KR101138712B1 - 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법 - Google Patents

복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법에 관한 것으로서 데이터 송수신을 중지하는 임의의 시간인 백오프 값을 생성하고, 상기 백오프 값이 종료되면, 주변 센서 노드들로 데이터를 전송한다. 또한, 상기 주변 센서 노드들의 데이터를 수신하고, 대표 센서 노드로서 동작하는 순서를 나타내는 리스트를 상기 수신된 데이터에 기초하여 생성한다. 그리고, 슬립 상태와 리슨 상태를 반복하는 사이클 중 리슨 상태에서 현재의 대표 센서 노드로부터 데이터가 수신되지 않는 경우, 상기 리스트에 나타난 순서에 기초하여, 차순위 센서 노드를 대표 센서 노드로 선정함으로써, 중복되는 센싱 영역 내에서 센서 노드의 생존성을 증가시키고, 무선 네트워크 생존 시간을 늘릴 수 있다.

Description

복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법{Method of selecting the representative sensor node among multiple sensor nodes}
본 발명은 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 센서 노드들 중에서 중복되는 센싱 영역 내의 센서 노드의 생존성을 증가시키고, 무선 네트워크 생존 시간을 늘릴 수 있는 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법에 관한 것이다.
유비쿼터스 네트워크 기술은 환경 감시, 목표물 추적, 교통정보 관리, 건물 감시 등의 다양한 응용 분야에 적용된다. 무선 센서 네트워크는 센서 모듈과 네트워크 모듈을 갖는 센서 노드들로 이루어지고, 많은 수의 센서 노드들이 목표 지역에 배치되어 유기적으로 동작, 하나의 네트워크를 형성한다. 각 센서 노드들은 센싱을 통한 정보의 수집, 처리 그리고 전송을 수행하며, 중간에 위치한 노드들은 받은 메시지를 재전송하는 라우터 및 포워딩 노드(router/forwarder)로서의 역할을 수행한다.
일반적으로, 센서 노드들은 접근이 어려운 지역에 설치되기 때문에 배터리의 교체나 충전이 어렵다. 그러므로, 센서 네트워크 프로토콜은 에너지 제약 극복, 유기적인 네트워크 시스템 유지, 네트워크 생존성이 중요하다. 이들 조건을 모두 만족시키기 위하여 이상적인 프로토콜은 트래픽이 모든 노드들에게 골고루 분배되어 모든 노드들이 동시에 에너지를 소모하는 시스템이다. 따라서, 각 센서 노드의 에너지 소모의 효율성을 극대화하기 위해 라우팅 및 클러스터링, 데이터 수집, 토폴로지 측면의 프로토콜이 계발되어 왔다.
지금까지 계발된 프로토콜은 클러스터를 기반으로 하는 라우팅 프로토콜인 LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)와 PEGASIS(Power Efficient Gathering in Sensor Information Systems)가 있다.
LEACH는 네트워크 수명 극대화를 위해 몇 개의 클러스터 헤드(head)만이 최종 싱크(sink)로 데이타를 전달하는 클러스터링 구조를 가지고 있다. 데이타 압축과 라우팅을 결합하였으며, 클러스터 헤드를 랜덤하게 선출하는 구성 단계와 BS(base station)로 데이타를 전달하는 단계로 동작한다. LEACH의 구성 단계는 매 라운드마다 불명확한 토폴로지 구성 문제와 랜덤하게 선출되는 클러스터 헤드로 인해 헤드 선출에 따른 큰 오버헤드 문제가 있다.
한편, PEGASIS는 BS로부터 가장 멀리 떨어진 노드부터 차례대로 탐욕 알고리즘을 적용하여 하나의 체인을 구성하며, LEACH의 클러스터 헤드 수를 하나의 리더(leader)로 줄이고 가장 가까운 노드로 데이타를 전송하게 함으로써 LEACH보다 네트워크 수명을 증가시켰다. 하지만 PEGASIS는 토폴로지 구성이 선형적이기 때문에 노드 수가 많아지면 에너지 측면에서 비효율적이다.
