KR100932922B1 - Clustering-based Location Awareness in Wireless Sensor Networks - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 무선 센서 네트워크에서 클러스터링 기반의 위치 인식 방법은 클러스터 헤드간 상호 위치를 인식하는 단계; 센서 노드가 자신을 관할할 클러스트 헤드를 선택하는 단계; 및 상기 클러스터 헤드가 상기 센서 노드의 위치 정보를 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 1, 2차 위치 인식 과정을 통하여 위치 인식을 위한 최소한의 통신 오버헤드만을 사용하는 구조가 가능하며, 특히 2차 위치 인식 과정은 응용 시나리오에 따라 필요시에만 해당 말단 센서 노드의 위치 추론엔진을 실행하므로 위치 인식에 필요한 네트워크 전체의 소비 전력을 최소화할 수 있다.Clustering-based location recognition method in a wireless sensor network according to the present invention comprises the steps of recognizing the mutual location between the cluster head; Selecting, by the sensor node, a cluster head to govern itself; And acquiring the location information of the sensor node by the cluster head, and using the first and second location recognition processes, a structure using only the minimum communication overhead for location recognition is possible. In particular, the secondary location recognition process executes the location inference engine of the corresponding sensor node only when necessary according to the application scenario, thereby minimizing the power consumption of the entire network required for location recognition.
무선 센서 네트워크, 클러스터, 위치 인식 Wireless Sensor Networks, Clusters, Location Awareness
Description
본 발명은 센서 노드가 밀집된 환경에서, 클러스터링 구조를 이용하여 라우팅과 위치 인식 기법을 수행할 시 각 노드간의 통신 오버헤드를 줄이고 센서 노드의 전력 소모를 최소화할 수 있는 저전력 무선 센서 네트워크를 위한 위치 인식 방법에 관한 것이다.The present invention is a location recognition for a low-power wireless sensor network that can reduce the communication overhead between each node and minimize the power consumption of the sensor node when performing the routing and location-aware technique using a clustering structure in a dense environment of sensor nodes It is about a method.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제번호:2005-S-106-03, 과제명:RFID/USN용 센서 태그 및 센서 노드 기술 개발].The present invention is derived from the research conducted as part of the IT growth engine technology development project of the Ministry of Information and Communication and the Ministry of Information and Communication Research and Development. [Task No.:2005-S-106-03, Task name: Node technology development].
무선 센서 네크워크 (WSN: Wireless sensor networks)란 각종 정보를 센싱하는 센서에 통신 기능을 부여한 센서 노드와 정보를 모아 사용자에게 전달하는 싱크노드로 이루어진 무선 네트워크 시스템을 말한다. 최근에는 홈 네트워크, 텔레매틱스 시스템뿐만 아니라 산업 시설의 제어와 관리, 병원, 군사, 방재, 보안등에 접목시키기 위한 연구가 활발하다. 현재 WSN의 응용 환경이 실내에서 실외 환경으로 범위를 확장시킴으로써 센서노드의 위치와 이동성, 라우팅 기법 그리고 이에 따른 저 전력에 관한 연구가 중요한 이슈로 떠오르고 있다. A wireless sensor network (WSN) refers to a wireless network system consisting of a sensor node that provides a communication function to a sensor that senses various information and a sink node that collects and delivers the information to a user. In recent years, research has been actively conducted to integrate not only home networks and telematics systems, but also control and management of industrial facilities, hospitals, military, disaster prevention, and security. As the application environment of WSN is extended from indoor to outdoor environment, research on sensor node location, mobility, routing technique and low power is becoming an important issue.
일반적으로, 위치 인식 기술은 실내나 음영지역에서도 위치인식이 가능하고 비교적 좁은 영역에서 수십cm 이내의 정밀도를 요구하고 있다. 이러한 기술은 물류자동화, 보안, 산업자동화 및 제어를 위한 무선 센서 네트워크, 건물 자동화, 로봇 공학, 어린이 보호, 전투 중 군인의 위치인식, 진화 중에 고립되거나 실종된 소방관의 구출, 의료 분야등 다양한 분야에서 응용이 가능하다.In general, the position recognition technology can recognize the position even in indoor or shadowed areas and requires precision within several tens of centimeters in a relatively narrow area. These technologies include wireless sensor networks for logistics automation, security, industrial automation and control, building automation, robotics, child protection, soldier location in combat, rescue of firefighters isolated or missing during evolution, and medical care. Application is possible.
