at the beginning of network configuration in order to minimize energy consumption.
  • FIG. 6A and 6B are timing charts according to a passive down & wake-up MAC protocol among low power MAC communication methods for a wireless power transmission based sensor network of the present invention.
  • the master node M sends a data packet DATA to the slave node S
  • the slave node S sends the slave node S when the amount of energy charging of the slave node S exceeds a threshold. If there is no data, it autonomously polls the master node M by sending a "READY" packet. In order to avoid collision before the transmission of the "READY" packet, a contention procedure C is performed.
  • the master node M receiving the "READY" packet transmits the data packet DATA directly to the slave node S, and the slave node S is switched back to the down state after sending the "ACK" packet.
  • the MAC used here is designed such that the channel acquisition contention algorithm favors the slave node in order to reduce the energy consumption of the slave node.
  • the slave node S sends the data packet DATA to the master node M, as shown in FIG. 6B, when the amount of energy charging of the slave node S exceeds the threshold, the slave node S is shown. After performing the contention procedure C, it immediately transmits a data packet DATA to send.
  • the master node M receiving the data packet DATA sends an "ACK" packet to the slave node S, and the slave node S receiving the "ACK" packet is switched to the down state.
  • the wake-up threshold must be appropriately set to suit the amount of energy required by the super frame.
  • the low-power MAC communication method for an environmental energy acquisition-based sensor network of the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be modified in various ways within the scope of the technical idea of the present invention.
  • the present invention can be applied to a sensor network system based on energy harvesting existing in an environment as well as an energy obtaining environment of a slave node through wireless power transmission as described above.

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Abstract

본 발명은 무선 전력전송기반 센서네트워크에서 슬레이브 노드의 에너지 상황에 따라 적응적으로 통신 방식을 변경할 수 있도록 함으로써 그 통신 성능을 개선한 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법에 관한 것이다. 본 발명의 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법은 하나의 마스터 노드와 외부 에너지를 충전하여 동작하는 하나 이상의 슬레이브 노드를 포함하여 이루어진 센서네트워크에서 상기 슬레이브 노드의 MAC 통신 방식을, 요구되는 데이터 전송 주기에 따라 자율적으로 듀티 사이클을 결정하여 동작하는 액티브 방식과, 획득되는 에너지양에 따라 듀티 사이클이 결정되어 동작하는 패시브 방식이 가능하도록 구성하되, 상기 슬레이브 노드는 충전 에너지 상황에 따라 상기 액티브 방식과 상기 패시브 방식 중 하나를 선택하여 동작한다. 전술한 구성에서 상기 센서네트워크는, 상기 마스터 노드가 에너지를 전송하거나 데이터를 수집하는 역할을 수행하고, 상기 슬레이브 노드는 전송된 상기 마스터 노드에서 전송한 에너지를 획득하여 센싱된 데이터를 상기 마스터 노드에 전송하는 스타 토폴로지 형태의 무선 전력전송기반 센서네트워크인 것을 특징으로 한다.

Description

환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법
본 발명은 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법에 관한 것으로, 특히 무선 전력전송기반 센서네트워크 등에서 슬레이브 노드의 에너지 상황에 따라 적응적으로 통신 방식을 변경할 수 있도록 한 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법에 관한 것이다.
기존 센서네트워크용 MAC(Media Access Layer) 기술 중 저전력을 지원하기 위한 기술은 대표적으로 다음과 같은 기술들이 있다.
1) B-MAC(Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks)
센서네트워크에 대표적인 S-MAC의 경우 주위 노드들과 통신하기 위해서는 노드들 간에 스케줄(schedule)을 주고받아 동기(sync)를 맞춰주는 동기(synchronous) 방식을 사용한다. 노드들 사이에 스케줄을 주고받는 과정에서 많은 오버헤드(overhead)가 발생하고, 센서 네트워크에서 하나의 노드가 추가될 때도 주위 노드들로부터 정보를 받아 스케줄을 맞춰야 하기 때문에 확장성이 줄어든다. 이러한 문제를 극복하기 위해 서로 간에 스케줄 전달 없이도 통신하는 노드들 간에 동기를 맞출 수 있는 Berkeley-MAC(B-MAC)이 제안되었다.
도 1은 기존 센서네트워크용 MAC(Media Access Layer) 기술 중 B-MAC 프로토콜에 따른 타이밍 차트이다. 도 1에 도시한 바와 같이, B-MAC은 송신단(Sender)에서 메시지를 보낼 때 메시지 앞에 프리앰블(preamble)을 추가하여 보낸다. 수신단(Receiver)에서는 일정한 간격으로 슬립(Sleep) 모드에서 웨이크-업 모드로 전환되고, 이 상태에서 주위 채널을 체크하여 프리앰블을 찾게 되면 프리앰블이 끝나는 시점에서 수신 노드를 깨워 데이터를 받게 되고, 프리앰블을 찾지 못하면 다시 슬립 모드로 들어가게 된다.
