KR101303901B1 - 무선 센서 네트워크에서 협동 릴레이 경로를 생성하는 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크에서 협동 릴레이 경로를 생성하는 방법 Download PDF

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Abstract

개시된 기술은 무선 센서 네트워크에서 협동 릴레이 경로를 생성하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하지만 제한됨 없이는, 전송 용량과 송신 전력의 측면에서 이득이 있는 협동 릴레이 노드를 선택하여 경로를 생성하는 방법에 관한 것이다. 실시예들 중에서 무선 센서 네트워크에서 협동 릴레이 경로를 생성하는 방법은, 소스 노드와 목적 노드 간에 데이터 전송 경로를 설정하는 단계; 상기 경로 중 i번째 노드와 i+1번째 노드 간의 링크 품질이 미리 설정된 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 i번째 노드가 주변 노드로부터 비콘 신호를 수신하는 단계; 상기 비콘 신호에 포함된 정보를 기초로, 상기 주변 노드를 이용하여 협동 릴레이 경로를 구성하였을 때 직접 경로보다 큰 전송 용량을 가지는 경우 상기 주변 노드를 협동 릴레이 노드로 선택하는 단계; 및 상기 선택된 협동 릴레이 노드를 이용하여 상기 i번째 노드와 상기 i+1번째 노드 간에 협동 릴레이 경로를 생성하는 단계를 포함한다.

Description

무선 센서 네트워크에서 협동 릴레이 경로를 생성하는 방법{METHOD FOR GENERATING COOPERATIVE RELAY PATH IN WIRELESS SENSOR NETWORKS}
개시된 기술은 무선 센서 네트워크에서 협동 릴레이 경로를 생성하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하지만 제한됨 없이는, 전송 용량과 송신 전력의 측면에서 이득이 있는 협동 릴레이 노드를 선택하여 경로를 생성하는 방법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Networks)의 경우, 네트워크상의 노드들이 이동성을 가질 수 있기 때문에 이동성을 고려하여 효율적인 경로를 생성하는 방법에 관한 연구의 중요성이 최근 대두되고 있다. 예컨대, 노드들의 활발한 이동성과 이에 따른 토폴로지를 고려한 라우팅 방법, 효율적인 에너지 사용의 측면에서 릴레이 노드 배치에 대한 연구들이 이루어지고 있다. 센서 네트워크는 저전력, 저가격, 소형 근거리 무선통신이 가능한 다기능 노드를 사용하여, 데이터 프로세싱, 통신을 할 수 있도록 구성된 네트워크를 말한다. 구현하기에 따라, 무선 센서 네트워크는 기반 구조(infrastructure) 없이 자율적으로 경로를 구성하는 이동 애드-혹 네트워크일 수 있다.
협력 통신(Cooperative communication)은 링크의 품질을 향상시키기 위한 기법으로, 공간적으로 넓게 분포한 노드들의 중복 전송을 통하여 다이버시티 이득(diversity gain)을 얻을 수 있는 기법을 말한다. 보다 구체적으로, 협력 통신에서는 노드 S가 패킷을 브로드캐스팅하면 노드 R은 이 패킷을 오버히어링(overhearing)하여 노드 D에 중계한다. 노드 D는 노드 S와 노드 R로부터 두 번에 걸쳐 패킷을 수신하고 이를 조합하여 패킷을 복호화하므로 MIMO(Multiple Input Multiple Output)와 유사하게 다이버시티 이득을 얻을 수 있다.
무선 센서 네트워크에도 협력 통신이 적용될 수 있는데, 특히, 무선 센서 네트워크 내에서 협동 릴레이 노드(Cooperative Relay Node)를 이용한 라우팅 방법과 협동 릴레이 노드의 사용에 따른 소비전력 감소 또는 전송용량 증대 효과에 대한 연구들이 이루어지고 있다. 협력 통신은 일반적으로 소비전력 감소 또는 전송용량 증대의 이득이 있으나, 적절한 협동 릴레이 노드가 선택되지 못하는 경우 이와 같은 이득이 발생하지 않을 뿐 아니라 오히려 용량의 감소를 초래할 수 있다는 문제점이 있다.
