KR100999046B1 - 클러스터 구조의 센서 네트워크의 간섭 회피 방법, 클러스터 재구성 방법 및 상기 방법이 적용된 센서 네트워크 통신장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 클러스터 구조의 센서 네트워크의 간섭 회피 방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 클러스터 구조의 센서 네트워크에서 외부 간섭에 의해 통신장애가 있는 클러스터내의 단말노드를 대상으로 다시 클러스터링을 수행하는 클러스터링 재구성 방법 및 이를 이용하여 외부 간섭을 회피하는 간섭 회피 방법에 대한 것이다.

본 발명에 따른 클러스터 구조의 센서 네트워크에서 외부 간섭에 의해 통신 장애가 있는 경우 간섭을 회피하는 방법에 있어서, 상기 클러스터 내에 포함된 클러스터 헤드(CH)와 클러스터 멤버(CM)간의 동작채널 상에 외부 간섭이 발생하는지 여부를 감지하는 단계; 상기 외부 간섭이 감지되는 경우 외부 간섭에 의해 영향을 받은 클러스터를 이루는 클러스터 멤버 중에서 클러스터 헤드(CH)와 통신 장애가 있는 클러스터 멤버(CM)(이하, "고아 단말노드"라 한다.)를 대상으로 클러스터링을 재구성하는 단계를 포함한다.

위와 같은 센서 네트워크의 간섭 회피 방법에 따르면 자신이 센싱한 데이터를 클러스터 헤드에 주지 못하고 에너지만 소비하는 고아 단말노드의 개수를 줄이고, 센서 단말노드에 의해 센싱되는 영역이 현저하게 넓어지는 효과가 있다.

클러스터, 센서 네트워크, 지그비(Zigbee), CSMA/CA, 동적 클러스터링

Description

클러스터 구조의 센서 네트워크의 간섭 회피 방법, 클러스터 재구성 방법 및 상기 방법이 적용된 센서 네트워크 통신장치{Method of Avoiding Interference and Reclustering Method of Clustered Wireless Sensor Networks and Wireless Sensor Communication Apparatus Applied Thereto}

본 발명은 클러스터 구조의 센서 네트워크에서 클러스터링을 재구성 하는 방법에 대한 것으로, 센서 네트워크에서 무선 랜에 의한 간섭의 영향으로 성능이 저하되는 경우 간섭에 의해 영향을 받은 클러스터에 포함된 센서들의 클러스터링을 재구성하는 방법 및 이를 이용한 간섭 회피 방법에 대한 것이다.

최근들어 무선 통신기술과 통신장비의 급격한 발달에 따라 유비쿼터스 네트워킹 시대가 도래하였는데 유비쿼터스 네트워킹에는 낮은 전력 소모와 낮은 생산단가의 센서를 이용하는 센서 네트워크가 각광을 받고 있다.

센서 네트워크 기술 가운데 지그비(ZigBee) 기술은 링크 간 통신 거리는 짧지만 클러스터링 구조를 통하여 쉽게 통신 커버리지를 확장할 수 있는 장점이 있어 홈 네트워크, 가전 기기 제어, 산업 자동화 등의 다양한 분야에 널리 적용되고 있다.

하지만 지그비 단말노드는 같은 ISM(Industrial, Scientific and Medical) 밴드를 사용하는 IEEE 802.11 b/g 기간의 무선랜에 의해 간섭을 받을 수 있다. 특히 무선랜의 전력이 지그비 단말노드의 송신 전력보다 1000배 정도까지 크기 때문에 한 번 간섭을 받기 시작하면 심각한 성능 저하를 일으키게 된다.

위와 같은 무선랜 간섭에 의해 지그비 네트워크의 성능저하를 극복하기 위해 지그비 네트워크의 간섭 회피 알고리즘이 연구되기 시작하였는데 "Chulho Won, Jong-Hoon Youn, Hesham Ali, Hamid Sharif and Jitender Deogun, "Adaptive Radio Channel Allocation for Supporting Coexistence of 802.15.4 and 802.11b", VTC2005 fall, Vol. 4, pp. 2522-2526"에서는 선택적 다중 채널을 이용하여 무선랜의 간섭을 회피하는 알고리즘을 제안하였다. 즉, switching table(SWTB)을 이용하여 간섭을 받는 단말노드들의 동작 채널을 다른 채널로 옮기는 방법을 사용하였다. 간섭 영역 내의 단말들을 간섭 영역 밖의 단말들 사이의 통신을 위하여, 경계 노드들(border nodes)을 간섭 영역 내에 있지 않지만 그에 근접해 있는 노드들로 정의하여 border node가 간섭영역 내에서 사용되는 채널과 간섭 영역 밖에서 사용되는 채널을 모두 사용할 수 있도록 한다. 이렇게 하면 border 노드가 간섭 영역 내에서 사용하는 채널로 프레임을 수신하여 간섭 영역 밖에서 사용하는 채널로 프레임을 전송할 수 있고, 또 반대 방향의 프레임 수신/송신도 수행 가능하다. 하지만, 이 때 간섭 영역 내에 있는 노드들과 간섭영역 경계지역에 있는 border node들은 동일 채널을 사용하므로, 단말의 밀도가 높아짐에 따라 간섭 영역 근처에서 동일 채널 내의 경합(contention)/충돌(collision)이 빈번히 발생할 수 있는 문제점이 있다.

