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KR101533037B1 - 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치 및 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치 및 방법 Download PDF

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KR101533037B1
KR101533037B1 KR1020150027117A KR20150027117A KR101533037B1 KR 101533037 B1 KR101533037 B1 KR 101533037B1 KR 1020150027117 A KR1020150027117 A KR 1020150027117A KR 20150027117 A KR20150027117 A KR 20150027117A KR 101533037 B1 KR101533037 B1 KR 101533037B1
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KR
South Korea
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node
scheduling
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sensor
data
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추현승
박동한
임기열
황호진
Original Assignee
성균관대학교산학협력단
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Abstract

복수의 센서 노드를 포함하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 시, 복수의 센서 노드 중 전송할 데이터가 발생된 센서 노드를 소스 노드로 설정하고, 소스 노드로부터 나머지 센서 노드 전체로 데이터를 전달하는 경로를 추정하고, 복수의 센서 노드 별 듀티사이클 및 경로에 따른 센서 노드 별 리프 노드까지의 지연 시간에 기초하여, 기설정된 스케줄 주기 별 복수의 타임 슬롯에 데이터를 전달하는 송신 노드를 스케줄링하고, 스케줄링의 결과에 따른 스케줄 정보를 복수의 센서 노드로 제공하되, 추정된 경로에 기초하여 둘 이상의 송신 노드로부터 데이터를 수신하는 공통 수신 노드를 검출하여 공통 수신 노드와 동일 레벨 상의 센서 노드 각각의 리프 노드까지의 지연 시간을 비교한 결과에 따라 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 허용 또는 회피하도록 스케줄링한다.

Description

무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SCHEDULING OF WIRELESS SENSOR NETWORK}
본 발명은 듀티사이클이 적용된 무선 센서 네트워크에서의 데이터 전송 시 최소 지연을 보장하기 위한 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 무선 센서 네크워크에서는 데이터를 가진 노드가 자신의 전송 범위 내의 모든 이웃 노드에 데이터를 전송하기 위해 브로드캐스트 방식으로 데이터를 전송한다.
그런데, 이와같은 브로드캐스트 방식으로 데이터를 전송할 경우, 다수의 센서 노드 간에 동시에 데이터 전송이 발생할 경우 하나의 수신 노드가 둘 이상의 송신 노드로부터 동시에 데이터를 수신하게 되어 데이터 충돌 문제가 발생될 수 있다. 또한, 무선 센서 네트워크 상의 모든 센서 노드가 데이터를 수신하기까지 전송 지연이 발생될 수 있다.
한편, 무선 센서 네트워크의 각 노드들이 에너지 소모를 줄이기 위해 활성화 상태 및 비활성화 상태를 반복하는 듀티사이클이 적용된 무선 센서 네트워크에서의 브로드캐스트 스케줄링 방법들이 개발되고 있다.
이러한, 듀티사이클이 적용된 무선 센서 네트워크에서는 센서 노드가 자신의 활성화 타임 슬롯에서만 데이터를 수신할 수 있다. 따라서, 데이터를 갖고 있는 센서 노드는 아직 데이터를 수신받지 않은 이웃 노드가 깨어난 후에야 데이터를 전송할 수 있기 때문에 데이터 전송 지연이 발생된다. 또한, 센서 노드는 하나의 타임 슬롯에서 데이터 전송 또는 수신 중 어느 하나의 동작만 가능하기 때문에 데이터 전송 지연 및 충돌 문제가 더욱 커지게 된다.
