KR100983513B1 - Method of Controlling Wireless Sensor Network - Google Patents

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KR100983513B1 KR1020080059725A KR20080059725A KR100983513B1 KR 100983513 B1 KR100983513 B1 KR 100983513B1 KR 1020080059725 A KR1020080059725 A KR 1020080059725A KR 20080059725 A KR20080059725 A KR 20080059725A KR 100983513 B1 KR100983513 B1 KR 100983513B1
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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크 제어방법에 관한 것으로서, 다중입력 다중출력(Multi-Input Multi-Output, MIMO)기반 협력통신을 수행하는 무선 센서 네트워크에 있어서, 데이터를 수집하여 전송하는 센서노드와 상기 센서노드가 수집한 데이터를 수집하는 데이터 수집노드 간의 데이터 송수신 속도를 일정하게 유지한 상태에서 상기 데이터의 훈련 심벌 오버헤드를 변경하여 에너지 소모 변화량을 산출하는 단계와; 상기 데이터의 훈련 심벌 오버헤드의 크기를 일정하게 유지한 상태에서 상기 센서노드와 데이터 수집노드 간의 상기 데이터 송수신 속도를 변경하여 에너지 소모 변화량을 산출하는 단계와; 상기 훈련 심벌 오버헤드의 변경에 따른 상기 에너지 소모 변화량과 상기 속도 변화에 따른 상기 에너지 소모 변화량에 기초하여 상기 에너지 소모를 최소화하는 상기 훈련 심벌 오버헤드 및 상기 속도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, MIMO 협력통신 기반 무선 센서 네트워크에서 센서노드의 속도와 패킷의 훈련 심벌 오버헤드의 임계값을 추정하여 무선 센서 네트워크의 전체 에너지 소모를 감소시킬 수 있다.The present invention relates to a wireless sensor network control method, comprising: a sensor node and a sensor node for collecting and transmitting data in a wireless sensor network performing multi-input multi-output (MIMO) based cooperative communication; Calculating a change in energy consumption by changing a training symbol overhead of the data while maintaining a constant data transmission / reception rate between data collection nodes for collecting the collected data; Calculating a change amount of energy consumption by changing the data transmission / reception rate between the sensor node and the data collection node while maintaining a constant size of the training symbol overhead of the data; And determining the training symbol overhead and the speed for minimizing the energy consumption based on the energy consumption change amount according to the change of the training symbol overhead and the energy consumption change amount according to the speed change. do. Accordingly, in the MIMO cooperative communication-based wireless sensor network, the speed of the sensor node and the threshold of the training symbol overhead of the packet may be estimated to reduce the overall energy consumption of the wireless sensor network.

Description

무선 센서 네트워크 제어방법{Method of Controlling Wireless Sensor Network}Wireless Sensor Network Control Method {Method of Controlling Wireless Sensor Network}

본 발명은 무선 센서 네트워크 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, MIMO 협력통신 기반 무선 센서 네트워크에서 센서노드의 속도와 패킷의 훈련 심벌 오버헤드의 임계값을 추정하여 무선 센서 네트워크의 전체 에너지 소모를 감소시킬 수 있는 무선 센서 네트워크 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for controlling a wireless sensor network, and more particularly, to estimate the total value of energy consumption of a wireless sensor network by estimating a speed of a sensor node and a threshold of training symbol overhead of a packet in a MIMO cooperative communication-based wireless sensor network. A wireless sensor network control method can be reduced.

무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)는 특정 영역에서 발생하는 정보를 감지 및 수집하여 무선 통신 기법을 통해 사용자에게 전달하기 위해 설계된 네트워크이다. 무선 센서 네트워크는 분산된 영역에 걸쳐 각종 데이터를 수집하는 센서노드가 데이터 기록, 관리 및 특정 정보를 원하는 사용자에게 전달하는 기능을 담당하는 데이터 수집노드(sink node)에게 다중 홉(multi-hop)으로 데이터를 전송한다. A wireless sensor network (WSN) is a network designed to detect and collect information generated in a specific area and deliver it to a user through a wireless communication technique. A wireless sensor network is multi-hop to a data collection node whose sensor node collects various data over a distributed area, which is responsible for data recording, management, and delivering specific information to a desired user. Send the data.

여기서, 센서노드는, RF 송수신기, A/D와 D/A 변환기, 기저대역 프로세서, 그 밖의 응용 인터페이스들이 집적되어 하나의 완전한 기능을 수행하는 것이 가능하다. 이러한 센서노드는 소형 배터리로 동작하기 때문에 배터리의 수명이 네트워 크의 수명을 결정하게 된다. 따라서, 무선 센서 네트워크 설계 시에는 에너지 소비를 최소화하는 것이 매우 중요한 고려사항이다.Here, the sensor node may be integrated with the RF transceiver, the A / D and D / A converters, the baseband processor, and other application interfaces to perform one full function. Since these sensor nodes operate on small batteries, the life of the battery determines the lifetime of the network. Therefore, minimizing energy consumption is a very important consideration when designing wireless sensor networks.

이에, 최근에는 MIMO(Multi-Input Multi-Output, 다중-입력 다중-출력)를 기반으로 한 협력통신 시스템을 적용하여 무선 센서 네트워크를 구성함으로써 에너지 효율을 향상시키는 기술이 제안된바 있다. MIMO 기반 협력통신과 가상 안테나 배열 개념은 단일 안테나를 사용하는 SISO(Single-Input Single-Output) 노드의 네트워크에서 MIMO 성능을 발휘하기 위한 것이다. 에너지 효율과 지연 분석에 관한 연구결과에서는 MIMO 기반 협력통신이 일정한 거리 이후에서는 SISO보다 성능이 좋다는 것이 증명되었다. In recent years, a technology for improving energy efficiency by applying a cooperative communication system based on MIMO (Multi-Input Multi-Output) has been proposed. The concept of MIMO-based cooperative communication and virtual antenna arrangement is to achieve MIMO performance in a network of single-input single-output (SISO) nodes using a single antenna. Research on energy efficiency and delay analysis has shown that MIMO-based cooperative communications outperform SISO after a certain distance.