데이타 수집(aggregation)에 기반한 프로토콜로는 PEDGA(power efficient data gathering and aggregation), BATR(balanced aggregation tree routing), 및 SHORT(short hop routing tree)가 있으며, PEDGA는 프라임 알고리즘을 사용하여 베이스 스테이션에서 가장 가까운 노드로부터 스패닝(spanning) 트리를 구성함으로써 네트워크의 수명을 증가시킨다. 하지만 PEDGA는 클러스터 기반의 PEGASIS와 같이 선형적인 토폴로지 구성 때문에 비효율적인 에너지 문제가 있다.
BATR는 전체 파워 소모의 균형을 고려한 노드 당 로드 밸런싱(Load balancing) 방식을 사용한다.
BATR의 문제점을 개선하기 위해 SHORT는 기존의 접근 방식과 달리 에너지 효율성에 지연 혹은 처리율과 같은 변수(metric)들을 고려하여 네트워크 성능에 대한 균형을 달성하기 위한 알고리즘을 제안하였다.
또한, 통신 홀(communication hole)이 발생할 경우 바이패스(bypass) 하기 위해 TENT 규칙을 제안하고 있다. 그러나 TENT 방법은 근본적으로 센싱 홀이 생기는 원인을 제거하지 못하고, 센싱 홀이 발생할 경우 우회 라우팅 경로를 제공하는 방안만을 제공하고 있다.
종래 기술에서는 동적인 네트워크 토폴로지가 변화하면 센서 노드의 데이터 전달 실패와 에너지의 소모를 유발하는 문제가 발생한다. 특히, 에너지 소모가 많은 특정 지역에 위치하는 노드들이 에너지를 모두 소모하게 된다. 이와 같은 경우 ① 해당 지역을 센싱할 수 없는 센싱 홀 문제가 조기에 발생하고, ② 또한, 센싱 홀 발생으로 특정 영역을 경유하는 트래픽의 우회에 따른 전송 지연이 발생하며, ③ 트래픽이 인근 특정 노드에게 집중되어 발생하는 센싱 홀 확장성 문제가 발생한다.
또한, 종래의 스케쥴링 방안 및 절차는 무선 센서 네트워크 전체 노드를 대상으로 스케쥴링을 실시하고, 이에 대한 수학모델을 제시하였으며, 이러한 프로토콜은 네트워크 측면의 수학모델을 도출함으로써 여러 가지 형태의 토폴로지를 갖는 네트워크에서는 정확하게 네트워크의 수명을 예측하지 못하는 문제점이 있었다.
따라서, 종래기술들은 센싱 홀을 제거하는 근본적인 방안을 제시하지 못하기 때문에 에너지 효율적인 토폴로지 구성을 할 필요성이 있어 왔다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 복수의 센서 노드들 중에서 중복되는 센싱 영역 내의 센서 노드의 생존성을 증가시키고, 무선 네트워크 생존 시간을 늘릴 수 있는 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 상기된 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공하는데 있다.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 데이터 송수신을 중지하는 임의의 시간인 백오프 값을 생성하는 단계; 상기 백오프 값이 종료되면, 주변 센서 노드들로 데이터를 전송하는 단계; 상기 주변 센서 노드들의 데이터를 수신하고, 대표 센서 노드로서 동작하는 순서를 나타내는 리스트를 상기 수신된 데이터에 기초하여 생성하는 단계; 및 슬립 상태와 리슨 상태를 반복하는 사이클 중 리슨 상태에서 현재의 대표 센서 노드로부터 데이터가 수신되지 않는 경우, 상기 리스트에 나타난 순서에 기초하여, 차순위 센서 노드를 대표 센서 노드로 선정하는 단계를 포함하는 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 복수의 센서 노드들은 중복되는 센싱 영역을 갖는 센서 노드들이고, 상기 센서 노드들의 데이터 전송 거리 내의 영역과 상기 센싱 영역 바깥 영역 사이에서 존재하는 포워딩 노드들이 상기 센서 노드들의 센싱 데이터를 싱크 노드로 중계할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 리스트 상의 대표 센서 노드가 자신의 에너지량에 따른 리슨/슬립 주기를 주변 센서 노드들로 광고하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 대표 센서 노드로 선정된 차순위 센서 노드는 자신의 에너지량에 따른 리슨/슬립 주기를 주변 센서 노드들로 광고하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 백오프 값은 각 센서노드마다 스스로 생성할 수 있다.
또한, 상기 복수의 센서 노드들이 싱크 노드와 상호 동기화를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 주변 센서 노드들로 전송하거나 수신하는 데이터는 센서 노드를 구별하는 식별 데이터일 수 있다.
