KR101264380B1

KR101264380B1 - 무선 센서 네트워크의 제어 방법

Info

Publication number: KR101264380B1
Application number: KR1020110115413A
Authority: KR
Inventors: 김황남; 김우진; 최현준
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2013-05-14

Abstract

무선 센서 네트워크의 제어 방법은 소정의 위치에 설치되어 센싱 데이터를 생성하는 하나 이상의 센서 노드 및 상기 센싱 데이터에 대한 관심을 나타내는 인트리스트 메세지를 생성하는 하나 이상의 싱크 노드로 이루어진 무선 센서 네트워크의 제어 방법에 관한 것으로, 상기 무선 센서 네트워크는 상기 센서 노드와 상기 싱크 노드 사이에 위치하는 하나 이상의 캐싱 노드를 포함하고, 상기 캐싱 노드는 위치 정보를 확인하는 수단을 포함하며, 상기 인트리스트 메세지에 상기 캐싱 노드의 위치 정보를 포함시켜서 상기 센서 노드로 전파하는 제 1 단계; 상기 센서 노드가 상기 싱크 노드의 관심에 부합하는 센싱 데이터를 생성하여 상기 캐싱 노드의 위치 정보에 대응하는 캐싱 노드로 전송하는 제 2 단계; 및 상기 캐싱 노드가 상기 인트리스트 메세지를 생성한 상기 싱크 노드로부터 데이터 요청을 수신한 때에 상기 센싱 데이터를 상기 싱크 노드로 회신하는 제 3 단계를 포함한다.

Description

무선 센서 네트워크의 제어 방법 {METHOD FOR CONTROLLING WIRELESS SENSOR NETWORK}

본 발명은 무선 센서 네트워크의 에너지 소비 효율을 개선하기 위한 무선 센서 네트워크의 제어 방법에 관한 것이다.

유비쿼터스(Ubiquitous)는 "언제 어디에나 존재한다"는 뜻의 라틴어로, 사용자가 컴퓨터나 네트워크를 의식하지 않고 장소에 상관없이 자유롭게 네트워크에 접속할 수 있는 환경을 말한다. 즉, 유비쿼터스란 컴퓨터에 어떠한 기능을 추가하는 것이 아니라 자동차, 냉장고, 시계, 스테레오 장비 등과 같이 어떤 기기나 사물에 컴퓨터를 집어넣어 커뮤니케이션이 가능하도록 해 주는 정보기술(Information Technology, IT) 환경이나 패러다임을 의미한다. 그리고 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network)는 이러한 유비쿼터스 환경을 조성하기 위한 유비쿼터스 네트워크의 핵심 기술로서, 과학적/의학적/군사적/상업적 분야에서 다양한 잠재적 응용 가능성을 가지고 있다.

무선 센서 네트워크는 복수의 센서 노드와 싱크 노드로 구성되는데, 통상적으로 각각의 센서 노드는 온도, 습도, 조도, 위치 등의 다양한 속성을 갖는 외부 환경 데이터를 수집하는 센서 모듈, 이 센서 모듈로부터 수집되는 데이터를 가공하는 프로세서 및 데이터의 송수신이 가능한 소형의 무선 송수신 장치인 네트워크 모듈로 구성되어 있다. 그리고 싱크 노드는 센서 노드로부터 수집된 데이터를 외부로 내보내는 역할을 수행하며, 따라서 싱크 노드는 데이터의 소스(즉, 제공처)가 되는 센서 노드에 대하여 데이터를 요청하는 동작을 수행하게 된다.

이처럼 일반적으로 무선 센서 네트워크는 센서 모듈과 네트워크 모듈을 갖는 복수의 센서 노드 및 싱크 노드로 이루어지며, 다수의 센서 노드가 소정의 목표 지역에 배치되어 유기적으로 동작하는 하나의 네트워크를 형성하게 되고, 다시 각 센서 노드들은 정보의 수집, 처리 및 전송을 수행한다. 무선 센서 네트워크는 외부의 환경 데이터를 수집하는 복수의 센서로 이루어져 있기 때문에, 기존의 무선 통신 네트워크와 달리 의사소통의 기능보다는 자동화된 원격 정보 수집을 목적으로 하는 경우가 많으며, 실제로 군사 시스템, 재해 방지, 환경 감시, 헬스, 교통, 위치 탐색 등의 다양한 분야에서 응용되고 있다.

그러나 현재의 무선 센서 네트워크 기술에는 센서 노드와 관련된 문제점이 존재한다. 즉, 일반적으로 센서 노드는 에너지 제약이 심한 배터리로 구동하고, 다수의 노드가 네트워크에 무작위로 배포되기 때문에, 노드에 문제가 발생하더라도 노드를 교체하기가 어렵다. 그에 따라 배터리의 방전, 사물에 의한 간섭, 외부 충격에 의한 고장 등으로 인하여 센서 노드가 통신을 할 수 없을 때 일부 지역이 무선 센서 네트워크상에서 배제되는 문제가 쉽게 발생할 수 있다. 이 외에도 센서 노드의 제한적인 연산 처리 능력이나 열악한 무선 환경으로 인하여 빈번하게 네트워크 토폴로지를 구성해야 하는 점, 데이터 전송이 소수의 싱크 노드에 집중되는 다대일 연결의 문제를 극복해야 한다는 점 등은 무선 센서 네트워크에서 간과할 수 없는 문제점에 해당한다.

