KR101379217B1 - Cluster head node selection method based on a distance between node and base station - Google Patents

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KR101379217B1 KR1020120121485A KR20120121485A KR101379217B1 KR 101379217 B1 KR101379217 B1 KR 101379217B1 KR 1020120121485 A KR1020120121485 A KR 1020120121485A KR 20120121485 A KR20120121485 A KR 20120121485A KR 101379217 B1 KR101379217 B1 KR 101379217B1
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Abstract

The present invention includes a step in which a base station calculates the distance with all nodes distributed in a sensor field; a step in which the base station transmits the distance with a mode node distributed in the sensor field to each node; and a step in which one of the nodes selects itself as a cluster head node according to probability in which each node is selected as the cluster head node by calculating the probability to be selected as the cluster head node through the distance between the base station and all nodes at each round. [Reference numerals] (AA) Start; (BB) End; (S10) Transmit a test packet from each node to a base station; (S20) Base station calculates a distance with each node by using the signal intensity of the test packet; (S30) Base station transmits the distance with each node to a node

Description

노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법{CLUSTER HEAD NODE SELECTION METHOD BASED ON A DISTANCE BETWEEN NODE AND BASE STATION}Cluster head node selection method based on distance between node and base station {CLUSTER HEAD NODE SELECTION METHOD BASED ON A DISTANCE BETWEEN NODE AND BASE STATION}

본 발명은 노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 각각의 노드와 기지국 간의 거리에 따라 각 노드에 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률을 차등적으로 부여하는 노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of selecting a cluster head node based on a distance between a node and a base station. The present invention relates to a cluster head node selection method based on a distance between base stations.

대부분의 무선 센서 네트워크(Wireless sensor network)에서, 각 노드(node)는 스스로 네트워크를 임의적으로 구성하며, 이러한 각 노드(node)의 배터리는 재충전이 불가능하여 네트워크의 수명을 연장하기 위한 기술이 필요하게 되었다. In most wireless sensor networks, each node arbitrarily configures the network on its own, and the battery of each node is non-rechargeable, requiring technology to extend the life of the network. It became.

이에 최근에는 노드들 사이의 부하를 균등하게 분포시키고 통신량을 줄이기 위해, 클러스터(Cluster) 기반의 라우팅이 에너지 사용 측면에서 효율적인 것으로 인식되어 있으며, 클러스터 기반 라우팅 방법의 대표적인 예가 리치(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy;LEACH)이다. In recent years, cluster-based routing has been recognized as efficient in terms of energy use in order to distribute the load among nodes evenly and reduce traffic. A representative example of the cluster-based routing method is rich energy adaptive clustering hierarchy. ; LEACH).

이러한 클러스터 기반 라우팅은 네트워크를 여러 개의 클러스터로 분할한다. 하나의 클러스터 에서 일반 노드들은 센싱한 데이터를 클러스터 헤드 노드(Cluster Head Node;CH)로 송신하고, 클러스터 헤드 노드는 일반 노드로부터 수집된 데이터와 자신이 센싱한 데이터를 기지국(Base Station;BS)으로 송신한다. This cluster-based routing divides the network into multiple clusters. In a cluster, general nodes transmit the sensed data to a cluster head node (CH), and the cluster head node transmits data collected from the general node and data sensed by the general node to a base station (BS). Send.

종래의 클러스터 기반 라우팅은 각 노드의 에너지 효율을 고려하여 각 노드에 클러스터 헤드 노드가 될 확률을 동일하게 부여하여 노드들 간의 부하를 분산한다. Conventional cluster-based routing distributes the load among nodes by equally giving each node a probability of becoming a cluster head node in consideration of energy efficiency of each node.

그러나, 클러스터 헤드 노드가 데이터를 기지국으로 송신할 때, 기지국으로부터 거리가 먼 클러스터 헤드 노드가 기지국과 가까운 클러스터 헤드 노드에 비해 더 많은 에너지를 소모하게 된다. However, when the cluster head node transmits data to the base station, the cluster head node far from the base station consumes more energy than the cluster head node close to the base station.

이 때, 클러스터 헤드 노드의 에너지 소모량은 클러스터 헤드 노드와 기지국 간의 거리 이외에도 주변 여건 등 여러 가지 여건에 따라 작게는 통신 거리의 제곱에 비례하고, 많게는 통신 거리의 네 제곱 이상으로 비례하여 증가하게 된다. At this time, the energy consumption of the cluster head node increases in proportion to the square of the communication distance, and in proportion to more than four squares of the communication distance, depending on various conditions such as the surrounding conditions in addition to the distance between the cluster head node and the base station.

