KR101309742B1 - System and method for energy management for sensor network - Google Patents
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Abstract
본 발명은 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for energy management in a sensor network environment.
본 발명의 실시 예에 따른 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법은 다수개의 노드가 임의로 분포된 일정 영역내에서, 상기 노드 간에 폐루프가 형성되지 않도록 링크를 연결하는 단계; 링크 연결 갱신 주기마다 데이터 전송으로 인한 에너지 소모에 따른 상기 노드의 에너지 잔량을 검사하는 단계; 및 상기 노드의 에너지 잔량을 기반으로 상기 노드 간에 형성된 링크 연결을 에너지 잔량이 최소인 노드를 기준으로 최소 비용 신장 트리를 가지도록 갱신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.An energy management method in a sensor network environment according to an embodiment of the present invention may include: connecting a link so that a closed loop is not formed between the nodes in a predetermined area in which a plurality of nodes are arbitrarily distributed; Checking the energy remaining amount of the node according to energy consumption due to data transmission at each link connection update period; And updating the link connection formed between the nodes based on the energy remaining of the nodes to have a minimum cost extension tree based on the node having the smallest remaining energy.
PEGASIS, PEDAP, PEDAP-PA, LEACH PEGASIS, PEDAP, PEDAP-PA, LEACH
Description
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 관리 방법이 적용될 에너지 관리 시스템을 나타낸 도면,1 is a view showing an energy management system to which an energy management method according to an embodiment of the present invention is applied;
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 관리 방법을 설명하기 위한 시스템을 나타낸 도면,2 is a view showing a system for explaining an energy management method according to a first embodiment of the present invention;
도 3 내지 도 7은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 관리 방법에 따른 링크 연결을 나타낸 도면,3 to 7 is a view showing a link connection according to the energy management method according to a first embodiment of the present invention,
도 8은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 관리 방법을 설명하기 위한 시스템을 나타낸 도면,8 is a diagram illustrating a system for explaining an energy management method according to a second embodiment of the present invention;
도 9 내지 도 13은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 관리 방법에 따른 링크 연결을 나타낸 도면,9 to 13 is a view showing a link connection according to the energy management method according to a second embodiment of the present invention,
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 관리 방법이 적용된 시스템과 종래 시스템과의 수명을 비교한 그래프,14 is a graph comparing a lifespan between a system to which an energy management method is applied according to an embodiment of the present invention and a conventional system;
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 관리 방법이 적용된 시스템의 수명을 링크 연결 갱신 주기 변화에 따라 나타낸 그래프.FIG. 15 is a graph illustrating a lifespan of a system to which an energy management method is applied according to a change of a link connection update cycle. FIG.
본 발명은 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 일정 영역에 분포된 센서들을 링크로 연결하는 센서 네트워크에서 각 센서들의 에너지를 균일하게 이용할 수 있는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and a system for managing energy in a sensor network environment, and to a method for managing energy in a sensor network environment that can uniformly use energy of each sensor in a sensor network connecting sensors distributed in a certain area by a link. It is about the system.
센서 네트워크는 일정 영역 내의 특성 예를 들면, 일정 영역의 온도 및 지진 발생 지점의 정확한 확인 및 원격 검침 등을 하는데 이용될 수 있는 기술로서, 일정 영역에 다수개의 센서를 분포시킨 후, 센서들로부터의 정보를 수집 및 분석하여 원하는 데이터를 추출하게 된다.A sensor network is a technology that can be used to accurately identify characteristics of a certain area, for example, temperature and location of an earthquake, and remote meter reading. A plurality of sensors are distributed in a certain area, Information is collected and analyzed to extract desired data.
이러한 센서 네트워크에서 상기 센서를 분포시키는 작업은 센서의 전원이 한정적 자원일 경우, 예를 들면, 배터리 등으로 이용될 경우, 각 센서들의 에너지 효율을 고려한 분포 또는 분포된 센서들의 연결이 필요하다. 일정 영역에 특정 센서를 일률적이며, 일정 거리를 가지도록 배치하는 것이 상술한 에너지 효율을 평균화시키는 것이기는 하나, 실질적으로, 상기 센서들을 적용시키는 과정에서는 센서들 간의 거리를 모두 일정하게 유지하는 것은 불가능하다. 또한, 다수의 센서가 수집한 정보를 정보 수집 장치 예를 들면 기지국(Base Station : BS)으로 정보를 전달하기 위해서는 에너지 효율을 고려하여 특정 센서에 나머지 센서들이 정보를 전달 하는 방식이 효율적이다. 상술한 센서 분포의 특성 및 센서들 간의 정보 전달에 따른 에너지 최적화를 위하여 다양한 방식이 제안되고 있다.In the case of using the sensor as a limited resource, for example, as a battery, it is necessary to distribute the sensors in consideration of the energy efficiency of the sensors or connect the distributed sensors. Although placing a specific sensor in a certain area to be uniform and having a certain distance is an average of the above-described energy efficiency, in practice, in the process of applying the sensors, it is impossible to keep all the distances between the sensors constant. Do. In addition, in order to transfer information collected by a plurality of sensors to an information collecting device, for example, a base station (BS), a method of transmitting information to the other sensors to a specific sensor in consideration of energy efficiency is efficient. Various methods have been proposed for energy optimization according to the above-described characteristics of sensor distribution and information transfer between sensors.
