KR101199292B1 - 멀티싱크／멀티패스 라우팅 센서 네트워크 제어방법 및 이를 적용한 센서 네트워크 시스템 - Google Patents

Abstract

멀티싱크/멀티패스 라우팅 센서 네트워크 제어방법 및 이를 적용한 센서 네트워크 시스템이 제공된다. 본 센서 네트워크 제어방법은, 센서 노드가 센싱 데이터를 생성하는 단계, 센서 노드가 센싱 데이터를 다수의 싱크 노드들에 전송하는 단계 및 센서 노드로부터 센싱 데이터를 수신한 싱크 노드들이 센싱 데이터를 게이트 웨이로 전달하는 단계를 포함한다. 이에 의해, 최소한의 트래픽으로 안전필수 시스템에서 요구되는 신뢰도를 충족시킬 수 있게 되어, 센서 네트워크의 신뢰성 향상과 네트워크 트래픽의 최소화라는 두 가지 상반된 요구사항을 적정한 수준으로 모두 충족시킬 수 있게 된다.

Description

멀티싱크／멀티패스 라우팅 센서 네트워크 제어방법 및 이를 적용한 센서 네트워크 시스템{Method for Controlling Multi-Sink/Multi-Path Routing Sensor Network and Sensor Network System using the same}

본 발명은 센서 네트워크 제어방법 및 이를 적용한 센서 네트워크 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 안전필수 시스템에 적용할 센서 네트워크를 제어하는 방법 및 이를 적용하여 신뢰도를 보장할 수 있는 센서 네트워크 시스템에 관한 것이다.

무선 센서 네트워크에서 요구되는 신뢰도를 만족시키기 위한 기술로, 멀티패스를 이용하여 네트워크의 신뢰도를 향상시키는 기술이 제안된 바 있다. 멀티패스 기반의 신뢰성 향상 기술은 전송 노드부터 수신 노드까지 데이터 전송 신뢰성을 최대화하는 것이 목적이며, 여기에 리던던시 데이터를 더 전송함으로서 신뢰성 향상을 극대화하고 있다.

하지만, 이와 같은 무선 센서 네트워크에서, 싱크 노드에 문제가 발생한 경우 또는 싱크 노드로의 경로의 문제가 발생한 경우 네트워크의 신뢰도를 확보하기 어렵다는 문제가 있다.

또한, 리던던시 데이터로 인해 네트워크의 트래픽이 싱크 노드로 집중되면서, 싱크 노드에서 병목현상(Bottleneck)이 초래되어 네트워크의 성능이 감소되는 문제도 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 센서 네트워크가 안전필수 시스템에서 요구되는 신뢰도를 충족시키면서도 최소한의 트래픽을 발생하도록 하기 위한 멀티싱크/멀티패스 라우팅 센서 네트워크 제어방법 및 이를 적용한 센서 네트워크 시스템을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 센서 네트워크 제어방법은, 센서 노드가 센싱 데이터를 생성하는 단계; 상기 센서 노드가 상기 센싱 데이터를 다수의 싱크 노드들에 전송하는 단계; 및 상기 센서 노드로부터 상기 센싱 데이터를 수신한 싱크 노드들이 상기 센싱 데이터를 게이트 웨이로 전달하는 단계;를 포함한다.

상기 전송단계는, 상기 센서 노드가 상기 센싱 데이터를 다수의 싱크 노드들에 반복적으로 전송하는 것이 바람직하다.

상기 센싱 데이터를 반복 전송하는 데이터 리던던시 팩터들은, 상기 싱크 노드들 별로 상이하게 결정되는 것이 바람직하다.

상기 데이터 리던던시 팩터들은, 상기 센서 네트워크에 요구되는 신뢰도와 상기 센서 네트워크에서의 실제 신뢰도의 차의 제곱이 최소가 되도록 설정될 수 있다.

