KR101144486B1 - Distance estimation method based on sequential rearrangement of received signal strength in wireless sensor networks - Google Patents

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Abstract

순차적 정렬된 RSS을 이용한 무선 센서 네트워크에서의 거리 측정 방법이 개시된다. 무선 센서 네트워크에서의 거리 측정 방법은 PLE(path loss exponent)를 이용하여 센서 노드의 거리를 측정하는 무선 센서 네트워크 시스템의 거리 측정 방법에 있어서, 기준점이 되는 노드인 앵커 노드에서 비콘 메시지를 전송하는 단계; 센서 노드에서 비콘 메시지를 수신하여 비콘 메시지에 대하여 RSS(received signal strength) 정보 및 홉(hop) 정보를 앵커 노드로 전송하는 단계; 앵커 노드에서 RSS 정보를 전송한 센서 노드를 자신의 전파범위 내에 있는 멤버 노드로 등록하고 멤버 노드가 전송한 RSS 정보와 홉 정보를 이용하여 전파 반경을 계산하는 단계; 앵커 노드에서 전파 반경과 멤버 노드의 수를 이용하여 멤버 노드에 대한 단위 면적과 맵핑 거리를 계산하는 단계; 앵커 노드에서 각 멤버 노드에 대하여 RSS 정보와 맵핑 거리를 이용하여 PLE를 계산한 후 PLE의 평균 값을 공통 PLE로 설정하여 멤버 노드로 전송하는 단계; 및 멤버 노드에서 공통 PLE과 RSS 정보를 통해 앵커 노드와의 거리를 측정하는 단계를 포함한다.Disclosed is a distance measuring method in a wireless sensor network using a sequentially ordered RSS. In the distance measuring method of a wireless sensor network, a distance measuring method of a wireless sensor network system measuring a distance of a sensor node using a path loss exponent (PLE), the method comprising: transmitting a beacon message from an anchor node serving as a reference point; ; Receiving a beacon message at the sensor node and transmitting RSS (received signal strength) information and hop information to the anchor node with respect to the beacon message; Registering the sensor node transmitting the RSS information in the anchor node as a member node within its propagation range and calculating a propagation radius using the RSS information and the hop information transmitted by the member node; Calculating a unit area and a mapping distance for the member node using the propagation radius and the number of member nodes at the anchor node; Calculating the PLE using the RSS information and the mapping distance for each member node in the anchor node, and then setting the average value of the PLE to the common PLE and transmitting the PLE to the member node; And measuring a distance from the anchor node through the common PLE and RSS information in the member node.

Description

순차적 정렬된 RSS을 이용한 무선 센서 네트워크에서의 거리 측정 방법{DISTANCE ESTIMATION METHOD BASED ON SEQUENTIAL REARRANGEMENT OF RECEIVED SIGNAL STRENGTH IN WIRELESS SENSOR NETWORKS}DISTANCE ESTIMATION METHOD BASED ON SEQUENTIAL REARRANGEMENT OF RECEIVED SIGNAL STRENGTH IN WIRELESS SENSOR NETWORKS}

본 발명의 실시예들은 무선 센서 네트워크에서 수신 신호 세기(RSS)(received signal strength)를 이용하여 센서 노드의 거리를 측정하는 거리 측정 방법에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to a distance measuring method for measuring a distance of a sensor node using received signal strength (RSS) in a wireless sensor network.

무선 센서 네트워크는 다수의 센서 노드를 이용하여 특정 지역이나 대상을 모니터 하거나 네트워크 내에서 발생하는 이벤트를 탐지하기 위한 시스템 중의 하나이다. 무선 센서 네트워크 시스템은 자신의 위치 정보를 독자적으로 획득할 수 있는 소수의 앵커 노드와 앵커 노드의 위치 정보를 이용하여 자신의 위치를 판별할 수 있는 다수의 센서 노드로 구성된다.A wireless sensor network is one of systems for monitoring a specific area or object using multiple sensor nodes or detecting events occurring in the network. The wireless sensor network system is composed of a few anchor nodes capable of independently obtaining their own location information and a plurality of sensor nodes capable of determining their own location using location information of the anchor nodes.

이벤트가 발생하면 센서 노드는 자신의 센싱 지역에서 이벤트가 발생했음을 감지하고 사용자에게 메시지를 보내는데, 이 때 위치 정보가 없다면 사용자는 이벤트가 어디서 발생했는지 알 수가 없어 이에 대응하지 못하므로 센서 노드의 위치를 구하기 위한 포지셔닝(positioning) 알고리즘이 필요하다.When an event occurs, the sensor node detects that an event has occurred in its sensing area and sends a message to the user. If there is no location information, the user cannot know where the event occurred and cannot respond to it. We need a positioning algorithm to find out.

포지셔닝 알고리즘에서 센서 노드의 위치를 구하기 위해서는 적어도 3개의 앵커로부터의 거리를 알아야 하며, 앵커에서 측정된 거리가 정확할수록 센서 노드의 정확한 위치를 획득할 수 있다.In order to find the position of the sensor node in the positioning algorithm, it is necessary to know the distance from at least three anchors. The more accurate the distance measured from the anchor is, the more accurate the position of the sensor node can be obtained.

