KR101387248B1 - 무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법은 무선 센서 네트워크를 BS를 기준으로 정방형으로 설정하고, 설정된 정방형 네트워크를 노드의 수에 따라 동일한 크기를 갖는 정방향 형태의 서브 구역 n2개로 분할하는 S1 단계, S1 단계에서 분할된 서브 구역에서 네트워크 전체 체인을 형성하기 위하여 서브 구역 간을 연결하는 다리 노드를 선정하는 S2 단계 및 각 서브 구역 내에서 노드를 연결하는 체인을 구성하고, 다리 노드를 연결하여 전체 체인을 형성하는 S3 단계를 포함한다.

Description

무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법{GENERATING METHOD FOR BALANCED CHAIN TOPOLOGY IN WIRELESS SENSOR NETWORKS}
본 발명은 무선 센서 네트워크에서 데이터가 전송되는 경로를 설정하는 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 네트워크를 분할하고, 노드 간 거리가 최대한 균형적으로 구성되도록 데이터 전송 체인을 생성하는 방법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network : WSN)는 배터리로 작동되는 작은 무선 센서들로 구성 된다. 각 센서들은 서로 협력하면서 여러 정보를 수집해서 기지 노드(Base Station : BS) 에게 데이터를 제공한다. 센서 노드들은 보통 배터리를 충전하거나 교체하기 어려운 곳에 위치한 경우가 많으므로, 배터리 수명이 매우 큰 이슈로 작용한다. 때문에 배터리 사용의 효율성을 향상시켜 무선 센서 네트워크의 수명을 연장시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 각 노드의 데이터를 BS으로 전송 시 다양한 형태의 라우팅을 개발하여 에너지 효율을 높이는 방법이 있는데 대표적으로 LEACH, PEGASIS 그리고 EBSCR이 있다.
LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)는 무선 센서 네트워크의 에너지 소비를 최소화하기 위해 제안된 대표적인 계층 기반 구조를 갖는 프로토콜이다. 이 프로토콜은 분산된 다수의 클러스터를 가진다. BS은 센서 노드들과는 떨어진 지정된 위치에 있으며, 모든 노드들은 동일한 속성을 가진다. LEACH의 특성은 클러스터 형태가 계속해서 변경되고 센서 노드들 간에 스스로 클러스터 헤더(Cluster Header : CH)를 선정하는 것이다. 그래서 선택된 클러스터 헤더 노드의 에너지 소모를 줄이고, 네트워크 전체 에너지 소모 부하를 센서 노드 간에 분산하여 나눌 수 있다. 그리고 데이터는 병합하여 BS에 전송하기 때문에 전송되는 데이터양도 적다. LEACH는 Set-up , Steady, Sleep 상태로 구성된다. 먼저, Set-up 단계에서는 클러스터 헤더를 선출한다. CH의 선출은 각 노드가 스스로 선출을 한다. CH가 선출되고 나면, CH는 광고 메 시지를 방송하여 클러스터 멤버(Cluster Member : CM)노드들을 모은다. Steady 단계에서는 Set-up 단계에서 설정된 클러스터의 스케줄링에 따라 멤버 노드가 CH에 데이터를 전송한다. 전 멤버 노드들은 평상시에 Sleep 상태로 있다가 자신의 전송시간이 되면 깨어나 데이터를 전송하고 다시 Sleep 상태로 돌아가기 때문에 전송 이외 필요 없는 에너지 소모를 줄일 수 있다. 이와 같이 LEACH는 CH를 이용하여 각 노드들이 직접 BS에 데이터를 전송하는 것 보다 효율적이지만 확률적으로 CH 선출하기때문에 항상 일정한 수의 클러스터 헤드가 선출되지 않아, 에너지 소비가 비교적 크다는 문제점이 있다.
