KR20110033528A

KR20110033528A - 상황인식 센서 매체접근제어 프로토콜

Info

Publication number: KR20110033528A
Application number: KR1020090091069A
Authority: KR
Inventors: 이성로; 정민아; 주영선; 조한나
Original assignee: 목포대학교산학협력단
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-03-31

Abstract

본 발명에서는 유비쿼터스 센서네트워크(Ubiquitous Sensor Network) 환경을 위한 에너지 효율적 상황인식 매체접근제어(MAC, Medium Access Control) 프로토콜을 제안한다. 제안한 상황인식 센서 매체접근제어 프로토콜은 상황정보를 이용하여 에너지 효율적으로 동작한다. CASMAC의 동작원리는 사전에 예측 가능한 상황을 시나리오로 작성하여 설정한 상황정보를 서버에 저장하며, 특정 센서 노드에서 이벤트가 발생할 경우, 그 이후부터 3회의 샘플 데이터를 서버로 전송한다. 서버는 전송 받은 샘플 데이터를 기 설정된 상황정보에 따라 처리한다. 만약 샘플 데이터가 이벤트로 처리되면, 서버는 해당 노드로 지속적인 데이터 전송 요청 신호를 보내 데이터를 전송 받고, 데이터 전송을 더이상 원하지 않으면 데이터 전송 중지 요청 신호를 보낸다. 또한 이벤트가 아니라고 처리할 경우에는, 무응답을 통해 샘플 데이터를 무효 처리한다. 상황인식 센서 매체접근제어 프로토콜의 성능 분석을 위해, 모의 실험을 수행하여, 그 결과, 에너지 소모율이 감소되어 효율적인 에너지 성능을 얻는 효과를 얻었다.

USN, Sensor, Energy-Efficiency, Event, MAC, Context-Aware, Data Traffic

Description

상황인식 센서 매체접근제어 프로토콜{Context Aware Sensor MAC Protocol}

유비쿼터스 센서네트워크(Ubiquitous Sensor Network) 환경에서, 제한된 하드웨어 사양과 채널 사용 그리고 제한된 에너지공급원을 가진 센서 노드는 접근에 제한을 둘 수밖에 없다. 이를 조절하는 역할을 하는 것이 MAC 프로토콜이다. MAC 프로토콜 연구의 주요 이슈는 에너지 소모 문제이며, 대부분의 연구에서는 센서 노드들이 일반 모드와 저전력 모드를 반복적으로 수행하는 방식을 채택하고 있다. 또한 유비쿼터스 센서네트워크에서의 주요 에너지 소모 요인은 데이터 전송이고, 에너지 낭비의 주요 원인은 idle listening, collision, control packet overhead, overhearing 등이다.

MAC 프로토콜의 연구는 시간동기화에 따라 동기방식과 비동기방식으로 나뉘며, 동기방식에는 SMAC과 TMAC, 그리고 비동기방식에는 BMAC이 대표적이다. SMAC(Senser MAC)은 동기방식의 대표적 MAC 프로토콜이며, 비활성화 구간인 sleep 모드와 활성화 구간인 listen 모드를 고정된 길이로 가지고, 이를 주기적으로 반복한다. SMAC은 sleep 모드를 통한 에너지 효율성을 높일 수 있는 장점을 지니고 있으나, 수면기간 동안에는 신호를 수신할 수 없으므로, 데이터 전송의 지연이 생기 는 단점이 있다. TMAC(Time-out MAC)은 타이머를 이용하는 동기방식의 MAC 프로토콜이다. TMAC은 경쟁구간의 길이와 RTS(Request To Send) 패킷의 길이 그리고 반환시간을 이용하여 활성화 구간인 listen 모드의 길이를 조절하는 TA라는 시간을 설정하고, 이 시간 내에 신호가 수신되지 않으면 바로 비활성화 구간인 sleep 모드로 들어간다. 하지만 TA를 정확하게 얻기 힘들기 때문에 현실성이 없다. BMAC(Berkeley MAC)은 비동기 방식의 대표적인 MAC 프로토콜이다. BMAC은 프리앰블이라는 신호를 통하여 채널을 일정 주기로 샘플링하고 데이터 전송 요청이 있을 경우 이를 수신하고, 없을 경우에는 바로 sleep 상태로 들어간다. 프리앰블을 송출하는 시간 내에 이벤트가 감지되지 않으면 sleep 주기가 점점 길어진다. BMAC은 비교적 구현이 간단하고, 트래픽이 적은 상황에 유리하나, 트래픽 양이 많아지면 overhearing의 증가로 에너지 소모가 증가하는 단점을 지니고 있다.

