KR100636694B1

KR100636694B1 - 무선 센서 네트워크와 이를 위한 클러스터링 방법

Info

Publication number: KR100636694B1
Application number: KR1020040094535A
Authority: KR
Inventors: 배정숙; 신경철
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2006-10-19
Also published as: KR20060055635A

Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크에서의 정보 수집을 위한 클러스터링 기법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 각 센서 노드들은 자신의 잔류 에너지량 정보를 가지는 HELLO 메시지를 이웃한 센서 노드들에 주기적으로 전송하고, 이웃한 센서 노드들로부터 수신한 HELLO 메시지에 포함된 잔류 에너지량을 수집하여 저장하며, 새로운 클러스터를 결정하는 시기에 이전의 소정기간 동안 클러스터 헤드로 동작하지 않은 센서 노드 중에서 에너지 잔류량이 이웃한 센서 노드들의 에너지 잔류량의 평균값에 소정 지수를 곱한 값을 초과하는 경우에만 클러스터 헤드로 선정되도록 한다. 이와 같이 하면, 에너지 집약적인 클러스터 헤드의 기능을 여러 노드들이 순환하여 담당하게 되므로 에너지 소비를 분배시킬 수 있으며, 에너지 잔류량이 적은 저전력 노드들이 클러스터 헤드가 되는 것을 방지함으로써 무선 센서 네트워크의 수명을 연장시킬 수 있다.

무선 센서 네트워크, 클러스터링, 클러스터 헤드, 클러스터 노드

Description

무선 센서 네트워크와 이를 위한 클러스터링 방법{WIRELESS SENSOR NETWORK AND CLUSTERING METHOD THEREFOR}

도 1은 본 발명에 의해 무선 센서 네트워크의 클러스터 구조를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 헬로우(HELLO) 메시지의 구조를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 클러스터링 방법을 나타낸 순서도이다.

본 발명은 무선 네트워크에 관한 것으로, 특히 무선 센서 네트워크에서의 정보 수집을 위한 클러스터링 방법에 관한 것이다.

무선 센서 네트워크는 자가 구성적인 다수의 센서 노드들이 배치된 센서 필드와, 센서 필드와 외부망을 연결하는 싱크로 구성되어 센서 필드에서 수집된 정보들이 싱크로 전달되는 방식으로, 헬스, 군사, 홈 네트워크, 환경 감시, 공장 관리, 재난 감시등의 다양한 응용에 활용된다.

그런데, 일반적으로 센서 노드들의 에너지는 제한되어 있으며 충전될 수 없는 특징을 가지므로, 센서 네트워크의 기능을 최대로 연장시키기 위해서는 센서 노드들의 에너지 소비를 공정하게 분배하는 데이터 수집 기법이 필요하다.

한편, 무선 센서 네트워크의 데이터 수집 방법 중 하나인 클러스터링 방법에서는 무선 센서 네트워크가 다수의 클러스터들로 분할되고, 각 클러스터의 대표인 클러스터 헤드가 클러스터 내의 나머지 클러스터 노드들로부터 정보를 수집하여 싱크로 전달함으로써 전체적인 에너지 소비를 줄인다.

그러나, 클러스터 헤드의 역할을 하는 특정 클러스터 노드들이 반복해서 장거리에 있는 싱크로 데이터를 전달하는 에너지 집약적인 기능을 수행하게 되면 특정 클러스터 노드에서의 에너지 소모가 커져 해당 클러스터 노드의 기능이 소멸되어 네트워크의 수명이 단축된다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 IEEE Trans.On Wireless Communications Vol.1, No.4에 기재된 논문 "An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks"(Wendi B. Heinselman)에서는 클러스터 노드들간에 클러스터 헤드의 역할을 동적으로 순환하는 기법이 제안되었다.

이 논문에 기재된 클러스터링 방법에 따르면, 클러스터 노드들이 일정 기간동안 클러스터 헤드의 역할을 수행하였는지 여부를 기반으로 클러스터 헤드의 역할을 수행하지 않은 노드들이 다음 클러스터 헤드가 되는 확률을 높여줌으로써 클러스터 헤드의 역할을 동적으로 순환시킨다.

