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KR20040097368A - 애드-혹 네트워킹된 센서들 및 프로토콜들을 제공하기위한 방법 및 장치 - Google Patents

애드-혹 네트워킹된 센서들 및 프로토콜들을 제공하기위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR20040097368A
KR20040097368A KR10-2004-7016731A KR20047016731A KR20040097368A KR 20040097368 A KR20040097368 A KR 20040097368A KR 20047016731 A KR20047016731 A KR 20047016731A KR 20040097368 A KR20040097368 A KR 20040097368A
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KR
South Korea
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node
sensor
nodes
consumer
route
Prior art date
Application number
KR10-2004-7016731A
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English (en)
Inventor
인듀 만드한
폴 하쉬필드
알앗틴 칼리스칸
로버트 시라쿠사
Original Assignee
사르노프 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 사르노프 코포레이션 filed Critical 사르노프 코포레이션
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Abstract

본 발명은 센서들의 애드-혹 네트워크를 제공하는 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 애드 혹 네트워킹된 시스템(100)은 자기-조직적이고 자기-치료적인 네트워크를 발생시키는 신규한 네트워크 프로토콜에 기반한다.
시스템의 하나의 중요한 구성요소는 제어 노드(110)로 보고될 수 있는 센서 이벤트들을 탐지하기 위해 센서들을 인터페이스하는 지능형 센서 노드(120)이다.

Description

애드-혹 네트워킹된 센서들 및 프로토콜들을 제공하기 위한 방법 및 장치{METHODS AND APPARATUS FOR PROVIDING AD-HOC NETWORKED SENSORS AND PROTOCOLS}
많은 장치들이 네트워크를 형성하기 위해서 함께 네트워킹될 수 있다. 그러나, 네트워크 제어기에게 네트워킹된 장치의 추가, 삭제, 및/또는 실패를 통보할 수 있도록 이러한 네트워크를 수동으로 구성하는 것이 종종 필요하다. 이는 네트워킹된 장치의 설치동안 실행되어야 하는 복잡한 구성 절차를 초래하여, 숙련된 기술자를 필요로 한다.
실제로, 네트워크 제어기로부터, 그리고 제어기로 네트워킹된 장치들의 상태들을 네트워킹된 장치들이 계속하여 보고하는 것이 종종 필요하다. 이러한 네트워크 방식은 번거롭고 유연적이지 못한데, 왜냐하면 이는 네트워킹된 장치들 및 네트워크 제어기 사이에서 연속적인 모니터링 및 피드백을 필요로 하기 때문이다. 네트워킹된 장치들이 어떠한 데이터도 네트워크 제어기로 전달되지 않는 경우에 조차도 네트워크 제어기에 연속적으로 보고할 것이 요구되기 때문에, 이러한 방식은 높은 전력 요구조건을 필요로 한다.
또한, 네트워킹된 장치 또는 네트워크 제어기가 고장나거나 또는 물리적으로 재배치되는 경우, 고장난 네트워크 장치가 식별되고 네트워킹된 장치의 상실을 보상하거나 또는 네트워크 제어기의 재배치를 위해 새로운 루트(route)가 정의되어야 하기 때문에 네트워크를 수동으로 다시 재구성하는 것이 종종 필요하다. 이러한 수동 재구성(reconfiguration)은 노동 집약적이고 네트워크 유연성을 저해한다.
따라서, 자기 조직적이고 자기 치료적인 네트워크를 발생시키는 네트워크 구조 및 프로토콜들이 필요하다.
본 발명은 센서들의 네트워크를 위한 구조 및 프로토콜들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 자기-조직적(self-organizing) 및 자기-치료적(self-healing) 네트워크 프로토콜들을 센서 네트워크에 제공한다.
도1은 본 발명의 센서 네트워크에 대한 다이어그램이다.
도2는 본 발명의 소비자 노드들을 전개하는 방법에 관한 흐름도이다.
도3은 본 발명의 생산자 노드들을 전개하는 방법에 대한 흐름도이다.
도4는 본 발명의 제어 노드를 전개하는 방법에 대한 흐름도이다.
도5는 본 발명의 제어 노드를 동작하는 방법에 대한 흐름도이다.
도6은 본 발명의 센서 노드를 동작하는 방법에 대한 흐름도이다.
도7은 본 발명의 네트워크 노드를 구현하는 일반적 목적의 컴퓨터 시스템에 대한 블록 다이아그램이다.
이해를 용이하게 하기 위해서 동일한 엘리먼트들에 대해서는 동일한 참조번호들이 사용되었다.
일 실시예에서, 본 발명은 센서들의 애드-혹 네트워크를 제공하는 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 애드 혹 네트워킹된 시스템은 자기-조직적이고 자기-치료적인 네트워크를 발생시키는 신규한 네트워크 프로토콜에 기반한다.
시스템의 하나의 중요한 구성요소는 제어 노드로 보고될 수 있는 센서 이벤트들을 탐지하기 위해 센서들(예를 들면, 보드상 또는 외부)과 인터페이스하는 지능형 센서 노드이다. 일 실시예에서, 센서 노드는 선택적으로 저비용 무선 인터페이스들을 사용할 수 있다. 각각의 지능형 센서 노드는 다수의 센서들, 내부 센서들 또는 부착된 센서들 중 하나 또는 모두를 동시에 모니터링할 수 있다. 네트워킹 소프트웨어는 모듈라이고 예를 들면, 블루투스, IEEE 802.11 등과 같은 통신 인터페이스와 독립적이다.
특히, 본 네트워크는 자동적으로 네트워크 트래픽에 대한 최적 루트들을 결정하고 문제가 발생하면 대안 루트들을 발견한다. 본 구조의 장점들은 센서 네트워크 초기 전개(deployment)가 간단하고, 숙련된 네트워크 기술자를 필요로 하지 않으며, 제어 노드의 범위가 넓고, 저 전력 무선 장치들에서 빠르게 성장하는 시장에 적응할 수 있다는 것이다.