상술한 문제점들로 인하여, 노드들에 의하여 자율적으로 구성되는 애드혹(Ad-hoc) 네트워크에서 통상적으로 적용되던 주소 기반 라우팅 기법을 무선 센서 네트워크에 적용하는 것은 곤란하다. 그리고 이를 해결하기 위해 최근까지도 무선 센서 네트워크를 위한 다양한 라우팅 프로토콜이 제안되고 있으며, 지향성 확산(Directed Diffusion) 프로토콜은 그 대표적인 예이다.

지향성 확산 프로토콜은 무선 센서 네트워크의 대표적인 데이터 중심(Data-centric) 라우팅 프로토콜로서, 데이터가 발생하는 소스 노드와 데이터를 필요로 하는 싱크 노드 간의 연결을 데이터 중심으로 구성함으로써 불필요한 데이터 전송을 막고, 네트워크 내부에서 데이터를 수집 및 처리하여 싱크 노드에 집중되는 데이터 전송을 감소시켜 불필요한 에너지 소모를 줄이는 것을 핵심으로 하고 있다.

좀더 구체적으로 살펴보면, 지향성 확산 프로토콜은 이웃 노드 간의 지역 정보(Local Information)를 이용하여 경로를 선정하고 데이터를 전송한다. 이 기법에서는, 먼저 어떠한 이벤트에 대한 데이터를 요청하는 싱크 노드가 속성-값의 쌍으로 이루어진 인트리스트(Interest)라 불리는 데이터 요청 메세지를 생성하여 네트워크 상의 이웃 노드들에게 전파한다. 즉, 인트리스트는 데이터 수집을 위한 질의이며, 이는 후술하는 바와 같이 데이터 수집과 데이터 수집 경로 설정을 위하여 모든 노드에게 전파되는데, 이같은 지향성 확산 프로토콜의 데이터 전송 기법은 기본적으로 어떤 노드에서 온 하나의 패킷을 라우터에 접속된 다른 모든 노드로 전달하는 플러딩(Flooding) 기법에 기반한 것이라고 볼 수 있다.

인트리스트를 전달받은 이웃의 센서 노드들은 인트리스트를 자신에게 전달한 이웃 노드에 대하여 경사(Gradient)를 설정한다. 경사는 모든 노드가 이웃 노드에 대해 가지고 있는 값으로, 전달 지연 시간이 적은 경로가 더 높은 경사를 갖게 된다. 따라서 인트리스트 전파를 통해 모든 노드가 경사를 설정하면, 최종적으로는 싱크 노드가 필요로 하는 데이터를 발생시킨 소스 노드와 중간 노드가 상술한 경사값을 기준으로 경로를 선정하고, 이렇게 선정된 경로를 따라 데이터의 전송이 이루어진다.

도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 따른 지향성 확산 프로토콜의 동작 방식을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.

먼저 도 1a를 참조하면, 예컨대 종래기술에 따른 무선 센서 네트워크(100)는 싱크 노드(110)와 소스 노드(120), 그리고 이들 사이에 위치하는 중간 노드들(130 내지 134)로 구성되어 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 싱크 노드(110)는 데이터를 요청하기 위해 인트리스트 메세지를 생성하여 무선 센서 네트워크(100) 상의 이웃 노드들(예컨대, 130 내지 134, 120)에게 전파(Broadcasting)한다(도 1a의 점선 참조).

다음으로 도 1b를 참조하면, 인트리스트 메세지를 수신한 이웃 노드들(예컨대, 130 내지 134, 120)은 그 메세지를 보내온 노드의 방향으로 경사를 설정하는 동작을 반복한다(도 1b의 1점 쇄선 참조). 이후 이벤트를 감지한 소스 노드(120)는 데이터 메세지를 생성하여 싱크 노드(110) 쪽으로 탐구 데이터(Exploratory Data)를 전송하고, 탐구 데이터를 전송받은 싱크 노드(110)는 도 1c에 도시된 바와 같이 최근 수신된 데이터를 보낸 이웃 노드(132)에게 더 높은 전송 비율로 데이터를 보냄으로써 경사를 강화(Reinforcement)한다(도 1c의 가는 실선 참조).

이와 같은 프로세스를 통하여 소스 노드(120)와 싱크 노드(110) 간에 고품질의 경로가 설정되면, 소스 노드(120)는 이벤트가 감지되었을 때 이 경로(참조번호 120-132-110에 이르는 경로)를 통해 싱크 노드(110)로 데이터 메세지를 전송한다(도 1d의 굵은 실선 참조).

