KR101192841B1 - 센서 네트워크의 수명 연장을 위한 라우팅 방법 - Google Patents

Abstract

광범위한 지역에 널리 퍼져있는 무선 센서네트워크 환경에서 센서 노드간의 협력을 통해 원활한 통신을 지원하기 위해서는 라우팅 기술이 반드시 필요하다. 기존에 제안된 많은 프로토콜 중 LOAD 라우팅 프로토콜은 Ad hoc 환경에 적합한 프로토콜이지만, 제한된 에너지를 가진 센서 노드의 특성상 라우팅 프로토콜에서 에너지 소모를 고려하지 않을 수 없다. 본 발명에서는 LOAD 프로토콜을 기반으로 사용하는 무선 센서네트워크에서 수집된 데이터를 목적지까지 전달하는데 있어서, 에너지가 많은 경로를 능동적으로 선택하도록 하여 각 노드들의 에너지 소모를 균등하게 유지하는 방법이 제공 된다.

무선 센서네트워크, AODV, LOAD, 에너지 효율, 라우팅 프로토콜

Description

센서 네트워크의 수명 연장을 위한 라우팅 방법{Routing method for extending lifetime of sensor networks}

본 발명은 센서 네트워크의 라우팅 방법에 관한 것이다. 더욱더 자세하게는, 센서 네트워크의 전체 노드의 전력 소모가 균일하게 이뤄지게 함으로써, 특정 노드의 배터리 방전으로 인한 전체 센서 네트워크의 수명 단축을 방지하기 위한 LOAD 라우팅 프로토콜 기반의 센서 네트워크 라우팅 방법에 관한 것이다.

무선 센서네트워크 통신 기술은 최근 관심이 집중되고 있는 유비쿼터스 컴퓨팅 시대의 핵심 기반기술로서 그 중요성이 점차 대두되고 있다. 무선 센서네트워크 시스템은 센싱 기능과 함께 통신 기능을 가진 수많은 초소형 스마트 센서들로 이루어져 있으며, 이러한 센서 노드들이 센싱한 데이터를 스스로 구성한 네트워크를 통해 서로 협력하여 싱크 노드에게 전달하는 시스템이다. 이러한 시스템에서는 동적인 상황 변화에 적응할 수 있는 센서 노드의 자기 구성 능력 및 노드들 간의 상호 협력이 중요하다. 센서네트워크 환경에서 다양한 종류의 센서 노드들에 의해 센싱 된 데이터를 수집 노드에게 보다 효율적으로 전달하기 위한 라우팅 프로토콜에 대한 많은 기법들이 제시되고 있다.

기존에 제시된 라우팅 프로토콜 중 Ad hoc 망에 적합한 대표적인 기법으로는 1997년 IETF internet draft에서 처음 제안한 AODV(ad-hoc On demand Distance Vector)프로토콜과 AODV 프로토콜을 6LoWPAN 특성에 맞춰 간략화하고 최적화시킨 LOAD(6LoWPAN Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing)프로토콜이 있다. 상기 AODV 프로토콜 및 상기 LOAD 프로토콜은 센싱된 데이터를 목적지 노드로 전달하기 위해 경로를 탐색하고 결정하는 과정을 가지고 있으며, 최단거리에 의한 경로 선택을 원칙으로 하고 있다. 상기 AODV 프로토콜에 대한 자세한 기재는 '구준본, 김기천, "AODV 라우팅 프로토콜의 개요와 발전방향", 한국정보과학회 봄 학술발표논문집 제31권 제1호(A), pp. 877-879, 2004.' 에서 찾아볼 수 있고, 상기 LOAD 프로토콜에 대한 자세한 기재는 '임채성, 김기형, 유승화, 박수홍, 이재호, "IPv6기반 센서 네트워크(6LoWPAN)을 위한 라우팅 프로토콜 기술," 전자공학회지 제33권 제8호, pp. 42-51, 2006.' 에서 찾아볼 수 있다.

