KR100576604B1 - 이동 에드 혹 네트워크에서 최적 경로 결정에 의한 효율적데이터 전송 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정 기반 망 없이 이동 노드들 끼리 통신을 할 수 있는 이동 에드 혹 네트워크에 관한 것으로, 소스 노드에서 목적지 노드로 데이터를 전송하기 위한 최적 경로 결정 방법에 있어서, 상기 데이터를 전송하기 위해 요구되는 필요 전력량을 산출하고, 상기 산출된 필요 전력량 정보를 포함한 경로 탐색 메시지를 상기 소스 노드의 주변 노드로 전송하는 과정과, 상기 경로 탐색 메시지를 수신한 주변 노드에서의 잔여 전력량이 상기 요구 전력량을 만족할 경우 다음 주변 노드로 상기 경로 탐색 메시지를 전송하는 과정과, 상기 경로 탐색 메시지가 목적지 노드까지 전송될 때, 상기 목적지 노드에서 경로 설정 응답 메시지를 생성하여 상기 경로 탐색 메시지가 전송된 경로의 역경로로 전송하는 과정과, 상기 역경로로 전송된 경로 설정 응답 메시지를 수신한 소스 노드에서 상기 경로 설정 응답 메시지를 참조하여 최적의 경로를 결정하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

이동 노드, 에드 혹, 최적 경로 탐색, 비용, 전력

Description

이동 에드 혹 네트워크에서 최적 경로 결정에 의한 효율적 데이터 전송 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMITTING THE DATA BY OPTIMUM PATH DETERMINATION IN THE MOBILE AD-HOC NETWORK}

도 1은 본 발명에 따른 이동 에드 혹 네트워크에서 경로 탐색 메시지를 목적지 노드로 전달하는 과정을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이동 에드 혹 네트워크에서의 무선 통신 단말 장치의 구성을 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이동 에드 혹 네트워크에서 무선 통신 단말 장치의 최적 경로 선택기 구조를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PCREP 메시지가 역 경로를 통해 최적 경로설정을 위한 정보를 모으는 과정을 나타낸 도면.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중 홉 전송을 통한 전력 절감 효과를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 RERR 메시지와 이를 수신한 노드의 에러 복구 절차를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 최적 경로 설정을 통한 데이터 전송 절차를 나타낸 흐름도.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이동 노드에서 수신한 경로 탐색 메시지 처리 절차를 나타낸 흐름도.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이동 노드에서 경로 설정 응답 메시지 전송 절차를 나타낸 흐름도.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 경로 설정 응답 메시지에 의한 최적 경로 설정 절차를 나타낸 흐름도.

본 발명은 고정 기반 망 없이 이동 노드들 끼리 통신을 할 수 있는 이동 에드 혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이동 에드 혹 네트워크에서 발생 할 수 있는 이동 노드들의 전력 부족과 통신 노드의 이동성으로 인한 경로 단절에 효과적으로 대응하여 신뢰성 있는 통신을 하기 위한 이동 에드 혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 이동 에드 혹 네트워크(Mobile Ad-hoc Networks)란 기존의 무선 통신과는 달리 기지국이나 무선 접속점 없이 이동 통신 단말(Mobile Node) 상호간에 통신이 가능한 기술로, 기반 통신망을 구축할 수 없는 전쟁터나 재난 현장에서 주로 쓰였다. 이러한 휴대성과 이종의 단말기들끼리도 통신이 가능하다는 장점 때문에 현재는 민간용으로 사용 영역이 확대되고 있는 기술이다.

상술한 이동 에드 혹 네트워크에서의 통신 방법으로는 크게 프로-엑티브(Pro-active 또는 Table-driven) 방식과 리-엑티브(Re-active 또는 On-demand) 방식이 있다. 상기 프로-엑티브 방식은 통신을 시작하기 전에 미리 경로를 구성하고, 이동 노드들의 연결 상태를 수시로 확인하는 방법으로 DSDV(Destination Sequence Distance Vector) 방식과 WRP(Wireless Routing Protocol) 방식 등이 있다.

상기 DSDV는 대표적인 프로-엑티브 방식의 프로토콜로서, 벨만-포드(Bellman-ford) 라우팅 알고리즘을 바탕으로 네트워크의 모든 노드들은 항상 라우팅 테이블에 목적지 노드에 대한 정보를 유지하고, 순서 번호를 사용하여 라우팅 루프를 피할 수 있게 개선한 프로토콜이다. 또한, 상기 프로-엑티브 방식은 미리 경로를 구성하는 점에 있어서 신속한 통신의 개시와 경로의 관리면 에서는 효과적으로 대응하는 장점이 있지만 수시로 이동 노드를 끼리 정보를 교환해야 하기 때문에 제어 메시지가 많고, 이로 인한 소비전력도 높다.

한편, 상기 리-엑티브 방식은 출발 노드(Source Node)에서 보낼 데이터가 있을 때 경로를 구성하는 방식으로 DSR(Dynamic Source Routing Protocol) 방식과 AODV(Ad-hoc On-demand Distance Vector) 방식 등이 있다. 상기 DSR 방식에 의한 경로 탐색은 시작 노드가 어떤 목적지 노드로 경로를 탐색하고자 할 때 RREQ(Route Request) 패킷을 전체 네트워크로 전달한다. 상기 RREQ 패킷이 목적지에 도달하면 목적지 노드는 출발 노드에게 응답 메시지로서 RREP(Route Reply) 메시지를 보낸다.

또한, 상기 AODV 방식은 DSR의 경로 탐색알고리즘과 DSDV의 순서 번호 알고 리즘을 더해서 라우팅 루프를 피할 수 있게 하고 라우팅 테이블의 관리를 통해 더욱 효과적으로 경로를 관리할 수 있도록 한 프로토콜이다.

