KR100659739B1

KR100659739B1 - 무선 센서 네트워크의 가상 노드 알고리즘

Info

Publication number: KR100659739B1
Application number: KR1020050006261A
Authority: KR
Inventors: 엄두섭; 윤여홍
Original assignee: 엄두섭
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2006-12-20
Also published as: KR20060085408A

Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크의 가상 노드 알고리즘에 관한 것으로, 특히 본 발명은 가상 노드가 하나의 노드처럼 동작되기 때문에 불필요한 노드들은 통신에 참여 하지 않으므로 네트워크에서 소비되는 에너지를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 노드들의 고른 에너지 사용을 가능하게 한다. 또한 본 발명은 많은 노드가 통신에 참여 하지 않기 때문에 많은 패킷 충돌이나 재전송을 피할 수 있을 뿐 아니라, 간단한 MAC프로토콜로도 가상 노드 생성이 가능하다.

이를 위해 본 발명은 먼저 깨어난 센서노드를 중심으로 주변의 깨어나지 않은 다수의 센서노드를 자기 조직화하여 가상노드를 생성하는 복수의 가상노드 생성단계와, 싱크에서 생성된 각 가상노드를 대상으로 브로드캐스팅하여 싱크로의 라우팅테이블을 상기 가상노드별로 저장시키는 라우팅테이블 저장단계와, 생성된 복수의 가상노드 내에서 깨어있는 순서를 정한 센서노드들의 통신주기를 서로 다르게 설정하여 저장하는 통신주기 저장단계와, 임의의 가상노드 내의 센서노드에서 이벤트발생시, 발생된 이벤트정보를 상기 각 가상노드별로 저장된 라우팅테이블에 따라 정해진 가상노드들을 이용하여 상기 싱크로 라우팅하는 라우팅단계를 포함한다.

Description

무선 센서 네트워크의 가상 노드 알고리즘{VIRTUAL NODE ALGORITHM FOR WIRELESS SENSOR NETWORK}

도 1은 종래의 무선 센서 네트워크의 개념도이다.

도 2는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 가상 노드의 생성개념을 설명하기 위한 도이다.

도 3은 도 2의 센서노드의 내부 구성도이다.

도 4는 가상 노드내에 한 센서 노드의 통신범위를 도시한 도이다.

도 5는 가상 노드의 1 홉을 설명하기 위한 도이다.

도 6(a)은 초기화 단계에서 센서 노드가 깨어났을 때 동작되는 순서도이다.

도 6(b)은 VNH가 되었을 때 센서 노드가 동작하는 순서도이다.

도 7은 3 개의 노드가 깨어났을 때 VNH 가 되고 VNM 로 등록하는 과정을 보인 도이다.

도 8은 가상 노드내의 각 센서 노드들의 통신주기를 설명하기 위한 도이다.

도 9는 가상 노드 간의 VNM 이동을 설명하기 위한 도이다.

도 10은 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서의 가상 노드를 이용하여 패킷을 라우팅하는 과정을 설명하기 위한 도이다.

*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명*

10 : 센싱장치 11 : 처리장치

12 : 송수신장치 13 : 전원장치

14 : 감지장치 15 : 이동장치

16 : 전원발생장치

본 발명은 무선 센서 네트워크에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 센서 네트워크 자원을 절약하고 통신이 원활히 수행되도록 할 수 있는 무선 센서 네트워크의 무선 센서 네트워크의 가상 노드 알고리즘에 관한 것이다.

이동 통신기기가 발달하고 통신 기술이 발전함에 따라, 기존의 인프라구조의 네트워크 외에도 소규모의 무선 통신 네트워크에 대한 필요성이 증가하고 있다. 특히, 건물 내부나 산악 지역 등 유선 설비를 갖출 수 없는 환경하에서 소규모의 무선 네트워크에 대한 필요성이 커지고 있다. 이에 대한 예로서, 무선 센서 네트워크를 들 수 있다.

인프라 구조의 네트워크와는 달리, 무선 센서 네트워크에서는 패킷 송수신을 중계하는 라우터가 따로 존재하지 않고, 각 센서노드가 호스트와 라우터의 역할을 동시에 수행한다.

무선 센서 네트워크상에서는 각 센서노드의 무선 전파의 전송 범위가 제한되어 있기 때문에, 이벤트(event) 패킷이 그 출발지 노드로부터 도착지 노드까지 직 접 전송될 수 없는 경우가 발생한다. 이 경우 이벤트 패킷은 라우터의 역할을 수행하는 복수의 센서노드를 경유하여 전달된다. 이러한 방식을 멀티홉(multi-hop)이라 칭하며, 무선 센서 네트워크에서는 멀티홉 방식 구현을 위한 라우팅 프로토콜을 필요로 한다.