개시된 기술이 이루고자 하는 기술적 과제는 소비전력 또는 전송용량의 측면에서 이득이 발생할 수 있도록 적절한 협동 릴레이 노드를 선택하여 경로를 생성하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 개시된 기술의 제1 측면은 무선 센서 네트워크에서 협동 릴레이 경로를 생성하는 방법에 있어서, 소스 노드와 목적 노드 간에 데이터 전송 경로를 설정하는 단계; 상기 경로 중 i번째 노드와 i+1번째 노드 간의 링크 품질이 미리 설정된 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 i번째 노드가 주변 노드로부터 비콘 신호를 수신하는 단계; 상기 비콘 신호에 포함된 정보를 기초로, 상기 주변 노드를 이용하여 협동 릴레이 경로를 구성하였을 때 직접 경로보다 큰 전송 용량을 가지는 경우 상기 주변 노드를 협동 릴레이 노드로 선택하는 단계; 및 상기 선택된 협동 릴레이 노드를 이용하여 상기 i번째 노드와 상기 i+1번째 노드 간에 협동 릴레이 경로를 생성하는 단계를 포함하는 경로 생성 방법을 제공한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 개시된 기술의 제2 측면은 무선 센서 네트워크에서 협동 릴레이 경로를 생성하는 방법에 있어서, 소스 노드와 목적 노드 간에 데이터 전송 경로를 설정하는 단계; 상기 경로 중 i번째 노드와 i+1번째 노드 간의 링크 품질이 미리 설정된 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 i번째 노드가 주변 노드로부터 비콘 신호를 수신하는 단계; 상기 비콘 신호에 포함된 정보를 기초로, 상기 주변 노드를 이용하여 협동 릴레이 경로를 구성하였을 때 직접 경로보다 작은 송신 전력이 요구되는 경우 상기 주변 노드를 협동 릴레이 노드로 선택하는 단계; 및 상기 선택된 협동 릴레이 노드를 이용하여 상기 i번째 노드와 상기 i+1번째 노드 간에 협동 릴레이 경로를 생성하는 단계를 포함하는 경로 생성 방법을 제공한다.
개시된 기술의 실시 예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 개시된 기술의 실시 예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
개시된 기술에 따르면, 에너지 사용 또는 전송 용량의 측면에서 효율적인 협동 릴레이 경로를 생성할 수 있다는 효과가 있다. 개시된 기술에서는 협동 릴레이 노드를 선택하는 새로운 기준을 제시함으로써, 협동 릴레이 노드를 사용하더라도 용량 이득이나 전력 이득이 발생하지 않거나 또는, 오히려 용량의 감소를 초래하는 경우를 방지하도록 한다.
도 1은 무선 센서 네트워크에서 협동 릴레이 경로를 생성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 개시된 기술의 일 실시예에 따라, 협동 릴레이 노드를 선택하여 협력 통신을 수행하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 협동 릴레이 경로 생성 방법이 전송 용량과 전력 소비 측면에서 미치는 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
“제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 무선 센서 네트워크에서 협동 릴레이 경로를 생성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 1의 원들은 무선 센서 네트워크를 구성하는 노드들을 나타낸다. 발원지(source)인 노드 S(110)는 도착지(destination)인 노드 D(120)로 데이터 패킷을 전송하기 위하여 경로를 생성한다. 도 1에서 회색으로 표시된 노드들 및 이들을 연결하는 실선이 노드 S(110)로부터 노드 D(120)까지의 경로를 나타낸다. 무선 센서 네트워크를 형성하는 노드들은 이동성이 있기 때문에, 생성된 경로를 통하여 데이터를 전송하는 도중 일부 노드의 이동 또는, 채널 환경의 변화 등으로 인하여 일부 링크의 품질이 떨어지는 현상이 발생할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위하여, 노드 i(130)와 노드 i+1(140) 간의 링크 품질이 떨어졌다고 가정한다. 이러한 경우, 노드 i(130)는 송신 전력을 증가하면서 패킷을 전송할 수도 있으나, 효율적인 네트워크 형성을 위하여, 주변의 노드들(150, 160)을 이용하여 협동 릴레이 경로를 생성할 수도 있다. 협동 릴레이 노드는 노드 i(130)의 주변 노드들 중 남은 전력량이 충분하고 전송 용량 또는 송신 전력의 측면에서 이득이 생기는 노드로 선택될 필요가 있다. 이하, 개시된 기술에서는 수치적 모델링을 통해 노드 i(130)의 주변 노드들(150, 160) 중에서 적절한 협동 릴레이 노드를 선택하는 방법에 대하여 설명한다.
