KR101394357B1 - 무선 센서 네트워크 시스템 및 그의 클러스터 관리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크 시스템 및 그의 클러스터 관리 방법에 관한 것으로, 센싱 데이터를 수집하기 위한 적어도 하나의 센서 노드와 센서 노드로부터 수신되는 센싱 데이터를 축약하기 위한 클러스터 헤드를 구비하는 적어도 하나의 클러스터와, 클러스터로부터 축약된 센싱 데이터를 수집하는 싱크 노드를 포함하며, 클러스터 헤드는, 클러스터의 클러스터 사이즈를 파악하고, 클러스터가 마스터 클러스터이고 클러스터 사이즈가 임계 사이즈 미만이면, 클러스터를 다른 마스터 클러스터로 병합을 수행하며, 클러스터를 슬레이브 클러스터로 전환하는 무선 센서 네트워크 시스템 및 클러스터가 클러스터 사이즈를 파악하는 과정과, 클러스터가 마스터 클러스터이고 클러스터 사이즈가 임계 사이즈 미만이면, 클러스터가 다른 마스터 클러스터로 병합을 수행하는 과정과, 클러스터가 슬레이브 클러스터로 전환하는 과정을 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 클러스터 관리 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 각각의 클러스터에서 관리 효율을 일정 범위의 수준으로 유지할 수 있으며, 각각의 클러스터에서 소비하는 에너지를 절약함으로써, 무선 센서 네트워크의 수명을 연장할 수 있는 이점이 있다.
Figure R1020070101195
무선 센서 네트워크, 클러스터, 클러스터 사이즈, 병합, 분할

Description

무선 센서 네트워크 시스템 및 그의 클러스터 관리 방법{WIRELESS SENSOR NETWORK SYSTEM AND METHOD MANAGING CLUSTER THEREOF}
본 발명은 무선 센서 네트워크 시스템 및 그의 클러스터링 방법에 관한 것으로, 특히 다수개의 클러스터들을 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템 및 그의 클러스터 관리 방법에 관한 것이다.
일반적으로 무선 센서 네트워크는 다수개의 클러스터(cluster)들과 각각의 클러스터로부터 센싱 데이터(sensing data)를 수집하는 싱크 노드(sink node)를 포함한다. 그리고 각각의 클러스터는 다수개의 센서 노드(sensor node)들로부터 선출되는 클러스터 헤드(cluster head)와 나머지 센서 노드들로 이루어진다. 여기서, 클러스터 헤드는 해당 클러스터의 센서 노드 각각으로부터 수신되는 센싱 데이터에 대하여 데이터 축약(data aggregation)을 수행하며, 축약된 센싱 데이터를 싱크 노드로 전달한다. 이 때 클러스터 헤드는 배터리(battery)를 이용하여 전원을 충당하고 있으나, 배터리를 교체하거나 재충전하는 것은 불가능하다. 이로 인하여, 클러스터 헤드의 에너지 소비 정도가 무선 센서 네트워크의 수명을 결정하는 중요한 변수가 될 수 있다.
그런데 상기와 같은 무선 센서 네트워크에서, 클러스터 헤드가 데이터 축약을 하는데 높은 정도의 에너지 소비가 이루어진다는 문제점이 있다. 이러한 문제점은 해당 클러스터에 포함되는 센서 노드의 수가 많을수록 더욱 심각해진다. 뿐만 아니라, 클러스터에 포함되는 센서 노드의 수가 지나치게 적으면, 센서 노드의 관리 효율이 저하되는 문제점이 있다. 이에 따라, 클러스터에 포함되는 센서 노드의 수가 적절히 유지되도록 클러스터를 관리할 수 있는 방법이 요구된다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 다수개의 클러스터(cluster)들을 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 클러스터 관리 방법에 있어서, 상기 클러스터가 클러스터 사이즈를 파악하는 과정과, 상기 클러스터가 마스터 클러스터이고 상기 클러스터 사이즈가 임계 사이즈 미만이면, 상기 클러스터가 다른 마스터 클러스터로 병합을 수행하는 과정과, 상기 클러스터가 슬레이브 클러스터로 전환하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크 시스템은, 센싱 데이터를 수집하기 위한 적어도 하나의 센서 노드와 상기 센서 노드로부터 수신되는 상기 센싱 데이터를 축약하기 위한 클러스터 헤드를 구비하는 적어도 하나의 클러스터와, 상기 클러스터로부터 상기 축약된 센싱 데이터를 수집하는 싱크 노드를 포함하며, 상기 클러스터 헤드는, 상기 클러스터의 클러스터 사이즈를 파악하고, 상기 클러스터가 마스터 클러스터이고 상기 클러스터 사이즈가 임계 사이즈 미만이면, 상기 클러스터를 다른 마스터 클러스터로 병합을 수행하며, 상기 클러스터를 슬레이브 클러스터로 전환하는 것을 특징으로 한다.
