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KR102165318B1 - Tsch 환경에서 다중 경로 전송 지원을 위한 방법 및 다중 경로 전송 tsch 환경의 노드장치 - Google Patents

Tsch 환경에서 다중 경로 전송 지원을 위한 방법 및 다중 경로 전송 tsch 환경의 노드장치 Download PDF

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KR102165318B1
KR102165318B1 KR1020190034551A KR20190034551A KR102165318B1 KR 102165318 B1 KR102165318 B1 KR 102165318B1 KR 1020190034551 A KR1020190034551 A KR 1020190034551A KR 20190034551 A KR20190034551 A KR 20190034551A KR 102165318 B1 KR102165318 B1 KR 102165318B1
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 TSCH를 사용하는 통신 환경에서 단일 경로가 아닌 다중 경로 기법을 이용함으로써 경로들의 신뢰성을 높이고, 트래픽을 분산하여 전송 지연을 감소시킬 수 있는 방법에 관한 기술로서, 트래픽의 포워딩이 실시될 스케줄을 복수의 부모 노드장치와 동일하게 설정하는 스케줄 설정부, 부모 노드장치에서 수신된 통계정보를 이용하여 트래픽 비율을 설정하는 트래픽 배정부, 트래픽 비율에 대응하여 복수의 부모 노드장치의 ASN(Absolute Slot Number)을 설정하는 슬롯관리부, 스케줄에 대응하여 복수의 부모 노드장치에 ASN 및 트래픽을 전달하는 통신부를 포함한다.

Description

TSCH 환경에서 다중 경로 전송 지원을 위한 방법 및 다중 경로 전송 TSCH 환경의 노드장치 {METHOD FOR SUPPORTING MULTIPATH TRANSMISSION FOR TSCH MAC ENVIRONMENTS, NODE APPARATUS IN A MULTIPATH TRANSMITTING TSCH MAC ENVIRONMENT}
본 발명은 TSCH 환경에서 다중 경로 전송 지원을 위한 방법 및 다중 경로 전송 TSCH 환경의 노드장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 TSCH를 사용하는 통신 환경에서 단일 경로가 아닌 다중 경로 기법을 이용함으로써 경로들의 신뢰성을 높이고, 트래픽을 분산하여 전송 지연을 감소시킬 수 있는 방법에 관한 기술이다.
TSCH(Time Slotted Channel Hopping) MAC(Media Access Control) 기술은 IEEE 802.15.4e MAC 개정에 포함된 MAC 기술로써, WIrelessHART 나 ISA100.11a와 같은 산업 무선 센서 네트워크를 위한 표준 기술로 높은 신뢰성과 안정성을 제공한다.
TSCH 네트워크에 참여한 장치들은 모두 시간에 대하여 동기화(Synchronization)되며, 타임 슬롯(time-slot) 단위의 시간으로 동작하고, 여러 개의 타임 슬롯을 묶어 슬롯프레임을 구성하며 이를 동작 시간 동안 지속적으로 반복한다.
각각의 타임 슬롯에서는 슬립(Sleep), 전송(Transmit), 수신(Receive)의 동작 중 하나를 선택하여 수행하며, 전송 및 수신 시 채널 호핑(Channel Hopping)을 통하여 매 타임 슬롯 마다 사용하는 주파수(Frequency)를 지속적으로 변경한다.
각 타임 슬롯에서의 행동을 정하기 위해서는 전송과 수신을 위하여 어떤 타임 슬롯(시점)에 어떤 노드와 어떤 채널의 주파수를 통하여 통신을 할지 결정을 할 스케줄링을 필요로 한다. 이러한 문제를 TSCH 링크 스케줄링(Link Scheduling)이라 부르며 TSCH MAC의 높은 신뢰성과 안정성 제공을 위해 필수적이다.
링크 스케줄링은 두 노드 간에 통신하기로 한 슬롯 프레임 내의 상대적인 타임 슬롯인 슬롯 오프셋(slotOffset)과 가용 채널 리스트의 인덱스인 채널 오프셋(channelOffset)을 묶은 링크를 두 장치에 할당한다. 이 링크(slotOffset, channelOffset)를 두 장치에 할당함으로써 약속된 시간과 채널을 사용하여 안정적으로 통신을 수행 할 수 있다.
시간이 흐름에 따라 TSCH MAC에서는 각 슬롯이 진행하게 되는데, 이때 지나간 슬롯의 개수를 세어서 ASN(Absolute Slot Number)이라 한다. 한 슬롯 프레임의 길이는 IEEE 802.15.4e에서 101을 표준으로 명시하고 있다. 따라서 슬롯 길이의 일의 자리가 1, 즉 제너레이터 숫자 이므로 ASN은 0부터 9까지 고르게 분포하는 것을 보장한다.
