KR100940006B1 - 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치 및 방법이 개시된다. 수신부는 무선 네트워크상의 고정된 위치에 존재하는 복수의 비콘 노드로부터 각각의 비콘 노드 사이의 거리와 홉 수에 의해 계산되는 홉의 평균 크기, 그리고 각각의 비콘 노드의 위치 정보와 비콘 노드의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 수신한다. 기준 노드 설정부는 비콘 노드들 중에서 홉 수 및 홉의 평균 크기가 최소인 비콘 노드를 기준 노드로 설정한다. 위치 추정부는 기준 노드의 위치 정보, 홉의 평균 크기 및 기준 노드까지의 홉 수를 이용하여 다각적 위치 추정을 수행한다. 본 발명에 따르면, 동일한 비콘 노드 기준으로 하는 일반 노드들로 이루어진 영역 내에 포함된 노드끼리 정보를 전송하도록 함으로써, 노드의 수가 증가하여도 전송 패킷의 수가 급격히 증가하는 것을 막을 수 있다. 또한 기준 노드를 설정하는 데 있어서 노드 간의 홉 수와 홉의 평균 크기만으로 영역을 구분함으로써, 복잡한 계산 과정을 줄이고 시스템을 간소화할 수 있다.
비콘, 센서 네트워크, 노드, 위치 추정, 애드 혹 네트워크

Description

무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치 및 방법{Apparatus and method for node localization in wireless networks}
본 발명은 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 무선 센서 네트워크에서 위치 정보를 가지고 있는 비콘 노드를 이용하여 노드의 현재 위치를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크는 원하는 지역을 모니터링하기 위해 사용되는 복수의 노드를 포함하는 네트워크로서, 센서 노드들끼리 무선으로 통신이 가능하도록 애드혹(ad hoc) 네트워크로 구성된다. 애드혹 네트워크는 노드(node)들에 의해 자율적으로 구성되어 기반 구조가 없는 네트워크이며, 네트워크의 구성 및 유지를 위해 기지국이나 액세스 포인트와 같은 기반 네트워크 장치를 필요로 하지 않는다. 애드혹 노드들은 무선 인터페이스를 사용하여 서로 통신하고 멀티 홉 라우팅 기능에 의해 무선 인터페이스가 가지는 통신 거리상의 제약을 극복하며, 노드들의 이동이 자유롭기 때문에 네트워크 토폴로지가 동적으로 변화되는 특징이 있다.
이러한 무선 센서 네트워크 분야에서는 노드들의 위치 추정이 중요하며, 각 노드들이 인접한 노드들과의 통신에 따라 위치 추정을 하는 분산형 위치 추정 방법 이 애드혹 네트워크에 적합한 위치 추정 기술이다.
분산형 위치 추정 방법 중 range-based 방법은 TOA(time of arrival), TDOA(time difference of arrival), AOA(angle of arrival) 또는 RSSI(recieved signal strength indicator) 등의 metric을 사용하여 노드의 위치를 추정하는 방법이다. 이러한 방법들을 사용할 경우에는 시간이나 각도의 추정을 위해 별도의 하드웨어를 구현해야 하므로 위치 정보의 정확성에 비해 비용이 많이 든다는 단점이 있다.
Range-free 위치 추정 방법은 각 노드에서 수신된 정보를 이용하여 위치를 추정하는 분산형 위치 추정 방법이다. 이러한 방법에는 centroid 위치 추정 방법, DV-hop 위치 추정 방법 및 amorphous 위치 추정 방법 등이 있다. DV-hop 위치 추정 방법은 위치 정보를 가지는 비콘 노드가 위치 정보와 평균 홉 크기를 인접한 노드에 전송하고, 이를 이용하여 각 노드에서 비콘 노드까지의 거리를 계산하여 삼각측량(triangulation)에 의해 각 노드의 위치를 추정하는 방법이다.
