KR101378257B1 - 무선 센서 네트워크에서 가상 백본 구축 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network)에서 가상 백본(Virtual Backbone) 구축 방법에 있어서, 네트워크 내에서 게이트웨이 혹은 싱크(Sink) 노드를 'Dominator' 상태로 설정하고, 'Dominator' 상태로 설정된 노드의 전송 범위 내에 위치한 이웃 노드(Neighbors)를 'CoveredByDominator' 상태로 설정하고, 나머지 노드를 'NULL' 상태로 설정하는 과정과, 네트워크 내의 각 노드에서 이웃 노드들에게 주기적으로 비컨(Beacon) 프레임을 전송하는 과정과, 'CoveredByDominator' 상태의 각 노드가 'NULL' 상태의 이웃 노드들로부터 비컨 프레임을 수신하여, 디퍼 타이머(Defer Timer)의 지속시간을 계산하고 지속시간만큼 디퍼 타이머를 동작시키는 과정과, 'CoveredByDominator' 상태의 각 노드 중에서 가장 먼저 디퍼 타이머가 만료된 노드를 'Dominator' 상태로 변환하는 과정을 포함한다.
MANET, Virtual Backbone, WSN, WMN, Broadcast Storm, CDS

Description

무선 센서 네트워크에서 가상 백본 구축 방법{METHOD FOR CONSTRUCTION VIRTUAL BACKBONE IN WIRELESS SENSOR NETWORKS}
도 1은 무선 애드 혹(ad hoc) 네트워크에서 백본(backbone)의 예시도
도 2는 CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance) 방식에서 시간에 따른 각 노드의 전송 동작 흐름도
도 3은 일반적인 IEEE 802.15.4 표준에서 사용하는 비컨(Beacon) 프레임의 프레임 구성도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 가상 백본 구축 동작 흐름도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 가상 백본 구축 방법에서 개별 노드들의 각 상태 변환을 나타내는 흐름도
본 발명은 무선 센서 네트워크에 관한 것으로서, 특히 무선 센서 네트워크에서 링크 퀄리티(link quality)를 고려한 가상 백본(Virtual Backbone)을 구축하는 방법에 관한 것이다.
통상적으로 애드 혹(ad hoc) 네트워크란 모든 노드들이 제어 기능의 차이나 논리적 계층의 차이 없이 동등한 입장에서 서로 네트워크를 구성하여 통신하는 네트워크의 구조를 말한다. 애드 혹 네트워크는 기존에 존재하는 기간 네트워크를 사용하지 않고 제한된 전송 범위를 가지기 때문에, 멀티 홉(Multi-hop) 통신을 이용해야 한다. 그러므로 각각의 노드는 호스트(Host)일 뿐만 아니라, 라우터(Router)의 동작도 수행한다. 또한 통신 링크 구축의 대상이 제한되어 있지 않으므로 유연한 네트워크 구성이 가능하다.
이러한 무선 애드 혹 네트워크(Wireless Ad hoc network)의 기술적 진화는 무선 센서 네트워크(WSN: Wireless Sensor Network, 이하 'WSN'으로 표시하기로 한다)와 무선 메쉬 네트워크(WMN: Wireless Mesh Networks, 이하 'WMN'으로 표시하기로 한다)(참조 문헌: IEEE 802.15.4 Specification, 2003) 등 다양한 애플리케이션(Application)들의 기술적 토대를 제공하고 있다. 네트워크상에 임의로 배치된 노드는 호스트(Host)와 라우터(Router)의 역할을 동시에 수행함으로써 다른 무선 데이터 통신(Infrastructure)과 기술적 차별화를 이루고 있으며, 지그비(Zigbee), RFID(Radio Frequency Identification), UWB(Ultra Wide Band), WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access)등의 다양한 무선 데이터 통신기술들의 발전과 비용 효율화 측면의 장점으로 인하여 향후에도 지속적으로 WSN과 WMN의 수요가 확대될 것으로 전망되고 있다.
