WO2019124614A1 - 이동성 노드를 포함하는 비대칭 전송 전력 기반 무선 네트워크의 신호 송수신 방법 및 장치 - Google Patents

이동성 노드를 포함하는 비대칭 전송 전력 기반 무선 네트워크의 신호 송수신 방법 및 장치 Download PDF

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WO2019124614A1
WO2019124614A1 PCT/KR2017/015464 KR2017015464W WO2019124614A1 WO 2019124614 A1 WO2019124614 A1 WO 2019124614A1 KR 2017015464 W KR2017015464 W KR 2017015464W WO 2019124614 A1 WO2019124614 A1 WO 2019124614A1
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signal
node
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sink
strength indicator
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박세웅
정승범
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서울대학교산학협력단
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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 method for transmitting and receiving signals in an asymmetric transmission power based wireless network, and more particularly, to a method for providing efficient transmission of signals and data packets in a wireless network environment including a mobile low power node and a high power sink.
  • a wireless sensor network refers to a communication network between nodes for wirelessly transmitting various kinds of sensor data over a wide area and a long distance in a situation where a base station, an access point, and a wired network equipment are not installed.
  • Low Power and Lossy Network which is one of the wireless sensor networks, has very low transmission power because it is composed of nodes operating on battery power. Therefore, in order to transmit data to a node located at a remote location, multi-hop relay transmission is indispensable. For this purpose, routing technology has been actively studied.
  • Routing in the LLN is divided into a proactive method for periodically updating and managing the routing path and a reactive method for finding the routing path according to the necessity of the node.
  • the proactive approach is used mainly in networks consisting of static nodes where routing updates are not needed frequently, and in the case of reactive protocols, it is used in mobile networks where routing paths change frequently.
  • RPL Reflecting over low power and lossy network
  • DODAG Destination-Oriented Directed Acyclic Graph
  • RPL low power wireless network routing technology
  • LOADng Lightweight On-demand Ad hoc Distance-vector routing protocol-next generation
  • RPL and ORPL are proactive routing, they can not update the routing path instantly, and after they experience loss on the link, they search for another route. have.
  • LOADng is highly reactive because it looks for a new route instantaneously only when necessary, unlike RPL and ORPL.
  • RREQ Route REQuest
  • a wireless sensor network refers to a communication network between nodes for wirelessly transmitting various kinds of sensor data over a wide area and a long distance in a situation where a base station, an access point, and a wired network equipment are not installed.
  • Low Power and Lossy Network which is one of the wireless sensor networks, has very low transmission power because it is composed of nodes operating on battery power. Therefore, in order to transmit data to a node located at a remote location, multi-hop relay transmission is indispensable. For this purpose, routing technology has been actively studied.
  • Routing in the LLN is divided into a proactive method for periodically updating and managing the routing path and a reactive method for finding the routing path according to the necessity of the node.
  • the proactive approach is used mainly in networks consisting of static nodes where routing updates are not needed frequently, and in the case of reactive protocols, it is used in mobile networks where routing paths change frequently.
  • RPL Reflecting over low power and lossy network
  • DODAG Destination-Oriented Directed Acyclic Graph
  • RPL low power wireless network routing technology
  • LOADng Lightweight On-demand Ad hoc Distance-vector routing protocol-next generation
  • RPL and ORPL are proactive routing, they can not update the routing path instantly, and after they experience loss on the link, they search for another route. have.
  • LOADng is highly reactive because it looks for a new route instantaneously only when necessary, unlike RPL and ORPL.
  • RREQ Route REQuest
  • a method of transmitting and receiving signals in a wireless network system is a method of transmitting and receiving signals between a plurality of nodes of low power and a high power sink in a wireless network system, ; Transmitting a downlink signal to the plurality of nodes in a first section of the super frame; And receiving, in a second section of the superframe, an uplink signal through multi-hop relaying, the plurality of nodes generating a received signal strength indicator (RSSI) when receiving the beacon signal, The uplink signal is transmitted to the sink according to the received signal strength indicator of each node.
  • RSSI received signal strength indicator
  • the beacon signal includes an output time of the superframe, a length of the first interval and a length of the second interval, the first interval and the second interval are temporally divided independent intervals, And the second section may be an uplink section.
  • the beacon signal and the downlink signal may be transmitted to the plurality of nodes through a single hop transmission.
  • the received signal strength indicator is stronger near the sink, and each of the plurality of nodes can transmit the uplink signal to a neighboring node having a received signal strength indicator higher than its received signal strength indicator.
  • the plurality of nodes may be mobile nodes.
  • the node maintains an operation mode in which it waits for the reception of the downlink signal in the first period and is activated in a period of inactive state in which the sleep mode is maintained in the second period to sense the uplink signal.
  • a method of transmitting and receiving signals in a wireless network system is a method of transmitting and receiving signals between a plurality of low-power nodes and a high-power sink in a wireless sensor network system, wherein a beacon signal indicating a start of a superframe Receiving; Receiving a downlink signal from the sink in a first section of the superframe; And transmitting the uplink signal to the sink through a multi-hop relay in a second section of the super frame, wherein the plurality of nodes generate a received signal strength indicator (RSSI) when receiving the beacon signal And the uplink signal is transmitted to the sink according to a received signal strength indicator of each node.
  • RSSI received signal strength indicator
  • the first interval is a downlink interval
  • the second interval is an uplink interval
  • the beacon signal includes an output time of the superframe, a length of the first interval and the second interval
  • the second section may be an independent section that is temporally divided.
  • the beacon signal and the downlink signal may be transmitted from the sink to the plurality of nodes through a single hop transmission.
  • the received signal strength indicator is stronger near the sink, and each of the plurality of nodes can transmit the uplink signal to a neighboring node having a received signal strength indicator higher than its received signal strength indicator.
  • the plurality of nodes may be mobile nodes.
  • the node maintains an operation mode in which it waits for the reception of the downlink signal in the first period and is activated in a period of inactive state in which the sleep mode is maintained in the second period to sense the uplink signal.
  • a wireless device is configured to transmit and receive data signals as nodes included in an asymmetric transmit power based wireless network system, the wireless device receiving a beacon signal indicating the start of a superframe, A transceiver for receiving a downlink signal in a second interval of the superframe and transmitting the uplink signal to a peripheral wireless device; And a processor for generating a received signal strength indicator (RSSI) when receiving the beacon signal and determining a peripheral wireless device to transmit the uplink signal according to the received signal strength indicator.
  • RSSI received signal strength indicator
  • beacon signal and the downlink signal are transmitted from the sink to the transceiver through a single hop transmission, the received signal strength indicator is stronger closer to the sink, and the processor is more robust than the received signal strength indicator And transmit the uplink signal to a neighboring wireless device having a signal strength indicator.
  • the wireless device is a mobile node and the wireless device maintains an operation mode for waiting for reception of a downlink signal in the first period and is activated in a predetermined period in an inactive state for maintaining a sleep mode in the second period,
  • the link signal can be detected.
  • the beacon transmission in the high voltage sink is repetitively transmitted every few seconds, so that the node and the sink can be started up and the signal transmission / reception path can be kept up to date.
  • high-power downlink and low-power uplink are time-divided in response to beacon transmission, interference due to high-power transmission can be minimized.
  • the forwarding and memory burden of a node performing a single hop downlink transmission using a high voltage sink can be reduced.
  • a received signal strength indicator (RSSI) that can reflect the movement of the node as a routing metric, and can be more easily applied to a mobile LLN .
  • RSSI received signal strength indicator
  • FIG. 1 is an exemplary diagram illustrating a wireless network system to which a signal transmission / reception method according to an embodiment of the present invention can be applied.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a superframe structure of a signal transmission / reception system according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is an exemplary diagram illustrating downlink transmission.
  • FIG. 4 is an exemplary diagram showing a variation distribution according to a received signal strength indicator.
  • 5 and 6 are views illustrating an uplink transmission using the received signal strength indicator change distribution of FIG.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a signal transmission / reception method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a signal transmission / reception method according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating another simulation topology in an experimental example.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a wireless device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an exemplary diagram illustrating a wireless network system to which a signal transmission / reception method according to an embodiment of the present invention can be applied.
  • the wireless network system 10 may be a network system composed of battery-powered nodes. That is, it may be a network system that requires a routing path (signal transmission / reception path) for minimizing battery consumption. Illustratively, it may be, but is not limited to, a wireless image sensor network comprised of sensor nodes including battery powered wireless video camera (image) sensors.
  • the wireless network system 10 may include a plurality of nodes 110 and a sink 100.
  • a plurality of sinks may be provided, but for convenience of description, a signal transmission / reception system of a wireless network including a plurality of nodes and a single sink will be described.
  • the node 110 may be a sensor node.
  • the node 110 may generate a data signal through sensing and may provide a path for transmitting data signals of other nodes.
  • the sink 100 may be a node that is the final end point of a signal generated at a plurality of nodes. The data signal can be transmitted to the external network through the sink.
  • the sink 100 may be replaced by terms such as "coordinator” or "gateway ".
  • the sink 100 may provide an external signal to the plurality of nodes 110 or may generate signals to provide the signals to the plurality of nodes 110.
  • the data signal is shifted from the plurality of nodes 110 to the sink 100 as the uplink
  • the downlink is defined as the shift of the data signal from the sink 100 to the plurality of nodes 110.
  • the node 110 may be in a low-power state driven by a battery as described above. As shown in FIG. 1, a node 110 with low transmit power may be limited to a neighboring node with a signal output radius. A plurality of nodes 110 may form signaling links with neighboring nodes to transmit signaling data. Therefore, in the wireless network system according to the embodiment of the present invention, a signal can be transmitted in a multi-hop scheme in which the uplink is transmitted from each node to the sink 100 through another node.
  • the sink 100 may be in a high power state.
  • the sink 100 may be a high power coordinator with high transmit power.
  • the signal output radius of the sink 100 may include all the nodes 110 included in the wireless network system 10 as shown in FIG.
  • a downlink may be transmitted from a sink 100 to a plurality of nodes 110 in a single-hop transmission. That is, unlike the conventional multi-hop downlink transmission, forwarding and memory burden due to complicated routing may not be imposed on the nodes because single hop downlink transmission is performed in the present invention.
  • the node 110 may have mobility.
  • the wireless network system 10 may support a static network as well as a mobile network, and the nodes 110 included therein may be moved within the network environment.
  • node 110 may be moved out of the wireless network environment.
  • the node 110 constituting the network environment may be deleted or added.
  • the uplink can be routed in a proactive manner, but the routing update can be started through a single hop beacon transmission of a high power sink, .
  • the routing update can be started through a single hop beacon transmission of a high power sink, .
  • FIG. 2 illustrates an example of a superframe structure of a wireless network system 10 according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 illustrates an exemplary downlink transmission.
  • FIG. 4 is an exemplary diagram illustrating a variation distribution according to a received signal strength indicator
  • FIGS. 5 and 6 are exemplary views of uplink transmission using a received signal strength indicator change distribution of FIG.
  • the sink 100 may include a transmitting / receiving device that transmits a beacon signal to each node 110 according to a predetermined period.
  • the beacon signal can be periodically transmitted to each node 110 by the high power sink 100 and transmitted in a single-hop manner.
  • the routing updates of the nodes 110 by the beacon signal can be synchronized.
