WO2012005403A1 - Ｉｅｅｅ 802.15.4 기반의 센서 네트워크에서 이동 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법 - Google Patents

Ｉｅｅｅ 802.15.4 기반의 센서 네트워크에서 이동 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법 Download PDF

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WO2012005403A1
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sensor node
sleep time
gateway
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mobile
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홍충선
김진호
박재용
이준
김진혁
강형규
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Kyung Hee University
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Kyung Hee University
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04W52/00—Power management, e.g. Transmission Power Control [TPC] or power classes
    • H04W52/02—Power saving arrangements
    • H04W52/0209—Power saving arrangements in terminal devices
    • H04W52/0225—Power saving arrangements in terminal devices using monitoring of external events, e.g. the presence of a signal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 method of controlling a sleep time of a mobile sensor node in an IEEE 802.15.4 based mobile sensor network, and more specifically, instead of always responding to a sensor node every transmission period of a beacon message transmitted from a gateway.
  • the sleep time of the sensor node is gradually increased according to the presence or absence of transmission / reception data between the sensor node and the gateway, and the energy consumption of the sensor node can be reduced by maintaining the sleep time of the sensor node even when the sensor node moves to an adjacent gateway.
  • the present invention relates to a sleep time control method of a sensor node.
  • the sensor network is a base network for implementing ubiquitous computing, and is a wireless network composed of many light weight, low power sensor nodes.
  • the number of sensor nodes constituting the network is very large, each sensor node has a limited power and computing capability, and the topology of the sensor network can be easily changed by frequent insertion and removal of sensor nodes.
  • IEEE 802.15.4 has been defined as a communication protocol for communication of each sensor node in a wireless sensor network.
  • IEEE 802.15.4 is a medium access control (MAC) and physical (PHY) layer standard for low power wireless personal area networks (hereinafter referred to as 'LoWPANs'), aimed at low-speed communications and low power.
  • MAC medium access control
  • PHY physical layer standard for low power wireless personal area networks
  • 'LoWPANs' low power wireless personal area networks
  • FIG. 1 illustrates an example of a conventional IEEE 802.15.4 based sensor network.
  • the IEEE 802.15.4 based sensor network includes a plurality of gateways GW1, GW2, and GW3 and a plurality of sensor nodes connected to each gateway.
  • Each gateway and a plurality of sensor nodes connected to each gateway form a personal area network (PAN).
  • PAN personal area network
  • the gateway periodically sends beacon messages to the sensor nodes, and the sensor nodes transmit and receive data with the gateway in synchronization with the beacon messages.
  • a superframe is defined as a slot allocated between transmission periods of a beacon message broadcasted from a gateway to a sensor node.
  • the superframe is largely composed of an active section and an inactive section, and the active section is composed of 16 consecutive time slots.
  • the active period is first divided into a beacon message period, a contention access period (CAP) continuously following the beacon message period, and a contention free period (Contention Free Period (CFP)) consecutively following the contention communication period.
  • CAP contention access period
  • CCP Contention Free Period
  • FIG. 3 is a view for explaining an example of a method of controlling a sleep time of a conventional sensor node.
  • FIG. 3 (a) shows the transmission period of the beacon message periodically transmitted from the gateway to the sensor node
  • FIG. 3 (b) shows the sleep time of the sensor node.
  • the gateway periodically sends beacon messages to the sensor nodes, which wake up from sleep mode in inactive periods each time they receive the beacon messages. Enters the interval, and transmits data to or receives data from the gateway in the active interval.
  • the sensor node enters the sleep mode again in the inactive section to save energy consumption.
  • the sleep times of the sensor nodes in which the sensor node is in the sleep mode during the inactive section are the same as the inactive section 1SI. That is, in the conventional superframe period, each time the sensor nodes receive the beacon message, the sensor nodes repeatedly transmit and receive data or enter the sleep mode by repeating the same active and inactive periods.
  • the sensor nodes In the conventional IEEE 802.15.4 based sensor network, the sensor nodes always wake up from the sleep mode and have an active period whenever receiving a beacon message in response to periodically received beacon messages.
  • the amount of data traffic between the real sensor node and the gateway is very small and only requires a very small bandwidth.
  • the sensor node responds to the beacon message only when it transmits sensing data to or receives data from the gateway, and always responds to the beacon message even when there is no data to send or receive. It has a problem that it has an active period and consumes energy. Due to the nature of the sensor network using limited resources, energy management of sensor nodes is the most important factor.
  • the present invention is to solve the problem of the above method of controlling the sleep time of the sensor node in the IEEE 802.15.4-based sensor network, the problem to be achieved in the IEEE 802.15.4 sensor network
  • the present invention provides a method for controlling the sleep time of a sensor node that can reduce energy consumption of the sensor node by increasing the sleep time of the sensor node step by step according to the presence or absence of transmission / reception data between the sensor node and the gateway.
  • Another object of the present invention is to maintain the sleep time of the sensor node in the IEEE 802.15.4-based sensor network even when the sensor node moves to the adjacent gateway sleep of the sensor node that can reduce the energy consumption consumed by the sensor node It is to provide a time control method.
  • a method for controlling sleep time of a sensor node includes the steps of incrementally increasing the sleep time of a sensor node according to the presence or absence of data to be transmitted and received between the gateway and the sensor node; And providing information on the sleep time of the mobile sensor node to the neighbor gateway when the sensor node moves to the neighbor gateway to maintain the sleep time of the mobile sensor node at the neighbor gateway.
  • Stepwise increasing the sleep time of the sensor node includes transmitting information about the sleep time of the sensor node from the sensor node to the gateway, and whether there is data to be transmitted from the gateway to the sensor node after the sleep time of the sensor node ends. Receiving a data message that informs the step, and if there is no data to be transmitted to the sensor node based on the data message step of increasing the sleep time of the sensor node to update the sleep time information of the sensor node .
  • Maintaining the sleep time of the mobile sensor node includes the steps of recognizing the movement of the sensor node to the neighboring gateway, receiving an identifier of the neighboring gateway from the neighboring gateway and connecting to the neighboring gateway, and sleeping the mobile sensor node to the neighboring gateway. Transmitting time information to maintain sleep time of the mobile sensor node at an adjacent gateway.
  • the sensor node may receive data from the gateway at the communication period of the sensor node after the end of the sleep time and initialize the sleep time of the sensor node.
  • the sleep time of the sensor node is increased step by step within the threshold sleep time, when there is no data to receive from the gateway based on the data message.
  • the sleep time control method of the mobile sensor node is based on a beacon message received from the neighbor gateway that the sensor node has moved from the gateway to which the sensor node belongs to the neighbor gateway. Recognizing a network, accessing a neighboring gateway based on a network identifier included in the beacon message, and transmitting sleep time information of the mobile sensor node to the neighboring gateway.
  • the sleep time of the mobile sensor node may be set based on the sleep time information.
  • a method of controlling a sleep time of a mobile sensor node after receiving a sleep time of a mobile sensor node, receiving a data message indicating whether data exists to be transmitted from a neighboring gateway to a mobile sensor node;
  • incrementing the sleep time of the mobile sensor node by updating the sleep time information of the mobile sensor node;
  • the method may further include transmitting time information to the neighboring gateway, wherein the neighboring gateway sets the sleep time of the mobile sensor node to the updated sleep time information of the mobile sensor node.
  • a method for controlling sleep time of a mobile sensor node may include determining whether there is data to be transmitted from a mobile sensor node to an adjacent gateway during sleep time of the mobile sensor node, and when there is data to be transmitted, Ending the sleep time of the mobile sensor node, and transmitting the data to the adjacent gateway in the communication period of the next beacon message.
