KR100684497B1

KR100684497B1 - 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링시스템과 그 클러스터링 방법 및 이를 기록한 기록매체

Info

Publication number: KR100684497B1
Application number: KR1020050116414A
Authority: KR
Inventors: 윤희용; 김경태
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2007-02-22

Abstract

무선 센서 네트워크에서 정보를 수집하고 전송하는 일련의 과정을 효율적으로 수행하도록 하는 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템과 그 클러스터링 방법 및 이를 기록한 기록매체에 관한 것으로, 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템으로서, 센싱 기능, 계산처리 및 무선통신 능력을 가지는 다수의 센서 노드, 상기 센서 노드와 무선 네트워크를 통하여 연결되고, 상기 센서 노드로부터 데이터를 전달받아 데이터 집중국 역할을 하는 베이스 스테이션(BS) 및 상기 클러스터의 멤버 노드 중 가장 작은 전송거리와 가장 많은 여분의 에너지를 갖는 노드를 프락시 노드로 선택하여 클러스터 헤드(CH)의 권한을 주어 센서 노드들의 에너지 소비를 공정하게 분산시키는 수단을 포함하는 구성을 마련한다.

상기와 같은 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템과 그 클러스터링 방법 및 이를 기록한 기록매체를 이용하는 것에 의해, 센서 네트워크 전체 시스템의 성능을 향상시키고, 각 센서들의 수명을 증가시켜 센서 네트워크 전체 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다.

무선 센서 네트워크, 프락시, 클러스터링, LEACH

Description

무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템과 그 클러스터링 방법 및 이를 기록한 기록매체{CLUSTERING SYSTEM CAPABLE OF PROXY IN WIRELESS SENSOR NETWORK AND METHOD THEREOF, AND RECORDING MEDIUM THEREOF}

도 1은 종래의 무선 센서 네트워크의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법을 설명하는 흐름도,

도 3은 본 발명에 따른 CH가 멤버 노드들에게 스케줄링을 전송하는 메시지를 나타내는 도면,

도 4는 본 발명에 따른 프락시 노드의 선택 과정을 나타내는 도면,

도 5는 종래의 클러스터링 방법과 본 발명에 따른 클러스터링 방법을 시뮬레이션을 통해서 대비하여 나타내는 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

101: 일반 센서 노드 102: 클러스터 헤드

103: 베이스 스테이션

본 발명은 센서 네트워크(Sensor Network)에 관한 것으로, 특히 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network)에서 정보를 수집하고 전송하는 일련의 과정을 효율적으로 수행하도록 하는 무선 센서 네트워크에서 프락시(Proxy)가 가능한 클러스터링(Clustering) 시스템과 그 클러스터링 방법 및 이를 기록한 기록매체에 관한 것이다.

좀 더 구체적으로는 센서의 효율적인 라이프타임(Lifetime)과 신뢰성을 보장하기 위해서 각 센서들간의 통신의 한 주기 동안에 현재의 클러스터 헤드(Cluster Head)를 가정한 프락시 노드(Proxy Node)를 선택함으로 해서 라이프타임과 신뢰성을 보장하는 방법이다.

일반적으로 유비쿼터스(Ubiquitous) 환경에서 다양한 정보를 수집하기 위해서는 무선 센서가 중요하다. 그러나 센서의 크기가 작아지고 사용되는 수량도 많아지면서 관리의 어려움이 발생하고. 이에 따른 센서 에너지의 효율적인 소비가 중요한 이슈가 되고 있다. 현재 센서 네트워크에서는 주로 LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy, 저에너지 적응 클러스터링 계층구조) 프로토콜이 사용되고 있다. LEACH는 네트워크에서 센서 노드(Sensor Node)들의 에너지 부담을 고르게 분배하기 위해서 클러스터 헤드(Cluster Head, 이하 'CH'라 한다)를 임의로 돌아가며 적용시키는 클러스터링 기반의 프로토콜이다. 이 프로토콜은 네트워크에 있는 모든 센서 노드들에 에너지 소비를 공정하게 분산시키기 위해, 에너지 집약적인 기능을 하는 CH를 무작위로 순환시키고, 전체 통신 비용을 줄이기 위해 CH에서 클러스터 내의 데이터를 모아 지역적으로 퓨전(fusion)하는 것이다. LEACH 프로토콜은 주기적으로 실행되며, 모든 노드들은 최소한 1/P 라운드(round) 내에 각 주기를 위한 CH가 될 수 있도록 선택된다. 여기서 P는 CH가 될 수 있는 확률이며, 베이스 스테이션(Base Station, 이하 'BS'라 한다)은 고정되어 센서들로부터 멀리 떨어져 있고, 네트워크상의 모든 노드들은 동일한 종류이며 에너지에 제한이 되어있다고 가정한다.