종래의 위치인식 기술은 네트워크 안에 있는 레퍼런스 노드(reference node)가 주기적으로 방송을 하면 위치를 알지 못하는 센서 노드들은 이 정보를 바탕으로 거리를 예측하여 자신의 위치를 결정하고 있다. 위치인식 엔진으로 인한 센서 노드간의 통신량과 전력 소모 증가는 피할 수 없다고는 하지만 센서 노드의 숫자가 많아질수록 상기와 같은 자원 소모 증가가 가속화되는 것은 결코 바람직하지 않다.In the conventional position recognition technology, when a reference node in a network broadcasts periodically, sensor nodes that do not know the position determine their own position by estimating the distance based on this information. Although the increase in the amount of communication and power consumption between the sensor nodes due to the location recognition engine is unavoidable, it is never desirable to accelerate the increase in resource consumption as the number of sensor nodes increases.
또한 종래의 무선 센서 네트워크 기반의 위치 인식 기법은 위치 인식 알고리즘의 정밀도를 높이는데 목표를 두고 있다. 센서 노드 간에 동등한 계산 능력을 가지며 위치 인식에 사용하고자 하는 레퍼런스 노드 수만큼 위치를 알고자 하는 모든 센서 노드와 정보 교환이 일어나기 때문에 전력 소모가 상당한데 여기에 반복적인 정보 교환을 하는 것은 정밀도 측면에서는 성능 향상이 있지만 전력이 제한되어 있다는 면에서는 상당히 효율적이지 못하다.In addition, the conventional wireless sensor network-based location recognition technique aims to increase the accuracy of the location recognition algorithm. Power consumption is significant because it has the same computing power between sensor nodes and exchanges information with all sensor nodes that want to know the position as the number of reference nodes to use for location recognition. There are improvements, but they are not very efficient in terms of power limitations.
또 다른 종래 기술인 지리적 코드를 이용한 위치 기반 서비스 제공 시스템은 비위치 센서 노드에 위치 센서 노드와 동일한 GPS와 같은 지리적 코드 GGC를 부여하여 위치 센서 노드 중심의 라우팅을 제시하고 있다. Another prior art location-based service providing system using a geographic code presents a location sensor node-centric routing by assigning a geographic code GGC, such as GPS, to a non-location sensor node.
위치 센서 노드는 자신이 정보를 전달해야할 다음 센서 노드의 위치를 정확히 알고 있기 때문에 기존의 트리(Tree) 구조의 네트워크 구조가 가지는 하나의 라우팅 경로가 차단되면 아래 경로가 모두 마비되는 단점과 메쉬(Mesh) 구조가 가지는 라우팅 경로가 일정한 영역안에서만 맴도는 이른바 루핑(looping) 문제를 보완할 수 있다. Since the location sensor node knows exactly the location of the next sensor node to which information should be conveyed, if one routing path of the existing tree structure is blocked, all the paths below will be paralyzed. It can compensate for the so-called looping problem in which the routing path of the structure only hoveres within a certain area.
