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KR20110052111A - 프리앰블 샘플링을 위한 센서 노드 및 방법, 그리고, 프리앰블 간격 산출 장치 및 방법 - Google Patents

프리앰블 샘플링을 위한 센서 노드 및 방법, 그리고, 프리앰블 간격 산출 장치 및 방법 Download PDF

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KR20110052111A
KR20110052111A KR1020090109025A KR20090109025A KR20110052111A KR 20110052111 A KR20110052111 A KR 20110052111A KR 1020090109025 A KR1020090109025 A KR 1020090109025A KR 20090109025 A KR20090109025 A KR 20090109025A KR 20110052111 A KR20110052111 A KR 20110052111A
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KR
South Korea
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preamble
sampling
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probability
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박노성
도윤미
전종암
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한국전자통신연구원
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Abstract

프리앰블 샘플링을 위한 센서 노드 및 방법, 그리고, 프리앰블 간격 산출 장치 및 방법이 개시된다.
송수신부는 센서 네트워크에 위치하는 이웃 노드의 개수를 확인하며, 샘플링부는 확인된 이웃 노드의 개수를 고려하여 설정된 샘플링 구간을 이용하여 프리앰블 샘플링을 수행할 수 있다.
Figure P1020090109025
프리앰블, 샘플링, 전력, 센서 네트워크

Description

프리앰블 샘플링을 위한 센서 노드 및 방법, 그리고, 프리앰블 간격 산출 장치 및 방법{Sensor node and method for sampling preamble, and, apparatus and method for computing preamble interval }
본 발명은 프리앰블 샘플링을 위한 센서 노드 및 방법, 그리고, 프리앰블 간격 산출 장치 및 방법에 관한 것으로서, 이웃 노드를 포함하는 주변 환경을 고려하여 샘플링 구간을 정할 수 있는 프리앰블 샘플링을 위한 센서 노드 및 방법, 그리고, 프리앰블 간격 산출 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 산업기술평가관리원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2009-S-001-01, 과제명: u-City 적용 센서네트워크 시스템 개발].
센서 네트워크를 구성하는 송신 노드는 일반적으로 배터리로 동작한다. 따라서, 센서 네트워크의 수명을 극대화하기 위해서는 동작시간비율(Duty Cycle)을 낮추어 배터리 소모량을 줄여야 한다. 동작시간비율을 낮추기 위해서 사용되는 방법 중 하나가 프리앰블 샘플링을 이용한 비동기 방식의 MAC 프로토콜을 이용하는 것이다.
하지만 비동기 방식의 MAC 프로토콜을 이용하는 경우, 랜덤 백오프로 인해서 송신 노드가 프리앰블을 전송하는 간격이 일정하지 않다. 이러한 경우, 수신 노드는 프리앰블을 놓치지 않기 위해서 프리앰블 샘플링 구간을 과도하게 설정할 수 있다. 그러나, 과도한 샘플링 구간에 의해, 수신 노드는 전원을 많이 소모하게 되며, 결과적으로 수신 노드의 수명이 단축된다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 프리앰블 샘플링 구간을 신뢰도에 손상을 주지 않으면서 최소화하며, 배터리 수명을 최대화할 수 있도록 샘플링 구간을 설정할 수 있는 프리앰블 샘플링을 위한 센서 노드 및 방법, 그리고, 프리앰블 간격 산출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블 샘플링을 위한 센서 노드는, 센서 네트워크에 위치하는 이웃 노드의 개수를 확인하는 송수신부; 및 상기 확인된 이웃 노드의 개수를 고려하여 설정된 샘플링 구간을 이용하여 프리앰블 샘플링을 수행하는 샘플링부를 포함할 수 있다.
복수의 이웃 노드의 개수에 매핑되는 샘플링 구간을 저장하는 저장부를 더 포함하며, 상기 샘플링부는, 상기 확인된 이웃 노드의 개수에 매핑되는 샘플링 구간을 상기 저장부로부터 확인하여 상기 프리앰블 샘플링을 수행할 수 있다.
상기 샘플링부는, 상기 센서 네트워크에서의 트래픽 및 프리앰블의 전송 성공률을 고려하여 상기 샘플링 구간을 조정할 수 있다.
상기 샘플링부는, 상기 센서 네트워크의 상태가 기준값보다 악화되면 상기 설정된 샘플링 구간을 연장할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블 간격 산출 장치는, 송신 노드가 채널 획득에 실패할 확률, 상기 송신 노드가 채널 획득에 실패하여 프리앰블 전송 이 취소되기까지의 평균 시간 및 상기 채널 획득에 성공하여 프리앰블 전송이 성공하기까지의 평균 시간을 산출하는 제1산출부; 및 상기 제1산출부에서 산출된 두 평균 시간과, 이웃 노드의 개수에 따른 채널 획득에 성공할 확률을 이용하여 프리앰블 간격의 기대값을 산출하는 제2산출부를 포함할 수 있다.