DV-hop 위치 추정 방법을 사용하는 경우, 위치 정보를 알 수 있는 비콘 노드의 수가 많아질수록 정확하게 노드의 위치를 추정할 수 있으나, 노드의 수가 증가함에 따라 전송 패킷의 수가 크게 증가하게 된다. 따라서 전송될 패킷의 수를 줄이기 위해 비콘 노드의 정보가 전달되는 영역을 보로노이 다이어그램(voronoi diagram)에 의해 제한하는 방법이 제안되었다. 보로노이 다이어그램은 평면 상에서 다른 모든 점보다 주어진 점에 가까운 지역을 표현하는 방법이다. 이 방법은 비콘 노드를 몇 개의 레벨로 나누어 같은 레벨에 속하는 비콘 노드로부터만 위치 정보를 수신하고, 비콘 노드를 중심으로 작성된 보로노이 다이어그램의 동일한 영역에 속하는 노드로만 정보를 전송하여 플러딩(flooding)을 줄일 수 있다.
그러나 이와 같은 보로노이 다이어그램을 작성하는 과정에서 영역을 나누기 위해 복잡한 계산이 필요하므로 시스템을 간단히 하기 위한 위치 추정 방법의 필요성이 제기되었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복잡한 계산 과정과 전송 패킷의 수를 줄여 시스템의 부하를 감소시킬 수 있는 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 복잡한 계산 과정과 전송 패킷의 수를 줄여 시스템의 부하를 감소시킬 수 있는 무선 네트워크의 노드 위치 추정 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치는, 무선 네트워크상의 고정된 위치에 존재하는 복수의 비콘 노드로부터 각각의 비콘 노드 사이의 거리와 홉 수에 의해 계산되는 홉의 평균 크기, 그리고 상기 각각의 비콘 노드의 위치 정보와 상기 비콘 노드의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 수신하는 수신부; 상기 비콘 노드들 중에서 홉 수 및 홉의 평균 크기가 최소인 비콘 노드를 기준 노드로 설정하는 기준 노드 설정부; 및 상기 기준 노드의 위치 정보, 홉의 평균 크기 및 상기 기준 노드까지의 홉 수를 이용하여 다각적 위치 추정을 수행하는 위치 추정부;를 구비한다.
상기의 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 방법은, (a) 무선 네트워크상의 고정된 위치에 존재하는 복수 의 비콘 노드로부터 각각의 비콘 노드 사이의 거리와 홉 수에 의해 계산되는 홉의 평균 크기, 그리고 상기 각각의 비콘 노드의 위치 정보와 상기 비콘 노드의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 수신하는 단계; (b) 상기 비콘 노드들 중에서 홉 수 및 홉의 평균 크기가 최소인 비콘 노드를 기준 노드로 설정하는 단계; 및 (c) 상기 기준 노드의 위치 정보, 홉의 평균 크기 및 상기 기준 노드까지의 홉 수를 이용하여 다각적 위치 추정을 수행하는 단계;를 갖는다.
본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치 및 방법에 의하면, 동일한 비콘 노드 기준으로 하는 일반 노드들로 이루어진 영역 내에 포함된 노드끼리 정보를 전송하도록 함으로써, 노드의 수가 증가하여도 전송 패킷의 수가 급격히 증가하는 것을 막을 수 있다. 또한 기준 노드를 설정하는 데 있어서 노드 간의 홉 수와 홉의 평균 크기만으로 영역을 구분함으로써, 복잡한 계산 과정을 줄이고 시스템을 간소화할 수 있다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서, 동일한 구성요소들에 있어서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 동일한 번호를 가지도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치에 대한 바람직한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치는, 수신부(110), 저장부(120), 기준 노드 설정부(130), 위치 추정부(140) 및 전송부(150)를 구비한다.
수신부(110)는 무선 네트워크상의 고정된 위치에 존재하는 복수의 비콘 노드 간의 거리와 홉 수에 의해 계산되는 홉의 평균 크기, 비콘 노드의 위치 정보 및 비콘 노드의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 수신한다. 수신부(110)를 통해 수신된 각각의 정보들은 저장부(120)에 저장된다. 다만, 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치는 저장부(120)를 구비하지 않고 수신된 홉의 평균 크기, 위치 정보 및 홉 수를 수신부(110)에 저장할 수 있다.
