KR101373920B1 - 데이터 전송 경로 설정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

데이터 전송 경로 설정 장치 및 방법이 개시된다. 개시된 데이터 전송 경로 설정 장치는 싱크 노드로부터의 거리에 기초하여 다수의 클러스터를 하나 이상의 클러스터를 각각 포함하는 2 이상의 클러스터 그룹으로 분류하는 클러스터 그룹핑부; 상기 클러스터 그룹 단위의 제1 데이터 전송 경로를 설정하는 제1 데이터 전송 경로 설정부; 및 상기 제1 데이터 전송 경로에 기반하여 클러스터 단위의 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 제2 데이터 전송 경로 설정부를 포함한다.

Description

데이터 전송 경로 설정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SETTING TRANSMISSION PATH}
본 발명의 실시예들은 클러스터 단위로 구획되는 무선 네트워크에서의 데이터 전송 경로를 설정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
센서 노드는 제한된 에너지 자원(일례로, 배터리)를 통해 구동되고, 이를 교체하는 것은 매우 어려우므로, 센서 노드의 수명을 최대화하는 것은 무선 센서 네트워크 분야에서 매우 중요한 이슈이다.
일반적으로, 센서 노드는 주기적으로 또는 특정 이벤트가 발생한 경우 데이터를 생성하고 생성된 데이터를 싱크 노드로 전달하는데, 데이터의 전송은 센서 노드에서의 에너지 소비의 주된 원인이다. 따라서, 센서 노드의 수명을 늘리기 위해서는 데이터의 전송 경로를 최적화하여야 한다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 무선 네트워크(100)는 하나의 클러스터 헤드 노드(110) 및 하나 이상의 클러스터 멤버 노드를 포함하는 2 이상의 클러스터(120)로 구획될 수 있다.
클러스터 헤드 노드(110)는 자신이 속한 클러스터(120)에 포함된 클러스터 멤버 노드에서 생성된 데이터를 수집하고 다른 클러스터 헤드 노드(120) 내지 싱크 노드로 데이터를 전달한다. 이 경우에도 무선 네트워크의 전체 수명을 최대화하기 위해서는 앞서 설명한 바와 같이 최적의 데이터 전송 경로가 설정되어야 한다.
그러나, 무선 네트워크의 크기가 커질수록 무선 네트워크에 포함된 클러스터의 개수는 증가하는데, 이러한 경우 모든 클러스터 헤드 노드에 대해 개별적으로 데이터 전송 경로를 설정하는 경우, 경로를 설정 시 소요되는 연산시간 및 연산량이 증가하게 되는 문제점이 있었다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 데이터 전송 경로를 설정함에 있어 소요되는 연산시간 및 연산량을 감소시킬 수 있는 데이터 경로 설정 장치 및 방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 싱크 노드로부터의 거리에 기초하여 다수의 클러스터를 하나 이상의 클러스터를 각각 포함하는 2 이상의 클러스터 그룹으로 분류하는 클러스터 그룹핑부; 상기 클러스터 그룹 단위의 제1 데이터 전송 경로를 설정하는 제1 데이터 전송 경로 설정부; 및 상기 제1 데이터 전송 경로에 기반하여 클러스터 단위의 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 제2 데이터 전송 경로 설정부를 포함하는 것을 데이터 전송 경로 설정 장치가 제공된다.
상기 제2 데이터 전송 경로 설정부는 상기 2 이상의 클러스터 그룹 중 i번째 클러스터 그룹에 포함되는 하나 이상의 클러스터 각각이 상기 i번째 클러스터 그룹의 제1 데이터 전송 경로에 따른 목적지인 다른 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터 중 어떤 클러스터로 데이터를 전송할지를 결정함으로써 상기 i번째 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터에 대한 제2 데이터 전송 경로를 설정할 수 있다.
상기 제1 데이터 전송 경로는 다중 경로(multi path)이고, 상기 제1 데이터 전송 경로 설정부는 상기 2 이상의 클러스터 그룹 중 i번째 클러스터 그룹의 모든 전송 가능 경로 각각을 통해 전송될 수 있는 데이터량의 비율을 설정함으로써 상기 i번째 클러스터 그룹에 대한 제1 데이터 전송 경로를 설정할 수 있다.
상기 제2 데이터 전송 경로는 다중 경로이고, 상기 제2 데이터 전송 경로 설정부는 상기 모든 전송 가능 경로 각각을 통해 전송될 수 있는 데이터량의 비율에 기반하여 상기 i번째 클러스터 그룹에 포함되는 하나 이상의 클러스터 각각이 상기 i번째 클러스터 그룹의 제1 데이터 전송 경로에 따른 목적지인 다른 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터 중 어떤 클러스터로 어느 정도의 양의 데이터를 전송할지를 결정함으로써 상기 i번째 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터에 대한 제2 데이터 전송 경로를 설정할 수 있다.
