KR101086450B1 - 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치 및 방법 - Google Patents

3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

센서 노드 간 통신이 가능하도록 하기 위해 무선 센서 네트워크에 추가되어야 하는 최소의 릴레이 노드의 개수 및 위치를 산출하도록 한 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치 및 방법이 제시된다. 제시된 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치는, 복수의 노드에 포함된 두 노드 간의 통신 비용과, 두 노드의 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점의 좌표를 근거로 지점을 통과하는 두 노드 간의 통신 비용을 산출하는 연산부; 복수의 노드에 포함된 두 노드 간의 통신 비용에 근거하여 각 노드 간의 통신 경로를 포함하는 무선 센서 네트워크의 최소 스패닝 트리(MST)를 생성하는 생성부; 및 생성부에서 생성한 최소 스패닝 트리에서 두 노드의 통신 비용과, 연산부에서 산출한 통신 비용을 근거로 릴레이 노드의 설치 위치 및 개수를 검출하는 검출부를 포함한다.

Description

3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치 및 방법{Apparatus and method for arranging relay node of wireless sensor network in three-dimensional space}
본 발명은 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 벽, 천장 등 노드 부착 및 통신에 제약조건을 가지는 삼차원 공간인 건물 안에서 센서 노드 간 통신을 가능하게 하는 최소 개수의 릴레이 노드를 배치하기 위한 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제번호: 2008-S-023-01, 과제명: NanoQplus 기반 센서 네트워크 시뮬레이터 개발].
무선 센서 네트워크(WSN)는 많은 수의 센싱 기능을 수행하는 센서 노드들로 구성되어 있다. 이 센서 노드들은 대부분 저가이고, 배터리로 동작하는 저전력 노드이며 통신 거리(반경)가 짧다.
또한, 무선 센서 네트워크에서 장거리 전송은 많은 에너지 소비를 요구한다. 많은 연구에서, 거리를 d, k를 매체 의존적인 상수 값이라고 할 때, 에너지 소비는 dk에 비례함을 증명하였다. 또 다른 연구는 하나의 센서 노드가 긴 거리 통신을 이용하여 데이터를 전송하는 것보다 여러 릴레이 노드를 사용하여 데이터를 전송하는 것이 에너지 소비를 줄여 무선 센서 네트워크의 생존시간을 늘릴 수 있는 방법임을 제시하고 있다. 그러므로, 무선 센서 네트워크에서 릴레이 노드의 사용은 효율적으로 WSN을 운영하도록 하는 하나의 방법이다. 무선 센서 네트워크의 효율성뿐만 아니라 센서 노드 간에 장애물이 많거나 노드 간 통신 거리가 노드의 최대 통신 범위를 초과하는 경우에도 릴레이 노드의 설치는 반드시 필요하다.
이러한 무선 센서 네트워크의 구성시 릴레이 노드 배치의 필요성으로 인해 무선 센서 네트워크 설치 시에 최소의 릴레이 노드를 추가하여 배치하도록 하는 다양한 방법들이 제안되었다. 그러나, 종래의 방법들은 NP-hard 문제이거나 이러한 문제를 해결하여 polynomial 시간 안에 풀 수 있도록 제시하는 방법이긴 하나 모두 2차원 평면상에서 노드들이 배치된다고 가정하고 있으며 센서 노드 간의 장애물은 고려하고 있지 않다. 노드 간의 장애물을 고려하고 있는 연구들도, 모든 노드 배치는 2차원 상에서 이루어지며 릴레이 노드를 놓는 위치상에 제약조건을 전혀 고려하지 않고 있다.
그러나, 무선 센서 네트워크가 건물 내에 설치되는 경우에 센서 노드들은 센싱될 공간에 알맞게 서로 다른 높이로 벽이나 천장에 부착되는 경우가 많으며, 센서 노드 간 릴레이 노드도 벽이나 천장에 부착해야 한다는 제약조건을 가진 경우가 대부분이다. 그러므로 센서 노드가 센싱 대상 공간에 적절하게 부착된 이후에 릴레이 노드를 추가해야 한다면 3차원 공간이라는 점과 벽이나 천장 등에 배치되어야 한다는 제약조건을 반드시 고려해야 한다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 감안하여 제안된 것으로서, 그 목적은 노드가 3차원 공간상에 배치되고, 릴레이 노드는 벽이나 천장 등 3차원 공간을 구성하고 있는 면에 부착되어야 한다는 제약조건하에, 센서 노드 간 통신이 가능하도록 하기 위해 무선 센서 네트워크에 추가되어야 하는 최소의 릴레이 노드의 개수 및 위치를 산출하도록 한 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드의 배치 장치는, 복수의 노드가 설치된 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치로서, 복수의 노드에 포함된 두 노드 간의 통신 비용과, 두 노드의 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점의 좌표를 근거로 지점을 통과하는 두 노드 간의 통신 비용을 산출하는 연산부; 복수의 노드에 포함된 두 노드 간의 통신 비용에 근거하여 각 노드의 통신 경로를 포함하는 무선 센서 네트워크의 최소 스패닝 트리(MST)를 생성하는 생성부; 및 두 노드의 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점의 좌표 및 생성부에서 생성한 최소 스패닝 트리에 근거하여 릴레이 노드의 설치 위치를 검출하는 검출부를 포함한다.