유비쿼터스 센서네트워크에서의 센서노드는 기기의 일시적인 오류나 잡음으로 인해 예상치 못한 잘못된 데이터가 전달될 수 있으며, 이로 인해 유비쿼터스 센서네트워크 환경에서 가장 큰 에너지 소모 요인인 데이터 전송이 불필요하게 발생되어 에너지 낭비를 가져와, 전체 네트워크의 수명을 단축시켜 성능 저하를 가져올 수 있다. 그러나 기존의 기술은 이러한 요소를 고려하고 있지 않고 단순히 입력받은 데이터만 처리하는 한계점을 가지고 있다.

본 발명은 유비쿼터스 센서네트워크 환경을 위한 에너지 효율적 상황 인식 MAC 프로토콜을 제안한다. 제안하는 상황인식 센서 매체접근제어 프로토콜은 특정 센서 노드에서 이벤트 발생 이후부터 3회의 샘플 데이터를 서버로 전송한다. 다음으로 서버는 샘플 데이터를 기존의 데이터와 비교하여 실제 이벤트 발생 여부를 판단하는데, 이는 잘못된 데이터의 전송이 불필요하게 발생되어 에너지 낭비를 가져와, 전체 네트워크의 수명을 단축시키는 것을 막기 위함이다. 이처람 본 발명은 상황인식을 통해 유비쿼터스 센서네트워크 환경에서 매체접근을 제어하여 에너지 효율성을 높이는데 목적이 있다.

본 발명에서 제안한 상황인식 센서 매체접근제어 프로토콜은 상황 정보를 설 정함으로써, 이벤트 발생시 기존 MAC 프로토콜이 단순 제어만 반복하던 한계점을 탈피하여 상황에 맞추어 동작하도록 하였고, 또한 데이터 트래픽을 최적화시키기 위해 주어진 상황에 최대한 적합한 동작을 수행하도록 하여, 이를 모의실험한 결과, 에너지 소모율이 감소되어 효율적인 에너지 성능을 얻는 효과를 얻었다.

본 발명은 유비쿼터스 센서네트워크 환경을 위한 에너지 효율적 상황 인식 MAC 프로토콜을 제안한다. 제안하는 상황인식 센서 매체접근제어 프로토콜을 위한 시스템은 센서노드, 싱크노드, 서버로 구성된다. 센서노드는 지그비 모듈을 탑재하여 RF신호를 이용하여 무선통신을 하고, 주변의 환경정보를 센싱하기 위해 다수의 다양한 종류의 센서노드로 채택하였으며, 또한 MCU를 사용하여 센싱데이터를 사전에 설정한 값과 비교하는 역할을 수행한다. 싱크노드는 서버에 부착되어 무선통신을 이용하여 센서노드에서 송신되는 무선신호를 수집하여 서버에 전달한다. 서버는 싱크노드로부터 넘겨 받은 센서노드의 센싱데이터를 기존에 구축된 데이터베이스의 데이터와 비교하여 이벤트 여부를 판단한다.

본 발명은 에너지 효율적인 매체접근의 제어를 위한 프로토콜을 제안한다. 본 발명의 구성은 센서노드로 구축된 유비쿼터스 센서네트워크망과 서버이며, 상황인식을 위해 [도 1]과 같이 네 가지 상황정보를 제공한다.

첫 번째 상황정보에서 센서노드는 이벤트를 감지하지 못하였을 때는 에너지 소모를 줄이기 위해 저전력 모드와 일반 모드를 반복하여 효율적으로 동작한다. 두 번째 상황정보에서 센서노드는 이벤트 발생시 3회의 샘플데이터를 서버로 전송하여 이벤트 발생 사실을 알린다. 세 번째 상황정보에서 센서노드는 서버는 샘플데이터의 이벤트 진위 여부를 판단해서, 해당 샘플데이터가 이벤트라고 판단될 경우, 해당 노드에게 지속적인 데이터 전송을 요청하는 신호를 보낸다. 이를 수신한 이벤트 발생 노드는 지속적인 데이터를 전송한다. 네 번째 상황정보에서 서버는 더 이상 이벤트 발생 노드로부터의 데이터 전송을 필요로 하지 않을 경우, 데이터 전송 중지 요청 신호를 보내고, 이를 수신한 이벤트 발생 노드는 더 이상 데이터를 전송하지 않는다.