이를 해결하기 위해, 노드의 모든 충돌을 회피하여 스케줄을 진행할 경우 추가적인 네트워크 지연이 발생할 수 있다. 따라서, 무선 센서 네트워크에서 노드 간 충돌을 가변적으로 허용 또는 회피하여 효율적인 브로드캐스트 스케줄링을 처리할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
이와 관련하여, 대한민국공개특허 제10-2008-0102882호(발명의 명칭: 가변 듀티 사이클을 이용한 센서 네트워크상의 통신 방법)에서는, 센서 네트워크상에서 센서 노드들의 듀티 사이클을 증가시키고, 통신에 참여하지 않는 노드들의 듀티 사이클을 감소시키는 통신 방법을 개시하고 있다. 구체적으로, 센서 노드들이 인접한 센서 노드들과 통신을 수행하지 않는 경우에 사이클 시간을 연장하고, 센서 노드들이 이벤트를 감지하거나 인접한 노드로부터 메시지를 수신한 경우에 사이클 시간을 단축하여 싱크 노드까지의 경로상의 상위 노드로 메시지를 전송하고, 다시 센서 노드들이 인접한 센서 노드들과 통신을 수행하지 않는 경우에 사이클 시간을 연장하되, 센서 노드들이 인접한 센서 노드들로부터 수신된 싱크 패킷에 포함되어 인접한 센서 노드가 전송할 메시지의 존재 여부를 나타내는 통신 비트가 설정되었는지 여부에 따라서 사이클 시간을 연장할지 여부를 결정하는 구성을 개시하고 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 스케줄링 시 특수한 상황에서 노드 충돌을 허용하여 네트워크의 데이터 전송 지연을 줄이는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 복수의 센서 노드를 포함하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치는, 상기 복수의 센서 노드 중 전송할 데이터가 발생된 소스 노드로부터 나머지 센서 노드 전체로 상기 데이터를 전달하는 경로들을 추정하는 경로 추정부; 상기 복수의 센서 노드 별 듀티사이클 및 상기 경로에 따른 센서 노드 별 리프 노드까지의 지연 시간에 기초하여, 기설정된 스케줄 주기 별 복수의 타임 슬롯에 상기 데이터를 전달할 송신 노드를 스케줄링하는 스케줄링부; 및 상기 스케줄링의 결과에 따른 스케줄 정보를 상기 복수의 센서 노드로 전송하는 스케줄 정보 제공부를 포함하며, 상기 스케줄링부는, 상기 추정된 경로에 기초하여 둘 이상의 송신 노드로부터 데이터를 수신하는 공통 수신 노드를 검출하고, 상기 공통 수신 노드와 동일 레벨 상의 센서 노드 각각의 리프 노드까지의 지연 시간을 비교한 결과에 따라 상기 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 허용 또는 회피하도록 스케줄링한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 복수의 센서 노드를 포함하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치를 통한 스케줄링 방법은, 상기 복수의 센서 노드 중 전송할 데이터가 발생된 센서 노드를 소스 노드로 설정하는 단계; 상기 소스 노드로부터 나머지 센서 노드 전체로 상기 데이터를 전달하는 경로를 추정하는 단계; 상기 복수의 센서 노드 별 듀티사이클 및 상기 경로에 따른 센서 노드 별 리프 노드까지의 지연 시간에 기초하여, 기설정된 스케줄 주기 별 복수의 타임 슬롯에 상기 데이터를 전달하는 송신 노드를 스케줄링하는 단계; 및 상기 스케줄링의 결과에 따른 스케줄 정보를 상기 복수의 센서 노드로 제공하는 단계를 포함하며, 상기 스케줄링하는 단계는, 상기 추정된 경로에 기초하여 둘 이상의 송신 노드로부터 데이터를 수신하는 공통 수신 노드를 검출하고, 상기 공통 수신 노드와 동일 레벨 상의 센서 노드 각각의 리프 노드까지의 지연 시간을 비교한 결과에 따라 상기 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 허용 또는 회피하도록 스케줄링한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 무선 센서 네트워크에서 노드 간 데이터 전송 충돌을 가변적으로 허용 또는 회피하여 데이터 전송 시 최소 딜레이의 브로드캐스트를 보장할 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 무선 센서 네트워크에서 긴 경로를 갖고 있는 노드에 우선적으로 데이터를 전송하기 위해 적어도 일부 노드에 대해 노드 충돌을 허용하도록 스케줄링함으로써, 네트워크 전체의 지연 시간을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드들의 데이터 전달 경로를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드 간 데이터 전송 충돌을 허용 또는 회피하는 스케줄링 방식을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 스케줄링 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 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 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
