KR100720397B1

KR100720397B1 - 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법

Info

Publication number: KR100720397B1
Application number: KR1020050097318A
Authority: KR
Inventors: 조대호; 백승범
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2007-05-21
Also published as: KR20070041813A

Abstract

균일한 에너지 소비를 위해 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법에 관한 것으로, 센싱 기능과 계산처리 및 무선통신 능력을 가지고 있는 다수의 센서 노드와 무선 네트워크를 통하여 연결되어 상기 센서 노드로부터 데이터를 전달받아 데이터 집중국 역할을 하는 BS를 구비하고, 상기 BS는 기존의 네트워크를 통하여 사용자에게 해당 정보를 제공하는 무선 센터 네트워크에서의 데이터 전송 방법으로서, 상기 센서 노드의 각각이 데이터를 수집하는 단계, 상기 센서 노드의 각각이 수집된 데이터를 자신이 속한 클러스터의 CH에게 전송하는 단계, 상기 CH가 상기 BS로부터의 거리 경계값보다 멀리 떨어져 있는지를 판단하는 단계, 상기 CH가 RCH의 위치정보를 수신하는 단계, 상기 CH가 클러스터 내에서 수집된 데이터를 통합한 후 RCH로 전송하는 단계, 상기 RCH가 상기 CH로부터 수신된 데이터를 BS로 전송 릴레이하는 단계를 포함한다.

상기와 같은 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법을 이용하는 것에 의해, BS로부터의 거리 차이에 관계없이 균형적으로 최소화된 에너지를 소비할 수 있다.

무선 센서 네트워크, 퍼지, 데이터 전송, 에너지 소비

Description

무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법{TRANSMISSION RELAY METHOD IN WIRELESS SENSOR NETWORKS USING FUZZY LOGIC}

도 1은 종래의 에너지 소비량과 이상적인 에너지 소비량을 대비하여 나타내는 그래프,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 중계 네트워크의 구성도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 센서 노드의 분포를 나타내는 그래프,

도 4는 종래의 데이터 전송 네트워크와 본 발명에 따른 데이터 전송 중계 네트워크의 일례를 대비하여 도시한 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법을 설명하는 흐름도,

도 6은 본 발명에 따른 거리 경계값을 계산하기 위해 사용되는 퍼지 로직과 멤버쉽 함수 그래프를 나타내는 도면,

도 7은 본 발명에 따른 퍼지 로직을 기반으로 컨트롤 서페이스를 나타내는 그래프,

도 8은 종래의 프로토콜과 본 발명에 따른 프로토콜에서 살아있는 노드 개수의 시뮬레이션 결과를 대비하여 나타내는 그래프,

도 9는 종래의 프로토콜과 본 발명에 따른 프로토콜에서 살아있는 노드의 분 포를 나타내는 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

201: 일반 센서 노드 202, 401, 401': CH

203, 402, 402': CH 영역 204, 403: RCH

205, 404: RCH 영역 206, 405, 405': BS

본 발명은 무선 센서 네트워크에서의 에너지 소비에 관한 것으로, 특히 균일한 에너지 소비를 위해 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법에 관한 것이다.

최근 마이크로 전자 기기 시스템, 저전력 그리고 높은 집적도의 디지털 기기의 발전은 마이크로 센서의 개발로 이어졌다. 이러한 센서는 배포된 환경에서 주위 상황을 측정하고 측정된 현상에서 나타난 특징을 처리하여 신호 형태로 전송한다. 이러한 센서의 많은 숫자가 사용자의 조작을 필요로 하지 않는 응용과 네트워크 형태를 이루는 것이 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Networks)이다.

무선 센서 네트워크란 많은 센서가 무선 방식으로 연결된 네트워크를 말한다. 즉, 무선 센서 네트워크 기술은 컴퓨팅 능력과 무선통신 능력을 갖춘 센서 노드를 자연환경이나 전장 등에 뿌려 자율적인 네트워크를 형성하고, 서로 간에 무선 네트워크로 획득한 센싱 정보를 송수신하고,네트워크를 통해 원격지에서 감시 및 제어 용도로 활용할 수 있는 기술을 말한다.

센서 네트워크의 궁극적인 목적은 모든 사물에 컴퓨팅 능력 및 무선통신 능력을 부여하여 '언제', '어디서나' 사물들끼리의 통신이 가능한 유비쿼터스 환경을 구현하는 것이다.