본 발명의 상술한 특징 및 추가적인 장점들은 하기 도면을 참조하여 선호되는 실시예들을 통해 기술될 것이다.
도1은 본 발명의 센서 네트워크 또는 시스템(100)에 대한 다이아그램이다. 본 발명은 애드-혹 네트워킹된 센서 시스템을 형성하기 위해서 협력적으로 동작하는 복수의 노드들을 제공한다. 이러한 노드들은 제어 노드(110), 센서 노드(120), 브릿지 노드(130), 중계 노드(140), 및 게이트웨이 노드(150)를 포함한다. 이러한 노드들의 각각의 타입은 상이한 능력들을 가지고 있으며, 이러한 능력들은 아래에서 추가로 기술된다. 본 발명은 하나 또는 그 이상의 각각의 노드 타입들을 통해 구현될 수 있음을 주목하여야 한다. 사실, 특정 구현에 따라, 이러한 노드들 중 일부는 생략될 수도 있다.
센서 네트워크(100)의 기본적인 기능은 센서 측정치들을 수집하고, 추가적인 처리를 위해 적절한 말단 노드, 예를 들면 제어 노드(110) 또는 게이트웨이 노드(150)의 수신단에 위치하는 제어 노드(미도시)로 센서 데이터를 라우팅하는 것이다. 본 발명의 중요한 일 장점은 센서 네트워크(100)가 임의적인 방식으로 전개되고, 필요한 통신, 라우팅 및 구성 매커니즘이 인간의 개입없이 자동으로 설정될 수 있다는 것이다. 즉, 센서 네트워크는 자기-조직적이고, 이를 통해 노드들의 특정 전개 또는 광범위한 사전-구성 또는 네트워크 관리 활동들을 필요로 하지 않는 손쉽고, 고속인 전개(deployment)를 가능케한다. 이러한 신규한 특징을 통해, 센서네트워크는 네트워크 구성이 네트워크로 부터 추가 및 삭제되어 지는 노드들로 인해 다이나믹하게 변경되는 복잡한 군사적 및 상업적 환경들 및 구현들에 적응될 수 있다.
센서 네트워크(100)에서 5개 타입의 논리적인 노드들은 그들이 수행하는 기능에 따라 구분된다.
센서 노드들(120)은 하나 또는 그 이상의 센서들(122)과 인터페이싱하고 제어노드(110), 브릿지 노드(130) 및 게이트웨이 노드(150) 방향으로 센서 데이터를 라우팅하는 역할을 직접 수행한다. 센서 노드는 제어 노드(들)의 동작 특성들에 대한 기록을 유지할 수도 있다. 예를 들어, 센서 노드는 제어 노드(들)의 식별을 유지하고 센서 노드로부터 제어 노드(들)로의 라운드 트립 지연을 추정할 수 있다.
추가적으로, 본 발명에서 제시되는 센서 노드들은 부가/통합 센서들로부터 정보를 획득하는 표준-순응형 인터페이스(들)을 제공한다. 이러한 인터페이스(들)는 현재의 상업적으로 가용한 센서들 및 장래의 군사용 센서들을 포함하는 다수의 센서 타입들을 지원하여야 한다.
중계 노드(140)는 다른 노드들로부터 제어, 게이트웨이 또는 브릿지 노드들로 수신된 센서 데이터를 라우팅하는 역할을 수행한다. 사실, 센서 노드는 중계 노드로서 동작할 수도 있다.
제어 노드들(110)은 중계 또는 센서 노드들로부터 센서 데이터를 수신하도록 디자인된다. 일반적으로, 제어 노드들은 센서 데이터가 전달되는 일련의 노드들에서 종국 또는 최종 노드들이다. 제어 노드들은 센서 노드 파라미터들을 설정 및 취득하는 능력을 갖는다. 제어 노드들은 센서 노드들로부터 획득된 데이터를 사용하여 전개된 센서 노드들의 맵을 구축 및 저장한다. 제어 노드들은 각 센서 노드의 동작 특성들에 대한 기록을 유지할 수도 있다. 예를 들어, 제어 노드는 각 센서 노드의 식별, 센서 노드의 타입, 수신된 메세지들 사이의 평균 시간 및 제어 노드로부터 센서 노드로의 라운드 트립 지연에 대한 추정치를 유지한다.
브릿지 노드들(130)은 제어, 중계, 또는 센서 노드들로부터 센서 데이터를수신하도록 디자인된다. 브릿지 노드들에는 저 대역폭 네트워크(또는 서브-네트워크)(114)로부터 보다 높은 대역폭 네트워크(또는 서브-네트워크)(112)로 센서 데이터를 전송하기 위해 다수의 무선 인터페이스들이 제공된다. 브릿지 노드들은 수신된 데이터를 보다 높은 대역폭 네트워크에서 제어, 브릿지 또는 게이트웨이들로 라우팅할 수 있을 것이다.
게이트웨이 노드들(150)은 외부 네트워크들과 인터페이싱하도록 디자인된다. 이러한 외부 네트워크들의 예는 사설 지상, 셀룰러 네트워크 또는 유선/무선 네트워크들을 통한 전술 인터넷(Tactical Internet)을 포함하지만, 이로 제한되는 것은 아니다.
제어, 브릿지 및 게이트웨이 노드들은 "소비자 노드들"로 인식될 수 있고, 센서 및 중계 노드들은 "생산자 노드들"로 인식될 수 있다. 즉, 센서 및 중계 노드들은 센서 데이터를 제공 또는 발생시키고, 제어, 브릿지 및 중계 노드들은 센서 데이터를 수신 또는 소비한다. 따라서, 생산자 노드들은 동기 또는 비동기 방식으로 센서 데이터를 발생시키고, 소비자 노드들은 동기 또는 비동기 방식으로 센서 데이터를 수신할 것이다.