보다 상세히 하면, 종래의 에너지 최적화를 위한 센서 링크 연결 방식은 초기에 배치된 센서들의 초기에너지 만을 반영하여 링크 연결을 구성하고, 상기 센서 네트워크의 특정 센서들의 에너지가 고갈될 때까지 운용하게 된다. 즉, 종래 센서 링크 연결 방식은 거리에 따라 에너지를 다르게 사용하게 되는 센서들에 있어서, 특정 센서들의 에너지가 다른 센서들보다 빠르게 에너지가 소모되어 사멸될 경우, 센서 네트워크의 링크 연결이 상기 사멸된 센서를 제외하고 새롭게 구성되게 된다. 이때, 상기 사멸된 센서를 제외하고 새롭게 형성된 링크 연결은 기존 링크 연결에 비하여 보다 긴 거리를 가지는 링크가 형성되고, 결과적으로, 상기 센서들의 수명이 더욱 빠른 속도로 감소하게 되는 단점이 있다. 또한, 종래의 센서 링크 연결 방식에 있어서, 사멸된 센서들로 인하여, 데이터의 신뢰도가 급격하게 저하되는 단점이 있다.In more detail, the conventional sensor link connection scheme for energy optimization configures the link connection by reflecting only the initial energy of the initially arranged sensors, and operates until the energy of the specific sensors of the sensor network is exhausted. That is, in the conventional sensor link connection method, in the sensors that use energy differently according to distance, when energy of specific sensors is consumed faster than other sensors, the link connection of the sensor network is terminated. Except for the new configuration. In this case, except for the dead sensor, the newly formed link connection may have a link having a longer distance than the existing link connection, and as a result, the lifespan of the sensors may be reduced at a faster rate. In addition, in the conventional sensor link connection method, due to the dead sensors, there is a disadvantage that the reliability of the data is sharply lowered.
따라서 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은, 센서들의 에너지를 균등하게 사용할 수 있도록 하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.Therefore, the present invention was devised to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a method and system for energy management in a sensor network environment that enables the energy of sensors to be used evenly.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법은, 다수개의 노드가 임의로 분포된 일정 영역내에 서, 상기 노드 간에 폐루프가 형성되지 않도록 링크를 연결하는 단계; 링크 연결 갱신 주기마다 데이터 전송으로 인한 에너지 소모에 따른 상기 노드의 에너지 잔량을 검사하는 단계; 및 상기 노드의 에너지 잔량을 기반으로 상기 노드 간에 형성된 링크 연결을 에너지 잔량이 최소인 노드를 기준으로 최소 비용 신장 트리를 가지도록 갱신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Energy management method in a sensor network environment according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, in a region where a plurality of nodes are randomly distributed, connecting the link so that the closed loop is not formed between the nodes step; Checking the energy remaining amount of the node according to energy consumption due to data transmission at each link connection update period; And updating the link connection formed between the nodes based on the energy remaining of the nodes to have a minimum cost extension tree based on the node having the smallest remaining energy.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 시스템은 다수개의 노드가 임의로 분포된 일정 영역내에서, 폐루프가 형성되지 않도록 링크를 연결하며 링크 연결 갱신 주기마다 상기 연결된 링크를 갱신하는 노드들; 및 상기 노드들로부터 데이터를 수집하며, 상기 링크 연결 갱신 주기마다 데이터 전송으로 인한 에너지 소모에 따른 상기 노드의 에너지 잔량을 검사하고, 검사된 상기 에너지 잔량을 기준으로, 상기 노드 간에 형성된 링크 연결을 에너지 잔량이 최소인 노드를 기준으로 최소 비용 신장 트리를 가지도록 계산하여, 계산값을 상기 노드에 전달하는 기지국;를 포함하는 것을 특징으로 한다.An energy management system in a sensor network environment according to an embodiment of the present invention for achieving the above objects is a link connection update period and link link so that a closed loop is not formed in a predetermined area in which a plurality of nodes are arbitrarily distributed. Nodes for updating the connected link every time; And collecting data from the nodes, inspecting the remaining amount of energy of the node according to energy consumption due to data transmission at each link connection update period, and based on the inspected remaining amount of energy, energy of the link connection formed between the nodes. And a base station that calculates to have a minimum cost extension tree based on the node having the smallest remaining amount, and delivers the calculated value to the node.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, only parts necessary for understanding the operation according to the embodiment of the present invention will be described, and the description of other parts will be omitted so as not to disturb the gist of the present invention.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and the inventor is not limited to the meaning of the terms in order to describe his invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention, and not all of the technical ideas of the present invention are described. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.