도 2는 개시된 기술의 일 실시예에 따라, 협동 릴레이 노드를 선택하여 협력 통신을 수행하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 무선 센서 네트워크에서 협동 릴레이 노드를 사용함으로서 기대되는 이득은 같은 시간동안 더 나은 신호전송용량과 동시에 신호전송에너지의 감소이다. 따라서 본 실시예에서는 전송용량 또는 송신전력을 기초로 협동 릴레이 노드를 선택하는 방법을 제안한다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 무선 센서 네트워크에서 협동 릴레이 경로를 생성하고, 협력 통신을 수행하는 방법을 설명한다.
S210 단계에서 노드 S(소스 노드, 110)는 노드 S와 노드 D(목적 노드, 120) 간에 데이터 전송 경로를 설정한다. 예컨대, 노드 S(110)는 주변의 노드들로부터 라우팅 정보를 포함하는 소정의 메시지(예컨대, beacon 메시지, hello 메시지, advertisement 메시지 등)를 미리 수신하고, 수신된 메시지에 포함된 정보를 기초로 노드 D(120)까지의 최단 경로를 설정할 수 있다. 노드 S(110)는 경로가 설정되면, 설정된 경로를 이용하여 노드 D에게 데이터 패킷을 전송한다.
노드 S(110)가 노드 D(120)에 데이터 패킷을 전송하는 중, 각 노드들의 이동성 또는 채널 환경의 변화 등으로 인하여 설정된 경로 일부의 링크 품질이 저하될 수 있는데, 이러한 경우 품질이 저하된 링크를 보완하기 위한 협동 릴레이 경로를 설정할 수 있다. 이를 위하여, 우선, 설정된 경로상의 노드들은 자신의 링크 품질이 미리 설정된 조건을 만족하는지 여부를 체크한다(S220). 일례로, 설정된 경로 중 i번째 노드(노드 i, 130)는 자신과 연결된 i+1번째 노드(노드 i+1, 140)와의 링크 품질을 주기적으로 체크하여 소정의 기준을 만족하는지 여부를 판단할 수 있다. 다른 일례로, 노드 i(130)는 노드 i+1(140)에게 전송한 데이터 패킷의 전송 실패 횟수가 미리 설정된 임계값을 초과하면, 링크 품질이 소정 기준을 만족하지 못하는 것으로 판단할 수 있다. S220 단계에서, 링크 품질이 소정 기준을 만족하지 못한다고 판단한 경우, 노드 i(130)는 적어도 하나의 주변 노드(150, 160)로부터 비콘 신호를 수신한다(S230). 노드 i(130)는 주변 노드들 간에 경로를 생성하는데 필요한 파라미터 정보를 비콘 신호와 같이 미리 설정된 신호를 통하여 수신할 수 있다. 노드 i(130)는 적어도 하나의 주변 노드로부터 수신한 신호를 기초로 협동 릴레이 후보 리스트를 생성할 수 있다. 이때, 실시예에 따라, 주변 노드들은 자신의 잔여 에너지를 확인하고, 잔여 에너지가 미리 설정된 기준 이상인 경우에만 비콘 신호를 전송할 수 있다. 한편, 설명의 편의를 위하여, 노드 i(130)가 노드 c1(150)로부터 비콘 신호를 수신하였다고 가정한다.