한편 네트워크 기기의 고장이나 네트워크에서 발생한 브로드캐스트 패킷이 네트워크 전체에 의해서 루프를 발생시키는 등의 원인으로 인하여 네트워크상에 브 로드캐스트 스톰(Broadcast Srorm) 현상이 발생할 수 있다. 브로드캐스트 스톰이 발생하면 네트워크의 전 대역이 포화 상태가 되기 때문에 네트워크가 동작 불능 상태에 빠질 수 있다. 이러한 브로드캐스트 스톰 문제를 완화시켜 전체 네트워크의 효율성을 향상시킬 수 있는 방안으로 가상 백본(Virtual Backbone)을 구성하는 방법이 있다.
가상 백본은 WSN과 WMN에서 발생하는 브로드캐스트 스톰 문제를 해결하기 위한 방법으로 제시되고 있으며(참조문헌: S.-Y.Ni, Y.-C.Tseng, T.-S.Chen, and J.-P.Sheu, "The Broadcasting Storm Problem in Mobile Ad Hoc Network, Mobile Computing Network (MOBICOM)", pp.151-162, Aug.1999.), 네트워크망에서 라우팅(routing)과 백업 루트(backup route)로 재활용될 수 있는 가치를 지니고 있다. 이러한 가상 백본을 구축하는 방법으로 Connected Dominating(or Dominator) Set(이하 'CDS'라 표시하기로 한다)이라는 방법이 제안되고 있으며, 이 접근방식은 네트워크 토폴로지(topology)의 클러스터 포메이션(Cluster Formation)과 유사한 방법이라 할 수 있다.(참조문헌: S.-Y.Ni, Y.-C.Tseng, T.-S.Chen, and J.-P.Sheu, "The Broadcasting Storm Problem in Mobile Ad Hoc Network, Mobile Computing Network (MOBICOM)", pp.151-162, Aug.1999.)
도 1은 무선 애드 혹 네트워크에서 백본의 예시도이다. 도 1은 무선 애드 혹 네트워크에서 가상 백본과 CDS의 구축에 관한 예를 보여준다. 가상 백본의 개념을 설명하기 위해 몇 가지 용어를 정의하기로 한다.
- 이웃 노드(neighbor) : 특정 노드의 전송 범위 내에 위치한 주변의 노 드(A neighbor indicates any node which is placed within a transmission range from a node)
- U : 네트워크 내에 위치한 모든 노드의 집합(Set of all nodes which are placed within a network)
- CDS : Connected Dominating Set
- N[i] : 노드 i와 노드 i의 이웃 노드들의 집합(Set of neighbors and node itself at node i)
- 가상 백본(Virtual Backbone) : ∪ N[s]=U , ∀s ∈ CDS 일 때 가상 백본(Virtual Backbone)이 성공적으로 구축되었다고 판단한다.(CDS 내의 어떠한 노드에서도 CDS를 통해 다른 노드에 도달할 수 있다)(Any node in CDS can be reached each other through CDS)
도 1을 참조하면 무선 애드 혹 네트워크는 다수의 모바일 노드(120)가 무선 링크(140)로 연결되어 있는 형태이며 상기에 설명한 대로 도미네이터 노드 들의 집합으로 형성된 백본 노드(130)를 포함하며, 또한 각 노드는 각 노드만의 전송 범위(110)를 가진다. 도 1에 도시한 바와 같이 가상 백본을 구성하는 것은 네트워크의 토폴로지를 구축하는 문제이며, 도 1은 CDS의 개념을 이용한 가상 백본 구성의 예를 보여준다. 다양한 형식의 CDS 구성방법이 현재까지 제안되어 있으며, 그 접근방법 등은 다음과 같이 분류될 수 있다.
CDS 연구의 초기에 제안된 접근방식은 전체 네트워크의 토폴로지를 이미 알고 있다는 전제 하에 CDS를 구성하는 방식이며, 두번째 방식은 각각의 노드들로부 터 2-hop away의 정보를 이용하는 방법이다. 최근의 접근방식은 지역화(localized)된 정보, 즉 1-hop away의 정보만을 이용하여 CDS를 구성하는 방법들을 모색하고 있다. 기본적으로 최적(optimal)의 CDS의 구성은 NP-hard(Non-deterministic Polynomial-time hard)의 문제로 위에서 언급된 방법들은 각각의 특성을 활용한 경험적 접근방법(heuristic approach)이다. 기본적으로 모바일 애드 혹 네트워크(MANET: Mobile Ad hoc Network)에서는 네트워크 전체의 토폴로지를 알 수 있다는 가정은 적합하지 않기 때문에 이에 대한 구체적 설명은 생략하기로 한다.