상기 데이터 리던던시 팩터들은, 상기 센서 네트워크에 요구되는 신뢰도와 상기 센서 네트워크에서의 실제 신뢰도의 차의 제곱을 최소로 하는 센싱 데이터의 용량을 센서 노드와 싱크 노드를 연결하는 라우트들의 개수로 나눈 값들인 것이 바람직하다.

상기 센서 노드에서 상기 싱크 노드들 중 어느 하나로 전송되는 센싱 데이터의 용량은 C/N(여기서, C는 상기 센서 네트워크의 트래픽 용량, N은 상기 센서 네트워크를 구성하는 노드들의 개수)로 제한되는 것이 바람직하다.

상기 센서 네트워크에 요구되는 신뢰도를 만족시키기 위한 센싱 데이터의 반복 전송용량이 상기 C/N를 초과하는 경우는 상기 센서 네트워크에 요구되는 신뢰도를 만족하지 못한다는 사실을 통보하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른, 센서 네트워크는, 센싱 데이터를 생성하는 센서 노드; 상기 센서 노드로부터 상기 센싱 데이터를 수신하는 다수의 싱크 노드들; 및 상기 센서 노드로부터 상기 센싱 데이터를 수신한 싱크 노드들로부터 상기 센싱 데이터를 수신하는 게이트 웨이;를 포함한다.

상기 센서 노드는 상기 센싱 데이터를 다수의 싱크 노드들에 반복적으로 전송하는 것이 바람직하다.

상기 센싱 데이터를 반복 전송하는 데이터 리던던시 팩터들은, 상기 싱크 노드들 별로 상이하게 결정되는 것이 바람직하다.

상기 데이터 리던던시 팩터들은, 상기 센서 네트워크에 요구되는 신뢰도와 상기 센서 네트워크에서의 실제 신뢰도의 차의 제곱이 최소가 되도록 설정될 수 있다.

상기 데이터 리던던시 팩터들은, 상기 센서 네트워크에 요구되는 신뢰도와 상기 센서 네트워크에서의 실제 신뢰도의 차의 제곱을 최소로 하는 센싱 데이터의 용량을 센서 노드와 싱크 노드를 연결하는 라우트들의 개수로 나눈 값들인 것이 바람직하다.

상기 센서 노드에서 상기 싱크 노드들 중 어느 하나로 전송되는 센싱 데이터의 용량은 C/N(여기서, C는 상기 센서 네트워크의 트래픽 용량, N은 상기 센서 네트워크를 구성하는 노드들의 개수)로 제한될 수 있다.

상기 센싱 데이터의 용량이 상기 C/N를 초과하는 경우는 네트워크 트래픽에 문제가 있음이 통보될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는, 센서 노드가 센싱 데이터를 생성하는 단계; 상기 센서 노드가 상기 센싱 데이터를 다수의 싱크 노드들에 전송하는 단계; 및 상기 센서 노드로부터 상기 센싱 데이터를 수신한 싱크 노드들이 상기 센싱 데이터를 게이트 웨이로 전달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 제어방법을 수행할 수 있는 프로그램이 수록된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 최소한의 트래픽으로 안전필수 시스템에서 요구되는 신뢰도를 충족시킬 수 있게 되어, 센서 네트워크의 신뢰성 향상과 데이터의 반복 전송에 의해 발생하는 네트워크 트래픽의 최소화라는 두 가지 상반된 요구사항을 적정한 수준으로 모두 충족시킬 수 있게 된다.

도 1은 멀티싱크/멀티패스 라우팅이 적용가능한 센서 네트워크 시스템을 예시한 도면,
도 2는 가상-패스들 각각에 대한 데이터 리던던시 팩터 설정예를 나타낸 도면,
도 3은 멀티싱크/멀티패스 라우팅 센서 네트워크에서 Min-cut을 나타낸 도면, 그리고,
도 4와 도 5는, 함수 U(η_s)의 그래프이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

1. 개요

본 발명에서는 센서 네트워크를 철도 시스템, 방재 시스템과 같은 안전필수 시스템에 적용하는 경우에 요구되는 신뢰성을 보다 향상시키기 위해, 패스 리던던시(Path Redundancy) 기법과 데이터 리던던시(Data Redundancy) 기법을 채택한다.