LEACH 프로토콜의 주된 에너지 저장 방법은 데이터의 압축과 라우팅(Routing)의 조합이다. LEACH는 확장성과 완고함을 향상시키기 위해서 지역적으로 동일함을 제공하고, 주어진 BS와 센서 노드들 사이에서 전달된 정보의 양을 줄이기 위해 데이터의 융합을 사용하며, 선택된 CH들의 에너지 소모를 피하기 위해서 동적인 클러스터 헤더의 선택 메커니즘(Mechanism)을 사용한다. LEACH 프로토콜은 설정 단계에서 시작해서 유지단계로 이어지는 라운드들로 구성되어 있다. 항상 유지단계는 설정단계보다 길다. 설정단계의 하위 단계로는 광고, 클러스터 설정, 스케줄 생성, 그리고 데이터 전송 단계가 있다. 광고 단계에서는 선택된 CH들이 클러스터 내에서 광고 메시지는 전송한다. 그리고 CH를 제외한 나머지 노드들은 받은 신호의 강도를 근거로 하여 속하게 될 클러스터들을 정한다. 클러스터 설정 단계에서는 각각의 CH를 제외한 나머지 노드들이 CSMA MAC(Carrier Sense Multiple Access Media Access Control, 반송파 감지 다중 액세스 미디어 액세스 제어) 프로토콜을 이용해서 자신이 속한 CH에서 자신이 해당 클러스터에 속해 있음을 알린다. 그 후, CH는 TDMA(Time Division Multiple Access, 시분할 다중 접속) 스케줄들을 만들고, 스케 줄 생성 단계에서 클러스터 멤버 노드(Member Node)들에게 스케줄을 되돌려준다. 마지막으로, 데이터 전송 단계에서 각 노드들은 필요하다면 데이터들을 보내기 위해 대기한다.

위에서 설명한 바와 같이, LEACH 프로토콜은 노드들 중에서 특정한 노드가 BS와 통신할 수 있도록 클러스터링 접근을 적용했다. 결과적으로 클러스터들의 멤버 노드들이 소비하는 에너지를 줄일 수 있었으며, 또한 임의로 CH를 선택함으로써 전체 네트워크의 센서 노드들이 에너지를 일정하게 소비하게 퍼트림으로써 전체 시스템의 수명을 증가시켰다.

도 1은 종래의 무선 센서 네트워크의 구성도이다.

도 1에서 도시하는 바와 같이, 무선 센서 네트워크는 센싱 기능과 계산처리 및 무선통신 능력을 가지는 다수의 일반 센서 노드(101), 클러스터 내의 센서 노드로부터 전송된 데이터를 압축하여 BS로 전송하는 CH(102a, 102b), CH(102a, 102b)로부터 데이터를 전달받아 데이터 집중국 역할을 하는 BS(103)를 구비한다. 센서 노드들과 BS(103)는 무선으로 네트워킹한다.

도 1에 도시된 각 CH 영역 내의 센서 노드들은 데이터를 수집하여 CH(102a, 102b)에게 전송하고, CH(102a, 102b)로부터 데이터를 전송받은 BS(103)는 인터넷과 같은 기존의 네트워크를 통하여 사용자에게 해당 정보를 제공하게 된다. 기존의 네트워크에서 사용자에게 정보를 제공하는 기술은 본 분야에서 통상으로 사용되는 공지 기술이므로 구체적 설시는 생략한다.

여기서, 클러스터 2의 CH(102b)는 클러스터 1의 CH(102a)보다 BS(103)에서 더 멀리 위치한다. 따라서 클러스터 2의 CH(102b)는 클러스터 1의 CH(102a)보다 더 많은 에너지를 소비한다. 결국, 클러스터 2의 CH(102b)는 BS와 가까운 노드들보다 일찍 죽을 것이다. LEACH에서는 노드에 남은 에너지의 양이 다른 노드들보다도 작다고 해도 CH가 될 수 있다. 따라서, CH가 BS에 모아진 데이터를 전송하기에 에너지가 부족할 경우 에러가 발생할 수 있다. 그로 인해서 무선 센서 네트워크는 재클러스터링(Reclustering)이 필요하게 되고 재클러스터링 동안에 부트스트래핑(Bootstrapping)과 설정 초기화를 해주어야 한다.

이와 같이 무선 센서 네트워크의 에너지 소비 효율 향상 기술의 일례가 대한민국 특허 공개 공보 2005-0073780호(2005.07.18 공개: 무선 센서 네트워크의 에너지 소비 효율 향상 방법)에 개시되어 있다.

상기 공보에 개시된 기술은 센서 노드에서 이벤트의 발생을 감지하는 단계; 상기 센서 노드가 데이터 수집 장치로 상기 발생한 이벤트에 대한 이벤트 데이터를 전송하는 단계; 상기 데이터 수집 장치에서 센서 노드 영역의 이벤트를 파악하는 단계; 상기 데이터 수집 장치가 센서 노드들에 이벤트 데이터 전송금지 메시지를 전송하는 단계 및 상기 이벤트 데이터 전송금지 메시지를 전송받은 센서 노드들의 이벤트 데이터 전송이 금지되는 단계를 포함하는 무선 센서 네트워크의 에너지 소비 효율 향상 방법에 대해 개시되어 있다.

