노드의 네트워크, 배터리 구동식 노드 및 배터리 구동식 노드를 관리하는 방법

본 발명은 포괄적으로는, 무선 네트워크의 관리에 관한 것이며, 특히, 배터리 구동식 노드 및 상용 전원식 노드를 구비하는 이종 멀티 홉 무선 네트워크의 관리에 관한 것이다.

데이터 패킷의 라우팅 등의 에너지 효율이 좋은 관리는 제약된 전원을 갖는 노드를 포함한 네트워크에 있어서 중대한 문제이다. 노드의 전원에 따라, 노드는 2개의 카테고리, 즉, 배터리 구동식 노드(BPN：battery-powered node) 등의 제약된 전원을 갖는 노드, 및 상용 전원식 노드(MPN：mains-powered node) 등의 제약되어 있지 않은 전원을 갖는 노드로 분류할 수 있다. 몇몇 용도에서는, 배터리 교환은 실현 곤란하거나 불가능하다. 따라서, BPN를 포함한 무선 네트워크에 있어서, 네트워크 수명을 늘리는 것이 중요하다. 네트워크 수명은 통상, 최초에 전지 잔량이 소모되는 배터리 구동식 노드의 작동 시간에 의해 정의된다.

노드의 리소스 및 능력에 근거해서, 무선 네트워크는 동종 및 이종으로 분류할 수 있다. 동종 무선 네트워크에서는, 모든 노드는 동일한 리소스 및 능력을 갖는다. 모든 노드는 배터리 구동식 또는 상용 전원식이다. 무선 센서 네트워크는 모든 노드가 통상 배터리 구동식인 동종 무선 네트워크의 예이다. 전기 스마트 미터 네트워크는 모든 노드가 상용 전원식인 동종 무선 네트워크의 다른 예이다. 한편으로, 이종 무선 네트워크에서는, 노드는 상이한 리소스 및 능력을 가지며, 예를 들면, 몇몇의 노드는 배터리 구동식으로 할 수 있고, 작은 메모리 및 한정된 계산 능력을 가지며, 다른 노드는 상용 전원식으로 할 수 있고, 보다 큰 메모리 및 보다 높은 계산 능력을 갖는다.

배터리 구동식 노드를 갖는 무선 네트워크에 있어서, 라우팅 등의 네트워크 관리의 주요한 목적은 네트워크 수명을 최대로 하는 것이다. 노드는 데이터 송신, 데이터 수신, 제어 메시지 송신 및 제어 메시지 수신을 위해서 자신의 에너지를 소비한다. 이 카테고리의 에너지 소비는 필요한 에너지 사용으로 간주된다. 노드는 아이들 리스닝(idle listening), 오버 히어링(overhearing), 충돌 및 재송신시에도 자신의 에너지를 소비한다. 이 카테고리의 에너지 소비는 에너지의 낭비로 간주된다. 에너지 절감 관리를 위한 주된 목표 중 하나는 에너지 낭비를 최소한으로 하는 것이다.

한편, 동종 무선 네트워크를 위해서 설계된 에너지 관련 관리 방법은 이종 무선 네트워크의 경우에 양호하게 기능하지 않는다. 예를 들면, 동종 네트워크를 위해서 설계된 라우팅 방법은 이종성을 고려 및 활용하지 않는다. 또한, 몇몇 방법은 네트워크의 노드의 동작을 동기시킴으로써, 동종 네트워크의 에너지 소비를 저감한다. 예를 들면, 노드가 미리 지정된 기간 중에만 슬립할 수 있는 집중형 슬립(sleep) 제어 메카니즘을 이용하는 방법을 기재하고 있는 특허문헌 1 및 특허문헌 2를 참조한다. 한편, 네트워크의 동기는 데이터 패킷의 충돌을 저감할 수 있지만, 아이들 시간도 증대시켜, 결과적으로, 새로운 에너지 낭비가 생길 가능성이 있다. 또한, 동기 패킷의 송신 및 수신에 의해도, 결과적으로, 추가의 에너지 낭비가 생긴다.

따라서, 배터리 구동식 노드 및 상용 전원식 노드를 포함한 이종 멀티 홉 무선 네트워크의 에너지 효율이 좋은 관리 시스템 및 방법을 제공할 필요가 있다.

본 발명의 여러 실시 형태의 목적은 배터리 구동식 노드(BPN) 및 상용 전원식 노드(MPN)를 포함한 적어도 1개의 싱크 노드 및 데이터 노드를 갖는 이종 멀티 홉 무선 네트워크의 에너지 효율이 좋은 관리 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 몇몇 실시 형태의 다른 목적은 적어도 1개의 데이터 노드가 해당 데이터 노드와 싱크 노드 사이에서 패킷을 중계하는 적어도 1개의 중간 데이터 노드를 통해서 상기 싱크 노드와 패킷을 교환하는 멀티 홉 방식에서 패킷을 송신하는 에너지 효율이 좋은 라우팅 메카니즘을 제공하는 것이다. 추가적으로 또는 대체적으로, 본 발명의 몇몇 실시 형태의 목적은 노드의 동작의 동기를 필요로 하지 않는 이종 무선 네트워크의 분산형 슬립 제어 모델을 제공하는 것이다.

본 발명의 몇몇 실시 형태는 집중형 관리가 이종 네트워크보다 동종 네트워크에 있어 유리하다고 하는 인식에 근거하고 있다. 이것은 네트워크의 동기가 에너지 낭비를 가져오기 때문이다. 예를 들면, 집중형 슬립 제어 방법은 데이터 패킷의 송신의 충돌을 삭감할 수 있지만, 특히, 상용 전원식 노드를 이용하는 데이터 송신이 바람직한 상황에서는, 노드의 아이들 시간을 증가시킬 가능성도 있다.

따라서, 본 발명의 몇몇 실시 형태는 이종 네트워크의 데이터 노드의 슬립 스케줄을 관리하는 분산형 슬립 관리 모델을 제공한다. 예를 들면, 하나의 실시 형태에서는, MPN은 액티브 기간만을 갖는다. 즉, 이러한 노드는 슬립 기간을 갖지 않는다. 이것과는 대조적으로, BPN은 액티브 기간 및 슬립 기간의 양쪽을 갖지만, 액티브 기간 및 슬립 기간의 스케줄을 네트워크 내의 다른 데이터 노드의 액티브 기간 및 슬립 기간 또는 싱크 노드에 의해 송신되는 커멘드로부터 독립해서 구한다. 예를 들면, 몇몇 실시 형태에서는, BPN의 프로세서는 BPN에 의해 검지된 네트워크의 활동을 이용한 BPN의 내부의 정보에 근거해서 스케줄을 구한다. 항상 액티브한 MPN와 에너지 효율이 좋은 라우팅을 조합해서, 이 분산형 슬립 관리 모델은 BPN의 슬립 시간을 증가시킨다.

추가적으로 또는 대체적으로, 몇몇 실시 형태는 특정의 데이터 노드로부터 싱크 노드로의 데이터 패킷의 배터리 효율이 좋은 라우팅이, 가장 적은 배터리 에너지를 소비하는 라우팅 패스를 통해서 해야 한다고 하는 인식에 근거하고 있다. 예를 들면, 몇몇 실시 형태는 데이터 패킷을 송신하거나 또는 송신된 데이터 패킷을 수신하는 배터리 구동식 노드의 수를 삭감하는 라우팅 패스를 따라서, 데이터 패킷을 송신한다. 옵션으로서, 하나의 실시 형태는 에너지 효율이 좋은 라우팅 패스를 찾아내는 에너지 절감 메트릭을 구한다. 이 에너지 절감 메트릭은 데이터 노드가 BPN인지 또는 MPN인지를 식별하는 전원(PS) 메트릭과, 라우팅 패스를 따르는 BPN의 수를 기억하는 배터리 구동식 노드 카운트(BNC) 메트릭과, 라우팅 패스를 따르는 BPN 내의 최소 레벨을 기억하는 최소 배터리 레벨(MBL) 메트릭과, 네트워크의 BPN가 라우팅 패스 상에 송신된 데이터 패킷을 수신 및/또는 오버 히어링하는 횟수를 기억하는 배터리 구동식 오버 히어링 카운트(BOC) 메트릭 중 하나 또는 조합을 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명의 하나의 실시 형태는 데이터 노드 및 적어도 1개의 싱크 노드를 포함한 노드의 네트워크이며, 본 네트워크는 패킷이 싱크 노드와 데이터 노드 사이에서 멀티 홉 방식으로 교환되는 무선 멀티 홉 네트워크로서, 데이터 노드와 싱크 노드 사이에서 패킷을 중계하는 적어도 1개의 중간 데이터 노드를 통해서 패킷을 싱크 노드와 교환하는 적어도 1개의 데이터 노드가 존재하는 무선 멀티 홉 네트워크이며, 데이터 노드는 액티브 기간 및 슬립 기간을 갖는 배터리 구동식 노드(BPN)와, 액티브 기간만을 갖는 상용 전원식 노드(MPN)를 포함하고, 각 데이터 노드는 대응하는 액티브 기간 내에서만 패킷을 송신하는 네트워크를 개시한다.