그러나, 이러한 방법에 의하면 이웃한 클러스터 노드들에 비해 적은 에너지 를 가진 클러스터 노드가 에너지 집약적인 클러스터 헤드의 기능을 수행하게 될 수 있으며, 이렇게 되면 빠른 에너지 고갈을 초래하여 결국 해당 클러스터 노드의 클러스터 노드 기능이 소멸된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 무선 센서 네트워크에서 클러스터 노드들간에 클러스터 헤드의 역할을 동적으로 순환하도록 하면서 잔류 에너지가 적은 클러스터 노드들이 클러스터 헤드가 되는 것을 방지하는 클러스터링 방법을 제공하는 것이다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 무선 센서 네트워크는 복수의 센서 노드를 포함하며, 상기 복수의 센서 노드들이 클러스터 헤드와 클러스터 노드 중 어느 하나로 동작하여 구성되는 다수의 클러스터-여기서, 상기 클러스터는 소정 주기마다 재구성됨-로 분할되는 센서 필드 및 상기 센서 필드와 외부 네트워크를 연결하며, 상기 클러스터 노드로부터 수집한 데이터를 상기 클러스터 헤드로부터 전달받는 싱크를 포함하며,

상기 클러스터 재구성시, 특정 센서 노드에 이웃한 센서 노드들의 상기 잔류 에너지량에 의해 산출된 특정값과 상기 특정 센서 노드의 잔류 에너지량을 비교하여, 상기 특정 센서 노드의 잔류 에너지량이 상기 특정값 이상일 경우에 상기 특정 센서 노드가 상기 클러스터 헤드로 선정되며,

상기 클러스터 재구성시, 특정 센서 노드에 이웃한 센서 노드들의 상기 잔류 에너지량에 의해 산출된 특정값과 상기 특정 센서 노드의 잔류 에너지량을 비교하여, 상기 특정 센서 노드의 잔류 에너지량이 상기 특정값 이하일 경우에 상기 특정 센서 노드가 상기 클러스터 노드로 동작한다.

본 발명의 특징에 따른 클러스터링 방법은 무선 센서 네트워크에서 각각 복수의 센서 노들로 구성되는 복수의 클러스터로부터 정보를 수집하는 클러스터링 방법으로서,

a) 상기 복수의 센서 노드가 이웃한 센서 노드들로부터 잔류 에너지량 정보를 수집하는 단계, b) 상기 이웃한 센서 노드들로부터 수집한 상기 잔류 에너지량으로부터 기준값을 산출하는 단계 및 c) 새로운 클러스터를 결정할 시기가 되면, 상기 기준값과 상기 각각의 센서 노드의 잔류 에너지량을 비교한 결과에 따라 상기 복수의 센서 노드들 중에서 상기 클러스터 헤드를 선정하는 단계를 포함한다.

상기 c) 단계는,

i) 상기 센서 노드가 이전의 소정기간 동안 클러스터 헤드로 동작하였는지 여부를 판단하는 단계, ii) 상기 판단 결과 클러스터 헤드로 동작하지 않았으면, 상기 각각의 센서 노드의 잔류 에너지량과 상기 기준값을 비교한 결과에 따라 상기 클러스터 헤드를 선정하는 단계 및 iii) 상기 판단 결과 클러스터 헤드로 동작하였으면, 상기 센서 노드를 상기 클러스터의 클러스터 노드로 동작시키는 단계를 포함한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상 세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

먼저, 본 발명이 적용되는 무선 센서 네트워크의 클러스터 구조에 대하여 도 1을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 클러스터 구조를 나타낸 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크는 센서 필드(100), 외부 네트워크(200) 및 센서 필드(100)와 외부 네트워크(200)를 연결하는 싱크(300)를 포함한다.

센서 필드(100)에는 다수의 센서 노드들이 배치되며, 사용자나 응용 시스템은 싱크(300)를 통하여 센서 필드(100)에 질의를 전달하거나 센서 필드(100)로부터 수집된 데이터를 전달받을 수 있다. 또한, 센서 필드(100)는 클러스터링 방법에 의해 클러스터(110)라는 다수개의 영역들로 분할되며, 하나의 클러스터(110)는 하나의 클러스터 헤드(111) 및 다수의 클러스터 노드(112)를 포함한다.

클러스터 헤드(111)는 자신의 클러스터(110) 영역에 속한 클러스터 노드(112)로부터의 데이터를 수집하고, 수집한 데이터를 모아서 싱크(300)로 전달한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서는 이웃 관계를 생성하고 이웃의 도달 가능성을 검사하기 위하여 전송하는 헬로우(HELLO) 메시지에 클 러스터 노드의 잔류 에너지량 정보를 저장하는 필드를 포함한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 HELLO 메시지의 구성을 나타낸 것이다.