상술한 리-엑티브(즉, On-demand) 방식은 프로-엑티브 방식에 비해 필요시에만 경로를 구성하므로 제어 메시지 감소와 이로 인한 소비 전력의 감소가 있지만 경로 탐색의 신속성과 경로 관리에 대해서는 취약한 점이 있다. 하지만 동적인 네트워크 변화에 대응이 가능하고, 대역폭을 효과적으로 사용할 수 있어 상기 프로-엑티브 방식에 비해 꾸준히 연구되고 있다.

한편, 이동 에드 혹 네트워크에서는 노드의 수명을 오랫동안 유지하고, 전력 효율을 향상시키기 위한 프로토콜이 요구된다. 기존의 제안된 프로토콜들에서는 주로 최단 홉 관점의 최적 경로 설정, 각 노드의 전력의 합이 제일 큰 경로를 선택하는 기법 등이 주로 고려되었다. 하지만 이들은 전력 효율 관점에서 경로를 정하지 않기 때문에 예측 할 수 없는 경로 단절이 생길 수 있다. 또한, 이동 에드 혹 네트워크에서는 각 이동 노드가 자신을 중계 노드로 사용하기 때문에 전력 부족 현상이 생기고, 네트워크가 동적이기 때문에 예고 없는 이동성이 발생한다. 이를 효과적으로 대응하지 않으면 이동 노드가 동작을 멈 출 수도 있고 결국에는 네트워크가 분할될 수 있는 현상이 발생한다.

따라서, 본 발명의 목적은 이동 에드 혹 네트워크에서 이동 노드들의 전력 부족 및 이동성으로 인한 경로의 단절을 줄이기 위한 경로 탐색 기술과 네트워크의 상태를 최적으로 활용하는 비용 계산 방법을 통해 최적의 통신 경로를 구성하는 이동 에드 혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 이동 에드 혹 네트워크에서 데이터 전송 중에도 네트워크의 상태를 감지하는 경로의 관리와 예고 없는 경로의 단절 현상이 발생해도 효과적으로 대비하여서, 동적인 이동 에드 혹 네트워크의 데이터 전송에 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이동 에드 혹 네트워크에서 데이터 전송 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은; 고정 기반 망 없이 이동 노드들 끼리 통신을 할 수 있는 이동 에드 혹 네트워크에서, 소스 노드에서 목적지 노드로 데이터를 전송하기 위한 최적 경로 결정 방법에 있어서, 상기 데이터를 전송하기 위해 요구되는 필요 전력량을 산출하고, 상기 산출된 필요 전력량 정보를 포함한 경로 탐색 메시지를 상기 소스 노드의 주변 노드로 전송하는 과정과, 상기 경로 탐색 메시지를 수신한 주변 노드에서의 잔여 전력량이 상기 요구 전력량을 만족할 경우 다음 주변 노드로 상기 경로 탐색 메시지를 전송하는 과정과, 상기 경로 탐색 메시지가 목적지 노드까지 전송될 때, 상기 목적지 노드에서 경로 설정 응답 메시지를 생성하여 상기 경로 탐색 메시지가 전송된 경로의 역경로로 전송하는 과정과, 상기 역경로로 전송된 경로 설정 응답 메시지를 수신한 소스 노드에서 상기 경로 설정 응답 메시지를 참조하여 최적의 경로를 결정하는 과정을 포함함을 특징 으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는; 고정 기반 망 없이 이동 노드들 끼리 통신을 할 수 있는 이동 에드 혹 네트워크에서, 소스 노드에서 목적지 노드로 데이터를 전송하기 위한 최적 경로 결정 장치에 있어서, 상기 데이터를 전송하기 위해 요구되는 필요 전력량을 산출하는 요구 전력 계산기와, 상기 산출된 필요 전력량 정보를 포함한 경로 탐색 메시지에 대한 응답으로 상기 목적지 노드로부터 경로 설정 응답 메시지를 수신하고, 상기 수신된 경로 설정 응답 메시지를 참조하여 최적의 경로를 결정하는 최적 경로 선택기를 포함함을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 하기에는 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명은 통신이 시작될 때 경로를 구성하는 상술한 리-엑티브(Re-active 또는 On-demand) 방식을 기반으로 하며, 후술하는 본 발명에 따른 에드 혹 네트워크에서의 데이터 전송을 효율적이고 신뢰성 있게 구현하기 위하여 구체적으로 하기 방법들을 제안한다.

1. 각 이동 노드의 잔여 전력(Residual Power)을 고려한 경로의 탐색 방법.

2. 잔여 전력이 충분한 노드들로 구성된 경로를 통한 패킷의 전달로 경로의 생존성 증대.

3. 효율적인 경로 계산 비용 관계식을 이용하여 전력 및 이동 노드의 이동성 을 고려한 최적 경로의 선택 방법.

4. 데이터 전송 중 발생할 수 있는 에러에 효과적으로 대응할 수 있는 경로의 관리 방법.

5. 링크 단절(Link-break)에 대비한 다중 경로의 확보 방법.

6. GPS를 이용한 자신의 위치 확인과, 이동성 예측으로 네트워크에 신뢰성 제공 방법.

본 발명을 설명하기에 앞서 먼저 설명에 사용되는 주요 용어와 그 의미를 정의하면 다음과 같다.

- 이동 에드 혹 네트워크(Mobile Ad-hoc Networks) : 고정된 기반망(Base Station) 없이 이동 노드들끼리 상호 협동적으로 통신을 할 수 있는 네트워크.

- 이동 노드(Mobile Node), 통신 노드(Node) : 이동성이 용이하고, 라우팅 기능이 포함 된 통신기기이며, 에드 혹 네트워크에서 통신 기능을 수행하는 장치.

- 순서 번호(Sequence Number)　: 각 이동 노드에서 일정 시간 간격으로 만들어 내는 번호로서, 이를 이용하여 새로운 정보를 구별하고, 전달된 메시지의 중복, 라우팅 루프를 피할 수 있다.

- 시작 노드(Source Node) : 데이터를 전송 하려는 주체 노드이며 출발점이 된다.

- 목적지 노드(Destination Node) : 데이터를 받은 노드이며 목적지가 된다.