노드의 좌표 정보 및 통신 반경을 포함하는 속성정보를 입력받는 입력부를 추가로 포함하고, 연산부는 입력부로 입력된 속성정보에 근거하여 복수의 노드에 포함된 두 노드 간의 통신 비용을 산출한다.
연산부는, 복수의 노드 중에서 다른 노드들과의 통신이 불가능한 노드를 통신 비용 산출에서 제외한다.
연산부는, 두 노드가 설치된 각 면을 경유하는 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점의 좌표를 근거로 지점과 각 노드 간의 통신 비용을 산출한다.
검출부는, 두 노드의 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점 중에서 생성부에서 생성한 최소 스패닝 트리의 통신 경로 상에 포함되는 지점의 좌표를 릴레이 노드의 설치 위치로 검출한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드의 배치 방법은, 복수의 노드가 설치된 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 방법으로서, (a) 복수의 노드에 포함된 두 노드 간의 통신 비용과, 두 노드의 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점의 좌표를 근거로 지점을 통과하는 두 노드 간의 통신 비용을 산출하는 단계; (b) (a) 단계에서 산출한 통신 비용에 근거하여 각 노드의 통신 경로를 포함하는 무선 센서 네트워크의 최소 스패닝 트리(MST)를 생성하는 단계; 및 (c) 두 노드의 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점의 좌표 및 (b) 단계에서 생성한 최소 스패닝 트리에 근거하여 릴레이 노드의 설치 위치를 검출하는 단계를 포함한다.
(a) 단계는, (a-1) 노드의 좌표 정보 및 통신 반경을 포함하는 속성정보를 입력받는 단계; 및 (a-2) (a-1) 단계에서 입력받는 속성정보에 근거하여 복수의 노 드에 포함된 두 노드 간의 통신 비용을 산출하는 단계를 포함한다.
(a) 단계에서는, 복수의 노드 중에서 다른 노드들과의 통신이 불가능한 노드를 통신 비용 산출에서 제외한다.
(a) 단계에서는, 두 노드의 설치된 각 면을 경유하는 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점의 좌표를 근거로 지점과 각 노드 간의 통신 비용을 산출한다.
(c) 단계에서는, 두 노드의 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점 중에서 (b) 단계에서 생성한 최소 스패닝 트리의 통신 경로 상에 포함되는 지점의 좌표를 릴레이 노드의 설치 위치로 검출한다.
본 발명에 의하면, 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치 및 방법은 벽과 같은 장애물을 고려하여 통신 범위를 정하고, 릴레이 노드도 벽이나 천장 등에 설치될 수 있다는 제약 사항들도 고려하여 최소로 추가될 릴레이 노드 개수를 산출하도록 함으로써, 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 통신이 가능하도록 하기 위한 릴레이 노드의 최소 개수와 설치 위치를 정확하게 산출할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치 및 방법을 설명하기 위한 전제조건을 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 센서 노드(200) 및 싱크 노드(100)는 통로로 이루어진 건물 내 공간에 v1, v2 등으로 표현된 위치에 설치된다. 노드 v1, v2, v3는 같은 벽면 A에 설치되어 있으며, 노드 v4, v5, v6, v7은 서로 다른 벽면 B, C, D, E에 각각 설치되어 있는 상태이다.
본 발명에서는 상기와 같이 센서 노드(200) 및 싱크 노드(100)가 설치된 상태에서 노드 간 통신이 가능하도록 하는 릴레이 노드(300)를 추가로 배치한다. 본 발명에서는 밀폐된 공간에 설치된 센서 노드(200)는 무선 센서 네트워크(WSN)의 구성에서 제외하고, 무선 센서 네트워크(WSN)에 포함된 두 노드 사이의 통신 비용(d(vi, vj))을 산출한다. 다음으로, 산출한 통신 비용(d(vi, vj))을 바탕으로 최소 스패닝 트리(MST; Minimum cost Spanning Tree)를 구성한 후에, 두 노드 사이의 링크 상에 릴레이 노드(300)를 설치한다. 여기서, 각 단계는 릴레이 노드(300)가 벽 (공간을 구성하는 면)들로 구성된 건물 내부에 존재하며 벽과 천장 등 건물을 이루는 면 위에 설치된다는 조건을 고려하는 경우에 해당한다. 또한, 각 센서 노드(200)들도 센싱 기능에 추가하여 릴레이 기능을 기본적으로 가지고 있어서 센서 노드(200)(싱크 노드(100) 포함) 간, 센서 노드(200)와 릴레이 노드(300), 릴레이 노드(300) 간 통신이 모드 가능하다. 또한, 각 센서 노드(200)에서 수집된 환경 데이터들은 모두 싱크 노드(100)로 전달된다.
본 발명에서 센서 노드(200)와 싱크 노드(100)의 통신 반경은 r(r > 0)로 정의하고, 릴레이 노드(300)의 통신 반경은 R로 정의한다. 여기서, 센서 노드(200)와 싱크 노드(100)의 통신 반경은 릴레이 노드(300)의 통신 반경 이하로 정의한다(r ≤ R).
또한, 본 발명에서, 노드가 설치된 건물은 직육면체 형태의 방들로 구성되고, 각 노드 사이의 장애물은 벽으로 한정하고, 각 노드 사이의 RF는 벽을 통과하지 못한다.