이러한 방식을 Low Power listening(LPL)이라고 한다. 이러한 방식으로 전송이 이루어지게 되면 주위 노드들과 스케줄을 맞춰주지 않더라도 프리앰블이 끝나는 부분에서 송신단과 수신단을 동시에 웨이크-업(wake-up)시켜 메시지(message)를 전송 할 수 있으므로 서로 스케줄을 맞춰주는데 필요한 오버헤드를 줄일 수 있고, 노드가 추가되더라도 주위 노드의 정보를 전부 알고 있지 않아도 됨으로, 네트워크의 확장성도 증가하게 된다.
B-MAC의 가장 큰 장점은 서로 스케줄 확인을 하지 않고도 노드들 사이에서 LPL 방식을 통해 시간을 맞춰 통신이 가능하다는 것이다. 따라서 스케줄을 확인하는데 쓰이는 오버헤드를 줄일 수 있어 에너지 사용을 줄일 수 있다. 단, 인접 노드가 많은 경우에는 프리앰블 동안 주위 노드가 메시지에 포함된 수신단 주소를 알기까지 모두 깨어나 있기 때문에 에너지 낭비를 가져 올 수 있다. 따라서 B-MAC은 노드 수가 적은 소규모 네트워크에 적합한 모델이다.
2) X-MAC(A Short Preamble MAC Protocol For Duty-Cycled Wireless Sensor Networks)
B-MAC에서 제시한 LPL에서 긴 프리앰블은 프리앰블 자체로도 송신과정에서 에너지 낭비를 가져온다. 또한 프리앰블 동안 송신 노드 주위의 수신 노드를 포함한 모든 노드들이 프리앰블이 끝날 때까지 깨어나 있기 때문에 이에 따른 에너지 소비도 많다. 따라서 이런 긴 프리앰블로 인한 에너지 소비를 줄이고자 X-MAC이 제안되었다. X-MAC의 핵심적인 내용은 긴 프리앰블(long preamble)을 짧은 프리앰블(short preamble)의 연속으로 만들어 각 프리앰블마다 목적지 주소(target address)를 포함하는 것이다. 이러한 방식으로 프리앰블 자체의 에너지 소비를 줄일 수 있고 각 프리앰블마다 목적지 주소를 가지고 있기 때문에 수신단에서 프리앰블을 찾았을 때 목적하는 노드만 깨어난다. 그리고 프리앰블의 길이를 줄임으로써 수신 노드가 프리앰블이 끝날 때까지 기다리는 시간도 줄여 짧은 시간 안에 데이터 전송이 가능하게하고 기다리는 시간동안 에너지 소비도 줄일 수 있다. X-MAC은 비동기(asynchronous) 방식에서 B-MAC을 좀 더 발전시킨 방법이다. 즉 B-MAC에 비해 전체적인 프로토콜이 복잡하지만, 긴 프리앰블을 짧은 프리앰블의 연속으로 바꾸어 송·수신단에서 기다리는 시간을 줄이고 목적 노드이외의 다른 인접 노드가 깨어나는 오버히어링(overhearing) 문제를 해결함으로써 센서 네트워크의 전체적인 에너지 절약을 가지고 왔다.
3) RI-MAC
기존 비동기(asynchronous) 방식의 B-MAC과 X-MAC은 송신단에서 프리앰블을 포함하고 있기 때문에 데이터의 전송시간이 오래 걸린다. 또한 프리앰블 자체가 주위 노드 모두를 상대로 하는 것이므로 노드들이 전송하는 과정에서 충돌이 발생 할 수도 있다.
도 2는 기존 센서네트워크용 MAC(Media Access Layer) 기술 중 RI-MAC 프로토콜에 따른 타이밍 차트이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 수신기 주도형(Receiver-Initiated) MAC(RI-MAC)은 비동기 듀티 사이클(asynchronous duty cycle) 방식으로, 이름에서 알 수 있듯이 수신단(R) 측에서 송신을 결정하는 것이다. RI-MAC의 각 노드는 자신의 스케줄에 맞춰 주기적으로 깨어난다. 깨어난 수신단(R)은 매체(medium)가 이상적일 경우 자신은 수신할 준비가 되었다는 의미에서 송신단(S) 쪽으로 비콘(beacon; B)을 보낸다. 비콘(B)을 받은 송신단(S)은 그 즉시 비콘(B)에 포함된 수신단(R)의 주소를 참조하여 데이터 패킷(DATA)을 전송하게 된다. 따라서 RI-MAC에서는 프리앰블이 끝날 때 까지 기다리지 않아도 되므로 데이터가 전송될 때까지의 시간을 최소화 할 수 있고 전송 시 받은 주소로 데이터를 보내면 되기 때문에 잘못된 노드를 깨우는 일도 없어져 에너지 효율을 높일 수 있다.
