KR101050836B1 - 무선 센서 네트워크 시스템 및 데이터 전달 방법 - Google Patents

Abstract

무선 센서 네트워크 시스템의 데이터 전달 기술이 개시된다. 본 발명의 일 양상에 따른 무선 센서 네트워크 시스템은, 싱크 노드와 다수의 센서 노드를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 각각의 노드는 고유한 레이어를 갖는다. 또한, 동일한 레이어를 갖는 다수의 센서 노드 중에서 적어도 1 이상의 클러스터 헤드를 선출하고, 선출된 클러스터 헤드를 중심으로 동일한 레이어를 갖는 다수의 센서 노드로 이루어진 클러스터를 구성한다. 또한, 싱크 노드와 클러스터 헤드 간의 전송 트리를 형성하고, 이 전송 트리를 이용하여 데이터를 전송하는 것이 가능하다.

무선 센서 네트워크, 싱크 노드, 센서 노드, 클러스터, 전송 트리

Description

무선 센서 네트워크 시스템 및 데이터 전달 방법{Wireless Sensor Network System and Data Transmission Method}

무선 센서 네트워킹 기술과 관련된다.

무선 센서 네트워크는 한정된 배터리 자원으로 인해 에너지 효율성을 극대화하는 네트워크 구성 및 동작이 요구된다. 또한, 수백 내지 수천 개에 이르는 대규모 노드들로 인해 네트워크의 확장성과 효과적인 관리를 필요로 한다.

지금까지 대부분의 연구들은 각 노드가 수집한 데이터를 싱크 노드(또는 베이스 스테이션)로 데이터를 전달하는 즉시적(ad hoc) 라우팅 과정에 집중되어 있다. 이에 반해, 서버 역할을 하는 싱크 노드에서 전체 또는 임의의 노드에게 특정한 명령이나 데이터를 전달하는 dissemination 기법은 주로 플러딩(flooding)에 의존하고 있으며, 효과적인 라우팅 경로 탐색을 위한 연구는 미미한 실정이다.

플러딩을 통한 dissemination 경우, 싱크로부터 전체 노드에 동일 데이터를 반복적으로 전달하는 과정에서 모든 노드가 데이터 전송에 참여하고, 이를 통해 급격한 데이터의 발생과 에너지의 소비가 나타나는 문제가 발생한다.

한편, 특정한 임의의 노드로의 데이터 전달을 지원하는 AODV 라우팅 기법의 경우에도 각 목적지 노드에 대해 해당 노드까지 설정하기 위해 상당한 컨트롤 패킷을 필요로 하며, 역시 라우팅 경로 상의 노드들이 불필요한 에너지를 소모하게 된다. 뿐만 아니라, 두 방법 모두 싱크로부터 멀리 떨어져있는 노드들에게 데이터를 전송할 경우 상당히 긴 시간이 소요되는 문제를 안고 있다.

본 명세서에서는, 싱크 노드로부터 네트워크의 전체 노드들 또는 임의의 일부 노드들에게 데이터를 전송하는 과정에서 모든 노드가 전송에 참여하지 않고 에너지를 효과적으로 사용할 수 있는 기술이 개시된다.

본 발명의 일 양상에 따른 무선 센서 네트워크 시스템 및 데이터 전달 방법은, 네트워크를 계층 별로 분할하고 각 계층 별로 클러스터를 구성한다. 그리고 계층 간의 통신은 클러스터를 관리하는 대표 노드인 클러스터 헤드의 네트워크 구성을 통해 통신이 이루어지도록 한다. 따라서 싱크 노드가 네트워크의 전체 노드들 또는 임의의 일부 노드들에게 데이터를 전송할 때, 클러스터 헤드의 네트워크 구성을 통해 데이터를 전송함으로써 데이터 전송에 참여하는 노드의 수를 줄이는 것이 가능하다.