그러나 이러한 구조는 비위치 센서 노드의 정확한 위치를 인식하고자 할 때에는 적합하지 못하며 비위치 센서 노드가 항상 플래쉬 메모리에 GGC 코드를 지니고 있어야 한다는 부담과 센서 노드가 이동시 전력 소모가 큰 플래쉬 메모리에 읽고 쓰기를 반복하기 때문에 전력 소모 측면에서도 효율적이지 못하다.However, this structure is not suitable for recognizing the exact location of the non-position sensor node, and the burden of the non-position sensor node should always have GGC code in the flash memory, and the sensor node may not read and write to the flash memory which consumes a lot of power when moving. It is not efficient in terms of power consumption because it is repeated.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 위치 인식 엔진을 포함하는 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network) 환경에서 클러스터 기반의 위치 인식 기법을 활용하여 효율적인 라우팅과 저전력, 통신 과부하를 줄일 수 있는 위치 인식 방법을 제공하는데 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a location-aware method that can reduce the efficient routing, low power, and communication overload by using a cluster-based location recognition method in a wireless sensor network environment including a location recognition engine. It is.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 무선 센서 네트워크에서 클러스터링 기반의 위치 인식 방법은 클러스터 헤드간 상호 위치를 인식하는 단계; 센서 노드가 자신을 관할할 클러스트 헤드를 선택하는 단계; 및 상기 클러스터 헤드가 상기 센서 노드의 위치 정보를 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above technical problem, a clustering-based location recognition method in a wireless sensor network according to the present invention includes: recognizing mutual positions between cluster heads; Selecting, by the sensor node, a cluster head to govern itself; And acquiring position information of the sensor node by the cluster head.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 무선 센서 네트워크에서 클러스터링 기반의 위치 인식 방법은 클러스터 헤드간 상호 위치를 인식하는 단계; 센서 노드가 자신을 관할할 클러스트 헤드를 선택하는 단계; 상기 클러스터 헤드가 상기 센서 노드의 위치 정보를 획득하는 단계; 및 상기 센서 노드가 이동시 통과하는 클러스터의 클러스터 헤드들과의 정보 교환을 통해 핸드오버를 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above technical problem, a clustering-based location recognition method in a wireless sensor network according to the present invention includes: recognizing mutual positions between cluster heads; Selecting, by the sensor node, a cluster head to govern itself; Acquiring position information of the sensor node by the cluster head; And performing a handover by exchanging information with cluster heads of a cluster that the sensor node passes when the sensor node moves.
본 발명에 의한 무선 센서 네트워크에서 클러스터링 기반의 위치 인식 방법 은, 유비쿼터스 무선 센서 네트워크 및 센서 노드 간의 전체 통신량 부하와 전력 소모를 극소화하기 위한 방법으로 클러스터링 기반 위치 인식 기법의 개념 및 구체적인 방법을 제시하고 있다. The clustering-based location recognition method in the wireless sensor network according to the present invention proposes a concept and a detailed method of the clustering-based location recognition method as a method for minimizing the overall traffic load and power consumption between the ubiquitous wireless sensor network and the sensor node. .
본 발명에서 제시하는 1, 2차 위치 인식 과정을 통하여 위치 인식을 위한 최소한의 통신 오버헤드만을 사용하는 구조가 가능하며, 특히 2차 위치 인식 과정은 응용 시나리오에 따라 필요시에만 해당 말단 센서 노드의 위치 추론엔진을 실행하므로 위치 인식에 필요한 네트워크 전체의 소비 전력을 최소화할 수 있다.Through the first and second location recognition process proposed in the present invention, a structure using only the minimum communication overhead for location recognition is possible. In particular, the second location recognition process may be performed only when necessary according to an application scenario. Running a location inference engine minimizes the power consumption of the entire network for location awareness.
또한, 1차 위치 인식과정에서 얻어지는 클러스터 헤드들의 위치 정보를 이용하고 클러스터 내부의 말단 센서 노드들의 라우팅 경로를 해당 클러스터 헤드로 국한함으로써 간단하면서 효율적인 라우팅 알고리즘 구현을 가능케 한다.In addition, by using the position information of the cluster heads obtained in the first position recognition process and by limiting the routing path of the end sensor nodes in the cluster to the cluster head, it is possible to implement a simple and efficient routing algorithm.