RI-MAC을 사용하면 수신단에서 송신단 측으로 전송할 위치를 확실히 알려 줌으로써 오버히어링 문제가 발생하자 않고, 확실한 목적 노드가 있기 때문에 전송 과정에서 노드들 간의 경쟁이 발생하여 데이터 간 충돌이 일어나는 것을 피할 수 있다. 또한 비콘을 받은 즉시 데이터를 전송 할 수 있어 송·수신 대기시간을 줄일 수 있어 에너지 소비를 줄일 수 있다.
한편, 전력전송기반 센서네트워크는 센서 노드의 배터리 교체가 불가능한 다양한 응용 분야에 적용이 가능한 중요한 기술이다. 이와 같은 전력전송기반 센서네트워크 MAC 기술은 무선전력전송을 통해서 획득할 수 있는 전력이 매우 적기 때문에 극 초저전력으로 동작해야만 한다. 또한 전력전송기반 센서네트워크는 배터리 기반의 기존의 센서네트워크와 달리 에너지의 공급 및 사용상황에 따라 잔여 전력이 다이나믹하게 변화하기 때문에 이러한 상황에 적응적으로 동작할 수 있는 MAC 기술이 필요하다.
그러나 전술한 바와 같이, 기존 저전력을 지원하기 위한 센서네트워크 MAC 기술은 저전력을 위해서 상당한 성과를 이루었으나 기본적으로 사용가능한 잔여전력이 시간에 따라서 다이나믹하게 증가하거나 감소하는 상황을 고려한 기술이 아니며 전력을 전송하는 노드와 전력을 수신하는 노드의 특징을 고려하지 않은 기술들이기 때문에 슬레이브 노드의 에너지 상황에 따라 적응적으로 통신 방식을 변경할 수 없고, 이에 따라 필요한 때에 통신이 이루어지지 않는 등 통신 성능이 떨어진다는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 무선 전력전송기반 센서네트워크에서 슬레이브 노드의 에너지 상황에 따라 적응적으로 통신 방식을 변경할 수 있도록 함으로써 그 통신 성능을 개선한 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법을 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법은 하나의 마스터 노드와 외부 에너지를 충전하여 동작하는 하나 이상의 슬레이브 노드를 포함하여 이루어진 센서네트워크에서 상기 슬레이브 노드의 MAC 통신 방식을, 요구되는 데이터 전송 주기에 따라 자율적으로 듀티 사이클을 결정하여 동작하는 액티브 방식과, 획득되는 에너지양에 따라 듀티 사이클이 결정되어 동작하는 패시브 방식이 가능하도록 구성하되,
상기 슬레이브 노드는 충전 에너지 상황에 따라 상기 액티브 방식과 상기 패시브 방식 중 하나를 선택하여 동작한다.
전술한 구성에서 상기 센서네트워크는, 상기 마스터 노드가 에너지를 전송하거나 데이터를 수집하는 역할을 수행하고, 상기 슬레이브 노드는 상기 마스터 노드에서 전송한 에너지를 획득하여 센싱된 데이터를 상기 마스터 노드에 전송하는 스타 토폴로지 형태의 무선 전력전송기반 센서네트워크인 것을 특징으로 한다.
상기 액티브 방식은 상기 슬레이브 노드가 자체의 웨이크-업 타이머를 이용하여 웨이크-업되는 웨이크-업 타이머(Wake-up Timer) 방식과 상기 슬레이브 노드가 상기 마스터 노드에서 전송하는 웨이크-업 프레임에 따라 웨이크-업되는 웨이크-업 라디오(Wake-up Radio) 방식으로 구분되는 것을 특징으로 한다.
상기 웨이크-업 타이머 방식은, 상기 마스터 노드가 상기 슬레이브 노드에 데이터를 전송하는 경우, 상기 슬레이브 노드가 자신의 웨이크-업 타이머를 이용하여 이미 결정된 듀티 사이클에 맞춰 주기적으로 슬립 모드에서 액티브 모드로 전환하는 (ta1) 단계; 상기 액티브 모드로 전환되었을 때 상기 슬레이브 노드가 자신이 전송할 데이터가 없는 경우 상기 마스터 노드에게 데이터를 받을 준비가 되었다는 "READY" 패킷을 보내는 (ta2) 단계 및 상기 "READY" 패킷을 수신한 상기 마스터 노드가 전송할 데이터가 있는 경우에 데이터를 전송하는 (ta3) 단계를 포함하고,
상기 슬레이브 노드가 상기 마스터 노드에게 데이터를 전송하는 경우, 상기 슬레이브 노드가 상기 액티브 모드로 되어 상기 마스터 노드에게 바로 데이터를 전송하는 (tb1) 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 웨이크-업 라디오 방식은, 상기 마스터 노드가 상기 슬레이브 노드에게 데이터를 전송하는 경우, 정해진 상기 슬레이브 노드의 듀티 사이클에 해당하는 주기에 따라 상기 마스터 노드가 해당하는 상기 슬레이브 노드의 ID를 포함하는 웨이크-업 프레임을 상기 슬레이브 노드에게 전송하는 (ra1) 단계; 상기 웨이크-업 프레임을 받은 상기 슬레이브 노드가 자신이 데이터를 송수신할 준비가 되었음을 알려주기 위하여 "READY" 패킷을 상기 마스터 노드에게 전송하는 (ra2) 단계 및 상기 "READY" 패킷을 수신한 상기 마스터 노드가 상기 슬레이브 노드에게 데이터를 전송하는 (ra3) 단계를 포함하고,
상기 슬레이브 노드가 상기 마스터 노드에게 데이터를 전송하는 경우, 정해진 상기 슬레이브 노드의 듀티 사이클에 해당하는 주기에 따라 상기 마스터 노드가 상기 슬레이브 노드에게 보낼 데이터가 있는지 확인하기 위하여 해당하는 상기 슬레이브 노드의 ID를 포함하는 웨이크-업 프레임을 상기 슬레이브 노드에게 전송하는 (rb1) 단계 및 상기 슬레이브 노드가 자신이 보낼 데이터가 있는 경우 상기 마스터 노드에게 데이터를 전송하는 (rb2) 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 "READY" 패킷에는 자신의 에너지 레벨 정보가 포함된 것을 특징으로 한다.