- 링크 단절(Link-break) :　각 노드에서 자신의 주변 노드와 통신을 하기 위한 경로 연결이 끊어진 경우.

- RREQ(Route Request) 메시지: AODV, DSR 프로토콜에서 경로를 탐색하기 위한 정보를 포함한 메시지.

- RREP(Route Reply) 메시지 : 소스 노드의 RREQ를 받은 목적지 노드가 응답 시 사용하는 메시지.

- 라우팅 테이블(Routing-Table), 노드 정보 테이블 : 각 노드에서 유지하는 네트워크에 대한 정보를 담은 테이블.

또한, 본 발명의 구현을 위하여 새로 정의되어야 할 3가지 제어 메시지들은 다음과 같다.

- 경로 탐색 메시지(PCRRQ(Power Constraint Route Requet) 메시지) : 본 발명에서 경로를 탐색하기 위한 정보를 담은 제어 메시지.

- 경로 설정 응답 메시지(PCREP(Power Constraint Route Reply) 메시지) : 경로를 탐색하기 위해 소스 노드에서 전송한 상기 PCRRQ 메시지에 대한 목적지 노드의 응답 메시지.

- 에러 발생 메시지(RERR(Route Error) 메시지) : 데이터 전송 중 발생할 수 있는 에러 상황에 대한 경고 및 보고 메시지.

본 발명은 소스 노드에서 목적지 노드까지 생성할 수 있는 모든 노드들 중에서 가장 전력 효율이 좋은 경로를 선택하기 위하여 각 이동 노드들의 잔여 전력량을 고려하여 경로를 설정한다. 따라서, 상기 소스 노드는 목적지 노드로 상기에서 정의한 PCRRQ 메시지를 전송하는 과정에서 경유하는 모든 이동 노드들에 대해 잔여 전력량을 비교한다.

또한, 목적지 노드로부터 소스 노드로 상기 PCRRQ 메시지에 대한 응답 메시지인 PCREP 메시지를 전송할 때, 경유하는 각 이동 노드들에 대해 잔여 전력에 관한 정보 및 이동 예측 시간에 대한 정보를 파악하여, 각 경로별 최소 잔여 전력 정보 및 최소 이동 예측 시간 정보를 업데이트 한다.

상기 소스 노드는 각 경로별로 수신된 복수의 PCREP 메시지들로부터 후술하는 계산식을 이용하여 경로 비용을 산출하고, 상기 산출된 경로 비용에 따라 최적의 경로를 선택하게 된다.

한편, 상기 최적의 경로가 설정된 이후에라도, 상술한 바와 같이 각 이동 노드의 잔여 전력 부족 및 노드의 이동으로 인해 경로의 상황이 좋지 않을 경우 상기 RERR 메시지를 통해 최적의 경로를 재설정 하도록 구현한다.

이하, 상술한 본 발명에 따른 방법들을 각 항목별로 보다 상세하게 설명한다.

<이동 노드의 요구사항 및 에너지 모델>

본 발명에 따른 전력 효율과 전송 신뢰성을 향상시키기 위한 기술을 구현하기 위하여 데이터 전송을 하는 각 이동 노드들은 자신의 잔여 전력에 대한 정보를 알 수 있고, 자신의 물리적인 위치 정보를 알 수 있는 GPS(Global Positioning System)를 가지고 있어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 이동 에드 혹 네트워크에서 경로 탐색 메시지를 목적지 노드로 전달하는 과정을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이 동 에드 혹 네트워크에서의 무선 통신 단말 장치의 구성을 나타낸 도면이다.

상기 도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저, 통신을 시작하고자 하는 소스 노드(100)는 우선 자신의 목적지별 경로 정보 데이터베이스(220)에 데이터를 보낼 목적지에 대한 경로 정보가 있는지 검색한다. 검색 후 유효한 정보가 없으면 처리해야 할 데이터의 크기에 따른 필요 에너지를 소스 노드(100)내의 요구 전력 계산기(240)를 통해 하기 <수학식 1>과 같은 방법으로 계산한다.

여기서

는 처리해야 할 패킷의 크기이고,

는 무선 랜 카드에서 소모하는 전력이며, BW는 대역 폭(Bandwidth)다. 소스 노드(100)는 상기 <수학식 1>을 이용해서 각 이동 노드에서 필요한 에너지를 정한다.

그런 다음, 본 발명에서는 데이터 패킷의 송신 시 거리에 따른 전력 제어를 수행하기 위해 하기 <수학식 2>를 사용한다.

상기 <수학식 2>에서 k는 통신 환경에 따른 감쇄율, d는 노드간 거리를 나타내며, ??는 환경에 따른 인자로서 2∼4의 값을 가진다. 상기 <수학식 1>과 <수학식 2>를 사용해서 k를 구한 후 거리에 따른 전력 제어를 수행한다. 한편, 데이터를 수 신 및 처리 할 경우는 송신 에너지 비해 소모 에너지가 작게 필요하므로 약 1/50 의 수준의 에너지를 데이터 수신 및 처리에너지

로 한다.

따라서, n개의 패킷을 전송하는 데 각 노드당 필요한 에너지는 하기 <수학식 3>과 같이 된다.

데이터를 전송하고자 하는 소스 노드(100)는 상기 <수학식 3>에 의해

값을 정한 후 소스 노드로부터 전송되는 경로 탐색 메시지(즉, PCRRQ 메시지)에 상기 값을 기록하게 된다.

<데이터 전송 경로의 탐색 과정>

본 발명은 이동 노드의 에너지를 효율적으로 사용하기 위해 후술하는 기능을 수행한다.

통신 경로를 탐색하고자 하는 소스 노드는 요구 전력량(REQ_p)을 상기 <수학식 1>을 통해 계산한 후 경로를 탐색하기 위해 생성시키는 PCRRQ(Power Constraint Route Request) 메시지의

필드(110)에 기록한다.