따라서 상기와 같은 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크 시스템 및 그의 클러스터 관리 방법은, 클러스터 사이즈가 임계 사이즈 미만이면, 해당 클러스터가 다른 클러스터로 병합을 수행한다. 그리고 병합 후, 해당 클러스터의 클러스터 사이즈가 임계 사이즈 이상이 되면, 해당 클러스터가 다른 클러스터로부터 분할을 수행한다. 또한 클러스터 사이즈가 최대 사이즈 이상이면, 각각의 클러스터는 조인을 수행하지 않는다. 이에 따라, 각각의 클러스터는 클러스터 사이즈를 임계 사이즈 이상이고 최대 사이즈 미만으로 유지할 수 있다. 이로 인하여, 각각의 클러스터에서 관리 효율을 일정 범위의 수준으로 유지할 수 있는 이점이 있다. 게다가 각각의 클러스터에서 소비하는 에너지를 절약함으로써, 무선 센서 네트워크의 수명을 연장할 수 있는 이점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
하기 설명에서, "클러스터 사이즈(Cluster_Size)"라는 용어는 클러스터에서 센서 노드의 수를 의미한다. 즉 클러스터 사이즈는 해당 클러스터의 센서 노드들로부터 선택된 클러스터 헤드 및 나머지 센서 노드들의 수의 합을 의미한다. 이 때 각각의 센서 노드는 자손 노드의 수(Node_Cnt)를 파악하고 있다. 그리고 자손 노드의 수 변화 시, 센서 노드는 자손 노드의 수 변화를 부모 노드에 통지한다. 이로 인하여, 클러스터 헤드는 해당 클러스터의 클러스터 사이즈를 파악한다. 또한 클러스터 사이즈 변화 시, 클러스터 헤드는 해당 클러스터의 센서 노드들로 변화된 클러스터 사이즈를 전달한다. 이에 따라, 클러스터의 모든 센서 노드들, 즉 클러스터 헤드 및 나머지 센서 노드들은 클러스터 사이즈를 파악할 수 있다. "임계 사이즈(Size_Threshold)"라는 용어는 클러스터의 센서 노드 관리 효율에 따라 결정되며, 클러스터에 포함되어야 하는 센서 노드의 수에 대한 임계값을 의미한다. "최대 사이즈(Max_Size)"라는 용어는 클러스터에 포함될 수 있는 센서 노드의 수에 대한 최대값을 의미한다.
"마스터 클러스터"라는 용어는 독립적으로 데이터 축약을 수행하는 클러스터를 의미한다. 즉 마스터 클러스터의 클러스터 헤드는 데이터 축약을 수행한 다음, 축약된 데이터를 싱크 노드로 전달한다. "슬레이브 클러스터"라는 용어는 마스터 클러스터에 종속되는 클러스터를 의미한다. 즉 슬레이브 클러스터의 클러스터 헤드는 데이터 축약을 수행한 다음, 축약된 데이터를 해당 마스터 클러스터로 전달한다.
도 1은 일반적인 무선 센서 네트워크 시스템의 개략적인 구성을 도시하는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 무선 센서 네트워크 시스템은 다수개의 클러스터(110, 120 및 130), 싱크 노드(150), 네트워크(160) 및 통신 단말기(170)로 이루어진다. 클러 스터(110, 120 및 130)들은 상호 독립적으로 구성된다. 그리고 각각의 클러스터(110, 120 및 130)는 클러스터 헤드(111, 121 및 131) 및 클러스터 헤드(111, 121 및 131) 이외의 센서 노드(113, 123 및 133)들을 포함한다. 이러한 클러스터(110, 120 및 130)에서 클러스터 헤드(111, 121 및 131)는 각각의 센서 노드(113, 123 및 133)들로부터 수신되는 센싱 데이터에 대하여 데이터 축약을 수행한다. 그리고 클러스터 헤드(111, 121 및 131)는 축약된 센싱 데이터를 싱크 노드(150)로 전달한다.