또한, 상기 식별 데이터에 기초하여 대표 센서 노드로서 동작하는 순서를 나타내는 리스트를 생성하는 경우, 식별 데이터인 ID 번호의 크기에 따라 대표 센서 노드로서 동작하는 순서를 결정할 수 있다.
또한, 상기 대표 센서 노드로서 동작하는 순서는 센서 노드가 갖는 에너지의 양에 따라 결정될 수 있다.
또한, 상기 대표 센서 노드로서 동작하는 순서는 센서 노드 자신의 정보를 주변 센서 노드들에 전송한 순서에 따라 결정될 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기된 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공한다.
본 발명에 따르면, 센싱 홀 영역 내에서 대표 센서 노드를 선출하여, 대표 센서 노드의 에너지 잔존 기간 동안 센싱 홀 지역을 센싱하도록 함으로써, 중복되는 센싱 영역 내에서 센서 노드의 생존성을 증가시키고, 무선 네트워크 생존 시간을 늘릴 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하여 센싱을 수행하고, 싱크 노드로 전송하는 센싱 데이터를 감소시킴으로써, 포워딩 노드의 수명을 연장할 수 있기 때문에 센싱 홀을 방지할 수 있다. 나아가, 본 발명에 따르면, 센싱 홀 모델을 기반으로 센서 노드에서의 에너지 소모에 대한 수학적인 모델 도출함으로써, 네트워크 수명 예측의 정확도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대표 센서 노드를 선정하는 방법을 적용할 수 있는 센서 노드들의 분포를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에 도시한 밀집 지역(dense area)를 확대한 도면이다.
도 3은 도 2의 센싱 홀 영역을 상세하게 도식화한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 센서 노드들이 대표 센서 노드를 선정하는 과정을 시간의 흐름에 따라 나타낸 것이다.
본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법은 데이터 송수신을 중지하는 임의의 시간인 백오프 값을 생성하고, 상기 백오프 값이 종료되면, 주변 센서 노드들로 데이터를 전송한다. 또한, 상기 주변 센서 노드들의 데이터를 수신하고, 대표 센서 노드로서 동작하는 순서를 나타내는 리스트를 상기 수신된 데이터에 기초하여 생성한다. 그리고, 슬립 상태와 리슨 상태를 반복하는 사이클 중 리슨 상태에서 현재의 대표 센서 노드로부터 데이터가 수신되지 않는 경우, 상기 리스트에 나타난 순서에 기초하여, 차순위 센서 노드를 대표 센서 노드로 선정한다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대표 센서 노드를 선정하는 방법을 적용할 수 있는 센서 노드들의 분포를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 사람의 접근이 어려운 지역이거나 접근이 가능한 지역이라도 광범위한 지역인 경우, 비행기를 이용하여 센서 노드들을 배포하고 것을 보이고 있으며, 그 결과 센서 노드들의 분포는 고르지 못한 상황이 된다.
센서 노드들의 분포는 밀집 지역(dense area)과 비밀집지역(sparse area)로 구분된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 밀집 지역 내에 있는 모든 센서 노드들이 주변 환경을 센싱하는 액티브 모드로 동작하는 것이 아니고, 하나의 대표 센서 노드만이 액티브 모드로 동작하며, 다른 센서 노드들은 슬립 모드로 동작한다.
도 2는 도 1에 도시한 밀집 지역(dense area)를 확대한 도면이다.
센서 노드는 데이터를 중계하는 포워딩 기능과 데이터를 센싱하는 센싱 기능을 갖는다. 데이터 중계시 멀티홉 전송에 참여하는 노드를 ‘포워딩 노드(forwarding node)’, 각 물리 영역을 센싱하는 노드를‘센서 노드(sensor node)’, 센싱된 데이터를 저장, 분석, 통합하는 등의 기능을 수행하는 노드를 싱크 노드(sink node)라고 한다.
도 2를 참조하면, 반지름 r 인 원 영역 내에 센서 노드(210)들이 존재하고, 동일한 물리 영역을 센싱하고 있다. 반지름 r와 반지름 R 사이의 도넛 영역 내에 포워딩 노드(220)가 존재하고, 이러한 포워딩 노드(220)는 센서 노드(210)의 센싱 데이터를 싱크 노드(230)로 전송한다.