S240 단계에서 노드 i(130)는 비콘 신호에 포함된 정보를 기초로 산출되는 전송 용량 또는 송신 전력을 기반으로 협동 릴레이 노드를 선택한다. 일 실시예에 따라, 노드 i(130)는 주변 노드를 이용하여 협동 릴레이 경로를 구성하였을 때 직접 경로보다 큰 전송 용량을 가지는 경우 주변 노드를 협동 릴레이 노드로 선택할 수 있다. 즉, 노드 i(130)는 주변 노드 c1(150)을 협동 릴레이 노드로 하여 경로를 구성하였을 경우, 직접 경로보다 전송 용량이 증가하면 주변 노드 c1을 협동 릴레이 노드로 선택할 수 있다. 이하, 전송 용량을 기준으로 협동 릴레이 노드를 선택하는 방법을 보다 구체적으로 설명한다. 신호 전송용량은 수학식 1과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112012024023637-pat00001
여기서 C는 신호 전송용량(capacity), W는 대역폭(bandwidth), g는 링크의 이득(gain), SNR은 신호 대 잡음 비율(Signal to Noise Ratio)이다. 즉, 신호 전송용량은 전송 링크의 대역폭, 링크의 이득, 그리고 신호대잡음비에 따라 결정되며, 특히, 노드 사이의 전력이득이 노드간의 전송용량을 결정하는 중요한 요소이다. 무선 센서 네트워크에서 전체 시스템의 단대단(end-to-end) 용량은 에너지 효율성 및 QoS 확보를 고려하여, 발원지에서 도착지간 연결 링크 중 가장 용량이 적은 링크에서 결정된다.
수학식 1을 이용하여, 노드 i와 노드 i+1 간에 직접 경로를 통하여 데이터를 전송하는 경우의 제1 전송 용량
Figure 112012024023637-pat00002
을 산출하면, 수학식 2과 같다.
Figure 112012024023637-pat00003
여기서, gi ,i+1은 노드 i와 노드 i+1 간의 링크 이득을 나타낸다. 또한, gi ,i+1, SNR은 수학식 3과 같은 조건을 만족한다.
Figure 112012024023637-pat00004
여기서, Pi는 노드 i에서의 송신 전력이며, N0는 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112012024023637-pat00005
이때, k는 볼츠만(Boltzmann) 상수이다. 신호가 전송되는 환경을 실온으로 가정하여 실온에 가까운 17도로 T값을 설정하여 N0를 정의한다.
이후, 노드 i는 주변 노드 c1을 협동 릴레이 노드로 하는 경우의 제2 전송 용량을 산출한다. 직접 전송된 신호와, 노드 i에서 전송된 후 릴레이 노드 c1을 거쳐 노드 i+1로 전달되는 신호가 비 위상 동기식 결합(non-coherent combining)되는 경우의 전송용량인 제2 전송 용량
Figure 112012024023637-pat00006
은 수학식 5와 같다.
Figure 112012024023637-pat00007
여기서, β는 릴레이 노드에서 노드 i의 신호를 전달 받았을 때 신호를 증폭하는 증폭률이며 항상 1보다 큰 값을 갖는다. gi ,i+ 1는 노드 i와 노드 i+1 간의 직접 경로의 이득으로 0과 1사이의 값을 가진다. gi ,c는 노드 i와 노드 c1 간의 이득, gc,i+1는 노드 c1과 노드 i+1 간의 이득을 나타낸다. gi ,i+ 1값이 0에 가까울수록 링크의 이득이 낮음을 의미하므로, gi ,i+ 1값이 작을수록 릴레이 노드의 필요성이 크다.