이러한 환경에서 종래의 클러스터 기반 라우팅과 같이, 노드들이 클러스터 헤드 노드가 될 확률을 균등하게 부여할 경우, 기지국으로부터 거리가 상대적으로 먼 노드의 배터리 수명은 라운드가 증가할 수록 거리가 가까운 노드의 배터리 보다 상대적으로 빨리 감소하게 된다. 그 결과, 노드와 기지국 간의 거리에 따라 각 노드의 배터리 소모가 불균등하게 이루어지는 문제점이 있다. In this environment, as with conventional cluster-based routing, if the nodes are equally given the probability of becoming a cluster head node, the battery life of the node that is relatively far from the base station is greater than that of the closer node as the round increases. Decreases relatively quickly. As a result, there is a problem that the battery consumption of each node is uneven according to the distance between the node and the base station.

본 발명과 관련된 배경기술로는 대한민국 특허공개번호 10-2012-0060718호(2012.06.12)의 '클러스터 헤드 노드 선출 방법 및 이를 실행하는 노드'가 있다.
Background art related to the present invention is a method of selecting a cluster head node and a node for executing the same in Korean Patent Publication No. 10-2012-0060718 (2012.06.12).

본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 각각의 노드가 기지국 간의 거리를 통해 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률을 계산하여 노드 중 어느 하나가 자신을 클러스터 헤드 노드로 선출하는, 노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above-described problem, wherein a node and a base station in which one node elects itself as a cluster head node by calculating a probability that each node is elected as a cluster head node through the distance between the base stations. An object of the present invention is to provide a method for selecting a cluster head node based on a distance between nodes.

본 발명의 다른 목적은 노드와 기지국 간의 거리에 따라 각 노드에 부여되는 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률이 차등적으로 부여되도록 하여 각 노드가 에너지를 균등하게 소모할 수 있도록 하는데 있다. Another object of the present invention is to allow each node to consume energy evenly by differentially giving a probability of being elected as a cluster head node given to each node according to the distance between the node and the base station.

또한, 본 발명의 다른 목적은 각 노드 간에 부하를 균일하게 분산시켜 네트워크의 수명을 향상시키는 데 있다.
In addition, another object of the present invention is to improve the life of the network by uniformly distributing the load among the nodes.

본 발명의 일 측면에 따른 노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법은 기지국이 센서 필드에 분포되어 있는 모든 노드와의 거리를 계산하는 단계; 상기 기지국이 상기 센서 필드에 분포되어 있는 모드 노드와의 거리를 상기 노드 각각에게 송신하는 단계; 및 매 라운드 마다 상기 노드 각각이 상기 기지국과 상기 모든 노드와의 거리를 통해 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률을 계산하여 상기 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률에 따라 상기 노드 중 어느 하나가 자신을 상기 클러스터 헤드 노드로 선출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Cluster head node selection method based on the distance between the node and the base station according to an aspect of the present invention includes the steps of the base station calculates the distance to all nodes distributed in the sensor field; Transmitting, by the base station, to each of the nodes a distance from a mode node distributed in the sensor field; And every node calculates a probability that each node is elected as a cluster head node based on a distance between the base station and all nodes, and any one of the nodes identifies itself as the cluster head node. And electing to a node.

본 발명의 상기 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률은 상기 노드와 상기 기지국 간의 거리가 가까울수록 높은 것을 특징으로 한다.The probability of being elected as the cluster head node of the present invention is higher as the distance between the node and the base station increases.

본 발명의 상기 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률은 상기 노드가 클러스터 헤드 노드일 경우 상기 기지국까지 데이터를 송신할 때 소모되는 에너지량과, 일반 노드일 경우 데이터를 송신하는 에너지량, 및 상기 노드와 상기 기지국 간의 거리를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 한다.The probability of being elected as the cluster head node of the present invention is an amount of energy consumed when transmitting data to the base station when the node is a cluster head node, an amount of energy transmitting data when the node is a general node, and the node and the node. It is characterized by using the distance between the base stations.

본 발명의 상기 기지국은 상기 노드와의 거리를 상기 노드로부터 송신되는 테스트 패킷의 신호 세기를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 한다.The base station of the present invention is characterized by calculating the distance from the node using the signal strength of the test packet transmitted from the node.

본 발명의 다른 측면에 따른 노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법은 노드 각각이 기지국과 모든 노드와의 거리를 이용하여 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률을 계산하는 단계; 및 상기 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률에 따라 상기 노드 중 어느 하나가 자신을 상기 클러스터 헤드 노드로 선출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Cluster head node election method based on the distance between the node and the base station according to another aspect of the present invention comprises the steps of calculating the probability that each node is elected cluster head node using the distance between the base station and all nodes; And selecting one of the nodes as the cluster head node according to a probability of being elected as the cluster head node.

