KR101022195B1 - 무선 센서 네트워크에서 모바일 센서 노드의 통신방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크에서 모바일 센서 노드의 통신방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수의 센서 노드로 구성되는 무선 센서 네트워크에서 모바일 센서 노드의 통신방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명에 따른 통신방법은, 모바일 센서 노드가 부모 센서 노드로부터의 메시지 수신 인터럽트를 기준으로 시각 동기화와, 상향활성구간의 송수신구간과, 하향활성구간의 송수신구간을 결정하여 시간 동기화를 이행한 상태에서, 상기 상향활성구간의 송신구간에서 상기 부모 센서 노드로 메시지를 송신하고, 상기 상향활성구간의 수신구간에서 상기 부모 센서 노드 및 상기 부모 센서 노드를 기준으로 미리 정해둔 수의 센서 노드로부터의 메시지들을 수신하여 처리하고, 상기 수신된 메시지들의 수신신호세기를 기준으로 부모센서노드를 재설정하는 단계; 상기 하향활성구간의 송신구간에서 상기 부모 센서 노드로 메시지를 송신하고, 상기 하향활성구간의 수신구간에서 상기 부모 센서 노드로부터 메시지가 수신되는지를 체크하고, 상기 부모센서노드로부터의 메시지가 수신되지 않으면 시간동기화가 실패한 것으로 판단하여 부모센서노드를 재설정하고, 상기 부모센서노드로부터의 메시지가 수신되면 상기 부모센서노드로부터의 메시지 수신 인터럽트에 따른 시간동기화를 이행하는 단계;를 포함한다.
Figure R1020090060993
모바일 센서 노드, 무선 센서 네트워크, 활성구간, 휴지구간, 선형망

Description

무선 센서 네트워크에서 모바일 센서 노드의 통신방법{Communication method for a mobile sensor node in a wireless sensor network}
본 발명은 무선 센서 네트워크에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 센서 네트워크에서 모바일 센서 노드의 통신방법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크는 유비쿼터스 컴퓨팅 기술을 실현하기 위한 핵심 기반 기술이며, 무선으로 연결되어 동작될 수 있다.
상기한 센서 네트워크에서는 각 노드가 제한된 용량의 배터리로 동작하므로 최소의 에너지를 사용하여 측정 데이터를 전달하는 것이 최우선적인 목적이다. 또한 센서 네트워크를 실시간 응용 시스템에 적용시키기 위해서는 대규모 센서 네트워크에서의 전송 지연이 최소화되어야 한다. 따라서 실시간 모니터링이 필요한 센서 네트워크는 배터리 소모를 최소화하면서 네트워크 전송 지연이 작은 프로토콜을 요구한다.
이러한 요구에 따라 본원 출원인은 "양방향 데이터 통신이 가능한 선형 구조를 갖는 무선 센서 네트워크 및 그 방법"을 명칭으로 하여 대한민국 특허청에 특허출원 제10-2007-0009835호를 출원한 바 있다.
상기 출원된 기술은 다수 개의 노드들로 구성되며 각 노드는 하나의 상위 노드 및 하나의 하위 노드와 연결되도록 하여 싱크 노드부터 단말 노드까지 선형적으로 연결되는 무선 센서 네트워크에 있어서, 각 노드는 상위 노드 및 하위 노드와 데이터를 송수신하는 활성 구간을 구비하며, 상기 활성 구간은 싱크 노드로부터 단말 노드로의 데이터/명령어를 전송하는 다운링크 활성구간 및 단말 노드로부터 싱크 노드로의 데이터/명령어를 전송하는 업링크 활성 구간을 구비하여, 활성 구간의 단일 주기내에서 싱크 노드와 단말 노드간의 양방향 통신을 이행하는 기술을 개시하고 있다.
상기한 무선 센서 네트워크는 산불이나 도량의 붕괴 징후 감지, 문화재 훼손 감지 등의 목적으로 널리 상용화되고 있으며, 활용도를 더욱 높이기 위해서는 추가적인 기술 개발이 요구된다. 특히, 상기한 무선 센서 네트워크의 실시간 테스트 또는 미아 찾기 서비스 등을 실현하기 위한 목적으로 종래에는 모바일 센서 노드와 무선 센서 네트워크와의 통신기술의 개발이 요구되었다.