보다 구체적으로, 본 발명의 일 양상에 따른 무선 센서 네트워크 시스템은, 싱크 노드 및 레이어를 갖는 다수의 센서 노드를 포함하며, 레이어 별로, 동일한 레이어를 갖는 다수의 센서 노드 중에서 적어도 1 이상의 클러스터 헤드가 선출되고, 클러스터 헤드를 중심으로 동일한 레이어를 갖는 다수의 센서 노드가 클러스터 멤버를 구성하며, 싱크 노드와 클러스터 헤드 간의 전송 트리가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 양상에 따른 데이터 전달 방법은, 싱크 노드 및 다수의 센서 노드를 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 데이터 전달 방법에 있어서, 다수의 센서 노드에 대해 레이어를 설정하는 단계, 레이어 별로, 적어도 1 이상의 클러스터 헤드를 선출하고 선출된 클러스터 헤드를 중심으로 클러스터를 형성하는 단계 및 싱크 노드와 클러스터 헤드 간의 전송 트리를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 양상에 따른 데이터 전달 방법은, 이러한 전송 트리를 이용하여 데이터를 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.

개시된 내용에 따르면, 데이터 전송에 참여하는 노드의 수를 최소화시킬 수 있기 때문에, 데이터 전송에 있어서의 에너지 효율을 높일 수 있고, 데이터 전송 시간을 단축시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 예를 상세히 설명한다. 후술되는 실시 예들은 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 특정 실시 예에 한정되지 아니한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크 시스템의 구성을 도시한다.

도 1을 참조하면, 무선 센서 네트워크 시스템(100)은 일정한 영역에 설치된 싱크 노드(101)와 다수의 센서노드(102)로 구성될 수 있다.

센서 노드(102)들은 센서 모듈을 이용하여 주변의 정보(예컨대, 환경, 생태, 보안, 이동 상태 등에 관한 정보)를 취득하는 것이 가능하다. 그리고 센서 노드(102)들은 서로 무선 채널을 공유하고, 이 무선 채널을 통해 센싱된 정보에 관한 패킷을 주고 받는 것이 가능하다.

예컨대, A 센서 노드(102-1)가 주변의 온도 정보를 취득하고, 취득된 온도 정보를 B 센서 노드(102-2)로 전송하면, B 센서 노드(102-2)는 자신이 취득한 주변의 온도 정보와 A 센서 노드(102-1)로부터 수신한 온도 정보를 취합하여 사용자와 통신 가능하게 연결된 싱크 노드(101)에 전송하는 것이 가능하다.

각각의 센서 노드(102)는 고유한 레이어(Layer)를 갖는다. 따라서, 무선 센서 네트워크 시스템(100)은 레이어 별로 구분될 수 있다. 예컨대, 도 1에서 임의의 센서 노드(102)는 레이어 1(103) 또는 레이어 2(104)에 속할 수 있다. 레이어의 레벨은 숫자로 표현할 수 있는데, 본 명세서에서는 낮은 숫자가 상위 레벨의 레이어인 것으로 가정한다. 이러한 레이어의 수는 네트워크의 크기에 따라 임의로 증가할 수 있다.

동일한 레이어를 갖는 센서 노드들 중에서 몇 개의 센서 노드는 클러스터 헤드로 선출될 수 있다. 예컨대, 레이어 1(103)에 속하는 센서 노드들 중에서 C 센서 노드(102-3) 및 D 센서 노드(102-4)가 클러스터 헤드로 선출될 수 있다. 마찬가지로, 레이어 2(104)에서는 E 센서 노드(102-5) 및 F 센서 노드(102-6)가 클러스터 헤드로 선출될 수 있다.

동일한 레이어를 갖는 센서 노드들은 선출된 클러스터 헤드를 중심으로 클러스터를 구성할 수 있다. 예컨대, C 센서 노드(102-3)를 중심으로 A 센서 노드(102- 1), B 센서 노드(102-2), G 센서 노드(102-7)들이 클러스터 1-1(C1_1)을 형성하는 것이 가능하다. 마찬가지로, D 센서 노드(102-4)를 중심으로 클러스터 1-2(C1_2)이, E 센서 노드(102-5)를 중심으로 클러스터 2-1(C2_1)이, F 센서 노드(102-6)를 중심으로 클러스터 2-2(C2_2)가 형성될 수 있다. 이때, 중심이 되는 센서 노드는 클러스터 헤드가 되고, 나머지 센서 노드들은 클러스터 멤버가 된다.