거리 측정 방법에서 RSS를 이용한 방법은 현존하는 RF(radio frequency) 단말기에서 별도의 추가적인 장치를 필요로 하지 않고 구현이 쉬워 일반적으로 많이 사용되므로 무선 센서 네트워크에 적합하다는 장점이 있으나, 정확한 RSS를 검출해야 하는 전제 조건이 필요하다.The method of using RSS in the distance measuring method has the advantage that it is suitable for wireless sensor networks because it is generally used because it is easy to implement and does not require an additional device in existing radio frequency (RF) terminals, but it is necessary to detect accurate RSS. Prerequisites are required.

일반적으로, RF 시스템은 경로 손실(path loss) 모델을 따르는데, 이것은 송신된 신호의 세기는 거리에 따라 세기가 감소되는 것을 정량화한 모델이다. 즉, 송신된 신호의 세기와 수신된 신호 세기 사이의 관계를 거리와 특정 파라미터로 나타내게 된다. 이때, 파라미터는 환경에 따라 가변적이 될 수 있으며 이를 PLE(path loss exponent)라고 한다.In general, RF systems follow a path loss model, which quantifies that the strength of a transmitted signal decreases with distance. That is, the relationship between the strength of the transmitted signal and the strength of the received signal is represented by distance and a specific parameter. In this case, the parameter may be variable according to an environment, which is called PLE (path loss exponent).

기존의 RSS를 이용한 거리 측정 알고리즘은 PLE를 이상적인 값으로 가정하거나, 시스템이 구축될 환경에서 거리를 고정시키고 반복적으로 RSS를 측정함으로써 해당 환경에 대한 PLE를 구하는 방식이었다.Conventional distance measurement algorithms using RSS were based on the assumption that the PLE is the ideal value, or the PLE for the environment is fixed by measuring the RSS repeatedly and fixing the distance in the environment where the system will be constructed.

하지만, 동일한 공간이라도 PLE는 기후나 장애물 등 여러 요소에 의해 시간적으로 가변적인 값이 될 수 있으며, 시스템에 따라 사전에 인위적인 측정을 통해 PLE를 획득하지 못하는 경우도 있다.However, even in the same space, the PLE may be variable in time due to various factors such as weather or obstacles, and in some cases, the PLE may not be acquired by artificial measurement in advance.

따라서, 무선 센서 네트워크는 능동적으로 PLE를 획득하고 이를 통해 거리 및 위치를 측정하는 방법이 필요한 실정이다.Accordingly, the wireless sensor network needs a method of actively acquiring PLE and measuring distance and position through the PLE.

무선 센서 네트워크에서 각 센서 노드가 자신의 위치를 판단하기 위해 필요로 하는 거리 정보를 획득하기 위한 방법으로 RSS를 앵커 노드에 보고하고 앵커 노드는 수집된 RSS를 바탕으로 각 센서 노드의 PLE를 예측하여 공통으로 적용할 수 있는 PLE를 계산할 수 있는 거리 측정 방법이 개시된다.In order to obtain the distance information that each sensor node needs to determine its position in the wireless sensor network, RSS is reported to the anchor node, and the anchor node predicts the PLE of each sensor node based on the collected RSS. Disclosed is a distance measuring method capable of calculating a PLE applicable in common.

공통적으로 적용될 수 있는 공통 PLE를 구하기 위해 각 노드의 확률적 예상 위치를 지정하는 방법, 앵커 노드가 미지의 환경에서 다수의 센서 노드의 RSS정보와 홉 정보를 바탕으로 자신의 전파반경을 구하는 방법, 앵커 노드가 자신의 전파범위 내에 있는 멤버 노드들이 공통으로 사용할 수 있는 PLE를 구하는 방법이 개시된다.A method of designating a probabilistic predicted position of each node to find a common PLE that can be applied in common, Anchor node calculates its propagation radius based on RSS and hop information of a plurality of sensor nodes in an unknown environment, A method is disclosed in which an anchor node obtains a PLE that can be commonly used by member nodes within its propagation range.