또, 센서네트워크의 데이터 수집 기술의 일례가 대한민국 특허 공개 공보 2005-0108533호(2005.11.17 공개: 센서네트워크의 에너지 효율적 데이터 병합 방 법)에 개시되어 있다.

상기 공보에 개시된 기술은 적어도 하나 이상의 센서 노드로부터 데이터를 수집하는 센서네트워크와 연동하고 인터넷을 포함하는 유무선 통신 네트워크를 통하여 감시 임무를 전달하고 수집된 감시 데이터를 통합 관리하고 관리자에게 보고하는 원격 관리 서버와, 상기 원격 관리 서버로부터 감시 임무를 전달받고 상기 센서 노드를 관리하며, 상기 센서 노드로부터 병합 과정을 거친 데이터를 수집하여 상기 원격 관리 서버로 전달하는 싱크 노드(Sink Node)를 포함하고, 상기 센서 노드는 데이터에 대한 병합 과정을 수행하기 위하여, 상기 하나 또는 그 이상의 상기 센서 노드로부터 전송된 센서 데이터의 평균값과 표준편차를 구하고, 이를 이전 데이터와 비교하여 상기 싱크 노드로의 전송 여부를 결정한다. 본 발명에 따르면 데이터 변화가 발생한 시점에만 감지한 데이터를 전송하는 센서네트워크의 에너지 효율적 데이터 병합 방법에 대해 개시되어 있다.

그러나 상기 공보에 개시된 기술을 비롯한 종래의 LEACH 프로토콜에 있어서는 BS로부터 멀리 위치한 CH는 BS에 가까운 CH보다 에너지 소모가 빠르므로 CH의 에너지가 부족한 경우가 발생하여 에러가 유발되는 문제가 있었다.

또, CH에 에러가 발생할 경우 부트스트래핑과 설정 초기화로 인하여 에너지와 시간을 낭비하여 시스템의 신뢰성을 감소시키는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 센서 네트워크 전체 시스템의 성능을 향상시키고, 센서 네트워크에서 각 센 서들의 수명을 증가시켜 신뢰성 있는 통신이 가능한 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템과 그 클러스터링 방법 및 이를 기록한 기록매체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 통신의 한 주기 동안에 현재의 CH의 역할을 가정한 프락시 노드를 이용하여 CH가 균일하게 에너지를 소비하도록 하는 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템과 그 클러스터링 방법 및 이를 기록한 기록매체를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법은 클러스터 형태로 조직된 무선 센서 네트워크가 센싱 기능, 계산처리 및 무선통신 능력을 가지는 다수의 센서 노드 및 상기 센서 노드와 무선 네트워크를 통하여 연결되고, 상기 센서 노드로부터 데이터를 전달받아 데이터 집중국 역할을 하는 베이스 스테이션(BS)를 구비하고, 상기 BS는 기존의 네트워크를 통하여 사용자에게 해당 정보를 제공하는 데이터 전송 방법으로서, 상기 센서 노드에서 수집된 데이터를 상기 BS로 전송하는 라운드의 구성은, 상기 센서 노드들을 클러스터 형태로 조직하는 설정단계 및 상기 센서 노드의 각각이 수집한 데이터를 상기 BS로 전송하는 유지단계로 이루어지며, 상기 클러스터의 멤버 노드 중 가장 작은 전송거리와 가장 많은 여분의 에너지를 갖는 노드를 프락시 노드로 선택하여 클러스터 헤드(CH)의 권한을 주어 센서 노드들의 에너지 소비를 공정하게 분산시키는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법에 있어서, 상기 유지단계는 상기 설정단계보다 긴 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법에 있어서, 상기 설정단계는, 상기 다수의 센서 노드 중 CH로 선택된 각 노드들이 나머지 노드들에게 광고 메시지를 전송하는 광고단계, 상기 나머지 노드들이 CH에게 자신이 클러스터의 멤버임을 알려 클러스터를 구성하는 클러스터 설정단계, CH의 역할을 할 프락시 노드가 선택되는 프락시 노드 선택단계, 상기 CH가 TDMA 스케줄링을 지원하고 CH 식별자를 따르는 클러스터 내의 다른 노드들에게 TDMA 스케줄링을 전송하는 시간 스케줄링단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법에 있어서, 상기 광고단계에서 각각의 노드는 0과 1 사이의 임의의 수를 선택하여 임계값보다 작은 노드를 CH로 선택하며, 상기 임계값은 식