CEDAR(Core Extraction Distributed Ad hoc Routing) 프로토콜은 비컨(beacon)을 통하여 도미네이터(dominator), 이웃 노드(neighbor)의 수, 자신을 도미네이터로 선택한 이웃 노드들의 수 등에 관한 정보를 교환하며 CDS를 구성해 나간다. 이웃 노드의 선택에 의해서 개별 노드가 도미네이터로 변환될 수 있다.
참고문헌(J. Wu, "Extended Dominating-Set-Based Routing in Ad Hoc Wireless Networks with Unidirectional Links, IEEE Transaction on Parallel and Distributed Computing", 22, 1-4, pp. 327-340, 2002)에서 제안된 방법은 이단계 과정(Two-step Process)이다. 처음 단계에서 마킹 프로세스(Marking Process)를 이용하여 초기(initial) CDS를 구성한다. 두번째 단계에서 모든 노드들은 그들의 이웃 노드들과 자신의 이웃 리스트들을 교환한다. 만약 자신의 모든 이웃 노드가 양방향으로 연결(pair-wise)된 두 이웃 노드들의 이웃 리스트의 합집합에 포함된다면 초기 CDS로부터 자신을 제거시키는 방법이다. 이러한 경험적 접근 방법을 사용하여 최소의(minimal) CDS 구성을 목표로 한다.
참고문헌(B. Kim, J. Yang, D. Zhou, and M.-T. Sun, "Energy-Aware Connected Dominating Set Construction in Mobile Ad Hoc Networks," Fourteenth International Conference on Computer Communications and Networks (ICCCN 2005), San Diego, CA, October 2005)에서는 타이머(Timer)를 이용한 최소의 CDS의 구성을 목표로 하고 있다.
한편 모바일 네트워크에서는 무선 호스트들이 무선 채널을 효율적으로 공유하기 위한 매체 접근 제어 프로토콜이 요구되며, 이 방식은 분산적으로 이루어져야 한다. CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance)는 모바일 애드 혹 네트워크의 특성을 잘 반영할 수 있는 분산적인 매체 접근 제어 프로토콜로서 현재 다양하게 사용되고 있다.
도 2는 CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance) 방식에서 시간에 따른 각 노드의 전송 동작 흐름도이다. 도 2를 참조하여 CSMA-CA 방식에서 타이머가 어떻게 사용되는지 살펴보기로 한다. CSMA/CA 방식의 맥 프로토콜은 프레임 전송시 신뢰성 있는 통신을 보장하기 위해 전송된 데이터에 대한 응답(Acknowledgment)을 제한된 시간 안에 수신토록 하는 ARQ(Automatic Repeat reQuest)방식을 사용한다.
도 2를 참조하면, 먼저 송신기(sender)는 DIFS(DCF Inter-Frame Space)(210) 만큼 기다린 후 RTS(Request To Send)(220)를 전송한다. 수신기(Receiver)는 수신 준비가 되었으면 SIFS(Short Inter-Frame Space)(230) 만큼 기다린 후 CTS(Clear To Send)(240)를 송신하여 응답한다. 송신기는 SIFS(230) 만 큼 기다린 후 데이터(250)를 송신하고, 수신기는 데이터(250) 수신 후 SIFS(230) 만큼 기다린 후 ACK(Acknowledgement)(260)로 응답한다.