이때, 본 발명에서는 벽의 두께, 노드의 크기 등은 고려하지 않는다. 즉, 면과 점의 개념과 동일하게 생각한다.
본 발명의 실시 예에 따른 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치 및 방법을 설명하는데 사용되는 용어 및 기호를 정의하면 다음과 같다.
V={v1, v2, v3, ..., vn}는 센서 노드(200)를 구성하는 노드의 집합을 의미한다.
통신 비용은 최소 스패닝 트리를 구성하는데 근거가 되는 자료로서, 본 발명에서는 두 노드 간의 통신이 가능한 최단 거리를 의미한다.
RNij={m1, m2, m3, ..., mn}는 두 노드 vi와 vj 사이에 존재하는 릴레이 노드(300)의 집합을 의미한다.
|| vi vj ||는 두 노드 vi와 vj 사이의 직선 거리를 의미한다.
d(vi, vj)는 최소 스패닝 트리(MST(minimum spanning tree))를 구성할 때 두 점 vi와 vj 사이의 통신 비용을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이고, 도 3 내지 도 5는 도 1의 연산부를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 1의 생성부를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 본 발명의 변형예를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노 드 배치 장치(400)는 입력부(410), 연산부(420), 생성부(430), 검출부(440), 제어부(450)를 포함한다.
입력부(410)는 복수의 노드에 대한 속성정보를 입력받는다. 즉, 입력부(410)는 복수의 센서 노드(200) 및 싱크 노드(100)에 대한 좌표 정보 및 통신 반경(r)을 포함하는 속성정보를 입력받는다. 여기서, 입력부(410)는 복수의 노드에 대한 좌표 정보로 3차원 좌표(예컨대, (x, y, z))를 입력받는다.
입력부(410)는 릴레이 노드(300)의 통신 반경(R)을 입력받을 수도 있다. 즉, 입력부(410)는 한 지점을 경유하는 두 노드의 통신 비용을 검출하는데 근거가 되는 릴레이 노드(300)의 통신 반경(R)을 추가로 입력받는다.
연산부(420)는 복수의 노드에 포함된 두 노드 간의 통신 비용을 산출한다. 즉, 연산부(420)는 입력부(410)로 입력된 각 노드의 좌표 정보 및 통신 반경을 포함하는 속성정보에 근거하여 복수의 노드에 포함된 두 노드 간의 통신 비용을 산출한다. 이때, 연산부(420)는 두 노드 사이의 장애물(벽)을 고려하여 두 노드의 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점의 좌표를 근거로 지점을 통과하는 두 노드 간의 통신 비용을 산출한다. 여기서, 연산부(420)는 두 노드가 릴레이 노드(300)의 추가 없이 통신이 가능하다면 직선으로 연결한 거리를 통신 비용으로 산출하고, 그렇지 않은 경우는 릴레이 노드(300)가 벽을 따라 설치되는 경우를 고려한 최단 거리를 통신 비용으로 산출한다. 이때, 연산부(420)는 복수의 노드 중에서 다른 노드들과 의 통신이 불가능한 노드를 통신 비용 산출에서 제외한다. 즉, 연산부(420)는 장애물(벽)으로 인해 다른 노드와의 통신이 불가능한 노드는 통신 비용의 산출 대상에서 제외한다. 여기서, 싱크 노드(100)와 다른 공간에 존재하며, 사방이 벽으로 둘러싸여 있는 노드는 다른 노드와의 통신 불가능하므로 싱크 노드(100)로 데이터를 전송하는 것이 불가능하다. 그러므로, 연산부(420)는 이런 노드는 무선 센서 네트워크(WSN)에서 제외하여 통신 비용 산출을 하지 않는다.
도 3에 도시된 바와 같이, 연산부(420)는 두 노드(vi, vj)가 같은 면에 존재하거나, 두 노드(vi, vj)가 다른 면에 존재하고 두 노드 사이의 직선 거리가 노드의 통신 반경 이하(즉, ||vivj||≤r)이면, 두 노드(vi, vj) 사이의 통신 비용을 하기의 수학식 1을 이용하여 산출한다.
Figure 112008088310631-pat00001
여기서, d(vi, vj)는 두 노드(vi, vj) 사이의 통신 비용이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연산부(420)는 다른 면에 설치된 두 노드의 직선 거리가 노드의 통신 반경(r)을 초과(즉, ||vivj||>r)하고, 두 노드(vi,vj)가 설치된 면(wi, wj)을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로 상에 위치한 두 점과 각 노드 사이의 직선 거리를 합산한 값이 통신 반경의 두 배값(2r) 이하(즉, ||vimi|| + ||vjmj||≤2r)이면, 두 노드(vi, vj) 사이의 통신 비용(d(vi, vj))을 하기의 수학식 2를 이용하여 산출한다.
Figure 112008088310631-pat00002
Figure 112008088310631-pat00003
(단, )
여기서, eij는 vi가 속한 벽면(wi)과 vj가 속한 평면(wj)을 지나면서 vi와 vj를 잇는 최단 경로, mi는 vi를 중심으로 하고 반경이 r인 구가 eij와 만나는 점의 좌표, mj는 vj를 중심으로 하고 반경이 r인 구가 eij와 만나는 점의 좌표를 의미한다.