그러나, 종래의 협력통신 시스템을 이용하는 무선 센서 네트워크 기술은 에너지 소모에 영향을 주는 훈련심벌의 오버헤드와 센서노드의 속도의 임계값을 분석하는 방법을 제공하고 있지 않기 때문에, 무선 센서 네트워크의 에너지 효율을 향상시키는 데에 한계가 있다.However, since the conventional wireless sensor network technology using the cooperative communication system does not provide a method for analyzing the overhead of the training symbol that affects the energy consumption and the threshold value of the speed of the sensor node, the energy efficiency of the wireless sensor network is reduced. There is a limit to improving this.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출 된 것으로서, MIMO 협력통신 기반 무선 센서 네트워크에서 센서노드의 속도와 패킷의 훈련 심벌 오버헤드의 임계값을 추정하여 무선 센서 네트워크의 전체 에너지 소모를 감소시킬 수 있는 무선 센서 네트워크 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and in this case, the total energy consumption of the wireless sensor network can be reduced by estimating the speed of the sensor node and the threshold of the training symbol overhead of the packet in the MIMO cooperative communication-based wireless sensor network. It is an object of the present invention to provide a wireless sensor network control method.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크 제어방법은, 다중입력 다중출력(Multi-Input Multi-Output, MIMO)기반 협력통신을 수행하는 무선 센서 네트워크에 있어서, 데이터를 수집하여 전송하는 센서노드와 상기 센서노드가 수집한 데이터를 수집하는 데이터 수집노드 간의 데이터 송수신 속도를 일정하게 유지한 상태에서 상기 데이터의 훈련 심벌 오버헤드를 변경하여 에너지 소모 변화량을 산출하는 단계와; 상기 데이터의 훈련 심벌 오버헤드의 크기를 일정하게 유지한 상태에서 상기 센서노드와 데이터 수집노드 간의 상기 데이터 송수신 속도를 변경하여 에너지 소모 변화량을 산출하는 단계와; 상기 훈련 심벌 오버헤드의 변경에 따른 상기 에너지 소모 변화량과 상기 속도 변화에 따른 상기 에너지 소모 변화량에 기초하여 상기 에너지 소모를 최소화하는 상기 훈련 심벌 오버헤드 및 상기 속도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Wireless sensor network control method according to the present invention for achieving the above object, in the wireless sensor network performing a multi-input multi-output (MIMO) based cooperative communication, collecting and transmitting data Calculating a change in energy consumption by changing a training symbol overhead of the data while maintaining a constant data transmission / reception rate between a sensor node and a data collection node for collecting data collected by the sensor node; Calculating a change amount of energy consumption by changing the data transmission / reception rate between the sensor node and the data collection node while maintaining a constant size of the training symbol overhead of the data; And determining the training symbol overhead and the speed for minimizing the energy consumption based on the energy consumption change amount according to the change of the training symbol overhead and the energy consumption change amount according to the speed change. do.

여기서, 상기 데이터의 훈련 심벌 오버헤드를 결정하는 단계는, 단일입력 단일출력(Single-Input Single-Output, SISO)기반 통신을 수행할 경우 상기 데이터 송수신 속도를 일정하게 유지한 상태에서 상기 데이터의 훈련 심벌 오버헤드를 변경하여 에너지 소모 변화량을 산출하는 단계와; 상기 데이터의 훈련 심벌 오버헤드를 변경에 따른 상기 에너지 소모량이 상기 단일입력 단일출력 통신 시 소모되는 에너지 소모량보다 작은 값을 갖도록 상기 훈련 심벌 오버헤드를 설정하는 단계를 포함하는 것이 가능하다.The determining of the training symbol overhead of the data may include: training the data while maintaining a constant data transmission / reception rate when performing single-input single output (SISO) based communication. Calculating an amount of change in energy consumption by changing the symbol overhead; And setting the training symbol overhead such that the energy consumption according to the training symbol overhead of the data is smaller than the energy consumption consumed in the single input single output communication.

그리고, 상기 속도를 결정하는 단계는, 단일입력 단일출력(Single-Input Single-Output, SISO) 기반 통신을 수행할 경우 상기 데이터의 훈련 심벌 오버헤드를 일정하게 유지한 상태에서 상기 데이터 송수신 속도를 변경하여 에너지 소모 변화량을 산출하는 단계와; 상기 속도 변경에 따른 상기 에너지 소모량이 상기 단일입력 단일출력 통신 시 소모되는 에너지 소모량보다 작은 값을 갖도록 상기 속도를 설정하는 단계를 포함하는 것이 가능하다.The determining of the speed may include changing the data transmission / reception rate while maintaining a training symbol overhead of the data when performing single-input single-output (SISO) based communication. Calculating an amount of change in energy consumption; It is possible to include setting the speed such that the energy consumption according to the speed change has a value smaller than the energy consumption consumed in the single input single output communication.