PEGASIS(Power Efficient Gathering in Sensor Information Systems) 프로토콜은 모든 노드를 한 개의 체인으로 연결한다. BS와의 통신은 체인의 순서에 따라서 한 번 씩 돌아가면서 담당한다. 라운드라고 부르는 기본주기마다 노드는 체인을 따라서 미리 정한 최종 전달 노드에게 측정값을 전송하면 최종전달 노드는 이를 모아서 BS에게 전송한다. PEGASIS에서는 데이터 퓨전률을 100%로 가정하여 에너지를 많이 소모하는 BS로의 패킷을 전달하는 최종 전달 노드 수가 하나로 축소하였기 때문에 에너지가 절약된다. 하지만 PEGASIS의 체인 구성 알고리즘은 그리드 알고리즘 기반이므로 네트워크 가중치(각 노드 간 간선의 총 길이)에 대하여 최적화 되어있지 않고 또한 각 센서 노드 간 평균 길이가 길어지며 마지막으로 선정된 링크의 길이가 대단히 길어진다는 단점을 갖는다. 그 결과 이러한 긴 링크에 접해 있는 노드는 과도한 전송에너지로 에너지가 일찍 고갈되며 에너지 불균형을 유발하게 되고 결과적으로 네트워크 수명이 단축되는 문제점이 있다.
EBSCR(Energy-Based Selective Chain-head Rotation for Wireless Sensor Networks)은 PEGASIS의 단점을 개선한 프로토콜이다. EBSCR역시 체인 토폴로지(topology)를 사용한다. PEGASIS는 체인 구성 시 이미 구성한 체인은 재구성하지 않고 마지막 헤더 노드로부터 가장 가까운 노드를 찾아 연결한다. 하지만 EBSCR의 프로토콜은 체인 구성 시 다음에 연결할 노드를 가장 가까운 노드가 아닌 전체 체인의 가중치를 계산하여 찾는다. 또한 각 노드마다 에너지 임계값을 두어 헤더 노드가 임계값에 다다를 경우 헤더 노드의 역할 수행을 중지하며 다른 노드로 헤더가 교체됨으로써 네트워크의 수명을 연장시킨다. 하지만 EBSCR은 노드 간 거리를 균형되게 구성하지 않는다는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법은 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.
첫째, 무선 센서 네트워크에서 데이터 경로를 구성하는데 있어서, 노드 간 연결 거리를 최대한 감소시키기고자 한다.
둘째, 네트워크를 서브(sub) 구역으로 분할하고, 서브 구역을 연결하는 간선 및 서브 구역 내의 체인을 가중치가 가장 적은 경로로 설정하고자 한다.
셋째, 최적의 경로를 갖는 네트워크를 구성하여, 무선 센서 네트워크의 수명을 연장시키고자 한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법은 무선 센서 네트워크를 BS를 기준으로 정방형으로 설정하고, 설정된 정방형 네트워크를 노드의 수에 따라 동일한 크기를 갖는 정방향 형태의 서브 구역 n2개로 분할하는 S1 단계, S1 단계에서 분할된 서브 구역에서 네트워크 전체 체인을 형성하기 위하여 서브 구역 간을 연결하는 다리 노드를 선정하는 S2 단계 및 각 서브 구역 내에서 노드를 연결하는 체인을 구성하고, 다리 노드를 연결하여 전체 체인을 형성하는 S3 단계를 포함한다.