센서 네트워크에서의 센서 노드(node)는 센서에서 감지된 정보를 게이트웨이(gateway) 역할을 하는 베이스 스테이션(Base Station, 이하 'BS'라 한다)으로 전달하고, BS에서는 인터넷과 같은 기존의 네트워크를 통하여 사용자에게 해당 정보를 전달해준다. 여기서, 사용자는 사람이 될 수도 있고 센서 네트워크 응용 소프트웨어가 탑재된 장치가 될 수도 있다. 그 과정에서 센서 노드들은 기존에 미리 설치된 네트워크의 이용 없이 스스로 애드혹(Ad-Hoc) 네트워크를 구성하여 BS에게 데이터를 전송한다. 센서 노드들의 역할은 단순히 감지한 데이터를 전처리하여 BS로 전달하는 것으로 국한되지는 않는다. 주변의 다른 센서 노드들과의 협력을 통하여 추상화된 고급 문맥 정보를 생성할 수도 있다. 이러한 무선 센서 네트워크를 구성하기 위해서는 센서 노드의 저전력 소모, 대규모 센서 노드의 배치, 자가 구성(self-organizing)이 가능한 애드혹 네트워크 기술 등이 요구된다.

애드혹 네트워크란 고정된 인프라의 도움없이 이동 노드만으로 이루어지는 네트워크 구조로, 각각의 이동 노드는 단지 호스트가 아니라 하나의 라우터로 동작하게 되며, 다른 노드에 대해 다중 경로를 가질 수 있다. 또한 동적으로 경로를 설정할 수 있기 때문에 기반구조 없는 네트워킹이라고도 한다. 이 구조에서는 중간에 서 제어하는 노드가 없으므로 각 노드들은 자신이 가질수 있는 정보를 최대한 활용하여 네트워크에서 통신이 가능하도록 라우팅해야 한다. 이러한 통신 특성 때문에 센서네트워크에서의 노드들간의 무선통신은 애드혹 통신에 의해 이루어지게 된다.

센서 필드에 배치되는 센서 노드들은 인터넷과 같은 고정된 네트워크 인프라스트럭처에 직접 연결되는 것이 아니라, 자동 구성 가능한 애드혹 네트워크를 형성한 후 내부에서 통신하며, 인터넷과 같은 외부로의 통신은 게이트웨이 역할을 하는 BS를 통하게 된다. 센서 노드가 이동을 하거나 고장이 나거나 새로운 노드들이 추가로 배치되는 등의 상황에 의해서 네트워크 토폴로지(topology)는 항상 변할 수 있는 소지가 있다. 이러한 변화를 적절히 받아들여 해결할 수 있는 능력도 요구된다.

센서 네트워크의 응용 분야는 산업 전반에서 일상생활에 이르기까지 수많은 분야에 이르며, 가정 보안, 기계 고장 진단, 화학/생물학 발견, 의료 모니터링, 서식지, 기후 모니터링과 다양한 군사적 응용을 포함한 다양한 응용환경에서의 신뢰성 있는 모니터링 등 다양한 분야에 걸쳐 응용이 될 수 있다.

이와 같은 센서 네트워크에서의 프로토콜 제공방법에 대한 일례가 대한민국 특허 공개공보 10-2005-0063823호(센서 네트워크의 라우팅 프로토콜 제공 방법)에 개시되어 있다.

상기 공보에 개시된 기술은 센서 네트워크에서의 에너지 효율성을 고려한 라우팅 프로토콜로써 센서들의 수명을 최대한 고려하고, 가능한 한 전체 센서 노드들 의 에너지를 고르게 사용할 수 있도록 하여 전체 네트워크의 수명을 길게 유지할 수 있도록 하는 것으로, 알고리즘이 간단하고 신뢰성이 있어 널리 활용되고 있는 AODV 프로토콜을 센서 상황에 맞도록 배터리 효율을 고려하여 새로 만든 모델이며, AODV의 RREQ 메시지에 노드의 에너지 정보를 담아서 이웃 노드 및 경로 상에 있는 노드들이 그 경로에 있는 노드들의 에너지 상태를 알 수 있도록 하였고, 이 정보를 기반으로 에너지가 많이 남아있는 노드를 사용하여 데이터가 전송되도록 하였으며,에너지가 적게 남은 노드들은 RREQ메시지를 기본적으로 무시하지만, 이런 노드들은 IDLE 메시지를 회신하며, 전송하는 노드는 에너지가 적게 남은 노드들 때문에 경로로 전달되지 못하는 현상을 막고자 하였고, 또한 네트워크 에너지 상태가 전체적으로 좋지 않을 때는 기존의AODV프로토콜을 이용하여 라우팅을 수행하도록 설계된 센서 네트워크의 라우팅 프로토콜 제공 방법에 대해 개시되어 있다.