그리고 본 발명에서는 클러스터 헤드와 말단 센서 노드의 시스템자원이 불평등하다고 가정한다. 즉, 클러스터 헤드는 말단 센서 노드에 대하여 상대적으로 전력과 메모리, 계산 능력등에 대해 우세한 능력을 갖는다 가정한다. 따라서, 위치 인식 기법 자체가 갖는 계산의 복잡도를 클러스터 헤드에 대부분 전가하므로써, 주어진 시스템 자원에 대해 네트워크의 수명을 극대화하는 효과를 갖는다.In the present invention, it is assumed that system resources of the cluster head and the terminal sensor node are inequality. In other words, it is assumed that the cluster head has superior power, memory, and computing power with respect to the end sensor node. Therefore, most of the computational complexity of the location-aware technique itself is transferred to the cluster head, thereby maximizing the lifetime of the network for a given system resource.
마지막으로, 이동 센서 노드에 대한 간단한 위치인식 과정과 비컨(Beacon) 신호를 이용해 이동 노드가 클러스터간 핸드오버(handover)를 능동적으로 행하도록 함으로써, 이동성에 따른 지역정보 갱신을 효율적으로 할 수 있게 한다.Finally, by using the simple location recognition process and the beacon signal for the mobile sensor node, the mobile node actively performs the handover between clusters, thereby efficiently updating the local information according to the mobility. .
본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명하기에 앞서, 무선 센서 네트워크에서 본 발명의 필요성에 대하여 간략하게 설명하도록 한다. 본 발명은 무선 센서 네트워크에서 다양한 응용을 위해 핵심적인 기술로 떠오르고 있는 위치 인식 엔진의 효율적인 기법을 제시한다. 본 발명에서 제시한 클러스터링 기반 위치 인식 기술은 무선 센서 노드의 통신 부하를 줄임으로써 저전력을 꾀하여 수명을 극대화하고 효율적인 라우팅을 가능하게 하며 노드의 이동성까지 고려하는 방안으로 센서 네트워크를 클러스터링하여 해당 클러스터 헤드에 센서 노드들이 스스로 구성되는 기술로서 그 구조와 동작 기술에 관한 것이다. 여기서 효율적인 라우팅이란 두 가지의 서로 다른 토폴로지(topology)를 갖는 계층형 구조를 이용하여 토폴로지가 가지는 문제점을 극복하고 센서 노드가 이동시에 저전력으로 새로운 라우팅 경로를 설정해 주는 기법을 말한다Before describing an embodiment of the present invention in detail, the necessity of the present invention in a wireless sensor network will be briefly described. The present invention proposes an efficient technique of a location recognition engine that has emerged as a core technology for various applications in a wireless sensor network. The clustering-based location-aware technology proposed in the present invention reduces the communication load of the wireless sensor node to maximize the lifespan, enable efficient routing, and consider the mobility of the nodes by lowering the power of the wireless sensor node. Sensor nodes are themselves self-contained technologies that relate to their structure and operation technology. Efficient routing refers to a technique that overcomes the problems of the topology by using a hierarchical structure with two different topologies and establishes a new routing path with low power when the sensor node moves.
한편 소스 노드로부터 싱크 노드까지 멀티홉으로 정보를 전송하기 위해서는 라우팅(routing)이 필요하다. 무선 센서네트워크에서 노드들의 위치를 알 경우, 이를 이용한 지역 정보를 통해 손쉽게 라우팅 경로를 정할 수 있다. 이러한 지역정보 기반 라우팅 기법은 경로 설정 알고리즘의 복잡도를 낮출 수 있다. 이때, 지역정보는 높은 수준의 위치 정밀도를 필요로 하기보다는 기준 노드로부터 대상이 될 노드의 방향정보만으로도 복잡도를 줄일 수 있다. 본 발명에서 제시하는 위치 인식 기법은 필요에 따라 위치 인식 엔진의 수행 과정을 간략화함으로써 전력 소모를 줄일 수 있고 노드간의 통신량 감소도 이끌어 낼 수 있다. 무선 센서 네트워크에서 센서들의 위치 정보를 얻기 위해 소비되는 네트워크 전력 소모를 최소화할 필요가 있다. 이는 위치 정보를 얻기 위해 필요한 통신 오버헤드의 양을 최소화하는 것과 같 은 맥락이다. Meanwhile, in order to transmit information in a multihop from a source node to a sink node, routing is required. If the location of nodes in a wireless sensor network is known, routing paths can be easily determined through local information using the nodes. This local information based routing technique can reduce the complexity of the routing algorithm. In this case, rather than requiring a high level of location accuracy, the local information may reduce complexity by only direction information of a node to be targeted from the reference node. The location recognition scheme proposed in the present invention can reduce power consumption and lead to a reduction in communication between nodes by simplifying the execution of the location recognition engine as necessary. There is a need to minimize network power consumption to obtain location information of sensors in a wireless sensor network. This is in the same context as minimizing the amount of communication overhead needed to obtain location information.