상술한 지향성 확산 라우팅 프로토콜은 데이터 중심의 라우팅 프로토콜 중에서 효율적인 알고리즘이기는 하지만, 모든 상황에서 좋은 성능을 발휘하는 것은 아니다. 즉, 무선 센서 네트워크에 있어서 센서 노드는 배터리의 방전으로 인한 에너지 제약이 심하기 때문에 라우팅 경로 설정을 플러딩 패킷의 사용을 최소화해야 함에도 불구하고, 지향성 확산 라우팅 프로토콜은 인트리스트나 탐구 데이터, 강화 데이터와 같은 플러딩 패킷을 주기적으로 사용한다. 이는 결과적으로 센서 노드들이 경사를 유지하기 위하여 배터리를 급격하게 소모함으로써 배터리 장애를 발생시킬 뿐만 아니라, 센싱 데이터가 전송되는 주요 통신 경로가 단절되는 문제점을 일으킬 수도 있다.

또한, 지향성 확산 프로토콜의 경우 인트리스트와 탐구 데이터 등의 패킷이 전파되는 시점에서만 라우팅 경로가 설정되기 때문에 시간에 따라 변화하는 무선 센서 네트워크의 상태를 즉시 반영할 수 없으며, 이로 인해 토폴로지가 변하는 동적인 환경에서 경로 변경으로 인한 불필요한 메세지 전송이 빈번하게 발생하게 되고, 그에 따라 최적의 경로를 찾기 위한 오버헤드가 적지 않다는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 전술한 바와 같이 도 1b와 같은 경사를 설정하는 단계에서 오직 전송 지연 시간만을 고려하기 때문에, 무선 센서 네트워크 라우팅 프로토콜에서 우선적으로 고려해야 할 에너지 문제에 취약하다는 문제가 있다.

따라서 무선 센서 네트워크의 경우, 싱크 노드가 일정 기간 동안 동일한 질의에 부합하는 데이터를 요구하는 지속성 질의(Persistent Query)를 하는 환경에는 적합할 수 있겠지만, 데이터에 관심을 가지는 싱크 노드와 데이터를 보낼 수 있는 소스 노드가 다수 존재함에도 불구하고 실제 데이터 전송이 매우 드물게 일어나는 환경에서는 효율적이지 못하다.

한편, 이와 관련하여 한국 등록 특허 제0627328호(발명의 명칭: 센서네트워크의 에너지 효율적 데이터 병합 방법)는 싱크 노드가 센서 노드들의 그룹과 그 그룹을 대표하는 헤드 센서 노드를 동적으로 설정하고, 헤드 센서 노드는 거리 요소를 고려하면서 평균과 표준편차를 구하여 그룹 내 센서 노드들이 감지한 데이터를 병합하고, 이를 이전 데이터와 비교하여 데이터 변화가 발생한 시점에만 싱크 노드로 전송하여, 데이터 전송을 줄이고 에너지 효율성을 높이는 센서 네트워크에서의 데이터 병합 방법을 개시하고 있다.

또한, 한국 공개 특허 제2006-0006583호(발명의 명칭: 무선 센서 네트워크에 있어서의 방향성 플러딩 방법)는 센서 노드에서 싱크 노드로 패킷을 전송할 때는 싱크 노드에 대해 최소 홉 수를 갖는 센서 노드만이 패킷 전송에 관여하고, 싱크 노드에서 센서 노드로 패킷을 전송할 때는 목적 지역의 중심 좌표와 지역 플래그를 사용하여 해당 목적 지역에 패킷이 도달한 후에는 그 목적 지역 내에 위치한 센서 노드들만 패킷 전송에 관여하게 하여, 데이터 전송을 줄이고 에너지 효율성을 높이는 센서 네트워크에서의 방향성 플러딩 방법을 개시하고 있다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 무선 센서 네트워크에 있어서 센서 노드의 위치 정보에 기반하여 불필요한 메세지 전송을 제한하고, 더 나아가서는 네트워크 레벨에서 데이터를 저장함으로써 무선 센서 네트워크의 에너지 소비 효율을 개선하여 무선 센서 네트워크의 생존 시간을 늘릴 수 있는 무선 센서 네트워크의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 측면에 따른 무선 센서 네트워크의 제어 방법은 소정의 위치에 설치되어 센싱 데이터를 생성하는 하나 이상의 센서 노드 및 상기 센싱 데이터에 대한 관심을 나타내는 인트리스트 메세지를 생성하는 하나 이상의 싱크 노드로 이루어진 무선 센서 네트워크의 제어 방법에 관한 것으로, 상기 무선 센서 네트워크는 상기 센서 노드와 상기 싱크 노드 사이에 위치하는 하나 이상의 캐싱 노드를 포함하고, 상기 캐싱 노드는 위치 정보를 확인하는 수단을 포함하며, 상기 인트리스트 메세지에 상기 캐싱 노드의 위치 정보를 포함시켜서 상기 센서 노드로 전파하는 제 1 단계; 상기 센서 노드가 상기 싱크 노드의 관심에 부합하는 센싱 데이터를 생성하여 상기 캐싱 노드의 위치 정보에 대응하는 캐싱 노드로 전송하는 제 2 단계; 및 상기 캐싱 노드가 상기 인트리스트 메세지를 생성한 상기 싱크 노드로부터 데이터 요청을 수신한 때에 상기 센싱 데이터를 상기 싱크 노드로 회신하는 제 3 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면 무선 센서 네트워크에 있어서 센서 노드의 위치 정보에 기반하여 불필요한 메세지 전송을 제한할 수 있고, 더 나아가서는 네트워크 레벨에서 데이터를 저장함으로써 무선 센서 네트워크의 에너지 소비 효율을 개선하고 그에 따라 무선 센서 네트워크의 생존 시간을 늘리는 것이 가능하다. 특히, 데이터 중심의 라우팅 프로토콜을 구성함에 있어서 인트리스트 메세지에 적어도 상술한 캐싱 노드의 위치 정보를 포함시켜서 센서 노드로 전파하는 것이 가능하며, 이 위치 정보는 소스 노드에 해당하는 센서 노드가 이벤트를 감지하여 센싱 데이터를 캐싱 노드로 전송하는 프로세스에서부터 이용 가능하게 된다. 이와 같이, 종래기술과는 달리 본 발명에 있어서는 주기적으로 싱크 노드가 인트리스트 메세지나 강화 메세지를 플러딩하거나 소스 노드가 탐구 데이터를 플러딩함으로 인한 에너지 소모를 줄일 수 있으며, 종래기술에 있어서 경사를 유지함으로 인한 에너지 소모 또한 본 발명에서는 문제시되지 않는다.