CSMA/CA 방식의 맥 프로토콜에서 프레임 전송을 원하는 스테이션(station)은 먼저 채널의 상태를 센싱(sensing)한다. 센싱 결과, 채널이 다른 스테이션에 의해 사용되지 않는 아이들(idle) 상태이면 프레임을 전송한다. 만일, 다른 스테이션이 채널을 사용 중인 비지(busy)상태이면, 어느 정도의 시간 동안 프레임 전송을 지연시킨 후 다시 전송을 시도한다.(Defer Access). 이렇게 채널이 비지 상태인 경우, 프레임 전송을 지연시키는 과정을 백오프(backoff) 과정이라고 하며, 프레임 전송을 지연시킬 시간은 백오프 과정으로 진행하는 순간 랜덤(random)하게 결정되는데, 이 시간을 백오프 시간(backoff time)이라 한다. 즉, 다른 스테이션이 채널 사용을 끝냈을 때, DIFS 기간 동안 채널이 아이들(idle) 상태임을 확인한 다음, 프레임 전송하기를 기다린 또 다른 스테이션과 충돌을 피하기 위해 백오프 시간으로 백오프 타이머(backoff timer)(270)를 설정하고, 이 백오프 타이머(270)가 감소하여 '0'이 되면 그때 데이터를 전송할 수 있다. 실제로 프레임을 전송하기 전까지 단순히 백오프 시간만큼 지연되는 것이 아니라, 추가적으로 백오프 과정에 있는 동안 채널이 비지(busy)상태에 있던 시간만큼 더 지연되게 된다. 즉, 백오프 과정에 들어갈 때, 해당 스테이션은 백오프 시간으로 백오프 타이머(270)를 초기 설정한 후, 채널이 아이들(idle)한 상태에서만 백오프 타이머(270)를 감소시켜 나가다가 백오프 타이머(270)가 '0'이 되면 프레임을 전송한다. 따라서, 채널이 아이들 상태로 판단되어 백오프 타이머(270)를 감소시키는 도중 채널이 다시 비지 상태가 되 면, 백오프 타이머(270)를 정지시킨 후 기다리다가 채널이 다시 아이들 상태가 되면 백오프 타이머(270)를 다시 감소시켜 나간다.
CSMA/CA 방식에서는 또한 RTS(220)/CTS(240)(Request to Send/Clear to Send) 등의 제어 패킷(control packet)을 도입하여 스테이션들이 자신이 채널을 사용할 기간을 예약하여 해당 기간을 이웃 스테이션들에게 알려 이 기간 동안 다른 스테이션들이 전송 매체를 사용하지 않게 함으로써 무선 채널에서의 충돌 가능성을 더욱 낮추고 있다.
패킷 간의 충돌(Collision)을 회피하기 위한 방법으로 사용되는 타이머로써 백오프(Backoff) 타이머는 디퍼(Defer) 타이머로 간주 될 수 있으며 패킷의 재전송 시 트래픽 폭주(traffic congestion)를 회피하기 위해 사용되고 있다. 이러한 개념을 이용하여 참고문헌(B. Kim, J. Yang, D. Zhou, and M.-T. Sun, "Energy-Aware Connected Dominating Set Construction in Mobile Ad Hoc Networks," Fourteenth International Conference on Computer Communications and Networks (ICCCN 2005), San Diego, CA, October 2005)에서는 CDS를 구성하고 있으며, 최소의 CDS에 근접한 결과를 얻고 있다.
기존의 CDS 구축은 최소의 CDS구성을 목표로 하여 이루어지고 있으며, 그 접근방식 또한 unit-disc approach를 사용함으로 인해, 전체적인 네트워크의 효율성을 고려하지 못하고 있다. 무선 센서 네트워크의 메쉬(mesh)망에서는 센서들간의 커뮤니케이션이 단기간에 빈번하게 이루어질 수 있으므로, 이에 대한 효과적 대처방안을 고려하여 백본을 구성하는 것이 요구된다 할 수 있다. 기존의 타이머를 활 용한 방법은 단순히 멀리 있는 이웃 노드를 선택함으로 인하여 최소 경로(shortest path)만을 선택하게 고안되어 있다. 무선 센서 네트워크의 메쉬 망에서는 최소 경로가 더 좋은 링크 퀄리티(link quality)를 보장할 수 없으므로 타이머를 이용한 CDS구성에 있어서는 신호 퀄리티(signal quality)와 간섭(interference)등을 고려하여 백본을 구성하는 방법이 요구된다.
본 발명은 무선 센서 네트워크에서 가상(Virtual) 백본(Backbone)을 구성하는 방법을 제공하고자 한다.
