KR101072448B1 - Wireless sensor network system and clustering method thereof - Google Patents

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KR101072448B1
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cluster head
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KR1020100038998A
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김성수
장시환
이규선
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강원대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크 시스템 및 그의 설계 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 센서네트워크의 자원 제약성을 고려하여 센서노드 간의 데이터 전송 거리를 최소화함으로써 센서노드의 에너지 소비를 최소화하여 수명을 극대화할 수 있도록 한 무선센서 네트워크 시스템 및 그의 클러스터링 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명은 싱크노드와 연결되는 클러스터 헤드 노드 및 그 클러스터 헤드 노드로 데이터를 전송하는 복수의 센서 노드로 클러스터링된 무선 센서네트워크 시스템의 클러스터링 방법에 있어서, 싱크노드와 각 센서 노드의 위치 데이터를 입력하고, 파라미터를 설정하며 한 swarm당 설정된 수만큼의 파티클(particle)을 임의적으로 생성하여 초기해 생성과정을 수행하는 단계; 및 상기 임의적으로 생성된 각 파티클의 평가값을 계산하고, 상기 계산된 평가값을 고려해 해를 평가하고, 다음 세대(generation)는 평가값을 적용하여 클러스터 헤드 노드가 될 확률을 계산하고, 시그모이드(Sigmoid) 함수를 이용하여 다음 세대의 해를 도출하여 현재 세대까지의 파티클 중에서 가장 좋은값과 현재 세대까지의 가장 좋은 파티클 중에서 가장 좋은 파티클로 갱신하며 다음 세대에 이를 반영하여 최적해에 수렴하도록 하는 단계를 수행하여 클러스터 헤드 노드의 개수와 위치를 결정하는 무선센서 네트워크 시스템의 클러스터링 방법 및 그 방법이 적용된 무선센서 네트워크를 제공한다.The present invention relates to a wireless sensor network system and a method for designing the same, and specifically, to minimize the energy transmission distance between sensor nodes in consideration of resource constraints of the sensor network, thereby minimizing the energy consumption of the sensor nodes to maximize the lifespan. A wireless sensor network system and a clustering method thereof. As described above, the present invention provides a clustering method of a wireless sensor network system clustered by a cluster head node connected to a sink node and a plurality of sensor nodes transmitting data to the cluster head node. Inputting, setting parameters, and randomly generating a set number of particles per swarm to perform an initial solution generation process; And calculating an evaluation value of each of the randomly generated particles, evaluating a solution in consideration of the calculated evaluation value, and calculating a probability of becoming a cluster head node by applying the evaluation value to a sigmoid. Using the sigmoid function, we derive the solution of the next generation and update it with the best value among the particles up to the current generation and the best particle among the best particles up to the current generation, and reflect it to the next generation to converge on the optimal solution. Provided are a clustering method of a wireless sensor network system for determining the number and location of cluster head nodes by performing a step, and a wireless sensor network to which the method is applied.

Description

무선센서 네트워크 시스템 및 그의 클러스터링 방법{WIRELESS SENSOR NETWORK SYSTEM AND CLUSTERING METHOD THEREOF}Wireless sensor network system and its clustering method {WIRELESS SENSOR NETWORK SYSTEM AND CLUSTERING METHOD THEREOF}

본 발명은 무선 센서 네트워크 시스템 및 그의 설계 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 센서네트워크의 자원 제약성을 고려하여 센서노드 간의 데이터 전송 거리를 최소화함으로써 센서노드의 에너지 소비를 최소화하여 수명을 극대화할 수 있도록 한 무선센서 네트워크 시스템 및 그의 클러스터링 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a wireless sensor network system and a method for designing the same, and specifically, to minimize the energy transmission distance between sensor nodes in consideration of resource constraints of the sensor network, thereby minimizing the energy consumption of the sensor nodes to maximize the lifespan. A wireless sensor network system and a clustering method thereof.

최근 연구가 활발히 진행 중인 마이크로 무선 센서 네트워크는 이동 컴퓨팅과 통신 분야에서 활용성이 매우 높을 것으로 기대된다. 이 기술은 유비쿼터스 환경 구축을 대표로 여러 분야에 응용하여 사용될 수 있으며 현재는 주로 군사, 환경감시 및 극지 모니터링 등에서 사용되고 있다. Micro-wireless sensor networks, which are being actively researched, are expected to be very useful in mobile computing and communication. This technology can be used in various fields as a representative of the ubiquitous environment, and is currently used mainly in military, environmental surveillance, and polar monitoring.

유비쿼터스란 사용자가 네트워크나 컴퓨터를 의식하지 않고 장소에 상관없이 자유롭게 네트워크에 접속할 수 있는 정보통신 환경을 말한다. 최근 각 보고서를 통해 무선 센서 네트워크의 시장성이 무한하다는 결과가 입증되었다. 2007년 2월 EE타임스가 시장조사 업체인 인스태트 자료를 인용하여 2010년 세계 RFID 시장이 330억 개 규모로 2005년에 비해 25배 이상 성장할 전망이라고 보도했다. 또한 2008년 2월 12일 정보통신정책연구원(KISDI)에서 발간한 'NFC폰 시장 전망 및 업체 동향' 보고서에서 2007년 국내 모바일 RFID 시장이 269억원으로 추정되고 향후 연평균 196%의 증가세를 보이면서 오는 2010년 7010억원대의 큰 시장을 형성할 것이라고 전망했다. 이러한 유비 쿼터스 환경에서는, 센서 네트워크 상에 존재하는 센서들을 통해 주변의 물리적인 정보가 수집되고, 수집된 데이터는 무선 인터페이스를 통해 싱크로 수집된다. 이렇게 수집된 데이터는 인터넷이나 셀룰러 등의 광대역 네트워크를 통해 원격지에 존재하는 서버 혹은 사용자에게 전달된다. 유비쿼터스 환경 하에서는 무선 센서 단말이 사용자가 휴대하고 다니는 노트북, 휴대폰, PDA 등의 단말 장치라 볼 수 있다. RFID 시스템은 데이터베이스, 리더, 태그로 구성되는데, 리더를 무선 센서 단말로 볼 수 있다. 이를 이용하면 자동차 네비게이션, 위치기반 컨텐츠, 모바일 서비스, 교통카드 등 일상생활, 산업시스템 전반에 걸쳐 광범위하게 적용될 수 있다. 하지만 무선 센서 단말은 저전력, 적은 메모리 등 제한된 컴퓨팅 파워와 같이 자원 제약성이 매우 높으며 저비용으로 구현되어야 한다. Ubiquitous is an information and communication environment that allows users to connect to the network freely regardless of the location of the network or computer. Each recent report demonstrates the unlimited marketability of wireless sensor networks. In February 2007, EE Times cited market research company INSTIT, which reported that the global RFID market is expected to grow 25 times in 2010 to 33 billion units in 2010. In addition, in the 'NFC Phone Market Forecast and Company Trends' report published by the Korea Institute of Information and Communications Policy (KISDI) on February 12, 2008, the domestic mobile RFID market is estimated at 26.9 billion won in 2007, with an annual average increase of 196%. It is expected to form a large market of 70 billion won a year. In such a ubiquitous environment, surrounding physical information is collected through sensors existing on the sensor network, and the collected data is collected to the sink through the air interface. The collected data is transmitted to a remote server or user through a broadband network such as the Internet or cellular. In a ubiquitous environment, the wireless sensor terminal may be a terminal device such as a notebook, mobile phone, PDA, etc., carried by a user. The RFID system consists of a database, a reader, and a tag, which can be viewed as a wireless sensor terminal. This can be applied to a wide range of everyday life and industrial systems, such as car navigation, location-based content, mobile services, transportation cards. However, wireless sensor terminals have high resource constraints such as limited computing power such as low power and low memory, and must be implemented at low cost.

한편 센서 네트워크는 현장에서 데이터를 수집하여 Sink로 전송하는 형태를 갖추고 있으며 사회 각 분야에서의 필요로 인해 개발의 필요가 증대되고 있다.On the other hand, the sensor network collects data in the field and transmits it to Sink, and development needs are increasing due to the needs in various fields of society.

일반적으로 센서 네트워크는 원거리에 배치된 다수의 센서들이 그룹화 되어 노드로 서로 연결되어 있는 구조이다. 여기서 연결되어 있다는 것은 무선으로 통신 가능하게 신호적으로 결합되어 있는 것을 의미한다. In general, a sensor network is a structure in which a plurality of sensors disposed at a long distance are grouped together and connected to each other as a node. Here, connected means that the signal is coupled to the wireless communication.

예를 들면, 센서노드에 의한 감시 시스템은 센서가 부착되어 있는 센서노드들이 데이터 수집장치에 연결에 있고, 센서노드들이 무선 통신, 위성 통신 등으로 구성된 통신 네트워크를 걸쳐 감시자가 있는 메인 컴퓨터에 연결되어 있는 구성으로 되어 있다. 센서노드는 마이크로프로세서, 여기에 연결된 메모리, RAM, ROM, 기억장치, 트랜시버 등 주변 구성요소를 구비한다. 초기에 센서 네트워크는 주로 직접 접근하기 어려운 지역의 군사동향의 감시를 하는 무인 정찰 시스템에 사용되었으나, 최근에는 그 응용분야가 외부 환경의 감시나 제어기능을 수향하는 지능형 교통시스템, 생산공정 자동 제어, 환자 상태 원격감지, 지능형 빌딩내의 환경 컨트롤 등으로 확장되는 추세이다.For example, a monitoring system by a sensor node is connected to a main computer with a monitor over a communication network consisting of wireless communication, satellite communication, and the like. It is in a constitution. The sensor node has peripheral components such as a microprocessor, memory connected thereto, RAM, ROM, memory, transceiver, and the like. In the early days, sensor networks were mainly used for unmanned reconnaissance systems that monitor military trends in areas that were difficult to access, but recently, their applications are intelligent traffic systems, automatic control of production processes, It is expanding to remote sensing of patient status and environmental control in intelligent buildings.

