KR101023499B1 - 클러스터링에 의한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 장치및 방법 - Google Patents

클러스터링에 의한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 장치및 방법 Download PDF

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Abstract

클러스터링에 의한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 장치 및 방법이 개시된다. 클러스터 헤드 설정부는 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드가 복수의 그룹으로 분류되어 형성되며 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 주기마다 재구성되는 클러스터를 형성하기 위해 센서노드 중에서 설정된 복수의 임시 클러스터 헤드로부터 브로드캐스팅된 복수의 메시지를 송수신부가 수신하면, 동작 모드를 복수의 임시 클러스터 헤드의 데이터 전송 범위를 모두 포함하는 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 데이터를 수집하는 클러스터 헤드로 설정한다. 송수신부는 동일한 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 수집한 데이터를 무선 센서 네트워크의 베이스 스테이션으로 전송한다. 본 발명에 따르면, 임시 클러스터 헤드와의 관계를 고려하여 동작 모드를 클러스터 헤드로 설정함으로써, 클러스터 간의 거리 및 크기의 불균형을 해소할 수 있다.
임시 클러스터 헤드, 전역 클러스터 헤드, 에너지량

Description

클러스터링에 의한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 장치 및 방법{Apparatus and method for transmitting data in wireless sensor network by clustering}
본 발명은 클러스터링에 의한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 동일한 클러스터에 속하는 센서노드의 데이터를 수집하여 베이스 스테이션으로 전송하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선통신의 발달과 함께 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Networks : WSN)가 온도, 습도, 광조건, 압력, 소음 등을 검출하기 위한 다양한 분야에서 적용되고 있다. 이러한 응용은 특히 인간이 방문하기 곤란한 심해, 남극 등과 같은 원거리 지역에서의 정보 획득에 유용하다. 비록 센서가 저렴하기는 하지만, 이들은 계산 용량과 전원 수명에 있어서 제한을 가지고 있다는 문제가 있다.
센서 네트워크를 구성할 때에는 네트워크 작동, 노드 배치, 에너지 소비, 데이터 전달 모델, 노드 용량, 데이터 통합 등과 같은 여러 가지 사항을 고려하여야 한다. 이 중에서 에너지 소비는 현재까지도 가장 중요한 사항에 해당한다. 효율적인 에너지 소비를 위해 센서 네트워크의 라우팅 구조가 중요하다. 센서 네트워크 프로토콜을 평가하기 위해 용이한 배치, 시스템 수명, 잠재 능력 및 품질과 같은 항목들이 사용된다.
센서 네트워크를 설정하기 위한 구조에는 크게 세 가지가 있다. 하나는 멀티 홉 라우팅(multi-hop routing) 구조이다. 도 1은 멀티 홉 라우팅 구조를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 멀티 홉 라우팅 구조에서, 센서들은 주위의 영역을 감지하고 데이터를 베이스 스테이션(Base Station : BS)으로 전송한다. 이때 각각의 센서들은 데이터를 설정된 데이터 전송 범위 R 내의 노드들 중에서 BS와 가까운 노드들로 데이터를 전송한다. 즉, 도 1에서 노드 1이 BS로 데이터를 전송하고자 할 때 자신의 데이터 전송 범위 내에 위치하는 노드 중에서 BS와 가장 가까운 노드 2로 먼저 데이터를 전송하고, 노드 2는 노드 4로 데이터를 전송한다. 이와 같은 과정을 반복하여 노드 1의 데이터가 BS로 전송된다. 이와 같은 멀티 홉 라우팅 구조에서는 BS와 인접한 노드들이 다른 노드보다 빠르게 에너지를 소비한다.
다른 하나는 클러스터링(clustering) 구조이다. 도 2는 클러스터링 구조를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 일반적인 노드들은 주위의 영역을 감지하고, 데이터를 자신이 속하는 클러스터의 클러스터 헤드(Cluster Head : CH)로 전송한다. 그리고 CH는 클러스터의 모든 노드로부터 수신한 데이터를 통합하여 BS로 전송한다. 클러스터링 라우팅 구조에서 중요한 요소는 CH의 수와 위치, 그리고 클러스터의 밀도이다. 특히, CH의 위치는 전체 네트워크의 수명에 영향을 미치는 핵심적인 요소이다.
마지막 하나는 현재 가장 많이 연구되고 있는 멀티 홉 클러스터링(multi-hop clustering) 구조이다. 멀티 홉 클러스터링 구조는 앞의 두 가지 구조의 장점을 채용하고 있다. CH는 클러스터를 구성하는 노드들로부터 데이터를 수신하면 상위 레벨의 CH로 몇번의 홉을 통해 수신된 데이터를 BS로 전송한다.
한편, 센서 네트워크의 라우팅 구조는 자체 설정과 중앙 설정의 두 가지로 구분될 수 있다. 자체 설정 구조에서 각각의 노드는 BS의 개입없이 스스로 네트워크를 설정한다. 이와 달리 중앙 설정 구조에서는 각각의 노드가 자신의 데이터를 BS로 전송한 후 BS가 각각의 노드의 역할을 결정하고, 네트워크의 설정에 대해 노드들에게 통지한다.
최근까지 센서 네트워크의 효율적인 에너지 소비를 통해 센서 네트워크의 수명을 증가시키고자 하는 점에 초점을 둔 연구가 많이 진행되어 왔다. 이러한 연구결과 중 하나는 전체 네트워크의 효율적인 에너지 소비를 위해 랜덤 로테이션을 사용하여 CH를 선정하는 방법인 저에너지 적응 클러스터링 계층(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy : LEACH) 기법이다. LEACH 기법은 랜덤 로테이션에 의해 CH를 선정하는 가장 널리 알려진 클러스터링 기법이다. 이 기법은 각각의 노드가 매 로테이션시 CH가 될 것인지 여부를 결정하는 자체 설정 구조이다. LEACH 기법은 많은 에너지를 소비하는 CH의 역할을 균등하게 분담함으로써 네트워크의 수명을 연장한다. 도 2에 나타난 CH들은 LEACH 기법에 의해 선정된 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이 LEACH 기법을 사용할 경우 CH들이 거리를 고려하여 선정되지 않기 때문에 클러스터의 거리와 크기 면에서 불균형하다는 단점이 있다.