도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 따른 지향성 확산 프로토콜의 동작 방식을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 무선 센서 네트워크의 시스템 구성을 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 센서 노드와 캐싱 노드의 개략적인 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 무선 센서 네트워크의 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 무선 센서 네트워크에 있어서 다르게 구획된 지역 간의 불필요한 메세지 전송을 센서 노드의 위치 정보에 기반하여 제한하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 무선 센서 네트워크에 있어서 동일한 지역 내에서의 불필요한 메세지 전송을 센서 노드의 위치 정보에 기반하여 제한하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 무선 센서 네트워크에 있어서 캐싱 노드를 이용하여 네트워크 레벨에서 데이터를 저장함으로써 무선 센서 네트워크의 에너지 소비 효율을 개선하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

먼저 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 무선 센서 네트워크(200)의 시스템 구성을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따라 무선 센서 네트워크의 에너지 소비 효율을 개선하기 위해서는 무선 센서 네트워크(200)에 데이터의 수집과 통신을 위한 하나 이상의 센서 노드(210) 이외에도 데이터의 취합(Aggregation)과 가공(Processing)을 위한 하나 이상의 센서 노드(220)가 구비되어야 한다. 참고로 본 발명에서는 데이터의 수집과 통신을 위한 일반적인 노드를 센서 노드라 하고, 데이터의 취합과 가공 등 본 발명에 따른 독특한 기능을 수행하는 노드를 캐싱(Caching) 노드(220)라 하기로 한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 센서 노드와 캐싱 노드의 개략적인 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 있어서 일반적인 센서 노드(210)는 이벤트 감지 기능, 데이터 메세지 전송 기능, 데이터 중심 라우팅 기법에서의 인트리스트 정보를 저장하는 캐시 기능, 중복된 메세지의 제한 기능 등을 수행하며, 이는 센서 노드(210)에 구비된 메세지나 데이터 등의 무선 패킷 송수신 모듈(211)과 필터(212)에 의하여 구현되는 기능이다.

한편 도 3b를 참조하면, 캐싱 노드(220)의 경우에는 일반적인 센서 노드(210)가 가진 기능 외에도 경로 상의 데이터를 취합하는 기능, 취합된 데이터의 유사성을 분석 및 가공하여 데이터를 압축하는 기능 등을 수행한다. 이는 캐싱 노드(220)에 구비된 메세지나 데이터 등의 무선 패킷 송수신 모듈(221)과 필터(222), 그리고 도 3b와 같은 접속 관계를 갖는 저장부(223)에 의하여 구현되는 기능이다.

그리고 도 3a 및 도 3b에는 도시하지 않았지만, 센서 노드(210)와 캐싱 노드(220), 그리고 후술하는 싱크 노드(230)를 포함하는 모든 노드들은 GPS와 같은 위치 정보 확인 수단을 구비하고 있으며, 이는 본 발명에 있어서 노드의 위치 정보에 기반하여 불필요한 메세지 전송을 제한하는 기능을 구현하기 위한 전제적인 구성요소이기도 하다.