이러한 센서 네트워크 시스템에서는 공간적으로 분산된 복수개의 센서노드들로 구성된다. 분산된 각각의 센서노드들은 각자 감시동작 상태로 들어가 이상 형상이 발생하거나 미리 설정된 시간마다 감시 지역의 상태를 통신 네트워크를 통해 데이터 수집장치로 전달한다. 따라서 이러한 분야에서 사용되는 센서 노드들은 주로 한정된 에너지원에 의하여 운영되며, 수개월 내지 수년간 전원의 교체 없이 동작할 필요성을 갖는다.In this sensor network system, a plurality of spatially distributed sensor nodes are configured. Each of the distributed sensor nodes enters a monitoring operation state and causes an abnormal shape or transmits the status of the monitoring area to the data collection device through a communication network at a predetermined time. Therefore, sensor nodes used in these fields are mainly operated by a limited energy source, and there is a need to operate without replacement of power for months to years.

이러한 필요성에 따라 최소한의 제한적인 컴퓨팅 파워만으로 동작할 수 있는 효율적인 센서와 더불어 센서를 연결시키기 위한 무선 센서 네트워크의 효율적 배치, 집단화 등의 기술 개발이 필요하게 되었다. This necessity requires the development of efficient sensors that can operate with minimal limited computing power, as well as efficient deployment and grouping of wireless sensor networks to connect the sensors.

그러나 종래에 진행된 많은 연구들이 단지 학술적인 연구 목적으로만 진행되었고, 실제 산업에 적용될 수 있도록 상용화된 기술로까지 진행되지 않아 급변하는 관련 시장에 보조를 맞출 수 있는 기술 개발이 시급한 실정이다.However, many researches conducted in the past have been conducted only for academic research purposes, and technology development that can keep pace with the rapidly changing related market is urgent as it does not proceed to commercially available technology to be applied to the actual industry.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 센서네트워크의 자원 제약성을 고려하여 센서노드 간의 데이터 전송 거리를 최소화함으로써 센서노드의 에너지 소비를 최소화하여 수명을 극대화할 수 있도록 한 무선센서 네트워크 시스템 및 그의 클러스터링 방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above problems, and in consideration of the resource constraints of the sensor network, by minimizing the data transmission distance between the sensor nodes, the wireless sensor network system can minimize the energy consumption of the sensor nodes to maximize the lifetime. And its clustering method.

본 발명의 다른 목적은 센서노드의 클러스터링(clustering) 최적 설계를 위하여 휴리스틱 알고리즘인 Particle Swarm Optimization(PSO)을 사용하여 동적 환경에서도 최적의 해를 탐색할 수 있도록 한 무선센서 네트워크 시스템 및 그의 클러스터링 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a wireless sensor network system and its clustering method that can search for an optimal solution even in a dynamic environment by using a heuristic algorithm Particle Swarm Optimization (PSO) for optimal clustering of sensor nodes. In providing.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 무선센서 네트워크 시스템은, 클러스터 헤드 노드 이외의 센서 노드를 구비하여 센싱 데이터를 수집 및 축약하는 적어도 하나의 클러스터; 및 상기 클러스터 헤드 노드로부터 축약된 센싱 데이터를 최종적으로 수집하는 싱크 노드를 포함하되, 상기 클러스터 헤드 노드는, 시그모이드(sigmoid) 함수를 이용하여 다음 세대(generation) 해를 도출하여 피에스오(PSO: Particle Swarm Optimization) 알고리즘을 통해 파티클(particle)별 평가값이 계산되고, 그 계산된 평가값을 고려해 획득되는 최적 해에 의해 개수와 위치가 결정되며, 상기 센서 노드는 가장 가까운 클러스터 헤드 노드에 연결되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a wireless sensor network system including: at least one cluster having sensor nodes other than cluster head nodes to collect and condense sensing data; And a sink node that finally collects the sensed data abbreviated from the cluster head node, wherein the cluster head node derives a next generation solution using a sigmoid function to obtain a PSO. : Particle Swarm Optimization (Particle Swarm Optimization) algorithm calculates particle-specific evaluation values, and the number and position of the particles are determined by the optimal solution obtained by considering the calculated evaluation values, and the sensor nodes are connected to the nearest cluster head node. It is characterized by.

바람직하게, 상기 평가값은, 싱크 노드와 각 센서 노드의 위치 데이터를 입력하고, 아래의 수학식 1과 2의 파라미터를 설정하며, 초기 가능해군을 생성하기 위하여 한 스웜(swarm)당 설정된 수만큼의 파티클을 임의적으로 생성하여 각 파티클의 평가값을 계산하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the evaluation value, input the position data of the sink node and each sensor node, set the parameters of the following equations (1) and (2), and by the number set per swarm (swarm) to generate the initial possible naval It is characterized in that the particles of the randomly generated to calculate the evaluation value of each particle.

(수학식 1)(Equation 1)

Figure 112010027248659-pat00001
Figure 112010027248659-pat00001

(수학식 2)(Equation 2)

Figure 112010027248659-pat00002
Figure 112010027248659-pat00002

여기서 c1과 c2는 각 파티클이 pbesti j(i세대까지의 파티클 j중에서 가장 좋은값)와 gbesti(i세대까지의 pbesti j중에서 가장 좋은값)로 향하는 확률적 가속의 가중치, r1과 r2는 [0, 1]내의 랜덤 상수, ω는 관성 가중치를 의미한다.Where c 1 and c 2 are the weights of the stochastic accelerations toward which each particle is directed to pbest i j (best of particle j up to generation i) and gbest i (best of pbest i j up to generation i ), r 1 and r 2 are random constants in [0, 1], and ω is the inertia weight.

바람직하게, 상기 평가값은, 아래의 수학식 3을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the evaluation value is characterized in that calculated using the following equation (3).

(수학식 3)(Equation 3)

Figure 112010027248659-pat00003
Figure 112010027248659-pat00003

여기서, TD는 초기에 모든 센서가 싱크노드와 연결되어 있을때의 총 거리, N은 모든 노드의 수, a는 가중치, 인덱스 k는 k번째 클러스터링 해, dk는 k번째 클러스터링 해가 결정되었을 때의 총거리를 나타내고, 그때의 클러스터 헤드 노드의 수를 Hk로 의미한다.Where TD is the total distance when all sensors are initially connected to the sink node, N is the number of all nodes, a is the weight, index k is the k-th clustering solution, and d k is the k-th clustering solution. The total distance is shown, and the number of cluster head nodes at that time is denoted by H k .

바람직하게, 상기 최적 해는, 상기 평가값을 적용하여 클러스터 헤드 노드가 될 확률을 계산한 후, 시그모이드 함수를 사용하여 확률적으로 '0'과 '1'을 재할당하며, 세대를 거듭하면서 우수한 해가 파티클 중에서 가장 좋은 값(pbest, gbest)으로 갱신되어 다음 세대에 반영되어 수렴되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the optimal solution is to calculate the probability of becoming a cluster head node by applying the evaluation value, and then reallocate '0' and '1' by using the sigmoid function, and repeats generations. It is characterized in that the excellent solution is updated to the best value among the particles (pbest, gbest) and reflected in the next generation to converge.

본 발명의 다른 면에 따른 무선센서 네트워크 시스템의 클러스터링 방법은, 싱크노드와 연결되는 클러스터 헤드 노드 및 그 클러스터 헤드 노드로 데이터를 전송하는 복수의 센서 노드로 클러스터링된 무선 센서네트워크 시스템의 클러스터링 방법에 있어서, 싱크노드와 각 센서 노드의 위치 데이터를 입력하고, 파라미터를 설정하며 한 스웜(swarm)당 설정된 수만큼의 파티클(particle)을 임의적으로 생성하여 초기해 생성과정을 수행하는 단계; 및 상기 임의적으로 생성된 각 파티클의 평가값을 계산하고, 상기 계산된 평가값을 고려해 해를 평가하고, 다음 세대(generation)는 평가값을 적용하여 클러스터 헤드 노드가 될 확률을 계산하고, 시그모이드(Sigmoid) 함수를 이용하여 다음 세대의 해를 도출하여 현재 세대까지의 파티클 중에서 가장 좋은값과 현재 세대까지의 가장 좋은 파티클 중에서 가장 좋은 파티클로 갱신하며 다음 세대에 이를 반영하여 최적해에 수렴하도록 하는 단계를 수행하여 클러스터 헤드 노드의 개수와 위치를 결정한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a clustering method of a wireless sensor network system, comprising: a cluster head node connected to a sink node and a clustering method of a wireless sensor network system clustered into a plurality of sensor nodes transmitting data to the cluster head node. Inputting the sink node and position data of each sensor node, setting a parameter, and randomly generating a predetermined number of particles per swarm to perform an initial solution generation process; And calculating an evaluation value of each of the randomly generated particles, evaluating a solution in consideration of the calculated evaluation value, and calculating a probability of becoming a cluster head node by applying the evaluation value to a sigmoid. Using the sigmoid function, we derive the solution of the next generation and update it with the best value among the particles up to the current generation and the best particle among the best particles up to the current generation, and reflect it to the next generation to converge on the optimal solution. Perform the steps to determine the number and location of cluster head nodes.

바람직하게, 상기 최적해에 수렴하도록 하는 단계는, 싱크 노드와 각 센서 노드의 위치 데이터를 입력하고, 아래의 수학식 4와 5의 파라미터를 설정하며, 초기 가능해군을 생성하기 위하여 한 스웜(swarm)당 설정된 수만큼의 파티클을 임의적으로 생성하여 각 파티클의 평가값을 계산하는 단계를 포함한다.Preferably, the step of converging to the optimal solution includes inputting the sink node and the position data of each sensor node, setting the parameters of Equations 4 and 5 below, and using a swarm to generate an initial possible naval solution. Randomly generating a set number of particles per step and calculating an evaluation value of each particle.