  • the beacon signal may be a signal indicating the start of the superframe of the initiated node 110.
  • the super frame may include a first section and a second section.
  • the beacon signal may include an output time of the superframe and a length of each section (first section and second section) of the superframe.
  • the first section and the second section may be independent sections that are temporally divided.
  • the second section after the first section may be continued, but the present invention is not limited thereto.
  • the first section may be a downlink section (Down), and the second section may be an uplink section (Up).
  • the beacon signal may include information about a destination node to which the downlink signal should be transmitted. Through receipt of the beacon signal, the plurality of nodes 110 can know which node should receive the downlink signal.
  • the present invention can use the beacon signal output from the high-power sink 100 to synchronize the whole network and divide the transmission interval of the downlink signal and the transmission interval of the uplink signal into the time division scheme.
  • the interference that the low power node receives from the coordinator can be eliminated, and the beacon signal transmission for time synchronization uses only the high power coordinator with a separate power source, so that other low power nodes can minimize the extra overhead for time synchronization have.
  • the width of each section shown in FIG. 2 may be the time allocated to each section, and the height of each section represents the intensity of the transmission output in the section. Since the beacon signal is transmitted from the high-power sink 100 to the low-power node 110, the intensity of the transmission output may be large.
  • the downlink interval Down is a period for transmitting a data signal from the high-power sink 100 to the low-power node 110. Therefore, the transmission output intensity may be high in the beacon interval B and the downlink interval Down.
  • the uplink interval Up is a period for transmitting a data signal from the node 110 of low power to the sink 100 of high power. Therefore, the intensity of the transmission output in the uplink interval Up may be low.
  • the node 110 may be in an active mode in a beacon signal interval and a downlink interval (Down). Node 110 may wait for receipt of a deselected non-duty cycle beacon signal and a downlink data signal.
  • the sink 100 may transmit a downlink signal transmitted in a single hop mode. Since the high-voltage sink 100 has a high transmission output, a separate routing metric may not be applied in the downlink.
  • Node 110 may receive this downlink signal.
  • each node 110 may receive and store a downlink signal transmitted to its neighboring node. That is, the neighbor node of the destination node can store the downlink packet having the specific node as the destination.
  • the wireless network system 10 may not be able to easily transmit the acknowledgment signal Ack from the destination node to the sink 100 in the state where the asymmetric transmission power is formed. Accordingly, the sink 100 can not grasp whether or not the transmission of the data signal has been completed, and packet loss such as transmission of a signal may occur again.
  • the neighboring node storing the downlink packet replaces the sink 100 with the destination node Can be retransmitted. Accordingly, packet loss due to retransmission can be prevented.
  • the destination node 110 may wait for the reception of the downlink signal during the downlink interval. However, as shown in FIG. 3, the destination node 110 located far away from the sink may not receive the downlink signal (packet). In this case, the destination node 110 may send a notification (NACK) to the other node 110 that the downlink signal has not been received during the downlink period.
  • NACK notification
  • the notification may be sent to all nodes in the network environment, but it is not so limited, and in some embodiments may be originated only to neighboring neighboring nodes.
  • the downlink signal is also transmitted to a node other than the destination node through a single hop transmission, and another node can know a final destination node to which a downlink signal should be transmitted through reception of a beacon signal. Accordingly, another node, which has received the NACK message indicating that the destination node 110 has not received the downlink signal, may transmit the downlink signal to the destination node 110 on behalf of the sink node. In this case, it may be preferable that the node closest to the destination node 110 firstly transmits the downlink signal for signal transmission efficiency. This retransmission can be performed in the uplink interval by shifting the downlink interval between the nodes.
  • each of the nodes 110 may be activated in an active mode in which a sleep mode is maintained and activated in a predetermined period to detect a data signal transmission.
  • each node 110 may be activated in the active mode for signal transmission when data signal transmission is detected, and may return to the sleep mode if not.
  • Each node is switched to an active mode to perform data transmission only when there is a data signal to be transmitted. In the absence of a data signal, the sleep mode can be maintained to prevent battery consumption.
  • the point of activation according to duty cycling may be different for each node 110.
  • the node 110 in the sink 100 may be sequentially switched from the remote node 110 to the operation mode to perform signal detection, but the present invention is not limited thereto.
  • each node 110 may generate and store a received signal strength indicator (RSSI) from a beacon each time it receives a beacon signal. As shown in FIG. 3, each node 110 may generate a received signal strength indicator (RSSI), and the received signal strength indicator (RSSI) The value of the received signal strength indicator may become smaller as the distance from the sink 100 increases.
  • the wireless network system 10 can generate a variation distribution diagram of the RSSI according to the intensity in the beacon signal for each beacon signal period, and generate the received RSSI (RSSI) as the routing metric of the UL interval Can be utilized.
  • the low power nodes 110 can be transmitted to the sink 100 through the multi-hop relay, as described above.
  • the node 110 that generated the data signal must transmit the data signal generated by the neighboring node 110, and the received signal strength indicator (RSSI) may be utilized.
  • the particular node 110 that generated the data signal or received the data signal from the neighboring node may compare the received signal strength indicator (RSSI) of the neighboring node 110 to deliver the data signal to the sink 100.
  • the data signal can be transmitted to the neighboring node 110 having a received signal strength indicator (RSSI) higher than its received signal strength indicator (RSSI). That is, a data signal can be transferred between nodes through opportunistic opportunism.
  • the closer the signal is to the sink 100 the stronger the strength of the received signal strength indicator (RSSI), and the uplink routing can be performed in a direction of gradually increasing the received signal strength.
  • a source node having a received signal strength indicator may transmit a data signal to the surrounding five nodes, but the received signal strength indicator may be a -9 RSSI node And-10 RSSI nodes may be valid transmission paths. And, the delivery to the -20 RSSI node, the -37 RSSI node, and the -40 RSSI node may be an invalid delivery path.
  • a node that is first switched to the operation mode among the -9 RSSI nodes or the -10 RSSI nodes can receive the data signal, The node may send an acknowledgment (Ack) message to the source node and forward the data signal to the sink 100.
  • Ack acknowledgment
  • the neighboring node transmits the uplink signal (Hole problem) may occur in the neighboring node.
  • a signal to be transmitted to a neighboring node fails to be received and the acknowledgment (Ack) is not received more than the reference number, 0.0 > (RSSI) < / RTI > That is, the strength of the received signal strength indicator (RSSI) can be lowered to transmit the uplink signal to the sink and the neighboring sink.
  • the -9 RSSI node can perform transmission to the -10 RSSI channel by adjusting its RSSI value to -15 when the transmission to the -10 RSSI node continues to fail.
  • the plurality of nodes 100 according to the present embodiment can weakly control the intensity of the received signal strength indicator so that the transmission of the successful uplink signal is performed within a predetermined uplink interval without packet loss.
  • the uplink routing process can be newly set for each period of the beacon signal as described above. Accordingly, even if the position of the node 110 is moved or a new node 110 is added, the change can be reflected through the RSSI and an optimal signal transmission path can be calculated based on this change .
  • the subject performing the signal transmission / reception method may be a sink.
  • the present invention is not limited thereto, and in another embodiment, the subject performing the transmission / reception method may be a plurality of nodes.
  • the present invention relates to a method of transmitting and receiving a high-power sink signal in a wireless network system, and includes a beacon signal transmitting step (S100), a downlink signal transmitting step (S110), and an uplink signal receiving step (S120).
  • S100 beacon signal transmitting step
  • S110 downlink signal transmitting step
  • S120 uplink signal receiving step
  • a beacon signal indicating the start of a super frame is transmitted to a plurality of nodes (S100).
  • the sink 100 may be in a high power state.
  • the sink 100 may be a high power coordinator with high transmit power.
  • the beacon signal may be transmitted from the sink to multiple nodes via a single hop transmission.
  • the node may be a mobile node, and the routing updates of the nodes 110 may be synchronized by the beacon signal.
  • a time synchronization with the sink 100 may be performed by the beacon signal and the newly introduced node 110 in the wireless network system 10 may transmit the signal after the reception of the beacon signal, Can be performed.
  • the beacon signal includes at least the output time of the superframe and the lengths of the first and second sections.
  • the first section and the second section may be independent sections that are temporally divided.
  • the first interval may be a downlink interval and the second interval may be an uplink interval.
  • Each node 110 may generate and store a received signal strength indicator (RSSI) from the beacon each time it receives a beacon signal. As the received signal strength indicator RSSI becomes farther away from the sink 100, the received signal strength becomes weaker. As the distance from the sink 100 increases, the value of the received signal strength indicator may become smaller.
  • the generated received signal strength indicator (RSSI) can be utilized as a routing metric of the uplink interval.
  • the downlink signal is transmitted to a plurality of nodes (S110).
  • the downlink signal may be transmitted from the sink to multiple nodes through a single hop transmission.
  • the node may maintain an operation mode for waiting for reception of the downlink signal in the first interval. Since the high-voltage sink 100 has a high transmission output, a separate routing metric may not be applied in the downlink.
  • Node 110 may receive this downlink signal.
  • each node 110 may receive and store a downlink signal transmitted to its neighboring node. If an acknowledgment (Ack) is not made from the destination node, the neighboring node storing the downlink packet can retransmit it to the destination node on behalf of the sink 100.
  • the beacon signal may include information about a destination node to which the downlink signal is to be transmitted.
  • the destination node transmits a notification (NACK) indicating that the downlink signal has not been received to another node, A link signal can be received. Accordingly, packet loss due to retransmission can be prevented, and the downlink signal can be transmitted quickly.
  • NACK notification
  • the uplink signal is received through multi-hop relaying (S120).
  • the node may be activated in a period of inactive state to maintain the sleep mode in the second interval to sense the uplink signal and to remain active when sensing the uplink signal.
  • Node 110 may utilize a received signal strength indicator (RSSI) to convey the data signal to the sink.
  • the particular node 110 that generated the data signal or received the data signal from the neighboring node may compare the received signal strength indicator (RSSI) of the neighboring node 110 to deliver the data signal to the sink 100.
  • the data signal can be transmitted to the neighboring node 110 having a received signal strength indicator (RSSI) higher than its received signal strength indicator (RSSI). That is, a data signal can be transferred between nodes through opportunistic opportunism.
  • RSSI received signal strength indicator
  • the plurality of nodes may weakly control the strength of the received signal strength indicator.
  • the closer the signal is to the sink 100 the stronger the strength of the received signal strength indicator (RSSI), and the uplink routing can be performed in a direction of gradually increasing the received signal strength.
  • RSSI received signal strength indicator
  • This uplink can be configured via the routing metric, and the link can receive this uplink signal.
  • a method for transmitting and receiving a signal in a wireless network system includes receiving a beacon signal (S200), receiving a downlink signal (S210), and transmitting an uplink signal (S220).
  • a beacon signal indicating the start of the superframe is received from the sink (S100).
  • the beacon signal may be transmitted from the sink to multiple nodes via a single hop transmission.
  • the node may be a mobile node, and the routing updates of the nodes 110 may be synchronized by the beacon signal.
  • Each node 110 can be time synchronized with the sink 100 by the beacon signal and the newly introduced node 110 in the wireless network system 10 can receive the beacon signal after receiving the beacon signal,
  • the beacon signal includes at least the output time of the superframe and the lengths of the first and second sections.