상술한 모든 노드들 또는 이들의 서브셋은 본 애드-혹 센서 네트워크에 사용될 수 있다. 다수의 인터페이스들을 갖는 노드들은 다수의 서브-네트워크들에서 동시에 관측 가능하다. 제어 노드 및 게이트웨이 노드는 하나의 노드, 예를 들면 게이트웨이 노드의 능력을 구비한 제어 노드로 병합될 수 있음을 유의하여야 한다. 유사하게, 센서 노드 및 중계 노드(및 브릿지 노드 조차도)는 단일 노드, 예를 들면 중계 및 브릿지 능력을 구비한 센서 노드로 병합될 수 있음을 유의하여야 한다. 따라서, 이러한 센서 시스템에서 제어 및 게이트웨이 노드들의 수는 일반적으로 작다.
따라서, 요약하면, 상술한 노드들 각각은 다음과 같은 (일부 또는 전체)능력들을 갖는다;
a. 하나 또는 그 이상의 부가/통합 센서(들)로부터의 정보 수집
b. 무선 링크들을 통한 다른 노드들과의 통신
c. 다른 인근 노드들로부터의 정보 수집
d. 다수의 센서 정보 집합
e. 다른 노드들을 대신하여 정보 중계; 및
f. 인터넷과의 표준 라우터 인터페이스를 통해 센서 정보 통신.
일 실시예에서, 본 발명의 센서 네트워크(100)는 주로 비동기 이벤트 구동 센서 네트워크이다. 즉, 센서들(122)은 비동기 방식으로 발생하는 외부 이벤트들에 의해 구동된다. 따라서, 센서들은 일반적으로 데이터를 비동기 방식으로 전송한다. 그러나, 제어 노드들은 센서 파라미터들을 설정하고, 네트워크의 상태를 평가하고, 라우팅 정보를 설정하기 위해서 주기적인 간격들에서 프로브 또는 제어 데이터를 전송한다. 제어 노드들은 또한 센서 데이터의 수신을 표시하기 위해서 확인 패킷들을 전송한다. 그러나, 본 디자인은 센서들이 데이터를 동기적으로 발생시키는 환경들로 확장되어 적용될 수 있다.
본 센서 네트워크는 제어, 센서 및 중계 노드들의 이동성을 고려하도록 설계된다. 비록 이러한 이벤트들이 최소로 발생하지만, 제어 노드들은 전략적인 이유로(예를 들면, 보안성을 유지하기 위해서) 위치를 변경할 수 있고, 센서 또는 중계 노드들은 외부 이벤트, 예를 들면 자동차 또는 사람의 이동에 의한 돌발적인 푸쉬로 인해 위치를 변경할 수 있다.
본 센서 네트워크는 또한 네트워크 노드들의 고장 및 추가를 탐지하도록 디자인되어, 센서 네트워크가 이러한 변경들에 적응할 수 있도록, 즉 자가 치료할 수 있도록 하여 준다. 예를 들어, 기능 이상 또는 고장 노드들을 회피하기 위한 대안적인 루트들이 센서 데이터의 전달을 보장하기 위해서 계산될 수 있다. 유사하게, 새로운 노드의 추가는 새로운 루트의 발견을 트리거하여, 센서 데이터가 보다 단거리인 루트를 통해 전송될 수 있도록 하여준다. 노드들은 임의의 시간에 센서 네트워크로 진입하거나, 센서 네트워크를 떠날 수 있다. 센서 네트워크로의 진입은 추가 노드 전개를 의미하고, 센서 네트워크를 떠나는 것은 노드 제거 또는 고장을 의미한다.
도2는 본 발명의 소비자 노드들을 전개하기 위한 방법(200)에 대한 흐름도이다. 일반적으로, 모든 노드들은 임의적인 방식으로 전개된다. 그러나, 소비자 노드들(제어, 브릿지, 및 게이트웨이)은 지역 및 다른 환경 인자들을 고려하여 제어된 방식으로 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 전개가 완료되면, 조작자 조치는 도2의 단계들을 실행한다. 그러나, 다른 실시예들에서, 네트워크 노드들이 일단 전개되면, 즉 활성화되면, 어떠한 조작자 조치도 필요하지 않다.
방법(200)은 단계(205)에서 시작되어 단계(210)로 진행한다. 단계(210)에서, 동작시에, 하나 또는 그 이상의 소비자 노드들은 이웃한 네트워크 노드들에 그들의 존재를 통신 또는 방송한다. 예를 들어, 메세지는 소비자 노드들의 방송 범위내에 존재하는 이웃 노드들로 전달될 수 있다.
단계(220)에서, 소비자 노드들로부터 방송 메세지를 수신하는 소비자 노드들의 이웃들은 소비자 노드들의 존재를 그들의 이웃들로 전달한다. 즉, 각 노드는 1 홉 만큼 떨어진 다른 노드들이 그 메모리에 저장된 맵을 가지고 있다. 소비자 노드들로부터 방송 메세지를 수신하면, 각 노드는 그 메세지를 모든 그 이웃한 노드들로 전달한다. 이러한 전달은 네트워크내의 모든 센서 노드들이 그 소비자 노드들을 인식할 때까지 계속된다.
단계(230)에서, 소비자 존재 정보, 즉 소비자 위치 정보를 통신하는 처리 기간동안, 각각의 중간 노드는 소비자 노드(들)로의 적합한 루트(가능하면 복수의 루트들)를 기록한다. 이러한 비-중앙 집중식 갱신 방법은 상대적으로 쉽게 구현될 수 있는 현재 센서 시스템의 스케일링(노드들의 추가 및 삭제)을 허용한다. 다른 노드들의 범위내에 있는 소비자 노드를 간단히 동작시키고, 센서 시스템은 그 소비자 노드를 네트워크내로 통합하고, 그 시스템의 모든 노드들은 이에 따라 그들을 갱신한다.