상기 제2산출부에서 산출된 프리앰블 간격의 기대값, 상기 이웃 노드의 개수 및 프리앰블 신호의 길이를 이용하여 CCA(Clear Channel Assessment)가 실패할 확률을 산출하는 제3산출부; 및 상기 제3산출부에서 산출된 실패할 확률이 특정값으로 수렴하면 상기 산출된 프리앰블 간격의 기대값을 샘플링 구간으로 설정하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 CCA가 실패할 확률은 상기 이웃 노드의 개수에 비례할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제3산출부에서 산출된 실패할 확률이 상기 특정값으로 수렴할 때까지, 상기 제1 내지 제3산출부를 제어하여 상기 프리앰블 간격의 기대값을 산출하도록 할 수 있다.
상기 제2산출부에서 산출되는 프리앰블 간격의 기대값은 상기 이웃 노드의 개수에 비례할 수 있다.
상기 제어부는 상기 산출된 프리앰블 간격의 기대값과 동일하거나 큰 값을수신 노드에서의 샘플링 구간으로 설정할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 프리앰블 샘플링 방법은, 센서 네트워크에 위치하는 이웃 노드의 개수를 확인하는 단계; 및 상기 확인된 이웃 노드의 개수를 고려하여 설정된 샘플링 구간을 이용하여 프리앰블 샘플링을 수행하 는 단계를 포함할 수 있다.
복수의 이웃 노드의 개수에 매핑되는 샘플링 구간을 저장하는 단계를 더 포함하며, 상기 샘플링을 수행하는 단계는, 상기 확인된 이웃 노드의 개수에 매핑되는 샘플링 구간을 확인하여 상기 프리앰블 샘플링을 수행할 수 있다.
상기 샘플링을 수행하는 단계는, 상기 센서 네트워크에서의 트래픽 및 프리앰블의 전송 성공률을 고려하여 상기 샘플링 구간을 조정할 수 있다.
상기 샘플링을 수행하는 단계는, 상기 센서 네트워크의 상태가 기준값보다 악화되면 상기 설정된 샘플링 구간을 연장할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리앰블 간격 산출 방법은, 송신 노드가 채널 획득에 실패할 확률을 이용하여, 상기 송신 노드가 채널 획득에 실패하여 프리앰블 전송이 취소되기까지의 평균 시간 및 상기 채널 획득에 성공하여 프리앰블 전송이 성공하기까지의 평균 시간을 산출하는 단계; 및 상기 제1산출부에서 산출된 두 평균 시간과, 이웃 노드의 개수에 따라 채널 획득에 성공할 확률을 이용하여 프리앰블 간격의 기대값을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 산출된 프리앰블 간격의 기대값, 상기 이웃 노드의 개수 및 프리앰블 신호의 길이를 이용하여 CCA가 실패할 확률을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 실패할 확률이 특정값으로 수렴하면 상기 산출된 프리앰블 간격의 기대값을 샘플링 구간으로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 CCA가 실패할 확률은 상기 이웃 노드의 개수에 비례할 수 있다.
상기 산출되는 프리앰블 간격의 기대값은 상기 이웃 노드의 개수에 비례할 수 있다.
상기 설정하는 단계는, 상기 산출된 프리앰블 간격의 기대값과 동일하거나 큰 값을 수신 노드에서의 샘플링 구간으로 설정할 수 있다.
제안되는 본 발명의 일 실시예에 따르면, 프리앰블 샘플링 시간을 신뢰도에 손상을 주지 않으면서 최소화할 수 있다. 특히, 이웃 노드의 개수와 같은 주변환경을 고려하여 센서 네트워크에서 사용할 샘플링 구간을 산출함으로써, 수신 노드가 프리앰블을 놓칠 확률 및 수신 노드의 전력 소모를 최소화할 수 있다. 이는, 프리앰블이 전송될 것으로 예측되는 구간에서 샘플링을 시도하기 때문이다.
또한, 본 발명의 실시예가 적용되는 센서 네트워크는 유비쿼터스 환경에서 활용될 수 있으므로, 향후 다양한 분양에서 응용될 수 있다. 또한, 유비쿼터스 환경에서 각 센서 노드는 전력의 소모를 줄이고 신호 수신 성능은 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 이웃 노드의 개수 별로 샘플링 구간을 기산출하여 저장함으로써, 수신 노드는 별도의 산출과정 없이, 이웃 노드의 개수에 대응하는 샘플링 구간을 이용하여 적응적으로 샘플링을 수행할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 비동기 방식의 저전력 MAC 프로토콜을 사용하는 송수신 노드들이 통신하는 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 센서 네트워크는 제1 및 제2송신 노드와 한 개의 수신 노드를 포함한다. 제1 및 제2송신 노드는 CCA(Clear Channel Assessment) 방식을 통해 수신 노드에게 데이터를 전달할 수 있다. 센서 네트워크는 유비쿼터스 환경을 위한 지그비 네트워크에 구비될 수 있다.
각각 116, 117 시점에서 수신 노드에게 전송할 데이터가 발생한 경우, 제1 및 제2송신 노드는 웨이크업하여 프리앰블을 수신노드에게 전송할 수 있다. 제1 및 제2송신 노드는 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) 룰에 따라 프리앰블(101~104, 106~110)을 전송할 수 있다.
수신 노드는 주기적으로 프리앰블이 수신되었는지 샘플링할 수 있다. 도 1의 경우, 수신노드는 118 시점에서 깨어나, 제1송신 노드로부터 전송된 프리앰블(104)을 수신하고, 프리앰블ACK(112)를 제1송신 노드에게 전송한다.