이를 달성하기 위한 본 발명은 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network)에서 가상 백본(Virtual Backbone) 구축 방법에 있어서, 상기 네트워크 내에서 게이트웨이 혹은 싱크(Sink) 노드를 'Dominator' 상태로 설정하고, 상기 'Dominator' 상태로 설정된 노드의 전송 범위 내에 위치한 이웃 노드(Neighbors)를 'CoveredByDominator' 상태로 설정하고, 나머지 노드를 'NULL' 상태로 설정하는 과정과, 상기 네트워크 내의 각 노드에서 이웃 노드들에게 주기적으로 비컨(Beacon) 프레임을 전송하는 과정과, 'CoveredByDominator' 상태의 각 노드가 'NULL' 상태의 이웃 노드들로부터 상기 비컨 프레임을 수신하여, 디퍼 타이머(Defer Timer)의 지속시간을 계산하고 상기 지속시간만큼 상기 디퍼 타이머를 동작시키는 과정과, 상기 'CoveredByDominator' 상태의 각 노드 중에서 가장 먼저 상기 디퍼 타이머가 만료된 노드를 'Dominator' 상태로 변환하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구성하는 장치 및 동작 방법을 본 발명의 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 무선 센서 네트워크(WSN: Wireless Sensor Network, 이하 'WSN'이라 칭하기로 한다)와 무선 매쉬 내트워크(WMN: Wireless Mesh Network, 이하 'WMN'이라 칭하기로 한다)의 가상 백본(Virtual Backbone)을 구성함에 있어 링크 퀄리티(Link quality)가 고려된 타이머(Timer)를 활용하여 브로드캐스트 스톰 문제(Broadcast Storm Problem)를 완화시키는 방안을 제시한다.
WSN은 Self-Organization과 Self-Configuration의 특성상 효율적인 네트워크의 토폴로지(topology)를 구성하는 것이 중요하다. 특히 멀티 홉(multi-hop) 중계(relay)가 성공적으로 이루어지기 위하여, 다양한 요인들이 고려되어야 한다. 본 발명에서는 데이터 패킷(data packet)의 효율적 브로드캐스팅을 위한 CDS 프로토콜에 관하여 설명하고 있으며, 토폴로지의 구성시 네트워크의 스루풋(throughput)향상을 위한 방법들을 제시하고 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 무선 센서 네트워크의 메쉬(Mesh) 망에서 가상 백본(Virtual Backbone) 또는 라우팅(routing) 프로토콜(protocol)을 구성하는 방법을 설명한다. 무선 센서 네트워크망의 시작과 함께 네트워크 전체의 토폴로지(topology)를 구성하며, 이는 효율적인 가상 백본을 구성함으로 브로드캐스트 스톰 문제(broadcast storm problem)를 해결할 수 있다. 또한, 이는 동시에 네트워크의 백업 루트(backup route)로 사용될 수 있으며, 무선 센서 네트워크망의 별개의 라우팅 프로토콜로 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 크게 정보 교 환(Information Exchange) 단계, 계산 및 처리(Computation and Processing) 단계, 상태 변환(State Transition) 단계의 세 가지 단계를 포함하여 구성된다.
도 3은 일반적인 IEEE 802.15.4 표준에서 사용하는 비컨(Beacon) 프레임의 구성도이다(참조문헌: IEEE 802.15.4 Specification, 2003). 도 3을 참조하면 IEEE 802.15.4 표준에서 사용하는 비컨 프레임은 Frame Control(310) 필드와, Sequence Number(320)와 Addressing fields(330) 와, MAC payload 와, FCS(Frame Check Sequence)(380) 필드를 포함한다. 상기 MAC payload는 Superframe Spec.(340)과, GTS Fields(350)와, Pending Address(360)와, Beacon Payload(370)를 포함하며, 가변 길이를 갖고 최대 114바이트 최소 102 바이트로서 페이로드에 실리는 데이터는 개별적인 프레임 타입을 나타내는 정보를 포함한다. 상기 FCS 필드는 16비트의 CRC(Cycle Redundancy Code)를 갖는 필드로서 에러를 검출한다.
