KR100910799B1 - 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법 및 그시스템 - Google Patents

센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법 및 그시스템 Download PDF

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Abstract

센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법 및 그 시스템이 개시된다.
본 발명에 따른 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법은,
(a) 자신의 위치 정보를 저장하고 있는 슈퍼 노드에서 센서 네트워크의 제 1 계층의 클러스터링 구성을 위한 제 1 비컨 신호를 센서 노드에 브로드 캐스팅하는 단계; (b) 상기 브로드 캐스팅된 제 1 비컨 신호에 따른 센서 노드의 노드 정보를 수신한 슈퍼 노드에서 상기 센서 네트워크에서의 클러스터 단위 정보, 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 논리적 식별번호 및 상기 센서 노드의 클러스터 헤드의 정보를 포함하는 인증 메시지를 상기 센서 노드로 전송하는 단계; (c) 상기 인증 메시지를 수신한 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 클러스터 헤드를 중심으로 상기 클러스터에 속한 센서 노드 간의 데이터를 송수신하여 제 1 계층의 클러스터링을 구성하는 단계; (d) 상기 제 1 계층의 클러스터링을 구성한 슈퍼 노드에서 전송 파워 값을 증가시킨 제 2 비컨 신호를 브로드 캐스팅하여 상기 (b) 과정 내지 (c)과정에 따라 제 2 계층의 클러스터링을 구성하는 단계; (e) 상기 (d) 과정을 반복 수행한 상기 슈퍼 노드에서 자신의 전송 파워를 단계적으로 증가시킨 자신의 브로드 캐스팅 메시지에 따른 센서 노드의 노드 정보가 추가적으로 수신되지 않을 경우 클러스터링의 구성을 완료하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 무선 센서 네트워크 환경에서 무선 센서 네트워크 환경에서 효율적인 토폴로지를 형성하고 위치정보를 저장하고 있는 논리적 클러스터를 관 리함으로써 지역적인 클러스터 내의 데이터 전송에 있어서 데이터 전송의 상호 충돌을 최소화할 수 있고, 클러스터 간 및 센서 노드 간의 에너지 관리를 통한 노드의 활동시간을 향상시킬 수 있으며, 광역적인 네트워크의 연결성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법 및 그 시스템{Method for forming clustering topology in sensor network and System using by the same}
본 발명은 센서 네트워크에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다양한 범위를 가지는 센서 노드들이 네트워크 통신을 수행하기 위하여 센서 노드 자신의 전송 파워를 가변하여 다른 노드들과 연결하는 방식이 가지는 소규모 노드의 과중한 부담을 제거하고 단일 전송 범위를 가지는 단순한 센서 노드들의 전체적 연결성을 확보시키고 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
무선 유비쿼터스 환경에서 센서 노드와 다른 센서 노드 간의 연결체인 센서 네트워크를 형성하는 다양한 방법들이 제시되고 있다.
이러한 다양한 센서 네트워크의 체계는 센서 네트워크를 지역적인 형태나 소규모로 구성하는 방법과 광역적인 형태로 전체 네트워크를 구성하는 방법이 주요 관점으로 연구되고 있으며, 무선 애드혹(adhoc) 체계나 인터넷 프로토콜(Internet Protocol:IP) 망 체계의 방법이 부분적으로 적용되고 있다.
제한된 기능과 한정적인 전력을 보유한 센서들을 망으로 결합하여 원하는 센 서 노드로 데이터를 전송하는 방법에는 구조적인 트리 형태가 보편화 되고 있다.
이러한 구조적 트리 형태는 센서 노드를 원하는 응용 영역에 확산 배포하여 상위 노드와 하위 노드의 갯수를 파악하고 각각 중간 노드들을 부모 노드와 자식 노드 간의 링크를 설정하고, 각 자식 노드는 다시 하위 자식 노드와 링크되어 각각의 노드들에게 논리적 식별자(IDentifier:ID)를 부여하여 관리하는 형태가 있다.
그러한 예는 IEEE 802.15.4 표준안을 이용한 것으로서 부분적인 논리의 타당성을 가지고 있다고 볼 수 있다. 그러나 이러한 구조적 트리 형태는 제한적인 영역이나 적은 수의 노드를 관리하는데 적당할 뿐, 많은 수의 센서 노드가 전방위로 배치된 경우에는 많은 수의 센서 노드 간의 데이터 전송에 의한 데이터 충돌 현상으로 상호 간의 센서 노드 자신의 식별자 부여나 비컨 주기 및 듀티 시간을 설정하기 어렵다.
기타 다른 방식으로 무선 유비쿼터스 망을 형성하는 방법으로는 피어투피어(Peer To Peer:P2P) 방식이나 스타 토폴로지(Topology)의 구조적 망을 형성하는 방식이 있다.
한편, 센서 노드들을 그룹으로 연결하여 하나의 클러스터 형태로 운영하는 방법 또한 많은 연구가 진행되고 있다.
기본적으로, 대부분의 클러스터는 내부적으로 클러스터 헤드를 선출하여, 선출된 클러스터 헤드를 중심으로 클러스터 망이 운영되게 하는 클러스터 헤드 선출 방법과 인접 클러스터 노드 간의 연결 방법 및 중복 회피 및 전송범위와 위치 관리 등에 대한 연구가 있다.
그러나, 이러한 방법은 지역적 범위에서 센서 노드 간의 통신을 통하여 클러스터를 형성하고 인접 노드나 인접 클러스터에 자신의 정보를 전달하는 방법을 채택하고 있어 광역적이고 전방위적인 전체 관점에서는 논리적 클러스터의 배분과 각 노드 간의 전송 충돌 회피 등의 논리적 관리가 어려운 현상이 나타난다.
또한, 이동시스템을 지원하기 위한 응용서비스인 위치 기반 서비스의 부분적 적용이 무선 센서 네트워크에서 물리 공간과 데이터 공간의 통신을 가능하게 하는 이동 통신 서비스의 부가 서비스 형태로 제공되고 있으며, 이러한 부가서비스는 무선 유비쿼터스 환경에서 센서 노드의 센싱 정보와 위치 정보를 결합하여 센서 정보의 의미를 확대 부여하고, 다양한 서비스를 추가로 제공하는 역할을 하기도 한다.
그러나, 이러한 시스템 환경에서 기존의 연구 및 방법 들은 데이터를 전송하는 경로설정에 관점을 두고 있으며, 이러한 위치 정보를 이용하여 전체적인 네트워크를 클러스터 구조로 관리하는 방법에 대한 제시가 부족한 현실이며, 더불어 상호 간의 데이터 전송의 충돌과 데이터 전송 중복 및 루프를 배제하는 방법이 매우 복잡한 상황이다.
또한, 무선 유비쿼터스 환경에서 토폴로지를 관리하는 방법들에 대한 연구는 동일 전송영역을 가지는 클러스터 노드를 중앙에서 관리하는 토폴로지 관리 방법은 미약하게 제시되고 있는 현실이다.
이와 같이, 종래의 센서 클러스터링 토폴로지 형성 및 제어 방법은 센서 네트워크가 구조적인 트리 형태를 이룸으로써 많은 수의 노드가 전방위로 배치된 경우에는 비컨 전송 충돌 현상으로 인하여 상호 간의 센서 노드의 식별자 부여나 비 컨 주기 및 듀티 시간을 설정하기 어려우며, 종래의 연구 및 방법들은 임의의 위치에 임의적으로 형성되는 클러스터를 종합적으로 관리하는 방법이 없고, 네트워크의 중심 노드를 이용하고 이러한 중심 노드가 전송 영역을 단계적으로 확대하여 전체적인 토폴로지를 형성하고 관리하는 적절한 방법이 제시되고 있지 않은 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 센서 네트워크의 계층적 클러스터 구조에서 중심 노드가 전송 전력을 증가시키면서 계층적으로 클러스터를 전송영역 단위로 형성하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법을 제공하는 것이다.