단계(240)에서, 소비자 노드들의 존재 정보는 결국 하나 또는 그 이상의 센서 노드들로 전달된다. 센서 노드들은 그들이 적어도 하나의 소비자 노드를 인식하고 있으면 초기화되는 것으로 간주된다; 즉 그들은 소비자 노드로의 적합한 루트(들)를 구축한다. 이때, 센서 노드들은 그들의 존재를 확인하는 프리앰블 서문 메세지를 전송한다. 적합한 루트들(센서들로의)은 프리앰블이 소비자 노드(들)로의 길을 발견할 때 중계 및 다른 노드들에 의해 기록된다. 일단 초기화되면, 센서 노드들은 소비자 노드(들)로의 센서 데이터 전송을 개시한다.
단계(250)에서, 방법(200)은 센서 네트워크에서 변경이 존재하는지에 대해 질의한다. 질의가 긍정응답되면, 방법은 단계(210)로 리턴되고, 여기서 하나 또는 그 이상의 소비자 노드들의 변경을 보고하고 전제 처리가 반복된다. 질의가 부정응답되면, 방법(200)은 단계(260)로 진행하고, 여기서 센서 시스템은 대기 상태로 존재한다.
특히, 센서 네트워크(100)에서의 다이나믹한 변경들이 많은 방식으로 발생할 수 있다. 소비자 노드는 위치를 변경할 수 있고, 또는 센서 또는 중계 노드들은 위치를 변경할 수 있으며, 이 둘 모두가 위치를 변경할 수도 있다. 소비자 노드가 위치를 변경하면, 소비자 노드는 이를 그 이웃(일부는 새로운 이웃이고, 일부는 이전 이웃임)에게 통보하고 새로운 루트들을 재설정한다.
대안적으로, 동적인 변경들은 생산자 노드들에 의해 탐지될 수 있다. 즉, 센서 및 중계 노드들은 제어 노드(들)로 전송된 모든 메세지에 대한 확인(ACK) 메세지를 기대한다. 예를 들어, 센서 노드와 관련된 센서들 중 하나가 보고가능한 이벤트를 트리거할 수 있다. 어떠한 ACK 메세지도 수신되지 않으면, 중계 또는 센서 노드는 메세지를 재전송하거나, 센서 또는 중계 노드의 이웃 구조에서의 변경이 존재하였다고 가정하여 피코넷(노드의 바로 인접한 이웃들로서 정의되는 환경)을 재-설정할 것이다. 피코넷을 재-설정시에, 센서 또는 중계 노드는 (그 이웃들로부터) 제어 노드(들)로의 새로운 루트들을 결정하려고 시도할 것이다.
도3은 본 발명의 생산자 노드들을 전개하는 방법(300)에 대한 흐름도이다. 즉, 도3은 생산자 노드(센서 노드 또는 중계 노드)의 전개를 보여준다. 방법(300)은 단계(305)에서 시작하고 단계(310)로 진행한다.
단계(310)에서, 생산자 노드가 동작되고, 토폴로지 설정 상태(TES)로 진입한다. 특히, 센서 노드는 그 이웃을 설정하고 그 이웃들을 이웃에 동참한다. 즉, 생산자 노드는 그 이웃들로부터의 질의에 귀 기울이는 상태로 이동한다. 대안적으로, 생산자 노드는 메세지를 활성적으로 방송함으로써 그 이웃들을 발견하고자 하는 시도를 수행할 수 있다. 즉, 토폴로지 단계에서, 모든 접속이 설정된다. 그리고 나서, 센서 노드는 단계(320)에서 루트 설정 상태(RES)로 이동한다.
센서 노드가 단계(320)에서 루트 설정 상태로 진입하면, 센서는 소비자 노드, 예를 들면 제어 노드로의 루트에 대해 루트 요청 메세지를 사용하여 질의한다. 루트를 갖는 이웃 노드는 요청 센서 노드에 루트 응답 메세지를 전송한다. 적절한 라우팅 엔트리들이 요청 센서 노드의 라우팅 테이블내에서 만들어진다. 센서 노드는 현재 최선의 제어 노드로의 루트를 기록한다. 제어 노드로의 루트를 갖지 않는 적어도 하나의 접속된 이웃이 존재하면, 센서 노드는 토폴로지 설정 단계(310)로 다시 진입한다. 이러한 사이클은 모든 이웃들이 제어 노드에 대한 루트를 가질 까지 또는 소정 횟수의 시도가 이뤄진 후까지 계속된다.
TES-RES 사이클이 종결되면, 2개의 가능한 결과가 존재한다; 1) 센서 노드는 제어 노드로의 적어도 하나의 루트를 갖거나, 2)제어 노드로의 어떠한 루트도 가지지 않는다. 첫 번째 경우에는, 신임 설정 상태(CES)로 진입하고, 두 번째 경우에는 단계(325)에서 저전력 대기 모드로 진입하고 후에 TES-RES 사이클을 다시 재개한다. TES-RES 사이클이 종결될 때, 센서 노드의 모든(잠재적인) 이웃들이 전개되는 것이 아님을 주목하여야 한다. 따라서, 하나의 노드가 후에 센서 노드의 주변에 전개되면, 이러한 노드는 센서 노드에 의해 발견되지 않을 수 있다. 그러나, 잠재적인 이웃은 센서 노드를 발견하고 센서로부터 루트 정보를 요청할 것이다. 그리고 나서, 센서는 루트 요청 메세지를 그 시간에 새로운 이웃으로 발생시킨다.
루트 설정 상태 후에, 센서는 단계(330)에서 신임 설정 상태로 이동한다. 이러한 상태에서, 센서 노드는 제어 노드와의 접촉을 설정하는 제어노드로 정보를 전송한다. 센서 노드는 구성 파라미터 및 전력 용량과 같은 장치 특성들을 전송한다. 이러한 단계에서, 센서 신임(credentials)을 제어 노드로 중계하는 모든 중간 노드들은 제어 노드로부터 센서 노드로의 루트를 설정할 것이다. 특히, 제어 노드는 센서 노드로의 루트를 갖는다. 센서 노드는 이제 단계(340)에서 대기 상태로 이동하고, 여기서 제어 노드로의 데이터 전송을 준비한다.