무선 센서 네트워크(200)에 포함되는 복수의 노드(210 및 220 포함)는 필터(212 혹은 222)를 가지고 있는데, 이는 데이터나 메세지와 같은 네트워크 패킷의 전송 시에 위치 정보와 데이터 내용에 기초하여 불필요한 패킷의 전송을 제한하는 역할을 한다. 본 발명에서 무선 센서 네트워크(200)상의 각 노드(210, 220)들은 자신의 현재 위치를 GPS(미도시) 등을 통해 알고 있다는 가정을 하고 있는바, 이렇게 얻어진 각 노드(210, 220)의 위치 정보는 무선 센서 네트워크(200)에서의 패킷 전송 시에 해당 패킷 내에 삽입된다. 이렇게 패킷(예컨대, 인트리스트 메세지)에 삽입된 위치 정보는 무선 센서 네트워크(200) 내에서 불필요한 패킷의 전송을 제한하는데 사용되는데, 이는 도 3a 및 도 3b에 도시된 센서 노드(210)나 캐싱 노드(220) 내의 위치 필터(212a, 222a)가 담당하는 기능이다. 그리고 도 3a 및 도 3b에 도시된 데이터 필터(212b, 222b)의 경우, 일반적인 센서 노드(210)에서는 데이터 필터(212b)가 이미 그 전에 전송되었던 메세지와 동일한 내용의 메세지가 중복 전송되었는지 여부를 확인한 다음 중복 메세지의 전송이라고 확인되는 경우 해당 경로 상에서 패킷의 전송을 제한하는 기능을 수행한다. 그렇지만 캐싱 노드(220)에 있어서 데이터 필터(222b)는 이러한 기능 외에도 추가적으로 메세지를 전송받았을 때 기존에 저장부(223)에 저장되어 있는 데이터와의 유사성을 분석하여 유사한 데이터들을 같이 취합하는 기능을 수행한다.

참고로 위치 필터(212a. 222a)나 데이터 필터(212b, 222b)의 구체적인 제어 방법은 도 4 내지 도 7을 참조하여 후술한다.

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 무선 센서 네트워크(200)의 제어 방법을 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 있어서 무선 센서 네트워크(200) 상의 데이터 전송 경로는 모두 적어도 하나의 캐싱 노드(220)를 경유하도록 구성되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 싱크 노드(230, 도 2에는 미도시)가 인트리스트라 불리는 일종의 데이터 관심 메세지를 생성하여 자신에게 가장 근접한 캐싱 노드(220)로 전송한다(단계 S1). 캐싱 노드(220)가 인트리스트 메세지를 수신하면, 인트리스트 메세지 내에 캐싱 노드(220)의 위치 정보를 삽입하여 무선 센서 네트워크 전체에 어나운스먼트(Announcement) 메세지를 전파한다(단계 S2).

상술한 단계(S1, S2)는 싱크 노드(230)가 센서 노드(210)에게 센싱 데이터에 대하여 관심이 있음을 알리는 일종의 데이터에 대한 관심을 표명하는 프로세스이다.

이후 싱크 노드(230)가 전송한 인트리스트 메세지에 부합하는 센싱 데이터를 생성한 센서 노드(210, 즉 소스 노드)가 이벤트를 감지하면, 그 센싱 데이터를 어나운스먼트 메세지를 통해 저장한 캐싱 노드(220)의 위치로 발행한다(단계 S4).

도 4의 단계 S5에서, 캐싱 노드(220)는 소스 노드(210)로부터 전송받은 센싱 데이터를 싱크 노드(230)로 곧바로 전송하지 않고, 이를 저장부(223)에 저장한 다음 위치 필터(222a)와 데이터 필터(222b)의 상술한 기능에 따라 불필요한 메세지의 전송을 제한하는 동작을 수행한다. 특히, 도 4에 도시된 바와 같이 캐싱 노드(220)는 이 단계에서 서로 유사한 센싱 데이터들끼리 취합 및 가공하는 동작을 수행한다. 단계 S5에 대한 보다 구체적인 설명은 도 7을 참조하여 후술한다.

위와 같이 취합 및 가공되어 캐싱 노드(220)에 저장된 센싱 데이터는 싱크 노드(230)로부터 데이터 요청(Request)이 있을 때(단계 S6), 최종적으로 싱크 노드(230)로 회신(Reply)된다(단계 S7).

다음으로, 도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 무선 센서 네트워크(200)에 있어서 다르게 구획된 지역 간의 불필요한 메세지 전송을 센서 노드의 위치 정보에 기반하여 제한하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 무선 센서 네트워크(200) 내에 존재하는 복수의 노드(210, 220, 230 등)가 갖는 위치 정보를 기반으로 전체 무선 센서 네트워크(200)를 일정한 지역들로 구획함으로써 불필요한 메세지 전송을 더욱 제한하는 라우팅 프로토콜을 제안한다. 그리고 도 5는 무선 센서 네트워크(200)기 복수의 지역으로 구획되었다고 가정할 때, 그 복수의 지역 간에서 데이터 전송이 이루어지는 경우에 특히 유용하게 적용할 수 있는 메세지 전송 제한 방법을 나타낸다.

도 5를 참조하면, θ1은 기준 벡터의 절대 각도를, θ2 및 θ3는 전송 벡터의 절대 각도를 표현하고 있다. 이때, 기준 벡터는 최종 목적지 노드를 가리키는 벡터이고, 전송 벡터는 각 노드가 다른 노드로 메시지를 전송할 경우 예상되는 방향에 기초하여 생성한 것이다. 이러한 벡터들은 무선 센서 네트워크(200)에 포함되어 있는 복수의 노드(210, 220, 230 등)에서 이웃 노드로 메세지나 데이터 등의 패킷을 전송할 때 삽입된 위치 정보를 이용하여 구해진다. 예를 들어, 도 4에서 단계 S1의 인트리스트 메세지에 싱크 노드(230)의 위치 정보가 삽입되어 있고, 캐싱 노드(220)는 소스 노드(210)로 어나운스먼트 메세지를 전송하기 이전에 도 5에 따른 메세지 제한 기능을 수행할 수 있는 것이다.