한편, 비트당 에너지 소비는 <수학식>

Figure 112008045314638-pat00001
로 나타낼 수 있으며, 여기서 Rb는 실제 비트율로서
Figure 112008045314638-pat00002
로 대체될 수 있고, 트레이닝 심벌 pNT는 채널을 추정하기 위해서 각각의 블록으로 삽입 되며, 블록 크기는 심벌 F로써
Figure 112008045314638-pat00003
이고, 여기서 RS는 심벌률이고 페이딩 간섭시간인
Figure 112008045314638-pat00004
로 주어지고, 최대 도플러 쉬프트
Figure 112008045314638-pat00005
로 주어지고, v는 속도이고, λ는 캐리어 파장이다.On the other hand, the energy consumption per bit is
Figure 112008045314638-pat00001
Where R b is the actual bit rate
Figure 112008045314638-pat00002
The training symbol pN T is inserted into each block to estimate the channel, and the block size is represented by the symbol F.
Figure 112008045314638-pat00003
Where R S is the symbol rate and fading interference time
Figure 112008045314638-pat00004
Given by, shift up Doppler
Figure 112008045314638-pat00005
Where v is the velocity and λ is the carrier wavelength.

또한, 상기 센서노드의 비트당 평균 에너지를

Figure 112008045314638-pat00006
로 나타내고, 전체적인 통신을 위한 비트당 평균 에너지는
Figure 112008045314638-pat00007
로 나타내며, 상기 각각의 센서노드가 상기 데이터 수집노드로 전송하기 위한 비트 수 L i 를 갖는 경우, 상기 모든 센서노드에서 상기 데이터 수집노드까지 데이터를 전달하기 위해서 필요한 전체 에너지는 <수학식>
Figure 112008045314638-pat00008
를 통해 산출되는 것이 가능하다.In addition, the average energy per bit of the sensor node
Figure 112008045314638-pat00006
The average energy per bit for the overall communication is
Figure 112008045314638-pat00007
When each sensor node has the number of bits L i for transmitting to the data collection node, the total energy required to transfer data from all the sensor nodes to the data collection node is represented by
Figure 112008045314638-pat00008
It is possible to calculate through.

그리고, 상기 단일입력 단일출력 기반의 무선 센서 네트워크에서 상기와 같은 데이터를 전달하는데 요구되는 전체 에너지는 수학식

Figure 112008045314638-pat00009
를 통해 산출되는 것이 가능하다.And, in the single-input single-output based wireless sensor network, the total energy required to transfer such data is expressed by Equation
Figure 112008045314638-pat00009
It is possible to calculate through.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 무선 센서 네트워크 제어방법은, 데이터 수집노드의 속도와 훈련 심벌 오버헤드의 임계값을 추정할 수 있도록 하고 있다.As described above, the wireless sensor network control method of the present invention enables estimating the speed of the data collection node and the threshold of the training symbol overhead.

이에 따라, 무선 센서 네트워크의 전체 에너지 소모를 감소시킬 수 있다.Accordingly, the overall energy consumption of the wireless sensor network can be reduced.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 제어방법에 대해서 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, a wireless sensor network control method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

도 1은 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)의 구성을 예시한 것이다. 1 illustrates a configuration of a wireless sensor network (WSN).

무선 센서 네트워크는 분산 배치되어 각종 데이터를 수집하고 이를 무선 송신하는 센서노드(20)와, 이들 센서노드(20)로부터 수신된 데이터를 기록 및 관리하고 특정 정보를 원하는 사용자에게 전달하는 기능을 담당하는 데이터 수집노드(sink node)(30)로 구성될 수 있다. The wireless sensor network is distributed and distributed to perform sensor node 20 for collecting and wirelessly transmitting various data, and to record and manage data received from the sensor node 20 and to transmit specific information to a desired user. It may be configured as a data collection node (sink node 30).

여기서, 센서노드(20)는 MIMO(Multi-Input Multi-Output), MISO(Multi-Input Single-Output), SIMO(Single-Input Multi-Output), SISO(Single-Input Single-Output) 구조를 형성할 수 있다.Here, the sensor node 20 forms a multi-input multi-output (MIMO), a multi-input single-output (MIS), a single-input multi-output (SIMO), and a single-input single-output (SISO) structure. can do.

데이터 수집노드(30)는 클러스터 내의 센서노드(20)의 데이터 송수신을 제어하는 코디네이터의 기능을 수행할 수 있다. The data collection node 30 may function as a coordinator for controlling data transmission and reception of the sensor node 20 in the cluster.

이러한 구성을 갖는 무선 센서 네트워크에서 다중 지역에 있는 센서노드(20)들로부터 수집된 정보는 데이터 수집노드(30)로 전송된다. 만약 데이터 수집노드(30)가 멀리 떨어져 있다면, 정보는 먼저 중계 노드로 전송될 것이고, 그 다음 최종 목적지까지 데이터를 전달하기 위해 다중 홉 기반 라우팅이 사용될 것이다.In a wireless sensor network having such a configuration, information collected from sensor nodes 20 in multiple regions is transmitted to the data collection node 30. If the data collection node 30 is far apart, the information will be sent first to the relay node, and then multi-hop based routing will be used to deliver the data to its final destination.

무선 센서 네트워크에서 송신기와 수신기는 각각 송신 안테나(NT)와 수신 안테나(NR)를 갖고 있으며 송신기 측에서는 NT개의 안테나들이 NT개의 센서노드(20)에 분산되어 이들이 협력통신을 위한 다중입력으로 사용된다.In the wireless sensor network, the transmitter and the receiver each have a transmitting antenna (N T ) and a receiving antenna (N R ), and on the transmitter side, N T antennas are distributed to the N T sensor nodes 20 so that they are multi-input for cooperative communication. Used as

이러한 무선 센서 네트워크에서 전체 에너지 소비는 크게 두 개의 중요한 항목으로 표현될 수 있다. 전체 소비 전력 PT는, 전송 전력 POUT의 함수인 모든 전력 증폭기의 소비 전력 PPA와 그외의 다른 회로 블록의 전력소비 PC로 분류된다. 이를 식으로 나타내면 아래의 [수학식 1]과 같다.In such a wireless sensor network, total energy consumption can be expressed as two important items. The total power consumption P T is classified into the power consumption P PA of all power amplifiers as a function of the transmission power P OUT and the power consumption P C of the other circuit blocks. This is represented by Equation 1 below.