또한, "Min Suk Kang, Jo Woon Chong, Hyesun Hyun, Su Min Kim, Byoung Hoon Jung, and Dan Keun Sung, "Adaptive Interference-Aware Multi-Channel Clustering Algorithm in a ZigBee Network in the Presence of WLAN Interference", ISWPC 2007, Feb. 2007"에서는 pseudo random 시퀀스 발생기를 이용하여 새로운 채널을 만드는 방법을 제안하였으나, 무선랜의 간섭에 의해 깨지는 클러스터 내에 통신장애를 일으키는 단말노드(이하, "고아 단말노드"라 한다.)를 전혀 고려하지 않은 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 무선랜에 의해 깨지는 클러스터 내의 클러스터 헤드(CH)와 통신 장애를 일으키는 클러스터 구성노드(CM) (여기서는 고아 단말노드로 지칭)을 고려하여 무선랜의 간섭을 효과적으로 회피하는 동적 클러스터링 재구성 방법 및 이러한 클러스터링 재구성 방법에 의해 무선랜의 간섭을 효과적으로 회피하는 방법 및 센서 네트워크 통신장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 센서 네트워크의 간섭 회피 방법은 클러스터 구조의 센서 네트워크에서 외부 간섭에 의해 통신 장애가 있는 경우 간섭을 회피하는 방법에 있어서, 상기 클러스터내에 포함된 클러스터 헤드(CH)와 클러스터 멤버(CM)간의 동작채널 상에 외부 간섭이 발생하는지 여부를 감지하는 단계; 상기 외부 간섭이 감지되는 경우 외부 간섭에 의해 영향을 받은 클러스터를 이루는 클러스터 멤버 중에서 클러스터 헤드(CH)와 통신 장애가 있는 클러스터 멤버(CM)(이하, "고아 단말노드"라 한다.)를 대상으로 클러스터링을 재구성하는 단계를 포함한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 센서 네트워크의 클러스터링 재구성 방법은 클러스터 구조의 센서 네트워크에서 외부 간섭에 의해 통신 장애가 있는 단말노드(이하 '고아 단말노드'라 한다)를 처리하는 방법에 있어서, 상기 고아 단말노드에 인접한 주위 클러스터의 동작 채널을 순차적으로 스캔하는 단계; 상기 스캔된 결과를 이용하여 상기 고아 단말노드와 가장 가까운 클러스터를 선택하는 단계; 상기 선택단계에서 선택된 가장 가까운 클러스터에 상기 고아 단말노드가 편입되는 단계를 포함한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 센서 네트워크의 클러스터링 재구성 방법은 클러스터 구조의 센서 네트워크에서 외부 간섭에 의해 통신 장애가 있는 단말노드(이하 '고아 단말노드'라 한다)를 처리하는 방법에 있어서, 상기 고아 단말노드가 미리 설정된 일정시간동안 자신의 남은 배터리 전력을 브로드캐스팅 하는 단계; 상기 브로드캐스팅 단계에서 주고받은 각 고아 단말노드의 남은 배터리 전력을 이용하여 가장 남은 배터리 전력이 많은 고아 단말노드를 클러스터 헤드로 결정하는 단계; 상기 클러스터 헤드로 결정된 단말노드와 그 이외의 고아 단말노드간의 통신을 통해 새로운 클러스터로 편입하는 단계를 포함한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 센서 네트워크의 클러스터링 재구성 방법은 클러스터 구조의 센서 네트워크에서 외부 간섭에 의해 통신 장애가 있는 단말노드(이하 '고아 단말노드'라 한다)를 처리하는 방법에 있어서, 상기 고아 단말노드에 인접한 주위 클러스터의 동작 채널을 순차적으로 스캔하는 단계; 상기 스캔된 결과를 이용하여 상기 고아 단말노드와 가장 가까운 클러스터를 선택하는 단계; 상기 선택단계에서 선택된 가장 가까운 클러스터에 상기 고아 단말노드가 편입되는 단계; 상기 편입되는 단계에서 편입되지 못한 고아 단말노드가 미리 정된 일정시간동안 자신의 남은 배터리 전력을 브로드캐스팅 하는 단계; 상기 브로드캐스팅 단계에서 주고받은 각 고아 단말노드의 남은 배터리 전력을 이용하여 가장 남은 배터리 전력이 많은 고아 단말노드를 클러스터 헤드로 결정하는 단계; 상기 클러스터 헤드로 결정된 단말노드와 그 이외의 고아 단말노드간의 통신을 통해 새로운 클러스터로 편입하는 단계를 포함한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 센서 네트워크의 통신장치는 클러스터 구조의 센서 네트워크의 통신 장치에 있어서, 상기 클러스터를 이루는 통신 장치 간의 무선 통신을 수행하는 수단, 상기 클러스터 내부의 무선통신에 사용되는 채널의 간섭 여부를 탐지하는 수단, 상기 채널 간섭이 탐지되는 경우에, 상기 간섭이 탐지된 통신장치에 인접한 클러스터의 동작 채널을 스캔하는 수단, 상 기 스캔 결과를 이용하여 상기 무선 통신을 수행하는 수단에서 사용하는 채널을 변경하는 수단을 포함한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 센서 네트워크의 통신장치는 클러스터 구조의 센서 네트워크의 통신 장치에 있어서, 상기 클러스터를 이루는 통신 장치 간의 무선 통신을 수행하는 수단, 상기 클러스터 내부의 무선통신에 사용되는 채널의 간섭 여부를 탐지하는 수단, 상기 채널 간섭이 탐지되는 경우에, 자신의 배터리 전력을 브로드캐스팅 하는 수단, 상기 간섭이 탐지된 다른 통신장치에서 브로드캐스팅 되는 배터리 전력과 자신의 배터리 전력을 비교하여 상기 무선 통신을 수행하는 수단에서 사용하는 채널을 변경하는 수단을 포함한다.