또한, 획득한 위치 정보를 활용하여 기존의 트리(Tree), 메쉬(Mesh) 네트웍크 구조가 가지는 라우팅에 관한 단점을 극복하고 저전력 저부하 통신을 가능하게 하며 센서 노드가 이동할 시에도 저전력 저부하 통신으로 신규 클러스터에 쉽게 편입되어 신속하게 라우팅 경로를 설정할 수 있는 효율적 라우팅 기법을 제공할 필요성도 있다.In addition, by using the acquired location information, it overcomes the disadvantages of the routing of the existing tree and mesh networks, enables low-power low-load communication, and enables low-power low-load communication even when the sensor node moves. There is also a need to provide efficient routing techniques that can be easily incorporated into new clusters to quickly set up routing paths.
특히, 종래 기술에서는 센서 네트워크내의 모든 노드를 동등한 시스템 자원을 갖는 디바이스(device)로 가정하여 위치 인식 엔진을 가동하기 때문에 통신량 과부화와 전력 소모가 클 뿐만 아니라 위치 인식 오차로 발생되는 효율적이지 못한 라우팅 경로 설정하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 클러스터링 기반의 위치 인식 기법을 제시함으로써 저 전력을 추구하고 통신량 과부화를 줄일 수 있게 된다.In particular, the conventional technology assumes that all nodes in the sensor network are devices with equivalent system resources, so that the location-aware engine is operated, resulting in not only traffic overload and power consumption, but also inefficient routing paths caused by location-aware errors. Will be set. In order to solve this problem, the present invention provides a clustering-based location recognition technique, thereby pursuing low power and reducing traffic overload.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 다만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 용이하게 이해하고 있는 기술적인 사항에 대하여는 설명을 생략한다. 도 1은 클러스터링 기반 저전력 센서 네트워크의 구성을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명에 의한 무선 센서 네트워크에서 클러스터링 기반의 위치 인식 방법의 과정을 보여주는 흐름도이고, 도 3은 1차 위치 인식 과정(클러스터 헤드간의 위치 인식 과정)을 보여주는 흐름도이다. 도 4는 2차 위치 인식 과정 (말단 센서노드의 위치 인식 과정)의 개념을 보여주는 도면이다. 그리고 도 5는 이동 센서 노드의 클러스터 링과의 위치 인식 과정을 보여주는 흐름도이며, 도 6은 이동 세선 노드의 클러스터링과의 위치 인식에 관한 개념을 보여주는 도면이다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, descriptions of technical matters that are easily understood by those skilled in the art will be omitted. 1 is a diagram conceptually illustrating a configuration of a clustering-based low power sensor network. 2 is a flowchart illustrating a clustering-based location recognition method in the wireless sensor network according to the present invention, and FIG. 3 is a flowchart illustrating a first location recognition process (a location recognition process between cluster heads). 4 is a view showing the concept of a secondary position recognition process (position recognition process of the terminal sensor node). 5 is a flowchart illustrating a position recognition process with a clustering of a mobile sensor node, and FIG. 6 is a diagram illustrating a concept of position recognition with a clustering of a mobile thin wire node.