본 발명에 있어서 복수의 노드(210, 220, 230 등)는 도 5에 도시된 기준 벡터나 전송 벡터 절대 각도를 이용하여 기준 벡터와 전송 벡터 간의 상호 각도를 구하는 동작을 수행한다. 이를 통해 전술한 예에서 캐싱 노드(220)는 현재 전송된 패킷(즉, 예컨대 단계 S1의 인트리스트 메세지)의 전송 방향과 패킷을 전송하려는 방향(즉, 예컨대 단계 S2의 어나운스먼트 메세지) 간의 관계를 벡터 기법으로 추론할 수 있다.

특히, 상호 각도에 대한 임계값(Threshold)을 정하여 메세지 전송 시에 이 임계값을 넘어서는 상호 각도가 도출되면 전송하려는 메세지(즉, 예컨대 단계 S2의 어나운스먼트 메세지)의 방향성이 원 전송 방향(즉, 예컨대 단계 S1의 인트리스트 메세지)과 상호 관계성이 떨어진다고 판정하여 메세지 전송을 제한할 수 있다(즉, 예컨대 캐싱 노드(220)가 단계 S2의 어나운스먼트 메세지를 전송하지 않음).

예를 들어 상호 각도에 대한 임계값을 90°로 정하고 도 5에 도시된 바에 따라 기준 벡터(V1)의 절대 각도와 전송 벡터의 절대 각도 간 상호 각도를 도출하면, 절대 각도가 θ2인 전송 벡터(V2)는 상호 각도의 임계값 90°를 넘지 않으므로 메세지 전송이 제한되지 않을 것이다. 하지만 도 5에서 절대 각도가 θ3인 전송 벡터(V3)는 기준 벡터의 절대 각도와의 상호 각도가 임계값인 90°를 초과하기 때문에, 메세지 전송 방향이 원 전송 방향과 상호 관계성이 떨어진다고 판정되어 메세지 전송이 제한될 수 있는 것이다.

참고로 상술한 벡터의 절대 각도와 벡터 간의 상호 각도는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

여기서, θabs는 벡터의 절대 각도이고,

는 x축에 대한 단위 벡터이며,

는 절대 각도를 가지는 벡터를 나타낸다.

또한, 벡터 간의 상호 각도는 다음의 수학식 2로 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

여기서, θbearing은 벡터 간의 상호 각도이고, θabs1 및 θabs2는 상호 비교 대상이 되는 벡터를 각각 나타낸다.

다음으로, 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 무선 센서 네트워크(200)에 있어서 동일한 지역 내에서의 불필요한 메세지 전송을 센서 노드의 위치 정보에 기반하여 제한하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

앞서 언급한 바와 같이, 도 5를 참조하여 설명한 것처럼 위치 정보에 기반하여 불필요한 패킷 전송을 제한하는 기술은 일정한 지역으로 구획된 무선 센서 네트워크(200)의 상이한 지역들 간 패킷의 전송 시에 유용하다. 물론, 도 5에 도시된 기법을 동일한 지역 내 복수의 노드 사이에 대해서도 적용할 수 있다. 그러나 도 6은 전체 네트워크의 구획화가 이루어진 경우 데이터 전송의 신뢰성을 높이고 불필요한 데이터 전송을 좀 더 효율적으로 제한하기 위하여 상이한 지역 간의 데이터 전송 시와 동일한 지역 간의 데이터 전송 시를 단계적으로 구분하여 메세지 전송 제한 기법을 적용하는 경우를 개략적으로 나타내고 있다.

도 6을 참조하면, 예컨대 A, B, C, D의 4개 지역으로 구획된 무선 센서 네트워크(200)에 있어서, 싱크 노드(230)가 A 지역에 위치하는 경우 지역이 다른 B, C, D에 대해서는 도 5의 메세지 전송 제한 기법을 적용하되, 동일한 지역 A 내에서의 메세지 전송은 제한하지 않도록 프로토콜을 구성하였음을 알 수 있다.

끝으로 도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 무선 센서 네트워크(200)에 있어서 캐싱 노드(220)를 이용하여 네트워크 레벨에서 데이터를 저장함으로써 무선 센서 네트워크(200)의 에너지 소비 효율을 개선하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

앞서 언급한 바와 같이, 도 4의 단계 S5는 싱크 노드(230)나 소스 노드(210)가 아닌 캐싱 노드(220)에서, 다시 말해 네트워크 레벨에서 데이터가 저장되도록 하는 단계임을 알 수 있다. 이는 본 발명이 제안하는 중요 기능 중 하나인 데이터를 취합/가공하기 위한 네트워크 레벨에서의 데이터 저장 기법을 나타내는 것이다. 그리고 캐싱 노드(220)에 있어서 메세지의 수신 시에 수행되는 네트워크 레벨 데이터 저장 방법은 도 7에 나타낸 바와 같다.