BPN은 데이터 패킷을 송수신하는 송수신기와, BPN의 액티브 기간 및 슬립 기간의 스케줄을, 네트워크 내의 다른 데이터 노드의 액티브 기간 및 슬립 기간으로부터 독립해서 또한 싱크 노드에 의해 송신되는 커멘드로부터 독립해서 결정하는 프로세서로서, 송수신기를 스케줄에 따라서 온 및 오프로 전환하는 프로세서와, 송수신기 및 프로세서에 에너지를 제공하는 배터리를 구비한다.

다른 실시 형태는 데이터 노드 및 적어도 1개의 싱크 노드를 포함한 노드의 이종 무선 멀티 홉 네트워크를 형성하는 배터리 구동식 노드(BPN)로서, 데이터 노드는 배터리 구동식 노드(BPN) 및 상용 전원식 노드(MPN)를 포함한 BPN를 개시한다. BPN은 데이터 패킷을 송수신하는 송수신기와, BPN의 액티브 기간 및 슬립 기간의 스케줄을, 네트워크 내의 다른 데이터 노드의 액티브 기간 및 슬립 기간으로부터 독립해서, 또한 싱크 노드에 의해 송신되는 커멘드로부터 독립해서 결정하는 프로세서로서, 송수신기를 스케줄에 따라 온 및 오프로 전환하는 프로세서와, 송수신기 및 프로세서에 에너지를 제공하는 배터리를 구비한다.

또 다른 실시 형태는 데이터 노드 및 적어도 1개의 싱크 노드를 포함한 노드의 이종 무선 멀티 홉 네트워크를 형성하는 배터리 구동식 노드(BPN)를 관리하는 방법으로서, 데이터 노드는 배터리 구동식 노드(BPN) 및 상용 전원식 노드(MPN)를 포함한 방법을 개시한다. 본 방법은 BPN의 액티브 기간 및 슬립 기간의 스케줄을, 네트워크 내의 다른 데이터 노드의 액티브 기간 및 슬립 기간으로부터 독립해서, 또한 싱크 노드에 의해 송신되는 커멘드로부터 독립해서 결정하는 것과, BPN의 송수신기를 스케줄에 따라 온 및 오프로 전환하는 것과, 각 액티브 기간의 개시시에 웨이크 업(wake up) 신호를 송신하는 것과, BPN으로부터 싱크 노드로의 라우팅 패스이며, 라우팅 패스 상에 송신된 데이터 패킷을 송신 또는 오버 히어링하는 BPN의 수를 삭감하는 라우팅 패스를 결정하는 것과, 액티브 기간 중에 라우팅 패스를 개시하는 부모 노드(parent node)에 데이터 패킷을 송신하는 것을 포함한다.

도 1a은 본 발명의 몇몇 실시 형태에 따른 이종 무선 네트워크의 개략도이다.
도 1b는 도 1a의 네트워크에 있어서의 데이터 노드의 구조의 블럭도이다.
도 2a는 본 발명의 몇몇 실시 형태에 따른 배터리 구동식 노드의 슬립 간격 구성의 개략도이다.
도 2b는 본 발명의 몇몇 실시 형태에 따른 분산형 슬립 관리 모델의 개략도이다.
도 3a는 종래의 라우팅 알고리즘이 보다 짧은 패스를 선택함으로써 네트워크 수명을 짧게 하는 일례를 나타내는 도면이다.
도 3b는 종래의 라우팅 알고리즘이 보다 높은 배터리 레벨을 갖는 노드에 데이터 패킷을 송신함으로써 네트워크 수명을 짧게 하는 일례를 나타내는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 몇몇 실시 형태에 따른, 라우팅 패스를 따라서 배터리 구동식 노드를 어떻게 카운트하는지를 나타내는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 몇몇 실시 형태에 따른, 라우팅 패스를 따라서 최소 배터리 레벨을 어떻게 측정하는지를 나타내는 도면이다.
도 4c는 본 발명의 몇몇 실시 형태에 따른, 배터리 구동식 노드가 라우팅 패스를 따르는 패킷 송신을 오버 히어링하는 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 몇몇 실시 형태에 따른, 분산형 슬립 관리 모델을 이용한 무선 네트워크에 있어서의 브로드캐스트 메시지 송신을 나타내는 도면이다.
도 6은 싱크로의 다음의 홉 노드로서 상용 전원식 노드를 선택하는 것이 더 많은 배터리 전력을 실제로 소비하는 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 몇몇 실시 형태에 따른 라우팅 패스 발견의 블럭도이다.
도 8은 분산형 슬립 관리 모델을 이용하면, 멀티 홉 롱 지연(multi-hop long delay)이 가능한 것을 나타내는 도면이다.

도 1a는 본 발명의 실시 형태를 이용하는 이종 무선 네트워크의 일례의 개략도를 나타낸다. 네트워크는 배터리 구동식 노드(BPN)(100) 및 상용 전원식 노드(MPN)(110) 등의 데이터 노드를 포함한다. 네트워크는 싱크 노드(S)(120)도 포함한다. 노드는 방향성 무선 링크(130)를 이용해서 무선 메쉬 네트워크를 형성하고, 여기서, 데이터 패킷의 개략 플로우는 데이터 노드(배터리 구동식 노드 또는 상용 전원식 노드)로부터 싱크 노드로의 것이지만, 제어 메시지는 어느 방향으로도 송신할 수 있다.

네트워크는 패킷이 싱크 노드와 데이터 노드 사이에서 멀티 홉 방식으로 교환되는 무선 멀티 홉 네트워크이며, 데이터 노드와 싱크 노드 사이에서 패킷을 중계하는 적어도 1개의 중간 데이터 노드를 통해서 싱크 노드와 패킷을 교환하는 적어도 1개의 데이터 노드가 존재하도록 되어 있다. 예를 들면, 몇몇 노드, 예를 들면, 140은 데이터 패킷을 싱크 노드에 직접 송신할 수 있다. 노드 중 몇몇은, 예를 들면, 100 및 110은 데이터 패킷을 어느 싱크 노드로도 직접 송신할 수 없다. 대신에, 데이터 패킷은 우선 중간 노드 또는 중계 노드에 송신되고 다음에, 중간 노드 또는 중계 노드는 패킷을 싱크 노드에 중계한다. 환언하면, 데이터 수집은 멀티 홉 방식으로 행해진다. 따라서, 어느 싱크 노드와도 직접 통신할 수 없는 노드로부터의 데이터 패킷을 라우팅하는 라우팅 알고리즘이 제공되지 않으면 안 된다.

도 1b는 도 1a의 네트워크를 형성하는 데이터 노드(101)의 구조를 개략적으로 나타낸다. 노드는 데이터 패킷을 송신 및 수신하기 위한 송수신기를 구비하고, 이 송수신기는 수신기(150) 및 송신기(160) 중 하나 또는 이들의 조합을 구비한다. 노드는 해당 노드의 구성 요소에 전력을 공급하는 전원(180)도 구비한다. 전원(180)의 타입에 따라서, 노드는 2개의 카테고리로 분류할 수 있다. 즉, BPN은 배터리 등의 제약된 전원을 가지고, MPN은 예를 들면, 간선 또는 그리드로부터 전력이 공급되는 무제한의 전원을 가진다. 몇몇 실시 형태에서는, 싱크 노드의 전원에 대한 제약은 없고, 싱크 노드는 상용 전원식으로 할 수도 있고, 배터리 구동식으로 할 수도 있다.

데이터 노드(101)는 노드의 동작을 실행하고/하거나, 노드의 액티브 기간 및 슬립 기간의 스케줄을 결정하기 위한 프로세서(170)를 구비한다. 각 데이터 노드는 대응하는 액티브 기간 중에만 패킷을 송신한다.

몇몇 실시 형태에 따르면, BPN은 액티브 기간 및 슬립 기간을 가지며, MPN은 액티브 기간만을 가진다. 데이터 노드(101)가 BPN인 경우, 즉, 전원(180)이 배터리인 경우, 프로세서는 BPN의 액티브 기간 및 슬립 기간의 스케줄을 결정하고, 이 스케줄에 따라서 송수신기를 온 및 오프로 전환한다.

분산형 슬립 관리 모델

본 발명의 몇몇 실시 형태는 집중형 관리가 이종 네트워크는 아니고 동종 네트워크인 경우에 보다 유리하다라고 하는 인식에 근거한다. 이것은 네트워크의 동기의 결과로서, 에너지의 낭비가 생기는 것에 기인한다. 예를 들면, 집중형 슬립 제어 방법은 데이터 패킷 송신의 충돌을 저감할 수 있지만, 특히, 상용 전원식 노드를 통한 데이터 송신이 바람직할 때의 상황에서, 노드의 아이들 시간을 증대시킬 가능성도 있다.