한편, 본 발명에 따른 상기 PCRRQ 메시지는 하기 <표 1>과 같은 형태로 구성할 수 있다.

패킷 필드	설명
Type	Packet Type 1 : PCRRQ
REQp	각노드에서 전체 데이터 처리를 위해 필요한 전력양 요구값
Hop Count	출발지 노드와 목적지 노드간의 홉 수
PCRRQ ID	PCRRQ를 발생시킨 일련번호(중복 수신 확인)
Destination IP Address	PCRRQ가 도달해야 할 목적지 노드의 주소
Destination Sequence Number	목적지 노드에서 PCREP를 발생시킨 일련번호
Source IP Address	PCRRQ를 생성시킨 노드의 주소
Source Sequence Number	출발지 노드에서 PCRRQ를 발생시킨 일련번호

상기 <표 1>과 같이 생성된 PCRRQ 메시지에서 PCRRQ ID는 최근에 사용된 값에 1을 증가한 값을 사용한다. 그리고, 소스 노드(100)는 자신의 주변 이동 노드들에게 상기 PCRRQ 메시지를 전송(120)하게 된다. 상기 PCRRQ 메시지의 헤더에 덧붙여져서 해당 메시지의 수명을 나타내는 TTL(Time To Live) 값은 네트워크의 크기에 따라 달라지는데, 본 발명에서는 경로 발견 절차 시 각 노드의 전력지원 여부를 검색해야하고, 이동 노드 수와 거리에 따른 다중 홉 전송의 효과를 얻기 위해 기존의 on-demand 방식에 비해 TTL 값을 크게 하는 것이 바람직하다.

상기 PCRRQ 메시지를 수신한 이웃 노드들은 상기 PCRRQ ID 와 소스 노드의 주소를 비교해서 중복으로 수신된 메시지인지 여부를 결정한다. 만약 중복된 메시지라면 폐기시킨다. 한편, 수신된 상기 PCRRQ 메시지가 새로운 정보이면 PCRRQ의 요구 전력량과 자신의 잔여 전력량을 비교해 본다. 만약, 자신의 잔여 전력량이 요구 전력 보다 크면(130) 자신을 지원 가능한 노드로 정하고 상기 PCRRQ 메시지를 자신의 이웃 노드로 계속하여 재 전송한다. 만약 자신의 잔여 전력량이 요구 전력량을 만족하지 못하면(140) 상기 PCRRQ 메시지는 폐기시킨다.

종래의 경로 탐색 과정은 전체 이동 노드들의 전력을 고려하지 않고, 모든 노드들을 통해 목적지 노드(160)까지 경로 탐색 메시지를 보내는 경우가 많았다. 그러나, 상술한 바와 같이 본 발명에서 제안하는 경로 탐색 과정은 안정적인 전력량 지원이 가능한 노드만 계속 메시지를 보내므로 사용 전력과 불필요한 제어 패킷의 흐름을 줄일 수 있다.

<최적 경로 설정 응답 과정>

상술한 방법에 의해 상기 PCRRQ 메시지가 소스 노드(100)에서 출발하여 원하는 목적지 노드(160)에 도착하면 해당 목적지 노드(160)는 소스 노드(100)로 경로 설정 응답 메시지(즉, PCREP 메시지)를 보내야 한다. 따라서, 상기 PCRRQ 메시지를 받은 목적지 노드(160)는 소스 노드(100) 쪽에서 원하는 노드와 일치하는지 목적지 주소(160)를 비교하고, 만약 자신이 소스 노드(100)에서 원하는 목적지 노드(160)라면 PCREP(PCRRQ Route Reply) 메시지를 하기 <표 2>와 같이 생성시킨다.

패킷 필드	설명
Type	Packet Type 2 : PCREP
Hop Count	홉 수를 저장하는 공간(역 경로로 전달시 1씩 감소)
Destination IP Address	PCREP를 생성한 노드의 주소
Destination Sequence Number	목적지 노드에서 PCREP를 발생시킨 일련번호
Source IP Address	PCREP를 수신해야 할 소스 노드의 주소
Min (RESp)	PCREP가 전달되면서 얻어진 잔여 전력에 관한 정보 (Minimum Residual Power)
Min (PLT)	PCREP가 전달되면서 얻어지는 이동 예측 시간 정보 (Minimum Position Life Time)
Position(x,y)	이동 노드의 물리적인 위치(매번 바뀜)
Path Record	역 경로를 통해 얻어진 경유 노드들의 정보 (각 노드에서 추가)
Distance	PCREP가 오면서 얻는 각 노드들 간의 거리 (각 노드에서 추가)

이때, 목적지 일련번호(Destination Sequence Number)는 현재 자신의 값에 1 을 증가시킨 후 다시 역 경로를 통해 소스 노드 쪽으로 전달한다. 상기 PCREP 메시지는 역 경로를 통해 전달되면서 최적 경로를 선택하는 관계식에 필요한 자료를 모으는 역할을 수행한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PCREP 메시지가 역 경로를 통해 최적 경로설정을 위한 정보를 모으는 과정을 나타낸 도면이다.

상기 도 4를 참조하면, 상기 목적지 노드(160)로부터 PCREP 메시지가 소스 노드(100)로 전송될 때, 경유하는 각 이동 노드들(410, 420, 430 및 440)에서는 상기 최적 경로를 선택하는 관계식에 필요한 자료를 수집 및 업데이트하게 된다.

이때, 상기 PCREP 메시지가 전송되면서 수집하는 자료는 하기와 같다.

(1) PCREP 메시지가 역 경로로 전달되면서 각 노드는 자신이 가지고 있는 정보를 참조하여 수신된 PCREP 패킷의 잔여 전력 필드와 이동 예측 시간 필드의 값이 자신의 측정값보다 크면 자신의 값으로 갱신한다. 따라서 소스노드로 되돌아온 PCREP의 두 필드에는 경로상의 노드들 중 가장 작은 잔여전력 및 이동 예측 시간(PLT)을 가지는 노드의 값이 기록된다. 상기와 같이 가장 작은 값을 기록하는 이유는 구성된 경로의 수명은 해당 값이 제일 작은 노드가 결정적인 영향을 주기 때문이다.