어떤 이벤트 메시지가 싱크 노드(베이스 스테이션)로 전송되었을 때 센서 노드는 리슨(listen), 충돌(collision sense), 동작(active), l-듀티(l-duty)의 4가지 모드 중 하나의 모드를 가지게 된다.
센서 노드들이 센싱 필드에 전개되는 경우에 각 센서 노드는 초기에 리슨 모드에 있게 된다. 충돌 모드는 두 개 이상의 센서 노드들로부터의 패킷 충돌이 일어날 경우이기 때문에, 백오프 값을 결정하여 일정 시간 동안 대기하는 모드이다. 보통 충돌 모드 이후 리슨 모드로 변화하게 된다. l-듀티 모드는 리슨 모드와 슬립 모드가 반복되는 모드이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 대표 센서 노드를 선정하는 방법에서 사용하는 개념인 센싱 홀(sensing holes)에 대하여 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
도 3은 도 2의 센싱 홀 영역을 상세하게 도식화한 도면이다.
센서 노드의 데이터 전송 반경을 R로 나타내고, 반지름 R의 원 영역과 동일한 원점을 가지는 반지름 r의 원 영역은 센서 노드의 센싱 영역을 나타낸다.
반지름 r의 원 영역 내에 위치하는 센서 노드의 개수를 Nin이라 하고, 반지름 (R - r) 영역 내에 위치하는 센서 노드(포워딩 노드)의 개수를 Nout로 나타낸다.
반지름 r의 원 영역과 반지름 R의 원 영역 사이의 도넛 영역에 위치하는 포워딩 노드들이 많은 에너지를 소비하여 동작할 수 없게 될 때, 반지름 r의 원 영역 내에 위치하는 센서 노드의 센싱 데이터를 더 이상 포워딩 노드들로 전달할 수 없게 되는데, 이러한 상황을 센싱 홀이라고 하고 센싱 홀이 발생할 경우 센서 노드들은 더 이상 통신을 할 수 없는 상태가 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법의 흐름도이다.
410 단계에서 무선 센서 네트워크를 구성하는 복수의 센서 노드들은 싱크 노드와 상호 동기화를 수행한다. 상호 동기화는 싱크 노드가 전송하는 부트스트랩 신호를 센서 노드가 수신함으로써, 이루어질 수 있다.
420 단계에서 무선 센서 네트워크를 구성하는 복수의 센서 노드들은 상호 동기화 후, 셋업 시간(tsetup) 동안 자신의 백오프 값을 생성한다. 백오프 값은 데이터 충돌을 방지하기 위하여 임의의 시간 동안 센서 노드들의 전송을 중지하는데 사용되는 값이다. 롱듀티 리스트(Long duty list)를 생성하는 시간을 셋업 시간이라고 하며, 롱듀티 리스트는 센서 노드들의 액티브 순서를 나타내는 리스트이다.
430 단계에서 무선 센서 네트워크를 구성하는 복수의 센서 노드들은 생성된 백오프 값이 종료되면, 주변 센서 노드들로 데이터를 전송한다. 전송하는 데이터는 센서 노드 자신을 구별하는 식별 데이터일 수 있으며, 식별 데이터로서, ID(Identification)를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 대표 센서 노드를 결정하는 기준에 따라 주변 센서 노드들로 전송되는 데이터는 전송 시간, 에너지량 등 다양하게 결정될 수 있을 것이다.
즉, 셋업 시간 동안 각 센서 노드는 임의의 랜덤시간이 종료한 시점에 자신의 데이터를 이웃 센서 노드들에게 전송하며, 이러한 각 센서 노드의 데이터에 근거하여 대표 센서 노드를 선정하게 된다.
예를 들면, 셋업 시간 동안 각 센서 노드들은 랜덤한 백오프 값을 '1’씩 감소하여, ‘0’이 되었을 때 자신의 데이터를 전송하고, 그 다음 이웃 센서 노드의 정보를 듣기 위해 리슨 모드에 있게 된다.
440 단계에서 무선 센서 네트워크를 구성하는 복수의 센서 노드들은 430 단계에서 수신한 주변 센서 노드들의 데이터를 참조하여 액티브 순서를 나타내는 롱듀티 리스트(Long duty list)를 생성한다.