도 7을 참조하면, 네트워크 레벨의 데이터 저장은 캐싱 노드(220)의 데이터 필터(222b)를 통해서 이루어진다. 데이터 필터(222b)는 메세지나 데이터와 같은 무선 센서 네트워크 패킷의 내용을 바탕으로 하여, 현재 전송받는 데이터의 내용이 기존에 요청되었던 데이터의 내용과 동일한지 여부를 판단한(단계 S'1), 중복된 메세지에 대해서는 이웃하는 노드들로의 패킷 전파를 제한한다(단계 S'2).

이와 함께 데이터 필터(222b)는 현재 전송받는 인트리스트 메세지가 이미 저장부(223)에 등록된 메세지인지 여부를 판정하고(단계 S'3), 만약 "예"라고 판정된다면 도 7에 도시된 바와 같이 단계 S'2로 진행하여 패킷 전송을 역시 제한한다. 그러나 만약 기존의 데이터가 없는 경우(즉, 단계 S'3에서 "아니오"라고 판정되는 경우)에는 단계 S'4로 진행하여 현재 전송받은 패킷 내용이 기존에 전송받았던 패킷 내용과 유사한지 여부를 판정하는 추가적인 동작을 수행한다.

단계 S'4에서 유사성이 존재하지 않는다고 판정된다면, 다시 말해 현재 전송받는 패킷이 이전 패킷과 중복되지도 않고 인트리스트 메세지가 중첩되는 것도 아니며 내용상으로도 유사성이 없는 경우라면, 캐싱 노드(220)의 저장부(223)에 해당 데이터 내지 패킷을 그대로 저장한다(단계 S'5).

그러나 단계 S'4에서 유사성이 존재하는 것으로 판정된다면, 예컨대 무선 센서 네트워크(200)의 각 센서 노드(210)에서의 온도 속성 데이터들을 취합하여 일정 범위의 유사한 위치에 존재하는 센서 노드들의 온도값의 평균을 구하는 가공 프로세스를 거쳐서 저장부(223)에 그 취합 및 가공된 센싱 데이터를 저장한다(단계 S'6).

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 무선 센서 네트워크(200)를 센서 노드(210)와 싱크 노드(230) 사이에 위치하는 하나 이상의 캐싱 노드(220)를 구비하도록 구성하고, 캐싱 노드(220)는 적어도 위치 정보를 확인하는 수단(예컨대 GPS, 미도시)을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다. 따라서 데이터 중심의 라우팅 프로토콜을 구성함에 있어서 인트리스트 메세지에 적어도 상술한 캐싱 노드의 위치 정보를 포함시켜서 센서 노드로 전파하는 것이 가능하며(단계 S1 및 단계 S2 참조), 이 위치 정보(즉, 캐싱 노드(220)의 위치 정보)는 소스 노드에 해당하는 센서 노드(210)가 이벤트를 감지하여 센싱 데이터를 캐싱 노드(220)로 전송하는 프로세스에서부터 이용 가능하게 된다. 이와 같이, 종래기술과는 달리 본 발명에 있어서는 주기적으로 싱크 노드(230)가 인트리스트 메세지나 강화 메세지를 플러딩하거나 소스 노드(210)가 탐구 데이터를 플러딩함으로 인한 에너지 소모를 줄일 수 있으며, 종래기술에 있어서 경사를 유지함으로 인한 에너지 소모 또한 본 발명에서는 문제시되지 않는다. 요컨대 본 발명은 종래기술(예컨대, Directed Diffusion)과는 다른 새로운 형태의 데이터 중심 메세지 전송 기법을 제안하는 것이다.

또한, 캐싱 노드(220)에 포함되는 위치 필터(222a)는 불필요한 메세지의 전송을 더욱 제한하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 상술한 위치 정보는 센서 노드, 캐싱 노드 및 싱크 노드 등 무선 센서 네트워크를 구성하는 복수의 노드(즉, 210, 220, 230 등) 간 상호 각도와 방향성을 포함하는 벡터 데이터의 생성에 이용될 수 있으며, 이는 복수의 노드(210, 220, 230 등) 간 메세지나 데이터의 패킷 전송 시에 패킷을 전송하려는 방향이 패킷의 원 전송 방향과 상호 관계성이 떨어지는 것으로 판정하는데 이용된다. 따라서 무선 센서 네트워크(200)에서 불필요한 패킷의 전송을 더욱 제한하는 것이 가능하며, 이로써 무선 센서 네트워크(200)의 수명을 대폭 연장할 수 있다.

나아가, 본 발명에 있어서는 캐싱 노드(220)가 센서 노드(210)로부터 동일한 센싱 데이터가 전송되었는지 여부를 분석하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 캐싱 노드(220)에 포함되는 데이터 필터(222b)에 의해 구현되는 기능으로서, 본 발명의 경우 위치뿐만 아니라 데이터의 내용에 기초하여서도 중복되는 패킷 전송을 추가적으로 제한하는 효과를 얻을 수 있다. 특히, 데이터 필터(222b)는 전송되는 패킷이 동일하진 않지만 일정한 기준에 따라 유사성이 존재한다고 판정되는 경우에도 무선 센서 네트워크의 에너지 소비를 줄이는데 기여할 수 있는바, 캐싱 노드(220)가 소스 노드인 센서 노드(210)로부터 전송받은 복수의 유사한 센싱 데이터(예컨대, 지리적으로 가까운 위치에 존재하는 센서 노드로부터의 온도나 습도 속성 데이터)를 취합 및 가공하여 (데이터의 전송 횟수뿐만 아니라) 무선 센서 네트워크(200)에서 전송되는 데이터의 절대량을 줄이는 것(예컨대, 지리적으로 가까운 위치에 존재하는 센서 노드로부터의 온도나 습도 속성 데이터에 대한 평균값을 구함으로써 싱크 노드로 보낼 데이터의 양 자체를 줄이는 것)이 가능하다.