그리고, 본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 센서 네트워크의 계층적 클러스터 구조에서 중심 노드가 전송 전력을 증가시키면서 계층적으로 클러스터를 전송영역 단위로 형성하고, 상기 클러스터 내부의 클러스터 헤드에 의해 비컨 전송 주기 및 듀티 시간을 재조정하여 비컨 전송 스케줄링을 조정하는 센서 클러스터링 토폴로지 형성 방법을 이용한 센서 클러스터링 토폴로지 형성 시스템에 관한 것이다.
상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
(a) 자신의 위치 정보를 저장하고 있는 슈퍼 노드에서 센서 네트워크의 제 1 계층의 클러스터링 구성을 위한 제 1 비컨 신호를 센서 노드에 브로드 캐스팅하는 단계; (b) 상기 브로드 캐스팅된 제 1 비컨 신호에 따른 센서 노드의 노드 정보를 수신한 슈퍼 노드에서 상기 센서 네트워크에서의 클러스터 단위 정보, 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 논리적 식별번호 및 상기 센서 노드의 클러스터 헤드의 정보를 포함하는 인증 메시지를 상기 센서 노드로 전송하는 단계; (c) 상기 인증 메 시지를 수신한 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 클러스터 헤드를 중심으로 상기 클러스터에 속한 센서 노드 간의 데이터를 송수신하여 제 1 계층의 클러스터링을 구성하는 단계; (d) 상기 제 1 계층의 클러스터링을 구성한 슈퍼 노드에서 전송 파워 값을 증가시킨 제 2 비컨 신호를 브로드 캐스팅하여 상기 (b) 과정 내지 (c)과정에 따라 제 2 계층의 클러스터링을 구성하는 단계; (e) 상기 (d) 과정을 반복 수행한 상기 슈퍼 노드에서 자신의 전송 파워를 단계적으로 증가시킨 자신의 브로드 캐스팅 메시지에 따른 센서 노드의 노드 정보가 추가적으로 수신되지 않을 경우 클러스터링의 구성을 완료하는 단계를 포함하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법을 제공한다.
한편, 상기 클러스터의 면적은 상기 슈퍼 노드로부터 미리 할당되며, 상기 클러스터는 상기 센서 네트워크의 전체 면적을 상기 미리 할당된 클러스터의 면적을 기준으로 분할되어 결정되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 브로드 캐스팅되는 비컨 신호는 상기 클러스터의 중심점을 기준으로 하여 비컨 신호의 전송 범위가 결정되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 브로드 캐스팅되는 비컨 신호는 상기 슈퍼 노드로부터 상기 클러스터로 이르는 거리가 가장 긴 최외곽 점을 기준으로 하여 비컨 신호의 전송 범위가 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센서 노드의 노드 정보는 상기 센서 노드의 고유의 식별자, 위치 정보 및 자신의 현재 보유 파워량을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 슈퍼 노드는 베이스 스테이션 또는 액세스 포인터를 포함하며, 상기 슈퍼 노드는 전송 파워를 가변하여 단계적으로 전송 파워를 증가시킨 비컨 신호를 전송할 수 있는 노드인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 위치 정보는 상기 슈퍼 노드를 기준으로
Figure 112007076283276-pat00001
축 및
Figure 112007076283276-pat00002
축으로 이루어진 가상의 2차원 좌표값으로 이루어지며, 각 계층별 상기 클러스터 중심의
Figure 112007076283276-pat00003
값이 최소의 양의 값을 가지는 클러스터를 우선하여 순차적으로 논리적 식별번호가 부여되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 논리적 식별번호는
Figure 112007076283276-pat00004
은 클러스터의 계층을 의미하고,
Figure 112007076283276-pat00005
은 해당 계층에 순차적으로 부여된 번호를 의미할 때,
Figure 112007076283276-pat00006
으로 표현되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 클러스터 단위 정보는 상기 클러스터에 존재하는 해당 노드의 노드 정보, 상기 클러스터의 클러스터 헤드 정보 및 슈퍼 노드의 위치 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 클러스터 내의 클러스터 헤드는 상기 슈퍼 노드에 의해 결정되고, 상기 클러스터의 중심과 가장 가까운 노드로 선정되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 각 계층의 계층 넘버가 N 이면, N 계층에 존재하는 클러스터의 수가 6×N 이 되도록 계층별 클러스터가 분할되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 클러스터링의 구성을 완료하는 단계는, 인접한 클러스터 간의 경계에 계층 간 데이터 전송을 수행하는 전달 노드가 위치하는 경우 상기 전달 노드 를 이용하여 계층 간 데이터 전송을 수행하는 단계; 및 상기 클러스터 내부에 상기 전달 노드가 존재하는 경우 상기 전달 노드에 의해 계층 간 데이터 전송이 수행되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 클러스터링의 구성을 완료하는 단계는, 상기 센서 네트워크의 특정 클러스터에 센서 노드가 신규로 등록되는 경우, 상기 특정 클러스터의 클러스터 헤드에서 신규로 등록되는 센서 노드의 노드 정보를 상기 슈퍼 노드로 전송하는 단계; 및 상기 클러스터 헤드에서 상기 클러스터 내의 센서 노드 및 전달 노드의 데이터 전송에 대한 듀티 시간을 재설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
슈퍼 노드, 소정의 센서를 이용하여 센싱 데이터를 검출하는 센서 노드 및 상기 센서 노드의 센싱 데이터를 취합하여 슈퍼 노드로 전송하는 클러스터 헤드를 포함하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 시스템에 있어서, 상기 슈퍼 노드는 자신의 위치 정보를 저장하는 위치 정보 저장부; 센서 네트워크를 복수 개의 계층별 클러스터로 분할하는 클러스터 생성부; 복수 개의 클러스터를 계층별로 구분하기 위하여 계층별 비컨 전송 파워를 설정하는 비컨 전송 파워 설정부; 및 상기 분할된 클러스터의 센서 노드 및 클러스터 헤드에 상기 전송 파워 설정부에 의해 설정된 비컨 전송 파워에 따라 비컨 신호를 브로드 캐스팅하고, 상기 센서 네트워크의 클러스터 단위 정보와 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 논리적 식별번호와 상기 센서 노드의 클러스터 헤드의 정보를 포함하는 인증 메시지를 상기 센서 노드 및 클러스터 헤드에 전송하는 제어부를 포함하며, 상기 센서 노드는 상기 슈 퍼 노드의 제어부로부터 전송된 인증 메시지에 따라 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 클러스터 헤드를 중심으로 센서 노드 간의 데이터를 송수신하여 계층별 클러스터링을 형성하는 클러스터 형성부를 포함하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 시스템을 제공한다.
또한, 상기 클러스터 생성부는 상기 슈퍼 노드로부터 미리 할당된 클러스터의 단위 면적을 기준으로 상기 센서 네트워크의 전체 면적을 분할하여 복수 개의 클러스터를 생성하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 브로드 캐스팅되는 비컨 신호는 상기 클러스터의 중심점을 기준으로 하여 비컨 신호의 전송 범위가 결정되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 브로드 캐스팅되는 비컨 신호는 상기 슈퍼 노드로부터 상기 클러스터로 이르는 거리가 가장 먼 최외곽 점을 기준으로 하여 비컨 신호의 전송 범위가 결정되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 센서 노드의 노드 정보는 상기 센서 노드의 고유의 식별자, 위치 정보 및 자신의 현재 보유 파워량을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 클러스터 단위 정보는 상기 클러스터에 존재하는 해당 노드의 노드 정보, 상기 클러스터의 클러스터 헤드 정보 및 슈퍼 노드의 위치 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 클러스터 생성부는 각 계층의 계층 넘버가 N이면, N 계층에 존재하는 클러스터의 수가 6×N이 되도록 클러스터를 분할하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 무선 센서 네트워크 환경에서 무선 센서 네트워크 환경에서 효율적인 토폴로지를 형성하고 위치정보를 저장하고 있는 논리적 클러스터를 관리함으로써 지역적인 클러스터 내의 데이터 전송에 있어서 데이터 전송의 상호 충돌을 최소화할 수 있고, 클러스터 간 및 센서 노드 간의 에너지 관리를 통한 노드의 활동시간을 향상시킬 수 있으며, 광역적인 네트워크의 연결성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 센서 네트워크를 구성하는 한 방법인 계층적 클러스터 구조에서 중심 노드가 전송 전력을 증가시키면서 계층적으로 클러스터를 전송영역 단위로 형성하는 토폴로지 형성 방법에 관한 것이다.