상기 클러스터 그룹핑부는 상기 싱크 노드로부터의 거리가 소정 거리 범위 내에서 동일한 하나 이상의 클러스터를 하나의 클러스터 그룹으로 분류할 수 있다.
상기 싱크 노드와 상기 클러스터 간의 거리는 상기 싱크 노드와 상기 클러스터에 포함된 클러스터 헤드 노드 간의 거리일 수 있다.
상기 싱크 노드 및 상기 다수의 클러스터를 포함하는 무선 네트워크는 디스크 형상을 가지고, 상기 싱크 노드는 상기 디스크 형상의 중심에 위치하고, 상기 다수의 클러스터는 원의 형상을 가지며, 상기 클러스터 그룹핑부는 상기 무선 네트워크를 다수의 동심원으로 구획하고, 인접한 2개의 동심원에 의해 설정되는 영역에 포함되는 하나 이상의 클러스터를 하나의 클러스터 그룹으로 분류할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 싱크 노드로부터의 거리에 기초하여 다수의 클러스터를 하나 이상의 클러스터를 각각 포함하는 2 이상의 클러스터 그룹으로 분류하는 단계; 상기 클러스터 그룹 단위의 제1 데이터 전송 경로를 설정하는 단계; 및 상기 제1 데이터 전송 경로에 기반하여 클러스터 단위의 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 단계를 포함하는 데이터 전송 경로 설정 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 데이터 전송 경로를 설정함에 있어 소요되는 연산시간 및 연산량을 감소시킬 수 있게 된다.
도 1은 클러스터로 구획되는 종래의 무선 네트워크의 구조를 도시한 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 경로 설정 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 경로 설정 장치가 적용될 수 있는 무선 네트워크의 일례를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 무선 네트워크의 일례에 대한 마르코프 체인 상태도를 도시한 도면이다.
도 5는 AFC 알고리즘의 마르코프 결정 프로세스(Markov decision process)를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 경로 설정 방법의 전체적인 흐름을 도시한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 경로 설정 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 경로 설정 장치(200)는 클러스터 그룹핑부(210) 및 데이터 전송 경로 설정부(220)를 포함한다. 이하, 각 구성 요소 별로 그 기능을 상세히 설명하기로 한다.
클러스터 그룹핑부(210)는 무선 네트워크 필드 상에 존재하는 다수의 클러스터들을 2 이상의 클러스터 그룹으로 분류(그룹핑)한다.
보다 상세하게, 클러스터 그룹핑부(210)는 싱크 노드로부터의 거리에 기초하여 다수의 클러스터를 2 이상의 클러스터 그룹으로 분류한다. 여기서, 2 이상의 클러스터 그룹 각각은 하나 이상의 클러스터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 클러스터 그룹핑부(210)는 싱크 노드로부터의 거리가 소정 거리 범위 내에서 동일한 하나 이상의 클러스터를 하나의 클러스터 그룹으로 분류할 수 있다.
예를 들어, 무선 네트워크가 도 3에 도시된 바와 같이 디스크 형상을 가지고, 싱크 노드(310)가 디스크 형상을 가지는 무선 네트워크의 중심에 위치하며, 클러스터 헤드 노드(321)를 포함하는 다수의 클러스터(320) 각각이 원의 형상을 가지는 경우, 클러스터 그룹핑부(210)는 디스크 형상의 무선 네트워크를 다수의 동심원(330)으로 구획하고, 인접한 2개의 동심원에 의해 설정되는 영역(340)에 포함되는 하나 이상의 클러스터(320)를 하나의 클러스터 그룹으로 분류할 수 있다. 따라서, 인접한 2개의 동심원에 의해 설정되는 영역(340) 각각은 클러스터 그룹과 대응될 수 있다.
여기서, 인접한 2개의 동심원에 의해 설정되는 영역(340)은 도넛 형상(doughnut-shaped)을 가질 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해, 인접한 2개의 동심원에 의해 설정되는 도넛 형상의 영역(340)을 "클러스터 링"이라 칭하기로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 네트워크 내의 모든 노드들(클러스터 헤드 노드 및 클러스터 멤버 노드를 포함함)에서 생성된 데이터는 클러스터 헤드 노드 간의 데이터 송수신을 통해 싱크 노드로 전송될 수 있는데, 이 경우 싱크 노드와 클러스터 간의 거리는 싱크 노드와 클러스터에 포함된 헤드 노드(클러스터 헤드 노드) 간의 거리일 수 있다. 이 때, 클러스터 헤드 노드는 클러스터에 포함된 다수의 노드들(클러스터 멤버 노드들) 중에서 미리 설정되어 고정될 수도 있고, 다수의 노드들의 잔여 에너지량에 기초하여 다수의 노드들 중에서 반복적으로 선택될 수도 있다.
다음으로, 데이터 전송 경로 설정부(220)는 제1 데이터 전송 경로 설정부(221) 및 제2 데이터 전송 경로 설정부(222)를 포함하며, 싱크 노드(즉, 싱크 노드가 포함된 클러스터 내지 클러스터 그룹)로 데이터를 전송하기 위한 데이터 전송 경로를 설정한다.