하지만, TSCH 링크 메커니즘은 두 노드간의 통신만 정의하고 있어 주변에 다른 노드들이 위치하더라도 링크가 성립된 한 노드만을 이용하여 자신의 트래픽 및 자신의 하위 노드의 트래픽을 전송한다. 이는 특정 노드의 에너지 사용량만을 급증 시킬 수 있고, 해당 노드가 실패 또는 고장의 경우에는 기존의 링크를 버리고 새로운 링크를 할당 받기까지 복구(Recovery)에 많은 오버헤드(overhead)를 유발하는 문제가 있다.
산업 영역을 위한 IoT 기술인 IIoT(Industrial IoT)에서는 거대한 발전 터빈이나 가열로, 컨베이어, 공장의 철골 구조물 등 통신에 제한이 되는 구조물 들이 존재한다. 이러한 IIoT를 위한 IEEE 802.15.4e TSCH MAC 기술은 시분할 접근(Time Slotted Access)과 채널 호핑(Channel Hopping) 특성을 통해 높은 신뢰도와 안정성을 제공한다. 하지만, 종래와 같이 단일 경로를 통한 전송을 이용한다면 장애가 발생될 때 복구에 많은 시간과 통신 장치의 에너지 자원을 소모하게 된다.
다른 제안된 많은 다중 경로 전송 기술들은 CSMA/CA MAC 상에서 동작하는 기술로 IIoT와 같은 산업 환경에서 필요로 하는 높은 신뢰성과 안정성을 보여 주지 못한다. 특히 다중 경로 페이딩(Multipath Fading)과 같은 물리적인 문제는 TSCH 만큼 안정적으로 대응하기 어렵다. 예를 들어, CSMA/CA MAC을 이용하는 경우, A라는 채널 오프셋을 이용하여 통신을 한다고 가정할 때, 제일 먼저 직선으로 도착한 전파 B와 산업 환경에 위치한 철골 구조물을 통해 반사되어 뒤늦게 도착한 B`의 전파에 대한 처리가 필요한 한계가 있다.
한국공개특허공보 제10-2017-0036760호
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 TSCH를 사용하는 통신 환경에서 단일 경로가 아닌 다중 경로 기법을 이용함으로써 경로들의 신뢰성을 높이고, 트래픽을 분산하여 전송 지연을 감소시킬 수 있는 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 다중 경로 전송 TSCH 환경의 자녀 노드장치는, TSCH(Time Slotted Channel Hopping) 환경에서 트래픽을 생성 및 포워딩하는 자녀 노드장치에 있어서, 트래픽의 포워딩이 실시될 스케줄을 복수의 부모 노드장치와 동일하게 설정하는 스케줄 설정부; 부모 노드장치에서 수신된 통계정보를 이용하여 트래픽 비율을 설정하는 트래픽 배정부; 상기 트래픽 비율에 대응하여 복수의 부모 노드장치의 ASN(Absolute Slot Number)을 설정하는 슬롯관리부; 상기 스케줄에 대응하여 복수의 부모 노드장치에 ASN 및 트래픽을 전달하는 통신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 트래픽 배정부는, 부모 노드장치 i의 ETX를 반영한 전송 비율(
Figure 112019031036928-pat00001
), 부모 노드장치 i의 에너지량을 반영하여 전송될 패킷의 비율(
Figure 112019031036928-pat00002
), 및 평준화 변수(
Figure 112019031036928-pat00003
)를
Figure 112019031036928-pat00004
에 대입하여 부모 노드장치 i의 트래픽 비율(
Figure 112019031036928-pat00005
)을 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 부모 노드장치와 약속된 슬롯 오프셋 및 채널 오프셋과, 복수의 부모 노드장치의 주소를 저장하는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 저장부에 저장된 슬롯 오프셋 및 채널 오프셋을 이용하여 다중 경로 전송을 위해 이용할 노드장치를 선택하여 부모 노드장치로 설정하는 노드선정부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 스케줄 설정부는 상기 스케줄이 만료되면, 오버헤드를 방지하기 위해 설정된 스케줄을 해제하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, TSCH(Time Slotted Channel Hopping) 환경에서 자녀 노드장치에서 전달된 트래픽을 포워딩하는 부모 노드장치에 있어서, 상기 자녀 노드장치와 트래픽의 포워딩이 실시될 스케줄을 동일하게 설정하는 스케줄 설정부; 전송 또는 수신된 패킷 수, ETX(Expected Transmission Count)가 포함된 통계정보를 생성하여 상기 자녀 노드장치에 전달하는 통계생성부; 상기 자녀 노드장치가 상기 통계정보를 이용하여 설정한 ASN(Absolute Slot Number)를 기억하는 슬롯관리부; 상기 자녀 노드장치에서 ASN 및 트래픽이 수신되면, 상기 ASN이 상기 슬롯관리부에 기억된 값과 일치할 때 상기 트래픽을 포워딩하는 통신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스케줄 설정부는 상기 스케줄이 만료되면, 설정된 스케줄을 해제하는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 TSCH 환경에서 다중 경로 전송 지원을 위한 방법은, 자녀 노드장치가 트래픽의 포워딩이 실시될 스케줄을 복수의 부모 노드장치와 동일하게 설정하는 단계; 상기 부모 노드장치가 전송 또는 수신된 패킷 수, ETX(Expected Transmission Count)가 포함된 통계정보를 생성하여 상기 자녀 노드장치에 전달하는 단계; 상기 자녀 노드장치가 상기 통계정보를 이용하여 복수의 부모 노드장치의 