도4는 본 발명의 제어 노드를 전개하는 방법(400)에 대한 흐름도이다. 보다 일반적으로, 도4는 소비자 노드(제어, 브릿지, 또는 게이트웨이)의 전개를 도시한다. 방법(400)은 단계(405)에서 시작되고 단계(410)으로 진행한다.
단(410)에서, 소비자 노드가 활성화되고 토폴로지 설정 상태(TES)로 진입한다. 특히, 상술한 바와 같이, 제어 노드는 그 이웃을 결정하는 시도를 수행하고 또한 그 이웃들의 이웃에 동참한다. 모든 연결은 이 시점에서 설정된다. 그리고나서, 제어 노드는 루트 설정 상태로 진입한다.
단계(420)의 루트 설정 상태에서, 제어 노드는 그 이웃들로부터 루트 요청 메세지를 수신한다. 제어 노드는 제어 노드로의 제로-홉 루트를 가짐을 표시하는 응답 메세지로 응답한다. 노드는 그 식별 및 그 이웃에 대한 관련 정보를 송신한다. 그 이웃들은 센서 노드, 중계 노드, 브릿지 노드 또는 게이트웨이 노드일 수 있다. 따라서, 제어 노드의 이웃에 존재하는 모든 노드들은 제어 노드로의 단일 홉 루트를 갖는다. 제어 노드의 이웃들은 그들의 이웃들로부터의 루트 요청 메세지들에 응답할 수 있다. 모든 센서/중계 노드들이 동시에 전개되는 것이 아니므로, 제어 노드는 후에 토폴로지 설정 상태로 복귀할 수 있다. TES-RES 사이클은 고정된 횟수의 시도들 동안 계속되거나 수동으로 종결될 수 있다. TES-RES 사이클이 종결되면, 모든 이웃 노드들은 제어 노드로의 1-홉 루트를 가지고, 모든 노드들이 전개되는 것으로 가정된다. 그러나, TES-RES 사이클은 재-개시되거나 종결될 수 있다. 그리고 나서, 제어 노드는 TES-RES 사이클이 종결된 후 단계(430)에서 대기 상태로 진입한다.
네트워크에서 전개된 어떠한 제어 노드도 존재하지 않으면, 어떠한 센서 데이터도 전송되지 않음을 주목하여야 한다. 일단 제어 노드가 전개되면, 그 존재는 네트워크를 통해 전달되고 센서 노드들은 센서 데이터 전송을 개시할 수 있다. 또한 TES-RES 사이클에서 중요한 배터리 전력이 소모될 수 있음을 유의하여야 한다. 따라서, 네트워크 노드의 배터리 전력 소비를 최소화하기 위해 특별한 구현에 대해 적합한 타이밍 주기가 설정될 수 있다.
도5는 본 발명의 제어 노드를 동작시키는 방법(500)에 대한 흐름도이다. 보다 구체적으로, 도5는 다양한 타입의 이벤트들에 대한 제어 노드의 다양한 상태를 보여준다.
일 실시예에서, 제어 노드는 5개의 상이한 상태로 존재할 수 있다. 이들은 토폴로지 설정 상태, 루트 설정 상태, 대기 상태, 데이터 상태 및 제어 상태이다.
단계(510)의 토폴로지 설정 상태에서, 제어 노드는 그 이웃 또는 "피코넷"을 설정한다. 피코넷은 제어 노드의 바로 인접한 이웃들로 구성된다. 제어 노드는 문의(및 페이지) 처리를 사용하여 피코넷을 설정한다. 문의 처리를 제어하는 2개의 파라미터들이 존재한다; 1) 문의 듀레이션 및 2) 문의 주기(period). 듀레이션은 문의 처리가 얼마나 지속되는지를 결정하고 주기는 얼마나 빈번히 문의 처리가 발생되는지를 결정한다.
예를 들어, 이웃이 발견될 때, 그 이웃과의 적합한 접속이 설정된다. 문의(페이지) 스캔 처리는 이웃 노드들이 제어 노드를 발견할 수 있도록 하여준다. 토폴로지 설정 상태가 종결되면, 제어 노드는 루트 설정 상태로 이동한다.
단계(520)의 루트 설정 상태에서, 제어 노드는 임의의 루트 요청 메세지에 응답하고 루트 응답 메세지로 루트 정보를 모든 이웃에게 전송한다. 그리고 나서 다시 토폴로지 설정 상태로 이동한다. TES-RES 사이클은 수동으로 또는 고정된 횟수의 시도후에 종결된다. 제어 노드는 TES-RES 사이클이 종결된 후에 대기 상태로 진입한다.
단계(530)의 대기 상태에서, 제어 노드는 3가지 이벤트들을 대기한다; 데이터 이벤트(522), 이동 이벤트(527), 또는 제어 이벤트(525). 제어 노드는 대기 상태에서 발생하는 이벤트에 따라 데이터 상태, 토폴로지 설정 상태 또는 제어 상태로 변경된다. 데이터 이벤트(522)는 제어 노드가 센서 데이터를 수신할 때 발생한다. 이동 이벤트(527)는 제어 노드의 위치가 변경되는 경우에 발생한다. 제어 이벤트(527)는 제어 노드가 하나 또는 그 이상의 센서 노드(들)를 프로브(probe)하여야 하는 경우에 발생한다.
제어 노드는 데이터 이벤트 발생 후에 대기 상태로부터 데이터 상태에 도달한다. 이러한 상태에서, 제어 노드는 임의의 인입 데이터를 처리하고 ACK 데이터 유닛(PDU)를 데이터를 전달한 인접 이웃으로 전송한다. 이러한 포인트에서, 제어 노드는 대기 상태로 다시 전환된다.