이 때, 각 클러스터 헤드 노드의 최대 데이터 전송 범위는 무선 네트워크의 반경보다 크거나 같을 수 있다. 따라서, 각 클러스터 헤드 노드는 싱크 노드를 기준으로 자신보다 더 가까이 위치하는(즉, 내부 클러스터 링에 위치하는) 하나 또는 2 이상의 다른 클러스터 헤드 노드로 데이터를 전송할 수 있다(즉, 클러스터 헤드 노드는 다중 경로(multi-path)로 데이터를 전송할 수 있다).
보다 상세하게, 먼저 제1 데이터 전송 경로 설정부(221)는 클러스터 그룹 단위의 전송 경로인 제1 데이터 전송 경로를 설정한다. 다시 말해, 제1 데이터 전송 경로 설정부(221)는 클러스터 그룹 각각을 하나의 데이터 전송 주체(즉, 하나의 노드)로 가정하여 데이터 전송 경로(제1 데이터 전송 경로)를 설정한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 데이터 전송 경로를 다중 경로일 수 있다. 다시 말해, 클러스터 그룹 단위로 데이터 전송 경로를 판단할 때, 하나의 클러스터 그룹은 하나 또는 2 이상의 다른 클러스터 그룹으로 데이터를 전송할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 데이터 전송 경로 설정부(221)는 2 이상의 클러스터 그룹 중 i번째 클러스터 그룹의 모든 전송 가능 경로 각각을 통해 전송될 수 있는 데이터량의 비율을 설정함으로써 i번째 클러스터 그룹에 대한 제1 데이터 전송 경로를 설정할 수 있다.
예를 들어, 도 3의 일례에서 다수의 클러스터(320)는 5개의 클러스터 그룹(싱크 노드가 포함된 하나의 클러스터 그룹 및 4개의 클러스터 링과 대응되는 4개의 클러스터 그룹)으로 분류될 수 있는데, 제1 데이터 전송 경로 설정부(221)는 5개의 클러스터 그룹 각각을 하나의 데이터 전송 주체로 하여 클러스터 그룹 간의 제1 데이터 전송 경로를 설정할 수 있다.
이 때, 5개의 클러스터 그룹에 대한 모든 전송 가능한 경로는 도 4에 도시된 마르코프 체인 상태도(state diagram of Markov chain)와 같이 표현될 수 있다. 여기서, "c"는 싱크 노드(즉, 싱크 노드가 포함된 클러스터 내지 클러스터 그룹)을 의미하고, "1", "2", "3", "4"는 클러스터 링의 인덱스를 의미하고, 각 클러스터 링 사이의 화살표는 클러스터 링 간의 데이터 전송 경로를 의미한다.
이 때, 1번 클러스터 링, 2번 클러스터 링, 3번 클러스터 링 및 4번 클러스터 링의 모든 전송 가능한 경로는 각각 1개, 2개, 3개, 및 4개가 되는데, 제1 데이터 전송 경로 설정부(221)는 4개의 클러스터 링에 대해 각 데이터 전송 경로로 전송할 데이터의 비율(j1, k1, k2, l1, l2, l3, m1, m2, m3, m4)을 설정함으로써, 4개의 클러스터 링에 대한 제1 데이터 전송 경로를 설정할 수 있다(여기서, j1은 1의 값을 가지고, k1, k2, l1, l2, l3, m1, m2, m3, m4는 모두 0 이상 1 이하의 값을 가지며, k1+k2=1, l1+ l2+l3=1, m1+m2+m3+m4=1의 관계가 성립함).
다음으로, 제2 데이터 전송 경로 설정부(222)는 제1 데이터 전송 경로에 기반하여 클러스터 단위의 데이터 전송 경로(제2 데이터 전송 경로)를 설정한다. 즉, 제2 데이터 전송 경로 설정부(222)는 제1 데이터 전송 경로를 바탕으로 하여 클러스터 단위의 실제적인 데이터 전송 경로를 설정한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 데이터 전송 경로 설정부(222)는 2 이상의 클러스터 그룹 중 i번째 클러스터 그룹에 포함되는 하나 이상의 클러스터 각각이 상기 i번째 클러스터 그룹의 제1 데이터 전송 경로에 따른 목적지인 다른 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터 중 어떤 클러스터로 데이터를 전송할지를 결정함으로써 i번째 클러스터 그룹에 포함된 클러스터에 대한 제2 데이터 전송 경로를 설정할 수 있다.