본 발명의 여러 실시 형태에 있어서, BPN의 프로세서는 네트워크 내의 다른 데이터 노드의 액티브 기간 및 슬립 기간과 독립해서, 또한, 싱크 노드에 의해 송신되는 임의의 커멘드와 독립해서, 스케줄을 결정한다. 예를 들면, BPN의 프로세서는 BPN에 의해서 관측되는 네트워크의 활동(activity)을 이용한 BPN의 내부의 정보에 근거해서 스케줄을 결정한다. 예를 들면, 데이터 노드(101)는 싱크 노드에 송신되는 데이터 패킷을 버퍼링하기 위한 메모리(190)를 구비한다. 하나의 실시 형태에 있어서, 프로세서는 메모리 내의 데이터 패킷의 수에 근거해서 스케줄을 결정하고, 예를 들면, 액티브 기간 또는 슬립 기간은 메모리내의 데이터 패킷의 수에 비례한다.

도 2a는 본 발명의 몇몇 실시 형태에 따른 분산형 슬립 관리 모델의 개략도를 나타낸다. 이들 실시 형태에 있어서, BPN(200)는 액티브 간격 및 슬립 간격의 독자적인 스케줄을 관리한다. 시간은 상이한 길이를 갖는 슬립 간격으로 분할된다. 간격(205)은 액티브 기간(210)과, 그것에 이어지는 슬립 기간(215)을 포함한다. 액티브 기간 및 슬립 기간의 순서는 실시 형태가 상이하면 변동한다. BPN(200)가 슬립할 때, BPN(200)의 송수신기는 오프로 된다. BPN(200)가 슬립으로부터 웨이크 업될 때, BPN(200)의 송수신기는 온으로 되고, BPN은 웨이크 업 메시지(220)를 송신해서, 이웃 데이터 노드에 BPN(200)가 액티브인 것을 통지한다. 이웃 노드가 BPN(200)에 송신되는 데이터 패킷을 갖는 경우, 이웃 노드는 그 송신을 개시할 수 있다. 노드는 액티브 기간(210) 및 슬립 기간(215)의 길이를 동적으로 결정하고, 즉, 액티브 기간 및 슬립 기간의 스케줄은 주기적일 필요가 없다. 예를 들면, 슬립 기간(218)은 슬립 기간(215)보다 짧다.

도 2b는 본 발명의 몇몇 실시 형태에 따른 분산형 슬립 관리 모델의 개략도를 나타낸다. 상이한 노드는 액티브 기간 및 슬립 기간이 상이한 길이를 가질 수 있고, 여기서, 배터리 구동식 노드(B1225, B2230 및 B3235)는 각각 상이한 길이의 슬립 기간(240, 245 및 250)을 갖는다.

분산형 슬립 관리 모델에서는, 배터리 구동식 노드가 송신하는 데이터를 갖지 않는 경우, 노드는 주기적 슬립 간격을 스케줄링한다. 예를 들면, 노드 B ₂ 230 및 B ₃ 235는 송신하는 데이터를 갖지 않고, 그 결과, 주기적 슬립 스케줄링을 실행한다. 한편, 하나의 실시 형태에 있어서와 같이, 배터리 구동식 노드가 다른 배터리 구동식 노드에 송신하는 데이터를 갖는 경우, 송신측 노드는 수신측 배터리 구동식 노드로부터의 웨이크 업 메시지(220)를 기다린다. 이 경우, 송신측 노드는 자신의 액티브 기간을 연장시킨다. 예를 들면, 노드 B ₁ 는 배터리 구동식 노드 B ₂ 에 송신하는 데이터를 갖는다. 노드 B ₁ 는 자신의 액티브 기간(255)을 확장하고, 노드 B ₂ 로부터의 웨이크 업 메시지를 기다린다. 노드 B ₂ 로부터 웨이크 업 메시지(220)를 수신하면, 노드 B ₁ 는 그 데이터 패킷(260)을 노드 B ₂ 에 송신한다. 노드 B ₁ 는 데이터를 송신한 후, 슬립 스케줄링을 실행한다.

하나의 실시 형태에서는, BPN은 2개의 타이머, 즉, 슬립 타이머 및 웨이크 업 타이머를 이용해서, 자신의 슬립 스케줄을 관리한다. 슬립 타이머는 슬립 간격에 있어서 노드가 얼마만큼 길게 슬립하는지를 스케줄링하는데 이용되고, 웨이크 업 타이머는 슬립 간격에 있어서 노드가 얼마만큼 길게 어웨이크(awake)할 지를 스케줄링하는데 이용된다. 배터리 구동식 노드는 자신의 액티브 기간의 길이 및 슬립 기간의 길이를 동적으로 결정한다. 슬립 타이머가 만료되면, 배터리 구동식 노드는 액티브 시간치를 계산하고, 액티브 타이머를 개시한다. 액티브 타이머가 만료되면, 배터리 구동식 노드는, 슬립 시간치를 계산하고, 슬립 타이머를 개시한다.

몇몇 실시 형태에서는, BPN를 위한 슬립 기간의 길이는 한정되고, 네트워크에 대해 정의된다. 배터리 구동식 노드는 자신의 슬립 기간의 길이를 최대 길이 이하로 설정하지 않으면 안 된다. 마찬가지로, 네트워크를 위해서 액티브 기간의 최소 길이도 정의할 수 있다. 배터리 구동식 노드는 자신의 액티브 기간의 길이를 최소 길이 이상으로 설정하지 않으면 안 된다.

분산형 슬립 관리 모델에서는, 상용 전원식 노드는 항상 액티브하다. 예를 들면, MPN(265)은 무한의 액티브 기간(270)을 갖는다. 노드는 데이터 패킷을 임의의 시점에서 상용 전원식 노드에 송신할 수 있다. 몇몇 실시 형태에서는, MPN은 웨이크 업 메시지를 송신하지 않는다. 따라서, 몇몇 실시 형태에서는, 라우팅 알고리즘은 데이터 노드의 타입을 결정한다.

배터리 에너지 효율이 좋은 라우팅

몇몇 실시 형태는, 특정의 데이터 노드로부터 싱크 노드로의 데이터 패킷의 배터리 효율이 좋은 라우팅이, 가장 적은 에너지를 소비하는 라우팅 패스를 통해야 한다는 인식에 근거하고 있다. 예를 들면, 몇몇 실시 형태는 데이터 패킷을 송신 또는 수신하는 배터리 구동식 노드의 수를 삭감하는 라우팅 패스를 따라 데이터 패킷을 송신한다.

무선 네트워크의 경우, 종래의 라우팅 메트릭은 2개의 카테고리, 즉, 노드 상태 메트릭, 예를 들면, 홉 카운트 및 노드 에너지 레벨과, 링크 메트릭, 예를 들면, 링크 품질 및 예상 송신 카운트(ETX)로 분류할 수 있다. 이들 종래의 라우팅 메트릭은 2개의 노드간의 측정 또는 노드 자체의 스테이터스밖에 고려하고 있지 않다. 그들 라우팅 메트릭은 라우팅 패스를 따르는 정보를 이용하고 있지 않다. 그 결과, 그들 메트릭은 슬립 노드를 갖지 않는 동종 무선 네트워크에 대해서는 양호하게 기능하지만, 슬립 노드를 갖는 무선 네트워크에 대해서는, 그들 메트릭은 네트워크 수명을 짧게 할 가능성이 있다.

도 3a는 B ₁ ~ B ₃ 가 배터리 구동식 노드이며, M ₁ ~ M ₄ 가 상용 전원식 노드인 일례를 나타내고 있다. 싱크 노드 S(300)는 패스 발견 메시지(310)를 브로드캐스트함으로써 패스 발견을 개시한다. 노드 N(320)는 2개의 이웃 노드 B ₃ (330) 및 M ₄ (340)로부터 패스 발견 메시지를 수신한다. 종래의 라우팅 메트릭을 이용하면, 노드 N은 B ₃ 를 통과하는 패스를 선택한다. 이유는 패스 S→B ₁ →B ₂ →B ₃ 는 패스 S→M ₁ →M ₂ →M ₃ →M ₄ 보다 짧기 때문이다. 그렇지만, 패스 S→B ₁ →B ₂ →B ₃ 는 모두 배터리 구동식 노드로 이루어진다. 한편, 패스 S→M ₁ →M ₂ →M ₃ →M ₄ 는 모두 상용 전원식 노드로 이루어진다. 그 결과, 노드 N은 M ₄ 를 통과하는 패스를 선택해야 하는 것이다. 보다 많은 배터리 구동식 노드를 갖는 패스는 보다 많은 배터리 에너지를 소비하고, 배터리 구동식 노드의 슬립에 기인해서 보다 큰 지연도 갖는다.