롱듀티 리스트 구성 방법에 관한 것으로 ID 번호가 가장 작은 노드가 가장 먼저 액티브 노드로 동작하도록 롱듀티 리스트를 구성하는 방법, 역으로 ID 번호가 가장 큰 노드가 가장 먼저 액티브 노드로 동작하도록 하는 방법, 에너지가 가장 많은 노드가 가장 먼저 액티브 노드로 동작하도록 하는 방법, 또는 가장 먼저 자신의 정보를 전송 한 노드가 가장 먼저 액티브 노드로 동작하도록 하는 방법 등 여러 가지 방법이 가능하다.
450 단계에서 무선 센서 네트워크를 구성하는 복수의 센서 노드들은 롱듀티 리스트 상의 대표 센서 노드가 광고(advertisement)를 수행하면 듀티 사이클을 시작한다. 듀티 사이클은 슬립 상태와 리슨 상태를 반복하는 사이클이다. 대표 센서 노드가 수행하는 광고에 포함되는 데이터는 센서 노드 자신의 에너지량에 따른 리슨/슬립 주기를 포함할 수 있다.
롱듀티 리스트를 생성하는 셋업 시간이 지나간 다음, 롱듀티 리스트 상에서 제일 먼저 대표 센서 노드로 선택되도록 예정된 센서 노드가 광고를 수행하게 된다. 일 실시예로서, 롱듀티 리스트(Long duty list)에서 ID가 가장 작은 노드가 상위에 위치한다고 하면, 셋업 시간이 종료했을 때, 더 큰 ID를 가지는 센서 노드보다 먼저 대표 센서 노드로 동작하게 된다.
이후, 주변 상황을 센싱하는 대표 센서 노드는 전력이 소모될 때까지 대표 센서 노드로서 기능하며, 전력이 다 소모되면, 주변 센서 노드들로 신호를 전송할 수 없게 될 것이다.
460 단계에서 무선 센서 네트워크를 구성하는 복수의 센서 노드들은 대표 센서 노드로부터 리슨 상태 동안 신호가 수신되었는지 판단한다. 판단 결과 리슨 상태 동안 대표 센서 노드로부터 신호가 수신된 경우 465 단계로 진행하고, 리슨 상태 동안 대표 센서 노드로부터 신호가 수신되지 않은 경우 470 단계로 진행한다.
센서 노드는 자신의 슬립 듀티 사이클(듀티 사이클 중 슬립 상태)이 종료하고 리슨 듀티 사이클(듀티 사이클 중 리슨 상태)에 있을 때, 현재 대표 센서 노드의 액티브 상태를 알기 위해 특정 리슨 시간 동안 대표 센서 노드의 전송 상태를 감시한다. 리슨 시간 동안 대표 센서 노드로부터 신호가 수신되지 않는 경우에 대표 센서 노드의 듀티 사이클이 종료되었다고 판단할 수 있다.
465 단계에서 무선 센서 네트워크를 구성하는 복수의 센서 노드들은 슬립 상태로 전환하고, 일정 시간의 슬립 상태 이후 리슨 상태로 재전환하게 된다.
470 단계에서 무선 센서 네트워크를 구성하는 복수의 센서 노드들은 자신이 롱듀티 리스트 상에서 차순위 대표 센서 노드인지 여부를 판단한다. 판단 결과 자신이 차순위 대표 센서 노드가 아닌 경우 480 단계로 진행하고, 자신이 차순위 대표 센서 노드인 경우 490 단계로 진행한다.
480 단계에서 무선 센서 네트워크를 구성하는 복수의 센서 노드들은 롱듀티 리스트 상에서의 차순위 대표 센서 노드를 대표 센서 노드로 선정한다.
즉, 차순위 센서 노드가 아닌 이웃 센서 노드는 각 센서 노드 자신의 롱듀티 리스트에서 현재 대표 센서 노드의 정보를 삭제함으로써, 대표 센서 노드를 업데이트할 수 있다.
490 단계에서 자신이 차순위 대표 센서 노드라고 판단한 센서 노드는 대표 센서 노드로서 광고를 수행하고, 주변 환경을 센싱하는 액티브 모드로 전력이 다 소모될 때까지 동작하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 센서 노드들이 대표 센서 노드를 선정하는 과정을 시간의 흐름에 따라 나타낸 것이다.