이상과 같은 구성의 본 발명은 외부의 간섭에 의해 자신의 센싱 데이터를 전송하지 못하는 고아 단말노드를 없앨 수 있는 효과가 있다.

또한, 고아 단말노드가 없어짐에 따라 센서 네트워크의 센싱 영역이 증가하는 효과가 있다.

또한, 외부 간섭에 의해 발생할 수 있는 음영영역이 줄어드는 효과가 있다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 클러스터 구조의 센서 네트워크를 나타내는 도면으로 클러스터 구조 의 센서 네트워크는 하나의 PAN 코디네이터(PAN coordinator : PNC)(111)을 포함한다. PNC(111)는 달리 sink 단말노드라고도 표현한다. PNC(111)은 PAN의 형성, 유지 관리를 담당한다. PNC는 다수의 센서 통신장치(단말노드)로 이루어진 여러 개의 클러스터(110, 120, 130, 140)로 나누어 관리하는데, 각각의 클러스터(120) 내부에서 지역적인 관리를 담당하는 단말노드를 클러스터 헤드(121)라고 하고, 그 이외의 단말노드를 클러스터 멤버(122~124)라고 한다. 하나의 PAN 내의 모든 단말노드는 동일한 PAN 식별자(PAN identifier : PID)를 가지며, 동일한 클러스터(120) 내의 단말노드(121~124)는 동일한 클러스터 식별자(cluster identifier : CID)를 갖는다.

클러스터 멤버는 각각 자신이 수집한 데이터를 자신이 속한 클러스터의 클러스터 헤드로 전송하고, 클러스터 헤드는 수집 전송된 데이터를 PNC(111)에 도달하도록 중계한다.

도 2는 무선 랜에 의해 클러스터 내의 단말노드가 간섭받는 상황을 도시한 도면이다. 무선 랜의 AP(access point)의 통신 가능영역 내에 여러 개의 클러스터 멤버가 포함되어 클러스터 헤드와의 통신에 장애가 발생하여 자신의 센싱 데이터를 클러스터 헤드로 전송하지 못하게 되는 단말노드(이하, "고아 단말노드"라 한다.)가 발생하는 것을 도시하고 있다. 도 2의 좌측에는 다수의 클러스터 멤버가 외부 간섭에 의해 통신장애를 일으켜 고아 단말노드가 되는 것을 도시하고 있고, 도 2의 우측에는 클러스터 헤드가 통신장애를 일으켜 그 클러스터에 포함된 모든 클러스터 멤버가 고아 단말노드가 되는 것을 도시하고 있다. 앞서 언급한 바와 같이 고아 단말노드는 종래의 간섭 회피 방법인 동작 채널을 옮기는 것으로는 해결되지 않는다.

도 3은 무선 랜에 의한 간섭 영향을 받는 클러스터를 나타내는 도면이다. 도면에 도시한 바와 같이 무선 랜의 간섭에 의해 무선 랜의 통신 가능영역 내에 있는 모든 클러스터가 간섭을 받는 것은 아니다. 이는 클러스터 마다 서로 다른 채널을 사용하고 있고, 동작 채널이 무선 랜의 동작 주파수와 겹치는 클러스터만이 무선 랜에 의해 통신 장애를 일으킨다. 따라서 무선 랜의 영향을 받아 클러스터 헤드와의 통신이 어려운 고아 단말노드가 발생하는 클러스터는 도 3에서 예를 들면 ①, ②, ③, ④로 표시된 클러스터들이다. 이들 클러스터에 포함되어 있는 고아 단말노드는 클러스터 헤드와의 통신이 단절됨에 따라 클러스터 내부에서 사용하는 동작채널을 변경하더라도 통신이 가능하지 않을 뿐만 아니라 이들을 위해 동작 채널을 변경한다면 클러스터 내부의 모든 단말노드들이 동작 채널을 변경하여야 하므로 불필요한 에너지 소모가 발생하는 문제점이 발생한다.

도 4는 본 발명에 따른 제1 실시 예에 따른 클러스터링 재구성 방법을 나타내는 흐름도이다. 우선 외부 간섭 즉, 무선 랜에 의해 고아 단말노드가 발생한 경우 새로운 클러스터 헤드를 찾기 위해서 센서 네트워크의 동작 채널을 변경해가면서 액티브채널을 스캔한다. 단말노드가 지그비인 경우 동작 채널 11번부터 24번까지 액티브 채널을 스캔한다.