Figure 112008045314638-pat00010
Figure 112008045314638-pat00010

여기서 PPA는 증폭기 소비 전력이고 PC는 회로 소비 전력이다. 증폭기 소비 전력은 다음의 [수학식 2]로 계산될 수 있다.Where P PA is the amplifier power consumption and P C is the circuit power consumption. The amplifier power consumption can be calculated by the following [Equation 2].

Figure 112008045314638-pat00011
Figure 112008045314638-pat00011

여기서

Figure 112008045314638-pat00012
이고,
Figure 112008045314638-pat00013
는 드레인 효율이고,
Figure 112008045314638-pat00014
는 평균율의 최대값이다. 본 실시예에서는 비부호화 MQAM을 기반으로 분석을 하며 MQAM에서
Figure 112008045314638-pat00015
이고 심벌당 비트 수(성상도 값)는
Figure 112008045314638-pat00016
으로 정의된다. here
Figure 112008045314638-pat00012
ego,
Figure 112008045314638-pat00013
Is the drain efficiency,
Figure 112008045314638-pat00014
Is the maximum value of the average rate. In this example, the analysis is based on an unsigned MQAM.
Figure 112008045314638-pat00015
And the bits per symbol (constellation value)
Figure 112008045314638-pat00016
Is defined.

채널이 AWGN(Additive White Gaussian Noise)을 갖는 k 멱수의 패스 손실을 가질 경우,

Figure 112008045314638-pat00017
은 다음의 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.If the channel has a k-pass pass loss with additive white Gaussian noise (AWGN),
Figure 112008045314638-pat00017
May be expressed as Equation 3 below.

Figure 112008045314638-pat00018
Figure 112008045314638-pat00018

여기서,

Figure 112008045314638-pat00019
는 주어진 BER(Bit Error Rate)값을 충족시키는데 필요한 비트당 평균 에너지이다. Rb는 전송 비트율이고, d는 전송거리이다. Gt와 Gr은 각각 송신기와 수신기 안테나 이득이고, λ는 캐리어 파장, Nl은 하드웨어 프로세스 변화와 배경 잡음을 보상하는 링크 마진이다. Nf는 수신기 잡음값이고, Nf=Nr/N0로 정의된다. 여기서 Nr는 수신기 입력 측에서 잡음의 전력 스펙트럼 밀도(PSD; power spectrum density)이고, N0는 실내 온도에서 단방향(single-sided) 온도 잡음 PSD이다.here,
Figure 112008045314638-pat00019
Is the average energy per bit needed to meet the given Bit Error Rate (BER) value. R b is the transmission bit rate and d is the transmission distance. G t and G r are the transmitter and receiver antenna gains respectively, λ is the carrier wavelength, and N l is the link margin that compensates for hardware process variations and background noise. N f is the receiver noise value and is defined as N f = N r / N 0 . Where N r is the power spectrum density (PSD) of noise at the receiver input side and N 0 is the single-sided temperature noise PSD at room temperature.

한편, 전체 소비 전력(PT)을 나타낸 [수학식 1]에서 회로 소비 전력 PC는 송신기와 수신기 회로의 소비 전력이다.On the other hand, in [Equation 1] showing the total power consumption (P T ), the circuit power consumption P C is the power consumption of the transmitter and receiver circuit.

도 2는 송신기의 회로 블록도이고 도 3은 수신기의 회로 블록도이다.2 is a circuit block diagram of a transmitter and FIG. 3 is a circuit block diagram of a receiver.

송신기 회로는 도 2에 도시된 바와 같이, 디지털 송신 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 DAC(digital-to-analog converter)(210)와, 변환된 아날로그 신호를 필터링하는 제1송신필터(212)와, 필터링된 신호를 국부 발진기(Local Oscillator, LO)(214)신호와 혼합하는 믹서(mixer)(216)와, 혼합된 신호를 필터링하는 제2송신필터(218)와, 필터링된 신호를 증폭하여 안테나를 통해 송신하는 송신 증폭기(PA)(220)를 포함한다. 여기서, 제1송신필터(212) 및 제2송신필터(218)는 능동 필터를 이용하여 구성할 수 있다.As shown in FIG. 2, the transmitter circuit includes a digital-to-analog converter (DAC) 210 for converting digital transmission data into an analog signal, a first transmission filter 212 for filtering the converted analog signal, A mixer 216 for mixing the filtered signal with a Local Oscillator (LO) signal 214, a second transmission filter 218 for filtering the mixed signal, and amplifying the filtered signal to an antenna Transmit amplifier (PA) 220 for transmitting through. Here, the first transmission filter 212 and the second transmission filter 218 may be configured using an active filter.