싱크 노드(150)는, 예컨대 이동 통신 네트워크 또는 유무선 네트워크를 통한 전술 인터넷(tactical internet) 등을 포함하는 네트워크(160)에 연결된다. 이러한 싱크 노드(150)는 무선 센서 네트워크 시스템에서 다수개로 구성될 수 있다. 즉 싱크 노드(150)는 각각의 클러스터 헤드(111, 121 및 131)로부터 수신되는 축약된 센싱 데이터를 네트워크(160)에 제공한다. 네트워크(160)는 제공된 센싱 데이터를 네트워크(160)에 접속하는 통신 단말기(170)로 제공한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 클러스터 관리 절차 수행 시 신호 흐름을 도시하는 흐름도이다. 본 실시예에서 클러스터의 임계 사이즈는 5이고, 최대 사이즈는 10인 경우를 가정하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 각각의 클러스터(110, 120 및 130)에서, 센서 노드(113, 123 및 133)들 중 리프 노드(leaf node; 113, 123 및 133)들이 211단계에서 이웃하는 다른 클러스터(110, 120 및 130)의 클러스터 정보를 파악한다. 이 때 리프 노드(113, 123 및 133)는 해당 클러스터(110, 120 및 130)의 외곽에서, 이웃하는 다 른 클러스터(110, 120 및 130)에 근접하게 위치하는 센서 노드(113, 123 및 133)이다.
이를 보다 상세하게 설명하면, 무선 센서 네트워크 시스템에서 클러스터 헤드(111, 121 및 131) 및 센서 노드(113, 123 및 133)들은 설정된 시간 간격을 주기로 헬로 메시지(HELLO message)를 전송한다. 이는 이웃하는 클러스터 헤드(111, 121 및 131) 또는 센서 노드(113, 123 및 133)들 사이의 링크 안정도(link stability value)를 파악하기 위한 것이다. 즉 설정된 표지(Link Quality Indicator; LQI) 이상의 헬로 메시지 수신 시, 각각의 클러스터 헤드(111, 121 및 131) 및 센서 노드(113, 123 및 133)는 이웃하는 클러스터 헤드(111, 121 및 131) 또는 센서 노드(113, 123 및 133)의 링크 안정도를 증가시킨다. 그리고 헬로 메시지를 수신하지 못하거나, 설정된 표지 미만의 헬로 메시지 수신 시, 각각의 클러스터 헤드(111, 121 및 131) 및 센서 노드(113, 123 및 133)는 이웃하는 클러스터 헤드(111, 121 및 131) 또는 센서 노드(113, 123 및 133)의 링크 안정도를 감소시킨다. 이에 따라, 각각의 클러스터 헤드(111, 121 및 131) 및 센서 노드(113, 123 및 133)는 이웃하는 클러스터 헤드(111, 121 및 131) 또는 센서 노드(113, 123 및 133)들 각각에 대한 링크 안정도를 파악할 수 있다.
그리고 헬로 메시지는 해당 클러스터(110, 120 및 130)의 클러스터 정보, 즉 클러스터 사이즈 및 클러스터 식별자(Cluster_id)와 노드 주소(node_addr) 등을 포함한다. 이에 따라 헬로 메시지를 수신하면, 리프 노드(113, 123 및 133)들은 이웃하는 다른 클러스터(110, 120 및 130)의 클러스터 정보를 파악할 수 있다.
다음으로, 각각의 클러스터(110, 120 및 130)에서, 클러스터 헤드(111, 121 및 131)는 213단계에서 리프 노드(113, 123 및 133)들로 이웃하는 다른 클러스터(110, 120 및 130)의 클러스터 정보를 요구하는 요청 메시지(Find_Other_Cluster message)를 전송한다. 즉 클러스터 헤드(111, 121 및 131)는 설정된 주기에 따라 해당 클러스터(110, 120 및 130)의 클러스터 사이즈를 임계 사이즈와 비교한다. 그리고 클러스터 사이즈가 임계 사이즈 미만이면, 클러스터 헤드(111, 121 및 131)는 리프 노드(113, 123 및 133)들로 요청 메시지를 전송한다.
이어서, 요청 메시지를 수신하면, 리프 노드(113, 123 및 133)들은 215단계에서 클러스터 헤드(111, 121 및 131)로 이웃하는 다른 클러스터(110, 120 및 130)의 클러스터 정보를 전송한다. 이 때 리프 노드(113, 123 및 133)들은 다른 클러스터(110, 120 및 130)의 클러스터 사이즈 및 클러스터 식별자를 전송할 수 있다.