본 발명에서 설명하는 센서 네트워크 에너지 관리 방법 및 시스템은 일정 영역의 정보 수집을 위하여 다수개가 분포되는 센서 노드와, 상기 센서 노드 간의 정보전달을 위하여 각 센서 노드 간에 링크로 연결되는 센서 네트워크 영역에서의 에너지 관리 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 센서 네트워크에서 센서는 다양한 센서 예를 들면, 지진 측정 센서, 온도 센서, 습도 센서, 미생물 측정 센서, 화생방 센서 등 다양한 특성의 센서들이 적용될 수 있다.The sensor network energy management method and system described in the present invention includes a plurality of sensor nodes distributed for collecting a certain area of information, and energy in a sensor network area connected by a link between sensor nodes for information transfer between the sensor nodes. It relates to a management method and system. In the sensor network of the present invention, various sensors such as seismic measurement sensors, temperature sensors, humidity sensors, microbial measurement sensors, CBR sensors, and the like may be applied.
또한, 본 발명의 에너지 관리 방법 및 시스템이 적용될 수 있는 프로토콜은 LEACH, PEGASIS, PEDAP, PEDAP-PA 등 다양한 프로토콜이 될 수 있다.In addition, the protocol to which the energy management method and system of the present invention may be applied may be various protocols such as LEACH, PEGASIS, PEDAP, and PEDAP-PA.
LEACH는 최초의 계층 구조를 갖는 라우팅 알고리즘으로 센서 지역을 클러스터로 나누고 클러스터 헤더를 담당 노드로 정하여 BS와 통신하며, 센서 노드들 중에서 담당 노드는 확률적인 방법으로 결정된다. 담당 노드가 결정이 되면 선정된 담당 노드들은 자신과 가까운 인근 센서 노드들을 자신의 클러스터의 일원으로 정 한다. LEACH is a routing algorithm with the first hierarchical structure. The sensor area is divided into clusters and the cluster header is designated as the responsible node to communicate with the BS. Among the sensor nodes, the responsible node is determined in a probabilistic manner. When the responsible node is determined, the selected responsible nodes designate neighboring sensor nodes close to themselves as members of their cluster.
PEGASIS는 모든 센서 노드를 하나의 체인 형태로 연결하고 담당 노드를 한 개만 선정하고, 담당 노드는 BS가 구성한 체인의 순서에 따라 순차적으로 이루어진다. PEGASIS에서는 동작 도중에 센서 노드의 에너지가 고갈될 경우에는 라우팅 경로가 끊어지므로 체인에서 에너지가 고갈된 센서 노드와 직접 통신할 수 있는 두 개의 인근 센서 노드를 연결하여 라우팅 경로를 복구한다.PEGASIS connects all the sensor nodes in a chain form, selects only one node in charge, and the node takes place sequentially according to the chain sequence formed by the BS. In the case of PEGASIS, if the sensor node is depleted during operation, the routing path is broken, so the routing path is restored by connecting two neighboring sensor nodes that can communicate directly with the depleted sensor node in the chain.
PEDAP은 BS와 가장 가깝게 위치한 센서 노드를 담당 노드로 선정하고 라우팅 경로는 전송할 때에 최소 에너지를 소요하는 스패닝 트리를 사용하기 때문에 다른 라우팅 알고리즘에 비하여 라우팅 경로의 길이와 평균 전송 소비 에너지가 가장 적다. PEDAP은 센서 노드의 잔존 에너지를 비슷한 수준으로 유지하기 위해서 PEDAP의 변형인 PEDAP-PA를 제안하였는데 여기에서는 스패닝 트리를 만들 때 에너지의 잔량을 추가로 고려하도록 변경한 것이다.PEDAP selects the sensor node closest to the BS as the responsible node, and the routing path uses the spanning tree that requires the least energy when transmitting, so the routing path length and average transmission energy are the lowest compared to other routing algorithms. PEDAP proposed PEDAP-PA, a variation of PEDAP, to maintain the remaining energy of sensor nodes at a similar level. In this case, we changed the additional amount of energy to consider when constructing the spanning tree.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 링크 연결이 적용되는 네트워크 시스템을 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a network system to which a link connection according to an embodiment of the present invention is applied.
설명에 앞서, 본 발명의 센서 네트워크 시스템은 센서 노드가 재충전이 되지 않는 전원을 가지고 있으며, 기지국(Base Station : BS)은 무한한 전원을 가지는 센서 네트워크의 일반적인 환경에 대하여 가정하기로 하며, 상기 센서 노드들 중 특정 담당 노드가 주기적으로 다른 센서 노드들의 데이터를 수신하여 처리한 후 상기 BS로 전송하는 것으로 가정한다. 또한 상기 BS와 상기 센서 노드는 움직이지 않으며, 모든 센서 노드는 링크 길이에 따라 전송 에너지가 결정되는 것으로 가정 한다. 이러한 환경에서 BS는 센서 네트워크에서 센서 노드들이 가지는 에너지 잔량을 주기적으로 검사하고, 일정 주기에 따라 상기 센서 네트워크 내에 분포된 센서 노드들 간의 링크 연결을 갱신하여 각 센서 노드가 사용하는 에너지 사용량을 조절함으로써, 전체 센서의 사멸 시점을 균일화 하도록 유도하게 된다.Prior to the description, the sensor network system of the present invention has a power source in which a sensor node is not recharged, and a base station (BS) is assumed to assume a general environment of a sensor network having infinite power source. It is assumed that a specific node in charge periodically receives and processes data of other sensor nodes and transmits the data to the BS. In addition, it is assumed that the BS and the sensor node do not move, and all sensor nodes determine transmission energy according to link length. In this environment, the BS periodically checks the remaining energy of the sensor nodes in the sensor network, and updates the link connection between the sensor nodes distributed in the sensor network at regular intervals to adjust the energy usage of each sensor node. In this case, the dead time of the entire sensor is induced to be uniform.
