KR101560523B1 - 에너지 효율성을 고려한 무선센서 네트워크 운영방법 - Google Patents

에너지 효율성을 고려한 무선센서 네트워크 운영방법 Download PDF

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KR101560523B1
KR101560523B1 KR1020150024497A KR20150024497A KR101560523B1 KR 101560523 B1 KR101560523 B1 KR 101560523B1 KR 1020150024497 A KR1020150024497 A KR 1020150024497A KR 20150024497 A KR20150024497 A KR 20150024497A KR 101560523 B1 KR101560523 B1 KR 101560523B1
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김경태
김만윤
류연중
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Abstract

본 발명은 에너지 효율적인 무선센서 네트워크를 운영하기 위하여 스패닝 트리 기반의 새로운 클러스터링 프로토콜을 적용한 무선센서 네트워크 운영방법에 관한 것으로,
본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법은,
매 라운드마다 상기 다수의 센서노드들의 잔류 에너지량에 기초하여 상기 다수의 센서노드들 중 적어도 어느 하나의 센서노드를 클러스터 헤드로 선출하는 단계; 상기 선출된 클러스터 헤드가 나머지 센서노드들에 광고 메세지(Advertisement Message)를 전송하여 클러스터를 형성하는 단계; 상기 선출된 클러스터 헤드를 중심노드로 하여, 상기 형성된 클러스터를 다수개의 섹터로 분할하고, 상기 분할된 섹터에 속하는 어느 하나의 센서노드를 섹터 루트노드로 선정하는 단계; 및, 상기 센서노드가 감지한 데이터를 상기 섹터 루트노드를 통해 상기 클러스터 헤드로 전송하는 단계를 포함한다.

Description

에너지 효율성을 고려한 무선센서 네트워크 운영방법{OPERATING METHOD OF WIRELESS SENSOR NETWORKS CONSIDERING ENERGY EFFICIENCY}
본 발명은 무선센서 네트워크 운영방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지 효율적인 무선센서 네트워크를 운영하기 위하여 스패닝 트리 기반의 새로운 클러스터링 프로토콜을 적용한 무선센서 네트워크 운영방법에 관한 것이다.
현재까지 무선센서 네트워크에서의 에너지 효율적인 라우팅 프로토콜에 대한 많은 연구가 이루어져 왔다. 기존에 연구된 클러스터, 체인, 트리 기반의 라우팅 프로토콜의 대표적인 기술로써 LEACH, PEAGASIS, TREEPSI가 있다.
LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)는 클러스터 기반의 라우팅 프로토콜이며 노드간의 에너지 소모를 균등하기 위해 확률 기반으로 균등한 회수로 클러스터 헤드를 선정한다. 그러므로 불균형적 클러스터가 구성될 수 있으므로 균형적인 에너지 소모가 보장되기 힘들고, 네트워크 확장 시 노드간의 전송 거리 제약으로 인하여 클러스터 헤드의 에너지 소모가 커지게 되는 문제점이 있다.
PEGASIS(Power-Efficient GAthering in Sensor Information Systems)는 체인 기반 라우팅 프로토콜이며, LEACH 프로토콜을 개선하여 인접 노드와 하나의 연쇄를 구성하여 에너지 소모를 줄이는 방법을 제안하였다. 이 기술은 임의의 노드에서 시작하여 인접 노드와 하나의 체인을 구성 후 자신의 데이터를 인접 노드에게 전송하고 데이터를 수신한 노드는 자신의 데이터와 병합하여 다시 인접 노드로 전송하는 과정을 반복한다. 최종 전달 노드는 모든 데이터를 기지국으로 전송하게 되는 과정을 거친다. 체인으로 데이터를 전달하므로 확장된 네트워크에 적용 시 전송 지연이 발생되고 전달 과정에서 오류가 발생될 때 대처하기 어려운 문제점이 있다.