수신기 회로는 도 3에 도시된 바와 같이, 수신신호를 필터링하는 제1수신필터(310)와, 필터링된 수신 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA)(312)와, 증폭된 신호를 필터링하는 제2수신필터(314)와, 제2수신필터(314)를 통해 필터링된 신호를 국부발진기(Local Oscillator, LO)(318)신호와 혼합하는 믹서(mixer)(316)와, 혼합된 신호를 필터링하는 제3수신필터(320)와, 필터링된 신호를 증폭하는 중간주파수 증폭기(Iniermadiate Frequency Amplifier, IFA)(322)와, 증폭된 신호를 디지털신호로 변환하여 출력하는 ADC(analog-to-digital converter)(324)를 포함한다. 여기서, 수신필터(310, 314, 320)는 능동필터를 이용하여 구성할 수 있다.As shown in FIG. 3, the receiver circuit includes a first reception filter 310 for filtering a received signal, a low noise amplifier (LNA) 312 for amplifying the filtered received signal, and an amplified signal. A second receiver filter 314 for filtering, a mixer 316 for mixing a signal filtered through the second receiver filter 314 with a local oscillator (LO) 318 signal, and a mixture A third reception filter 320 for filtering the signal, an Iniermadiate Frequency Amplifier (IFA) 322 for amplifying the filtered signal, and an ADC (analog-to) for converting and outputting the amplified signal into a digital signal a digital converter 324. Here, the reception filters 310, 314, and 320 may be configured using an active filter.

이러한, 송신기 및 수신기의 상세 회로 구성을 고려하여, 회로 소비 전력 PC를 송신기의 회로 소비 전력(Pct)과 수신기의 회로 소비 전력(Pcr)으로 나타내면 다음의 [수학식 4]와 같다.In consideration of the detailed circuit configuration of the transmitter and the receiver, the circuit power consumption P C is represented by the circuit power consumption P ct of the transmitter and the circuit power consumption P cr of the receiver as shown in Equation 4 below.

Figure 112008045314638-pat00020
Figure 112008045314638-pat00020

Pct와 Pcr은 각각 송신기와 수신기의 회로 소비 전력이다. Pmix는 믹서(216, 316)의 소비 전력, Psyn는 주파수 합성기의 소비 전력, Pfilt는 송신기와 수신기의 능동 필터(212, 218, 310, 314, 320)의 소비 전력, PLNA는 저잡음 증폭기(312)의 소비 전력, PIFA는 중간 주파수 증폭기(322)의 소비 전력, PDAC는 DAC(210)의 소비 전력, PADC는 ADC(324)의 소비 전력을 나타낸다.P ct and P cr are the circuit power consumptions of the transmitter and receiver, respectively. P mix is the power consumption of the mixers 216 and 316, P syn is the power consumption of the frequency synthesizer, P filt is the power consumption of the active filters 212, 218, 310, 314 and 320 of the transmitter and receiver, and P LNA is low noise. The power consumption of the amplifier 312, P IFA represents the power consumption of the intermediate frequency amplifier 322, P DAC represents the power consumption of the DAC 210, and P ADC represents the power consumption of the ADC 324.

그리고, 비트당 총 에너지 소비는 다음의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.And, the total energy consumption per bit can be expressed as Equation 5 below.

Figure 112008045314638-pat00021
Figure 112008045314638-pat00021

여기서 Rb는 실제 비트율이고,

Figure 112008045314638-pat00022
로 대체될 수 있다. 트레이닝 심벌 pNT는 채널을 추정하기 위해서 각각의 블록으로 삽입된다. 블록 크기는 심벌 F와 같고
Figure 112008045314638-pat00023
이다. 여기서 RS는 심벌률이고 TC는 페이딩 간섭시간이다. 페이딩 간섭시간은
Figure 112008045314638-pat00024
로 계산될 수 있다. 여기서 최대 도플러 쉬프트 fm
Figure 112008045314638-pat00025
로 주어지고, v는 속도이고, λ는 캐리어 파장이다. 전체 에너지 소비는 Ebt에 곱과 전송되는 비트 수 Li를 곱하여 계산된다. Where R b is the actual bit rate,
Figure 112008045314638-pat00022
Can be replaced with Training symbol pN T is inserted into each block to estimate the channel. The block size is equal to the symbol F
Figure 112008045314638-pat00023
to be. Where R S is the symbol rate and T C is the fading interference time. Fading interference time
Figure 112008045314638-pat00024
It can be calculated as Where the maximum Doppler shift f m is
Figure 112008045314638-pat00025
Where v is the velocity and λ is the carrier wavelength. The total energy consumption is calculated by multiplying E bt by the product and the number of transmitted bits L i .

한편, 일반적인 무선 센서 네트워크에서 다중 지역에 있는 센서노드(20)들로부터 수집된 정보는 원격 중앙 프로세서, 즉, 데이터 수집노드(30)로 전송된다. 만약 데이터 수집노드(30)가 멀리 떨어져 있다면, 정보는 먼저 중계노드로 전송될 것이고, 그 다음 최종 목적지까지 데이터를 전달하기 위해 다중 홉 기반 라우팅이 사용될 것이다. MIMO(MISO, SIMO, MIMO를 포함)가 페이딩 채널에서 에너지 절약을 제공할 수 있다는 점을 이용하여, 본 발명에서는 다중 센서노드(20)들을 이용하여 협력통신을 할 수 있고, 다중 센서노드(20)들을 목적지 노드의 다중 안테나로 취급할 수 있다. 센서노드(20)들 중 클러스터 헤드 역할을 하는 센서노드(20)는 이러한 클러스터 기반 무선 센서 네트워크에서 협력통신을 위한 코디네이터처럼 동작한다.On the other hand, in the general wireless sensor network, information collected from sensor nodes 20 in multiple regions is transmitted to a remote central processor, that is, the data collection node 30. If the data collection node 30 is far apart, the information will be sent first to the relay node, and then multi-hop based routing will be used to deliver the data to its final destination. Taking advantage of the fact that MIMO (including MISO, SIMO, MIMO) can provide energy savings in the fading channel, the present invention enables cooperative communication using multiple sensor nodes 20, and multiple sensor nodes 20 ) Can be treated as multiple antennas of the destination node. The sensor node 20 serving as a cluster head among the sensor nodes 20 operates as a coordinator for cooperative communication in such a cluster-based wireless sensor network.