  • the sleep time control method of the sensor node according to the present invention has various effects as follows compared to the sleep time control method of the conventional sensor node.
  • the sleep time control method of the sensor node according to the present invention can increase the sleep time of the sensor node according to the presence or absence of data to be transmitted and received between the sensor node and the gateway, thereby reducing the energy consumed in the sensor node.
  • the method for controlling sleep time of a sensor node maintains the sleep time of the sensor node even when the sensor node moves to an adjacent gateway, thereby reducing energy consumption of the sensor node in a sensor network in which the sensor node is frequently moved. Can be.
  • the sleep time control method of the sensor node increases the sleep time of the sensor node step by step according to the presence or absence of data to be transmitted and received between the sensor node and the gateway, so that the data in the sensor network where a plurality of sensor nodes exist It is possible to operate the sensor network smoothly by preventing collision of transmission and reception.
  • FIG. 1 illustrates an example of a conventional IEEE 802.15.4 based sensor network.
  • FIG. 2 illustrates a superframe based on IEEE 802.15.4.
  • FIG. 3 is a view for explaining an example of a method of controlling a sleep time of a conventional sensor node.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method for controlling sleep time of a sensor node according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view for explaining an example of a sleep time control method of a sensor node according to the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining another example of the sleep time control method of the sensor node according to the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a method of controlling a sleep time of a sensor node when there is data to be transmitted from the gateway to the sensor node.
  • FIG. 8 illustrates an IEEE 802.15.4 based sensor network in which a sensor node moves to an adjacent personal area network.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of controlling a sleep time of a mobile sensor node when the sensor node moves to an adjacent personal area network.
  • FIG. 10 illustrates an example of a method of controlling a sleep time of a mobile sensor node when the sensor node moves to an adjacent personal area network.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a method of controlling a sleep time of a sensor node according to an embodiment of the present invention when there is data to be transmitted from the sensor node.
  • FIG. 12 illustrates an example of a method of controlling a sleep time of a sensor node when there is data to be transmitted from the sensor node to the gateway.
  • 13 is an experimental example comparing the energy consumed in the sleep time control method of the sensor node according to the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method for controlling sleep time of a sensor node according to an embodiment of the present invention.
  • a gateway and a plurality of sensor nodes connected to the gateway are located in the personal area network.
  • the sensor node transmits a sleep information message to the gateway of the personal area network to which the sensor node belongs (S1).
  • the sleep information message includes sleep time information of the sensor node.
  • the sleep time information is information on the time when the sensor node is in the sleep mode.
  • the sleep time information does not respond to the beacon message transmitted by the gateway during the sleep time of the sensor node and remains in the sleep mode without an active period.
  • the gateway Based on the sleep time information of the sensor node, the gateway transmits a data identifier indicating whether there is data to be transmitted from the gateway to the sensor node at the time when the sensor node wakes up from the sleep mode (S3).
  • the value of the data identifier is set to 0 when there is no data to be transmitted to the sensor node by the gateway, and the value of the data identifier is set to 1 when there is data to be transmitted to the sensor node by the gateway.
  • the data identifier is included in a periodically transmitted beacon message and sent to the sensor node, and the time at which the sensor node wakes up from sleep mode is synchronized with the beacon message.
  • the sleep time of the sensor node is increased step by step (S7).
  • the sensor node wakes up from the sleep mode, receives the data from the gateway in the communication period of the active section and initializes the sleep time of the sensor node (S8).
  • the sensor node transmits information about the increased sleep time or the initialized sleep time to the gateway (S9).
  • the gateway receives and stores the received sleep time information of each sensor node for each sensor node, and when receiving the sleep time information from the sensor node, updates the previously stored sleep time information with the received sleep time information.
  • the gateway transmits a data identifier to the sensor node through a beacon message at the end of the sleep mode of the sensor node based on the updated sleep time information of the sensor node.
  • the sensor node does not wake up from the sleep mode every beacon message cycle and has an active period, and increases the sleep time of the sensor node based on the transmission / reception data between the sensor node and the gateway, thereby saving energy consumed at the sensor node. It also reduces the load on the network so that smooth communication can be achieved.
  • FIG. 5 is a view for explaining an example of a sleep time control method of a sensor node according to the present invention.
  • FIG. 5 (a) illustrates a transmission period of a beacon message periodically transmitted from the gateway to the sensor node
  • FIG. 5 (b) shows the sleep time of the sensor node.
  • the sleep time of the sensor node is initialized to 1SI and transmits the sleep time information of the sensor node to the gateway.
  • the gateway transmits a data identifier to the sensor node through a beacon message synchronized at the end of the sleep time (1SI) of the sensor node, and the sensor node based on the data identifier when there is no data to receive from the gateway.
  • the gateway transmits a data identifier to the sensor node through a beacon message synchronized at the end of sleep time (2SI) of the sensor node, and the sensor node has no data to receive from the gateway based on the data identifier.
  • the sleep time of the sensor node is increased to 3SI and the sleep time information of the sensor node is transmitted to the gateway.
  • the sensor node continuously increases the sleep time of the sensor node step by step when there is no data received from the gateway to reduce the energy consumed by the sensor node.
  • FIG. 6 is a view for explaining another example of the sleep time control method of the sensor node according to the present invention.
  • FIG. 6 (a) shows the transmission period of the beacon message periodically transmitted from the gateway to the sensor node
  • FIG. 6 (b) shows the sleep time of the sensor node.
  • the sleep time of the sensor node is initialized to 1SI and transmits the sleep time information of the sensor node to the gateway.
  • the gateway transmits a data identifier to the sensor node through a beacon message synchronized at the end of the sleep time (1SI) of the sensor node, and the sensor node based on the data identifier when there is no data to receive from the gateway.
  • the gateway transmits a data identifier to the sensor node through a beacon message synchronized at the end of sleep time (2SI) of the sensor node, and the sensor node has no data to receive from the gateway based on the data identifier.
  • the sleep time of the sensor node is increased to 3SI and the sleep time information of the sensor node is transmitted to the gateway.
  • the sensor node maintains a critical sleep time (3SI) if data received from the gateway continues to be absent and reduces energy consumed at the sensor node.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a method of controlling a sleep time of a sensor node when there is data to be transmitted from the gateway to the sensor node.
  • FIG. 7A illustrates a transmission period of a beacon message periodically transmitted from the gateway to the sensor node
  • FIG. 7B illustrates a sleep time of the sensor node.
  • the sleep time of the sensor node is initialized to 1SI and transmits the sleep time information of the sensor node to the gateway.
  • the gateway transmits a data identifier to the sensor node through a beacon message synchronized at the end of the sleep time (1SI) of the sensor node, and the sensor node based on the data identifier when there is no data to receive from the gateway.
  • the gateway transmits a data identifier to the sensor node through a beacon message synchronized at the end of sleep time (2SI) of the sensor node, and the sensor node has no data to receive from the gateway based on the data identifier.
  • the sleep time of the sensor node is increased to 3SI and the sleep time information of the sensor node is transmitted to the gateway.
  • the gateway may transmit to the sensor node through a beacon message synchronized at the end of the sleep time (3SI) of the sensor node.
  • a data identifier indicating that data exists is sent to the sensor node.
  • the sensor node receives data from the gateway and initializes the sleep time of the sensor node in the communication period of the active period located after the end of the sleep time based on the data identifier.
