KR101155626B1 - 적응적 통신방법 및 이를 수행하는 센서노드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적응적 통신방법 및 이를 수행하는 센서노드에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 센서노드는 싱크노드로부터 수신되는 제어패킷의 수신신호세기 및 센서부를 통해 획득한 장애물의 존재여부를 토대로 송신출력세기와 송신데이터의 목적지범위를 적응적으로 선택하고, 이를 토대로 데이터를 송신한다. 또한, 센서노드는 수신모드로 동작 시, 싱크노드로부터 수신되는 센서노드 별 목적지범위 구성정보와 현재 송신노드로 동작 중인 센서노드가 선택한 목적지범위를 토대로 깨어나서 송신노드가 송신하는 데이터를 수신할지 여부를 결정한다.

센서네트워크, 센서노드, 차량, 도로, 센서, RSSI

Description

적응적 통신방법 및 이를 수행하는 센서노드{Method and sensor node for adaptive communication}

본 발명은 적응적 통신방법 및 이를 수행하는 센서노드에 관한 것이다. 특히, 도로환경에서의 적응적 통신방법 및 이를 수행하는 센서노드에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-024-03, 과제명: USN 인프라 기반 텔레매틱스 응용 서비스 기술개발].

일반적으로 무선 센서네트워크는 소수의 싱크노드(sink node)와 다수의 센서노드(sensor node)들로 구성 된다. 여기서, 싱크노드는 센서노드를 통해 수집된 데이터가 모이는 노드로서, 충분한 전력이 공급되며 무선 센서네트워크를 관리하는 기능을 수행한다. 또한, 센서노드는 장착된 센서를 통해 환경 모니터링 정보, 차량 감지 정보, 공해 정보 등을 수집하고 전달하는 기능을 수행한다. 이러한 센서노드는 하나의 무선 센서네트워크 내에 다수가 설치되므로 가격이 저렴해야 한다. 이로 인해 센서노드의 배터리, 메모리 및 프로세스 등은 낮은 성능의 것이 사용되는 경우가 많다. 따라서, 무선 센서네트워크는 저전력성을 지원해야 하며 종래에는 무선 센서네트워크에서 저전력성을 지원하기 위한 다양한 방법들이 제안되었다.

SMAC(Sensor Medium Access Control) 프로토콜은 센서네트워크의 대표적인 저전력 전송방식으로, 각 노드는 주변 노드들과 동작 시간을 동기화한다. 그리고, 각 노드는 동기화된 동작 시간에 맞춰 주기적으로 깨어나고 슬립(sleep) 하는 것을 반복한다.

IEEE 802.15.4 프로토콜은 저속 무선사설망(Wireless Personal Area Network, WPAN)의 대표적인 통신 프로토콜로서, 무선 센서네트워크의 통신 방식으로 많이 사용된다. 좀더 상세하게는 슈퍼 프레임(Super frame)이라고 불리는 일정한 길이의 시간구간이 반복되며, 슈퍼 프레임은 비이콘(beacon) 전송 구간, 활성 구간, 수면 구간으로 구성된다.

PEDAMACS(Power Efficient and Delay Aware Medium Access Control for Sensor networks) 프로토콜은 도로환경에서의 안전운전 지원서비스를 주요 타겟으로 한 무선 센서네트워크 통신방식이다. 이러한, PEDAMACS에서는 시분할다중접속(Time Division Multiple Access, TDMA) 방식을 통해 다수의 센서노드들 간의 통신충돌을 사전에 차단하고, 정해진 시간 내의 데이터 도착을 보장하여 데이터 전송실패를 최소화하였다.

한편, 무선 센서네트워크는 안전운전 지원서비스 등의 텔레매틱스 서비스를 위한 인프라로도 사용되며, 이를 위해서는 실시간 데이터 전송 및 안정적인 데이터 전송을 지원해야 한다. 그러나, 실제 도로환경에서는 잦은 차량 통행 등으로 인해 센서노드의 통신오류가 자주 발생한다. 특히, 차량이 센서노드 위에 위치하는 경우 에는 센서노드의 통신오류가 급격히 증가한다. 이러한 통신오류 발생은 센서노드의 데이터 재전송으로 이어져 통신지연시간을 증가시키고 통신 신뢰성을 감소시킨다. 한편, 전술한 무선 센서네트워크에서의 통신 방식들은 이와 같이 차량으로 인해 발생하는 통신오류를 고려하지 않고 설계되어 실제 도로환경에서는 안정적인 데이터 전송을 수행하기가 어렵다.