PLE(path loss exponent)를 이용하여 센서 노드의 거리를 측정하는 무선 센서 네트워크 시스템의 거리 측정 방법에 있어서, 기준점이 되는 노드인 앵커 노드에서 비콘 메시지를 전송하는 단계; 센서 노드에서 비콘 메시지를 수신하여 비콘 메시지에 대하여 RSS(received signal strength) 정보 및 홉(hop) 정보를 앵커 노드로 전송하는 단계; 앵커 노드에서 RSS 정보를 전송한 센서 노드를 자신의 전파범위 내에 있는 멤버 노드로 등록하고 멤버 노드가 전송한 RSS 정보와 홉 정보를 이용하여 전파 반경을 계산하는 단계; 앵커 노드에서 전파 반경과 멤버 노드의 수를 이용하여 멤버 노드에 대한 단위 면적과 맵핑 거리를 계산하는 단계; 앵커 노드에서 각 멤버 노드에 대하여 RSS 정보와 맵핑 거리를 이용하여 PLE를 계산한 후 PLE의 평균 값을 공통 PLE로 설정하여 멤버 노드로 전송하는 단계; 및 멤버 노드에서 공통 PLE과 RSS 정보를 통해 앵커 노드와의 거리를 측정하는 단계를 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 거리 측정 방법이 제공된다.A distance measuring method of a wireless sensor network system for measuring a distance of a sensor node using a path loss exponent (PLE), the method comprising: transmitting a beacon message at an anchor node serving as a reference point; Receiving a beacon message at the sensor node and transmitting RSS (received signal strength) information and hop information to the anchor node with respect to the beacon message; Registering the sensor node transmitting the RSS information in the anchor node as a member node within its propagation range and calculating a propagation radius using the RSS information and the hop information transmitted by the member node; Calculating a unit area and a mapping distance for the member node using the propagation radius and the number of member nodes at the anchor node; Calculating the PLE using the RSS information and the mapping distance for each member node in the anchor node, and then setting the average value of the PLE to the common PLE and transmitting the PLE to the member node; And measuring a distance from the anchor node through the common PLE and RSS information in the member node.

일측에 따르면, 앵커 노드의 전파 반경이 센서 노드의 전파 반경 보다 크게 설정되어, 앵커 노드는 센서 노드에 대하여 특정 노드를 목표하지 않고 메시지를 전송하는 방식인 브로드캐스팅(broadcasting) 방식으로 비콘 메시지를 전송하고, 센서 노드는 앵커 노드와의 사이에 존재하는 다른 센서 노드를 중계하여 전송하는 방식인 멀티홉 플러딩(multi hop flooding) 방식으로 RSS 정보와 홉 정보를 전송한다.According to one side, the propagation radius of the anchor node is set to be larger than the propagation radius of the sensor node, the anchor node transmits the beacon message in a broadcast (broadcasting) method that transmits a message to the sensor node without targeting a specific node In addition, the sensor node transmits the RSS information and the hop information in a multi hop flooding manner, in which a sensor node relays and transmits another sensor node existing between the anchor nodes.

다른 측면에 따르면, 전파 반경을 계산하는 단계는, RSS 값이 가장 작은 센서 노드인 바운더리(boundary) 노드의 RSS 정보 및, 홉 수가 가장 큰 센서 노드의 홉 정보를 이용하여 앵커 노드의 최대의 전파 반경을 계산할 수 있다.According to another aspect, the step of calculating the propagation radius, the maximum propagation radius of the anchor node using the RSS information of the boundary node that is the sensor node with the smallest RSS value and the hop information of the sensor node with the largest hop number Can be calculated.

또 다른 측면에 따르면, 멤버 노드의 단위 면적과 맵핑 거리를 계산하는 단계는, 전파 반경을 멤버 노드의 수로 나눈 면적을 멤버 노드의 상기 단위 면적으로 설정한 후, 단위 면적을 이용하여 홉 정보에 따라 각 멤버 노드가 위치할 예상 거리인 맵핑 거리를 할당할 수 있다.According to another aspect, the calculating of the unit area and the mapping distance of the member node, after setting the area divided by the propagation radius by the number of member nodes to the unit area of the member node, according to the hop information using the unit area You can assign a mapping distance, which is an expected distance where each member node will be located.

센서 노드들이 앵커 노드로부터 비콘(beacon) 메시지 받으면 자신의 RSS를 보고하여 멤버 노드로 등록되고 앵커 노드는 수집된 RSS를 바탕으로 환경에 따라 가변적인 PLE를 능동적으로 추정함으로써 각 센서 노드가 자신의 위치를 판단하는데 기여할 수 있다.When sensor nodes receive beacon messages from anchor nodes, they report their RSS and register as member nodes, and anchor nodes actively estimate the PLE, which is variable according to the environment, based on collected RSS, so that each sensor node has its own location. Can contribute to judging.

앵커 노드의 전파반경이 센서 노드의 전파반경보다 크므로 시스템에 필요한 앵커 노드의 수를 줄일 수 있어 비용절감에 효과적이고, 환경에 따라 가변적인 앵커 노드의 전파반경을 자발적으로 예측할 수 있어 다른 종류의 앵커 노드를 사용하거나 앵커 노드의 전파반경을 조절하여 자유롭게 네트워크를 구성할 수 있다.Since the propagation radius of the anchor node is larger than the propagation radius of the sensor node, it is possible to reduce the number of anchor nodes required for the system, which is effective in cost reduction, and it is possible to spontaneously predict the propagation radius of the variable anchor node according to the environment. The network can be freely configured by using an anchor node or by adjusting the propagation radius of the anchor node.

따라서, 시간에 따라 변할 수 있는 PLE를 보다 능동적으로 구하여 센서 노드에 대한 거리 오차를 감소시키고 거리 및 위치 측정의 정확성을 더욱 향상시킬 수 있다.Therefore, the PLE, which can change over time, can be obtained more actively to reduce the distance error for the sensor node and to further improve the accuracy of the distance and position measurement.