계속해서, 다른 클러스터(110, 120 및 130)의 클러스터 정보를 수신하면, 클러스터 헤드(111, 121 및 131)는 217단계에서 리프 노드(113, 123 및 133)들 중 어느 하나로 병합 명령 메시지(Cluster_Merge_Command message)를 전송한다. 예를 들면, 클러스터 헤드(111, 121 및 131)는 다른 클러스터(110, 120 및 130)들 중 클러스터 사이즈가 최소인 클러스터(110, 120 및 130)를 선택한다. 그리고 클러스터 헤드(111, 121 및 131)는 선택된 클러스터(110, 120 및 130)의 클러스터 정보를 전송한 리프 노드(113, 123 및 133)를 선택하여 병합 명령 메시지를 전송한다.
마지막으로, 병합 명령 메시지를 수신하면, 리프 노드(113, 123 및 133)는 219단계에서 선택된 클러스터(110, 120 및 130)의 센서 노드(113, 123 및 133)들 중 링크 안정도가 가장 높은 센서 노드(113, 123 및 133)와 의사 조인(pseudo join)을 수행한다. 즉 리프 노드(113, 123 및 133)는 해당 클러스터(110, 120 및 130)에서의 조인 상태를 유지하며, 이웃하는 다른 클러스터(110, 120 및 130)에도 임시적으로 조인 상태를 형성한다. 이에 따라, 해당 클러스터(110, 120 및 130)는 이웃하는 다른 클러스터(110, 120 및 130)와 병합된다. 즉 이웃하는 다른 클러스터(110, 120 및 130)는 해당 클러스터(110, 120 및 130)의 마스터 클러스터이며, 해당 클러스터(110, 120 및 130)는 해당 마스터 클러스터의 슬레이브 클러스터로 전환된다.
한편 도시되지는 않았으나, 설정된 주기에 따라 해당 클러스터(110, 120 및 130)의 클러스터 사이즈를 임계 사이즈와 비교한 결과 클러스터 사이즈가 임계 사이즈 이상이면, 클러스터 헤드(111, 121 및 131)는 다른 클러스터(110, 120 및 130)에 의사 조인된 리프 노드(113, 123 및 133)로 분할 명령 메시지(Cluster_Split_Command message)를 전송한다. 그리고 분할 명령 메시지를 수신하면, 리프 노드(113, 123 및 133)는 상호 의사 조인된 다른 클러스터(110, 120 및 130)에의 조인 상태를 해제한다. 즉 해당 클러스터(110, 120 및 130)는 이웃하는 다른 클러스터(110, 120 및 130)와 독립된 마스터 클러스터로 전환된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 시스템의 개략적인 구성을 도시하는 구성도이다. 본 실시예의 무선 센서 네트워크 시스템의 기본 구성은 도 1에 도시된 무선 센서 네트워크 시스템의 기본 구성과 유사하므로, 상세한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 무선 센서 네트워크 시스템은 다수개의 클러스터(110, 120 및 130)들을 포함하되, 클러스터(110, 120 및 130)들 중 일부는 적어도 두 개의 클러스터(110, 120 및 130)가 병합된 형태의 클러스터(140)일 수 있다. 이 때 병합된 형태의 클러스터(140)는 마스터 클러스터(120) 및 슬레이브 클러스터(110)로 이루어진다. 그리고 각각의 마스터 클러스터(120 및 130)에서 조인 요청 발생 시, 각각의 클러스터 헤드(121 및 131)는 클러스터 사이즈를 최대 사이즈와 비교한다. 그리고 비교한 결과 클러스터 사이즈가 최대 사이즈 미만이면, 클러스터 헤드(121 및 131)는 조인을 허용하고, 그렇지 않으면, 조인을 거절한다.
그리고 병합된 형태의 클러스터(140)에서 슬레이브 클러스터(110)의 클러스터 헤드(111)는 슬레이브 클러스터(110)의 센서 노드(113)들로부터 수신되는 센싱 데이터에 대하여 1차 데이터 축약을 수행한다. 그리고 슬레이브 클러스터(110)의 클러스터 헤드(111)는 1차 축약된 센싱 데이터를 마스터 클러스터(113)에 의사 조인된 리프 노드(113)로 전송한다. 또한 1차 축약된 센싱 데이터 수신 시, 슬레이브 클러스터(110)의 리프 노드(113)는 1차 축약된 센싱 데이터를 상호 의사 조인된 마스터 클러스터(120)의 센서 노드(123)로 전송한다. 이 후 마스터 클러스터(120)의 클러스터 헤드(121)는 마스터 클러스터(120)의 센서 노드(123)들로부터 수신되는 센싱 데이터 및 1차 축약된 센싱 데이터에 대하여 2차 데이터 축약을 수행한다. 게다가 마스터 클러스터(120)의 클러스터 헤드(121)는 2차 축약된 센싱 데이터를 싱크 노드(150)로 전달한다.