따라서, 도로환경에서 차량 등의 장애물로 인한 센서노드의 통신오류 발생을 최소화하여 안정적인 통신이 가능하도록 하는 방법이 필요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 센서네트워크의 도로환경에서의 통신오류 발생을 최소화하고 안정적인 통신을 제공하기 위한 통신방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 도로환경의 센서네트워크에 포함된 센서노드는,

상기 센서노드의 통신을 방해하는 장애물을 검지한 센싱정보를 출력하는 센서부; 상기 센싱정보를 토대로 장애물의 존재여부를 판단하는 장애물 판단부; 및 상기 장애물의 존재여부를 토대로 상기 센서노드가 송신하는 데이터의 목적지범위를 결정하는 제어부를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 특징에 따른 도로환경의 센서네트워크에 포함된 센서 노드의 통신방법은,

상기 센서노드의 통신을 방해하는 장애물의 존재여부를 검지한 센싱정보를 획득하는 단계; 상기 센싱정보를 토대로, 상기 센서노드가 송신하는 데이터의 목적지범위를 상기 센서네트워크에 포함된 싱크노드와 적어도 하나의 센서노드 중에서 선택하는 단계; 및 상기 목적지범위에 해당하는 플래그 비트가 삽입된 전송 프레임을 송신하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따른 도로환경의 센서네트워크에 포함된 센서노드의 통신방법은,

수신모드로 전환되면, 상기 센서네트워크에 포함된 싱크노드로부터 상기 센서네트워크에 포함된 센서노드 별 목적지범위 구성정보를 수신하는 단계; 상기 센서노드 별 목적지범위 구성정보 중 상기 센서노드가 포함된 목적지범위 구성정보에 해당하는 송신노드로부터 상기 송신노드의 목적지범위를 수신하는 단계; 및 상기 목적지범위에 상기 센서노드가 포함되면, 상기 송신노드의 데이터를 수신하기 위해 깨어나는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 차량 등의 장애물에 의해 센서노드의 통신이 방해 받는지를 실시간으로 검지하여 적응적으로 통신방식을 변경함으로써 통신오류를 줄여 통신 성공률을 높이고, 각 전송구간마다 송신노드가 아닌 센서노드는 자신이 깨어나서(wake-up) 데이터를 수신해야 하는지 여부를 능동적으로 파악하는 것이 가능하여 wake-up 시간을 줄이고 전력소모를 줄이는 효과가 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 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. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이제 아래에서는 본 발명의 실시 예에 따른 도로환경에서의 적응적 통신방법 및 이를 수행하는 센서노드에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시 예에 따른 도로환경의 센서네트워크는 소수의 싱크노드와 다수의 센서노드를 포함하며, 각 센서노드는 송신노드 또는 수신노드로 동작할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 센서노드를 도시한 구조도이다.

도 1을 보면, 센서노드는 센서부(101), 장애물 판단부(102), 제어부(103) 및 무선 송수신부(104)를 포함한다.

센서부(101)는 마그네틱 센서와 압력 센서를 포함하며, 해당 센서노드의 통신을 방해하는 차량이 있는지 여부를 검지한 센싱정보를 출력한다. 즉, 마그네틱 센서는 해당 센서노드를 점유하고 있는 차량의 존재여부를 검지한 센싱정보를 출력하고, 압력센서는 해당 센서노드를 밟고 있는 차량의 존재여부를 검지한 센싱정보를 출력한다. 한편, 본 발명의 실시 예에서는 센서노드를 점유하거나 밟고 있는 장애물이 차량인 경우를 예로 들어 설명하나, 본 발명은 다른 종류의 장애물에도 적용이 가능하다. 또한, 본 발명의 실시 예에서는 마그네틱 센서와 압력센서를 이용하여 장애물의 센서노드 점유여부를 검지하는 경우를 예로 들어 설명하나, 본 발명은 다른 종류의 센서를 이용하여 장애물의 센서노드 점유여부를 검지하는 것 또한 가능하다.

장애물 판단부(102)는 센서부(101)에서 출력되는 센싱정보를 토대로 해당 센서노드의 통신을 방해하는 장애물이 존재하는지 여부를 판단하여 출력한다.