그리고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드들의 데이터 전달 경로를 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크는 듀티사이클이 적용된 네트워크이다. 여기서, 듀티사이클은 센서 노드들이 에너지 소모를 줄이기 위해 활성화 상태와 비활성화 상태를 반복하는 것을 의미한다. 즉, 듀티사이클이 적용된 무선 센서 네트워크에 포함된 센서 노드들은 각각 활성화 시간 및 비활성화 시간이 설정되어 있다. 여기서, 모든 센서 노드가 한번씩 활성화 시간이 경과되는 기간을 스케줄 주기라 하며, 한번의 스케줄 주기에는 복수의 타임 슬롯이 포함된다. 이러한 듀티사이클이 적용됨에 따라, 각 센서 노드는 하나의 타임 슬롯에서 데이터 전송 또는 수신 중 어느 하나의 동작을 수행한다. 구체적으로, 각 센서 노드는 자신의 활성화 시간에만 다른 센서 노드로부터 데이터를 수신할 수 있다. 또한, 각 센서 노드는 자신의 활성화 시간 및 비활성화 시간에 관계없이 자신이 가진 데이터를 다른 센서 노드로 전송할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서는 전송할 데이터가 발생된 센서 노드(이하, ‘소스 노드’라고 지칭함)가 네트워크 내 나머지 센서 노드 전체로 해당 데이터를 전달한다. 이때, 무선 센서 네트워크의 각 센서 노드들은 자신의 전송 범위 안에 있는 모든 이웃 노드에게 데이터를 전달하는 브로드캐스트 전송을 수행한다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀티사이클이 적용된 무선 센서 네트워크에서 브로드캐스트 전송을 수행할 경우, 하나의 타임 슬롯에서 복수의 센서 노드가 동일 센서 노드로 데이터를 전송하는 노드 충돌이 발생될 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치는 소스 노드로부터 나머지 센서 노드들 모두로 데이터를 전송함에 있어서 센서 노드 별 리프 노드(leaf node)까지의 지연 시간에 기초하여 노드 충돌을 허용 또는 회피할 수 있도록 스케줄링한다.
구체적으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치(100)는 경로 추정부(110), 스케줄링부(120) 및 스케줄 정보 제공부(130)를 포함한다.
경로 추정부(110)는 복수의 센서 노드(200-1 내지 200-n) 중 전송할 데이터가 발생된 소스 노드로부터 나머지 센서 노드 전체로의 데이터 전달 경로를 추정한다. 이때, 경로 추정부(110)는 소스 노드를 루트 노드(root node)로 설정하여 나머지 센서 노드들의 각 리프 노드까지의 경로를 추정하되, 각 경로의 길이가 최단 길이가 되는 최단 경로(Shortest path)를 추정한다.
예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, 경로 추정부(110)는 소스 노드(SN)로부터 나머지 센서 노드(a 내지 t) 모두로 데이터가 전송되도록 하는 최단 경로 트리(Shortest path tree)를 구성한다.
이때, 경로 추정부(110)는 소스 노드(SN) 이외의 나머지 센서 노드들(즉, 소스 노드의 자손 노드(descendent node))에 대해서 부모 노드(parent node) 및 자식 노드(child node)를 설정한다. 구체적으로, 경로 추정부(110)는 상기 나머지 센서 노드 중 커버되지 않는 센서 노드들의 개수가 가장 많은 센서 노드부터 순차적으로 부모 노드로 설정한다. 여기서, 부모 노드는 자신의 전송 범위 내 모든 센서 노드를 자식 노드로서 커버할 수 있다. 이에 따라, 도 2에 도시한 바와 같이 센서 노드들은 소스 노드로부터의 거리 및 노드 별 전송 범위에 기초하여 복수의 레벨로 계층화될 수 있다.
도 2에서와 같이, 소스 노드 SN이 루트 노드이며, 소스 노드 SN의 자식 노드로서 노드 a 및 노드 b가 설정된다. 이때, 노드 a는 노드 c 내지 f의 부모 노드이며, 노드 b는 노드 f 내지 h의 부모 노드가 된다. 즉, 는 노드 c 내지 f는 노드 a의 자식 노드이며, 노드 f 내지 h는 노드 b의 자식 노드로 설정된다. 이러한 과정을 통해 소스 노드로부터 나머지 센서 노드들 전체로의 부모 노드 및 자식 노드 설정 절차가 진행되며, 이러한 부모/자식 노드 설정 절차 수행을 통해 각 센서 노드 별로 리프 노드까지의 최단 거리 경로가 설정된다. 여기서, 부모 노드는 자식 노드로 데이터를 전송하는 송신 노드이며, 상대적으로 자식 노드는 부모 노드로부터 데이터를 수신하는 수신 노드이다. 이에 따라, 도 2에 도시한 바와 같이, 최초 메시지(즉, 전송할 데이터)가 발생된 소스 노드 SN으로부터 각 리프 노드(즉, 노드 r, s, t)까지 순차적으로 데이터가 전달된다.