싱크 노드(101)와 클러스터 헤드들(102-3, 102-4, 102-5, 102-6)은 전송 트리로 연결된다. 따라서 싱크 노드(101)가 어떤 센서 노드(102)로 명령 또는 데이터를 전송하고자 할 때 이러한 전송 트리(tree)를 이용하여 명령 또는 데이터를 전송하는 것이 가능하다. 예컨대, 싱크 노드(101)가 G 센서 노드(102-7)로 명령을 전송하고자 하는 경우, G 센서 노드(102-7)가 속한 클러스터 1-1(C1_1)의 클러스터 헤드(즉, 102-3)로 명령을 전송하면, 이 클러스터 헤드(102-3)는 자신의 클러스터 멤버인 G 센서 노드(102-7)로 수신된 명령을 전송한다.

이와 같이, 본 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크 시스템은 각각의 센서 노드가 계층 별로 구분되며, 계층 별로 클러스터 헤드 및 클러스터가 형성되는 것을 알 수 있다. 또한, 싱크 노드와 클러스터 헤드 또는 클러스터 헤드들이 계층 구조를 가지며 네트워크를 형성하는 것을 알 수 있다. 따라서, 특정 센서 노드로 데이터를 전달할 때 불필요하게 다른 센서 노드를 거치지 않고도 싱크 노드와 클러스터 헤드 간의 전송 트리를 통해 데이터가 전달되는 것이 가능하다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크 시스템의 데이터 전달 방법을 도시한다.

도 2를 참조하면, 먼저, 각각의 센서 노드에 대해 레이어를 설정한다(201).

레이어 설정은, 예컨대, 메시지 포맷에서 임의의 필드가 레이어 값으로 정의된 특정 메시지를 싱크 노드가 브로드캐스팅하여 개시하는 것이 가능하다. 이러한 메시지를 수신한 센서 노드는 레이어 필드의 값을 증가시켜서 자신의 레이어를 설정하는 것이 가능하다. 또한, 레이어가 설정된 특정한 센서 노드가 이러한 메시지를 다시 주변의 센서 노드로 브로드캐스팅하여 순차적으로 레이어가 설정되도록 하는 것이 가능하다. 네트워크의 규모에 따라 이와 같은 방식으로 레이어는 계속 증가될 수 있다.

이어서, 레이어 별로 클러스터 헤드를 선출한다(202).

클러스터 헤드 선출은, 예컨대, 각각의 센서 노드가 랜덤한 값을 생성하고 생성된 값이 문턱 값보다 작으면 클러스터 헤드로 선출되고 그러하지 아니하면 클러스터 멤버가 되는 방식이 사용될 수 있다. 이 밖에도 LEACH 방식과 같은 다양한 방법이 사용될 수 있다. 이러한 클러스터 헤드 선출은 레이어 별로 이루어질 수 있다. 즉, 동일한 레이어를 갖는 센서 노드들 중에서 클러스터 헤드를 선출하도록 한다.

이어서, 클러스터 헤드를 중심으로 클러스터를 형성한다(203).

클러스터 형성은, 예컨대, 선출된 클러스터 헤드가 광고 메시지(Advertisement Message)를 해당 레이어에 브로드캐스팅하고, 광고 메시지를 수신한 센서 노드가 이에 대한 응답 메시지를 전송하는 방식으로 이루어질 수 있다. 이때 광고 메시지를 수신한 센서 노드는 동일한 레이어에서 온 광고 메시지에 대해 서만 응답하는 것도 가능하다.

이어서, 싱크 노드와 클러스터 헤드들 간의 전송 트리를 형성한다(204).

전송 트리는, 예컨대, 싱크 노드가 트리 형성 요청 메시지를 클러스터 헤드로 전송하고, 클러스터 헤드가 싱크 노드를 부모 노드로 설정하는 방식이 사용될 수 있다. 또한, 위 클러스터 헤드가 싱크 노드로부터 전달 받은 트리 형성 요청 메시지를 다른 클러스터 헤드로 전송하고, 이 메시지를 수신한 다른 클러스터 헤드가 위 클러스터 헤드를 부모 노드로 설정하는 것도 가능하다.

이어서, 형성된 전송 트리를 이용하여 데이터 전송을 수행한다(205).

예컨대, 싱크 노드가 전송 트리 상에서 특정한 센서 노드로의 접근을 위한 경로를 설정하고 설정된 경로를 통해 데이터를 전송하는 것이 가능하다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크 시스템에서 사용되는 패킷 포맷을 도시한다.