하지만 선택된 경로가 최단거리임은 보장할지라도 좋은 에너지 효율을 보장하지는 못한다. 배터리가 수명을 다하여 동작을 멈추게 되면 결과적으로 센서 네트워크의 분할도 초래할 수 있기 때문에 배터리가 오래 지속될 수 있는 방안이 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 최단 거리를 통해 데이터를 송수신 할 수 있으면서도, 전체 센서 노드의 에너지 소모를 공평하게 분배하여 전체 노드의 생존 시간을 최대한으로 늘림으로써, 센서네트워크의 수명을 연장시키는 센서 네트워크의 라우팅 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 태양에 따른 센서 네트워크의 라우팅 방법은, 수명 연장 방법을 위한 라우팅 방법 기존 프로토콜의 최단거리 선택 방법에 최대 에너지 보유 노드를 선정하는 기법을 추가함으로써 구성될 수 있다. 따라서 본 발명에 따르면 데이터가 목적지로 가는 경로는 최단거리이며 동시에 선택된 경로상의 노드들은 주변 노드들에 비해 제일 많은 에너지를 보유하고 있는 노드로 구성되어 개별 노드가 아닌 네트워크의 전체 노드들이 일정한 에너지를 유지하게 된다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 태양에 따른 센서 네트워크의 수명 연장을 위한 라우팅 방법은 소스 노드로부터 수신된 RREQ(Request REQuire) 메시지가 이미 수신 된 것인지 판정하는 단계; 상기 RREQ 메시지가 이미 수신 된 것으로 판정 된 경우, 상기 RREQ 메시지에 포함된 Route cost 값이 경로 요청 테이블의 Forward route cost 값보다 작은 경우, 상기 Forward route cost 값을 상기 RREQ 메시지에 포함된 Route cost 값으로 갱신하는 제 1 갱신 단계; 및 상기 Forward route cost 값이 갱신 된 경우, 상기 RREQ 메시지에 포함된 Remaining energy 값이 경로 요청 테이블의 Remaining energy 값 보다 큰 경우, 상기 경로 요청 테이블의 route cost 값을 상기 RREQ 메시지에 포함된 Route cost 값으로 갱신하는 제 2 갱신 단계를 포함한다.

상기 제 1 갱신 단계는, 상기 RREQ 메시지에 포함된 Route cost 값이 경로 요청 테이블의 Forward route cost 값 보다 크거나 같은 경우, 상기 RREQ 메시지를 무시하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제 2 갱신 단계는, 상기 RREQ 메시지에 포함된 Remaining energy 값이 경로 요청 테이블의 Remaining energy 값 보다 작거나 같은 경우, 상기 RREQ 메시지를 무시하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 RREQ 메시지는 LOAD 라우팅 프로토콜에 기반하는 것일 수 있으며, 상기 RREQ 메시지에 포함된 Remaining energy 값은 상기 RREQ 메시지 송신 노드의 잔여 전력량에 대한 데이터일 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 기존의 LOAD 알고리즘의 경로 탐색 과정을 그대로 적용하면서 추가적인 비용 없이 최단거리 선정과 최대 에너지 잔량을 보유한 노드를 선택함으로써 균일한 에너지 소모를 유도하여 전체 네트워크의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 센서 네트워크의 수명 연장을 위한 라우팅 방법을 설명하기 위한 블록도 또는 처리 흐름도에 대한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다. 이 때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴 퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재 되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.

또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 네트워크의 수명 연장을 위한 라우팅 방법을 경로 요청 단계, 경로 설정 단계 및 데이터 전송 단계로 나누어 설명하기로 한다. 또한, 본 실시예에 따른 센서 네트워크의 수명 연장을 위한 라우팅 방법을 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.

1) 경로 요청

소스 노드에서 데이터 전송이 필요한 경우 목적지 노드까지의 경로를 필요로 하게 된다. 이때 소스 노드가 목적지 노드로 전달하기 위한 경로 정보를 가지고 있지 않은 경우 데이터 전송 전 소스 노드의 요청에 의해 라우팅 과정을 수행하게 된다. 라우팅 수행 과정은 다음과 같다.