경로 추정부(110)는 최단 경로 트리 정보 및 각 센서 노드 별 듀티사이클 정보(즉, 활성화 시간 및 비활성화 시간 정보)를 포함하는 경로 추정 정보를 스케줄링부(120)로 제공한다.
예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, 각 센서 노드는 0부터 3까지 중 어느 하나의 활성화 시간을 가지며, 이러한 활성화 시간에 따라 스케줄 주기의 타임 슬롯은 4개로 구성될 수 있다. 이처럼, 스케줄 주기 별 타임 슬롯의 개수는 무선 센서 네트워크의 센서 노드 별 활성화 시간의 분포에 따라 설정될 수 있으며, 센서 노드의 활성화 시간 분포는 네트워크 환경에 따라 최소 지연을 만족하도록 하는 조건에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 또한, 각 센서 노드 별 활성화 시간은 랜덤하게 설정될 수 있다.
스케줄링부(120)는 경로 추정부(110)를 통해 검출된 경로 추정 정보에 기초하여 스케줄 주기 별 타임 슬롯에 송신 노드를 스케줄링한다.
이때, 스케줄링부(120)는 경로 추정 정보에 포함된 최단 경로 트리로부터 센서 노드 별 리프 노드까지의 지연 시간(latency)을 추정할 수 있다. 여기서, 지연 시간은 임의의 센서 노드로부터 자신의 리프 노드까지 데이터를 전달하는데 소요되는 시간이다. 참고로, 센서 노드 별로 이웃 센서 노드들 각각에 대한 지연 시간은 사전에 설정되어 있을 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 센서 노드의 이웃 센서 노드 각각에 대한 지연 시간은, 해당 센서 노드와 이웃 센서 노드 간의 거리 및 데이터 전송 시간 등의 다양한 지연 조건에 기초하여 추정 또는 산출될 수 있다. 이러한, 센서 노드 별 이웃 센서 노드 각각에 대한 지연 시간들을 이용하여 센서 노드 별 리프 노드까지의 지연 시간을 추정할 수 있다.
그리고, 스케줄링부(120)는 최단 경로 트리 정보에 기초하여, 동일 레벨의 센서 노드 중 둘 이상의 부모 노드를 갖는 자식 노드(이하, “공통 수신 노드”라고 지칭함)을 검출한다. 여기서 공통 수신 노드는 둘 이상의 부모 노드(즉, 송신 노드)로부터 각각 데이터를 수신할 경우 노드 충돌이 발생되는 센서 노드를 의미한다. 이때, 스케줄링부(120)는 동일 레벨에서 공통 수신 노드 이외의 나머지 센서 노드들과 공통 수신 노드의 지연 시간을 비교하여 노드 충돌 허용 및 회피를 결정한다. 구체적으로, 스케줄링부(120)는 상기 나머지 센서 노드 중 적어도 하나의 센서 노드의 리프 노드까지의 지연 시간이 공통 수신 노드의 리프 노드까지의 지연 시간을 초과하는 경우 노드 충돌을 허용하는 스케줄링을 처리한다. 반면, 스케줄링부(120)는 상기 나머지 센서 노드들 각각의 리프 노드까지의 지연 시간이 공통 수신 노드의 리프 노드 까지의 지연 시간 이하인 경우 노드 충돌을 회피하는 스케줄링을 처리한다.
예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, 센서 노드 c 내지 h는 동일 레벨 상에 위치한다. 이때, 센서 노드 f는 송신 노드 a 및 b의 공통 수신 노드이다. 이와 같은 경우, 스케줄링부(120)는 센서 노드 f의 리프 노드까지의 지연 시간과 나머지 센서 노드들 각각의 리프 노드까지의 지연 시간을 비교하여 노드 충돌 허용 또는 회피를 결정한다. 도 2에서는, 센서 노드 f와 동일 레벨 상에 존재하는 나머지 센서 노드 중 센서 노드 c, g 및 h의 리프 노드까지의 지연 시간이 각각 10, 10 및 9로써, 센서 노드 f의 리프 노드까지의 지연 시간 2를 초과하는 것을 도시하였다. 즉, 센서 노드 f가 존재하는 레벨 상에는 센서 노드 f의 리프 노드까지의 지연 시간을 초과하는 센서 노드들이 존재하므로, 스케줄링부(120)는 공통 수신 노드인 센서 노드 f에 대해 노드 충돌을 허용하는 스케줄링을 처리한다.