MIMO 기반 협력통신 네트워크의 에너지 소비는 센서노드(20)들 사이에서의 지역 통신을 위해 필요한 에너지와 센서노드(20)에서 데이터 수집노드(30)까지 장거리 통신을 위해 필요한 에너지의 두 가지 요소로 구성된다. 지역 통신을 위한 센서노드(20)당 비트당 평균 에너지는

Figure 112008045314638-pat00026
로 나타낼 수 있고, 전체적인 또는 장거리 통신을 위한 비트당 평균 에너지는
Figure 112008045314638-pat00027
로 나타낼 수 있다. 각각의 센서노드(20)가 데이터 수집노드(30)로 전송하기 위한 비트 수 L i 를 갖는다고 가정한다면, 모든 노드에서 데이터 수집노드(30)까지 데이터를 전달하기 위해서 필요한 전체 에너지는 다음의 [수학식 6]과 같이 표현될 수 있다.The energy consumption of the MIMO based cooperative communication network consists of two elements: energy required for local communication between sensor nodes 20 and energy required for long distance communication from sensor node 20 to data collection node 30. do. Average energy per bit per sensor node 20 for local communication
Figure 112008045314638-pat00026
The average energy per bit for overall or long distance communication is
Figure 112008045314638-pat00027
It can be represented as. Assuming that each sensor node 20 has the number of bits L i to transmit to the data collection node 30, the total energy required to deliver data from all nodes to the data collection node 30 is It can be expressed as shown in Equation 6].

Figure 112008045314638-pat00028
Figure 112008045314638-pat00028

본 발명은 2개의 센서노드(20) 사이의 최대 거리가 dm미터라고 가정하고 전체 통신 거리 d>>dm라고 가정한다. 또한, 모든 센서노드(20)들로부터 데이터 수집노드(30)까지의 거리는 같다고 가정한다.The present invention assumes that the maximum distance between two sensor nodes 20 is d m meters and that the total communication distance d >> d m . In addition, it is assumed that the distances from all the sensor nodes 20 to the data collection node 30 are the same.

SISO 기반의 전통적인 무선 센서 네트워크에서 상기와 같은 데이터를 전달하 는데 요구되는 전체 에너지는 다음의 [수학식 7]과 같이 표현할 수 있다.In the SISO-based traditional wireless sensor network, the total energy required to deliver such data can be expressed as Equation 7 below.

Figure 112008045314638-pat00029
Figure 112008045314638-pat00029

여기서 센서노드(20) i부터 데이터 수집노드(30)까지 전송하기 위한 비트당 평균 에너지

Figure 112008045314638-pat00030
Figure 112008045314638-pat00031
일 경우의 MIMO 기반 통신의 특별한 경우로 간주할 수 있다.Here, the average energy per bit for transmitting from the sensor node 20 i to the data collection node 30
Figure 112008045314638-pat00030
Is
Figure 112008045314638-pat00031
One case may be regarded as a special case of MIMO based communication.

이러한 구성에 의해, 무선 센서 네트워크의 전체 에너지 소비값을 구하기 위해서는, 주어진 BER(Bit Error Rate)을 만족하는데 필요한 비트당 평균 에너지

Figure 112008045314638-pat00032
값을 알아야 한다. MQAM의 알라모티(Alamouti)구조를 이용하는 MIMO 시스템의 평균 BER 값은 다음의 [수학식 8]과 같이 주어진다.With this configuration, in order to obtain the total energy consumption value of the wireless sensor network, the average energy per bit required to satisfy a given bit error rate (BER)
Figure 112008045314638-pat00032
You need to know the value. The average BER value of the MIMO system using the Alamouti structure of MQAM is given by Equation 8 below.

Figure 112008045314638-pat00033
Figure 112008045314638-pat00033

여기서

Figure 112008045314638-pat00034
는 변수 H를 포함하는 기대값이고,
Figure 112008045314638-pat00035
Figure 112008045314638-pat00036
와 같이 정의되는 Q-함수이다. here
Figure 112008045314638-pat00034
Is the expected value containing the variable H,
Figure 112008045314638-pat00035
Is
Figure 112008045314638-pat00036
Q-function defined as

본 발명에서는 수치 탐색방법을 이용하여

Figure 112008045314638-pat00037
의 값을 구한다. 여기서, 복잡성을 피하기 위해 알라모티 구조를 기반으로 하는 M-ary QAM의 2×2 MIMO 시스템을 예시하기로 한다. 알라모티 구조는 안테나 다이버시티 방식을 효율적으로 적용하기 위해 알라모티(Alamouti)에 의하여 제안된 시공간 블록부호 기법으로써, 송수신기에 다수의 안테나를 사용하여 무선채널에서의 페이딩을 극복하는 대표적인 송신 다이버시티 기술이다. In the present invention, using a numerical search method
Figure 112008045314638-pat00037
Find the value of. Here, to avoid complexity, a 2 × 2 MIMO system of M-ary QAM based on the Alamoti structure will be illustrated. The Alamoti architecture is a space-time block coding technique proposed by Alamouti to efficiently apply the antenna diversity scheme, and is a representative transmit diversity technique that overcomes fading in a radio channel by using multiple antennas in a transceiver. to be.

레일리 페이딩에서 M-ary QAM MIMO 시스템(M=2 b , b는 짝수)의 BER은 다음의 [수학식 9]와 같이 주어진다.In Rayleigh fading, the BER of the M-ary QAM MIMO system ( M = 2 b , b is even) is given by Equation 9 below.