TREEPSI(Tree-based Efficient Protocol for Sensor Information) 프로토콜은 네트워크의 모든 노드들 중 하나를 루트노드로 선택하여 트리를 형성한다. 각 노드들은 센싱한 데이터를 트리로 연결된 상위의 부모 노드에게 전달하고 루트노드는 수신된 데이터를 기지국으로 전달한다. 루트노드는 노드들의 데이터 전송 전에 미리 선택되며 트리 경로를 구축하기 위해 기지국에서 경로를 계산하여 네트워크에 경로 정보를 브로드캐스팅 또는 각 노드에서 공통의 알고리즘을 사용하여 지역적으로 트리를 구축한다. TREEPSI는 각 노드를 트리로 연결하여 각 노드가 PEGASIS보다 짧은 경로를 가져 데이터 전송 시 에너지 소모를 줄여서 네트워크 수명을 증가 시키며 PEGASIS보다 통신거리가 짧고 약 30% 전력 소비를 줄일 수 있다.
그러나, 하나의 루트노드로 데이터를 전달하기 위해 상당한 데이터 전송 지연이 발생되고 루트노드의 결함시 네트워크의 모든 노드들의 데이터가 기지국으로 전송되지 않은 문제점을 가진다. 또한, 선택된 루트노드가 전원 오프 되기까지 트리 경로가 변경되지 않는 것은 노드들 사이에서의 에너지 소모의 불균형을 일으킬 수 있는 문제점을 가진다.
한국공개특허 제10-2008-0066111호(2008.7.6) 한국공개특허 제10-2011-0131550호(2011.12.07) 한국공개특허 제10-2010-0109109호(2010.10.08)
상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 스패닝 트리 기반의 새로운 클러스터링 프로토콜을 구현하는 에너지 효율적인 무선센서 네트워크 운영방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 해결하기 위해,
본 발명의 일 실시예 따른 무선센서 네트워크 운영방법은,
매 라운드마다 상기 다수의 센서노드들의 잔류 에너지량에 기초하여 상기 다수의 센서노드들 중 적어도 어느 하나의 센서노드를 클러스터 헤드로 선출하는 단계; 상기 선출된 클러스터 헤드가 나머지 센서노드들에 광고 메세지(Advertisement Message)를 전송하여 클러스터를 형성하는 단계; 상기 선출된 클러스터 헤드를 중심노드로 하여, 상기 형성된 클러스터를 다수개의 섹터로 분할하고, 상기 분할된 섹터에 속하는 어느 하나의 센서노드를 섹터 루트노드로 선정하는 단계; 및, 상기 센서노드가 감지한 데이터를 상기 섹터 루트노드를 통해 상기 클러스터 헤드로 전송하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 클러스터 헤드 선출 단계는, 상기 센서노드들 각각에 대해, 최초 에너지량 대비 잔류 에너지량에 기초하여 임계값을 산출하고, 상기 임계값과 0 내지 1 사이의 난수를 비교하여, 상기 난수가 상기 임계값보다 작으면 해당 센서노드를 해당 라운드의 클러스터 헤드로 선출하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 임계값은 하기의 식에 의해 산출되며,
식 :
Figure 112015017052803-pat00001
여기서, r은 현재 라운드이고, G는 이전 1/P 라운드 동안 클러스터 헤드로 선출되지 않은 노드들의 집합이며, P는 클러스터 헤드 비율이고, Eresidual은 노드의 잔여 에너지이며, Einit은 초기 에너지인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 클러스터 형성 단계는, 상기 선출된 클러스터 헤드가 나머지 센서노드들에게 상기 클러스터헤드의 잔류 에너지에 대한 정보를 포함하는 광고 메세지를 전송하는 단계; 상기 광고 메시지를 수신한 센서노드가 상기 광고 메세지의 신호 강도 및 상기 클러스터 헤드의 잔류 에너지에 기초하여 코스트값을 산출하는 단계; 상기 센서노드가 상기 산출된 코스트값 중 가장 큰 코스트값을 가지는 클러스터 헤드에 조인응답 메세지(Join-request Message)를 전송하여 클러스터를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 섹터 루트노드는, 상기 분할된 섹터에 속하는 센서노드들 중에서 상기 중심노드와 거리가 가장 가까운 센서노드인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다수개의 섹터 각각을, 다시 다수개의 서브섹터로 분할하고, 상기 분할된 서브섹터에 속하는 어느 하나의 센서노드를 서브섹터 루트노드로 선정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 서브섹터 루트노드는 상기 서브섹터에 속하는 센서노드들 중에서 상기 섹터 루트노드와 거리가 가장 가까운 센서노드인 것이 바람직하다.