본 발명은 기존의 다양한 전송 범위를 가지는 센서 노드들이 통신을 수행하기 위해 자신의 전송 파워를 가변하여 다른 노드들과 연결하는 방식이 가지는 소규모 노드의 과중한 부담을 제거하고 단일 전송 범위만 가지는 단순한 센서 노드들의 전체적 연결성을 확보시키고 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다.
기본적인 네트워크는 2차원으로 고려하기로 하고, 계층별 클러스터 간의 통신은 각 클러스터 헤드를 중심으로 이루어지거나, 경계 노드가 중간의 전달 노드의 역할을 수행하여 네트워크를 형성하는 방법이다.
아울러, 각 노드는 지역적인 위치 정보를 가지고 있다고 전제하기로 한다.
실질적으로, 단위별 광역적 센서 네트워크를 구성하기 위해서 중심 노드가 전송 파워를 가변하여 전송 영역을 늘려갈 수 있는 중심 노드가 필요하다. 이러한 중심 노드를 본 발명에서는 슈퍼 노드라 칭하기로 한다.
이는, 실질적으로 베이스스테이션이나 액세스 포인트가 주로 그 역할을 수행하거나, 특별히 이러한 토폴로지 관리 알고리즘을 적용하는 환경에서는 별도의 전송파워를 가변 가능하고, 기초 파워량을 많이 보유한 노드가 그 역할을 수행할 수 있다.
각 노드가 위치 정보를 가지고 있는 경우에는 각 센서 노드가 자신의 고유한 식별자(IDentifier:ID)와 2차원의 위치 정보, 즉
Figure 112007076283276-pat00007
좌표 및
Figure 112007076283276-pat00008
좌표를 가지고 초기 토폴로지의 형성과정에 참여하게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.
한편, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면 우선, 자신의 위치 정보를 저장하고 있는 슈퍼 노드에서 센서 네트워크의 제 1 계층의 클러스터링 구성을 위한 제 1 비컨 신호를 센서 노드에 브로드 캐스팅(broadcasting)한다(110 과정).
슈퍼 노드는 전송 파워를 가변하여 클러스터를 단계적으로 구성하고, 각 클러스터 및 해당 센서 노드에 대한 노드 정보를 저장하고 관리 가능한 노드로, 베이스 스테이션 또는 액세스 포인터를 포함하며, 상기 슈퍼 노드는 전송 파워를 가변하여 단계적으로 전송 파워를 증가시킨 비컨 신호를 전송할 수 있는 노드일 수 있다.
이와 같이, 자신의 위치 정보를 저장하고 있는 슈퍼 노드는 전체 센서 네트워크를 복수 개의 클러스터로 분할한다. 여기서, 클러스터의 면적은 상기 슈퍼 노드로부터 미리 할당되며, 상기 클러스터는 상기 센서 네트워크의 전체 면적을 상기 미리 할당된 클러스터의 면적을 기준으로 분할되어 결정되어 질 수 있다.
한편, 슈퍼 노드는 복수 개의 클러스터로 분할된 센서 네트워크의 제 1 계층의 클러스터링 구성을 위한 제 1 비컨 신호를 센서 노드에 브로드 캐스팅한다.
상기 전송하는 제 1 비컨 신호는 제 1 토폴로지 초기화 신호로 명명할 수 있고, 이를
Figure 112007076283276-pat00009
라고 표시하기로 한다.
그 다음, 상기 브로드 캐스팅된 제 1 비컨 신호에 따른 센서 노드의 노드 정보를 수신한 슈퍼 노드에서 상기 센서 네트워크에서의 클러스터 단위 정보, 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 논리적 식별번호 및 상기 센서 노드의 클러스터 헤드의 정보를 포함하는 인증 메시지를 상기 센서 노드로 전송한다(120 과정).
이는, 상기 슈퍼 노드에서 브로드 캐스팅된 제 1 비컨 신호
Figure 112007076283276-pat00010
를 수신한 센서 노드는 자신의 노드 정보를 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 클러스 터 헤드로 전송하고, 상기 클러스터 헤드는 전송된 센서 노드의 노드 정보를 슈퍼 노드로 전송한다. 여기서 상기 노드 정보를 전송하는 센서 노드의 데이터 전송 신호를
Figure 112007076283276-pat00011
으로 표시하기로 한다.
상세하게는, 상기 센서 노드의 노드 정보는 상기 센서 노드의 고유의 식별자, 위치 정보 및 자신의 현재 보유 파워량을 포함할 수 있다.
상기 센서 노드의 노드 정보를 슈퍼 노드로 전송하는 과정에서 클러스터 헤드에서 상위 클러스터 헤드로 데이터 전송이 불가능할 경우, 클러스터 헤드 간 데이터 전송을 수행하는 전달 노드를 경유하여 슈퍼 노드로 상기 센서 노드의 노드 정보를 전송하게 된다.
이는 무선 센서 네트워크 환경에서 센서 노드 및 클러스터 헤드는 자신의 데이터 전송 거리가 정해져 있으므로, 자신이 전송할 수 있는 범위 밖에 목적 노드가 존재할 경우, 중간에 데이터 전송을 수행하는 전달 노드를 이용하여 상위 계층으로 데이터 전송을 수행하게 된다.
한편, 상기 센서 노드의 데이터 전송 신호
Figure 112007076283276-pat00012
인 센서 노드의 노드 정보를 수신한 슈퍼 노드에서 상기 센서 네트워크에서의 클러스터 단위 정보, 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 논리적 식별번호 및 상기 센서 노드의 클러스터 헤드의 정보를 포함하는 인증 메시지
Figure 112007076283276-pat00013
를 상기 센서 노드로 전송한다
여기서, 클러스터 단위 정보는 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 계층 정보를 의미하며, 클러스터의 논리적 식별번호는 상기 센서 네트워크에서 슈퍼 노드에 의해 분할된 클러스터 고유의 식별 넘버를 의미한다.
그 다음, 상기 인증 메시지를 수신한 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 클러스터 헤드를 중심으로 상기 클러스터에 속한 센서 노드 간의 데이터를 송수신하여 제 1 계층의 클러스터링을 구성한다(130 과정).
즉, 상기 인증 메시지
Figure 112007076283276-pat00014
를 수신한 센서 노드는 슈퍼 노드로부터 상기 센서 네트워크에서의 클러스터 단위 정보, 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 논리적 식별번호 및 상기 센서 노드의 클러스터 헤드의 정보를 수신한다.
그러면, 자신이 속한 클러스터 헤드의 정보와 상기 클러스터에 속한 센서 노드의 노드 정보를 수신하므로, 클러스터 내의 부모-자식 간의 논리적 링크가 형성되어 클러스터 헤드로 자신의 정보를 전송할 수 있다.
따라서, 이를 기반으로 클러스터 헤드는 슈퍼 노드로 데이터 전송을 하기 위하여 센서 노드로부터 수신되는 데이터의 충돌을 방지하기 위하여 센서 노드의 노드 듀티 시간을 설정하여 자신의 계층에 해당하는 클러스터링 구성을 완료한다.
한편, 본 발명에 따른 클러스터 헤드는 두 가지 방법에 의해 클러스터 헤드가 선출될 수 있다.
첫 번째는, 슈퍼 노드의 지정에 의해 클러스터 헤드가 지정될 수 있는데, 이는 각 계층별 클러스터가 구획된 후, 각각의 클러스터의 내부의 중심과 가장 기하학적 위치가 가까운 노드를 클러스터 헤드로 선정할 수 있다.
두 번째는, 각 클러스터 내부에 존재하는 센서 노드에 따라 특별한 규칙에 의해 클러스터 헤드가 선출될 수 있으며, 상기 특별한 규칙이라 함은 예를 들어 각 클러스터의 내부에 존재하는 센서 노드 중 잔여 에너지 파워가 가장 큰 노드로 선정되어 질 수 있다. 그러나, 내부의 특별한 규칙에 의하여 클러스터 헤드가 선출될 경우 상기 첫 번째 방법에 따른 클러스터 헤드가 존재하는 영역에서 70%이상 벗어난 경우에는 상기 특별한 규칙을 재정의할 수 있다.