한편 병합된 형태의 클러스터(140)에서, 슬레이브 클러스터(110)의 클러스터 헤드(111)는 슬레이브 클러스터(110)의 클러스터 사이즈를 파악한다. 그리고 클러스터 사이즈 변화 시, 슬레이브 클러스터(110)의 클러스터 헤드(111)는 변화된 클러스터 사이즈를 마스터 클러스터(120)로 전달한다. 또한 마스터 클러스터(120)의 클러스터 헤드(121)는 마스터 클러스터(120)의 클러스터 사이즈 및 슬레이브 클러스터(110)의 클러스터 사이즈의 합을 파악한다. 그리고 클러스터 사이즈의 합 변화 시, 마스터 클러스터(120)의 클러스터 헤드(121)는 클러스터 사이즈의 합을 슬레이브 클러스터(110)로 전달하지 않는다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 시스템에서 클러스터 헤드의 개략적인 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 클러스터 헤드(111, 121 및 131)는 무선 통신부(410), 제어부(420) 및 메모리(430)를 포함한다.
무선 통신부(410)는 클러스터 헤드(111, 121 및 131)의 무선 통신 기능을 수행한다. 이러한 무선 통신부(410)는 송신되는 신호의 주파수를 상승변환 및 증폭하는 RF송신기와, 수신되는 신호를 잡음 증폭하고 주파수를 하강변환하는 RF수신기 등을 포함한다.
제어부(420)는 클러스터 헤드(111, 121 및 131)의 전반적인 동작을 제어하는 기능을 수행한다. 그리고 제어부(420)는 송신되는 신호를 부호화 및 변조하는 송신기와 수신되는 신호를 복조 및 복호화하는 수신기 등을 구비하는 데이터 처리부를 포함한다. 이러한 데이터 처리부는 모뎀(MODEM) 및 코덱(CODEC)으로 구성될 수 있다.
이러한 제어부(420)는 본 발명의 실시예에 따라 클러스터 헤드(111, 121 및 131)로 선출되면, 설정 주기를 카운트한다. 그리고 제어부(420)는 본 발명의 실시예에 따라 설정 주기 경과 시, 클러스터 사이즈를 임계 사이즈와 비교하여 다른 클러스터(110, 120 및 130)로의 병합 또는 다른 클러스터(110, 120 및 130)로부터의 분할을 수행할지의 여부를 결정한다. 또한 제어부(420)는 본 발명의 실시예에 따라 결정 결과에 따라 병합 또는 분할을 수행할 수 있다. 게다가 제어부(420)는 본 발명의 실시예에 따라 조인 요청 시, 클러스터 사이즈를 최대 사이즈와 비교하여 조인을 허용할지의 여부를 결정한다. 더욱이 제어부(420)는 센싱 노드(113, 123 및 133)들로부터 센싱 데이터 수신 시, 수신되는 센싱 데이터를 축약하여 무선 통신부(410)를 통해 전송한다.
메모리(430)는 프로그램 메모리 및 데이터 메모리들로 구성된다. 프로그램 메모리는 클러스터 헤드(111, 121 및 131)의 동작 프로그램 및 본 발명의 실시예에 따라 클러스터(110, 120 및 130)를 관리하기 위한 프로그램을 저장한다. 데이터 메모리는 프로그램 수행 중에 발생되는 데이터를 저장한다. 이 때 메모리(430)는 해당 클러스터(110, 120 및 130)의 클러스터 사이즈, 임계 사이즈 및 최대 사이즈를 저장한다. 그리고 메모리(430)는 본 발명의 실시예에 따라 클러스터 사이즈를 임계 사이즈와 비교하기 위해 설정되는 주기를 저장한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 클러스터 헤드의 클러스터 관리 절차를 도시하는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 클러스터 관리 절차는, 특정 클러스터(110, 120 및 130)의 센싱 노드(113, 123 및 133)들 중 어느 하나의 제어부(420)가 511단계에서 클러스터 헤드(111, 121 및 131)로의 선출을 감지하는 것으로부터 출발한다. 이 때 클러스터 헤드(111, 121 및 131)로의 선출이 감지되면, 제어부(420)는 513단계에서 설정 주기 카운트를 개시한다.