다른 연구결과로는 거리 요소로 강한 헤드(Strong Head : SH)를 사용하는 계 층적인 클러스터링 기법인 최대 에너지 라우팅 프로토콜(Maximum Energy Routing Protocol : MESH) 기법이 있다. MESH 기법에서 앞에서 설명한 LEACH 기법에 의해 선정된 CH들은 BS에 대한 자신들의 상대적 위치를 계산하여 SH를 선정한다. 선정된 SH는 CH들이 비CH들로부터 수집한 데이터를 모으고, 이를 한번에 BS로 전송한다. 이러한 MESH 기법은 BS와의 통신을 위해 필요한 에너지 소비를 상당히 줄일 수 있다. 그러나 MESH 기법에서는 SH를 선정할 때 거리에 관한 측면만 고려하므로 에너지 소비에 대한 효율성이 저하된다는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 무선 센서 네트워크를 구성하는 복수의 센서노드를 기초로 형성된 클러스터 간의 거리 및 크기의 불균형을 해소하고, 베이스 스테이션으로 데이터를 전송하는 센서노드들의 에너지 소비의 효율성을 개선하는 데이터 전송 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 무선 센서 네트워크를 구성하는 복수의 센서노드를 기초로 형성된 클러스터 간의 거리 및 크기의 불균형을 해소하고, 베이스 스테이션으로 데이터를 전송하는 센서노드들의 에너지 소비의 효율성을 개선하는 데이터 전송 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 클러스터링에 의한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 장치는, 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드로부터 브로드캐스팅된 메시지를 수신하고, 동작 모드에 따라 설정된 데이터 전송 범위 내에 위치하는 센서노드에 대해 메시지를 브로드캐스팅하는 송수신부; 및 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드가 복수의 그룹으로 분류되어 형성되며 상기 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 주기마다 재구성되는 클러스터를 형성하기 위해 상기 센서노드 중에서 설정된 복수의 임시 클러스터 헤드로부터 브로드캐스팅된 복수의 메시지를 상기 송수신부가 수신하면, 동작 모드를 상기 복수의 임시 클러스터 헤드의 데이터 전송 범위를 모두 포함하는 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 데이터를 수집하는 클러스터 헤드로 설정하는 클러스터 헤드 설정부;를 구비하며, 상기 송수신부는 동일한 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 수집한 데이터를 상기 무선 센서 네트워크의 베이스 스테이션으로 전송한다.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 클러스터링에 의한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방법은, 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드가 복수의 그룹으로 분류되어 형성되며 상기 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 주기마다 재구성되는 클러스터를 형성하기 위해 상기 센서노드 중에서 설정된 복수의 임시 클러스터 헤드로부터 브로드캐스팅된 복수의 메시지를 수신하면, 동작 모드를 상기 복수의 임시 클러스터 헤드의 데이터 전송 범위를 모두 포함하는 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 데이터를 수집하는 클러스터 헤드로 설정하는 클러스터 헤드 설정단계; 및 동일한 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 수집한 데이터를 상기 무선 센서 네트워크의 베이스 스테이션으로 전송하는 데이터 전송 단계;를 갖는다.
본 발명에 따른 본 발명에 따른 클러스터링에 의한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 장치 및 방법에 의하면, 임시 클러스터 헤드와의 관계를 고려하여 동작 모드를 클러스터 헤드로 설정함으로써, 클러스터 간의 거리 및 크기의 불균형을 해소할 수 있다. 또한 동작 모드를 전역 클러스터 헤드로 설정할 때 거리와 에너지량을 모두 고려함으로써, 센서노드들이 균등하게 에너지를 소비하도록 하여 효율성을 높일 수 있다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 클러스터링에 의한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 클러스터링에 의한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 장치에 대한 바람직한 일 실시예의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 데이터 전송 장치는 송수신부(310), 임시 클러스터 헤드 설정부(320), 클러스터 헤드 설정부(330) 및 전역 클러스터 헤드 설정부(340)를 구비한다. 또한 본 발명에 따른 데이터 전송 장치는 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드 중 하나로서, 무선 센서 네트워크의 베이스 스테이션(BS)에 자신이 수집한 데이터를 전송한다.
송수신부(310)는 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드로부터 브로드캐스팅된 메시지를 수신하고, 동작 모드에 따라 설정된 데이터 전송 범위 내에 위치하는 센서노드에 대해 메시지를 브로드캐스팅한다. 또한 송수신부(310)는 데이터 수집 및 다른 센서노드 및 BS에 대한 데이터 전송 기능도 수행한다. 송수신부(310)에 의해 송수신되는 메시지 및 데이터에 관하여는 후에 상세히 설명한다.
임시 클러스터 헤드 설정부(320)는 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드의 개수 및 클러스터를 형성하기 위해 필요한 임시 클러스터 헤드의 개수를 기초로 동작 모드를 임시 클러스터 헤드로 설정하기 위한 제1확률값을 산출한다. 클러스터 는 센서노드들이 복수의 그룹으로 분류되어 형성되며, 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 주기마다 재구성된다. 임시 클러스터 헤드(temporary cluster head, 이하 TCH)는 클러스터를 형성하기 위해 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드 중에서 선정되는 것으로, 각 센서노드는 자신이 TCH로 동작할 것인지 여부를 스스로 결정한다.
도 2에 도시된 바와 같이 기존의 LEACH 기법에 의해 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드들 중에서 랜덤 로테이션(random rotation)에 의해 클러스터 헤드(CH)를 선정하는 경우, 각 CH에 대응하는 클러스터 간의 거리 및 각 클러스터의 크기에 있어서 불균형이 발생할 수 있다. 또한 기존의 MESH 기법에 의해 CH들 중에서 강한 헤드(SH)를 선정하는 경우, 거리 요소만을 고려하기 때문에 BS로부터 가까운 CH가 에너지를 빨리 소비하여 전체 센서 네트워크의 에너지 소비가 비효율적이라는 문제가 있다.
따라서 본 발명에 따른 데이터 전송 장치는 CH를 선정하기 전에 클러스터 간의 거리 및 크기 불균형을 해소하여 최적화된 클러스터가 형성되도록 하기 위해 TCH로 동작할 수 있다. 이때 TCH로 동작할지 여부를 결정하는 방식은 기존의 LEACH 기법을 따른다. 이하에서는 LEACH 기법에 의해 동작 모드를 설정하는 과정에 관하여 상세하게 설명한다.
LEACH 기법은 각 센서노드가 스스로 CH가 될 것인지 여부를 결정하는 것을 기반으로 한다. 따라서 본 발명에 따른 데이터 전송 장치는 매 데이터 전송 주기마다 임시 클러스터 헤드 설정부(320)에 의해 TCH로 동작할 것인지 여부가 결정된다. 이는 무선 센서 네트워크의 전체 센서노드의 개수 및 클러스터의 형성을 위해 필요한 TCH의 개수를 기초로 동작 모드를 TCH로 설정하기 위한 확률을 산출함으로써 수행된다. 필요한 TCH의 개수는 무선 센서 네트워크 상에서 형성되는 클러스터의 개수를 기초로 결정되는데, 일 예로 200개의 센서노드로 구성된 무선 센서 네트워크 상에서 5개의 클러스터를 형성하는 것을 목표로 한다면, 클러스터의 형성을 위해 선정될 TCH의 개수는 16개로 결정할 수 있다.
임시 클러스터 헤드 설정부(320)는 시간 t로부터 시작되는 r+1번째 데이터 전송 주기에서 동작 모드를 TCH로 설정하기 위한 제1확률값을 산출하며, 이는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009017750755-pat00001
여기서, Pi(t)는 제1확률값, N은 무선 센서 네트워크를 구성하는 전체 센서노드의 개수, k는 클러스터의 형성에 필요한 TCH의 개수, r은 시간 t 이전의 데이터 전송 주기의 반복 횟수, 그리고 Ci(t)는 지표 함수(indicator function)로서 시간 t 이전에 데이터 전송 주기가 r번 반복되는 동안 TCH로 동작한 적이 있는 경우에는 0으로, 그렇지 않은 경우에는 1로 설정된다.
본 발명에 따른 데이터 전송 장치의 동작 모드를 TCH로 설정할 것인지 여부는 수학식 1에 의해 산출된 제1확률값을 기초로 결정된다. 구체적으로, 임시 클러 스터 헤드 설정부(320)는 동작 모드를 설정하기 위해 생성된 난수가 제1확률값을 기초로 설정된 범위 내에 포함되면 TCH로 동작할 것을 결정할 수 있다. 예를 들면, 앞에서와 같이 200개의 센서노드들이 5개의 클러스터를 형성하기 위해 16개의 TCH가 필요한 경우, 첫 번째 데이터 전송 주기에서는 r=0이므로 모든 센서노드들에 대해 산출된 제1확률값은 16/200으로 동일하다. 따라서 임시 클러스터 헤드 설정부(320)는 1 내지 100 사이의 범위에 속하는 난수를 생성하고, 생성된 난수가 이 중에서 16/200의 확률값에 해당하는 범위인 1 내지 8에 포함되면 동작 모드를 TCH로 설정할 수 있다. 그러나 이는 동작 모드가 TCH로 설정될 확률을 의미하는 것이므로 생성된 난수가 설정된 범위 내에 포함되더라도 동작 모드를 TCH로 설정하지 않을 수 있다. 따라서 전체 센서 네트워크 상에서 TCH로 동작하는 센서노드의 개수는 반드시 정해진 개수가 아니며, TCH로 동작하는 센서노드가 없을 수도 있고 모든 센서노드의 동작 모드가 TCH로 설정될 수도 있다.