예를 들어, 상기한 도 4의 일례에서와 같이 클러스터 그룹 단위의 제1 데이터 전송 경로가 설정되고, m1=1, m2=0, m3=0 및 m4=0으로 설정되는 경우, 클러스터 그룹 1에 포함된 클러스터는 클러스터 그룹 2에 포함된 클러스터로 데이터를 전송하여야 하는데, 이 경우 제2 데이터 전송 경로 설정부(222)는 클러스터 그룹 1에 포함된 하나 이상의 클러스터 각각이 (제1 데이터 전송 경로에 따른 목적지인) 클러스터 그룹 2에 포함되는 하나 이상의 클러스터 중 어떤 클러스터로 데이터를 전송할지를 결정함으로써 클러스터 그룹 1에 포함되는 하나 이상의 클러스터에 대한 제2 데이터 전송 경로를 설정할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 데이터 전송 경로 및 제2 데이터 전송 경로가 다중 경로이고, 다중 경로 각각에 대해 전송 데이터량의 비율이 설정된 경우, 제2 데이터 전송 경로 설정부(222)는 i번째 클러스터 그룹의 모든 전송 가능 경로 각각을 통해 전송될 수 있는 데이터량의 비율에 기반하여 i번째 클러스터 그룹에 포함되는 하나 이상의 클러스터 각각이 i번째 클러스터 그룹의 제1 데이터 전송 경로에 따른 목적지인 다른 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터 중 어떤 클러스터로 어느 정도의 양의 데이터를 전송할지를 결정함으로써 i번째 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터에 대한 제2 데이터 전송 경로를 설정할 수 있다.
예를 들어, 상기한 도 4의 일례에서와 같이 클러스터 그룹 단위의 제1 데이터 전송 경로가 설정되고, m1=0.5, m2=0.5, m3=0 및 m4=0으로 설정되는 경우, 클러스터 그룹 1에 포함된 클러스터는 클러스터 그룹 2에 포함된 클러스터 내지 클러스터 그룹 3에 포함된 클러스터로 데이터를 전송하여야 하는데, 이 경우 제2 데이터 전송 경로 설정부(222)는 클러스터 그룹 1에 포함된 하나 이상의 클러스터 각각이 (제1 데이터 전송 경로에 따른 목적지인) 클러스터 그룹 2 또는 클러스터 그룹 3에 포함되는 하나 이상의 클러스터 중 어떤 클러스터로 어느 정도의 양(비율)의 데이터를 전송할지를 결정함으로써 클러스터 그룹 1에 포함되는 하나 이상의 클러스터에 대한 제2 데이터 전송 경로를 설정할 수 있다.
이와 같이, 클러스터 그룹 단위의 제1 데이터 전송 경로를 우선적으로 설정한 후, 제1 데이터 전송 경로를 바탕으로 클러스터 단위의 실제적인 데이터 전송 경로인 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 경우, 무선 네트워크에 포함되는 모든 클러스터 간의 데이터 경로 설정에 소요되는 시간 및 연산량을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
다시 말해, 무선 네트워크의 크기가 커질수록 무선 네트워크에 포함된 클러스터의 수가 증가하는데, 이러한 경우 모든 클러스터들에 대해 개별적으로 데이터 전송 경로를 설정하는 경우, 경로를 설정 시 소요되는 연산시간 및 연산량이 증가하게 된다.
반면에, 본 발명과 같이 클러스터 그룹 단위로 데이터 전송 경로(제1 데이터 전송 경로)를 우선적으로 설정하는 경우, 적은 연산시간 및 연산량을 소요하면서 클러스터 간의 대략적인 데이터 전송 경로를 설정할 수 있게 되며, 대략적으로 설정된 데이터 전송 경로(제1 데이터 전송 경로)를 바탕으로 클러스터 단위의 실질적인 데이터 전송 경로(제2 데이터 전송 경로)를 설정함으로써 실질적인 데이터 전송 경로(제2 데이터 전송 경로)에 소요되는 연산시간 및 연산량 역시 감소시킬 수 있게 된다. 이에 따라 모든 클러스터에 대한 클러스터 간 데이터 전송 경로 설정 시 소요되는 전체 연산시간 및 연산량을 감소시킬 수 있게 된다.
한편, 데이터 전송 경로 설정 장치(200)가 제1 데이터 전송 경로 및 제2 데이터 전송 경로를 설정하기 위해서는 무선 네트워크 내에 존재하는 모든 클러스터 내지 모든 노드에 대한 정보를 알고 있어야 한다. 따라서, 데이터 전송 경로 설정 장치(200)는 무선 네트워크 내의 모든 클러스터에 대한 정보를 알 수 있는 싱크 노드에 설치되는 것이 바람직하다.
이하에서는 2 이상의 클러스터 그룹의 모든 전송 가능 경로 각각을 통해 전송될 수 있는 데이터량의 비율을 설정하는 제1 데이터 전송 경로 설정부(221)의 동작의 일례 및 클러스터 단위의 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 제2 데이터 전송 경로 설정부(222)의 동작의 일례를 상세히 설명하기로 한다.