(수학식 4)(Equation 4)

Figure 112010027248659-pat00004
Figure 112010027248659-pat00004

(수학식 5)(5)

Figure 112010027248659-pat00005
Figure 112010027248659-pat00005

여기서 c1과 c2는 각 파티클이 pbesti j(i세대까지의 파티클 j중에서 가장 좋은값)와 gbesti(i세대까지의 pbesti j중에서 가장 좋은값)로 향하는 확률적 가속의 가중치, r1과 r2는 [0, 1]내의 랜덤 상수, ω는 관성 가중치를 의미한다.Where c 1 and c 2 are the weights of the stochastic accelerations toward which each particle is directed to pbest i j (best of particle j up to generation i) and gbest i (best of pbest i j up to generation i ), r 1 and r 2 are random constants in [0, 1], and ω is the inertia weight.

바람직하게, 상기 관성 가중치의 ω는, 현재의 속도에 대한 기존 속도의 영향을 조절하기 위한 제어 파라미터로서 탐색과정 초기에는 전역탐색의 강화를 위해 ω값을 크게 설정하고, 탐색 후반부에는 지역탐색을 위해 ω를 감소시킨다.Preferably, ω of the inertia weight is a control parameter for adjusting the influence of the existing velocity on the current velocity, and a large value of ω is set at the beginning of the search process to enhance global search, and at the end of the search for local search. decreases ω.

바람직하게, 상기 평가값은, 아래의 수학식 6을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the evaluation value is characterized in that calculated using the following equation (6).

(수학식 6)(6)

Figure 112010027248659-pat00006
Figure 112010027248659-pat00006

여기서, TD는 초기에 모든 센서가 싱크노드와 연결되어 있을때의 총 거리, N은 모든 노드의 수, a는 가중치, 인덱스 k는 k번째 클러스터링 해, dk는 k번째 클러스터링 해가 결정되었을 때의 총거리를 나타내고, 그때의 클러스터 헤드 노드의 수를 Hk로 의미한다.Where TD is the total distance when all sensors are initially connected to the sink node, N is the number of all nodes, a is the weight, index k is the k-th clustering solution, and d k is the k-th clustering solution. The total distance is shown, and the number of cluster head nodes at that time is denoted by H k .

바람직하게, 상기 최적해에 수렴하도록 하는 단계는, 상기 평가값을 적용하여 클러스터 헤드 노드가 될 확률을 계산한 후, 시그모이드 함수를 사용하여 확률적으로 '0'과 '1'을 재할당하는 단계를 포함한다.Preferably, the step of converging to the optimal solution includes calculating the probability of becoming a cluster head node by applying the evaluation value, and then probably reallocating '0' and '1' using a sigmoid function. Steps.

본 발명의 또 다른 면에 따른 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는, 컴퓨터에 싱크노드와 각 센서 노드의 위치 데이터를 입력하고, 파라미터를 설정하며 한 스웜(swarm)당 설정된 수만큼의 파티클(particle)을 임의적으로 생성하여 초기해 생성과정을 수행하는 단계; 및 상기 임의적으로 생성된 각 파티클의 평가값을 계산하고, 상기 계산된 평가값을 고려해 해를 평가하고, 다음 세대(generation)는 평가값을 적용하여 클러스터 헤드 노드가 될 확률을 계산하고, 시그모이드(Sigmoid) 함수를 이용하여 다음 세대의 해를 도출하여 현재 세대까지의 파티클 중에서 가장 좋은값과 현재 세대까지의 가장 좋은 파티클 중에서 가장 좋은 파티클로 갱신하며 다음 세대에 이를 반영하여 최적해에 수렴하도록 하는 단계를 실행시켜 클러스터 헤드 노드의 개수와 위치를 결정한다.
According to another aspect of the present invention, a computer-readable recording medium includes inputting position data of a sink node and each sensor node to a computer, setting parameters, and setting a number of particles per swarm. Randomly generating and performing an initial solution generation process; And calculating an evaluation value of each of the randomly generated particles, evaluating a solution in consideration of the calculated evaluation value, and calculating a probability of becoming a cluster head node by applying the evaluation value to a sigmoid. Using the sigmoid function, we derive the solution of the next generation and update it with the best value among the particles up to the current generation and the best particle among the best particles up to the current generation, and reflect it to the next generation to converge on the optimal solution. Run the steps to determine the number and location of cluster head nodes.

전술한 과제해결 수단에 의해 본 발명은 무선 센서 네트워크의 클러스터링 최적 설계로 센서 노드의 에너지 소비를 줄이고, 센서 네트워크의 수명을 연장하기 위해 최근에 정보통신기술 및 시스템 설계에 많이 적용되고 있는 PSO 방법을 이용하여 각 센서 노드들 중에서 싱크 노드와 연결되는 클러스터 헤드 노드의 가장 적절한 위치와 개수를 결정하고 그 외 센서 노드들은 가장 가까운 클러스터 헤드 노드에 할당함으로써, 센서 네트워크의 전송 거리와 클러스터 헤드 노드의 위치 및 개수를 최적화하여 센서 네트워크의 에너지 소비를 감소시켜 수명을 연장할 수 있도록 하는 효과가 있다.In accordance with the above-described problem solving means, the present invention provides a PSO method which is recently applied to information communication technology and system design in order to reduce the energy consumption of sensor nodes and extend the life of sensor network by the optimal design of clustering of wireless sensor networks. Among the sensor nodes, the most suitable position and number of cluster head nodes connected to the sink node are determined, and the other sensor nodes are assigned to the nearest cluster head node, so that the transmission distance of the sensor network and the position of the cluster head node and By optimizing the number, the energy consumption of the sensor network can be reduced to extend the life.

또한 데이터 전송 속도 및 정확도 향상을 통하여 비용 절감 및 고객 만족도를 높일 수 있는 효과가 있다.
In addition, data transfer speed and accuracy can be improved to reduce costs and increase customer satisfaction.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선센서 네트워크 시스템을 보인 예시도.
도 2는 도 1에 대해 컴퓨터에 저장한 가능해를 보인 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 PSO 방법을 적용하기 위한 가능 해를 표현한 예시도.
도 4는 본 발명에 따라 x1 1, pbest1 1, gbest1의 해 표현과 PSO 방법을 적용하여 x1 2를생성하기 위한 예를 설명하기 위한 예시도.
도 5는 100개 노드에 대해 선세들의 위치를 임의로 설명한 예시도.
도 6은 100개의 노드 무선 센서 네트워크에서 평가 값의 수렴 과정을 설명하기 위한 예시도.
도 7은 100개의 노드 무선 센서 네트워크 최적 클러스터링 결과를 보인 예시도.
도 8은 100개의 노드 무선 센서 네트워크 최적/최선의 클러스터링 결과 위치 그래프를 보인 예시도.
도 9는 200개의 노드 무선 센서 네트워크에서 평가 값의 수렴 과정을 보인 예시도.
도 10은 400개의 노드 무선 센서 네트워크에서 평가 값의 수렴 과정을 보인 예시도.
도 11은 종래의 클러스터링 최적 설계 방법과 본 발명의 PSO 방법을 적용한 결과를 CPLEX의 최적해 결과와 비교 분석한 예시도.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 무선센서 네트워크 시스템의 클러스터링 방법을 보인 흐름도.
1 is an exemplary view showing a wireless sensor network system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is an exemplary view showing a possible solution stored on a computer with respect to FIG.
3 is an exemplary diagram representing a possible solution for applying the PSO method according to an embodiment of the present invention.
4 is an exemplary diagram for explaining an example for generating x 1 2 by applying a solution representation of x 1 1 , pbest 1 1 , gbest 1 and the PSO method according to the present invention.
5 is an exemplary diagram arbitrarily explaining the positions of predecessors for 100 nodes.
6 is an exemplary diagram for explaining a process of convergence of evaluation values in 100 node wireless sensor networks.
7 is an exemplary diagram showing an optimal clustering result of 100 node wireless sensor networks.
8 is an exemplary diagram showing a position graph of clustering results of optimal / best clustering of 100 node wireless sensor networks;
9 is an exemplary view illustrating a convergence process of evaluation values in a 200 node wireless sensor network.
10 is a diagram illustrating a convergence process of evaluation values in 400 node wireless sensor networks.
Figure 11 is an exemplary view comparing the results of applying the conventional clustering optimization design method and the PSO method of the present invention with the result of the optimal solution of CPLEX.
12 is a flowchart illustrating a clustering method of a wireless sensor network system according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 무선센서 네트워크 시스템 및 그의 클러스터링 방법은 각각의 무선 센서노드로부터 수집된 정보를 BS로 전송함에 있어서 데이터 전송속도, 전력소모효율, 통신 거리 등을 고려하여 중간정보 수집 단계인 클러스터 헤드 노드의 최적의 수와 위치를 결정하고, 센서노드의 클러스터링(clustering) 최적 설계를 위하여 휴리스틱 알고리즘인 PSO(Particle Swarm Optimization)를 사용하여 동적 환경에서도 최적의 해를 탐색할 수 있도록 하는 기술적 구성을 제안한다.In the wireless sensor network system and its clustering method according to the present invention, in transmitting information collected from each wireless sensor node to the BS, the cluster head node is an intermediate information collection step in consideration of data transmission speed, power consumption efficiency, and communication distance. In order to determine the optimal number and location of sensor nodes and to design the optimal clustering of sensor nodes, we propose a technical scheme to search for optimal solutions in dynamic environments using heuristic algorithm PSO (Particle Swarm Optimization). .

하기의 설명에서 PSO의 기본 개념은 n-차원의 공간 계산에서 시간이 단계적으로 진행되며 수행함에 따라 각각의 particle들이 가지고 있는 이전의 경험과 주위 무리들이 갖고 있는 정보를 공유하여 최적해를 찾아나가는 진화적인 알고리즘이다.In the following description, the basic concept of PSO is an evolutionary process of finding the optimal solution by sharing the previous experience of each particle and the information of the surrounding groups as the time progresses in the calculation of n-dimensional space. Algorithm.