그 다음, 상기 제 1 계층의 클러스터링을 구성한 슈퍼 노드에서 전송 파워 값을 증가시킨 제 2 비컨 신호를 브로드 캐스팅하여 상기 120 과정 내지 130 과정에 따라 제 2 계층의 클러스터링을 구성한다(140 과정).
이는 제 1 클러스터링 구성이 완료된 다음, 슈퍼 노드에서 제 2 클러스터링을 구성하기 위하여 슈퍼 노드에서 전송 파워 값을 증가시킨 제 2 비컨 신호를 센서 네트워크로 브로드 캐스팅한다.
이 과정은, 슈퍼 노드에서 센서 네트워크의 계층별 클러스터링을 수행하기 위하여 상기 제 1 클러스터링 형성시 전송한 비컨의 전송 파워보다 더 큰 전송 파워로 슈퍼 노드의 비컨을 전송하고, 전송된 슈퍼 노드의 비컨에 대한 센서 노드의 응답 신호를 슈퍼 노드가 수신하면, 수신된 센서 노드의 응답 신호를 기반으로 제 2 클러스터링을 구성할 수 있게 된다.
상기 제 2 클러스터링 형성시 비컨을 전송하는 전송 파워는 시스템 설정자에 의해 미리 설정된 규칙에 의해 전송되는데 이는 하기에 자세히 상술하기로 한다.
한편, 슈퍼 노드가 수신하는 센서 노드의 응답 신호는 전술한 바와 같이 각 클러스터에 속한 센서 노드의 노드 정보로써, 상기 센서 노드의 고유의 식별자, 위치 정보 및 자신의 현재 보유 파워량을 포함할 수 있다.
마지막으로, 상기 140 과정을 반복 수행한 상기 슈퍼 노드에서 센서 네트워크로 자신의 비컨의 전송 파워를 단계적으로 증가시킨 자신의 브로드 캐스팅 메시지에 따른 센서 노드의 노드 정보가 추가적으로 수신되지 않을 경우 클러스터링의 구성을 완료한다(150 과정).
상기 140 과정에 따라 제 2 클러스터링을 형성한 슈퍼 노드는 계층별 클러스터링을 수행하기 위하여 상기 제 2 클러스터링 형성시 전송한 비컨의 전송 파워보다 더 큰 전송 파워로 슈퍼 노드의 비컨을 전송하고, 전송된 슈퍼 노드의 비컨에 대한 센서 노드의 응답 신호를 슈퍼 노드가 수신하여 이를 기반으로 제 3 클러스터링을 형성한다.
이과 같은 과정을 순차적으로 수행하고, 최종적으로 슈퍼 노드의 비컨 전송에 대한 새로운 센서 노드의 응답 신호가 슈퍼 노드에 수신되지 않을 경우, 센서 네트워크에 존재하는 모든 센서 노드로부터 응답 신호를 수신한 것으로 간주하고 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 과정을 종료하게 된다.
상기 클러스터링 토폴로지 형성 과정의 종료를 센서 네트워크 내의 모든 센서 노드에 전송하기 위하여 슈퍼 노드는 최종적으로 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 과정이 종료되었음을 알리는
Figure 112007076283276-pat00015
신호를 전송한다.
한편, 상기 150 과정에 따라 클러스터링의 구성을 완료된 센서 네트워크에 새로운 센서 노드가 특정 클러스터에 신규로 등록되는 경우, 상기 특정 클러스터의 클러스터 헤드에서 신규로 등록되는 센서 노드의 노드 정보를 슈퍼 노드로 전송한다.
그리고, 상기 특정 클러스터에 존재하는 클러스터 헤드에서 신규로 등록되는 센서 노드를 포함하는 센서 노드 및 계층 간 데이터 전송을 수행하는 전달 노드에서 클러스터 헤드로의 데이터 전송에 대한 듀티 시간을 재설정하게 된다.
일반적으로, 개방된 환경에서의 클러스터링 토폴로지를 형성하기 위해 클러스터링을 구성하나, 부분적으로 센서 노드간 데이터 전송 충돌 또는 지형적인 전파 방해 등을 이유로 토폴로지 형성과 관련된 전송 신호를 수신하지 못하거나 부분적인 오류로 클러스터링에 참여하지 못한 센서 노드가 존재할 수 있다.
아울러, 신규로 추가되는 센서 노드 역시 기존의 토폴로지 내의 클러스터에 곧바로 진입하지 못한다.
이러한 센서 노드는 일정 시간 후 주기적으로 인접한 클러스터의 클러스터 헤드에 비컨 형태의 신호를 송신하여 전송 거리 내의 클러스터 헤드가 이를 인식할 수 있도록 하여 신규로 등록된다.
신규 노드를 인식한 클러스터 헤드는 클러스터 내의 새로운 센서 노드를 지역적으로 처리하여 슈퍼 노드로 토폴로지 정보를 송신할 때에 신규 추가 센서 노드의 정보를 포함하여 전송한다.
또한, 신규 노드를 인식한 해당 클러스터 헤드는 클러스터 내의 비컨 주기 및 듀티 시간을 재조정하여 클러스터 내부의 센서 노드에 대한 정보를 갱신하게 된 다.
도 2는 본 발명에 적용되는 센서 네트워크의 클러스터를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 전체 센서 네트워크는 복수 개의 클러스터로 분할되는데, 이는 전술한 바와 같이 슈퍼 노드에 의해 미리 정해진 단위 클러스터의 면적에 따라서 전체 센서 네트워크를 분할한다.
이 과정에서, 도 2에 도시된 바와 같이 각각의 클러스터는 물리적 전송범위 차원에서 원형이나, 이러한 원형의 공간 배열을 최적으로 표현할 수 있는 논리적 정육각형의 형태로 구성되게 되는데, 이는
Figure 112007076283276-pat00016
축 및
Figure 112007076283276-pat00017
축으로 이루어진 2차원 평면에 있어서, 누락되는 공간이 발생하지 않고, 전체 면적을 모두 포함할 수 있으며, 상호 분할된 공간이 서로 어긋남이 없이 맞물리는 공간으로 분할될 경우, 정육각형의 형태로 분할되는 것이 가장 이상적으로 공간 분할이 되는 것으로 알려져 있다.
따라서, 본 발명에서는 전체 센서 네트워크를 복수 개의 클러스터로 분할할 때 누락되는 공간이 발생할 경우, 데이터 송수신에 있어서 누락되는 센서 노드가 발생할 가능성이 크므로, 도 2와 같이 논리적인 정육각형의 형태를 가지는 클러스터로 전체 센서 네트워크 공간을 분할하게 된다.
도 3a는 본 발명에 따른 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지를 수행하기 위한 슈퍼 노드의 계층별 전송 범위의 일례를 도시한 것이고 도 3b는 도 3a의 확대도이다.
우선, 도 3a를 참조하면, 슈퍼 노드는 각 계층별 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지를 수행하기 위하여 계층 별로 전송 파워를 증가시킨 비컨 신호를 센서 네트워크에 전송한다.
도 3a에 도시된
Figure 112007076283276-pat00018
은 제 1 계층의 클러스터링 구성을 위해 브로드 캐스팅되는 제 1 비컨 신호의 전송 범위를 의미하고,
Figure 112007076283276-pat00019
는 제 2 계층의 클러스터링 구성을 위해 브로드 캐스팅되는 제 2 비컨 신호의 전송 범위를 의미하고,
Figure 112007076283276-pat00020
는 제 3 계층의 클러스터링 구성을 위해 브로드 캐스팅되는 제 3 비컨 신호의 전송 범위를 의미한다.