(2) 각 노드의 이동 예측 시간(PLT)값은 GPS 정보와 하기 <수학식 4>로 구할 수 있다.

상기 <수학식 4>에서 V는 이동 노드의 이동 속도로서, 과거의 이동성 경향으로 얻을 수 있다. S 값은 현재 라우팅 테이블 경로를 구성하는 노드들 중 자신의 무선 랜 전파 도달 거리와 주변 노드와의 거리의 차를 이용하여 도 2의 이동 예측 시간 측정기(234)에서 하기 <수학식 5>를 이용하여 산출한다.

상기 <수학식 5>에서

는 무선 랜 전파도달 거리이고,

는 두 노드간의 거리이다. 한편, 상기 두 노드간의 거리

는 하기 <수학식 6>에 의해 산출된다.

상기 <수학식 6>은 두 이동 노드

와

의 거리를 구하는 식이다. 상기 거리 측정은 제어부(230)의 노드간 거리 측정기(233)를 이용해서 구한다. 본 발명에서는 이와 같이 정보를 획득하는 과정을 통해 최적의 경로를 선택하는데 필요한 정보를 얻어내는 과정을 수행하게 된다.

상기 도 4에서는 이동 노드 E(440)에서 RES_P가 40이고, PCREP 메시지에 포함된 Min(RES_P)가 50 이므로, 상기 Min(RES_P)가 40으로 수정된다. 동일한 방법에 의해 상기 PCREP 메시지가 이동 노드 D(430), 이동 노드 C(420), 이동 노드 B(410)를 거쳐 소스 노드로 전송되면, 상기 PCREQ 메시지에 포함된 Min(RES_P) 및 Min(PLT) 값은 각각 40 및 30으로 결정된다. 또한, 상기 각 이동 노드들을 경유할 때마다 각 이동 노드들 간의 거리 정보가 추가된다.

<최적 경로 설정을 위한 비용 계산 방법>

본 발명에서는 최적의 경로를 설정하기 위한 후술하는 비용 계산 관계식을 사용한다. 기존의 On-demand 방식의 프로토콜에 의한 최적 경로 선택 방법은 최단 홉 또는 최단 거리 및 응답시간을 주로 고려해서 결정했다. 하지만 이와 같은 방법은 이동 노드의 전력 수명과 이동성에 대한 고려사항이 작아 데이터 전송 중 에러의 발생가능성이 높다. 따라서, 본 발명에서는 하기 <수학식 7>에 따라 경로 비용을 산출함으로서 최적 경로를 선택하게 된다.

상기 <수학식 7>은 본 발명에서 최적의 경로를 설정하기 위해 사용하는 식이 다. 위 알고리즘은 도 2의 최적 경로 선택기(250)를 통해서 구해진다. h는 경로의 홉 수이고,

는 각 요소의 단위가 일치하지 않기 때문에 서로의 비중을 맞추기 위한 가중치 값이다. 상기 ??값은 사용자가 임으로 부여가 가능하다.

상기 <수학식 7>의 경로 비용 산출은 상기 도 2의 최적 경로 선택기(250)에서 산출되며, 각 항들의 계산은 도 3의 각 계산 모듈에서 수행된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이동 에드 혹 네트워크에서 무선 통신 단말 장치의 최적 경로 선택기 구조를 나타낸 도면이다.

상기 <수학식 7>에서 첫번째 항인

분분은 전송 홉 수와 노드 간 거리에 따른 소모 에너지를 구하는 식이다. 상기 계산은 노드 소모 에너지 계산기(310)를 통해 구해진다. 상기 계산식은 거리에 따른 패킷 당 전송에너지와 각 노드에서 하나의 패킷을 받을 때 처리하는 에너지 계산 부분으로 이루어진다. 따라서, 상기 계산은 PCRRQ 메시지의 응답으로 온 PCREP 메시지의 각 노드간 거리 정보와 홉 수를 기준으로 판단한다. 한편, 상기 계산된 값은 작은 값을 가질수록 패킷 전송 시 소모 전력량이 작다. 본 발명에서 상기와 같은 방법으로 전송 전력을 정하는 것은 다중 홉 효과와 거리에 따른 전력제어의 효과를 얻기 위한 것이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중 홉 전송을 통한 전력 절감 효과를 나타낸 도면이다.

상기 도 5를 참조하면 A 경로(510)를 통해서 패킷을 전송할 때 의 소비 전력 을 상기 <수학식 1>을 통해 구하면

의 전력을 소비하고, B 경로(520)를 통해서 전송하면

의 전력을 소비한다. 따라서, 동등한 수준의 거리이지만 상당한 에너지 소모의 차이를 보인다. 물론 경로를 구성하는 노드수의 증가로 상기

값이 커지지만 전송 시 얻어지는 이득에 비하면 큰 영향을 줄만한 값은 아니다.

한편, 상기 <수학식 7>의 두번째 항인

은 선택된 경로의 전력 수명을 판단하기 위한 요소이다. 상기 값은 전력 수명 예측 계산기(320)를 통해서 구해진다. 상기 결과 값은 클수록 해당경로 잔여 전력 측면에서 여유가 있음을 의미한다. 여기서 상기

는 과도한 잔여 전력 값을 가지는 노드를 배제하기 위한 제한 값(ratio)이다.

마지막으로 상기 <수학식 7>의 세 번째 항인

은 노드의 이동성을 예측하기 위한 부분이다. 이 값은 노드 이동성 예측 계산기(330)을 통해 구해진다. 이 기능의 사용 목적은 동적인 에드 혹 네트워크에서 노드의 이동성으로 인한 링크 단절과 이로 인해 발생하는 재 경로 설정횟수를 줄여 전력소비를 줄이고, 신뢰성 있는 전송을 하기 위한 것이다. 본 발명은 이 식을 이용해서 노드의 이동성으로 인한 링크의 단절을 최대한 줄일 수 있다. 한편, 상기 식의

는 다른 노드들에 비해 상대적으로 너무 큰 PLT값을 가지는 노드를 배제하기 위한 제한 값이다.