하기의 설명에서 본 발명의 무선센서 네트워크 시스템 및 그의 클러스터링 방법의 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있는데, 이들 특정 상세들 없이 또한 이들의 변형에 의해서도 본 발명이 용이하게 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.In the following description, specific details of the wireless sensor network system of the present invention and its clustering method are presented to provide a more comprehensive understanding of the present invention, and the present invention may be readily implemented without these specific details and also by their modifications. It will be apparent to one skilled in the art.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 중심으로 설명한다.
Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail, focusing on the parts necessary to understand the operation and action according to the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선센서 네트워크 시스템을 보인 예시도이다. 1 is an exemplary view showing a wireless sensor network system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크 시스템(100)은 다수개의 클러스터(110, 120, 130, 140) 및 싱크(Sink) 노드(20) 등을 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the wireless sensor network system 100 according to the present invention includes a plurality of clusters 110, 120, 130, 140, and a sink node 20.

우선 클러스터(110, 120, 130, 140)는 상호 독립적으로 구성된다. 그리고 각각의 클러스터(110, 120, 130, 140)는 클러스터 헤드 노드(4, 7, 10, 12) 및 센서 노드(1~3, 5, 6, 8, 9, 11, 13~15)를 포함한다. 이러한 클러스터(110, 120, 130, 140)에서 클러스터 헤드 노드(4, 7, 10, 12)는 각각의 센서 노드(1~3, 5, 6, 8, 9, 11, 13~15)로부터 수신되는 센싱 데이터에 대하여 데이터 축약을 수행한다. 그리고 클러스터 헤드(4, 7, 10, 12)는 축약된 센싱 데이터를 싱크 노드(20)로 전달한다.First, clusters 110, 120, 130, and 140 are configured independently of each other. Each cluster 110, 120, 130, 140 includes cluster head nodes 4, 7, 10, and 12 and sensor nodes 1 to 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13 to 15. do. In such clusters 110, 120, 130, 140, the cluster head nodes 4, 7, 10, 12 receive from each sensor node 1-3, 5, 6, 8, 9, 11, 13-15. Data reduction is performed on the sensed data. The cluster heads 4, 7, 10, and 12 deliver the shortened sensing data to the sink node 20.

싱크 노드(20)는 각각의 클러스터 헤드 노드(4, 7, 10, 12)로부터 수신되는 축약된 센싱 데이터를 수집한다. 이러한 싱크 노드(20)는 무선 센서 네트워크 시스템에서 복수개로 구성될 수도 있다The sink node 20 collects the abbreviated sensing data received from each cluster head node 4, 7, 10, 12. The sink node 20 may be configured in plural in a wireless sensor network system.

전술한 무선 센서 네트워크 시스템(100)은 효율적인 에너지 소비와 네트워크의 수명을 연장하기 위해 정보통신 기술 및 시스템에서 많이 사용되고 있는 휴리스틱 알고리즘인 PSO을 사용하여 동적 환경에서도 최적의 해를 탐색하여 클러스터 헤드의 최적의 수와 위치를 결정하는 클러스터링 최적 설계를 수행한다.
The wireless sensor network system 100 described above uses the PSO, a heuristic algorithm that is widely used in information and communication technologies and systems, to find the optimal solution even in a dynamic environment. Perform clustering optimal design to determine the number and location of.

1.클러스터링 설계를 위한 1. For clustering design PSOPSO 기술 Technology

PSO 알고리즘은 탐색을 진행하며 i번째 세대에서 j개의 particle 각각의 가장 좋은 평가값을 찾아 그 결과값을 pbesti j(particle best) 행렬에 저장하여 기억시키고, i번째까지 진행된 세대(generation)에서 가장 좋은 평가값을 갖는 pbesti j를 선정하여 gbesti(global best)에 저장한다. 각 particle의 이동은 pbesti j , gbesti에 저장된 결과값과 현재 위치벡터와 속도벡터를 사용해서 다음과 같은 <수학식1>로 표현된다. 여기서 pbesti j는 i세대까지의 particle j 중에서 가장 좋은값을 의미하고, gbesti는 i세대까지의 pbesti j 중에서 가장 좋은 값을 의미한다.The PSO algorithm searches and finds the best evaluation value of each of the j particles in the i th generation, stores the result in the pbest i j (particle best) matrix, stores the result, and stores the best value in the i th generation. Select pbest i j with good evaluation and store it in gbest i (global best). The movement of each particle is pbest i j Using the result stored in gbest i and the current position vector and velocity vector, it is expressed as Where pbest i j is the best value of particle j up to generation i , and gbest i is pbest i j up to generation i Means the best value.

Figure 112010027248659-pat00007
Figure 112010027248659-pat00007

c1과 c2는 각 particle이 pbesti j와 gbesti로 향하는 확률적 가속의 가중치이다. r1과 r2는 [0, 1]내의 랜덤 상수이다. ω는 관성 가중치(inertia weight)로서 현재의 속도에 대한 기존 속도의 영향을 조절하기 위한 제어 파라미터로서 탐색과정 초기에는 전역탐색의 강화를 위해 ω값을 크게 설정하고, 탐색 후반부에는 지역탐색을 위해 ω를 감소시킨다.
c 1 and c 2 are the weights of the stochastic accelerations for each particle towards pbest i j and gbest i . r 1 and r 2 are random constants in [0, 1]. ω is an inertia weight and is a control parameter for adjusting the influence of existing speed on the current speed. The value of ω is set to increase the global search early in the search process and ω for local search later in the search process. Decreases.

위치벡터의 수정은 현재의 위치와 수정된 속도를 이용하는 하기의 <수학식 2>를 이용한다.The modification of the position vector uses Equation 2 below using the current position and the corrected speed.

Figure 112010027248659-pat00008
Figure 112010027248659-pat00008

이와 같은 과정을 반복함으로써 최적해를 찾아가게 된다. By repeating this process, we find the optimal solution.

무선센서 네트워크 클러스터링 설계시에 PSO 방법을 적용하여 클러스터 헤드 노드의 수와 위치, 다른 센서 노드가 어떤 클러스터 헤드 노드에 연결되는지를 결정한다. In the wireless sensor network clustering design, the PSO method is applied to determine the number and location of cluster head nodes and to which cluster head nodes other sensor nodes are connected.

싱크노드와 각 센서 노드의 위치 데이터를 입력하고 상기 <수학식 1> 과 <수학식 2>의 파라미터 ω, c1, c2, r1, r2를 설정한다. 초기 가능해군을 생성하기 위하여 한 swarm당 설정된 수만큼의 particle을 임의적으로 생성하고 하기의 <수학식 3>의 평가함수를 이용하여 각 particle의 해를 평가한다. The sink node and the position data of each sensor node are input, and the parameters ω, c 1 , c 2 , r 1 , and r 2 of Equations 1 and 2 are set. In order to generate the initial possible navy, a random number of particles is set for each swarm, and the solution of each particle is evaluated using the evaluation function of Equation 3 below.

Figure 112010027248659-pat00009
Figure 112010027248659-pat00009

여기서, TD는 초기에 모든 센서가 싱크노드와 연결되어 있을때의 총 거리, N은 모든 노드의 수, a는 가중치, 인덱스 k는 k번째 클러스터링 해, dk는 k번째 클러스터링 해가 결정되었을 때의 총거리를 나타내고, 그때의 클러스터 헤드 노드의 수를 Hk로 나타낸다.
Where TD is the total distance when all sensors are initially connected to the sink node, N is the number of all nodes, a is the weight, index k is the k-th clustering solution, and d k is the k-th clustering solution. The total distance is shown, and the number of cluster head nodes at that time is represented by H k .

다음 세대는 이전의 해와, pbesti j, gbesti의 해를 적절한 비율로 반영하고, 지역해에 빠짐을 방지하고, 해 탐색의 다양성을 높이기 위해 Sigmoid 함수를 사용하여 확률적으로 0과 1을 재할당한다. 세대를 거듭하면서 우수한 해가 pbesti j, gbesti로 갱신되고 다음 세대에 반영됨으로써 최적해에 수렴하게 된다. The next generation uses the Sigmoid function to probably rewrite 0 and 1 to reflect the previous solution, the solutions of pbest i j and gbest i at appropriate ratios, prevent them from falling into local solutions, and increase the diversity of solution search. Assign. Over generations, the best solution is updated to pbest i j , gbest i and reflected in the next generation to converge to the optimal solution.

하기에서는 해의 표현과 평가함수에 대해 설명하고, 그 다음에는 PSO 방법 수행 절차를 설명하도록 한다.
The following describes the representation of the solution and the evaluation function, followed by the procedure for performing the PSO method.

2. 해의 표현과 평가함수2. Expression and Evaluation Functions of Solutions

도 1에서 사용된 cluster-based hierarchical model을 대상으로 해를 표현해보면 싱크 노드(20)에 연결되어 있는 참조부호 4, 7, 10, 12번 노드가 클러스터 헤드 노드가 되고 나머지 노드는 센서 노드(1~3, 5, 6, 8, 9, 11, 13~15)가 된다. Referring to the solution of the cluster-based hierarchical model used in FIG. 1, nodes 4, 7, 10, and 12 connected to the sink node 20 become cluster head nodes, and the remaining nodes are sensor nodes (1). 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13-15).

도 2는 도 1에 대해 컴퓨터에 저장한 가능해를 보인 예시도이다.Figure 2 is an exemplary view showing a possible solution stored in a computer with respect to FIG.

도 2를 참조하면, 클러스터 헤드 노드는 싱크 노드와 연결되어 데이터를 전송하게 되므로, 싱크 노드의 인덱스인 0번을 할당받게 되고, 클러스터 헤드 노드 이외의 센서 노드는 자신의 위치에서 가장 가까운 곳에 위치한 노드와 연결되어 해당 클러스터 헤드 노드의 번호를 할당받는다. Referring to FIG. 2, since the cluster head node is connected to the sink node to transmit data, the cluster head node is assigned an index 0 of the sink node, and sensor nodes other than the cluster head node are located closest to their positions. It is connected to and assigned the number of the corresponding cluster head node.