또한, 상기 클러스터 내에서의 데이터 전송과 수신은 토큰 패싱 기법으로 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 무선센서 네트워크 운영방법에 의하면,
상대적으로 타 센서노드에 비해 잔류 에너지량이 낮은 센서노드가 에너지 소모량이 많은 클러스터 헤드로 선출될 확률을 감소시켜 무선센서 네트워크의 전체 수명을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 잔류 에너지량이 많은 클러스터 헤드가 포함된 클러스터에 센서노드의 수를 증가시킴에 의해 클러스터 헤드 간 에너지 편차를 감소시킴으로써 무선센서 네트워크의 전체 수명을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법 중 클러스터 헤드를 선출하는 단계를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법 중 클러스터를 형성하는 단계를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법 중 형성된 클러스터를 다수개의 섹터 및 서브섹터로 분할하는 단계를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법에서 클러스터 내에서 데이터 수집을 위해 수행되는 토큰 패싱 기법을 도시한 도면이다.
도 7은 종래의 무선센서 네크워크 운영방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법의 비교 실험한 결과를 보여주는 그래프로, 네트워크의 잔류 에너지를 비교한 그래프이다.
도 8은 종래의 무선센서 네크워크 운영방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법의 비교 실험한 결과를 보여주는 그래프로, 기지국에 수신된 메시지 수를 비교한 그래프이다.
도 9는 종래의 무선센서 네크워크 운영방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법의 비교 실험한 결과를 보여주는 그래프로, 네트워크의 수명을 비교한 그래프이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 하나의 기지국과 N개의 고정된 센서 노드로 구성된 센서 네트워크를 모델로 한다. 각 센서 노드는 주어진 영역에 임의로 분포하고 배치된 센서노드들은 매 라운드마다 주기적으로 클러스터를 형성한다.
이 후, 클러스터 헤드는 각 센서노드들로부터 수신된 데이터를 병합하여 충분한 전송 전력으로 기지국에 전송한다. 본 발명은 다음과 같은 가정을 전제 조건으로 한다.
1. 모든 센서노드들은 밀도 λ의 푸아송 프로세스(Poisson process of density λ)에 따라 2차원 평면에 임의로 분포 되어 있다.
2. 모든 센서노드들은 동일한 성질을 가지며 같은 능력을 가진다.
3. 각각의 센서노드들은 같은 초기화 에너지를 가지고 시작하며 유일한 식별자(unique identifier)를 가지고 있다.
4. 두 개의 센서노드들이 송수신하는 데이터는 통신 범위 내에 있는 또 다른 센서 노드들을 통해 전달(forward)된다.
5. 기지국은 센서노드들로부터 멀리 떨어져 있고, 고정되어 있으며, 에너지 제한이 없다.
6. 통신 환경은 경쟁(contention)에 기반하며, 데이터 전송시 에러는 없다(error-free).
7. 데이터 병합은 네트워크에서 데이터의 크기를 줄이기 위하여 사용된다.
8. 센서노드는 수신된 위치 정보를 기반으로 노드간의 거리를 계산할 수 있다.
9. 모든 센서노드는 자신의 위치를 알고 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법을 도시한 순서도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법은, 클러스터 헤드 선출 단계(S100)와, 클러스터 형성 단계(S200)와, 스패닝 트리(spanning tree) 형성 단계(S300)와, 전송 단계(S400)를 포함한다.
상기 클러스터 헤드 선출 단계(S100)에서는, 센서 필드를 구성하는 다수의 센서노드들 중에서 센서노드들의 잔류 에너지량에 기초하여 최적화된 확률적 클러스터 헤드를 선출한다.
상기 클러스터 형성 단계(S200)에서는, 선출된 클러스터 헤드가 나머지 센서노드들에 광고 메세지(Advertisement Message)를 전송하고, 이 광고 메시지를 수신한 센서노드가 각 노드들의 신호 세기를 비교하여 가장 강도가 높은 신호를 전송하는 클러스터 헤드를 자신이 속할 클러스터 헤드로 선택하여 클러스터를 형성한다.
상기 스패닝 트리 형성 단계(S300)에서는, 상기 클러스터의 클러스터 헤드를 중심노드로 하여, 클러스터를 다수개의 섹터 및 이 섹터에 속하는 다수개의 서브섹터로 분할하여 스패닝 트리 프로토콜을 형성한다.