트래픽 비율을 설정하는 단계; 상기 자녀 노드장치가 상기 트래픽 비율에 대응하여 복수의 부모 노드장치의 ASN(Absolute Slot Number)을 설정하고, 설정된 ASN을 해당 부모 노드장치에 전달하는 단계; 상기 부모 노드장치가 상기 자녀 노드장치에서 전달받은 ASN을 기억하는 단계; 상기 자녀 노드장치가 상기 스케줄에 대응하여 상기 부모 노드장치에 ASN 및 트래픽을 전달하는 단계; 상기 부모 노드장치가 상기 자녀 노드장치로부터 ASN 및 트래픽이 수신되면, 상기 ASN이 기억된 값과 일치할 때 상기 트래픽을 포워딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자녀 노드장치가 트래픽의 포워딩이 실시될 스케줄을 복수의 부모 노드장치와 동일하게 설정하는 단계는, 상기 자녀 노드장치가 어느 한 부모 노드장치와 스케줄을 동일하게 설정하는 단계; 및 상기 자녀 노드장치가 다른 부모 노드장치에 상기 스케줄을 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 TSCH 환경에서 다중 경로 전송 지원을 위한 방법 및 다중 경로 전송 TSCH 환경의 노드장치에 따르면,
첫째, TSCH를 이용하는 통신 환경에서 본 발명의 다중 경로 기법을 이용하면, 경로의 신뢰성이 향상되고 트래픽을 분산하여 전송지연을 최소화 할 수 있게 된다.
둘째, 한 노드가 전송할 트래픽을 다수의 노드가 나누어 전송하기 때문에 에너지 소모를 효과적으로 절약할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 노드장치의 구성을 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 TSCH 환경에서 다중 경로 전송 지원을 위한 방법을 나타낸 순서도.
도 3은 노드A가 노드D에게 스케줄을 할당 받고, 스케줄의 정보를 트래픽 포워딩에 이용할 다중경로의 다른 노드B 및 노드C에게 전송하는 상태를 나타낸 도면.
도 4는 노드B, 노드C, 및 노드D가 통계정보를 패킷에 담아 노드A에 전달하는 상태를 나타낸 도면.
도 5는 노드A가 통계정보를 이용하여 각 노드의 트래픽 비율을 연산하고, 각 노드에 대응되는 ASN 정보를 생성하여 대응되는 노드에 전달하는 상태를 나타낸 도면.
도 6은 노드B, 노드C, 및 노드D가 지정된 ASN 정보가 수신될 때 트래픽을 전송하는 것으로 다중 경로 트래픽 전송이 실시되는 상태를 나타낸 도면.
도 7은 다중 경로 스케줄이 유효하게 작용하는 ASN 기간을 명시하여 노드 간에 실패 여부를 상호 알 수 있는 모습을 나타낸 도면.
도 8은 어느 하나의 부모 노드장치가 실패하는 상황에 대한 대응를 나타낸 도면.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 TSCH 환경에서 다중 경로 전송 지원을 위한 방법 및 다중 경로 전송 TSCH 환경의 노드장치에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 TSCH 환경에서 다중 경로 전송 지원을 위한 방법 및 다중 경로 전송 TSCH 환경의 노드장치는 두 노드장치 사이에 형성되는 링크의 내용을 복수의 이웃 노드장치에게 전파하여 이웃 노드장치에서도 스케줄을 알게 한다. 이웃 노드장치는 링크 정보를 이용하여 자신도 해당 슬롯 오프셋에 해당 채널 오프셋으로 동작하여 다중 경로 전송을 가능하게 한다.
이 실시예의 TSCH(Time Slotted Channel Hopping) MAC(Media Access Control)을 이용하면 A라는 채널 오프셋으로 통신하여 B`라는 반사된 전파가 발생되어도, 일정 타임 슬롯 시간이 지난 후 해당 노드장치는 C라는 채널 오프셋을 사용하는 것, 즉 C 주파수를 가진 전파를 발생 하거나 수신하게 되므로, B`이 중복되어 수신되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, TSCH MAC을 이용하여 다중 경로 전송을 이용하면 산업 환경에서 더욱 신뢰성이 높고 적은 부하로 안정적인 전송 옵션을 제공할 수 있게 된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예는 TSCH 네트워크에 다수의 노드장치가 참여한 환경 내에서 다중 경로를 이용하여 생성된 트래픽을 포워딩한다. TSCH 네트워크에 참여한 다수의 장치는 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 시스템을 구성하는 다양한 센서장치 등이 될 수 있다. 각 장치는 서로 동일한 기능을 수행하거나, 다른 기능을 수행할 수 있으나, 서로 TSCH 네트워크로 연결된 것을 특징으로 한다. 다음의 설명에서는 각 장치를 노드장치로 통일하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 TSCH 환경에서 다중 경로 전송 지원을 위한 방법 및 다중 경로 전송 TSCH 환경의 노드장치는 각 노드장치가 자녀 노드장치와 부모 노드장치의 기능을 수행할 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 TSCH 환경에서 다중 경로 전송 지원을 위한 전체 시스템의 과정을 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 TSCH 환경에서 다중 경로 전송 지원을 위한 방법은 자녀 노드장치가 트래픽의 포워딩이 실시될 스케줄을 복수의 부모 노드장치와 동일하게 설정하는 단계(S120), 부모 노드장치가 전송 또는 수신된 패킷 수, ETX(Expected Transmission Count)가 포함된 통계정보를 생성하여 자녀 노드장치에 전달하는 단계(S230)를 포함한다.