상기 도 1를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 시스템은 일정 영역의 범위에 다수개가 폐루프를 형성하지 비용을 가지는 링크를 우선적으로 연결하여 형성된 링크 연결을 가지며 분포된 센서 노드(10), 상기 센서 노드(10)들의 분포로 형성된 센서 네트워크(50), 상기 센서 네트워크(50)가 수집하는 정보를 특정 센서 노드로부터 수신하고, 상기 센서 노드(10)들의 에너지 잔량과 센서 노드(10)들 간의 거리에 따른 전송 에너지를 고려 링크 연결을 주기적으로 갱신하는 기지국(Base Station : 이하 BS)(30)을 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, a network system according to an exemplary embodiment of the present invention has a
상기 센서 노드(10)는 정보를 수집하는 센서 노드(10)와, 정보의 수집 및 다른 센서 노드(10)들로부터 수집된 정보를 전달받아 상기 BS(30)에 전달하는 담당 노드(10a)를 포함하여 구성된다. 상기 센서 노드(10)들의 링크 연결은 각각의 센서 노드가 폐루프를 형성하지 않으며, 최소비용 신장트리(Minimum Spanning Tree)를 이용하는 방식을 적용하여 링크 연결을 형성한다.The
상기 센서 네트워크(50)는 상기 링크 연결되는 센서 노드(10)들이 분포된 일정 영역을 정의한다. 이러한 센서 네트워크(50)는 다수개의 연결된 센서 노드(10)들이 수집하는 정보를 외부의 BS(30)에 전달한다.The
상기 BS(30)는 상기 센서 네트워크(50)에 포함된 각 센서 노드(10)들이 수집 한 정보를 전달받아, 상기 정보를 분석한다. 이러한 BS(30)는 에너지 효율을 고려하여 상기 센서 네트워크(50)에 포함된 센서 노드(10)들 중 담당 노드(10a)와 링크를 연결하고, 연결된 담당 노드(10a)로부터 정보를 수집한다. 여기서, 담당 노드(10a)는 담당 노드(10a)와 링크로 연결된 다른 센서 노드들로부터 정보를 전달받아 압축하여 상기 BS(30)에 정보를 전달한다. 한편, 상기 BS(30)는 일정 주기, 예를 들면, 전체 센서 노드(10) 중 에너지 잔량이 가장 낮은 센서 노드의 10%를 소모하는 시간을 한 주기로 결정하고, 해당 주기에 따라 센서 노드(10)들의 에너지 잔량에 따라 링크 연결을 갱신하도록 한다. 이때, BS(30)는 상기 센서 노드(10)들로부터 에너지 잔량에 대한 정보를 수신하고, 상기 에너지 잔량에 대한 정보를 토대로 상기 센서 노드(10)들의 링크 연결에 필요한 계산을 수행하며, 계산된 링크 연결을 각 센서 노드(10)에 전달함으로써, 링크 연결을 갱신할 수 있다.The
이상에서는 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 시스템의 구성을 살펴보았다. 이하에서는 상술한 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 시스템의 센서 네트워크(50)를 구성하는 센서 노드(10)들의 에너지 관리 방법에 대하여 살펴보기로 한다.In the above, the configuration of the network system according to an embodiment of the present invention has been described. Hereinafter, an energy management method of the
도 2 내지 도 7은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 센서 네트워크에서의 에너지 관리 방법을 설명하기 위한 일예를 나타낸 도면이다.2 to 7 are diagrams illustrating an example for explaining an energy management method in a sensor network according to the first embodiment of the present invention.