상기 전송 단계(S400)에서는, 센서노드가 감지한 데이터를 상기 형성된 스패닝 트리 프로토콜을 통해 클러스터 헤드로 전송한다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 각각의 단계를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법 중 클러스터 헤드를 선출하는 단계를 도시한 도면이다.
클러스터 헤드 선출 단계(S100)는, 센서노드의 잔류 에너지량에 기초하여, 센서노드의 잔류 에너지량이 높을수록 클러스터 헤드로 선출될 확률을 증가시킨다. 이렇게 매 라운드마다 잔류 에너지량이 높은 센서노드가 클러스터 헤드로 선출될 수 있도록 하여, 전체 센서노드들의 에너지 소모량을 고르게 할 수 있게 되어, 무선센서 네트워크의 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다.
먼저, 센서노드는 자신의 최초 에너지량 대비 현재의 잔류 에너지량을 산출한다. (S110)
다음으로, 각 센서노드는 산출된 자신의 최초 에너지량 대비 현재의 잔류 에너지량을 기초로 하기의 식(1)을 이용하여 임계값을 산출한다. (S120)
식 (1) :
Figure 112015017052803-pat00002
여기서, r은 현재 라운드이고, G는 이전 1/P 라운드 동안 클러스터 헤드로 선출되지 않은 노드들의 집합이며, P는 클러스터 헤드 비율이고, Eresidual은 노드의 잔여 에너지이며, Einit은 초기 에너지이다.
식 (1)을 참조하면, 본 발명에서 산출하는 센서노드의 임계값은 최초 에너지량 대비 현재의 잔류 에너지량(Eresidual/Einit)에 의해 결정되며, 잔류 에너지량이 많을 수록 임계값 T(i)가 높다는 것을 알 수 있다.
다음으로, 클러스터 헤드 선정을 위해 각 센서노드들은 임의로 0 내지 1 사이의 난수를 생성한다. (S130)
다음으로, 산출된 임계값과 임의로 생성한 0 내지 1 사이의 난수를 상호 비교하여(S140), 센서노드의 난수값이 임계값보다 작으면, 해당 센서노드는 클러스터 헤드로 선출된다. (S150) 센서노드의 난수값이 임계값보다 크거나 같으면, 해당 센서노드는 클러스터 헤드로 선출에서 제외된다. (S160) 클러스터 헤드 선출에서 제외된 센서노드는 클러스터 멤버 노드가 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법 중 클러스터를 형성하는 단계를 도시한 도면이다.
클러스터 헤드가 선출되면 클러스터 형성단계(S200)을 통해 클러스터를 형성한다.
클러스터 형성단계(S200)는 클러스터 헤드 선출 단계(S100)를 통해 선출된 클러스터 헤드가 센서노드에 광고 메세지(Advertisement Message)를 전송하여 클러스터를 형성하는 단계이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 클러스터 헤드가 선출되면, 해당 클러스터 헤드는 각 센서노드에게 광고 메세지를 전송한다. (S210) 여기서, 클러스터 헤드가 전송하는 광고 메세지에는 각 클러스터 헤드의 하기 식 (2)와 같은 잔류 에너지량에 대한 정보가 포함되어 있다.
식 (2) :
Figure 112015017052803-pat00003
여기서, Cost(i)는 코스트값이고, CH(i)remain energy는 클러스터 헤드의 잔류 에너지이고, CH(i)signal energy는 센서노드에서 측정한 클러스터 헤드의 광고 메세지의 신호강도이다.
광고 메세지를 수신한 센서노드는 클러스터 헤드의 잔류 에너지량과 광고 메세지의 신호 강도를 합하여 코스트값을 연산한다. (S230)
여기서, 센서노드는 클러스터 헤드로부터 전송되는 광고 메세지의 신호 강도를 통해 각 클러스터 헤드 간 신호를 송/수신할 때의 강도를 예측할 수 있다. 이는, 신호 강도가 증가할수록 거리가 가깝다는 의미가 되므로, 신호 강도가 큰 클러스터 헤드를 선정할수록 센서노드가 각 클러스터 헤드와 신호를 송/수신할 때 손실되는 에너지량을 감소시킬 수 있다.