이하에서 지그비의 경우를 예로 들어 본 발명의 클러스터링 재구성 방법에 대해 설명한다.

각 클러스터의 클러스터 헤드는 주위에 있는 클러스터 멤버들의 정보를 자신이 관리하는 클러스터 내의 클러스터 멤버들한테 주기 때문에 고아 단말노드도 현 재 자기와 인접한 즉, 지그비 전송거리 안에 있는 클러스터 헤드들이 어떤 채널을 사용하고 있는지를 알 수 있다.(S401 단계)

채널 스캔 결과를 이용하여 고아 단말노드의 주위 클러스터의 클러스터 헤드를 탐지한다.(S402 단계)

단말노드들은 FFD(Full Function Device)와 RFD(Reduced Function Device)로 나뉘며, 고아 단말노드가 비콘을 요청할 수 있는 기능을 갖춘 장치(FFD)이면, 채널 스캔 결과를 이용하여 자신의 주위 클러스터의 클러스터 헤드를 탐지할 때, 고아 FFD 단말노드는 탐지된 클러스터 헤드의 동작 채널을 통하여 비콘 요구 메시지(beacon request command message)를 전송한 후 일정 기간 동안 수신 모드에 머물며 비콘 응답을 기다린다. 고아 단말노드가 비콘을 요청할 수 있는 기능을 갖추지 않은 장치(RFD)이면 이면, 채널 스캔 결과를 이용하여 자신의 주위 클러스터의 클러스터 헤드를 탐지할 때, 고아 RFD 단말노드는 탐지된 클러스터 헤드의 동작 채널에서 일정 기간 동안 수신 모드로 머물며 비콘 응답을 기다린다.(S403 단계)

채널 스캔이 종료되면(S404 단계) 클러스터 헤드의 응답을 이용하여 고아 단말노드에 가장 가까운 클러스터 헤드를 결정하는데 이 때 수신 신호 세기 (Received Signal Strength Indicator: RSSI)나 SINR (Signal to Interference and Noise Ratio가 가장 높은 클러스터 헤드를 가장 가까이 있는 클러스터 헤드라고 판단할 수 있다.(S405 단계) 만약 지그비 전송거리 안에 클러스터 헤드가 없거나 주위 클러스터의 클러스터 헤드와 통신이 원활하지 않은 경우 가장 가까운 클러스터 헤드를 결정할 수 없게 되고 이런 경우 고아 단말노드로 잔존하게 된다.(S409 단 계)

가장 가까운 클러스터 헤드를 결정한 경우 고아 단말노드는 접속 요구 메시지(association request command message)를 결정된 클러스터 헤드에 보낸다.(S406 단계) 접속 요구 메시지를 받은 클러스터 헤드는 고아 단말노드가 자신의 클러스터에 편입되어도 충분한 자원이 남아 있는지를 미리 설정된 일정한 시간동안에 결정하게 된다. 고아 단말노드가 편입되어도 충분한 자원이 남아 있는 경우 고아 단말노드의 편입을 허용하고 16bit의 어드레스를 포함하는 접속 응답 메시지(association response command message)를 고아 단말노드에게 전송한다.(S407 단계)

클러스터 헤드로부터 16bit 어드레스를 할당 받게 되면 이제부터 고아 단말노드는 가장 가까운 클러스터에 편입 되어 새로운 클러스터 헤드와 통신을 할 수 있게 된다.(S408 단계)

앞으로 이러한 본 발명의 제1 실시예를 병합 클러스터링(Merged Clustering)이라 칭한다. Merged Clustering은 각각 비콘 응답 메시지를 기다리고 접속 요구 메시지를 보내는데 시간이 필요하다. 하지만 주위 클러스터의 클러스터 헤드로 메시지를 보낼 때 그 클러스터에 포함된 클러스터 멤버 중 고아 단말노드에는 노출되지 않은 숨겨진 단말노드(hidden node)가 있을 수 있다. 이러한 단말노드는 고아 단말노드가 각 요구 메시지를 전송하는 동안 자신의 데이터를 클러스터 헤드로 전송할 수 있고 이러한 전송에 의해 모든 고아 단말노드가 요구 메시지를 전송하지 못하는 문제가 생길 수 있다. 이를 hidden node problem이라고도 한다. 이런 경우 클러스터 헤드와 통신하는 단말노드의 수가 예상치 못하게 증가할 수 있으므로 각 요구 메시지를 전송하는 시간은 숨겨진 단말노드를 고려하여 모든 고아 단말노드가 각 요구 메시지를 전송할 수 있도록 요구 메시지 전송시간을 설정하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명에 따른 제2 실시 예에 따른 센서 네트워크의 클러스터링 재구성 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명의 제2 실시 예에서는 우선 외부 간섭에 의해 통신장애가 발생한 경우 각 고아 단말노드들이 자신의 남은 배터리 전력을 서로에게 알려야 한다. 이를 위해 각 고아 단말노드들은 미리 설정된 일정한 시간동안(t_w) 동안 자신의 남아 있는 배터리 전력을 브로드캐스팅(broadcasting)한다.(S501 단계)