  • the first section and the second section may be independent sections that are temporally divided.
  • the first interval may be a downlink interval and the second interval may be an uplink interval.
  • Each node 110 may generate and store a received signal strength indicator (RSSI) from the beacon each time it receives a beacon signal. As the received signal strength indicator RSSI becomes farther away from the sink 100, the received signal strength becomes weaker. As the distance from the sink 100 increases, the value of the received signal strength indicator may become smaller.
  • the generated received signal strength indicator (RSSI) can be utilized as a routing metric of the uplink interval.
  • the downlink signal is received from the sink (S210).
  • the downlink signal may be transmitted from the sink to multiple nodes through a single hop transmission.
  • the node may maintain an operation mode for waiting for reception of the downlink signal in the first interval. Since the high-voltage sink 100 has a high transmission output, a separate routing metric may not be applied in the downlink.
  • Node 110 may receive this downlink signal.
  • each node 110 may receive and store a downlink signal transmitted to its neighboring node. If an acknowledgment (Ack) is not made from the destination node, the neighboring node storing the downlink packet can retransmit it to the destination node on behalf of the sink 100.
  • the beacon signal may include information about a destination node to which the downlink signal is to be transmitted.
  • the destination node transmits a notification (NACK) indicating that the downlink signal has not been received to another node, A link signal can be received. Accordingly, packet loss due to retransmission can be prevented, and the downlink signal can be transmitted quickly.
  • NACK notification
  • the uplink signal is transmitted to the sink through multi-hop relay (S220).
  • the node may be activated in a period of inactive state to maintain the sleep mode in the second interval to sense the uplink signal and to remain active when sensing the uplink signal.
  • Node 110 may utilize a received signal strength indicator (RSSI) to convey the data signal to the sink.
  • the particular node 110 that generated the data signal or received the data signal from the neighboring node may compare the received signal strength indicator (RSSI) of the neighboring node 110 to deliver the data signal to the sink 100.
  • the data signal can be transmitted to the neighboring node 110 having a received signal strength indicator (RSSI) higher than its received signal strength indicator (RSSI). That is, a data signal can be transferred between nodes through opportunistic opportunism.
  • RSSI received signal strength indicator
  • the plurality of nodes may weakly control the strength of the received signal strength indicator.
  • the closer the signal is to the sink 100 the stronger the strength of the received signal strength indicator (RSSI), and the uplink routing can be performed in a direction of gradually increasing the received signal strength.
  • the uplink can be configured through the routing metric, and the signal transmission of the sinker can be performed.
  • FIG. 9 is a view showing another simulation topology in an experimental example
  • FIGS. 10 and 11 are graphs showing simulation results of an experimental example.
  • the second node is used as a sink, i.e., a high-power gateway, and the remaining 19 nodes are set as low-power nodes.
  • a low power node corresponds to a mobility node moving at 2m / s according to a random way point mode.
  • the network size is 90m x 90m
  • the sink uses 0dBm of transmit power
  • the low power node uses 10dBm.
  • Each low-power node generates one packet every 30 seconds to transmit to the sink, and the output period of the beacon signal is 10 seconds.
  • RPLs and ORPLs that are not suitable for mobility nodes were measured to have low data packet reception rates as expected.
  • the RPL is considered to have caused data packet loss as a result of data transmission using expired parent information due to node mobility, and ORPL also causes packet loss due to an invalid EDC (Expected Duty Cycle) routing metric.
  • EDC Extended Duty Cycle
  • L_NULL is the performance of LOADng measured without duty cycling and shows the upper limit of PRR performance of LOADng.
  • LOADng's reactive approach is highly responsive, as opposed to proactive routing, because it only looks for new routes immediately when needed. Thus, it may be a more or less suitable protocol for mobility nodes.
  • the RREQ must be broadcast across the network. This is a huge burden for LLNs that use duty cycling. That is, when the operation mode is frequently active in the LOADng (L32, L16), the PRR is more than 80%, but the PRR is rapidly decreased as the duty cycle is decreased. When duty cycling is used, since a corresponding broadcast packet must be repeatedly transmitted during a sleep interval in order to transmit one broadcast packet, the longer the sleep interval, the greater the overhead of RREQ flooding.
  • the duty cycle (%) shown in FIG. 11 represents the operating time and may be a value corresponding to power consumption.
  • the energy consumption of RPL and ORPL is not large, but the energy consumption due to the overhead of RREQ increases significantly with LOADng as the sleep interval becomes longer.
  • the routing method P may update the routing metric for each beacon period. Also, unlike RPL and ORPL, the routing metric can be determined through valid routing metric information using the received signal strength indicator (RSSI), which indicates that the PRR is maintained at a high level. Also, unlike LOADng, the overhead required for routing updates is minimized, and energy consumption is also low.
  • RSSI received signal strength indicator
  • the high voltage sink repeatedly transmits beacon transmission every several seconds to start the node and the sink, thereby keeping the signal transmission / reception path up to date.
  • high-power downlink and low-power uplink are time-divided in response to beacon transmission, interference due to high-power transmission can be minimized.
  • the forwarding and memory burden of the bar node performing the single hop downlink transmission using the high voltage sink can be reduced.
  • RSSI received signal strength indicator
  • the wireless device / device 210 of FIG. 12 may correspond to the low power node (sensor node) of the above description and the wireless device / device 200 to the high power sink (sink node) of the above description.
  • the wireless device 200 may include a processor 201, a memory 202 and a transceiver 203 and the wireless device 210 may also include a processor 211, a memory 212 and a transceiver 213 can do.
  • the transceivers 203 and 213 transmit / receive a radio signal and can be executed at a physical layer such as IEEE / 3GPP.
  • the processors 201 and 211 are executed in the physical layer and / or the MAC layer, and are connected to the transceiving units 203 and 213.
  • the processors 201 and 211 may be operable to perform the aforementioned signal transmission and reception method.
  • the wireless device 210 may be configured to transmit and receive data signals as nodes included in an asymmetric transmit power based wireless network system, wherein the transceiver 213 receives a beacon signal indicating the start of the superframe, Receive a downlink signal in a first section of the frame, and transmit the uplink signal to a neighboring wireless device in a second section of the superframe.
  • the processor 211 generates a received signal strength indicator (RSSI) when receiving the beacon signal, and can transmit the uplink signal according to the received signal strength indicator.
  • RSSI received signal strength indicator
  • the processor 211 may weakly adjust the strength of the received signal strength indicator if the uplink signal is not transmitted to a neighboring radio device beyond the reference number.
  • the beacon signal and the downlink signal are transmitted from the sink to the transceiver 213 through a single hop transmission, and the intensity of the received signal strength indicator is closer to the sink, It is possible to transmit the uplink signal to a neighboring radio device having a higher received signal strength indicator.
  • the wireless device 210 may be a mobility node and the wireless device 210 may maintain an operation mode for waiting for reception of a downlink signal in a first interval and may be in an inactive state for maintaining a sleep mode in a second interval, So that the uplink signal can be detected.
  • the beacon signal may also include information about the destination wireless device that is to receive the downlink signal.
  • the destination wireless device may transmit a notification (NACK) indicating that the downlink signal was not received, You can call the device.
  • NACK notification
  • the destination radio apparatus can receive the downlink signal from another radio apparatus having a downlink signal.
  • Processors 201 and 211 and / or transceivers 203 and 213 may include an application-specific integrated circuit (ASIC), other chipset, logic circuitry and / or data processor.
  • the memories 202 and 212 may include read-only memory (ROM), random access memory (RAM), flash memory, memory card, storage medium and / or other storage units.
  • ROM read-only memory
  • RAM random access memory
  • flash memory memory card
  • storage medium storage medium and / or other storage units.
  • the method described above may be executed as a module (e.g., process, function) that performs the functions described above.
  • the module may be stored in memory 202 and 212 and may be executed by processors 201 and 211.
  • the memories 202 and 212 may be located inside or outside the processors 201 and 211 and may be coupled to the processors 201 and 211 by well known means.

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Abstract

무선 네트워크 시스템에서 저전력의 복수의 노드와 고전력 싱크간의 신호를 송수신하는 방법이 제공된다. 일 실시예에서 신호 송수신 방법은 슈퍼프레임의 시작을 지시하는 비콘 신호를 상기 복수의 노드로 송신하는 단계; 상기 슈퍼프레임의 제1 구간에서, 하향 링크 신호를 상기 복수의 노드로 송신하는 단계; 및 상기 슈퍼프레임의 제2 구간에서, 상향 링크 신호를 다중 홉 중계를 통하여 수신하는 단계를 포함하되, 상기 복수의 노드는 상기 비콘 신호를 수신할 때 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 생성하며, 상기 상향 링크 신호는 상기 각 노드의 수신 신호 강도 지표에 따라 상기 싱크로 전달된다.

Description

이동성 노드를 포함하는 비대칭 전송 전력 기반 무선 네트워크의 신호 송수신 방법 및 장치
본 발명은 비대칭 전송 전력 기반 무선 네트워크의 신호 송수신 방법에 관한 것으로, 구체적으로 이동성 저전력 노드와 고전력 싱크를 포함하는 무선 네트워크 환경에서 효율적인 신호 및 데이터 패킷의 송수신을 제공할 수 있는 방법에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 서울대학교 산학협력단의 주관 하에 과학기술정보통신부의 방송통신산업기술개발(재난 음영지역에서 안정적인 망구성을 위한 재난 통신 융합기술 연구, 과제 고유번호: 1711054869)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
무선 센서 네트워크는 기지국이나 공유기(Access Point), 유선망 장비 설치가 미비한 상황에서 다양한 종류의 센서 데이터를 넓은 영역과 장거리까지 무선으로 전송하기 위한 노드들 간의 통신 네트워크를 뜻한다. 무선 센서 네트워크의 하나인 저전력 무선 네트워크(Low power and Lossy Network: 이하 LLN)는 배터리 전원으로 동작하는 노드로 이루어져 있으므로 전송 전력이 매우 낮다. 따라서 원거리에 위치한 노드로 데이터를 전송하기 위해서는 다중 홉 중계 전송이 필수적이고, 이를 위하여 라우팅 기술이 활발하게 연구되어 왔다.
LLN에서의 라우팅은 주기적으로 라우팅 경로를 업데이트하고 관리하는 프로토콜을 프로엑티브(proactive) 방식과 노드의 필요에 따라 라우팅 경로를 찾는 리엑티브(Reactive) 방식으로 구분된다. 프로엑티브 방식은 라우팅 업데이트가 자주 필요하지 않은 정적 노드로 구성된 네트워크에 주로 활용되고, 리엑티브(Reactive) 프로토콜의 경우 라우팅 경로가 자주 바뀌는 모바일 네트워크에 활용된다.
저전력 무선 네트워크 솔루션은 상향링크 데이터 전송이 주류를 이루었으므로, 저전력 무선 네트워크 라우팅 기술은 상향링크를 중심으로 발전하여 왔다. 일 예로, 프로엑티브 방식의 라우팅을 사용하며 게이트웨이 노드를 기준으로 DODAG (Destination-Oriented Directed Acyclic Graph)를 구축하는 RPL(Routing over low Power and Lossy network)이 저전력 무선 네트워크 라우팅 기술로 표준화되었으며, opportunistic 라우팅을 도입하여 RPL을 확장시킨 ORPL(Opportunistic RPL) 및 대표적인 리엑티브 방식의 라우팅 프로토콜인 LOADng(the Lightweight On-demand Ad hoc Distance-vector routing protocol - next generation) 등이 개발된 바 있다.