본 발명의 상기 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률은 상기 노드와 상기 기지국 간의 거리가 가까울수록 높은 것을 특징으로 한다.The probability of being elected as the cluster head node of the present invention is higher as the distance between the node and the base station increases.

본 발명의 상기 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률은 상기 노드가 클러스터 헤드 노드일 경우 상기 기지국까지 데이터를 송신할 때 소모되는 에너지량과, 일반 노드일 경우 데이터를 송신하는 에너지량, 및 상기 노드와 상기 기지국 간의 거리를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 한다.
The probability of being elected as the cluster head node of the present invention is an amount of energy consumed when transmitting data to the base station when the node is a cluster head node, an amount of energy transmitting data when the node is a general node, and the node and the node. It is characterized by using the distance between the base stations.

본 발명은 각각의 노드와 기지국 간의 거리에 따라 각 노드에 부여되는 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률이 차등적으로 부여되도록 하여 각 노드가 에너지를 균등하게 소모할 수 있도록 한다. According to the present invention, a probability of being elected as a cluster head node granted to each node is differentially given according to the distance between each node and the base station so that each node can consume energy evenly.

또한, 본 발명은 각 노드 간에 부하를 균일하게 분산시켜 네트워크의 수명을 향상시킨다.
In addition, the present invention distributes the load evenly among the nodes to improve the life of the network.

도 1 은 본 발명이 적용되는 센서 네트워크의 클러스터 구조를 도시한 도면이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 네트워크의 기지국과 노드의 기능을 개략적으로 도시한 블럭 구성도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 노드와 기지국 간의 테스트 패킷을 통한 거리측정 및 측정된 거리를 각 노드에게 알리는 과정의 도시한 순서도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따라 각 노드와 기지국 간의 거리를 기반으로 매 라운드 마다 수행되는 클러스터 헤드 노드 선출 과정을 도시한 순서도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 노드와 기지국 간의 거리에 따라 노드가 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률을 나타낸 도면이다.
도 6 은 본 발명과 종래 방식에 따른 특정 라운드에서의 노드별 잔여 에너지량을 비교한 도면이다.
도 7 은 본 발명과 종래 방식에 따른 노드의 수명을 비교한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a cluster structure of a sensor network to which the present invention is applied.
2 is a block diagram schematically illustrating the functions of a base station and a node of a sensor network according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a process of informing each node of a distance measurement and a measured distance through a test packet between a node and a base station according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a cluster head node selection process performed every round based on a distance between each node and a base station according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a probability that a node is selected as a cluster head node according to a distance between a node and a base station according to an embodiment of the present invention.
6 is a view comparing residual amounts of energy for each node in a specific round according to the present invention and the conventional scheme.
7 is a view comparing the lifespan of a node according to the present invention and the conventional method.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, a method for selecting a cluster head node based on a distance between a node and a base station according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thicknesses of the lines and the sizes of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, the terms described below are defined in consideration of the functions of the present invention, which may vary depending on the intention or custom of the user, the operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout this specification.

도 1 은 본 발명이 적용되는 클러스터 기반 라우팅의 클러스터 구조를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a cluster structure of cluster-based routing to which the present invention is applied.

일반적으로, 클러스터 기반 라우팅을 사용하는 센서 네트워크는 도 1 에 도시된 바와 같이 다수의 클러스터(Cluster)로 구성된다. In general, a sensor network using cluster-based routing consists of multiple clusters, as shown in FIG.

도 1 에는 센서 네트워크에서 센서 필드에 세 개의 클러스터가 구성되고, 각 클러스터에는 1개의 클러스터 헤드 노드와 다수 개의 일반 노드가 구성되는 하나의 라운드가 예시로 도시되었다. In FIG. 1, three clusters are configured in a sensor field in a sensor network, and each cluster includes one round in which one cluster head node and a plurality of general nodes are configured.

각 클러스터는 센서 필드 내에서의 환경을 센싱하여 데이터를 생성하고 생성된 데이터를 클러스터 헤드 노드(Cluster Head Node;CH)로 송신하는 다수 개의 일반 노드와, 다수 개의 일반 노드들로부터 데이터를 수집하며 이 수집한 데이터와 자신이 생성한 데이터를 기지국(Base Station;BS)으로 송신하는 1개의 클러스터 헤드 노드를 포함한다.Each cluster senses the environment in the sensor field to generate data and collects data from multiple nodes and multiple nodes that send the generated data to the Cluster Head Node (CH). It includes one cluster head node that transmits the collected data and the data generated by itself to a base station (BS).