제어부(103)는 해당 센서노드의 모드(송신/수신/idle) 전환을 제어한다. 또한, 무선 송수신부(104)를 통해 싱크노드로부터 수신되는 제어패킷(Control packet)의 수신신호세기(Received Signal Strength Indication, 이하 'RSSI'라 칭함)와 장애물 판단부(102)의 출력을 토대로 통신방법을 적응적으로 결정하고, 이를 토대로 무선 송수신부(104)를 제어한다. 즉, 해당 센서노드가 송신노드로 동작하는 경우의 송신출력세기를 결정하고, 해당 센서노드가 송신하는 데이터의 목적지범위(wake-up zone)를 결정한다. 그리고, 프리앰블(preamble) 이후에 목적지범위에 해당하는 플래그 비트(flag bit)를 삽입하여 전송 프레임을 생성한다. 이후, 아래 에서는 목적지범위에 해당하는 플래그 비트를 '목적지범위 플래그'라 명명하여 사용한다.

또한, 제어부(103)는 해당 센서노드가 수신모드로 동작 중에는 무선 송수신부(104)를 통해 싱크노드로부터 수신되는 센서노드 별 목적지범위 구성정보(prewake-up zone)와 송신노드로 동작하는 다른 센서노드로부터 수신되는 목적지범위 플래그를 토대로 송신노드가 송신하는 데이터를 수신하기 위해 깨어나야 하는지 여부를 결정하고, 이를 토대로 무선 송수신부(104)를 제어한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 센서노드의 데이터 송신방법을 도시한 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 도로환경에서 적응적으로 통신방법을 결정하는 일 예를 도시한 것이다.

도 2를 보면, 센서노드는 싱크노드로부터 주기적으로 수신되는 제어패킷의 RSSI를 획득한다(S101). 그리고, 획득한 RSSI 정보를 토대로 해당 센서노드와 싱크노드 사이의 통신경로(Line Of Sight, LOS) 상에 장애물이 존재하는지 여부를 판단한다.

그리고, 이를 토대로 다음의 수학식 1과 같이 송신출력세기를 결정한다(S102).

수학식 1을 보면, 센서노드는 획득한 RSSI가 제1 임계값(R_thr(l))보다 작으면(RSSI < R_thr(l)), 송신출력세기를 가장 높은 제1 세기(Pr(L))로 선택한다. 반면에, RSSI가 제2 임계값(R_thr(s))보다 크면(R_thr(s) < RSSI), 송신출력세기를 가장 낮은 제2 세기(Pr(S))로 선택한다. 또한, RSSI가 제1 임계값 이상이고 제2 임계값 이하이면(R_thr(l) ≤ RSSI ≤ R_thr(s)), 송신출력세기를 제1 세기와 제2 세기 사이의 값인 제3 세기(Pr(M))로 선택한다.

전술한 바와 같이 RSSI를 토대로 송신출력세기가 결정되면, 센서노드는 센서부(101)의 마그네틱 센서 및 압력센서로부터 획득한 센싱정보를 토대로 통신방법을 결정한다(S103). 즉, 점유차량의 존재유무, 해당 차량을 밟고 있는 차량의 존재유무를 파악하여 해당 센서노드가 송신하는 데이터의 목적지범위(wake-up zone)를 결정한다.

도 3을 예로 들면, 점유차량이 검지되지 않은 센서노드는 통신채널 상태가 좋다고 판단하고, 목적지범위로 싱크노드만을 포함하는 제1 범위(wake-up zone 0)로 선택한다. 반면에, 점유차량만이 검지되는 센서노드는 즉, 마그네틱 센서를 통 해서만 차량을 검지한 센서노드는 목적지범위로 싱크노드와 n개의 다른 센서노드를 포함하는 제2 범위(wake-up zone 1)를 선택한다. 또한, 점유차량 및 해당 센서노드를 밟고 있는 차량이 검지되는 센서노드는 즉, 마그네틱 센서와 압력센서를 통해 차량을 검지한 센서노드는, 목적지범위로 싱크노드와 (n+m)개의 다른 센서노드를 포함하는 제3 범위(wake-up zone 2)를 선택한다.

전술한 바와 같이 통신방법이 결정되면, 센서노드는 자신이 선택한 통신방법 즉, 선택한 목적지범위에 해당하는 목적지범위 플래그를 삽입한 전송 프레임을 생성하고(S104), 송신모드가 되면 생성한 전송 프레임을 송신한다(S105).