두 번째 데이터 전송 주기 이후에는 각 센서노드에 대해 산출되는 제1확률값이 서로 달라지게 된다. 즉, 후보 센서노드가 이전의 몇 주기 동안 TCH로 동작한 적이 있다면 수학식 1에 의해 제1확률값은 0이 되고, TCH로 동작한 적이 없다면 데이터 전송 주기가 반복됨에 따라 동작 모드가 TCH로 설정될 확률이 높아지게 된다. 이러한 시스템은 일정 횟수의 데이터 전송 주기, 예를 들면 수학식 1에서 N/k 회의 데이터 전송 주기가 종료하였을 때 무선 센서 네트워크를 구성하는 모든 센서노드가 적어도 한 번씩은 TCH로 선정될 수 있도록 한다.
동작 모드가 TCH로 설정되면, 송수신부(310)는 TCH 동작 모드에 따라 설정된 데이터 전송 범위 내에 위치하는 다른 센서노드들에게 동작 모드가 TCH임을 나타내는 메시지를 브로드캐스팅한다. 자신의 동작 모드가 TCH로 설정되었지만 동시에 다른 TCH의 데이터 전송 범위에 속하는 경우에는 다른 TCH로부터 메시지를 수신할 수도 있다. 그러나 동작 모드가 TCH로 설정되지 않았다면, 그러한 메시지를 브로드캐스팅하지 않고 인접한 TCH로부터 메시지를 수신한다. 또한 각 TCH의 데이터 전송 범위는 서로 중첩될 수 있으므로, 복수의 TCH의 데이터 전송 범위에 동시에 속하는 센서노드는 복수의 메시지를 전송받게 된다.
클러스터 헤드 설정부(330)는 클러스터를 형성하기 위해 센서노드 중에서 설정된 복수의 임시 클러스터 헤드로부터 브로드캐스팅된 복수의 메시지를 송수신부(310)가 수신하면, 동작 모드를 클러스터 헤드로 설정한다. 클러스터 헤드(CH)는 복수의 임시 클러스터 헤드의 데이터 전송 범위를 모두 포함하는 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 데이터를 수집하는 기능을 수행한다.
복수의 TCH로부터 메시지를 수신하는 것은 자신의 위치가 복수의 TCH의 데이터 전송 범위가 중첩된 영역에 속한다는 것을 의미한다. 따라서 이러한 경우에 본 발명에 따른 데이터 전송 장치는 자신과 동일한 클러스터에 속하는 다른 센서노드들로부터 데이터를 수집하는 CH로 동작할 수 있다. 따라서 전체 센서 네트워크의 측면에서는 복수의 TCH로부터 메시지를 전송받은 센서노드들, 즉 복수의 TCH의 데이터 전송 범위가 중첩되는 영역 내에 포함된 센서노드들 중에서 CH로 동작할 센서노드가 선정된다.
클러스터 헤드 설정부(330)는 송수신부(310)가 복수의 인접한 TCH로부터 메 시지를 수신하면 동작 모드를 CH로 설정하기 위한 제2확률값을 산출한다. 먼저, 제2확률값은 다음의 수학식 2와 같이 전체 센서 네트워크에 대해 추정한 보유 에너지량에 대한 자신의 잔여 에너지량의 비에 따라 결정되며, 인접한 TCH로부터 수신한 메시지의 수에 비례한다.
Figure 112009017750755-pat00002
여기서, CHP는 후보 센서노드가 CH로 결정될 확률, ER은 잔여 에너지량, ET는 전체 네트워크의 보유 에너지량, s는 산출된 값을 확대시키기 위해 곱해지는 계수, 그리고 #TCH는 인접한 TCH로부터 수신한 메시지의 개수이다.
확률은 1을 넘을 수 없으므로 최종적으로 클러스터 헤드 설정부(330)는 후보 센서노드가 CH로 결정될 최종 확률인 제2확률값을 다음의 수학식 3과 같이 산출한다.
Figure 112009017750755-pat00003
여기서, PCH는 제2확률값이고, CHP는 수학식 2에 의해 산출된 확률이다.
동작 모드를 CH로 설정하는 과정도 확률값을 기초로 이루어지므로 구체적인 과정은 TCH의 경우와 동일하다. 즉, 동작 모드를 설정하기 위하여 생성된 난수가 제2확률값에 의해 설정된 범위 내에 속하면 동작 모드를 CH로 설정할 수 있는 것이다. 이때 TCH의 경우와 마찬가지로 클러스터 헤드 설정부(330)는 생성된 난수가 제 2확률값에 의해 설정된 범위 내에 속하여도 동작 모드를 CH로 설정하지 않을 수 있다. 그러나 TCH의 경우와는 다르게 자신의 위치가 중첩된 TCH의 데이터 전송 범위 내에 속한다고 해서 항상 CH로 설정될 수 있는 것은 아니다. CH는 각 클러스터, 즉 복수의 TCH의 데이터 전송 범위를 모두 포함하는 클러스터 영역에 대하여 하나만 선정되어야 하기 때문이다.
이와 같이 하나의 클러스터에 대해 복수의 CH가 선정되는 것을 방지하기 위해 클러스터 헤드 결정부(330)에 의해 동작 모드가 CH로 설정되면 송수신부(310)는 동일한 클러스터 영역에 속하는 센서노드들로 동작 모드가 클러스터 헤드임을 나타내는 메시지를 브로드캐스팅한다. 또한 동일한 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 동작 모드가 클러스터 헤드임을 나타내는 메시지를 수신하면 클러스터 헤드 결정부(330)는 동작 모드를 CH로 설정하기 위한 제2확률값을 산출하지 않는다. 즉, 동일한 클러스터 내에 이미 CH로 동작하는 센서노드가 존재하므로 CH로 동작할 수 없다.
한편, 송수신부(310)가 복수의 TCH로부터 메시지를 수신하였고 사전에 설정된 기준시간 동안 동일한 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 동작 모드가 CH임을 나타내는 메시지를 수신하지 않은 경우, 클러스터 헤드 설정부(330)는 동작 모드를 CH로 설정한다. 이는 본 발명에 따른 데이터 전송 장치의 동작 모드가 TCH로 설정되어 있는 경우에도 마찬가지이다. 또한 여기서 기준시간은 데이터 전송 주기에서 CH의 설정에 할당된 시간을 말한다.
동작 모드가 CH로 설정되면 송수신부(310)는 동일한 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 데이터를 수집하고, BS로 수집한 데이터를 전송한다. 하나의 클러스터 내에서 CH로 동작하지 않은 센서노드들은 CH로 데이터를 전송하고, CH가 BS로 다른 센서노드들의 데이터를 전송하므로 에너지 소비량을 감소시킬 수 있다.