HELLO 메시지는 각 센서 노드들이 각자의 상태 및 링크 연결 상태들을 알리기 위하여 사용하는 메시지로서, 헤더(310)와 페이로드(320)로 구성된다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 HELLO 메시지는 도 2에 도시한 바와 같이 페이로드(320)부에 잔류 에너지 필드(321)를 포함한다. 잔류 에너지 필드(321)에는 HELLO 메시지를 전송하는 센서 노드의 잔류 에너지량 정보가 포함되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서는 센서 노드들간에 클러스터 헤드의 역할을 동적으로 순환시키도록 함과 동시에, 이처럼 HELLO 메시지를 통하여 전달되는 이웃한 센서 노드들의 잔류 에너지량 정보와 해당 센서 노드의 에너지량 정보를 비교함으로써 이웃한 센서 노드들 중 에너지 잔류량의 평균값을 초과하지 않는 센서 노드들이 에너지 집약적인 클러스터 헤드로 선정되지 않도록 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 클러스터링 방법의 순서도를 나타낸 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면 센서 네트워크의 동작은 라운드 단위로 분할되며, 각 라운드마다 새로운 클러스터링이 일어난다. 또한, 도 3의 클러스터링 동작은 센서 필드 내에 있는 센서 노드(클러스터 헤드 및 클러스터 노드)에서 수행된다.

먼저, 각각의 센서 노드는 자신의 노드 상태와 링크 상태 및 잔류 에너지량을 저장한 HELLO 메시지를 일정 주기마다 이웃한 센서 노드로 전송한다(S301).

이웃한 센서 노드로부터 HELLO 메시지를 수신한 센서 노드는 HELLO 메시지에 저장된 잔류 에너지량을 추출하여 센서 노드별로 저장한다. 또한, 동일한 센서 노드로부터 전송된 HELLO 메시지 정보는 갱신하여 저장한다(S302~S303).

이후, 새로운 클러스터를 결정할 시기가 되면(S304), 센서 노드는 먼저 자신이 이전 pr(= 센서 필드 내의 센서 노드의 총 개수/라운드당 클러스터 헤드의 개수) 라운드 동안 클러스터 헤드의 역할을 수행하였는지 여부를 판단한다(S305).

센서 노드가 Pr 라운드동안 클러스터 헤드의 역할을 수행하였다면 현재 라운드에서는 클러스터 노드로 동작하여야 한다. 따라서, S305 단계의 판단 결과 해당 센서 노드가 Pr 라운드동안 클러스터 헤드의 역할을 수행하였다면, 해당 센서 노드는 복수의 클러스터 헤드로부터의 방송을 수신하여 자신에게 적절한 클러스터 헤드를 결정하며, 이후에는 해당 클러스터 헤드의 클러스터 멤버가 되어 클러스터 노드로 동작한다. 그리고, 클러스터 노드로 동작하는 센서 노드는 자신이 속한 클러스터의 클러스터 헤드가 전송하는 전송 스케줄을 수신한다(S311).

한편, S305단계의 판단 결과 해당 센서 노드가 Pr 라운드동안 클러스터 헤드로 동작하지 않았다면, 이웃한 센서 노드들의 HELLO 메시지를 통하여 수신한 잔류 에너지량 정보로부터 이웃한 센서 노드들의 잔류 에너지량의 평균값을 계산한다(S306). 이때, 잔류 에너지량의 평균값(avg_energy_reserve)은 다음의 수학식에 의해 계산된다.

위의 식에서 er(i)는 센서 노드 i의 잔류 에너지량이며, n은 이웃한 센서 노드의 총 개수이다.

다음, 자신(센서 노드)의 잔류 에너지량이 (

* avg_energy_reserve (

,

는 저전력 노드의 보호 지수임)보다 작은지를 판단한다(S307).

판단 결과, 자신의 잔류 에너지량이 (

* avg_energy_reserve)보다 작은 경우에는 현재 라운드에 해당 센서 노드는 클러스터 노드로 동작하여야 하므로 복수의 클러스터 헤드로부터 방송을 수신하여 자신에게 적절한 클러스터 헤드를 결정하고, 이후에는 해당 클러스터 헤드의 클러스터 노드로 동작한다. 또한, 해당 센서 노드는 자신이 속한 클러스터의 클러스터 헤드가 전송하는 전송 스케줄을 수신한다(S311).