본 발명은 S2 단계의 서브 구역을 연결하는 다리 및 S3 단계에서 구성된 체인을 통해 데이터가 전송되는 과정 중에 하나 이상의 노드에서 데이터 전송 실패가 발송하는 경우, 데이터 전송 실패가 발생한 노드인 실패 노드가 속한 서브 구역에서만 체인 구성이 재구성되는 S4 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 S1 단계는 BS에서 가장 먼 거리에 있는 헤더 노드를 결정하고, 헤더 노드를 xy축 좌표 기준에 두고, 모든 노드가 포함되는 정방형 네트워크로 설정한 후 노드 개수에 따라 서브 노드의 크기 및 개수를 설정하여 서브 구역을 분할하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 S2 단계는 인접한 서브 노드 간 가장 거리가 작은 간선을 구성하는 노드를 결정하는 S2-1 단계 및 S2-1 단계에서 결정된 노드가 구성하는 간선 개수가 n2-1개가 될 때까지 거리가 긴 간선 순서대로 간선을 제거하는 S2-2 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 S3 단계는 서브 구역의 다리 노드가 모두 연결되도록 최소 스패닝 트리(MST) 알고리즘을 사용하여 각 서브 구역의 체인을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 S4 단계는 실패 노드가 다리 노드가 아닌 경우, 실패 노드를 제외하고 실패 노드가 속한 서브 구역의 다리 노드가 모두 연결되도록 최소 스패닝 트리(MST) 알고리즘을 사용하여 서브 구역의 체인을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 S4 단계는 실패 노드가 다리 노드인 경우, 실패 노드가 속한 서브 구역에서 다리 노드를 다시 결정하고, 다시 결정된 다리 노드가 모두 연결되도록 최소 스패닝 트리(MST) 알고리즘을 사용하여 서브 구역의 체인을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법은 본 발명은 체인 구성 시 미니멈 스패닝 트리 알고리즘을 기반으로 체인 구성을 하여 PEGASIS의 그리드 알고리즘을 사용할 때보다 네트워크의 가중치를 감소시킨다. 따라서 본 발명이 적용된 무선 센서 네트워크는 수명이 길어지고 안정성이 보장된다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 네트워크가 분할되면 링크의 최대 거리가 줄어드는 원리를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법에 따른 일 예를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명에서 다리 노드 선택 과정에서 인접한 서브 구역간 연결 간선을 찾는 예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법에 대한 순서도이다.
도 5는 서브 노드를 연결하는 다리 노드가 결정되는 과정을 도시한 예이다.
도 6은 서브 노드를 연결하는 다리 노드가 최종적으로 결정되는 알고리즘을 도시한 예이다.
도 7은 본 발명의 효과를 검증하기 위한 시뮬레이션 결과로서, 도 7(a)는 노드가 최초로 정지(dead)한 라운드를 나타내고, 도 7(b)는 마지막으로 남은 노드가 정지한 라운드를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 효과를 검증하기 위한 시뮬레이션 결과로서, 각 라운드마다 정상적으로 작동하는 노드의 개수를 나타낸다.
본 발명은 지식경제부가 주관하는 산학협력중심대학육성사업의 결과물로부터 도출된 것이다. 구체적으로 "스마트폰 기반의 모바일 소셜 네트워크 프레임 워크 핵심 기술 개발"이란 연구과제(정부과제번호: 2011-0079-005)의 결과물이다.
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.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 도면을 참조하면서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법에 관하여 구체적으로 설명하겠다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
먼저 본 발명에 대한 구체적 내용을 설명하기 전에 발명의 주요 구성 및 원리에 대해 간략하게 살펴보고자 한다.
본 발명에서 제안하는 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법은 균형 체인 기반 라우팅 프로토콜(Balanced Chain Based Routing Protocol: BCBRP)라고 할 수 있다. 본 발명에 따른 균형 체인 토폴로지는 에너지 효율이 높은 무선 센서 네트워크(WSN)를 구성하게 한다.
본 발명의 특징적 과정은 WSN를 서브 구역으로 분할하는 과정, 서브 구역에서 체인을 구성하는 과정 및 서브 구역을 연결하는 과정을 포함한다. 첫째, 전체 네트워크는 동일한 크기를 갖는 서브 구역으로 구역이 분할된다. 둘째, 각 서브 구역을 연결하는 다리 노드를 선정한다. 셋째, 다리 노드를 통해 서브 구역을 연결하여 체인을 구성한다.
통신 노드 간의 거리를 d라고 할 때, 에너지 소모는 O(d2)이다. 이는 데이터가 다른 노드로 전송되는 중에 전파 신호 감쇠(減衰)는 거리에 비례하기 때문이다. 노드 간 거리는 에너지 소모를 증가시키므로, 네트워크의 수명을 연장하기 위해서는 네트워크상에서 노드 간 최대 거리를 줄여야 한다.
도 1은 네트워크가 분할되면 링크(link)의 최대 거리가 줄어드는 원리를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 네트워크가 분할될수록 링크의 최대 거리는 줄어든다.