상기 데이터에는 다음에 더 보낼 데이터가 존재하는지의 여부를 나타내는 정보가 포함된 것을 특징으로 한다.
상기 패시브 방식은 슬레이브 노드의 에너지 획득량이 액티브 모드로 동작할 수 없을 경우에 사용되는 방식으로서, 상기 마스터 노드가 상기 슬레이브 노드에게 데이터를 전송하는 경우, 상기 슬레이브 노드의 에너지 충전량이 임계치를 넘어서면 상기 슬레이브 노드가 자신이 전송할 데이터가 없을 경우 자율적으로 "READY" 패킷을 전송함으로써 상기 마스터 노드의 데이터를 폴링하는 (pa1) 단계; 상기 "READY" 패킷을 수신한 상기 마스터 노드가 데이터를 상기 슬레이브 노드에게 전송하는 (pa2) 단계 및 상기 슬레이브 노드가 데이터를 수신한 경우에 "ACK" 패킷을 전송한 후에 다운 상태로 전환되는 (pa3) 단계를 포함하고,
상기 슬레이브 노드가 상기 마스터 노드에게 데이터를 전송하는 경우, 상기 슬레이브 노드의 에너지 충전량이 임계치를 넘어서면 상기 슬레이브 노드가 자신이 전송할 데이터를 전송하고, 상기 마스터 노드로부터 "ACK" 패킷이 수신되면 다운 상태로 전환되는 (pb1) 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법에 따르면, 무선 에너지 전송을 사용하는 센서네트워크의 슬레이브 노드의 아이들 리스닝(Idle Listening)을 최소화하고 획득전력의 상태에 따라 적응적으로 동작하게 함으로써 네트워크의 성능을 최대화할 수 있다. 따라서 본 발명은 향후 배터리 교체가 불가능하여 무선 전력전송기반에서 동작하여야 하는 센서네트워크의 다양한 응용 분야, 예를 들어 산업제어, 시설 모니터링, 재난/재해 관리 및 농축산물 관리 등과 같은 임플란트 센서 노드가 요구되는 응용 분야 등에 폭넓게 적용 가능하다.
도 1은 기존 센서네트워크용 MAC(Media Access Layer) 기술 중 B-MAC 프로토콜에 따른 타이밍 차트,
도 2는 기존 센서네트워크용 MAC 기술 중 RI-MAC 프로토콜에 따른 타이밍 차트,
도 3은 본 발명의 통신 방법이 적용될 수 있는 스타 토폴로지 형태의 무선 전력전송기반 센서네트워크 시스템을 보인 도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 무선 전력전송기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법 중에서 웨이크-업 타이머 기반 슬립&웨이크-업 MAC 프로토콜에 따른 타이밍 차트,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 무선 전력전송기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법 중에서 웨이크-업 라디오 기반 슬립&웨이크-업 MAC 프로토콜에 따른 타이밍 차트,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 무선 전력전송기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법 중에서 패시브 방식의 다운&웨이크-업 MAC 프로토콜에 따른 타이밍 차트이다.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명하는데, 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크로 무선 전력전송기반 센서네트워크를 예로 들어 설명을 진행한다.
1) 무선 전력전송기반 센서네트워크 시스템 구조
본 발명의 무선 전력전송기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 기술은 무선 전력전송을 통해서 획득할 수 있는 전력이 매우 적기 때문에 극 초저전력으로 동작해야만 한다. 이러한 극 초저전력 MAC을 설계하기 전에 시스템의 구조를 정의할 필요가 있다.