다만, RPL 및 ORPL는 프로엑티브 방식의 라우팅으로, 라우팅 경로를 즉각적으로 업데이트하지 못하고 링크에서 손실을 경험한 이후에서야 다른 경로를 모색하기 때문에, 노드가 움직이는 경우 주변 노드들의 정보가 유효하지 않는 단점이 있다. 또한, LOADng는 리엑티브 방식으로 RPL 및 ORPL과 달리 필요한 경우에만 즉각적으로 새로운 경로를 찾기 때문에 높은 반응성을 가지나, 매번 라우팅이 필요한 경우 RREQ(Route REQuest)를 네트워크 전체에 방송해야 하는 바, 듀티 사이클링(Duty cycling)을 사용하는 LLN에서 이는 매우 큰 부담일 수 있으며, 저전력 노드를 사용하는 LLN에 적합하지 않다.
따라서, 종래의 라우팅 방법 및 프로토콜을 보완할 수 있는 새로운 신호 송수신 방법, 특히 이동성 노드가 존재하는 모바일 LLN 환경에 보다 용이하게 적용될 수 있는 신호 송수신 방법이 요구되고 있다.
무선 센서 네트워크는 기지국이나 공유기(Access Point), 유선망 장비 설치가 미비한 상황에서 다양한 종류의 센서 데이터를 넓은 영역과 장거리까지 무선으로 전송하기 위한 노드들 간의 통신 네트워크를 뜻한다. 무선 센서 네트워크의 하나인 저전력 무선 네트워크(Low power and Lossy Network: 이하 LLN)는 배터리 전원으로 동작하는 노드로 이루어져 있으므로 전송 전력이 매우 낮다. 따라서 원거리에 위치한 노드로 데이터를 전송하기 위해서는 다중 홉 중계 전송이 필수적이고, 이를 위하여 라우팅 기술이 활발하게 연구되어 왔다.
LLN에서의 라우팅은 주기적으로 라우팅 경로를 업데이트하고 관리하는 프로토콜을 프로엑티브(proactive) 방식과 노드의 필요에 따라 라우팅 경로를 찾는 리엑티브(Reactive) 방식으로 구분된다. 프로엑티브 방식은 라우팅 업데이트가 자주 필요하지 않은 정적 노드로 구성된 네트워크에 주로 활용되고, 리엑티브(Reactive) 프로토콜의 경우 라우팅 경로가 자주 바뀌는 모바일 네트워크에 활용된다.
저전력 무선 네트워크 솔루션은 상향링크 데이터 전송이 주류를 이루었으므로, 저전력 무선 네트워크 라우팅 기술은 상향링크를 중심으로 발전하여 왔다. 일 예로, 프로엑티브 방식의 라우팅을 사용하며 게이트웨이 노드를 기준으로 DODAG (Destination-Oriented Directed Acyclic Graph)를 구축하는 RPL(Routing over low Power and Lossy network)이 저전력 무선 네트워크 라우팅 기술로 표준화되었으며, opportunistic 라우팅을 도입하여 RPL을 확장시킨 ORPL(Opportunistic RPL) 및 대표적인 리엑티브 방식의 라우팅 프로토콜인 LOADng(the Lightweight On-demand Ad hoc Distance-vector routing protocol - next generation) 등이 개발된 바 있다.
다만, RPL 및 ORPL는 프로엑티브 방식의 라우팅으로, 라우팅 경로를 즉각적으로 업데이트하지 못하고 링크에서 손실을 경험한 이후에서야 다른 경로를 모색하기 때문에, 노드가 움직이는 경우 주변 노드들의 정보가 유효하지 않는 단점이 있다. 또한, LOADng는 리엑티브 방식으로 RPL 및 ORPL과 달리 필요한 경우에만 즉각적으로 새로운 경로를 찾기 때문에 높은 반응성을 가지나, 매번 라우팅이 필요한 경우 RREQ(Route REQuest)를 네트워크 전체에 방송해야 하는 바, 듀티 사이클링(Duty cycling)을 사용하는 LLN에서 이는 매우 큰 부담일 수 있으며, 저전력 노드를 사용하는 LLN에 적합하지 않다.
따라서, 종래의 라우팅 방법 및 프로토콜을 보완할 수 있는 새로운 신호 송수신 방법, 특히 이동성 노드가 존재하는 모바일 LLN 환경에 보다 용이하게 적용될 수 있는 신호 송수신 방법이 요구되고 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따른 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법은 무선 네트워크 시스템에서 저전력의 복수의 노드와 고전력 싱크간의 신호를 송수신하는 방법으로, 슈퍼프레임의 시작을 지시하는 비콘 신호를 상기 복수의 노드로 송신하는 단계; 상기 슈퍼프레임의 제1 구간에서, 하향 링크 신호를 상기 복수의 노드로 송신하는 단계; 및 상기 슈퍼프레임의 제2 구간에서, 상향 링크 신호를 다중 홉 중계를 통하여 수신하는 단계를 포함하되, 상기 복수의 노드는 상기 비콘 신호를 수신할 때 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 생성하며, 상기 상향 링크 신호는 상기 각 노드의 수신 신호 강도 지표에 따라 상기 싱크로 전달된다.
상기 비콘 신호는 상기 슈퍼프레임의 출력 시간과 상기 제1 구간 및 상기 제2 구간의 길이를 포함하고, 상기 제1 구간 및 상기 제2 구간은 시간적으로 분할된 독립적인 구간이며, 상기 제1 구간은 하향 링크 구간이고, 상기 제2 구간은 상향 링크 구간일 수 있다.
상기 비콘 신호 및 상기 하향 링크 신호는 단일 홉 전송을 통해 상기 복수의 노드로 송신될 수 있다.
상기 수신 신호 강도 지표는 상기 싱크와 가까울수록 세기가 강하며, 상기 복수의 노드 각각은 자신의 수신 신호 강도 지표보다 높은 수신 신호 강도 지표를 가진 이웃 노드로 상기 상향 링크 신호를 전달될 수 있다.
상기 복수의 노드는 이동성 노드일 수 있다.
상기 노드는 상기 제1 구간에서 하향 링크 신호의 수신을 기다리는 동작 모드를 유지하며, 상기 제2 구간에서 수면 모드를 유지하는 비활성 상태에서 일정 주기에 따라 활성화되어 상향 링크 신호를 감지할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법은 무선 센서 네트워크 시스템에서 저전력의 복수의 노드와 고전력 싱크 간의 신호를 송수신하는 방법으로, 상기 싱크로부터 슈퍼프레임의 시작을 지시하는 비콘 신호를 수신하는 단계; 상기 슈퍼프레임의 제1 구간에서, 상기 싱크로부터 하향 링크 신호를 수신하는 단계; 및 상기 슈퍼프레임의 제2 구간에서, 상향 링크 신호를 다중 홉 중계를 통하여 상기 싱크로 송신하는 단계를 포함하되, 상기 복수의 노드는 상기 비콘 신호를 수신할 때 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 생성하며, 상기 상향 링크 신호는 상기 각 노드의 수신 신호 강도 지표에 따라 상기 싱크로 전달된다.
상기 제1 구간은 하향 링크 구간이고, 상기 제2 구간은 상향 링크 구간이며, 상기 비콘 신호는 상기 슈퍼프레임의 출력 시간과 상기 제1 구간 및 상기 제2 구간의 길이를 포함하고, 상기 제1 구간 및 상기 제2 구간은 시간적으로 분할된 독립적인 구간일 수 있다.
상기 비콘 신호 및 상기 하향 링크 신호는 단일 홉 전송을 통해 상기 싱크에서 상기 복수의 노드로 전송될 수 있다.
상기 수신 신호 강도 지표는 상기 싱크와 가까울수록 세기가 강하며, 상기 복수의 노드 각각은 자신의 수신 신호 강도 지표보다 높은 수신 신호 강도 지표를 가진 이웃 노드로 상기 상향 링크 신호를 전달될 수 있다.
상기 복수의 노드는 이동성 노드일 수 있다.
상기 노드는 상기 제1 구간에서 하향 링크 신호의 수신을 기다리는 동작 모드를 유지하며, 상기 제2 구간에서 수면 모드를 유지하는 비활성 상태에서 일정 주기에 따라 활성화되어 상향 링크 신호를 감지할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 무선 기기는 비대칭 전송 전력 기반 무선 네트워크 시스템에 포함된 노드로서 데이터 신호를 송수신하도록 구성되고, 슈퍼프레임의 시작을 지시하는 비콘 신호를 수신하고, 상기 슈퍼프레임의 제1 구간에서 하향 링크 신호를 수신하며, 상기 슈퍼프레임의 제2 구간에서 상향 링크 신호를 주변 무선 기기에 전달하는 송수신기; 및 상기 비콘 신호를 수신할 때 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 생성하며, 상기 수신 신호 강도 지표에 따라 상기 상향 링크 신호를 전달하는 주변 무선 기기를 결정하는 프로세서를 포함한다.
상기 비콘 신호와 상기 하향 링크 신호는 단일 홉 전송을 통해 싱크로부터 상기 송수신기에 전송되고, 상기 수신 신호 강도 지표는 상기 싱크와 가까울수록 세기가 강하며, 상기 프로세서는 자신의 수신 신호 강도 지표보다 높은 수신 신호 강도 지표를 가진 이웃 무선 기기로 상기 상향 링크 신호를 전달할 수 있다.
상기 무선기기는 이동성 노드이며, 상기 무선기기는 상기 제1 구간에서 하향 링크 신호의 수신을 기다리는 동작 모드를 유지하며, 상기 제2 구간에서 수면 모드를 유지하는 비활성 상태에서 일정 주기에 따라 활성화되어 상향 링크 신호를 감지할 수 있다.
고전압 싱크에서 비콘 전송을 수초 단위로 반복 전송하여 노드와 싱크는 시동기화되어 신호 송수신 경로를 최신 상태로 유지할 수 있다. 또한, 비콘 전송에 대응하여 고전력 하향 링크와 저전력 상향 링크를 시분할하는 바, 고전력 전송에 의한 간섭이 최소화될 수 있다. 여기서, 고전압 싱크를 사용하여 단일 홉 하향 링크 전송을 수행하는 바 노드의 포워딩 및 메모리 부담이 감소될 수 있다.
또한, 상향 링크 경로 설정시, 노드의 이동을 반영할 수 있는 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 라우팅 메트릭으로 사용하여 최선 신호 송수신 경로를 용이하게 업데이트할 수 있고, 모바일 LLN에 보다 용이하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호의 송수신 방법이 적용될 수 있는 무선 네트워크 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 송수신 시스템의 슈퍼프레임 구조의 예시도이다.
도 3은 하향 링크전송을 나타내는 예시도이다.
도 4은 수신 신호 강도 지표에 따른 변화 분포를 나타낸 예시도이다.
도 5 및 도 6은 도 4의 수신 신호 강도 지표 변화 분포를 활용한 상향 링크 전송의 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호의 송수신 방법에 따른 순서도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 신호의 송수신 방법에 따른 순서도이다.