패스 리던던시는 멀티 싱크(Multi-Sink) 기법과 멀티 패스(Multi-Path) 기법으로 구현되며, 아래의 "2."에서 보다 상세하게 설명한다.

한편, 센서 네트워크에 데이터 리던던시 기법을 채택하는 경우에 발생하는 네트워크 트래픽 증가를 억제하면서도 안전필수 시스템에 요구되는 신뢰도 수준을 만족할 수 있도록 하는 데이터 리던던시 제어에 대해, 아래의 "3."에서 보다 상세하게 설명할 것이다.

2. 멀티싱크 /멀티패스 라우팅( Multi - Sink / Multi - Path Routing )

소스 노드로부터 싱크 노드까지의 패스는 라우트(Route)인데, 멀티싱크/멀티패스 라우팅에서는 하나의 소스 노드로부터 하나의 싱크 노드까지 여러 개의 라우트가 존재한다.

도 1에는 멀티싱크/멀티패스 라우팅이 적용가능한 센서 네트워크 시스템을 예시한 도면이다. 도 1에 도시된 바에 따르면, 소스 노드(s)에서 t번째 싱크 노드(Sink t)까지는 총 2개의 라우트(R1, R2)가 존재함을 확인할 수 있다.

하나의 소스 노드로부터 하나의 싱크 노드까지의 라우트들의 집합을 가상-패스(Virtual-path)로 정의한다. 도 1에서, 소스 노드(s)에서 t번째 싱크 노드(Sink t)까지의 가상-패스는 {R1, R2}라 할 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 바에 따르면, 게이트 웨이(G/W)에 직접 연결되어 있는 싱크 노드가 3개임을 확인할 수 있는데, 이와 같이 멀티싱크/멀티패스 라우팅이 적용가능한 센서 네트워크 시스템에서는 다수의 싱크 노드들이 존재한다. 즉, 멀티싱크/멀티패스 라우팅이 적용가능한 센서 네트워크 시스템은 멀티 싱크 기법이 적용되어 있다.

이에 따라, 어느 하나의 싱크 노드 또는 그 싱크 노드로의 라우트에 문제가 발생한 경우에도, 소스 노드가 생성한 센싱 데이터를 게이트 웨이(G/W)로 전송하는데는 지장이 없다. 다른 싱크 노드를 통해 센싱 데이터를 게이트 웨이(G/W)로 전달할 수 있기 때문이다.

멀티싱크/멀티패스 라우팅이 적용된 센서 네트워크 시스템에서는 싱크 노드의 개수가 다수이므로, 하나의 센서 노드는 싱크 노드 개수 만큼의 가상-패스들을 갖게 된다. 도 1에 도시된 네트워크 시스템의 경우 싱크 노드의 개수가 3개이므로, 소스 노드(s)는 총 3개의 가상-패스들을 갖게 된다.

2. 멀티싱크/멀티패스 라우팅에서 최적 데이터 리던던시 ( Data Redundancy ) 제어

이하에서는, 멀티싱크/멀티패스 라우팅 센서 네트워크의 신뢰도를 요구되는 수준까지 향상시키기 위해 데이터 리던던시를 적용하여 센싱 데이터를 중복적으로 전송하되, 네트워크 트래픽이 과도하게 증가하는 것을 방지하는, 최적의 데이터 리던던시 제어에 대해 상세히 설명한다.

2.1. 멀티싱크/멀티패스 라우팅에서 라우팅 신뢰도

멀티싱크/멀티패스 라우팅에는 다수의 가상-패스가 존재하는데, 하나의 가상-패스는 다수의 라우트들로 구성되고, 하나의 라우트는 적어도 하나의 링크들로 구성됨은 도 1을 통해 확인가능하다.