목적지 노드로 전달하기 위한 경로 정보를 가지고 있지 않은 소스 노드는 우선 Route Request Packet(RREQ)을 전송하기에 앞서 라우팅 테이블과 경로 요청 테이블을 생성한다.

상기 라우팅 테이블은 테이블의 고유 번호인 Table id, 목적지 주소를 나타내는 Final destination address, 목적지로 향하는 다음 노드의 주소인 Next hop address, 경로의 상태정보를 나타내는 Status 및 라우팅 테이블이 유지되는 시간을 나타내는 Life time에 대한 정보를 포함할 수 있다.

RREQ 메시지를 전송하는 경우, 상기 라우팅 테이블에 포함된 정보 중 Table id와 Final destination address 정보만이 기록될 수 있다.

상기 경로 요청 테이블은 테이블 번호인 Route request id, 소스 노드의 주소인 Originator address, 목적지 노드에서 소스 노드로 향하는 역 경로 주소인 Reverse address, 소스 노드에서 목적지 노드로 향하는 경로 비용을 기록한 Forward route cost, 반대로 목적지 노드에서 소스 노드로 향하는 경로 비용을 기록한 Reverse route cost, 소스 노드에서 목적지 노드로 향하는 방향의 이전 송신 노드의 잔여 전력량을 기록한 remaining energy 및 테이블이 유지되는 시간을 기록한 Valid time에 대한 정보를 포함할 수 있다.

RREQ 메시지를 전송하는 경우, 상기 경로 요청 테이블에 포함된 정보 중 Route request id, Originator address, Reverse address, Forward route cost, remaining energy, Valid time에 대한 정보 만이 기록될 수 있다.

상기 소스노드는 상기 라우팅 테이블 및 상기 경로 요청 테이블을 생성한 후, 경로 정보를 획득하기 위해 주변 노드에게 경로 요청 메시지인 RREQ를 브로드캐스트(broadcast) 한다(S100).

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 RREQ 메시지의 데이터 구성 예이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 RREQ 메시지에는 Route request id, 사용되는 주소의 타입, 경로 비용, 목적지 노드의 주소, 소스 노드의 주소 정보 및 상기 소스노드의 잔여 전력량 데이터(100)가 포함된다.

도 1은 기존 LOAD 프로토콜에서 사용되는 RREQ 메시지에 노드가 가진 잔여 에너지를 표시하기 위한 항목인 Remaining energy(204)가 추가된 것으로 이해될 수 있을 것이다. 추가된 잔여 전력량 데이터(204)는 RREQ를 보낸 여러 노드들 중 가장 많은 에너지를 보유한 노드를 선정하기 위해 필요하다.

본 발명에 따르면 경로를 선정하는데 있어서 최단거리 경로를 보장하기 위한 Route Cost(202)와 잔량 에너지가 최대인 노드 선정을 위한 노드 별 잔여 전력량 데이터인 Remaining Energy(204)를 경로 선정의 주요 기준으로 판단한다.

2) 경로 설정

RREQ 메시지를 수신한 이웃노드들은 보유하고 있는 라우팅 테이블과 경로 요청 테이블에서 같은 정보가 존재하는지를 판단한다(S102). 만약 새로운 RREQ 메시지를 받았다고 판단되는 경우(S104), 경로 요청 테이블과 라우팅 테이블에 앞서 설 명한 바와 같이 RREQ 메시지 전송 전에 테이블에 기록해야 할 정보로 새로운 테이블을 생성한 후 다시 주변 노드로 RREQ 메시지를 브로드캐스트 한다(S115). 상기 Route cost는 한 홉(hop) 전송 시마다 1증가된 값을 기록한다(S113).

이전에 받은 RREQ 메시지라고 판단되는 경우에는(S104), 상기 경로 요청 테이블의 Forward route cost를 비교한 후 받은 RREQ 메시지의 Route cost(202)값이 상기 경로 요청 테이블의 Forward route cost 보다 작은 경우 상기 경로 요청 테이블의 Forward route cost 값을 상기 RREQ 메시지의 Route cost(202) 값으로 갱신한다(S105). RREQ 메시지의 Route cost(202)값이 상기 경로 요청 테이블의 Forward route cost 보다 작지 않은 경우, 상기 RREQ 메시지는 무시된다.