도 9는 일 실험 예에 다른 시물레이션 토폴로지를 나타낸 도면이다.
도 10 및 도 11은 일 실험예의 시물레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기기를 설명하기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호의 송수신 방법이 적용될 수 있는 무선 네트워크 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
도 1을 참조하면, 무선 네트워크 시스템(10)은 배터리로 구동되는 노드들로 구성된 네트워크 시스템일 수 있다. 즉, 배터리 소모를 최소화하기 위한 라우팅 경로(신호 송수신 경로)가 필요한 네트워크 시스템일 수 있다. 예시적으로, 배터리로 구동되는 무선 비디오 카메라(영상) 센서들을 포함하는 센서 노드들로 구성된 무선 영상센서 네트워크일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
무선 네트워크 시스템(10)은 복수의 노드(110)와 싱크(100)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서 싱크는 복수일 수 있으나, 본 명세서에서는 설명의 편의상 복수의 노드와 하나의 싱크로 구성된 무선 네트워크의 신호 송수신 시스템을 가정하여 설명하기로 한다.
노드(110)는 센서 노드일 수 있다. 노드(110)는 센싱을 통해 데이터 신호를 생성할 수 있고, 다른 노드들의 데이터 신호를 전송하기 위한 경로를 제공할 수도 있다. 싱크(100)는 복수의 노드에서 생성된 신호의 최종 종착점이 되는 노드일 수 있다. 데이터 신호는 싱크를 통해 외부 네트워크로 전달될 수 있다. 싱크(100)는 "코디네이터" 또는 "게이트웨이" 등의 용어에 의해 대체될 수 있다. 싱크(100)는 외부의 신호를 복수의 노드(110)로 제공하거나 자체적으로 신호를 생성하여 복수의 노드(110)로 제공할 수도 있다.
여기서, 데이터 신호가 복수의 노드(110)에서 싱크(100)로 이동되는 것을 상향 링크라고 정의하고, 데이터 신호가 싱크(100)에서 복수의 노드(110)로 이동되는 것을 하향 링크라 정의한다.
여기서, 노드(110)는 상술한 바와 같이 배터리로 구동되는 저전력 상태일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 낮은 전송 전력을 가진 노드(110)는 신호 출력 반경이 인접한 노드까지 한정될 수 있다. 복수의 노드(110)는 인접한 노드와 무선 링크를 형성하여 신호 데이터를 전송할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 네트워크 시스템에서 상향 링크는 각 노드에서 다른 노드를 거쳐서 싱크(100)까지 전달되는 다중 홉 중계(Multi-Hop) 방식으로 신호가 전달될 수 있다.
이와 달리, 싱크(100)는 고전력 상태일 수 있다. 싱크(100)는 높은 전송 전력을 가진 고전력 코디네이터일 수 있다. 싱크(100)의 신호 출력 반경은 도 1에 도시된 바와 같이 무선 네트워크 시스템(10)에 포함된 모든 노드(110)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 네트워크 시스템(10)에서 하향 링크는 싱크(100)에서 복수의 노드(110)까지 단일 홉 전송(Single-Hop)으로 신호가 전달될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 단일 홉 하향 링크 전송을 수행하는 바, 종래 다중 홉 하향 링크 전송과 달리 복잡한 라우팅으로 인한 포워딩 및 메모리 부담이 노드들에게 부과되지 않을 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 네트워크 시스템(10)에서 노드(110)는 이동성을 가질 수 있다. 무선 네트워크 시스템(10)은 정적 네트워크뿐만 아니라 이동성 네트워크 또한 지원할 수 있으며, 이에 포함된 노드(110)는 네트워크 환경 내에서 이동될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 몇몇 실시예에서 노드(110)는 무선 네트워크 환경을 벗어나도록 이동될 수도 있다. 네트워크 환경을 구성하는 노드(110)는 삭제되거나 추가될 수도 있다. 이러한 이동성 노드(110)를 종래 프로엑티브 방식으로 라우팅하는 경우, 노드의 이동에 따른 라우팅 업데이트가 계속적으로 발생할 수 있으며, 네트워크의 오버헤드가 과도화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 네트워크 시스템(10)에서 상향 링크는 프로엑티브 방식으로 라우팅 업데이트하되, 고전력 싱크의 단일 홉 비콘 전송을 통해 라우팅 업데이트가 시동기화될 수 있어 상술한 네트워크 오버헤드가 최소화될 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 과정에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 네트워크 시스템(10)의 슈퍼프레임 구조의 예시도이며, 도 3은 하향 링크전송을 나타내는 예시도이다. 도 4은 수신 신호 강도 지표에 따른 변화 분포를 나타낸 예시도이고, 도 5 및 도 6은 도 4의 수신 신호 강도 지표 변화 분포를 활용한 상향 링크 전송의 예시도이다.
싱크(100)는 일정 주기에 따라 비콘 신호를 각 노드(110)에 전송하는 송수신 기기를 포함할 수 있다. 비콘 신호는 고전력 싱크(100)에 의해 주기적으로 각 노드(110)에 전송될 수 있으며, 단일 홉(Single-Hop) 방식으로 전송될 수 있다. 비콘 신호에 의해 노드(110)들의 라우팅 업데이트는 동기화될 수 있다. 각 노드(110)는 이러한 비콘 신호에 의해 싱크(100)와 시간 동기화가 수행될 수 있고, 무선 네트워크 시스템(10)에 신규 유입된 노드(110)는 비콘 신호의 수신 이후, 즉 싱크(100)와의 시간 동기화 이후 신호 전달을 위한 동작이 수행될 수 있다.
여기서, 비콘 신호는 시동기화된 노드(110)의 슈퍼프레임의 시작을 지시하는 신호일 수 있다. 슈퍼프레임은 제1 구간 및 제2 구간을 포함할 수 있다. 비콘 신호는 슈퍼프레임의 출력 시간 및 슈퍼프레임의 각 구간(제1 구간 및 제2 구간)의 길이를 포함할 수 있다. 여기서 제1 구간과 제2 구간은 시간적으로 분할된 독립적인 구간일 수 있다. 제1 구간 이후 제2 구간이 이어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 제1 구간은 하향 링크 구간(Down)일 수 있고, 제2 구간은 상향 링크 구간(Up)일 수 있다. 또한, 비콘 신호는 하향 링크 신호를 전달받아야하는 목적지 노드에 관한 정보를 포함할 수 있다. 비콘 신호의 수신을 통해 복수의 노드(110)는 어떤 노드가 하향 링크 신호를 수신받아야 하는 지 알 수 있다. 즉, 본 발명은 고전력 싱크(100)에서 출력되는 비콘 신호를 사용하여 네트워크 전체를 동기화하고, 하향 링크 신호의 전송 구간과 상향 링크 신호의 전송 구간을 시분할 방식으로 구분할 수 있다. 그 결과, 저전력 노드가 코디네이터로부터 받는 간섭이 제거될 수 있으며, 시간 동기화를 위한 비콘 신호 전송은 별도의 전원이 있는 고전력 코디네이터만 사용하므로 다른 저전력 노드들은 시간 동기화를 위한 별도의 오버헤드가 최소화될 수 있다.
도 2에 도시된 각 구간의 폭은 각 구간에 할당된 시간일 수 있고, 각 구간의 높이는 구간에서의 전송 출력의 세기를 나타낸다. 비콘 신호는 고전력의 싱크(100)에서 저전력의 노드(110)로 전달되는 바, 전송 출력의 세기가 크게 나타날 수 있다. 또한, 하향 링크 구간(Down)은 고전력의 싱크(100)에서 저전력의 노드(110)로 데이터 신호를 전달하는 구간이다. 따라서, 비콘 구간(B) 및 하향 링크 구간(Down)에서 전송 출력의 세기는 높게 나타날 수 있다. 그리고, 상향 링크 구간(Up)은 저전력의 노드(110)에서 고전력의 싱크(100)로 데이터 신호를 전달하는 구간이다. 따라서, 상향 링크 구간(Up)에서 전송 출력의 세기는 낮게 나타날 수 있다.
노드(110)는 비콘 신호 구간 및 하향 링크 구간(Down)에서 항상 동작 모드(active mode)일 수 있다. 노드(110)는 듀티 사이클링을 하지 않은 체 비콘 신호 수신 및 하향 링크 데이터 신호의 수신을 기다릴 수 있다.
싱크(100)는 단일 홉 방식으로 전송된 하향 링크 신호를 송신할 수 있다. 고전압의 싱크(100)는 높은 전송 출력을 가지는 바, 하향 링크 시 별도의 라우팅 메트릭이 적용되지 않을 수 있다. 노드(110)는 이러한 하향 링크 신호를 수신할 수 있다. 또한, 각 노드(110)는 자신의 이웃 노드에게 전송된 하향 링크 신호도 수신하여 저장할 수 있다. 즉, 특정 노드를 목적지로 하는 하향 링크 패킷을 목적지 노드의 주변 노드도 이를 저장할 수 있다. 무선 네트워크 시스템(10)은 비대칭 전송전력이 형성된 상태로 목적지 노드에서 싱크(100)로의 수신 확인 신호(Ack)의 전달이 용이하지 않을 수 있다. 이에 따라, 싱크(100)는 데이터 신호의 전송 완료 여부를 파악할 수 없고, 다시 신호를 송신하는 등의 패킷 손실이 발생될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 네트워크 시스템(10)은 목적지 노드로부터 수신 확인(Ack)이 이루어지지 않은 경우, 하향 링크 패킷을 저장하고 있는 주변 노드가 싱크(100)를 대신하여 이를 목적지 노드로 재전송할 수 있다. 이에 따라 재전송에 따른 패킷 손실을 방지할 수 있다.
또한, 목적지 노드(110)는 하향 링크 구간 동안 하향 링크 신호의 수신을 대기할 수 있다. 다만 도 3에 도시한 바와 같이, 싱크와 멀리 위치해있는 목적지 노드(110)는 하향 링크 신호(패킷)을 수신하지 못하는 경우가 발생할 수도 있다. 이러한 경우, 목적지 노드(110)는 하향 링크 구간 동안 하향 링크 신호를 수신하지 못하였다는 알림(NACK)을 다른 노드(110)에게 발신할 수 있다. 상기 알림은 네트워크 환경 내 모든 노드에게 발신될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 몇몇 실시예에서는 인접한 주변 노드에 국한되어 발신될 수도 있다.
여기서 하향 링크 신호는 단일 홉 전송을 통해 상기 목적지 노드가 아닌 다른 노드에게도 전송된 상태이고, 비콘 신호 수신을 통해 다른 노드도 하향 링크 신호가 전달되어야 하는 최종 목적지 노드를 알 수 있다. 따라서, 목적지 노드(110)가 하향 링크 신호를 수신하지 못하였다는 알림(NACK)을 수신 받은 다른 노드는 싱크를 대신하여 하향 링크 신호를 목적지 노드(110)로 전달할 수 있다. 이때 신호 전달의 효율을 위해 목적지 노드(110)와 가장 인접한 노드가 먼저 하향 링크 신호를 전달하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 재전송은 노드간의 전송으로 하향 링크 구간을 벗어나서 상향 링크 구간에서 수행될 수 있다.