의 실행에 의해 연산되며, 상기 P는 CH가 될 확률이고, 상기 r은 현재 라운드 수이고, 상기 G는 마지막 1/P 라운드에서 CH가 되지 못한 노드들을 위한 설정인 것인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법에 있어서, 상기 클러스터 설정단계는, 광고 메시지를 수신한 각 노드들이 가장 많은 여분의 에너지를 갖는 상기 CH를 선택하여 선택된 CH의 전송거리와 여분의 에너지를 포함하는 응답 메시지를 상기 CH에게 전송하는 단계, 상기 CH가 모든 노드 로부터 상기의 응답 메시지를 받은 후에 상기 클러스터를 구성하는 단계, 모든 CH가 리시버를 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법에 있어서, 상기 프락시 노드 선택단계는 상기 클러스터 설정단계에서 수신한 응답 메시지 중 가장 작은 전송거리와 가장 큰 여분의 에너지를 가진 노드를 프락시 노드로 선택하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법에 있어서, 상기 시간 스케줄링단계에서 다른 노드들에게 전송되는 메시지는 CH ID, 노드 ID, 프락시 노드 ID, 스케줄을 포함하고, 상기 메시지는 프락시 노드에게 동등하게 전송되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법에 있어서, 상기 유지단계는 상기 CH가 상기 센서 노드에서 수집된 데이터를 상기 BS로 전송하는 다수의 데이터 전송단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법에 있어서, 상기 데이터 전송단계는, 상기 CH의 남은 에너지량이 평균 에너지 소비값보다 큰지 확인하는 단계, 상기 CH의 남은 에너지량이 평균 에너지 소비값보다 작을 경우 상기 CH가 상기 프락시 노드에게 ISM(Indicator Start message, 지시자 시작 메시지)을 전송하는 단계, 상기 ISM을 수신하여 이번 라운드에서 CH의 권한을 부여받은 프락시 노드가 자신이 프락시 노드로 선택되었음을 클러스터의 멤버 노드들에게 알리는 단계, 다른 노드들이 이번 라운드에서 상기 프락시 노드에게 데이터 를 전송하는 단계, 상기 프락시 노드가 CH의 역할을 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 클러스터 형태로 조직된 무선 센서 네트워크가 센싱 기능, 계산처리 및 무선통신 능력을 가지는 다수의 센서 노드 및 상기 센서 노드와 무선 네트워크를 통하여 연결되어 상기 센서 노드로부터 데이터를 전달받아 데이터 집중국 역할을 하는 베이스 스테이션(BS)를 구비하고, 상기 BS는 기존의 네트워크를 통하여 사용자에게 해당 정보를 제공하는 데이터 전송 방법으로서, 상기 센서 노드에서 수집된 데이터를 상기 BS로 전송하는 라운드의 구성이, 상기 센서 노드들을 클러스터 형태로 조직하는 설정단계 및 상기 센서 노드의 각각이 수집한 데이터를 상기 BS로 전송하는 유지단계로 이루어진 프로그램을 기록하고, 상기 클러스터의 멤버 노드 중 가장 작은 전송거리와 가장 많은 여분의 에너지를 갖는 노드를 프락시 노드로 선택하여 CH의 권한을 주어 센서 노드들의 에너지 소비를 공정하게 분산시키는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템은 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템으로서, 센싱 기능, 계산처리 및 무선통신 능력을 가지는 다수의 센서 노드, 상기 센서 노드와 무선 네트워크를 통하여 연결되고, 상기 센서 노드로부터 데이터를 전달받아 데이터 집중국 역할을 하는 베이스 스테이션(BS) 및 상기 클러스터의 멤버 노드 중 가장 작은 전송거리와 가장 많은 여분의 에너지를 갖는 노드를 프락시 노드로 선택하여 클러스터 헤드(CH)의 권한을 주어 센서 노드들의 에너지 소비를 공정하게 분산시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템에 있어서, 상기 센서 노드에서 수집된 데이터를 상기 BS로 전송하는 라운드의 구성은, 상기 센서 노드들을 클러스터 형태로 조직하는 설정단계 및 상기 센서 노드의 각각이 수집한 데이터를 상기 BS로 전송하는 유지단계로 이루어지며, 상기 유지단계는 상기 설정단계보다 긴 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템에 있어서, 상기 설정단계는, 상기 다수의 센서 노드 중 CH로 선택된 각 노드들이 나머지 노드들에게 광고 메시지를 전송하고, 상기 나머지 노드들이 CH에게 자신이 클러스터의 멤버임을 알려 클러스터를 구성하는 클러스터를 설정하고, CH의 역할을 할 프락시 노드가 선택되고, 상기 CH가 TDMA 스케줄링을 지원하고 CH 식별자를 따르는 클러스터 내의 다른 노드들에게 TDMA 스케줄링을 전송하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템에 있어서, 상기 프락시 노드의 선택은 상기 클러스터 설정 시에 수신한 응답 메시지 중 가장 작은 전송거리와 가장 큰 여분의 에너지를 가진 노드를 프락시 노드로 선택하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템에 있어서, 상기 클러스터 내의 다른 노드들에게 스케줄링을 전송하는 메시지 는 CH ID, 노드 ID, 프락시 노드 ID, 스케줄을 포함하고, 상기 메시지는 프락시 노드에게 동등하게 전송되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 발명의 설명에 있어서는 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 다음과 같은 가정들을 하고 있다.