  • the sleep time of the initialized sensor node is gradually increased in the manner described above when there is no data to receive based on the data identifier.
  • FIG. 8 illustrates an IEEE 802.15.4 based sensor network in which a sensor node moves to an adjacent personal area network
  • FIG. 9 illustrates a method of controlling sleep time of a mobile sensor node when the sensor node moves to an adjacent personal area network. It is a flowchart for doing so.
  • the IEEE 802.15.4 based sensor network is composed of a plurality of gateways and a plurality of sensor nodes belonging to each gateway.
  • the gateway and a plurality of sensor nodes belonging to each gateway constitute personal area networks PAN1, PAN2, and PAN3.
  • the sensor node is guaranteed mobility, and the sensor node belonging to the first personal area network PAN1 may move to the second personal area network PAN2.
  • the sensor network is 6LoWPAN (IPv6 over LoWPAN) for transmitting configuration data sensed by the sensor node to the external IPv6 network or receiving command data from the external IPv6 network in association with the external IPv6 network through the gateway.
  • 6LoWPAN IPv6 over LoWPAN
  • IPv6 over LoWPAN is a higher layer of MAC / PHY for direct IP mapping over IEEE 802.15.4. Routing with less sleep, less overhead, and less overhead in building IP and TCP / UDP environments. Implement routing tables, scalability, and more.
  • 6LoWPAN includes devices that work together to physically connect to a real-world application environment.
  • Wireless sensor nodes are an example and wireless sensor nodes follow the IEEE 802.15.4 standard.
  • the first personal area network PAN1 belongs to the adjacent second personal area network PAN2.
  • the sensor node determines the mobility of the sensor node based on asynchronous with the beacon message transmitted from the first gateway GW1 and the beacon message received from the second gateway GW2.
  • the sensor node moving to the second personal area network PAN2 is based on the second personal area network PAN2 identifier included in the beacon message received from the second gateway GW2 of the second personal area network PAN2.
  • the second gateway GW2 is connected (S13).
  • the mobile sensor node transmits the sleep information message of the mobile sensor node to the connected second gateway GW2 (S15), and maintains the sleep time of the mobile sensor node (S17).
  • the sleep information message includes sleep time information of the mobile sensor node.
  • the sensor node sleep time is transmitted by transmitting the sleep time information of the sensor node reflecting the data transmission / reception characteristics of the mobile sensor node to the adjacent gateway to maintain the sleep time of the sensor node. Energy consumption can be reduced by initializing.
  • FIG. 10 illustrates an example of a method of controlling a sleep time of a mobile sensor node when the sensor node moves to an adjacent personal area network.
  • FIG. 10 (a) shows a transmission period of a beacon message periodically transmitted from the first gateway and the second gateway to the sensor node
  • FIG. 10 (b) shows the sleep time of the sensor node.
  • the sleep time of the sensor node is initialized to 1SI and the sleep time information of the sensor node is transferred to the first gateway.
  • the first gateway transmits a data identifier to the sensor node through a beacon message synchronized at the end of sleep time 1SI of the sensor node, and the sensor node does not have data to be received from the first gateway based on the data identifier. If not, the sleep time of the sensor node is increased to 2SI and the sleep time information of the sensor node is transmitted to the second gateway.
  • the mobile sensor node When the sensor node moves in the first personal area network and accesses the second gateway, the mobile sensor node does not synchronize and receive the beacon message from the first gateway. When the mobile sensor node fails to synchronize and receive a beacon message from the first gateway, the mobile sensor node waits for a new beacon message, and the mobile sensor node receives the beacon message from the second gateway and connects to the second gateway. The mobile sensor node transmits the sleep time information of the mobile sensor node to the second gateway in the active section synchronized with the beacon message, and maintains the sleep time of the mobile sensor node as the sleep time before moving (2SI).
  • the second gateway transmits a data identifier to the mobile sensor node in synchronization with the beacon message, and the mobile sensor node is configured to receive data from the second gateway based on the data identifier. If not present, the sleep time of the mobile sensor node is increased to 3SI and the sleep time information of the mobile sensor node is transmitted to the second gateway.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a method of controlling a sleep time of a sensor node according to an embodiment of the present invention when there is data to be transmitted from the sensor node.
  • the sensor node stops only communication with the gateway even in the sleep mode, and continuously performs the sensing function to determine whether the sensing data to be transmitted is generated (S21). If there is data to be transmitted from the sensor node to the gateway, the sensor node immediately exits the sleep mode in the next beacon message cycle without waiting for the preset sleep time to expire (S23). The sensor node transmits data to the gateway in the communication period of the active period (S25), and initializes the sleep time of the sensor node (S27).
  • FIG. 12 illustrates an example of a method of controlling a sleep time of a sensor node when there is data to be transmitted from the sensor node to the gateway.
  • FIG. 12 (a) shows a transmission period of a beacon message periodically transmitted from the gateway to the sensor node
  • FIG. 12 (b) shows the sleep time of the sensor node.
  • the sleep time of the sensor node is initialized to 1SI and transmits the sleep time information of the sensor node to the gateway.
  • the gateway transmits a data identifier to the sensor node through a beacon message synchronized at the end of the sleep time (1SI) of the sensor node, and the sensor node based on the data identifier when there is no data to receive from the gateway.
  • the gateway transmits a data identifier to the sensor node through a beacon message synchronized at the end of sleep time (2SI) of the sensor node, and the sensor node has no data to receive from the gateway based on the data identifier.
  • the sleep time of the sensor node is increased to 3SI and the sleep time information of the sensor node is transmitted to the gateway.
  • the sensor node If sensor data is to be generated and sent to the gateway during the sleep time (3SI) of the sensor node, the sensor node immediately waits for the next beacon message cycle (t6) without waiting for the preset sleep time (3SI) to end.
  • the sleep mode is terminated, and the sensing data is transmitted to the gateway in the communication period of the active section and the sleep time of the sensor node is initialized.
  • the sleep time of the initialized sensor node is incrementally increased in the manner described above when there is no data to receive based on the data identifier.
  • FIG. 13 is an experimental example comparing the energy consumed in the sleep time control method of the sensor node according to the present invention. As shown in FIG. 13, the sleep time control method of the sensor node according to the present invention can be seen that the energy consumption of the sensor node is reduced compared to the sleep time control method that always wakes up and responds to the conventional beacon message.
  • the above-described embodiments of the present invention can be written as a program that can be executed in a computer, and can be implemented in a general-purpose digital computer that operates the program using a computer-readable recording medium.
  • the computer-readable recording medium may be a magnetic storage medium (for example, a ROM, a floppy disk, a hard disk, etc.), an optical reading medium (for example, a CD-ROM, DVD, etc.) and a carrier wave (for example, the Internet). Storage medium).
  • a magnetic storage medium for example, a ROM, a floppy disk, a hard disk, etc.
  • an optical reading medium for example, a CD-ROM, DVD, etc.