제1 전송 용량 및 제2 전송 용량이 산출되면, 노드 i는 산출된 전송 용량 값들을 기초로 협력 통신을 수행할 지 여부를 판단한다. 즉, 노드 i는 효율적인 에너지 사용을 위하여, 전송 용량의 측면에서 일정량(δ) 이상의 이득이 있는 경우에만 협력 통신이 이루어지도록 한다. 예컨대, 수학식 6과 같이 제2 전송 용량이 제1 전송 용량보다 미리 설정된 임계 값(δ) 이상 큰 경우, 노드 i는 주변 노드 c1을 협동 릴레이 노드로 선택 한다.
Figure 112012024023637-pat00008
여기서, (C/W)C 및 (C/W)D는 제1 및 제2 전송 용량을 대역폭으로 나눈 값으로, 수학식 2 및 5를 참조하면 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112012024023637-pat00009
반면에, 제2 전송 용량이 제1 전송 용량보다 미리 설정된 임계 값(δ) 이상 크지 않은 경우, 노드 i는 협동 릴레이 노드를 선택하지 않고, 직접 경로만을 통하여 데이터를 전송한다. 이와 같이 본 실시예에서는, 전송 용량을 기준으로 협동 릴레이 노드를 선택하도록 함으로써, 협동 릴레이 노드를 사용하더라도 용량 이득이나 전력 이득이 발생하지 않거나 또는, 오히려 용량의 감소를 초래하는 경우를 방지하도록 한다.
한편, 전술한 전송 용량을 기준으로 협동 릴레이 노드를 선택하는 방법을 링크 이득의 측면에서 정리하면, 다음과 같이 링크 이득을 기준으로 협동 릴레이를 선택하도록 할 수도 있다. 이를 위하여, 우선, i번째 노드와 i+1번째 노드 간의 직접 경로에서의 링크 이득인 제1 링크 이득 gi ,i+1을 측정한다. 다음으로, 주변 노드 c1을 협동 릴레이 노드로 선택한 하는 협동 릴레이 경로를 구성하였을 경우 임계 값 이상의 이득이 발생하게 되는 링크 이득 문턱 값을 산출한다. 이때, 링크 이득 문턱 값 g'은, 수학식 7을 이득에 관한 식으로 정리하여 수학식 8과 같이 얻을 수 있다.
Figure 112012024023637-pat00010
여기서, δ'은 δ =log2(δ') 를 만족하는 값이며, δ'값은 직접 경로와 릴레이 경로의 신호전송비율을 나타낸 문턱 값(Threshold value)이다. 즉, 주변 노드의 증폭률, 주변 노드 c1과 노드 i 간의 링크 이득, 주변 노드 c1과 노드 i+1 간의 링크 이득을 기초로 주변 노드 c1에 대한 링크 이득 문턱 값 δ'을 산출할 수 있다. 수학식 8에 따르면, 직접 경로 이득 값 gi ,i+1이 링크 이득 문턱 값 δ'보다 작거나 같을 때 협동 릴레이 노드를 사용하면 임계 값 이상의 전송 용량 이득이 발생한다. 따라서, 노드 i는 링크 이득 문턱 값이 직접 경로 이득인 제1 링크 이득보다 크거나 같을 때, 주변 노드 c1을 협동 릴레이 노드로 선택할 수 있다.