제1송신 노드는 수신 노드로부터 프리앰블 ACK(112)를 수신하여 수신 노드가 깨어났음을 감지하고 수신 노드에게 데이터(105)를 전송할 수 있다. 데이터(105)를 수신한 수신 노드는 데이터 ACK(113)를 다시 제1송신 노드에게 전송할 수 있다. 제2송신 노드와 수신 노드도 상술한 바와 같은 방법으로 통신할 수 있으 며, 통신이 완료되면 슬립모드(sleep)로 진입할 수 있다.
상술한 바와 같이, 센서 네트워크에서는, 프리앰블을 전송할 때 마다 CSMA/CA를 거쳐야 한다. 이로써, 프리앰블 사이의 간격(이하, '프리앰블 간격'이라 한다)이 랜덤 백오프(Random Backoff)로 인해 가변적일 수 있다. 샘플링 구간(Sampling Duration)은 프리앰블 간격과 동일해야 하나, 프리앰블 간격이 가변적이므로 최적의 샘플링 구간을 사용하는 것이 적합하다. 최적의 샘플링 구간은, 프리앰블을 놓칠 확률을 낮추지 않으면서 배터리 소모를 줄일 수 있는 최소의 샘플링 구간을 의미한다.
최적의 샘플링 구간이 중요한 이유는 다음과 같을 수 있다. 이웃 노드가 많으면 경쟁이 심해서 프리앰블 간격이 길어 질 수 밖에 없으며, 이웃 노드가 적으면 반대로 프리앰블 간격이 짧아질 수 있다. 수신 노드에서의 샘플링 구간이 짧으면 수신 노드가 프리앰블을 놓칠 확률은 증가하지만, 짧은 시간만 프리앰블을 감지(Sampling)하므로 전원 소모가 감소할 수 있다. 따라서, 최적의 샘플링 구간은 전원소모를 감소시키기 위해서 짧아야 하지만 동시에 프리앰블을 놓칠 확률이 눈에 띄게 낮아질 정도로 짧아서도 안 되는 적절한 값이어야 한다.
반면, 수신 노드는 샘플링 구간이 길면 프리앰블을 놓치지 않고 안정적으로 수신할 수 있다. 다만, 프리앰블이 제1송신 노드 또는 제2송신 노드로부터 전송되지 않을 때도 지속적으로 프리앰블이 수신되었는지를 판단하기 위해 감지(sampling)해야 하므로 전원 소모가 극심화될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 주변 상황을 고려하여 최적의 샘플링 기간을 산출 할 수 있다. 주변 상황은 이웃 노드의 개수, 프리앰블의 전송 성공률 및 트래픽의 양 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 샘플링 구간 산출을 설명하기 위하여 센서 네트워크의 실시예를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에서는, IEEE 802.15.4의 CSMA/CA 알고리즘을 이용하여 프리앰블을 전송하는 경우에 대해서, 수학적 분석을 통하여 프리앰블 간격의 기대값을 구하고, 구한 프리앰블 간격의 기대값을 이용하여 최종적으로 샘플링 구간을 설정할 수 있다. 프리앰블 간격의 기대값은 이웃 노드가 N개일 때 임의 송신 노드에서 소요될 수 있는 프리앰블 간격을 예측한 값일 수 있다.
이러한 수학적 분석을 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이 N개의 송신 노드(210, 220, 230, 240, 도 2에서는 4개의 송신 노드가 존재한다.)와 1개의 수신 노드(250)가 스타(star) 형태 또는 메쉬(mesh) 형태로 구성된 센서 네트워크를 가정할 수 있다. 모든 수신 노드(250)와 송신 노드(210~240)는 서로 통신 가능하며, 예를 들어, IEEE 802.15.4의 CSMA/CA 알고리즘을 이용할 수 있다. 또한, 모든 수신 노드(250)와 송신 노드(210~240)는 서로 송신측 또는 수신측 노드로서 동작할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 N개의 송신 노드(210~240) 중 하나가 해당 송신 노드의 프리앰블 간격을 재생이론을 이용하여 산출할 수 있다. 재생이론에 의하면, 임의 송신 노드의 프리앰블 전송 과정은 도 4 및 도 5에 도시된 단계로 구분될 수 있다. 이하에서는, 송신 노드로서 제1송신 노드(201)를 예로 들어 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1송신 노드 및 수신 노드를 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 제1송신 노드(210)는 신호 감지부(211) 및 송수신부(213)를 포함할 수 있다.
신호 감지부(211)는 CCA 기법을 이용하여, 프리앰블을 전송할 채널에 다른 신호가 있는지를 감지할 수 있다. 신호 감지부(211)의 감지 결과, 채널에 신호가 없는 경우, 송수신부(213)는 채널을 통해 프리앰블을 전송함으로써 다른 신호와의 충돌을 방지할 수 있다. 신호 감지부(211)는 설정된 CCA 최대횟수(M)만큼 CCA를 연속적으로 시도할 수 있다. 최대횟수(M)만큼 CCA를 시도하여도 채널 획득에 실패하는 것은 후술할 level 1-1에 해당하며, 최대횟수(M) 이전에 채널 획득에 성공하는 것은 level 1-2에 해당한다.