Figure 112008045314638-pat00038
Figure 112008045314638-pat00038

일정한 속도를 유지한 상태에서 훈련 심벌 오버헤드 (p)를 변경하여 에너지 소모 변화량을 구한다. 또한, 일정한 훈련 심벌 오버헤드를 유지하면서 속도를 변경하여 에너지 소모량을 예측한다. 속도가 일정할 때, 블록 크기 F는 특정한 캐리어 주파수에 대하여 일정하며 p의 임계값은

Figure 112008045314638-pat00039
항에 의존하고 경계조건은
Figure 112008045314638-pat00040
이다. At constant speed, change the training symbol overhead (p) to find the change in energy consumption. It also predicts energy consumption by varying speed while maintaining constant training symbol overhead. When the speed is constant, the block size F is constant for a particular carrier frequency and the threshold of p is
Figure 112008045314638-pat00039
Depend on terms and boundary conditions
Figure 112008045314638-pat00040
to be.

예컨대, 속도 v = 5.82m/s일 경우 블록 크기 F는 87이며, p = 50, N T = 2인 경우 전체 에너지 소비는 SISO 보다 많으므로 임계값을 벗어남을 알 수 있다. For example, if the speed v = 5.82 m / s, the block size F is 87, and if p = 50, N T = 2, the total energy consumption is greater than SISO, so it can be seen that the threshold is out of range.

이와 같은 방법으로 우리는 SISO 보다 에너지 소비가 적은 MIMO 협력통신을 제공하는 훈련 심벌의 오버헤드와 속도의 임계값을 구할 수 있다. 표 1은 위와 같은 실험을 통하여 구해진 pv의 임계값 쌍의 예이다. 만약 하나의 변수를 고정시킨다면 다른 값은 그것의 임계값이 된다.In this way, we can find the threshold of the training symbol overhead and speed that provide MIMO cooperative communication with less energy consumption than SISO. Table 1 is an example of the threshold pairs of p and v obtained through the above experiments. If you lock one variable, the other value becomes its threshold.

<표 1>TABLE 1

훈련 심벌 오버헤드 값, pTraining symbol overhead value, p 속도, v(m/s)Velocity, v ( m / s ) 1010 2424 1515 1616 2020 1212 2525 0909

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 무선 센서 네트워크의 MIMO 기반 협력통신과 SISO 기반 협력통신의 경우에 대하여 전체 에너지 소비 측면을 분석하여 훈련 심벌의 오버헤드와 속도의 임계값을 추정함으로써, 에너지 효율적인 무선 센서 네트워크를 설계할 수 있다.As described above, the present invention analyzes the overall energy consumption in the case of MIMO based cooperative communication and SISO based cooperative communication of the wireless sensor network, and estimates the threshold of the training symbol overhead and speed, thereby making it possible to use an energy efficient wireless sensor. You can design your network.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Although the present invention has been described in detail with reference to exemplary embodiments above, those skilled in the art to which the present invention pertains can make various modifications to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. Will understand. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.

도 1은 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)의 구성을 예시한 것,1 illustrates a configuration of a wireless sensor network (WSN),

도 2는 송신기의 회로 불록도,2 is a circuit block diagram of a transmitter;

도 3은 수신기의 회로 불록도이다.3 is a circuit block diagram of a receiver.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ****** Explanation of symbols for the main parts of the drawing ***

20 : 센서노드 30 : 데이터 수집노드 20: sensor node 30: data collection node

210 : DAC 212 : 제1송신필터210: DAC 212: first transmission filter

214, 318 : 국부발진기 216, 316 : 믹서214, 318: local oscillator 216, 316: mixer

218 : 제2송신필터 220 : 송신 증폭기218: second transmission filter 220: transmission amplifier

310 : 제1수신필터 312 : 저잡음 증폭기310: first receiving filter 312: low noise amplifier

314 : 제2수신필터 320 : 제3수신필터314: second receiving filter 320: third receiving filter

322 : 중간주파수 증폭기 324 : ADC322: intermediate frequency amplifier 324: ADC

Claims (6)