무선 센서 네트워크를 구성하는 노드들은 무작위로 배치되며, 위치가 고정되어 있는 비콘 노드와 위치가 고정되어 있지 않아 매번 위치 정보를 파악해야 하는 일반 노드로 구분된다. 비콘 노드는 다른 비콘 노드들로부터 위치 정보를 수신하고, 자신의 위치 정보 및 다른 비콘 노드와의 관계에서 계산된 홉의 평균 크기를 브로드캐스팅한다. 이러한 비콘 노드는 트리구조로 계열화된 복수 레벨의 비콘 노드로 구성되며, 각각의 비콘 노드의 레벨정보는 사전에 설정되는 것이 바람직하다. 일반 노드는 비콘 노드로부터 위치 정보 및 홉의 평균 크기를 수신하며, 비콘 노드 또는 다른 일반 노드로부터 수신된 홉 수를 증가시켜(예를 들면, 홉수에 1을 가산) 브로드캐스팅하거나 인접한 노드로 전송한다. 이러한 일반 노드의 위치는 비콘 노드의 위치 정보를 이용하여 추정할 수 있으며, 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치는 무선 네트워크상의 일반 노드에 장착되어 위치를 추정하는 모 듈의 형태로 구현될 수 있다.
각각의 비콘 노드에서는 다른 비콘 노드들로부터 수신한 위치 정보 및 다른 비콘 노드까지의 홉 수를 이용하여 다음의 수학식에 의해 홉의 평균 크기를 계산한다.
Figure 112008043239890-pat00001
여기서, ci는 복수의 비콘 노드 중 i번째 비콘 노드에서 계산되는 홉의 평균 크기, hi는 i번째 비콘 노드로부터 나머지 비콘 노드까지의 홉 수, Xi 및 Yi는 각각 i번째 비콘 노드의 x좌표 및 y좌표, 그리고 Xj 및 Yj는 각각 i번째 비콘 노드를 제외한 비콘 노드의 x좌표 및 y좌표이다.
이때 모든 비콘 노드들과의 관계에서 홉의 평균 크기를 계산하게 되면 비콘 노드의 수가 증가할수록 계산 과정이 복잡해진다. 따라서 비콘 노드를 여러 개의 레벨로 나누어 같은 레벨에 속하는 비콘 노드들과의 관계에서만 홉 수를 계산하여 홉의 평균 크기를 구하는 과정을 반복적으로 수행할 수 있다.
예를 들면, 복수의 비콘 노드 중 첫 번째 레벨에 속하는 비콘 노드를 네 개만 지정하여 홉의 평균 크기를 계산한 다음, 두 번째 레벨에 속하도록 지정된 네 개의 비콘 노드에 대해 홉의 평균 크기를 계산한다. 이러한 과정을 반복함으로써 홉의 평균 크기를 계산하기 위해 전송되는 패킷의 수를 감소시켜 시스템의 부하를 줄일 수 있다. 이러한 경우 두 번째 레벨의 비콘 노드에서 홉의 평균 크기가 계산될 때에는 첫 번째 레벨의 비콘 노드들로부터 위치 정보를 수신한다. 비콘 노드들이 세 개 이상의 레벨로 구분되는 경우에도 마찬가지로 하위 레벨의 비콘 노드에서 홉의 평균 크기가 계산될 때 상위 레벨의 비콘 노드로부터 위치 정보를 수신하게 된다.
도 2는 무선 센서 네트워크상에 무작위로 배치된 비콘 노드 및 일반 노드들의 예를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 무선 센서 네트워크상에는 비콘 노드들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)과 위치 정보를 추정하고자 하는 일반 노드들이 배치되어 있으며, 비콘 노드들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)은 첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)와 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280)로 구분된다.
현재 위치를 추정하고자 하는 일반 노드(290, 이하 '위치 추정 노드')의 수신부(110)는 첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)로부터 홉의 평균 크기 및 위치 정보를 수신한다. 수신된 홉의 평균 크기는 기준 노드 설정부(130)에 의해 첫 번째 레벨의 비콘 노드들(210, 220, 230, 240) 중에서 기준 노드를 설정할 때 이용된다. 또한 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280)에서 구해진 홉의 평균 크기는 첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)가 모두 기준 노드로 설정된 후 수신부(110)에 의해 선택적으로 수신되고, 기준 노드 설정부(130)에 의해 두 번째 레벨의 비콘 노드들(250, 260, 270, 280) 중에서 추가적인 기준 노드가 설정된다. 또한 수신부(110)는 인접한 일반 노드로부터 해당 일반 노드가 수신한 비콘 노드(210, 220, 230, 240)의 위치 정보 및 각각의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 수신한다.