즉, 1, 2, 3, 5번 센서 노드는 4번 클러스터 헤드 노드에 연결되어 4번을 할당받게 되고, 6, 8번 센서 노드는 7번 클러스터 헤드 노드, 9, 14번 센서 노드는 10번 클러스터 헤드 노드, 11, 13, 14번 센서 노드는 12번 클러스터 헤드 노드에 연결되어 각각 해당 클러스터 헤드 노드의 번호를 할당받게 된다.  That is, sensor nodes 1, 2, 3, and 5 are connected to cluster head node 4 to receive 4, sensor nodes 6 and 8 are cluster head node 7, and sensor nodes 9 and 14 10. The cluster head node, sensor nodes 11, 13, and 14 are connected to the cluster head node 12 and are assigned the number of the corresponding cluster head node, respectively.

이와 같이 도 2의 해의 표현은 첨부된 구체적인 해의 정보와 해의 해석 측면에서 더 용이하기 때문에 본 발명에서는 컴퓨터에 저장할 때 도 2와 같은 형태로 저장한다.As described above, since the representation of the solution of FIG. 2 is easier in terms of information and interpretation of the attached solution, the present invention stores the solution in the form of FIG.

도 3의 해 표현은 각 센서 노드가 클러스터 헤드 노드인지 아닌지를 ‘0’과 ‘1’로 단순히 표시할 수 있어 본 발명에서 사용한 BPSO 최적화 방법을 원활하게 적용할 수 있기 때문에 해 표현으로 사용하였고, 해의 정보를 저장할 때는 도 2의 형태를 사용하였다.The solution representation of FIG. 3 was simply used as a solution representation because it is possible to simply indicate whether each sensor node is a cluster head node with '0' and '1', so that the BPSO optimization method used in the present invention can be smoothly applied. When storing the solution information, the form of FIG. 2 was used.

한편, 본 발명에서는 상기 <수학식 3>을 평가 함수로 사용하였으며, 가중치 a를 0.7로 사용하여 총 거리를 줄이는데 더 많은 비중을 두었으나, 파라미터 값은 평가 중요도에 따라 조정될 수 있다. Meanwhile, in the present invention, Equation 3 is used as an evaluation function, and the weight a is 0.7 to give more weight to reduce the total distance, but the parameter value may be adjusted according to the importance of evaluation.

즉, 상기 <수학식 3>의 평가값을 최대화하는 것이 총 전송 거리를 줄이면서 가능하면 클러스터 헤드 노드를 줄이는 것이다.
That is, maximizing the evaluation value of Equation 3 reduces the cluster head node if possible while reducing the total transmission distance.

3. 3. PSOPSO 의 설계Design

PSO방법의 초기해를 생성하는 방법은 우선 각 센서 노드별로 클러스터 헤드 노드인지 아닌지를 결정해야 한다. 이때 난수 발생을 통해 각 노드는 확률적으로 클러스터 헤드 노드가 된다. 다음으로 싱크 노드와 클러스터 헤드 노드를 제외한 센서 노드를 모든 클러스터 헤드 노드와의 거리를 계산하여 가장 짧은 거리에 위치한 클러스터 헤드 노드에 할당한다. The method of generating the initial solution of the PSO method must first determine whether or not it is a cluster head node for each sensor node. At this time, through random number generation, each node becomes a cluster head node with probability. Next, sensor nodes other than the sink node and the cluster head node are calculated from the cluster head nodes and assigned to the cluster head node located at the shortest distance.

즉, 센서네트워크 설계해는 [0, 1]의 값으로 표현된다. 만들어진 해의 클러스터링 결과를 xj i라 하고 순차적으로 세대가 진행될 때마다 particle번호 별로 가장 좋은 평가값을 가지는 클러스터링 결과가 pbesti j에 저장된다. 마찬가지로 pbesti j중 가장 좋은 평가값을 가지는 클러스터링 결과가 gbesti에 저장된다.That is, the sensor network design solution is represented by a value of [0, 1]. The clustering result of the generated solution is called x j i , and whenever the generation progresses sequentially, the clustering result having the best evaluation value for each particle number is stored in pbest i j . Similarly, clustering results with the best evaluation of pbest i j are stored in gbest i .

x1 2는 x1 1, pbest1 1과 gbest1을 상기 <수힉식 1>과 <수학식 2>에 적용하여 생성한다. x 1 2 is generated by applying x 1 1 , pbest 1 1 and gbest 1 to Equations 1 and 2 above.

평가함수 f(x1 1)과 f(x1 2)를 비교하여 더 좋은 값을 pbest1 2에 저장한다. 이와 같이 pbest2 2, pbest3 2 , …, pbestj 2를 구하고 이 값들 중에서 가장 좋은 값을 gbest2에 저장한다. 다시 x1 3은 x1 2, pbest1 2와 gbest2를 상기 <수학식 1>과 <수학식 2>에 적용하여 생성한다. 이와 같이 세대(generation)를 진행하여 최적해를 구한다.Compare the evaluation function f (x 1 1 ) with f (x 1 2 ) and store the better value in pbest 1 2 . Thus pbest 2 2, pbest 3 2, ... Find pbest j 2 and store the best of these values in gbest 2 . In addition, x 1 3 is generated by applying x 1 2 , pbest 1 2 and gbest 2 to Equations 1 and 2 above. In this way, generation is performed to find the optimal solution.

위에서 설명한 x1 1, pbest1 1과 gbest1을 식(2)와 (3)에 적용하여 x1 2를 생성하는 과정을 다음과 같은 예제로 설명할 수 있다.The process of generating x 1 2 by applying x 1 1 , pbest 1 1, and gbest 1 to equations (2) and (3) can be explained by the following example.

만약, 평가 함수값 f(x1 1)=2, f(pbest1 1)=3, f(gbest1)=5라 한다면 새로운 x1 2를 생성할 때 상기 <수학식 1>과 <수학식 2>를 적용하여, x1 1, pbest1 1, gbest1의 유전인자를 x1 2가 확률적으로 어느 정도 닮아야 하는지를 아래의 <수학식 4>와 같이 계산할 수 있다. If the evaluation function value f (x 1 1) = 2 , f (pbest 1 1) = 3, f the <Equation 1> and when If (gbest 1) = 5 la to create new x 1 2 <Equation 2>, x 1 1 , pbest 1 1 , gbest 1 can be calculated as shown in Equation 4 below how closely x 1 2 similarly.

Figure 112010027248659-pat00010
Figure 112010027248659-pat00010

각각의 평가 값에 따른 확률에 따라 x1 2의 특정 노드가 클러스터 헤드 노드 될 수 있는 확률은 0과 1사이의 값으로 각각 계산할 수 있다.According to the probability according to each evaluation value, the probability that a specific node of x 1 2 may become a cluster head node may be calculated as a value between 0 and 1, respectively.

즉, 각 해의 유전 인자 “1”(클러스터 헤드 노드)을 확률적으로 받아들이는 것을 확률의 합으로 계산하여 상기 <수학식 1>의 vi t + 1를 도출한다.That is, v i t + 1 of Equation 1 is derived by calculating the sum of probabilities that the genetic factor “1” (cluster head node) of each year is stochasticly accepted.

클러스터 헤드 노드가 될 확률의 합 vi t +1은 0과 1사이의 값이고, vi t +1의 최소값과 최대값 vmin=-4, vmax=4 사이의 값(일반적으로 vi t +1의 범위는 [-4, 4]내로 한다)으로 변환하여 Sigmoid 함수를 다음과 같이 <수학식 5>로 적용할 수 있다. The sum of the probabilities of becoming a cluster head node v i t +1 is between 0 and 1, and between v i t +1 min and max v min = -4, v max = 4 (typically v i The range of t +1 can be converted into [-4, 4]) and the Sigmoid function can be applied to Equation 5 as follows.

Figure 112010027248659-pat00011
Figure 112010027248659-pat00011

이에 vi t +1의 값이 클수록 클러스터 헤드 노드 즉, “1”이 될 확률이 높아지고 vi t +1의 값이 작을수록 클러스터 헤드 노드가 아닌 “0”이 될 확률이 높아진다. In v i t + 1 The larger the value, the cluster head node, that is, the higher the "1" The higher the chance that the smaller the value of v i t + 1 are likely to be "0", not the cluster head node.

도 4는 본 발명에 따라 x1 1, pbest1 1, gbest1의 해 표현과 PSO 방법을 적용한 예를 설명하기 위한 예시도이다.4 is an exemplary view for explaining an example of applying the solution representation of the expression x 1 1 , pbest 1 1 , gbest 1 and the PSO method according to the present invention.

도 4를 참조하면, 우선 도 4의 ⓐ와 같이 x1 1, pbest1 1, gbest1의 5번째 노드가 cluster head이면(즉, 유전인자가 모두 “1”이면) x1 2의 5번째 노드의 유전자를 1로 받아올 확률은 1이 되고 -4와 4사이의 값으로 변환하면 상기 <수힉식 1>의 vi t +1이 4가 되어, 이를 상기 <수학식 5>에 대입하면

Figure 112010027248659-pat00012
가 된다. 다시 말하면 x1 2의 5번째 노드가 클러스터 헤드 노드가 될 확률은 98.2%가 된다.
Referring to FIG. 4, first , if the fifth node of x 1 1 , pbest 1 1 , and gbest 1 is the cluster head (that is, if the genetic factors are all “1”) as in ⓐ of FIG. 4, the fifth node of x 1 2 If the probability of receiving the gene of 1 is 1, and converts it to a value between -4 and 4, v i t +1 of Equation 1 becomes 4, and substitutes this in Equation 5
Figure 112010027248659-pat00012
Becomes In other words, the probability that the fifth node of x 1 2 becomes the cluster head node is 98.2%.

도 4의 ⓑ와 같이 x1 1, pbest1 1, gbest1의 6번째 노드가 클러스터 헤드 노드가 아니면(즉, 유전인자가 모두 “0”이면) x1 2의 6번째 노드의 유전자를 1로 받아올 확률은 0이 되고 -4와 4사이의 값으로 변환하면 상기 <수학식 1>의 vi t +1이 -4가 되어, 이를 상기 <수학식 5>에 대입하면

Figure 112010027248659-pat00013
이 된다. 다시 말해서 x1 2의 6번째 노드가 클러스터 헤드 노드가 될 확률은 1.7986%가 되는 것이다. As shown in ⓑ of FIG. 4, if the sixth node of x 1 1 , pbest 1 1 , and gbest 1 is not a cluster head node (ie, all of the genes are “0”), the gene of the sixth node of x 1 2 is set to 1. If the probability is 0 and converted to a value between -4 and 4, v i t +1 of Equation 1 becomes -4, and this is substituted into Equation 5
Figure 112010027248659-pat00013
Becomes In other words, the probability that the sixth node of x 1 2 becomes the cluster head node is 1.7986%.