상술한 <수학식 7>을 이용해서 각 경로 별로 전체 합을 구하면 1개 이상의 경로들의 비용을 계산할 수 있다. 상기 산출된 결과 값은 작은 값을 가질수록 유리하다. 따라서, 소스 노드는 최적 경로 선정기(340)에서 계산된 비용 값들에 의해 선정하고, 가능한 경로들에 대해 최적 조건을 가지는 순서대로 정렬하여 목적지별 경로 정보 데이터베이스(220)에 기록하고 제일 먼저 선택된 경로를 통해 패킷을 목적지로 보낸다. 이와 같은 비용 계산을 통해 소스 노드는 안정적인 통신을 하기위한 1개 이상의 경로를 확보한다. 이 경로들은 링크 단절의 발생이나 예상 시 우회 경로로 사용하게 된다.

<경로 관리 절차>

이동 에드 혹 네트워크는 주로 무선망에서 동적으로 네트워크가 구성되기 때문에 링크의 단절이 빈번하게 일어난다. 링크 단절의 발생 요인으로는 노드의 이동성, 잔여 전력부족으로 인한 데이터 전송 불가 등이 있다. 이로 인해 전송된 패킷의 손실과 재 경로 설정으로 인한 지연 시간이 발생하고 필요 없는 전력 소비가 발생한다. 본 발명에서는 에러 발생에 더욱 효과적으로 대처하기 위해 기존의 Re-active 방식의 경로 관리 메커니즘에 새로운 기능을 추가했고, 경로 탐색 시 얻어지는 우회 경로를 이용해서 전력 효율향상과 신뢰성 있는 전송을 제공한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 RERR 메시지와 이를 수신한 노드의 에러 복구 절차를 나타낸 도면이다.

상기 도 6을 참조하면, 본 발명에서 수행하는 경로 관리는 데이터를 전송하 면서 주기적으로 각 이동노드자신의 잔여 전력과 GPS 정보를 이용한 이동성을 예측하면서 링크 단절 예측에 대한 에러 메시지(RERR)을 발생 시키는 경우와 주기적으로 자신의 주변 노드와의 연결 상태를 확인하면서 예고 없이 발생한 링크 단절에 대한 RERR을 발생하는 경우의 두 가지 기술을 사용한다. 이 기능은 전송 에러 관리기(235)를 통해 구현된다.

한편, 상기 RERR 메시지는 하기 <표 3>과 같이 구성할 수 있다.

패킷 필드	설명
Type	Packet Type 3 : Route Error Report(RERR)
Error의 종류(2진 Flag)	00:해당 Node Power 부족 예상 01:이동성 때문에 경로의 Break가 예상 10:예고 없는 경로단절(Link-Break)발생
Destination Count	도달할 수 없는 노드의 수
Out Node IP Address	도달할 수 없는 노드의 주소
Out Node Destination Sequence Number	도달할 수 없는 노드의 일련번호

첫째로 상기 RERR 메시지가 발생하는 상황은 현재 경로는 유지된 상태에서 발생하는 경우(620)이다. 이 경우는 에러의 발생이 일어나기 전에 미리 에러 메시지를 발생시켜 소스 노드에서 다음 패킷 전송 시 대체 경로를 사용하게 만드는 것이다. 이때, 에러는 2가지의 2진 Flag(즉, 00, 01)로 RERR 패킷에 표기한 후 소스 노드 쪽으로 보내지게 된다. 00 Flag는 해당 노드의 잔여 전력의 부족 예측이다. 본 발명에서는 이동 노드들이 자신의 잔여 전력을 예측할 수 있기 때문에 이 기능이 가능하다. 또한, 이동 에드 혹 망은 홉 대 홉으로 구성되었기 때문에, 여러 노드들이 자신을 중간 경유 노드로 사용할 수 있다.

한편, 초기 경로 탐색 시 요구 전력에 만족해도, 다른 소스 노드가 자신을 중간 경유 노드로 사용한다면 잔여 전력이 부족해질 수 있다. 이 때에는 잔여 전력 부족이 예상되는 노드에서 RERR을 발생시켜서 자신의 소스 노드 방향의 상위 노드로 전달한다. 이를 받은 상위 노드는 소스 노드 쪽으로 계속 RERR 메시지를 보낸다.

01 Flag는 해당 노드의 이동성으로 인해 곧 인접 노드와의 통신 전파 반경을 벗어나 링크가 단절될 것에 대한 경고이다. 이 값은 비용 계산식 계산 중 PLT 와 같은 개념이다.

한편, 소스 노드는 PCREP를 통해 현재 사용 중인 경로의 최소 이동 예측 시간을 알고 있지만, 보고 되지 않은 노드 또는 초기에 보고 되었던 노드가 갑자기 전파 반경을 벗어나 링크 단절이 생길 수 있다. 단절이 예상되는 해당 노드는 RERR의 에러 flag를 01 로 기록하고 소스 노드 쪽으로 에러 메시지를 보낸다. 이를 통해서 갑작스런 링크 단절로 인한 패킷의 손실을 막을 수 있다.

최종적으로 에러 메시지를 받은 노드는 RERR 메시지를 받을 때 까지 이미 전달된 패킷은 목적지 노드까지 잘 전달되었을 것이라고 판단하고 별도의 에러 복구 절차는 하지 않고, 자신이 알고 있는 우회 경로로 전송을 한다. 이 전에 소스 노드는 주기적으로 자신이 가지고 있는 우회 경로가 유효한지 확인하는 간단한 절차를 수행해야 한다. 만약 우회 경로가 유효하지 않으면 재 경로 탐색을 수행한다.