도 3을 참조하면, 패킷은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째로 네트워크를 구성하는 센서 노드에게 전달하는 커맨드 패킷(command packet)과 데이터를 전송하기 위한 데이터 패킷(data packet)으로 구분할 수 있다.

도 3에서, 패킷의 각 필드가 갖는 의미는 다음과 같이 정의될 수 있다.

- Type : 현재 전송된 패킷의 종류를 나타내는 필드

- Layer : 노드가 속한 layer를 표현하는 필드

- Source : 패킷의 송신 노드 ID

- Neighbor Destination : 패킷의 다음 목적지 노드 ID

- Final Destination : 패킷의 최종 목적지 노드 ID

- Sequence Number : 현재 패킷의 번호

- Total Sequence Number : 패킷의 전체 개수

- Payload : 데이터를 저장하는 필드

그리고 Type의 값에 따른 정의는 [표 1]과 같다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이어 설정 방법을 도시한다.

본 발명의 일 실시 예에 따라, 레이어는 네트워크를 구성하는 노드들 간의 기울기(gradient)를 표현한다고 볼 수 있다. 즉, 레이어의 값을 통해 노드 간의 계층을 구분하는 것이 가능하다.

도 4에서, 싱크 노드(BS)는 클러스터 헤드를 선출하라는 커맨드를 브로드캐스팅하고, RF 범위에 있는 센서 노드는 이 메시지를 수신한다.

이때 커맨드의 각 필드를 살펴보면 [표 2]와 같다.

[표 2]에서, 각 필드의 값을 살펴보면 type은 0x01이다. 이는 [표 1]에서 정의했던 클러스터 헤드를 선출하라는 메시지이다. 그리고 초기에 싱크 노드의 레이어는 0x00인 것으로 가정하였고, 싱크 노드의 아이디(ID)도 0x00으로 설정하였다. 그리고 브로드 캐스트(broadcast)의 메시지이므로 목적지(destination)의 필드는 0xFF로 설정된다.

이 메시지를 수신한 센서 노드들은 수신 메시지의 type을 확인하게 된다. 수신 노드들은 이 메시지가 클러스터 헤드를 선출하라는 메시지임을 확인하게 되고, 메시지의 레이어 필드의 값을 1 증가시킴으로써 자신의 레이어를 설정한다.

또한, 도 5에서, 설정된 레이어 내의 센서 노드들은 클러스터 헤드를 선출하고, 선출된 클러스터 헤드들은 설정된 자신의 레이어를 해당 필드에 반영하고, source 필드에 자신의 ID를 기록하여 브로드 캐스팅한다. 이 과정에서 같은 레이어 또는 상위 레이어의 센서 노드들은 이러한 메시지를 수신하여도 아무런 작업을 하지 않는다. 즉, 하위 레이어에서만 이 메시지를 수신하여 동일한 과정으로 자신의 레이어를 설정한다. 다시 말해, 클러스터 헤드 선출 메시지를 수신한 센서 노드는 그 메시지가 상위 레이어에서 온 것인지 판단하고, 상위 레이어에서 온 경우에만 자신의 레이어를 설정하도록 한다.

다음으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 클러스터 헤드 선출 방법을 설명한다.

Cluster Head Election Message(CHEM)의 메시지를 수신한 센서 노드는 모두 같은 레이어에 속하게 된다. 이렇게 동일하게 설정된 레이어에서 각 센서 노드는 threshold를 설정한다. Threshold의 값은 자신이 이전에 클러스터 헤드로 선출된 경험이 있는지, 현재 진행 중인 라운드(네트워크가 구성되어 유지되는 시간의 단위), 및 파라미터로 설정된 클러스터의 수 등으로 결정될 수 있다. 예컨대, threshold는 다음과 같이 계산될 수 있다.

위의 식에서 각 파라미터의 의미는 다음과 같다.

- T(n) : Threshold

- P : 요구되는 클러스터 헤드의 양(%)

- r : 현재의 라운드

- G : 지난 라운드에서 클러스터 헤드로 선출되지 않은 노드의 집합

위 식을 참조하면, 라운드(round)가 증가함에 따라 클러스터 헤드가 아니었던 노드가 선출될 수 있는 확률을 높이는 방식임을 알 수 있다.