또한, 다른 일 실시예에 따라, 노드 i는 송신 전력을 기준으로 협동 릴레이 노드를 선택할 수 있다. 즉, 노드 i는 주변 노드 c1을 이용하여 협동 릴레이 경로를 구성하였을 때 직접 경로보다 작은 송신 전력이 요구되는 경우 주변 노드 c1을 협동 릴레이 노드로 선택할 수 있다. 본 실시예에서 노드 i는 동일한 전송 용량을 유지하면서, 송신 전력의 측면에서 일정량 이상의 이득이 있는 경우에만 협동 릴레이 경로를 생성한다. 이와 같이 송신 전력을 기준으로 협동 릴레이 노드를 선택하는 경우, 노드 i는 전송 용량을 기준으로 하는 경우와 유사하게 협동 릴레이 노드를 선택할 수 있다. 즉, 우선 노드 i는 노드 i와 노드 i+1 간에 직접 경로를 통하여 데이터를 전송하는 경우에 요구되는 제1 송신 전력을 산출한다. 제1 송신 전력은 수학식 2 및 3을 기초로 산출될 수 있다. 이후에, 노드 i는 주변 노드 c1을 협동 릴레이 노드로 하는 협동 릴레이 경로를 통하여 데이터를 전송하는 경우에 요구되는 제2 송신 전력을 산출한다. 제2 송신 전력은 수학식 5를 기초로 산출될 수 있다. 마지막으로, 노드 i는 제2 송신 전력이 제1 송신 전력보다 미리 설정된 임계 값 이상 작은 경우, 주변 노드 c1을 협동 릴레이 노드로 선택한다. 본 실시예에서는 송신 전력을 기준으로 협동 릴레이 노드를 선택하는 방법을 제안함으로써, 전력 이득이 있는 경우에만 협동 릴레이 경로를 생성하게 된다는 장점이 있다.
이상으로, 노드 i(130)가 주변 노드 c1(150)으로부터 비콘 신호를 수신하는 경우를 가정하여 설명하였으나, 경우에 따라 도 1에서와 같이 노드 i(130)의 주변에는 복수의 주변 노드들이 존재할 수 있다. 일 실시예에 따라, 노드 i(130)의 이웃에 복수의 주변 노드들 c1, c2(150, 160)이 존재하는 경우, 협동 릴레이 노드는 다음과 같이 선택될 수 있다. 우선, S230 단계에서, 노드 i(130)는 복수의 주변 노드들 각각으로부터 비콘 신호를 수신한다. 이후, S240 단계에서, 노드 i(130)가 전송 용량을 기준으로 협동 릴레이 노드를 선택하는 경우, 노드 i(130)는 주변 노드 c1, c2(150, 160) 각각에 대하여 수학식 5와 같이 제2 전송 용량
Figure 112012024023637-pat00011
을 산출한다. 노드 i(130)는 주변 노드 c1, c2(150, 160) 중 수학식 6을 만족하는 노드가 있는 경우, 그 노드를 협동 릴레이 노드로 선택한다. 또한, 실시예에 따라, 수학식 6을 만족하는 노드가 복수인 경우, 즉, 주변 노드 c1, c2(150, 160) 모두 수학식 6을 만족하는 경우 노드 i(130)는 주변 노드들 중 가장 큰 제2 전송 용량이 산출되는 주변 노드를 협동 릴레이 노드로 선택한다. S240 단계에서, 노드 i(130)가 전송 용량을 기준으로 협동 릴레이 노드를 선택하는 경우에도 이와 유사하게, 주변 노드들 각각에 대하여 제2 송신 전력을 산출하고, 주변 노드들 중 가장 작은 제2 송신 전력이 산출되는 주변 노드를 협동 릴레이 노드로 선택할 수 있다.
이와 같이 협동 릴레이 노드가 선택되면, S250 단계에서, 노드 i는 선택된 협동 릴레이 노드를 이용하여 노드 i와 노드 i+1 간에 협동 릴레이 경로를 생성한다.
도 3은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 협동 릴레이 경로 생성 방법이 전송 용량과 전력 소비 측면에서 미치는 효과를 설명하기 위한 그래프이다. 도 3의 그래프는 무선 센서 네트워크에서 직접 경로에서 릴레이 노드의 사용에 따라 변화하는 데이터 전송 용량을 관찰하고, 직접 경로 이득 값이 1에서 0.01로 감소함에 따라 릴레이 노드 사용이 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 용량과 에너지 절약 측면에 미치는 영향 대하여 분석한 결과이다.