도 4의 ⓒ와 같이 x1 1의 7번째 노드가 클러스터 헤드 노드가 아니고 pbest1 1, gbest1의 7번째 노드가 클러스터 헤드 노드이면(즉, x1 1의 유전인자는 “0”이고, pbest1 1, gbest1의 유전인자는 “1”이면) x1 2의 7번째 노드의 유전자를 1로 받아올 확률은

Figure 112010027248659-pat00014
과 같은 계산 과정을 거쳐 0.8이 되고, -4와 4사이의 값으로 변환하면 상기 <수학식 1>의 vi t +1이 2.4가 되어, 이를 상기 <수학식 5>에 대입하면
Figure 112010027248659-pat00015
가 된다. 다시 말해서 x1 2의 7번째 노드가 클러스터 헤드 노드가 될 확률은 91.6827%가 된다.As shown in ⓒ of FIG. 4, if the 7th node of x 1 1 is not a cluster head node and the pth 7 1 node of pbest 1 1 and gbest 1 is a cluster head node (ie, the genetic factor of x 1 1 is “0”, pbest 1 1 , if the best factor of gbest 1 is "1", the probability of getting the gene of the 7th node of x 1 2 as 1
Figure 112010027248659-pat00014
Through the calculation process as follows, the value is 0.8, and when converted to a value between -4 and 4, v i t +1 of Equation 1 becomes 2.4, and this is substituted into Equation 5 above.
Figure 112010027248659-pat00015
Becomes In other words, the probability that the seventh node of x 1 2 becomes the cluster head node is 91.6827%.

이러한 과정을 통하여 particle 1의 해 x1 2, x1 3 ,… 가 생성되어 i세대까지 중 가장 좋은 평가값을 가진 pbest1 i 가 갱신된다. 이처럼 j개 각각의 particle에 대한 i세대까지의 pbesti j가 갱신되면 pbesti j중에서 가장 좋은 평가값이 gbest i 로 결정된다.Through this process, the solution of particle 1 x 1 2 , x 1 3 ,. Is generated and pbest 1 i with the best evaluation value up to generation i is updated. Thus, if one is pbest i j j i to the three updates for each particle, the best evaluation value among pbest i j is determined to gbest i.

전술한 본 발명에 따른 무선센서 네트워크 시스템 및 그의 클러스터링 방법을 통해 센서 네트워크의 클러스터링 문제를 적용시킨 실험 결과에 대해 분석하였다. 실험은 100개, 200개, 400개 노드들에 대한 네트워크를 생성하여 진행하였다. 또한 싱크 노드를 각 네트워크의 원점(0, 0)과 중앙에 위치시켜 결과를 비교 분석하였다.The experimental results of applying the clustering problem of the sensor network through the wireless sensor network system and the clustering method thereof according to the present invention were analyzed. The experiment was performed by creating a network of 100, 200, and 400 nodes. In addition, the sink nodes were located at the origin (0, 0) of each network in the center to compare the results.

실험을 할 때, PSO 방법 적용을 위해 다음과 같은 초기 파라미터의 값을 사용하였다. 한 세대에 생성되는 particle의 수는 30개의 해를 생성한다. 상기 <수학식 1>의 전 particle의 inertia weight 2.5, pbest의 가중치 3.3, gbest의 가중치 0.2를 적용하였다. 이와 같은 파라미터 값은 여러 번의 실험 결과를 통하여 선택하였다.In the experiment, the following initial parameter values were used to apply the PSO method. The number of particles generated per generation generates 30 solutions. Inertia weight 2.5, pbest weight 3.3, and gbest weight 0.2 of all particles of Equation 1 were applied. These parameter values were selected through several experiments.

본 발명은 각 노드의 위치를 임의의 난수를 발생시켜 초기 데이터를 생성하였다. 100개의 노드(싱크 노드 포함)인 경우 각 노드의 X좌표와 Y좌표에 대하여 임의로 1부터 99까지 발생 시켰고 모든 노드들은 중복되는 위치가 없도록 했다.The present invention generates initial data by generating random numbers at the position of each node. In the case of 100 nodes (including sink nodes), randomly generated 1 to 99 for the X and Y coordinates of each node, and all nodes were not duplicated.

도 5는 100개 노드에 대해 선세들의 위치를 임의로 할당한 도면이며, 본 발명에서 사용된 초기 데이터이다. 5 is a diagram in which positions of predecessors are arbitrarily assigned to 100 nodes, and are initial data used in the present invention.

100개 노드에 대한 PSO 방법의 적용결과는 도 6과 같은 수렴 과정이 뚜렷하게 나타났고, 싱크 노드가 (0, 0)과 (50, 50)일 때의 실험 결과를 보면 평가 값은 각각 CPLEX로 찾은 최적해와 같은 4159.84, 1774.39로 최적해를 탐색해 낼 수 있었다. As a result of applying the PSO method to 100 nodes, the convergence process as shown in FIG. 6 was clearly seen, and when the sink nodes were (0, 0) and (50, 50), the evaluation values were found to be CPLEX, respectively. 4159.84 and 1774.39, the same as the best solution, was able to find the best solution.

도 7과 도 8의 (a)와 (b)는 100개의 노드 무선 센서 네트워크의 최적 결과인데, 클러스터 헤드 노드가 몇 개이고, 어디에 위치하는지, 각 센서가 어떤 클러스터 헤드 노드에 할당되었는지를 보여준다. 싱크 노드가 (0, 0)인 경우를 보면 클러스터 헤드 노드는 3(73, 81), 16(82, 35), 17(18, 95), 32(74, 18), 38(36, 7), 41(34, 29), 46(17, 38), 91(11, 4), 92(52, 43), 96(50, 67), 98(12, 67)번 노드 11개가 선택되었다.7 and 8 (a) and (b) are optimal results of a 100 node wireless sensor network, showing how many cluster head nodes are located, where they are located, and which cluster head nodes are assigned to each sensor. If the sink node is (0, 0), the cluster head node is 3 (73, 81), 16 (82, 35), 17 (18, 95), 32 (74, 18), 38 (36, 7) 11 nodes, 41 (34, 29), 46 (17, 38), 91 (11, 4), 92 (52, 43), 96 (50, 67), 98 (12, 67), were selected.

싱크 노드가 (50, 50)인 경우를 보면 클러스터 헤드 노드는 2(81, 17), 4(44, 70), 7(36, 14), 16(82, 35), 17(18, 95), 24(47, 54), 28(85, 64), 33(58, 50), 46(17, 38), 48(33, 30), 53(65, 11), 58(58, 69), 63(27, 66), 64(73, 89), 67(12, 10), 82(32, 46), 84(7, 73), 90(45, 30), 92(52, 43) 노드 19개가 선택되었다.If the sink node is (50, 50), the cluster head node is 2 (81, 17), 4 (44, 70), 7 (36, 14), 16 (82, 35), 17 (18, 95). , 24 (47, 54), 28 (85, 64), 33 (58, 50), 46 (17, 38), 48 (33, 30), 53 (65, 11), 58 (58, 69), 63 (27, 66), 64 (73, 89), 67 (12, 10), 82 (32, 46), 84 (7, 73), 90 (45, 30), 92 (52, 43) node 19 The dog was chosen.

Sink 노드가 (50, 50)인 경우를 보면 클러스터 헤드 노드는 2(81, 17), 4(44, 70), 7(36, 14), 16(82, 35), 17(18, 95), 24(47, 54), 28(85, 64), 33(58, 50), 46(17, 38), 48(33, 30), 53(65, 11), 58(58, 69), 63(27, 66), 64(73, 89), 67(12, 10), 82(32, 46), 84(7, 73), 90(45, 30), 92(52, 43) 노드 19개가 선택되었다. 나머지 노드들은 선택된 클러스터 헤드 노드들 중 가장 가까운 클러스터 헤드 노드에 할당되었다.If the sink node is (50, 50), the cluster head nodes are 2 (81, 17), 4 (44, 70), 7 (36, 14), 16 (82, 35), 17 (18, 95). , 24 (47, 54), 28 (85, 64), 33 (58, 50), 46 (17, 38), 48 (33, 30), 53 (65, 11), 58 (58, 69), 63 (27, 66), 64 (73, 89), 67 (12, 10), 82 (32, 46), 84 (7, 73), 90 (45, 30), 92 (52, 43) node 19 The dog was chosen. The remaining nodes were assigned to the closest cluster head node of the selected cluster head nodes.

도 8의 (a)와 (b) 모두 원점과 중앙점의 싱크 노드를 중심으로 클러스터 헤드 노드가 골고루 분포되어 있는 것을 알 수 있다.In FIGS. 8A and 8B, it can be seen that the cluster head nodes are evenly distributed around the sink nodes of the origin and the center point.

도 9는 200개 노드, 도 10은 400개 노드에 대하여 싱크 노드가 원점 또는 중앙에 위치해 있을 때 각 실험의 평가 값의 뚜렷한 수렴 형태를 나타내고 있다.FIG. 9 shows the apparent convergence form of the evaluation values of each experiment when 200 nodes and FIG. 10 have sink nodes located at the origin or the center of 400 nodes.

도 11은 센서 네트워크의 클러스터링 최적화 문제에 김성수ㆍ최승현의 ACO(명칭: 개미군 최적화 방법을 적용한 무선 센서 네트워크에서의 클러스터링 최적 설계, 한국경영과학회, 제26권 3호, 11, 2009, pp.55-65.)와 본 발명에서 제시한 PSO 방법을 적용한 결과를 CPLEX의 최적해 결과와 비교 분석한 결과이다.FIG. 11 shows the clustering optimization of ACO (name: Optimal Design of Wireless Sensor Network using Ant Group Optimization Method) by Sung-Soo Kim and Seung-Hyun Choi on the Clustering Optimization Problem of Sensor Network, Korean Institute of Management Science, Vol. 26, No. 3, 11, 2009, pp.55- 65.) and the results of applying the PSO method proposed in the present invention are compared with the results of the CPLEX optimal solution.