또, 무선 센서 네트워크의 에너지 소비 방법에 대한 일례가 대한민국 특허 공개공보 2005-0073780호(무선 센서 네트워크의 에너지 소비 효율 향상 방법)에 개시되어 있다.

상기 공보에 개시된 기술은 데이터 수집 포인터에서 상황인식 제어 방법을 사용한 무선 센서 네트워크의 에너지 소비 효율 향상 방법에 관한 것으로, (a) 센서 노드에서 이벤트의 발생을 감지하는 단계; (b) 상기 센서 노드가 데이터 수집 장치로 상기 발생한 이벤트에 대한 이벤트 데이터를 전송하는 단계; (c) 상기 데이터 수집 장치에서 센서 노드 영역의 이벤트를 파악하는 단계; (d) 상기 데이터 수 집 장치가 센서 노드들에 이벤트 데이터 전송금지 메시지를 전송하는 단계 및 (e) 상기 이벤트 데이터 전송금지 메시지를 전송받은 센서 노드들의 이벤트 데이터 전송이 금지되는 단계로 이루어지는 무선 센서 네트워크의 에너지 소비 효율 향상 방법에 대해 개시되어 있다.

일반적으로 센서는 작은 크기와 낮은 가격을 유지하기 위해서 최대 1 줄(Joule, J) 정도의 작은 에너지를 장착하고 있다. 이러한 점은 통신에 사용되는 에너지를 제한하여 전송범위와 데이터 전송률을 제한하게 된다. 한 비트(bit)를 전송하는 에너지는 연산에 소모되는 에너지량보다 많이 소모되므로 센서 네트워크를 클러스터(cluster) 형태로 조직하는 것이 효율적이다. 센서 네트워크가 클러스터로 형성된 환경에서는 센서가 좀 더 짧은 거리로 데이터 통신을 하기 때문에, 모든 노드가 중앙 정보처리 센터 혹은 BS로 직접 데이터를 전송할 때보다 네트워크에서 소모되는 에너지는 더 적다.

클러스터 기반의 프로토콜인 래치(LEACH)는 네트워크에 있는 노드에게 에너지 소비를 분배하기 위해 클러스터 헤드(Cluster Head, 이하 'CH'라 한다)의 임의 교대(random rotation)방식을 이용하는 프로토콜이다. 래치는 라운드(round)로 구성되며, 각 라운드는 셋-업(set-up) 단계로 시작되고 정상 상태(steady-state)단계로 넘어간다. 셋-업 단계에서 클러스터를 구성하고 CH가 선택된다. 정상 상태 단계에서는 BS가 위치한 곳으로 실제 데이터를 전송한다. 정상 상태 단계의 기간은 오버헤드를 최소화하기 위해 셋-업 단계보다 더 길게 한다. 셋-업 단계가 진행되는 동안에 미리 결정된 노드의 개수인 p는 CH로 선출된다. 센서 노드는 랜덤 넘버(random number)인 r을 0과 1 사이에서 선택한다. 만약, 랜덤 넘버가 임계치(threshold) 값인 T(n)보다 작은 경우에 노드는 현재 라운드에서 CH 역할을 수행한다. 임계치 값은 현재 라운드에서 CH가 되기 위해 알맞은 퍼센티지를 가용한 식(1)에 기반을 두어 계산되고, CH로 선택되지 않은 노드의 집합을 G로 표기한다. n이 G에 속하지 않는 경우의 임계치 값은 0으로 고정된다. 식(1)은 아래와 같다.

식(1)

n∈G이면,

n∈G가 아니면,

선택된 모든 CH는 네트워크에 있는 모든 노드에게 ADV(advertisement) 메시지를 브로드캐스팅 한다. ADV 메시지는 현재 노드의 노드 ID 및 노드 IP 및 포트번호 등의 정보를 포함한다. 네트워크에 존재하는 모든 일반 노드는 ADV 메시지를 수신한 후 노드가 속하기를 원하는 클러스터를 결정한다. 이러한 결정은 ADV 메시지 의 신호강도에 기반을 두어 결정한다. 일반 노드는 자신이 클러스터의 멤버가 되기를 원하는 CH에게 메시지를 전송한다. 클러스터에 포함되기를 원하는 모든 노드로부터 메시지를 수신한 CH는 TDMA(Time Division Multiple Access, 시분할 다중 접속) 스케줄을 생성하고, 노드가 전송할 수 있는 타임슬롯(time slot)을 각각의 노드에게 할당하고, 이 스케줄을 클러스터 내에 있는 모든 노드에게 브로드캐스팅한다.