제어 노드는 제어 이벤트 발생 후에 대기 상태로부터 제어 상태에 도달한다. 제어 이벤트는 제어 노드가 파라미터를 설정 또는 취득하기 위해 센서를 프로브하여야 하는 경우에 발생한다. 제어 이벤트는 동기적 또는 비동기적으로 발생할 수 있다. 이러한 상태에서, 제어 노드는 적합한 PDU를 어셈블링하고 이를 목적지 센서 노드로 전송한다. 애플리케이션 층에서, 제어 노드는 목적지 센서 노드로부터 ACK 를 기대한다. 링크 계층에서, 제어 노드는 목적지 센서로의 전송을 위한 프로브 PDU를 수신한 인접 이웃으로부터 확인(ACK) PDU를 기대한다. 정해진 시간내에 ACK가 도달하지 않으면, 프로브 PDU가 재-전송된다. 제어 노드는 여러번(아마도 다른 대안적인 루트들을 시도함) 재-전송을 시도한다. 제어 노드는 ACK PDU를 수신하지 않으면, 제어 노드는 그 이웃을 다시 설정하기 위해서 토폴로지 설정 상태로 들어간다. 제어 노드는 하나 또는 그 이상의 이웃 노드들이 위치 변경하였다고 가정하여 이러한 기능을 수행한다.
그 피코넷 및 라우팅 정보를 재-설정한 후에, 제어 노드는 대기 상태로 다시 들어간다. 제어 노드는 ACK PDU를 수신한 후에만 그 프로브 대기열(queue)로부터 엘리먼트를 제거함을 주목하라. 대기 상태에서, 제어 엘리먼트(525)는 프로브 대기열이 비어있지 않기 때문에 즉시 트리거링된다. 그리고 나서, 제어 노드는 제어 상태로 다시 복귀하고 비확인(unacknowledged) 프로브 PDU를 전송한다.
도6은 본 발명의 센서 노드를 동작하는 방법(600)에 대한 흐름도이다. 구체적으로, 도6은 다양한 타입의 이벤트들에 대한 센서 노드의 다양한 상태들을 보여준다.
일 실시예에서, 센서 노드는 7개의 상태로 존재할 수 있다; 이들은 토폴로지 설정 상태, 루트 설정 상태, 신임(credential) 설정 상태, 대기 상태, 데이터 상태, 프로브 상태, 및 루트 상태이다.
단계(610)의 토폴로지 설정 상태에서, 센서(또는 중계) 노드는 피코넷에 참여하기 위한 매커니즘을 설정한다. 센서 노드는 문의 스캔(페이지 스캔) 처리들을 사용하여 피코넷에 참여를 시도한다. 문의 처리를 제어하는 2개의 파라미터들이 존재한다; 문의 스캔 듀레이션 및 문의 스캔 주기. 듀레이션은 문의 스캔이 얼마나 지속되는지를 결정하고, 주기는 얼마나 빈번히 문의 스캔이 발생되는지를 결정한다. 센서 노드는 또한 문의 및 페이지 처리들을 사용하여 그 이웃들을 결정하는 것을 시도한다. 피코넷 설정시에, 센서 노드는 루트 설정 상태로 복귀한다.
단계(620)의 루트 설정 상태에서, 센서(또는 중계) 노드는 제어 노드(들)로의 루트(들)를 설정하고 루트 요청 메세지 수신시에 그 인접한 이웃들로 루트 응답 메세지내의 라우팅 정보를 전달한다. 루트 응답 메세지는 센서/중계 노드에 의해 발생된 루트 요청 메세지에 대한 응답이다. 센서 전개 시나리오에서 제시된 바와 같이, 센서 노드는 TES-RES 싸이클이 종결될 때까지 TES-RES 싸이클에서 계속된다. TES-RES 싸이클이 완료되면, 센서 노드는 신임(credential) 설정상태로 들어가고, 여기서 중계 노드는 대기 상태로 들어간다.
단계(630)의 신임 설정 상태에서, 센서 노드는 신임 메세지를 제어 노드로 발생시킨다. 일 실시예에서, 신임 메세지는 센서 타입, 구성 파라미터들 및 다른 장치 특성들을 기술하는 정보를 포함한다. 그리고 나서, 센서는 대기 상태로 이동한다.
단계(640)의 대기 상태에서, 센서 노드는 4개의 이벤트들을 대기한다; 센서 데이터 이벤트(644), 프로브 수신 이벤트(642), 이동 이벤트(649) 또는 루트 이벤트(648). 센서 노드는 대기 상태에서 발생하는 이벤트에 따라 데이터 상태(647), 프로브 상태(645) 또는 토폴로지 설정 상태(610)로 이동한다. 센서 데이터 이벤트(DE)(644)는 센서 노드가 센서 데이터를 수신하는 경우 또는 센서 데이터를 송신하여야 하는 경우에 발생한다. 프로브 수신 이벤트(PE)(642)는 센서가 제어 노드로부터 프로브 메세지를 수신하는 경우에 발생한다. 이동 이벤트(ME)(649)는 센서 노드의 위치가 변경되는 경우에 발생한다.
이동 이벤트는 전송된 PDU 에 대한 기대된 ACK 가 도달하지 않는 경우에 탐지된다. 이러한 이벤트 탐지는 센서 노드가 토폴로지 설정 상태로 이동되도록 한다.
루트 이벤트(648)는 노드가 요구받지 않은(unsolicited) 루트 응답 메세지를 수신하는 경우에 발생한다. 제어 노드는 제어 노드가 위치를 변경하는 경우에 요요구받지 않은 루트 응답 메세지를 발생시킨다.