- BS는 센서로부터 멀리 떨어져 있으며 고정되어 있다.

- 네트워크의 모든 노드들은 동일하고 제한된 에너지는 가지고 있다.

- 모든 노드들은 BS에 도달할 수 있다.

- 노드들은 지역적 정보를 가지고 있지 않다.

- 대칭 전달 채널

- CH들은 데이터의 압축을 수행한다.

본 발명자가 제안한 프락시가 가능한 클러스터링 계층구조는 LEACH와 유사한 개념을 가지며, 도 1에 도시된 종래의 무선 센서 네트워크와 동일한 구성을 가지므로 구체적 설시는 생략한다. 그러나 본 발명자가 제안한 방법은 LEACH에서 CH의 데이터 전송 시 에너지 불충분으로 인한 문제를 해결했다. 만약, 문제를 발생시킬 수 있는 CH가 선택될 경우 프락시 노드가 그 헤드를 대체하여 수행함으로써 에너지 문제를 해결할 수 있다.

다음에 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법에 대해 도 2 내지 도 4에 따라 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법을 설명하는 흐름도이고, 도 3은 본 발명에 따른 CH가 멤버 노드들에게 스케줄링을 전송하는 메시지를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 프락시 노드의 선택 과정을 나타내는 도면이다.

도 2에서 도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 클러스터링 방법의 기본 동작은 라운드 구성이 LEACH와 유사하다. 각 라운드는 클러스터를 구성하는 설정단계를 시작으로 BS(103)로 데이터를 전송하는 유지단계로 이어진다. 오버헤드를 최소화하기 위해 유지단계는 설정단계에 비해서 길다. 설정단계는 광고단계(Advertisement Phase, ASP)(ST 2010), 클러스터 설정단계(Cluster Set-Up Phase, CSP)(ST 2020), 프락시 노드 선택단계(Proxy Node Selection Phase, PSP)(ST 2030)), 그리고 스케줄링 단계(Time Scheduling Phase, TSP)(ST 2040)로 구성된다. 또한, 유지단계는 몇 개의 전송단계(Data Transformation Services, DTS)(ST 2050)로 구성된다.

전체적인 동작 과정은 도 2에서 도시하는 바와 같으며, LEACH에서 가정한 동작환경과도 유사하다. 본 발명에 따른 각 단계에서의 동작은 다음과 같다.

-광고 단계(ST 2010)

CH(102)는 확률적으로 선택된다. 즉, CH를 선택하기 위해 각 노드는 0과 1 사이의 임의의 수를 선택하고, 임의의 수가 임계값보다 작은 노드는 현재 라운드에서 CH(102)가 된다. 노드 n의 임계값 T(n)은 아래와 같다.

식(1)

식(2)

P는 CH가 될 확률, r은 현재 라운드 수, 그리고 G는 마지막 1/P 라운드에서 CH가 되지 못한 노드들을 설정하기 위한 것이다. 이 알고리즘은 모든 노드들이 1/P라운드 내에서 한번은 CH가 될 수 있다고 확신한다. 현재 라운드를 위한 CH(102)로 선택된 각 노드들은 나머지 노드들의 광고 메시지를 전송한다.

-클러스터 설정단계(ST 2020)

일반 노드(101)들은 각 노드들이 속한 클러스터가 정해진 후에 CH(102)에게 자신들이 클러스터의 멤버임을 알린다. 즉, 광고 메시지를 받은 각 노드들(101)은 가장 많은 여분의 에너지(RE)를 갖는 CH(102)를 선택한 후, CSMA MAC 프로토콜을 사용하는 선택된 CH(102)의 전송거리(TD)와 RE를 포함하는 응답 메시지를 CH(102)에게 보낸다. CH(102)는 모든 노드(101)로부터 응답 메시지를 받은 후에 구성된다. 클러스터 설정 단계 안에 모든 CH(102)들은 리시버를 유지시켜야 한다.

-프락시 노드 선택 단계(ST 2030)

프락시 노드 선택은 받은 응답 메시지의 RE와 TD 값을 사용해서 선택한다. 프락시 노드는 현재 라운드에서의 CH(102)는 아니다. 그러나 CH(102)는 클러스터 멤버 노드들 중에 가장 작은 TD와 가장 큰 RE를 가진 노드를 프락시 노드로 선택한다. 선택된 프락시 노드는 다음의 스케줄링 단계에서 CH로 선택되었음을 클러스터의 멤버 노드들에게 알린다.