다중입력 다중출력(Multi-Input Multi-Output, MIMO)기반 협력통신을 수행하는 무선 센서 네트워크 제어방법에 있어서,In the wireless sensor network control method for performing multi-input multi-output (MIMO) based cooperative communication, 데이터를 수집하여 전송하는 하나 이상의 센서노드와 상기 모든 센서노드가 수집한 데이터를 수집하는 데이터 수집노드 간의 데이터 송수신 속도를 일정하게 유지한 상태에서 상기 모든 센서노드에서 수집한 데이터의 훈련 심벌 오버헤드를 변경하여 에너지 소모 변화량을 산출하는 단계와;Training symbol overhead of data collected by all the sensor nodes is maintained while maintaining a constant data transmission / reception rate between one or more sensor nodes that collect and transmit data and a data collection node that collects data collected by all the sensor nodes. Calculating a change amount of energy consumption by changing; 상기 모든 센서노드에서 수집한 데이터의 훈련 심벌 오버헤드의 크기를 일정하게 유지한 상태에서 상기 모든 센서노드와 데이터 수집노드 간의 상기 데이터 송수신 속도를 변경하여 에너지 소모 변화량을 산출하는 단계와;Calculating an energy consumption change amount by changing the data transmission / reception rate between all the sensor nodes and the data collection node while maintaining a constant size of the training symbol overhead of the data collected by all the sensor nodes; 상기 훈련 심벌 오버헤드의 변경에 따른 상기 에너지 소모 변화량과 상기 속도 변화에 따른 상기 에너지 소모 변화량에 기초하여 상기 에너지 소모를 최소화하는 상기 훈련 심벌 오버헤드 및 상기 속도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 제어방법.And determining the training symbol overhead and the speed for minimizing the energy consumption based on the energy consumption change amount according to the change of the training symbol overhead and the energy consumption change amount according to the speed change. Wireless sensor network control method. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 모든 센서노드에서 수집한 데이터의 훈련 심벌 오버헤드를 결정하는 단계는,Determining the training symbol overhead of the data collected from all the sensor nodes, 단일입력 단일출력(Single-Input Single-Output, SISO)기반 통신을 수행할 경우 상기 데이터 송수신 속도를 일정하게 유지한 상태에서 상기 모든 센서노드에서 수집한 데이터의 훈련 심벌 오버헤드를 변경하여 에너지 소모 변화량을 산출하는 단계와;When performing Single-Input Single-Output (SISO) -based communication, the energy consumption change amount is changed by changing the training symbol overhead of the data collected from all the sensor nodes while maintaining the data transmission / reception rate constant. Calculating a; 상기 모든 센서노드에서 수집한 데이터의 훈련 심벌 오버헤드를 변경에 따른 에너지 소모량이 상기 단일입력 단일출력 통신 시 소모되는 에너지 소모량보다 작은값을 갖도록 상기 훈련 심벌 오버헤드를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 제어방법.And setting the training symbol overhead such that the energy consumption according to the training symbol overhead of the data collected by all the sensor nodes has a value smaller than the energy consumption consumed in the single input single output communication. Wireless sensor network control method. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 속도를 결정하는 단계는,Determining the speed, 단일입력 단일출력(Single-Input Single-Output, SISO)기반 통신을 수행할 경우 상기 모든 센서노드에서 수집한 데이터의 훈련 심벌 오버헤드를 일정하게 유지한 상태에서 상기 데이터 송수신 속도를 변경하여 에너지 소모 변화량을 산출하는 단계와;When performing single-input single-output (SISO) -based communication, the amount of change in energy consumption by changing the data transmission / reception rate while maintaining a constant training symbol overhead of data collected by all the sensor nodes. Calculating a; 상기 속도 변경에 따른 에너지 소모량이 상기 단일입력 단일출력 통신 시 소모되는 에너지 소모량보다 작은값을 갖도록 상기 속도를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 제어방법.And setting the speed such that the energy consumption according to the speed change is smaller than the energy consumption consumed in the single input single output communication. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 비트당 에너지 소비는, Energy consumption per bit, <수학식>&Lt; Equation &
Figure 112010009120647-pat00041
Figure 112010009120647-pat00041
(여기서, PPA는 증폭기 소비 전력, PC는 회로 소비 전력)Where P PA is the power consumption of the amplifier and P C is the power consumption of the circuit. 로 나타낼 수 있으며, 여기서 Rb는 실제 비트율로서
Figure 112010009120647-pat00042
로 대체될 수 있으며, 트레이닝 심벌 pNT는 채널을 추정하기 위해서 각각의 블록으로 삽입되며, 블록 크기는 심벌 F로써
Figure 112010009120647-pat00043
이고, 여기서 RS는 심벌률이고 페이딩 간섭시간인
Figure 112010009120647-pat00044
로 주어지고, 최대 도플러 쉬프트
Figure 112010009120647-pat00045
로 주어지고, v는 속도이고, λ는 캐리어 파장인 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 제어방법.
Where R b is the actual bit rate
Figure 112010009120647-pat00042
The training symbol pN T is inserted into each block to estimate the channel, and the block size is represented by the symbol F.
Figure 112010009120647-pat00043
Where R S is the symbol rate and fading interference time
Figure 112010009120647-pat00044
Given by, shift up Doppler
Figure 112010009120647-pat00045
Where v is velocity and λ is the carrier wavelength.
제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 각각의 센서노드의 비트당 평균 에너지를
Figure 112010046704747-pat00046
로 나타내고, 전체적인 통신을 위한 비트당 평균 에너지는
Figure 112010046704747-pat00047
로 나타내며, 상기 각각의 센서노드가 상기 데이터 수집노드로 전송하기 위한 비트 수 Li 를 갖는 경우, 상기 모든 센서노드에서 상기 데이터 수집노드까지 데이터를 전달하기 위해서 필요한 전체 에너지는
The average energy per bit of each sensor node
Figure 112010046704747-pat00046
The average energy per bit for the overall communication is
Figure 112010046704747-pat00047
When each sensor node has the number of bits L i to transmit to the data collection node, the total energy required to transfer data from all the sensor nodes to the data collection node is
<수학식> &Lt; Equation &
Figure 112010046704747-pat00048
Figure 112010046704747-pat00048
(여기서, NT는 센서노드에서 동시에 전송되는 송신 안테나의 개수)Where N T is the number of transmit antennas transmitted simultaneously on the sensor node. 를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 제어방법. Wireless sensor network control method, characterized in that calculated through.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,The method according to claim 2 or 3, 상기 단일입력 단일출력 기반의 무선 센서 네트워크에서 상기 모든 센서노드에서 수집한 데이터를 전달하는데 요구되는 전체 에너지는 In the single input single output based wireless sensor network, the total energy required to deliver the data collected from all the sensor nodes is <수학식>&Lt; Equation &
Figure 112010046704747-pat00049
Figure 112010046704747-pat00049
(여기서, NT는 센서노드에서 동시에 전송되는 송신 안테나의 개수, Li 는 각각의 센서노드가 데이터 수집노드로 전송하기 위한 비트 수,
Figure 112010046704747-pat00053
는 센서노드 i부터 데이터 수집노드까지 전송하기 위한 비트당 평균 에너지)
Where N T is the number of transmit antennas transmitted simultaneously from the sensor node, L i is the number of bits for each sensor node to transmit to the data acquisition node,
Figure 112010046704747-pat00053
Is the average energy per bit to transmit from sensor node i to data collection node)
를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 제어방법. Wireless sensor network control method, characterized in that calculated through.
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