노드 간의 링크 거리는 네트워크를 분할하는 구역이 더 작은 구역으로 나누어질수록 줄어든다. 도 1에 도시된 네트워크 구역의 크기는 xmax × ymax이고, 구역의 모양은 직사각형이다. 링크 i의 거리는 아래의 수학식 1로 표현된다.
Figure 112011098796487-pat00001
도 1에 도시된 바와 같이, 분할된 구역이 4개의 서브 구역을 갖는다면 링크 i의 거리는 아래의 수학식 2로 표현된다.
Figure 112011098796487-pat00002
데이터 전송 중에 에너지 소모는 d2에 비례하여 증가하므로, 네트워크의 링크 개수를 n이라고 하면 에너지 소모 Eavg는 아래의 수학식 3과 같이 평균 거리에 비례한다.
Figure 112011098796487-pat00003
아래의 수학식 4는 네트워크가 k개의 구역으로 분할되는 경우에 발생하는 에너지 소모 Ed _ avg를 나타낸다.
Figure 112011098796487-pat00004
아래의 수학식 5는 네트워크 구역이 4개로 분할되는 경우에 감소하는 링크의 평균 길이를 나타낸다.
Figure 112011098796487-pat00005
본 발명은 전술한 바와 같이 링크의 최대 거리를 줄여 네트워크의 에너지 효율을 도모하는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법에 따른 일 예를 개략적으로 도시한다. 도 2를 살펴보면서 본 발명의 특징적 구성을 좀더 설명하고자 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전체 네트워크가 4 개의 서브 구역으로 분할된 후 서브 구역 내 체인이 형성되고, 서브 구역을 연결하는 다리 노드를 연결하여 전체 체인이 형성된다.
도 2(a)에 도시된 바와 같이, 먼저 헤더 노드가 선정된다. 헤더 노드는 네트워크의 프론트(the front)이고, BS(Base Station)으로부터 가장 먼 거리에 있는 노드이다. 그리고, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 전체 네트워크는 n2개의 서브 구역으로 분할된다(n= 1,2,...). 서브 구역의 크기와 개수는 상수 n을 설정하여 정방형인 n2개로 분할한다.
도 2(c)에 도시된 바와 같이, 네트워크가 서브 구역으로 분할된 후 네트워크에서 전체 체인을 형성할 때 서브 구역을 연결하는 링크 역할을 하는 다리 노드를 설정한다. 결국 하나의 서브 구역은 다리를 통해 인접한 하나 이상의 서브 구역과 연결된다. 도 2(c)를 살펴보면, A 서브 구역과 B 서브 구역, B 서브 구역과 C 서브 구역, C 서브 구역과 D 서브 구역이 연결되며, A 와 D는 연결되지 않는다. 이는 본 발명의 체인 토폴로지는 전체 네트워크에서 가장 효율적인 하나의 체인을 형성하기 때문이다.
이 후 도 2(d)에 도시된 바와 같이 각 서브 구역 내에서 체인을 형성하고, 도 2(e)와 같이 최종적으로 다리 노드를 연결하여 최종 체인을 형성한다.
우선 서브 네트워크 i에서 구성된 체인들을 연결하기 위하여 다리 노드(Bridge Node : BN)를 이용한다. 아래의 표 1의 알고리즘을 이용하여 각 서브 구역 간 가장 가까운 간선을 먼저 설정한다.
도 3은 본 발명에서 다리 노드 선택 과정에서 인접한 서브 구역간 연결 간선을 찾는 예를 도시한다. 도 3에서 서브 구역(Sub Area) A는 오른쪽 서브 구역과 아래쪽 서브구역에서 연결 간선을 찾아보면 충분하나, 서브 구역 B는 위.아래.좌.우 4개의 서브 구역을 연결하는 간선을 모두 검색해보아야 한다. 아래의 표 1의 알고리즘은 서브 구역에서 인접한 서브구역을 모두 비교하는 알고리즘을 나타낸다.