그런데, S307 단계의 판단 결과 자신의 잔류 에너지량이 (

* avg_energy_reserve)보다 큰 경우에는 주변 센서 노드들과 잔류 에너지량이 유사하거나 자신이 주변 센서 노드들의 잔류 에너지량보다 많은 에너지를 가지고 있는 것이므로, 해당 센서 노드는 p(= 라운드당 클러스터 헤드의 개수/이전 pr 라운드동안 클러스터 헤드로 동작하지 않은 센서 노드의 개수)의 확률로 클러스터 헤드 선정에 참가한다(S308).

다음, 해당 센서 노드가 클러스터 헤드로 선정되었는지를 판단하며(S309), 해당 센서 노드가 클러스터 헤드로 선정되었으면 자신이 클러스터 헤드 노드임을 방송하고, 자신의 클러스터 노드로 동작할 클러스터 멤버를 모집하며, 모집된 클러스터 멤버들의 전송 스케줄을 결정하여 자신의 클러스터 멤버인 클러스터 노드에게 전송한다(S310).

또한, S309의 판단 결과 클러스터 헤드로 선정되지 않았으면, 복수의 클러스터 헤드의 방송을 수신하여 자신에게 적절한 클러스터 헤드를 결정하고, 해당 클러스터 헤드에 멤버로 가입하여 클러스터 노드로 동작하며, 자신의 클러스터 헤드가 전송하는 전송 스케줄을 수신한다(S311).

이와 같이 하면 이웃한 센서 노드보다 잔류 에너지량이 많은 센서 노드 중에서 새로운 클러스터 헤드를 결정하므로 무선 센서 네트워크의 수명을 연장할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외의 다양한 변경이나 변형이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 에너지가 제한된 센서 노드로 구성된 무선 센서 네트워크에서 에너지 집약적인 클러스터 헤드의 기능을 여러 노드들이 순환하여 담당하도록 하여 에너지 소비를 분배시킴과 동시에, 저전력 노드들이 클러스터 헤드가 되는 것을 제한함으로써 무선 센서 네트워크의 수명을 연장시킬 수 있다.

Claims

복수의 센서 노드를 포함하며, 상기 복수의 센서 노드들이 클러스터 헤드와 클러스터 노드 중 어느 하나로 동작하여 구성되는 다수의 클러스터-여기서, 상기 클러스터는 소정 주기마다 재구성됨-로 분할되는 센서 필드; 및

상기 센서 필드와 외부 네트워크를 연결하며, 상기 클러스터 노드로부터 수집한 데이터를 상기 클러스터 헤드로부터 전달받는 싱크

를 포함하며,

상기 클러스터 재구성시 상기 센서 노드들의 잔류 에너지량을 기반으로 상기 클러스터 헤드가 선정되는

무선 센서 네트워크.
제1항에 있어서,

상기 클러스터 재구성시, 특정 센서 노드에 이웃한 센서 노드들의 상기 잔류 에너지량에 의해 산출된 특정값과 상기 특정 센서 노드의 잔류 에너지량을 비교하여, 상기 특정 센서 노드의 잔류 에너지량이 상기 특정값 이상일 경우에 상기 특정 센서 노드가 상기 클러스터 헤드로 선정되는

무선 센서 네트워크.
제2항에 있어서,

상기 클러스터 재구성시, 특정 센서 노드에 이웃한 센서 노드들의 상기 잔류 에너지량에 의해 산출된 특정값과 상기 특정 센서 노드의 잔류 에너지량을 비교하여, 상기 특정 센서 노드의 잔류 에너지량이 상기 특정값 이하일 경우에 상기 특정 센서 노드가 상기 클러스터 노드로 동작하는

무선 센서 네트워크.
제2항에 있어서,

상기 특정 센서 노드가 이전의 소정 시간동안 상기 클러스터 헤드로 동작하였으면 상기 클러스터 헤드로 선정되지 않고 상기 클러스터 노드로 동작하는

무선 센서 네트워크.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 특정값은 상기 특정 센서 노드에 이웃한 센서 노드들의 잔류 에너지량의 평균값에 소정값(여기서, 상기 소정값은 0이상 1이하의 값임)을 곱한 값인 것을 특징으로 하는