상기 경로 요청 테이블의 Forward route cost이 갱신된 경우(S107), RREQ 메시지의 Remaining energy(204)값이 상기 경로 요청 테이블의 remaining energy와 다시 비교 된다. RREQ 메시지의 Remaining energy(204)값이 상기 경로 요청 테이블의 remaining energy보다 큰 경우, 상기 경로 요청 테이블의 remaining energy정보는 RREQ 메시지의 Remaining energy(204) 값으로 갱신이 될 것(S109)이고 그렇지 못한 경우에 상기 RREQ 메시지는 무시된다.

위의 과정을 반복하여 목적지 노드가 패킷을 받게 되면(S111) RREQ 전송은 중단 된다.

목적지 노드 또한 중간 노드가 RREQ 메시지 수신 시에 처리되는 과정(S102, S104, S105, S107, S109)을 수행하게 되며, 처리가 끝난 후 소스 노드로 RREP 메시지를 역방향으로 다시 전송하게 된다(S117).

상기 목적지 노드가 소스 노드 방향으로 상기 역방향 전송하는 RREP 메시지에는 Route request id, 사용되는 주소의 타입, 역 경로 비용, 목적지 주소, 소스 주소가 기록된다. 위의 정보가 포함된 RREP 메시지는 경로 요청 테이블에 기록된 Reverse address로 유니캐스트(unicast) 된다.

RREP를 수신한 역 경로상의 노드들은 자신의 경로 요청 테이블에서 RREP 메시지와 동일한 Route request id 정보가 있는지 확인을 하여 동일한 정보가 있는 경우 경로 요청 테이블의 Reverse route cost를 1증가 시킨다. 또한 라우팅 테이블의 Next hop address를 RREP 메시지를 전송한 노드의 주소로 기록하고, Status와 Life time을 설정한다. 동일한 정보가 존재하지 않는 경우 RREP 메시지를 버리게 된다.

역방향의 RREP 메시지 전송은 소스 노드가 상기 RREP 메시지를 수신(S118)할 때까지 계속 전송되면서 소스노드가 받게 되면 경로 설정이 완료되어 데이터를 전송할 수 있는 경로가 설정되게 된다.

도 3은 센서 네트워크에 포함된 각 노드가 RREQ 메시지를 수신 한 경우의 동작을 나타내는 수도 알고리즘이다. 본 실시예에 따른 경로 설정 동작은 도 3을 더 참조하여 더 명확히 이해 될 수 있을 것이다.

3) 데이터 전송

소스노드와 목적지 노드간의 새로운 경로가 만들어지고 소스노드는 생성된 라우팅 테이블을 이용하여 목적지 노드까지 데이터 패킷을 보낼 수 있게 된다. 데이터 전송은 라우팅 테이블의 Next hop address 정보를 이용하여 목적지 노드까지 전달하게 된다.

기존에 제안된 LOAD 프로토콜에서는 최단거리 탐색만을 적용하여 주변 노드에 비해 비교적 적은 에너지를 보유한 S-2-5-8-D의 경로가 선택 될 것이나, 상기 에너지 효율적 LOAD 프로토콜에 따르면 최적 경로 중 에너지가 가장 많은 경로인 S-1-4-7-D가 선정이 되게 된다. 도 4는 본 실시예에 따른 라우팅 방법을 적용한 결과 선택된 경로가 변경되는 것을 보여주는 도면이다.