또한, 자녀 노드장치가 상기 통계정보를 이용하여 복수의 부모 노드장치의 트래픽 비율을 설정하는 단계(S140), 자녀 노드장치가 상기 트래픽 비율에 대응하여 복수의 부모 노드장치의 ASN(Absolute Slot Number)을 설정하고, 설정된 ASN을 해당 부모 노드장치에 전달하는 단계(S150)를 포함한다.
또한, 부모 노드장치가 자녀 노드장치에서 전달받은 ASN을 기억하는 단계(S260), 자녀 노드장치가 상기 스케줄에 대응하여 부모 노드장치에 ASN 및 트래픽을 전달하는 단계(S170), 부모 노드장치가 자녀 노드장치로부터 ASN 및 트래픽이 수신되면, 상기 ASN이 기억된 값과 일치할 때 상기 트래픽을 포워딩하는 단계(S280)를 포함한다.
특히, S120 단계는, 자녀 노드장치가 어느 한 부모 노드장치와 스케줄을 동일하게 설정하는 단계, 및 자녀 노드장치와 어느 한 부모 노드장치의 스케줄이 동일하게 설정되면, 자녀 노드장치가 다른 부모 노드장치에 상기 스케줄을 전달하는 단계를 포함한다.
도 3은 자녀 노드장치(A)가 선호 부모 노드장치(D)에게 지정 스케줄(셀)을 할당 받고, 스케줄의 정보를 트래픽 포워딩에 이용할 다중경로의 다른 부모 노드장치들(B, C)에게 전송하는 상태를 나타낸 것이다. 다음의 설명에서 노드A는 자녀 노드장치, 노드D는 선호 부모 노드장치, 노드B 및 노드C는 다른 부모 노드장치이다.
먼저, 노드A가 선호 부모로 선정된 노드D에 스케줄(셀) 할당을 요청한다. 노드D는 상기 요청에 따라 AD 셀을 할당하고, 할당된 스케줄의 정보를 노드A에 전달한다. 노드A는 AD 셀에 대한 스케줄 정보를 노드B 및 노드C에 전달하여 노드B와 C도 노드D와 같은 스케줄로 동작할 수 있게 한다.
도 4를 참조하면, 노드B 및 노드C는 여태까지 전송 한 패킷 수 및 수신 받은 패킷 수의 합 정보, 셀 할당 완료 메시지가 포함된 통계정보를 패킷에 담아 노드A에 전달한다. 노드D는 여태까지 전송한 패킷 수 및 수신한 패킷 수의 합이 포함된 통계정보를 노드A에 전달한다.
노드A는 노드B, 노드C 및 노드D에서 수신된 통계정보를 이용하여 각 노드에게 전파할 다중 경로 트래픽 비율을 연산한다.
도 5를 참조하면, 다중 경로 트래픽 비율을 연산한 노드A는 노드B, 노드C 및 노드D에 깨어 있어야 할 ASN 정보를 전송한다. 예를 들어, 다중 경로 트래픽 비율의 연산 결과가 노드B:노드C:노드D=5:2:3이라면, 임의의 ASN의 일의 자리 수인 2,5,7,8,9를 노드B에게, 1,4를 노드C에게, 0,3,6을 노드D에게 전달한다. ASN의 일의 자리의 수는 0에서 9가 순환하며 반복되므로 노드A가 매번 트래픽을 전송할 때 5:2:3의 비율로 노드B, 노드C 및 노드D에게 트래픽을 분배할 수 있다.
도 6은 이 실시예를 이용하여 다중 경로로 트래픽이 전송되는 모습을 나타낸다. 노드A는 AD 셀 시간에 패킷을 노드B, 노드C 및 노드D에 전송한다. 노드B, 노드C 및 노드D는 AD 셀 시간에 할당받은 ASN이 일치하면 패킷을 수신하고, 할당받은 ASN이 일치하지 않으면 슬립(Sleep) 상태를 유지하여 노드B, 노드C 및 노드D 중 하나의 노드가 노드A의 트래픽을 받아 포워딩을 수행하게 한다. 이때, ASN이 일치하는 노드 외에는 슬립 상태이므로 전체 시스템의 전력 소모량을 낮출 수 있다.