한편, 도 2에서는 센서 노드 f외에도 센서 노드 l 또한 노드 충돌이 발생되는 것을 나타내었다. 센서 노드 l은 송신 노드 g 및 h의 공통 수신 노드로서, 센서 노드 l은 센서 노드 i, j, k 및 m과 동일 레벨 상에 존재한다. 이때, 도 2에 도시한 바와 같이, 센서 노드 i, j, k 및 m의 리프 노드까지의 지연 시간은 각각 7, 0, 1 및 6이며, 센서 노드 l의 리프 노드까지의 지연 시간은 7이다. 즉, 동일 레벨 상에 센서 노드 l의 리프 노드까지의 지연 시간을 초과하는 지연 시간을 갖는 센서 노드가 존재하지 않는 바, 스케줄링부(120)는 공통 수신 노드인 센서 노드 l에 대해 노드 충돌을 회피하는 스케줄링을 처리한다.
이처럼, 동일 레벨 상에 공통 수신 노드 보다 많은 수신 노드를 가진 센서 노드가 존재할 경우에는 노드 충돌을 허용함으로써, 가장 멀리 있는 노드가 스케줄의 우선 순위를 갖도록 하여 최소 지연 시간을 보장할 수 있다.
참고로, 스케줄링부(120)가 노드 충돌을 회피 및 허용하는 스케줄링을 처리하는 방식에 대해서는 하기 도 3을 통해 상세히 설명하도록 한다.
스케줄링 정보 제공부(130)는 스케줄링부(120)가 스케줄링한 결과에 따른 스케줄 정보를 무선 센서 네트워크 내 센서 노드들로 전송한다. 이에 따라, 복수의 센서 노드 별로 스케줄된 타임 슬롯에서 데이터를 전송 또는 수신하여, 소스 노드로부터 나머지 센서 노드들 모두로 데이터가 브로드캐스트된다.
공통 수신공통 수신이하, 도 2 및 도 3를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 스케줄링부(120)가 노드 충돌을 허용 및 회피하도록 스케줄링하는 과정에 대해서 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드 간 데이터 전송 충돌을 허용 또는 회피하는 스케줄링 방식을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3에서는 스케줄 주기(Period)가 0 내지 4까지 반복되고, 각 스케줄 주기에 0 내지 3까지의 4개의 타임 슬롯이 포함된 것을 나타내었다.
구체적으로, 도 3을 참조하면, 소스 노드 SN이 첫 번째 스케줄 주기(즉, 스케줄 주기 0)의 첫 번째 및 두 번째 타임 슬롯(즉, 타임 슬롯 0 및 1)에 각각 송신 노드로서 스케줄된다. 이때, 도 2에 도시한 바와 같이, 노드 a의 활성화 시간은 0으로 설정되어 있고 노드 b의 활성화 시간은 1로 설정되어 있다. 즉, 스케줄 주기 0의 타임 슬롯 0에 수신 노드 a에 대한 송신 노드 SN이 스케줄되고, 스케줄 주기 0의 타임 슬롯 1에 수신 노드 b에 대한 송신 노드 SN이 스케줄된다. 이와 같은 방식으로, 모든 센서 노드에 대한 스케줄링이 순차적으로 처리된다.