밀집 지역(Dense area)에 위치하는 센서 노드 1, 2, 3, 4와 비밀집(Sparse area) 지역에 위치하는 3개의 포워딩 노드를 이용하여 대표 노드를 선정하는 과정을 보다 상세하게 살펴보기로 한다. 밀집 지역(Dense area)에 위치하는 센서 노드 1, 2, 3, 4는 동일한 센싱 지역을 공유할 수 있다.
도 5를 참조하면, 센싱 지역에서 센서 노드의 배치 및 명칭을 나타내고 있으며, 센싱 지역에서 센서 노드들의 셋업 과정 및 액티브/슬립/리슨 과정을 시간의 흐름에 따라 나타내는 부분으로 구성된다.
모든 센서 노드들이 센싱 지역에 배치되었을 때, 초기 상태로 진입하고 이 초기 상태에서 센서 노드들은 싱크 노드의 부트스트랩 메시지를 기다린다.
도 5에서 센서 노드들은 싱크 노드의 부트스트랩(bootstrap) 신호에 의해 동기화되고, 랜덤 함수값을 발생시켜 백오프 모드로 진입한다. 백오프 모드에서 각 센서 노드들은 자신의 백오프 값을 생성한다.
백오프 값이 가장 먼저 종료한 센서 노드 3이 자신의 ID를 주변 센서 노드들로 리포트하고, 이웃 센서 노드의 신호를 듣기 위해 셋업 시간(tsetup)시간 동안 다른 센서 노드의 신호를 수신한다.
각각 두 번째, 세 번째, 네번째로 백오프 값이 종료된 센서 노드 1, 2, 4가 센서 노드 1과 동일한 방법으로 자신의 ID를 이웃 센서 노드들로 전송(리포트)하고, 각 센서 노드들은 이웃 센서 노드들의 ID를 수신한 후 롱듀티 리스트(l-듀티 리스트)에 ID값에 따라 리스트를 구성한다. 이러한 롱듀티 리스트 구성은 셋업 시간 동안 모든 센서 노드가 수행하는 것이며, 그 결과 롱듀티 리스트는 모든 센서 노드들이 공유하게 될 것이다.
셋업 시간이 종료되면, 롱듀티 리스트의 가장 상위에 위치한 센서 노드 3이 자신의 ID와 l-듀티 값을 설정하고 광고 한 후 센싱 지역의 대표 센서 노드로 동작하고, 롱듀티 리스트의 차순위 이하 모든 센서 노드들은 리슨/슬립하는 과정을 반복한다. 여기서, l-듀티 값은 센서 노드 자신의 에너지량에 따른 리슨/슬립 주기 를 의미할 수 있다.
센싱 지역에서 대표 센서 노드가 아닌 센서 노드들은 리슨 모드와 슬립 모드가 반복되는 l-듀티(l=|wtsleep|, w=1,2,...,10) 모드로 진입하게 된다. 여기서, w는 센서 노드 자신의 에너지 상태를 의미한다. l-듀티 모드에서 각 센서 노드는 리슨 타임을 정하고, 자신의 전송회로를 슬립 상태로 한다.
센서 노드 3의 동작 시간은 t3으로 나타낸다. t3의 종료 시점에서 슬립 상태에서 깨어난 센서 노드들이 센서 노드 3의 신호를 듣지 못했을 경우, 롱듀티 리스트의 차순위 센서 노드 1이 자신의 에너지량에 따라 계산한 l-듀티 값을 이웃 센서 노드로 광고한다.
센서 노드 2와 4는 동일하게 리슨/슬립을 반복하면서 센서 노드 1의 동작 여부를 알기 위해 리슨 상태에서 센서 노드 1의 동작 상태를 감시한다.
이러한 과정으로 센서 노드 1은 t1시간 동안 동작하며, 센서 노드 2와 4는 위와 마찬가지 방식으로 대표 센서 노드로 차례로 동작한다.
상술한 과정을 통해 동일 센싱 지역의 센싱 노드들은 t1, t2, t3, t4시간 동안 각각 동작하여, 동일 센싱 지역 내의 총 센싱 노드의 동작 시간을 증가시킨다.
도 5에서 네트워크의 생존 시간 T는 tsetup 시간과 각 센서 노드의 동작 시간인 t1, t2, t3, t4을 통합한 시간으로 표현될 수 있다.