도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 순차적 RSS 정렬에 따른 무선 센서 네트워크에서의 거리 측정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 무선 센서 네트워크에서 앵커 노드와 센서 노드의 동작 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 단위 면적에 따른 맵핑 거리를 설명하기 위한 도면이다.
1 is a flowchart illustrating a distance measuring method in a wireless sensor network according to sequential RSS alignment according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining the operation of the anchor node and the sensor node in the wireless sensor network, according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a mapping distance according to a unit area according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 명세서에서, 정의된 용어는 다음과 같다.In this specification, the terms defined are as follows.

앵커 노드: 거리의 기준점이 되는 노드Anchor Node: Node that is the base of the distance

센서 노드: 앵커 노드와의 거리를 구하려는 노드Sensor Node: Node to get distance from anchor node

멤버 노드: 앵커 노드의 전파범위 내에 있는 노드Member Node: Node within range of anchor node

바운더리 노드: 최외각에 위치한 노드Boundary node: outermost node

브로드캐스팅: 특정 노드를 목표로 하지 않고 일방적으로 통보하는 전송방법Broadcasting: Transmission method that informs one-sided without targeting a specific node

멀티홉 플러딩: 목표 노드까지 메시지를 전달하기 위해 중간에 다른 노드를 중계하여 전송하는 방법Multi-hop flooding: how to relay and forward other nodes in the middle to deliver messages to target nodes

비콘 메시지: 주기적으로 앵커 노드가 보내는 메시지Beacon message: Messages sent by anchor nodes periodically

단위 면적: 앵커 노드의 전파가 미치는 영역을 멤버 노드의 수로 나눈 면적Unit area: The area divided by the number of member nodes divided by the propagation of the anchor node.

맵핑거리: 단위 면적을 이용하여 구한 멤버 노드의 예상거리Mapping distance: Estimated distance of member nodes found using unit area

본 발명의 일실시예들은 무선 센서 네트워크와 같은 무선 시스템에 적용되는 거리 측정 알고리즘에 관한 것이다. 일실시예에 따른 무선 시스템은 센서 노드의 분포가 고르고 분포 밀도가 높은 지역에서 각 노드로부터 RSS를 받은 앵커 노드가 이 값을 순차적으로 배열한 뒤 각각의 노드에서의 PLE를 구하고 각각의 PLE를 평균치로 계산하여 공통 PLE를 얻을 수 있다. 그리고, 일실시예에 따른 무선 시스템은 앵커 노드의 전파범위 내에 있는 노드들은 공통 PLE를 적용하여 자신의 거리를 측정할 수 있다.One embodiment of the present invention relates to a distance measurement algorithm applied to a wireless system such as a wireless sensor network. According to an exemplary embodiment of the present invention, an anchor node receiving RSS from each node sequentially arranges these values in an area where the distribution of sensor nodes is even and has a high distribution density, and then obtains PLE at each node and averages each PLE. The common PLE can be obtained by And, according to an embodiment of the present invention, nodes within a propagation range of an anchor node may measure their distance by applying a common PLE.

특히, 본 발명의 일실시예는 무선 센서 네트워크와 같이 노드의 전파 반경이 작고 다수의 노드로 구성된 네트워크인 경우 패킷의 흐름이 특정 싱크 노드로 집중되는 시스템에서 싱크 노드는 수집된 데이터를 바탕으로 자신의 범위 내에서 공통적으로 적용할 수 있는 PLE를 결정지을 수 있으며, 미지의 환경에서 자신의 전파 범위를 알 수 없는 앵커 노드가 센서 노드로부터 수집된 RSS와 홉 수를 통해서 자신의 전파 범위를 추정할 수 있다.Particularly, in an embodiment of the present invention, in a network in which a node has a small propagation radius and a plurality of nodes, such as a wireless sensor network, the sink node is based on the collected data in a system in which packet flow is concentrated to a specific sink node. It is possible to determine the PLE that can be commonly applied within the range of, and to estimate its propagation range through RSS and hop number collected from sensor nodes by anchor nodes whose propagation range is unknown in unknown environment. Can be.

도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 순차적 RSS 정렬에 따른 무선 센서 네트워크에서의 거리 측정 방법을 도시한 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a distance measuring method in a wireless sensor network according to sequential RSS alignment according to an embodiment of the present invention.

단계(101)에서 무선 시스템은 앵커 노드에서 센서 노드 보다 큰 전파반경을 이용하여 비콘 메시지를 주기적으로 브로드캐스팅한다.In step 101, the wireless system periodically broadcasts a beacon message using a larger radio radius than the sensor node at the anchor node.

단계(102)에서 무선 시스템은 비콘 메시지를 수신한 센서 노드에서 이에 대한 응답으로 수신한 RSS를 비콘 메시지를 송신한 앵커 노드에게 멀티홉 플러딩으로 보고한다.In step 102, the wireless system reports the RSS received in response to the sensor node receiving the beacon message to the anchor node sending the beacon message as multi-hop flooding.