도 1은 본 발명이 제시한 클러스터링 기반 무선 센서 노드의 위치 인식 구조 및 방법을 응용하기 위한 유비쿼터스 센서 네트워크에 대한 구성 예를 보인 것으로, 클러스터 헤드들의 위치 정보를 알고 있고, 클러스터 헤드들에 의해 수집된 정보를 외부 네트워크와 연결해주는 게이트웨이(101)와 센서 노드들의 위치를 결정하거나 센서 노드들로부터 수집된 정보를 게이트웨이에 릴레이 해주는 클러스터 헤드(103), 위치 인식 엔진을 휴면 상태로 하여 수집한 정보를 전달하거나 필요시 위치 인식 엔진 동작 상태에 있는 다수의 센서 노드(105)로 구성된다. 또한, 도 1에서 보여지는 바와 같이 클러스터와 클러스터의 연결은 각 헤드를 통하여 메쉬(Mesh) 구조로 연결되어 있고, 클러스터 헤드와 클러스터 내의 말단 센서 노드간은 성상(Star)구조의 토폴로지를 이루고 있다.1 shows an example of a configuration of a ubiquitous sensor network for applying a location recognition structure and method of a clustering-based wireless sensor node according to the present invention. The cluster head knows the location information of cluster heads and is collected by cluster heads. The gateway 101 connects the information to the external network and the cluster head 103 which determines the location of the sensor nodes or relays the information collected from the sensor nodes to the gateway, and transmits the collected information with the position recognition engine in the dormant state. Or, if necessary, a plurality of sensor nodes 105 in a position aware engine operating state. In addition, as shown in FIG. 1, the cluster is connected to the cluster in a mesh structure through each head, and the cluster head and the terminal sensor nodes in the cluster form a star structure topology.
말단 노드(105)로부터 수집된 자료는 클러스터 헤드(103)로 전송되며 클러스터 헤드들은 라우팅을 통해 멀티홉(multi-hop)으로 이 정보를 게이트웨이(101)에 전송하거나 게이트웨이(101)로부터 정보를 수신함으로써 센서 노드(105)들을 관리하고, 게이트웨이(101)는 외부 네트워크와 연결되어 정보를 송수신하면서 클러스터 헤드(103)와 센서 노드(105) 그리고 이들로부터 수집한 자료들을 관리하게 된다. The data collected from the end node 105 is sent to the cluster head 103, which sends the information to the gateway 101 or receives information from the gateway 101 in a multi-hop via routing. By doing so, the sensor node 105 is managed, and the gateway 101 manages the cluster head 103 and the sensor node 105 and the data collected therefrom while connecting and transmitting information to and from an external network.
도 2는 본 발명의 전체 흐름을 나타낸다. 본 발명에 의한 위치 인식 방법은 크게 클러스터 헤드들간의 위치인식 정보를 추정하는 1차 위치 인식 과정 (S201단계)와 말단 센서 노드들이 클러스터를 이루기 위하여 클러스터 헤드를 선택하여 가 입하게 되는 가입(Association)과정(S203 내지 S20단계), 그리고 말단 센서 노드들의 위치 정보를 얻게 되는 2차 위치 인식 과정(S209단계)으로 나누어진다. 2 shows the overall flow of the present invention. The position recognition method according to the present invention is largely a first position recognition process (step S201) for estimating position recognition information between cluster heads and an association in which end sensor nodes select and join a cluster head to form a cluster. Process (steps S203 to S20), and a second position recognition process (step S209) to obtain position information of the terminal sensor nodes.