설명에 앞서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 관리 방법에서, 각 센서 노드들의 초기 에너지는 균일한 것으로 가정하기로 하며, 에너지 소모는 전송 에너지에 비례하여 소모되는 것으로 가정하기로 한다. 또한, 각 센서 노드의 최대 링크 허용 차수는 2로 지정하며, 각 센서 노드는 최소 비용이 소요되는 링크를 통하여 데이터를 전달하는 것으로 가정한다. 한편, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 관리 방법에서는 각 센서 노드의 데이터 전송 주기와 전체 링크 연결을 갱신하는 링크 연결 갱신 주기를 유사하게 가지도록 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 관리 방법은 데이터 전송 주기에 관계없이, 전체 센서 노드의 수명의 1/5 ~ 1/15로 설정되는 것이 바람직하며, 전체 센서 네트워크 수명에 대한 정보가 존재할 경우, 전체 센서 네트워크 수명의 1/10에 해당하는 시간 길이를 링크 연결 갱신 주기로 하는 것이 바람직하다. 이러한 링크 연결 갱신 주기는 센서 네트워크의 수명 중에 약 5번 이내 만큼만 링크 연결 갱신이 반복된다면 센서 노드 간의 에너지 잔량에 대한 분배가 공평하게 이루어지기 힘들며, 링크 연결 갱신이 약 15회 이상 반복된다면 라우팅 경로의 재설정에 소요되는 부가 에너지가 너무 많아지게 되므로 바람직하지 않게 되기 때문에 상술한 바와 같은 조건에서 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 에너지 관리 방법에서 링크 연결 갱신 주기 간 길이 또한 모두 동일한 길이를 가지지 않고, 실험적으로 일정 범위 이내에서 유사하게 설정되어 적용될 수 있다.Prior to the description, in the energy management method according to the first embodiment of the present invention, it is assumed that the initial energy of each sensor node is uniform, and the energy consumption is assumed to be consumed in proportion to the transmission energy. In addition, it is assumed that the maximum link tolerance of each sensor node is set to 2, and each sensor node transmits data through a link that requires the least cost. Meanwhile, in the energy management method according to the first embodiment of the present invention, the data transmission period of each sensor node and the link connection update period for updating the entire link connection are similarly described, but the present invention is not limited thereto. . That is, the energy management method according to the first embodiment of the present invention is preferably set to 1/5 ~ 1/15 of the lifetime of all sensor nodes, regardless of the data transmission cycle, the information on the life of the entire sensor network If present, it is preferable to set the link connection update period as a time length corresponding to 1/10 of the total sensor network life. This link connection update cycle is difficult to distribute the remaining energy between sensor nodes if the link connection update is repeated only within about 5 times during the lifetime of the sensor network. Since the additional energy required for resetting becomes too large, it becomes undesirable, and therefore it is preferable to set it under the conditions as described above. In addition, in the energy management method of the present invention, the lengths of the link connection update periods may not all have the same length, but may be similarly set and applied within a predetermined range experimentally.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 관리 방법에 있어서, 각 센서 노드의 링크 연결을 위한 계산은 가정적으로 무한 자원을 이용할 수 있는 BS(30)가 담당하는 것이 바람직하다.In addition, in the energy management method according to an embodiment of the present invention, it is preferable that the
상기 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 관리 방법은 BS(30)와 4개의 센서 노드(1,2,3,4)를 포함하여 구성되며, 센서 노드(1,2,3,4)에 각각 기재된 번호는 센서 노드의 번호를, 센서 노드(1,2,3,4) 간 또는 BS(30)와 센서 노드(1,2,3,4) 간의 실선은 링크를, 링크 위에 기재된 숫자는 데이터를 전송하는데 소용되는 전송 에너지, 각 센서 노드 인근에 기재된 번호는 이전 에너지 잔량에서 에너지가 소모된 이후 센서 노드의 에너지 잔량을 의미한다. 예를 들면, 본 발명의 에너지 관리 방법은 BS(30)와 제 1 센서 노드(1) 간의 전송 에너지는 10, BS(30)와 제 2 센서 노드(2) 간의 전송 에너지는 13, BS(30)와 제 3 센서 노드(3) 간의 전송 에너지는 14, 제 1 센서 노드(1)와 제 2 센서 노드(2) 간의 전송 에너지는 5, 제 1 센서 노드(1)와 제 3 센서 노드(3) 간의 전송 에너지는 6...등과 같이 형성되는 것으로 가정한다. 또한, 각 센서 노드(1,2,3,4)의 에너지 잔량은 초기 모두 100을 가지는 것으로 가정한다.Referring to FIG. 2, the energy management method according to an embodiment of the present invention includes a
도 2에 도시된 바와 같은 센서 네트워크에서, 본 발명의 에너지 관리 방법은 도 3에 도시된 바와 같이, BS(30)와 제 1 센서 노드(1)간의 전송 에너지가 제 2 센서 노드(2) 및 제 3 센서 노드(3) 보다 낮게 형성됨으로, 제 1 센서 노드(1)를 담당 노드(10a)로 선택되는 것이 바람직하며, 기타 각 센서 노드가 폐루프를 형성하지 않으면서, 최소비용 신장 트리(Minimum Spanning Tree)를 구성하도록 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 본 발명의 에너지 관리 방법은 제 2 센서 노드(2)와 제 3 센서 노드(3)는 각각 제 4 센서 노드(4)에 데이터를 전송하며, 제 4 센서 노드(4)는 담당 노드(10a)인 제 1 센서 노드(1)에 데이터를 전송하고, 제 1 센서 노드(1)는 수집된 데이터를 압축하여 BS(30)에 전송한다. 한편, 각 센서 노 드(1,2,3,4)는 에너지 잔량이 데이터 전송 등의 이유로 인하여 도시된 바와 같이 일정량 만큼 에너지가 감소된 상태가 된다.In the sensor network as shown in FIG. 2, the energy management method of the present invention has a transmission energy between the