본 발명에서는 무선 전력전송기반 센서네트워크의 토폴로지로서 가장 기본적인 구조인 스타 토폴로지를 고려하고 있는바, 도 3은 이러한 스타 토폴로지 형태의 무선 전력전송기반 센서네트워크 시스템을 보인 도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 스타 토폴로지 형태의 센서네트워크를 구성하는 노드는 에너지를 전송하거나 데이터를 수집하는 역할을 하는 마스터 노드(Master)와 전송된 RF 에너지를 획득하여 이를 기반으로 센싱된 데이터를 마스터 노드로 전송하는 슬레이브 노드(Slaves)로 구성된다.
전술한 구성에서, 마스터 노드는 기본적으로 메인 파워서플라이와 연결되어 있거나 고 용량의 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 장치를 통하여 에너지를 획득하게 된다. 따라서 마스터 노드의 경우에는 시간당 총 가용 에너지가 결정되어 있으며, 이러한 가용 에너지의 일부는 센서 노드들에게 전송하고 나머지 에너지를 이용하여 동작하게 된다.
한편, 슬레이브 노드는 마스터 노드로 부터 전송된 RF 에너지를 렉테나(rectenna)를 통하여 충전장치에 저장하게 되며 획득된 에너지를 기반으로 하여 센싱 데이터를 주기적으로 전송하게 된다. 에너지의 획득량이 전송에 필요한 에너지보다 많을 경우는 설정된 주기에 따라 전송이 가능하지만 그렇지 못할 경우에는 에너지 충전 주기에 따라 데이터 전송 주기의 지연이 발생하게 된다.
2) 무선 전력전송기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 구조 개요
본 발명에서는 무선 전력전송기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법을 제안하고 있는바, 이에 따르면 무선 전력전송 및 슬레이브 노드의 에너지 상황에 따라 액티브(Active) 방식 또는 패시브(Passive) 방식으로 선택적으로 동작한다.
먼저, 액티브 방식은 슬레이브 노드가 정해진 데이터 전송 주기에 따라 통신하기에 충분한 전력이 획득될 때 사용되는 모드로서 슬레이브 노드의 전송 주기에 따라 듀티 사이클이 결정되게 된다. 이러한 액티브 방식은 통신 디바이스의 웨이크-업 동작 방식에 따라 웨이크-업 라디오(Wake-up Radio) 방식과 웨이크-업 타이머(Wake-up Timer) 방식으로 다시 나뉘게 된다.
다음으로, 패시브 방식은 슬레이브 노드가 정해진 데이터 전송 주기에 따라 통신하기에 충분한 전력을 공급받지 못하는 상황으로서 통신에 필요한 전력이 충전되기 전까지는 시스템의 파워가 다운되고 충전된 전력이 특정 임계치를 넘을 경우 슬레이브 노드가 깨어나서 마스터 노드에게 데이터를 송신하거나 깨어난 사실을 알려주는 방식으로 다운&웨이크-업(Down & Wake-up)방식이다.
이하에서는 본 발명의 무선 전력전송기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법 중에서 "액티브 방식의 슬립&웨이크-업(Sleep & Wake-up)"방식과 "패시브 방식의 다운&웨이크-업(Down & Wake-up)" 방식 각각에 대해 상세하게 설명한다.
가) 액티브 방식 : 슬립&웨이크-업 MAC
① 웨이크-업 타이머 기반 슬립&웨이크-업 MAC
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 무선 전력전송기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법 중에서 웨이크-업 타이머 기반 슬립&웨이크-업 MAC 프로토콜에 따른 타이밍 차트이다. 웨이크-업 타이머 기반 슬립&웨이크-업 MAC 프로토콜에서는 마스터 노드(M)가 슬레이브 노드(S)에게 데이터를 보내는 경우에 있어서, 도 4a에 도시한 바와 같이 슬레이브 노드(S)는 자신의 웨이크-업 타이머를 이용하여 이미 결정된 듀티 사이클에 맞춰 주기적으로 슬립 모드에서 액티브 모드로 전환된다. 액티브 모드로 시작되었을 때 자신이 보낼 메시지가 없다면 채널 획득을 위한 경쟁절차(Contention for Channel Access; 이하 간단히 '경쟁절차'라 한다)(C)를 통해 채널을 획득한 후 마스터 노드(M)에게 데이터를 받을 준비가 되었다는 "READY" 패킷을 보내는데, 이러한 "READY" 패킷에는 자신의 에너지 레벨(Batt Level)이 포함되어 있다. 이를 받은 마스터 노드(M)는 도 4a의 우측에 도시한 바와 같이 보낼 데이터 패킷(DATA)이 있을 때만 데이터 패킷(DATA)을 보내게 된다. 그리고 전송이 끝난 후 슬레이브 노드(S)가 "ACK" 패킷을 보냄으로써 데이터 전송 과정이 끝난다.