정상 상태 단계에서 센서 노드는 센싱하고, 센싱으로 얻어진 데이터를 CH에게 전송한다. CH노드는 모든 노드로부터 데이터를 수신하고 데이터 통합(aggregation) 수행 후 BS로 전송한다. 정해진 시간이 지난 후 네트워크는 다시 셋-업 단계로 돌아가고 새로 선택된 CH로 다음 라운드를 시작한다. 각 클러스터는 다른 클러스터에 속한 노드로부터 방해를 감소하기 위해 다른 CDMA(Code Division Multiple Access, 부호 분할 다중 접속) 코드를 사용하여 통신한다.

다음에 종래 기술에 따른 래치의 에너지 소비 상태를 도 1에 따라 설명한다.

도 1은 종래의 에너지 소비량과 이상적인 에너지 소비량을 대비하여 나타내는 그래프이다.

도 1에 도시된 그래프를 나타내기 위해 다음의 라디오 모델을 사용한다. 식(2)와 식(3)은 전송하는 메시지의 크기가 k-bit이고, 전송거리가 d일 때 LEACH에서 사용하는 라디오 모델이다.

전송 모델

식(2)

수신 모델

식(3)

식에 사용된 변수는 다음과 정의할 수 있다.

E_Tx _-amp: 전송 증폭기의 에너지 E_elec: 에너지

E_Rx: 수신에 사용된 에너지 E_Rx _- _elec: 수신 에너지

또, 작동에 따른 에너지 소비는 다음과 같다.

작동	에너지 소비
전송 에너지(E_Tx _- _elec) 수신 에너지(E_Rx _- _elec)	50 nJ/bit
전송 증폭기(∈_amp)	100pJ/bit/m²

BS가 (50, -100)에 위치하고 있을 때 어떤 시점에치의 에너지 소비상태를 도 1a로 나타낼 수 있다. BS에 가까이 위치한 노드는 에너지 소비가 적은 반면, BS로 부터 멀리 떨어져 있는 노드는 대부분의 에너지를 소모했다. 이러한 에너지 소비의 불균형은 BS로부터 다른 거리에 위치해 있기 때문이다. 모든 노드가 똑같이 중요하다고 가정한다면 다른 노드에 비해 더 많은 에너지를 소비하는 노드는 없어야 한다. 그러므로, 도 1b에 도시된 바와 같이 매 순간마다 모든 노드는 최소화된 에너지의 같은 양을 소비해야하며, 따라서 래치에서의 에너지 소비를 균형적으로 향상시킬 수 있게 된다.

그러나, 상기 종래 기술에 있어서는 각 센서가 BS에게 데이터를 직접 전송하기 때문에 BS로부터의 거리 차이에 따라 에너지 소비의 불균형이 발생하는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, BS로부터의 거리 차이에 관계없이 균형적으로 최소화된 에너지를 소비하는 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 퍼지 로직을 사용하여 래치 프로토콜을 향상시키는 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 균형적인 에너지 소비로 인하여 센서 수명을 연장시키고 에너지 효율을 향상시키는 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법은 센싱 기능과 계산처리 및 무선통신 능력을 가지고 있는 다수의 센서 노드와 무선 네트워크를 통하여 연결되어 상기 센서 노드로부터 데이터를 전달받아 데이터 집중국 역할을 하는 BS를 구비하고, 상기 BS는 기존의 네트워크를 통하여 사용자에게 해당 정보를 제공하는 무선 센터 네트워크에서의 데이터 전송 방법으로서, 상기 센서 노드의 각각이 데이터를 수집하는 단계, 상기 센서 노드의 각각이 수집된 데이터를 자신이 속한 클러스터의 CH에게 전송하는 단계, 상기 CH가 상기 BS로부터의 거리 경계값보다 멀리 떨어져 있는지를 판단하는 단계, 상기 CH가 RCH(Relay Cluster Head, 릴레이 클러스터 헤드)의 위치정보를 수신하는 단계, 상기 CH가 클러스터 내에서 수집된 데이터를 통합한 후 RCH로 전송하는 단계, 상기 RCH가 상기 CH로부터 수신된 데이터를 BS로 전송 릴레이하는 단계를 포함하고, 상기 RCH는 상기 BS로부터의 거리 경계값보다 멀리 떨어진 노드의 전송 릴레이만 수행하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법은 상기 RCH는 BS로부터 가장 가까운 곳에서부터 네트워크 운영자에 의해 지정된 위치까지의 클러스터 영역 내의 CH이며, 상기 RCH의 영역은 분포영역의 Y-좌표, 센싱 영역 및 노드의 개수에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법은 상기 거리 경계값은 RCH의 남은 에너지양, CH의 평균거리, RCH영역 내에 살아 있는 노드의 개수를 입력값으로 사용하여 정의된 퍼지 로직에 의해 동적으로 계산되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법은 상기 센서 노드는 자신의 위치 정보를 갖고 있고, 상기 자신의 위치정보는 GPS 수신기를 장착한 노드가 GPS를 사용하여 위성과의 통신에 의해 인식되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법은 상기 다수의 노드의 각각에서는 에너지가 균형적으로 소비되는 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.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 데이터 전송 중계 네트워크의 구성도이다.