무선 센서 네트워크에서 가장 중요시 되는 것은 네트워크 환경에서의 효율적인 에너지소비이며 이를 위한 에너지 효율적인 라우팅이나 MAC 프로토콜들이 등장하고 있다. 이 중 라우팅은 크게 평면구조(flat)와 계층구조(hierarchical)로 나눌 수 있다.

계층적 구조에서는, 클러스터를 형성하기 때문에 에너지 효율적이고 데이터-애그리게이션(data-aggregation)이 매우 뛰어나며 네트워크 프로세싱(in-network processing)도 쉽게 할 수 있으나, 계층구조를 만들기 위한 오버헤드가 크며, 클러스터 헤드와 같은 노드에 에너지 소비가 집중되기 때문에 오랜 시간 계층구조를 유지하지 못하고 다시 생성해야 하는 문제점이 있다. 또한, 모든 센서 노드들은 통신에 참여 하지는 않아 에너지 효율적이지만 계층구조를 제어하는 헤더 노드와 다른 노드 간에 동기를 맞추기가 어려울 뿐 아니라 헤더 노드에서의 데이터 처리가 많아 집중적으로 에너지를 소모한다.

평면구조 라우팅 프로토콜은 평면구조는 멀티 홉 통신이 계층구조에 비해 쉽고, 클러스터 헤드 같이 에너지를 집중적으로 소비하는 노드가 없어 각 센서 노드의 균등한 에너지 사용을 가능하게 한다. 그러나, 인터레스트(interest)에 대한 이벤트 패킷이 많이 발생하면 패킷 충돌이 많아지고 멀티홉을 통한 손실로 인하여 재 전송이 많아지고, 항상 모든 센서 노드들이 통신에 참여하기 때문에 계층구조에 비해 매우 에너지 소비가 많아 비효율적이다.

평면구조에서는, 도 1과 같이, 무선 센서 노드들은 센서노드의 라우팅 테이블에 따라 센서노드들 간의 무선 통신을 통해 이벤트 패킷을 싱크까지 전달하고, 사용자는 싱크에 전달된 이벤트 패킷을 인터넷에 연결된 태스크 매니저노드를 통하여싱크로부터 제공받는다. 이때, 모든 센서노드들은 이벤트 패킷 전송을 위해 항상 깨어 있다. 무선 센서 네트워크에서는 어플리케이션에 따라 센싱조건, 적용범위, 프로토콜, 토폴로지, 전송거리가 바뀐다. 따라서 어플리케이션에서 요구하는 적용범위는 매우 중요하다. 무선 센서 네트워크는 센서 노드들이 매우 밀집되어 설치 되어있기 때문에 모든 센서 노드들이 통신에 참여하기 위해 깨어 있을 필요가 없을 뿐 아니라 동종간의 노드들로 구성된 경우 모든 노드들이 센싱할 필요 없이 그 중 한 노드만 센싱하면 된다. 그러나 기존에 제안된 프로토콜 중 계층적 구조를 제외한 대부분의 평면구조 프로토콜은 네트워크의 모든 센서 노드들은 통신을 하기 위해 깨어 있어야 할뿐 아니라 같은 지역에 설치된 동종의 센서 노드들도 모두 센싱을 하기 때문에 각 노드들의 에너지 소모가 많다는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 여러 센서 노드를 한 그룹으로 묶는 클러스터 개념과 평면적 구조의 라우팅 프로토콜을 이용하여 에너지의 소비를 효율적으로 줄일 수 있는 무선 센서 네트워크의 가상 노드 알고리즘을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무선 센서 네트워크의 가상 노드 알고리즘은 이벤트를 발생시키는 복수의 센서노드와, 발생된 이벤트를 제공받는 싱크를 구비하고, 임의의 센서노드에서 발생된 이벤트를 주변 센서노드를 이용하여 상기 싱크로 라우팅하는 무선 센서 네트워크의 가상 노드 알고리즘에 있어서, 먼저 깨어난 센서노드를 중심으로 주변의 깨어나지 않은 다수의 센서노드를 자기 조직화하여 가상노드를 생성하는 복수의 가상노드 생성단계와, 상기 싱크에서 상기 생성된 각 가상노드를 대상으로 브로드캐스팅하여 상기 싱크로의 라우팅테이블을 상기 가상노드별로 저장시키는 라우팅테이블 저장단계와, 상기 생성된 복수의 가상노드 내에서 깨어있는 순서를 정한 센서노드들의 통신주기를 서로 다르게 설정하여 저장하는 통신주기 저장단계와, 임의의 가상노드 내의 센서노드에서 이벤트발생시, 발생된 이벤트정보를 상기 각 가상노드별로 저장된 라우팅테이블에 따라 정해진 가상노드들을 이용하여 상기 싱크로 라우팅하는 라우팅단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 통신주기 저장단계에서는 상기 각 가상노드 내에 하나의 센서노드만 통신에 참여시키기 위해 깨어있는 상태(wake up)로 유지시키고, 나머지는 센서노드들은 통신에 참여하지 못하게 하기 위해 깨어있지 않는 상태(sleep)로 유지시키도록 상기 통신주기를 설정하여 저장시키는 것을 특징으로 한다.