단계(103)에서 무선 시스템은 앵커 노드에서 자신의 전파반경 범위 내에 있어 자신의 주기적인 비콘 메시지를 받아 수신 신호의 세기인 RSS를 보고하는 센서 노드를 자신의 멤버 노드로 간주 및 등록한다. 만일 임의의 센서 노드가 여러 앵커 노드로부터 비콘 메시지를 받을 경우, 센서 노드는 각 앵커 노드로부터 받은 메시지의 RSS를 각각의 앵커 노드에게 보고한다. 일실시예에 따른 거리 측정 방법은 하나의 앵커 노드가 멤버 노드들과 통신하여 각 센서 노드들의 거리를 구하는 방법을 포함하며 센서 노드가 여러 앵커 노드로부터 거리정보를 얻어 자신의 위치정보를 획득하는 방법은 포함하지 않는다. 그러나, 센서 노드의 위치정보 획득에 관한 방법은 거리정보가 획득되면 기존의 포지셔닝 알고리즘을 통해 유도될 수 있다. 센서 노드는 전파반경이 앵커 노드보다 작으므로 RSS를 보고하기 위해 멀티홉으로 유니캐스팅하여 앵커 노드에게 보고하게 되는데, 이 과정에서 홉 정보도 앵커 노드에게 전달된다.In step 103, the wireless system regards and registers a sensor node, which is within its propagation radius at the anchor node, receives its periodic beacon message and reports RSS, the strength of the received signal, as its member node. If any sensor node receives a beacon message from several anchor nodes, the sensor node reports the RSS of the message received from each anchor node to each anchor node. The distance measuring method according to an embodiment includes a method in which one anchor node communicates with member nodes to obtain a distance between each sensor node, and a sensor node obtains its own location information by obtaining distance information from various anchor nodes. Does not include However, the method for obtaining location information of the sensor node may be derived through an existing positioning algorithm when distance information is obtained. Since the sensor node has a smaller propagation radius than the anchor node, the sensor node unicasts the multihop to report the RSS to the anchor node. In this process, the hop information is also transmitted to the anchor node.

단계(104)에서 무선 시스템은 앵커 노드에서 멤버 노드의 ID, RSS, 홉 정보를 얻을 수 있고 획득한 정보를 RSS값이 큰 순서로 멤버 노드를 정렬하여 테이블로 관리한다.In step 104, the wireless system can obtain the ID, RSS, and hop information of the member node from the anchor node, and arranges the member nodes in a table in which the RSS values have the greatest order.

단계(105)에서 무선 시스템은 앵커 노드에서 멤버 노드의 RSS와 홉수를 이용하여 자신의 전파반경 R max를 계산한다.In step 105, the wireless system calculates its propagation radius R max using the RSS and the hop number of the member node at the anchor node.

단계(106) 내지 단계(109)에서 무선 시스템은 앵커 노드에서 전파반경 R max를 이용하여 단위면적 S unit 과 맵핑거리를 구하고 최종적으로 자신의 범위 내에서 공통PLE를 계산하여 멤버 노드들에게 전송한다.In steps 106 to 109, the wireless system obtains a mapping distance from the unit area S unit using the propagation radius R max at the anchor node, and finally calculates a common PLE within its range and transmits it to the member nodes. .

단계(110)에서 무선 시스템은 멤버 노드에서 공통PLE와 RSS를 이용하여 앵커 노드로부터의 거리를 예측한다.In step 110, the wireless system estimates the distance from the anchor node using common PLEs and RSS at the member nodes.

상기한 단계(106) 내지 단계(110)의 과정은 수학식 1 내지 수학식 11를 참조하여 상세하게 설명한다.The process of steps 106 to 110 will be described in detail with reference to Equations 1 to 11.

일반적으로 송신 노드에서 발생된 송신신호의 크기는 전송거리가 길어짐에 따라 크기가 감소하여 수신 노드에서 수신된 신호의 크기 RSS는 log-normal 모델로 나타낼 수 있으며 수학식 1과 같이 표현된다.In general, the size of a transmission signal generated at a transmitting node decreases as the transmission distance becomes longer, so that the RSS of the signal received at the receiving node can be represented by a log-normal model.

Figure 112010063444589-pat00001
Figure 112010063444589-pat00001

여기서, P r (d)은 거리 d에서의 수신신호의 세기이며 데시벨단위로 나타낸다. P r (d 0)은 거리 d 0에서의 수신신호의 세기로 레퍼런스 값이며 일반적으로 d 0 = 1이다. β는 PLE이며 환경에 따라 그 값이 다르며 일반적으로 값의 범위는 2에서 6사이가 된다.Where P r ( d ) is the strength of the received signal at distance d and is expressed in decibels. P r (d 0) is the received reference value by the signal strength at the distance d 0 d 0 In general, = 1 β is PLE and its value varies depending on the environment and generally ranges from 2 to 6.