앞서 언급한 네 가지 상황정보를 위해서 본 발명에서는 이벤트를 [도 2]와 같이 센서노드 측면의 이벤트와 서버 측면의 이벤트로 구분하여 정의한다.

센서노드 측면에서 볼 때, 이벤트는 센서노드에 업로드된 프로그램의 설정값을 넘는 값이 들어올 경우를 말한다. 예를 들어, 화재 혹은 기물의 파손 등이 일어날 때만 알림서비스가 필요한 경우, 센서노드는 일반적인 상황에서의 센싱값과 상이한 값을 감지하게 되면 그에 대한 데이터를 전송하면 된다. 그러나 일반적인 상황에서 감지되는 센싱값은 의미가 없으므로 데이터의 전송을 할 필요성을 느끼지 못하는 것이다. 서버 측면에서 볼 때, 이벤트는 사전에 설정된 값보다 높은 값이 감지된 센서노드로부터 전송된 샘플데이터를 기존에 누적된 서버 내 데이터베이스의 데이터와 비교하여 오류가 없는 참값이라고 판단된 상황이다. 이처럼 서버 측면에서의 이벤트는 단순한 기기 오류나 통신시에 간섭으로 인한 오류를 검출하여 신뢰성과 효율성을 높이기 위한 일련의 프로세스라고 볼 수 있다. 다음으로, 본 발명에서 제안하는 상황인식 센서 매체접근제어 프로토콜의 구성 및 동작원리는 [도 3]과 같다.

[도 3]에 대한 설명은 다음과 같다. 모니터링이 필요한 요소에 센서를 배치하여 유비쿼터스 센서네트워크를 구축한다. 대상이 되는 장소에 배치된 다수의 다양한 종류의 센서노드는 주변 환경정보의 센싱을 지속적으로 수행한다. 센서노드에는 센싱된 값을 내부의 MCU를 이용하여 사용자가 이벤트로 설정한 값과 비교하도록 작성된 프로그램이 업로드된다. 이벤트 발생이 감지되지 않으면 데이터의 송수신은 일어나지 않으며 반복된 센싱 작업을 수행한다. 그러나 이벤트 발생이 감지되면 해당 센서노드는 이후부터 3회의 샘플 데이터를 모아서 RF신호를 이용하여 무선통신으로 서버에 부착된 싱크노드로 전송하고 최종적으로 서버로 해당 데이터가 전송된다. 다음으로 서버는 샘플 데이터를 기존의 데이터베이스에 누적된 데이터와 비교하여 실제 이벤트 발생 여부를 판단한다. 이러한 과정을 거치는 이유는 기기의 일시적인 오류나 잡음으로 인해 잘못된 데이터가 전달될 수 있으며, 이로 인해 USN 환경에서 가장 큰 에너지 소모 요인인 데이터 전송이 불필요하게 발생되어 에너지 낭비를 가져와, 전체 네트워크의 수명을 단축시켜 성능 저하를 가져올 수 있기 때문이다. 기존에는 이러한 것을 막을 수 있는 알고리즘이 적용되어 있지 않았기에 본 발명에서는 이 점을 개선하고자 한다. 만약 이벤트로 판단되지 않으면 응답을 하지 않음으 로서 샘플 데이터를 무효 처리하고 상황을 종료시킨다. 그러나 이벤트로 판단되면 서버는 해당 노드에게 지속적인 데이터 전송을 요청하는 신호를 보낸다. 이후에 사용자의 요청이나 서버의 요청에 의해 더 이상의 데이터 전송을 원하지 않으면, 데이터 전송 중지 요청 신호를 해당 노드로 전송하여 상황을 종료시킨다.

본 발명에서 제안한 상황인식 센서 매체접근제어 프로토콜의 에너지 효율성을 모의실험하여 기존의 대표적인 센서 프로토콜인 SMAC과 대비하여 에너지 소모 감소 효과를 얻었다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따르는 제공되는 상황정보.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따르는 센서노드 측면과 서버 측면의 이벤트 정의.