-시간 스케줄링단계(ST 2040)

CH(102)는 TDMA 스케줄링을 지원하고, CH 식별자(CH ID)를 따르는 클러스터 내의 다른 노드들(101)에게 TDMA 스케줄링을 전송한다. 전송되는 메시지에는 도 3a에서 도시하는 바와 같이 프락시 노드 ID를 포함한다. CH(102)는 또한 도 3b에서 도시하는 바와 같이 프락시 노드일 수 있는 선택된 프락시 노드에 식별을 위한 동등한 메시지를 전송한다.

-데이터 전송단계(ST 1050)

스케줄링 메시지를 받은 노드(101)들은 클러스터 내의 CH(102)에게 선택된 데이터를 전송한다. 만약, 프락시 노드가 존재하지 않는다면 CH(102)는 BS(103)에게 데이터를 전송한다. 반면, 프락시 노드가 존재한다면 도 4에서 도시하는 바와 같은 단계를 따른다. 도면 4에서 도시하는 바와 같이, CR(n)은 평균 에너지 소비값이고, RE는 CH(102)의 남은 에너지량이다. 데이터 전송 단계에서 프락시 노드가 임의의 CH 권한을 가졌더라도 현재 라운드의 CH는 아니다. CH의 역할을 유지함에 따라서 다음 단계에서 CH를 선택할 수 있다.

본 발명에 따른 클러스터링 방법은 적은 에너지를 가진 CH가 BS에 데이터를 전송하면서 발생할 수 있는 오류를 줄일 수 있었다. 또 클러스터 내의 노드들의 에너지 소비를 고르게 분배할 수 있고, 전체적인 센서 네트워크의 수명이 증가하는 결과를 낳았다. 또한 제안된 방법은 에너지 소비를 줄이고 재클러스터링 동안에 요구되는 부트스트랩과 설정 초기화에 따른 불필요한 시간은 줄임으로 해서 시스템의 신뢰성을 높일 수 있었다. 또, 시뮬레이션을 통해서 기존의 LEACH와 비교 분석하여 본 발명에서 새롭게 제안한 방법이 더 성능을 좋다는 것을 그래프를 통해 나타냈다.

종래의 클러스터링 방법과 본 발명에 따른 클러스터링 방법을 시뮬레이션을 통해서 도 5에 따라 설명한다.

도 5a는 본 발명의 시뮬레이션을 위해 임의로 뿌려진 센서네트워크의 예를 나타내는 그래프이고, 도 5b와 도 5c는 본 발명의 시뮬레이션을 위해 센서 노드들이 죽기 시작하는 라운드의 수와 마지막 노드가 죽었을 때의 라운드 수를 나타내는 도면이고, 도 5d는 308라운드 후의 살아 있는 노드의 수를 대비하여 나타내는 그래프이다.

제안된 방법의 효율성을 검증하기 위해서 센서 노드들이 LEACH 프로토콜과 BS에 직접 데이터를 전송하는 직접 전송방법에 관련해서 시뮬레이션하였다.

의 에너지를 갖는 전송이나 리시버를 수행하는 소자를 뿌려놓았고,

의 증폭기를 설치했다. 전송(E_TX)과 받은 양(E_RX)은 다음과 같이 계산된다.

식(3)

식(4)

k는 비트 단위의 메시지의 길이이고 ε는 전송자와 수신자 노드 사이의 거리, λ는 경로 유실 지수이다.

본 발명자는 시뮬레이션 실험을 통해서 제안된 방법에 포함되는 스키마(Schema)의 효율성을 계산하였다. 실험에서 CH들의 수는 LEACH와 같이 총 노드들의 수의 0.05%이다. 50 x 50 지역 안에 100개의 센서 노드들을 임의로 뿌려놨다고 가정한다. 임의로 뿌려진 센서네트워크의 예는 도 5a에서 보여주고 있다. 본 발명자는 센서 노드들의 초기에 남은 에너지의 두 가지 모델을 사용한다. 0.5J과 0.25J에서 임의로 선택된다. 식(3)에서 E_elec은 50(nJ/비트)으로 설정하고, ε_amp은 100(pJ/비트/m²)으로 설정한다. 센서 데이터의 크기는 3000비트이고, 광고되는 메시지는 68-비트의 길이이다. 평균 100,000번 시뮬레이션(Simulation)하였다.

도 5b는 세 가지 스키마들을 비교하기 위해서 센서 노드들이 죽기 시작하는 라운드의 수와 마지막 노드가 죽었을 때의 라운드를 표로 보여주고 있으며, 도 5b에서 0.25J일 때를 도 5c에서 그래프로 보여주고 있다. 본 발명에서 제안한 방법을 'PEACH' 프로토콜이라 하고, 이는 다른 스키마들에 비해서 더 견고한 것을 볼 수 있다. 특이하게 초기 에너지에서 PEACH가 LEACH보다 상대적으로 우수하게 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 본 발명자가 다른 에너지 부류들로 실험을 했을 때도 위와 같은 유사한 결과를 얻을 수 있었다.