브로드캐스팅하는 시간인 t_w가 너무 짧다면 모든 고아 단말노드들이 자신의 정보를 전송하지 못 할 수도 있을 것이고, 반대로 너무 길다면 새로운 클러스터 헤드를 뽑는데 오랜 시간이 걸릴 것이다. 따라서 모든 고아 단말노드들이 자신의 정보를 전송할 수 있는 적절한 t_w를 설정하는 것이 매우 중요하다. 본 발명의 일실시 예에서는 t_w를 3개의 고아 단말노드가 브로드케스팅할 수 있는 시간으로 설정한다. 이는 지그비 단말노드의 밀도가 증가할수록 클러스터의 크기가 작아지고 따라서 무선 랜에 의해 통신장애를 일으키는 면적 역시 작아지게 된다. 반대로 지그비 단말노드의 밀도가 작아질수록 클러스터의 크기가 커지고 무선 랜에 의해 통신장애를 일으키는 면적 역시 커지게 된다. 하지만 무선 랜에 의해 통신 장애를 일으키는 면 적이 작아지더라도 지그비 단말노드의 밀도가 높기 때문에 지그비 단말노드의 밀도가 낮고 통신 장애를 일으키는 면적이 크더라도 단위 면적당 고아 단말노드의 수는 일정하기 때문에 대략 3개의 고아 단말노드가 정보를 주고 받을 수 있는 시간으로 설정하는 것이 바람직하다. CSMA/CA 프로토콜을 기반으로 하는 경우 한 실시 예로서 t_w를 14.4ms로 설정하는 것이 바람직하다.

고아 단말노드들의 브로드케스팅이 끝나면 수신된 다른 고아 단말노드의 배터리 전력과 자신의 배터리 전력을 비교하여 가장 배터리 전력이 많이 남아 있는 고아 단말노드를 새로운 클러스터의 클러스터 헤드로 선출한다.(S502 단계)

클러스터 헤드로 선출된 고아 단말노드는 자신이 클러스터 헤드임을 브로드 케스트 하고 이를 수신한 고아 단말노드는 새로 선출된 클러스터 헤드에 접속 요구 메시지를 보낸다. 이후의 과정은 Merged Clustering에서 설명한 것과 동일하다. 클러스터 헤드는 남아있는 자원을 고려하여 편입여부를 정하고 편입이 되면 16bit 어드레스가 포함되는 비콘 메시지를 전송한다.(S503, 504 단계) 클러스터 헤드로부터 16bit 어드레스를 할당 받게 되면 이제부터 고아 단말노드는 가장 가까운 클러스터에 편입 되어 새로운 클러스터 헤드와 통신을 할 수 있게 된다.(S505, 506 단계)

지그비 전송거리 밖에 있거나 통신장애 등의 이유로 새로 선출된 클러스터 헤드로부터 브로드케스트 메시지를 받지 못한 경우 고아 단말노드로 잔존하게 된다.(S507 단계) 다만, 고아 단말노드로 잔존될 확률은 Merged Clustering에 비해 현저히 낮다. 이하에서는 본 발명의 제2 실시예를 새로운 클러스터링 (New Clustering) 방법 이라 칭한다.

또한, 숨겨진 단말노드(hidden node)를 고려하여 모든 고아 단말노드가 각 요구 메시지를 전송할 수 있도록 요구 메시지 전송시간을 설정하는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 센서 네트워크의 클러스터링 재구성 방법을 나타내는 흐름도이다. 본 발명의 제3 실시예는 Merged Clustering과 New Clustering을 병합한 방법으로 우선 New Clustering을 수행하고 잔존하는 고아 단말노드를 대상으로 Merged Clustering을 수행한다.

이는 New Clustering은 도 7에 도시된 바와 같이 Merged Clustering에 비해 클러스터링의 수행시간이 현저히 작기 때문이다. 수행시간이 작은 이유는 New Clustering이 고아 단말노드사이에 주고받는 메시지의 수가 작고 서로간의 브로드케스팅 시간이 짧을 뿐만 아니라 Merged Clustering에서는 액티브 채널 스캔시간이 길기 때문이다. 따라서 우선 New Clustering을 수행한 후 잔존하는 고아 단말노드를 대상으로 Merged Clustering을 수행하는 것이 수행시간을 줄일 뿐만 아니라 잔존하는 고아 단말노드의 수를 줄일 수 있다. 이하에서는 본 발명의 제3 실시예를 Hybrid Clustering이라 칭한다.

위와 같이 두 개의 클러스터링을 병합하여 잔존하는 고아 단말노드의 수를 최소화 할 수 있고 도 7에 도시된 바와 같이 수행시간이 New Clustering과 그리 큰 차이가 나지는 않는다. 이는 New Clustering을 통해 대부분의 고아 단말노드가 새로운 클러스터로 편입되고 잔존하는 단말노드의 수가 그리 많지 않기 때문이다. 또 한, Merged Clustering의 경우 고아 단말노드가 증가할수록 수행시간이 증가하는데 이는 고아 단말노드사이에 메시지를 주고받을 시간이 단말노드의 수가 증가할수록 길어지기 때문이다.