PSO 방법의 결과가 100, 200, 400개 노드 모든 경우에서 ACO 방법의 결과보다 월등히 좋은 것을 검증할 수 있었다. 특히, 100개 노드 경우 PSO 방법은 최적해를 탐색해 낼 수 있었다.The results of the PSO method were much better than those of the ACO method in all 100, 200, and 400 node cases. In particular, for 100 nodes, the PSO method was able to find the optimal solution.

본 발명에서 생성한 100, 200, 400개 노드의 데이터를 바탕으로 싱크 노드를 원점(0, 0)과 중앙점으로 한 결과이다. 100, 200, 400개 노드 모든 경우에서 싱크 노드가 원점일 경우 중앙점일 경우보다 적합도 값이 상대적으로 우수한 것으로 분석되었고 최적해에 가까운 값을 탐색할 수 있었다.Based on the data of 100, 200, 400 nodes generated in the present invention, the sink node is the origin (0, 0) and the center point. In all 100, 200 and 400 nodes, the goodness-of-fit value was analyzed to be relatively better than the center point when the sink node is the origin, and the value close to the optimal solution was found.

또한, 김성수ㆍ최승현이 제시한 ACO 결과와 비교했을 때 도 11에 도시된 바와 같이 100개 노드 문제는 최적해를 탐색해 낼 수 있었으며 200, 400개 노드 문제도 ACO 결과에 비하여 상당히 개선된 해를 탐색해 낼 수 있었다.In addition, when compared to the ACO results presented by Sung-Soo Kim and Seung-Hyun Choi, as shown in Fig. 11, the 100-node problem was able to find the optimal solution, and the 200 and 400 node problems were also significantly improved compared to the ACO result. I could do it.

ACO의 결과와 마찬가지로 싱크 노드가 원점에 있을 때가 중앙점에 있을때 보다 더 좋은 적합도를 갖는 클러스터링 해를 탐색할 수 있었다. As with the results of ACO, we could search for a clustering solution with better fit than when the sink node is at the origin.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 무선센서 네트워크 시스템의 클러스터링 방법을 보인 흐름도이다.12 is a flowchart illustrating a clustering method of a wireless sensor network system according to an embodiment of the present invention.

도 12를 참조하면, 우선 싱크 노드와 각 센서 노드의 위치 데이터를 입력한 다(S1201). 예컨대, 도 5와 같이 센서들의 위치를 임의로 할당한다.Referring to FIG. 12, first, a sink node and position data of each sensor node are input (S1201). For example, as shown in FIG. 5, the positions of the sensors are arbitrarily assigned.

이후 particle의 이동을 위한 파라미터를 설정한다(S1203). 이때 PSO 방법 적용을 위해 사용되는 파라미터의 가중치를 설정한다. After that, a parameter for moving particles is set (S1203). At this time, the weight of the parameter used to apply the PSO method is set.

그 다음으로 초기 가능해군을 생성하기 위해 한 swarm당 설정된 수만큼의 Particle을 임의적으로 생성한다(S1205). 여기서 초기 가능해군을 생성하는 방법은 우선 각 센서별로 클러스터 헤드 노드인지 아닌지를 결정해야 한다. 이때 난수 발생을 통해 각 노드는 확률적으로 클러스터 헤드 노드가 된다. 다음으로 싱크 노드와 클러스터 헤드 노드를 제외한 센서 노드를 모든 클러스터 헤드 노드와의 거리를 계산하여 가장 짧은 거리에 위치한 클러스터 헤드 노드에 할당한다. 즉 센서네트워크 설계 해는 [0, 1]의 값으로 표현된다.Next, to generate an initial possible navy, a random number of particles set per swarm is randomly generated (S1205). Here, how to create the initial possible navy must first determine whether or not it is a cluster head node for each sensor. At this time, through random number generation, each node becomes a cluster head node with probability. Next, sensor nodes other than the sink node and the cluster head node are calculated from the cluster head nodes and assigned to the cluster head node located at the shortest distance. That is, the sensor network design solution is represented by the value of [0, 1].

초기 가능해군을 생성한 이후에 평가값을 이용하여 각 particle의 해를 평가한다(S1207). 이때 particle 별 평가값은 상기 <수학식 3>을 이용한다.After the initial possible naval is created, the solution of each particle is evaluated using the evaluation value (S1207). At this time, the evaluation value for each particle uses the above Equation 3.

이후 particle별로 생성한 해를 각 particle의 pbest로 갱신하고 모든 particle 중에서 가장 좋은 평가값을 가진 해를 gbest로 갱신한다(S1209~1215). After that, the solution generated for each particle is updated to pbest of each particle, and the solution having the best evaluation value among all particles is updated to gbest (S1209 to 1215).

상기 과정을 수행 후, 종료 조건이 되었는지를 판단한다(S1217). 여기서 종료 조건은 일예로, 4000 세대에 대한 해를 평가하여 최적화 하는 과정인 경우에 종료하게 된다.After performing the above process, it is determined whether the end condition is reached (S1217). In this case, the termination condition is, for example, terminated when the process of evaluating and optimizing the solution for 4000 generations.

상기 판단결과 종료 조건이 되지 않으면, 다음 세대는 1219단계~1223단계(S1219~S1223)로 진행하여 이전의 해와, pbest, gbest의 해를 적절한 비율로 반영하고 sigmoid 함수를 사용하여 새로운 해를 생성한다.If the determination result is not the end condition, the next generation proceeds to steps 1219 to 1223 (S1219 to S1223), reflects the previous solution, the solution of pbest and gbest at an appropriate ratio, and generates a new solution using the sigmoid function. .

즉 평가값 f(xj i -1), f(pbesti j -1), f(gbestj i -1)을 적용하여 클러스터 헤드 노드가 될 확률을 계산한다(S1219).That is, the probability of becoming a cluster head node is calculated by applying evaluation values f (x j i −1 ), f (pbest i j −1 ), and f (gbest j i −1 ) (S1219).

이후, 확률 범위[0,1]을 [Vmin, Vmax]로 비례하여 확장하고(S1221), Sigmoid 함수를 적용하여 다음 세대 해를 도출하며(S1223), 전술한 1207단계(S1207)로 복귀하여 다음 세대에서의 particle별로 새로 생성한 해를 평가값을 이용하여 평가하고 각 particle별로 기존의 해와 새로 생성된 해를 비교하여 더 좋은 평가값을 가진 해를 해당 particle의 pbest로 갱신하고, 갱신된 pbest의 해 중에서 가장 좋은 평가값을 가진 해를 gbest로 갱신한다(S1209~S1215). 다음 세대의 해를 생성 시에도 위와 같은 방법을 사용한다.Thereafter, the probability range [0,1] is proportionally extended to [Vmin, Vmax] (S1221), the next generation solution is derived by applying the Sigmoid function (S1223), and the process returns to the above-described step 1207 (S1207). Evaluate the newly created solution for each particle in the generation using the evaluation value, compare the existing solution with the newly created solution for each particle, update the solution with the better evaluation value to the pbest of the particle, and The solution with the best evaluation value among the solutions is updated to gbest (S1209 to S1215). The same method is used to generate the next generation of solutions.

이와 같은 과정을 거친 후 종료조건을 만족하게 되면, 종료하게 되고 그렇지 않으면 위 과정을 반복 적용하게 된다. 여기서 종료 조건은 클러스터링의 최적설계를 위해 일정 횟수 반복하여 획득되는 실험데이터의 반복횟수가 종료 조건이 된다.After this process, if the end condition is satisfied, the process ends. Otherwise, the above process is repeated. Here, the termination condition is the termination condition of the number of iterations of the experimental data obtained by repeating a predetermined number of times for the optimal design of clustering.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of various modifications within the scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the illustrated embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims and equivalents thereof.

Claims (10)

클러스터 헤드 노드 이외의 센서 노드를 구비하여 센싱 데이터를 수집 및 축약하는 적어도 하나의 클러스터; 및
상기 클러스터 헤드 노드로부터 축약된 센싱 데이터를 최종적으로 수집하는 싱크 노드를 포함하되,
상기 클러스터 헤드 노드는, 시그모이드(sigmoid) 함수를 이용하여 다음 세대(generation) 해를 도출하여 피에스오(PSO: Particle Swarm Optimization) 알고리즘을 통해 파티클(particle)별 평가값이 계산되고, 그 계산된 평가값을 고려해 획득되는 최적 해에 의해 개수와 위치가 결정되며, 상기 센서 노드는 가장 가까운 클러스터 헤드 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 시스템.
At least one cluster having sensor nodes other than the cluster head node to collect and condense sensing data; And
And a sink node that finally collects the sensing data abbreviated from the cluster head node.
The cluster head node derives a next generation solution using a sigmoid function to calculate particle-specific evaluation values through a particle swarm optimization (PSO) algorithm. The number and position are determined by an optimal solution obtained in consideration of the estimated evaluation value, wherein the sensor node is connected to the nearest cluster head node.
제1 항에 있어서, 상기 평가값은,
싱크 노드와 각 센서 노드의 위치 데이터를 입력하고, 아래의 수학식 1과 2의 파라미터를 설정하며, 초기 가능해군을 생성하기 위하여 한 스웜(swarm)당 설정된 수만큼의 파티클을 임의적으로 생성하여 각 파티클의 평가값을 계산하는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 시스템.
(수학식 1)
Figure 112011031738817-pat00016