도 4는 신호 감지부가 프리앰블을 전송하기 위한 채널 획득에 실패하는 단계를 설명하기 위한 도면, 도 5는 신호 감지부가 프리앰블을 전송하기 위한 채널 획득에 성공하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, level 1-1은, 신호 감지부(211)가 설정된 최대횟수(M)만큼 CCA를 시도하였으나, 연속적으로 M번 실패하여 프리앰블 전송이 실패(failure)한 경우를 보여준다. CCA #M은 CCA 수행 횟수, Backoff Stage는 랜덤 백오프 윈도우의 크기 또는 시간, Backoff Stage #M은 백오프가 발생한 횟수를 의미한다. 신호 감지부(211)는 모든 CCA 과정(401, 402, 403)에서 신호가 감지되어 채널 획득에 실패하였다. 최대횟수의 디폴트값으로 5가 설정된 경우, 신호 감지부(211)는 5번 의 CCA를 시도하여 채널 획득에 실패하면, 랜덤 백오프 기간 후 다시 CCA를 시도할 수 있다.
도 5를 참조하면, level 1-2는 신호 감지부(211)가 채널 획득에 성공하여 프리앰블을 전송하는 과정을 보여준다. 신호 감지부(211))는 CCA 과정(501, 502)에서는 채널 획득에 실패하였으나, i번째 CCA 과정(503)에서 채널을 획득(success)하였다. 따라서, 송수신부(213)는 획득된 채널을 통해 수신 노드(250)에게 프리앰블(504)을 전송할 수 있다.
도 6은 프리앰블이 전송되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
프리앰블은 적어도 한 번의 level 1-1 과정과, 마지막 한 번의 level 1-2 과정에 의해 전송될 수 있다. 또는, 프리앰블은 level 1-1 과정없이 한 번의 level 1-2 과정에 의해 전송될 수도 있다.
도 6의 경우, 두 번의 level 1-1(601, 602)과 한 번의 level 1-2(603)를 통해 프리앰블(P1)이 전송되고, 한 번의 level 1-1(604)과 한 번의 level 1-2(605)를 통해 프리앰블(P2)이 전송된다. P1이 전송되는 시점부터 P2가 전송되는 시점까지는 프리앰블 간격(d)이며, 곧, level 2의 사이클(cycle)이다. 재생이론에서, 사이클은 센서노드가 확률적으로 재생되는 시점 사이의 간격을 의미한다. 프리앰블을 전송하는 과정에서, 센서노드의 동작은 CCA의 성공 또는 실패 확률에 의존한다. 즉, 프리앰블(P1)을 전송한 후, 센서 노드가 확률적으로 재생되어 프리앰블(P2)를 전송한다. 프리앰블 사이의 간격(또는 사이클)은 매번 다르지만, 확률적으로는 CCA 성공/실패 확률에만 의존하는 동일한 과정이며, 이는 프리앰블을 한 번 전송하 면 재생되어서 같은 확률 모델로 다음 프리앰블이 언제 전송될지 예측될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1송신 노드(210)는 CCA 과정에 의해 채널을 획득하고,획득된 채널을 통해 프리앰블을 전송할 수 있다. 이 때, 프리앰블을 전송하는 간격은 랜덤 백오프에 의해 일정하지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 수신 노드(250)가, 주변 상황을 고려하여 산출된 최적의 샘플링 구간(Sampling Duration)을 이용하여 프리앰블 샘플링을 수행할 수 있다. 즉, 수신 노드(250)는 예측된 프리앰블 간격에 대응하는 샘플링 구간을 설정하고, 설정된 샘플링 구간 간격으로 샘플링을 시도할 수 있다. 이를 위하여, 수신 노드(250)에는 주변 상황을 고려하여 산출된 샘플링 구간이 저장될 수 있다.
다시, 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수신 노드(250)는 송수신부(251), 저장부(253) 및 샘플링부(255)를 포함할 수 있다. 먼저, 수신 노드(250)는 센서 네트워크에 위치하며, 다른 송신 노드(예를 들어, 202)에게 프리앰블을 전송하는 송신 노드로서 동작할 수도 있다.
송수신부(251)는 센서 네트워크에 위치하는 이웃 노드들과 통신하여 이웃 노드들의 개수(N)를 확인할 수 있다. 도 2의 경우, 이웃 노드들의 개수(N)는 4로 확인될 수 있다. 또한, 송수신부(251)는 이웃 노드들(210~240) 중 적어도 하나(예를 들어, 제1송신 노드)로부터 전송되는 프리앰블을 수신할 수 있다.
저장부(253)는 복수의 이웃 노드의 개수(N=1, 2, …, n, n은 상수)에 매핑되는 샘플링 구간을 저장할 수 있다. 예를 들어 저장부(253)에는 샘플링 구간이 아 래 [표 1]과 같이 룩업 테이블 형태로 저장될 수 있다. 저장되는 샘플링 구간은 산출되는 프리앰블 간격의 기대값과 동일하거나 클 수 있다.
이웃 노드의 개수(N) 샘플링 구간
2 2ms
3 3ms
샘플링부(255)는, 확인된 이웃 노드의 개수(N)를 고려하여 설정된 샘플링 구간을 이용하여 프리앰블 샘플링을 수행할 수 있다. 또는, 샘플링부(255)는 송수신부(251)에서 확인된 이웃 노드의 개수(N)에 매핑되는 샘플링 구간을 저장부(253)로부터 확인하고, 확인된 샘플링 구간에 기초하여 프리앰블 샘플링을 수행할 수 있다. 샘플링을 수행하는 주기가 설정되어 있는 경우, 샘플링부(255)는 설정된 주기 내에서, 확인된 샘플링 구간동안 프리앰블 샘플링을 시도 및 수행할 수 있다.