도 3b는 1개의 싱크 노드 S(300), 6개의 배터리 구동식 노드 B ₄ ~B ₉ 및 1개의 노드 N(310)(배터리 구동식 또는 상용 전원식)이 존재하는 일례를 나타내고 있다. 노드 N은 싱크 노드 S로의 2개의 패스, 즉, 한쪽의 패스 B ₈ →B ₆ →B ₄ →S 및 다른 쪽의 패스 B ₉ →B ₇ →B ₅ →S를 발견하고 있다. 노드 N은 싱크 노드 S(300)에 송신되는 데이터 패킷을 갖는다. 노드 N은 싱크 노드 S와 직접 통신할 수 없기 때문에, 노드 N은 노드 B ₈ (350) 또는 B ₉ (360)의 어느 하나로 자신의 패킷을 송신해야 한다. B ₈ 는 보다 높은 에너지 레벨 80%(370)을 가지므로, 종래의 라우팅 메트릭에 의해, N은 자신의 패킷을 B ₈ 에 송신하는 것이 가능하게 된다. 한편, B ₈ 를 통과하는 패스는 배터리 레벨 18%(390)을 갖는, 보다 낮은 배터리 구동식 노드 B ₆ (380)를 갖는다. 노드 N이 자신의 패킷을 B ₈ 를 통해서 싱크 S에 송신하는 경우, 노드 B ₆ 는 배터리 전력을 보다 급속히 소모한다. 그 이유는, B ₆ 는 노드 N에 의해 송신되는 패킷을 중계해야 하기 때문이다. 대신에, 노드 N은 자신의 패킷을 B ₉ 에 송신해야 하는 것이다. B ₉ 를 통과하는 패스는 최저 배터리 레벨 40%(395)를 가지며, 이것은 B ₆ 의 배터리 레벨보다 훨씬 높다. 그렇지만, 종래의 라우팅 메트릭을 이용하면, 노드 N(320)은 B ₆ 의 배터리 레벨을 알지 못한다.

따라서, 하나의 실시 형태는 에너지 효율이 좋은 라우팅 패스를 찾아내는 에너지 절감 메트릭을 구한다. 이 에너지 절감 메트릭은 데이터 노드가 BPN인지 또는 MPN인지를 식별하는 전원(PS) 메트릭과, 라우팅 패스를 따르는 BPN의 수를 기억하는 배터리 구동식 노드 카운트(BNC) 메트릭과, 라우팅 패스를 따르는 BPN 내의 최소 레벨을 기억하는 최소 배터리 레벨(MBL) 메트릭과, 네트워크의 BPN가 라우팅 패스 상에서 송신된 데이터 패킷을 오버 히어링하는 횟수를 기억하는 배터리 구동식 오버 히어링 카운트(BOC) 메트릭 중 하나 또는 조합을 포함할 수 있다.

패스의 배터리 구동식 노드 카운트(BNC)는 패스를 따르는 배터리 구동식 노드의 수를 카운트한 것이다. 라우팅 패스의 발견 중에, 싱크 노드는 해당 싱크가 상용 전원식일 때는, BNC=0을 설정한다. 그렇지 않을 때, 싱크는 BNC=1을 설정한다. 배터리 구동식 노드는 BNC를 1만큼 증가시키고, 상용 전원식 노드는 BNC의 값을 변경하지 않는다.

도 4a는 싱크 노드 S(300)가 BNC=0을 설정하고, 배터리 구동식 노드 B ₁ , B ₂ 및 B ₃ 의 각각이 BNC를 1만큼 증가시키고, 상용 전원식 노드 M ₁ 및 M ₂ 가 BNC치를 변경하지 않는 일례를 나타내고 있다. 라우팅 패스 발견 메시지가 노드 N(310)(배터리 구동식 또는 상용 전원식)에 전파되면, N은 3개의 배터리 구동식 노드가 이 패스를 따라 존재한다는 것을 안다.

패스의 최소 배터리 레벨(MBL)은 패스를 따르는 모든 배터리 구동식 노드 내의 최소 배터리 레벨을 측정한 것이다. 라우팅 패스의 발견중, 싱크 노드는 해당 싱크가 상용 전원식일 때, MBL=100을 설정한다. 그렇지 않을 때, 싱크 노드는 MBL를 자신의 배터리 레벨로 설정한다. 배터리 구동식 노드는 패스 발견 메시지에 포함되는 MBL를 자신의 배터리 레벨과 비교한다. 노드의 배터리 레벨이 수신된 MBL보다 낮은 경우, 노드는 MBL를 자신의 배터리 레벨로 변경한다. 그렇지 않은 경우, 노드는 MBL의 값을 변경하지 않는다. 상용 전원식 노드는 MBL의 값을 변경하지 않는다.

도 4b는 싱크 노드 S(300)가 MBL=100을 설정하고, 배터리 구동식 노드 B ₁ 가 MBL=60으로 변경하고, 배터리 구동식 노드 B ₂ 가 MBL=50으로 변경하고, 배터리 구동식 노드 B ₃ 및 상용 전원식 노드 M ₁ 및 M ₂ 가 MBL치를 변경하지 않는 일례를 나타내고 있다. 라우팅 패스 발견 메시지가 노드 N(310)(배터리 구동식 또는 상용 전원식)에 전파되면, 노드 N은 50%의 배터리 레벨을 갖는 적어도 1개의 배터리 구동식 노드가 이 패스를 따라 존재한다는 것을 안다.

패스의 배터리 구동식 오버 히어링 카운트(BOC)는 배터리 구동식 이웃 노드가 해당 패스를 따른 패킷 송신을 오버 히어링하는 총 횟수를 카운트한 것이다. 배터리 구동식 노드가 패스 상의 복수의 노드의 이웃 노드인 경우, 이 배터리 구동식 노드는 복수회 카운트된다. 무선 네트워크에서는, 송신기가 패킷을 수신기로 송신하면, 이 송신원의 모든 액티브한 이웃 노드는 이 패킷이 이러한 이웃 노드를 목적지로 하고 있지 않아도, 이 패킷을 수신한다. 따라서, 라우팅 알고리즘은 오버 히어링의 확률을 최소로 하지 않으면 안 된다. BOC는 오버 히어링에 관한 배터리 에너지 소비를 삭감하는데 이용할 수 있는 메트릭이다. 라우팅 패스의 발견중, 각 노드는 상용 전원식인지 또는 배터리 구동식인지를 나타낸다. 싱크 노드는 BOC를 자신의 배터리 구동식 이웃 노드의 수(NBN)로 설정한다.

하나의 실시 형태에서는, 각 홉에 있어서, 패스 상의 노드 N(상용 전원식 또는 배터리 구동식)는 이하와 같이 BOC를 갱신한다.

1) 노드 N은 배터리 구동식인 경우, BOC를 1만큼 감소시킨다. 그 이유는, 선행 홉 노드는 노드 N를 배터리 구동식 이웃 노드로서 카운트해야 하기 때문이다.

2) 선행 홉 노드가 배터리 구동식인 경우, 노드 N은 자신의 NBN를 1만큼 감소시킨다. 그 이유는, 선행 홉 노드는 노드 N의 배터리 구동식 이웃 노드이기 때문이다.

3) 노드 N은 자신의 갱신된 NBN를 갱신된 BOC에 가산하고, BOC를 패스 발견 메시지에 포함한다.

도 4c는 실선 400이 패킷 송신을 나타내고, 파선 410이 배터리 구동식 노드에 의한 패킷 오버 히어링을 나타내는 일례를 나타내고 있다. 노드 N(310)는 패스 N→M ₂ →B ₃ →M ₁ →B ₂ →B ₁ →S를 따라 패킷을 싱크 노드 S(300)(이 예에서는 상용 전원식)에 송신한다. 배터리 구동식 노드 B ₄ ~B ₉ 는, 라우팅 패스 상에 없어도, 이들 노드는 어웨이크하고 있을 때 패킷을 수신한다. 그 결과, 그들 노드의 배터리는 소비된다.

라우팅 패스의 발견중, 싱크 노드 S는 BOC=2로 설정한다. 그 이유는, 노드 S는 자신의 배터리 구동식 이웃 노드로서 B ₁ 및 B ₄ 를 가지기 때문이다. B ₁ 는 패스 발견 메시지를 수신하면, BOC를 1만큼 감소시킨다. 즉, BOC=1로 설정한다. B ₁ 는 3개의 배터리 구동식 이웃 노드 B ₂ , B ₄ 및 B ₅ 를 갖는다. 따라서, B ₁ 는 BOC를 4로 갱신한다. B ₂ 가 패스 발견 메시지를 수신하면, 이 노드는 BOC를 1만큼 감소시킨다. 즉, BOC=3으로 한다. B ₂ 는 자신의 NBN도 1만큼 감소시켜, 최종적으로, B ₂ 는 BOC=BOC＋1=4로 설정한다. 마찬가지로, M ₁ , B ₃ 및 M ₂ 도 BOC를 갱신한다. 라우팅 패스 발견 메시지가 노드 N(310)에 전파되면, 노드 N은 BOC=10으로 설정한다. 이 예에서는, 노드 B ₄ , B ₅ , B ₈ 및 B ₉ 는 2회 카운트된다.