이하에서는 센싱 홀에 위치하는 센서 노드의 에너지 소비를 분석하여 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에서는 센싱 홀 지역에서 대표 센서 노드 선출 프로토콜과 그 센싱 홀 지역의 센서 노드에 의해 소비되는 에너지를 분석하기 위한 에너지 소비 모델이 제시된다. 이하 센서 노드가 센싱 지역에서 소비하는 에너지에 따른 생존기간을 정량적으로 상세하게 설명한다.
반지름 R은 센서 노드의 데이터 전송거리를 나타내며, 반지름 r은 센서 노드의 센싱 반경을 나타낸다. 포워딩 노드는 반경 (R - r) 인 지역에 위치한다. 반경 r 지역에 위치하는 센서 노드의 개수를 Nin으로 표시하고, 반경 (R-r)지역에 위치하는 포워딩 노드의 수를 Nout이라고 한다.
반경 (R-r) 지역에 위치하는 포워딩 노드는 많은 트래픽을 전송하게 되고, 상대적으로 반경 R 범위 밖에 위치하는 노드보다 많은 에너지를 소모하게 된다. 이 경우 여전히 반경 r내의 지역에 위치한 센서 노드는 에너지를 갖고, 동작 가능하게 된다.
그러나, 반경 (R-r) 지역에 위치하는 포워딩 노드들은 많은 에너지를 소비하여 동작할 수 없게 된다. 반경 r 지역에 위치하는 센서 노드의 데이터는 더 이상 반경 R 지역의 포워딩 노드들에게 전달할 수 없게 된다. 이러한 상황을 센싱 홀이라고 하고 센싱 홀이 발생할 경우 센서 노드들은 더 이상 통신을 할 수 없는 상태가 된다.
다음의 표 1은 센싱 홀 지역의 센서 노드에 의해 소비되는 에너지를 분석하는데 사용하는 기호의 의미를 나타낸 것이다.
기호 의미
S 센서 노드들의 집합
xi 센싱 필드의 i번째 노드
Einital 센서노드의 초기 에너지
Eres 센서의 나머지 에너지
tsetup 셋업시간
ei , tx 단위 시간당 송신회로가 소비하는 에너지 량
ei , rx 단위 시간당 수신회로가 소비하는 에너지 량
d 특정 센서에서 떨어진 거리
rdata 데이터 전송 속도
e0 한 비트 전송하기위해 송신기가 소비하는 에너지 량
e1 한 비트를 전송하기 위해 계산하는데 소비하는 에너지 량
σ 자유공간에 손실 인자
Nsleep 슬립 상태의 노드 수
ei , active 액티브 노드가 소비하는 에너지
ki 노드가 전송하는 메시지의 수
tlisten 한 개의 패킷을 수신하기 위해 소비하는 시간
ti 센서노드의 생존 시간
etotal , active 전체 액티브 노드에 의해 소비하는 에너지
Pa 나머지 에너지 보유 여부를 나타내는 파라미터
p(xi) 센싱 영역에서 액티브 노드가 될 확률
T 네트워크 생존 시간
t 센싱영역에서 각 센서 노드의 생존시간
τ 각 센서의 데이터 전송 주기
S를 센서 노드의 집합이라 할 때, S={x1, x2, x3...,xn}이고, 각 x1의 에너지는 1±0.2J로 설정한다. 이때 각 센서 노드가 가지는 나머지 에너지 Eres는 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112010034870760-pat00001
여기서, tsetup은 셋업 시간, ei , rx와 ei , tx은 각각 수신회로 및 송신 회로에서 소비하는 에너지량을 나타낸다. 거리가 d m 떨어진 수신자에게 데이터를 전송할 때, 전송 속도가 rdata이면, ei , tx은 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010034870760-pat00002
여기서, e0 는 비트당 송신기에 의해 소비되는 에너지로서, 본 실시예에서는 50 × 10-9이고, e1은 단위 면적당(m2) 비트당 손실되는(dissipated) 에너지로서, 100× 10-12이다.
센싱 필드 영역 내에서 있는 노드의 수를 계산하기 위해 확률적인 방법을 사용하며, 반경 r 내부에서의 센서의 수는 |Nin|=|Nout|πr2/R이고, 반경 R 내부의 포워딩 노드의 수는 |Nout|=|Nall|πR2/M으로 표현된다. 여기서, M은 센싱 필드의 네트워크 사이즈이고, |Nall|은 전체 센싱 필드에 있는 센서 노드들의 수이다.