도 4는 복수의 센서노드 중에서 CH로 동작하는 센서노드가 설정되는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 검은색 점으로 표시된 노드 A 및 B는 TCH로 동작하는 센서노드를 나타내며, 노드 A 및 B를 중심으로 하며 반경이 R인 원은 노드 A 및 B에 대해 설정된 데이터 전송 범위를 나타낸다. 또한 회색 점으로 표시된 노드 C 및 D는 복수의 TCH의 데이터 전송 범위가 중첩된 영역에 위치하여 CH의 후보가 되는 센서노드를 나타낸다. 따라서, 중첩된 영역에 위치하는 노드 C 및 D 중에서 하나의 노드, 예를 들면 노드 C의 동작 모드가 CH로 설정된다. 다음으로 노드 C는 노드 A 및 B의 데이터 전송 범위를 모두 포함하는 클러스터 영역, 예를 들면 노드 C를 중심으로 하는 반경 R'의 원 내에 위치하는 센서노드로 동작 모드가 CH임을 나타내는 메시지를 브로드캐스팅한다. 메시지를 수신한 노드 D는 CH로 동작할 수 없다.
CH로 동작하는 센서노드와 동일한 클러스터 영역에 속하여 CH로부터 메시지를 수신한 센서노드들은 해당 CH를 중심으로 하나의 클러스터를 형성한다. 이때 복수의 CH로부터 메시지를 수신한 경우, 즉 중첩된 클러스터 영역 내에 위치한 센서노드의 경우는 자신으로부터 최단거리에 위치한 CH를 중심으로 하는 클러스터에 속하게 된다. 따라서 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드 중에서 CH로 동작하는 센서노드가 복수 개 선정되면 CH와 동일한 개수의 클러스터가 형성된다.
도 5는 무선 센서 네트워크 상에서 선정된 복수의 CH를 도시한 도면이다. 도 5에서 노드 a 내지 d는 CH로 동작하는 센서노드를 나타내며, 각각의 CH와 연결된 노드들은 동일한 클러스터를 형성하는 센서노드들이다. 도 5와 도 2를 비교하면, 본 발명에 의해 TCH를 기초로 CH를 선정하는 경우에 형성된 클러스터 간의 크기 및 거리가 LEACH 기법을 사용하는 경우보다 균등함을 확인할 수 있다.
전역 클러스터 헤드 설정부(340)는 무선 센서 네트워크 상에서 설정된 다른 클러스터 헤드와의 거리 및 무선 센서 네트워크의 베이스 스테이션과의 거리를 기초로 산출한 예상 에너지 소비량에 대한 잔여 에너지량의 비가 무선 센서 네트워크 상에서 설정된 복수의 클러스터 헤드 중에서 최대이면 동작 모드를 전역 클러스터 헤드로 설정한다. 전역 클러스터 헤드(HoH)는 다른 클러스터 헤드로부터 데이터를 수집하는 기능을 수행한다. 송수신부(310)는 다른 클러스터 헤드로부터 수집한 데이터를 BS로 전송한다. 따라서 다른 CH들은 BS로 직접 데이터를 전송할 수 없다.
본 발명에 따른 데이터 전송 장치의 동작 모드가 CH로 설정된 경우, 먼저 전역 클러스터 헤드 설정부(340)는 다음의 수학식 4를 사용하여 동작 모드가 HoH로 결정될 경우의 예상 에너지 소비량을 산출한다.
Figure 112009017750755-pat00004
여기서, D(i)는 예상 에너지 소비량, εfs는 증폭을 위한 자유 공간(free space) 모델, dj는 다른 CH와의 거리, εmp는 증폭을 위한 다중 경로(multi-path) 모델, 그리고 dBS는 BS와의 거리를 나타낸다.
다음으로 전역 클러스터 헤드 설정부(340)는 산출된 예상 에너지 소비량과 자신의 잔여 에너지량을 사용하여 다음의 수학식 5에 의해 동작 모드를 HoH로 설정하기 위한 비교값을 산출한다.
Figure 112009017750755-pat00005
여기서, H(i)는 예상 에너지 소비량에 대한 잔여 에너지량의 비, E(i)는 잔여 에너지량, 그리고 D(i)는 예상 에너지 소비량이다.
전역 클러스터 헤드 설정부(340)는 수학식 5에 의해 산출된 비교값인 H(i) 값이 무선 센서 네트워크 내에서 선정된 복수의 CH 중에서 최대이면 동작 모드를 HoH로 설정한다. 이때 산출된 H(i) 값이 복수의 CH 중에서 최대인지 여부를 판단하기 위해 송수신부(310)는 각각의 CH로부터 H(i) 값 및 해당 CH의 위치에 관한 정보를 전송받는다. 마찬가지로 수학식 5에 의해 산출된 H(i) 값 및 무선 센서 네트워크 상에서 본 발명에 따른 데이터 전송 장치의 위치에 관한 정보도 다른 CH로 전송된다. 동작 모드가 HoH로 설정되면 송수신부(310)는 무선 센서 네트워크를 구성하는 모든 센서노드에 대하여 동작 모드가 HoH임을 나타내는 메시지를 브로드캐스팅한다.
무선 센서 네트워크에서 복수의 CH가 선정되고, 그 중 하나의 동작 모드가 HoH로 설정된 경우, HoH로 설정된 CH는 다른 CH들에 대해 메시지를 브로드캐스팅하 고, 다른 CH들은 메시지를 수신한 후 자신과 동일한 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 수집한 데이터를 HoH로 설정된 CH로 전송한다. 이러한 CH 및 HoH의 선정 과정은 매 데이터 전송 주기마다 수행되며, 각 데이터 전송 주기에서 CH 및 HoH의 선정이 완료되면 데이터 전송 단계가 수행된다.
도 6은 복수의 CH 중에서 선정된 HoH를 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 노드 a 내지 e는 CH로 동작하는 센서노드를 나타내며, 이 중에서 노드 c의 동작 모드가 HoH로 설정되었다. 이와 같이 본 발명에서는 동작 모드를 HoH로 설정할 때 수학식 4 및 수학식 5를 기초로 하여 거리 요소 뿐만 아니라 에너지량을 고려하기 때문에 반드시 BS로부터 가까운 CH가 HoH로 결정되는 것이 아님을 확인할 수 있다. 반면, 기존의 MESH 기법에 의한다면 BS로부터 가장 가까운 센서노드인 노드 d 또는 노드 e가 SH로 설정되므로 다른 센서노드에 비해 에너지를 빠르게 소비한다. 따라서 본 발명에 의하여 동작 모드를 HoH로 설정하는 경우에는 전체 센서 네트워크의 에너지 소비의 효율성을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 데이터 전송 장치의 동작 모드가 CH로 설정되면, 송수신부(310)는 동일한 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 데이터를 수집하고, BS로 수집한 데이터를 전송한다. 또한 동작 모드가 HoH로 설정되면, 송수신부(310)는 CH로서 동일한 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 데이터를 수집하며, 동시에 무선 센서 네트워크 상에서 설정된 다른 CH가 수집한 데이터도 전송받는다.
무선 센서 네트워크를 구성하는 각 센서노드로부터 BS로의 데이터 전송은 제1데이터 전송 단계 및 제2데이터 전송 단계의 두 단계로 이루어진다. 제1데이터 전 송 단계에서 각각의 CH는 데이터를 수신하고, 수신된 데이터를 HoH로 전송한다. 그리고 제2데이터 전송 단계에서 각각의 CH들은 HoH의 스케줄에 따라 HoH로 자신이 수집한 데이터를 전송하고, 슬립 모드로 복귀한다. 제1데이터 전송 단계에서 HoH는 CH의 역할을 수행하고, 제2데이터 전송 단계에서 HoH는 다른 CH들과는 달리 활성 모드를 유지하며, CH들의 메시지를 수집하고 이들을 BS로 전송한다.