상기 라우팅테이블 저장단계에서 상기 라우팅테이블과 함께 상기 각 가상노드 내의 센서노드별로 프레임 크기(Frame size), 동작의 시작 위치, 다음에 동작될 멤버노드의 식별정보(VNM-ID) 및 가상노드 상태를 상기 라우팅테이블과 함께 저장하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

무선 센서 네트워크에서는 어플리케이션에 따라 센싱조건, 적용범위, 프로토콜, 토폴로지, 전송거리가 바뀐다. 따라서 어플리케이션에서 요구하는 적용범위는 매우 중요하다. 그리고 센서 노드들이 매우 밀집되어 배치 되어있기 때문에 동종의 노드들로 구성된 경우 모든 센서 노드들이 같은 지역을 센싱할 필요 없이 한 센서 노드만 센싱하면 된다. 이와 같은 방식은 센싱한 센서 노드만 데이터를 전송하기 때문에 에너지 보존에 상당히 효율적이다. 예를 들어 어떤 어플리케이션에서 직경 10m 간격으로 온도를 원할 경우, 직경 10m 내에 있는 많은 센서 노드들이 모두 온도를 감지할 필요가 없이 한 센서 노드만 온도를 감지해 싱크로 보내주면 된다. 이처럼 필요한 영역을 하나의 노드처럼 만들어 불필요한 센싱이나 통신을 제거함으로써 모든 센서 노드가 통신에 참여 하지 않게 하는 가상 노드를 만든다.

도 2는 센서 노드들이 밀집되어 설치된 센서 필드에서 생성된 가상 노드를 보여준다.

가상 노드의 구성원이 되기 위한 센서노드는 도 3에 도시된 바와 같다. 애드혹과 같은 기존 무선 네트워크에서 사용되던 노드들과는 달리 매우 작은 시스템 안에 센서 및 ADC를 갖는 센싱 장치(sensing unit)(10))와, 프로세서 및 저장장치를 갖는 처리 장치(processing unit)(11) 및 송수신부(transceiver)(12), 그리고 전력 공급을 위한 전원장치(power unit)(13)를 기본적으로 갖추고 있다. 여기에 센서의 용도에 따라 위치 감지장치(location finding system)(14)와, 이동장치(mobilizer)(15), 전원발생장치(power generator)(16) 등이 어플리케이션에 따라 추가될 수 있다.

이러한 센서노드는 무선 센서 네트워크 상에 무작위로 배치가 되기 때문에 센서 네트워크 프로토콜과 알고리즘은 반드시 자기 조직화(self-organizing) 능력을 가져야 한다. 자기 조직화(Self-organizing) 는 무작위로 배치된 노드들이 인간의 간섭 없이 통신에 필수적인 인프라를 스스로 구축하는 것을 말한다. 무선 센서 네트워크의 또 다른 고유한 특징은 센서 노드들간의 협력이다. 무선 센서 노드들은 인 네트워크 프로세싱(in-network processing) 특성을 갖추고 있기 때문에 센서 필드 곳곳에서 분산 처리를 하여 노드들 간의 협력을 돕는다. 또한 인 네트워크 프로세싱(in-network processing) 은 데이터 애그리게이션(data-aggregation) 을 가능하게 하여 전송에너지의 소비를 줄임으로서 네트워크의 수명을 길게 한다.

이러한 센서 노드들로 이루어진 가상 노드를 생성하기 위해 고려해야 하는 부분은 가상 노드 영역내의 평균 센서 노드들의 수와 가상 노드가 형성되기 위한 통신거리이다. 평균 센서 노드 수를 고려하는 이유는 생성된 가상 노드 내에 포함된 센서 노드 개수가 한 개이면 생성된 가상 노드는 무의미해지기 때문이다. 또한 무선 센서 네트워크에서 어떤 한 센서 노드가 고장이 발생할 경우에 전체 네트워크에 영향을 주지 않아야 하기 때문에 가상 노드 영역 내에는 일정한 수 이상의 노드들이 있어야 하며 어플리케이션에 요구하는 정밀도에 따라서도 가상 노드 영역내의 센서 노드의 수는 달라 질 수 있다.

통신거리는 어플리케이션에 요구하는 조건을 만족하는 영역(가상 노드 영역)을 고려하여 결정되어야 한다. 즉, 어플리케이션에서 원하는 범위(가상 노드 영역)를 만족하는 가상 노드가 형성이 되면 가상 노드는 항상 인접 가상 노드간에 통신이 가능해야 한다. 이를 위해서 센서 노드의 통신거리는 가상 노드 영역의 4 배 이상이 되어야 한다.