다음으로, 설정 주기가 경과되면, 제어부(420)는 515단계에서 이를 감지하고, 517단계에서 클러스터(110, 120 및 130)를 처리한다. 이 때 제어부(420)는 클러스터 사이즈를 임계 사이즈와 비교한다. 그리고 비교 결과에 따라, 제어부(420)는 해당 클러스터(110, 120 및 130)를 다른 클러스터(110, 120 및 130)로 병합을 수행하거나, 다른 클러스터(110, 120 및 130)로부터 분할을 수행할 수 있다. 이와 같이, 제어부(420)가 클러스터(110, 120 및 130)를 처리하는 절차를 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 6은 도 5에서 클러스터 처리 절차를 도시하는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 설정 주기 경과 시, 제어부(420)는 611단계에서 클러스터 사이즈가 임계 사이즈 미만인지의 여부를 판단한다. 이 때 클러스터 사이즈가 임계 사이즈 미만인 것으로 판단되면, 제어부(420)는 613단계에서 해당 클러스터(110, 120 및 130)가 마스터 클러스터인지의 여부를 판단한다. 이 때 해당 클러스터(110, 120 및 130)가 마스터 클러스터인 것으로 판단되면, 제어부(420)는 615단계에서 리프 노드(113, 123 및 133)들로 클러스터 정보를 요구하는 정보 요청 메시지를 전송한다. 이 후 클러스터 정보를 수신하면, 제어부(420)는 617단계에서 이를 감지하고, 619단계에서 해당 클러스터(110, 120 및 130)의 병합을 수행할 마스터 클러스 터를 선택한다. 이 때 제어부(420)는 클러스터 사이즈가 최소인 클러스터(110, 120 및 130)를 선택한다. 그리고 제어부(420)는 621단계에서 선택된 클러스터(110, 120 및 130)의 클러스터 정보를 전송한 리프 노드(113, 123 및 133)로 병합 명령 메시지를 전송한다. 이 후 제어부(420)는 623단계에서 해당 클러스터(110, 120 및 130)를 슬레이브 클러스터로 전환한 다음, 도 5로 리턴한다.
한편 611단계에서 클러스터 사이즈가 임계 사이즈 이상인 것으로 판단되면, 제어부(420)는 625단계에서 해당 클러스터(110, 120 및 130)가 슬레이브 클러스터인지의 여부를 판단한다. 이 때 해당 클러스터(110, 120 및 130)가 슬레이브 클러스터인 것으로 판단되면, 제어부(420)는 627단계에서 다른 클러스터(110, 120 및 130)에 의사 조인된 리프 노드(113, 123 및 133)로 분할 명령 메시지를 전송한다. 이 후 제어부(420)는 629단계에서 해당 클러스터(110, 120 및 130)를 마스터 클러스터로 전환한 다음, 도 5로 리턴한다.
한편 613단계에서 해당 클러스터(110, 120 및 130)가 마스터 클러스터가 아닌 것으로 판단되거나, 617단계에서 클러스터 정보를 수신하지 못하면, 제어부(420)는 도 5로 리턴한다. 또는 625단계에서 해당 클러스터(110, 120 및 130)가 슬레이브 클러스터가 아닌 것으로 판단되면, 제어부(420)는 도 5로 리턴한다.
한편 515단계에서 설정 주기의 경과를 감지하지 못하고, 센싱 데이터를 수신하면, 제어부(420)는 519단계에서 이를 감지하고, 521단계에서 센싱 데이터를 처리한다. 이 때 제어부(420)는 센싱 데이터를 축약하여 전송한다. 이와 같이, 제어부(420)가 데이터를 처리하는 절차를 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 7은 도 5에서 센싱 데이터 처리 절차를 도시하는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 센싱 데이터 수신 시, 제어부(420)는 711단계에서 해당 클러스터(110, 120 및 130)가 마스터 클러스터인지의 여부를 판단한다. 이 때 해당 클러스터(110, 120 및 130)가 마스터 클러스터인 것으로 판단되면, 제어부(420)는 713단계에서 수신되는 센싱 데이터를 축약한다. 이 때 제어부(420)는 해당 클러스터(110, 120 및 130)의 슬레이브 클러스터로부터 축약된 센싱 데이터를 수신할 수 있다. 그리고 제어부(420)는 715단계에서 축약된 센싱 데이터를 싱크 노드(150)로 전송한 다음, 도 5로 리턴한다.
한편 711단계에서 해당 클러스터(110, 120 및 130)가 마스터 클러스터가 아닌 것으로 판단되면, 제어부(420)는 717단계에서 해당 클러스터(110, 120 및 130)가 슬레이브 클러스터인지의 여부를 판단한다. 이 때 해당 클러스터(110, 120 및 130)가 슬레이브 클러스터인 것으로 판단되면, 제어부(420)는 719단계에서 수신되는 센싱 데이터를 축약한다. 그리고 제어부(420)는 721단계에서 축약된 센싱 데이터를 마스터 클러스터로 전송한 다음, 도 5로 리턴한다.