또한, 클러스터 헤드 간에도 잔류 에너지량이 상호 차이가 날 수 있다. 여기서, 상술한 바와 같이, 클러스터 헤드로 선출되어 센서노드와 싱크노드(기지국과 센서노드들이 배치된 센서필드 간을 연결하는 노드) 사이에서 감지결과를 송/수신할 시 소모되는 에너지량은 감지결과(데이타 패킷)의 양에 의해서도 영향을 받는다. 즉, 클러스터 내에 센서노드의 수가 적을수록 감지결과(데이타 패킷)의 양이 감소되므로, 클러스터 내에 센서노드의 수가 적을수록 클러스터 헤드의 소모되는 에너지량이 감소된다.
따라서, 상대적으로 타 클러스터 헤드에 비해 잔류 에너지량이 큰 클러스터 헤드가 타 클러스터 헤드보다 클러스터 내에 많은 센서노드를 가지고 있게 하면 각 클러스터 헤드간 잔류 에너지량의 편차를 줄일 수 있다. 이는 전체적으로 무선센서 네트워크의 수명을 증가시킬 수 있게 한다.
따라서, 센서노드는 각 클러스터 헤드의 잔류 에너지 및 센서노드에서 측정한 각 클러스터 헤드의 광고 메세지의 신호 강도를 연산하여(S220) 코스트값을 산출하고(S230), 산출된 코스트값을 상호 비교하여(S240) 가장 큰 코스트값을 가지는 클러스터 헤드에 조인응답 메세지(Join-request Message)를 전송한다. (S250) 이에, 클러스터 헤드는 자신에게 조인응답 메세지를 전송한 센서노드들을 군집시켜 클러스터를 형성한다. (S260)
따라서, 센서노드와 클러스터 헤드간 거리에 따른 에너지 소모량을 감소시켜 무선센서 네트워크의 전체 에너지소모량을 감소시킬 수 있다.
또한, 잔류 에너지량이 많은 클러스터 헤드가 클러스터 내에 잔류 에너지량이 적은 타 클러스터 헤드보다 더 많은 센서노드를 거느리도록 하여 클러스터 헤드간 에너지 편차를 감소시켜, 무선센서 네트워크의 전체 에너지소모량을 감소시킬 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법 중 형성된 클러스터를 다수개의 섹터 및 서브섹터로 분할하는 단계(스패닝 트리 형성 단계(S300))를 도시한 도면이다.
무선센서 네트워크에서 제한된 배터리를 가지는 저비용의 노드들로 구성되며, 에너지 효율적인 데이터 수집은 매우 중요한 문제이다. 따라서 본 발명은 객체 추적을 위한 무선센서 네트워크에서 실시간 스트리밍 센서 데이터의 효율적 수집을 위해 스패닝 트리 기반의 프로토콜을 제안한다. 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 각 클러스터는 유한한 차수의 스패닝 트리 구조를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 각각의 클러스터의 토폴로지 구성은 스패닝 트리 기반으로 이루어진다. 스패닝 트리의 형성은 두 단계로 나뉘며, 각 클러스터 내부에서 클러스터를 형성하는 센서노드들을 통해 트리가 형성되면 클러스터 헤드가 루트가 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 어느 하나의 클러스터 영역(S)에서 중심노드 x와 원 끝의 센서노드 y 사이에 반원형 형태의 영역(C)을 형성한다. 이 후, 이 영역 C를 다수 개의 섹터로 분할한다. 이때, 중심노드는 상기의 과정에서 선출된 클러스터 헤드를 중심노드로 한다. 여기서 중심노드와 센서노드 y 사이의 형태를 반원형으로 예시하였으나, 그 형태는 이에 한정되는 것은 아니다.
그 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 예를 들어, C 영역을 3개로 분할하였을 때, K1, K2, K3 영역(섹터)으로 분할한다. 이때, 각각의 섹터는 중심노드 x를 중심에 둔 부채꼴(circular sector)의 형태일 수 있다. 그리고, 분할된 섹터(K1, K2, K3)에 속하는 어느 하나의 센서노드를 섹터 루트노드(p)로 선정한다. 이때, 상기 섹터 루트노드는 상기 분할된 섹터에 속하는 센서노드들 중에서 중심노드와 거리가 가장 가까운 센서노드인 것이 바람직하다.