전송 범위가 4 배보다 적은 경우 가상 노드간의 통신이 불가능한 경우가 발생하기 때문이다. 그림 도 4의 (a)와 같이, 반경 r 은 가상 노드 영역의 크기를 나타내며 통신범위 R 은 일반적인 센서 노드의 통신거리를 나타낸다. (b)는 가상 노드 영역의 4 배가 될 때의 통신거리를 보여주고 있다. (b)와 같이, 가상 노드 A 내의 한 센서가 가상 노드의 한 가운데 있을 때 통신 범위 R 은 가상 노드 B 를 넘어 가상 노드 C 중간까지 통신이 가능하다. 그러나 (c)에서 보는 것과 같이, 노드가 가상노드 A 와 가상 노드 B 내의 센서 노드들이 최악의 경우를 고려해야 하기 때문에 통신거리는 항상 다음의 식 (1)을 만족해야 한다.

R≥4r -----식 (1)

가상 노드 영역을 결정하는데 필요한 통신거리측정은 RSSI(Received Signal Strength Indication)를 이용한다. 이때, RSSI 는 수신신호강도를 나타내는 정도이다.

제안한 가상 노드에서 가상 노드 내의 모든 센서 노드들은 같은 라우팅 테이블을 가지고 있고 가상 노드내의 센서 노드들은 서로 동기를 맞추기 위해 주기적으 로 같은 시간에 깨어난다. 그리고 가상 노드가 생성이 되면 가상 노드 내의 센서들 간에 정해진 스케줄에 따라 가상 노드 구성원 중 한 센서 노드만 통신에 참여한다.

가상 노드의 1 홉(hop)은 인접 가상 노드간에서 패킷 전송이라 정의한다. 가상 노드는 일반 센서 노드와는 다른 방식으로 노드간의 패킷을 전송하기 때문이다.

도 5는 가상 노드의 1 홉을 보여주고 있다.

본 발명에서 제안한 가상 노드는 모든 노드들이 통신에 참여하지 않기 때문에 센서 노드들이 밀집되어 설치 될수록 에너지 효율은 높아지고 네트워크 전체의 흐르는 데이터양은 줄어든다. 이에 따라 네트워크 내에서 발생 할 수 있는 많은 충돌을 줄일 수 있어 네트워크 성능을 향상 시킨다. 또한 플러딩같이 많은 모든 센서 노드들이 데이터를 보내는 프로토콜에서 매우 효과적이다. 더욱이 센싱하는 측면을 고려했을 때도 한 노드만 센싱하기 때문에 더욱 효과적이다.

가상 노드 생성 과정은 크게 세 단계로 나눌 수 있다. 세 단계는 초기화(initialization) 단계, 그레이디언트(gradient) 단계, 데이터 전송(data-transmission) 단계이다.

가상 노드는 크게 가상 노드 헤드(VNH: Virtual Node Head) 와 가상 노드 멤버(VNM: Virtual Node Member)로 나뉘며, 센서 필드에 설치된 어떤 센서 노드들도 VNH, VNM 가 될 수 있다고 가정한다.

앞에서 언급한 것과 같이 어플리케이션에서 요구하는 적용 범위는 물리적으로 RSSI를 이용하며 가상 노드 중심부터 가상 노드 영역까지 거리에서 받는 신호 전력 P_N 라 하고, 어떤 한 센서 노드가 주위의 다른 센서 노드로부터 받은 신호 전력를 P_RX 라 한다. 또한 노드들 간의 충돌이나 패킷 손실 및 재전송은 없다고 가정한다.

[초기화(Initialization) 단계]

특정 어플리케이션 목적에 맞게 센서 필드에 많은 노드들이 매우 밀집되어설치되고, 설치된 노드들이 각각 깨어나면 주위에 이미 생성된 가상 노드가 있는지 확인하거나 쉽게 VNM 로 등록하기 위해 listen time 을 갖는다. Listen time 은 최대 전송 거리를 통신할 수 있는 시간(tTx,max)의 왕복 시간과 동시에서로 다른 센서 노드들이 깨어날 때 발생할 수 있는 데이터 충돌을 피하기 위한 임의 지연 시간(tRAN)과 센서 노드에서의 프로세싱 시간(tP)의 합으로 구성되며 식 (2) 와 같다.

tL = tTx,max*2+tRAN+tP -----식 (2)

센서 노드가 깨어나면 센서 노드는 listen time(tL) 후에 주변에 이전에 생성된 VNH 가 있는지 확인하기 위해 J-REQ(join request) 메시지를 보낸다. tL 시간은 가상 노드를 생성하기 위한 제어신호(J-REQ, JOIN)를 줄이기 위한 시간이다. 다시 말해, 먼저 깨어나 센서 노드들 간에 제어신호를 주고 받을 때 늦게 깨어난 센서 노드가 반송파 감지를 하여 가상 노드의 정보를 엿들어 VNM 가입시 핸드 셰이크(hand-shake) 과정을 줄이기 위한 것이다.