이렇게 설정된 threshold의 값을 기준으로 각 센서 노드는 랜덤(random)한 값을 생성한다. 생성된 값이 설정한 threshold의 값보다 작으면 클러스터 헤드로 선출이 되고 반대로 threshold의 값보다 크거나 같으면 클러스터 멤버가 된다.

이와 같이 레이어의 설정 및 클러스터 헤드의 선출이 완료되면, 각 레이어 별로 클러스터 헤드를 중심으로 클러스터를 구성한다.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 클러스터 구성 방법을 도시한다.

도 6에서, 선출된 클러스터 헤드는 광고 메시지를 해당 레이어(layer)에 브로드캐스팅한다. 그리고 클러스터 헤드의 광고 메시지를 수신한 센서 노드들은 해당 메시지의 레이어를 확인한다. 센서 노드들은 같은 레이어에서 온 메시지인 경우에만 클러스터 헤드에게 ACK 메시지를 전송한다. 클러스터 헤드가 송신한 메시지의 각 필드를 확인하면 [표 3]과 같다.

[표 3]을 참조하면, 이 메시지는 Type, Layer, Source 필드를 제외하고 [표 2]와 같은 구성을 갖는 것을 알 수 있다. type필드는 현재 메시지가 Advertisement Message임을 표시한다. 그리고 메시지가 전송된 레이어와 source 노드의 ID를 포함함을 볼 수 있다.

도 7에서, 메시지를 수신한 센서 노드는 ACK 메시지를 전송하게 된다. 이때 두 개 이상의 클러스터 헤드로부터 메시지가 수신된 경우, 두 클러스터 헤드의 RF 세기를 기준으로 클러스터 헤드를 선정한다. RF 세기도 같은 경우 랜덤(random)하게 선정하게 된다.

클러스터 멤버가 전송하는 ACK를 살펴보면 [표 4]와 같다.

[표 4]에서 각 필드를 살펴보면, type은 0x82로 0x02(ADM)와 0x80(ACK)의 값으로 이루어져 클러스터 헤드가 방송한 메시지의 ACK임을 표시한다. 그리고 레이어 필드에는 메시지를 송신한 클러스터 멤버의 레이어를 설정함으로써 클러스터 헤드와 같은 레이어인지 여부를 판별하는데 사용한다. Source 필드의 경우, 송신 노드 ID를 기록하여 메시지를 수신한 클러스터 헤드가 사용할 수 있도록 한다. 마지막으로 목적지의 필드에는 클러스터 멤버가 선정한 클러스터 헤드의 ID를 기록하여 클러스터 헤드가 자신을 향한 메시지인지를 확인할 수 있도록 한다.

이렇게 클러스터 멤버가 ACK를 전송하면, 도 8과 같이, 클러스터 헤드는메시지의 레이어와 목적지 필드를 이용하여 수신 여부를 결정한다. 수신이 결정되면 메시지의 source 필드의 값을 클러스터 헤드가 관리하는 cluster member table(CMT)에 기록하여 해당 클러스터를 관리하고 클러스터의 구성은 완료가 된다.

도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따라, 싱크 노드와 클러스터 헤드가 네트워크를 형성하는 방법을 도시한다.

본 실시 예에 따라, 싱크 노드와 클러스터 헤드는 데이터 전송을 위한 전송 트리를 형성하여 네트워크로 연결되는 것이 가능하다. 예컨대, 각 클러스터 헤드는 tree를 구성하기 위해 부모 노드(parent node)와 자식 노드(child node)를 관리하는 테이블을 가질 수 있다. 또한 이 테이블에는 라우팅 과정에서 필요한 값들이 저장될 수 있다.

도 9에서, 싱크 노드는 Tree Configuration Request(TCR)메시지를 레이어 1의 클러스터 헤드에게 전송한다. 클러스터 헤드는 RF 범위에 있는 노드들 중 선출이 되었으므로 레이어 2의 노드는 TCR 메시지를 수신하지 못한다.

싱크 노드(BS)가 전송한 TCR 메시지는 [표 5]와 같다.