도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 연산부(420)는 다른 면에 설치된 두 노드의 직선 거리가 노드의 통신 반경을 초과(즉, ||vivj||>r)하고, 두 노드(vi,vj)가 설치된 면(wi, wj)을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로 상에 위치한 두 점과 각 노드 사이의 직선 거리를 합산한 값이 통신 반경의 두 배값(2r)을 초과(즉, ||vimi|| + ||vjmj||>2r) 하면, 두 노드(vi, vj) 사이의 통신 비용(d(vi, vj))을 하기의 수학식 3을 이용하여 산출한다.
Figure 112008088310631-pat00004
여기서, r은 센서 노드(200) 및 싱크 노드(100)의 통신 반경, R은 릴레이 노드(300)의 통신 반경, eij는 vi가 속한 벽면(wi)과 vj가 속한 평면(wj)을 지나면서 vi 와 vj를 잇는 최단 경로, m1는 vi를 중심으로 하고 반경이 r인 구가 eij와 만나는 점의 좌표, mj는 vj를 중심으로 하고 반경이 r인 구가 eij와 만나는 점의 좌표를 의미한다.
생성부(430)는 복수의 노드에 포함된 두 노드 간의 통신 비용에 근거하여 각 노드 간의 통신 경로를 포함하는 무선 센서 네트워크의 최소 스패닝 트리(MST)를 생성한다. 즉, 생성부(430)는 도 6에 도시된 바와 같이, 연산부(420)에서 산출한 각 노드 사이의 통신 비용에 근거하여 각 노드 간의 통신 경로를 포함하는 무선 센서 네트워크의 최소 스패닝 트리(MST)를 생성한다. 이때, 생성부(430)는 센서 노드(200)를 그래프의 노드로 하고, 연산부(420)에서 산출한 통신 비용을 노드 간 비용으로 하는 그래프를 구성한 후, 최소 스패닝 트리(MST)를 구하는 알고리즘(예컨대, 프라임 알고리즘(Prim's algorithm), 크루스칼 알고리즘(Kruskal's algorithm))을 이용하여 그래프의 최소 스패닝 트리(MST)를 구성한다. 여기서, 프라임 알고리즘, 크루스칼 알고리즘을 이용하여 최소 스패닝 트리(MST)를 생성하는 내용은 동종업계에 종사하는 자라면 쉽게 이해할 수 있는 내용이므로 상세한 설명을 생략한다.
검출부(440)는 생성부(430)에서 생성한 최소 스패닝 트리에서 두 노드의 통신 비용과, 연산부(420)에서 산출한 통신 비용을 근거로 릴레이 노드(300)의 설치 위치 및 개수를 검출한다. 여기서, 검출부(440)는 최소 스패닝 트리에 속하는 두 노드의 직선 거리상에 위치한 복수의 지점을 릴레이 노드(300)의 설치 위치로 검출하고, 이들 지점의 개수를 릴레이 노드(300)의 설치 개수로 검출한다.
검출부(440)는 두 노드(vi, vj)가 같은 면에 존재하거나, 두 노드(vi, vj)가 다른 면에 존재하고 두 노드 사이의 직선 거리가 노드의 통신 반경 이하(즉, ||vivj||≤r)이면, 두 노드(vi, vj) 간의 직접 통신이 가능한 것으로 판단하여 릴레이 노드(300)의 검출 위치 및 개수를 검출하지 않는다. 즉, 검출부(440)는 두 노드(vi, vj)가 같은 면에 존재하거나, 두 노드(vi, vj)가 다른 면에 존재하고 두 노드 사이의 직선 거리가 노드의 통신 반경 이하(즉, ||vivj||≤r)이면, 두 노드(vi, vj)만으로 통신이 가능하므로(즉, vi의 통신 반경(r) 내에 vj가 위치하므로), 추가적인 릴레이 노드(300)를 설치할 필요가 없는 것으로 판단하여 릴레이 노드(300)의 검출 위치 및 개수를 검출하지 않는다.
검출부(440)는 다른 면에 설치된 두 노드의 직선 거리가 노드의 통신 반경을 초과(즉, ||vivj||>r)하고, 두 노드(vi,vj)가 설치된 면(wi, wj)을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로 상에 위치한 두 점과 각 노드 사이의 직선 거리를 합산한 값이 통신 반경의 두 배값(2r) 이하(즉, ||vimi|| + ||vjmj||≤2r)이면, mi를 릴레이 노드(300)의 설치 위치로 검출하고, mi의 개수를 릴레이 노드(300)의 설치 개수로 검출한다. 즉, 검출부(440)는 두 노드가 상대 노드의 통신 반경(r)의 외부에 존재하 기 때문에 두 노드만으로는 통신이 불가능한 것으로 판단하고, 두 노드(vi,vj)가 설치된 면(wi, wj)을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로 상에 위치한 두 점과 각 노드 사이의 직선 거리를 합산한 값이 통신 반경의 두 배값(2r) 이하(즉, ||vimi|| + ||vjmj||≤2r)이기 때문에, 두 노드 사이에 릴레이 노드(300)를 하나만 더 설치하면 되는 것으로 판단하여 mi를 릴레이 노드(300)의 추가 설치 위치로 검출한다. 이때, mi의 통신 반경은 R(R>r)이므로 두 노드(vi,vj)는 mi를 통하여 통신이 가능하다. 여기서, 노드를 중심으로 하고 노드의 통신 반경(r)을 반경으로 하는 구가 두 노드(vi,vj)가 설치된 면(wi, wj)을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로와 만나는 지점이 mi이다.