상향 링크 구간(Up)에서, 노드(110)는 듀티 사이클링(duty cycling) 메커니즘이 적용된다. 각 노드(110)는 수면 모드(sleep mode)를 유지하는 비활성 상태에서 일정 주기에 따라 활성화되어 데이터 신호 전송을 감지하는 동작 모드(active mode)로 작동될 수 있다. 동작 모드(active mode)에서 각 노드(110)는 데이터 신호 전송이 감지되는 경우 신호 전송을 위해 동작 모드가 계속 활성화되며, 감지되지 않은 경우 다시 수면 모드(sleep mode)로 돌아갈 수 있다. 각 노드들은 전송할 데이터 신호가 있는 경우에만 동작 모드(active mode)로 전환되어 데이터 전송을 수행하며, 데이터 신호가 없는 경우에는 수면 모드(sleep mode)를 유지하여 배터리 소모를 차단할 수 있다. 듀티 사이클링에 따라 활성화되는 시점은 노드(110)별로 상이할 수 있다. 예를 들어, 싱크(100)에서 원거리에 있는 노드(110)부터 순차적으로 동작 모드로 전환되어 신호 감지를 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 각 노드(110)들은 비콘 신호를 수신할 때 마다 비콘으로부터 수신 신호 강도 지표(Received signal strength indicator, RSSI)를 생성할 수 있으며, 이를 저장할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 각 노드(110)는 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 생성할 수 있으며, 이러한, 수신 신호 강도 지표(RSSI)는 싱크(100)로부터 멀어질수록 수신 신호 강도가 약해지는 바, 싱크(100)부터 멀어질 수록 수신 신호 강도 지표의 값은 작아질 수 있다. 무선 네트워크 시스템(10)은 비콘 신호에 강도에 따른 수신 신호 강도 지표(RSSI)의 변화 분포도를 비콘 신호 주기마다 생성할 수 있으며, 생성된 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 상향 링크 구간의 라우팅 메트릭으로 활용할 수 있다.
상향 링크 구간에서 저전력 노드(110)들은 상술한 바와 같이, 다중 홉 중계를 통해 데이터 신호가 싱크(100)로 전달될 수 있다. 데이터 신호를 생성한 노드(110)는 이웃 노드(110)로 생성된 데이터 신호를 전달하여야 하는 데, 이때 수신 신호 강도 지표(RSSI)가 활용될 수 있다. 데이터 신호를 생성하거나, 이웃 노드로부터 데이터신호를 전달받은 특정 노드(110)는 데이터 신호를 싱크(100)로 전달하기 위해 주변 노드(110)의 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 비교할 수 있다. 여기서, 자신의 수신 신호 강도 지표(RSSI)보다 높은 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 가진 이웃 노드(110)로 데이터 신호를 전달할 수 있다. 즉, 기회 감염(opportunistic)을 통해 데이터 신호가 노드간에 전달될 수 있다. 상술한 바와 같이 싱크(100)와 가까울수록 수신 신호 강조 지표(RSSI)의 세기가 강해지는 바, 점점 수신 신호 강도가 높아가는 방향으로 상향 링크 라우팅이 수행될 수 있다.
예시적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 수신 신호 강도 지표(-15)를 가진 소스 노드는 주변의 5개의 노드에 데이터 신호를 전달할 수 있으나, 수신 신호 강도 지표가 자기보다 높은 -9 RSSI 노드 및 -10 RSSI 노드로의 전달은 유효 전달 경로일 수 있다. 그리고, -20 RSSI 노드, -37 RSSI 노드, -40 RSSI 노드로의 전달은 비유효 전달 경로일 수 있다. 여기서, 상향 링크 구간에서 각 노드(110)는 듀티 사이클링을 하고 있는 바, -9 RSSI 노드 또는 -10 RSSI 노드 중 먼저 동작 모드로 전환되는 노드가 데이터 신호를 전달받을 수 있으며, 데이터 신호를 전달받은 노드는 상기 소스 노드에 수신 확인(Ack) 메시지를 전송하고, 데이터 신호를 싱크(100)로 전달할 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 경로 상에 수신 신호 강도 지표(RSSI)의 값이 역전되는 경우가 발생할 수도 있다. 즉, 싱크와 인접한 노드의 수신 신호 강도 지표(RSSI)의 세기가 상기 노드로 신호를 전달해야하는 이웃 노드의 수신 신호 강도 지표(RSSI)보다 약하게 측정되는 경우, 이웃 노드에서 상기 목적지 노드로 상향 링크 신호가 전달되지 않아 이웃 노드에 계속 머무르게 되는 문제(Hole problem)가 발생할 수 있다.
본 실시예에 따른 복수의 노드(100)에서, 현재 신호를 전달해야되는 노드는 주변 노드로의 신호 전송이 실패하여, 수신 확인(Ack)를 기준 횟수 이상 받지 못하는 경우, 자신의 수신 신호 강도 지표(RSSI)의 값을 변경할 수 있다. 즉, 자신의 수신 신호 강도 지표(RSSI)의 세기를 낮추어 싱크와 이웃 싱크로 상향 링크 신호를 전달할 수 있다. 예시적으로, 도 6에 -9 RSSI 노드는 -10 RSSI 노드로의 전송이 계속 실패하는 경우, 본인의 RSSI 값을 -15로 조정하여 -10 RSSI 노도로의 전송을 수행할 수 있다. 본 실시예에 따른 복수의 노드(100)는 정해진 상향 링크 구간 내에 패킷 손실없이 성공적인 상향 링크 신호의 전송이 수행되도록 수신 신호 강도 지표의 세기를 약하게 조절할 수 있다.
이러한, 상향 링크 라우팅 과정은 상술한 바와 같이 비콘 신호의 주기 마다 새로 설정될 수 있다. 따라서, 노드(110)의 위치가 이동되거나, 새로운 노드(110)가 추가되더라도, 이러한 변화를 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 통해 반영할 수 있고 이를 바탕으로 최적의 신호 송신 경로가 산출될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호의 송수신 방법을 설명하도록 한다.
여기서, 일 실시예에서, 신호의 송수신 방법(라우팅 방법)을 수행하는 주체는 싱크일 수도 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 실시예에서, 송수신 방법을 수행하는 주체는 복수의 노드일 수 있다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호의 송수신 방법에 따른 순서도이다. 무선 네트워크 시스템에서 고전력 싱크가 신호를 송수신하는 방법에 관한 것으로, 비콘 신호 송신 단계(S100), 하향 링크 신호 송신 단계(S110), 상향 링크 신호 수신 단계(S120)을 포함한다.
먼저, 슈퍼프레임의 시작을 지시하는 비콘 신호를 복수의 노드로 송신한다(S100).
싱크(100)는 고전력 상태일 수 있다. 싱크(100)는 높은 전송 전력을 가진 고전력 코디네이터일 수 있다. 비콘 신호는 단일 홉 전송을 통해 싱크에서 복수의 노드로 송신될 수 있다. 여기서, 노드는 이동성 노드일 수 있으며, 비콘 신호에 의해 노드(110)들의 라우팅 업데이트는 동기화될 수 있다. 비콘 신호에 의해 싱크(100)와 시간 동기화가 수행될 수 있고, 무선 네트워크 시스템(10)에 신규 유입된 노드(110)는 비콘 신호의 수신 이후, 즉 싱크(100)와의 시간 동기화 이후 신호 전달을 위한 동작이 수행될 수 있다.
비콘 신호는 적어도 슈퍼프레임의 출력 시간과 제1 구간 및 제2 구간의 길이를 포함한다. 여기서, 제1 구간 및 상기 제2 구간은 시간적으로 분할된 독립적인 구간일 수 있다. 또한, 제1 구간은 하향 링크 구간이고, 제2 구간은 상향 링크 구간일 수 있다. 각 노드(110)는 비콘 신호를 수신할 때 마다 비콘으로부터의 수신 신호 강도 지표(Received signal strength indicator, RSSI)를 생성할 수 있으며, 이를 저장할 수 있다. 수신 신호 강도 지표(RSSI)는 싱크(100)로부터 멀어질수록 수신 신호 강도가 약해지는 바, 싱크(100)부터 멀어질 수록 수신 신호 강도 지표의 값은 작아질 수 있다. 생성된 수신 신호 강도 지표(RSSI)는 상향 링크 구간의 라우팅 메트릭으로 활용될 수 있다.
이어서, 슈퍼프레임의 제1 구간에서, 하향 링크 신호를 복수의 노드로 송신한다(S110).
하향 링크 신호는 단일 홉 전송을 통해 싱크에서 복수의 노드로 전송될 수 있다. 노드는 제1 구간에서 하향 링크 신호의 수신을 기다리는 동작 모드를 유지할 수 있다. 고전압의 싱크(100)는 높은 전송 출력을 가지는 바, 하향 링크 시 별도의 라우팅 메트릭이 적용되지 않을 수 있다. 노드(110)는 이러한 하향 링크 신호를 수신할 수 있다. 또한, 각 노드(110)는 자신의 이웃 노드에게 전송된 하향 링크 신호도 수신하여 저장할 수 있다. 목적지 노드로부터 수신 확인(Ack)이 이루어지지 않은 경우, 하향 링크 패킷을 저장하고 있는 주변 노드가 싱크(100)를 대신하여 이를 목적지 노드로 재전송할 수 있다. 또한, 비콘 신호는 상기 하향 링크 신호를 전달받아야하는 목적지 노드에 관한 정보를 포함할 수 있다. 제1 구간에서, 하향 링크 신호가 목적지 노드에 수신되지 않은 경우, 목적지 노드는 하향 링크 신호를 수신하지 못하였다는 알림(NACK)을 다른 노드에게 발신하고, 하향 링크 신호를 가지고 있는 다른 노드로부터 하향 링크 신호를 전달받을 수 있다. 이에 따라 재전송에 따른 패킷 손실을 방지할 수 있고, 하향 링크 신호의 전달도 신속하게 수행될 수 있다.
슈퍼프레임의 제2 구간에서, 상향 링크 신호를 다중 홉 중계를 통하여 수신한다(S120).
노드는 제2 구간에서 수면 모드를 유지하는 비활성 상태에서 일정 주기에 따라 활성화되어 상향 링크 신호를 감지할 수 있으며, 상향 링크 신호의 감지시 활성 상태를 유지하여 동작될 수 있다. 노드(110)는 수신 신호 강도 지표(RSSI)가 활용하여 데이터 신호를 싱크쪽으로 전달할 수 있다. 데이터 신호를 생성하거나, 이웃 노드로부터 데이터신호를 전달받은 특정 노드(110)는 데이터 신호를 싱크(100)로 전달하기 위해 주변 노드(110)의 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 비교할 수 있다. 여기서, 자신의 수신 신호 강도 지표(RSSI)보다 높은 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 가진 이웃 노드(110)로 데이터 신호를 전달할 수 있다. 즉, 기회 감염(opportunistic)을 통해 데이터 신호가 노드간에 전달될 수 있다. 또한, 상기 복수의 노드는 기준 횟수를 초과하여 이웃 노드로 상기 상향 링크 신호가 전달되지 않는 경우, 자신의 수신 신호 강도 지표의 세기를 약하게 조절할 수도 있다. 상술한 바와 같이 싱크(100)와 가까울수록 수신 신호 강조 지표(RSSI)의 세기가 강해지는 바, 점점 수신 신호 강도가 높아가는 방향으로 상향 링크 라우팅이 수행될 수 있다. 이러한, 라우팅 메트릭을 통해 상향 링크가 구성될 수 있으며, 링크는 이러한 상향 링크 신호를 수신할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 신호의 송수신 방법에 따른 순서도이다. 무선 네트워크 시스템에서 저전력 노드가 신호를 송수신하는 방법에 관한 것으로, 비콘 신호 수신 단계(S200), 하향 링크 신호 수신 단계(S210), 상향 링크 신호 송신 단계(S220)을 포함한다.