도 9에서, TCR 메시지는 첫 번째 레이어의 클러스터 헤드에게 도달한다. 클러스터 헤드는 수신한 메시지의 레이어 필드의 값이 자신의 레이어보다 상위에서 온 메시지인지를 확인한다. 만약 상위 레이어로부터의 메시지이면 클러스터 헤드는 이 메시지의 source 필드의 값을 자신의 부모(parent)로 기록한다. 하지만 동일한 레이어나 하위 레이어로부터 메시지를 수신하였으면, 자신의 부모는 변경하지 않는다. 또한 하나의 클러스터 헤드가 여러 개의 싱크 노드 또는 클러스터 헤드로부터 메시지를 수신하였으면 RF의 세기를 기준으로 부모(parent)를 결정한다. 부모 노드를 설정한 후 클러스터 헤드는 자신이 설정한 부모노드에게 ACK를 전송하게 된다.

TCR에 대한 ACK 메시지의 각 필드는 [표 6]과 같다.

ACK를 수신한 노드는 자신이 관리하는 자식 노드 테이블(Child Node Table)에 수신 노드의 ID를 기록하여 링크를 만든다.

도 10에서, 링크가 만들어지면 클러스터 헤드는 자신의 하위 클러스터 헤드와 전송 트리를 구성하기 위해 TCR 메시지를 다시 전송하고 앞서 설명한 방법과 동일한 과정을 반복하게 되며 클러스터 헤드간의 tree 구성을 완료하게 된다.

클러스터 헤드 사이에 네트워크를 구성함에 있어서 발생될 수 있는 하나의 변수는 루프(loop) 형성에 있다. 즉, 도 11과 같이, 클러스터 헤드 사이에 RF 세기만을 기준으로 부모 노드를 선정하면 루프(loop)가 발생할 수 있다. 클러스터 헤드 2번은 자신의 부모를 8번 노드로, 8번 클러스터 헤드는 A번 노드, A번 클러스터 헤드는 2번 노드를 부모로 설정을 하였다. 이 경우 네트워크는 정상적으로 동작하지 않는다. 이와 같은 경우를 방지하기 위해 한 개 이상의 클러스터 헤드로부터 메시지를 수신한 경우 RF 세기를 기준으로 선택을 하는 것 외에 Tree Configuration Request(TCR)은 상위 노드로부터 전송된 메시지만을 수신하도록 정의하여 루프(loop)를 방지하는 것이 가능하다.

이제까지 설명을 통해 네트워크 구성(network configuration) 과정이 이루어진다. 이는 라운드(round)가 반복이 되면서 되풀이 되며 매번 구성의 형태가 달라지며 균등한 헤드의 선출을 통해 에너지를 효과적으로 사용할 수 있다.

다음으로 데이터 전송 과정을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 일 실시 예에 따라, 데이터를 전달하는 방법에는 크게 두 가지로 분류한다. 하나는 임의의 노드에게 데이터를 전달하는 방법과 다른 하나는 전체 노드에게 데이터를 전달하는 방법이 있다.

도 12 및 도 13은 임의 노드로 데이터를 전송하는 방법을 도시한다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 임의 노드에게 데이터를 전달하는 방법의 중요한 항목은 라우팅(routing)의 방법을 결정하는 것이다. 이를 위해 이미 구성된 네트워크의 클러스터 헤드를 중심으로 임의 노드 접근을 위한 경로를 설정하고 설정된 경로를 통해 데이터를 전송하는 방법을 이용한다. 경로 설정은 해당 경로에 대한 설정요구가 있을 때 비로소 탐색하는 reactive 방식을 이용한다.

먼저 싱크 노드는 임의 노드에 접근하기 위한 경로설정을 위해 커맨드 메시지를 자신의 자식 노드에게 전송한다. 메시지를 수신한 클러스터 헤드는 Neighbor destination의 필드가 자신임을 확인하고 Final destination의 필드를 확인한다. 이 필드에 있는 노드 ID를 FD(Final Destination)에 저장을 하여 추후 라우팅에 대비한다. 그리고 이 값이 자신 혹은 자신이 관리하는 클러스터 멤버인지를 확인하여 포워딩 여부를 판별한다. 만약 자신이 관리 하는 멤버 노드 혹은 클러스터 헤드가 아니면 메시지를 해당 클러스터 헤드의 자식 노드들에게 전송을 한다.