본 발명은 모바일 센서 노드가 무선 센서 네트워크의 센서 노드들 중 어느 하나를 부모 노드로 선택하여 상기 선택된 부모 노드와 통신을 이행하는 무선 센서 네트워크에서 모바일 센서 노드의 통신방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명의 다른 목적은 무선 센서 네트워크의 센서 노드들 중 어느 하나를 다수의 모바일 센서 노드가 동시에 부모 노드로 선택한 경우에, 경쟁을 통해 통신 여부를 결정하는 무선 센서 네트워크에서 모바일 센서 노드의 통신방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 모바일 센서 노드의 통신방법은, 모바일 센서 노드가 부모 센서 노드로부터의 메시지 수신 인터럽트를 기준으로 시각 동기화와, 상향활성구간의 송수신구간과, 하향활성구간의 송수신구간을 결정하여 시간 동기화를 이행한 상태에서, 상기 상향활성구간의 송신구간에서 상기 부모 센서 노드로 메시지를 송신하고, 상기 상향활성구간의 수신구간에서 상기 부모 센서 노드 및 상기 부모 센서 노드를 기준으로 미리 정해둔 수의 센서 노드로부터의 메시지들을 수신하여 처리하고, 상기 수신된 메시지들의 수신신호세기를 기준으로 부모센서노드를 재설정하는 단계; 상기 하향활성구간의 송신구간에서 상기 부모 센서 노드로 메시지를 송신하고, 상기 하향활성구간의 수신구간에서 상기 부모 센서 노드로부터 메시지가 수신되는지를 체크하고, 상기 부모센서노드로부터의 메시지가 수신되지 않으면 시간동기화가 실패한 것으로 판단하여 부모센서노드를 재설정하고, 상기 부모센서노드로부터의 메시지가 수신되면 상기 부모센서노드로부터의 메시지 수신 인터럽트에 따른 시간동기화를 이행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 본 발명은 모바일 센서 노드가 무선 센서 네트워크의 센서 노드들 중 어느 하나를 부모 노드로 선택하여 상기 선택된 부모 노드를 통해 통신을 이행할 수 있게 함으로써, 무선 센서 네트워크의 실시간 테스트 또는 미아 찾기 등의 목적으로 모바일 센서 노드를 활용할 수 있게 하는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.
상기한 무선 센서 네트워크는 다수의 센서 노드(SN1~SN5)로 구성되며, 상기 다수의 센서 노드(SN1~SN5)는 선형망을 구성하며, 각 센서 노드는 상위 센서 노드 및 하위 센서 노드와 데이터를 송수신하는 활성 구간과 비활성구간을 구비하며, 상기 활성 구간은 다운링크 활성구간 및 업링크 활성구간, 휴지구간으로 구성된다. 그리고 상기 다운링크 활성구간 및 상기 업링크 활성구간 각각은 송신구간, 수신구간, 확인구간으로 구성되며, 상기 송신구간 및 상기 수신구간 각각은 실제 송수신구간 및 송수신 데이터의 처리구간으로 구성된다. 상기 다수의 센서 노드(SN1~SN5)는 상기 업링크 활성구간을 통해 업링크 데이터를 상기 선형망을 통해 상위로 전달 하고, 상기 다운링크 활성구간을 통해 다운링크 데이터를 상기 선형망을 통해 하위로 전달한다. 특히 상기한 다수의 센서 노드(SN1~SN5)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 송신 데이터 처리 구간에서 수신모드를 유지하여 모바일 센서 노드로부터의 데이터를 수신한다.
상기한 무선 센서 네트워크에는 하나 이상의 모바일 센서 노드(MSN1~MSN2)가 위치하며, 상기 모바일 센서 노드(MSN1~MSN2)의 위치는 사용자의 위치변화에 따라 가변된다.
통신의 필요성이 있을 때마다 상기 모바일 센서 노드(MSN1~MSN2)는 자신의 위치에서 상기 다수의 센서 노드(SN1~SN5) 중 어느 하나를 부모 센서 노드로 설정한 후에 시간 동기화를 이행하여, 선택된 부모 센서 노드를 통하여 상기 다수의 센서 노드(SN1~SN5)가 구성하는 선형망으로 업링크 데이터를 송신하거나, 선형망으로부터 다운링크 데이터를 수신한다.