도 2에서 도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 데이터 전송 중계 네트워크는 센싱 기능과 계산처리 및 무선통신 능력을 가지고 있는 다수의 일반 센서 노드(201), 클러스터 내의 센서 노드로부터 전송된 데이터를 압축하여 BS로 전송하는 CH(202), CH(202)를 포함하는 CH영역(203), CH(202)로부터 수신된 데이터를 전송 릴레이하는 RCH(204), RCH(204)를 포함하는 RCH영역(205), CH(202) 또는 RCH(204)로부터 데이터를 전달받아 데이터 집중국 역할을 하는 BS(206)를 구비한다. 센서 노드들과 BS(206)은 무선으로 네트워킹한다.

각 CH 영역 내의 센서 노드들은 데이터를 수집하여 CH(202)에게 전송한다. 이때, BS(206)로부터의 거리 경계값보다 멀리 떨어져 있는 CH는 RCH(204)에게 데이터를 전달하며, RCH(204)는 무선 네트워크를 통해 BS(206)로 전송 릴레이한다. 여기서 사용된 거리 경계값은 퍼지 응용에 의해 계산되며, 계산 방법은 도 6에 따라 추후에 설명한다. RCH(204)로부터 데이터를 전송받은 BS(206)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.

다음에 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법에 대해 도 3 내지 도 9에 따라 설명한다.

설명에 앞서 본 발명은 다음과 같은 고려사항을 갖는 것을 전제로 한다.

- BS는 센서로부터 멀리 떨어진 곳에 위치한다.

- 네트워크에 있는 모든 노드는 같은 종류이고 에너지가 제한된다.

- 대칭 전송 채널을 사용한다.

- CH는 데이터를 압축한다.

- 모든 노드는 자신의 위치정보를 가지고 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 센서 노드의 분포를 나타내는 그래프이다.

도 3에서 도시하는 바와 같이, 100 x 100m의 영역에 위치한 100개의 센서 노드를 나타낸다. 즉, 100m x 100m 네트워크의 랜덤 100-노드 토폴로지이다. BS는 (50, 200)에 위치하고 있고 제일 가까운 노드로부터 최소 100m 떨어져 있다.

센서 네트워크에서 일반적인 응용은 멀리 떨어진 BS로 센싱된 데이터를 모은다. 모든 노드는 자신의 위치정보를 알고 있다고 가정한다. 노드의 위치 정보는 매우 적은 에너지를 소비하는 GPS 수신기를 장착한 노드가 GPS를 사용하여 위성과의 통신에 의해 자신의 위치 정보를 알 수 있다.

도 3에 나타낸 센서 노드들을 식 (2)와 (3)을 사용해서 계산하면, (40, 0)에 위치한 CH가 데이터를 (50, 200)에 위치한 BS로 전송하는데 8.1 mJ을 사용하는 반면, (40, 100)에 위치한 CH는 데이터 전송을 위해 2.1 mJ을 사용한다. 데이터를 전송하기 위해 (40, 0)에 위치한 CH는 BS에 가까이 위치한 CH보다 데이터 전송을 위해 약 4배의 에너지를 더 소모한 것이다. 그러나, 본 발명에 따라 (40, 100)에 위치한 노드가 (40, 0)에 위치한 CH의 전송을 릴레이한다면, (40, 0)에 위치한 CH의 전송에너지 소모는 2.1 mJ이고, (40, 100)에 위치한 노드의 에너지 소비는 송수신을 합쳐 3.25 mJ이 된다. 결과적으로 균형적으로 에너지를 소비할 수 있고 릴레이하는 경우의 전체 에너지 소모량이 약 절반정도의 에너지 소비를 줄일 수 있는 것으로 나타난다.

도 4는 종래의 데이터 전송 네트워크와 본 발명에 따른 데이터 전송 네트워크의 일례를 대비하여 도시한 구성도이다.

도 4는 CH로부터 BS로 데이터를 어떤 방식으로 전송하는지를 래치와 전송 릴레이 방법으로 비교하여 보여준다. 4a는 래치의 전송 방식을 표현하고, 4b는 본 발명에 따른 전송 중계 방식을 나타낸다.