예를 들어, 도 12와 같이, 싱크 노드로부터 전송된 경로탐색 메시지(Path Configuration Request)는 임의노드 10번이 포함된 클러스터까지 전송이 된다. 이 때 7번 노드(클러스터 헤드)는 자신이 관리하는 클러스터의 멤버 테이블을 이용하여 10번 노드가 있음을 알게 된다.

임의 노드를 포함한 클러스터 헤드는, 도 13과 같이, 자신의 부모에게 ACK 메시지를 보내게 된다. ACK를 수신한 상위 레이어의 클러스터 헤드(8번 노드)는 자신의 자식 노드(7번 노드)인지를 확인하고, 데이터 전송을 위해 ACK를 송신한 자식 노드의 ID를 기록(RC에 기록)하여 라우팅을 할 수 있도록 한다. 그리고 다시 ACK를 수신한 노드는 자신의 부모 노드에게 ACK를 전송하여 경로를 설정한다.

싱크 노드가 ACK를 수신하게 되면, 경로설정은 끝이 나게 되고 설정된 경로로 데이터를 전송하게 된다. 이 때 싱크 노드 또는 클러스터 헤드가 보내는 메시지는 [표 7]과 같다.

이 메시지를 수신한 클러스터 헤드는 Final Destination의 필드의 값과 자신이 저장하고 있는 값을 비교하여 일치하면 저장한 RC(Remeber Child)로 데이터를 포워딩(forwarding) 또는 자신의 클러스터 멤버에게 전달한다.

도 14는 전체 노드로 데이터를 전송하는 과정을 도시한다.

도 14에서, 싱크 노드(BS)는 자신의 자식 노드에게 데이터를 전송하면 데이터 패킷을 수신한 클러스터 헤드는 다시 자신의 자식 노드에게 데이터 패킷을 포워딩(forwarding)한 후, 자신이 관리하는 클러스터 멤버들에게 데이터 패킷을 전송한다.

도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고아 노드의 해결 방법을 도시한다.

데이터를 전송하기 전 과정인 네트워크의 구성에서 클러스터에 포함되지 않는 노드가 생길 수가 있다. 이 노드를 고아 노드(Orphan node)라 하고 Cluster Head Election Message(CHEM)를 수신하지 않은 상태에서 주변 노드의 Advertisement Message ACK를 수신한 노드로 정의한다.

도 15는 이렇게 발생된 고아 노드를 나타내는 예이다.

도 15에서, 고아 노드가 발생한 이유는 선출된 클러스터 헤드로부터 RF 범위에 포함이 되어 있지 않기 때문에 CHEM을 수신하지 못했지만 레이어 2의 경계선 부근에 위치하는 노드들이 송신한 Advertisement Message ACK를 수신하였기 때문이다.

이렇게 어떤 클러스터에도 포함되지 않는 노드, 즉, 고아 노드를 해결하기 위한 방안은 도 16과 같다.

도 16에서, CHEM(Cluster Head Election Message)을 수신하지 않은 상태에서 ADM(ADvertisement Message)를 수신한 경우, 랜덤 백오프(Random backoff)를 수행 한다. 이는 다른 경로를 통해 전달 될 수도 있는 CHEM을 기다림과 동시에 하나가 아닌 여러 개의 노드들이 고아 노드라고 판단할 수 있는 상황을 위해 사용한다.

랜덤 백오프(Random backoff)가 끝나면 자신은 고아 노드라 판단하고 헤드 요청 메시지를 전송한다. 복수의 고아 노드의 경우 백오프 시간이 다르므로 메시지의 충돌을 피할 수 있다. 그리고 백오프 중인 고아 노드가 이 메시지를 수신하면 백오프를 중지하게 된다. 헤드 요청 메시지(Head request)를 송신한 노드는 헤드 승낙 메시지(Head grant)를 수신하기 위해 일정 시간 대기한다. 만약 이 메시지를 이미 클러스터에 포함되어 있던 노드들 중 하나 또는 여러 노드가 수신하면 승낙 메시지(Head grant)를 전송하고 ACK를 기다리게 된다. 헤드 요청 메시지를 전송한 노드가 승낙 메시지(Head grant)를 수신하면 송신 노드를 자신의 클러스터 헤드로 설정하고 클러스터를 구성하게 된다. 이 과정에서 여러 노드로부터 승낙 메시지(Head grant)를 수신하면 RF 세기를 기준으로 클러스터 헤드를 결정한다. 또한 백오프를 중지하고 있던 노드들이 이 메시지를 수신하면 RF 세기를 기준으로 클러스터 헤드를 결정한다. ACK를 수신한 노드는 기존에 포함되어 있던 클러스터에서 탈퇴하게 되며 자신이 클러스터 헤드가 되어 새로운 네트워크를 형성하게 된다.