도 7은 다중 경로 스케줄이 유효하게 작용하는 ASN 기간을 명시하여 노드 간에 실패 여부를 상호 알 수 있는 모습을 나타낸다. 노드A는 노드B, 노드C 및 노드D에 다중 경로 트래픽 비율을 전파할 때, 특정 ASN 구간이 유효한 비율에 해당됨을 명시하여 전파한다. 따라서, 해당되는 ASN 구간이 지나게 되면 노드B, 노드C 및 노드D는 다음 유효 스케줄을 알기 위하여 모든 ASN offset을 수신(Listen)하는 상태로 변경된다. 만약, 일정 ASN 구간동안 새로운 ASN 구간에 대한 유효한 스케줄을 전달받지 못하면, 이는 노드A의 실패로 간주할 수 있다. 이때, 노드B, 노드C 및 노드D는 스케줄에서 AD에 해당하는 셀을 삭제하여 다중 경로 스케줄의 할당을 해제한다.
도 8은 어느 하나의 부모 노드장치가 실패하는 상황에 대한 대처를 나타낸다.
예를 들어, 노드C가 실패하여 재부팅되면, 노드C는 기존에 가지고 있던 다중 경로 스케줄인 AD 셀을 소실한다. 이전의 다중 경로 스케줄에 대한 정보가 별도의 비휘발성 메모리에 저장되지 않으면, 노드C는 어떠한 다중 경로 스케줄 그룹에 소속되었는지 알 수 없다. 이때, 노드A는 이와 같은 사실을 노드 C로부터 명시적으로 알 수가 없게 된다.
노드A는 노드C에 대한 ETX 값을 이용하는데, 일정 임계값 이상의 ETX(Expected Transmission Count)를 가지게 되면, 이것을 노드C가 실패한 경우 또는 노드A와 노드C 간의 통신에 문제가 있는 것으로 판단하여 노드C는 다중 경로 스케줄 그룹에서 제외시킨다. 노드A는 남은 노드B 및 노드D를 대상으로 다중 경로 트래픽 비율을 연산하고, 노드B 및 노드D에 전달하여 다중 경로 스케줄 그룹을 재구성한다.
이어서, 자녀 노드장치 및 부모 노드장치의 구성을 개별적으로 설명한다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 TSCH(Time Slotted Channel Hopping) 환경에서 트래픽을 생성 및 포워딩하는 자녀 노드장치는, 트래픽의 포워딩이 실시될 스케줄을 복수의 부모 노드장치와 동일하게 설정하는 스케줄 설정부(120), 부모 노드장치에서 수신된 통계정보를 이용하여 트래픽 비율을 설정하는 트래픽 배정부(140), 트래픽 비율에 대응하여 복수의 부모 노드장치의 ASN(Absolute Slot Number)을 설정하는 슬롯관리부(150), 및 스케줄에 대응하여 복수의 부모 노드장치에 ASN 및 트래픽을 전달하는 통신부(170)를 포함한다.
스케줄 설정부(120)는 어느 한 부모 노드장치와 스케줄을 동일하게 설정한 후, 다른 부모 노드장치에 설정된 스케줄을 전달한다.
통계정보에는 부모 노드장치가 전송 또는 수신한 패킷 수와, ETX(Expected Transmission Count)가 포함된다.
또한, 이 실시예는 부모 노드장치와 약속된 슬롯 오프셋 및 채널 오프셋과, 복수의 부모 노드장치의 주소를 저장하는 저장부(160)를 더 포함한다.
또한, 이 실시예는 저장부(160)에 저장된 슬롯 오프셋 및 채널 오프셋을 이용하여 다중 경로 전송을 위해 이용할 노드장치를 선택하여 부모 노드장치로 설정하는 노드선정부(110)를 더 포함한다.
스케줄 설정부(120)는 스케줄이 만료되면, 오버헤드를 방지하기 위해 설정된 스케줄을 해제한다.
자녀 노드장치의 동작 흐름을 설명한다.
자녀 노드장치의 스케줄 설정부(120)는 부모 노드장치로부터 링크 스케줄 추가 메시지 수신될 때까지 대기한다.
어느 한 부모 노드장치로부터 링크 스케줄 추가 메시지 수신되면, 스케줄 설정부(120)는 자녀 노드장치와 부모 노드장치 사이에 링크 스케줄을 생성하고, 링크 스케줄 정보를 저장한다.
또한, 노드선정부(110)가 자녀 노드장치 주변에 위치하는 다른 부모 노드장치를 탐색한다. 노드선정부(110)는 기 설정된 조건이 만족되지 않으면 대기하여 다른 부모 노드장치의 수를 관찰하고, 조건을 만족하면 다른 부모 노드장치의 주소 정보를 획득한다.
스케줄 설정부(120)는 다중 경로 스케줄 정보 전송을 위하여 자녀 노드장치가 가지고 있는 링크 스케줄 정보와, 획득된 다른 부모 노드장치의 주소 정보를 포함하는 패킷을 구성하고, 상기 패킷을 다른 부모 노드장치에 전달한다.