또한, 도 3에서와 같이, 소스 노드 SN의 자식 노드인 노드 a 및 b는 각각 활성화 시간이 2인 자식 노드들을 갖는다. 이때, 송신 노드 a는 수신 노드로서 노드 c 내지 f를 가지며, 송신 노드 b는 수신 노드로서 노드 f 내지 h를 갖는다. 즉, 수신 노드 f는 송신 노드 a 및 b로부터 각각 데이터를 수신하는 공통 수신 노드이다. 이에, 앞서 설명한 바와 같이, 스케줄링부(120)는 노드 f와 동일 레벨 상의 나머지 센서 노드들 각각의 리프 노드까지의 지연 시간을 비교하여 노드 충돌을 허용하는 스케줄링을 결정한다. 이에 따라, 도 3에서와 같이 스케줄 주기 0의 타임 슬롯 2에는 수신 노드 c, d, e, f에 대한 송신 노드 a와, 수신 노드 f, g, h에 대한 송신 노드 b가 함께 스케줄된다. 즉, 수신 노드 f에 대해 두 송신 노드 a 및 b가 함께 스케줄되어 노드 충돌이 허용된다. 참고로, 노드 충돌을 허용하여 스케줄링할 경우, 수신 노드 f는 송신 노드 a 또는 b 중 어느 하나로부터도 데이터를 수신하지 못하는 경우가 발생될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에서는 다음 스케줄 주기에 노드 충돌을 발생시킨 송신 노드 중 어느 하나가 공통 수신 노드로 데이터를 재전송하도록 스케줄링할 수 있다. 즉, 스케줄링부(120)는 공통 수신 노드를 갖는 둘 이상의 송신 노드 중 어느 하나를 다음 스케줄 주기의 타임 슬롯에 한번 더 스케줄링할 수 있다. 도 3에서는 송신 노드 b가 스케줄 주기 1의 타임 슬롯 2에 수신 노드 f에 대해 데이터를 재전송하도록 스케줄된 것을 나타내었다. 참고로, 노드 f의 자식 노드 j의 활성화 시간이 0이므로, 송신 노드 f는 스케줄 주기 2의 타임 슬롯 0에 스케줄된다.
다음으로, 송신 노드 a 및 b에 의해 노드 충돌이 발생한 수신 노드 f를 제외한 나머지 자식 노드들의 스케줄링이 처리된다. 즉, 송신 노드 a로부터 데이터를 수신하는 노드 중 자식 노드를 갖는 노드 c가 스케줄 주기 1에 스케줄된다. 이때, 노드 c는 활성화 시간이 1인 자식 노드 i를 가지며, 이에 따라 송신 노드 c가 스케줄 주기 1의 타임 슬롯 1에 스케줄된다. 또한, 송신 노드 b로부터 데이터를 수신하는 노드 중 자식 노드를 갖는 g 및 h가 스케줄 주기 1 또는 스케줄 주기 2에 스케줄된다. 구체적으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 송신 노드 g 및 h는 공통 수신 노드인 l을 가지며, 앞서 설명한 바와 같이 스케줄링부(120)는 노드 l과 동일 레벨 상의 나머지 센서 노드들 각각의 리프 노드까지의 지연 시간을 비교하여 노드 충돌을 회피하는 스케줄링을 결정한다. 이에 따라, 도 3에서와 같이 스케줄 주기 1의 타임 슬롯 1에 수신 노드 m 및 l에 대한 송신 노드 h가 스케줄된다. 그리고 스케줄 주기 2의 타임 슬롯 1에 송신 노드 g가 스케줄된다. 이와 같은 방식으로, 루트 노드 SN의 자손 노드들 모두에 대한 스케줄링이 순차적으로 진행된다. 결과적으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 소스 노드 SN으로부터 나머지 센서 노드 전체로 데이터의 브로드캐스트가 완료되기까지 4개의 스케줄 주기(스케줄 주기 0 내지 3)가 소요된다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 듀티사이클이 적용된 무선 센서 네트워크에서 특정 상황에 노드 충돌을 허용하여 최소 딜레이를 보장하는 스케줄링 방법에 대해서 상세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 스케줄링 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저, 듀티사이클이 적용된 무선 센서 네트워크의 복수의 센서 노드 중 전송할 데이터가 발생된 센서 노드를 확인한다(S411).
이때, 최초 메시지(즉, 전송할 데이터)가 발생된 센서 노드 외에 나머지 센서 노드들은 메시지가 없는 것으로 가정할 수 있다.
다음으로, 확인된 센서 노드를 소스 노드로 설정하여, 소스 노드로부터 나머지 센서 노드 전체로 데이터를 전달하는 경로를 추정한다(S412).
구체적으로, 나머지 센서 노드 중 커버되지 않는 센서 노드들의 개수가 가장 많은 센서 노드로부터 순차적으로 부모 노드로 설정하여 복수의 센서 노드를 복수의 레벨로 계층화한다. 이때, 소스 노드로부터 나머지 센서 노드 전체로 데이터가 브로드캐스트되도록 하되, 소스 노드를 루트 노드로하여 자손 노드들에 대해 리프 노드까지의 경로 길이가 최단 거리가 되도록 하는 최단 경로 트리를 구성한다.