또한 상기 모바일 센서 노드(MSN1~MSN2)는 부모 센서 노드의 설정후에 동일한 센서 노드를 부모 노드로 설정한 다른 모바일 센서 노드가 존재하는 경우를 감안하여, 다른 모바일 센서 노드와의 우선 순위 경쟁을 이행하며, 상기 경쟁결과에 따라 상기 요청된 통신을 이행하거나, 다음 주기까지 대기한 후에 상기 요청된 통신을 이행한다. 여기서, 상기 모바일 센서 노드(MSN1~MSN2)는 우선 순위를 랜덤하게 설정하였다가 경쟁 실패 횟수가 증가되면 상기 우선 순위를 높여 QoS가 유지될 수 있게 한다.
상기한 모바일 센서 노드를 위한 통신 방법을 도 2의 흐름도를 참조하여 설 명한다.
사용자에 의한 요청 또는 설정주기의 도래 등의 이유로 상기 모바일 센서 노드 중 하나가 무선 센서 네트워크와의 통신할 필요가 발생하면, 상기 모바일 센서 노드는 시간 동기화 정보를 토대로 시간 동기화가 이루어진 상태인지를 체크한다(200단계). 상기 모바일 센서 노드는 시간 동기화가 이행되지 않았으면, 미리 정해둔 시간 동안 주변의 모든 센서 노드에 대한 스캔을 이행하고, 상기 스캔을 통해 수신한 메시지들의 수신신호세기를 기준으로 부모센서노드를 설정하고 시간동기화를 이행하고, 시간동기화가 이루어졌음을 나타내는 정보를 시간 동기화정보에 기록한다(202~204단계). 여기서 상기 시간동기화는 부모센서노드의 메시지 송신에 따른 인터럽트와 동일하게 발생되는 모바일 센서 노드의 메시지 수신에 따른 인터럽트를 기준으로 시각을 동기화하고, 상기 시간동기화후에 상향활성구간과 하향활성구간과 제1슬립구간과 경쟁구간과 제2슬립구간을 설정하고, 우선순위를 결정하는 일련의 과정으로 이루어진다. 상기 상향 활성구간과 상기 하향 활성구간은 도 3 및 도 5에 도시한 바와 같이 수신구간과 송신구간으로 구성되며, 상기 수신구간은 부모 센서 노드를 기준으로 미리 정해둔 수 이상의 센서노드로부터의 메시지를 수신할 수 있도록 다수의 수신모드 유지기간으로 구성되며, 이는 모바일 센서 노드의 이동시에는 기설정된 부모 센서 노드의 주변 센서 노드가 부모 노드로 설정될 가능성이 높으므로, 모바일 센서 노드가 이동하여 원래의 부모 센서 노드와의 통신이 불능해지는 경우에 부모 센서 노드를 빠르게 재설정할 수 있게 하기 위함이다. 특히, 상기 모바일 센서 노드는 부모 센서 노드의 송신구간이 수신구간이 되도록 함과 아울러, 상기 부모 센서 노드의 송신 데이터 처리 및 수신구간을 송신구간으로 설정한다.
또한 상기 모바일 센서 노드는 도 4에 도시한 바와 같이 경쟁 구간을 다수의 타임슬롯으로 분할하고, 상기 분할된 타임슬롯들 중 어느 하나를 랜덤하게 설정하여 자신의 우선순위를 결정한다. 특히 상기 타임슬롯들을 소수로 묶어 그룹화될 수 있다. 이 경우 상기 모바일 센서 노드는 송신할 데이터의 종류에 따라 긴급 전송을 요구하는 데이터일 경우에는 경쟁 구간 중 앞부분에 위치하는 타임슬롯 그룹의 타임슬롯을 선택할 수 있다. 또한 상기 모바일 센서 노드는 경쟁에서 실패한 횟수가 미리 정해둔 한계치 이상이 될 때에는 상기 그룹단위로 타임슬롯 위치를 앞당겨 우선순위를 조정할 수 있다. 이는 긴급 데이터의 우선 송신을 가능하게 함과 아울러 QoS를 보장하기 위함이다.