  • carrier wave for example, the Internet.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

본 발명은 IEEE 802.15.4 기반의 센서 네트워크에서 이동 센서 노드의 수면(sleep) 시간을 제어하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 게이트웨이로부터 송신되는 비콘 메시지의 송신 주기마다 무조건적으로 센서 노드가 깨워나 비콘 메시지를 수신하는 대신 센서 노드와 게이트웨이의 송수신 데이터의 존재 유무에 따라 센서 노드의 수면 시간을 단계적으로 증가시키며, 센서 노드가 인접 게이트웨이로 이동하는 경우에도 센서 노드의 수면 시간을 유지하여 센서 노드의 소비 에너지를 줄일 수 있는 센서 노드의 수면 시간의 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법은 센서 노드와 게이트웨이 사이에서 송수신할 데이터의 존재 유무에 따라 단계적으로 센서 노드의 수면 시간을 증가시킴으로써, 센서 노드에서 소비되는 에너지를 줄일 수 있다. 또한 본 발명에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법은 센서 노드가 인접 게이트웨이로 이동 접속하는 경우에도 센서 노드의 수면 시간을 유지함으로써, 센서 노드의 이동이 잦은 센서 네트워크에서 센서 노드의 소비 에너지를 줄일 수 있다.

Description

ＩＥＥＥ 802.15.4 기반의 센서 네트워크에서 이동 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법
본 발명은 IEEE 802.15.4 기반의 이동센서 네트워크에서 이동 센서 노드의 수면(sleep) 시간을 제어하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 게이트웨이로부터 송신되는 비콘 메시지의 송신 주기마다 항상 센서 노드가 응답하는 대신 센서 노드와 게이트웨이의 송수신 데이터의 존재 유무에 따라 센서 노드의 수면 시간을 단계적으로 증가시키며, 센서 노드가 인접 게이트웨이로 이동하는 경우에도 센서 노드의 수면 시간을 유지하여 센서 노드의 소비 에너지를 줄일 수 있는 센서 노드의 수면 시간 제어 방법에 관한 것이다.
최근 급부상하고 있는 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network) 기술은 인터넷의 지속적인 성장과 저가형의 센서 개발, 국제 표준화 등의 환경 변화로 인해 다양한 산업분야에서 실용화가 진행되고 있다. 센서 네트워크는 유비쿼터스(ubiquitous) 컴퓨팅 구현을 위한 기반 네트워크로 초경량, 저전력의 많은 센서 노드들로 구성된 무선 네트워크이다. 이는 특히 네트워크를 구성하는 센서 노드의 수가 매우 많고 각 센서 노드들은 제한된 전원과 컴퓨팅 능력을 가지며, 빈번한 센서 노드들의 삽입과 제거에 의해 센서 네트워크의 토폴로지(topology)가 쉽게 변화될 수 있다는 특성을 갖는다.
무선 센서 네트워크에서 각 센서 노드들의 통신을 위한 통신 프로토콜로 IEEE 802.15.4 표준이 규정되었다. IEEE 802.15.4는 저전력 무선 개인 영역 네트워크(Low power Wireless Personal Area Network, 이하 'LoWPAN'이라 칭함)의 MAC(Medium Access Control)와 PHY(Physical) 계층 표준이며 저속의 통신대역과 저전력을 목표로 하는 프로토콜로서 전송율이 낮고 전송 거리가 비교적 짧은 무선 개인영역의 네트워크 환경에 가장 적합한 통신기술로 인식되고 있다.
도 1은 통상적인 IEEE 802.15.4 기반의 센서 네트워크 일 예를 도시하고 있다.
도 1을 참고로 살펴보면, IEEE 802.15.4 기반의 센서 네트워크는 다수의 게이트웨이(GW1, GW2, GW3)와 각 게이트웨이에 접속하고 있는 다수의 센서 노드들로 구성되어 있다. 각 게이트웨이와 각 게이트웨이에 접속되어 있는 다수의 센서 노드들은 각각 개인 영역 네트워크(Personal Area Network, PAN)을 구성하고 있다. 각 개인 영역 네트워크에서 게이트웨이는 센서 노드들에게 비콘 메시지를 주기적으로 송신하며, 센서 노드들은 비콘 메시지에 동기화되어 게이트웨이와 데이터를 송수신한다.
각 개인 영역 네트워크(PAN)에서 센서 노드들은 게이트웨이의 관리/제어에 따라 데이터를 송수신하는데, 각 개인 영역 네트워크(PAN)에서 센서 노드와 게이트웨이의 통신은 도2에 도시되어 있는 IEEE 802.15.4 기반의 수퍼프레임(superframe)에 따라 이루어진다. 도 2를 참고로 보다 구체적으로 살펴보면, 수퍼프레임은 게이트웨이에서 센서 노드로 브로딩캐스팅되는 비콘 메시지의 송신 주기 사이에 할당되어 있는 슬랏으로 규정된다. 수퍼프레임은 크게 활성(active) 구간과 비활성(inactive) 구간으로 구성되어 있으며, 활성 구간은 다시 16개의 연속적인 시간 슬롯(slot)으로 구성되어 있다. 활성 구간은 가장 먼저 비콘 메시지 구간, 비콘 메시지 구간에 연속하여 이어지는 경쟁 통신 구간(Contention Access Period, CAP), 경쟁 통신 구간에 연속하여 이어지는 비경쟁 통신 구간(Contention Free Period, CFP)로 구분되어 있다. 센서 노드 또는 게이트웨이는 경쟁 통신 구간(CAP) 또는 비경쟁 통신 구간(CFP)에서 데이터를 송수신하며, 활성 구간이 종료할 때마다 센서 노드들은 비활성 구간에서 수면 모드로 상태 변환하여 소비 에너지를 절약하도록 제어된다.
도 3은 종래 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3(a)는 게이트웨이에서 센서 노드로 주기적으로 송신하는 비콘 메시지의 송신 주기를 도시하고 있으며, 도 3(b)는 센서 노드의 수면 시간을 도시하고 있다.
도 3(a)와 도 3(b)에 도시되어 있는 것과 같이, 게이트웨이는 주기적으로 센서 노드들로 비콘 메시지를 송신하며, 센서 노드들은 비콘 메시지를 수신할 때마다 비활성 구간의 수면 모드에서 깨어나 활성 구간으로 진입하며, 활성 구간에서 게이트웨이로 데이터를 송신하거나 게이트웨이로부터 데이터를 수신한다. 활성 구간이 종료하는 경우 센서 노드는 다시 비활성 구간에서 수면 모드로 진입하여 소비 에너지를 절약한다. 여기서 비활성 구간 동안 센서 노드가 수면 모드로 존재하는 센서 노드의 수면 시간은 비활성 구간(1SI)으로 서로 동일하다. 즉 종래 수퍼프레임 주기에서 센서 노드들은 비콘 메시지를 수신할 때마다 동일한 활성 구간과 비활성 구간을 반복하여 데이터를 송수신하거나 수면 모드로 진입한다.
종래 IEEE 802.15.4 기반의 센서 네트워크에서 센서 노드들은 주기적으로 수신되는 비콘 메시지에 응답하여 비콘 메시지를 수신할 때마다 항상 수면 모드에서 깨워나 활성 구간을 가지게 된다. 실제 센서 노드와 게이트웨이 사이에서 송수신되는 데이터의 트래픽 양은 매우 작으며 아주 작은 밴드폭만을 요구한다. 그러나 종래 센서 네트워크에서 센서 노드는 감지 데이터를 게이트웨이로 송신하거나 게이트웨이로부터 데이터를 수신할 때에만 비콘 메시지에 응답하여 수면 모드에서 깨어나는 것이 아니라 송수신할 데이터가 존재하지 않는 경우에도 항상 비콘 메시지에 응답하여 활성 구간을 가지게 되어 에너지를 소비하게 된다는 문제점을 가진다. 한정된 자원을 이용하는 센서 네트워크의 특성상 센서 노드의 에너지 관리는 가장 중요한 요인이다.