도 3의 (a)는 협동 릴레이와 직접 경로 이득과의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 3의 (a)를 통하여 무선 센서 네트워크에서 직접 경로 이득이 무선 센서 네트워크의 데이터 전송 용량에 미치는 영향을 살펴본다. 도 3의 (a)를 살펴보면, SNR=10, W=1Hz, β=10일 때 릴레이 노드 이득이 0에서 1까지 0.1 씩 증가하는 환경에서 직접 경로 이득이 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9로 점차 증가함에 따라 전체적인 용량이 높아지는 것을 확인할 수 있다. 특히, 릴레이 경로 이득이 높을 경우에(0.4이상) 릴레이 경로의 이득이 증가함에 따라 데이터 전송 용량 또한 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그래프의 평면부분에 해당하는 것은 β=0일 경우로서, 직접 경로의 이득이 0이 되어 용량 또한 변화가 없음을 확인할 수 있다. 이는 β=0인 부분을 기준으로 상위 부분은, 직접 경로 이득이 좋지 않을 때(0.5 이하) 협동 릴레이 노드를 사용하면 효율적으로 신호전송이 이루어질 것으로 기대되는 릴레이 경로 이득의 범위이다.
도 3의 (b)는 협동 릴레이와 증폭률과의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 3의 (b)는 협동 릴레이 노드의 증폭률 값이 달라짐에 따라 협동 릴레이 시스템의 용량이 변화하는 것을 나타낸다. 이는 협동 릴레이 노드의 에너지를 사용함으로써 노드간의 전송용량이 낮은 링크의 용량을 개선할 수 있음을 나타낸다. 또한 협동 릴레이 노드를 사용함으로써 노드 i가 단위 비트를 전송하는데 소모되는 에너지를 줄일 수 있어서 센서 네트워크의 전체의 생명 시간을 증대시킬 수 있다. 도 3의 (b)를 살펴보면, 직접 경로 이득=0.3, W=1Hz, SNR=10일 때 효율적인 에너지 사용을 위한 무선 센서 네트워크에서 β값을 1, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 로 증가함에 따라 데이터 전송 용량이 증가함을 확인 할 수 있다. 또한, 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이 협동 릴레이 노드의 이득이 일정한 값 이상을 갖는 영역에서만 전송용량의 이득을 기대할 수 있으며 이와 더불어 단위 비트를 전송하는데 소모되는 에너지를 줄일 수 있다.
개시된 기술의 일 실시예에 따른 협동 릴레이 노드 선택 방법은 라우팅의 일환으로서 여러 가지 라우팅 기법에 응용될 수 있다. 특히 각 릴레이 노드의 데이터 전송 에너지에 대한 정확한 정보를 네트워크에 보관한다는 점과 이동성이 큰 센서 노드에 적용될 수 있다는 점에서 하이브리드(Hybrid) 라우팅과 밀접한 관계가 있다.