본 실시예에 따른 라우팅 방법의 효과를 보이기 위하여, 도 5와 같은 시나리오를 가정하고 각 전송에 따른 에너지 소모를 정량적으로 분석하여 기록하였다. 기록된 값은 상대적인 값이며, 기존에 제안된 프로토콜의 성능과 비교하는데 초점을 두고 있다. 정략적 평가를 위해 계획된 시나리오를 살펴보면 각 노드가 테이블을 유지하고 있는 시간이 5분, 따라서 Send(x) 때마다 라우팅을 수행하여 새로운 경로를 설정하게 된다. 한번 설정된 경로로 테이블에 기록된 데이터 전송 횟수만큼의 데이터를 전송하며, 한번 전송에 소모되는 에너지를 0.03(상대적인 값)으로 판단할 경우 도 5와 같은 에너지 소모를 가지게 된다.

기존에 제안된 LOAD 프로토콜을 적용하게 되면 여러 번의 라우팅을 수행하여도 동일한 경로만이 선정이 되고 따라서 지속적인 에너지를 소모하는 노드가 고정이 되게 된다. 도 6의 기존 LOAD 프로토콜에 따른 결과(600)에서 볼 수 있듯이 이대로 전송을 계속하게 되면 2,5,8번의 노드만이 불균형한 에너지 소모를 일으키게 되고 결국 네트워크의 분할도 초래할 수 있게 된다. 하지만 본 발명에서 제안한 방법을 적용한 결과를 살펴보면 데이터 전송 횟수가 늘어나면 늘어날수록 전체 노드 의 에너지는 더 평등해지는 것을 볼 수 있다(602).

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 네트워크의 수명 연장을 위한 라우팅 방법의 순서도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 RREQ 메시지의 데이터 구성 예이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 네트워크에 포함된 각 노드가 RREQ 메시지를 수신 한 경우의 동작을 나타내는 수도 알고리즘이다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라우팅 방법을 적용한 결과 선택된 경로가 변경되는 것을 보여주는 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라우팅 방법의 효과를 보이기 위한 시나리오에 대한 도면이다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 라우팅 방법의 효과를 종래의 LOAD 프로토콜에 의한 효과와 비교한 도면이다.

Claims (5)

1. 소스 노드의 이웃노드가, 상기 소스 노드로부터 수신된 RREQ(Request REQuire) 메시지가 이미 수신 된 것인지 판정하는 단계;

   상기 RREQ 메시지가 이미 수신 된 것으로 판정 되고, 상기 RREQ 메시지에 포함된 Route cost 값이 상기 소스 노드의 이웃노드에 저장 된 경로 요청 테이블의 Forward route cost 값보다 작은 경우, 상기 소스 노드의 이웃노드가 상기 Forward route cost 값을 상기 RREQ 메시지에 포함된 Route cost 값으로 갱신하고, 상기 RREQ 메시지에 포함된 Route cost 값이 경로 요청 테이블의 Forward route cost 값 보다 크거나 같은 경우, 상기 RREQ 메시지를 무시하는 제1 갱신 단계;

   상기 제1 갱신 단계에서 상기 Forward route cost 값이 갱신 된 경우에 한하여, 상기 RREQ 메시지에 포함된 상기 RREQ 메시지 송신 노드의 잔여 전력량에 대한 데이터인 Remaining energy 값이 상기 소스 노드의 이웃노드에 저장 된 경로 요청 테이블의 Remaining energy 값 보다 큰 경우, 상기 소스 노드의 이웃노드가, 상기 경로 요청 테이블의 Remaining energy 값을 상기 RREQ 메시지에 포함된 Remaining energy 값으로 갱신하고, 상기 RREQ 메시지에 포함된 Remaining energy 값이 경로 요청 테이블의 Remaining energy 값 보다 작거나 같은 경우, 상기 소스 노드의 이웃노드가 상기 RREQ 메시지를 무시하는 제2 갱신 단계; 및

   상기 이웃노드의 또 다른 이웃노드가 상기 판정하는 단계, 상기 제1 갱신 단계 및 상기 제2 갱신 단계를 수행하는 단계를 포함하는 센서 네트워크의 수명 연장을 위한 라우팅 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 RREQ 메시지는 LOAD(6LoWPAN Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing) 라우팅 프로토콜에 기반하는 것인 센서 네트워크의 수명 연장을 위한 라우팅 방법.
5. 삭제

Images