노드-i에서 노드-j까지의 링크 l_{i ,j}에서 전송 에러가 발생할 확률을 P_{i ,i}라고 하면, 특정 라우트 r에 대한 신뢰도 α_r은 아래의 수학식 1과 같다.

여기서, L_r은 특정 라우트 r를 구성하는 적어도 하나의 링크들의 집합을 의미한다.

한편, 소스 노드(s)에서 t번째 싱크 노드(Sink t)까지의 라우트들의 집합인 가상-패스에 대한 신뢰도 β_s,t는 아래의 수학식 2와 같다.

여기서, R_{s ,t}는 소스 노드(s)에서 t번째 싱크 노드(Sink t)까지의 라우트들의 집합을 의미한다.

그리고, 소스 노드(s)에서 게이트 웨이(G/W)까지의 전체 경로에 대한 신뢰도 γ_s는 아래의 수학식 3과 같다.

여기서, M은 소스 노드(s)에 대한 가상-패스들의 개수이고, c_{s ,t}는 가상-패스들 각각에 대한 데이터 리던던시 팩터(Redundancy Factor)를 의미한다. c_{s ,t}는 가상-패스들 마다 개별적으로 설정될 수 있다.

도 2에는, 첫 번째 싱크 노드(Sink 1)까지의 가상-패스에 대한 C_{s ,t}는 3(동일한 센싱 데이터를 3번 전송), 두 번째 싱크 노드(Sink 2)까지의 가상-패스에 대한 C_s,t도 3(동일한 센싱 데이터를 3번 전송), 세 번째 싱크 노드(Sink 3)까지의 가상-패스에 대한 C_{s ,t}는 2(동일한 센싱 데이터를 2번 전송)로 설정한 경우를 예시하였다.

2.2. 네트워크의 트래픽 용량( Capacity )

C_{s ,t}가 증가할수록 신뢰도는 증가한다. 따라서, 센서 네트워크에서 요구하는 신뢰도를 충족시기기 C_{s ,t}가 증가시키는 것이 요구된다. 하지만, C_{s ,t}의 증가는 네트워크 트래픽 증대를 유발시키므로, 신뢰도와 네트워크 트래픽 간에는 Trade-off 문제가 있다.

따라서, C_{s ,t}를 증가시킴에 있어 네트워크의 트래픽 용량(Capacity)을 고려하여야 한다.

멀티싱크/멀티패스 라우팅 센서 네트워크에서는 다수의 센서 노드들이 제한된 수의 싱크 노드들로 센싱 데이터를 전송한다. 따라서, 트래픽은 싱크 노드 부근에서 증가하게 된다. 이로 인해, 멀티싱크/멀티패스 라우팅 센서 네트워크의 트래픽 용량은 싱크 노드에 연결된 링크에 의해 결정된다.

즉, 멀티싱크/멀티패스 라우팅 센서 네트워크에서는 싱크 노드들에 연결된 링크들이 병목 링크들(Bottleneck Links)이 된다. 그리고, Max-flow Min-cut 정리에 의하면, ㄷ도 3에 도시된 바와 같이 Min-cut인 싱크 노드들에 연결된 링크가 네트워크의 Max-flow가 된다. 따라서, 멀티싱크/멀티패스 라우팅 센서 네트워크의 트래픽 용량은 싱크 노드들에 연결된 링크들에서의 트래픽 용량과 동일하다고 할 수 있다.

만약, 멀티싱크/멀티패스 라우팅 센서 네트워크에 존재하는 N개의 노드들이 로드 밸런싱(Load balancing)을 위하여 트래픽 용량을 균일하게 공유한다고 설정하면, 하나의 센서 노드가 하나의 싱크 노드로 데이터 전송을 위하여 사용할 수 있는 트래픽 용량은 C/N이다. 여기서, C는 멀티싱크/멀티패스 라우팅 센서 네트워크의 하나의 싱크 노드에 대한 트래픽 용량이다. 따라서, 하나의 센서 노드가 하나의 싱크 노드로 전송할 수 있는 최대 트래픽 용량은 C/N으로 제한된다고 할 수 있다.