이는 클러스터의 외접원 중 중심점을 기준으로 상기
Figure 112007076283276-pat00021
,
Figure 112007076283276-pat00022
,
Figure 112007076283276-pat00023
Figure 112007076283276-pat00024
에 따라서 슈퍼 노드의 비컨 신호의 전송 파워가 결정되는데 이는 각 클러스터의 반지름을 전송범위의 기준으로 설정하여 클러스터 서클 또는 계층 그룹을 형성한다.
도 3b를 참조하면, 해당 계층의 클러스터의 중심을 기준으로 슈퍼 노드의 비컨 신호의 전송 파워를 결정하는 것을 도시하고 있는데, 특히 제 1 계층에 대한 전송 범위의 중심은 슈퍼 노드를 기준으로 가상의
Figure 112007076283276-pat00025
축과
Figure 112007076283276-pat00026
축을 가지는 2차원 평면에서,
Figure 112007076283276-pat00027
축과 접하는 클러스터의 중심까지의 거리
Figure 112007076283276-pat00028
이 각 계층까지의 슈퍼 노 드의 비컨 신호의 전송 거리로 결정된다.
즉, 도 3b에서 제 1 계층에 대한 전송 범위의 중심은 클러스터
Figure 112007076283276-pat00029
중에서 슈퍼 노드를 기준으로 가상의
Figure 112007076283276-pat00030
축과 접하는 클러스터의 중심까지의 거리
Figure 112007076283276-pat00031
이 제 1 계층에 대한 슈퍼 노드의 비컨 전송 거리가 된다.
이는 실질적으로, 상기 클러스터를 둘러싸는 외접원의 중심점을 기준으로 하여 비컨 신호의 전송 범위가 결정되어 질 수 있다.
그리고, 이는 상술한 바와 같이 이상적으로 센서 네트워크를 동일한 정육각형의 클러스터로 분할하였을 경우, 슈퍼 노드가 속한 클러스터의 외접원의 반지름이
Figure 112007076283276-pat00032
일 경우, 제 1 계층에 대한 슈퍼 노드의 비컨 전송 거리는 하기의 수학식 1에 의해 연산되는
Figure 112007076283276-pat00033
이 되며, 제
Figure 112007076283276-pat00034
계층에 대한 슈퍼 노드의 비컨 전송 거리 역시 하기의 수학식 1에 의해 연산되는
Figure 112007076283276-pat00035
이 된다.
이는 도 3b에 의해 수학적으로 쉽게 추론할 수 있으므로 이에 대한 상술은 생략하기로 한다.
Figure 112007076283276-pat00036
Figure 112007076283276-pat00037
도 3c는 본 발명에 따른 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지를 수행하기 위한 슈퍼 노드의 계층별 전송 범위의 다른 예를 도시한 것이고 도 3d는 도 3c의 확대도이다.
우선, 도 3c를 참조하면, 슈퍼 노드는 각 계층별 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지를 수행하기 위하여 계층 별로 전송 파워를 증가시킨 비컨 신호를 센서 네트워크에 전송한다.
도 3c에 도시된
Figure 112007076283276-pat00038
은 제 1 계층의 클러스터링 구성을 위해 브로드 캐스팅되는 제 1 비컨 신호의 전송 범위를 의미하고,
Figure 112007076283276-pat00039
는 제 2 계층의 클러스터링 구성을 위해 브로드 캐스팅되는 제 2 비컨 신호의 전송 범위를 의미하고,
Figure 112007076283276-pat00040
는 제 3 계층의 클러스터링 구성을 위해 브로드 캐스팅되는 제 3 비컨 신호의 전송 범위를 의미한다.
이는 클러스터의 외접원 중 슈퍼 노드와 가장 거리가 먼 접점을 기준으로 상기
Figure 112007076283276-pat00041
,
Figure 112007076283276-pat00042
,
Figure 112007076283276-pat00043
Figure 112007076283276-pat00044
에 따라서 슈퍼 노드의 비컨 신호의 전송 파워가 결정되는데 이는 각 클러스터의 반지름을 전송범위의 기준으로 설정하여 클러스터 서클 또는 계층 그룹을 형성한다.
도 3d를 참조하면, 슈퍼 노드에서 해당 계층의 클러스터의 외접원에 이르는 가장 거리가 먼 접점을 기준으로 슈퍼 노드의 비컨 신호의 전송 파워를 결정하는 것을 도시하고 있는데, 특히 제 1 계층에 대한 전송 범위인 외접원에 이르는 가장 거리가 먼 접점은 슈퍼 노드를 기준으로 가상의
Figure 112007076283276-pat00045
축과
Figure 112007076283276-pat00046
축을 가지는 2차원 평면에서,
Figure 112007076283276-pat00047
축과 접하는 클러스터의 외접원까지 이르는 가장 먼 거리
Figure 112007076283276-pat00048
이 각 계층까지의 슈퍼 노드의 비컨 신호의 전송 거리로 결정된다.
즉, 도 3b에서 제 1 계층에 대한 전송 범위는 클러스터
Figure 112007076283276-pat00049
중에서 슈퍼 노드를 기준으로 가상의
Figure 112007076283276-pat00050
축과 접하며 상기 클러스터를 둘러싸는 외접원의 접점까지의 거리
Figure 112007076283276-pat00051
이 제 1 계층에 대한 슈퍼 노드의 비컨 전송 거리가 된다.
이는 실질적으로, 상기 슈퍼 노드로부터 상기 클러스터를 둘러싸는 외접원으로 이르는 거리가 가장 긴 최외곽 접점을 기준으로 하여 비컨 신호의 전송 범위가 결정되는 것일 수 있다.
그리고, 이는 상술한 바와 같이 이상적으로 센서 네트워크를 동일한 정육각형의 클러스터로 분할하였을 경우, 슈퍼 노드가 속한 클러스터의 외접원의 반지름이
Figure 112007076283276-pat00052
일 경우, 제 1 계층에 대한 슈퍼 노드의 비컨 전송 거리는 하기의 수학식 2에 의해 연산되는
Figure 112007076283276-pat00053
이 되며, 제
Figure 112007076283276-pat00054
계층에 대한 슈퍼 노드의 비컨 전송 거리 역 시 하기의 수학식 2에 의해 연산되는
Figure 112007076283276-pat00055
이 된다.
이는 도 3b에 의해 수학적으로 쉽게 추론할 수 있으므로 이에 대한 상술은 생략하기로 한다.
Figure 112007076283276-pat00056
Figure 112007076283276-pat00057
도 4는 본 발명에 따른 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법의 신호 흐름의 일례을 도시한 것이다. 도 4에서는 슈퍼 노드에 의해 센서 네트워크가 복수 개의 클러스터로 분할되고, 각 클러스터에 클러스터 헤드가 선정되었음을 가정하기로 한다.
도 4를 참조하면, 우선 센서 노드들은 센서 네트워크에 광역적으로 설치된 후, 각각 센서 노드 및 클러스터 헤드 자신의 위치 정보 및 잔여 파워량을 연산하고, 자신의 위치 정보 및 잔여 파워량을 저장하고 있는 제 1 계층의 센서 노드 및 클러스터 헤드는 슈퍼 노드의 제 1 비컨 신호
Figure 112007076283276-pat00058
를 수신한다(401, 402).
상기 슈퍼 노드의 제 1 비컨 신호를 수신한 제 1 계층의 센서 노드 및 클러스터 헤드는 자신의 식별자, 위치 정보 및 현재 보유 파워량을 포함하는 노드 정보
Figure 112007076283276-pat00059
를 슈퍼 노드로 전송한다(411,412)
상기 슈퍼 노드는 상기 제 1 계층의 센서 노드 및 클러스터 헤드로부터 전송 된 노드 정보를 수신하고, 상기 제 1 계층의 센서 노드 및 클러스터 헤드에 상기 센서 네트워크에서의 클러스터 단위 정보, 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 논리적 식별 번호 및 상기 센서 노드의 클러스터 헤드의 정보를 포함하는 인증 메시지
Figure 112007076283276-pat00060
를 제 1 계층의 센서 노드 및 클러스터 헤드로 전송한다(420).
그러면, 상기 제 1 계층의 클러스터 내에 속하는 센서 노드는 자신의 노드 정보를 상호 교환하고, 상기 노드 정보를 클러스터 헤드에 전송하여 클러스터 헤드는 센서 노드의 듀티 시간을 결정한다(421).