여기서, 클러스터 헤드 노드로는 매 라운드마다 전체의 노드 중에서 적절한 임의의 개수가 선출되며, 클러스터 헤드 노드가 선출되면 클러스터 헤드 노드를 제외한 나머지 노드는 일반 노드가 된다. 매 라운드 마다 선출되는 클러스터 헤드 노드와 이에 따른 일반 노드들은 달라진다. 그러므로 매 라운드 마다 클러스터의 모양은 달라진다. 이때, 각 노드가 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률은 해당 노드와 기지국 간의 거리 및 다른 노드와 기지국 간의 거리가 반영되어 계산되며, 이러한 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률에 따라 다수 개의 노드 중 어느 하나가 클러스터 헤드 노드로 선출된다.Here, as the cluster head node, an appropriate arbitrary number is selected from all nodes in each round. When the cluster head node is selected, the remaining nodes except the cluster head node are general nodes. The elected cluster head node and its general node are changed every round. Therefore, each round has a different shape. In this case, the probability that each node is elected as the cluster head node is calculated by reflecting the distance between the node and the base station and the distance between the other node and the base station, and any one of the plurality of nodes is clustered according to the probability of being elected as the cluster head node. Elected as head node.

이하, 도 2 내지 도 7 을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 7.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 네트워크의 기지국과 노드의 기능을 개략적으로 도시한 블럭 구성도이다.2 is a block diagram schematically illustrating the functions of a base station and a node of a sensor network according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서 네트워크는 도 1 에 도시된 바와 같이, 기지국(10)과 다수 개의 노드(20)를 포함한다. 다수 개의 노드(20)는 센서 필드 내에서 센싱 환경 등에 따라 위치가 다양하게 분포된다.As shown in FIG. 1, the sensor network according to an exemplary embodiment of the present invention includes a base station 10 and a plurality of nodes 20. The plurality of nodes 20 are distributed in various locations according to a sensing environment in the sensor field.

여기서, 네트워크의 운영 초기 시점에 각 노드(20)는 기지국(10)에 테스트 패킷(Test Packet)을 송신하고, 이후 기지국(10)으로부터 자신과 기지국(10) 간의 거리, 및 다른 노드(20)와 기지국(10) 간의 거리를 포함한 센서 필드에 분포되어 있는 각 노드(20)와의 거리를 모두 수신한다. Here, at the initial operation of the network, each node 20 transmits a test packet to the base station 10, and thereafter, a distance between itself and the base station 10 from the base station 10, and another node 20. And all distances from each node 20 distributed in the sensor field including the distance between the base station 10 and the base station 10.

이후, 매 라운드 마다 각각의 노드(20)는 자신과 기지국(10)과의 거리 및 다른 노드(20)와 기지국(10)과의 거리를 이용하여 자신이 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률을 계산한다. Each node 20 then calculates the probability of itself being elected cluster head node using the distance between itself and the base station 10 and the distance between the other node 20 and the base station 10. .

이후, 각각의 노드(20) 중 일부 노드(20)들이 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률에 따라 자신을 클러스터 헤드 노드로 선출하고, 클러스터 헤드 노드를 제외한 나머지 노드(20)는 일반 노드(20)가 된다. Subsequently, some nodes 20 of each node 20 are elected as cluster head nodes according to a probability of being elected as cluster head nodes, and other nodes 20 except for cluster head nodes are referred to as general nodes 20. do.

기지국(10)은 각 노드(20)로부터 수신된 테스트 패킷의 신호 세기를 이용하여 각 노드(20)와의 거리를 모두 계산하여 각 노드(20)에게 송신한다. 이에 따라, 각각의 노드(20)는 자신과 기지국(10)과의 거리 뿐만 아니라, 다른 노드(20)와 기지국(10)과의 거리도 모두 인식할 수 있게 된다. The base station 10 calculates all distances from each node 20 using the signal strength of the test packet received from each node 20 and transmits the distances to each node 20. Accordingly, each node 20 can recognize not only the distance between itself and the base station 10 but also the distance between the other node 20 and the base station 10.

이하, 노드(20)와 기지국(10) 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법을 도 3 내지 도 5 를 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, a method of selecting a cluster head node based on the distance between the node 20 and the base station 10 will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 5.

도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 노드와 기지국 간의 테스트 패킷을 통한 거리측정 및 측정된 거리를 각 노드에게 알리는 과정의 도시한 순서도이고, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따라 각 노드와 기지국 간의 거리를 기반으로 매 라운드 마다 수행되는 클러스터 헤드 노드 선출 과정을 도시한 순서도이며, 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 노드와 기지국 간의 거리에 따라 노드가 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률을 나타낸 도면이다.3 is a flowchart illustrating a process of informing each node of a distance measurement and measured distance through a test packet between a node and a base station according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a view illustrating each node according to an embodiment of the present invention. 5 is a flowchart illustrating a cluster head node selection process performed every round based on the distance between the base station and the base station, and FIG. 5 is a probability of selecting a node as the cluster head node according to the distance between the node and the base station according to an embodiment of the present invention. It is a diagram showing.