이상에서 상세히 살펴본 바와 같이, 개시된 실시 예에 따르면, 레이어 별로 클러스터가 형성되고, 클러스터 헤드와 싱크 노드 간에 계층 구조 및 전송 트리가 형성되기 때문에 노드의 에너지 효율이 증가하고, 임의 노드 접근의 유연성을 보장할 수가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크 시스템을 도시한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 데이터 전달 방법을 도시한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 패킷 포맷을 도시한다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이어 설정 방법을 도시한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 클러스터 헤드 선출 후의 레이어 설정 방법을 도시한다.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 클러스터 구성 방법을 도시한다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 클러스터 헤드 네트워크 구성 방법을 도시한다.

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 루프 형성 방지 방법을 도시한다.

도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 임의 노드로의 데이터 전송을 도시한다.

도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전체 노드로의 데이터 전송을 도시한다.

도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고아 노드 발생 방지 방법을 도시한다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 싱크 노드 및 다수의 센서 노드를 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 데이터 전달 방법에 있어서,

   클러스터 헤드 선출 메시지를 수신한 각각의 센서 노드가 수신된 클러스터 헤드 선출 메시지가 상위 레이어로부터 수신된 것인지 여부를 판단하고, 수신된 클러스터 헤드 선출 메시지가 상위 레이어로부터 수신된 경우, 자신의 레이어를 설정하고 설정된 자신의 레이어 값을 클러스터 헤드 선출 메시지에 반영한 후 그 클러스터 헤드 선출 메시지를 브로드캐스팅함으로써 레이어를 설정하는 단계;

   상기 클러스터 헤드 선출 메시지를 수신한 각각의 센서 노드가 현재의 네트워크 라운드 및 자신이 이전에 클러스터 헤드로 선출된 경험이 있는지 여부를 고려하여 자신의 클러스터 헤드로의 선출 여부를 결정함으로써 각 레이어별로 클러스터 헤드를 선출하는 단계;

   레이어별로 선출된 클러스터 헤드가 클러스터 형성 메시지를 브로드캐스팅하고, 클러스터 형성 메시지를 수신한 각각의 센서 노드가 클러스터 형성 메시지가 동일한 레이어에 속한 클러스터 헤드로부터 수신된 것인지 여부를 판단하고, 클러스터 형성 메시지가 동일한 레이어에 속한 클러스터 헤드로부터 수신된 경우, 응답 메시지를 클러스터 헤드로 전송함으로써 각 레이어별로 클러스터를 형성하는 단계; 및

   상기 싱크 노드가 전송 트리 형성 메시지를 브로드캐스팅하고, 전송 트리 형성 메시지를 수신한 각 레이어별 클러스터 헤드가 전송 트리 형성 메시지가 상위 레이어로부터 수신된 것인지 여부를 판단하고, 수신된 전송 트리 형성 메시지가 상위 레이어로부터 수신된 경우, 노드 테이블을 설정하여 링크를 생성한 후 하위 레이어의 클러스터 헤드로 전송 트리 형성 메시지를 전송함으로써 전송 트리를 형성하는 단계; 를 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 데이터 전달 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 클러스터 헤드는 동일한 레이어별로 적어도 하나가 선출되는 무선 센서 네트워크 시스템의 데이터 전달 방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 형성된 전송 트리를 이용하여 데이터를 전송하는 단계; 를 더 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 데이터 전달 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 데이터를 전송하는 단계는

   상기 싱크 노드가, 상기 전송 트리 상에서 상기 센서 노드로의 접근을 위한 경로를 설정하고 상기 설정된 경로를 통해 데이터를 전송하는 과정을 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 데이터 전달 방법.

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