슬립 노드를 갖는 이종 무선 네트워크에서는, 라우팅 알고리즘은 최근의 갱신을 반영하도록 패스 레벨 라우팅 메트릭을 빈번하게 리프레쉬할 필요가 있다.

새로운 노드 상태 라우팅 메트릭

종래의 노드 상태 메트릭 에너지 레벨은 모든 노드가 배터리 구동식인 동종 네트워크에 대해 정의되고 있다. 상용 전원식 노드 및 배터리 구동식 노드의 양쪽을 갖는 이종 네트워크의 경우, 에너지 레벨 메트릭은 노드가 상용 전원식인지 또는 배터리 구동식인지를 나타내지 않았다. 그 이유는, 네트워크 기동시에, 모든 노드는 100%의 에너지 레벨을 가지기 때문이다. 따라서, 전원(PS)으로 불리는 새로운 노드 상태 메트릭이 몇몇 실시 형태에서 이용된다. 노드 N의 경우, PS(N)=1은 노드 N이 상용 전원식인 것을 나타내고, PS(N)=0은 노드 N이 배터리 구동식인 것을 나타낸다.

RPL의 개략

저전력 고손실 네트워크(LLN)가 측정할 수 있는 라우팅 프로토콜을 설계하기 위해서, 인터넷 엔지니어링 태스크 포스(IETF)의 저전력 고손실 네트워크(ROLL) 상의 라우팅의 워킹 그룹(WG)은 저전력 고손실 네트워크용 라우팅 프로토콜(RPL)을 RFC6550로서 표준화하고 있다. RPL은 LLN에 있어서의 노드를 방향성 비순회 그래프(DAG)로서 조직화하고, DAG를 1개 또는 복수의 목적지 지향성 DAG(DODAG)로 분할한다. 데이터 싱크당 1개의 DODAG가 존재한다.

DODAG의 토폴로지 및 노드로부터 데이터 싱크로의 상향 루트를 구축하기 위해서, 데이터 싱크는 DODAG의 루트(root)으로서의 역할을 수행하고, DODAG 정보 오브젝트(DIO) 메시지를 이웃 노드에 브로드캐스트한다. DIO 메시지는 DODAG를 구축하기 위한 정보를 포함한다. 예를 들면, DODAG 버전을 식별하기 위해서, 3개의 파라미터 RPLInstanceID, DODAGID 및 DODAGVersionNumber가 포함된다. 노드의 계층은 DODAG의 루트에 대해서, 다른 노드에 대한 노드의 개개의 위치를 규정한다. 데이터 싱크의 이웃 노드에 있는 노드는 DIO 메시지를 수신하고, 그들 노드가 DODAG에 참가하는 것을 결정했을 때에 자신의 계층을 결정하고, 갱신된 DIO 메시지를 이웃 노드에 송신한다. 노드의 계층은 DIO 메시지 내에 포함된다. DIO 메시지는 모든 노드가 DODAG에 참가할 때까지, DODAG 토폴로지가 파면(wave front) 방식으로 구축되도록 모든 방향으로 전파된다. RPL은 목적지 고지 오브젝트(DAO) 메시지를 이용해서, 데이터 싱크로부터 다른 목적지로의 하향 루트를 만든다. DAO 메시지는 노드로부터 해당 노드의 부모 노드 또는 루트 노드로 상향으로 송신된다. DODAG 정보 요청(DIS) 메시지를 이용해서, RPL 노드로부터 DIO가 요청된다, 즉, 새로운 루트가 발견된다.

신뢰성이 있는 라우팅을 달성하기 위해서, RPL은 노드가 데이터 패킷 전송을 위한 다음의 홉을 결정하기 위해서, DODAG 구조를 이용해서 복수의 부모 노드를 갖는 것을 가능하게 한다. 부모 노드 중 하나는 바람직한 부모 노드로서 선택되고, 다른 부모 노드는 백업 부모 노드로서 선택된다. 바람직한 부모 노드는 패킷 전송을 위한 디폴트의 다음의 홉으로서 이용된다. 바람직한 부모 노드가 이용 가능하지 않은 경우, 백업 부모 노드를 이용할 수 있다. RPL은 노드가 계층을 결정하고 부모 노드를 선택하는 것을 지원하기 위한 목적 함수(OF)를 이용한다.

라우팅 알고리즘은 제어 메시지를 이용해서 라우팅 패스를 발견한다. 예를 들면, AODV는 경로 요구(REQ) 메시지 및 경로 응답(REP) 메시지를 경로 발견에 이용한다. RPL은 DIO 메시지를 상향 라우팅 패스 발견에 이용하고, DAO 메시지를 하향 라우팅 패스 발견에 이용한다. 라우팅 패스 발견 메시지를 전파시키는 것은 슬립 노드로 이루어지는 이종 무선 네트워크에서는 난제이다. 슬립 노드를 갖지 않는 네트워크에서는, 노드가 경로 발견 메시지를 브로드캐스트하고, 모든 이웃 노드가 이 브로드캐스트된 메시지를 수신한다. 한편, 분산된 슬립 노드를 갖는 네트워크에서는, 몇몇 이웃 노드가 슬립하고, 몇몇 이웃 노드가 어웨이크하고 있다. 슬립한 이웃 노드는 모두 메시지도 수신할 수 없다.

집중형 슬립 제어를 이용하면, 제어 노드는 노드가 슬립하고 있을 때 및 노드가 액티브한 때를 판단한다. 한편, 분산형 슬립 모델을 이용하면, 그러한 스케줄링된 슬립 정보 및 액티브 정보는 입수 가능하지 않다. 입수 가능한 유일한 정보는 슬립 노드가 웨이크 업했을 때 웨이크 업 메시지를 송신한다는 것뿐이다. 유니캐스트 패킷의 경우, 송신원은 수신기로부터 웨이크 업 메시지를 수신할 때까지 대기할 수 있다. 그러나, 브로드캐스트 메시지 및 멀티 캐스트 메시지는 상이하다. 이들 메시지는 복수의 수신기를 목적지로 한다. RPL에 있어서의 DIO 등의 라우팅 패스 발견 메시지의 대부분은 브로드캐스트 메시지이다. 네트워크 접속을 얻으려면, 모든 노드가 그러한 브로드캐스트 메시지를 수신해야 한다. 수신하지 않는 경우, 그 노드는 네트워크로부터 격리된다. 따라서, 중요한 브로드캐스트 메시지에 대해, 송신원은 메시지를 모든 이웃 노드에 전달하는 것을 보증해야 한다.

분산형 슬립 관리 모델을 이용해서 브로드캐스트 메시지를 모든 이웃 노드에 전달하는 1개의 방법은 브로드캐스트 메시지를 이하의 R _TX 회 송신하는 것이다.

이러한 R _TX 회의 송신은 브로드캐스트 간격으로 불리는 시간 기간에 걸쳐서 균등하게 분산된다. 브로드캐스트 간격의 길이는 MinActivePeriodLength＋MaxSleepPeriodLength이다. 이들의 송신 동안, 송신 노드는 각 재송신 후에 슬립하는 경우가 있고, 다음의 재송신을 위해서 웨이크 업한다. 송신 노드는 웨이크 업하여도, 웨이크 업 메시지를 송신하지 않는 경우가 있다. RTX회의 재송신을 이용하면, 모든 이웃 노드는 브로드캐스트 메시지의 적어도 1개의 카피를 수신하는 것이 보증된다. 복제 검출을 위해서, 송신 노드는 시퀀스 번호를 브로드캐스트 메시지에 포함하고, R _TX 회의 모든 재송신은 브로드캐스트 메시지가 복제된 것인지 아닌지를 수신 노드가 판단할 수 있도록 동일 시퀀스 번호를 갖는다. 이 브로드캐스트 메시지 송신 방법은 R _TX 가 상대적으로 작아지도록 MinActivePeriodLength가 상대적으로 클 때에 보다 효율적이다. 도 5는 노드 N(500)(상용 전원식 또는 배터리 구동식)가 DIO 송신 노드이며, 노드 B ₁ 510 및 B ₂ 520가 노드 N의 2개의 배터리 구동식 이웃 노드인 일례를 나타내고 있다. 노드 B ₁ 는 노드 B ₂ 의 슬립 기간(550)보다 긴 슬립 기간(540)을 갖는다. 이 예에서는, MaxSleepPeriodLength=2*MinActivePeriodLength이며, 그에 따라, RTX=4이다. 4개의 DIO 송신(560)은 브로드캐스트 간격(570)에 걸쳐서 균등하게 분산된다. 노드 B ₁ 는 DIO 메시지의 2개의 카피를 수신하고, 노드 B ₂ 는 DIO 메시지의 하나의 카피를 수신한다.