위치 추정 노드(290)에서 비콘 노드(210, 220, 230, 240)까지의 홉 수는 위치 추정 노드(290)로부터 비콘 노드(210, 220, 230, 240)까지의 경로 상에 위치하는 다른 일반 노드의 수를 의미한다. 홉 수를 계산하기 위해 위치 추정 노드(290)는 비콘 노드(210, 220, 230, 240)로부터 위치 정보를 전송받거나 다른 일반 노드로부터 각각의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 수신하고, 수신된 홉 수 중에서 최소인 홉 수를 수신부(110) 또는 저장부(120)에 저장한다. 이때 하위 레벨의 비콘 노드들(250, 260, 270, 280)은 홉 수의 수신 및 전송에서 제외된다.
전송부(150)는 저장부(120)에 저장되어 있거나 수신부(110)에 의해 수신된 각각의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 증가시켜 해당 비콘 노드(210)의 위치 정보와 함께 브로드캐스팅하거나 인접한 노드에 전송한다. 이러한 전송 과정이 반복되면 모든 일반 노드에서 각각의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)까지의 홉 수를 파악할 수 있다. 이때 비콘 노드(210, 220, 230, 240)까지의 홉 수는 최소값으로 유지되어야 한다. 도 3에는 하나의 비콘 노드(210)를 중심으로 주변에 위치한 위치 추정 노드(290)를 포함하는 일반 노드들까지의 홉 수가 도시되어 있다.
기준 노드 설정부(130)는 비콘 노드들(210, 220, 230, 240) 중에서 홉 수 및 홉의 평균 크기가 최소인 비콘 노드(210, 220, 230, 240)를 기준 노드로 설정한다. 이하에서는 첫 번째 레벨의 비콘 노드(210)를 중심으로 기준 노드를 설정하는 과정을 설명한다.
수신부(110)에 의해 위치 추정 노드(290)로부터 비콘 노드(210, 220, 230, 240)까지의 홉 수가 파악되면 기준 노드 설정부(130)는 최소인 홉 수에 해당하는 비콘 노드(210, 220, 230, 240)를 기준 노드로 설정한다. 도 2를 참조하면, 최소인 홉 수에 해당하는 비콘 노드(210, 220)가 두 개가 되므로 각각의 비콘 노드(210, 220)에서 계산된 홉의 평균 크기를 비교하여 그 크기가 최소인 비콘 노드(210)가 위치 추정 노드(290)의 기준 노드로 설정된다.
이와 같은 방법으로 무선 네트워크상의 모든 일반 노드에 대해 첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)가 기준 노드로 설정되면 결과적으로 무선 네트워크에 위치 추정 노드(290)의 기준 노드(210)를 공통으로 가지는 일반 노드들로 이루어진 영역이 형성된다. 즉, 무선 네트워크는 각각의 기준 노드를 중심으로 하는 복수 개의 영역으로 구분될 수 있고, 각 영역에는 한 개의 기준 노드만이 위치한다. 이는 다음의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112008043239890-pat00002
여기서, ui는 위치 추정 노드(290), Sbj는 위치 추정 노드(290)와 기준 노드(210)를 공통으로 가지는 일반 노드들로 이루어진 영역, HCbj는 위치 추정 노드(290) ui에서 기준 노드(210) bj까지의 홉 수 ,그리고 HCbk는 위치 추정 노드(290) ui에서 기준 노드(210)를 제외한 다른 비콘 노드(220, 230, 240) bk까지의 홉 수이다.
도 4는 위치 추정 노드(290)의 기준 노드(210)를 중심으로 동일한 기준 노드(210)를 가지는 일반 노드들로 이루어지는 영역을 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 각각의 영역은 첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)를 기준 노드로 반드시 한 개씩 포함하고 있으며, 이와 같이 동일한 비콘 노드(210, 220, 230, 240)를 기준 노드로 하는 일반 노드들로 이루어진 영역은 이후의 과정에서 위치 정보 및 홉의 평균 크기 등의 전송을 제한하는 기준으로 작용한다.
첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)가 기준 노드 설정부(130)에 의해 모두 기준 노드로 설정되면, 수신부(110)는 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280)로부터 홉의 평균 크기 및 위치 정보를 전송받아 저장부(120)에 저장하거나 직접 저장한다.