두 번째 경우는 목적지 노드 방향 쪽으로 예상하지 못한 링크 단절이 생기는 경우(610)이다. 에러 감지는 각 노드가 자신의 하위 노드(목적지 노드 쪽)로 주기적인 확인메시지(beacon 시그널 사용가능)를 보냈을 때 회답 여부로 결정한다. 만약, 2회 이상 확인 메시지를 보내도 답이 오지 않으면 링크의 단절로 판단하고 RERR 메시지의 flag를 10으로 기록한 후 상 위 노드 쪽(소스 노드 방향)으로 RERR을 보낸다. 메시지를 받은 소스 노드는 송신 패킷의 오류복구 절차를 선택적으로 수행할 수 있으며, 확보한 우회 경로가 유효하면 우회 경로를 통한 새로운 전송을 한다.

즉, 상기 도 6을 참조하면, 소스 노드(600)와 목적지 노드(601)간의 최적 경로가 경로 A(660)로 설정되었으나, 상기 경로 A(660)를 구성하는 중간 이동 노드들 중 하나의 노드에서 상술한 문제가 발생하여 630번 경로 또는 640번 경로에 신뢰도가 떨어지게 되므로 다음 최적 경로인 경로 B(670)를 최적 경로로 선택하여 전송한다.

이하, 도 7 내지 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 상술한 메시지 송수신 절차를 설명한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 최적 경로 설정을 통한 데이터 전송 절차를 나타낸 흐름도이다.

상기 도 7을 참조하면, 에드혹 네트워크를 통해 전송할 데이터가 발생(710)할 경우, 먼저 목적지 경로 정보가 있는지를 확인(720)한다.

상기 확인 결과, 기 설정된 목적지 경로 정보가 있을 경우 상기 기 설정된 목적지 경로 정보에 따라 데이터를 전송(730)한다. 만약, 기 설정된 목적지 경로 정보가 없을 경우에는 상술한 본 발명에 따라 데이터 전송을 위한 최적의 목적지 경로 정보를 생성한다.

상기 최적의 목적지 경로 정보를 생성하기 위하여 소스 노드는 먼저 상술한 바와 같이 전송을 위한 필요 전력량을 계산(740)하게 된다. 상기 계산된 필요 전력량 정보를 포함하여 상기 <표 1>과 같은 경로 탐색 메시지를 생성(750)하고, 상기 생성된 경로 탐색 메시지를 주변 노드를 통해 목적지 노드로 전송(760)한다.

상기 경로 탐색 메시지를 수신한 목적지 노드는 경로 설정 응답 메시지를 생성하여 상기 소스 노드로 전송한다. 상기 경로 설정 응답 메시지를 수신(770)한 상기 소스 노드는 상기 수신된 경로 설정 응답 메시지를 참조하여 최적 조건의 경로를 설정(780)하게 된다. 마지막으로 상기 소스 노드는 상기 설정된 최적 조건의 경로에 따라 데이터를 전송(790)하게 된다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이동 노드에서 수신한 경로 탐색 메시지 처리 절차를 나타낸 흐름도이다.

상기 도 8을 참조하면, 상기 소스 노드 또는 주변 노드로부터 경로 탐색 메시지를 수신(810)한 각 노드들은 자신이 수신한 경로 탐색 메시지가 중복하여 수신한 메시지인지를 검사(820)한다. 만약, 상기 검사 결과 중복 메시지인 것으로 판단되었을 경우 상기 수신된 경로 탐색 메시지는 폐기(840)된다.

반면 상기 검사 결과 상기 수신된 경로 탐색 메시지가 중복 메시지가 아닐 경우 자신의 잔여 전력량이 소스 노드가 요구하는 요구 전력량을 만족하는 지를 검사(830)한다. 상기 검사 결과 잔여 전력량이 요구 전력량을 만족시키지 못할 경우에는 해당 노드를 통한 데이터 전송이 효과적이지 못한 것이므로 상기 해당 경로 탐색 메시지를 폐기(840)하는 것이 바람직하다.

만약, 상기 검사 결과 잔여 전력량이 요구 전력량을 만족시킬 경우에는 상기 수신된 경로 탐색 메시지를 다음 노드로 전송(850)하게 된다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이동 노드에서 경로 설정 응답 메시지 전송 절차를 나타낸 흐름도이다.

상기 도 9를 참조하면, 상기 도 7 및 도 8에서 상술한 방법에 의해 경로 탐색 메시지가 목적지까지 전송(910)되면, 목적지 노드에서는 상기 경로 탐색 메시지에 대한 응답으로 경로 설정 응답 메시지(PCREP)를 상기 <표 2>와 같은 형식으로 생성(920)한다. 그런 다음, 상기 생성된 경로 설정 응답 메시지는 상기 경로 탐색 메시지가 전송된 경로의 역 경로를 통해 각 이동 노드들을 거쳐 전송(930)된다.

한편, 각 이동 노드에서는 상술한 RES_p 값과 PLT 값을 비교하여 작은 값을 상기 경로 설정 응답 메시지에 기록(940)하게 된다. 또한, 상기 각 이동 노드에서는 상기 경로 설정 응답 메시지에 상기 각 이동 노드의 물리적인 거리 정보를 추가(950)하게 된다. 상기와 같이 처리한 각 이동 노드는 상기 경로 설정 메시지를 다음 이동 노드로 전송(960)하게 된다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 경로 설정 응답 메시지에 의한 최적 경로 설정 절차를 나타낸 흐름도이다.

상기 도 10을 참조하면, 상기 도 9와 같이 전송된 경로 설정 메시지를 최종적으로 수신하게 되는 소스 노드는 최적 경로를 설정하기 위하여 각 노드별 노드 소모 에너지를 산출(1010)하게 된다. 그런 다음, 상기 소스 노드는 각 노드별 전력 수명 예측값을 산출(1020)하고, 각 노드별 노드 이동성 예측값(1030)을 산출하게 된다. 상기 산출된 값을 종합하여 상기 <수학식 7>에 의해 최종적으로 각 노드별 비용값을 산출(1040)하게 된다.