추가적으로 데이터 패킷(DATA)의 헤더에 다음에 더 보낼 데이터 패킷이 존재하는지의 정보(예를 들어 02이면 부재, 01이면 존재)(More pkt)를 실어서 연속적인 데이터 전송이 가능하게 함으로써 빈번한 경쟁절차 등에서 오는 오버헤드 에너지를 절약할 수 있다.
반면에 슬레이브 노드(S)가 마스터 노드(M)에게 데이터 패킷(DATA)을 보내는 경우에 있어서는, 도 4b에 도시한 바와 같이 슬레이브 노드(S)가 액티브 모드로 되어 마스터 노드(M)에게 데이터 패킷(DATA)을 보내게 되는데, 마스터 노드(M)는 항상 켜져 있으므로 경쟁절차(C)를 통해 채널을 획득한 후 바로 데이터 패킷(DATA)을 보내게 된다. 이 경우에도 데이터 패킷(DATA)의 헤더에 다음에 더 보낼 데이터 패킷이 존재하는지의 정보(More pkt)를 싣는 것에 의해 연속적으로 데이터 패킷(DATA)을 전송할 수 있다. 도 4에서 SIFS(Short Interframe Space)는 프레임들 사이에 주어지는 짧은 시간 간격을 말한다.
② 웨이크-업 라디오 기반 슬립&웨이크-업 MAC
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 무선 전력전송기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법 중에서 웨이크-업 라디오 기반 슬립&웨이크-업 MAC 프로토콜에 따른 타이밍 차트이다.
웨이크-업 라디오 기반 슬립&웨이크- MAC에서는 마스터 노드(M)가 슬레이브 노드(S)에게 데이터 패킷(DATA)을 보내는 경우, 도 5a에 도시한 바와 같이 정해진 슬레이브 노드(S)의 듀티 사이클에 해당하는 주기에 따라 마스터는 해당 슬레이브 노드(S)의 ID를 포함하는 웨이크-업 프레임을 슬레이브 노드(S)의 웨이크-업 채널을 통하여 전송하는데, 이러한 전송에 앞서 채널 획득을 위해 경쟁절차(C)를 수행한다. 다음으로, 웨이크-업 프레임을 받은 슬레이브 노드(S)는 자신이 데이터 패킷(DATA)을 송수신할 준비가 되었음을 알려주기 위하여 "READY" 패킷을 마스터 노드(M)에게 경쟁절차(C)를 통해 채널을 획득한 후 보내게 된다. 이러한 "READY" 패킷에는 자신의 에너지 레벨(Batt Level)이 포함되어 있다. 이러한 절차를 통하여 데이터 전송을 위한 준비가 완료되게 되고 마스터 노드(M)는 슬레이브 노드(S)에게 데이터 패킷(DATA)을 전송하게 된다. 데이터 패킷(DATA)이 성공적으로 전송되면 슬레이브 노드(S)는 "ACK"패킷을 통하여 마스터 노드(M)에게 데이터 패킷(DATA)이 성공적으로 수신되었음을 알리게 된다. 또한 데이터 패킷(DATA)에 상기한 바와 같이 다음에 더 보낼 데이터 패킷이 존재하는지의 정보(More pkt)를 실어서 연속적인 데이터 전송이 가능하도록 지원하는데, 이러한 "More pkt"를 통한 연속 프레임 전송 최대 허용 횟수는 변경 가능하도록 한다. 이러한 여러 개의 데이터 패킷을 동시에 전송할 수 있도록 하는 메커니즘은 데이터 전송에 따른 에너지 소비 오버헤드를 감소시킬 수 있다.
다음으로 슬레이브 노드(S)가 마스터 노드(M)에게 데이터 패킷(DATA)을 보내는 경우를 살펴보면, 도 5b에 도시한 바와 같이 먼저 정해진 슬레이브 노드(S)의 듀티 사이클에 해당하는 주기에 따라 마스터 노드(M)는 슬레이브 노드(S)에게 보낼 데이터가 있는지 확인하기 위하여 폴링(Polling)을 수행한다. 이를 위해서 해당 슬레이브 노드(S)의 ID를 포함하는 웨이크-업 프레임을 슬레이브 노드(S)의 웨이크-업 채널을 통하여 전송한다. 이러한 전송에 앞서 먼저 경쟁절차(C)를 수행한다. 한편, 웨이크-업 프레임을 받은 슬레이브 노드(S)는 자신이 보낼 데이터 패킷(DATA)이 있는 경우 슬레이브 노드(S)는 해당 채널을 얻기 위하여 경쟁절차(C)를 수행한 후 데이터 패킷(DATA)을 마스터 노드(M)에게 전송하게 된다. 데이터가 성공적으로 전송되면 마스터 노드(M)는 "ACK" 패킷을 통하여 데이터 패킷(DATA)이 성공적으로 수신되었음을 알리게 된다.
또한 한 번의 경쟁절차(C)를 통하여 전송 기회를 획득하였을 경우 데이터 패킷(DATA)에 상기한 바와 같이 다음에 더 보낼 데이터 패킷이 존재하는지의 정보(More pkt)를 실어서 연속적인 데이터 전송이 가능하도록 지원하는데, 이러한 "More pkt"를 통한 연속 프레임 전송 최대 허용 횟수는 변경 가능하도록 한다.