두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280)에서 홉의 평균 크기를 계산할 때에도 수학식 1을 사용할 수 있다. 다만, 수학식 1에서 i번째 비콘 노드는 홉의 평균 크기를 계산하고자 하는 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280)이고, 나머지 비콘 노드들은 첫 번째 레벨의 비콘 노드들(210, 220, 230, 240)을 의미한다. 즉, 각각의 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280)는 첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)로부터 위치 정보를 전송받아 홉의 평균 크기를 계산한다.
수신부(110)가 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280)로부터 홉의 평균 크기를 전송받을 때에는 무선 네트워크상에 위치하는 모든 비콘 노드(250, 260, 270, 280)로부터 전송받는 것이 아니고 위치 추정 노드(290)의 기준 노드(210)에 대하여 하위 레벨에 속하는 비콘 노드들(250, 260)로부터만 전송받는다. 따라서 첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)에 속하는 하위 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280)가 없는 경우에는 수신부(110)는 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280)로부터 홉의 평균 크기 및 위치 정보를 전송받을 수 없으며 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280) 중에서 기준 노드를 설정할 필요도 없어지게 된다.
도 5는 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280)로부터 홉의 평균 크기 및 위치 정보를 수신하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 위치 추정 노드(290)의 수신부(110)는 기준 노드(210)의 하위 레벨에 속하는 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260)로부터 홉의 평균 크기, 비콘 노드(250, 260)의 위치 정보 및 비콘 노드(250, 260)의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 수신하고, 전송부(150)는 비콘 노드(250, 260)의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 증가시켜 비콘 노드(250, 260)의 위치 정보와 함께 전송한다.
이러한 과정에 의해 위치 추정 노드(290)와 동일한 기준 노드(210)를 가지는 일반 노드들은 기준 노드(210)의 하위 레벨에 속하는 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260)의 위치 정보, 비콘 노드(250, 260)에서 계산된 홉의 평균 크기 및 비콘 노드(250, 260)까지의 홉 수를 얻을 수 있다.
다음으로 기준 노드 설정부(130)는 두 번째 레벨의 비콘 노드들(250, 260) 중에서 홉 수 및 홉의 평균 크기가 최소인 비콘 노드(250, 260)를 추가적인 기준 노드(260)로 설정한다. 이때 위치 추정 노드(290)의 기준 노드(210)까지의 홉 수가 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260)까지의 홉 수보다 적은 경우에는 추가적으로 기준 노드를 설정하지 않는다. 즉, 기준 노드 설정부(130)는 이전에 설정된 기준 노드(210)까지의 홉 수보다 하위 레벨에 속하는 비콘 노드(250, 260)까지의 홉 수가 더 적은 경우에만 추가적인 기준 노드를 설정한다.
무선 네트워크상의 모든 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280)가 추가적인 기준 노드로 설정된 경우에는 첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)의 경우와 마찬가지로 수학식 2에 따라 추가적인 기준 노드가 동일한 일반 노드들로 이루어진 영역이 형성된다. 도 6에는 첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)를 중심으로 형성된 영역 내에서 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280)를 중심으로 이루어진 영역이 도시되어 있다.
이러한 기준 노드의 설정 과정은 복수의 레벨로 나누어진 비콘 노드들(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)이 모두 기준 노드로 설정될 때까지 반복되고, 동일한 기준 노드를 가지는 일반 노드들로 이루어진 모든 영역이 하나의 비콘 노드(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)만을 포함하게 되면 종료된다.
다음으로 위치 추정부(140)는 위치 추정 노드(290)에 대한 각각의 기준 노드(210, 260)의 설정 과정에서 얻어진 기준 노드(210, 260)의 위치 정보 및 홉의 평균 크기, 그리고 기준 노드(210, 260)까지의 홉 수를 이용하여 다각적 위치 추정 을 수행한다.
무선 네트워크상의 비콘 노드(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)가 모두 기준 노드로 설정되면 각각의 일반 노드들은 자신의 기준 노드의 위치 정보, 기준 노드에서 계산된 홉의 평균 크기 및 기준 노드까지의 홉 수에 관한 정보를 가지게 된다. 따라서 기준 노드(210, 260)에서 계산된 홉의 평균 크기에 기준 노드(210, 260)까지의 홉 수를 곱하면 기준 노드(210, 260)까지의 거리 X를 추정할 수 있다. 위치 추정부(140)는 이 거리를 이용하여 위치 추정 노드(290)가 기준 노드(210, 260)의 좌표를 중심으로 하는 반경 X의 원 위에 위치하는 것으로 추정한다.