또한, 샘플링부(255)는 센서 네트워크에서의 트래픽 및 프리앰블의 전송 성공률을 고려하여, 저장부(253)에서 확인된 샘플링 구간을 조정할 수 있다. 예를 들어, 샘플링부(255)는, 센서 네트워크의 상태가 기설정된 기준값보다 악화되면 확인된 샘플링 구간을 연장할 수 있다. 트래픽 및 프리앰블의 전송 성공률은 송수신부(251)가 센서 네트워크의 노드들(210~250)과 통신한 결과로부터 알 수 있으며, 이는 주지된 기술에 의해 알 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따라 프리앰블 간격의 기대값을 산출하는과정을 설명한다.
프리앰블 간격(Preamble Interval)의 기대값, 즉, 최적의 프리앰블 간격 은 도 6과 같은 전송 과정을 참조하여 관리자가 컴퓨터와 같은 연산 장치를 이용하여 산출할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 사이클은 level 1-1 과정과 level 1-2 과정으로 구성된 기하분포적일 수 있다. 따라서, 프리앰블 간격의 기대값은 level 2에서의 평균 사이클의 길이, 즉, 시간과 동일할 수 있다. 이를 수식으로 표현하면 다음 [수학식 1]과 같다.
Figure 112009069489436-PAT00001
[수학식 1]을 참조하면, p는 level 1-2의 확률로서, 채널 획득에 성공하여 프리앰블을 전송할 확률이다. 따라서, 1-p는 level 1-1의 확률, 즉, 채널 획득에 실패할 확률이 될 수 있다.
또한, E[Tcycle]은 프리앰블 간격의 기대값, 즉, 예측되는 프리앰블 간격, E[Tlevel 1-1]은 CCA를 계속 실패하여 프리앰블 전송이 취소되는 level 1-1의 평균 시간, E[Tlevel 1-2]는 CCA 과정에 성공하여 프리앰블 전송에 성공하는 level 1-2의 평균 시간이다. [수학식 1]을 이용하여 산출되는 프리앰블 간격의 기대값은 수신 노드(250)에 저장되며, 수신 노드(250)는 저장된 프리앰블 간격의 기대값을 이용하여 샘플링 구간을 정할 수 있다.
상술한 바와 같이, level 1-1의 확률(1-p)은 CCA 과정이, 설정된 최대횟수(M)만큼 연속적으로 실패할 확률이다. 따라서, CCA 과정이 실패할 확률을 α라 하면, level 1-1의 확률(1-p)은 αM이다. level 1-2의 확률(p)은 1-αM이므로 결국 p는 1-αM이다. α는 [수학식 3]에 기재된 바와 같이, 이웃 노드의 개수(N)의 영향을 받으므로, [수학식 1]에 의한 프리앰블 간격의 기대값은 주변 상황을 고려하여 산출됨을 알 수 있다.
IEEE 802.15.4 규격에서, E[Tlevel 1-1]과 E[Tlevel 1-2]를 산출하는 식은 [수학식 2]와 같다.
Figure 112009069489436-PAT00002
[수학식 2]를 참조하면, E[Tlevel 1-1]은 CCA를 계속 실패하여 프리앰블 전송이 취소되는 level 1-1의 평균 시간, E[Tlevel 1-2]는 CCA 과정에 성공하여 프리앰블 전송에 성공하는 level 1-2의 평균 시간이다. 또한, M은 CCA를 시도할 수 있는 최대값, Wi는 각 백오프 스테이지(backoff stage #n)에서의 랜덤 백오프 윈도우의 최대값, TCCA는 CCA를 한번 수행하는데 소요되는 시간일 수 있다. 본 발명의 실시예가 IEEE 802.15.4 규격을 따르는 경우, TCCA는 128μs일 수 있다.
CCA가 실패할 확률(α)은 채널에 프리앰블 신호가 얼마나 많느냐에 따라 결 정될 수 있다. 일반적으로, 센서 네트워크에 있는 노드 수가 많을수록 프리앰블 수는 증가하며, 그 만큼 CCA가 실패할 확률이 높아질 수 있다. 이를 수식으로 표준화하면 다음 [수학식 3]과 같을 수 있다.
Figure 112009069489436-PAT00003
[수학식 3]을 참조하면, Tpreamble은 프리앰블 신호의 길이를 시간으로 환산한 값, N은 이웃 송신 노드의 개수이다. 센서 네트워크에 존재하는 모든 노드들은 도 6에 도시된 2 사이클에서 한 번의 프리앰블을 전송하므로, 한 사이클 동안 한 채널에는 N·Tpreamble 시간만큼의 신호가 존재할 수 있다. CCA를 수행하는 시점이 상기 신호가 존재하는 시간과 겹치면 CCA는 실패하게 되므로, CCA가 실패할 확률은 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 프리앰블 간격의 기대값을 산출하는 프리앰블 간격 산출 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7을 참조하면, 프리앰블 간격 산출 장치(700)는, 제1산출부(710), 제2산출부(720), 제3산출부(730) 및 제어부(740)를 포함할 수 있다.