1차 위치 인식 과정에 대한 흐름은 도 3에 보다 상세하게 도시하였다. 센싱 정보의 멀티홉 중계를 위하여 네트워크내에 복수 개의 클러스터 헤드가 존재하며, 이 중 전부 혹은 일부는 자신의 위치를 알고 있다고 가정한다. 나머지 자신의 위치를 알지 못하는 클러스터 헤드들은 자신의 위치를 결정하기 위하여 주변 클러스터 헤드(참조 클러스터 헤드)로부터 RF 신호를 수신하여 자신의 상대적 위치를 결정하는데, 이 때 위치 인식 엔진을 동작시킬 수도 있다((S301 내지 S305단계). 자신의 위치정보를 결정한 클러스터 헤드는 자신이 인접해 있는 클러스터 헤드, 게이트웨이, 센서노드에 자신의 지역 정보를 전달한다(S307단계). 이때의 위치 정보는 멀티홉 중계방식의 무선 센서 네트워크에서 위치기반 라우팅을 사용하기 위해 지리적 정보로 활용될 수 있다. The flow for the first location recognition process is shown in more detail in FIG. 3. It is assumed that a plurality of cluster heads exist in a network for multi-hop relaying of sensing information, and all or some of them know their location. The remaining cluster heads that do not know their position receive an RF signal from the neighboring cluster head (reference cluster head) to determine their position, and determine their relative position. (Step S301 to step S305) The cluster head having determined its own location information transmits its own local information to the adjacent cluster head, gateway, and sensor node (step S307). It can be used as geographic information to use location-based routing in wireless sensor networks.
이와 같이 1차 위치 인식 과정을 통하여 클러스터 헤드들의 위치 정보가 추정된 후, 클러스터를 형성하기 위하여 클러스터 헤드들은 Beacon 신호와 같은 제어신호를 방송(Broadcast)한다. 말단 노드들은 이 제어 신호들을 청취한 후 신호대잡음비(S/N비)가 제일 큰 클러스터 헤드를 선택하여 해당 클러스터의 멤버가 된다(S203 내지 S203단계). 그리고 이미 센서 노드의 위치를 인식할 필요가 있는지 혹은 라우팅만하면 되는지 판단(S207단계)하여, 말단 노드 즉 센서 노드의 위치를 인식할 필요가 있으면 도 4와 같은 2차 위치 인식 과정으로 넘어가게 된다.As such, after the position information of the cluster heads is estimated through the primary position recognition process, the cluster heads broadcast a control signal such as a beacon signal to form a cluster. After listening to these control signals, the end nodes select the cluster head having the largest signal-to-noise ratio (S / N ratio) and become a member of the cluster (steps S203 to S203). If it is necessary to recognize the location of the sensor node or only routing (step S207), and if it is necessary to recognize the position of the end node, that is, the sensor node, the process proceeds to the second location recognition process as shown in FIG.
도 4는 2차 위치 인식 과정을 나타낸다. 말단 센서 노드(401)는 자신의 위치 를 결정하기 위해 인접한 세 개의 클러스터 헤드(402,403,404)로부터 RF 신호를 수신하여 위치 기반(Ranging-based) 위치 인식 알고리즘이나 비위치 기반(Ranging free) 위치 인식 알고리즘을 이용 위치를 추정한다. 위치에 대한 추정이 끝난 후, 클러스터내의 말단 센서 노드들은 자신이 속해 있는 클러스터의 헤드(404)에 자신의 위치정보를 전송한다. 2차 위치 인식 과정은 클러스터내의 말단 센서 노드의 위치정보를 얻기 위한 과정으로 통신 프레임을 전송하거나 위치인식 정보를 갱신해야 할 때 매번 반복될 필요는 없다. 말단 노드의 위치는 필요치 않을 경우, 해당 클러스터 헤드의 지역 정보로 대치될 수 있다. 다시 말해, 말단 센서 노드의 위치 정보는 해당 노드의 위치가 필요시되는 어플리케이션 수준의 요청등이 있을 때(S207단계 참조) 행해지며, 이외의 경우는 2차 인식 과정을 행하지 않는다. 이는 위치 인식을 위해 모든 노드의 전력을 소비하거나 통신 오버헤드를 증가하지 않아, 센서 네트워크 수명을 연장할 수 있다. 4 shows a secondary position recognition process. The
도 5는 센서 노드가 이동을 하면서 정보를 수집 전달할 경우에 대한 위치 인식 과정을 보여주는 흐름도이다. 이동 센서 노드는 현재 자신이 속한 클러스터와 이동으로 말미암아 핸드오버 되어야할 새로운 클러스터에 대해 접속을 시도해야 한다. 이를 위해, 이동 노드는 비컨 신호를 발생(S501단계)하여 인접 클러스터 헤드에 응답 신호를 요청하며(S503단계), 이를 이용하여 자신이 속할 클러스터를 결정한다(S505단계). 이동 노드는 클러스터 헤드에 주기적으로 비컨 신호를 보내 자신이 속할 새로운 클러스터 헤드들에게서 응답 신호를 요청하는 한편, 그 동안에는 자신이 속한 클러스터 헤드의 명령에 따라 라우팅 경로를 설정(S507단계)하거나 위 치 인식(S509단계), 정보 수집등 다양한 명령을 받게 된다. 5 is a flowchart illustrating a location recognition process for a case where a sensor node collects and transmits information while moving. The mobile sensor node must attempt to connect to the cluster to which it currently belongs and the new cluster to be handed over because of the move. To this end, the mobile node generates a beacon signal (step S501) and requests a response signal from an adjacent cluster head (step S503), and uses this to determine the cluster to which it belongs (step S505). The mobile node periodically sends a beacon signal to the cluster head to request a response signal from the new cluster heads to which it belongs, while the routing node establishes a routing path (step S507) or recognizes the position according to the command of the cluster head to which it belongs. In step S509, information is collected and received.