본 발명은 위에서 언급한 종래 IEEE 802.15.4 기반의 센서 네트워크에서 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법이 가지는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 과제는 IEEE 802.15.4 기반의 센서 네트워크에서 센서 노드의 수면 시간을 센서 노드와 게이트웨이 사이의 송수신 데이터 존재 유무에 따라 단계적으로 증가시켜 센서 노드의 소비 에너지를 줄일 수 있는 센서 노드의 수면 시간 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 목적은 IEEE 802.15.4 기반의 센서 네트워크에서 센서 노드가 인접 게이트웨이로 이동하는 경우에도 센서 노드의 수면 시간을 유지하여 센서 노드에서 소비되는 소비 에너지를 줄일 수 있는 센서 노드의 수면 시간 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법은 게이트웨이와 센서 노드 사이에서 송수신할 데이터의 존재 유무에 따라 센서 노드의 수면 시간을 단계적으로 증가시키는 단계와, 센서 노드가 인접 게이트웨이로 이동시 인접 게이트웨이로 이동 센서 노드의 수면 시간에 대한 정보를 제공하여 인접 게이트웨이에서 이동 센서 노드의 수면 시간을 유지하는 단계를 포함한다.
센서 노드의 수면 시간을 단계적으로 증가시키는 단계는 센서 노드에서 게이트웨이로 센서 노드의 수면 시간에 대한 정보를 송신하는 단계와, 센서 노드의 수면 시간의 종료 후 게이트웨이로부터 센서 노드로 송신할 데이터의 존재 여부를 알려주는 데이터 메시지를 수신하는 단계와, 데이터 메시지에 기초하여 센서 노드로 송신할 데이터가 존재하지 않는 경우 센서 노드의 수면 시간을 단계적으로 증가시켜 센서 노드의 수면 시간 정보를 갱신하는 단계를 포함한다.
이동 센서 노드의 수면 시간을 유지하는 단계는 인접 게이트웨이로 센서 노드의 이동을 인식하는 단계와, 인접 게이트웨이로부터 인접 게이트웨이의 식별자를 수신하여 인접 게이트웨이에 접속하는 단계와, 인접 게이트웨이로 이동 센서 노드의 수면 시간 정보를 송신하여 인접 게이트웨이에서 이동 센서 노드의 수면 시간을 유지하는 단계를 포함한다.
여기서 데이터 메시지에 기초하여 센서 노드로 송신할 데이터가 존재하는 경우, 센서 노드는 수면 시간 종료 후 센서 노드의 통신 주기에 게이트웨이로부터 데이터를 수신하고 센서 노드의 수면 시간을 초기화하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 센서 노드의 수면 시간은 데이터 메시지에 기초하여 게이트웨이로부터 수신할 데이터가 존재하지 않을 경우, 임계 수면 시간 내에서 단계적으로 증가되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 이동 센서 노드의 수면 시간 제어 방법은 센서 노드가 속해 있는 게이트웨이에서 인접 게이트웨이로 센서 노드가 이동하였음을 인접 게이트웨이로부터 수신한 비콘 메시지에 기초하여 인식하는 단계와, 비콘 메시지에 포함되어 있는 네트워크 식별자에 기초하여 인접 게이트웨이에 접속하는 단계와, 인접 게이트웨이로 이동 센서 노드의 수면 시간 정보를 송신하는 단계를 포함하며, 인접 게이트웨이는 이동 센서 노드의 수면 시간 정보에 기초하여 이동 센서 노드의 수면 시간을 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이동 센서 노드의 수면 시간 제어 방법은 이동 센서 노드의 수면 시간의 종료 후, 인접 게이트웨이로부터 이동 센서 노드로 송신할 데이터의 존재 여부를 알려주는 데이터 메시지를 수신하는 단계와, 데이터 메시지에 기초하여 이동 센서 노드로 송신할 데이터가 존재하지 않는 경우, 이동 센서 노드의 수면 시간을 단계적으로 증가시켜 이동 센서 노드의 수면 시간 정보를 갱신하는 단계와, 갱신한 이동 센서 노드의 수면 시간 정보를 인접 게이트웨이로 송신하는 단계를 더 포함하며, 인접 게이트웨이는 이동 센서 노드의 수면 시간을 갱신한 이동 센서 노드의 수면 시간 정보로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이동 센서 노드의 수면 시간 제어 방법은 이동 센서 노드의 수면 시간 동안에 이동 센서 노드에서 인접 게이트웨이로 송신할 데이터가 존재하는지 판단하는 단계와, 송신할 데이터가 존재하는 경우, 이동 센서 노드의 수면 시간을 종료하고 다음 비콘 메시지의 통신 주기에 데이터를 인접 게이트웨이로 송신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법은 종래 센서 노드의 수면 시간 제어 방법과 비교하여 다음과 같은 다양한 효과들을 가진다.
첫째, 본 발명에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법은 센서 노드와 게이트웨이 사이에서 송수신할 데이터의 존재 유무에 따라 단계적으로 센서 노드의 수면 시간을 증가시킴으로써, 센서 노드에서 소비되는 에너지를 줄일 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법은 센서 노드가 인접 게이트웨이로 이동 접속하는 경우에도 센서 노드의 수면 시간을 유지함으로써, 센서 노드의 이동이 잦은 센서 네트워크에서 센서 노드의 소비 에너지를 줄일 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법은 센서 노드와 게이트웨이 사이에서 송수신할 데이터의 존재 유무에 따라 단계적으로 센서 노드의 수면 시간을 증가시킴으로써, 다수의 센서 노드들이 존재하는 센서 네트워크에서 데이터의 송수신 충돌을 방지하여 원할한 센서 네트워크의 운영이 가능하다.
도 1은 통상적인 IEEE 802.15.4 기반의 센서 네트워크 일 예를 도시하고 있다.
도2는 IEEE 802.15.4 기반의 수퍼프레임(superframe)을 도시하고 있다.
도 3은 종래 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 게이트웨이에서 센서 노드로 송신할 데이터가 존재하는 경우 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 센서 노드가 인접 개인 영역 네트워크로 이동한 IEEE 802.15.4 기반의 센서 네트워크를 도시하고 있다.
도 9는 센서 노드가 인접 개인 영역 네트워크로 이동시 이동 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10은 센서 노드가 인접 개인 영역 네트워크로 이동한 경우 이동 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 센서 노드에서 송신할 데이터가 존재하는 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 12은 센서 노드에서 게이트웨이로 송신할 데이터가 존재하는 경우 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법에서 소비되는 에너지를 종래 방법과 비교한 실험예이다.
이하 첨부한 도면을 참고로 본 발명에 따른, IEEE 802.15.4 기반의 센서 네트워크에서 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참고로 살펴보면, 개인 영역 네트워크에는 게이트웨이 및 게이트웨이에 접속되어 있는 다수의 센서 노드들이 위치하고 있다. 센서 노드는 자신이 속해 있는 개인 영역 네트워크의 게이트웨이로 수면 정보 메시지를 송신한다(S1). 수면 정보 메시지에는 센서 노드의 수면 시간 정보가 포함되어 있다. 여기서 수면 시간 정보란 센서 노드가 수면 모드로 존재하는 시간에 대한 정보로 센서 노드의 수면 시간 동안에는 게이트웨이가 송신하는 비콘 메시지에 응답하지 않으며 활성 구간 없이 계속해서 수면 모드 상태를 유지한다.