다음으로, 상기 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 에너지 관리 방법은 에너지 잔량이 가장 높으면서, BS(30)와의 전송에너지가 비교적 낮은 제 2 센서 노드(2)가 담당 노드(10a)로 결정되며, 이에 따라, 제 1 센서 노드(1)는 제 2 센서 노드(2)에 데이터를 전송하는 링크 연결, 제 3 센서 노드(3)는 제 4 센서 노드(4)에 데이터를 전송하는 링크 연결 및 제 4 센서 노드(4)는 제 2 센서 노드(2)에 데이터를 전송하는 링크 연결을 형성한다.Next, as shown in FIG. 4, in the energy management method of the present invention, the
다음으로, 링크 연결 갱신 주기가 되었을 경우, BS(30)는 각 센서 노드(1,2,3,4)로부터 에너지 잔량에 대한 정보를 수집하고, 수집된 에너지 잔량의 정보가 도 4에 도시된 바와 같이 분포된 경우, 상대적으로 에너지 잔량이 높고, BS(30)와의 전송 에너지가 높은 제 3 센서 노드(3)가 담당 노드(10a)로 지정하며, 도 5에 도시된 바와 같은 링크 연결 갱신을 수행하도록, 각 센서 노드(1,2,3,4)에 링크 연결 갱신에 관련된 정보를 전달한다. 즉, 도 5에 도시된 본 발명의 에너지 관리 방법은 제 3 센서 노드(3)가 담당 노드(10a)로 구성되며, 제 1 센서 노드(1)와 제 2 센서 노드(2)는 각각 제 4 센서 노드(4)에 데이터를 전송하는 링크 연결, 제 4 센서 노드(4)는 제 3 센서 노드(3)에 데이터를 전송하는 링크 연결을 형성한다.Next, when the link connection update period is reached, the
이후, 다음 링크 연결 갱신 주기가 되었을 경우, BS(30)는 각 센서 노드(1,2,3,4)에 분포된 에너지 잔량 정보를 센서 노드들로부터 수집한 후, 이를 기 반으로 도 6에 도시된 바와 같은 링크 연결을 형성하도록 제어한다. 이를 상세히 설명하면, 도 6에 도시된 본 발명의 에너지 관리 방법은 제 4 센서 노드(4)가 담당 노드(10a)로서 지정되며, 제 1 센서 노드(1)는 제 3 센서 노드(3)로 데이터를 전송하는 링크 연결, 제 3 센서 노드(3)는 제 4 센서 노드(4)로 데이터를 전송하는 링크 연결 및 제 2 센서 노드(2)는 제 4 센서 노드(4)로 데이터를 전송하는 링크 연결을 형성한다.Subsequently, when the next link connection update period is reached, the
다음으로, 본 발명의 에너지 관리 방법은 다음 링크 연결 갱신 주기가 되었을 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 센서 노드(1)를 담당 노드(10a)로 하는 링크 연결을 형성하며, 제 2 센서 노드(2)는 제 4 센서 노드(4)로 데이터를 전송하는 링크 연결, 제 4 센서 노드(4)는 제 3 센서 노드(3)로 데이터를 전송하는 링크 연결, 제 3 센서 노드(3)는 제 1 센서 노드(1)로 데이터를 전송하는 링크 연결을 형성하게 된다. 이러한 링크 연결 구성은 제 1 센서 노드(1)가 담당 노드(10a)로 지정된 링크 연결과 다른 링크 연결을 가지게 된다.Next, when the next link connection update period is reached, the energy management method of the present invention forms a link connection in which the
상술한 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 관리 방법은 각각의 센서 노드(1,2,3,4)가 가진 에너지 잔량과, 전송 에너지를 상대적으로 비교하여, BS(30)가 지정하는 링크 연결 갱신 주기에 따라 각각 담당 노드(10a)와 링크 연결을 구성하도록 함으로써, 전체 센서 노드가 비교적 균일한 에너지 사용 분포를 가지며 사용되게 된다.As described above, the energy management method according to the first embodiment of the present invention compares the remaining energy of each sensor node (1, 2, 3, 4) with the transmission energy, so that the
도 8은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 관리 방법을 나타낸 도면이다.8 is a view showing an energy management method according to a second embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 관리 방법은 BS(30)와, BS(30)에 데이터를 전송하는 담당 노드(10a), 담당 노드(10a)에 데이터를 전송하는 다수의 센서 노드(1,2,3,4,5,6)들로 형성된다. 도 8에서, 실선은 각 센서 노드(1,2,3,4,5,6)간 및 BS(30)와 센서 노드(1,2,3,4,5,6)간 링크 연결을, 실선 위에 번호는 전송 에너지를, 각 센서 노드(1,2,3,4,5,6)에 각각 기재된 번호는 센서 노드(1,2,3,4,5,6)의 색인 번호를 의미한다.Referring to FIG. 8, the energy management method according to the second embodiment of the present invention transmits data to a
이하, 본 발명의 최초 체인 형성 방법 및 체인 갱신에 대하여 도면을 참조하여 살펴보기로 한다.Hereinafter, an initial chain forming method and chain update of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 에너지 관리 방법에서 최초 체인 형성 방법은 하나의 체인으로 연결되는 링크 구조를 가지는 것으로 가정하며, 최초 체인 구성은 다수개의 센서 노드들이 분포하는 센서 네트워크 상에서 우선적으로 최소 비용을 가지는 링크를 서브 체인으로서 형성하도록 하며, 서브 체인 중 링크가 다른 링크에 중첩되는 영역이 발생할 경우, 센서 노드 간 전송 에너지가 최소가 되는 즉, 센서 노드 간 형성될 수 있는 최대 길이를 최소화하는 센서 노드 간 연결을 선택하도록 한다.9 to 11, it is assumed that the first chain forming method in the energy management method of the present invention has a link structure connected by one chain, and the initial chain configuration is preferential on a sensor network in which a plurality of sensor nodes are distributed. Therefore, a link having a minimum cost is formed as a subchain, and when an area in which a link overlaps another link occurs in the subchain, the transmission energy between sensor nodes is minimized, that is, the maximum length that can be formed between sensor nodes. Choose the connection between sensor nodes to minimize.