도 4a에 나타난 것과 같이 래치는 거리 임계값보다 BS에서 멀리 떨어져 있는 CH가 데이터를 BS로 직접 전송한다. 반면, 도 4b에 나타난 전송 릴레이의 경우에는 거리 임계값보다 BS에서 멀리 떨어져 있는 두 CH가 수집한 데이터를 RCH로 전송하고, RCH는 수신된 데이터를 BS로 전송 릴레이한다.

본 발명에서는 BS로부터의 거리에 기반을 두어 RCH영역과 CH영역 두 그룹으로 네트워크를 나누었다. RCH영역은 BS에서 가장 가까운 곳에서부터 네트워크 운영자에 의해 지정된 위치까지의 영역이다. 만약 RCH영역이 좁은 경우에는 RCH영역 내에 있는 적은 수의 노드가 CH의 전송을 릴레이하기 때문에 에너지를 빨리 소비할 것이고, 반대로 RCH영역이 넓을 경우 RCH영역에 있는 많은 수의 노드가 CH의 전송을 릴레이하므로 RCH영역 내에 있는 노드의 에너지 소비는 천천히 이루어지지만 CH영역에는 적은 수의 노드가 CH역할을 수행하기 위해 에너지 소모가 빠를 것이다. RCH영역의 결정은 분포영역의 Y-좌표(coordinate), 센싱 영역 그리고 노드의 개수에 따라 결정된다.

RCH와 CH의 선정은 식 (1)에 나타나 있는 래치의 랜덤 로테이션(random rotation) 방식을 사용해서 선정된다. RCH와 CH의 선출은 RCH영역과 CH영역 각각에 서 이루어진다. CH의 작동방식은 기존 래치에서와 같은 방식으로 작동한다. RCH는 CH로부터 BS로 전송을 릴레이해서 BS로부터 멀리 떨어진 CH의 에너지 소비를 감소시킬 수 있다. 그러나 RCH가 모든 CH의 전송을 릴레이한다면 RCH 노드는 많은 송수신으로 인해 에너지 소비가 빨라져서 RCH영역에 있는 모든 노드가 빨리 죽게 된다. 그러므로 RCH는 어떤 CH를 전송 릴레이할 지를 제한해야 한다.

도 5는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 5에서 도시하는 바와 같이, 다수의 센서 노드들이 데이터를 수집하고(ST 501), 센서 노드들은 수집된 데이터를 자신이 속한 클러스터의 CH(401')에게 무선 센서네트워크를 통해 전송한다(ST 502). 센서 노드들이 CH에게 전송하는 기술은 본 분야에서 사용되는 통상으로 공지 기술이므로 구체적 설시는 생략한다. CH(401')는 BS(405')로부터의 거리 경계값보다 멀리 떨어져 있는지를 판단하여(ST 503), 만약 그렇다면 RCH(403)의 위치정보를 수신한다(ST 504). 여기서 사용된 거리 경계값은 퍼지 응용에 의해 계산되며, 계산 방법은 도 6에 따라 추후에 설명한다. CH(401')는 RCH(403)의 위치를 확인한 후에 클러스터 내에서 수집된 데이터를 통합하여 RCH(403)로 전송한다(ST 505). RCH(403)는 CH(401')로부터 수신된 데이터를 BS(405')로 전송 릴레이하고(ST 506), BS(405')는 기존의 네트워크를 통하여 사용자에게 해당 정보를 제공한다.

CH(401')가 BS(405')로부터의 거리 경계값보다 멀리 떨어져 있지 않다면, CH(401')는 수집된 데이터를 통합하여 BS(405')로 전송한다. 즉, RCH(403)는 BS(405')로부터의 거리 경계값보다 멀리 떨어진 노드의 전송 전송 릴레이만 수행한다.

균일한 에너지 소비를 위해서 RCH는 전송 릴레이할 CH는 거리 경계값에 의해 결정되며, 이 거리 경계값에 대해서는 도 6에 따라 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 거리 경계값을 계산하기 위해 사용되는 퍼지 로직과 멤버쉽 함수 그래프를 나타내는 도면이다.

RCH는 거리 경계 값에 기반을 두어서 전송의 릴레이 여부를 판별한다. RCH는 거리 경계값보다 멀리 떨어져 있는 CH의 전송만 릴레이한다. 이러한 거리 경계값은 퍼지 응용에 의해 계산되는 값으로, BS에서 가장 가까운 센서 분포 지역으로부터 특정 지점까지의 거리이다. 선출된 모든 CH가 ADV 메시지를 네트워크에 있는 모든 노드에게 브로드캐스팅할 때, CH의 위치정보를 ADV 메시지에 포함시킨다. RCH는 거리 경계값과 CH의 위치정보를 비교해서 릴레이를 수행할 필요가 있는지를 결정한다. 만약 BS로부터 거리 경계값보다 멀리 떨어져 있는 CH가 있다면 RCH는 이 CH에게 자신의 위치정보를 알려준다. RCH의 위치정보를 수신한 CH는 BS대신 RCH로 클러스터 내에서 모아진 데이터를 통합한 후 전송한다.