Figure 112011098796487-pat00006
이후 아래의 표 2에 설명된 알고리즘을 이용하여 상기 알고리즘으로 선택된 간선을 (n2-1)개의 간선으로 줄인다. (n2-1)개의 간선은 모든 서브 구역 체인을 하나의 체인으로 만들기 위한 최소의 수다. 각 서브 구역은 Header Bridge Node(HBN), Leaf Bridge Node(LBN)를 가지게 된다. 현재의 서브 구역을 i 번째라고 하면, HBN는 서브 구역(i+1) 의 체인을 연결시켜주며 LBN는 서브 구역(i-1)의 체인과 연결시켜 주는 역할을 한다. 전체 체인의 처음 부분이 되는 서브 구역는 HBN만 가지게 되며 마지막 부분이 되는 서브 구역는 LBN만 가진다. 서브 구역의 순서는 다양한 방법으로 결정될 수 있지만 일단 xy 좌표 상에서 최상 열에서 가장 외쪽부터 오른쪽으로 번호가 증가되는 순서라고 가정한다.
Figure 112011098796487-pat00007
상기 표 2의 알고리즘 2는 각 서브 구역의 링크 거리가 큰 순서대로 삭제하되 각 서브 구역은 적어도 하나의 간선 갖도록 합니다. 다만 사이클을 구성하는 것을 방지하기 위하여 각 서브 구역은 두 개 이하로만 간선을 갖도록 제한 조건을 둡니다.
결국 S2 단계는 인접한 서브 구역 간 가장 거리가 작은 간선을 구성하는 노드를 결정하는 S2-1 단계(상기 표1 알고리즘 1) 및 S2-1 단계에서 결정된 노드가 구성하는 간선 개수가 n2-1개가 될 때까지 거리가 긴 간선 순서대로 간선을 제거하는 S2-2 단계(상기 표 2 알고리즘 2)로 구성된다. 다리 노드 선정이 끝나면 HBN만 존재하는 서브 네트워크부터 체인 구성이 시작된다.
Figure 112011098796487-pat00008
체인 구성은 상기 표 3의 체인 구성 알고리즘을 기반으로 하며 이는 미니멈 스페닝 트리 알고리즘을 기반으로 구성한다.
기존 체인 토폴로지인 PEGASIS의 체인 구성은 체인 끝 마지막 노드가 체인에 속하지 않은 노드들과 비교 연산 후 가장 거리가 적은 노드와 연결하지만 본 발명에서는 체인 끝 노드만이 아닌 이미 체인에 속한 노드들도 다시 비교 연산하여 체인 끝이 아닌 체인 중간에 삽입할 수도 있다. 알고리즘 3은 비교 연산 후 가중치를 가장 작게 만드는 것으로, 노드를 체인 중간과 끝 부분 모두에 삽입이 가능하다.
다리 노드 선정 연산 및 체인 구성 연산은 BS에서 주관하며 연산 종료 후 각 서브 네트워크의 LBN에게 해당 서브 네트워크의 체인 구성 정보와 다리 노드 정보를 전송한다. BS에게 정보를 전송받은 각 서브 네트워크의 LBN는 자신의 다음 연결 노드에게 정보를 전송한다. 정보를 수신한 노드는 수신된 정보를 바탕으로 체인 내 자신의 위치와 자신의 이전, 다음 노드를 확인하며 다음 노드에게 정보를 전송한다. 각 서브 네트워크의 체인 구성 정보가 모두 전송 완료되면 각 서브 네트워크의 HBN는 BS에게 전송 완료 신호를 보낸다.
모든 HBN에서 전송 완료 신호를 받으면 BS은 임의의 노드k를 헤더노드로 선정한다. 이때 헤더 노드는 각 라운드마다 설정되며 헤더 노드를 역임한 노드는 총 노드 수만큼의 라운드 동안 헤더 노드로 선정되지 않는다. 헤더 노드를 선정한 BS은 노드k 에게 헤더 노드로 선정되었다는 메시지를 전송한다. 메시지를 전송받은 노드k는 자신이 헤더 노드로 선정되었다는 메시지를 자신의 이전 노드k-1와 다음 노드k+1에게 전송한다. 헤더 노드의 정보를 받은 노드들은 자신들과 연결된 노드에게 헤더 노드의 정보를 전송하며 체인의 가장자리에 있는 노드까지 연계하여 헤더 노드 정보를 전송한다.