로드 밸런싱을 위해, 소스 노드(s)가 싱크 노드들로 전송하는 센싱 데이터의 용량이 동일하다고 상정하면, 소스 노드(s)로부터 특정 싱크 노드로 전송되는 정보의 용량인 η_s는 아래의 수학식 4로 나타낼 수 있다.

여기서, M은 싱크 노드들의 개수이고, Q_{s ,t}는 소스 노드 s와 t번째 싱크 노드를 연결하는 라우트들의 개수이다.

2.3. 최적 데이터 리던던시 팩터 제어

멀티싱크/멀티패스 라우팅 센서 네트워크에서 최적의 리던던시 팩터를 설정하기 위해, 아래의 수학식 5를 만족하는 η_s를 산출할 것이 요구된다.

여기서, 함수 U(η_s)는 아래의 수학식 6과 같이, 멀티싱크/멀티패스 라우팅 센서 네트워크에 요구되는 신뢰도 k와 멀티싱크/멀티패스 라우팅 센서 네트워크에서의 실제 신뢰도 γ_s의 차의 제곱으로 정의할 수 있다.

U(η_s)는 2차 함수로 이에 대한 그래프는 U(η_s)를 최소로 하는 η_s의 크기에 따라 달라진다. U(η_s)를 최소로 하는 η_s는 U(η_s)의 1차 미분값이 0이 되도록 하는 값이다.

만약, U(η_s)를 최소로 하는 η_s가 C/N 이하이면, U(η_s)에 대한 그래프는 도 4에 도시된 바와 같이 그려진다. 그리고, 도 4에 도시된 바에 따르면, U(η_s)를 최소로 하는 η_s ^*는 U(η_s)를 최소로 하는 η_s(즉, U(η_s)의 1차 미분값이 0이 되도록 하는 η_s)임을 확인할 수 있다. η_s ^*를 계산하면, 아래의 수학식 7과 같다.

한편, U(η_s)를 최소로 하는 η_s가 C/N를 초과하는 경우라면 U(η_s)에 대한 그래프는 도 5에 도시된 바와 같이 그려진다. 그리고, 도 5에 도시된 바에 따르면, U(η_s)를 최소로 하는 η_s ^*는 η_s의 최대값인 C/N임을 확인할 수 있으며, 이는 아래의 수학식 8과 같이 정리할 수 있다.

한편, 최적의 데이터 리던던시 팩터인 C_{s ,t}는 수학식 7 또는 수학식 8을 통해 산출되는 η_s ^*와 소스 노드 s와 t번째 싱크 노드를 연결하는 라우트들의 개수인 Q_{s ,t}를 아래의 수학식 9에 대입하여 산출할 수 있다.

수학식 9를 통해 산출한 C_{s ,t}로 멀티싱크/멀티패스 라우팅 센서 네트워크를 제어하게 되면, 요구하는 신뢰도를 충족하면서도 센서 네트워크 트래픽이 과도하게 증가하는 것을 방지할 수 있게 된다.

한편, U(η_s)를 최소로 하는 η_s가 C/N를 초과하는 경우는 사용가능한 네트워크 트래픽까지 데이터의 리던던시를 적용하여 센싱 데이터를 중복적으로 전송하여도 요구되는 신뢰도 k를 만족하지 못하는 경우로 취급할 수 있다. 따라서, 이 경우에는 네트워크 관리자에게 센서 네트워크에 요구되는 신뢰도를 만족하지 못한다는 사실을 통보하고, 센서 네트워크를 구성하는 노드들의 배치를 변경하거나 노드를 추가하는 것을 유도함으로서 요구하는 신뢰도를 만족하도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명의 기술적 사상을 컴퓨터, 기타 다른 전자기기에서 구동될 수 있는 프로그램으로 구현하는 것도 가능함은 물론이다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

s : 소스 노드
Sink : 싱크 노드
G/W : 게이트 웨이
link : 링크
Route : 라우트
Virtual-path : 가상-패스

Claims (15)