이와 같은 과정에 따라 제 1 계층의 클러스터링 토폴로지를 형성한 후, 슈퍼 노드는 전송 파워 값을 증가시킨 제 2 비컨 신호
Figure 112007076283276-pat00061
를 제 2 계층의 센서 노드 및 클러스터 헤드에 전송한다(431, 432).
상기 슈퍼 노드의 제 2 비컨 신호를 수신한 제 2 계층의 센서 노드 및 클러스터 헤드는 자신의 식별자, 위치 정보 및 현재 보유 파워량을 포함하는 노드 정보
Figure 112007076283276-pat00062
를 슈퍼 노드로 전송한다(441,442).
상기 슈퍼 노드는 상기 제 2 계층의 센서 노드 및 클러스터 헤드로부터 전송된 노드 정보를 수신하고, 상기 제 2 계층의 센서 노드 및 클러스터 헤드에 상기 센서 네트워크에서의 클러스터 단위 정보, 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 논리적 식별 번호 및 상기 센서 노드의 클러스터 헤드의 정보를 포함하는 인증 메시지
Figure 112007076283276-pat00063
를 제 2 계층의 센서 노드 및 클러스터 헤드로 전송한다(450).
그러면, 상기 제 2 계층의 클러스터 내에 속하는 센서 노드는 자신의 노드 정보를 상호 교환하고, 상기 노드 정보를 클러스터 헤드에 전송하여 클러스터 헤드는 센서 노드의 듀티 시간을 결정한다(451).
이와 같이, 동일한 과정으로 제 n 계층의 클러스터링을 형성하고(461 내지 481), 상기 슈퍼 노드에서 센서 네트워크로 자신의 비컨의 전송 파워를 단계적으로 증가시킨 자신의 브로드 캐스팅 메시지에 따른 센서 노드의 노드 정보가 추가적으로 수신되지 않을 때까지 동일한 과정을 반복하여 각 계층의 클러스터링의 구성을 완료하여 클러스터링 완료 메시지를 상기 센서 네트워크에 브로드 캐스팅할 수 있다(490).
한편, 도 4에서는 클러스터 내의 센서 노드가 슈퍼 노드로부터 인증 메시지
Figure 112007076283276-pat00064
를 수신한 후에 클러스터 내에 속하는 센서 노드가 자신의 노드 정보를 상호 교환하고, 상기 노드 정보를 클러스터 헤드에 전송하여 클러스터 헤드에서 센서 노드의 듀티 시간을 결정하는 것으로 서술하였다.
그러나, 슈퍼 노드로부터의 클러스터링 완료 메시지
Figure 112007076283276-pat00065
를 수신한 후에 클러스터 내에 속하는 센서 노드가 자신의 노드 정보를 상호 교환하고, 상기 노드 정보를 클러스터 헤드에 전송하여 클러스터 헤드에서 센서 노드의 듀티 시간을 결정하는 것으로 시스템을 구성할 수 있으며, 이는 시스템 설계자에 따라 변형 할수도 있고, 선택적으로 구성할 수 있음은 물론이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 센서 네트워크의 계층별 클러스터 구획방법을 도시한 것이다.
실제로 클러스터 형성을 위한 슈퍼 노드의 계층별 비컨 신호의 전송 범위가 결정되었을 경우, 각 계층별 클러스터의 갯수를 정의하는 방법으로 2가지 방법으로 클러스터를 구획 정리할 수 있다.
우선, 첫 번째는 상기 도 5에 도시된 바와 같이 동일한 반지름으로 구성된 정육각형의 클러스터를 배열한다. 이 경우에 도 5에 도시된 바와 같이 각 계층별 비컨 전송 범위를 가변할 경우, 각 계층을 6, 12, 18, 24... 등 6의 배수로 클러스터 계층을 구획하여 구분할 수 있다.
즉, 도 5의 제 1 계층(510)은 동일한 반지름을 가지는 6개의 클러스터로 분할이 되며, 제 1 계층을 복수개의 클러스터로 분할 한 후에 형성되는 제 2 계층(520)은 동일한 반지름을 가지는 12개의 클러스터로 분할이 되고, 제 3 계층(530)은 동일한 반지름을 가지는 18개의 클러스터로 분할이 되며, 제 4 계층(540)은 동일한 반지름을 가지는 24개의 클러스터로 분할이 되게 된다.
상세하게는, 각 계층의 계층 넘버가 N 이면, N 계층에 존재하는 클러스터의 수가 6×N 이 되도록 계층별 클러스터가 분할되게 할 수 있다. 이 경우는 상술한 바와 같이 전체 센서 네트워크를 복수 개의 클러스터로 분할할 때 누락되는 공간이 발생할 경우, 데이터 송수신에 있어서 누락되는 센서 노드가 발생할 가능성이 크므로, 정육각형의 형태를 가지는 클러스터로 전체 센서 네트워크 공간을 분할할 경우에 그 의미가 있다.
두 번째는 센서 네트워크의 전체 면적을 단위 클러스터 1개당 면적으로 나누어 클러스터의 갯수를 지정하는 방법은 비컨 전송 반지름의 값과 계층별 구획수로 나누어 연산한다.
즉, 각 클러스터 층의 면적은 기본 전송 반지름을 기준으로 해당 클러스터 계층의 면적을 구할 수 있으며, 이는 구한 해당 클러스터 계층의 면적을 상기 연산된 클러스터 갯수로 나누어 각 클러스터 면적을 할당하게 된다.
도 6은 본 발명에 적용되는 논리적 식별번호가 부여된 센서 네트워크의 클러스터를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 전술한 바와 같이 복수 개의 클러스터로 분할한 전체 센서 네트워크에 논리적 클러스터 식별번호를 부여하는 방법을 도시하고 있다.
상세하게는, 슈퍼 노드가 위치한 클러스터의 중심을 원점으로 하여
Figure 112007076283276-pat00066
축 및
Figure 112007076283276-pat00067
축으로 이루어진 가상의 2차원 좌표를 구성할 때, 각 계층별 상기 클러스터 중심의
Figure 112007076283276-pat00068
값이 최소의 양의 값을 가지는 클러스터를 우선하여 순차적으로 논리적 식별번호가 부여될 수 있다.
그리고, 상기 논리적 식별번호는
Figure 112007076283276-pat00069
은 클러스터의 계층을 의미하고,
Figure 112007076283276-pat00070
은 해당 계층에 순차적으로 부여된 번호를 의미할 때,
Figure 112007076283276-pat00071
으로 표현될 수 있다.
이와 같이 각 계층별 클러스터에 클러스터 식별번호를 부여하면 도 6에 도시된 것과 같이 각 클러스터는 자신의 클러스터 식별번호가 부여되게 되고, 이는 추후 슈퍼 노드에 의해 각 계층별 클러스터의 클러스터 헤드 또는 센서 노드에 전송 될 수 있다.
도 7a는 본 발명에 따른 인접한 클러스터의 계층간 데이터 전송 방법의 일례을 도시한 것이다.
도 7a를 참조하면, 인접한 클러스터의 계층간 데이터 전송에 있어서 공통적인 사항은 센서 노드 및 클러스터 헤드를 포함하는 노드의 전송 거리 밖으로 센서 노드의 센싱 데이터를 상위 계층으로 전송하기 때문에, 상위 계층으로의 데이터 전송은 데이터 전달을 수행하는 전달 노드에 의해 수행된다.
즉, 도 7a와 같이 전달 노드가 계층 간 클러스터의 경계에 위치한 경우, 인접한 클러스터 계층간 데이터 전송은 상기 클러스터의 경계에 위치한 전달 노드에 의해 수행되게 된다.
도 7b는 본 발명에 따른 인접한 클러스터의 계층간 데이터 전송 방법의 다른 예을 도시한 것이다.