노드가 정지(dead)한 경우 BS은 해당 서브 네트워크의 다리 노드와 체인 구성을 새로 설정한다. BS은 해당 서브 네트워크의 연산 종료 후 체인 정보를 해당 서브 네트워크의 LBN에 보내며 해당 서브 네트워크는 다시 체인구성을 하게 된다. 이와 같이 노드가 죽은 서브 네트워크만 체인을 재구성함으로써 노드 정지 시 재구성하는 에너지 소비를 줄일 수 있다. 노드 정지는 배터리가 모두 사용된 경우나 고장 등에 의해 발생할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 상황을 가정하며 고안됐다. (1) 모든 센서 노드의 기종은 동일하며 최초 에너지 또한 동일하다. (2) 모든 센서 노드는 데이터를 수집하고 전송할 수 있으며 자신 이외의 노드들의 위치와 기지 노드의 위치를 알고 있다. (3) 각 센서 노드들은 한 위치에 고정되어 있다. (4) 기지 노드의 자원은 무한하며 모든 노드의 위치를 알고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법에 대한 순서도이다.
본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법은 무선 센서 네트워크를 BS를 기준으로 정방형으로 설정하고, 설정된 정방형 네트워크를 노드의 수에 따라 동일한 크기를 갖는 정방향 형태의 서브 구역 n2개로 분할하는 S1 단계, S1 단계에서 분할된 서브 구역에서 네트워크 전체 체인을 형성하기 위하여 서브 구역 간을 연결하는 다리 노드를 선정하는 S2 단계 및 각 서브 구역 내에서 노드를 연결하는 체인을 구성하고, 다리 노드를 연결하여 전체 체인을 형성하는 S3 단계를 포함한다.
S1 단계는 BS에서 가장 먼 거리에 있는 헤더 노드를 결정하고, 헤더 노드를 xy축 좌표 기준에 두고, 모든 노드가 포함되는 정방형 네트워크로 설정한 후 노드 개수에 따라 서브 구역의 크기 및 개수를 설정하여 서브 구역을 분할한다.
S2 단계에서는 각 서브 구역을 연결하는 다리 노드를 결정한다. 먼저 가능한 후보 간선을 모두 선택한 후 최종적으로 비용이 가장 적은 간선을 구성하는 노드를 다리 노드로 결정한다. 서브 구역의 위치에 따라서 다리 노드가 구성하는 간선은 최소 1 개에서 최대 4 개까지 가능하다.
도 5는 서브 구역을 연결하는 다리 노드가 결정되는 과정을 도시한 예이다. 도 5는 상기 표2의 알고리즘 2가 간선을 어떻게 선택하는지 도시한다. 각 서브 구역을 연결하는 가장 짧은 간선을 선택하고, 간선의 길이를 가중치라고 하면, 가중치가 가장 적으면서 전체 서브 구역이 연결되는 간선을 선택하는 것이다.
도 6는 서브 구역을 연결하는 다리 노드가 최종적으로 결정되는 알고리즘을 도시한 예이다. 각 서브 에어리어에 모든 간선을 확보 후 체인 구성을 위하여 n2-1개의 간선을 선정하며 가장 최적화 된(네트워크 가중치가 가장 적은) 체인 구성을 위하여 최소 스패닝 트리 알고리즘을 사용한다. 각 서브 에어리어에 존재하는 간선 중 길이가 긴 간선부터 제거하며 각 서브 에어리어는 최소한 1개 이상 최대 2개의 간선을 갖는다. 마지막에 남은 n2-1개의 간선은 다리 노드가 된다.