제1산출부(710)는 송신 노드가 채널 획득에 실패할 확률, 송신 노드가 채널 획득에 실패하여 프리앰블 전송이 취소되기까지의 평균 시간 및 채널 획득에 성공하여 프리앰블 전송이 성공하기까지의 평균 시간을 산출할 수 있다.
구체적으로, 제1산출부(710)는 α의 초기값을 이용하여, 채널 획득에 실패 하여 프리앰블 전송이 취소되기까지의 평균 시간(E[Tlevel 1-1])과, 채널 획득에 성공하여 프리앰블 전송이 성공하기까지의 평균 시간(E[Tlevel 1-2])을 산출할 수 있다. 즉, E[Tlevel 1-1]는 CCA 과정을 연속 실패하여 프리앰블 전송이 취소되기까지의 평균 시간일 수 있으며, E[Tlevel 1-2]는 CCA 과정에 성공하여 프리앰블 전송이 성공하기까지의 시간일 수 있다.
제1산출부(710)는 [수학식 2]를 이용하여 상기 두 평균 시간을 산출할 수 있다. [수학식 2]에서 α의 초기값은 사용자가 임의로 입력하거나 또는 산출 장치(700)가 랜덤하게 설정할 수 있다. M은 각 송신 노드가 CCA를 연속 수행할 수 있는 최대횟수로 센서 네트워크 별로 설정될 수 있으며 변경가능하다.
제2산출부(720)는 제1산출부(710)에서 산출된 두 평균 시간과, 채널 획득에 성공하여 프리앰블을 전송할 수 있는 확률(p)을 이용하여 프리앰블 간격의 기대값(E[Tcycle])을 산출할 수 있다. 상술한 [수학식 1]에서, p=1-αM를 이용할 수 있다. 이 때, α는 [수학식 3]에 기재된 바와 같이 이웃 노드의 개수(N)의 영향을 받으므로, 프리앰블 간격의 기대값은 결과적으로 이웃 노드의 개수(N)를 고려하여 산출된다. 제2산출부(720)에서 산출되는 프리앰블 간격의 기대값은 이웃 노드의 개수(N)에 비례할 수 있다.
제3산출부(730)는 제2산출부(720)에서 산출되는 프리앰블 간격의 기대값(E[Tcycle]), 이웃 노드의 개수(N) 및 프리앰블 신호의 길이(Tpreamble)를 이용하 여 CCA가 실패할 확률(α)을 산출할 수 있다. 제3산출부(730)는 [수학식 3]을 이용하여 CCA가 실패할 확률(α)을 산출할 수 있다. CCA가 실패할 확률은 상기 이웃 노드의 개수에 비례할 수 있다.
제어부(740)는, 제3산출부(730)에서 산출된 실패할 확률이 특정값으로 수렴하면, 산출된 프리앰블 간격의 기대값을 샘플링 구간으로 설정할 수 있다. 또한, 제어부(740)는, 제3산출부(730)에서 산출된 실패할 확률이 특정값으로 수렴할 때까지, 제1 내지 제3산출부(730)를 제어하여 프리앰블 간격의 기대값을 산출하도록 할 수 있다. 특정값은 재생이론에 의해 정해지는 값일 수 있다.
또한, 제어부(740)는 산출된 프리앰블 간격의 기대값과 동일하거나 큰 값을 수신 노드에서의 샘플링 구간으로 설정하고, 설정된 샘플링 구간을 수신 노드에게 제공할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상술한 [수학식 1] 내지 [수학식 3]은 폐쇄 루프 형태를 이룰 수 있다. 따라서, 제어부(740)는 도 7에 도시된 바와 같이 α의 초기값을 [수학식 2]에 대입하고, [수학식 2]의 산출 결과를 [수학식 1]에 대입하며, [수학식 1]의 결과를 [수학식 3]에 대입하여 α를 산출하는 순환 반복을 계속하도록 제어할 수 있다. 제어부(740)는 [수학식 3]에서 산출되는 α가 특정값으로 수렴하여 더 이상 변하지 않을 경우, 순환 반복을 정지하고, 그 때의 E[Tcycle]를 프리앰블 간격의 기대값으로 정할 수 있다.
상술한 과정에 의해 산출되는 프리앰블 간격의 기대값은 각 노드에 샘플링 구간으로 설정될 수 있다. 따라서, 수신 노드로 동작하는 노드(250)는 산출된 프리앰블 간격의 기대값을 저장하고, 그 간격을 주기로 프리앰블 샘플링을 수행할 수 있다.
한편, 산출 장치(700)는 이웃 노드의 개수(N)를 변경하고, 각 개수(N)에 대응하는 프리앰블 간격의 기대값을 모두 산출할 수 있다. 산출되는 각 개수(N)에 매핑되는 프리앰블 간격의 기대값은 룩업테이블 형태로 각 노드(210~250)에 저장될 수 있다. 각 노드(210~250)는 수신 노드로 동작할 때, 이웃노드의 개수(N)를 확인하고, 확인된 개수(N)에 매핑되는 프리앰블 간격의 기대값을 샘플링 구간으로 설정하여 프리앰블 샘플링을 수행할 수 있다.