무선 센서 네트워크.
제1항에 있어서,

상기 센서 노드들이 다른 센서 노드들과의 관계 형성을 위하여 상기 이웃한 센서 노드들로 전송하는 헬로우(HELLO) 메시지에 상기 센서 노드의 잔류 에너지량 정보가 포함되는

무선 센서 네트워크.
제6항에 있어서,

상기 헬로우 메시지는 헤더부 및 페이로드부를 포함하며,

상기 페이로드부는 상기 잔류 에너지량을 저장하는 잔류 에너지 필드를 포함하는

무선 센서 네트워크.
무선 센서 네트워크에서 각각 복수의 센서 노들로 구성되는 복수의 클러스터로부터 정보를 수집하는 클러스터링 방법에 있어서,

a) 상기 복수의 센서 노드가 이웃한 센서 노드들로부터 잔류 에너지량 정보를 수집하는 단계;

b) 상기 이웃한 센서 노드들로부터 수집한 상기 잔류 에너지량으로부터 기준값을 산출하는 단계; 및

c) 새로운 클러스터를 결정할 시기가 되면, 상기 기준값과 상기 각각의 센서 노드의 잔류 에너지량을 비교한 결과에 따라 상기 복수의 센서 노드들 중에서 상기 클러스터 헤드를 선정하는 단계

를 포함하는 무선 센서 네트워크의 클러스터링 방법.
제8항에 있어서,

상기 c) 단계는,

i) 상기 센서 노드가 이전의 소정기간 동안 클러스터 헤드로 동작하였는지 여부를 판단하는 단계;

ii) 상기 판단 결과 클러스터 헤드로 동작하지 않았으면, 상기 각각의 센서 노드의 잔류 에너지량과 상기 기준값을 비교한 결과에 따라 상기 클러스터 헤드를 선정하는 단계

iii) 상기 판단 결과 클러스터 헤드로 동작하였으면, 상기 센서 노드를 상기 클러스터의 클러스터 노드로 동작시키는 단계

를 포함하는 무선 센서 네트워크의 클러스터링 방법.
제9항에 있어서,

상기 ii) 단계에서,

특정 센서 노드의 잔류 에너지량이 상기 기준값보다 크면 상기 특정 센서 노드를 클러스터 헤드 선정에 참가시키고,

상기 특정 센서 노드의 잔류 에너지량이 상기 기준값보다 작으면 상기 특정 센서 노드를 클러스터 노드로 동작시키며,

상기 클러스터 헤드 선정에 참가한 센서 노드 중에서 클러스터 헤드를 선정하는

무선 센서 네트워크의 클러스터링 방법.
제8항에 있어서,

상기 c) 단계 이후에,

상기 클러스터 헤드로 선정된 센서 노드가 자신이 클러스터 헤드임을 방송하고, 클러스터 노드로 동작할 클러스터 멤버를 모집하며, 상기 모집된 클러스터 멤버들의 전송 스케줄을 결정하여 상기 클러스터 멤버들에 전송하는 단계; 및

상기 클러스터의 클러스터 노드로 동작하는 센서 노드가 복수의 클러스터 헤드들로부터 방송을 수신하여 상기 복수의 클러스터 헤드 중 자신의 클러스터 헤드를 결정하며, 상기 자신의 클러스터 헤드로부터 전송 스케줄을 수신하는 단계

를 더 포함하는 무선 센서 네트워크의 클러스터링 방법.
제9항에 있어서,

상기 무선 센서 네트워크는 라운드 단위로 동작하고, 상기 각 라운드별로 새로운 클러스터를 재구성하며,

상기 소정기간은 pr(=센서 노드의 총 개수/라운드당 클러스터 헤드의 개수) 라운드인 것을 특징으로 하는

무선 센서 네트워크의 클러스터링 방법.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 기준값은 특정 센서 노드에 이웃한 센서 노드들의 잔류 에너지량의 평 균값에 소정값(여기서, 상기 소정값은 0이상 1이하의 값임)을 곱한 값인 것을 특징으로 하는

무선 센서 네트워크의 클러스터링 방법.
제8항에 있어서,

상기 잔류 에너지량 정보는 상기 복수의 센서 노드들의 다른 센서 노드들과의 관계 형성을 위하여 상기 이웃한 센서 노드들로 전송하는 헬로우(HELLO) 메시지에 포함되는

무선 센서 네트워크의 클러스터링 방법.