본 발명의 일 실시예에 따른 노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법은 도 3 에 도시된 네트워크 운영 초기에 기지국(10)이 각 노드(20)와의 거리를 계산하고 이 각 노드(20)와의 거리를 모든 노드(20)에게 일괄적으로 전송하는 과정, 및 도 4 에 도시된 매 라운드 마다 기지국(10)과 모든 노드(20)와의 거리를 기반으로 클러스터 헤드 노드를 선출하는 과정을 포함한다. In the cluster head node selection method based on the distance between the node and the base station according to an embodiment of the present invention, the base station 10 calculates the distance from each node 20 at the beginning of the network operation shown in FIG. ) And collectively transmitting the distance to the node 20 to all nodes 20, and selecting the cluster head node based on the distance between the base station 10 and all the nodes 20 in every round shown in FIG. 4. do.

먼저, 도 3 을 참조하면, 센서 필드 내에 분포되어 있는 각 노드(20)는 테스트 패킷을 기지국(10)으로 송신한다(S10). First, referring to FIG. 3, each node 20 distributed in the sensor field transmits a test packet to the base station 10 (S10).

기지국(10)은 각 노드(20)로부터 송신된 테스트 패킷을 수신하고, 테스트 패킷의 신호 세기를 이용하여 센서 필드 내에 분포되어 있는 각 노드(20)와의 거리를 모두 계산한다(S20). The base station 10 receives the test packet transmitted from each node 20, and calculates all distances from each node 20 distributed in the sensor field using the signal strength of the test packet (S20).

이후, 기지국(10)은 각 노드(20)와의 거리를 모든 노드(20)에게 일괄적으로 송신한다(S30). 이에 따라, 각 노드(20)는 자신과 기지국(10)과의 거리 뿐만 아니라, 다른 노드(20)와 기지국(10)과의 거리도 인식할 수 있게 된다. Thereafter, the base station 10 collectively transmits the distance to each node 20 to all the nodes 20 (S30). Accordingly, each node 20 can recognize not only the distance between itself and the base station 10 but also the distance between the other node 20 and the base station 10.

이와 같이, 각 노드(20)는 자신과 기지국(10)과의 거리 뿐만 아니라, 다른 노드(20)와 기지국(10)과의 거리를 인식한 후에는, 각 노드(20)와 기지국(10)과의 거리를 기반으로 클러스터 헤드 노드를 선출한다. 여기서, 상기한 클러스터 헤드 노드를 선출하는 과정(S40)은 매 라운드 마다 수행된다. As described above, after each node 20 recognizes not only the distance between itself and the base station 10, but also the distance between the other node 20 and the base station 10, each node 20 and the base station 10 The cluster head node is selected based on the distance between the cluster head node. Here, the process of selecting the cluster head node (S40) is performed every round.

클러스터 헤드 노드를 선출하는 과정(S40)은 도 4 와 도 5 를 참조하여 설명한다.A process (S40) of selecting a cluster head node will be described with reference to FIGS. 4 and 5.

도 4 를 참조하면, 클러스터 헤드 노드를 선출하는 과정은 각 노드(20)가 기지국(10)으로부터 각 노드(20)와의 거리를 모두 수신한 후, 이 각 노드(20)와의 거리를 이용하여 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률을 각자 계산한다(S42). Referring to FIG. 4, in the process of selecting a cluster head node, after each node 20 has received all the distances from the base station 10 to each node 20, the clusters are configured using the distance from each node 20. The probability of being elected as the head node is calculated for each (S42).

하기한 각 노드(20)가 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률을 구하기 위한 중간 과정은 하기의 수학식1과 같다.An intermediate process for obtaining a probability that each node 20 to be selected as a cluster head node is as shown in Equation 1 below.

Figure 112012088961863-pat00001
Figure 112012088961863-pat00001

여기서, pi는 노드 i가 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률이고, (1-pi)는 노드 i가 일반 노드로 선출될 확률이며, pj는 노드 j가 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률이며, (1-pj)는 노드 j가 일반 노드로 선출될 확률이며, di는 노드 i와 기지국 간의 거리이며, dj는 노드 j와 기지국 간의 거리이다. 또한,

Figure 112012088961863-pat00002
는 노드 i가 클러스터 헤드 노드일 경우 di 거리에서 기지국(10)까지 데이터를 송신할 때 소모되는 에너지량이며,
Figure 112012088961863-pat00003
는 노드가 일반 노드일 경우 데이터를 송신할 때 소모되는 에너지량이며,
Figure 112012088961863-pat00004
는 노드 j가 클러스터 헤드 노드일 경우 dj 거리에서 기지국(10)까지 데이터를 송신할 때 소모되는 에너지량이다.Where p i is the probability that node i is elected as a cluster head node, (1-p i ) is the probability that node i is elected as a general node, p j is the probability that node j is elected as cluster head node, (1-p j ) is the probability that node j is elected as a general node, d i is the distance between node i and the base station, and d j is the distance between node j and the base station. Also,
Figure 112012088961863-pat00002
D i if node i is the cluster head node The amount of energy consumed when transmitting data from the distance to the base station 10,
Figure 112012088961863-pat00003
Is the amount of energy consumed when transmitting data when the node is a normal node.
Figure 112012088961863-pat00004
D j if node j is the cluster head node The amount of energy consumed when transmitting data from the distance to the base station 10.