1. 센서 노드가 센싱 데이터를 생성하는 단계;
   상기 센서 노드가 상기 센싱 데이터를 다수의 싱크 노드들에 반복적으로 전송하는 단계; 및
   상기 센서 노드로부터 상기 센싱 데이터를 수신한 싱크 노드들이 상기 센싱 데이터를 게이트 웨이로 전달하는 단계;를 포함하고,
   상기 전송단계에서 상기 센싱 데이터를 반복 전송하는 데이터 리던던시 팩터들은,
   상기 센서 네트워크에 요구되는 신뢰도와 상기 센서 네트워크에서의 실제 신뢰도의 차의 제곱을 최소로 하는 센싱 데이터의 용량을 센서 노드와 싱크 노드를 연결하는 라우트들의 개수로 나눈 값들인 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 제어방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,
   상기 센서 노드에서 상기 싱크 노드들 중 어느 하나로 전송되는 센싱 데이터의 용량은 C/N(여기서, C는 상기 센서 네트워크의 트래픽 용량, N은 상기 센서 네트워크를 구성하는 노드들의 개수)로 제한되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 제어방법.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 센서 네트워크에 요구되는 신뢰도를 만족시키기 위한 센싱 데이터의 반복 전송용량이 상기 C/N를 초과하는 경우는 상기 센서 네트워크에 요구되는 신뢰도를 만족하지 못한다는 사실을 통보하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 제어방법.
   
8. 센싱 데이터를 생성하는 센서 노드;
   상기 센서 노드로부터 상기 센싱 데이터를 수신하는 다수의 싱크 노드들; 및
   상기 센서 노드로부터 상기 센싱 데이터를 수신한 싱크 노드들로부터 상기 센싱 데이터를 수신하는 게이트 웨이;를 포함하고,
   상기 센서 노드는 상기 센싱 데이터를 다수의 싱크 노드들에 반복적으로 전송하며,
   상기 센싱 데이터를 반복 전송하는 데이터 리던던시 팩터들은,
   상기 센서 네트워크에 요구되는 신뢰도와 상기 센서 네트워크에서의 실제 신뢰도의 차의 제곱을 최소로 하는 센싱 데이터의 용량을 센서 노드와 싱크 노드를 연결하는 라우트들의 개수로 나눈 값들인 것을 특징으로 하는 센서 네트워크.
   
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 제 8항에 있어서,
    상기 센서 노드에서 상기 싱크 노드들 중 어느 하나로 전송되는 센싱 데이터의 용량은 C/N(여기서, C는 상기 센서 네트워크의 트래픽 용량, N은 상기 센서 네트워크를 구성하는 노드들의 개수)로 제한되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크.
    
14. 제 13항에 있어서,
    상기 센싱 데이터의 용량이 상기 C/N를 초과하는 경우는 상기 센서 네트워크에서 요구되는 신뢰도를 만족하지 못한다는 사실이 통보되는 경우인 것을 특징으로 하는 센서 네트워크.
    
15. 센서 노드가 센싱 데이터를 생성하는 단계;
    상기 센서 노드가 상기 센싱 데이터를 다수의 싱크 노드들에 반복적으로 전송하는 단계; 및
    상기 센서 노드로부터 상기 센싱 데이터를 수신한 싱크 노드들이 상기 센싱 데이터를 게이트 웨이로 전달하는 단계;를 포함하고,
    상기 전송단계에서 상기 센싱 데이터를 반복 전송하는 데이터 리던던시 팩터들은,
    상기 센서 네트워크에 요구되는 신뢰도와 상기 센서 네트워크에서의 실제 신뢰도의 차의 제곱을 최소로 하는 센싱 데이터의 최대 용량을 센서 노드와 싱크 노드를 연결하는 라우트들의 개수로 나눈 값들인 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 제어방법을 수행할 수 있는 프로그램이 수록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
    

Images