1. 모든 전송 가능 경로 각각을 통해 전송될 수 있는 데이터량의 비율의 설정
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 데이터 전송 경로 설정부(221)는 무선 네트워크의 전체 에너지 소비량을 최소화하기 위해 AFC(adaptive flow control) 알고리즘을 이용하여 모든 전송 가능 경로 각각을 통해 전송될 수 있는 데이터량의 비율을 설정할 수 있다. 이에 대해 상세히 설명하면 아래와 같다.
AFC 알고리즘에 따르면 노드(즉, 클러스터 그룹) 간의 모든 가능한 데이터 전송 경로를 통한 전송 데이터량을 결정하는 것은 상태 전이 확률 매트릭스(state transition probability matrix) P로 표현될 수 있으며, 상태 전이 확률 매트릭스 P 내의 원소 값들은 특정 간격(granularity) u 단위로 양자화될 수 있다.
상태 s는 상태 집합 S에 속하며, 각 상태에서 액션(action) a는 액션 집합 A에서 랜덤하게 선택된다. 여기서, 액션은 상태 전이 확률 매트릭스 P 내의 원소 값의 증가 또는 감소를 의미한다.
액션 a가 수행된 후, 상태는 s k 에서 s k +1 로 이동하며, 액션 a는 에너지 효율의 관점에서의 이익(benefit)의 연산을 통해 평가(evaluate)된다. 액션 a의 평가의 결과(즉, "reward")는 피드백으로서 액션 선호 매트릭스(action preference matrix) Q에 반영된다. 다음 상태에서, 액션 a의 선택 동작 및 액션 선호 매트릭스(action preference matrix) Q에의 "reward"의 반영 동작이 다시 수행된다.
도 5에서는 상기와 같은 AFC 알고리즘의 마르코프 결정 프로세스(Markov decision process)를 개념적으로 도시하고 있다.
도 5를 참조하면, "Agent"는 액션을 선택하고, "Environment"는 "reward"를 피드백하며, "Agent"는 액션 선호 매트릭스 Q를 업데이트한다. 이 때, 액션 선호 매트릭스 Q에는 모든 가능한 상태-액션 쌍 (s,a)에 대한 선호 값(preference value) Q(s,a)가 저장된다(선호 값 Q(s,a)의 초기 값은 0으로 설정됨).
"Agent"는 현재 상태 s k 에 대한 액션 선호 매트릭스의 원소 값들에 기초하여 액션 a k 를 선택한다(k는 정수로서, 시간 주기를 의미함). 여기서, 액션 a는 아래의 수학식 1에 표현된 바와 같이 Q(s,a)의 값을 고려하여 랜덤하게 설정될 수 있다.
Figure 112011087080009-pat00001
액션 a k 와 다음 상태 s k +1 가 결정되면, "Environment"는 액션 a k 의 "reward"를 연산한다. 여기서, "reward"는 액션 a k 로부터 도출되는 에너지 소비에서의 이득을 의미한다.
이 때, "Environment"는 에너지 소비 함수(energy consumption function) E를 이용하여 "reward"를 연산한다. 보다 상세하게, "Environment"는 아래의 수학식 2에 기초하여 "reward"를 연산할 수 있다.
Figure 112011087080009-pat00002
여기서, R(s k , a k )는 "reward"로서, 상태 s k 에서의 에너지 소비량(E(s k ))과 상태 s k +1 에서의 에너지 소비량(E(s k +1 ))의 차를 E(s k )와 E(s k +1 ) 중 큰 값으로 정규화한 값을 의미한다. 그리고, 에너지 소비량 E(s)는 아래의 수학식 3 내지 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011087080009-pat00003
Figure 112011087080009-pat00004
여기서, U는 싱크 노드가 포함된 클러스터 그룹을 제외한 클러스터 그룹이 속하는 집합(set), u 및 v는 클러스터 그룹의 인덱스, N(v)는 클러스터 그룹 v의 이웃 클러스터 그룹의 집합, f u ,v 는 클러스터 그룹 u로부터 클러스터 그룹 v로 전달되는 데이터량, t u ,v 는 클러스터 그룹 u를 기준으로 할 때 클러스터 그룹 u와 클러스터 그룹 v 사이의 전송 트래픽의 링크 가중치 및 r u ,v 는 클러스터 그룹 u를 기준으로 할 때 클러스터 그룹 u와 클러스터 그룹 v 사이의 수신 트래픽의 링크 가중치를 각각 의미한다.
또한, 수학식 3은 클러스터 링 형상에서의 단위 영역당 에너지 소비량의 최대값을 산출하기 위한 수식이고, 수학식 4는 의 첫번째 수식은 에너지 소비량의 합을 산출하기 위한 수식이다.
한편, 액션 선호 매트릭스 Q는 액션의 수행 후 업데이트된다. 만약, "reward"가 양의 값을 가진다면, "Agent"는 높은 확률을 가지는 액션을 선택한다. 그리고, "reward"는 반복된 액션 및 피드백 프로세스에 의해 강화된다(reinforced). 액션 선호 매트릭스 Q의 업데이트는 아래의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011087080009-pat00005
여기서,
Figure 112011087080009-pat00006
는 피드백의 속도를 조절하기 위한 파라미터를 의미한다.