이러한 수학식1을 살펴보면, 좌변은 노드 i가 자신이 클러스터 헤드 노드일 경우 di 거리에서 기지국(10)까지 데이터를 송신할 때 소모되는 에너지량과 일반 노드일 경우 데이터를 송신할 때 소모되는 에너지량의 합이고, 우변은 노드 j가 자신이 클러스터 헤드 노드일 경우 dj 거리에서 기지국(10)까지 데이터를 송신할 때 소모되는 에너지량과 일반 노드(20)일 경우 데이터를 송신할 때 소모되는 에너지량의 합이다. Referring to Equation 1, the left side represents the amount of energy consumed when the node i transmits data to the base station 10 at a distance d i when the node is a cluster head node and the energy consumed when the data is transmitted when the node is a normal node. Is the sum of the quantities, and the right side is the amount of energy consumed when node j transmits data to the base station 10 at distance d j if it is a cluster head node, and the amount consumed when transmitting data if it is a normal node 20 It is the sum of the amounts of energy.

이 경우, 노드 i가 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률 pi는 하기의 수학식 2와 같다. In this case, the probability p i that node i is elected as the cluster head node is expressed by Equation 2 below.

Figure 112012088961863-pat00005
Figure 112012088961863-pat00005

수학식 1에서 좌변과 우변은 동일한 것으로 가정하므로, 노드 i가 클러스터 헤드 노드가 될 확률은 상기한 수학식 2와 같이 얻을 수 있다. Since the left side and the right side are assumed to be the same in Equation 1, the probability that the node i becomes a cluster head node can be obtained as shown in Equation 2 above.

여기서, 각각의 노드(20)가 센서 필드 내에 분포되어 있는 위치에 따라, 각 노드(20)와 기지국(10) 간의 거리는 상이하게 되므로, 각 노드(20)가 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률은 다른 노드(20)와 상이하게 된다.Here, the distance between each node 20 and the base station 10 is different according to the position where each node 20 is distributed in the sensor field, so the probability that each node 20 is elected as a cluster head node is different. The node 20 will be different.

특히, 클러스터 헤드 노드의 에너지 소모량은 클러스터 헤드 노드와 기지국(10) 간의 거리에 작게는 거리의 제곱에 비례하고, 많게는 거리의 네 제곱 이상으로 비례하여 증가하게 되는 바, 노드(20)와 기지국(10)과의 거리가 가까울수록 노드(20)에서 기지국(10)으로 데이터를 송신할 때 소모되는 에너지량이 적고, 클러스터 헤드 노드가 일반 노드에 비해 더 많은 에너지를 소비하게 된다. In particular, the energy consumption of the cluster head node is increased in proportion to the square of the distance to the distance between the cluster head node and the base station 10 and as much as four squares or more of the distance, the node 20 and the base station ( The closer the distance to 10) is, the less energy is consumed when transmitting data from the node 20 to the base station 10, and the cluster head node consumes more energy than the normal node.

따라서, 수학식2에 나타난 바와 같이, 기지국(10)과의 거리가 가까운 노드(20)일수록 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률은 증가하게 되므로, 기지국(10)과 거리가 가까운 노드(20)가 클러스터 헤드 노드로 선출될 가능성이 높게 나타나게 된다. Therefore, as shown in Equation 2, the node 20 closer to the base station 10 increases the probability of being selected as the cluster head node, so that the node 20 close to the base station 10 is clustered. The likelihood of being elected as a head node is high.

이 경우, 각각의 노드(20)가 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률은 도 5 에 도시된 바와 같이, 비선형적으로 나타난다. 도 5 의 (a)에는 기지국(10)의 위치가 xy축 좌표상에서 x=100, y=300에 위치할 경우 노드 i가 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률을 나타낸 것이다.In this case, the probability that each node 20 is elected as a cluster head node is shown non-linearly, as shown in FIG. FIG. 5A illustrates a probability that node i is elected as a cluster head node when the location of the base station 10 is located at x = 100 and y = 300 on the xy-axis coordinate.