CH는 CH영역 내에서 다양한 위치로부터 선출되므로 고정된 거리 경계값을 사용한 릴레이는 적합하지 않다. 그러므로 센서노드의 수명(life-time)의 증가와 에너지의 균일한 소비를 위해서 동적으로 거리 경계값이 결정되어야한다. 본 발명에서 RCH는 RCH의 남은 에너지양, CH의 평균거리, RCH영역 내에 살아있는 노드의 개수를 기반으로 거리 경계값을 동적으로 계산한다.

퍼지의 입력은 RCH의 에너지(ENERGY), CH의 평균거리(DISTANCE), 그리고 RCH영역 내에 살아있는 노드의 개수(ALIVE)이다. 도 6은 각 퍼지 입력의 멤버쉽 함수에 대응된다. 각각의 퍼지 언어 변수(linguistic variable)는 다음과 같다. ENERGY = {VLOW, LOW, LMEDIUM, HMEDIUM, HIGH, VHIGH}, DISTANCE = {VSHORT, SHORT, NORMAL, LONG, VLOG}, ALIVE = {LOW, MEDIUM, HIGH}. 퍼지 로직의 출력 파리미터 임계치는 본 발명의 동적인 거리 경계값으로 정의된다. 출력을 위한 퍼지 언어변수는 도 6에서 보는 것과 같이 'VSHORT', 'SHORT', 'SNORMAL', 'LNORMAL', 'LONG', 'VLONG'이다. 멤버쉽 함수는 Matlab Fuzzy Toolbox에 포함된 퍼지 시스템 편집기를 사용하여 만들었다.

도 7은 본 발명에 따른 퍼지 규칙을 기반으로 컨트롤 서페이스를 나타내는 그래프이다.

동적인 임계치를 결정하기 위해 ED와 EDA의 두 가지 다른 퍼지 로직 응용이 있다. ED는 ENERGY와 DISTANCE를 고려하였다. 만약 ENERGY가 HIGH이고 DISTANCE가 NORMAL일 경우, 거리 경계값은 DISTANCE의 NORMAL값보다 작은 값이 설정된다. 예를 들어 VSHORT, SHORT, SNORMAL 값이 있다. 반대로 ENERGY가 LOW이고 DISTANCE가 NORMAL일 경우, 거리 경계값은 DISTANCE의 NORMAL값보다 높은값으로 설정된다. 예 를 들어 LNORMAL, LONG, VLONG 값이 있다. 도 7은 퍼지 if-then 룰을 기반으로 컨트롤 서페이스(control surface)를 표현한 것이다. RCH의 남은 에너지양이 적으면(0.1 J 이하) 거리 경계값은 최대값으로 설정된다.

EDA는 ED보다 ALIVE 변수 한 가지를 더 고려한다. 만약 ENERGY가 LOW이고 DISTANCE가 NORMAL일 경우라도 거리 경계값은 ALIVE의 값에 따라 DISTANCE의 NORMAL보다 높을 수도 혹은 낮을 수도 있다.

룰의 일부분은 다음과 같다.

R22: ENERGY가 LOW이고 DISTANCE가 NORMAL이고 ALIVE가 LOW이면, 임계치는 VLONG이다

R24: ENERGY가 LOW이고 DISTANCE가 NORMAL이고 ALIVE가 HIGH이면 임계치는 LNORMAL이다

R67: ENERGY가 HIGH이고 DISTANCE가 NORMAL이고 ALIVE가 LOW이면 임계치는 SNORMAL이다

R69: ENERGY가 HIGH이고 DISTANCE가 NORMAL이고 ALIVE가 HIGH이면 임계치는 SHORT이다

본 발명은 종래의 래치 프로토콜과 비교하여 좀 더 향상된 전송 중계 네트워크 모델을 구축하며 보다 나은 전송 프로토콜을 생성함을 시뮬레이션을 통하여 비교 분석하였으며, 그 결과를 도 8 내지 도 9에 따라 설명한다.

