KR20100070113A - 센서 네트워크에서의 대용량 데이터 전송을 위한 매체접근제어 방법 - Google Patents

Abstract

센서 네트워크에서의 대용량 데이터 전송을 위한 매체접근제어 방법이 개시된다. 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에서 수행되는 대용량 데이터 전송 방법은 전송하고자 하는 데이터를 분할하는 단계; 각각의 분할된 데이터에 대해 분할된 데이터임을 표시하고 일련번호를 부여하여 매체접근제어 분할 데이터 프레임을 구성하는 단계; 상기 구성된 다수의 매체접근제어 분할 데이터 프레임들을 순차적으로 전송하는 단계; 상기 전송 완료 후 일정시간 동안 수신 실패를 알리는 매체접근제어 수신 실패 프레임을 수신하는 단계; 및 상기 수신된 프레임에 지정된 적어도 하나의 일련번호에 해당하는 매체접근제어 분할 데이터 프레임을 재전송하는 단계;를 포함한다. 이에 의해 센서 네트워크용 매체접근제어에서의 대용량 데이터 전송 시간을 줄일 수 있다.

Description

센서 네트워크에서의 대용량 데이터 전송을 위한 매체접근제어 방법{Method for transmitting of long data in sensor node based on ＭＡＣ}

본 발명은 센서 네트워크에 관한 것으로, 특히 센서 네트워크에서의 데이터 전송 기술에 관한 것이다.

본 연구는 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[과제관리번호: 2005-S-106-04, RFID/USN용 센서 태그 및 센서 노드 기술 개발]

무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)는 IEEE802.15.4에서 정한 표준을 사용한다. 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드는 IEEE802.15.4에서 지정하는 방식의 물리(PHY) 계층과 매체접근제어(MAC) 계층의 방식을 따라야 하지만, 최근에 제작되는 센서 노드들은 표준으로 정의되지 않은 다양한 MAC 기술들도 사용하고 있다. 일반적으로 센서 노드는 IEEE802.15.4 혹은 S-MAC(Simple MAC), B-MAC(Berkely MAC) 등의 적합한 MAC 기술로 구현되지만, 물리 계층은 IEEE802.15.4의 규정을 엄격히 따르고 있으며, 센서 네트워크용 MAC 기술들은 물리 계층에서 정의된 느린 전송 속도(40kbps~250kbps)에 적합하도록 구현된다.

센서 네트워크에서 사용되는 데이터는 센서를 통해 수집되는 소용량의 정보를 전송하는 것을 가정하고 있었기에, 느린 전송 속도에도 불구하고 센서 네트워크를 구성하여 데이터를 송수신하는 데 적합하였다. 하지만, 최근에 센서 노드에 카메라를 부착하여 이미지를 전송하려는 움직임이 일면서 대용량 데이터를 전송할 필요성이 대두되었다.

대용량 데이터 전송이 필요할 때, 통상적으로는 MAC의 상위계층에서 대용량 데이터를 세그먼트하여 처리하는 방식이 사용되어 왔다. 통상적인 MAC 계층에서는 세그먼트된 데이터에 대한 정보가 없는 채로 데이터 프레임을 세그먼트된 개수만큼 처리하게 된다.

이미지 파일을 전송하는 경우, 일반적인 이미지 사이즈가 20kbyte를 초과한다. 20kbyte의 파일을 전송한다고 가정하고, 전송속도(Data rate)가 40kbps인 915MHz 대역을 사용하는 센서 노드를 사용한다면, MAX_FRAME_LENGTH가 128byte인 MAC 데이터 전송시 MAC 헤더의 크기를 고려하여 한 번에 전송할 수 있는 MAC Payload, 즉 데이터 크기는 100byte 정보이므로 100byte 데이터를 200번 전송해야 20kbyte의 데이터를 보낼 수 있다. 그리고 데이터 전송 시마다 수신 노드에서 잘 받았는지를 알리는 수신응답(ACK) 메시지 수신 시간까지 고려하면, 전송되는 총 데이터 크기는 {128byte(MAC 헤더를 포함한 MAC 데이터)+5byte(ACK)×200(회수) = 26,600bytes} 정도가 된다. 초당 40kbits의 전송이 가능하므로, 26,600bytes의 패킷을 전송하는 데 걸리는 시간은 {26,600×8bits/40kbits = 5.32second} 정도가 된다.