한편, 본 발명의 실시 예에서는 센서노드가 센서부(101)를 통해 획득한 센싱정보를 토대로 세 개의 목적지범위(wake-up zone 0 ~ 2) 중 하나를 자신의 목적지범위로 선택하는 경우를 예로 들어 설명하나, 본 발명은 센싱정보와 함께 RSSI를 이용하여 목적지범위를 선택하는 것 또한 가능하다. 이 경우, 선택할 수 있는 목적지 범위는 더 많거나 더 적게 구성되는 것이 가능하다.

예를 들어, 점유차량이 검지되지 않고 RSSI 또한 제2 임계값 보다 높은 경우에는 통신채널 상태가 아주 좋다고 판단하여 싱크노드만을 포함하는 목적지범위를 선택하고, 점유차량이 검지되고 RSSI가 제1 임계값과 제2 임계값 사이인 경우에는 통신채널 상태가 양호하다고 판단하여 싱크노드와 l개의 센서노드를 포함하는 목적지범위를 선택하는 것이 가능하다. 또한, 점유차량이 검지되고 RSSI가 제1 임계값보다 작은 경우에는 통신채널 상태가 나쁘다고 판단하여 싱크노드와 (l+n)개의 센서노드를 포함하는 목적지범위를 선택하고, 점유차량과 센서노드를 밟고 있는 차량 이 검지되고 RSSI가 제1 임계값보다 낮은 경우에는 싱크노드와 (l+n+m)개의 센서노드를 포함하는 목적지범위를 선택할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 다른 센서노드의 데이터 수신방법을 도시한 흐름도이다.

도 4를 보면, 수신모드로 전환된 센서노드는 싱크노드로부터 센서네트워크 내에 포함된 센서노드 별 목적지범위 구성정보(prewake-up zone)를 수신한다(S201). 여기서, 목적지범위 구성정보는 센서노드 별로 해당 센서노드가 송신노드로 동작 시 선택 가능한 목적지범위의 종류와 각 목적지범위 별 센서노드의 식별정보를 포함한다. 여기서, 싱크노드는 센서노드 별 목적지 구성정보를 구성하기 위해 센서노드의 데이터 전송 성공률을 이용한다. 즉, 전송 성공률이 낮으면, 각 목적지범위에 포함되는 센서노드의 개수를 늘이고, 전송 성공률이 높으면 각 목적지범위에 포함되는 센서노드의 개수를 줄여서 목적지범위 구성정보를 생성한다. 한편, 각 센서노드의 전송 성공률은 다음의 수학식 2와 같이 산출이 가능하다.

전송 성공률 = ((전송시도횟수 - 성공적으로 전송된 패킷수)/전송시도횟수

여기서, 센서노드의 전송시도횟수는 해당 센서노드가 전송하는 데이터 패킷에 포함된 시퀀스번호(sequence number)를 통해 획득이 가능하고, 성공적으로 전송된 패킷수는 실제 싱크노드가 해당 센서노드로부터 성공적으로 수신한 패킷수를 의미한다.

한편, 전술한 바와 같이 구성된 센서노드 별 목적지범위 구성정보를 수신한 센서노드는 목적지범위 구성정보에 자신이 포함되는지 확인하고(S202), 자신이 포함된 목적지범위 구성정보에 해당하는 센서노드를 확인한다. 그리고, 목적지범위 구성정보에 포함되는 경우에는 현재 송신노드가 자신이 속한 목적지범위 구성정보에 해당하는 송신노드인지 확인하고, 자신이 속한 목적지범위 구성정보에 해당하는 경우에는 해당 송신노드로부터 목적지범위 플래그를 수신한다(S203). 그리고, 수신한 목적지범위 플래그를 통해 송신노드가 선택한 목적지범위(wake-up zone)에 자신이 포함되는지 여부를 확인한다(S204).

확인결과 송신노드가 선택한 목적지범위에 자신이 포함되는 경우, 센서노드는 깨어나서(wake-up) 송신노드로부터 송신되는 데이터를 수신한다(S205).

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 센서노드를 도시한 구조도이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 센서노드의 데이터 송신방법을 도시한 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 도로환경에서 적응적으로 통신방법을 결정하는 일 예를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 다른 센서노드의 데이터 수신방법을 도시한 흐름도이다.