센서 노드는 데이터 이벤트(644) 발생 후에 대기 상태(640)로부터 데이터 상태(647)로 도달한다. 센서 노드는 데이터를 송신 또는 수신한다. 데이터가 제어 노드로 전송될 경우, 제어 노드는 적절한 PDU를 어셈블링하여 데이터를 제어노드로 전송한다. 센서 노드는 확인(ACK) PDU를 센서 데이터를 수신한 인접 이웃으로부터 기대한다. 정해진 시간내에 ACK가 도달하지 않으면, 센서 노드는 이동 이벤트(649)를 가정하고 토폴로지 설정 상태로 이동한다. 성공적인 토폴로지 설정,루트 및 신임 후에, 센서 노드는 대기 상태(640)로 이동한다. 센서 노드는 ACK PDU를 수신한 후에만 그 데이터 대기열로부터 엘리먼트를 제거함을 유의하여야 한다. 대기 상태에서, 데이터 대기열이 비어있기 때문에 데이터 이벤트가 즉시 트리거링된다. 그리고 나서, 센서 노드는 데이터 상태(647)로 다시 복귀하고 확인되지 않은 센서 PDU를 재-전송한다. 데이터가 수신될 예정이면(프로브 메세지), 센서 노드는 인입 데이터를 처리한다. 이러한 포인트에서, 센서 노드는 대기 상태(640)로 복귀한다.
센서 노드는 프로브 수신 이벤트가 발생하는 경우 대기 상태(640)로부터 프로브 수신 상태(645)로 들어간다. 센서 노드는 적절한 조치를 취하고 응답 ACKPDU를 전송한다. 프로브 수신이 센서 정보를 요청하는 경우, 센서는 데이터를 전송하고 그 이웃으로부터 ACK PDU를 기대한다. 어떠한 ACK 도 수신되지 않으면, 앞서 기술한 바와 같이 TES-RES 싸이클로 이동한다. 그리고 나서 대기 상태(640)로 이동한다. ACK PDU를 수신한 후에만, 센서 노드는 그 프로브 응답 대기열로부터 엘리먼트를 제거함을 주의하여야 한다. 대기 상태에서, 프로브 응답 대기열이 비어 있으면, 프로브 수신 이벤트가 트리거되고, 요청된 프로브 응답이 재-전송된다. 그리고 나서 센서 노드는 대기 상태로 복귀한다.
센서(또는 중계) 노드는 이웃 노드로부터 요구받지 않은 루트 응답 메세지를 수신할 때 대기 상태로부터 루트 상태(650)로 들어간다. 이러한 요구받지 않은 루트 응답 메세지는 제어 노드가 위치를 변경하는 경우에 제어 노드로부터 발생된다. 이러한 상태에서, 센서(또는 중계) 노드는 그 루트를 발신(originating) 제어 노드로 그 루트를 갱신하고 루트 응답 메세지를 그 이웃들로 전송한다. 그리고 나서 노드는 대기 상태로 복귀한다.
문의 스캔 처리는 모든 노드들의 대기 상태에서 내재함을 주목하여야 한다. 그렇지 않으면, 노드들은 절대 발견될 수 없다.
노드는 제어 노드(들)로의 하나 이상의 루트를 가질 수 있음을 주목하여야 한다. 루트 선택은 약간의 최적성 기준에 기반할 수 있다. 예를 들어, 루트 선택에 대한 가능한 매트릭들은 홉들의 수, 루트 시간 지연 및 링크들의 신호 강도일 수 있다. 이동 이벤트가 발생하는 경우, 제어 노드로의 새로운 루트가 홉들의 수의 관점에서 보면 최적이 아닐 수 있음을 주목하여야 한다. 최적 루트의 계산(메트릭으로서 홉들의 수를 사용함) 은 이동 이벤트가 발생하였음을 제어 노드에 지시하고 네트워크 노드들에 걸쳐 TES-RES 싸이클을 재-개시하는 것을 포함한다. 이러한 방법은 상당한 전력을 소비하고 또한 탐지 확률을 증가시킬 수 있다. 일 실시예에서, 최적의 홉들의 수를 획득하기 위해서 라우팅 메세지를 방송하지 않는 것이 바람직한데, 왜냐하면 이는 탐지 확률을 증가시키지만 배터리 전력을 소모하기 때문이다.
본 발명의 센서 네트워크에서 전개될 수 있는 노드들의 수에 대한 본질적인 제한은 존재하지 않는다. 또한 피코넷에 참여하여 노드들의 수에 대한 본질적인 제한도 존재하지 않는다. 비록 현재 블루투스 구현들이 8개 노드들의 이웃(피코넷)의 사이즈를 제한하지만, 본 발명은 그렇게 제한적이지 않다.
네트워크 토폴로지에서 저속의 토폴로지 변경들이 이동 이벤트 및 루트 이벤트를 통해 언급되었음을 주목하여여 한다. 네트워크 토폴로지는 노드들의 위치 변경 또는 고장 노드들에 기인하여 변경된다. 모든 노드들은 이동 이벤트를 지시하기 전에 대안적인 루트들을 시도한다. 대안적인 경로들이 홉들의 수의 관점에서 부-최적이지만, 패킷 전달 지연의 관점에서는 최적일 수 있다. 대안적인 경로들이 존재하지 않으면, 노드는 이동 이벤트를 표시할 것이다.
노드에서 대기열의 전개가 중요한 기능, 예를 들면 재전송에 필요한 메세지들의 저장을 제공함을 주목하여야 한다. 즉, 센서 및 제어 데이터의 재전송은 신뢰성있는 전달을 보장한다.
또한, 이벤트가 발생하지 않으면, 모든 노드들은 (배경 문의 스캔 처리를 제외하고) 조용히 유지된다. 이는 전력 소비를 최소화하고 탐지 가능성을 최소화한다.
마지막으로, 본 시스템은 물리 계층 프로토콜에 의해 제한되지 않는다. 위의 방법들 및 프로토콜들은 블루투스, 802.11B, 울트라 와이드 밴드 무선 또는 임의의 다른 물리 계층 프로토콜 상에서 구현될 수 있다.
도7은 본 발명의 네트워크 노드를 구현하는 일반적 목적의 계산 시스템 또는 계산 장치(700)에 대한 블록 다이아그램이다. 즉, 상술한 임의의 네트워크 노드들이 일반적 목적의 계산 시스템(700)을 사용하여 구현될 수 있다. 계산 시스템(700)은 중앙 처리 유닛(CPU)(710), 시스템 메모리(720), 및 복수의 입력/출력(I/O) 장치들(730)을 포함한다.