다리 노드의 설정이 끝나면 본격적인 체인구성을 시작한다. 각 서브 에어리어마다 체인 구성을 하는데 LBN에서 체인 구성을 시작하며 HBN에서 끝난다. 체인 구성 메커니즘은 상기 표 4의 알고리즘 3과 같다. LBN 노드는 자신이 속해있는 서브 에어리어 내의 모든 노드와 비교 연산하여 가장 체인 가중치가 적게 증가하는 노드와 연결한다. 체인 구성을 할 다음 노드 선정에 있어서 본 발명은 삽입의 위치를 체인의 말단 부분이 아닌 중간 부분에서도 삽입 가능하게 함으로써 도 5와 같이 체인 가중치를 줄인다. 이는 이미 체인에 구성된 노드들도 나머지 노드들과 비교 연산함으로써 이루어지는데 이때 비교 연산은 O(n2)의 시간을 가지게 된다. 여기서 n은 노드의 수이다. 따라서 노드의 수가 많아질수록 연산이 기하급수적으로 늘어나므로 본 발명에서는 에어리어를 분할함으로써 비교 연산할 노드를 줄여 이를 가능하게 한다.
S3 단계는 서브 구역의 다리 노드가 모두 연결되도록 최소 스패닝 트리(MST) 알고리즘을 사용하여 각 서브 구역의 체인을 형성한다. 구체적인 알고리즘은 상기 표 3에 도시한 알고리즘 3과 같다.
한편 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법은 S2 단계의 서브 구역을 연결하는 다리 및 S3 단계에서 구성된 체인을 통해 데이터가 전송되는 과정 중에 하나 이상의 노드에서 데이터 전송 실패가 발송하는 경우, 데이터 전송 실패가 발생한 노드인 실패 노드가 속한 서브 구역에서만 체인 구성이 재구성되는 S4 단계를 더 포함할 수 있다.
데이터 전송 시 노드가 죽었을 경우 해당 노드의 서브 네트워크를 재구성할 수 있다. LEACH와 PEGASIS의 경우 노드가 사망할 경우 전체 네트워크를 구성하지만 본 발명에서는 노드가 사망한 서브 네트워크만 재구성하므로 체인 재구성 시 소비되는 자원을 절약할 수 있다.
우선 노드가 사망한 노드가 서브 네트워크의 다리 노드인지 확인한다. 다리 노드일 경우 HBN와 LBN를 다시 선정하고 HBN부터 채인 구성을 다시 한다. 체인 구성이 끝나면 LBN는 체인 재구성 메시지를 BS으로 전송한다. 체인 재구성 알고리즘은 아래의 표 4에 기재한 알고리즘과 같다.
Figure 112011098796487-pat00009
S4 단계는 실패 노드가 다리 노드가 아닌 경우, 실패 노드를 제외하고 실패 노드가 속한 서브 구역의 다리 노드가 모두 연결되도록 최소 스패닝 트리(MST) 알고리즘을 사용하여 서브 구역의 체인을 형성한다.
S4 단계는 실패 노드가 다리 노드인 경우, 실패 노드가 속한 서브 구역에서 다리 노드를 다시 결정하고, 다시 결정된 다리 노드가 모두 연결되도록 최소 스패닝 트리(MST) 알고리즘을 사용하여 서브 구역의 체인을 형성한다. 다리 노드 결정 알고리즘 등은 전술한 알고리즘을 사용한다.
이하 본 발명의 효과를 검증하는 시뮬레이션 결과에 대해 설명하고자 한다. 본 발명은 컴퓨터 시뮬레이터를 이용하여 성능평가 하였다. 성능평가의 요소는 하단의 표1과 같다. 전체 네트워크 사이즈는 100m*100m 이며 100개의 센서 노드로 구성된다. 센서 노드의 초기 에너지 값은 0.25J이다. 분할 상수 n은 2로 설정하여 측정하였다. 분할 상수가 2일 경우 4개의 영역으로 나누어진다. 모든 프로토콜의 에너지 소비량은 전송 시 소비된 에너지양, 수신 시 소비된 에너지양, 데이터 퓨전 시 소비된 에너지양을 적용한다. 구체적인 시뮬레이션 조건은 아래의 표 5와 같다.
Figure 112011098796487-pat00010
도 7은 본 발명의 효과를 검증하기 위한 시뮬레이션 결과로서, 도 7(a)는 노드가 최초로 정지(dead)한 라운드를 나타내고, 도 7(b)는 마지막으로 남은 노드가 정지한 라운드를 나타낸다.