클러스터 헤드인 중심노드(x)와 가장 가까운 센서노드를 섹터 루트노드로 함으로써, 섹터 루트노드는 상대적으로 적은 에너지를 소모하면서 섹터에 속하는 센서노드들이 감지한 데이터를 클러스터 헤드로 전송할 수 있게 된다. 한편, 섹터 루트노드(p)는 중심노드(x)의 자식노드가 되면서 각 섹터의 서브 트리를 형성하는 역할을 한다.
그 다음, 다수개의 섹터(K1, K2, K3) 각각을 다시 다수개의 서브섹터로 분할한다. 도 5에는 섹터 K2에 속하는 다수개의 서브섹터들(
Figure 112015054454787-pat00004
,
Figure 112015054454787-pat00005
,
Figure 112015054454787-pat00006
)이 도시되어 있다. 각각의 서브섹터는 중심노드 x를 중심에 둔 환형 부채꼴(annular sector)의 형태일 수 있다. 이때, 다수개의 서브섹터들 각각에 속하는 어느 하나의 센서노드를 서브섹터 루트노드(q, r)로 선정한다. 상기 섹터 루트노드(p)의 경우와 같은 이유로 서브섹터 루트노드(q, r)는 분할된 서브섹터에 속하는 센서노드들 중에서 섹터루트 노드와 거리가 가장 가까운 센서노드인 것이 바람직하다.
이러한 방식으로, 하나의 클러스터 내에 다수개의 섹터 및 이에 속하는 서브섹터를 구성하고, 각각의 서브섹터의 센서노드들은 서브섹터 루트노드를 통해 섹터 루트노드 및 클러스터 헤드와 체인을 형성한다.
그 다음, 각각의 서브섹터에 속하는 센서노드가 감지한 데이터는 상기 형성된 스패닝 트리 프로토콜을 통해 클러스터 헤드로 전송된다. 이때, 센서노드(q1, r1)와, 서브섹터 루트노드(q, r)와, 섹터 루트노드(p)와, 클러스터 헤드(x) 간의 데이터 전송과 수신은 도 6에 도시된 바와 같은 토큰 패싱 기법으로 수행된다. 토근 패싱이란, 로컬 에어리어 네트워크에 있어서의 제어방식의 하나로, 정보비트 앞에 토큰이라고 불리우는 제어비트를 송출하고 이 토큰을 이용하여 송신권을 확보하여 가는 방식이다. 어떤 시점에서 데이터를 송신할 수 있는 센서노드는 토큰을 확보하고 있는 것으로 한정되어 있으므로 데이터의 충돌은 결코 일어나지 않는다.
다음으로, 도 7 내지 도 9를 참조하여 종래의 무선센서 네크워크 운영방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법의 비교 실험한 결과를 살펴본다. 도면에서 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법에 의한 결과는 “proposed”로 표시하였다.
종래의 무선센서 네크워크 운영방법과의 성능 비교를 위해 C++로 구현한 시뮬레이터를 사용하였다. 시뮬레이션 프로그램은 에너지 소비량, 네트워크 수명, 수신 메시지의 개수 그리고 사용 가능한 노드의 개수를 평가한다. 이를 위해 사용된 변수들은 아래의 [표 1]과 같다.
[표 1]
Figure 112015017052803-pat00007
시뮬레이션은 기지국이 해당 영역의 중앙에 위치하였다고 가정하였고 전력과 다른 자원은 제한되지 않았다고 가정하였다. 본 발명의 시뮬레이션은 100번 실행한 결과의 평균값으로 나타내었다. 그 결과, 노드들 사이에서 에너지 부하 균형을 통해 네트워크 수명을 향상시켰고, 통신을 위해 필요한 에너지 소비량을 최소화하였다.
도 7은 종래의 무선센서 네크워크 운영방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법의 비교 실험한 결과를 보여주는 그래프로, 네트워크의 잔류 에너지를 비교한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 기존 프로토콜인 LEACH, PEGASIS, TREESI와 비교하였으며, 100개의 노드와 200개의 노드가 네트워크에 있을 때를 가정하여 각각 비교하였다. 그 결과, 본 발명의 방법이 다른 세 개의 방법들보다 잔여 에너지가 더 많은 것을 확인하였고, 라운드(시간 스탬프)가 더 길게 가는 것을 확인하였다. 그 이유는 본 발명의 방법이 더 나은 클러스터 구성과 짧은 데이터 전송 구간으로 구성되기 때문이다.