그런 후, 추정된 경로에 따른 센서 노드 별 리프 노드까지의 지연 시간 및 센서 노드 별 듀티사이클에 기초하여 스케줄 주기 별 복수의 타임 슬롯에 송신 노드를 스케줄링한다(S413).
이때, 추정된 경로에 기초하여 둘 이상의 송신 노드로부터 데이터를 수신하는 공통 수신 노드를 검출하고, 공통 수신 노드와 동일 레벨 상의 센서 노드 각각의 리프 노드까지의 지연 시간을 비교한 결과에 따라 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 허용 또는 회피하도록 스케줄링할 수 있다.
구체적으로, 동일 레벨 상에서 공통 수신 노드의 리프 노드까지의 지연 시간을 초과하는 센서 노드가 존재하는 경우 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 허용하도록 스케줄링하고, 동일 레벨 상 공통 수신 노드 이외의 나머지 센서 노드 별 리프 노드까지의 지연 시간이 모두 공통 수신 노드의 리프 노드까지의 지연 시간 이하인 경우 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 회피하도록 스케줄링한다. 이때, 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 허용하는 스케줄링 시, 하나의 타임 슬롯에 공통 수신 노드로 데이터를 전달하는 둘 이상의 송신 노드를 함께 스케줄링할 수 있다. 반면에, 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 회피하는 스케줄링 시, 하나의 타임 슬롯에 상기 공통 수신 노드로 데이터를 전달하는 둘 이상의 송신 노드 중 어느 하나만 스케줄링할 수 있다. 예를 들어, 둘 이상의 송신 노드 중 어느 하나를 현재 스케줄 주기에 스케줄링하고, 스케줄되지 못한 송신 노드는 다음 스케줄 주기로 미뤄 스케줄링할 수 있다.
또한, 노드 충돌 허용 시 해당 수신 노드는 데이터를 수신하지 못할 수 있으므로, 동일 수신 노드를 갖는 둘 이상의 송신 노드 중 어느 하나를 다음 스케줄 주기의 타임 슬롯에 한번 더 스케줄링할 수 있다.
그런 후, 스케줄링의 결과에 따른 스케줄 정보를 상기 복수의 센서 노드로 제공한다(S414).
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치
110: 경로 추정부
120: 스케줄링부
130: 스케줄 정보 제공부
200-1 내지 200-n: 센서 노드

Claims (12)

  1. 복수의 센서 노드를 포함하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치에 있어서,
    상기 복수의 센서 노드 중 전송할 데이터가 발생된 소스 노드로부터 나머지 센서 노드 전체로 상기 데이터를 전달하는 경로들을 추정하는 경로 추정부;
    상기 복수의 센서 노드 별 듀티사이클 및 상기 경로에 따른 센서 노드 별 리프 노드까지의 지연 시간에 기초하여, 기설정된 스케줄 주기 별 복수의 타임 슬롯에 상기 데이터를 전달할 송신 노드를 스케줄링하는 스케줄링부; 및
    상기 스케줄링의 결과에 따른 스케줄 정보를 상기 복수의 센서 노드로 전송하는 스케줄 정보 제공부를 포함하며,
    상기 스케줄링부는,
    상기 추정된 경로에 기초하여 둘 이상의 송신 노드로부터 데이터를 수신하는 공통 수신 노드를 검출하고, 상기 공통 수신 노드와 동일 레벨 상의 센서 노드 각각의 리프 노드까지의 지연 시간을 비교한 결과에 따라 상기 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 허용 또는 회피하도록 스케줄링하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스케줄링부는,
    상기 동일 레벨 상에서 상기 공통 수신 노드의 리프 노드까지의 지연 시간을 초과하는 센서 노드가 존재하는 경우 상기 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 허용하도록 스케줄링하고,
    상기 동일 레벨 상 상기 공통 수신 노드 이외의 나머지 센서 노드 별 리프 노드까지의 지연 시간이 모두 상기 공통 수신 노드의 리프 노드까지의 지연 시간 이하인 경우 상기 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 회피하도록 스케줄링하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스케줄링부는,
    상기 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 허용하는 스케줄링 시, 하나의 타임 슬롯에 상기 공통 수신 노드로 데이터를 전달하는 둘 이상의 송신 노드를 함께 스케줄링하고,
    상기 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 회피하는 스케줄링 시, 하나의 타임 슬롯에 상기 공통 수신 노드로 데이터를 전달하는 둘 이상의 송신 노드 중 어느 하나만 스케줄링하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 스케줄링부는,
    상기 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 허용하는 스케줄링 시,
    상기 공통 수신 노드를 갖는 둘 이상의 송신 노드 중 어느 하나를 다음 스케줄 주기의 타임 슬롯에 한번 더 스케줄링하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 경로 추정부는,
    상기 소스 노드를 루트 노드로하여 상기 복수의 센서 노드 별 리프 노드까지의 길이가 최단 길이가 되는 경로를 추정하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 경로 추정부는,
    상기 소스 노드의 자손 노드 중 커버되지 않은 센서 노드를 가장 많이 가진 센서 노드부터 순차적으로 부모 노드로 설정하여 상기 복수의 센서 노드를 복수의 레벨로 계층화하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 센서 노드는 각각 자신의 전송 범위 내 모든 이웃 센서 노드로 상기 데이터를 전송하는 것인 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치.