가장 먼저 깨어난 i 센서 노드가 tL 시간 동안 어떤 JOIN 메시지도 듣지 못 하면 J-REQ 메시지를 보낸다. JREQ 를 보낸 센서 노드는 다른 VNH 의 응답신호를 듣기 위해 일정 시간 동안 기다려야 하며, 이 시간은 최소 tTx,max 의2 배 이상이 되어야 하고 프로세싱 시간(tP)과 약간의 지연(tG)시간이 있어야 한다. 따라서 식 (3) 과 같이 나타낼 수 있다.

tW = tTx,max*2+tP+tG -----식 (3)

i 센서 노드가 tW 동안 JOIN 메시지 응답이 없으면 그 센서 노드는 주변에VNH 가 없다는 것으로 간주하고 VNH 가 된다. VNH 는 VN number(VNN)를 임의로 생성하여 다른 가상 노드와 구분 한다. 여기서 가상 노드 간에 임의로 생성된 VNN 는 다른 가상 노드 VNN 와 같지 않다고 가정한다. 만약 i 노드가 tW 동안 J-REQ 메시지에 대한 응답으로 인접 VNH 부터 JOIN 메시지를 받으면 그 센서 노드는 JOIN 메시지로 응답한 VN 의 VNM 가 되고 초기화(initialization) 단계가 끝날 때까지 슬립모드(sleep mode) 에 들어간다. 이는 초기화(initialization) 단계 동안 센서 노드의 소비되는 에너지를 줄이기 위한 것이다. 이때 깨어나는 오차를 고려해충분한 보상시간을 두어 그레이디언트(gradient) 단계 시작보다 약간 먼저 깨어나게 한다.

VNH 는 인접 센서 노드로부터 J-REQ 메시지를 받았을 때 그 신호의 세기가 P_RX> P_N 이면 응답 메시지인 JOIN 메시지를 보내고 그렇지 않으면 무시한다. 그리고 JOIN 메시지는 VNN, VNM-ID(VNM 식별정보), 그리고 초기화 단계가 끝날 때의 시간을 포함한다. 여기서 VNM-ID(n)는 가상 노드내의 등록된 많은 센서노드를 구분하기 위한 식별 ID 이며 센서 노드가 등록 될 때 마다 하나씩 증가한다.

늦게 깨어난 다른 j 센서 노드가 listen time(tL) 내에 주위의 VNH 가 보낸JOIN 메시지를 받았을 때, 그 신호의 세기가 P_RXj> P_N 이면 j 센서 노드는JOIN 메시지에 포함된 정보를 바탕으로 J-REQ 를 보내어 자신을 VNM 로 등록시킨다. 이때 보내는 JREQ 메시지는 VNN, VNM-ID(n+1)정보를 포함하기 때문에 응답으로 JOIN 메시지는 받지 않는다. 도 6(a)는 Initialization 단계에서 센서 노드가 깨어났을 때 동작되는 순서도를 보여 주고 있으며, 도 6 (b)는 VNH 가 되었을 때 센서 노드가 동작하는 순서도를 보여준다. 도 7은 3 개의 노드가 깨어났을 때 VNH 가 되고 VNM 로 등록하는 과정을 보여준다.

도 7에서 세 개의 센서 노드 A, B, C 는 서로 간에 통신이 가능하고 VNM 노드가 될 수 있는 영역 내에 있으며 깨어나는 노드의 순서는 B-A-C 순서라 가정한다. 처음으로 깨어난 센서 노드 B 는 tL 시간 동안 주변에 VN 의JOIN 메시지가 있는지 확인하다. 센서 노드B 가 tL 동안 JOIN 메시지를 받지않기 때문에 JREQ 메시지를 보낸다. 그리고 센서 노드 A, C 는 현재 VNH 가아니기 때문에 응답을 하지 않는다. 따라서 W t 시간 경과 후 센서 노드 B 는주변에 VNH 가 없는 것으로 간주하고 자신이 VNH 가 된다(1). 센서 노드 A는 tL 시간 동안 센서 노드 B 역시 JOIN 메시지를 받지 않기 때문에 JREQ 메시지를 보낸다. VNH(센서 노드 B)는 이전에 VNH 가 되어 있기 때문에 JREQ메시지를 받는다(2). VNH 는 센서 노드 A 를 VNM 도 등록 시키고 VN 정보를JOIN 메시지에 실어 센서 노드 A 에게 보낸다. JOIN 을 받은 센서 노드 A 는(3) 초기화(initialization) 단계 끝날 때까지 슬립(sleep) 상태로 있는다. 센서 노드 C 는 tL 동안JOIN 메시지를 받는다(4). JOIN 메시지를 받은 노드 C 는 JOIN 메시지 정보를모두 저장하고 tL 후에 VNM-ID 를 하나 증가 시킨 후 VNN 정보와 함께 실어 JREQ 메시지를 보내면 VNM 로 가입한다. 만약 tL 동안 여러 JOIN 메시지를 받는다면 센서 노드는 보다 가까운 VN 의 VNM 가 되어야 한다.