도 7b를 참조하면, 인접한 클러스터의 계층간 데이터 전송에 있어서, 상술한 바와 같이 센서 노드 및 클러스터 헤드를 포함하는 노드의 전송 거리 밖으로 센서 노드의 센싱 데이터를 상위 계층으로 전송하기 때문에, 계층 간의 데이터 전송을 수행하는 전달 노드가 각 클러스터의 내부에 위치한 경우, 각각의 클러스터 내부에 위치한 전달 노드 간에 데이터 전송이 이루어지게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 시스템의 블록도를 도시한 것이다.
이하, 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 시스템에 대한 구성에 있 어서, 전술한 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법과 중복된 상술은 가급적 생략하기로 한다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 시스템은 슈퍼 노드(810), 소정의 센서를 이용하여 센싱 데이터를 검출하는 센서 노드(821 내지 829) 및 상기 센서 노드의 센싱 데이터를 취합하여 슈퍼 노드로 전송하는 클러스터 헤드(830)로 구성될 수 있다.
그리고, 슈퍼 노드(810)는 위치 정보 저장부(811), 클러스터 생성부(812), 전송 파워 설정부(813) 및 제어부(814)를 포함할 수 있으며, 센서 노드(821 내지 829)는 클러스터 생성부(821a 내지 829a)를 포함할 수 있다.
위치 정보 저장부(811)는 슈퍼 노드의 위치 정보를 저장한다. 이는 슈퍼 노드가 클러스터링 토폴로지를 형성할 때 전송하는 브로드 캐스팅 메시지에 포함될 수 있으며, 상기 브로드 캐스팅 메시지를 수신한 센서 노드는 상기 위치 정보를 기반으로 슈퍼 노드의 위치를 파악할 수 있다.
클러스터 생성부(812)는 센서 네트워크를 복수 개의 계층별 클러스터로 분할한다.
상기 센서 네트워크를 복수 개의 계층별 클러스터로 분할하는 과정은, 상기 슈퍼 노드로부터 미리 할당된 클러스터의 단위 면적을 기준으로 상기 센서 네트워크의 전체 면적을 분할하여 복수 개의 클러스터를 생성할 수 있으며, 전술한 바와 같이 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 생성에 있어서 각 계층의 계층 넘버가 N이면 N 계층에 존재하는 클러스터의 수가 6×N이 되도록 클러스터를 분할할 수 있 다.
전송 파워 설정부(813)는 상기 분할된 복수 개의 클러스터를 포함하는 각 계층에 대응되는 비컨 신호를 전송하기 위한 계층별 비컨 전송 파워를 설정한다.
상기 계층별 비컨 전송 파워는 전술한 도 3a 내지 도 3d에 따라 설정되는데, 브로드 캐스팅되는 비컨 신호는 클러스터의 중심점을 기준으로 하여 비컨 신호의 전송 범위가 결정될 수 있고, 슈퍼 노드로부터 상기 클러스터로 이르는 거리가 가장 먼 최외곽 점을 기준으로 하여 비컨 신호의 전송 범위가 결정될 수 있다.
이와 같이 전송된 비컨 신호에 대응되는 센서 노드의 응답 신호를 슈퍼 노드가 수신하면, 수신된 센서 노드의 응답 신호를 기반으로 그 다음 단계의 계층별 클러스터링을 구성할 수 있게 된다.
제어부(814)는 상기 클러스터 생성부(812)에 의해 분할된 클러스터의 센서 노드 및 클러스터 헤드에 상기 전송 파워 설정부(813)에 의해 설정된 비컨 전송 파워에 따라 비컨 신호를 브로드 캐스팅한다.
이는, 슈퍼 노드의 제어부(814)에서 설정된 비컨 전송 파워에 따라 비컨 신호를 송신하고, 상기 송신된 비컨 신호를 수신한 센서 노드(821 내지 829)로부터 센서 노드의 노드 정보를 수신하면, 센서 노드는 센서 노드 자신의 위치 정보를 저장하고 있으므로, 상기 계층의 특정 클러스터에 센서 노드가 존재함을 슈퍼 노드(810)가 인식할 수 있다.
이를 기반으로, 제어부(814)는 센서 노드로부터 송신되는 센서 노드의 노드 정보를 기반으로 계층별 클러스터링을 구성할 수 있게 된다.
상세하게는, 센서 노드(821 내지 829)에서 송신되는 노드 정보는 센서 노드의 고유 식별자, 센서 노드의 위치 정보 및 현재 보유 파워량을 포함할 수 있다.
이와 같이, 제어부(814)가 센서 노드(821 내지 829)로부터 노드 정보를 수신하면, 상기 센서 노드의 상기 센서 네트워크의 클러스터 단위 정보와 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 논리적 식별번호와 센서 노드의 클러스터 헤드의 정보를 포함하는 인증 메시지를 센서 노드(821 내지 829) 및 클러스터 헤드(830)에 전송하여 상기 슈퍼 노드(810)가 센서 노드(821 내지 829)로부터 노드 정보를 수신하였음을 알리게 된다. 여기서 클러스터 단위 정보는 상기 클러스터에 존재하는 해당 노드의 노드 정보, 상기 클러스터의 클러스터 헤드 정보 및 슈퍼 노드의 위치 정보를 포함할 수 있다.
한편, 센서 노드(821 내지 829)의 클러스터 생성부(821a 내지 829a)는 상기 제어부(814)로부터 전송된 슈퍼 노드(810)의 인증 메시지에 따라 상기 센서 노드가 속한 클러스터의 클러스터 헤드(830)를 중심으로 센서 노드 간의 데이터를 송수신하여 계층별 클러스터링을 형성하게 된다.
본 발명은 소프트웨어를 통해 실행될 수 있다. 소프트웨어로 실행될 때, 본 발명의 구성 수단들은 필요한 작업을 실행하는 코드 세그먼트들이다. 프로그램 또는 코드 세그먼트들은 프로세서 판독 가능 매체에 저장되거나 전송 매체 또는 통신망에서 반송파와 결합된 컴퓨터 데이터 신호에 의하여 전송될 수 있다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 테이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기 록 장치의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, DVD±ROM, DVD-RAM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크(hard disk), 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 장치에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 센서 네트워크의 클러스터를 도시한 것이다.
도 3a는 본 발명에 따른 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지를 수행하기 위한 슈퍼 노드의 계층별 전송 범위의 일례를 도시한 것이다.
도 3b는 도 3a의 확대도이다.
도 3c는 본 발명에 따른 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지를 수행하기 위한 슈퍼 노드의 계층별 전송 범위의 다른 예를 도시한 것이다.
도 3d는 도 3c의 확대도이다.
도 4는 본 발명에 따른 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법의 신호 흐름의 일례을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 센서 네트워크의 계층별 클러스터 구획방법을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 적용되는 논리적 식별번호가 부여된 센서 네트워크의 클러스터를 도시한 것이다.
도 7a는 본 발명에 따른 인접한 클러스터의 계층간 데이터 전송 방법의 일례을 도시한 것이다.
도 7b는 본 발명에 따른 인접한 클러스터의 계층간 데이터 전송 방법의 다른 예을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 시스템의 블록도를 도시한 것이다.