(수학식 2)
Figure 112011031738817-pat00017

여기서 c1과 c2는 각 파티클이 pbesti j(i세대까지의 파티클 j중에서 가장 좋은값)와 gbesti(i세대까지의 pbesti j중에서 가장 좋은값)로 향하는 확률적 가속의 가중치, r1과 r2는 [0, 1]내의 랜덤 상수, ω는 관성 가중치, Vit는 t시점의 변화, Vit+1은 t+1시점의 변화, Xit는 t시점의 위치, Xit+1은 t+1시점의 위치를 의미함.
The method of claim 1, wherein the evaluation value,
Input the sink node and the position data of each sensor node, set the parameters of Equation 1 and 2 below, and randomly generate the set number of particles per swarm to generate initial possible naval Wireless sensor network system, characterized in that for calculating the evaluation value of the particles.
(Equation 1)
Figure 112011031738817-pat00016

(2)
Figure 112011031738817-pat00017

Where c 1 and c 2 are the weights of the stochastic accelerations toward which each particle is directed to pbest i j (best of particle j up to generation i) and gbest i (best of pbest i j up to generation i ), r 1 and r 2 are random constants within [0, 1], ω is the inertia weight, Vi t is the change in time t, Vi t + 1 is the change in time t + 1, Xi t is the position in time t , Xi t + 1 means the position at time t + 1.
제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 평가값은,
아래의 수학식 3을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 시스템.
(수학식 3)
Figure 112010027248659-pat00018

여기서, TD는 초기에 모든 센서가 싱크노드와 연결되어 있을때의 총 거리, N은 모든 노드의 수, a는 가중치, 인덱스 k는 k번째 클러스터링 해, dk는 k번째 클러스터링 해가 결정되었을 때의 총거리를 나타내고, 그때의 클러스터 헤드 노드의 수를 Hk로 의미함.
The method according to claim 1 or 2, wherein the evaluation value is
Wireless sensor network system, characterized in that calculated using the following equation (3).
(3)
Figure 112010027248659-pat00018

Where TD is the total distance when all sensors are initially connected to the sink node, N is the number of all nodes, a is the weight, index k is the k-th clustering solution, and d k is the k-th clustering solution. It represents the total distance, and means the number of cluster head nodes at that time as H k .
제3 항에 있어서, 상기 최적 해는,
상기 평가값을 적용하여 클러스터 헤드 노드가 될 확률을 계산한 후, 시그모이드 함수를 사용하여 확률적으로 '0'과 '1'을 재할당하며, 세대를 거듭하면서 우수한 해가 파티클 중에서 가장 좋은 값(pbest, gbest)으로 갱신되어 다음 세대에 반영되어 수렴되는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 시스템.
The method of claim 3, wherein the optimal solution is
After calculating the probability of becoming a cluster head node by applying the above evaluation value, it is possible to reallocate '0' and '1' by using sigmoid function. Wireless sensor network system characterized in that the convergence is updated to the value (pbest, gbest) reflected in the next generation.
싱크노드와 연결되는 클러스터 헤드 노드 및 그 클러스터 헤드 노드로 데이터를 전송하는 복수의 센서 노드로 클러스터링된 무선 센서네트워크 시스템의 클러스터링 방법에 있어서,
싱크노드와 각 센서 노드의 위치 데이터를 입력하고, 파라미터를 설정하며 한 스웜(swarm)당 설정된 수만큼의 파티클(particle)을 임의적으로 생성하여 초기해 생성과정을 수행하는 단계; 및
상기 임의적으로 생성된 각 파티클의 평가값을 계산하고, 상기 계산된 평가값을 고려해 해를 평가하고, 다음 세대(generation)는 평가값을 적용하여 클러스터 헤드 노드가 될 확률을 계산하고, 시그모이드(Sigmoid) 함수를 이용하여 다음 세대의 해를 도출하여 현재 세대까지의 파티클 중에서 가장 좋은값과 현재 세대까지의 가장 좋은 파티클 중에서 가장 좋은 파티클로 갱신하며 다음 세대에 이를 반영하여 최적해에 수렴하도록 하는 단계를 수행하여 클러스터 헤드 노드의 개수와 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 시스템의 클러스터링 방법.
A clustering method of a clustered wireless sensor network system clustered by a cluster head node connected to a sink node and a plurality of sensor nodes transmitting data to the cluster head node,
Inputting the sink node and position data of each sensor node, setting parameters, and randomly generating a predetermined number of particles per swarm to perform an initial solution generation process; And
Calculate the evaluation value of each randomly generated particle, evaluate the solution in consideration of the calculated evaluation value, calculate the probability of becoming a cluster head node by applying the evaluation value, and sigmoid Using the (Sigmoid) function to derive the solution of the next generation, update it with the best value among the particles up to the current generation and the best particle among the best generation up to the current generation, and reflect it to the next generation to converge on the optimal solution. The clustering method of the wireless sensor network system, characterized in that for determining the number and location of the cluster head node.
제5 항에 있어서, 상기 최적해에 수렴하도록 하는 단계는,
싱크 노드와 각 센서 노드의 위치 데이터를 입력하고, 아래의 수학식 4와 5의 파라미터를 설정하며, 초기 가능해군을 생성하기 위하여 한 스웜(swarm)당 설정된 수만큼의 파티클을 임의적으로 생성하여 각 파티클의 평가값을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 시스템의 클러스터링 방법.
(수학식 4)
Figure 112011031738817-pat00019

(수학식 5)
Figure 112011031738817-pat00020


여기서 c1과 c2는 각 파티클이 pbesti j(i세대까지의 파티클 j중에서 가장 좋은값)와 gbesti(i세대까지의 pbesti j중에서 가장 좋은값)로 향하는 확률적 가속의 가중치, r1과 r2는 [0, 1]내의 랜덤 상수, ω는 관성 가중치, Vit는 t시점의 변화, Vit+1은 t+1시점의 변화, Xit는 t시점의 위치, Xit+1은 t+1시점의 위치를 의미함.
6. The method of claim 5, wherein converging to the optimal solution comprises:
Input the sink node and the position data of each sensor node, set the parameters of Equation 4 and 5 below, and randomly generate the set number of particles per swarm to generate initial possible naval Comprising a step of calculating the evaluation value of the particle clustering method of a wireless sensor network system.
(4)
Figure 112011031738817-pat00019

(5)
Figure 112011031738817-pat00020


Where c 1 and c 2 are the weights of the stochastic accelerations toward which each particle is directed to pbest i j (best of particle j up to generation i) and gbest i (best of pbest i j up to generation i ), r 1 and r 2 are random constants within [0, 1], ω is the inertia weight, Vi t is the change in time t, Vi t + 1 is the change in time t + 1, Xi t is the position in time t , Xi t + 1 means the position at time t + 1.
제6 항에 있어서, 상기 관성 가중치의 ω는,
현재의 속도에 대한 기존 속도의 영향을 조절하기 위한 제어 파라미터로서 탐색과정 초기에는 전역탐색의 강화를 위해 ω값을 크게 설정하고, 탐색 후반부에는 지역탐색을 위해 ω를 감소시키는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 시스템의 클러스터링 방법.
The method of claim 6, wherein ω of the inertia weight is
As a control parameter to control the influence of the existing speed on the current speed, the wireless sensor is characterized by setting a large value of ω to enhance global search at the beginning of the search process and reducing ω to search the area at the end of the search. Clustering method of network systems.
제5 항 또는 제6 항에 있어서, 상기 평가값은,
아래의 수학식 5을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 시스템의 클러스터링 방법.
(수학식 5)
Figure 112010027248659-pat00021

여기서, TD는 초기에 모든 센서가 싱크노드와 연결되어 있을때의 총 거리, N은 모든 노드의 수, a는 가중치, 인덱스 k는 k번째 클러스터링 해, dk는 k번째 클러스터링 해가 결정되었을 때의 총거리를 나타내고, 그때의 클러스터 헤드 노드의 수를 Hk로 의미함.
The method according to claim 5 or 6, wherein the evaluation value,
Clustering method of a wireless sensor network system, characterized in that calculated using Equation 5.
(5)
Figure 112010027248659-pat00021

Where TD is the total distance when all sensors are initially connected to the sink node, N is the number of all nodes, a is the weight, index k is the k-th clustering solution, and d k is the k-th clustering solution. It represents the total distance, and means the number of cluster head nodes at that time as H k .
제5 항에 있어서, 상기 최적해에 수렴하도록 하는 단계는,
상기 평가값을 적용하여 클러스터 헤드 노드가 될 확률을 계산한 후, 시그모이드 함수를 사용하여 확률적으로 '0'과 '1'을 재할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 시스템의 클러스터링 방법.
6. The method of claim 5, wherein converging to the optimal solution comprises:
Calculating a probability of becoming a cluster head node by applying the evaluation value, and then reallocating '0' and '1' by using a sigmoid function. Clustering method.
컴퓨터에 싱크노드와 각 센서 노드의 위치 데이터를 입력하고, 파라미터를 설정하며 한 스웜(swarm)당 설정된 수만큼의 파티클(particle)을 임의적으로 생성하여 초기해 생성과정을 수행하는 단계; 및
상기 임의적으로 생성된 각 파티클의 평가값을 계산하고, 상기 계산된 평가값을 고려해 해를 평가하고, 다음 세대(generation)는 평가값을 적용하여 클러스터 헤드 노드가 될 확률을 계산하고, 시그모이드(Sigmoid) 함수를 이용하여 다음 세대의 해를 도출하여 현재 세대까지의 파티클 중에서 가장 좋은값과 현재 세대까지의 가장 좋은 파티클 중에서 가장 좋은 파티클로 갱신하며 다음 세대에 이를 반영하여 최적해에 수렴하도록 하는 단계를 실행시켜 클러스터 헤드 노드의 개수와 위치를 결정하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.

Inputting position data of a sink node and each sensor node to a computer, setting parameters, and randomly generating a predetermined number of particles per swarm to perform an initial solution generation process; And
Calculate the evaluation value of each randomly generated particle, evaluate the solution in consideration of the calculated evaluation value, calculate the probability of becoming a cluster head node by applying the evaluation value, and sigmoid Using the (Sigmoid) function to derive the solution of the next generation, update it with the best value among the particles up to the current generation and the best particle among the best generation up to the current generation, and reflect it to the next generation to converge on the optimal solution. A computer-readable recording medium having recorded thereon a program for determining the number and location of cluster head nodes by executing a.

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