유사하게 반경 r내에서 슬립 노드의 수는 |Nin|-1, 이 경우 액티브 노드에서 소비하는 에너지는 ei , active=ei , txki+ei , rxtlisten 이다 ,
여기서, ki는 I번째 노드에서 전송된 메시지의 수, tlisten은 다른 노드에서 전송한 패킷을 수신하는데 소비하는 시간, ti=|Eres/ei , active|는 센서 노드의 네트워크 생존 시간을 나타낸다.
한편, 일반적인 센서 네트워크에서 센싱 반경 내에서 모든 노드가 동시에 동작한다고 할 때, 소비하는 에너지는 다음과 같다.
Figure 112010034870760-pat00003
액티브 노드의 수를 |Nin| 으로 가정했을 때, 센서 노드에서 에너지를 가지고 있다면 Pa=1, 에너지를 가지고 있지 않다면 Pa=0라고 했을 때, Pa는 다음의 수학식 4와 같이 쓸 수 있다.
Figure 112010034870760-pat00004
센싱 영역에서 i번째 센서 노드가 액티브되는 확률 P(xi)는 다음의 수학식 5와 같다.
Figure 112010034870760-pat00005
이때 종래의 네트워크의 생존 시간은 다음과 같이 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010034870760-pat00006
그러나 본 발명의 일 실시예에 따라 특정 센싱 영역에서 하나의 센서 노드가 동작하는 경우, 이 센서 노드에 의해 소비하는 에너지의 량은 다음의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010034870760-pat00007
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 네트워크의 생존 시간은 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010034870760-pat00008
본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
저출력, 단거리 무선통신 전송기술인 IEEE 802.11.4 MAC 계층 및 물리계층 기술을 표준으로 하는 유비쿼터스 네트워크 기술에 이용 가능하다 .이러한 유비쿼터스 네트워크 기술은 환경 감시, 목표물 추적, 교통정보 관리, 건물 감시 등의 다양한 응용 분야가 존재한다.

Claims (11)

  1. 데이터 송수신을 중지하는 임의의 시간인 백오프 값을 생성하는 단계;
    상기 백오프 값이 종료되면, 주변 센서 노드들로 데이터를 전송하는 단계;
    상기 주변 센서 노드들의 데이터를 수신하고, 대표 센서 노드로서 동작하는 순서를 나타내는 리스트를 상기 수신된 데이터에 기초하여 생성하는 단계;
    상기 리스트 상의 대표 센서 노드가 자신의 에너지량에 따른 리슨/슬립 주기를 상기 주변 센서 노드들로 광고하는 단계; 및
    슬립 상태와 리슨 상태를 반복하는 사이클 중 리슨 상태에서 현재의 대표 센서 노드로부터 데이터가 수신되지 않는 경우, 상기 리스트에 나타난 순서에 기초하여, 차순위 센서 노드를 대표 센서 노드로 선정하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 센서 노드들은 중복되는 센싱 영역을 갖는 센서 노드들이고,
    상기 센서 노드들의 데이터 전송 거리 내의 영역과 상기 센싱 영역 바깥 영역 사이에서 존재하는 포워딩 노드들이 상기 센서 노드들의 센싱 데이터를 싱크 노드로 중계하는 것을 특징으로 하는 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 대표 센서 노드로 선정된 차순위 센서 노드는 자신의 에너지량에 따른 리슨/슬립 주기를 주변 센서 노드들로 광고하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법.
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 백오프 값은 각 센서노드 마다 스스로 생성하는 것을 특징으로 하는 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법.
  6. 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 센서 노드들이 싱크 노드와 상호 동기화를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 주변 센서 노드들로 전송하거나 수신하는 데이터는 센서 노드를 구별하는 식별 데이터인 것을 특징으로 하는 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 식별 데이터에 기초하여 대표 센서 노드로서 동작하는 순서를 나타내는 리스트를 생성하는 경우, 식별 데이터인 ID 번호의 크기에 따라 대표 센서 노드로서 동작하는 순서를 결정하는 것을 특징으로 하는 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 대표 센서 노드로서 동작하는 순서는 센서 노드가 갖는 에너지의 양에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 대표 센서 노드로서 동작하는 순서는 센서 노드 자신의 정보를 주변 센서 노드들에 전송한 순서에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 복수의 센서 노드들 중에서 대표 센서 노드를 선정하는 방법.
  11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항 또는 제 4 항 내지 제 10 항 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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