이는 단순히 전송 시간만을 계산한 것으로, 데이터를 전송하는 센서 노드가 ACK를 수신할 동안 기다리고 ACK 수신을 확인한 후에 다음 데이터를 전송하는 과정을 반복하는 중에 ACK가 수신되지 않으면, macAckWaitDuration(통상 데이터 전송시간의 3배 시간)동안 기다리게 되므로 전송시간은 더 늘어나게 된다. 지금까지의 계산은 ACK 프레임을 송수신 과정에서의 처리시간(Processing time)은 고려하지 않은 것이므로, 실제 전송시간은 더 길어지게 되며 수집 초에서 1분 이상의 시간이 소요될 수도 있다.

예를 들어, 위에서 기술한 MAC 상위 계층에서 처리하는 대용량 데이터 전송 기술을, 침입자가 문을 열고 들어옴을 감지하여 침입자의 사진을 찍어 이미지를 관제소에 전송하는 침입감지 시스템에 적용한다고 가정하면, 구성된 센서 네트워크에 따라 여러 개의 센서 노드를 거치는 데 수십 초 이상의 시간이 걸리므로, n개의 노드를 거친다면 [수십 초 × n], 즉 수 분의 시간이 걸릴 수 있다.

이미지 파일과 같은 대용량의 데이터 전송이 필요한 센서 네트워크를 구성함에 있어서, 대용량의 이미지 데이터 전송 시간을 줄이기 위한 기술적 방안 제공을 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에서 수행되는 대용량 데이터 전송 방법은 전송하고자 하는 데이터를 분할하는 단계; 각각의 분할된 데이터에 대해 분할된 데이터임을 표시하고 일련번호를 부여하여 매체접근제어 분할 데이터 프레임을 구성하는 단계; 구성된 다수의 매체접근제어 분할 데이터 프레임들을 순차적으로 전송하는 단계; 전송 완료 후 일정시간 동안 수신 실패를 알리는 매체접근제어 수신 실패 프레임을 수신하는 단계; 및 수신된 프레임에 지정된 적어도 하나의 일련번호에 해당하는 매체접근제어 분할 데이터 프레임을 재전송하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 양상에 따라 매체접근제어 분할 데이터 프레임을 생성하는 단계는, 매체접근제어 프레임 타입 필드에 분할된 데이터를 나타내는 값을 지정함을 특징으로 한다.

본 발명의 일 양상에 따라 매체접근제어 분할 데이터 프레임을 생성하는 단계는, 일련번호 필드에 분할된 데이터에 부여된 일련번호 값을 지정함을 특징으로 한다.

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 센서 네트워크를 구성하는 수신 센서 노드에서 수행되는 송신 센서 노드의 대용량 데이터 전송을 위한 방법은 매체접근제어 데이터 프레임을 수신하는 단계; 수신된 매체접근제어 데이터 프레임의 프레임 타입 필드 값을 통해 분할된 데이터 프레임인지 확인하는 단계; 분할된 데이터 프레임이면 그 프레임에 부여된 일련번호 저장하는 단계; 분할된 매체접근제어 분할 데이터 프레임 수신이 완료되면, 저장된 일련번호들을 통해 누락된 일련번호를 확인하는 단계; 및 송신 센서 노드로 상기 확인된 누락된 일련번호에 해당하는 매체접근제어 분할 데이터 프레임의 재전송을 요청하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 양상에 따라 재전송 요청 단계는, 프레임 타입 필드에 수신 실패를 나타내는 값을 지정하여 매체접근제어 수신 실패 프레임을 구성한 후 상기 송신 센서 노드로 전송함을 특징으로 한다.