한편 519단계에서 센싱 데이터의 수신을 감지하지 못하고, 조인 요청이 발생하면, 제어부(420)는 523단계에서 이를 감지하고, 525단계에서 조인을 처리한다. 이 때 조인 요청은 외부의 다른 센서 노드(113, 123 및 133) 또는 이웃하는 다른 클러스터(110, 120 및 130)로부터 발생할 수 있다. 그리고 제어부(420)는 클러스터 사이즈를 최대 사이즈와 비교한다. 또한 비교 결과에 따라, 제어부(420)는 조인을 허용하거나 거절한다. 이와 같이, 제어부(420)가 조인을 처리하는 절차를 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 8은 도 5에서 조인 처리 절차를 도시하는 순서도이다.
도 8을 참조하면, 조인 요청 시, 제어부(420)는 811단계에서 클러스터 사이즈가 최대 사이즈 미만인지의 여부를 판단한다. 이 때 클러스터 사이즈가 최대 사이즈 미만이면, 제어부(420)는 813단계에서 조인을 허용한 다음, 도 5로 리턴한다.
한편 클러스터 사이즈가 최대 사이즈 이상이면, 제어부(420)는 815단계에서 조이을 거절한 다음, 도 5로 리턴한다.
한편 523단계에서 조인 요청의 발생을 감지하지 못하면, 제어부(420)는 527단계에서 해당 기능을 수행한 다음, 도 5로 리턴할 수 있다. 예를 들면, 제어부(420)는 클러스터 사이즈를 갱신할 수 있다. 또는 제어부(420)는 조인 해제 요청에 따라 조인 해제를 수행할 수 있다. 또는 제어부(420)는 헬로 메시지를 전송하거나 수신할 수 있다.
마지막으로, 클러스터를 처리한 다음, 제어부(420)는 529단계에서 클러스터 관리 절차를 종료해야 하는지의 여부를 판단한다. 이 때 클러스터 관리 절차를 종료하지 않아도 되는 것으로 판단되면, 제어부(420)는 513단계 내지 529단계를 반복하여 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 클러스터 사이즈가 임계 사이즈 미만이면, 해당 클러스터가 다른 클러스터로 병합을 수행한다. 그리고 병합 후, 해당 클러스터의 클러스터 사이즈가 임계 사이즈 이상이 되면, 해당 클러스터가 다른 클러스터로부터 분할을 수행한다. 또한 클러스터 사이즈가 최대 사이즈 이상이면, 각각의 클러스터는 다른 센서 노드 또는 다른 클러스터와 조인을 수행하지 않는다. 이에 따라, 각각의 클러스터는 클러스터 사이즈를 임계 사이즈 이상이고 최대 사이즈 미만으로 유지할 수 있다. 이로 인하여, 클러스터 헤드가 센서 노드의 관리 효율을 일정 범위의 수준으로 유지할 수 있는 이점이 있다. 게다가 클러스터 헤드가 데이터 축약을 하는데 소비하는 에너지를 절약함으로써, 무선 센서 네트워크의 수명을 연장할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일반적인 무선 센서 네트워크 시스템의 개략적인 구성을 도시하는 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 클러스터 관리 절차 수행 시 신호 흐름을 도시하는 흐름도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 시스템의 개략적인 구성을 도시하는 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 시스템에서 클러스터 헤드의 개략적인 구성을 도시하는 블록도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 클러스터 헤드의 클러스터 관리 절차를 도시하는 순서도,
도 6은 도 5에서 클러스터 처리 절차를 도시하는 순서도,
도 7은 도 5에서 센싱 데이터 처리 절차를 도시하는 순서도, 그리고
도 8은 도 5에서 조인 처리 절차를 도시하는 순서도이다.