즉, 동작 모드가 HoH로 결정된 경우, 송수신부(310)는 제1데이터 전송 단계에서는 CH의 기능을 수행하여 동일한 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 데이터를 수집한다. 다음으로 제2데이터 전송 단계에서는 HoH의 기능을 수행하여 다른 CH로부터 데이터를 수집하고, 이를 BS로 전송한다.
이때 에너지 소비를 최소화하기 위해 CH로 선정되지 않은 일반 센서노드들은 시분할 다중 접속(Time Division Multiple Access : TDMA) 기법에 따라 자신들에게 할당된 시간구간을 제외하고는 슬립 모드 상태로 유지된다. 만약 자신들에게 할당된 시간이 도래하면, 각각의 일반 센서노드들은 자신과 동일한 클러스터 영역에 속하는 CH로 데이터를 전송하고 다시 슬립 모드로 복귀한다.
도 7은 본 발명에 따른 클러스터링에 의한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방법에 대한 바람직한 실시예의 수행과정을 도시한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 임시 클러스터 헤드 설정부(320)는 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드의 개수 및 클러스터의 형성을 위해 필요한 임시 클러스터 헤드의 개수를 기초로 동작 모드를 임시 클러스터 헤드로 설정하기 위한 제1확률값을 산출한다(S710). 제1확률값은 수학식 1에 의해 산출되며, 임시 클러스터 헤드의 개 수는 무선 센서 네트워크 상에서 형성되는 클러스터의 개수를 기초로 결정된다. 다음으로 클러스터 헤드 설정부(330)는 복수의 임시 클러스터 헤드로부터 브로드캐스팅된 복수의 메시지를 수신하면 동작 모드를 클러스터 헤드로 설정한다(S720). 이때 수학식 2 및 수학식 3에 의해 제2확률값을 산출하여 동작 모드를 CH로 설정할 수 있다. 송수신부(310)는 동일한 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 수집한 데이터를 베이스 스테이션으로 전송한다.
전역 클러스터 헤드 설정부(340)는 무선 센서 네트워크 상에서 설정된 다른 클러스터 헤드와의 거리 및 베이스 스테이션과의 거리를 기초로 산출한 예상 에너지 소비량에 대한 잔여 에너지량의 비가 복수의 클러스터 헤드 중에서 최대이면 동작 모드를 전역 클러스터 헤드로 결정한다(S730). 송수신부(310)는 동일한 클러스터에 포함된 센서노드 및 다른 클러스터 헤드로부터 수집한 데이터를 베이스 스테이션으로 전송한다(S740).
본 발명의 성능을 평가하기 위해 여러 종래 기술과의 비교실험을 수행하였다. 다음의 표 1에는 실험을 위해 필요한 몇개의 상수가 기재되어 있다.
상수 설명
Eelect=50nJ/bit 전기 에너지
εfs=10pJ/bit/m2 증폭에 대한자유 공간 모델
(d < d0 )
εmp=0.0013pJ/bit/m4 증폭에 대한 다중 경로 모델
(d ≥ d0 )
EDA=5nJ/bit/signal 데이터 통합을 위한 에너지
표 1을 참조하면, 각각의 센서노드들은 데이터 수신을 위해 비트당 50nJ의 에너지를 소비하며, 데이터 전송을 위해 추가적인 에너지가 필요하다. 전송 거리가 주어진 거리보다 짧으면 자유 공간 모델이 적용되고, 그 밖의 경우에는 다중 경로 모델이 적용된다. 한편 CH에 의한 데이터 수집을 위해 필요한 에너지는 5nJ/bit/signal이다.
실험을 위해 200개의 센서노드를 100m×100m의 공간에 배치하였다. 그리고 BS가 네트워크로부터 충분히 이격되어 있다고 가정하였으며, BS의 좌표는 (50, 175)이다. 메시지는 4000 비트(500 바이트) 단위로 전송되었다.
이때 전체 센서 네트워크의 보유 에너지량을 예측하는 과정은 다음과 같이 이루어진다. 먼저, 센서 네트워크에 대해 다음과 같은 몇 가지 사항이 가설로 설정된다.
1. 모든 노드는 충분히 먼 거리에 있는 BS와 통신하기 위한 에너지 소비량이 동일하다.
2. CH로 동작하지 않는 노드들은 TCH 또는 CH로 동작하는 노드와 통신하기 위한 에너지 소비량이 동일하다.
3. 브로드캐스팅을 위한 모든 노드의 에너지 소비량은 동일하다.
4. 매 라운드에서 형성되는 클러스터의 개수는 4이다.
5. CH로 동작하는 노드는 전체 네트워크를 4개의 그룹으로 분류하는 기준이 된다.
6. 매 라운드에서 클러스터를 형성하기 위해 필요한 TCH의 개수는 8이다.
7. TCH는 전체 네트워크를 8개의 그룹으로 분류하는 기준이 된다.
8. BS와 통신하는 경우의 에너지 소비는 다중 경로 모델을 따른다.
준비 단계(set-up state)의 경우, CH로 동작하지 않는 일반 노드들은 TCH로 동작하는 노드로부터 메시지를 수신하기 위한 에너지(이하, RMTE), CH가 중복으로 선정되는 것을 방지하기 위해 브로드캐스팅되는 메시지를 수신하기 위한 에너지(이하, RMPR), 그리고 CH로 동작하는 노드로부터 메시지를 수신하기 위한 에너지(이하, RBCE) 및 CH로 동작하는 노드와 동일한 클러스터를 형성하기 위한 에너지(이하, JOIN)를 소비한다. TCH로 동작하는 노드의 경우에는 TCH로 동작함을 나타내는 메시지를 브로드캐스팅하기 위한 에너지(이하, AMTE), RMPR, RBCE 및 JOIN 만큼의 에너지를 소비한다. CH로 동작하는 노드의 경우에는 CH로 동작함을 나타내는 메시지를 브로드캐스팅하기 위한 에너지(이하, BMCE), 각 일반 노드에 대해 TDMA에 의해 설정된 송수신 시간을 알리는 메시지를 브로드캐스팅하기 위한 에너지(이하, BTSM), 일반 노드가 클러스터를 형성하기 위해 브로드캐스팅하는 메시지를 수신하기 위한 에너지(RJM) 및 RMTE 만큼의 에너지를 소비한다.
데이터 전송 단계(steady-state)의 경우, CH로 동작하는 노드는 BS와 통신하는 데 필요한 에너지(commBS), 다른 CH로부터 메시지를 수신하는 데 필요한 에너지(RMCH) 및 또한 데이터를 수집하는 데 필요한 에너지(DA)를 소비한다. 또한 일반 노드는 CH로 데이터를 전송하는 데 필요한 에너지(AMCH)만을 소비한다.
따라서 전체 네트워크의 보유 에너지량은 위에서 설명한 에너지량을 모두 합산하여 산출할 수 있다.
먼저 본 발명에 의해 동작 모드를 CH로 설정하는 기법(이하, OABC 기법이라 한다)의 성능을 평가하기 위한 실험을 수행하였다. OABC 기법의 성능은 기존의 LEACH 기법, MEER 기법(Kang et al., 2007) 및 VAP-E 기법(Wang et al., 2007)과 비교되었다. MEER 기법과 VAP-E 기법은 LEACH 기법을 기반으로 한 개선된 알고리즘이다. 우선, TCH의 홉 크기는 25m이고, 동작 모드가 TCH로 설정되기 위한 제1확률값은 0.05인 것으로 가정하였다. 따라서 200개의 센서노드 중에서 10개의 센서노드가 TCH로 동작하게 된다. 실험에서 센서 네트워크의 생존 시간은 첫 번째 센서노드가 수명을 다하는 시점, 즉 에너지를 모두 소모하는 시점과 마지막 센서노드가 수명을 다하는 시점을 기초로 나타내었으며, 센서노드가 수명을 다하는 시점은 해당 라운드, 즉 데이터 전송 주기의 반복 횟수로 표현하였다.