본 발명의 일 양상에 따라 누락된 일련번호 개수만큼 일련번호 필드를 두고 각각의 필드에 누락된 일련번호를 하나씩 지정하여 매체접근제어 수신 실패 프레임을 구성함을 특징으로 한다.

본 발명의 매체접근제어(MAC) 기술에 따르면, 센서 네트워크용 MAC에서의 대용량 데이터 전송 시간을 줄임으로써 이미지와 같은 대용량 데이터를 전송하는 다양한 센서 네트워크를 효율적으로 구성할 수 있다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명 되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 IEEE802.15.4 MAC 계층의 MAC 데이터 프레임 포맷을 확장한 것으로, 대용량 데이터를 분할하여 보내기 위해 제안된 Segmented Data 포맷이다.

Frame Type 필드는 MAC 프레임의 타입을 지정한다. IEEE802.15.4에서는 100~111 번호를 Reserved로 남겨두어 사용하지 않고 있다. 이 사용하지 않는 번호를 이용하여 본 발명에서 제안하는 분할된 데이터(Segmented Data)와 Negative Acknowledgment(NACK) 타입을 추가한다.

도 1의 Sequence Number 필드는 Frame Type이 Data 프레임인 경우 DSN 값을 사용하여 지정되는 일련번호가 기록되는 필드이다. Frame Type 필드에 본 발명에서 제안된 Segmented Data를 의미하는 값이 기록된 경우에, Sequence Number 필드에는 세그먼트된 데이터의 일련번호(Segmented Sequence Number)가 지정된다.

도 2는 Frame Type 필드에 제안된 Segmented Data와 NACK의 값을 나타낸다. 일 실시예에 있어서, IEEE802.15.4에서 Reserved로 지정된 번호 중에 100을 Segmented Data로, 101을 NACK으로 지정한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 정의된 NACK의 포맷이다.

Frame Type 필드에는 Negative Acknowledgment가 지정되며, Segmented Sequence Number 필드에는 수신된 Segmented Data 중에 수신하지 못한 데이터의 일련번호가 연속으로 지정되어 하나의 MAC NACK 프레임을 이룬다. 이 같은 수신 센 서 노드로부터 전송된 MAC NACK 프레임을 수신한 송신 센서 노드는 Segmented Sequence Number 필드 값에 참조하여 해당 데이터들을 도 1의 포맷으로 재전송한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 센서 노드에서 수행되는 MAC 계층에서의 대용량 데이터 처리 방법의 흐름도이다.

대용량 데이터를 전송하려는 센서 노드는 대용량 데이터를 쪼개어서 일련번호를 붙이고, MAC Segmented Data 프레임을 구성한다(단계 410)(단계 420). 여기서 MAC Segmented Data 프레임의 Frame Type 필드와 Sequence Number 필드에는 도 1에서 기술한 값이 지정된다. 센서 노드는 MAC Segmented Data 프레임들을 순차적으로 모두 전송한다(단계 430). 송신을 완료한 센서 노드는 macAckWaitDuration 동안 MAC NACK 프레임의 수신을 기다린다. macAckWaitDuration 동안 MAC NACK 프레임을 수신하면, 센서 노드는 수신된 MAC NACK 프레임의 적어도 하나의 Segmented Sequence Number 필드에 기록된 일련번호를 확인한다(단계 440)(단계 450). 그리고 확인된 일련번호에 해당하는 MAC Segmented Data 프레임을 모두 재전송한다(단계 460). 이 같은 과정은 송신 센서 노드가 MAC NACK 프레임을 수신하지 않을 때까지 반복된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 센서 노드에서 수행되는 MAC 계층에서의 데이터 처리 방법의 흐름도이다.

Frame Type이 Segmented Data인 MAC Segmented Data 프레임을 수신한 센서 노드는 프레임의 Sequence Number 필드 값을 확인하고 확인된 일련번호를 저장한 다(단계 510)(단계 520)(단계 530). 이후 MAC Segmented Data 수신이 완료되면, 수신 센서 노드는 저장된 Sequence Number 필드 값 중에 누락된 일련번호를 확인한다(단계 540). 누락된 일련번호가 하나라도 있으면, 수신 센서 노드는 도 3과 같은 MAC NACK 프레임을 구성한 후 송신 센서 노드로 전송한다(단계 550)(단계 560)(단계 570).