이제까지 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 첨부도면을 참조하여 설명하였으나, 상술한 설명이나 도면은 본 발명의 기술적 사상을 제한하기 위한 것이 아니라 본 발명에 따른 바람직한 무선 센서 네트워크의 에너지 소비 효율을 개선하기 위한 방법 및 시스템의 구현예를 예시한 것에 지나지 않는다는 점에 주의하여야 한다.

예컨대 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크(200)가 반드시 도 2와 같이 구성되어야 하는 것은 아니며, 캐싱 노드(220)가 센서 노드(210)와 싱크 노드(230)의 데이터 전송 경로를 경유하는 지점에 위치하기만 하면 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크(200)의 범주에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

또한, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 제어 방법이 반드시 도 4에 도시된 프로세스에 따라 순차적으로 전부 수행되어야만 본 발명의 바람직한 효과를 달성할 수 있는 것은 아니다. 본 명세서에 개시된 사항을 바탕으로 도 4의 일부 단계를 생략하거나, 도 4와는 상이한 순서로 구성하거나, 일부 또는 전부의 단계를 동시에 구현하더라도 본 발명의 효과를 달성하는 변형예는 존재할 수 있으며, 이를 위해 경우에 따라서는 멀티태스킹이나 병렬 프로세싱 기법을 이용할 수도 있다는 점에 주의하여야 한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 무선 센서 네트워크 110: 싱크 노드
120: 소스 노드 130 내지 134: 이웃 노드
200: 무선 센서 네트워크 210: 센서 노드
220: 캐싱 노드 212, 222: 필터
212a, 222a: 위치 필터 212b, 222b: 데이터 필터
223: 저장부 230: 싱크 노드

Claims

소정의 위치에 설치되어 센싱 데이터를 생성하는 하나 이상의 센서 노드 및 상기 센싱 데이터에 대한 관심을 나타내는 인트리스트 메세지를 생성하는 하나 이상의 싱크 노드로 이루어진 무선 센서 네트워크의 제어 방법에 있어서,
상기 무선 센서 네트워크는 상기 센서 노드와 상기 싱크 노드 사이에 위치하는 하나 이상의 캐싱 노드를 포함하고, 상기 캐싱 노드는 위치 정보를 확인하는 수단을 포함하며,
상기 인트리스트 메세지에 상기 캐싱 노드의 위치 정보를 포함시켜서 상기 센서 노드로 전파하는 제 1 단계;
상기 센서 노드가 상기 싱크 노드의 관심에 부합하는 센싱 데이터를 생성하여 상기 캐싱 노드의 위치 정보에 대응하는 캐싱 노드로 전송하는 제 2 단계; 및
상기 캐싱 노드가 상기 인트리스트 메세지를 생성한 상기 싱크 노드로부터 데이터 요청을 수신한 때에 상기 센싱 데이터를 상기 싱크 노드로 회신하는 제 3 단계를 포함하는 무선 센서 네트워크의 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 센서 노드와 상기 싱크 노드는 그 위치 정보를 확인하는 수단을 각각 포함하며,
상기 제 1 단계, 제 2 단계 및 제 3 단계 중 어느 하나의 단계는,
최종 목적지 노드의 위치에 기초하여 생성한 기준 벡터와 각 노드가 다른 노드로 메시지를 전송할 경우 예상되는 방향에 기초하여 생성한 전송 벡터 간의 각도 차이가 임계값 이내인 경우에 한하여, 해당 메시지를 전송하는 무선 센서 네트워크의 제어 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 센서 노드, 상기 캐싱 노드 및 상기 싱크 노드는 복수로 분할된 지역 중 어느 하나의 지역에 위치하며,
상기 제 1 단계, 제 2 단계 및 제 3 단계 중 어느 하나의 단계는,
데이터를 송신하는 노드와 데이터를 수신하는 대상 노드가 동일한 지역내에 위치하지 않는 경우 데이터 전송을 제한하는 무선 센서 네트워크의 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 단계는, 상기 캐싱 노드가 상기 센서 노드로부터 동일한 센싱 데이터가 전송되었는지 여부를 분석하는 단계를 포함하는 무선 센서 네트워크의 제어 방법.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 제 2 단계는, 상기 캐싱 노드가 상기 하나 이상의 센서 노드로부터 전송된 복수의 센싱 데이터 간에 소정의 기준에 따른 유사성이 존재하는지 여부를 판정하는 단계를 포함하는 무선 센서 네트워크의 제어 방법.