먼저, 슈퍼프레임의 시작을 지시하는 비콘 신호를 싱크로부터 수신한다(S100). 비콘 신호는 단일 홉 전송을 통해 싱크에서 복수의 노드로 전달될 수 있다. 여기서, 노드는 이동성 노드일 수 있으며, 비콘 신호에 의해 노드(110)들의 라우팅 업데이트는 동기화될 수 있다. 각 노드(110)는 이러한 비콘 신호에 의해 싱크(100)와 시간 동기화가 수행될 수 있고, 무선 네트워크 시스템(10)에 신규 유입된 노드(110)는 비콘 신호의 수신 이후, 즉 싱크(100)와의 시간 동기화 이후 신호 전달을 위한 동작이 수행될 수 있다. 비콘 신호는 적어도 슈퍼프레임의 출력 시간과 제1 구간 및 제2 구간의 길이를 포함한다. 여기서, 제1 구간 및 상기 제2 구간은 시간적으로 분할된 독립적인 구간일 수 있다. 또한, 제1 구간은 하향 링크 구간이고, 제2 구간은 상향 링크 구간일 수 있다. 각 노드(110)들은 비콘 신호를 수신할 때 마다 비콘으로부터의 수신 신호 강도 지표(Received signal strength indicator, RSSI)를 생성할 수 있으며, 이를 저장할 수 있다. 수신 신호 강도 지표(RSSI)는 싱크(100)로부터 멀어질수록 수신 신호 강도가 약해지는 바, 싱크(100)부터 멀어질 수록 수신 신호 강도 지표의 값은 작아질 수 있다. 생성된 수신 신호 강도 지표(RSSI)는 상향 링크 구간의 라우팅 메트릭으로 활용될 수 있다.
이어서, 슈퍼프레임의 제1 구간에서, 하향 링크 신호를 싱크로부터 수신한다(S210).
하향 링크 신호는 단일 홉 전송을 통해 싱크에서 복수의 노드로 전송될 수 있다. 노드는 제1 구간에서 하향 링크 신호의 수신을 기다리는 동작 모드를 유지할 수 있다. 고전압의 싱크(100)는 높은 전송 출력을 가지는 바, 하향 링크 시 별도의 라우팅 메트릭이 적용되지 않을 수 있다. 노드(110)는 이러한 하향 링크 신호를 수신할 수 있다. 또한, 각 노드(110)는 자신의 이웃 노드에게 전송된 하향 링크 신호도 수신하여 저장할 수 있다. 목적지 노드로부터 수신 확인(Ack)이 이루어지지 않은 경우, 하향 링크 패킷을 저장하고 있는 주변 노드가 싱크(100)를 대신하여 이를 목적지 노드로 재전송할 수 있다. 또한, 비콘 신호는 상기 하향 링크 신호를 전달받아야하는 목적지 노드에 관한 정보를 포함할 수 있다. 제1 구간에서, 하향 링크 신호가 목적지 노드에 수신되지 않은 경우, 목적지 노드는 하향 링크 신호를 수신하지 못하였다는 알림(NACK)을 다른 노드에게 발신하고, 하향 링크 신호를 가지고 있는 다른 노드로부터 하향 링크 신호를 전달받을 수 있다. 이에 따라 재전송에 따른 패킷 손실을 방지할 수 있고, 하향 링크 신호의 전달도 신속하게 수행될 수 있다.
슈퍼프레임의 제2 구간에서, 상향 링크 신호를 다중 홉 중계를 통하여 싱크로 송신한다(S220).
노드는 제2 구간에서 수면 모드를 유지하는 비활성 상태에서 일정 주기에 따라 활성화되어 상향 링크 신호를 감지할 수 있으며, 상향 링크 신호의 감지시 활성 상태를 유지하여 동작될 수 있다. 노드(110)는 수신 신호 강도 지표(RSSI)가 활용하여 데이터 신호를 싱크쪽으로 전달할 수 있다. 데이터 신호를 생성하거나, 이웃 노드로부터 데이터신호를 전달받은 특정 노드(110)는 데이터 신호를 싱크(100)로 전달하기 위해 주변 노드(110)의 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 비교할 수 있다. 여기서, 자신의 수신 신호 강도 지표(RSSI)보다 높은 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 가진 이웃 노드(110)로 데이터 신호를 전달할 수 있다. 즉, 기회 감염(opportunistic)을 통해 데이터 신호가 노드간에 전달될 수 있다. 또한, 상기 복수의 노드는 기준 횟수를 초과하여 이웃 노드로 상기 상향 링크 신호가 전달되지 않는 경우, 자신의 수신 신호 강도 지표의 세기를 약하게 조절할 수도 있다. 상술한 바와 같이 싱크(100)와 가까울수록 수신 신호 강조 지표(RSSI)의 세기가 강해지는 바, 점점 수신 신호 강도가 높아가는 방향으로 상향 링크 라우팅이 수행될 수 있다. 이러한, 라우팅 메트릭을 통해 상향 링크가 구성될 수 있으며, 싱크로의 신호 전달이 수행될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 라우팅 방법에 관한 실험 예를 분석하도록 한다.
도 9는 일 실험 예에 다른 시물레이션 토폴로지를 나타낸 도면이며, 도 10 및 도 11은 일 실험예의 시물레이션 결과를 도시한 그래프이다.
Cooja simulator를 이용하여 본 발명의 라우팅 방법과 RPL(R), ORPL(O), LOADng(L)을 비교하였다. 본 발명에서 하향 링크는 단일 홉 전송으로 수행되는 바, 다중 홉 전송을 하는 비교군 대비 효율이 뛰어난 것은 다소 자명한 바, 하향 링크의 비교 실험은 제외하고 상향 링크 라우팅 경로의 효율성을 검토하기 위해, 다음과 같이 시물레이션을 수행하였다.
도 9의 시물레이션 토폴로지에서 2번 노드를 싱크, 즉 고전력 게이트웨이로 사용하였으며, 나머지 19개의 노드는 저전력 노드로 설정하였다. 저전력 노드는 Random way point mode에 따라 2m/s로 이동하는 이동성 노드에 해당한다. 네트워크 사이즈는 90m x 90m이며, 싱크는 0dBm의 전송 전력을 사용하며, 저전력 노드는 10dBm을 사용한다. 각 저전력 노드는 30초에 하나의 패킷을 생성하여 싱크를 향해 전송을 하며, 비콘 신호의 출력 주기는 10초이다. 상향 링크에서 각 노드의 듀티 사이클링 레이트를 32Hz에서 2Hz까지 변경하면서 실험을 진행하였다. 예를 들어, 도 10 및 도 11의 그래프에서 L4는 4Hz의 듀티 사이클(sleep interval = 250ms)을 사용한 LOADng을 의미할 수 있고, 실시예에 따른 본 발명은 P로 표시되었다.
도 10은 싱크에서의 데이터 패킷 수신률(PRR, Packet reception ratio)을 나타낸다. 이동성 노드에 적합하지 않은 RPL과 ORPL은 예상대로 데이터 패킷 수신률이 낮게 측정되었다. RPL은 노드의 이동성에 의해 만료된 부모 정보를 활용하여 데이터 전송을 수행함에 따라 데이터 패킷 손실이 야기된 것으로 판단되며, ORPL 또한 유효하지 않은 EDC(Expected duty cycle) 라우팅 메트릭 사용으로 인해 패킷 손실이 야기된 것으로 판단된다. LOADng에서, L_NULL은 듀티 사이클링 없이 측정한 LOADng의 성능이며 LOADng의 PRR성능의 상한을 보여준다. LOADng의 리엑티브 한 방식은 프로엑티브한 라우팅과는 달리 필요한 경우에만 즉각적으로 새로운 경로를 찾기 때문에 높은 반응성을 가진다. 따라서, 이동성 노드에 다소 적합한 프로토콜일 수 있다. 하지만 매번 라우팅이 필요한 경우 RREQ를 네트워크 전체에 방송해야 한다. Duty cycling을 사용하는 LLN에서는 이는 매우 큰 부담이다. 즉, LOADng에서 동작 모드의 활성이 자주 일어나는 경우(L32, L16)는 80%를 상회하는 PRR을 보이지만, 듀티 사이클이 줄어들수록 PRR이 급속하게 감소되는 것을 확인할 수 있다. Duty cycling이 사용되는 경우 하나의 브로드캐스트 패킷을 전송하기 위해서는 sleep interval 동안 반복적으로 해당 패킷을 전송해야 하기 때문에, sleep interval이 길어질수록 RREQ flooding 오버헤드가 심해질 수 있다. 그리고, 도 11에 도시된 Duty cycle(%)는 작동되는 시간을 나타내는 것으로 전력 소모에 대응되는 수치일 수 있다. RPL 및 ORPL은 에너지 소모가 크지 않으나, LOADng의 경우, sleep interval이 길어질수록 RREQ의 오버헤드로 인한 에너지 소모가 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 라우팅 방법(P)은 비콘 주기 마다 라우팅 메트릭을 업데이트될 수 있다. 또한, RPL과 ORPL과 달리 수신 신호 강도 표시(RSSI)를 활용한 유효한 라우팅 메트릭 정보를 통해 라우팅 메트릭을 결정할 수 있는 바, 높은 PRR을 유지하는 것을 알 수 있다. 또한, LOADng와 달리 라우팅 업데이트에 소요되는 오버헤드가 최소화되는 바, 에너지 소모도 낮게 나타나는 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 신호 송수신 방법에서, 고전압 싱크는 비콘 전송을 수초 단위로 반복 전송하여 노드와 싱크를 시동기화하여 신호 송수신 경로를 최신 상태로 유지할 수 있다. 또한, 비콘 전송에 대응하여 고전력 하향 링크와 저전력 상향 링크를 시분할하는 바, 고전력 전송에 의한 간섭이 최소화될 수 있다. 고전압 싱크를 사용하여 단일 홉 하향 링크 전송을 수행하는 바 노드의 포워딩 및 메모리 부담이 감소될 수 있다. 또한, 상향 링크 경로 설정시, 노드의 이동을 반영할 수 있는 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 라우팅 메트릭으로 사용하여 최선 신호 송수신 경로를 용이하게 업데이트할 수 있고, 모바일 LLN에 보다 용이하게 적용될 수 있다.
도 12는 상술한 바와 같은 동작을 수행하기 위한 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 12의 무선 장치/기기(210)는 상술한 설명의 저전력 노드(센서 노드), 그리고 무선 장치/기기(200)는 상술한 설명의 고전력 싱크(싱크 노드)에 대응할 수 있다.