그리고, 액션 선호 매트릭스 Q의 업데이트가 종료되면, 다음 상태에서의 액션의 선택이 수행됨으로써 AFC 알고리즘이 반복된다.
아래의 표 1에서는 상기에서 설명한 AFC 알고리즘의 코드를 표시하고 있다.
1: initialize S, P, Q;
2: ∀s∈S, ∀a∈A;
3: k = 0;
4: Loop
5: Choose a k in s k according to Gibbs softmax method
6:
Figure 112011087080009-pat00007

7: Get reward from action
8:
Figure 112011087080009-pat00008

9: Update Q
10:
Figure 112011087080009-pat00009

11: Move to the next state
12: k=k+1
13: end loop;
2. 클러스터 단위의 제2 데이터 전송 경로를 설정
제1 데이터 전송 경로 설정이 완료된 후, 제2 데이터 경로 설정부(222)는 FA-C(flow augmentation algorithm for clustered networks) 알고리즘을 이용하여 클러스터 단위의 제2 데이터 전송 경로를 설정할 수 있다.
이하에서는 도 4의 일례와 같이 제1 데이터 전송 경로가 설정된 경우, 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 제2 데이터 전송 경로 설정부(222)의 동작을 상세히 설명한다.
FA-C 알고리즘은 2 가지의 단계(phase)로 구분되는데, 하나는 클러스터 헤드 노드(즉, 클러스터 단위로 데이터를 전송하는 주체인 릴레이 노드)를 선택하여 데이터 전송 경로를 설정하는 단계이고, 다른 하나는 설정된 데이터 전송 경로에 따라 데이터가 전송되는 단계이다.
먼저, 클러스터 헤드 노드를 선택하여 데이터 전송 경로를 설정하는 단계에서, 각 클러스터에 포함되는 클러스터 멤버 노드들 중에서 잔여 에너지량이 최대인 클러스터 멤버 노드가 클러스터 헤드 노드로 선택된다. 그리고, (데이터 전송의 출발지인) 소스 클러스터 그룹 내에 포함된 클러스터 헤드 노드로부터 싱크 노드 방향으로 데이터를 전송할 다음 클러스터 헤드 노드가 선택된다.
이 때, 제1 데이터 전송 경로에 따른 다음 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터 헤드 노드 중에서 아래의 수학식 6과 같이 표현되는 링크 비용이 최소가 되도록 하는 클러스터 헤드 노드가 다음 클러스터 헤드 노드로 선택된다.
Figure 112011087080009-pat00010
여기서, costij는 링크 (i,j)의 링크 비용, x 1, x 2 및 x 3는 양의 가중치(weighting factor), d ij 는 링크(i, j)의 거리, p tx 는 데이터 전송 시의 소비 에너지에 대한 함수를 의미한다.
한편, AFC 알고리즘의 수행의 결과로서, 하나의 클러스터 헤드 노드는 다수의 다음 클러스터 헤드 노드를 가질 수 있다(다수의 다음 클러스터 헤드 노드 각각은 서로 다른 클러스터 그룹에 포함됨). 따라서, 하나의 클러스터 헤드 노드에서의 다음 클러스터 헤드 노드의 선택 동작은 반복적으로 수행될 수 있다.
다음으로, 설정된 데이터 전송 경로에 따라 데이터가 전송되는 단계에서는 클러스터 헤드 노드가 자신의 클러스터 멤버 노드들로부터 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 다음 클러스터 헤드 노드로 전송한다. 이 때, 전송되는 데이터량은 AFC 알고리즘에 따라 결정되는 데이터량에 기초하여 설정될 수 있다.
아래의 표 2에서는 상기에서 설명한 FC-A 알고리즘의 코드를 표시하고 있다.
1: For each cluster-ring in network
2: For each cluster in cluster-ring
3: Find a node which has the most residual energy
4: and make it a relay node;
5: If next hop is sink node
6: End for each cluster in cluster-ring;
7: For each next cluster-ring of non-zero data flow
8: Find a node which has the minimum link cost
9: in transmission range given by
10:
Figure 112011087080009-pat00011

11: If next hop is sink node
12: End for each cluster in cluster-ring;
13: Goto line 7;
14: End for each next cluster-ring of non-zero data flow;
15: End for each cluster in cluster-ring;
16:End for each cluster-ring in network;
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 경로 설정 방법의 전체적인 흐름을 도시한 순서도이다. 이하, 각 단계 별로 수행되는 과정을 설명한다.
먼저, 단계(S610)에서는 싱크 노드로부터의 거리에 기초하여 다수의 클러스터를 하나 이상의 클러스터를 각각 포함하는 2 이상의 클러스터 그룹으로 분류한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단계(S610)에서는 싱크 노드로부터의 거리가 소정 거리 범위 내에서 동일한 하나 이상의 클러스터를 하나의 클러스터 그룹으로 분류할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 싱크 노드와 클러스터 간의 거리는 싱크 노드와 클러스터에 포함된 클러스터 헤드 노드 간의 거리일 수 있다.