Claims (12)

  1. 다수개의 클러스터(cluster)들을 포함하는 무선 센서 네트워크 시스템의 클러스터 관리 방법에 있어서,
    상기 클러스터의 사이즈를 판단하는 과정;
    상기 판단된 클러스터의 사이즈와 미리 정해진 임계 사이즈를 비교하는 과정;
    상기 클러스터의 사이즈가 상기 임계 사이즈 미만인 것으로 판단되면, 상기 클러스터가 마스터 클러스터인지 여부를 판단하는 과정;
    상기 판단 결과를 기반으로, 상기 클러스터를 다른 마스터 클러스터로 병합을 수행하는 과정; 및
    상기 클러스터가 상기 다른 마스터 클러스터로 병합을 수행함에 따라, 상기 클러스터를 슬레이브 클러스터로 전환하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템의 클러스터 관리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 클러스터의 사이즈가 상기 임계 사이즈 이상인 것으로 판단되면, 상기 클러스터가 슬레이브 클러스터이지 여부를 판단하는 과정;
    상기 판단 결과를 기반으로, 상기 클러스터를 또 다른 마스터 클러스터로부터 분할을 수행하는 과정; 및
    상기 클러스터가 상기 또 다른 마스터 클러스터로 분할을 수행함에 따라, 상기 클러스터를 마스터 클러스터로 전환하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템의 클러스터 관리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    외부의 클러스터로부터 병합 수행을 요청하는 조인 요청 신호 수신 시,
    상기 클러스터의 사이즈와 미리 정해진 클러스터의 최대 사이즈를 비교하는 과정; 및
    상기 클러스터의 사이즈가 상기 최대 사이즈보다 미만이면, 상기 클러스터가 상기 조인을 허용하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템의 클러스터 관리 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 클러스터는 적어도 하나의 클러스터 헤드 및 센서 노드를 포함하며,
    상기 클러스터가 다른 마스터 클러스터로 병합을 수행하는 과정은,
    상기 클러스터 헤드가 임의의 센서 노드를 통해 상기 다른 마스터 클러스터에 병합을 수행하는 과정인 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템의 클러스터 관리 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 슬레이브 클러스터에서, 상기 센서 노드로부터 센싱 데이터 수신 시, 상기 클러스터 헤드가 상기 수신된 센싱 데이터를 축약하는 과정 및
    상기 클러스터 헤드가 상기 축약된 센싱 데이터를 상기 다른 마스터 클러스터로 전송하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템의 클러스터 관리 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 다른 마스터 클러스터는,
    상기 클러스터에 이웃하는 다른 클러스터들 중 상기 클러스터 사이즈가 최소인 것인 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템의 클러스터 관리 방법.
  7. 센싱 데이터를 수집하기 위한 적어도 하나의 센서 노드와 상기 센서 노드로부터 수신되는 상기 센싱 데이터를 축약하기 위한 클러스터 헤드를 구비하는 적어도 하나의 클러스터; 및
    상기 클러스터로부터 상기 축약된 센싱 데이터를 수집하는 싱크 노드를 포함하며,
    상기 클러스터 헤드는,
    상기 클러스터의 사이즈를 파악하고, 상기 클러스터의 사이즈가 미리 정해진 임계 사이즈 미만인지 여부를 판단하고, 상기 클러스터의 사이즈가 상기 임계 사이즈 미만인 것으로 판단되면 상기 클러스터가 마스터 클러스터인지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과를 기반으로 상기 클러스터를 다른 마스터 클러스터로 병합을 수행하고, 상기 클러스터가 다른 마스터 클러스터로 병합을 수행함에 따라, 상기 클러스터를 슬레이브 클러스터로 전환하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드는,
    상기 클러스터의 사이즈가 상기 임계 사이즈 이상인 것으로 판단되면, 상기 클러스터가 슬레이브 클러스터이지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과를 기반으로, 상기 클러스터를 또 다른 마스터 클러스터로부터 분할을 수행하고, 상기 클러스터를 마스터 클러스터로 전환하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드는,
    외부의 클러스터로부터 병합 수행을 요청하는 조인 요청 신호 수신 시,
    상기 클러스터의 사이즈와 미리 정해진 클러스터의 최대 사이즈를 비교하는 과정; 및
    상기 클러스터의 사이즈가 상기 최대 사이즈 보다 미만이면, 상기 클러스터가 상기 조인을 허용하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드는,
    임의의 센서 노드를 통해 상기 다른 마스터 클러스터에 병합을 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드는,
    상기 슬레이브 클러스터에서, 상기 센서 노드로부터 센싱 데이터 수신 시, 상기 클러스터 헤드가 상기 수신된 센싱 데이터를 축약하고, 상기 축약된 센싱 데이터를 상기 다른 마스터 클러스터로 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 다른 마스터 클러스터는,
    상기 클러스터에 이웃하는 다른 클러스터들 중 상기 클러스터 사이즈가 최소인 것인 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 시스템.
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KR20080066111A (ko) * 2007-01-11 2008-07-16 삼성전자주식회사 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지관리 방법 및 시스템

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"Energy-Efficient Clustering Algorithm in Wireless Sensor Networks" 김대환 외 2인, EUC 2006 LNCS Vol.4096, pp1078-1088 (2006.) *

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