검출부(440)는 다른 면에 설치된 두 노드의 직선 거리가 노드의 통신 반경을 초과(즉, ||vivj||>r)하고, 두 노드(vi,vj)가 설치된 면(wi, wj)을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로 상에 위치한 두 점과 각 노드 사이의 직선 거리를 합산한 값이 통신 반경의 두 배값(2r)을 초과(즉, ||vimi|| + ||vjmj||>2r) 하면, 두 지점 사이의 직선 거리가 릴레이 노드(300)의 통신 반경 이하(||mimj||≤R)인 지점들(예컨대, mi, mj)를 릴레이 노드(300)의 설치 위치로 검출하고, 이들의 개수를 릴레이 노드(300)의 설치 개수로 검출한다.
검출부(440)는 두 노드(vi,vj)가 상대 노드의 통신 반경(r)의 외부에 존재하기 때문에 두 노드(vi,vj)만으로는 통신이 불가능한 것으로 판단하고, 두 노드(vi,vj)가 설치된 면(wi, wj)을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로 상에 위치한 두 지점과 각 노드 사이의 직선 거리를 합산한 값이 통신 반경의 두 배값(2r)을 초과(즉, ||vimi|| + ||vjmj||>2r) 하기 때문에 두 개 이상의 릴레이 노드(300)를 추가로 배치하는 것으로 판단하여, mi(여기서, i=1, 2,..), mj를 릴레이 노드(300)의 설치 위치로 검출하고, 이들의 개수를 설치 개수로 검출한다. 여기서, 노드(vi)를 중심으로 하고 노드의 통신 반경(r)을 반경으로 하는 구가 두 노드(vi,vj)가 설치된 면(wi, wj)을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로와 만나는 지점이 mi이고, 노드(vj)를 중심으로 하고 노드의 통신 반경(r)을 반경으로 하는 구가 두 노드(vi,vj)가 설치된 면(wi, wj)을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로와 만나는 지점이 mj이다. 여기서, m1은 vi로부터 eij를 상에서 r만큼 떨어져 있고, mk(i=2, 3)부터는 mk-1로부터 eij상에서 R만큼 떨어져 있다. mk들은 통신 반경이 R이므로 서로 R만큼 떨어져 있어도 통신이 가능하다.
제어부(450)는 입력부(410)로 입력된 복수의 노드에 대한 속성정보를 이용하 여 릴레이 노드(300)의 설치 위치 및 개수를 산출하도록 연산부(420), 생성부(430), 검출부(440)를 제어한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치(400)는 복수의 노드에 대한 속성정보를 저장하는 저장부(460)를 추가로 포함할 수도 있다. 여기서, 저장부(460)는 입력부(410)로 입력된 복수의 노드에 대한 좌표 정보 및 통신 반경을 포함하는 속성정보를 저장한다. 이때, 저장부(460)는 복수의 노드에 대한 좌표 정보 및 통신 반경을 포함하는 속성정보를 미리 저장하고 있는 경우에, 입력부(410)가 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치(400)의 구성에서 제외될 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 입력부(410)는 직육면체 형태의 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 센서 노드(200) 및 싱크 노드(100)를 포함하는 복수의 노드에 대한 좌표 정보 및 통신 반경을 포함하는 속성정보를 입력받는다(S100). 이때, 입력부(410)는 릴레이 노드(300)의 통신 반경(R)을 입력받을 수도 있다. 즉, 입력부(410)는 한 지점을 경유하는 두 노드의 통신 비용을 검출하는데 근거가 되는 릴레이 노드(300)의 통신 반경(R)을 추가로 입력받는다. 여기서, 입력부(410)는 복수의 노드에 대한 속성정보 및 릴레이 노드(300)의 통신 반경(R)이 저장부(460)에 저장되어 있는 경우에는 S100 단계를 생략할 수도 있다.
다음으로, 연산부(420)는 입력된 복수의 노드 중에서 밀폐된 공간에 설치된 노드를 각 노드 간의 통신 비용 산출에서 배제한 후에, 두 노드 간의 통신 비용을 산출한다(S200). 연산부(420)는 두 노드 사이의 장애물(벽)을 고려하여 두 노드의 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점의 좌표를 근거로 지점을 통과하는 두 노드 간의 통신 비용을 산출한다. 여기서, 두 노드 간의 통신 비용 산출에 대한 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 후술하기로 한다.
생성부(430)는 연산부(420)에서 산출한 각 노드 간의 통신 비용을 근거로 최소 스패닝 트리(MST)를 생성한다(S300). 생성부(430)는 센서 노드(200)를 그래프의 노드로 하고, 연산부(420)에서 산출한 통신 비용을 노드 간 비용으로 하는 그래프를 구성한 후, 최소 스패닝 트리(MST)를 구하는 알고리즘(예컨대, 프라임 알고리즘(Prim's algorithm), 크루스칼 알고리즘(Kruskal's algorithm))을 이용하여 그래프의 최소 스패닝 트리(MST)를 구성한다.