센서 노드의 수면 시간 정보에 기초하여 게이트웨이는 센서 노드가 수면 모드에서 깨어나는 시점에 게이트웨이에서 센서 노드로 송신할 데이터가 존재하는지 여부를 나타내는 데이터 식별자를 송신한다(S3). 예를 들어, 게이트웨이가 센서 노드로 송신할 데이터가 존재하지 않는 경우 데이터 식별자의 값은 0으로 설정되고, 게이트웨이가 센서 노드로 송신할 데이터가 존재하는 경우 데이터 식별자의 값은 1로 설정된다. 바람직하게, 데이터 식별자는 주기적으로 송신되는 비콘 메시지에 포함되어 센서 노드로 송신되며, 센서 노드가 수면 모드에서 깨어나는 시점은 비콘 메시지에 동기화되어 있다.
데이터 식별자에 기초하여 게이트웨이에서 센서 노드로 송신할 데이터가 존재하는지 판단하여(S5), 게이트웨이에서 센서 노드로 송신할 데이터가 존재하지 않는 경우 센서 노드의 수면 시간을 단계적으로 증가시킨다(S7). 반면, 게이트웨이에서 센서 노드로 송신할 데이터가 존재하는 경우 센서 노드는 수면 모드에서 깨어나 활성구간의 통신 주기에 데이터를 게이트웨이로부터 수신하고 센서 노드의 수면 시간을 초기화한다(S8).
센서 노드는 증가한 수면 시간 또는 초기화된 수면 시간에 대한 정보를 게이트웨이로 송신한다(S9). 게이트웨이는 수신한 센서 노드의 수면 시간 정보를 각 센서 노드별로 수신하여 저장하고 있으며, 센서 노드로부터 수면 시간 정보를 수신하는 경우 기저장되어 있는 수면 시간 정보를 수신한 수면 시간 정보로 갱신한다. 게이트웨이는 갱신한 센서 노드의 수면 시간 정보에 기초하여 센서 노드의 수면 모드가 종료하는 시점에 비콘 메시지를 통해 센서 노드로 데이터 식별자를 송신한다.
본 발명에서 센서 노드는 비콘 메시지 주기마다 수면 모드에서 깨어나 활성 구간을 가지는 것이 아니라 센서 노드와 게이트웨이 사이의 송수신 데이터에 기초하여 센서 노드의 수면 시간을 증가시킴으로써, 센서 노드에서 소비되는 에너지를 절약할 수 있으며, 네트워크에 부하를 덜어주어 원할한 통신이 이루어질 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5(a)는 게이트웨이에서 센서 노드로 주기적으로 송신하는 비콘 메시지의 송신 주기를 도시하고 있으며, 도 5(b)는 센서 노드의 수면 시간을 도시하고 있다. 도 5(b)에 도시되어 있는 것과 같이, 센서 노드의 수면 시간은 1SI로 초기화되어 있으며 센서 노드의 수면 시간 정보를 게이트웨이로 송신한다. 게이트웨이는 센서 노드의 수면 시간(1SI)이 종료하는 시점에 동기화된 비콘 메시지를 통해 데이터 식별자를 센서 노드로 송신하며, 센서 노드는 데이터 식별자에 기초하여 게이트웨이로부터 수신할 데이터가 존재하지 않는 경우 센서 노드의 수면 시간을 2SI로 증가시키고 센서 노드의 수면 시간 정보를 게이트웨이로 송신한다. 이와 동일하게 게이트웨이는 센서 노드의 수면 시간(2SI)이 종료하는 시점에 동기화된 비콘 메시지를 통해 데이터 식별자를 센서 노드로 송신하며, 센서 노드는 데이터 식별자에 기초하여 게이트웨이로부터 수신할 데이터가 존재하지 않는 경우 센서 노드의 수면 시간을 3SI로 증가시키고 센서 노드의 수면 시간 정보를 게이트웨이로 송신한다. 센서 노드는 게이트웨이로부터 수신한 데이터가 존재하지 않는 경우 계속해서 센서 노드의 수면 시간을 단계적으로 증가시켜 센서 노드에서 소비되는 에너지를 줄인다.
도 6은 본 발명에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6(a)는 게이트웨이에서 센서 노드로 주기적으로 송신하는 비콘 메시지의 송신 주기를 도시하고 있으며, 도 6(b)는 센서 노드의 수면 시간을 도시하고 있다. 도 6(b)에 도시되어 있는 것과 같이, 센서 노드의 수면 시간은 1SI로 초기화되어 있으며 센서 노드의 수면 시간 정보를 게이트웨이로 송신한다. 게이트웨이는 센서 노드의 수면 시간(1SI)이 종료하는 시점에 동기화된 비콘 메시지를 통해 데이터 식별자를 센서 노드로 송신하며, 센서 노드는 데이터 식별자에 기초하여 게이트웨이로부터 수신할 데이터가 존재하지 않는 경우 센서 노드의 수면 시간을 2SI로 증가시키고 센서 노드의 수면 시간 정보를 게이트웨이로 송신한다. 이와 동일하게 게이트웨이는 센서 노드의 수면 시간(2SI)이 종료하는 시점에 동기화된 비콘 메시지를 통해 데이터 식별자를 센서 노드로 송신하며, 센서 노드는 데이터 식별자에 기초하여 게이트웨이로부터 수신할 데이터가 존재하지 않는 경우 센서 노드의 수면 시간을 3SI로 증가시키고 센서 노드의 수면 시간 정보를 게이트웨이로 송신한다. 센서 노드는 게이트웨이로부터 수신한 데이터가 계속해서 존재하지 않는 경우 임계 수면 시간(3SI)을 유지하며 센서 노드에서 소비되는 에너지를 줄인다.
도 7은 게이트웨이에서 센서 노드로 송신할 데이터가 존재하는 경우 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7(a)는 게이트웨이에서 센서 노드로 주기적으로 송신하는 비콘 메시지의 송신 주기를 도시하고 있으며, 도 7(b)는 센서 노드의 수면 시간을 도시하고 있다.
도 7(b)에 도시되어 있는 것과 같이, 센서 노드의 수면 시간은 1SI로 초기화되어 있으며 센서 노드의 수면 시간 정보를 게이트웨이로 송신한다. 게이트웨이는 센서 노드의 수면 시간(1SI)이 종료하는 시점에 동기화된 비콘 메시지를 통해 데이터 식별자를 센서 노드로 송신하며, 센서 노드는 데이터 식별자에 기초하여 게이트웨이로부터 수신할 데이터가 존재하지 않는 경우 센서 노드의 수면 시간을 2SI로 증가시키고 센서 노드의 수면 시간 정보를 게이트웨이로 송신한다. 이와 동일하게 게이트웨이는 센서 노드의 수면 시간(2SI)이 종료하는 시점에 동기화된 비콘 메시지를 통해 데이터 식별자를 센서 노드로 송신하며, 센서 노드는 데이터 식별자에 기초하여 게이트웨이로부터 수신할 데이터가 존재하지 않는 경우 센서 노드의 수면 시간을 3SI로 증가시키고 센서 노드의 수면 시간 정보를 게이트웨이로 송신한다.
한편, 센서 노드의 수면 시간(3SI) 동안에 게이트웨이로부터 센서 노드로 송신할 데이터가 존재하는 경우, 게이트웨이는 센서 노드의 수면 시간(3SI)이 종료하는 시점에 동기화된 비콘 메시지를 통해 센서 노드로 송신할 데이터가 존재함을 나타내는 데이터 식별자를 센서 노드로 송신한다. 센서 노드는 데이터 식별자에 기초하여 수면 시간이 종료하는 시점 다음에 위치하는 활성 구간의 통신 주기에 게이트웨이로부터 데이터를 수신하고 센서 노드의 수면 시간을 초기화한다. 초기화한 센서 노드의 수면 시간은 데이터 식별자에 기초하여 수신할 데이터가 존재하지 않는 경우 앞서 설명한 방식으로 단계적으로 증가된다.