또한 싱크 노드 및 다수의 클러스터를 포함하는 무선 네트워크 필드는 디스크 형상을 가지고, 싱크 노드는 디스크 형상의 중심에 위치하고, 다수의 클러스터는 원의 형상을 가지는 경우, 단계(S610)에서는 무선 네트워크 필드를 다수의 동심원으로 구획하고, 인접한 2개의 동심원에 의해 설정되는 영역에 포함되는 하나 이상의 클러스터를 하나의 클러스터 그룹으로 분류할 수 있다.
다음으로, 단계(S620)에서는 클러스터 그룹 단위의 제1 데이터 전송 경로를 설정한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 데이터 전송 경로가 다중 경로인 경우, 단계(S620)에서는 2 이상의 클러스터 그룹 중 i번째 클러스터 그룹의 모든 전송 가능 경로 각각을 통해 전송될 수 있는 데이터량의 비율을 설정함으로써 i번째 클러스터 그룹에 대한 제1 데이터 전송 경로를 설정할 수 있다.
마지막으로, 단계(S630)에서는 제1 데이터 전송 경로에 기반하여 클러스터 단위의 제2 데이터 전송 경로를 설정한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단계(S630)에서는 2 이상의 클러스터 그룹 중 i번째 클러스터 그룹에 포함되는 하나 이상의 클러스터 각각이 i번째 클러스터 그룹의 제1 데이터 전송 경로에 따른 목적지인 다른 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터 중 어떤 클러스터로 데이터를 전송할지를 결정함으로써 i번째 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터에 대한 제2 데이터 전송 경로를 설정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 데이터 전송 경로 및 제2 데이터 전송 경로는 다중 경로인 경우, 단계(S630)에서는 모든 전송 가능 경로 각각을 통해 전송될 수 있는 데이터량의 비율에 기반하여 i번째 클러스터 그룹에 포함되는 하나 이상의 클러스터 각각이 i번째 클러스터 그룹의 제1 데이터 전송 경로에 따른 목적지인 다른 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터 중 어떤 클러스터로 어느 정도의 양의 데이터를 전송할지를 결정함으로써 i번째 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터에 대한 제2 데이터 전송 경로를 설정할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 데이터 전송 경로 설정 방법의 실시예들에 대하여 설명하였으며, 이에는 앞서 도 2에서 설명한 데이터 전송 경로 설정 장치(200)에 관한 구성이 그대로 적용될 수 있다. 따라서, 데이터 전송 경로 설정 방법에 대한 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 일 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 싱크 노드로부터의 거리에 기초하여 다수의 클러스터를 하나 이상의 클러스터를 각각 포함하는 2 이상의 클러스터 그룹으로 분류하는 클러스터 그룹핑부;
    상기 클러스터 그룹 단위의 제1 데이터 전송 경로를 설정하는 제1 데이터 전송 경로 설정부; 및
    상기 제1 데이터 전송 경로에 기반하여 클러스터 단위의 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 제2 데이터 전송 경로 설정부
    를 포함하되,
    상기 제1 데이터 전송 경로는 다중 경로(multi path)이고,
    상기 제1 데이터 전송 경로 설정부는
    상기 2 이상의 클러스터 그룹 중 i번째 클러스터 그룹의 모든 전송 가능 경로 각각을 통해 전송될 수 있는 데이터량의 비율을 설정함으로써 상기 i번째 클러스터 그룹에 대한 제1 데이터 전송 경로를 설정하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 경로 설정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 데이터 전송 경로 설정부는
    상기 2 이상의 클러스터 그룹 중 i번째 클러스터 그룹에 포함되는 하나 이상의 클러스터 각각이 상기 i번째 클러스터 그룹의 제1 데이터 전송 경로에 따른 목적지인 다른 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터 중 어떤 클러스터로 데이터를 전송할지를 결정함으로써 상기 i번째 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터에 대한 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 경로 설정 장치.