초기화(Initialization) 단계 수행 시간 ( tINIT )은어플리케이션에서 요구하는 평균 센서노드 개수와 listen time 의 최대값( tRAN 의 최대값)과 그리고 핸드 셰이킹(hand-shaking)에 필요한 시간으로 구성된다. tINIT 은 식 (4) 와 같다.

tINIT = tL,MAX +(tSH+3tP)*Nd+tG -----식 (4)

여기서 tSH 는 두 센서 노드 사이에 제어신호(JREQ, JOIN)를 주고 받는 동안의 핸드 셰이킹시간(handshaking time) 이고, tP 는 프로세싱시간(processing time) 이다. Nd 는 VNM 가 될 수 있는 최대 센서 노드 개수, tG 는 충돌 및 여러 기타 사항들이 고려된 시간이다.

tP 는 두 센서 노드가 신호를 주고 받는 데 3 번의 프로세싱이 필요하므로 3배가 되어야 하며, Nd 는 어플리케이션에서 요구하는 평균 노드의 2 배나 3 배정도로 한다.

Initialization 단계가 끝나면(가상 노드가 생성되면) 그레이디언트(gradient) 단계로 넘어간다.

[그레이디언트(gradient) 단계]

그레이디언트(gradient) 단계는 크게 비지(busy) 상태와 스태틱(static) 상 태로 나뉜다. 비지(Busy) 상태는 VNH가 VNH로 동작이 되고 있는 상태이며 스태틱(static) 상태는 VNH 의 역할이 필요 없어 VNH 도 VNM 로써 동작 되고 있는 상태이다. 비지(Busy) 상태는 새로 가상 노드가 생성 되었거나 인접 가상 노드가 새로 생성되거나 인접 가상 노드의 라우팅 테이블이 변경 되어 가상 노드 정보 수집을 하는 상태이며, 생성된 가상 노드내의 VNM 노드가 부족한 경우 많은 VNM 노드를 많이 가지고 있는 VN 로부터 빌려와야 할 경우도 비지(busy) 상태가 된다. 비지(Busy) 상태에서 VNH는 VNM 노드의 역할을 하지 않고 VNH 역할만 하며 항상 깨어있는 상태를 유지한다. 비지(Busy) 상태의 VNH는 역할이 많이 때문에 데이터 통신에는 참여하지 않고 제어신호 통신에만 관여한다. 이는 가상 노드 내의 모든 센서 노드들의 에너지 사용을 균등하게 하기 위함이다. 스태틱(Static) 상태는 VNH 가 가상 노드의 통신주기동안 VNH 간의 제어통신 신호가 없을 때 일어난다. 통신주기는 도 8과 같으며, 프레임(Frame) 과 싱크로니제이션(Sync)로 구성된다. 프레임(Frame) 은 가상 노드가 통신을 하기 위한 시간이고 싱크로니제이션(sync)는 스케쥴 재설정 및 에러처리를 위한 시간이며 프레임(Frame)에 비해 매우 짧다. 스태틱(Static) 상태에서는 VNH 는 역할이 적기 때문에 VNH 도 VNM 노드처럼 동작된다.

초기화(Initialization) 단계가 끝나고 가상 노드가 생성이 되면 그레이디언트(gradient) 단계의 비지(busy)상태가된다. Busy 상태에서 가상 노드 간에 VNM 노드의 이동이나 VNH 의 정보를 필요로 하는 동작 수행이 일어나며 첫 번째 busy 상태에서는 라우팅테이블이 형성될 때까지 스태틱(static) 상태로 가지 않는다.

라우팅 테이블 구성은 다른 평면구조 프로토콜과 마찬가지로 쿼리(query) 를 보내거나 브로드캐스팅 때 일어나지만 구성 방법에 있어 약간의 차이가 있다. 가상노드가 쿼리(query)를 받거나 브로드캐스팅으로 패킷을 받으면 먼저 받는 노드가 전송거리의 1/2의 전력(P_H)으로 수신되었는가 확인한다. 만약 P_H보다 큰 전력으로 수신되면 라우팅 테이블을 구성하고 그렇지 않으면 무시한다. 또한 라우팅 테이블 정보는 가상노드의 2 홉까지 저장한다. 가상 노드가 P_H 이내의 수신전력을 요구하는 것은 앞에서 언급한 통신 제약 때문이다. 즉 P_RX > P_H 을 만족해야 한다.

라우팅 테이블 만들어 지면 VNH 는 VNM 노드들을 위한 스케쥴링을 하고 VNM 노드들에게 프레임 크기(Frame size), 동작의 시작위치, 다음에 동작될VNM-ID, 가상노드 상태, 라우팅 테이블을 전달하고 가상 노드를 구동 시킨다. 동작은 도 8과 같으며, 정해진 스케쥴에 따라 움직인다.