분산형 슬립 관리 모델을 이용해서 브로드캐스트 메시지를 모든 이웃 노드에 전달하는 다른 방법은 송신 노드가 브로드캐스트 간격의 동안에 어웨이크 상태에 있는 것이다. 브로드캐스트 간격의 개시시에, 송신 노드는 브로드캐스트 메시지를 1회 송신하고, 모든 상용 전원식 이웃 노드가 브로드캐스트 메시지를 수신하는 것을 확인한다. 브로드캐스트 간격의 동안에, 송신 노드는 웨이크 업 메시지를 배터리 구동식 이웃 노드로부터 수신할 때 마다 1회, 브로드캐스트 메시지를 송신한다. 이 방법을 이용하면, 송신 노드는 브로드캐스트 메시지를 NBN＋1회 송신한다. 마찬가지로, 복제 검출을 위해서, 송신 노드는 시퀀스 번호를 브로드캐스트 메시지에 포함하고, 모든 재송신은 동일 시퀀스 번호를 갖는다. 이 브로드캐스트 메시지 송신 방법은 송신 노드가 갖는 배터리 구동식 이웃 노드가 보다 적은 경우에, 보다 효율적이다.

라우팅 알고리즘은 R _TX 와 NBN를 비교함으로써 상이한 노드에 어느 하나의 방법을 적응적으로 이용할 수 있다. R _TX 는 네트워크 내의 모든 노드에 대해 동일하지만, NBN은 노드에 의존한다. 그 이유는, 상이한 노드는 상이한 수의 배터리 구동식 이웃 노드를 갖는 경우가 있기 때문이다. 상용 전원식 이웃 노드는 동일 브로드캐스트 메시지의 R _TX 개 또는 NBN＋1개의 카피를 수신한다.

슬립 노드를 갖는 이종 네트워크에 있어서의 라우팅 패스 발견

상용 전원식 및 배터리 구동식의 양쪽을 갖는 이종 무선 네트워크에서는, 상용 전원식 노드를 다음의 홉 노드로서 선택하는 것이 항상 에너지 효율이 좋다고는 할 수 없다. 도 6은 싱크 노드가 S600인 일례이다. 배터리 구동식 노드 B ₅ 610는 상용 전원식 노드 M ₁ 620를 다음의 홉 노드로서 선택한다. 그 이유는, M ₁ 는 상용 전원식 노드이기 때문이다. 선택된 패스 B ₅ →M ₁ →B ₆ →B ₂ →S는 2개의 배터리 구동식 노드 B ₂ 630 및 B ₆ 640가 패스 상에 존재하므로, 보다 많은 배터리 전력을 실제로 소비한다. 대신에, B ₅ 는 B ₂ 가 배터리 구동식 노드이더라도, B ₂ 를 자신의 다음의 홉 노드로서 선택해야 하는 것이다. 패스 B ₅ →B ₂ →S는 패스 B ₅ →M ₁ →B ₆ →B ₂ →S보다 에너지 효율이 좋다.

기존의 라우팅 알고리즘은 상용 전원식 노드 및 배터리 구동식 노드의 양쪽을 갖는 이종 네트워크, 특히, 분산형 슬립 관리 모델용으로 설계되어 있지 않다. 새로운 라우팅 기능을 제공해야 한다.

RPL을 예를 들면, RPL은 슬립 노드를 서포트하고 있지 않다. 슬립 노드를 서포트하려면, RPL에 의해 규정된 종래의 라우팅 메트릭 외에, 새로운 메트릭 BNC, MBL, BOC 및 PS를 DIO 메시지로 반송하여야 한다. 이러한 메트릭을 이용하면, 부모 노드의 선택 및 랭크의 계산의 기준으로서 많은 방법을 이용할 수 있다. 에너지 효율이 좋은 방법은 이하의 단락에서 제공된다. RPL은 DIO 메시지 전파를 이용해서, 상향 라우팅 패스를 발견한다. DIO 메시지는 싱크 노드에 의해 발신된다. DIO 전파중, 각 노드는 1개의 디폴트의 부모 노드, 및 복수의 백업의 부모 노드가 이용 가능한 경우에는, 이들 백업의 부모 노드를 선택한다.

도 7은 새롭게 도입된 배터리 전력 효율이 좋은 라우팅 메트릭을 서포트하는 제공된 라우팅 패스 발견 방법을 갖는 RPL를 나타내고 있다. 노드는 DIO 메시지를 수신하면(700), 이 DIO가 새로운 DODAG용인지 또는 기존의 DODAG용인지를 조사한다(705). DIO가 새로운 DODAG용인 경우, 노드는 이 DODAG에 참가하고 있는지 아닌지를 판정한다(710). 노드가 새로운 DODAG에 참가하지 않은 경우, DIO 메시지는 폐기된다(715). 노드가 DODAG에 참가하고 있는 경우, DIO는 처리된다(720). BNC가 0인 경우(725), 노드는 DIO 송신원을 자신의 디폴트의 부모 노드로서 설정해서 자신의 랭크를 계산하고(730), DAO 송신을 스케줄링하고(735), 상기에서 제공한 브로드캐스트 메시지 송신 방법 중 하나를 이용함으로써, DIO의 송신을 개시한다(740). BNC가 0이 아닌 경우, 노드는 DIO 송신원을 부모 노드로서 선택하지만(745), 랭크를 계산하지 않는다. 그 대신에, 노드는 보다 바람직한 DIO를 대기하는 타이머를 시동한다(750). DIO가 기존의 DODAG용인 경우, 노드는 부모 노드를 이미 선택하고 있다. 그 때문에, 노드는 랭크가 계산되고 있는지 아닌지를 조사한다(755). 예인 경우, 노드는 자신의 랭크가 DIO 메시지에 포함되는 랭크보다 큰지 아닌지를 조사한다(758). 아니오인 경우, DIO는 폐기된다(715). 예인 경우, 노드는 충분한 부모 노드가 선택되어 있는지 아닌지를 조사하고(760), 아니오인 경우, 노드는 DIO 송신원을 자신의 부모 노드 집합에 더하고(765), 예인 경우, 이 DIO가 보다 우수한 라우팅 패스를 포함할 때는, 노드는 부모 노드 중 하나를 변경함으로써 자신의 부모 노드 집합을 갱신한다(770). 랭크가 계산되지 않고, 이 DIO가 BNC=0을 갖는 경우(775), 노드는 DIO 송신원을 디폴트의 부모 노드로서 설정하고(780), DIO 대기 타이머를 캔슬하고(785), 랭크를 계산하고, 충분한 부모 노드가 선택되어 있을 때는, 기존의 부모 노드 중 하나를 변경함으로써 부모 노드 집합을 갱신하고(790), DAO 송신을 스케줄링하고(735), DIO의 브로드캐스트를 개시한다(740). DIO가 BNC＞0을 갖는 경우, 노드는 충분한 부모 노드가 선택되어 있지 않을 때는, DIO 송신원을 자신의 부모 노드 집합에 더하고(765), 그렇지 않고 충분한 부모 노드가 선택되어 있을 때는, 해당 노드의 부모 노드 집합을 갱신한다(770). 타이머가 만료되면(795), 노드는 부모 노드 집합으로부터 1개의 부모 노드를 디폴트의 부모 노드로서 선택하고, 랭크를 계산하고(798), DAO 송신을 스케줄링하고(735), DIO 메시지 송신을 개시한다(740).

부모 노드 집합을 갱신하려면, 1개의 패스가 다른 패스보다 우수하다고 판단하는 기준을 정의할 필요가 있다. 1개의 패스가 이 다른 패스보다 우수한 것을 정의하는 방법에는, 여러 방법이 있다. 보다 작은 BNC를 갖는 패스는, 다른 메트릭이 같은 경우에는, 큰 BNC를 갖는 패스보다 우수한 것으로 보인다. 보다 큰 MBL를 갖는 패스는, 다른 메트릭이 같은 경우에는, 보다 작은 MBL를 갖는 패스보다 우수한 것으로 보인다. 보다 작은 BOC를 갖는 패스는, 다른 메트릭이 같은 경우에는, 큰 BOC를 갖는 패스보다 우수한 것으로 보인다. 최초의 홉 노드가 상용 전원식인 패스는, 다른 메트릭이 같은 경우에는, 최초의 홉 노드가 배터리 구동식인 패스보다 우수한 것으로 보인다.

개시된 발명은, 보다 우수한 패스를 결정하는 방법을 제공한다. 각 부모 노드 후보 P에 대해, 노드는 이하와 같이 부모 노드 적격치 Q(P)를 계산한다.

보다 작은 Q(P)치는 보다 우수한 패스를 나타낸다. 노드는 식(2)을 이용해서, 자신의 부모 노드 집합을 갱신한다. DIO 타이머가 만료되면, 노드는 가장 작은 Q(P)치를 갖는 부모 노드를 디폴트의 부모 노드로서 선택한다. 호각(互角)(tie)의 경우, 노드는 PS를 이용해서, 이 호각을 해소한다. PS가 호각을 해소할 수 없는 경우, RPL에 의해 정의된 종래의 라우팅 메트릭이 호각을 해소하는데 이용된다.

종래의 라우팅 메트릭 및 새로운 라우팅 메트릭을 이용하면, 노드의 랭크를 계산하는 많은 방법이 있다. 이하는, 4개의 새로운 메트릭을 종래의 랭크 계산에 넣은 랭크 계산 방법이다.