밀도에 따른 잔존하는 고아 단말노드의 수는 도 8의 그래프로 확인할 수 있는데 그래프의 맨 위에 있는 커브는 종래의 클러스터링에 의한 잔존 고아 단말노드의 수를 나타낸 것이다. 도 8의 도시와 같이 밀도가 증가할수록 고아 단말노드의 수가 감소하는 것을 볼 수 있는데 이는 밀도가 증가할수록 각 단말노드간의 거리가 짧아져 그만큼 통신의 성공확률이 증가하기 때문이다. 또한, New Clustering의 경우 밀도에 거의 무관한 것을 볼 수 있는데 이는 New Clustering이 거의 단말노드간의 통신을 통해서만 클러스터링이 이루어지는 반면 Merged Clustering은 액티브 채널 스캔 단계가 존재하고 이 과정에서 주위에 있는 클러스터 헤드들에 비콘 요구 메시지를 보내는데 방해가 되는 숨겨진 단말노드의 수도 증가하기 때문이다.

도 9는 밀도에 따른 각 클러스터링에 의해 센싱이 가능한 영역을 나타내는 그래프이다. Merged Clustering에 비해 New Clustering이나 Hybrid Clustering에 의해 센싱 영역은 늘어나고 음영지역이 현저하게 감소함을 알 수 있다. 이를 통해 전체적인 센서 네트워크의 성능을 높일 수 있고 전체적인 에너지의 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 10은 본 발명에 따른 센서 네트워크 통신장치의 제1 실시예의 개략적인 블록도이다. 본 블록도의 센서 네트워크 통신장치(400)는 기본적으로 센서의 역할을 수행하는 기본 구성 및 센싱된 데이터를 송수신하기 위한 제반의 기본 구성을 모두 갖추고 있다. 도 10의 무선 통신 수단(410)은 센싱된 데이터 및 브로드캐스트되는 데이터를 수신하거나 자신의 메시지를 전송하는 부분이다. 이 무선 통신 수단(410)을 통해 각 단말노드는 자신이 센싱한 데이터를 클러스터 헤드로 전송하고 클러스터 헤드가 전송하는 데이터를 수신한다. 이 무선 통신 수단(410)에 수신되는 신호의 크기 등을 이용하여 간섭 탐지 수단(420)은 채널간의 통신을 감시하여 외부 간섭에 의한 통신 장애를 감지한다. 예를 들어, 통신 장애는 프레임 에러율이나 비콘 수신여부를 감시함을 통하여 감지할 수 있다. 간섭 탐지 수단(420)에 의해 간섭이 탐지되는 경우 채널 스캔 수단(430)은 주위 클러스터들의 동작 채널을 스캔하여 가장 가까운 클러스터 헤드와 메시지를 주고받는다. 앞서 각 클러스터링에서 설명한 바와 같이 가장 가까운 클러스터 헤드와 통신이 성공하게 되면 채널 변경 수단(440)은 그 클러스터에서 사용하는 채널로 동작 채널을 변경한다. (설명과 일치시키기 위해 도면을 수정하였습니다.)

도 11은 본 발명에 따른 센서 네트워크 통신장치의 제2 실시예의 개략적인 블록도이다. 도 11의 제2 실시예는 제1 실시예와 거의 유사하며 간섭 탐지 수단(420)에서 간섭을 탐지하는 경우 각 단말의 배터리 전력을 무선 통신 수단(410)을 통해 브로드캐스트 하고, 배터리 전력 비교 수단(450)은 수신되는 각 고아 단말노드의 배터리 전력을 비교하여 자신의 배터리가 다른 고아 단말노드보다 많은 경우 자신이 클러스터 헤드임을 다른 고아 단말노드들에게 브로드캐스트한다. 그 이외의 동작은 센서 네트워크의 제1 실시예과 동일하므로 설명을 생략한다.(설명과 일치시키기 위해 도면을 수정하였습니다.)

이상 구체적인 구성요소 등의 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 본 발명의 구성을 설명하였으나, 이는 본 발명에 대한 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 본 발명은 상기의 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 형태의 수정 및 변형을 가할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 대상은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

도 1은 클러스터 구조의 센서 네트워크를 나타내는 도면이고,

도 2는 무선 랜에 의해 클러스터내의 단말노드가 간섭받는 상황을 도시한 도면이고,

도 3는 무선 랜의 영향으로 오염된 클러스터들을 나타내는 도면이고,

도 4는 본 발명에 따른 제1 실시 예에 따른 센서 네트워크의 동적 클러스터링 방법을 나타내는 흐름도이고,

도 5는 본 발명에 따른 제2 실시 예에 따른 센서 네트워크의 동적 클러스터링 방법을 나타내는 흐름도이고,

도 6은 본 발명에 따른 제3 실시 예에 따른 센서 네트워크의 동적 클러스터링 방법을 나타내는 흐름도이고,

도 7은 본 발명에 따른 각 실시 예에 의한 클러스터링의 구성시간을 나타내는 그래프이고,

도 8은 본 발명에 따른 각 실시 예에 의해 동적 클러스터링을 수행하고 나서 남아 있는 고아 단말노드의 수를 나타내는 그래프이고,

도 9는 본 발명에 따른 각 실시 예에 의해 동적 클러스터링을 수행하고 나서 증가하는 센싱 영역을 나타내는 그래프이고,

도 10은 본 발명에 따른 센서 네트워크 통신장치의 제1 실시예의 개략적인 블록도이고,

도 11은 본 발명에 따른 센서 네트워크 통신장치의 제2 실시예의 개략적인 블록도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