그레이디언트(Gradient) 단계에서의 또 다른 일은 VNM 노드의 이동이다. 센서 네트워크에서 에너지의 고른 사용은 네트워크의 수명을 연장시켜 주는 중요한 요소이기 때문에 가상 노드의 VNM 노드들도 고르게 분포되어야 한다. 어떤 하나의 가상 노드의 VNM 노드 수가 너무 적으면 에너지 소모가 VNM 노드를 많이 점유하고 있는 가상 노드에 비해 많기 때문이다. 여기서 VNM 의 이동은 노드의 물리적 이동이 아니라 VNM 의 이동이다. 초기화(Initialization) 단계가 끝나면 VNH 는VNM 노드의 수가 인접 가상 노드와 비교하여 상대적으로 적은지 판단을 하고 만약 인접 가상 노드에 비해 VNM 의 노드 수가 많지 않으면 인접 VNH 에게 VNM 노드 이동 요 청을 한다. VNM 노드의 이동은 비지(busy) 상태일 때만 가능하다. 만약 스태틱(static) 상태에서 VNH 가 아닌 다른 VNM 노드가 VNM 이동 요청을 받으면 요청 받은 VNM 노드는 싱크로니제이션(sync) 때 VNH 에게 비지(busy) 상태 요청을 하여 다음통신 주기 때 VNH를 비지(busy) 상태로 바꾼다.

도 9는 VNM 의 이동을 보여주고 있다. 도 9에서 VNH A 는 인접가상 노드 B, C 에 비해 VNM 노드의 수가 적다고 판단이 되면 가상 노드 A의 VNH 는 VN 영역 안에 자신의 VNM 가 아닌 노드가 있는지 신호를 보낸다(1). VNH 의 신호를 받은 후보 노드는 자신의 VNM-ID 와 함께 자신이 소속된 가상 노드의 VNN 을 보낸다(2). 이 응답신호를 받은 가상 노드 A 의 VNH 는 가상노드 C 의 VNH 에게 노드를 빌리기 위해 요청을 한다(3). 요청을 받은 가상노드 C 의 VNH 는 자신의 VNM 노드에게 가상 노드 C 의 VNM 탈퇴를 알린다(4), 그리고 VNM 탈퇴 신호를 받은 센서 노드는 탈퇴 승인 정보를 보내고 다른 VNH 가 새로운 VNN 와 VNM-ID를 보낼 때까지 기다린다(5). 가상 노드C 의 VNH 는 모든 탈퇴처리가 끝났음을 가상노드 A 의 VNH 에게 알리면(6),가상 노드 A 의 VNH 는 새로 스케줄링을 하고 자신의 VNN 과 새로운 VNMID및 스케줄 정보를 보낸다(7).

VNM 노드의 이동과 스케줄링이 모두 끝난 가상 노드는 data-tranmission 단계로 넘어간다.

[데이터전송(Data-transmission) 단계]

그레이디언트(Gradient) 단계가 끝나고 VNH로부터 프레임 크기, 동작 시간, 다음에 통신에 참여할 VNM-ID, 가상노드 상태, 라우팅 테이블을 받으면 가상 노드 는 데이터전송 단계에 들어와 데이터를 전송한다. 데이터 전송은 도 8과 같은 방식으로 전송하며, 앞에서 언급한 것과 같이 프레임(Frame) 시간동안 데이터 통신을 한다.

도 8을 살펴보면, VN 내에 VNM-ID 가 각각 a, b, c 인 노드들이 있으며 주어진 일정에 따라 먼저 a 가 통신을 위해 동작한다. 그리고 b 도 주어진 일정에 따라 깨어나며, a 에게 자신이 깨어났음을 알리고 다음에 깨어난 노드가 알려줄 때까지 통신을 위한 동작을 한다. b 가 깨어났다는 신호를 받은 a 는 싱크로니제이션(sync) 때까지 슬립(sleep) 상태로 들어간다. 이는 VNH 가 프레임(Frame) 시간, 동작 시간, 다음 VNM ID를 가지고 있기 때문에 가능하다. 같은 방법으로 모든 VNM 노드들이 한번씩 동작된다. 모든 VNM 노드들은 싱크로니제이션(sync) 때 모두 깨어나며 이 시간을 놓치지 않게 하기 위해 프레임이 끝날 때 보상시간을 두어 싱크로니제이션(sync) 때보다 약간 먼저 깨어나게 한다.

싱크로니제이션(Sync) 시간은 앞에서 언급한 것과 같이 VN 의 스케줄링과 가상 노드의 시간동기를 맞추고 에러처리를 위해 존재한다. 고장난 노드가 발생하면 고장난 노드를 제외시키고 스케줄링을 통해 새로운 프레임 크기, 동작 시간, 다음에 통신에 참여할 VNM-ID, 라우팅 테이블을 다시 갱신하여 모든 VNM 노드들에게 전달한다. 만약 새로 스케줄링을 할 필요가 없으면 바로 통신을 시작한다.