여기서, R _D 는 디폴트의 부모 노드(DP)의 랭크이며, R _I 는 종래의 RPL 라우팅 메트릭 및 목적 함수를 이용함으로써 계산된 랭크 증가량이며, C _BNC , C _MBL , C _BOC , 및 C _PS 는 각각 BNC, MBL, BOC, 및 PS의 중요도를 반영하는 계수이다. 노드가 보다 우수한 디폴트 패스를 발견하는 경우, 이들의 계수는 노드가 보다 작은 랭크를 갖도록 선택되는 것이 당연하다. 그렇지 않은 경우, 노드는 보다 큰 랭크를 갖는다.

제공된 부모 노드 선택 방법을 이용해서, 노드는 복수의 부모 노드를 선택한다. 환언하면, 노드는 싱크 노드를 향하는 복수의 라우팅 패스를 발견한다. 노드는 발견된 가장 우수한 라우팅 패스를 자신의 DIO 메시지로 고지한다. 예를 들면, 노드가 싱크 노드로의 2개의 라우팅 패스, 즉, BNC=0을 갖는 한쪽의 패스 및 BNC=2를 갖는 다른 쪽의 패스를 발견한 경우, 이 노드는 BNC=0을 갖는 패스를 고지한다.

예로서 RPL은 배터리 전력 효율이 좋은 라우팅 패스를 발견하는데 이용되고 있지만, 제공된 방법은 임의의 라우팅 알고리즘에 적용할 수 있다.

아이들 리스닝 시간 삭감

도 8은 배터리 구동식 노드 B ₀ , B ₁ , B ₂ ,… , B _N 가 동일 액티브 기간 길이 및 슬립 기간 길이를 이용하는 일례를 나타내고 있다. 노드 B ₁ 는 노드 B ₀ 에 송신되는 데이터 패킷을 갖지만, B ₁ 는 B ₀ 로부터의 최초의 웨이크 업 메시지(800)를 놓친 직후이고, B ₁ 는 노드 B ₀ 로부터의 다음의 웨이크 업 메시지(810)를 대기하고, 패킷(820)을 B ₀ 에 송신한다. 마찬가지로, 노드 B ₂ 는 노드 B ₁ 에 송신되는 데이터 패킷을 갖지만, B ₂ 는 B ₁ 로부터의 최초의 웨이크 업 메시지(800)를 놓친 직후이고, 그 때문에, 노드 B ₂ 는 B ₁ 로부터의 다음의 웨이크 업 메시지(810)를 대기하고, 패킷(820)을 B ₁ 에 송신한다. 다른 노드에 대해서도 마찬가지이다. 이 시퀀스에서는, B ₁ 의 대기 시간≒ActivePeriodLength(액티브 기간 길이)＋SleepPeriodLength(슬립 기간 길이), B ₁ 의 대기 시간≒ActivePeriodLength＋2*SleepPeriodLength,… , B _N 의 대기 시간≒ActivePeriodLength＋N*SleepPeriodLength이다. 액티브 기간 길이가 10초이며, 슬립 기간 길이가 90초인 경우, 노드 B ₅ 는 약 460초 동안 대기한다.

본 발명의 몇몇 실시 형태에서는, 라우팅 알고리즘은 BPN의 액티브 기간 및 슬립 기간의 스케줄을 관리해서, 보다 많은 에너지 소비를 초래하는 아이들 리스닝 시간도 삭감한다. 분산형 슬립 모델에 있어서 아이들 리스닝 시간을 삭감하기 위해서, 몇몇 실시 형태에서는, 송신 노드는 수신기 노드로부터의 웨이크 업 메시지가 수신될 때까지 대기하는 것을 필요로 하지 않는다. 상이한 실시 형태는 상이한 방법 중 하나 또는 조합을 이용해서, 아이들 리스닝 시간을 삭감한다.

예를 들면, 버퍼 내의 패킷의 수는 아이들 리스닝을 삭감하는데 이용할 수 있는 1개의 파라미터이다. 송신되는 패킷이 버퍼에 보다 많이 존재하는 경우, 송신 노드는 보다 긴 시간 동안 대기할 가능성이 있다. 그렇지 않은 경우, 송신 노드는 보다 짧은 시간을 대기하고, 웨이크 업이 수신되지 않는 경우, 송신 노드는 슬립한다. 따라서, 아이들 리스닝 시간은 버퍼 내의 패킷의 수에 비례하도록 설정할 수 있다.

오버 히어링은 아이들 리스닝 시간을 삭감하는 다른 방법이다. 무선 매체는 공유 매체이다. 수신 노드로부터 오버 히어링된 어느 송신도 수신 노드가 어웨이크하고 있는 것을 나타내고, 그러므로, 송신 노드는 패킷을 수신 노드에 송신할 수 있다. 예를 들면, RPL 프로토콜에 따르면, RPL 노드는 트리클(trickle) 타이머 알고리즘에 근거해서 DIO를 송신한다. 이것은 의사 주기 송신이다. 송신 노드가 수신 노드로부터의 DIO 메시지를 오버 히어링한 경우, 수신 노드는 어웨이크하고 있다. 또, 네트워크 내의 노드는 자신의 데이터를 싱크 노드로도 송신할 필요가 있다.

액티브 통지는 아이들 리스닝 시간을 삭감하는 다른 방법이다. 송신 노드가 자신의 수신기로부터의 웨이크 업 메시지를 대기하고 있는 동안, 이 송신 노드로부터의 웨이크 업 메시지를 대기하고 있는 다른 노드가 존재하는 경우가 있다. 따라서, 송신 노드는 당분간 대기하고 있는 경우에, 액티브 통지 신호를 동적으로 송신해서, 자신이 어웨이크하고 있는 것을 자신의 이웃 노드에 알릴 수 있고, 그것에 의해, 그들의 이웃 노드가 이 송신 노드로 송신할 수 있는 패킷을 갖는 경우에, 그들의 패킷을 이 송신 노드에 송신할 수 있도록 한다.

배터리 레벨도 아이들 리스닝 시간 관리에 있어서 고려할 필요가 있다. 배터리 레벨 임계치 BL _TH 가 정의된다. 배터리 노드의 배터리 레벨이 BL _TH 보다 낮은 경우, 이 배터리 노드는 위기 상태에 있다. 따라서, 이 배터리 노드는 자신의 액티브 기간을 최소 액티브 기간으로 설정해야 하는 것이며, 자신의 슬립 기간을 최대 슬립 기간으로 설정한다. 한편, 배터리 구동식 노드가 자신이 수집한 MBL보다 훨씬 높은 배터리 레벨을 갖는 경우, 이 배터리 구동식 노드는 아이들 리스닝 시간을 보다 길게 설정할 수 있다.

배터리 에너지 효율이 좋은 데이터 패킷 송신

슬립 노드가 있는 경우, 데이터 패킷의 송신은 슬립 노드가 없는 경우와 상이하다. 슬립 노드가 없는 경우에는, 수신기는 항상 어웨이크하고 있고, 송신 노드는 패킷을 수신기에 임의의 시간에 송신할 수 있다. 슬립 노드가 있는 경우, 송신기는 패킷을 송신하기 위해서, 수신기가 어웨이크하고 있는 것을 확인해야 한다. 종래의 집중형 슬립 제어를 이용하면, 송신기 및 수신기는 동시에 슬립 및 웨이크 업하도록 스케줄링된다. 즉, 송신기가 어웨이크하고 있는 경우, 수신기는 어웨이크하고 있지 않으면 안 된다. 따라서, 송신기는 수신기가 어웨이크하고 있는 한, 패킷을 수신기에 송신할 수 있다. 한편, 분산형 슬립 모델을 이용하면, 송신기 및 수신기는 독립해서 슬립 및 웨이크 업한다. 즉, 송신기가 어웨이크하고 있을 때, 수신기는 어슬립(asleep)하고 있는 경우가 있다. 따라서, 라우팅 알고리즘은 패킷 손실을 회피함과 아울러 배터리 전력을 절약하기 위해서, 데이터 패킷 송신을 효율적으로 관리해야 한다.

종래의 RPL에서는, 노드는 데이터 패킷을 자신의 디폴트의 부모 노드에 항상 송신한다. 한편, 분산형 슬립 모델을 이용하면, 노드는 패킷을 자신의 디폴트의 부모 노드에 항상 송신할 수 있다고는 할 수 없다. 그 이유는, 디폴트의 부모 노드는 어슬립하고 있는 경우가 있기 때문이다. 노드는 자신의 디폴트의 부모 노드가 웨이크 업하는 것을 대기할 수 있지만, 대기는 에너지를 소비하고, 데이터 지연도 증대시킨다. 효율적인 방법은 노드가 어웨이크 하고 있는 임의의 부모 노드에 데이터 패킷을 송신할 수 있는 것이다. 부모 노드가 어웨이크하고 있지 않는 경우, 노드는 상기에서 설명한 슬립 관리 방법을 이용함으로써 슬립 또는 대기할 수 있다.