도 8은 종래의 무선센서 네크워크 운영방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법의 비교 실험한 결과를 보여주는 그래프로, 기지국에 수신된 메시지 수를 비교한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 방법이 종래의 방법인 LEACH, LEACH-C, TREEPSI 방법보다 시간의 흐름에 따라 더 많은 수의 메시지를 수신할 수 있음을 알 수 있다.
도 9는 종래의 무선센서 네크워크 운영방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 무선센서 네트워크 운영방법의 비교 실험한 결과를 보여주는 그래프로, 네트워크의 수명을 비교한 그래프이다.
네트워크의 수명을 확인하기 위해 100m×100m와 200m×200m의 규모에서 각각 확인하였다. 그 결과, 본 발명의 방법에 의할 경우, 사용 가능한 라이브 센서노드가 라운드가 지남에 따라 많이 남아있는 것으로 확인하였다. 또한, 도 9(b)를 보면 본 발명의 방법에 의할 경우, 682 라운드까지 모든 센서노드가 사용 가능한 상태로 남아 있음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특설정 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (8)

  1. 다수의 센서노드들이 클러스터(Cluster)를 형성하는 무선센서 네트워크 운영방법에 있어서,
    매 라운드마다 상기 다수의 센서노드들의 잔류 에너지량에 기초하여 상기 다수의 센서노드들 중 적어도 어느 하나의 센서노드를 클러스터 헤드로 선출하는 단계;
    상기 선출된 클러스터 헤드가 나머지 센서노드들에 광고 메세지(Advertisement Message)를 전송하여 클러스터를 형성하는 단계;
    상기 선출된 클러스터 헤드를 중심노드로 하여, 상기 형성된 클러스터를 다수개의 섹터로 분할하고, 상기 분할된 섹터에 속하는 어느 하나의 센서노드를 섹터 루트노드로 선정하는 단계; 및,
    상기 센서노드가 감지한 데이터를 상기 섹터 루트노드를 통해 상기 클러스터 헤드로 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 클러스터 헤드 선출 단계는,
    상기 센서노드들 각각에 대해, 최초 에너지량 대비 잔류 에너지량에 기초하여 임계값을 산출하고,
    상기 임계값과 0 내지 1 사이의 난수를 비교하여, 상기 난수값이 상기 임계값보다 작으면 해당 센서노드를 해당 라운드의 클러스터 헤드로 선출하는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 운영방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 임계값은 하기의 식에 의해 산출되며,
    식 :
    Figure 112015054454787-pat00018

    여기서, r은 현재 라운드이고, G는 이전 1/P 라운드 동안 클러스터 헤드로 선출되지 않은 노드들의 집합이며, P는 클러스터 헤드 비율이고, Eresidual은 노드의 잔여 에너지이며, Einit은 초기 에너지인 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 운영방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 클러스터 형성 단계는,
    상기 선출된 클러스터 헤드가 나머지 센서노드들에게 상기 클러스터헤드의 잔류 에너지에 대한 정보를 포함하는 광고 메세지를 전송하는 단계;
    상기 광고 메시지를 수신한 센서노드가 상기 광고 메세지의 신호 강도 및 상기 클러스터 헤드의 잔류 에너지에 기초하여 코스트값을 산출하는 단계;
    상기 센서노드가 상기 산출된 코스트값 중 가장 큰 코스트값을 가지는 클러스터 헤드에 조인응답 메세지(Join-request Message)를 전송하여 클러스터를 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 운영방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 섹터 루트노드는, 상기 분할된 섹터에 속하는 센서노드들 중에서 상기 중심노드와 거리가 가장 가까운 센서노드인 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 운영방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수개의 섹터 각각을, 다시 다수개의 서브섹터로 분할하고, 상기 분할된 서브섹터에 속하는 어느 하나의 센서노드를 서브섹터 루트노드로 선정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 운영방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 서브섹터 루트노드는 상기 서브섹터에 속하는 센서노드들 중에서 상기 섹터 루트노드와 거리가 가장 가까운 센서노드인 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 운영방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 섹터는 중심노드를 중심으로 하는 부채꼴(circular sector)의 형태이고, 상기 서브섹터는 중심노드를 중심으로 하는 환형 부채꼴(annular sector)의 형태인 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 운영방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 클러스터 내에서의 데이터 전송과 수신은 토큰 패싱 기법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크 운영방법.
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