본 발명의 일실시예에서는 앵커 노드가 멤버 노드로부터 얻은 정보를 바탕으로 자신의 전파반경 R max를 구하는 방법을 포함한다. 또한, 전파반경 R max와 멤버 노드의 수를 이용하여 하나의 멤버 노드가 차지하는 단위면적 S unit 을 구하는 방법을 포함한다. 또한, 앵커 노드에서 단위면적 S unit 로부터 유도된 각 멤버 노드의 예상거리와 멤버 노드가 보고한 RSS를 통하여 각 노드에서의 PLE를 획득하는 방법을 포함한다. 그리고, 앵커 노드에서 각 노드에서 획득한 PLE를 평균하여 하나의 PLE로 통일하고 이 값을 각 멤버 노드에게 알려 각 멤버 노드가 앵커 노드로부터 얻은 PLE와 RSS를 이용하여 앵커 노드와의 예상거리를 구하는 방법을 포함한다.In one embodiment of the present invention, the anchor node includes a method for obtaining its propagation radius R max based on information obtained from member nodes. Also, the unit area occupied by one member node using the propagation radius R max and the number of member nodes. It includes how to get S unit . In addition, the method includes acquiring the PLE at each node through the expected distance of each member node derived from the unit area S unit at the anchor node and the RSS reported by the member node. The average of the PLEs acquired from each node in the anchor node is unified to one PLE, and this value is informed to each member node. It includes a method.

도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 무선 센서 네트워크에서 앵커 노드와 센서 노드의 동작 모습을 설명하기 위한 도면이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 앵커 노드는 브로드캐스팅으로 비콘 메시지를 전달하고(210) 센서 노드는 멀티홉 플러딩(220)으로 앵커 노드에게 RSS를 보고하며, 이 과정에서 홉 수도 보고된다. 도 2에서 실선의 원은 앵커 노드의 전파반경 R max(230)를 나타내고 점선의 원은 센서 노드의 전파반경(240)을 나타낸다. 도 2 에서 멤버 노드 m(250)은 앵커 노드로부터 10홉 떨어진 거리에 위치하고 있다고 가정한다.2 is a view for explaining the operation of the anchor node and the sensor node in the wireless sensor network, according to an embodiment of the present invention. As shown in Figure 2, the anchor node delivers the beacon message to the broadcast (210), the sensor node reports the RSS to the anchor node in the multi-hop flooding 220, the hop count is reported in the process. In FIG. 2, the circle of solid line represents the propagation radius R max 230 of the anchor node and the circle of dotted line represents the propagation radius 240 of the sensor node. In FIG. 2, it is assumed that member node m 250 is located 10 hops away from the anchor node.

앵커 노드가 자신의 전파반경 R max를 구하는 과정은 자신의 모든 멤버 노드의 RSS와 홉 수를 이용하는 과정을 포함한다. 멤버 노드가 보고한 홉 수에서 가장 큰 홉 수를 H max라고 하면 R max를 이용하여 앵커 노드에서 i번째 홉 거리 di를 수학식 2와 같이 구할 수 있다.The process of the anchor node obtaining its propagation radius R max includes using the RSS and the hop count of all its member nodes. If the largest hop number from the number of hops reported by the member node is called H max , the i- th hop distance d i from the anchor node can be calculated using Equation 2 using R max .

Figure 112010063444589-pat00002
Figure 112010063444589-pat00002

본 발명의 일실시예에서는 각 홉의 가장 작은 RSS를 갖는 바운더리노드의 RSS와 각 바운더리노드의 PLE, 그리고 수학식 2를 이용하여 전파반경 R max를 구하는 방법을 포함한다.In one embodiment of the present invention, using the RSS of the boundary node having the smallest RSS of each hop, the PLE of each boundary node, and the propagation radius using Equation 2 It includes how to find R max .

i번째 홉과 j번째 홉의 RSS비 C i ,j i번째 홉의 바운더리노드의 RSS를 RSS i 라고 하면 수학식 3와 같이 구할 수 있다.RSS ratios of the i- th hop and the j- th hop, C i , j can be obtained as Equation 3 if RSS i of the boundary node of the i- th hop is RSS i .

Figure 112010063444589-pat00003
Figure 112010063444589-pat00003

앵커 노드의 범위 내에서 동일한 PLE를 이용하므로 각 바운더리노드에서 PLE가 동일함을 이용하면 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.Since the same PLE is used within the range of the anchor node, if the PLE is the same in each boundary node, it can be expressed as Equation 4.

Figure 112010063444589-pat00004
Figure 112010063444589-pat00004

β i,β j는 각 각 i,j번째 홉에서의 PLE이고 RSS i,RSS j는 각 각 i,j번째 홉에서의 RSS, d i,d j는 각 각 i,j번째 홉 거리이다. 수학식 4를 정리하면, 수학식 3의 우변의 형태로 나타낼 수 있고 수학식 2를 이용하여 C i ,j 는 홉 수, H max, R max의 관계인 수학식 5로 결정된다. β i , β j are the PLE at the i , j th hops, respectively, and RSS i , RSS j is the RSS at each i , j th hop, d i , d j is the i , j th hop distance, respectively. To sum up Equation 4, it can be expressed in the form of the right side of Equation 3 and using Equation 2, C i , j is determined by Equation 5 which is a relationship between the hop number, H max , R max .