상기 소스 노드는 상기 각 노드별로 산출된 비용값을 토대로 최적의 경로를 선택(1050)하게 된다. 그런 다음, 상기 각 노드별로 최적값의 순서로 각 경로 정보를 목적지별 데이터베이스에 저장(1060)하게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허 청구의 범위뿐만 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

본 발명은 데이터 전송경로의 탐색 시 처리할 데이터의 크기에 따른 요구전력량을 계산하여 해당 데이터를 처리할 정도의 잔여 전력량이 충분한 노드들로 경로를 구성하고, 조건에 맞지 않는 노드들은 배제시킴으로서 경로 탐색 시 소모되는 전력을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

또한, 네트워크의 상태를 최적으로 이용하는 경로 비용계산 관계식을 이용하여, 무선 환경에서 큰 제약 사항인 배터리 전력을 효과적으로 사용하고, 동적인 에드 혹 네트워크에서 이동성을 고려한 최적경로를 선택할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 데이터 전송 시 발생할 수 있는 노드의 이동성, 잔여 전력 부족에 효 과적으로 대응할 수 있는 경로 관리와 에러메시지 발생 기술로 데이터 전송 중에 발생할 수 있는 링크 단절에도 효과적으로 대처해서 필요 없는 전력 소모를 줄이고, 사용자 에게 신뢰성 있는 전송을 할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (10)

1. 고정 기반 망 없이 이동 노드들 끼리 통신을 할 수 있는 이동 에드 혹 네트워크에서, 소스 노드에서 목적지 노드로 데이터를 전송하기 위한 최적 경로 결정 방법에 있어서,

   상기 데이터를 전송하기 위해 요구되는 필요 전력량을 산출하고, 상기 산출된 필요 전력량 정보를 포함한 경로 탐색 메시지를 상기 소스 노드의 주변 노드로 전송하는 과정과,

   상기 경로 탐색 메시지를 수신한 주변 노드에서의 잔여 전력량이 상기 요구 전력량을 만족할 경우 다음 주변 노드로 상기 경로 탐색 메시지를 전송하는 과정과,

   상기 경로 탐색 메시지가 목적지 노드까지 전송될 때, 상기 목적지 노드에서 경로 설정 응답 메시지를 생성하여 상기 경로 탐색 메시지가 전송된 경로의 역경로로 전송하는 과정과,

   상기 역경로로 전송된 경로 설정 응답 메시지를 수신한 소스 노드에서 상기 경로 설정 응답 메시지를 참조하여 최적의 경로를 결정하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 경로 탐색 메시지를 수신한 주변 노드에서의 잔여 전력량이 상기 요구 전력량을 만족하지 못할 경우 상기 수신된 경로 탐색 메시지를 폐기함을 특징으로 하는 상기 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 경로 탐색 메시지를 수신한 주변 노드에서의 상기 수신된 경로 탐색 메시지가 중복 메시지인 것으로 판단될 경우, 상기 수신된 경로 탐색 메시지를 폐기함을 특징으로 하는 상기 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 데이터를 전송하기 위해 요구되는 필요 전력량은 하기 <수학식 8>과 같이 산출함을 특징으로 하는 상기 방법.

   

   여기서

   

   는 처리해야 할 패킷의 크기이고,

   

   는 무선 랜 카드 에서 소모하는 전력이며, BW는 대역 폭(Bandwidth)임.
5. 제1항에 있어서,

   상기 수신된 경로 설정 응답 메시지를 통해 최적의 경로를 결정하는 과정은,

   각 노드별로 전송 홉 수와 노드 간 거리에 따른 소모 에너지를 계산하는 과정과,

   각 노드별로 선택된 경로의 전력 수명을 판단하는 과정과,

   각 노드별로 노드의 이동성에 대한 예측값을 산출하는 과정과,

   상기 산출된 값들을 통해 각 노드별 비용값을 산출하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 최적의 경로는 상기 산출된 비용값이 가장 작은 노드로 결정함을 특징으로 하는 상기 방법.
7. 제5항에 있어서,

   상기 비용 값은 하기 <수학식 9>에 의해 산출됨을 특징으로 하는 상기 방법.

   

   여기서, h는 경로의 홉 수이고,

   

   는 각 요소의 단위가 일치하지 않기 때문에 서로의 비중을 맞추기 위한 가중치 값이다. 상기 ??값은 사용자가 임으로 부여가 가능하다. 또한, 상기

   

   는 과도한 잔여 전력 값을 가지는 노드를 배제하기 위한 제한 값(ratio)이며, 상기

   

   는 다른 노드들에 비해 상대적으로 너무 큰 PLT값을 가지는 노드를 배제하기 위한 제한 값.
8. 고정 기반 망 없이 이동 노드들 끼리 통신을 할 수 있는 이동 에드 혹 네트워크에서, 소스 노드에서 목적지 노드로 데이터를 전송하기 위한 최적 경로 결정 장치에 있어서,

   상기 데이터를 전송하기 위해 요구되는 필요 전력량을 산출하는 요구 전력 계산기와,

   상기 산출된 필요 전력량 정보를 포함한 경로 탐색 메시지에 대한 응답으로 상기 목적지 노드로부터 경로 설정 응답 메시지를 수신하고, 상기 수신된 경로 설정 응답 메시지를 참조하여 최적의 경로를 결정하는 최적 경로 선택기를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 장치는,

   상기 데이터가 전송되기 위한 목적지별 순방향 경로 정보를 저장하는 목적지별 정보 저장 데이터베이스를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
10. 제8항에 있어서,

    상기 장치는,

    각 노드별로 전송 홉 수와 노드 간 거리에 따른 소모 에너지를 계산하는 노드 소모 에너지 계산기와,

    각 노드별로 선택된 경로의 전력 수명을 판단하는 전력 수명 예측 계산기와,

    각 노드별로 노드의 이동성에 대한 예측값을 산출하는 노드 이동성 예측 계산기를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.

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