  8. 복수의 센서 노드를 포함하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 장치를 통한 스케줄링 방법에 있어서,
    상기 복수의 센서 노드 중 전송할 데이터가 발생된 센서 노드를 소스 노드로 설정하는 단계;
    상기 소스 노드로부터 나머지 센서 노드 전체로 상기 데이터를 전달하는 경로를 추정하는 단계;
    상기 복수의 센서 노드 별 듀티사이클 및 상기 경로에 따른 센서 노드 별 리프 노드까지의 지연 시간에 기초하여, 기설정된 스케줄 주기 별 복수의 타임 슬롯에 상기 데이터를 전달하는 송신 노드를 스케줄링하는 단계; 및
    상기 스케줄링의 결과에 따른 스케줄 정보를 상기 복수의 센서 노드로 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 스케줄링하는 단계는,
    상기 추정된 경로에 기초하여 둘 이상의 송신 노드로부터 데이터를 수신하는 공통 수신 노드를 검출하고, 상기 공통 수신 노드와 동일 레벨 상의 센서 노드 각각의 리프 노드까지의 지연 시간을 비교한 결과에 따라 상기 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 허용 또는 회피하도록 스케줄링하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 스케줄링하는 단계는,
    상기 동일 레벨 상에서 상기 공통 수신 노드의 리프 노드까지의 지연 시간을 초과하는 센서 노드가 존재하는 경우 상기 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 허용하도록 스케줄링하고,
    상기 동일 레벨 상 상기 공통 수신 노드 이외의 나머지 센서 노드 별 리프 노드까지의 지연 시간이 모두 상기 공통 수신 노드의 리프 노드까지의 지연 시간 이하인 경우 상기 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 회피하도록 스케줄링하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 스케줄링하는 단계는,
    상기 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 허용하는 스케줄링 시, 하나의 타임 슬롯에 상기 공통 수신 노드로 데이터를 전달하는 둘 이상의 송신 노드를 함께 스케줄링하고,
    상기 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 회피하는 스케줄링 시, 하나의 타임 슬롯에 상기 공통 수신 노드로 데이터를 전달하는 둘 이상의 송신 노드 중 어느 하나만 스케줄링하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 스케줄링하는 단계는,
    상기 공통 수신 노드에 대한 데이터 전송 충돌을 허용하는 스케줄링 시, 상기 공통 수신 노드를 갖는 둘 이상의 송신 노드 중 어느 하나를 다음 스케줄 주기의 타임 슬롯에 한번 더 스케줄링하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 경로를 추정하는 단계는,
    상기 소스 노드의 자손 노드 중 커버되지 않은 센서 노드를 가장 많이 가진 센서 노드로부터 순차적으로 부모 노드로 설정하여 상기 복수의 센서 노드를 복수의 레벨로 계층화하는 단계; 및
    상기 소스 노드를 루트 노드로하여 상기 복수의 센서 노드 별 리프 노드까지의 길이가 최단 길이가 되는 경로를 추정하는 단계를 포함하는 무선 센서 네트워크의 스케줄링 방법.
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