본 발명에 따른 방법의 또 다른 중요한 양상은 도 5d에서 308라운드 후에 LEACH와 PEACH의 살아 있는 노드(원)와 죽은 노드(줄)의 위치를 보여주고 있다. 도 5d에서 도시하는 바와 같이, LEACH보다 PEACH가 살아있는 노드들이 더 많고, LEACH에서는 죽은 노드들이 잘 분산되어 있음을 보여주고 있다. 이는 제안된 PEACH 프로토콜이 가능한 오랫동안 죽은 노드들을 피할 수 있으며, PEACH에서 죽은 노드들은 모두 LEACH에서도 죽었다는 것을 확인할 수 있다.

본 시뮬레이션을 통하여 본 발명에 따른 클러스터링 방법을 사용한 에너지 소비의 분산이 CH의 관리를 효율적으로 수행하므로 다른 스키마들에 비해 더 월등함을 검증할 수 있었다.

이상, 본 본 발명자에 의해서 이루어진 발명은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템과 그 클러스터링 방법 및 이를 기록한 기록매체에 의하면, 프락시 노드를 이용하여 에너지가 낮은 CH가 없이 균일하게 에너지를 소비하게 할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템과 그 클러스터링 방법 및 이를 기록한 기록매체에 의하면, 센서 네트워크 전체 시스템의 성능을 향상시키고, 각 센서들의 수명을 증가시켜 센서 네트워크 전체 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템과 그 클러스터링 방법 및 이를 기록한 기록매체에 의하면, 초기화 설정이나 부트스트랩에서 오는 오버헤드(Overhead)를 줄여 센서 네트워크의 전체적인 에너지 낭비를 줄일 수 있다는 효과가 얻어진다.

Claims

클러스터 형태로 조직된 무선 센서 네트워크가 센싱 기능, 계산처리 및 무선통신 능력을 가지는 다수의 센서 노드 및 상기 센서 노드와 무선 네트워크를 통하여 연결되고, 상기 센서 노드로부터 데이터를 전달받아 데이터 집중국 역할을 하는 베이스 스테이션(BS)을 구비하고, 상기 BS는 기존의 네트워크를 통하여 사용자에게 해당 정보를 제공하는 데이터 전송 방법으로서,

상기 센서 노드에서 수집된 데이터를 상기 BS로 전송하는 라운드의 구성은,

상기 센서 노드들을 클러스터 형태로 조직하는 설정단계 및

상기 센서 노드의 각각이 수집한 데이터를 상기 BS로 전송하는 유지단계로 이루어지며,

상기 클러스터의 멤버 노드 중 가장 작은 전송거리와 가장 많은 여분의 에너지를 갖는 노드를 프락시 노드로 선택하여 클러스터 헤드(CH)의 권한을 주어 센서 노드들의 에너지 소비를 공정하게 분산시키는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법.
제 1항에 있어서,

상기 유지단계는 상기 설정단계보다 긴 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법.
제 1항에 있어서,

상기 설정단계는,

상기 다수의 센서 노드 중 CH로 선택된 각 노드들이 나머지 노드들에게 광고 메시지를 전송하는 광고단계,

상기 나머지 노드들이 CH에게 자신이 클러스터의 멤버임을 알려 클러스터를 구성하는 클러스터 설정단계,

CH의 역할을 할 프락시 노드가 선택되는 프락시 노드 선택단계,

상기 CH가 TDMA 스케줄링을 지원하고 CH 식별자를 따르는 클러스터 내의 다른 노드들에게 TDMA 스케줄링을 전송하는 시간 스케줄링단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법.
제 3항에 있어서,

상기 광고단계에서 각각의 노드는 0과 1 사이의 임의의 수를 선택하여 임계값보다 작은 노드를 CH로 선택하며,

상기 임계값은 식

의 실행에 의해 연산되며,

상기 P는 CH가 될 확률이고, 상기 r은 현재 라운드 수인 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법.
제 3항에 있어서,

상기 클러스터 설정단계는,

광고 메시지를 수신한 각 노드들이 가장 많은 여분의 에너지를 갖는 상기 CH를 선택하여 선택된 CH의 전송거리와 여분의 에너지를 포함하는 응답 메시지를 상기 CH에게 전송하는 단계,

상기 CH가 모든 노드로부터 상기의 응답 메시지를 받은 후에 상기 클러스터를 구성하는 단계,

모든 CH가 리시버를 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법.
제 3항에 있어서,

상기 프락시 노드 선택단계는 상기 클러스터 설정단계에서 수신한 응답 메시지 중 가장 작은 전송거리와 가장 큰 여분의 에너지를 가진 노드를 프락시 노드로 선택하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법.
제 3항에 있어서,