나) 패시브 방식 : 다운&웨이크-업 MAC
전술한 바와 같이, 슬립&웨이크-업 방식은 슬레이브 노드를 깨우는 방식으로 웨이크-업 타이머 또는 웨이크-업 라디오를 사용하고 저전력 모드의 대기 상태로서 슬립 모드를 사용한다. 반면에 이하에서 설명할 다운&웨이크-업 방식의 MAC은 무선 전력전송에 의한 에너지가 데이터 패킷을 전송할 수 있는 임계치 이상 충전 되었을 때 슬레이브 노드가 스스로 웨이크-업되는 방식을 사용한다. 또한 에너지가 부족한 상태에서는 시스템이 완전히 다운된 상태로 동작하게 된다. 이러한 다운&웨이크-업방식의 MAC에서는 시스템이 에너지의 획득되는 상태에 따라서 수동적으로 듀티 사이클이 결정되게 된다. 본 방식은 에너지 소비를 최소화하기 위하여 망 구성 초기에 채널을 할당한 후 동작하도록 구성된다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 무선 전력전송기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법 중에서 패시브 방식의 다운&웨이크-업 MAC 프로토콜에 따른 타이밍 차트이다. 도 6a에 도시한 바와 같이 마스터 노드(M)가 슬레이브 노드(S)에게 데이터 패킷(DATA)을 보내는 경우, 슬레이브 노드(S)의 에너지 충전량이 임계치를 넘어서면 슬레이브 노드(S)는 자신이 보낼 데이터가 없을 경우 자율적으로 "READY" 패킷을 보냄으로써 마스터 노드(M)의 데이터를 폴링하게 된다. 그리고 이러한 "READY" 패킷의 전송에 앞서 충돌(collision)을 회피하기 위하여 경쟁절차(C)를 수행한다. 한편, "READY" 패킷을 받은 마스터 노드(M)는 데이터 패킷(DATA)을 슬레이브 노드(S)에게 바로 전송하게 되고 슬레이브 노드(S)는 "ACK" 패킷을 보낸 후 다시 다운 상태로 전환된다. 여기서 사용되는 MAC은 슬레이브 노드의 에너지 소비를 줄이기 위하여 채널 획득 경쟁 알고리즘이 슬레이브 노드에 유리하도록 설계된다.
다음으로 슬레이브 노드(S)가 마스터 노드(M)에게 데이터 패킷(DATA)을 보내는 경우를 살펴보면, 도 6b에 도시한 바와 같이 슬레이브 노드(S)의 에너지 충전량이 임계치를 넘어서면 슬레이브 노드(S)는 경쟁 절차(C)를 수행한 후에 즉시 자신이 보낼 데이터 패킷(DATA)을 전송하게 된다. 이러한 데이터 패킷(DATA)을 받은 마스터 노드(M)는 "ACK" 패킷을 슬레이브 노드(S)로 보내게 되고 이러한 "ACK" 패킷을 받은 슬레이브 노드(S)는 다운 상태로 전환된다. 한편, 본 알고리즘이 효율적으로 동작하기 위해서는 웨이크-업의 임계치를 슈퍼 프레임(Super frame)이 요구하는 에너지량에 적합하도록 적절히 설정하여야 한다.
본 발명의 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다. 예를 들어 본 발명은 전술한 실시예와 같이 무선 전력전송을 통한 슬레이브 노드의 에너지 획득 환경뿐만 아니라 환경에 존재하는 에너지 획득(Ambient Energy Harvesting)에 기반한 센서네트워크 시스템에도 적용이 가능하다.