검출부(440)는 연산부(420)에서 산출한 각 노드 사이의 통신 비용 및 생성부(430)에서 생성한 최소 스패닝 트리에 근거하여 릴레이 노드(300)의 설치 위치 및 개수를 검출한다(S400). 여기서, 검출부(440)는 최소 스패닝 트리에 속하는 두 노드의 직선 거리상에 위치한 복수의 지점을 릴레이 노드(300)의 설치 위치로 검출하고, 이들 지점의 개수를 릴레이 노드(300)의 설치 개수로 검출한다.
도 9는 도 8의 통신 비용 산출 단계 및 릴레이 노드의 설치 위치 검출 단계를 설명하기 위한 도면이다. 먼저, 도면에 도시된 r은 센서 노드(200) 및 싱크 노드(100)의 통신 반경, R은 릴레이 노드(300)의 통신 반경, eij는 노드 vi가 속한 벽면(wi)과 노드 vj가 속한 평면(wj)을 지나면서 노드 vi와 노드 vj를 잇는 최단 경로, 지점 m1는 노드 vi를 중심으로 하고 반경이 r인 구가 eij와 만나는 점의 좌표, 지점 mj는 노드 vj를 중심으로 하고 반경이 r인 구가 eij와 만나는 점의 좌표를 의미한다.
두 노드(vi, vj)가 서로 다른 벽면에 존재하고 두 노드의 좌표가 각각 vi=(2,0,1), vj=(2,5,4)이라고 할 때, 연산부(420)는 두 노드의 좌표를 이용하여 하기와 같이 두 노드의 직선 거리를 산출한다.
Figure 112008088310631-pat00005
다음으로, 두 노드의 통신 반경(r)이 7이면, 두 노드의 통신 반경(r)이 두 노드의 직선 거리보다 크기 때문에 연산부(420)는 기산출한 두 노드의 직선 거리를 두 노드의 통신 비용으로 산출한다. 이 경우 두 노드의 통신 비용(d(vi,vj))은
Figure 112008088310631-pat00006
이 된다. 그에 따라, 검출부(440)는 두 노드가 서로의 통신 반경 내에 존재하므로 두 노드가 직접 통신이 가능한 것으로 하여, 릴레이 노드(300)의 추가 설치가 필요없는 것으로 판단한다.
도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 두 노드의 통신 반경(r)이 5이고, 두 노드(vi,vj)가 설치된 면(wi, wj)을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로 상에 위치한 두 지점의 좌표가 mi=(2,3,5), mj=(2,0,5)이면, 연산부(420)는 통신 반경(r)이 두 노드의 직선 거리보다 작기 때문에 하기와 같이 두 노드의 두 지점을 통과하는 통신 비용을 각각 산출한다.
1) mi=(2,3,5)를 통과하는 경우의 통신 비용
Figure 112008088310631-pat00007
2) mj=(2,0,5)를 통과하는 경우의 통신 비용
Figure 112008088310631-pat00008
그에 따라, 검출부(440)는 통신 비용이 적은 mi=(2,3,5)를 릴레이 노드(300)의 설치 위치로 검출한다.
좀 더 상세하게 설명하면, 두 노드(vi, vj)는 릴레이 노드(300)의 추가 없이 두 노드(vi, vj)만으로는 통신이 불가능하다. 그리고, 두 노드(vi, vj)를 잇는 직선 거리 위에는 릴레이 노드(300)를 설치할 수 없다(허공이므로). 그러므로, 릴레이 노드(300)가 설치 가능한 벽면을 지나면서 두 노드(vi, vj)를 지나는 최단 경로(eij)를 따라 릴레이 노드(300)를 설치하면 다른 경로를 따라 하는 것보다 더 적은 수의 릴레이 노드(300)를 설치할 수 있다. 도 9의 (a)에서는, eij상의 mi에 릴레이 노드(300)를 설치하면 두 노드(vi, vj)가 통신 가능해 진다. 이 지점(mi)은 vi로부터 r만큼 떨어져 있는 eij상의 점이고 vj로부터도 통신 가능한 지점이다.
도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 두 노드(vi,vj)의 통신 반경(r)이 4이고 설치될 릴레이 노드(300)의 통신 반경(r)이 5이고, 두 노드(vi,vj)가 설치된 면(wi, wj)을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로 상에 위치한 두 지점의 좌표가 mj=(2,1,5), mi=1=(2,0,5)이면, 통신 반경(r)이 두 노드의 직선 거리보다 작고, 두 노드(vi,vj)가 설치된 면(wi, wj)을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로 상에 위치한 두 점과 각 노드 사이의 직선 거리를 합산한 값이 통신 반경의 두 배값(2r)을 초과(즉, ||vimi|| + ||vjmj||>2r) 하기 때문에, 연산부(420) 하기와 같이 두 노드와 두 지점을 통과하는 통신 비용을 산출한다.
Figure 112008088310631-pat00009
그에 따라, 검출부(440)는 두 점이 하나의 릴레이 노드(300) 추가로도 통신이 불가능하기 때문에 두 지점 m1, mj를 릴레이 노드(300)의 설치 위치로 검출한다.