다음의 표 2는 센서노드의 초기 에너지량에 따른 센서 네트워크의 생존 시간을 나타낸 것이다.
에너지량(J/노드) 알고리즘 첫 번째 노드가
수명을 다한 시점(라운드)		 마지막 노드가
수명을 다한 시점(라운드)

0.5

 LEACH 173 344
MEER 237 461
VAP-E 125 418
OABC 296 592

1.0

 LEACH 347 660
MEER 387 875
VAP-E 349 811
OABC 545 1260

2.0

 LEACH 713 1344
MEER 933 1797
VAP-E 1019 1787
OABC 1179 2514
표 2에서, OABC, 즉 본 발명에 의한 기법의 경우에 첫 번째 노드가 수명을 다하는 시점이 LEACH 기법의 경우에 비해 약 1.6배, MEER 기법의 경우에 비해 약 1.3배, 그리고 VAP-E 기법의 경우에 비해 1.15 내지 2.67배 늦어지는 것을 확인할 수 있다. VAP-E 기법의 성능은 초기 에너지량에 따라 큰 영향을 받는다. 마지막 노드가 수명을 다하는 시점의 경우에도 비슷한 결과를 보인다.
도 8은 LEACH 기법, MEER 기법, VAP-E 기법 및 OABC 기법에서 라운드의 진행 횟수에 따른 생존 노드의 개수를 도시한 그래프이다. 도 8을 참조하면, 1000번째 라운드에서는 MEER 기법, VAP-E 기법 및 OABC 기법의 경우에 센서 네트워크의 모든 센서노드가 생존하며, LEACH 기법의 경우에는 전체 노드의 75%만 생존한다. 1500번째 라운드에서는 LEACH 기법의 경우에 대부분의 노드가 수명을 다하였고, MEER 기법과 VAP-E 기법의경우에는 75%의 노드가 생존한다. 그러나 OABC 기법의 경우에는 대부분의 노드가 생존한다. 다음으로 2000번째 라운드에서는 OABC 기법의 경우 75%의 노드가 생존하지만, 다른 알고리즘의 경우에는 대부분의 노드가 수명을 다하였다. 무선 센서 네트워크의 생존 시간이 전체 노드의 75%가 생존하는 시점으로 정의된다면, 본 발명에 의한 기법은 센서 네트워크의 생존 시간을 43% 내지 200% 연장시킬 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 균등한 클러스터를 형성할 수 있으므로 대부분의 노드가 에너지를 소모하는 시간이 서로 비슷하다. 따라서 OABC 기법의 경우 2000번째 라운드 이후에는 생존 노드의 개수가 빠르게 감소한다.
도 9는 한 라운드에서 각 센서노드의 평균 에너지 소비량을 도시한 그래프이다. 도 9를 참조하면, LEACH 기법, MEER 기법, VAP-E 기법 및 OABC 기법의 경우에 에너지 소비량은 각각 1.734mJ, 1.321mJ, 1.172mJ 및 0.864mJ이다. 본 발명에 의한 기법의 경우 에너지 소비량은 LEACH 기법에 비해서는 49.8%, MEER 기법에 비해서는 65.3%, 그리고 VAP-E 기법에 비해서는 76.3% 수준의 에너지를 매 라운드마다 소비하게 된다.
도 10a 및 도 10b는 각각 첫 번째 노드 및 마지막 노드가 수명을 다한 라운드에서 전체 센서노드의 개수에 따른 생존 노드의 개수를 도시한 그래프이다. 도 10a 및 도 10b를 참조하면 모든 알고리즘에 대해 센서노드의 개수가 증가할수록, 즉 센서 네트워크의 밀도가 증가할수록 네트워크의 생존시간이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이때 OABC 기법의 경우가 다른 기법들에 비해 생존시간 증가율 정도가 크다. 이는 OABC 기법이 센서 네트워크의 밀도 변화에 가장 둔감하다는 것을 의미한다.
다음으로 본 발명에 의해 동작 모드를 HoH로 설정하는 기법의 성능을 평가하기 위한 실험을 수행하였다.
비교를 위해 첫 번째 노드가 수명을 다하는 시점, 노드 중 75%가 생존한 시점, 마지막 노드가 수명을 다하는 시점 등 세 개의 상이한 수명을 사용하였으며, 기존의 LEACH 기법, OABC 기법 및 MESH 기법을 본 발명과 비교하였다.
도 11에는 기존의 LEACH 기법, MESH 기법 및 MESH 기법을 개량한 기법인 MESH+ 기법의 성능을 비교하기 위해 수행된 실험 결과가 도시되어 있다. MESH+ 기법은 기존의 MESH 기법에 본 발명에서 동작모드를 HoH로 설정하는 방법이 추가된 방법이다. 또한 도 11에서 '라운드'는 하나의 데이터 전송 주기를 나타내는 것이다. 도 11을 참조하면, LEACH 기법과 MESH 기법은 각각 648번째 라운드 및 728번째 라운드에서 첫번째 센서노드의 에너지가 모두 소모된 반면, MESH+ 기법은 891번째 라운드에서 첫 번째 센서노드의 에너지가 모두 소모되었다.. 따라서 MESH 기법을 사용할 경우 센서노드의 수명이 LEACH 기법을 사용할 경우보다 약 12% 길며, MESH+ 기법은 LEACH 기법에 대해서는 약 37.5%, MESH 기법에 대해서는 약 22% 수명이 길다. 이러한 결과로부터 거리 및 에너지량을 모두 고려하여 HoH를 선정하는 MESH+ 기법이 거리만을 고려하여 SH를 선정하는 MESH 기법보다 센서노드의 수명 연장의 측면에서 보다 효율적임을 알 수 있다. 한편 센서노드의 75%가 생존해 있는 시점은 LEACH 기법과 MESH 기법이 각각 966번째 라운드 및 1146번째 라운드이며, MESH+ 기법은 1195번째 라운드이다. 따라서 MESH 기법의 수명이 LEACH 기법보다 약 18% 길며, MESH+ 기법은 LEACH 기법에 대해서 약 24% 수명이 길다. 이러한 경향은 모든 센서노드의 에너지가 모두 소모되는 시점에 대해서도 유사하게 나타난다.
도 12에는 LEACH 기법, MESH 기법, 본 발명에 의해 OABC 기법 및 본 발명에 의해 동작 모드를 HoH로 설정하는 기법(이하, HoH 기법이라 한다)의 성능을 비교하기 위해 수행된 실험 결과가 도시되어 있다.
도 12를 참조하면, OABC 기법과 LEACH 기법을 비교였을 때 첫번째 노드가 에너지를 모두 소모한 시점은 OABC 기법이 LEACH 기법에 비해 1.73배 길고, 노드의 75%가 생존해 있는 시점은 OABC 기법이 LEACH 기법보다 1.99배 길다. 따라서 OABC 기법이 LEACH 기법보다 에너지 소비 효율면에서 우수함을 알 수 있다. 또한 MESH 기법은 LEACH 기법과 비교할 때 첫번째 노드가 에너지를 모두 소모한 시점이 약 12% 수명이 길다. 그러나 HoH 기법의 경우 센서노드의 수명은 OABC 기법에 비해 약 47% 길며, MESH 기법과 LEACH 기법에 대해서는 각각 2.26배와 2.54배 길다. 나아가 HoH 기법을 사용할 경우 시간에 따른 센서 네트워크의 변화가 기존의 기법들에 비해 훨씬 적게 나타난다. 이러한 결과로부터 멀티 홉 클러스터링 구조의 응용시 SH의 선정 기법 또는 HoH 선정 기법에 에너지 모델을 적용하면 거리 요소만을 고려할 때보다 효율적임을 알 수 있다.