상술한 산출 장치(700)는 별도의 컴퓨터와 같은 장치로 구현되거나 또는 각 노드(210~250)에 설치되어 활용될 수 있음은 물론이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 센서 노드의 프리앰블 샘플링 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8에서는 센서 노드로서 수신 노드(250)를 예로 들어 설명한다.
810단계에서, 송수신부(251)는 센서 네트워크에 위치하는 이웃 노드들과 통신하여 이웃 노드들의 개수(N)를 확인할 수 있다.
820단계 및 830단계에서, 샘플링부(255)는 확인된 이웃 노드의 개수(N)를 고려하여 설정된 샘플링 구간을 이용하여, 프리앰블 샘플링을 수행할 수 있다. 특히, 샘플링부(255)는 810단계에서 확인된 이웃 노드의 개수(N)에 매핑되는 샘플링 구간을 저장부(253)로부터 확인하고, 확인된 샘플링 구간에 기초하여 프리앰블 샘 플링을 수행할 수 있다.
840단계에서, 샘플링부(255)가 프리앰블 샘플링을 수행하여 프리앰블을 검출하면, 850단계에서 수신 노드(250)는 웨이크업 모드로 진입할 수 있다. 그 후, 수신 노드(250)는 데이터 수신을 위한 일반적인 루틴을 수행할 수 있다. 예를 들어, 수신 노드(250)는 프리앰블 ACK를 송신 노드에게 전송하고, 송신 노드로부터 데이터를 수신할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 프리앰블 간격 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 910단계에서, 제1산출부(710)는 송신 노드가 채널 획득에 실패할 확률(α)을 이용하여, 프리앰블 전송이 취소되기까지의 평균 시간(E[Tlevel 1-1])을 산출할 수 있다. E[Tlevel 1-1]는 CCA를 연속 실패하여 프리앰블 전송이 취소되기까지의 평균 시간일 수 있다.
920단계에서, 제1산출부(710)는 송신 노드가 채널 획득에 실패할 확률(α)을 이용하여, 프리앰블 전송이 성공하기까지의 평균 시간(E[Tlevel 1-2])을 산출할 수 있다. E[Tlevel 1-2]는 CCA 과정에 성공하여 프리앰블 전송이 성공하기까지의 시간일 수 있다. 910단계 및 920단계에서 제1산출부(710)는 [수학식 2]를 이용할 수 있다.
930단계에서, 제2산출부(720)는 산출된 두 평균 시간(E[Tlevel 1-1], E[Tlevel 1- 2])과, 채널 획득에 성공하여 프리앰블을 전송할 수 있는 확률(p)을 이용하여 프리앰블 간격의 기대값(E[Tcycle])을 산출할 수 있다. 930단계에서 제2산출부(720)는 [수학식 1]을 이용할 수 있다.
940단계에서, 제3산출부(730)는 산출된 프리앰블 간격의 기대값(E[Tcycle]), 이웃 노드의 개수(N) 및 프리앰블 신호의 길이(Tpreamble)를 이용하여 CCA가 실패할 확률(α)을 산출할 수 있다. 940단계에서 제3산출부(730)는 [수학식 3]을 이용할 수 있다.
950단계에서, 산출된 확률(α)이 특정값으로 수렴하면, 960단계에서, 제어부(740)는 930단계에서 산출된 프리앰블 간격의 기대값을 샘플링 구간으로 설정할 수 있다.
반면, 950단계에서, 산출된 CCA가 실패할 확률(α)이 특정값으로 수렴하지 않으면, 제어부(740)는 제3산출부(730)에서 산출된 CCA가 실패할 확률(α)이 특정값으로 수렴할 때까지, 910단계 내지 940단계를 반복 순환할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예는 프리앰블 샘플링 방식의 비동기 저전력 MAC에서 주변 노드의 수에 맞게 적절한 샘플링 시간을 계산하는 방법을 이용한다. 이는 표준인 ZigBee Pro의 LPR (Low Power Router)과 IEEE 802.15.4e, TinyOS 등의 저전력 MAC 프로토콜에서 사용될 수 있다.
또한, 도 2와 같은 센서 네트워크는 유비쿼터스 환경에서 적응적으로 사용될 수 있으므로, 각 센서 노드의 전력을 최소화하면서 효율적으로 노드를 운영할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 비동기 방식의 저전력 MAC 프로토콜을 사용하는 송수신 노드들이 통신하는 실시예를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 샘플링 구간 산출을 설명하기 위하여 센서 네트워크의 실시예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1송신 노드 및 수신 노드를 도시한 블록도,
도 4는 신호 감지부가 프리앰블을 전송하기 위한 채널 획득에 실패하는 단계를 설명하기 위한 도면,
도 5는 신호 감지부가 프리앰블을 전송하기 위한 채널 획득에 성공하는 경우를 설명하기 위한 도면,
도 6은 프리앰블이 전송되는 과정을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 프리앰블 간격의 기대값을 산출하는 프리앰블 간격 산출 장치를 설명하기 위한 블록도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 센서 노드의 프리앰블 샘플링 방법을 설명하기 위한 흐름도, 그리고,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 프리앰블 간격 산출 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

Claims (19)

  1. 센서 네트워크에 위치하는 이웃 노드의 개수를 확인하는 송수신부; 및
    상기 확인된 이웃 노드의 개수를 고려하여 설정된 샘플링 구간을 이용하여 프리앰블 샘플링을 수행하는 샘플링부
    를 포함하는 프리앰블 샘플링을 위한 센서 노드.