도 6은 도 5의 작업 흐름도와 같이 센서 노드(601)가 이동하면서 클러스터 헤드와 위치 정보를 교환하는 한 예를 도식화한 것이다. 센서 노드(601)의 이동 경로는 직선과 같고 이 경로를 지나면서 602부터 604까지 총 세 개의 클러스터 헤드 영역을 통과하게 된다. 센서 노드(601)는 주기적으로 신호를 보내 위치 인식에 필요한 정보를 클러스터 헤드들(602 내지 604)에게 요청하기 때문에 한 영역에서 다른 영역으로 센서 노드(601)가 넘어가는 시점에서 이미 다른 영역으로 넘어온 뒤에 신호를 보내는 일이 발생할 수도 있다. 이러면 센서 노드(601)는 전 영역을 라우팅 경로로 유지하고 있고 명령 또한 받지 못하게 된다. 이럴 경우 이전 영역의 클러스터 헤드는 명령에도 답이 없을 경우, 인접 클러스터 헤드에 명령을 전달하여 그 클러스터 헤드에 의해 명령이 전달되도록 한다.6 is a diagram illustrating an example of exchanging position information with a cluster head while the
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 케리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분 야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.The invention can also be embodied as computer readable code on a computer readable recording medium. Computer-readable recording media include all kinds of recording devices that store data that can be read by a computer system. Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disks, optical data storage devices, and the like, which are also implemented in the form of carrier waves (for example, transmission over the Internet). Include. The computer readable recording medium can also be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion. In addition, functional programs, codes, and code segments for implementing the present invention can be easily inferred by programmers in the technical field to which the present invention belongs.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다. Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.
도 1은 클러스터링 기반 저전력 센서 네트워크의 구성을 개념적으로 도시한 도면이다.1 is a diagram conceptually illustrating a configuration of a clustering-based low power sensor network.
도 2는 본 발명에 의한 무선 센서 네트워크에서 클러스터링 기반의 위치 인식 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a process of a clustering-based location recognition method in a wireless sensor network according to the present invention.
도 3은 1차 위치 인식 과정(클러스터 헤드간의 위치 인식 과정)을 보여주는 흐름도이다.3 is a flowchart showing a primary position recognition process (position recognition process between cluster heads).
도 4는 2차 위치 인식 과정 (말단 센서노드의 위치 인식 과정)의 개념을 보여주는 도면이다.4 is a view showing the concept of a secondary position recognition process (position recognition process of the terminal sensor node).
도 5는 이동 센서 노드의 클러스터링과의 위치 인식 과정을 보여주는 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a location recognition process with clustering of a mobile sensor node.
도 6은 이동 세선 노드의 클러스터링과의 위치 인식에 관한 개념을 보여주는 도면이다.6 is a diagram illustrating a concept of position recognition with a clustering of a mobile thin line node.
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