배터리 전력을 효율 좋게 하기 위해서, 송신 노드는 복수의 부모 노드가 어웨이크하고 있는 경우에, 어느 부모 노드에 패킷을 송신해야 하는지를 결정하지 않으면 안 된다. 바람직한 부모 노드를 결정하기 위해서, 각 액티브한 부모 노드를 통과하는 패스를 따르는 배터리 에너지 소비를 추정해야 한다. 송신 노드는 그 후, 가장 적은 배터리 에너지를 소비하는 액티브한 부모 노드를 통과하는 패스를 선택한다. 라우팅 패스를 따르는 배터리 전력 소비의 추정은 이하의 단락에서 설명된다.

분산형 슬립 관리 모델을 이용하면, 배터리 구동식 노드 B가 어웨이크하고 있는 확률은 이하의 식으로 된다.

데이터 패킷을 송신하기 위한 전력 소비 및 수신하기 위한 전력 소비가 각각 P _t 및 P _r 이며, 웨이크 업 메시지를 송신하기 위한 전력 소비 및 수신하기 위한 전력 소비는 각각 W _t 및 W _r 이라고 가정한다. 배터리 구동식 노드 B에 대해, P _i (B)는 패킷 송신전에 배터리 구동식 수신 노드로부터의 웨이크 업 메시지를 대기하는 아이들 리스닝에 관한 배터리 전력 소비를 나타낸다.

송신 노드가 데이터 패킷을 싱크 노드에 전달하는 패스를 따르는 배터리 전력 소비를 추정하기 위한 3개의 스텝이 있다.

스텝 1：어느 노드로부터 다른 노드에 패킷을 송신함으로써 소비되는 배터리 전력을 계산한다.

a) 배터리 구동식 노드 B _t 로부터 배터리 구동식 노드 B _r 에 패킷을 송신함으로써 소비되는 배터리 전력은 이하의 식으로 된다.

여기서, N _r 는 노드 B _t 를 포함하지 않는 노드 B _r 의 배터리 구동식 이웃 노드의 총수이며, BB _r ^k (k=1~N _r )는 노드 B _t 를 포함하지 않는 노드 B _r 의 배터리 구동식 이웃 노드이며, N _t 는 노드 B _r 를 포함하지 않는 노드 B _t 의 배터리 구동식 이웃 노드의 총수이며, BB _t ^j (j=1~N _t )는 노드 B _r 를 포함하지 않는 노드 B _t 의 배터리 구동식 이웃 노드이다.

b) 상용 전원식 노드 M _t 로부터 배터리 구동식 노드 B _r 에 패킷을 송신함으로써 소비되는 배터리 전력은 이하의 식으로 된다.

여기서, N _r 는 노드 B _r 의 배터리 구동식 이웃 노드의 총수이며, BB _r ^k (k=1~N _r )는 노드 B _r 의 배터리 구동식 이웃 노드이며, N _t 는 노드 B _r 를 포함하지 않는 노드 M _t 의 배터리 구동식 이웃 노드의 총수이며, BM _t ^j (j=1~N _t )는 노드 B _r 를 포함하지 않는 노드 M _t 의 배터리 구동식 이웃 노드이다.

c) 배터리 구동식 노드 B _t 로부터 상용 전원식 노드 M _r 에 패킷을 송신함으로써 소비되는 배터리 전력은 이하의 식으로 된다.

여기서, N _t 는 노드 B _t 의 배터리 구동식 이웃 노드의 총수이며, BB _t ^j (j=1~N _t )는 노드 B _t 의 배터리 구동식 이웃 노드이다.

d) 상용 전원식 노드 M _t 로부터 상용 전원식 노드 M _r 에 패킷을 송신함으로써 소비되는 배터리 전력은 이하의 식으로 된다.

여기서, N _t 는 노드 M _t 의 배터리 구동식 이웃 노드의 총수이며, BM _t ^j (j=1~N _t )는 노드 M _t 의 배터리 구동식 이웃 노드이다.

스텝 2：소스 노드로부터 싱크 노드에 패킷을 송신함으로써 소비되는 배터리 전력을 계산한다.

소스 노드 N(상용 전원식 또는 배터리 구동식)으로부터 싱크 노드 S(상용 전원식 또는 배터리 구동식)로의 패스를 따라서, 배터리 구동식 노드로부터 배터리 구동식 노드로의 B2B 송신과, 상용 전원식 노드로부터 배터리 구동식 노드로의 M2B 송신과, 배터리 구동식 노드로부터 상용 전원식 노드로의 B2M 송신과, 상용 전원식 노드로부터 상용 전원식 노드로의 M2M 송신이 있다고 가정한다. 식(5)~(8)을 이용하면, 소스 노드 N으로부터 싱크 노드 S로 패킷을 송신함으로써 소비되는 배터리 전력은 이하의 식에 의해 주어진다.

스텝 3：패스를 따라서 P(N, S)의 최대치 및 최소치를 계산한다.

소스 노드 N으로부터 싱크 노드 S로의 특정의 라우팅 패스에 대해, 배터리 구동식 노드의 수 및 상용 전원식 노드의 수가 고정되고 있어도, 이들 노드의 레이아웃은 배터리 에너지 소비에 영향을 준다. 소스 노드 N 및 싱크 노드 S를 포함해서, NB개의 배터리 구동식 노드 B ₁ , B ₂ ,… , B _NB 와, NM개의 상용 전원식 노드 M ₁ , M ₂ ,… , M _NM 가 패스 상에 존재한다고 가정한다. 최대 배터리 에너지 소비는 모든 상용 전원식 노드가 패스의 선두 부분에 있고, 그 후에 모든 배터리 구동식 노드가 후속되고 있을 때, 즉, M ₁ →M ₂ →… →M _NM →B ₁ →B ₂ →… →B _NB 일 때 일어난다. 따라서, 이하의 식으로 된다.

최소 배터리 에너지 소비는 배터리 구동식 노드 및 상용 전원식 노드가 교대로 배치되어 있을 때 일어난다. NM≥NB인 경우, 최소 배터리 전력 소비 레이아웃은 B ₁ →M ₁ →B ₂ →M ₂ →… →B _NB →M _NB →M _{NB +1} →… →M _NM 이며, NM＜NB인 경우, 최소 배터리 전력 소비 레이아웃은 B ₁ →M ₁ →B ₂ →M ₂ →… →B _NM →M _NM →B _{NM +1} →… →B _NB 이다. 따라서, NM≥NB인 경우, 이하의 식으로 된다.

또, NM＜NB인 경우, 이하의 식으로 된다.

최대 배터리 에너지 소비 및 최소 배터리 에너지 소비가 계산되면, 소스 노드 N으로부터 싱크 노드 S로의 라우팅 패스의 평균 배터리 전력 소비가 이하의 식에 의해 주어진다.

따라서, 복수의 액티브한 부모 노드가 존재하는 경우, 송신 노드는 자신의 데이터 패킷을 부모 노드에 최소 avg(P(N, S))로 전송한다. 한편, 라우팅 패스의 MBL가 BL _TH 에 도달하고 있는 경우, 그 패스는 선택지가 없는 경우를 제외해서 이용되지 않는다.

노드 N이 패스를 따르는 avg(P(N, S))를 실제로 계산하려면, 노드 N은 패스 상의 각 노드의 배터리 구동식 이웃 노드의 수 및 패스 상의 상용 전원식 노드의 수, 및 각 배터리 구동식 이웃 노드가 어웨이크하고 있는 확률을 알 필요가 있다.

홉 카운트는 이하와 같이, 패스를 따르는 상용 전원식 노드(NMN)의 수를 계산하는데 이용된다.

따라서, 패스 상의 노드의 총수는 NMN＋BNC이다. 평균하면, 패스 상의 각 노드는 아래의 식의 개수의 배터리 구동식 오버 히어링 이웃 노드를 갖는다.

배터리 구동식 이웃 노드가 어웨이크하고 있는 확률을 추정하는데, 통상의 액티브 기간 길이 및 통상의 슬립 기간 길이를 이용할 수 있다.

본 발명의 상기 실시 형태는 다수의 방법 중 어느 하나로 실현될 수 있다. 예를 들면, 그들의 실시 형태는 하드웨어, 소프트웨어 또는 그 조합을 이용해서 실현될 수 있다. 소프트웨어로 실현될 때, 그 소프트웨어 코드는 단일의 컴퓨터 내에 마련된다고 해도, 복수의 컴퓨터 간에 분산된다고 해도, 임의의 적절한 프로세서 또는 프로세서의 집합체로 실행할 수 있다. 그러한 프로세서는 집적 회로로서 실현될 수 있고, 집적 회로 구성 요소 내에 1개 또는 복수의 프로세서가 포함된다. 그렇지만, 프로세서는 임의의 적절한 구성의 회로를 이용해서 실현될 수 있다. 그 프로세서는 해당 기술 분야에 있어 기지인 바와 같이, 메모리, 송수신기 및 입출력 인터페이스에 접속할 수 있다.