도 13에는 LEACH 기법, MESH 기법, MESH+ 기법, OABC 기법 및 본 발명에 따른 기법에서 매 라운드의 수행시 하나의 센서노드에 대한 평균 에너지 소비량이 도시되어 있다. 일회의 라운드에서 소비되는 평균 에너지 레벨은 알고리즘의 효율성을 평가하는 또 다른 척도가 된다. 도 13을 참조하면, LEACH 기법에서 각각의 노드는 약 0.0017J의 에너지를 소비하고, MESH 기법의 경우에는 LEACH 기법에 비해 약 13%의 에너지를 절약한 약 0.0016J의 에너지를 소비한다. 또한 OABC 기법은 LEACH 기법에 비해 절반의 에너지 소비를 보이며, 본 발명은 OABC 기법에 비해 약 16% 감소된 에너지 소비를 보인다. 이러한 결과로부터 LEACH 기법에 본 발명에 따른 HoH 선정 구조를 적용하는 것보다 OABC 기법에 본 발명에 따른 HoH 선정 구조를 적용하는 것이 에너지 소비에 있어서 보다 효율적임을 알 수 있다. 이는 OABC에 의해 CH를 선정할 경우 TCH의 선정 과정을 거치게 되어 CH간의 거리 균형이 LEACH 기법에 의해 선정된 CH들의 거리 균형보다 효율적이기 때문이다.
도 14에는 각 노드의 역할에 따른 에너지 소비량이 도시되어 있다. 이러한 에너지 소비량은 모든 노드가 생존해 있는 시점에서 각 노드의 역할에 따라 측정된 것이다. 도 14를 참조하면, 일반 센서노드, CH 및 HoH는 각각 매 라운드마다 0.000716J, 0.00565J, 및 0.00828J을 소비한다. 일반 노드가 슬립 모드로 진입하기 이전에 자신의 영역을 감지하여 데이터를 CH에게 전송하는 반면, CH는 활성 상태에서 일반 노드로부터 데이터를 수신하고 HoH로 데이터를 전송하므로 일반 노드에 비해 약 7.89배의 에너지를 더 소비한다. HoH는 CH의 역할을 수행하고, 모든 CH가 데이터 전송을 종료한 이후에 BS로 데이터를 전송하여야 하기 때문에 일반 노드에 비해 약 11.5배, CH에 비해서는 약 1.46배의 에너지를 더 소비한다. 결과적으로 가장 효율적인 HoH를 선정하고 CH의 거리 균형을 고려함으로써 네트워크의 수명 연장에 기여할 수 있음을 알 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, 플로피디스크, 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 멀티 홉 라우팅 구조를 도시한 도면,
도 2는 클러스터링 구조를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 클러스터링에 의한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 장치에 대한 바람직한 일 실시예의 구성을 도시한 블록도,
도 4는 클러스터 헤드 설정부가 클러스터 헤드를 결정하는 과정을 설명하기 위한 도면,
도 5는 무선 센서 네트워크 상에서 선정된 CH를 도시한 도면,
도 6은 복수의 클러스터 헤드 중에서 선정된 전역 클러스터 헤드를 도시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 클러스터링에 의한 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 방법에 대한 바람직한 실시예의 수행과정을 도시한 흐름도,
도 8은 LEACH 기법, MEER 기법, VAP-E 기법 및 OABC 기법에서 라운드의 진행 횟수에 따른 생존 노드의 개수를 도시한 그래프,
도 9는 한 라운드에서 각 센서노드의 평균 에너지 소비량을 도시한 그래프,
도 10a 및 도 10b는 각각 첫 번째 노드 및 마지막 노드가 수명을 다한 라운드에서 전체 센서노드의 개수에 따른 생존 노드의 개수를 도시한 그래프,
도 11은 기존의 LEACH 기법, MESH 기법 및 MESH 기법을 개량한 기법인 MESH+ 기법의 성능을 비교하기 위해 수행된 실험 결과를 도시한 그래프,
도 12는 LEACH 기법, MESH 기법, OABC 기법 및 본 발명에 따른 기법의 성능 을 비교하기 위해 수행된 실험 결과를 도시한 그래프,
도 13은 LEACH 기법, MESH 기법, MESH+ 기법, OABC 기법 및 본 발명에 따른 기법에서 매 라운드의 수행시 하나의 센서노드에 대한 평균 에너지 소비량을 도시한 그래프, 그리고,
도 14는 각 센서노드의 역할에 따른 에너지 소비량을 도시한 그래프이다.

Claims (23)

  1. 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드로부터 브로드캐스팅된 메시지를 수신하고, 동작 모드에 따라 설정된 데이터 전송 범위 내에 위치하는 센서노드에 대해 메시지를 브로드캐스팅하는 송수신부; 및
    무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드가 복수의 그룹으로 분류되어 형성되며 상기 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 주기마다 재구성되는 클러스터를 형성하기 위해 상기 센서노드 중에서 설정된 복수의 임시 클러스터 헤드로부터 브로드캐스팅된 복수의 메시지를 상기 송수신부가 수신하면, 동작 모드를 상기 복수의 임시 클러스터 헤드의 데이터 전송 범위를 모두 포함하는 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 데이터를 수집하는 클러스터 헤드로 설정하는 클러스터 헤드 설정부;를 포함하며,
    상기 송수신부는 동일한 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 수집한 데이터를 상기 무선 센서 네트워크의 베이스 스테이션으로 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 무선 센서 네트워크 상에서 설정된 다른 클러스터 헤드와의 거리 및 상기 무선 센서 네트워크의 베이스 스테이션과의 거리를 기초로 산출한 예상 에너지 소비량에 대한 잔여 에너지량의 비가 상기 무선 센서 네트워크 상에서 설정된 복수 의 클러스터 헤드 중에서 최대이면, 동작 모드를 상기 다른 클러스터 헤드로부터 데이터를 수집하는 전역 클러스터 헤드로 설정하는 전역 클러스터 헤드 설정부를 더 포함하며,
    상기 송수신부는 상기 다른 클러스터 헤드로부터 수집한 데이터를 상기 베이스 스테이션으로 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전역 클러스터 헤드 설정부는 하기 수학식 A에 의해 상기 예상 에너지 소비량을 산출하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치:
    [수학식 A]
    Figure 112009017750755-pat00006
    여기서, D(i)는 상기 예상 에너지 소비량, εfs는 증폭을 위한 자유 공간(free space) 모델, dj는 상기 다른 클러스터 헤드와의 거리, εmp는 증폭을 위한 다중 경로(multi-path) 모델, 그리고 dBS는 상기 베이스 스테이션과의 거리이다.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드의 개수 및 상기 클러스터를 형성하기 위해 필요한 임시 클러스터 헤드의 개수를 기초로 동작 모드를 상기 임시 클러스터 헤드로 설정하기 위한 제1확률값을 산출하는 임시 클러스터 헤드 설정부를 더 포함하며,
    상기 송수신부는 동작 모드가 상기 임시 클러스터 헤드임을 나타내는 메시지를 상기 데이터 전송 범위 내에 포함된 센서노드로 브로드캐스팅하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 임시 클러스터 헤드 설정부는 하기 수학식 B에 의해 상기 제1확률값을 산출하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치:
    [수학식 B]
    Figure 112009017750755-pat00007
    여기서, Pi(t)는 시간 t에서의 상기 제1확률값, N은 상기 무선 센서 네트워크를 구성하는 전체 센서노드의 개수, k는 상기 클러스터의 형성에 필요한 임시 클러스터 헤드의 개수, r은 시간 t 이전에 데이터 전송 주기의 반복 횟수, 그리고 Ci(t)는 지표 함수(indicator function)로서 시간 t 이전에 데이터 전송 주기가 r번 반복되는 동안 동작 모드가 임시 클러스터 모드로 설정된 적이 있는 경우에는 0으로, 그렇지 않은 경우에는 1로 설정된다.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 임시 클러스터 헤드 설정부는 동작 모드를 설정하기 위해 생성된 난수가 상기 제1확률값을 기초로 설정된 범위에 속하면 동작 모드를 상기 임시 클러스터 헤드로 설정하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드 설정부는 상기 무선 센서 네트워크에 대해 추정한 보유 에너지량에 대한 잔여 에너지량의 비를 기초로 동작 모드를 상기 클러스터 헤드로 설정하기 위한 제2확률값을 산출하며, 동작 모드를 설정하기 위해 생성된 난수가 상기 제2확률값을 기초로 설정된 범위에 속하면 동작 모드를 상기 클러스터 헤드로 설정하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드 결정부는 하기 수학식 C에 의해 상기 제2확률값을 산출하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치:
    [수학식 C]
    여기서, PCH는 상기 제2확률값, ER은 상기 잔여 에너지량, ET는 상기 보유 에 너지량, s는 산출된 값에 대한 확대 계수, 그리고 #TCH는 상기 임시 클러스터 헤드로부터 수신한 메시지의 개수이다.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 송수신부는 동작 모드가 상기 클러스터 헤드임을 나타내는 메시지를 동일한 클러스터 영역에 속하는 센서노드로 브로드캐스팅하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드 설정부는 사전에 설정된 기준시간 동안 동일한 클러스터 영역에 속하는 다른 센서노드로부터 동작 모드가 상기 클러스터 헤드임을 나타내는 메시지가 수신되지 않으면 동작 모드를 상기 클러스터 헤드로 설정하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 송수신부는 상기 무선 네트워크 상에서 설정된 다른 클러스터 헤드로부터 각각의 클러스터 헤드에 대하여 산출된 예상 에너지 소비량에 대한 잔여 에너지량의 비 및 각각의 클러스터 헤드의 위치정보를 수신하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 장치.
  12. 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드가 복수의 그룹으로 분류되어 형성되며 상기 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 주기마다 재구성되는 클러스터를 형성하기 위해 상기 센서노드 중에서 설정된 복수의 임시 클러스터 헤드로부터 브로드캐스팅된 복수의 메시지를 수신하면, 동작 모드를 상기 복수의 임시 클러스터 헤드의 데이터 전송 범위를 모두 포함하는 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 데이터를 수집하는 클러스터 헤드로 설정하는 클러스터 헤드 설정단계; 및
    동일한 클러스터 영역에 속하는 센서노드로부터 수집한 데이터를 상기 무선 센서 네트워크의 베이스 스테이션으로 전송하는 데이터 전송 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 무선 센서 네트워크 상에서 설정된 다른 클러스터 헤드와의 거리 및 상기 무선 센서 네트워크의 베이스 스테이션과의 거리를 기초로 산출한 예상 에너지 소비량에 대한 잔여 에너지량의 비가 상기 무선 센서 네트워크 상에서 설정된 복수의 클러스터 헤드 중에서 최대이면, 동작 모드를 상기 다른 클러스터 헤드로부터 데이터를 수집하는 전역 클러스터 헤드로 설정하는 전역 클러스터 헤드 설정단계를 더 포함하며,
    상기 데이터 전송 단계에서, 상기 다른 클러스터 헤드로부터 수집한 데이터를 추가적으로 상기 베이스 스테이션으로 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 전역 클러스터 헤드 설정단계에서, 하기 수학식 A에 의해 상기 예상 에너지 소비량을 산출하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법:
    [수학식 A]
    Figure 112009017750755-pat00009
    여기서, D(i)는 상기 예상 에너지 소비량, εfs는 증폭을 위한 자유 공간(free space) 모델, dj는 상기 다른 클러스터 헤드와의 거리, εmp는 증폭을 위한 다중 경로(multi-path) 모델, 그리고 dBS는 상기 베이스 스테이션과의 거리이다.
  15. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서노드의 개수 및 상기 클러스터를 형성하기 위해 필요한 임시 클러스터 헤드의 개수를 기초로 동작 모드를 상기 임시 클러스터 헤드로 설정하기 위한 제1확률값을 산출하는 임시 클러스터 헤드 설정단계; 및
    동작 모드가 상기 임시 클러스터 헤드임을 나타내는 메시지를 상기 데이터 전송 범위 내에 포함된 센서노드로 브로드캐스팅하는 메시지 전송 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 임시 클러스터 헤드 설정단계에서, 하기 수학식 B에 의해 상기 제1확률값을 산출하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법:
    [수학식 B]
    Figure 112009017750755-pat00010
    여기서, Pi(t)는 시간 t에서의 상기 제1확률값, N은 상기 무선 센서 네트워크를 구성하는 전체 센서노드의 개수, k는 상기 클러스터의 형성에 필요한 임시 클러스터 헤드의 개수, r은 시간 t 이전에 데이터 전송 주기의 반복 횟수, 그리고 Ci(t)는 지표 함수(indicator function)로서 시간 t 이전에 데이터 전송 주기가 r번 반복되는 동안 동작 모드가 임시 클러스터 모드로 설정된 적이 있는 경우에는 0으로, 그렇지 않은 경우에는 1로 설정된다.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 임시 클러스터 헤드 설정단계에서, 동작 모드를 설정하기 위해 생성된 난수가 상기 제1확률값을 기초로 설정된 범위에 속하면 동작 모드를 상기 임시 클러스터 헤드로 설정하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  18. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드 설정단계에서, 상기 무선 센서 네트워크에 대해 추정한 보유 에너지량에 대한 잔여 에너지량의 비를 기초로 동작 모드를 상기 클러스터 헤드로 설정하기 위한 제2확률값을 산출하며, 동작 모드를 설정하기 위해 생성된 난수가 상기 제2확률값을 기초로 설정된 범위에 속하면 동작 모드를 상기 클러스터 헤드로 설정하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드 결정단계에서, 하기 수학식 C에 의해 상기 제2확률값을 산출하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법:
    [수학식 C]
    Figure 112009017750755-pat00011
    여기서, PCH는 상기 제2확률값, ER은 상기 잔여 에너지량, ET는 상기 보유 에너지량, s는 산출된 값에 대한 확대 계수, 그리고 #TCH는 상기 임시 클러스터 헤드로부터 수신한 메시지의 개수이다.
  20. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    동작 모드가 상기 클러스터 헤드임을 나타내는 메시지를 동일한 클러스터 영 역에 속하는 센서노드로 브로드캐스팅하는 메시지 전송 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  21. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드 설정단계에서, 사전에 설정된 기준시간 동안 동일한 클러스터 영역에 속하는 다른 센서노드로부터 동작 모드가 상기 클러스터 헤드임을 나타내는 메시지가 수신되지 않으면 동작 모드를 상기 클러스터 헤드로 설정하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  22. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 무선 네트워크 상에서 설정된 다른 클러스터 헤드로부터 각각의 클러스터 헤드에 대하여 산출된 예상 에너지 소비량에 대한 잔여 에너지량의 비 및 각각의 클러스터 헤드의 위치정보를 수신하는 데이터 수신 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
  23. 제 12항 또는 제 13항에 기재된 데이터 전송 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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