Claims (14)

1. 도로환경의 센서네트워크에 포함된 센서노드에 있어서,

   상기 센서노드의 통신을 방해하는 장애물을 검지한 센싱정보를 출력하는 센서부;

   상기 센싱정보를 토대로 장애물의 존재여부를 판단하는 장애물 판단부; 및

   상기 장애물의 존재여부를 토대로 상기 센서노드가 송신하는 데이터의 목적지범위를 결정하고, 상기 센서네트워크에 포함된 싱크노드로부터 수신되는 제어패킷의 수신신호세기를 토대로 송신출력세기를 결정하는 제어부

   를 포함하는 센서노드.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 센서부는,

   상기 센서노드를 점유하는 장애물이 있는지를 검지하는 제1 센서; 및

   상기 센서노드를 밟고 있는 장애물이 있는지를 검지하는 제2 센서

   를 포함하는 센서노드.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제어부는, 상기 수신신호세기 및 상기 장애물의 존재여부를 토대로 상기 싱크노드 및 복수의 센서노드 중 적어도 하나를 포함하는 상기 목적지범위를 결정하는 것을 특징으로 하는 센서노드.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 제어부는, 상기 목적지범위에 해당하는 플래그 비트를 전송 프레임의 프리앰블 이후에 삽입하여 송신하는 것을 특징으로 하는 센서노드.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 제어부는, 수신모드로 동작 중에 상기 싱크노드로부터 수신된 센서노드 별 목적지 구성정보와 송신노드로부터 수신된 상기 송신노드의 목적지범위 정보를 토대로 상기 송신노드의 데이터를 수신할지 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 센서노드.
7. 도로환경의 센서네트워크에 포함된 센서노드의 통신방법에 있어서,

   상기 센서노드의 통신을 방해하는 장애물의 존재여부를 검지한 센싱정보를 획득하는 단계;

   상기 센싱정보를 토대로, 상기 센서노드가 송신하는 데이터의 목적지범위를 상기 센서네트워크에 포함된 싱크노드와 적어도 하나의 센서노드 중에서 선택하는 단계; 및

   상기 목적지범위에 해당하는 플래그 비트가 삽입된 전송 프레임을 송신하는 단계

   를 포함하는 통신방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 싱크노드로부터 수신되는 제어패킷으로부터 수신신호세기를 획득하는 단계; 및

   상기 수신신호세기를 토대로 송신출력세기를 결정하는 단계

   를 포함하는 통신방법.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 선택하는 단계는,

   상기 수신신호세기 및 상기 센싱정보를 토대로 상기 목적지범위를 선택하는 단계인 통신방법.
10. 제 7항에 있어서,

    상기 센싱정보는, 상기 센서노드를 점유하는 장애물을 검지한 정보와 상기 센서노드를 밟고 있는 장애물을 검지한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
11. 도로환경의 센서네트워크에 포함된 센서노드의 통신방법에 있어서,

    수신모드로 전환되면, 상기 센서네트워크에 포함된 싱크노드로부터 상기 센서네트워크에 포함된 센서노드 별 목적지범위 구성정보를 수신하는 단계;

    상기 센서노드 별 목적지범위 구성정보 중 상기 센서노드가 포함된 목적지범위 구성정보에 해당하는 송신노드로부터 상기 송신노드의 목적지범위를 수신하는 단계; 및

    상기 목적지범위에 상기 센서노드가 포함되면, 상기 송신노드의 데이터를 수신하기 위해 깨어나는 단계

    를 포함하는 통신방법.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 싱크노드는, 상기 센서네트워크에 포함된 센서노드 별 데이터 전송 성공률을 토대로 상기 센서노드 별 목적지범위 구성정보에 포함되는 센서노드의 개수를 선택하는 것을 특징으로 하는 통신방법.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 목적지범의 구성정보는, 대응하는 센서노드가 송신노드로 동작 시 선택 가능한 목적지범위의 종류와 각 목적지범위 별로 포함된 센서노드의 식별정보를 포 함하는 것을 특징으로 하는 통신방법.
14. 제 12항에 있어서,

    상기 목적지범위는, 상기 송신노드로부터 수신되는 전송 프레임의 프리앰블 이후에 전송되는 플래그 비트로부터 획득하는 것을 특징으로 하는 통신방법.

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