비콘 노드(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)들이 복수의 레벨로 구분되므로 기준 노드(210, 260)와 관련된 정보 역시 복수 개가 되고, 각각의 기준 노드(210, 260)를 중심으로 하는 원도 복수 개가 형성되어 위치 추정부(140)는 이러한 복수 개의 원이 만나는 지점에 위치 추정 노드(290)가 위치하는 것으로 추정한다. 비콘 노드(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)를 구분하는 레벨의 개수가 많아질수록 위치 추정의 정확성이 높아지게 된다. 도 7에는 세 개의 레벨로 구분되는 비콘 노드들(210, 260, 710)을 중심으로 하는 세 개의 원이 만나는 지점에 위치하는 위치 추정 노드(290)가 도시되어 있다.
도 8은 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 방법에 대한 바람직한 실시예의 수행 과정을 도시한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 수신부(110)는 무선 네트워크상의 복수의 비콘 노드(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280) 중 첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)로부터 각각의 비콘 노드(210, 220, 230, 240) 사이의 거리와 홉 수에 의해 계산되는 홉의 평균 크기, 그리고 각각의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)의 위치 정보와 비콘 노드(210, 220, 230, 240)의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 수신한다(S810). 수신된 홉의 평균 크기, 위치 정보 및 홉 수는 별도의 장치인 저장부(120)에 저장되거나 수신부(110)에 직접 저장될 수 있다. 또한 비콘 노드(210, 220, 230, 240)에서는 수학식 1에 의해 홉의 평균 크기가 계산된다. 다음으로 전송부(150)는 수신된 각각의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 증가시킨 후 각각의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)의 위치 정보와 함께 전송한다(S820). 따라서 무선 네트워크상의 모든 일반 노드로부터 비콘 노드(210, 220, 230, 240)까지의 홉 수를 알 수 있다.
기준 노드 설정부(130)는 비콘 노드들(210, 220, 230, 240) 중에서 홉 수 및 홉의 평균 크기가 최소인 비콘 노드(210, 220, 230, 240)를 위치 추정 노드(290)의 기준 노드(210)로 설정한다(S830). 이로 인하여 결과적으로 무선 네트워크상에 수학식 2에 의해 동일한 기준 노드(210)를 가지는 일반 노드들로 이루어진 영역이 형성된다.
무선 네트워크 상의 모든 첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)가 기준 노드로 설정되면, 수신부(110)는 위치 추정 노드(290)의 기준 노드(210)에 대해 하위 레벨에 속하는 비콘 노드들(250, 260)로부터 첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)와의 거리와 홉 수에 의해 계산되는 홉의 평균 크기, 그리 고 기준 노드(210)의 하위 레벨에 속하는 비콘 노드들(250, 260)의 위치 정보와 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 선택적으로 수신한다(S840). 이때 무선 네트워크상의 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280)에서는 첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)의 위치 정보를 바탕으로 수학식 1에 의해 홉의 평균 크기가 계산된다.
다음으로 전송부(150)는 수신된 각각의 비콘 노드(250, 260)의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 증가시킨 후 각각의 비콘 노드(250, 260)의 위치 정보와 함께 전송한다(S850).
첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)의 경우와 마찬가지로 기준 노드 설정부(130)는 기준 노드(210)의 하위 레벨에 속하는 비콘 노드들(250, 260) 중에서 홉 수 및 홉의 평균 크기가 최소인 비콘 노드(250, 260)를 추가적인 기준 노드로 설정한다(S860). 이러한 기준 노드의 설정 과정은 모든 비콘 노드(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)가 기준 노드로 설정될 때까지 반복된다.
모든 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)에 대해 기준 노드가 설정된 경우에는(S870) 위치 추정부(140)는 위치 추정 노드(290)의 모든 기준 노드들(210, 260)의 위치 정보, 홉의 평균 크기 및 기준 노드들(210, 260)까지의 홉 수를 이용하여 다각적 위치 추정을 수행한다(S880).