도 8은 센서 노드가 인접 개인 영역 네트워크로 이동한 IEEE 802.15.4 기반의 센서 네트워크를 도시하고 있으며, 도 9는 센서 노드가 인접 개인 영역 네트워크로 이동시 이동 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8에 도시되어 있는 것과 같이, IEEE 802.15.4 기반의 센서 네트워크는 다수의 게이트웨이와 각 게이트웨이에 속한 다수의 센서 노드들로 구성되어 있다. 게이트웨이와 각 게이트웨이에 속한 다수의 센서 노드들은 개인 영역 네트워크(PAN1, PAN2, PAN3)을 구성한다. 센서 노드는 이동성이 보장되며, 제1 개인 영역 네트워크(PAN1)에 속한 센서 노드는 제2 개인 영역 네트워크(PAN2)로 이동할 수 있다.
바람직하게, 센서 네트워크는 구성 센서 노드들이 게이트웨이를 통해 외부 IPv6 네트워크와 연동하여 센서 노드에서 감지한 감지 데이터를 외부 IPv6 네트워크로 송신하거나 외부 IPv6 네트워크로부터 명령 데이터를 수신하는 6LoWPAN(IPv6 over LoWPAN)이다. 6LoWPAN(IPv6 over LoWPAN)은 IEEE 802.15.4 위에 직접 IP를 매핑하기 위한 MAC/PHY의 상위 계층으로 IP 및 TCP/UDP 등의 환경을 구축하는 데에 있어서 주기적 수면을 포함한 라우팅, 적은 오버헤드, 작은 라우팅 테이블, 확장성 등을 구현한다. 일반적으로 6LoWPAN은 실제 현실 세계의 어플리케이션 환경에 물리적으로 연결되기 위하여 함께 동작하는 장치들을 포함한다. 무선 센서 노드들이 그 예라 할 수 있으며 무선 센서 노드들은 IEEE 802.15.4 표준을 따른다.
도 9를 참고로 센서 노드가 제1 개인 영역 네트워크(PAN1)에서 인접한 제2 개인 영역 네트워크(PAN2)로 이동시 이동 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법을 보다 구제적으로 살펴보면, 센서 노드는 자신이 속한 제1 개인 영역 네트워크(PAN1)에서 인접한 제2 개인 영역 네트워크(PAN2)로 이동하였음을 인식한다(S11). 센서 노드는 제1 게이트웨이(GW1)에서 송신하는 비콘 메시지와의 비동기화 및 제2 게이트웨이(GW2)에서 수신한 비콘 메시지에 기초하여 센서 노드의 이동성을 판단한다.
제2 개인 영역 네트워크(PAN2)로 이동한 센서 노드는 제2 개인 영역 네트워크(PAN2)의 제2 게이트웨이(GW2)로부터 수신한 비콘 메시지에 포함되어 있는 제2 개인 영역 네트워크(PAN2) 식별자에 기초하여 제2 게이트웨이(GW2)에 접속한다(S13). 이동 센서 노드는 접속한 제2 게이트웨이(GW2)로 이동 센서 노드의 수면 정보 메시지를 송신하고(S15), 이동 센서 노드의 수면 시간을 유지한다(S17). 수면 정보 메시지에는 이동 센서 노드의 수면 시간 정보가 포함되어 있다.
이동 센서 노드는 인접 개인 영역 네트워크로 이동하더라도 이동 센서 노드의 데이터 송수신 특성을 반영한 센서 노드의 수면 시간 정보를 인접 게이트웨이로 송신하여 센서 노드의 수면 시간을 유지함으로써, 센서 노드의 잦은 이동에 따라 수면 시간의 초기화로 소비되는 에너지 낭비를 줄일 수 있다.
도 10은 센서 노드가 인접 개인 영역 네트워크로 이동한 경우 이동 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10(a)는 제1 게이트웨이와 제2 게이트웨이에서 센서 노드로 주기적으로 송신하는 비콘 메시지의 송신 주기를 도시하고 있으며, 도 10(b)는 센서 노드의 수면 시간을 도시하고 있다.
도 10(a)와 10(b)에 도시되어 있는 것과 같이, 센서 노드가 제1 게이트웨이에 접속되어 있는 경우 센서 노드의 수면 시간은 1SI로 초기화되어 있으며 센서 노드의 수면 시간 정보를 제1 게이트웨이로 송신한다. 제1 게이트웨이는 센서 노드의 수면 시간(1SI)이 종료하는 시점에 동기화된 비콘 메시지를 통해 데이터 식별자를 센서 노드로 송신하며, 센서 노드는 데이터 식별자에 기초하여 제1 게이트웨이로부터 수신할 데이터가 존재하지 않는 경우 센서 노드의 수면 시간을 2SI로 증가시키고 센서 노드의 수면 시간 정보를 제2 게이트웨이로 송신한다.
센서 노드가 제1 개인 영역 네트워크에서 이동하여 제2 게이트웨이에 접속하는 경우, 이동 센서 노드는 제1 게이트웨이로부터 비콘 메시지를 동기화하여 수신하지 못한다. 이동 센서 노드가 제1 게이트웨이로부터 비콘 메시지를 동기화하여 수신하지 못하는 경우 이동 센서 노드는 새로운 비콘 메시지를 기다리며, 이동 센서 노드는 제2 게이트웨이로부터 비콘 메시지를 수신하여 제2 게이트웨이에 접속한다. 이동 센서 노드는 제2 게이트웨이로 이동 센서 노드의 수면 시간 정보를 비콘 메시지에 동기화한 활성 구간에 송신하고 이동 센서 노드의 수면 시간을 이동 전 수면 시간(2SI)으로 유지한다.
이동 센서 노드의 수면 시간(2SI)이 종료하는 시점에 제2 게이트웨이는 비콘 메시지에 동기화하여 데이터 식별자를 이동 센서 노드로 송신하며, 이동 센서 노드는 데이터 식별자에 기초하여 제2 게이트웨이로부터 수신할 데이터가 존재하지 않는 경우 이동 센서 노드의 수면 시간을 3SI로 증가시키고 이동 센서 노드의 수면 시간 정보를 제2 게이트웨이로 송신한다.
도 11은 센서 노드에서 송신할 데이터가 존재하는 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11을 참고로 살펴보면, 센서 노드는 수면 모드 중에서도 게이트웨이와의 통신만을 중단할 뿐 감지 기능은 계속해서 수행하며 송신할 감지 데이터가 생성되는지 판단한다(S21). 센서 노드에서 게이트웨이로 송신할 데이터가 존재하는 경우, 센서 노드는 기설정된 수면 시간이 종료할 때까지 기다리지 않고 다음 비콘 메시지 주기에 즉시 수면 모드를 종료한다(S23). 센서 노드는 활성 구간의 통신 주기에 게이트웨이로 데이터를 송신하고(S25), 센서 노드의 수면 시간을 초기화한다(S27).
도 12은 센서 노드에서 게이트웨이로 송신할 데이터가 존재하는 경우 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12(a)는 게이트웨이에서 센서 노드로 주기적으로 송신하는 비콘 메시지의 송신 주기를 도시하고 있으며, 도 12(b)는 센서 노드의 수면 시간을 도시하고 있다.