도 5 의 (a)를 참조하면, 노드(20)와 기지국(10) 간의 거리가 멀수록 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률은 위로 볼록한 형태로 나타나며, 비선형적으로 거리가 증가할수록 감소함을 알 수 있다. Referring to FIG. 5A, as the distance between the node 20 and the base station 10 increases, the probability of being elected as a cluster head node is convex upward and decreases as the distance increases nonlinearly. have.

또한, 도 5 의 (b)에는 기지국(10)의 위치가 xy축 좌표상에서 x=100, y=500에 위치할 경우 노드 i가 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률을 나타낸 것이다.In addition, (b) of FIG. 5 illustrates the probability that node i is elected as a cluster head node when the location of the base station 10 is located at x = 100 and y = 500 on the xy-axis coordinate.

도 5 의 (b)를 참조하면, 노드(20)와 기지국(10) 간의 거리가 멀수록 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률은 아래로 볼록한 형태로 나타나며, 거리가 증가할수록 비선형적으로 감소함을 알 수 있다. Referring to FIG. 5B, as the distance between the node 20 and the base station 10 increases, the probability of being elected as the cluster head node is shown in a convex form, and it is found that the distance decreases nonlinearly. Can be.

다음으로, 상기한 바와 같이, 각각의 노드(20)가 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률을 계산하면, 다수 개의 노드(20) 중 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률이 상대적으로 높은 노드(20)가 자신을 클러스터 헤드 노드로 선출한다(S44).Next, as described above, when the probability that each node 20 is elected as the cluster head node is calculated, the node 20 having a relatively high probability of being elected as the cluster head node among the plurality of nodes 20 is itself. To the cluster head node (S44).

이후, 클러스터 헤드 노드는 자신이 클러스터 헤드 노드임을 나머지 일반 노드(20)로 브로드캐스팅(broadcasting)한다. 이에 따라, 클러스터 헤드 노드를 제외한 나머지 노드(20)는 일반 노드가 된다. Thereafter, the cluster head node broadcasts that the cluster head node is the cluster head node to the other general node 20. Accordingly, the remaining nodes 20 except the cluster head node become general nodes.

이하, 본 발명에 따른 에너지 소모량 및 노드(20)의 수명을 분석한 결과를 도 6 과 도 7 을 참조하여 설명한다. Hereinafter, the results of analyzing the energy consumption and the life of the node 20 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7.

도 6 은 본 발명과 종래 방식에 따른 특정 라운드에서의 노드별 잔여 에너지량을 비교한 도면이다.6 is a view comparing residual amounts of energy for each node in a specific round according to the present invention and the conventional scheme.

도 6 의 (a)는 전체 노드의 개수가 100개인 경우, 종래 방식에 따라 220 라운드에서 노드 i에 저장되어 있는 잔여 에너지량이고, (b)는 전체 노드의 개수가 100개인 경우, 본 발명의 노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법에 따라 220 라운드에서 노드 i에 저장된 잔여 에너지량을 나타낸 것이다. 6 (a) is the amount of remaining energy stored in node i in round 220 according to the conventional scheme when the total number of nodes is 100, and (b) is 100 when the total number of nodes is 100, According to the cluster head node selection method based on the distance between the node and the base station, the remaining amount of energy stored in the node i in the 220th round is shown.

도 6 의 (a)와 (b)를 비교하면, (a)에서는 거리가 먼 노드(20)일수록 노드(20)에 저장되어 있는 잔여 에너지량이 적게 나타남을 알 수 있다. Comparing (a) and (b) of FIG. 6, it can be seen that in (a), a smaller amount of residual energy stored in the node 20 appears in the node 20 having a greater distance.

그러나, (b)에서는 거리와 무관하게 노드(20)에 저장되어 있는 잔여 에너지량이 (a)에 비해 상대적으로 고르게 나타나 에너지 소모량이 비교적 균등하게 나타남을 알 수 있다. However, in (b), regardless of the distance, the amount of remaining energy stored in the node 20 is relatively even compared to (a), indicating that the energy consumption is relatively even.

도 6 에 나타난 바와 같은 에너지 소모에 따른 노드(20)의 수명을 도 7 에서 나타내었다. The lifetime of the node 20 according to energy consumption as shown in FIG. 6 is shown in FIG. 7.

도 7 은 본 발명과 종래 방식에 따른 노드의 수명을 비교한 도면이다. 7 is a view comparing the lifespan of a node according to the present invention and the conventional method.

도 7 의 (a)는 기지국(10)의 위치좌표가 x=100, y=300일 경우, 라운드 증가에 따라 노드(20)의 에너지가 완전히 소모되어 노드(20)가 정지되는 순서를 나타내며, (b)는 기지국(10)의 위치좌표가 x=100, y=500일 경우, 라운드 증가에 따라 노드(20)의 에너지가 완전히 소모되어 노드(20)가 정지되는 순서를 나타낸다. 7 (a) shows the order in which the node 20 is stopped because energy of the node 20 is completely consumed as the round is increased when the position coordinates of the base station 10 are x = 100 and y = 300, (b) shows the order in which the node 20 is stopped because energy of the node 20 is completely consumed when the position coordinates of the base station 10 are x = 100 and y = 500.