  2. 제 1항에 있어서,
    복수의 이웃 노드의 개수에 매핑되는 샘플링 구간을 저장하는 저장부
    를 더 포함하며,
    상기 샘플링부는, 상기 확인된 이웃 노드의 개수에 매핑되는 샘플링 구간을 상기 저장부로부터 확인하여 상기 프리앰블 샘플링을 수행하는 프리앰블 샘플링을 위한 센서 노드.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 샘플링부는, 상기 센서 네트워크에서의 트래픽 및 프리앰블의 전송 성공률을 고려하여 상기 샘플링 구간을 조정하는 프리앰블 샘플링을 위한 센서 노드.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 샘플링부는, 상기 센서 네트워크의 상태가 기준값보다 악화되면 상기 설정된 샘플링 구간을 연장하는 프리앰블 샘플링을 위한 센서 노드.
  5. 송신 노드가 채널 획득에 실패할 확률, 상기 송신 노드가 채널 획득에 실패하여 프리앰블 전송이 취소되기까지의 평균 시간 및 상기 채널 획득에 성공하여 프리앰블 전송이 성공하기까지의 평균 시간을 산출하는 제1산출부; 및
    상기 제1산출부에서 산출된 두 평균 시간과, 이웃 노드의 개수에 따른 채널 획득에 성공할 확률을 이용하여 프리앰블 간격의 기대값을 산출하는 제2산출부
    를 포함하는 프리앰블 간격 산출 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제2산출부에서 산출된 프리앰블 간격의 기대값, 상기 이웃 노드의 개수 및 프리앰블 신호의 길이를 이용하여 CCA(Clear Channel Assessment)가 실패할 확률을 산출하는 제3산출부; 및
    상기 제3산출부에서 산출된 실패할 확률이 특정값으로 수렴하면 상기 산출된 프리앰블 간격의 기대값을 샘플링 구간으로 설정하는 제어부
    를 더 포함하는 프리앰블 간격 산출 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 CCA가 실패할 확률은 상기 이웃 노드의 개수에 비례하는 프리앰블 간격 산출 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제3산출부에서 산출된 실패할 확률이 상기 특정값으로 수렴할 때까지, 상기 제1 내지 제3산출부를 제어하여 상기 프리앰블 간격의 기대값을 산출하도록 하는 프리앰블 간격 산출 장치.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 제2산출부에서 산출되는 프리앰블 간격의 기대값은 상기 이웃 노드의 개수에 비례하는 프리앰블 간격 산출 장치.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 산출된 프리앰블 간격의 기대값과 동일하거나 큰 값을수신 노드에서의 샘플링 구간으로 설정하는 프리앰블 간격 산출 장치.
  11. 센서 네트워크에 위치하는 이웃 노드의 개수를 확인하는 단계; 및
    상기 확인된 이웃 노드의 개수를 고려하여 설정된 샘플링 구간을 이용하여 프리앰블 샘플링을 수행하는 단계
    를 포함하는 센서 노드의 프리앰블 샘플링 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    복수의 이웃 노드의 개수에 매핑되는 샘플링 구간을 저장하는 단계
    를 더 포함하며,
    상기 샘플링을 수행하는 단계는, 상기 확인된 이웃 노드의 개수에 매핑되는 샘플링 구간을 확인하여 상기 프리앰블 샘플링을 수행하는 센서 노드의 프리앰블 샘플링 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 샘플링을 수행하는 단계는, 상기 센서 네트워크에서의 트래픽 및 프리앰블의 전송 성공률을 고려하여 상기 샘플링 구간을 조정하는 센서 노드의 프리앰블 샘플링 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 샘플링을 수행하는 단계는, 상기 센서 네트워크의 상태가 기준값보다 악화되면 상기 설정된 샘플링 구간을 연장하는 센서 노드의 프리앰블 샘플링 방법.
  15. 송신 노드가 채널 획득에 실패할 확률을 이용하여, 상기 송신 노드가 채널 획득에 실패하여 프리앰블 전송이 취소되기까지의 평균 시간 및 상기 채널 획득에 성공하여 프리앰블 전송이 성공하기까지의 평균 시간을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 두 평균 시간과, 이웃 노드의 개수에 따라 채널 획득에 성공할 확률을 이용하여 프리앰블 간격의 기대값을 산출하는 단계
    를 포함하는 프리앰블 간격 산출 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 산출된 프리앰블 간격의 기대값, 상기 이웃 노드의 개수 및 프리앰블 신호의 길이를 이용하여 CCA가 실패할 확률을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 실패할 확률이 특정값으로 수렴하면 상기 산출된 프리앰블 간격의 기대값을 샘플링 구간으로 설정하는 단계
    를 더 포함하는 프리앰블 간격 산출 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 CCA가 실패할 확률은 상기 이웃 노드의 개수에 비례하는 프리앰블 간격 산출 방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 산출되는 프리앰블 간격의 기대값은 상기 이웃 노드의 개수에 비례하는 프리앰블 간격 산출 방법.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 설정하는 단계는, 상기 산출된 프리앰블 간격의 기대값과 동일하거나 큰 값을 수신 노드에서의 샘플링 구간으로 설정하는 프리앰블 간격 산출 방법.
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