  3. 삭제
  4. 싱크 노드로부터의 거리에 기초하여 다수의 클러스터를 하나 이상의 클러스터를 각각 포함하는 2 이상의 클러스터 그룹으로 분류하는 클러스터 그룹핑부;
    상기 클러스터 그룹 단위의 제1 데이터 전송 경로를 설정하는 제1 데이터 전송 경로 설정부; 및
    상기 제1 데이터 전송 경로에 기반하여 클러스터 단위의 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 제2 데이터 전송 경로 설정부
    를 포함하되,
    상기 제2 데이터 전송 경로는 다중 경로이고,
    상기 제2 데이터 전송 경로 설정부는
    모든 전송 가능 경로 각각을 통해 전송될 수 있는 데이터량의 비율에 기반하여 상기 2 이상의 클러스터 그룹 중 i번째 클러스터 그룹에 포함되는 하나 이상의 클러스터 각각이 상기 i번째 클러스터 그룹의 제1 데이터 전송 경로에 따른 목적지인 다른 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터 중 어떤 클러스터로 어느 정도의 양의 데이터를 전송할지를 결정함으로써 상기 i번째 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터에 대한 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 경로 설정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 클러스터 그룹핑부는
    상기 싱크 노드로부터의 거리가 소정 거리 범위 내에서 동일한 하나 이상의 클러스터를 하나의 클러스터 그룹으로 분류하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 경로 설정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 싱크 노드와 상기 클러스터 간의 거리는 상기 싱크 노드와 상기 클러스터에 포함된 클러스터 헤드 노드 간의 거리인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 경로 설정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 싱크 노드 및 상기 다수의 클러스터를 포함하는 무선 네트워크는 디스크 형상을 가지고, 상기 싱크 노드는 상기 디스크 형상의 중심에 위치하고, 상기 다수의 클러스터는 원의 형상을 가지며,
    상기 클러스터 그룹핑부는 상기 무선 네트워크를 다수의 동심원으로 구획하고, 인접한 2개의 동심원에 의해 설정되는 영역에 포함되는 하나 이상의 클러스터를 하나의 클러스터 그룹으로 분류하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 경로 설정 장치.
  8. 싱크 노드로부터의 거리에 기초하여 다수의 클러스터를 하나 이상의 클러스터를 각각 포함하는 2 이상의 클러스터 그룹으로 분류하는 단계;
    상기 클러스터 그룹 단위의 제1 데이터 전송 경로를 설정하는 단계; 및
    상기 제1 데이터 전송 경로에 기반하여 클러스터 단위의 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 단계
    를 포함하되,
    상기 제1 데이터 전송 경로는 다중 경로이고,
    상기 제1 데이터 전송 경로를 설정하는 단계는
    상기 2 이상의 클러스터 그룹 중 i번째 클러스터 그룹의 모든 전송 가능 경로 각각을 통해 전송될 수 있는 데이터량의 비율을 설정함으로써 상기 i번째 클러스터 그룹에 대한 제1 데이터 전송 경로를 설정하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 경로 설정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 단계는
    상기 2 이상의 클러스터 그룹 중 i번째 클러스터 그룹에 포함되는 하나 이상의 클러스터 각각이 상기 i번째 클러스터 그룹의 제1 데이터 전송 경로에 따른 목적지인 다른 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터 중 어떤 클러스터로 데이터를 전송할지를 결정함으로써 상기 i번째 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터에 대한 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 경로 설정 방법.
  10. 삭제
  11. 싱크 노드로부터의 거리에 기초하여 다수의 클러스터를 하나 이상의 클러스터를 각각 포함하는 2 이상의 클러스터 그룹으로 분류하는 단계;
    상기 클러스터 그룹 단위의 제1 데이터 전송 경로를 설정하는 단계; 및
    상기 제1 데이터 전송 경로에 기반하여 클러스터 단위의 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 단계
    를 포함하되,
    상기 제2 데이터 전송 경로는 다중 경로이고,
    상기 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 단계는
    모든 전송 가능 경로 각각을 통해 전송될 수 있는 데이터량의 비율에 기반하여 상기 2 이상의 클러스터 그룹 중 i번째 클러스터 그룹에 포함되는 하나 이상의 클러스터 각각이 상기 i번째 클러스터 그룹의 제1 데이터 전송 경로에 따른 목적지인 다른 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터 중 어떤 클러스터로 어느 정도의 양의 데이터를 전송할지를 결정함으로써 상기 i번째 클러스터 그룹에 포함된 하나 이상의 클러스터에 대한 제2 데이터 전송 경로를 설정하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 경로 설정 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 2 이상의 클러스터 그룹으로 분류하는 단계는
    상기 싱크 노드로부터의 거리가 소정 거리 범위 내에서 동일한 하나 이상의 클러스터를 하나의 클러스터 그룹으로 분류하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 경로 설정 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 싱크 노드와 상기 클러스터 간의 거리는 상기 싱크 노드와 상기 클러스터에 포함된 클러스터 헤드 노드 간의 거리인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 경로 설정 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 싱크 노드 및 상기 다수의 클러스터를 포함하는 무선 네트워크 필드는 디스크 형상을 가지고, 상기 싱크 노드는 상기 디스크 형상의 중심에 위치하고, 상기 다수의 클러스터는 원의 형상을 가지며,
    상기 2 이상의 클러스터 그룹으로 분류하는 단계는 상기 무선 네트워크 필드를 다수의 동심원으로 구획하고, 인접한 2개의 동심원에 의해 설정되는 영역에 포함되는 하나 이상의 클러스터를 하나의 클러스터 그룹으로 분류하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 경로 설정 방법.
  15. 제8항, 제9항 및 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
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