도 7 의 (a) 와 (b) 를 참조하면, 종래의 클러스터 헤드 노드 선출 방법에 따른 노드(20)의 수명(실선)에 비해 본 발명의 노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법에 따른 노드(20)의 수명(점선)이 약 10% 정도 높게 나타남을 알 수 있다. Referring to (a) and (b) of FIG. 7, the cluster head node selection method based on the distance between the node and the base station of the present invention compared to the life (solid line) of the node 20 according to the conventional cluster head node selection method. It can be seen that the lifespan (dotted line) of the node 20 is about 10% higher.

따라서, 본 발명에 따른 노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법은 종래의 클러스터 헤드 노드 선출 방법에 비해 상대적으로 에너지 효율이 높아 센서 네트워크의 수명을 연장할 수 있음을 알 수 있다. Accordingly, it can be seen that the cluster head node selection method based on the distance between the node and the base station according to the present invention has a relatively high energy efficiency compared to the conventional cluster head node selection method, thereby extending the life of the sensor network.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, I will understand. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the following claims.

10: 기지국 20: 노드10: base station 20: node

Claims (7)

기지국이 센서 필드에 분포되어 있는 모든 노드와의 거리를 계산하는 단계;
상기 기지국이 상기 센서 필드에 분포되어 있는 모드 노드와의 거리를 상기 노드 각각에게 송신하는 단계; 및
매 라운드 마다 상기 노드 각각이 상기 기지국과 상기 모든 노드와의 거리를 통해 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률을 계산하여 상기 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률에 따라 상기 노드 중 어느 하나가 자신을 상기 클러스터 헤드 노드로 선출하는 단계를 포함하고,
상기 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률은 상기 노드가 클러스터 헤드 노드일 경우 상기 기지국까지 데이터를 송신할 때 소모되는 에너지량과, 일반 노드일 경우 데이터를 송신하는 에너지량, 및 상기 노드와 상기 기지국 간의 거리를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법.Calculating, by the base station, distances from all nodes distributed in the sensor field;
Transmitting, by the base station, to each of the nodes a distance from a mode node distributed in the sensor field; And
In each round, one of the nodes identifies itself as the cluster head node based on the probability of each node being elected as the cluster head node based on the distance between the base station and all the nodes. Electing to,
The probability of being elected as the cluster head node is an amount of energy consumed when transmitting data to the base station when the node is a cluster head node, an amount of energy transmitting data when the node is a general node, and a distance between the node and the base station. Cluster head node selection method based on the distance between the node and the base station, characterized in that calculated using. 제 1 항에 있어서, 상기 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률은 상기 노드와 상기 기지국 간의 거리가 가까울수록 높은 것을 특징으로 하는 노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법. The method of claim 1, wherein the probability of being elected as the cluster head node is higher as the distance between the node and the base station increases. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 기지국은 상기 노드와의 거리를 상기 노드로부터 송신되는 테스트 패킷의 신호 세기를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법. The method of claim 1, wherein the base station calculates a distance from the node using the signal strength of a test packet transmitted from the node. 노드 각각이 기지국과 모든 노드와의 거리를 이용하여 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률을 계산하는 단계; 및
상기 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률에 따라 상기 노드 중 어느 하나가 자신을 상기 클러스터 헤드 노드로 선출하는 단계를 포함하고,
상기 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률은 상기 노드가 클러스터 헤드 노드일 경우 상기 기지국까지 데이터를 송신할 때 소모되는 에너지량과, 일반 노드일 경우 데이터를 송신하는 에너지량, 및 상기 노드와 상기 기지국 간의 거리를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법.Calculating the probability that each node will be elected cluster head node using the distance between the base station and all nodes; And
Selecting one of the nodes as the cluster head node according to a probability of being elected as the cluster head node,
The probability of being elected as the cluster head node is an amount of energy consumed when transmitting data to the base station when the node is a cluster head node, an amount of energy transmitting data when the node is a general node, and a distance between the node and the base station. Cluster head node selection method based on the distance between the node and the base station, characterized in that calculated using. 제 5 항에 있어서, 상기 클러스터 헤드 노드로 선출될 확률은 상기 노드와 상기 기지국 간의 거리가 가까울수록 높은 것을 특징으로 하는 노드와 기지국 간의 거리에 기반한 클러스터 헤드 노드 선출 방법. The method of claim 5, wherein the probability of being elected as the cluster head node is higher as the distance between the node and the base station increases. 삭제delete
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