무선 기기(200)는 프로세서(201), 메모리(202), 송수신부(203)를 포함할 수 있고, 무선 기기(210) 역시 프로세서(211), 메모리(212) 및 송수신부(213)를 포함할 수 있다. 송수신부(203 및 213)은 무선 신호를 송신/수신하고, IEEE/3GPP 등의 물리적 계층에서 실행될 수 있다. 프로세서(201 및 211)는 물리 계층 및/또는 MAC 계층에서 실행되고, 송수신부(203 및 213)와 연결되어 있다. 프로세서(201 및 211)는 상기 언급된 신호 송수신 방법 수행하도록 동작할 수 있다.
즉, 무선기기(210)는 비대칭 전송 전력 기반 무선 네트워크 시스템에 포함된 노드로서 데이터 신호를 송수신하도록 구성될 수 있으며, 송수신기(213)는 슈퍼프레임의 시작을 지시하는 비콘 신호를 수신하고, 상기 슈퍼프레임의 제1 구간에서 하향 링크 신호를 수신하며, 상기 슈퍼프레임의 제2 구간에서 상향 링크 신호를 주변 무선 기기에 전달할 수 있다. 또한, 프로세서(211)는 상기 비콘 신호를 수신할 때 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 생성하며, 상기 수신 신호 강도 지표에 따라 상기 상향 링크 신호를 전달할 수 있다. 또한 프로세서(211)는 기준 횟수를 초과하여 이웃 무선 기기로 상기 상향 링크 신호가 전달되지 않는 경우, 자신의 수신 신호 강도 지표의 세기를 약하게 조절할 수도 있다. 또한, 비콘 신호와 상기 하향 링크 신호는 단일 홉 전송을 통해 싱크로부터 송수신기(213)에 전송되고, 수신 신호 강도 지표는 싱크와 가까울수록 세기가 강하며, 프로세서(211)는 자신의 수신 신호 강도 지표보다 높은 수신 신호 강도 지표를 가진 이웃 무선 기기로 상향 링크 신호를 전달할 수 있다. 무선기기(210)는 이동성 노드일 수 있고, 무선기기(210)는 제1 구간에서 하향 링크 신호의 수신을 기다리는 동작 모드를 유지하며, 제2 구간에서 수면 모드를 유지하는 비활성 상태에서 일정 주기에 따라 활성화되어 상향 링크 신호를 감지할 수 있다. 또한, 비콘 신호는 하향 링크 신호를 전달받아야하는 목적지 무선 기기에 관한 정보를 포함할 수 있다. 무선 기기(210)가 목적지 무선 기기일 때, 제1 구간에서, 하향 링크 신호가 목적지 무선 기기에 수신되지 않은 경우, 목적지 무선 기기는 하향 링크 신호를 수신하지 못하였다는 알림(NACK)을 다른 무선 기기에게 발신할 수 있다. 이때, 목적지 무선 기기는 하향 링크 신호를 가지고 있는 다른 무선 기기로부터 상기 하향 링크 신호를 전달받을 수 있다.
프로세서(201 및 211) 및/또는 송수신부(203 및 213)는 특정 집적 회로(application-specific integrated circuit, ASIC), 다른 칩셋, 논리 회로 및/또는 데이터 프로세서를 포함할 수 있다. 메모리(202 및 212)은 ROM(read-only memory), RAM(random access memory), 플래시 메모리, 메모리 카드, 저장 매체 및/또는 다른 저장 유닛을 포함할 수 있다. 일 실시 예가 소프트웨어에 의해 실행될 때, 상기 기술한 방법은 상기 기술된 기능을 수행하는 모듈(예를 들어, 프로세스, 기능)로서 실행될 수 있다. 상기 모듈은 메모리(202 및 212)에 저장될 수 있고, 프로세서(201 및 211)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리(202 및 212)는 상기 프로세서(201 및 211)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있고, 잘 알려진 수단으로 프로세서(201 및 211)와 연결될 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만 본 발명은 이러한 실시예들 또는 도면에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 무선 네트워크 시스템에서 저전력의 복수의 노드와 고전력 싱크간의 신호를 송수신하는 방법에 있어서,
    슈퍼프레임의 시작을 지시하는 비콘 신호를 상기 복수의 노드로 송신하는 단계;
    상기 슈퍼프레임의 제1 구간에서, 하향 링크 신호를 상기 복수의 노드로 송신하는 단계; 및
    상기 슈퍼프레임의 제2 구간에서, 상향 링크 신호를 다중 홉 중계를 통하여 수신하는 단계를 포함하되,
    상기 복수의 노드는 상기 비콘 신호를 수신할 때 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 생성하며, 상기 상향 링크 신호는 상기 수신 신호 강도 지표에 따라 상기 싱크로 전달되는 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 비콘 신호는 상기 슈퍼프레임의 출력 시간과 상기 제1 구간 및 상기 제2 구간의 길이를 포함하고,
    상기 제1 구간 및 상기 제2 구간은 시간적으로 분할된 독립적인 구간이며,
    상기 제1 구간은 하향 링크 구간이고, 상기 제2 구간은 상향 링크 구간인 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 비콘 신호 및 상기 하향 링크 신호는 단일 홉 전송을 통해 상기 복수의 노드로 송신되는 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 수신 신호 강도 지표는 상기 싱크와 가까울수록 세기가 강하며,
    상기 복수의 노드 각각은 자신의 수신 신호 강도 지표보다 높은 수신 신호 강도 지표를 가진 이웃 노드로 상기 상향 링크 신호를 전달하는 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 복수의 노드는 이동성 노드인 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 복수의 노드는 기준 횟수를 초과하여 이웃 노드로 상기 상향 링크 신호가 전달되지 않는 경우, 자신의 수신 신호 강도 지표의 세기를 약하게 조절하는 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 노드는 상기 제1 구간에서 하향 링크 신호의 수신을 기다리는 동작 모드를 유지하며, 상기 제2 구간에서 수면 모드를 유지하는 비활성 상태에서 일정 주기에 따라 활성화되어 상향 링크 신호를 감지하는 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 비콘 신호는 상기 하향 링크 신호를 전달받아야하는 목적지 노드에 관한 정보를 포함하고,
    상기 제1 구간에서, 상기 목적지 노드는 상기 하향 링크 신호를 수신하지 못한 경우 하향 링크 신호를 수신하지 못하였다는 알림(NACK)을 다른 노드에게 발신하고, 상기 하향 링크 신호를 가지고 있는 다른 노드로부터 상기 하향 링크 신호를 전달받는 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  9. 무선 센서 네트워크 시스템에서 저전력의 복수의 노드와 고전력 싱크 간의 신호를 송수신하는 방법에 있어서,
    상기 싱크로부터 슈퍼프레임의 시작을 지시하는 비콘 신호를 수신하는 단계;
    상기 슈퍼프레임의 제1 구간에서, 상기 싱크로부터 하향 링크 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 슈퍼프레임의 제2 구간에서, 상향 링크 신호를 다중 홉 중계를 통하여 상기 싱크로 송신하는 단계를 포함하되,
    상기 복수의 노드는 상기 비콘 신호를 수신할 때 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 생성하며, 상기 상향 링크 신호는 상기 수신 신호 강도 지표에 따라 상기 싱크로 전달되는 무선 센서 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 구간은 하향 링크 구간이고, 상기 제2 구간은 상향 링크 구간이며,
    상기 비콘 신호는 상기 슈퍼프레임의 출력 시간과 상기 제1 구간 및 상기 제2 구간의 길이를 포함하고,
    상기 제1 구간 및 상기 제2 구간은 시간적으로 분할된 독립적인 구간인 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 비콘 신호 및 상기 하향 링크 신호는 단일 홉 전송을 통해 상기 싱크에서 상기 복수의 노드로 전송되는 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 수신 신호 강도 지표는 상기 싱크와 가까울수록 세기가 강하며,
    상기 복수의 노드 각각은 자신의 수신 신호 강도 지표보다 높은 수신 신호 강도 지표를 가진 이웃 노드로 상기 상향 링크 신호를 전달하는 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 복수의 노드는 이동성 노드인 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 복수의 노드는 기준 횟수를 초과하여 이웃 노드로 상기 상향 링크 신호가 전달되지 않는 경우, 자신의 수신 신호 강도 지표의 세기를 약하게 조절하는 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  15. 제9 항에 있어서,
    상기 노드는 상기 제1 구간에서 하향 링크 신호의 수신을 기다리는 동작 모드를 유지하며, 상기 제2 구간에서 수면 모드를 유지하는 비활성 상태에서 일정 주기에 따라 활성화되어 상향 링크 신호를 감지하는 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  16. 제9 항에 있어서,
    상기 비콘 신호는 상기 하향 링크 신호를 전달받아야하는 목적지 노드에 관한 정보를 포함하고,
    상기 제1 구간에서, 상기 목적지 노드는 상기 하향 링크 신호를 수신하지 못한 경우 하향 링크 신호를 수신하지 못하였다는 알림(NACK)을 다른 노드에게 발신하고, 상기 하향 링크 신호를 가지고 있는 다른 노드로부터 상기 하향 링크 신호를 전달받는 무선 네트워크 시스템의 신호 송수신 방법.
  17. 비대칭 전송 전력 기반 무선 네트워크 시스템에 포함된 노드로서 데이터 신호를 송수신하도록 구성되는 무선 기기에 있어서,
    슈퍼프레임의 시작을 지시하는 비콘 신호를 수신하고, 상기 슈퍼프레임의 제1 구간에서 하향 링크 신호를 수신하며, 상기 슈퍼프레임의 제2 구간에서 상향 링크 신호를 주변 무선 기기에 전달하는 송수신기; 및
    상기 비콘 신호를 수신할 때 수신 신호 강도 지표(RSSI)를 생성하며, 상기 수신 신호 강도 지표에 따라 상기 상향 링크 신호를 전달하는 주변 무선 기기를 결정하는 프로세서를 포함하는 무선기기.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 비콘 신호와 상기 하향 링크 신호는 단일 홉 전송을 통해 싱크로부터 상기 송수신기에 전송되고,
    상기 수신 신호 강도 지표는 상기 싱크와 가까울수록 세기가 강하며,
    상기 프로세서는 자신의 수신 신호 강도 지표보다 높은 수신 신호 강도 지표를 가진 이웃 무선 기기로 상기 상향 링크 신호를 전달하고,
    상기 프로세서는 기준 횟수를 초과하여 이웃 무선 기기로 상기 상향 링크 신호가 전달되지 않는 경우, 자신의 수신 신호 강도 지표의 세기를 약하게 조절하는 무선기기.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 무선기기는 이동성 노드이며,
    상기 무선기기는 상기 제1 구간에서 하향 링크 신호의 수신을 기다리는 동작 모드를 유지하며, 상기 제2 구간에서 수면 모드를 유지하는 비활성 상태에서 일정 주기에 따라 활성화되어 상향 링크 신호를 감지하는 무선기기.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 비콘 신호는 상기 하향 링크 신호를 전달받아야하는 목적지 무선 기기에 관한 정보를 포함하고,
    상기 무선 기기가 상기 목적지 무선 기기일 때, 상기 제1 구간에서, 상기 하향 링크 신호가 상기 목적지 무선 기기에 수신되지 않은 경우, 상기 목적지 무선 기기는 하향 링크 신호를 수신하지 못하였다는 알림(NACK)을 다른 무선 기기에게 발신하고, 상기 하향 링크 신호를 가진 다른 무선 기기로부터 상기 하향 링크 신호를 전달받는 무선기기.
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