이후 상기 모바일 센서 노드는 상향활성구간이 도래하면(206단계), 상향활성구간의 송신 또는 수신구간이 도래되었는지를 체크한다(208단계). 상기 모바일 센서 노드는 상향활성구간의 수신구간이면, 수신한 메시지들의 수신신호세기를 기준으로 부모센서노드를 재설정한다(210단계). 이와달리 상기 모바일 센서 노드는 상향활성구간의 송신구간이면 이전 타이밍에서 경쟁에 성공하였으면 송신모드 진입하여 요청 또는 데이터에 따른 메시지를 송신한다(214단계).
상기 모바일 센서 노드는 하향활성구간이 도래하면(216단계), 상향활성구간의 송신 또는 수신구간이 도래되었는지를 체크한다(218단계). 상기 모바일 센서노드는 하향활성구간의 송신구간이면 이전 타이밍에서 경쟁에 성공하였으면 송신모드로 진입하여 데이터 또는 요청에 따른 메시지를 송신한다(220,222단계). 이와달리 상기 모바일 센서 노드는 하향활성구간의 수신구간이면, 부모센서노드로부터 메시지가 수신되는지를 체크하고(224단계), 상기 부모센서노드로부터 메시지가 수신되면 부모센서노드의 메시지 송신에 따른 인터럽트와 동일하게 발생되는 모바일 센서 노드의 메시지 수신에 따른 인터럽트를 기준으로 시각을 동기화를 이행한다(226단계). 이와달리 상기 부모센서노드로부터 데이터가 수신되지 않으면 상기 모바일 센서 노드는 시간 동기화가 실패된 것으로 판단하여 시간 동기화 실패정보를 나타내는 정보를 시간 동기화 정보에 기록한다(228단계).
또한 상기 모바일 센서 노드는 제1차 슬립구간이 도래하였는지를 체크한다(230단계). 상기 제1차 슬립구간이 도래되었으면, 상기 모바일 센서 노드는 설정된 제1차 슬립구간동안 슬립을 이행한다(232단계).
또한 상기 모바일 센서 노드는 경쟁구간이 도래하였는지를 체크한다(234단계). 상기 경쟁구간이 도래되었으면, 상기 모바일 센서 노드는 우선순위에 따른 타임슬롯이 도래될 때까지 수신모드를 유지하면서 다른 모바일 센서 노드로부터 경쟁 메시지가 수신되는지를 체크한다(238단계).
상기 모바일 센서 노드는 우선순위에 따른 타임슬롯이 도래될 때까지 경쟁 메시지가 수신되지 않으면, 경쟁에 성공한 것으로 판단하여 경쟁성공정보를 기록함과 아울러 다른 모바일 센서 노드로 경쟁 메시지를 송신한 후에 미리 정해둔 제2차슬립구간동안 슬립을 이행한 후에 상기 (200)단계로 복귀한다(248,246단계).
상기한 바와 다르게 상기 타임슬롯이 도래되기 전에 경쟁 메시지가 수신되면(238단계), 상기 모바일 센서 노드는 실패횟수를 증가하고(240단계), 상기 실패 횟수가 미리 정해둔 한계치이상이면(242단계), 우선순위를 높인 후에 미리 정해둔 제2차 슬립구간동안 슬립을 이행한 후에 상기 (200)단계로 복귀한다(244,246단계).
상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모바일 센서 노드의 동작을 도 5를 참조하여 설명한다.
모바일 센서 노드는 주변의 센서 노드를 스캔하여 부모 센서 노드를 설정한 후에는 부모 센서 노드를 기준으로 미리 정해둔 수의 센서 노드에 대해 메시지 수신상태를 유지하면서, 상기 부모 센서 노드를 통해 메시지를 송신 및 수신함과 아울러 상기 부모 센서 노드와의 통신이 이행되지 않아 시간 동기화가 이루어지지 않을때나 기 설정한 부모 센서 노드보다 높은 수신신호세기의 메시지를 송신하는 센서노드를 부모센서 노드로 설정한다. 이로서 모바일 센서 노드의 자유로운 이동시에도 무선 센서 네트워크와의 원활한 통신이 이루어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모바일 센서 노드의 통신 방법의 흐름도.