무선 센서 네트워크에서 이벤트가 발생하여 패킷을 싱크로 전달하기 위해 라우팅 테이블을 이용할 것이다. 도 10은 가상 노드 A 에서 싱크로 데이터를 전송하는 경우를 도시한 것이며, 각 A, B, C 에 검은색 점은 현재 각 가상 노드에서 통신 에 참여 중인 노드이다. 가상 노드 A 의 라우팅 테이블에는 다음 가상 노드 B가 저장되어 있으며, 가상 노드 B의 라우팅 테이블에는 다음 가상 노드 C가 저장되어 있으며, 가상 노드 C 의 라우팅 테이블에는 싱크가 저장되어 있다. 가상 노드 A 의 VNM 노드는 이벤트가 발생하면, 패킷을 자신의 라우팅 테이블에 따라 가상 노드 B 로 전달한다. 그리고, 패킷을 전달받은 가상 노드 B는 자신의 라우팅 테이블에 따라 전달받은 패킷을 가상 노드 C로 전달하고, 가상 노드 C는 최종적으로 전달받은 패킷을 싱크로 전달하게 된다.

따라서, 본 발명은 계층 구조 라우팅 프로토콜처럼 클러스터링을 사용하여 여러 노드들로 구성된 가상 노드를 만들고 이들 가상 노드들 간에는 평면구조 라우팅 프로토콜처럼 통신하기 때문에 두 가지 장점을 동시에 살릴 수 있다. 또한, 본 발명은 가상 노드 내에서 모든 노드가 통신하지 않고 하나의 노드만 통신하여 하나의 노드처럼 동작하게 한다. 그리고 가상 노드가 생성이 된 후에 다양한 평면구조 프로토콜을 적용 할 수 있어 효율을 더욱 높일 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 가상 노드가 하나의 센서 노드처럼 동작되기 때문에 불필요한 센서 노드들은 통신에 참여 하지 않으므로 네트워크에서 소비되는 에너지를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 센서 노드들의 고른 에너지 사용을 가능하게 한다.

또한 본 발명은 많은 센서 노드가 통신에 참여 하지 않기 때문에 많은 패킷 충돌이나 재전송을 피할 수 있을 뿐 아니라, 간단한 MAC프로토콜로도 가상 노드 생 성이 가능하다.

또한 본 발명은 센서 노드의 통신거리가 커지면 커질수록 통신에 참여하지 않는 센서 노드수는 증가하기 때문에 전체적인 네트워크의 에너지 소비는 더욱 줄어들어 네트워크 성능을 향상 시킨다.

Claims

이벤트를 발생시키는 복수의 센서노드와, 발생된 이벤트를 제공받는 싱크를 구비하고, 임의의 센서노드에서 발생된 이벤트를 주변 센서노드를 이용하여 상기 싱크로 라우팅하는 무선 센서 네트워크의 가상 노드 알고리즘에 있어서,

먼저 깨어난 센서노드를 중심으로 주변의 깨어나지 않은 다수의 센서노드를 자기 조직화하여 가상노드를 생성하는 복수의 가상노드 생성단계와,

상기 싱크에서 상기 생성된 각 가상노드를 대상으로 브로드캐스팅하여 상기 싱크로의 라우팅테이블을 상기 가상노드별로 저장시키는 라우팅테이블 저장단계와,

상기 생성된 복수의 가상노드 내에서 깨어있는 순서를 정한 센서노드들의 통신주기를 서로 다르게 설정하여 저장하는 통신주기 저장단계와,

임의의 가상노드 내의 센서노드에서 이벤트발생시, 발생된 이벤트정보를 상기 각 가상노드별로 저장된 라우팅테이블에 따라 정해진 가상노드들을 이용하여 상기 싱크로 라우팅하는 라우팅단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 가상 노드 알고리즘.
제1항에 있어서, 상기 통신주기 저장단계에서는 상기 각 가상노드 내에 하나의 센서노드만 통신에 참여시키기 위해 깨어있는 상태(wake up)로 유지시키고, 나머지는 센서노드들은 통신에 참여하지 못하게 하기 위해 깨어있지 않는 상태(sleep)로 유지시키도록 상기 통신주기를 설정하여 저장시키는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 가상 노드 알고리즘.
제1항에 있어서, 상기 라우팅테이블 저장단계에서 상기 라우팅테이블과 함께 상기 각 가상노드 내의 센서노드별로 프레임 크기(Frame size), 동작의 시작 위치, 다음에 동작될 멤버노드의 식별정보(VNM-ID) 및 가상노드 상태를 상기 라우팅테이블과 함께 저장하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 가상 노드 알고리즘.