Claims (20)

  1. (a) 전송 파워를 가변하여 클러스터들을 단계적으로 구성하는 슈퍼노드가 상기 슈퍼 노드 자신의 위치 정보를 저장하고, 상기 슈퍼 노드가 센서 네트워크의 제 1 계층의 클러스터 구성을 위한 제 1 비컨 신호를 상기 센서 네트워크에 포함된 복수의 센서 노드들로 브로드 캐스팅하는 단계;
    (b) 상기 센서 네트워크에 포함된 복수의 센서 노드들 중 상기 브로드 캐스팅된 제 1 비컨 신호에 응답한 적어도 하나 이상의 제 1 계층의 센서 노드들의 노드 정보를 수신한 상기 슈퍼 노드가 상기 제 1 계층의 센서 노드들이 속한 클러스터들의 클러스터 단위 정보, 상기 제 1 계층의 센서 노드들이 속한 클러스터들의 논리적 식별번호 및 상기 제 1 계층의 센서 노드들의 클러스터 헤드들의 정보를 포함하는 인증 메시지를 상기 제 1 계층의 센서 노드들로 전송하는 단계;
    (c) 상기 인증 메시지를 수신한 상기 제 1 계층의 센서 노드들이 속한 클러스터들의 클러스터 헤드들을 중심으로 상기 제 1 계층의 센서 노드들 간의 데이터를 상호 송수신하여 상기 제 1 계층의 클러스터를 구성하는 단계;
    (d) 상기 제 1 계층의 클러스터를 구성한 슈퍼 노드가 상기 전송 파워 값을 증가시킨 제 2 비컨 신호를 브로드 캐스팅하여 상기 (b) 과정 내지 (c)과정에 따라 제 2 계층의 클러스터를 구성하는 단계;
    (e) 상기 (d) 과정을 반복 수행한 상기 슈퍼 노드가 상기 슈퍼 노드 자신의 전송 파워를 단계적으로 증가시킨 후, 상기 슈퍼 노드의 브로드 캐스팅 메시지에 응답하여 어떠한 센서 노드로부터도 노드 정보가 추가적으로 수신되지 않을 경우 계층별 클러스터 구성을 완료하는 단계를 포함하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 네트워크 내의 클러스터들 각각의 면적은
    상기 슈퍼 노드로부터 미리 할당되며,
    상기 센서 네트워크 내의 클러스터들 각각은 상기 센서 네트워크의 전체 면적을 상기 미리 할당된 클러스터의 면적을 기준으로 분할하여 결정하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 브로드 캐스팅되는 제 1 비컨 신호는
    상기 제 1 계층의 센서 노드들이 속한 클러스터들을 둘러싸는 외접원의 중심점을 기준으로 하여 비컨 신호의 전송 범위가 결정되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서
    상기 브로드 캐스팅되는 제 1 비컨 신호는
    상기 슈퍼 노드로부터 상기 제 1 계층의 센서 노드들이 속한 클러스터들을 둘러싸는 외접원으로 이르는 거리가 가장 긴 최외곽 접점을 기준으로 하여 상기 제 1 비컨 신호의 전송 범위가 결정되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 계층의 센서 노드들의 노드 정보는
    상기 제 1 계층의 센서 노드들의 고유의 식별자, 위치 정보 및 상기 제 1 계층의 센서 노드들 자신의 현재 보유 파워량을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 슈퍼 노드는
    베이스 스테이션 또는 액세스 포인터를 포함하며,
    상기 슈퍼 노드는 전송 파워를 가변하여 단계적으로 전송 파워를 증가시킨 비컨 신호를 전송할 수 있는 노드인 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 계층의 센서 노드들의 위치 정보는 상기 슈퍼 노드를 기준으로
    Figure 112009039509447-pat00090
    축 및
    Figure 112009039509447-pat00091
    축으로 이루어진 가상의 2차원 좌표값으로 이루어지며,
    상기 제 1 계층의 센서 노드들이 속한 클러스터들 중에서 클러스터 중심의
    Figure 112009039509447-pat00092
    값이 최소의 양의 값을 가지는 클러스터를 우선하여 순차적으로 논리적 식별번호가 부여되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 논리적 식별번호는
    Figure 112007076283276-pat00075
    은 클러스터의 계층을 의미하고,
    Figure 112007076283276-pat00076
    은 해당 계층에 순차적으로 부여된 번호를 의미할 때,
    Figure 112007076283276-pat00077
    으로 표현되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 계층의 센서 노드들이 속한 클러스터들의 클러스터 단위 정보는
    상기 제 1 계층의 센서 노드들의 노드 정보, 상기 제 1 계층의 센서 노드들이 속한 클러스터들의 클러스터 헤드 정보 및 상기 슈퍼 노드의 위치 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 계층의 센서 노드들이 속한 클러스터들의 클러스터 헤드들은 상기 슈퍼 노드에 의해 결정되고, 상기 제 1 계층의 센서 노드들이 속한 클러스터들별로 각 클러스터의 중심과 가장 가까운 노드로 선정되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    각 계층의 계층 넘버가 N 이면, N 계층에 존재하는 클러스터들의 수가 6×N 이 되도록 상기 센서 네트워크 공간을 분할하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 계층별 클러스터 구성을 완료하는 단계는,
    소정의 인접한 클러스터들 간의 경계에 계층 간 데이터 전송을 수행하는 전달 노드가 위치하는 경우 상기 전달 노드를 이용하여 계층 간 데이터 전송을 수행하는 단계; 및
    소정의 인접한 클러스터들 중 어느 하나의 클러스터 내부에 상기 전달 노드가 존재하는 경우 상기 전달 노드에 의해 계층 간 데이터 전송이 수행되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 계층별 클러스터 구성을 완료하는 단계는,
    상기 센서 네트워크에 속한 클러스터들 중 특정 클러스터 내에 센서 노드가 신규로 등록되는 경우, 상기 특정 클러스터의 클러스터 헤드가 신규로 등록되는 센서 노드의 노드 정보를 상기 슈퍼 노드로 전송하는 단계; 및
    상기 특정 클러스터의 클러스터 헤드가 상기 특정 클러스터 내의 센서 노드들 및 상기 전달 노드의 데이터 전송에 대한 듀티 시간을 재설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 방법.
  14. 슈퍼 노드, 소정의 센서를 이용하여 센싱 데이터를 검출하는 센서 노드 및 상기 센서 노드의 센싱 데이터를 취합하여 상기 슈퍼 노드로 전송하는 클러스터 헤드를 포함하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 시스템에 있어서,
    상기 슈퍼 노드는
    상기 슈퍼 노드 자신의 위치 정보를 저장하는 위치 정보 저장부;
    상기 센서 네트워크를 복수 개의 계층별 클러스터들로 분할하는 클러스터 생성부;
    상기 복수 개의 클러스터들을 계층별로 구분하기 위하여 계층별 비컨 전송 파워를 설정하는 비컨 전송 파워 설정부; 및
    상기 분할된 클러스터들 각각에 속하는 센서 노드들 및 상기 분할된 클러스터들 각각에 속하는 클러스터 헤드들에 상기 비컨 전송 파워 설정부에 의해 설정된 비컨 전송 파워에 따라 비컨 신호를 브로드 캐스팅하고, 상기 센서 네트워크의 클러스터 단위 정보와 상기 분할된 클러스터들의 논리적 식별번호와 상기 분할된 클러스터들 각각에 속하는 클러스터 헤드들의 정보를 포함하는 인증 메시지를 상기 센서 노드들 및 클러스터 헤드들에 전송하는 제어부를 포함하며,
    상기 센서 노드들은
    상기 슈퍼 노드의 제어부로부터 전송된 인증 메시지에 따라 상기 센서 노드들이 속한 클러스터들의 클러스터 헤드들을 중심으로 상기 센서 노드들 간의 데이터를 송수신하여 계층별 클러스터를 형성하는 클러스터 형성부를 포함하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 클러스터 생성부는
    상기 슈퍼 노드로부터 미리 할당된 클러스터의 단위 면적을 기준으로 상기 센서 네트워크의 전체 면적을 분할하여 복수 개의 클러스터들을 생성하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 브로드 캐스팅되는 비컨 신호는
    상기 분할된 클러스터들의 중심점을 기준으로 하여 비컨 신호의 전송 범위가 결정되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 브로드 캐스팅되는 비컨 신호는
    상기 슈퍼 노드로부터 상기 분할된 클러스터들로 이르는 거리가 가장 먼 최외곽 점을 기준으로 하여 비컨 신호의 전송 범위가 결정되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 시스템.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 센서 노드들의 노드 정보는
    상기 센서 노드들 고유의 식별자, 위치 정보 및 상기 센서 노드들 자신의 현재 보유 파워량을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 시스템.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 클러스터 단위 정보는
    상기 클러스터들에 속하는 센서 노드들의 노드 정보, 상기 클러스터들에 속하는 클러스터 헤드들의 노드 정보 및 상기 슈퍼 노드의 위치 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 시스템.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 클러스터 생성부는
    각 계층의 계층 넘버가 N이면, N 계층에 존재하는 클러스터들의 수가 6×N이 되도록 상기 센서 네트워크 공간을 분할하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 클러스터링 토폴로지 형성 시스템.
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