본 발명의 일 실시예는 비컨을 통하여 정보(예를 들면 노드의 상태(status of node)) 교환이 발생하며, 기존의 비컨 프레임을 변화시키지 않으므로 네트워크의 과부하(overload)를 발생시키지 않는다. 계산 및 처리 단계는 상기에서 설명한 디퍼 타이머의 만료(expiration)에 관련된 것이다. 두 가지의 파라미터 값인 이웃 노드의 수(number of neighbor nodes)와, 신호 강도(signal strength)를 이용하여 디퍼 타이머를 만료시켜 최적의 노드를 도미네이터로 선택하기 위함이다. 상태 변환 단계에서는 각자의 역할에 맞는 노드의 상태(status) 변화 동작을 수행한다. 이하 본 발명의 일 실시 예에 따른 가상 백본 구성 방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명하기로 한다.
무선 센서 네트워크 토폴로지 구성의 주요 요소(key issue)는 최소의(minimal) 정보 활용과 분산 시스템이라 할 수 있다. 이러한 배경에서 네트워크 전체의 효율성을 재고하는 수준에서, 네트워크 계층(Network layer)의 설계가 이루어져야 할 것이다. 본 발명은 타이머의 개념을 이용한 분산 approach를 사용하고 있으며, 이는 1-hop 정보(Information) 만을 사용하여 백본(backbone)을 구성하는 장점을 가진다. 또한 최적에 근접한 CDS를 구성할 수 있으며, 네트워크 전체의 스루풋(throughput)을 향상시킬 수 있다.
- 정보 교환(Information Exchange) 단계
각 노드들은 주기적인(Periodic) 비컨 프레임의 교환을 통하여 이웃 노드들 간의 정보를 교환한다. 비컨 프레임은 노드 ID(address), 위치(location), 상태(status) 정보를 포함하며, 1-hop away의 지역화(localized)된 정보만을 수집한다.
본 발명의 일 실시예는 본 발명의 특징에 따라, 네트워크 내의 각 노드의 상태를 'NULL', 'Dominator', 'CoveredByDominator' 중 하나로 설정한다.
'NULL' 상태는 네트워크의 초기 상태를 나타내는 것으로서 노드가 처음으로 네트워크에 접속(join)할 경우 혹은 자신의 도미네이터가 사라질 경우 'NULL' 상태로 설정된다. 'CoveredByDominator' 상태는 특정한 노드가 'Dominator' 상태로 변환되면 'Dominator' 노드의 이웃 노드들 중에서 'NULL' 상태를 가진 노드들은 'CoveredByDominator' 상태로 설정된다. 토폴로지의 구성은 네트워크상의 싱 크(Sink) 또는 게이트웨이(Gateway)를 중심으로 Tree & Mesh 구조로 형성된다. 토폴로지 구성의 출발점은 싱크 노드 및 게이트웨이이며, 상기 싱크 노드 및 게이트웨이는 항시 'Dominator' 상태를 갖는다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 가상 백본 구축 동작 흐름도이다. 도 4는 'CoveredByDominator' 상태의 노드에서 'NULL' 상태의 이웃 노드가 존재하여 NULL 상태를 포함한 비컨 프레임을 받을 시 발생 되는 동작 과정을 나타낸다. 도 4를 참조하면, Fixed Min_Threshold는 비컨 프레임의 주기이며, Fixed Max_Threshold는 디퍼 타이머의 최대 값(max value)이다. Fixed Max_Threshold는 일반 비컨 프레임의 주기보다 크게 설정함으로 충분히 이웃 노드들의 정보를 수집할 수 있도록 설정한다.