다른 부모 노드장치에 성공적으로 스케줄(셀)이 추가되면, 자녀 노드장치의 트래픽 배정부(140)는 다른 부모 노드장치들로부터 패킷 전송량과 패킷 수신량의 정보가 포함된 통계정보를 수신 받는다. 이때, 일정한 ASN 시간 내에 통계정보를 전달하지 않는 부모 노드장치는 다중 경로 스케줄 대상에서 제외된다. 통계정보를 회신하지 않는 부모 노드장치는 스케줄 그룹에 참여하지 않음을 의미한다.
통계정보가 수신되면, 트래픽 배정부(140)는 어느 한 통계정보의 값이 자녀 노드장치 또는 다른 부모 노드장치의 통계정보의 값과 차이가 임계값을 초과하는지 검사 한다. 임계값을 초과한다면 해당 통계정보를 전달한 부모 노드장치는 지연 및 에너지 불균형 발생의 우려가 있는 것으로 판단하고 다중 경로 스케줄 대상에서 제외한다. 임계값을 초과하지 않으면, 자녀 노드장치의 트래픽 배정부(140)는 부모 노드장치 및 임계값을 만족하는 부모 노드장치들에 대한 트래픽 비율을 연산하고, 연산된 결과를 이용하여 부모 노드장치별로 다중 경로 트래픽 비율을 할당한다. 트래픽 배정부(140)는 할당된 다중 경로 트래픽 비율을 해당 부모 노드장치들에 전달한다.
이어서, 자녀 노드장치의 슬롯관리부(150)는 다중 경로 트래픽 비율에 대응하여 부모 노드장치 별로 ASN(Absolute Slot Number)을 설정한 후, 각 부모 노드장치에 설정된 ASN 정보를 전달한다.
자녀 노드장치는 다음 유효 스케줄 기간(ASN 기간)까지 해당 스케줄로 동작하고, 유효 스케줄 기간이 만료되면 다시 부모 노드장치들로부터 통계정보를 수신하여 새롭게 다중 경로 트래픽 비율을 할당한다.
이로써, 자녀 노드장치는 TSCH 환경에서 다중 경로 전송 지원을 할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 TSCH(Time Slotted Channel Hopping) 환경에서 자녀 노드장치에서 전달된 트래픽을 포워딩하는 부모 노드장치는 자녀 노드장치와 트래픽의 포워딩이 실시될 스케줄을 동일하게 설정하는 스케줄 설정부(120), 전송 또는 수신된 패킷 수, ETX(Expected Transmission Count)가 포함된 통계정보를 생성하여 자녀 노드장치에 전달하는 통계생성부(130), 자녀 노드장치가 통계정보를 이용하여 설정한 ASN(Absolute Slot Number)를 기억하는 슬롯관리부(150), 및 자녀 노드장치에서 ASN 및 트래픽이 수신되면, 상기 ASN이 슬롯관리부(150)에 기억된 값과 일치할 때 트래픽을 포워딩하는 통신부(170)를 포함한다.
스케줄 설정부(120)는 스케줄이 만료되면, 설정된 스케줄을 해제한다.
부모 노드장치의 동작 흐름을 설명한다.
부모 노드장치의 스케줄 설정부(120)는 자녀 노드장치가 가지고 있는 링크 스케줄 정보와, 다른 부모 노드장치의 주소 정보가 포함된 패킷을 전달받으면, 자신과 관련된 다중 경로 스케줄 정보가 존재하는지 확인한다.
스케줄 설정부(120)는 수신된 패킷이 자신과 관련이 없다면 해당 패킷을 무시한다. 하지만, 수신된 패킷이 자신과 관련된 것이라면 스케줄 정보를 추출하여 스케줄에 추가한다.
부모 노드장치에 스케줄이 추가되면, 통계생성부(130)는 통계정보를 생성하고, 스케줄이 정상적으로 추가되었음을 알리는 메시지와 함께 통계정보를 자녀 노드장치에 전송한다.
부모 노드장치가 통계정보를 전송하면, 슬롯관리부(150)는 자녀 노드장치에서 다중 경로 트래픽 비율이 수신되기를 대기한다. 만약, 일정 기간(ASN 기간) 내에 다중 경로 트래픽 비율이 수신되지 않으면, 스케줄 설정부(120)는 추가되었던 스케줄 할당을 해제한다. 슬롯관리부(150)가 다중 경로 트래픽 비율을 수신하면, 부모 노드장치는 정해진 스케줄에 따라 동작하며, 한 슬롯 프레임이 종료될 때 현재 스케줄이 만료되었는지 여부를 ASN 값으로 확인한다.
스케줄이 만료 되었다면, 스케줄 설정부(120) 및 슬롯관리부(150)는 모든 ASN에서 동작 하도록 스케줄을 변경한다.