이 시뮬레이션에서 RCH영역은 센서분포영역의 시작에서부터 15m까지로 설정하였고, 전체 분포영역에 100개의 센서가 분포되어 있고, 영역의 전체 넓이는 100 x 100m 이다. 각 노드는 시뮬레이션 초기에 0.25 J로 에너지가 초기화되었다. 센서의 에너지 소모량을 분석하기 위한 시뮬레이션으로 센서 노드의 데이터 전송 에러율을 고려하지 않았다.

도 8은 종래의 프로토콜과 본 발명에 따른 프로토콜에서 살아있는 노드 개수의 시뮬레이션 결과를 대비하여 나타내는 그래프이다.

도 8에서 도시하는 바와 같이, 래치, ED와 EDA를 시뮬레이션하였으며, 3가지 프로토콜에서 살아있는 노드의 개수에 대한 시뮬레이션결과를 나타낸다. 래치와 2가지 퍼지 프로토콜을 비교하였다. EDA는 450 라운드(round)에서 래치에 비해 살아 있는 노드의 개수가 약 2배 많았고, 네트워크의 수명은 약 10%증가하였다. ED는 450 라운드에서 살아있는 노드의 개수가 60%증가하였고 네트워크의 수명은 15%증가하였다.

도 9는 종래의 프로토콜과 본 발명에 따른 프로토콜에서 살아있는 노드의 분포를 나타내는 그래프이다.

도 3에 도시된 초기의 센서분포는 도 9에서 도시하는 바와 같이 나타난다. 도 9는 에너지를 전부 소진한 노드의 개수가 60개일 때를 각각 표현한 것이다. 래치의 경우 BS에서 멀리 떨어진 곳에 위치한 노드와 BS에 가까이 위치한 노드의 절반 정도는 에너지를 전부 소모하였다. 이에 반해 ED와 EDA는 래치에 비해 에너지 소모가 균일하게 나타나고 있다.

EDA는 ED와 에너지 소모가 비슷해 보이지만, EDA는 RCH영역 내에 살아있는 노드의 개수를 파악하기 위해서 메시지를 브로드캐스팅하기 때문에 에너지 소모량은 ED에 비해서 더 많다.

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

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법에 의하면, BS로부터의 거리 차이에 관계없이 균형적으로 최소화된 에너지를 소비할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법에 의하면, 퍼지 로직을 사용하여 래치 프로토콜을 향상시킬 수 있다는 효과도 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법에 의하면, 균형적인 에너지 소비로 인하여 센서 수명이 연장되고 에너지 효율을 향상시킬 수 있다는 효과도 얻어진다.

Claims

센싱 기능과 계산처리 및 무선통신 능력을 가지고 있는 다수의 센서 노드와 무선 네트워크를 통하여 연결되어 상기 센서 노드로부터 데이터를 전달받아 데이터 집중국 역할을 하는 BS를 구비하고, 상기 BS는 기존의 네트워크를 통하여 사용자에게 해당 정보를 제공하는 무선 센서 네트워크에서의 데이터 전송 방법으로서,

상기 센서 노드의 각각이 데이터를 수집하는 단계,

상기 센서 노드의 각각이 수집된 데이터를 자신이 속한 클러스터의 CH에게 전송하는 단계,

상기 CH가 상기 BS로부터의 거리 경계값보다 멀리 떨어져 있는지를 판단하는 단계,

상기 CH가 RCH의 위치정보를 수신하는 단계,

상기 CH가 클러스터 내에서 수집된 데이터를 통합한 후 RCH로 전송하는 단계,

상기 RCH가 상기 CH로부터 수신된 데이터를 BS로 전송 릴레이하는 단계를 포함하고,

상기 RCH는 상기 BS로부터의 거리 경계값보다 멀리 떨어진 노드의 전송 릴레이만 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법.
제 1항에 있어서,

상기 RCH는 BS로부터 가장 가까운 곳에서부터 네트워크 운영자에 의해 지정된 위치까지의 클러스터 영역 내의 CH이며,

상기 RCH의 영역은 분포영역의 Y-좌표, 센싱 영역 및 노드의 개수에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법.
제 1항에 있어서,

상기 거리 경계값은 RCH의 남은 에너지양, CH의 평균거리, RCH영역 내에 살아 있는 노드의 개수를 입력값으로 사용하여 정의된 퍼지 로직에 의해 동적으로 계산되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법.
제 1항에 있어서,

상기 센서 노드는 자신의 위치 정보를 갖고 있고,

상기 자신의 위치정보는 GPS 수신기를 장착한 노드가 GPS를 사용하여 위성과의 통신에 의해 인식되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법.
제 1항에 있어서,

상기 다수의 센서 노드의 각각에서는 에너지가 균형적으로 소비되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 퍼지를 적용한 전송 릴레이 방법.