좀 더 상세하게 설명하면, 두 노드(v1, vj)가 하나의 릴레이 노드(300) 추가로도 통신이 불가능하기 때문에, vi로부터 r만큼 떨어진 eij상의 첫 번째 점을 m1이라고 하고 vj로부터 r만큼 떨어진 eij상의 첫 번째 점을 mj라고 하자. 그럼 m1=(2,0,5)이고 mj=(2,1,5)가 된다. m1으로부터 R만큼씩 eij상에서 늘려가면서, 즉, m2, m3 등을 만들어가면서, mj와 통신 가능할 때까지 mi를 추가하면 되는데, 도 9의 (b)에서는, m1과 mj가 바로 통신 가능하므로 i=1이 되고 릴레이 노드(300)의 집합(RNij)은 {(2,0,5), (2,1,5)}가 된다. 만약, vj가 (2,10,5)라면 mj는 (2,6,5)가 된다. (||mimj||=6 > 5(즉, 릴레이 노드(300)의 통신 반경인 R값보다 크다.)이므로, 두 지점 m1과 mj에 설치된 릴레이 노드(300) 사이에는 통신이 불가능하게 된다. 그러므로, m2를 구하면 mi로부터 R만큼 떨어진 eij상의 점인 (2, 5, 5)가 된다. ||m2mj||=1>5 (즉, 릴레이 노드(300)의 통신 반경인 R값보다 작다.)이므로 두 지점에 각각 설치된 릴레이 노드(300) 사이에는 통신이 가능하게 된다. 따라서, 더 이상의 릴레이 노드(300)를 추가하지 않는다. 즉, ||m2mj||<=R 인 조건을 만족하는 지 점에서 멈추게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치 및 방법은 벽과 같은 장애물을 고려하여 통신 범위를 정하고, 릴레이 노드(300)도 벽이나 천장 등에 설치될 수 있다는 제약 사항들도 고려하여 최소로 추가될 릴레이 노드(300)의 개수를 산출하도록 함으로써, 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 통신이 가능하도록 하기 위한 릴레이 노드(300)의 최소 개수와 설치 위치를 정확하게 산출할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도.
도 3 내지 도 5는 도 1의 연산부를 설명하기 위한 도면.
도 6은 도 1의 생성부를 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 변형예를 설명하기 위한 블록도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 9는 도 8의 통신 비용 산출 단계 및 릴레이 노드의 설치 위치 및 개수 검출 단계를 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 싱크 노드 200: 센서 노드
300: 릴레이 노드 400: 릴레이 노드 배치 장치
410: 입력부 420: 연산부
430: 생성부 440: 검출부
450: 제어부 460: 저장부

Claims (10)

  1. 복수의 노드가 설치된 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치로서,
    상기 복수의 노드에 포함된 두 노드 간의 통신 비용과, 상기 두 노드의 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점의 좌표를 근거로 상기 지점을 통과하는 두 노드 간의 통신 비용을 산출하는 연산부;
    상기 복수의 노드에 포함된 두 노드 간의 통신 비용에 근거하여 각 노드의 통신 경로를 포함하는 상기 무선 센서 네트워크의 최소 스패닝 트리(MST)를 생성하는 생성부; 및
    상기 두 노드의 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점의 좌표 및 상기 생성부에서 생성한 최소 스패닝 트리에 속하는 두 노드의 직선 거리상에 위치한 하나 이상의 지점을 릴레이 노드의 설치 위치로 검출하고, 검출된 지점의 개수를 릴레이 노드의 설치 개수로 검출하는 검출부를 포함하되,
    상기 연산부는,
    두 노드가 같은 면에 존재하거나 두 노드가 다른 면에 존재하고 두 노드 사이의 직선 거리가 두 노드의 통신 반경 이하이면, 상기 두 노드간의 직선 거리를 통신 비용으로 산출하고,
    다른 면에 설치된 두 노드의 직선 거리가 노드의 통신 반경을 초과하면 벽을 따라 설치되는 경우를 고려한 최단 거리를 통신 비용으로 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    노드의 좌표 정보 및 통신 반경을 포함하는 속성정보를 입력받는 입력부를 추가로 포함하고,
    상기 연산부는 상기 입력부로 입력된 속성정보에 근거하여 상기 복수의 노드에 포함된 두 노드 간의 통신 비용을 산출하되,
    상기 연산부는,
    다른 면에 설치된 두 노드의 직선 거리가 노드의 통신 반경을 초과하고, 두 노드가 설치된 면을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로 상에 위치한 두 점과 각 노드 사이의 직선 거리를 합산한 값이 통신 반경의 두 배값 이하이면 수학식
    d(vi, vj) =r+|| vi, mi || (단, ||vimi||<||vjmj||>)을 이용하여 통신 비용을 산출하고,
    (여기서, eij는 vi가 속한 벽면(wi)과 vj가 속한 평면(wj)을 지나면서 vi와 vj를 잇는 최단 경로, mi는 vi를 중심으로 하고 반경이 r인 구가 eij와 만나는 점의 좌표, mj는 vj를 중심으로 하고 반경이 r인 구가 eij와 만나는 점의 좌표)
    다른 면에 설치된 두 노드의 직선 거리가 노드의 통신 반경을 초과하고, 두 노드가 설치된 면을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로 상에 위치한 두 점과 각 노드 사이의 직선 거리를 합산한 값이 통신 반경의 두 배값을 초과하면, 두 노드 사이의 통신 비용을 수학식
    d(vi, vj) =2r+Rⅹ(i-1)+||mjmi||
    (여기서, r은 센서 노드 및 싱크 노드의 통신 반경, R은 릴레이 노드의 통신 반경, eij는 vi가 속한 벽면(wi)과 vj가 속한 평면(wj)을 지나면서 vi와 vj를 잇는 최단 경로, m1는 vi를 중심으로 하고 반경이 r인 구가 eij와 만나는 점의 좌표, mj는 vj를 중심으로 하고 반경이 r인 구가 eij와 만나는 점의 좌표)
    를 이용하여 통신 비용을 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 복수의 노드 중에서 다른 노드들과의 통신이 불가능한 노드를 통신 비용 산출에서 제외하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 두 노드가 설치된 각 면을 경유하는 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점의 좌표를 근거로 상기 지점과 각 노드 간의 통신 비용을 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 검출부는,
    상기 두 노드의 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점 중에서 상기 생성부에서 생성한 최소 스패닝 트리의 통신 경로 상에 포함되는 지점의 좌표를 릴레이 노드의 설치 위치로 검출하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 장치.