도 9a는 종래의 위치 추정 방법인 DV-Hop 방법, 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 방법 및 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 방법에 비콘노드의 통신반경을 제한한 경우에 대한 노드의 수에 따른 위치 추정 에러 를 각각 도시한 그래프이다. 도 9b를 참조하면, 본 발명에서 영역 설정에 의해 비콘 노드(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)로부터 일반 노드로의 정보 전송 범위를 제한함에 따라 전송 패킷의 수는 감소하였으나 위치 추정의 에러가 종래의 DV-Hop 방법에 비해 증가하였음을 확인할 수 있다.
도 9b는 종래의 위치 추정 방법인 DV-Hop 방법과 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치에 의해 위치 추정이 수행되었을 때 노드의 수에 따른 전송 패킷의 수를 각각 도시한 그래프이다. 위치 추정은 비콘 노드(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)의 수가 32개로 고정된 환경에서 수행되었다. 도 9a를 참조하면, 종래의 DV-Hop 방법에 의해 위치 추정을 수행한 경우에 비해 본 발명의 경우에서 전송 패킷의 수가 약 1/4로 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이러한 위치 추정의 에러 문제는 각 노드의 통신 반경을 제한하는 방법으로 해결할 수 있다. 즉, 위치 추정 노드(290)의 추정된 위치가 비콘 노드(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)에서 계산된 홉의 평균 크기를 반경으로 하는 원을 벗어나지 않도록 노드의 위치를 제한하는 방법이다. 이러한 방법을 사용함으로써 전송 패킷의 수는 줄이고, 위치 추정의 에러는 종래의 방법과 비슷한 수준으로 유지할 수 있다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 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 캐리어 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.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치에 대한 바람직한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 블록도,
도 2는 무선 센서 네트워크상에 무작위로 배치된 비콘 노드 및 일반 노드들의 예를 도시한 도면,
도 3은 하나의 비콘 노드(210)를 중심으로 주변에 위치한 위치 추정 노드(290)를 포함하는 일반 노드들까지의 홉 수를 도시한 도면,
도 4는 위치 추정 노드(290)의 기준 노드(210)를 중심으로 동일한 기준 노드(210)를 가지는 일반 노드들로 이루어지는 영역을 도시한 도면,
도 5는 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280)로부터 홉의 평균 크기 및 위치 정보를 수신하는 과정을 설명하기 위한 도면,
도 6은 첫 번째 레벨의 비콘 노드(210, 220, 230, 240)를 중심으로 형성된 영역 내에서 두 번째 레벨의 비콘 노드(250, 260, 270, 280)를 중심으로 형성된 영역을 도시한 도면,
도 7은 세 개의 레벨로 구분되는 비콘 노드들(210, 260, 710)을 중심으로 하는 세 개의 원이 만나는 지점에 위치하는 위치 추정 노드(290)를 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 방법에 대한 바람직한 실시예의 수행 과정을 도시한 흐름도,
도 9a는 종래의 위치 추정 방법인 DV-Hop 방법, 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 방법 및 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 방 법에 비콘노드의 통신반경을 제한한 경우에 대한 노드의 수에 따른 위치 추정 에러를 각각 도시한 그래프, 그리고,
도 9b는 종래의 위치 추정 방법인 DV-Hop 방법과 본 발명에 따른 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치에 의해 위치 추정이 수행되었을 때 노드의 수에 따른 전송 패킷의 수를 각각 도시한 그래프이다.