무선 랜의 커버리지 영역 : 310 무선 랜의 액서스 포인트 : 311

클러스터 : 110, 120, 130, 140 클러스터 헤드 : 121

단말노드 : 122, 123, 124 센서 네트워크의 통신장치 : 400

무선 통신 수단 : 410 간섭 탐지 수단 : 420

채널 스캔 수단 : 430 채널 변경 수단 : 440

브로드캐스팅 수단 : 450

Claims (23)

1. 클러스터 구조의 센서 네트워크에서 외부 간섭에 의해 통신 장애가 있는 경우 간섭을 회피하는 센서 네트워크의 간섭회피방법에 있어서,

   상기 클러스터 내에 포함된 클러스터 헤드(CH)와 클러스터 멤버(CM) 간의 동작채널상에 외부 간섭이 발생하는지의 여부를 각각의 클러스터 멤버(CM)가 감지하는 단계와,

   상기 외부 간섭이 감지되는 경우, 외부 간섭에 의해 영향을 받은 클러스터를 이루는 클러스터 멤버 중에서 클러스터 헤드(CH)와 통신 장애가 있는 클러스터 멤버(CM)(이하, '고아 단말노드'라 한다.)를 대상으로 클러스터링을 재구성하는 단계를 포함하여 구성되고,

   상기 클러스터링을 재구성하는 단계는, 상기 통신 장애가 있기 전에 상기 고아 단말노드에 인접한 클러스터의 동작채널을 스캔하여 상기 외부 간섭에 의해 영향을 받지 않은 클러스터로 편입하는 단계를 포함하며,

   상기 동작 채널의 스캔은, 주위 클러스터의 숨겨진 단말노드(hidden node)를 고려하여 모든 고아 단말노드가 주위 클러스터에게 비콘 요구 메시지(beacon request message)를 보낼 수 있는 미리 설정된 시간동안 수행되며,

   상기 클러스터링을 재구성하는 단계는, 상기 고아 단말노드와 인접한 주위 클러스터의 동작채널을 스캔하여 상기 외부 간섭에 의해 영향을 받지 않은 클러스터로 편입하는 단계와,

   상기 편입하는 단계에서 편입되지 못한 고아 단말노드 중 에너지가 가장 많이 남아 있는 고아 단말노드를 클러스터 헤드로 하여 새로운 클러스터를 생성하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 간섭회피방법.
2. 클러스터 구조의 센서 네트워크에서 외부 간섭에 의해 통신 장애가 있는 단말노드(이하, '고아 단말노드'라 한다)를 처리하는 센서 네트워크의 동적 클러스터링 재구성방법에 있어서,

   상기 고아 단말노드에서, 상기 고아 단말노드에 인접한 주위 클러스터의 동작 채널을 순차적으로 스캔하는 단계와,

   상기 스캔된 결과를 이용하여 상기 고아 단말노드와 가장 가까운 클러스터를 선택하는 단계와,

   상기 선택단계에서 선택된 가장 가까운 클러스터에 상기 고아 단말노드가 편입되는 단계를 포함하여 구성되고,

   상기 동작 채널을 스캔하는 단계에서, 상기 고아 단말노드는, 통신 장애가 있기 전에 상기 고아 단말노드에 인접한 클러스터들이 사용하는 채널만을 스캔하며,

   상기 동작 채널의 스캔은, 주위 클러스터의 숨겨진 노드(hidden node)를 고려하여 모든 고아 단말노드가 주위 클러스터에게 비콘 요구 메시지(beacon request message)를 보낼 수 있는 미리 설정된 시간 동안 수행되고,

   상기 선택된 가장 가까운 클러스터에 편입하는 단계는, 상기 고아 단말노드가 가장 가까운 클러스터의 클러스터 헤드에게 접속요구 메시지(association request message)를 보내는 단계와,

   상기 접속요구 메시지를 수신한 클러스터 헤드가 접속응답 메시지(association response message)를 송신하는 단계를 포함하며,

   상기 접속요구 메시지를 수신한 클러스터 헤드는, 미리 설정된 일정시간 동안 자신의 클러스터에 편입된 단말노드와 통신 가능 자원을 비교한 후, 상기 접속응답 메시지를 송신하도록 구성된 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 동적 클러스터링 재구성방법.
3. 클러스터 구조의 센서 네트워크에서 외부 간섭에 의해 통신 장애가 있는 단말노드(이하, '고아 단말노드'라 한다)를 처리하는 센서 네트워크의 동적 클러스터링 재구성방법에 있어서,

   상기 고아 단말노드가 미리 설정된 일정시간동안 자신의 남은 배터리 전력을 브로드캐스팅 하는 단계와,

   상기 브로드캐스팅 단계에서 주고받은 각 고아 단말노드의 남은 배터리 전력을 이용하여 상기 고아 단말노드 중에서 남은 배터리 전력이 가장 많은 고아 단말노드를 클러스터 헤드로 결정하는 단계와,