Figure 112010063444589-pat00005
Figure 112010063444589-pat00005

수학식 5를 R max에 대해 정리하면 RSS비 C i ,j 를 사용하여 구한 앵커 노드의 전파반경이 된다. 따라서 특별히 C i ,j 를 사용하여 구한 R max ( i,j )라 하고 수학식 6으로 구할 수 있다. If Equation 5 is summarized for R max , it becomes the propagation radius of the anchor node obtained using the RSS ratio C i , j . Therefore, in particular , R max ( i, j ) obtained using C i , j and can be obtained by Equation 6.

Figure 112010063444589-pat00006
Figure 112010063444589-pat00006

최종적으로 앵커 노드의 전파반경 R max는 모든 C i ,j 에 대한 R max ( i,j )의 평균인 수학식 7을 이용하여 결정된다.Finally, the propagation radius R max of the anchor node is determined using Equation 7, which is an average of R max ( i, j ) for all C i , j .

Figure 112010063444589-pat00007
Figure 112010063444589-pat00007

앵커 노드는 자신의 전파반경과 멤버 노드의 수를 이용하여 하나의 멤버 노드가 차지하는 단위면적 S unit 을 구할 수 있다. 이 단위면적은 확률적으로 적어도 하나의 노드가 있을 범위가 되며 수학식 8로 결정된다.The anchor node can find the unit area S unit occupied by one member node using its propagation radius and the number of member nodes. This unit area is probabilistically the range that there will be at least one node and is determined by Equation (8).

Figure 112010063444589-pat00008
Figure 112010063444589-pat00008

여기서, N은 멤버 노드의 개수 이다. Where N is the number of member nodes.

도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 단위 면적에 따른 맵핑 거리를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에서 링모양 A k 의 크기는 모두 S unit 로 동일하다. 앵커 노드와 가장 가까운

Figure 112010063444589-pat00009
Figure 112010063444589-pat00010
의 차이(310)는 클 확률이 높지만
Figure 112010063444589-pat00011
Figure 112010063444589-pat00012
의 차이(320)는 k가 증가함에 따라 감소함을 보여준다. kN에 가까워질수록
Figure 112010063444589-pat00013
(330)로 간주할 수 있다. k번째 멤버 노드의 맵핑거리
Figure 112010063444589-pat00014
는 수학식 9에 의해 결정된다.3 is a view for explaining a mapping distance according to a unit area according to an embodiment of the present invention. In FIG. 3, the size of the ring shape A k is the same as S unit . Nearest to the anchor node
Figure 112010063444589-pat00009
and
Figure 112010063444589-pat00010
Although the difference 310 is likely to be large,
Figure 112010063444589-pat00011
Wow
Figure 112010063444589-pat00012
The difference 320 shows that it decreases as k increases. As k approaches N
Figure 112010063444589-pat00013
Can be regarded as (330). Mapping distance of k th member node
Figure 112010063444589-pat00014
Is determined by equation (9).

Figure 112010063444589-pat00015
Figure 112010063444589-pat00015

앵커 노드는 k번째 멤버 노드의 RSS값 RSSk와 맵핑거리

Figure 112010063444589-pat00016
를 이용해 k번째 멤버 노드에 해당하는 PLE βk를 구하고 이것의 평균을 취하여 공통 PLE
Figure 112010063444589-pat00017
를 계산하며 수학식 10에 의해 결정된다.The anchor node has a mapping distance from the RSS value RSS k of the kth member node.
Figure 112010063444589-pat00016
Find the PLE β k corresponding to the k th member node using, and take the average of these to find the common PLE
Figure 112010063444589-pat00017
It is calculated by the equation (10).

Figure 112010063444589-pat00018
Figure 112010063444589-pat00018

앵커 노드로부터 공통 PLE를 획득한 멤버 노드는 최종적으로 앵커 노드와의 거리

Figure 112010063444589-pat00019
를 구하며 수학식 11에 의해 결정된다. The member node that acquired the common PLE from the anchor node is finally the distance from the anchor node.
Figure 112010063444589-pat00019
Is determined by Equation (11).

Figure 112010063444589-pat00020
Figure 112010063444589-pat00020

이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 센서 노드들이 앵커 노드로부터 비콘 메시지 받으면 자신의 RSS를 보고하여 멤버 노드로 등록되고 앵커 노드는 수집된 RSS를 바탕으로 환경에 따라 가변적인 PLE를 능동적으로 추정함으로써 각 센서 노드가 자신의 위치를 더욱 정확하게 측정할 수 있다.As described above, according to embodiments of the present invention, when sensor nodes receive a beacon message from an anchor node, they report their RSS and register as a member node, and the anchor node actively performs a PLE variable according to the environment based on the collected RSS. By estimating, each sensor node can measure its position more accurately.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.