Claims (10)

  1. 무선 네트워크상의 고정된 위치에 존재하는 복수의 비콘 노드로부터 각각의 비콘 노드 사이의 거리와 홉 수에 의해 계산되는 홉의 평균 크기, 그리고 상기 각각의 비콘 노드의 위치 정보와 상기 비콘 노드의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 수신하는 수신부;
    상기 비콘 노드들 중에서 홉 수 및 홉의 평균 크기가 최소인 비콘 노드를 기준 노드로 설정하는 기준 노드 설정부; 및
    상기 기준 노드의 위치 정보, 홉의 평균 크기 및 상기 기준 노드까지의 홉 수를 이용하여 다각적 위치 추정을 수행하는 위치 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수신된 각각의 비콘 노드의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 증가시킨 후 상기 수신된 각각의 비콘 노드의 위치 정보와 함께 전송하는 전송부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수신부는 상기 비콘 노드로부터 다음의 수학식에 의해 계산되는 홉의 평균 크기를 전송받는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치:
    Figure 112008043239890-pat00003
    여기서, ci는 상기 복수의 비콘 노드 중 i번째 비콘 노드에서 계산되는 홉의 평균 크기, hi는 상기 i번째 비콘 노드로부터 나머지 비콘 노드까지의 홉 수, Xi 및 Yi는 각각 상기 i번째 비콘 노드의 x좌표 및 y좌표, 그리고 Xj 및 Yj는 각각 상기 i번째 비콘 노드를 제외한 비콘 노드의 x좌표 및 y좌표이다.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 비콘 노드는 트리구조로 계열화된 복수 레벨의 비콘 노드로 구분되며,
    상기 기준 노드 설정부는 상기 기준 노드로 설정된 비콘 노드의 하위 레벨에 속하는 비콘 노드들 중에서 홉 수 및 홉의 평균 크기가 최소인 비콘 노드를 추가적인 기준 노드로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 수신부는 상기 추가적인 기준 노드와 동일한 레벨에 속하는 비콘 노드들 사이의 거리와 홉 수에 의해 계산되는 홉의 평균 크기, 상기 추가적인 기준 노드 및 상기 추가적인 기준 노드와 동일한 레벨에 속하는 비콘 노드들의 위치 정보, 그리고 상기 추가적인 기준 노드 및 상기 추가적인 기준 노드와 동일한 레벨에 속하는 비콘 노드들의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 선택적으로 수신하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 노드 위치 추정 장치.
  6. (a) 무선 네트워크상의 고정된 위치에 존재하는 복수의 비콘 노드로부터 각각의 비콘 노드 사이의 거리와 홉 수에 의해 계산되는 홉의 평균 크기, 그리고 상기 각각의 비콘 노드의 위치 정보와 상기 비콘 노드의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 수신하는 단계;
    (b) 상기 비콘 노드들 중에서 홉 수 및 홉의 평균 크기가 최소인 비콘 노드를 기준 노드로 설정하는 단계; 및
    (c) 상기 기준 노드의 위치 정보, 홉의 평균 크기 및 상기 기준 노드까지의 홉 수를 이용하여 다각적 위치 추정을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 노드 위치 추정 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    (d) 상기 수신된 각각의 비콘 노드의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 증가시킨 후 상기 수신된 각각의 비콘 노드의 위치 정보와 함께 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 노드 위치 추정 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 (a)단계에서 상기 비콘 노드로부터 다음의 수학식에 의해 계산되는 홉의 평균 크기를 전송받는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 노드 위치 추정 방법:
    Figure 112008043239890-pat00004
    여기서, ci는 상기 복수의 비콘 노드 중 i번째 비콘 노드에서 계산되는 홉의 평균 크기, hi는 상기 i번째 비콘 노드로부터 나머지 비콘 노드까지의 홉 수, Xi 및 Yi는 각각 상기 i번째 비콘 노드의 x좌표 및 y좌표, 그리고 Xj 및 Yj는 각각 상기 i번째 비콘 노드를 제외한 비콘 노드의 x좌표 및 y좌표이다.
  9. 제 6항에 있어서,
    (e) 상기 기준 노드로 설정된 비콘 노드의 하위 레벨에 속하는 비콘 노드들로부터 각각의 비콘 노드 사이의 거리와 홉 수에 의해 계산되는 홉의 평균 크기, 그리고 상기 기준 노드로 설정된 비콘 노드의 하위 레벨에 속하는 비콘 노드들의 위치 정보와 상기 기준 노드로 설정된 비콘 노드의 하위 레벨에 속하는 비콘 노드들의 위치 정보의 수신시점까지의 홉 수를 선택적으로 수신하는 단계;
    (f) 상기 기준 노드로 설정된 비콘 노드의 하위 레벨에 속하는 비콘 노드들 중에서 홉 수 및 홉의 평균 크기가 최소인 비콘 노드를 추가적인 기준 노드로 설정하는 단계; 및
    (g) 상기 기준 노드들의 위치 정보, 홉의 평균 크기 및 상기 기준 노드들까지의 홉 수를 이용하여 다각적 위치 추정을 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 노드 위치 추정 방법.
  10. 제 6항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 기재된 무선 네트워크의 노드 위치 추정 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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