일 실시예에 있어서, MAC NACK 프레임에 포함되는 Segmented Sequence Number 필드는 누락된 일련번호의 총 개수와 동일하며, 각 Segmented Sequence Number 필드에는 누락된 일련번호가 하나씩 지정된다. 이 같이 수신 센서 노드는 하나의 MAC NACK 프레임을 구성하여 송신 센서 노드로 전송한다. 아니면 누락된 일련번호별로 MAC NACK 프레임을 구성하여 송신 센서 노드로 전송할 수도 있다. 그리고 만일 누락된 일련번호가 하나도 없으면, 수신 센서 노드는 NACK을 송신 센서 노드로 보내지 않는다.

한편, NACK 응답을 한 수신 센서 노드는 NACK에 지정한 Segmented Sequnece Number들을 저장해놓았다가 재전송되는 MAC Segmented Data 프레임의 Sequence Number 필드 값과 비교하여 전송에 실패한 프레임이 있는지 확인 후 모든 MAC Segmented Data를 수신할 때까지 NACK 응답을 반복한다.

이상에서 설명한 과정을 통해 이미지 파일을 전송하는 경우, 20kbyte의 파일을 전송한다고 가정하고 전송속도(Data rate)가 40kbps인 915MHz를 사용하는 센서 노드를 사용한다면, MAX_FRAME_LENGTH가 128byte이고 MAC 헤더의 크기를 고려하여 한 번에 전송할 수 있는 데이터 크기는 100byte 정도이므로 데이터를 200번 전송해야 한다. 전송되는 총 데이터 크기는 {128byte(데이터)}×200(회수) = 25,600bytes} 정도가 된다. 초당 40kbits의 전송이 가능하므로, 25,600bytes의 패킷을 전송하는 데 걸리는 시간은 {25,600×8bits/40kbits = 5.12second} 정도가 된다. 송신 노드는 데이터 패킷을 모두 전송한 후 NACK가 오는지 macAckWaitDuration 동안 기다린다. NACK을 수신하면 해당 데이터 패킷을 재전송하고, macAckWaitDuration 동안 NACK을 수신하지 않으면 데이터가 안전하게 전송된 것으로 간주한다. 첫 전송에서 모든 패킷이 안전하게 수신 노드에 도달되지 않더라도 NACK을 재전송의 횟수만큼만 기다리면 되며, NACK을 송수신 처리하는 처리시간 또한 재전송의 횟수만큼만 수행하게 되므로, 총 전송 시간에서 늘어나는 시간은 경이하다.

기존의 방식은 대용량 데이터를 n개로 나누어 보내는 경우에, n개의 데이터 패킷마다 ACK를 기다는 macAckWaitDuration 시간을 기다려야 하지만, 본 발명에 따르면 재전송의 횟수만큼의 NACK를 기다리는 시간만 필요하다. 그리고 NACK 처리시간 또한 재전송의 횟수만큼만 지연되므로, n개의 데이터를 재전송하는데 걸리는 시간에서 추가되는 시간이 줄어든다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명은 IEEE802.15.4를 기준으로 한 것이나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 MAC 기술에 적용하는 것이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 Segmented Data 포맷을 나타낸 도면.

도 2는 Frame Type 필드 값을 나타낸 도면.

도 3은 NACK 포맷을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 센서 노드에서 수행되는 MAC 계층에서의 대용량 데이터 처리 방법의 흐름도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 센서 노드에서 수행되는 MAC 계층에서의 데이터 처리 방법의 흐름도.