이를 상세히 설명하면, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 관리 방법에서 최초 체인 형성은 전송 에너지 비용이 최소인 링크를 우선적으로 연결하여 서브체인을 형성하게 된다. 즉, 제 4 센서 노드(4)와 제 6 센서 노드(6)가 링크를 형성하고, 제 4 센서 노드(4)와 제 3 센서 노드(3)가 링크를 형성한다. 다음으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 최초 체인 형성은 제 3 센서 노드(3)와 제 5 센서 노드(5) 간에 링크가 형성되고, 제 1 센서 노드(1)와 제 2 센서 노드(2) 간에 링크가 형성된다. 다음으로, 도 11에 도시된 바와 같이 제 2 센서 노드(2)와 제 5 센서 노드(5) 간에 링크가 형성된다.In detail, as shown in FIG. 9, in the energy management method according to the second embodiment of the present invention, the initial chain formation first forms a subchain by first connecting a link having a minimum transmission energy cost. That is, the
한편, 도 11에 도시된 체인 연결 구조는 BS(30)에서 지정하는 링크 연결 갱신 주기 예를 들면, 전체 센서 네트워크에 포함된 센서 노드 중 에너지 잔량이 가장 낮은 센서 노드의 에너지 10%가 소모되는 시간이 경과한 후에, 각각 데이터 전송에 따른 에너지 소모가 발생하여, 센서 노드의 인근에 기재된 숫자에서 나타낸 바와 같은 에너지 잔량을 가지게 된다. 도 11에서, 각 센서 노드(1,2,3,4,5,6)의 초기 에너지는 100으로 가정하며, 전송 에너지에 따라 에너지가 소모되며, 담당 노드(10a)의 고려는 설명의 편의상 제외하기로 한다.On the other hand, the chain connection structure shown in FIG. 11 is a link connection update cycle designated by the
상술한 링크 연결 갱신 주기가 발생한 이후, 각 센서 노드(1,2,3,4,5,6)의 에너지 잔량을 고려하여, 각각의 링크 연결은 에너지 잔량이 최소인 센서 노드가 최소의 전송에너지를 가지는 링크를 연결할 수 있도록 링크 연결을 갱신한다. 다시 말하여, 도 12에 도시된 바와 같이, 제 5 센서 노드(5)는 제 3 센서 노드(3)와 우선적으로 링크 연결을 형성하며, 제 2 센서 노드(2)는 제 3 센서 노드(3)와 링크 연결을 형성한다.After the above-described link connection update period occurs, considering the remaining energy of each sensor node (1, 2, 3, 4, 5, 6), each link connection has a minimum transmission energy of the sensor node having the smallest remaining energy. Update the link connection so that the link with In other words, as shown in FIG. 12, the
다음으로, 도 13에 도시된 바와 같이, 제 2 센서 노드(2)는 제 1 센서 노드(1)와 링크 연결을 형성하며, 제 6 센서 노드(6)는 제 4 센서 노드(4)와 링크 연결을 형성하여 전체적으로 하나의 체인이 형성되도록 구성한다.Next, as shown in FIG. 13, the
이와 같은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 관리 방법에 따른 체인 구 성을 통하여, 각 센서 노드는 에너지 잔량이 비교적 균일하게 유지되면서, 체인을 형성하게 되며, 이에 따라, 전체 센서 네트워크의 수명이 연장될 수 있고, 센서 네트워크의 수명 기간 동안 센서들이 사멸되지 않으므로 데이터의 신뢰도를 높일 수 있다.Through the chain configuration according to the energy management method according to the second embodiment of the present invention, each sensor node forms a chain, while remaining the energy remaining relatively uniform, thereby, the life of the entire sensor network It can be extended and increase the reliability of the data as the sensors are not killed during the life of the sensor network.