Claims (5)

PLE(path loss exponent)를 이용하여 센서 노드의 거리를 측정하는 무선 센서 네트워크 시스템의 거리 측정 방법에 있어서,
기준점이 되는 노드인 앵커 노드에서 비콘 메시지를 전송하는 단계;
상기 센서 노드에서 상기 비콘 메시지를 수신하여 상기 비콘 메시지에 대하여 RSS(received signal strength) 정보 및 홉(hop) 정보를 상기 앵커 노드로 전송하는 단계;
상기 앵커 노드에서 상기 RSS 정보를 전송한 상기 센서 노드를 자신의 전파범위 내에 있는 멤버 노드로 등록하고 상기 멤버 노드가 전송한 상기 RSS 정보와 홉 정보를 이용하여 전파 반경을 계산하는 단계;
상기 앵커 노드에서 상기 전파 반경과 상기 멤버 노드의 수를 이용하여 상기 멤버 노드에 대한 단위 면적과 맵핑 거리를 계산하는 단계;
상기 앵커 노드에서 각 멤버 노드에 대하여 상기 RSS 정보와 상기 맵핑 거리를 이용하여 PLE를 계산한 후 상기 PLE의 평균 값을 공통 PLE로 설정하여 상기 멤버 노드로 전송하는 단계; 및
상기 멤버 노드에서 상기 공통 PLE과 상기 RSS 정보를 통해 상기 앵커 노드와의 거리를 측정하는 단계
를 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 거리 측정 방법.
In the distance measuring method of a wireless sensor network system for measuring the distance of the sensor node using the path loss exponent (PLE),
Transmitting a beacon message at an anchor node which is a node serving as a reference point;
Receiving the beacon message at the sensor node and transmitting RSS (received signal strength) information and hop information to the anchor node with respect to the beacon message;
Registering the sensor node having transmitted the RSS information in the anchor node as a member node within its propagation range and calculating a propagation radius using the RSS information and the hop information transmitted by the member node;
Calculating a unit area and a mapping distance for the member node using the propagation radius and the number of member nodes at the anchor node;
Calculating, by the anchor node, the PLE using the RSS information and the mapping distance for each member node, and setting the average value of the PLE as a common PLE to transmit the PLE to the member node; And
Measuring a distance between the anchor node through the common PLE and the RSS information in the member node;
Distance measuring method of a wireless sensor network system comprising a.
제1항에 있어서,
상기 앵커 노드의 전파 반경이 상기 센서 노드의 전파 반경 보다 크게 설정되어,
상기 앵커 노드는 상기 센서 노드에 대하여 특정 노드를 목표하지 않고 상기 비콘 메시지를 전송하는 방식인 브로드캐스팅(broadcasting) 방식으로 상기 비콘 메시지를 전송하고,
상기 센서 노드는 상기 앵커 노드와의 사이에 존재하는 다른 센서 노드를 중계하여 전송하는 방식인 멀티홉 플러딩(multi hop flooding) 방식으로 상기 RSS 정보와 홉 정보를 전송하는 것
을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템의 거리 측정 방법.
The method of claim 1,
The propagation radius of the anchor node is set to be larger than the propagation radius of the sensor node,
The anchor node transmits the beacon message in a broadcasting manner, which is a method of transmitting the beacon message without targeting a specific node with respect to the sensor node.
The sensor node transmits the RSS information and the hop information in a multi hop flooding manner, in which the sensor node relays and transmits another sensor node existing between the anchor node.
Distance measuring method of a wireless sensor network system, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 전파 반경을 계산하는 단계는,
RSS 값이 가장 작은 센서 노드인 바운더리(boundary) 노드의 상기 RSS 정보 및, 홉 수가 가장 큰 센서 노드의 홉 정보를 이용하여 상기 앵커 노드의 최대의 전파 반경을 계산하는 것
을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템의 거리 측정 방법.
The method of claim 1,
Calculating the propagation radius,
Calculating the maximum propagation radius of the anchor node using the RSS information of the boundary node, the sensor node having the smallest RSS value, and the hop information of the sensor node having the largest hop number.
Distance measuring method of a wireless sensor network system, characterized in that.
제3항에 있어서,
상기 거리 측정 방법은,
상기 앵커 노드에서 상기 RSS 값이 큰 순서로 상기 멤버 노드를 정렬하여 테이블로 관리하는 단계를 더 포함하고,
상기 전파 반경을 계산하는 단계는,
상기 테이블에 정렬된 상기 멤버 노드의 RSS 정보를 이용하여 상기 바운더리 노드에 대한 RSS 비(ratio)를 산출하는 것
을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템의 거리 측정 방법.
The method of claim 3,
The distance measuring method,
And sorting the member nodes in the order in which the RSS values are high in the anchor node and managing the members in a table.
Calculating the propagation radius,
Calculating an RSS ratio for the boundary node using RSS information of the member nodes arranged in the table
Distance measuring method of a wireless sensor network system, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 멤버 노드의 단위 면적과 맵핑 거리를 계산하는 단계는,
상기 전파 반경을 상기 멤버 노드의 수로 나눈 면적을 상기 멤버 노드의 상기 단위 면적으로 설정한 후, 상기 단위 면적을 이용하여 상기 홉 정보에 따라 각 멤버 노드가 위치할 예상 거리인 맵핑 거리를 할당하는 것
을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템의 거리 측정 방법.
The method of claim 1,
Computing the unit area and the mapping distance of the member node,
Setting an area obtained by dividing the propagation radius by the number of member nodes as the unit area of the member node, and then allocating a mapping distance that is an expected distance at which each member node is to be located according to the hop information using the unit area;
Distance measuring method of a wireless sensor network system, characterized in that.
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