Claims (16)

1. 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에서 수행되는 방법에 있어서,

   전송하고자 하는 데이터를 분할하는 단계;

   각각의 분할된 데이터에 대해 분할된 데이터임을 표시하고 일련번호를 부여하여 매체접근제어 분할 데이터 프레임을 구성하는 단계;

   상기 구성된 다수의 매체접근제어 분할 데이터 프레임들을 순차적으로 전송하는 단계;

   상기 전송 완료 후 일정시간 동안 수신 실패를 알리는 매체접근제어 수신 실패 프레임을 수신하는 단계; 및

   상기 수신된 프레임에 지정된 적어도 하나의 일련번호에 해당하는 매체접근제어 분할 데이터 프레임을 재전송하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 매체접근제어 분할 데이터 프레임을 생성하는 단계는, 매체접근제어 프레임 타입 필드에 분할된 데이터를 나타내는 값을 지정함을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 매체접근제어 분할 데이터 프레임은 IEEE802.15.4에 따른 매체접근제어 계층의 매체접근제어 데이터 프레임 포맷이 확장된 프레임임을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 분할된 데이터를 나타내는 값은 IEEE802.15.4에서 프레임 타입을 지정하는 데 이용되는 예비로 남은 번호임을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 매체접근제어 분할 데이터 프레임을 생성하는 단계는, 일련번호 필드에 분할된 데이터에 부여된 일련번호 값을 지정함을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 매체접근제어 분할 데이터 프레임은 IEEE802.15.4에 따른 매체접근제어 계층의 매체접근제어 데이터 프레임 포맷이 확장된 프레임임을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 매체접근제어 수신 실패 프레임의 프레임 타입 필드에는 수신 실패를 알리는 값이 지정되어 있음을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 수신 실패를 알리는 값은 IEEE802.15.4에서 프레임 타입을 지정하는 데 이용되는 예비로 남은 번호임을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송 방법.
9. 제7항에 있어서,

   상기 매체접근제어 수신 실패 프레임은 수신 실패된 매체접근제어 분할 데이터 프레임에 대한 일련번호가 지정된 일련번호 필드를 포함함을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송 방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기매체접근제어 수신 실패 프레임은 수신 실패된 모든 매체접근제어 분할 데이터 프레임에 대한 일련번호의 개수만큼 일련번호 필드를 포함함을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송 방법.
11. 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에서 수행되는 방법에 있어서,

    매체접근제어 데이터 프레임을 수신하는 단계;

    수신된 매체접근제어 데이터 프레임의 프레임 타입 필드 값을 통해 분할된 데이터 프레임인지 확인하는 단계;

    분할된 데이터 프레임이면 그 프레임에 부여된 일련번호 저장하는 단계;

    분할된 매체접근제어 분할 데이터 프레임 수신이 완료되면, 저장된 일련번호들을 통해 누락된 일련번호를 확인하는 단계; 및

    송신 센서 노드로 상기 확인된 누락된 일련번호에 해당하는 매체접근제어 분할 데이터 프레임의 재전송을 요청하는 단계;

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송을 위한 방법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 매체접근제어 분할 데이터 프레임은 IEEE802.15.4에 따른 매체접근제어 계층의 매체접근제어 데이터 프레임 포맷이 확장된 프레임임을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송을 위한 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 프레임 타입 필드에 지정된 분할된 데이터 프레임인지를 나타내는 값은 IEEE802.15.4에서 프레임 타입을 지정하는 데 이용되는 예비로 남은 번호임을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송을 위한 방법.
14. 제11항에 있어서,

    상기 재전송 요청 단계는, 프레임 타입 필드에 수신 실패를 나타내는 값을 지정하여 매체접근제어 수신 실패 프레임을 구성한 후 상기 송신 센서 노드로 전송함을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송을 위한 방법.
15. 제14항에 있어서,

    상기 수신 실패를 나타내는 값은 IEEE802.15.4에서 프레임 타입을 지정하는 데 이용되는 예비로 남은 번호임을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송을 위한 방법.
16. 제14항에 있어서,

    상기 누락된 일련번호 개수만큼 일련번호 필드를 두고 각각의 필드에 상기 누락된 일련번호를 하나씩 지정하여 상기 매체접근제어 수신 실패 프레임을 구성함을 특징으로 하는 센서 노드의 대용량 데이터 전송을 위한 방법.

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