도 3은 상황인식 센서 매체접근제어 프로토콜 동작도.

Claims

본 발명은 상황인식 센서 매체접근제어 프로토콜을 제안한다. 상황인식을 위해 [도 1]의 네 가지 상황정보인 1) 센서노드는 이벤트를 감지하지 못하였을 때는 에너지 소모를 줄이기 위해 저전력 모드와 일반 모드를 반복하여 효율적으로 동작하고, 2) 센서노드는 이벤트 발생시 3회의 샘플데이터를 서버로 전송하여 이벤트 발생 사실을 알리고, 3) 센서노드는 서버는 샘플데이터의 이벤트 진위 여부를 판단해서, 해당 샘플데이터가 이벤트라고 판단될 경우, 해당 노드에게 지속적인 데이터 전송을 요청하는 신호를 보내고, 이를 수신한 이벤트 발생 노드는 지속적인 데이터를 전송하며, 4) 서버는 더 이상 이벤트 발생 노드로부터의 데이터 전송을 필요로 하지 않을 경우, 데이터 전송 중지 요청 신호를 보내고, 이를 수신한 이벤트 발생 노드는 더 이상 데이터를 전송하지 않는다. 또한 네 가지 상황정보를 위해서 본 발명에서는 이벤트를 [도 2]와 같이 5) 센서노드 측면에서 볼 때, 이벤트는 센서노드에 업로드된 프로그램의 설정값을 넘는 값이 들어올 경우와 6) 서버 측면에서 볼 때, 이벤트는 사전에 설정된 값보다 높은 값이 감지된 센서노드로부터 전송된 샘플데이터를 기존에 누적된 서버 내 데이터베이스의 데이터와 비교하여 오류가 없는 참값이라고 판단된 상황으로 정의한다.
본 발명에서 제안하는 상황인식 센서 매체접근제어 프로토콜의 구성 및 동작원리는 7) 모니터링이 필요한 요소에 센서를 배치하여 유비쿼터스 센서네트워크를 구축하고 대상이 되는 장소에 배치된 다수의 다양한 종류의 센서노드는 주변 환경정보의 센싱을 지속적으로 수행하며, 8) 센서노드에는 센싱된 값을 내부의 MCU를 이용하여 사용자가 이벤트로 설정한 값과 비교하도록 작성된 프로그램이 업로드되고, 9) 이벤트 발생이 감지되지 않으면 데이터의 송수신은 일어나지 않으며 반복된 센싱 작업을 수행한다. 10) 이벤트 발생이 감지되면 해당 센서노드는 이후부터 3회의 샘플 데이터를 모아서 RF신호를 이용하여 무선통신으로 서버에 부착된 싱크노드로 전송하고 최종적으로 서버로 해당 데이터가 전송된다. 11) 다음으로 서버는 샘플 데이터를 기존의 데이터베이스에 누적된 데이터와 비교하여 실제 이벤트 발생 여부를 판단하는 과정을 거치는 이유는 기기의 일시적인 오류나 잡음으로 인해 잘못된 데이터가 전달될 수 있으며, 이로 인해 USN 환경에서 가장 큰 에너지 소모 요인인 데이터 전송이 불필요하게 발생되어 에너지 낭비를 가져와, 전체 네트워크의 수명을 단축시켜 성능 저하를 가져올 수 있기 때문이며, 기존에는 이러한 것을 막을 수 있는 알고리즘이 적용되어 있지 않았기에 본 발명에서는 이 점을 개선하고자 한다. 12) 만약 이벤트로 판단되지 않으면 응답을 하지 않음으로서 샘플 데이터를 무효 처리하고 상황을 종료시킨다. 13) 이벤트로 판단되면 서버는 해당 노드에게 지속적인 데이터 전송을 요청하는 신호를 보낸다. 14) 이후에 사용자의 요청이나 서버의 요청에 의해 더 이상의 데이터 전송을 원하지 않으면, 데이터 전송 중지 요청 신호를 해당 노드로 전송하여 상황을 종료시킨다.
본 발명은 지그비 방식을 이용하는 무선통신을 위한 유비쿼터스 센서네트워 크에 적합한 에너지 효율적 상황인식 매체접근 프로토콜이다.