Claims (11)

  1. 하나의 마스터 노드와 외부 에너지를 충전하여 동작하는 하나 이상의 슬레이브 노드를 포함하여 이루어진 센서네트워크에서 상기 슬레이브 노드의 MAC 통신 방식을, 요구되는 데이터 전송 주기에 따라 자율적으로 듀티 사이클을 결정하여 동작하는 액티브 방식과, 획득되는 에너지양에 따라 듀티 사이클이 결정되어 동작하는 패시브 방식이 가능하도록 구성하되,
    상기 슬레이브 노드는 충전 에너지 상황에 따라 상기 액티브 방식과 상기 패시브 방식 중 하나를 동적으로 선택하여 동작하는 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서네트워크는,
    상기 마스터 노드가 에너지를 전송하거나 데이터를 수집하는 역할을 수행하고,
    상기 슬레이브 노드는 상기 마스터 노드에서 전송한 에너지를 획득하여 센싱된 데이터를 상기 마스터 노드에 전송하는 스타 토폴로지 형태의 무선 전력전송기반 센서네트워크인 것을 특징으로 하는 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 액티브 방식은 상기 슬레이브 노드가 자체의 웨이크-업 타이머를 이용하여 웨이크-업되는 웨이크-업 타이머(Wake-up Timer) 방식과 상기 슬레이브 노드가 상기 마스터 노드에서 전송하는 웨이크-업 프레임에 따라 웨이크-업되는 웨이크-업 라디오(Wake-up Radio) 방식으로 구분되는 것을 특징으로 하는 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 웨이크-업 타이머 방식은,
    상기 마스터 노드가 상기 슬레이브 노드에 데이터를 전송하는 경우, 상기 슬레이브 노드가 자신의 웨이크-업 타이머를 이용하여 이미 결정된 듀티 사이클에 맞춰 주기적으로 슬립 모드에서 액티브 모드로 전환하는 (ta1) 단계;
    상기 액티브 모드로 전환되었을 때 상기 슬레이브 노드가 자신이 전송할 데이터가 없는 경우 상기 마스터 노드에게 데이터를 받을 준비가 되었다는 "READY" 패킷을 보내는 (ta2) 단계 및
    상기 "READY" 패킷을 수신한 상기 마스터 노드가 전송할 데이터가 있는 경우에 데이터를 전송하는 (ta3) 단계를 포함하고,
    상기 슬레이브 노드가 상기 마스터 노드에게 데이터를 전송하는 경우, 상기 슬레이브 노드가 상기 액티브 모드로 되어 상기 마스터 노드에게 바로 데이터를 전송하는 (tb1) 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 웨이크-업 라디오 방식은,
    상기 마스터 노드가 상기 슬레이브 노드에게 데이터를 전송하는 경우, 정해진 상기 슬레이브 노드의 듀티 사이클에 해당하는 주기에 따라 상기 마스터 노드가 해당하는 상기 슬레이브 노드의 ID를 포함하는 웨이크-업 프레임을 상기 슬레이브 노드에게 전송하는 (ra1) 단계;
    상기 웨이크-업 프레임을 받은 상기 슬레이브 노드가 자신이 데이터를 송수신할 준비가 되었음을 알려주기 위하여 "READY" 패킷을 상기 마스터 노드에게 전송하는 (ra2) 단계 및
    상기 "READY" 패킷을 수신한 상기 마스터 노드가 상기 슬레이브 노드에게 데이터를 전송하는 (ra3) 단계를 포함하고,
    상기 슬레이브 노드가 상기 마스터 노드에게 데이터를 전송하는 경우, 정해진 상기 슬레이브 노드의 듀티 사이클에 해당하는 주기에 따라 상기 마스터 노드가 상기 슬레이브 노드에게 보낼 데이터가 있는지 확인하기 위하여 해당하는 상기 슬레이브 노드의 ID를 포함하는 웨이크-업 프레임을 상기 슬레이브 노드에게 전송하는 (rb1) 단계 및
    상기 슬레이브 노드가 자신이 보낼 데이터가 있는 경우 상기 마스터 노드에게 데이터를 전송하는 (rb2) 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 "READY" 패킷에는 자신의 에너지 레벨 정보가 포함된 것을 특징으로 하는 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 "READY" 패킷에는 자신의 에너지 레벨 정보가 포함된 것을 특징으로 하는 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 데이터에는 다음에 더 보낼 데이터가 존재하는지의 여부를 나타내는 정보가 포함된 것을 특징으로 하는 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 데이터에는 다음에 더 보낼 데이터가 존재하는지의 여부를 나타내는 정보가 포함된 것을 특징으로 하는 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 패시브 방식은 상기 슬레이브 노드의 에너지 획득량이 상기 액티브 모드로 동작할 수 없을 경우에 사용되는 방식으로,
    상기 마스터 노드가 상기 슬레이브 노드에게 데이터를 전송하는 경우, 상기 슬레이브 노드의 에너지 충전량이 임계치를 넘어서면 상기 슬레이브 노드가 자신이 전송할 데이터가 없을 경우 자율적으로 "READY" 패킷을 전송함으로써 상기 마스터 노드의 데이터를 폴링하는 (pa1) 단계;
    상기 "READY" 패킷을 수신한 상기 마스터 노드가 데이터를 상기 슬레이브 노드에게 전송하는 (pa2) 단계 및
    상기 슬레이브 노드가 데이터를 수신한 경우에 "ACK" 패킷을 전송한 후에 다운 상태로 전환되는 (pa3) 단계를 포함하고,
    상기 슬레이브 노드가 상기 마스터 노드에게 데이터를 전송하는 경우, 상기 슬레이브 노드의 에너지 충전량이 임계치를 넘어서면 상기 슬레이브 노드가 자신이 전송할 데이터를 전송하고, 상기 마스터 노드로부터 "ACK" 패킷이 수신되면 다운 상태로 전환되는 (pb1) 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 환경 에너지 획득 기반 센서네트워크를 위한 저전력 MAC 통신 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항의 통신 방법을 수행하는 프로그램이 수록되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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