도 7(a)는 네트워크 구성 후 각 프로토콜에서 처음으로 노드가 사망하는 하는 라운드를 알려준다. 이는 구성된 네트워크가 얼마나 긴 기간 동안 완벽한 기능을 수행하는지 알 수 있다. 도 7에서 "Proposed"로 표시한 부분이 본 발명의 방법을 적용한 경우이다. 본 발명의 방법이 사용된 무선 센서 네트워크가 PEGASIS 및 EBSCR가 적용된 네트워크보다 오랫동안 정상적인 기능을 수행함을 알 수 있다.
도 7(b)는 네트워크의 마지막 노드가 사망하는 라운드이며 해당 프로토콜을 적용했을 때 네트워크의 수명을 알 수 있다. 본 발명의 방법이 적용된 무선 센서 네트워크가 PEGASIS 및 EBSCR가 적용된 네트워크보다 네트워크 수명이 길다는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 효과를 검증하기 위한 시뮬레이션 결과로서, 각 라운드마다 정상적으로 작동하는 노드의 개수를 나타낸다. 도 8에서도 "Proposed"로 표시한 부분이 본 발명의 방법을 적용한 경우이다. 시뮬레이션 결과 본 발명의 방법이 PEGASIS, EBSCR 보다 네트워크 수명이 4~11% 증가하였다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 무선 센서 네트워크에서 데이터 전달을 위한 체인 토폴로지 생성방법에 있어서,
    무선 센서 네트워크를 BS를 기준으로 정방형으로 설정하고, 설정된 정방형 네트워크를 노드의 수에 따라 동일한 크기를 갖는 n2개(n은 2 이상의 자연수)의 서브 구역으로 분할하는 S1 단계;
    상기 S1 단계에서 분할된 서브 구역에서 네트워크 전체 체인을 형성하기 위하여, 각각의 서브 구역에 인접한 모든 서브 구역 간 가장 거리가 작은 간선을 구성하는 노드들을 각각의 서브 구역마다 결정하고, 결정된 노드들이 구성하는 간선 개수가 n2-1개가 될 때까지 거리가 긴 간선 순서대로 간선을 제거하여, 남은 간선으로써 서브 구역 간을 연결하는 다리 노드를 선정하는 S2 단계; 및
    상기 각 서브 구역 내에서 노드를 연결하는 체인을 구성하고, 상기 다리 노드를 연결하여 전체 체인을 형성하는 S3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 S2 단계의 서브 구역을 연결하는 다리 및 상기 S3 단계에서 구성된 체인을 통해 데이터가 전송되는 과정 중에 하나 이상의 노드에서 데이터 전송 실패가 발송하는 경우, 상기 데이터 전송 실패가 발생한 노드가 속한 서브 구역에서만 체인 구성이 재구성되는 S4 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 S1 단계는
    BS에서 가장 먼 거리에 있는 헤더 노드를 결정하고, 헤더 노드를 xy축 좌표 기준에 두고, 모든 노드가 포함되는 정방형 네트워크로 설정한 후 노드 개수에 따라 서브 구역의 크기 및 개수를 설정하여 서브 구역을 분할하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 S2 단계에서 간선을 제거하는 과정은 하나의 서브 구역에 최소한 한개의 간선이 남도록 하고, 최대 2개의 간선을 갖도록 간선을 제거하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 S3 단계는
    상기 서브 구역의 다리 노드가 모두 연결되도록 최소 스패닝 트리(MST) 알고리즘을 사용하여 각 서브 구역의 체인을 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 S4 단계는
    상기 실패 노드가 다리 노드가 아닌 경우, 상기 실패 노드를 제외하고 상기 실패 노드가 속한 서브 구역의 다리 노드가 모두 연결되도록 최소 스패닝 트리(MST) 알고리즘을 사용하여 상기 서브 구역의 체인을 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 S4 단계는
    상기 실패 노드가 다리 노드인 경우, 상기 실패 노드가 속한 서브 구역에서 다리 노드를 다시 결정하고, 다시 결정된 다리 노드가 모두 연결되도록 최소 스패닝 트리(MST) 알고리즘을 사용하여 상기 서브 구역의 체인을 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 균형 체인 토폴로지를 생성하는 방법.
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