이러한 개시된 기술인 시스템 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 기술의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 무선 센서 네트워크에서 협동 릴레이 경로를 생성하는 방법에 있어서,
    소스 노드와 목적 노드 간에 데이터 전송 경로를 설정하는 단계;
    상기 경로 중 i번째 노드와 i+1번째 노드 간의 링크 품질이 미리 설정된 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 i번째 노드가 주변 노드로부터 비콘 신호를 수신하는 단계;
    상기 비콘 신호에 포함된 정보를 기초로, 상기 주변 노드를 이용하여 협동 릴레이 경로를 구성하였을 때 직접 경로보다 큰 전송 용량을 가지는 경우 상기 주변 노드를 협동 릴레이 노드로 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 협동 릴레이 노드를 이용하여 상기 i번째 노드와 상기 i+1번째 노드 간에 협동 릴레이 경로를 생성하는 단계를 포함하는 경로 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 선택하는 단계는,
    상기 i번째 노드와 상기 i+1번째 노드 간에 직접 경로를 통하여 데이터를 전송하는 경우의 제1 전송 용량을 산출하는 단계;
    상기 주변 노드를 협동 릴레이 노드로 하는 협동 릴레이 경로를 통하여 데이터를 전송하는 경우의 제2 전송 용량을 산출하는 단계; 및
    상기 제2 전송 용량이 상기 제1 전송 용량보다 미리 설정된 임계 값 이상 큰 경우, 상기 주변 노드를 상기 협동 릴레이 노드로 선택하는 단계를 포함하는 경로 생성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 선택하는 단계는,
    상기 i번째 노드와 상기 i+1번째 노드 간의 직접 경로에서의 제1 링크 이득을 산출하는 단계;
    상기 주변 노드를 협동 릴레이 노드로 하는 협동 릴레이 경로를 구성하였을 경우 상기 직접 경로보다 임계 값 이상 큰 전송 용량을 가지게 하는 링크 이득 문턱 값을 산출하는 단계; 및
    상기 링크 이득 문턱 값이 상기 제1 링크 이득보다 크거나 같을 때, 상기 주변 노드를 상기 협동 릴레이 노드로 선택하는 단계를 포함하는 경로 생성 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 산출하는 단계는,
    상기 주변 노드의 증폭률, 상기 주변 노드와 상기 i번째 노드 간의 링크 이득, 상기 주변 노드와 상기 i+1번째 노드 간의 링크 이득을 기초로 상기 주변 노드에 대한 링크 이득 문턱 값을 산출하는 단계를 포함하는 경로 생성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 i번째 노드의 이웃에 복수의 주변 노드들이 존재하는 경우,
    상기 수신하는 단계는, 상기 복수의 주변 노드들 중 각 주변 노드에 대하여, 상기 비콘 신호를 각각 수신하는 단계를 포함하고,
    상기 선택하는 단계는, 상기 직접 경로보다 큰 전송 용량을 가지는 주변 노드가 복수 개인 경우, 가장 큰 전송 용량을 가지는 노드를 상기 협동 릴레이 노드로 선택하는 단계를 포함하는 경로 생성 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전송 용량은,
    대역폭, 링크의 전력이득 및 신호대잡음비에 따라 결정되는 경로 생성 방법.
  7. 무선 센서 네트워크에서 협동 릴레이 경로를 생성하는 방법에 있어서,
    소스 노드와 목적 노드 간에 데이터 전송 경로를 설정하는 단계;
    상기 경로 중 i번째 노드와 i+1번째 노드 간의 링크 품질이 미리 설정된 조건을 만족하지 못하는 경우, 상기 i번째 노드가 주변 노드로부터 비콘 신호를 수신하는 단계;
    상기 비콘 신호에 포함된 정보를 기초로, 상기 주변 노드를 이용하여 협동 릴레이 경로를 구성하였을 때 직접 경로보다 작은 송신 전력이 요구되는 경우 상기 주변 노드를 협동 릴레이 노드로 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 협동 릴레이 노드를 이용하여 상기 i번째 노드와 상기 i+1번째 노드 간에 협동 릴레이 경로를 생성하는 단계를 포함하는 경로 생성 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 선택하는 단계는,
    상기 i번째 노드와 상기 i+1번째 노드 간에 직접 경로를 통하여 데이터를 전송하는 경우에 요구되는 제1 송신 전력을 산출하는 단계;
    상기 주변 노드를 협동 릴레이 노드로 하는 협동 릴레이 경로를 통하여 데이터를 전송하는 경우에 요구되는 제2 송신 전력을 산출하는 단계; 및
    상기 제2 송신 전력이 상기 제1 송신 전력보다 미리 설정된 임계 값 이상 작은 경우, 상기 주변 노드를 상기 협동 릴레이 노드로 선택하는 단계를 포함하는 경로 생성 방법.
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