도 12(b)에 도시되어 있는 것과 같이, 센서 노드의 수면 시간은 1SI로 초기화되어 있으며 센서 노드의 수면 시간 정보를 게이트웨이로 송신한다. 게이트웨이는 센서 노드의 수면 시간(1SI)이 종료하는 시점에 동기화된 비콘 메시지를 통해 데이터 식별자를 센서 노드로 송신하며, 센서 노드는 데이터 식별자에 기초하여 게이트웨이로부터 수신할 데이터가 존재하지 않는 경우 센서 노드의 수면 시간을 2SI로 증가시키고 센서 노드의 수면 시간 정보를 게이트웨이로 송신한다. 이와 동일하게 게이트웨이는 센서 노드의 수면 시간(2SI)이 종료하는 시점에 동기화된 비콘 메시지를 통해 데이터 식별자를 센서 노드로 송신하며, 센서 노드는 데이터 식별자에 기초하여 게이트웨이로부터 수신할 데이터가 존재하지 않는 경우 센서 노드의 수면 시간을 3SI로 증가시키고 센서 노드의 수면 시간 정보를 게이트웨이로 송신한다.
센서 노드의 수면 시간(3SI) 동안에 센서 노드에서 감지 데이터를 생성하여 게이트웨이로 송신하고자 하는 경우, 센서 노드는 기설정된 수면 시간(3SI)이 종료할 때까지 기다리지 않고 다음 비콘 메시지 주기(t6)에 즉시 수면 모드를 종료하며, 활성 구간의 통신 주기에 감지 데이터를 게이트웨이로 송신하고 센서 노드의 수면 시간을 초기화한다. 초기화된 센서 노드의 수면 시간은 데이터 식별자에 기초하여 수신할 데이터가 존재하지 않는 경우 앞서 설명한 방식으로 단계적으로 증가된다.
도 13은 본 발명에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법에서 소비되는 에너지를 종래 방법과 비교한 실험예이다. 도 13에 도시되어 있는 것과 같이 본 발명에 따른 센서 노드의 수면 시간 제어 방법은 종래 비콘 메시지에 항상 깨어나 응답하는 수면 시간 제어 방법과 비교하여 센서 노드의 소비 에너지가 줄어들었음을 알 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시 예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.
상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는 마그네틱 저장 매체(예를 들어, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장 매체를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 다수의 게이트웨이와 각 게이트웨이에 속해있는 다수의 센서 노드를 구비하는 IEEE 802.15.4 기반의 센서 네트워크에서 상기 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 게이트웨이와 센서 노드 사이에서 송수신할 데이터의 존재 유무에 따라 상기 센서 노드의 수면 시간을 단계적으로 증가시키는 단계; 및
    (b) 상기 센서 노드가 인접 게이트웨이로 이동시 상기 인접 게이트웨이로 상기 이동 센서 노드의 수면 시간 정보를 제공하여 상기 인접 게이트웨이에서 상기 이동 센서 노드의 수면 시간을 유지하는 단계를 포함하는 센서 노드의 수면 시간 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 단계는
    상기 센서 노드에서 상기 게이트웨이로 상기 센서 노드의 수면 시간 정보를 송신하는 단계;
    상기 센서 노드의 수면 시간의 종료 후, 상기 게이트웨이로부터 상기 센서 노드로 송신할 데이터의 존재 여부를 알려주는 데이터 메시지를 수신하는 단계; 및
    상기 데이터 메시지에 기초하여 상기 센서 노드로 송신할 데이터가 존재하지 않는 경우, 상기 센서 노드의 수면 시간을 단계적으로 증가시켜 상기 센서 노드의 수면 시간 정보를 갱신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 수면 시간 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 센서 노드의 수면 시간은
    상기 데이터 메시지에 기초하여 상기 게이트웨이로부터 수신할 데이터가 존재하지 않을 경우, 임계 수면 시간 내에서 계속해서 단계적으로 증가되는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 수면 시간 제어 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 데이터 메시지에 기초하여 상기 센서 노드로 송신한 데이터가 존재하는 경우, 상기 센서 노드는 수면 시간 종료 후 상기 센서 노드의 통신 주기에 상기 게이트웨이로부터 데이터를 수신하고 상기 수면 시간을 초기화하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 수면 시간 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 (b) 단계는
    인접 게이트웨이로 상기 센서 노드의 이동을 인식하는 단계;
    상기 인접 게이트웨이로부터 상기 인접 게이트웨이의 식별자를 수신하여 상기 인접 게이트웨이에 접속하는 단계; 및
    상기 인접 게이트웨이로 상기 센서 노드의 수면 시간 정보를 송신하여 상기 인접 게이트웨이에서 상기 센서 노드의 수면 시간을 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 수면 시간 제어 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5항에 있어서,
    상기 센서 노드의 수면 시간 동안에, 상기 센서 노드에서 상기 게이트웨이 또는 인접 게이트웨이로 송신할 데이터가 존재하는지 판단하는 단계; 및
    송신할 데이터가 존재하는 경우, 상기 센서 노드의 수면 시간을 종료하고 다음 통신 주기에 상기 데이터를 상기 게이트웨이 또는 인접 게이트웨이로 송신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 수면 시간 제어 방법.
  7. 다수의 게이트웨이와 각 게이트웨이에 속해있는 다수의 센서 노드를 구비하는 IEEE 802.15.4 기반의 센서 네트워크에서 이동 센서 노드의 수면 시간을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 센서 노드가 속해 있는 게이트웨이에서 인접 게이트웨이로 상기 센서 노드가 이동하였음을 상기 인접 게이트웨이로부터 수신한 비콘 메시지에 기초하여 인식하는 단계;
    상기 비콘 메시지에 포함되어 있는 네트워크 식별자에 기초하여 상기 인접 게이트웨이에 접속하는 단계; 및
    상기 인접 게이트웨이로 상기 이동 센서 노드의 수면 시간 정보를 송신하는 단계를 포함하며,
    상기 인접 게이트웨이는 상기 이동 센서 노드의 수면 시간 정보에 기초하여 상기 이동 센서 노드의 수면 시간을 설정하는 것을 특징으로 하는 이동 센서 노드의 수면 시간 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 이동 센서 노드의 수면 시간의 종료 후, 상기 인접 게이트웨이로부터 상기 이동 센서 노드로 송신할 데이터의 존재 여부를 알려주는 데이터 메시지를 수신하는 단계; 및
    상기 데이터 메시지에 기초하여 상기 이동 센서 노드로 송신할 데이터가 존재하지 않는 경우, 상기 이동 센서 노드의 수면 시간을 단계적으로 증가시켜 상기 이동 센서 노드의 수면 시간 정보를 갱신하는 단계; 및
    상기 갱신한 이동 센서 노드의 수면 시간 정보를 상기 인접 게이트웨이로 송신하는 단계를 더 포함하며,
    상기 인접 게이트웨이는 상기 이동 센서 노드의 수면 시간을 상기 갱신한 이동 센서 노드의 수면 시간 정보로 설정하는 것을 특징으로 하는 이동 센서 노드의 수면 시간 제어 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 이동 센서 노드의 수면 시간 동안에, 상기 이동 센서 노드에서 상기 인접 게이트웨이로 송신할 데이터가 존재하는지 판단하는 단계; 및
    송신할 데이터가 존재하는 경우, 상기 이동 센서 노드의 수면 시간을 종료하고 다음 통신 주기에 상기 데이터를 상기 인접 게이트웨이로 송신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 센서 노드의 수면 시간 제어 방법.
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