401단계에서 노드는 Max_Threshold > 2*Min_Threshold 하도록 Fixed Min_Threshold 값과, Fixed Max_Threshold 값을 설정한다. 402단계에서 노드는 이웃 노드로부터 비컨 프레임을 수신한다. 403단계에서는 수신한 비컨의 상태(ststus)가 'NULL'이고 현재 노드의 상태가 'CoveredByDominator'이고 디퍼 타이머가 아직 시작되지 않았는지 판단하여, 그렇지 않으면 404단계로 진행하여 원래의 정규 비컨 프로세스(Regular Beacon Process)를 수행하고, 상기 403단계에서 판단 결과 비컨의 상태가 'NULL'이고 비컨을 수신한 현재 노드의 상태가 'CoveredByDominator'이고 디퍼 타이머가 아직 시작되지 않았다면 405단계로 진행하여 디퍼 타이머의 지속 시간(Duration)을 계산하고 계산된 지속 시간을 디퍼 타이머에 설정한다. 406단계에서는 상기 405단계에서 계산한 지속 시간만큼 상기 디 퍼 타이머를 동작시킨다. 407단계에서는 디퍼 타이머가 종료됐는지 확인하여 종료되지 않았다면 408단계로 진행하여 대기(wait)하고, 종료되었다면 409단계로 진행하여 현재 노드의 상태를 'Dominator' 상태로 변환한다. 410단계에서는 상태 변환된 현재 노드의 정보를 담은 비컨 프레임을 이웃 노드로 송신한다.
- 계산 및 처리(Computation and Processing) 단계
'CoveredByDominator' 상태의 노드들은 NULL status를 포함한 비컨 프레임을 수신한 후 디퍼 타이머를 작동시키며, 디퍼 타이머가 만료(expire)된 후 상태 변환이 발생한다. 이는 최적의 노드를 도미네이터로 선택하기 위함으로, 최상의 요건을 갖는 노드의 디퍼 타이머가 먼저 만료되어 다른 노드들의 도미네이터로 선택되게 한다. 한 노드가 먼저 도미네이터로 선택되면, 그 이웃한 노드중 'NULL' 상태를 가진 노드들은 그 상태를 'CoveredByDominator'의 상태로 전환하게 된다. 이러한 선택에 있어 중요한 요소는 디퍼 타이머의 지속 시간(duration)을 설정하는 것으로 지속 시간은 하기의 수학식 1을 사용하여 설정한다. 상기 디퍼 타이머의 지속 시간을 설정하는데 사용하는 파라미터 중에서 이웃 노드의 수(Number of Neighbor)라는 파라미터는 간섭(interference)을 고려하기 위하여 사용되는 요소로서 많은 이웃 노드들을 가진 노드가 먼저 도미네이터로 선정되게 함으로써 브로드캐스트의 효율을 극대화하기 위한 파라미터라 할 수 있다. 두 번째 파라미터는 신호 강도(signal strength)로써 이는 실제적인 링크 퀄리티(link quality)를 비교함으로써 직접적인 스루풋(throughput)을 향상시키기 위한 파라미터이다. 각각의 다른 가 중치 α 및 β (= 1 - α)를 사용하여 Tduration(타이머의 지속 시간)을 설정할 수 있다. 상기 Tduration은 하기의 수학식 1로 나타낸다.
Tduration = Max_Threshold*1 / [(Number of Neighbor)α*(Signal Strength)β]
만약 α에 많은 가중치를 부여한다면, 이는 최단 경로(shortest path)에 우선 순위를 부여하여 정보원(source)에서 목적지(destination)까지의 홉(hop)수를 줄일 수 있을 것이다. 하지만 이는 네트워크 전체의 병목현상(bottleneck)을 유발시킬 가능성이 있으며, 적절한 β를 선택함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다.