또한, 부모 노드장치의 통계생성부(130)는 다시 통계정보를 생성해 자녀 노드장치에 전달하고, 슬롯관리부(150)는 업데이트된 다중 경로 트래픽 비율이 수신되기를 대기한다.
통계생성부(130)가 생성하는 ETX(Expected Transmission Count)는 노드A가 노드B에게 패킷을 보낼 수신이 성공하는 비율을 나타내는 수치로서, 1에 가까울수록 성공률이 높다. 특정 노드를 거쳐간 패킷의 수는 해당 노드가 얼마나 에너지를 소모 하였는지를 나타내는 수치로, 낮을수록 에너지를 적게 소모한 것으로 판단할 수 있다.
트래픽 배정부(140)는 다음과 같이 연산하여 트래픽 비율을 설정한다.
[수학식 1]
Figure 112019031036928-pat00006
수학식 1은 다중 경로 스케줄 그룹의 노드장치들의 총 ETX의 합을 정의한다. n은 다중 경로 그룹에서 부모 노드장치의 수이다.
Figure 112019031036928-pat00007
는 자녀 노드장치에서 부모 노드장치에 대한 예상 송신 횟수이다.
[수학식 2]
Figure 112019031036928-pat00008
수학식 2는 수학식 1과 마찬 가지로, 다중 경로 스케줄 그룹의 노드장치들을 거쳐간 패킷의 수의 합을 정의한다.
Figure 112019031036928-pat00009
는 부모 노드장치 i가 송신한 패킷의 수이다.
Figure 112019031036928-pat00010
는 부모 노드장치 i가 수신한 패킷의 수이다.
Figure 112019031036928-pat00011
는 다중 경로 그룹 내 노드장치들이 송신 및 수신한 패킷 수의 총 합이다.
[수학식 3]
Figure 112019031036928-pat00012
수학식 3은 수학식 1에서 구한 총 ETX의 합에 대한 부모 노드장치a의 ETX의 역의 비율을 정의한다. 자신의 ETX가 낮을수록 높은
Figure 112019031036928-pat00013
을 얻게 된다.
Figure 112019031036928-pat00014
는 다중 경로 그룹 내 노드장치들의 ETX값의 총 합이다.
[수학식 4]
Figure 112019031036928-pat00015
수학식 4는 수학식 2에서 구한 자신 노드를 거쳐간 총 패킷의 수의 합에 대한 부모 노드장치a를 거쳐간 패킷 수의 역의 비율을 정의한다. 자신을 거쳐간 패킷의 수가 적을수록 높은
Figure 112019031036928-pat00016
를 얻게 된다.
[수학식 5]
Figure 112019031036928-pat00017
수학식 5는 수학식 3에서 구한
Figure 112019031036928-pat00018
를 이용하여 다중 경로 그룹 전체의
Figure 112019031036928-pat00019
에 대한 노드장치a 자신의
Figure 112019031036928-pat00020
의 비율을 구한 값에 자릿수 올림과 반올림을 이용하여 0~9의 수를 정의한다.
Figure 112019031036928-pat00021
는 전체 ETX 값의 총 합에 대한 부모 노드장치 i의 ETX 값의 역의 비율이다.
Figure 112019031036928-pat00022
는 부모 노드장치 i의 ETX를 반영한 전송 비율이다.
[수학식 6]
Figure 112019031036928-pat00023
수학식 6은 수학식 4에서 구한
Figure 112019031036928-pat00024
를 이용하여 다중 경로 그룹 전체의
Figure 112019031036928-pat00025
에 대한 부모 노드장치a 자신의
Figure 112019031036928-pat00026
의 비율을 구한 값에 자릿수 올림과 반올림을 통하여 0~9의 수를 정의한다.
Figure 112019031036928-pat00027
는 전체 패킷 수의 총 합에 대한 부모 노드장치 i의 패킷 수의 역의 비율이다.
Figure 112019031036928-pat00028
는 노드장치 i의 에너지량을 반영하여 전송될 패킷의 비율이다.
[수학식 7]
Figure 112019031036928-pat00029
수학식7은 수학식 5와 수학식 6에서 구한
Figure 112019031036928-pat00030
와
Figure 112019031036928-pat00031
를 이용하여
Figure 112019031036928-pat00032
값을 어플리케이션의 요구에 맞게 조절하여 부모 노드장치a의 최종적인 트래픽 비율인
Figure 112019031036928-pat00033
를 계산하여 배분한다.
Figure 112019031036928-pat00034
는 에너지 측면과 ETX를 함께 반영하여 최종적으로 부모 노드장치 i에 할당되는 전송 트래픽 비율이다.