한편, 본 발명의 센서 노드가 링크 차수를 가지며 형성되는 링크 연결 프로토콜 및 센서 노드가 하나의 링크 차수를 가지며 체인을 가지도록 구성되는 링크 연결 프로토콜에 대하여 설명하였으며, 각각의 실시 예에서, 소수의 센서 노드에 대하여 일예로서 설명하였으나, 이러한 각 링크 간 연결 및 링크 연결 갱신 주기에 따른 최적의 링크 연결은 BS(30)가 계산하여 각 센서 노드에 전달할 수 있다.Meanwhile, the link connection protocol in which the sensor node of the present invention has a link order and the sensor node has a link order and is configured to have a chain has been described. In each embodiment, a few sensors are provided. Although the node has been described as an example, the optimal link connection according to each link-to-link and link connection update period may be calculated by the
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 관리 방법이 적용된 사례와, 다른 프로토콜이 적용된 사례의 효과를 실험적으로 측정하여 나타낸 도면이다.14 and 15 are diagrams showing experimentally measuring the effects of the case of applying the energy management method according to an embodiment of the present invention, and the case of applying a different protocol.
상기 도 14 및 도 15에서, 센서 노드는 초기 에너지를 0.25J을 가지고 있으며, 센서 네트워크는 한 변이 50m인 정방형의 모습에 100개의 센서 노드가 임의로 분포되어 있고, BS는 중앙점으로부터 125m 떨어져 있다고 가정한다. 여기서 사용되는 에너지는 전송 에너지만을 고려하여 얻어진 값이다.14 and 15, the sensor node has an initial energy of 0.25J, and the sensor network assumes that 100 sensor nodes are randomly distributed in a square shape of 50m on one side, and the BS is 125m away from the center point. do. The energy used here is a value obtained by considering only transmission energy.
상기 도 14는 LEACH, PEGASIS, PEDAP, PEDAP-PA와 본 발명에 따른 에너지 관리 방법이 적용되는 센서 네트워크 수명 동안 10번의 링크 연결 갱신을 실시한 결과 정상적으로 동작하는 센서 노드의 수를 각 주기 단위로 점검하여 표시하였다.FIG. 14 shows the number of sensor nodes operating normally in each cycle as a result of performing 10 link connection updates during the life of the sensor network to which LEACH, PEGASIS, PEDAP, PEDAP-PA and the energy management method according to the present invention are applied. Indicated.
도 14에 도시된 바와 같이 센서 노드들은 거의 비슷한 수명을 가지는 것을 알 수 있으며 또한 본 발명에 따른 센서 노드의 평균 수명을 계산하여 보면 다른 모든 방식보다 연장된 평균수명을 가지고 있음을 알수 있다. 다시 말하면, 본 발명에 따른 에너지 관리 방법이 적용된 시스템은 센서 노드가 미리 사멸하는 경우를 줄여서 센서 네트워크의 데이터 품질을 최상으로 유지시켜 주며 동시에 가장 오fot동안 센서 네트워크가 동작할 수 있다. As shown in FIG. 14, it can be seen that the sensor nodes have almost similar lifespans, and also by calculating the average lifespan of the sensor nodes according to the present invention, it can be seen that they have an extended life expectancy than all other methods. In other words, the system to which the energy management method according to the present invention is applied maintains the best data quality of the sensor network by reducing the case where the sensor node dies in advance, and at the same time, the sensor network can be operated for the most false.
도 15는 본 발명의 에너지 관리 방법이 적용된 체인 알고리즘을 사용하여 센서 네트워크의 수명기간 동안 5번, 10번, 15번을 링크 연결 갱신을 실시한 결과, 계산된 센서 노드의 수명을 주기 단위로 표시한 것이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 5주기 일 때보다 10주기의 경우 수명이 균등해 지는 것이 확연히 드러나는 반면에 10주기와 15주기의 두 경우는 거의 유사한 수명 분포를 가진다. 즉, 본 발명이 적용되는 에너지 관리 방법에서 링크 연결 갱신이 10회가 바람직함을 알 수 있다. 그러나 센서네트워크의 크기가 커지면 센서 노드 수명의 분포가 확산되는 성질이 있으므로 10회 이상의 재구성을 해야 수명 분포를 안정되게 만들 수 있을 것이다. 다만 실제 재구성에서 상당한 에너지가 소요된다면 재구성 횟수는 10회 이내로 제한하는 것이 바람직할 것이다.FIG. 15 shows the calculated life cycles of sensor nodes in units of cycles as a result of performing
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and similarities. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the illustrated embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims and equivalents thereof.
상술한 바와 같이 본 발명에서 제안하는 본 발명의 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법 및 시스템에 따르면, 일정 영역 내에 분포하는 센서 노드들을 연결하는 링크 연결을 일정 주기마다 새롭게 갱신함으로써, 전체 센서 노드들의 에너지 소모를 균일화함으로써, 센서 네트워크의 수명을 최대화하고, 각 센서 노드들로부터 수집된 데이터의 신뢰도를 개선할 수 있다.As described above, according to the energy management method and system in the sensor network environment of the present invention proposed by the present invention, the energy of all the sensor nodes by newly updating the link connection for connecting the sensor nodes distributed in a certain area at regular intervals. By equalizing consumption, it is possible to maximize the life of the sensor network and improve the reliability of data collected from each sensor node.
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