도 3 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서 노드들간의 동작 타이밍도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모바일 센서 노드의 우선순위 결정 메시지를 예시한 도면.

Claims (5)

  1. 다수의 센서 노드가 선형으로 연결되어 구성되는 무선 센서 네트워크에서 모바일 센서 노드의 통신방법에 있어서,
    모바일 센서 노드가 부모 센서 노드로부터의 메시지 수신 인터럽트를 기준으로 동기화와 상향활성구간의 송수신구간과 하향활성구간의 송수신구간을 결정한 상태에서,
    상기 상향활성구간의 송신구간에서 상기 부모 센서 노드로 메시지를 송신하고, 상기 상향활성구간의 수신구간에서 상기 부모 센서 노드 및 상기 부모 센서 노드를 중심으로 선형으로 연결된 센서 노드들로부터의 메시지들을 수신하여 처리하고, 상기 수신된 메시지들의 수신신호세기를 기준으로 부모 센서 노드를 재설정하는 단계;
    상기 하향활성구간의 송신구간에서 상기 부모 센서 노드로 메시지를 송신하고, 상기 하향활성구간의 수신구간에서 상기 부모 센서 노드로부터 메시지가 수신되는지를 체크하고, 상기 부모 센서 노드로부터의 메시지가 수신되지 않으면 시간동기화가 실패한 것으로 판단하여 부모 센서 노드를 재설정하고, 상기 부모 센서 노드로부터의 메시지가 수신되면 상기 부모 센서 노드로부터의 메시지 수신 인터럽트에 따른 동기화를 이행하는 단계;를 포함하며,
    상기 모바일 센서 노드는 초기화시 및 상기 부모 센서 노드의 재설정시에, 미리 정해둔 구간동안 수신모드를 유지하면서 상기 다수의 센서 노드들이 송신하는 메시지를 수신하고, 상기 메시지를 송신한 상기 센서 노드들 중 어느 하나를 자신의 부모 센서 노드로 설정하고, 상기 부모 센서 노드로부터의 메시지 수신 인터럽트를 기준으로 하는 시각 동기화, 상향활성구간의 송수신구간과, 하향활성구간의 송수신구간을 결정하는 시간 동기화를 이행하며,
    상기 시간 동기화시에,
    비활성구간 중 일부를 경쟁구간으로 설정하고,
    상기 경쟁구간을 다수개의 타임슬롯으로 분할하고,
    상기 다수개의 타임슬롯들 중 하나를 랜덤하게 선택하고,
    상기 경쟁구간이 도래되면,
    상기 선택된 타임슬롯이 도래할 때까지 수신모드를 유지하면서, 부모 센서 노드가 동일하게 설정된 다른 모바일 센서 노드로부터의 경쟁 메시지가 수신되는지를 체크하고,
    다른 모바일 센서 노드로부터의 경쟁 메시지가 수신되지 않는 상태에서 상기 선택된 타임슬롯이 도래되면 경쟁 메시지를 송신하여 우선권을 획득하고,
    상기 우선권이 획득될 때에만 상기 상향 또는 하향 활성 구간의 송신 구간에 메시지를 송신하는 단계를 더 구비함을 특징으로 하는 모바일 센서 노드의 통신방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    송신하고자 하는 메시지의 종류가 미리 정해둔 종류이면, 상기 타임슬롯의 선택시에 상기 경쟁구간을 구성하는 다수의 타임슬롯 중 앞부분에 위치하는 타임슬롯을 선택함을 특징으로 하는 모바일 센서 노드의 통신방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 우선권 획득의 실패시에 실패횟수를 증가하는 단계;를 더 구비하며,
    상기 모바일 센서 노드는, 다음 송수신 구간에서 상기 타임슬롯의 선택시에 상기 증가된 실패횟수가 미리 정해둔 한계치 이상이면, 상기 경쟁구간을 구성하는 다수의 타임슬롯 중 앞부분에 위치하는 타임슬롯을 설정함을 특징으로 하는 모바일 센서 노드의 통신방법.
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