Figure 112019031036928-pat00035
는 평준화 변수이다
Figure 112019031036928-pat00036
.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 다음 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
100 : 노드장치 110 : 노드선정부
120 : 스케줄 설정부 130 : 통계생성부
140 : 트래픽 배정부 150 : 슬롯관리부
160 : 저장부 170 : 통신부

Claims (11)

  1. TSCH(Time Slotted Channel Hopping) 환경에서 트래픽을 생성 및 포워딩하는 자녀 노드장치에 있어서,
    트래픽의 포워딩이 실시될 스케줄을 복수의 부모 노드장치와 동일하게 설정하는 스케줄 설정부;
    부모 노드장치에서 수신된 통계정보를 이용하여 트래픽 비율을 설정하는 트래픽 배정부;
    상기 트래픽 비율에 대응하여 복수의 부모 노드장치의 ASN(Absolute Slot Number)을 설정하는 슬롯관리부;
    상기 스케줄에 대응하여 복수의 부모 노드장치에 ASN 및 트래픽을 전달하는 통신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자녀 노드장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스케줄 설정부는 어느 한 부모 노드장치와 스케줄을 동일하게 설정한 후, 다른 부모 노드장치에 스케줄을 전달하는 것을 특징으로 하는 자녀 노드장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 통계정보에는 부모 노드장치가 전송 또는 수신한 패킷 수와, ETX(Expected Transmission Count)가 포함되는 것을 특징으로 하는 자녀 노드장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 트래픽 배정부는,
    부모 노드장치 i의 ETX를 반영한 전송 비율(
    Figure 112019031036928-pat00037
    ), 부모 노드장치 i의 에너지량을 반영하여 전송될 패킷의 비율(
    Figure 112019031036928-pat00038
    ), 및 평준화 변수(
    Figure 112019031036928-pat00039
    )를
    Figure 112019031036928-pat00040

    에 대입하여 부모 노드장치 i의 트래픽 비율(
    Figure 112019031036928-pat00041
    )을 연산하는 것을 특징으로 하는 자녀 노드장치.
  5. 제1항에 있어서,
    부모 노드장치와 약속된 슬롯 오프셋 및 채널 오프셋과, 복수의 부모 노드장치의 주소를 저장하는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자녀 노드장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 저장부에 저장된 슬롯 오프셋 및 채널 오프셋을 이용하여 다중 경로 전송을 위해 이용할 노드장치를 선택하여 부모 노드장치로 설정하는 노드선정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자녀 노드장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스케줄 설정부는 상기 스케줄이 만료되면, 오버헤드를 방지하기 위해 설정된 스케줄을 해제하는 것을 특징으로 하는 자녀 노드장치.
  8. TSCH(Time Slotted Channel Hopping) 환경에서 자녀 노드장치에서 전달된 트래픽을 포워딩하는 부모 노드장치에 있어서,
    상기 자녀 노드장치와 트래픽의 포워딩이 실시될 스케줄을 동일하게 설정하는 스케줄 설정부;
    전송 또는 수신된 패킷 수, ETX(Expected Transmission Count)가 포함된 통계정보를 생성하여 상기 자녀 노드장치에 전달하는 통계생성부;
    상기 자녀 노드장치가 상기 통계정보를 이용하여 설정한 ASN(Absolute Slot Number)를 기억하는 슬롯관리부;
    상기 자녀 노드장치에서 ASN 및 트래픽이 수신되면, 상기 ASN이 상기 슬롯관리부에 기억된 값과 일치할 때 상기 트래픽을 포워딩하는 통신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 부모 노드장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스케줄 설정부는 상기 스케줄이 만료되면, 설정된 스케줄을 해제하는 것을 특징으로 하는 부모 노드장치.
  10. 자녀 노드장치가 트래픽의 포워딩이 실시될 스케줄을 복수의 부모 노드장치와 동일하게 설정하는 단계;
    상기 부모 노드장치가 전송 또는 수신된 패킷 수, ETX(Expected Transmission Count)가 포함된 통계정보를 생성하여 상기 자녀 노드장치에 전달하는 단계;
    상기 자녀 노드장치가 상기 통계정보를 이용하여 복수의 부모 노드장치의 트래픽 비율을 설정하는 단계;
    상기 자녀 노드장치가 상기 트래픽 비율에 대응하여 복수의 부모 노드장치의 ASN(Absolute Slot Number)을 설정하고, 설정된 ASN을 해당 부모 노드장치에 전달하는 단계;
    상기 부모 노드장치가 상기 자녀 노드장치에서 전달받은 ASN을 기억하는 단계;
    상기 자녀 노드장치가 상기 스케줄에 대응하여 상기 부모 노드장치에 ASN 및 트래픽을 전달하는 단계;
    상기 부모 노드장치가 상기 자녀 노드장치로부터 ASN 및 트래픽이 수신되면, 상기 ASN이 기억된 값과 일치할 때 상기 트래픽을 포워딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 TSCH 환경에서 다중 경로 전송 지원을 위한 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 자녀 노드장치가 트래픽의 포워딩이 실시될 스케줄을 복수의 부모 노드장치와 동일하게 설정하는 단계는,
    상기 자녀 노드장치가 어느 한 부모 노드장치와 스케줄을 동일하게 설정하는 단계; 및
    상기 자녀 노드장치가 다른 부모 노드장치에 상기 스케줄을 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 TSCH 환경에서 다중 경로 전송 지원을 위한 방법.
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