상기 시간 스케줄링단계에서 다른 노드들에게 전송되는 메시지는 CH ID, 노 드 ID, 프락시 노드 ID, 스케줄을 포함하고,

상기 메시지는 프락시 노드에게 동등하게 전송되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법.
제 1항에 있어서,

상기 유지단계는 상기 CH가 상기 센서 노드에서 수집된 데이터를 상기 BS로 전송하는 다수의 데이터 전송단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법.
제 8항에 있어서,

상기 데이터 전송단계는,

상기 CH의 남은 에너지량이 평균 에너지 소비값보다 큰지 확인하는 단계,

상기 CH의 남은 에너지량이 평균 에너지 소비값보다 작을 경우 상기 CH가 상기 프락시 노드에게 ISM(지시자 시작 메시지)을 전송하는 단계,

상기 ISM을 수신하여 이번 라운드에서 CH의 권한을 부여받은 프락시 노드가 자신이 프락시 노드로 선택되었음을 클러스터의 멤버 노드들에게 알리는 단계,

다른 노드들이 이번 라운드에서 상기 프락시 노드에게 데이터를 전송하는 단계,

상기 프락시 노드가 CH의 역할을 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 방법.
클러스터 형태로 조직된 무선 센서 네트워크가 센싱 기능, 계산처리 및 무선통신 능력을 가지는 다수의 센서 노드 및 상기 센서 노드와 무선 네트워크를 통하여 연결되어 상기 센서 노드로부터 데이터를 전달받아 데이터 집중국 역할을 하는 베이스 스테이션(BS)을 구비하고, 상기 BS는 기존의 네트워크를 통하여 사용자에게 해당 정보를 제공하는 데이터 전송 방법으로서,

상기 센서 노드에서 수집된 데이터를 상기 BS로 전송하는 라운드의 구성이,

상기 센서 노드들을 클러스터 형태로 조직하는 설정단계 및

상기 센서 노드의 각각이 수집한 데이터를 상기 BS로 전송하는 유지단계로 이루어진 프로그램을 기록하고,

상기 클러스터의 멤버 노드 중 가장 작은 전송거리와 가장 많은 여분의 에너지를 갖는 노드를 프락시 노드로 선택하여 CH의 권한을 주어 센서 노드들의 에너지 소비를 공정하게 분산시키는 것을 특징으로 하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
무선 센서 네트워크에서 프락시가 가능한 클러스터링 시스템으로서,

센싱 기능, 계산처리 및 무선통신 능력을 가지는 다수의 센서 노드,

상기 센서 노드와 무선 네트워크를 통하여 연결되고, 상기 센서 노드로부터 데이터를 전달받아 데이터 집중국 역할을 하는 베이스 스테이션(BS) 및

상기 클러스터의 멤버 노드 중 가장 작은 전송거리와 가장 많은 여분의 에너지를 갖는 노드를 프락시 노드로 선택하여 클러스터 헤드(CH)의 권한을 주어 센서 노드들의 에너지 소비를 공정하게 분산시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 클러스터링 시스템.
제 11항에 있어서,

상기 센서 노드에서 수집된 데이터를 상기 BS로 전송하는 라운드의 구성은,

상기 센서 노드들을 클러스터 형태로 조직하는 설정단계 및

상기 센서 노드의 각각이 수집한 데이터를 상기 BS로 전송하는 유지단계로 이루어지며,

상기 유지단계는 상기 설정단계보다 긴 것을 특징으로 하는 클러스터링 시스템.
제 11항에 있어서,

상기 설정단계는,

상기 다수의 센서 노드 중 CH로 선택된 각 노드들이 나머지 노드들에게 광고 메시지를 전송하고,

상기 나머지 노드들이 CH에게 자신이 클러스터의 멤버임을 알려 클러스터를 구성하는 클러스터를 설정하고,

CH의 역할을 할 프락시 노드가 선택되고,

상기 CH가 TDMA 스케줄링을 지원하고 CH 식별자를 따르는 클러스터 내의 다른 노드들에게 TDMA 스케줄링을 전송하는 것을 특징으로 하는 클러스터링 시스템.
제 13항에 있어서,

상기 프락시 노드의 선택은 상기 클러스터 설정 시에 수신한 응답 메시지 중 가장 작은 전송거리와 가장 큰 여분의 에너지를 가진 노드를 프락시 노드로 선택하는 것을 특징으로 하는 클러스터링 시스템.
제 13항에 있어서,

상기 클러스터 내의 다른 노드들에게 스케줄링을 전송하는 메시지는 CH ID, 노드 ID, 프락시 노드 ID, 스케줄을 포함하고,

상기 메시지는 프락시 노드에게 동등하게 전송되는 것을 특징으로 하는 클러스터링 시스템.