일 실시예에서, 상술한 신규한 프로토콜, 방법들, 데이터 구조들 및 다른 소프트웨어 모듈들이 메모리(720)내에 로딩되고 CPU(710)에 의해 동작된다. 대안적으로, 메모리(720)내의 다양한 소프트웨어 모듈(또는 이들의 부분)이 물리 장치들 또는 예를 들어 주문형 집적회로(ASIC)를 사용하여 하드웨어 및 소프트웨어의 조합으로서 구현될 수 있고, 여기서 소프트웨어는 저장 매체(예를 들면, 자기 또는 광학 장치 또는 디스켓)로 부터 로딩되고 컴퓨터의 메모리(720)에서 CPU에 의해 동작된다. 이와 같이, 상술한 신규한 프로토콜, 방법, 데이터 구조 및 다른 소프트웨어 모듈들 또는 이들의 부분은 예를 들어 RAM 메모리, 자기 또는 광학 드라이브 또는 디스켓 등과 같은 컴퓨터 판독가능 매체에 저장될 수 있다.
특정 네트워크 노드의 구현에 따라, I/O 장치들은 키보드, 마우스, 디스플레이, 저장 장치(예를 들면, 디스크 드라이브, 광학 드라이브 등), 스캐너, 프린터, 네트워크 인터페이스, 모뎀, 그래픽 서브시스템, 송신기, 수신기, 하나 이상의 센서들(예를 들면, 위치 추적 시스템(GPS) 수신기, 온도 센서, 진동 및 지진 센서, 음향 센서, 전압 센서 등)을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 다양한 제어기들, 버스 브릿지들, 및 인테페이스들(예를 들면, I/O 제어기, I/O 버스, AGP 버스 브릿지, PCI 버스 브릿지 등)이 도7에서 구체적으로 제시되어 있지 않다. 그러나, 당업자는 컴퓨터 시스템(700)내에서 다양한 인터페이스들이 전개될 수 있음을 잘 이해할 것이고, 예를 들어 AGP 버스 브릿지는 시스템 버스 등에 그래픽 서브시스템을 인터페이스하기 위해서 전개될 수 있다. 본 발명은 특정 버스 또는 시스템 구조로 제한되지 않음을 주지하여야 한다.
예를 들어, 본 발명의 센서 노드는 계산 시스템(700)을 사용하여 구현될 수 있다. 구체적으로, 계산 시스템(700)은 블루투스 스택, 라우팅 프로토콜(보안 및 서비스 요구조건들에 대한 품질을 포함할 수 있음), 및 지능형 센서 장치 프로토콜을 포함할 수 있다. 이러한 프로토콜들 및 방법들은 메모리(720)에 로딩된다.
본 발명은 비록 선호되는 실시예들을 통해 기술되었지만, 본 발명은 이들로 제한되지 않으며 다양한 변형이 가능함을 당업자는 잘 이해할 것이다.

Claims (10)

  1. 복수의 노드들을 갖는 센서 시스템(100)으로서,
    센서 이벤트를 탐지하기 위한 적어도 하나의 센서(122);
    상기 센서 이벤트를 수신하기 위해 상기 적어도 하나의 센서와 인터페이싱하는 센서 노드(120); 및
    복수의 노드들을 통해 루트를 경유하여 상기 센서 노드로부터 상기 센서 이벤트를 수신하기 위한 제어 노드(110)를 포함하는 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서 노드는 상기 센서 이벤트가 상기 적어도 하나의 센서로부터 수신되기까지 대기 상태(wait state)로 존재하는 센서 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서는 위치 추적 시스템(GPS) 수신기, 온도 센서, 전압 센서, 진동 센서, 또는 음향 센서(122)를 포함하는 센서 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서 시스템의 센서 노드들은 자기-조직적(self-organizing)인 센서 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서 시스템의 센서 노드들은 자기-치료적(self-healing)인 센서 시스템.
  6. 소비자 및 생산자 노드들을 포함하는 센서 시스템내에서 네트워크 노드를 설정하기 위한 방법으로서,
    a) 소비자 노드를 작동(activate)시키는 단계;
    b) 상기 소비자 노드에 의해 그 이웃 노드들로 상기 소비자 노드의 존재를 식별하는 메세지를 전송하는 단계;
    c) 상기 센서 시스템내의 모든 노드들로 상기 이웃 노드들의 각각에 의해 상기 메세지를 전달하는 단계; 및
    d) 상기 센서 시스템내의 각 노드에 의해 상기 소비자 노드로 루트를 기록하는 단계를 포함하는 네트워크 노드 설정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    e) 생산자 노드에 의해 상기 소비자 노드로 상기 생산자 노드의 파라미터들을 기술하는 메세지를 전송하는 단계를 추가로 포함하는 네트워크 노드 설정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 메세지는 센서 타입 또는 구성 파라미터들의 리스트를 포함하는 네트워크 노드 설정 방법.
  9. 소비자 및 생산자 노드들을 포함하는 센서 시스템내에서 네트워크 노드를 설정하는 방법으로서,
    a) 생산자 노드를 작동시키는 단계; 및
    b) 상기 생산자 노드를 대기 상태로 위치시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 생산자 노드는 루트가 소비자 노드로 이용가능함을 표시하는 메세지를 기다리는 네트워크 노드 설정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    c) 피코넷에 참여하기 위해서 그 이웃 노드들로 상기 생산자 노드에 의해 메세지를 전송하는 단계;
    d) 상기 소비자 노드로 루트를 설정하는 단계;
    e) 상기 소비자 노드에 대해 상기 생산자 노드의 특성을 식별하기 위해서 상기 소비자 노드로 신임(credential) 메세지를 전송하는 단계; 및
    f) 상기 생산자 노드가 대기 상태로 진입하도록 하는 단계를 포함하는 네트워크 노드 설정 방법.
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