  6. 복수의 노드가 설치된 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 방법으로서,
    (a) 상기 복수의 노드에 포함된 두 노드 간의 통신 비용과, 상기 두 노드의 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점의 좌표를 근거로 상기 지점을 통과하는 두 노드 간의 통신 비용을 산출하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 산출한 통신 비용에 근거하여 각 노드의 통신 경로를 포함하는 상기 무선 센서 네트워크의 최소 스패닝 트리(MST)를 생성하는 단계; 및
    (c) 상기 두 노드의 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점의 좌표 및 상기 (b) 단계에서 생성한 최소 스패닝 트리에 속하는 두 노드의 직선 거리상에 위치한 하나 이상의 지점을 릴레이 노드의 설치 위치로 검출하고, 검출된 지점의 개수를 릴레이 노드의 설치 개수로 검출하는 단계를 포함하되,
    상기 통신 비용을 산출하는 단계에서는,
    두 노드가 같은 면에 존재하거나 두 노드가 다른 면에 존재하고 두 노드 사이의 직선 거리가 두 노드의 통신 반경 이하이면, 상기 두 노드간의 직선 거리를 통신 비용으로 산출하고,
    다른 면에 설치된 두 노드의 직선 거리가 노드의 통신 반경을 초과하면 벽을 따라 설치되는 경우를 고려한 최단 거리를 통신 비용으로 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a-1) 노드의 좌표 정보 및 통신 반경을 포함하는 속성정보를 입력받는 단계; 및
    (a-2) 상기 (a-1) 단계에서 입력받는 속성정보에 근거하여 상기 복수의 노드에 포함된 두 노드 간의 통신 비용을 산출하는 단계를 포함하되,
    상기 통신 비용을 산출하는 단계에서는,
    다른 면에 설치된 두 노드의 직선 거리가 노드의 통신 반경을 초과하고, 두 노드가 설치된 면을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로 상에 위치한 두 점과 각 노드 사이의 직선 거리를 합산한 값이 통신 반경의 두 배값 이하이면 수학식
    d(vi, vj) =r+|| vi, mi || (단, ||vimi||<||vjmj||>)을 이용하여 통신 비용을 산출하고,
    (여기서, eij는 vi가 속한 벽면(wi)과 vj가 속한 평면(wj)을 지나면서 vi와 vj를 잇는 최단 경로, mi는 vi를 중심으로 하고 반경이 r인 구가 eij와 만나는 점의 좌표, mj는 vj를 중심으로 하고 반경이 r인 구가 eij와 만나는 점의 좌표)
    다른 면에 설치된 두 노드의 직선 거리가 노드의 통신 반경을 초과하고, 두 노드가 설치된 면을 지나면서 두 노드를 잇는 최단 경로 상에 위치한 두 점과 각 노드 사이의 직선 거리를 합산한 값이 통신 반경의 두 배값을 초과하면, 두 노드 사이의 통신 비용을 수학식
    d(vi, vj) =2r+Rⅹ(i-1)+||mjmi||
    (여기서, r은 센서 노드 및 싱크 노드의 통신 반경, R은 릴레이 노드의 통신 반경, eij는 vi가 속한 벽면(wi)과 vj가 속한 평면(wj)을 지나면서 vi와 vj를 잇는 최단 경로, m1는 vi를 중심으로 하고 반경이 r인 구가 eij와 만나는 점의 좌표, mj는 vj를 중심으로 하고 반경이 r인 구가 eij와 만나는 점의 좌표)
    를 이용하여 통신 비용을 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 (a) 단계에서는,
    상기 복수의 노드 중에서 다른 노드들과의 통신이 불가능한 노드를 통신 비용 산출에서 제외하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 (a) 단계에서는,
    상기 두 노드의 설치된 각 면을 경유하는 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점의 좌표를 근거로 상기 지점과 각 노드 간의 통신 비용을 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 (c) 단계에서는,
    상기 두 노드의 최단 거리 경로 상에 위치하는 지점 중에서 상기 (b) 단계에서 생성한 최소 스패닝 트리의 통신 경로 상에 포함되는 지점의 좌표를 릴레이 노드의 설치 위치로 검출하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 무선 센서 네트워크의 릴레이 노드 배치 방법.
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