- 상태 변환(State Transition) 단계
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 가상 백본 구축 방법에서 개별 노드들의 각 상태 변환을 나타내는 흐름도이다. 개별 노드들은 각각의 상태를 가지며, 그것은 그림 5와 같이 'NULL(510)', 'CoveredByDominator(520)', 'Dominator(530)' 중 하나에 포함된다. 'NULL(510)'은 초기(initial) 상태를 의미하는 것으로, 노드가 처음으로 네트워크에 접속(join)할 경우 혹은 자신의 도미네이터가 사라질 경우 'NULL(510)' 상태를 유지한다. 단 게이트웨이의 경우는 'NULL(510)' 상태 없이 바로 'Dominator(530)' 상태를 유지하며, 이 게이트웨이를 중심으로 다음 단계의 도미네이터를 선정해 나간다. 하나의 노드가 'Dominator(530)'로 상태 변환되면, 노드는 자신의 상태를 이웃 노드들에게 비컨 프레임을 통하여 전파하고, 그 이웃 노드들 중에 'NULL(510)' 상태를 가진 노드들은 곧바로 'CoveredByDominator(520)'로 상태 변환한다. 상기 단계에서 'CoveredByDominator(520)'의 상태를 가진 노드들이 만약 'NULL(510)' 상태를 가진 이웃 노드를 가지고있다면, 상기 계산 및 처리 단계에서 진행하게 되며, Tduration 을 구한 후, 디퍼 타이머를 작동시켜 하위의 도미네이터를 선정하게 된다. 이러한 방식으로 게이트웨이를 출발점으로 하여, 전체 네트워크에 'NULL'의 상태를 가진 노드가 없을 때까지, Tree & Mesh 구조의 Connected Dominator Set(CDS)이 선정된다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 애드 훅 네트워크에서 가상 백본 구성 방법의 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발명 중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 간섭(interference)과 링크 퀄리티를 고려한 CDS(Connected Dominating Set) 구축을 가능하게 하여 네트워크상에서 미연에 충돌(collision)을 적극적으로 회피함으로써 스루풋(throughput)을 증대시킬 수 있으며 이는 네트워크 전체의 효율성을 증대시키는 효과를 가진다.
특히, 많은 이웃 노드를 가진 노드를 도미네이터로 선정함으로써 CDS의 크기를 줄이고, 더하여 네트워크 전반적인 간섭(interference)을 줄일 수 있다. 또한 신호 강도 값을 활용하여 충분한 대역폭을 확보한 링크를 선택하여 네트워크 전체의 스루풋을 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명에서 사용한 타이머를 활용한 방법 등은 분산 시스템에서(distribute system)에서 즉시 응용될 수 있는 것으로서 프로토콜 스스로 노드의 변동성(mobility)을 처리할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network)에서 가상 백본(Virtual Backbone) 구축 방법에 있어서,
    상기 네트워크 내에서 게이트웨이 혹은 싱크(Sink) 노드를 'Dominator' 상태로 설정하고, 상기 'Dominator' 상태로 설정된 노드의 전송 범위 내에 위치한 이웃 노드(Neighbors)를 'CoveredByDominator' 상태로 설정하고, 나머지 노드를 'NULL' 상태로 설정하는 과정과,
    상기 네트워크 내의 각 노드에서 이웃 노드들에게 주기적으로 비컨(Beacon) 프레임을 전송하는 과정과,
    'CoveredByDominator' 상태의 각 노드가 'NULL' 상태의 이웃 노드들로부터 상기 비컨 프레임을 수신하여, 디퍼 타이머(Defer Timer)의 지속시간을 계산하고 상기 지속시간만큼 상기 디퍼 타이머를 동작시키는 과정과,
    상기 'CoveredByDominator' 상태의 각 노드 중에서 가장 먼저 상기 디퍼 타이머가 만료된 특정 노드를 'Dominator' 상태로 변환하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 가상 백본 구축 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 네트워크에서 상기 특정 노드가 'Dominator' 상태가 되면 상기 'Dominator' 상태가 된 특정 노드의 이웃 노드중 'NULL' 상태를 가진 노드를 'CoveredByDominator' 상태로 변환하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 무 선 센서 네트워크에서 가상 백본 구축 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 비컨 프레임은 노드의 주소 정보를 포함하는 아이디(ID) 정보와, 위치(location) 정보와, 상태(status) 정보를 포함함을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 가상 백본 구축 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 디퍼 타이머의 지속 시간은 하기의 수학식 2와 같음을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 가상 백본 구축 방법.
    Tduration = Max_Threshold*1 / [(Number of Neighbor)α*(Signal Strength)β]
    상기 수학식 2에서 상기 Tduration은 상기 디퍼 타이머의 지속 시간이고, 상기 Max_Threshold는 상기 디퍼 타이머의 지속 시간의 최대값이고, 상기 Number of Neighbor는 이웃 노드의 수이고, 상기 Signal Strength는 신호 강도이고, α와 β는 가중치임.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 가중치 β는 1-α와 같음을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 가상 백본 구축 방법.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 디퍼 타이머의 지속 시간의 최대값은 상기 비컨 프 레임의 전송 주기의 2배보다 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 가상 백본 구축 방법.
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