   상기 클러스터 헤드로 결정된 단말노드와 그 이외의 고아 단말노드간의 통신을 통해 새로운 클러스터로 편입하는 단계를 포함하여 구성되고,

   상기 브로드캐스팅 단계는, 3개의 고아 단말노드가 서로 남은 배터리 전력 정보를 브로드캐스트 할 수 있는 시간만큼 수행되며,

   상기 새로운 클러스터로 편입하는 단계는, 상기 고아 단말노드가 상기 새로운 클러스터의 클러스터 헤드로 결정된 단말노드에게 접속요구 메시지(association request message)를 보내는 단계와,

   상기 접속요구 메시지를 수신한 클러스터 헤드가 접속응답 메시지(association response message)를 송신하는 단계를 포함하고,

   상기 접속요구 메시지를 수신한 클러스터 헤드는, 미리 설정된 일정시간 동안 자신의 클러스터에 편입된 단말노드와의 통신 가능 자원을 고려하여 상기 접속응답 메시지를 송신하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 동적 클러스터링 재구성방법.
4. 클러스터 구조의 센서 네트워크에서 외부 간섭에 의해 통신 장애가 있는 단말노드(이하, '고아 단말노드'라 한다)를 처리하는 센서 네트워크의 동적 클러스터링 재구성 방법에 있어서,

   상기 고아 단말노드에서, 상기 고아 단말노드에 인접한 주위 클러스터의 동작 채널을 순차적으로 스캔하는 단계와,

   상기 스캔된 결과를 이용하여 상기 고아 단말노드와 가장 가까운 클러스터를 선택하는 단계와,

   상기 선택단계에서 선택된 가장 가까운 클러스터에 상기 고아 단말노드가 편입되는 단계와,

   상기 편입되는 단계에서 편입되지 못한 고아 단말노드가 미리 설정된 일정시간동안 자신의 남은 배터리 전력을 브로드캐스팅 하는 단계와,

   상기 브로드캐스팅 단계에서 주고받은 각 고아 단말노드의 남은 배터리 전력을 이용하여 가장 남은 배터리 전력이 가장 많은 고아 단말노드를 클러스터 헤드로 결정하는 단계와,

   상기 클러스터 헤드로 결정된 단말노드와 그 이외의 고아 단말노드간의 통신을 통해 새로운 클러스터로 편입하는 단계를 포함하여 구성되고,

   상기 동작 채널을 스캔하는 단계에서, 상기 고아 단말노드는, 통신 장애가 있기 전에 상기 고아 단말노드에 인접한 클러스터들이 사용하는 채널만을 스캔하며,

   상기 동작 채널의 스캔은, 주위 클러스터의 숨겨진 노드(hidden node)를 고려하여 모든 고아 단말노드가 주위 클러스터에게 비콘 요구 메시지(beacon request message)를 보낼 수 있는 미리 설정된 시간동안 수행되고,

   상기 브로드캐스팅 단계는, 3개의 고아 단말노드가 서로 남은 배터리 전력 정보를 브로드캐스트 할 수 있는 시간만큼 수행되도록 구성된 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 동적 클러스터링 재구성방법.
5. 클러스터 구조의 센서 네트워크의 통신장치에 있어서,

   상기 클러스터를 이루는 통신 장치간의 무선통신을 수행하는 수단과,

   상기 클러스터 내부의 무선통신에 사용되는 채널의 간섭 여부를 탐지하는 수단과,

   상기 채널 간섭이 탐지되는 경우에, 상기 간섭이 탐지된 통신장치에 인접한 클러스터의 동작 채널을 스캔하는 수단과,

   상기 스캔 결과를 이용하여 상기 무선통신을 수행하는 수단에서 사용하는 채널을 변경하는 수단을 포함하여 구성되고,

   상기 채널을 스캔하는 수단은, 상기 인접한 클러스터의 숨겨진 노드(hidden node)를 고려하여 통신 장애가 있는 모든 통신장치가 주위 클러스터에게 비콘 요구 메시지(beacon request message)를 보낼 수 있는 미리 설정된 시간 동안 상기 채널을 스캔하며,

   상기 채널을 변경하는 수단은, 상기 스캔 결과를 이용하여 상기 무선통신을 수행하는 수단에서 사용하는 채널을 상기 인접한 클러스터 중 가장 가까운 클러스터에서 사용하는 동작 채널로 변경하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 통신장치.
6. 클러스터 구조의 센서 네트워크의 통신장치에 있어서,

   상기 클러스터를 이루는 통신장치간의 무선통신을 수행하는 수단과,

   상기 클러스터 내부의 무선통신에 사용되는 채널의 간섭 여부를 탐지하는 수단과,

   상기 채널 간섭이 탐지되는 경우에, 자신의 배터리 전력을 브로드캐스팅 하는 수단과,

   상기 간섭이 탐지된 다른 통신장치에서 브로드캐스팅 되는 배터리 전력과 자신의 배터리 전력을 비교하여, 상기 무선통신을 수행하는 수단에서 사용하는 채널을 변경하는 수단을 포함하여 구성되고,

   상기 브로드캐스팅 수단은, 3개의 통신 장애 통신장치가 서로 남은 배터리 전력 정보를 브로드캐스트 할 수 있는 시간만큼 브로드캐스팅을 수행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 센서 네트워크의 통신장치.
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