KR101689386B1 - 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법을 제공한다.
본 발명에 따른 데이터 압축방법은 센서노드에서 설정된 센싱주기에 따라 데이터를 센싱하는 제1센싱단계; 상기 센서노드에서 상기 센싱된 데이터를 원형 큐 내부의 다수의 저장공간에 순차적으로 저장하는 제1저장단계; 상기 저장공간이 상기 데이터로 모두 채워졌는지를 확인하는 확인단계; 모두 채워졌으면, 첫 번째 저장공간에 저장된 제1데이터와 마지막 저장공간에 저장된 제n데이터, 그리고 상기 제1데이터와 제n데이터 사이에서 연속으로 증가추세를 보이는 데이터 중에서는 최대값 및 연속으로 감소추세를 보이는 데이터 중에서는 최소값을 남기고 나머지 데이터를 삭제하는 삭제단계; 상기 삭제된 데이터로 인해 비어있는 저장공간을 남은 데이터로 순차적으로 채우도록 상기 남은 데이터를 재저장하는 재저장단계; 상기 센서노드에서 상기 센싱주기의 2배의 주기로 데이터를 센싱하는 제2센싱단계; 및 상기 2배 주기로 센싱된 데이터를 상기 재저장 이후에 상기 원형 큐의 저장공간에 순차적으로 저장시키는 제2저장단계를 포함한다.

Description

원형 큐를 이용한 데이터 압축방법{DATA COMPRESSION METHOD USING CIRCULAR QUEUE}

본 발명은 원형 큐(circular queue)를 이용한 데이터 압축방법에 관한 것으로서, 특히 무선 센서네트워크의 센서노드에서 센싱한 데이터를 원형 큐에 저장하되, 기설정된 주기에 따라 효율적으로 압축하여 저장하도록 하는 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법에 관한 것이다.

무선 센서네트워크(Wireless Sensor Network:WSN) 기술은 최근 각광받고 있는 사물 인터넷(IoT:Internet of Things) 등과 같은 스마트 서비스(smart service)에 많이 응용되고 있다. 이러한 무선 센서네트워크의 구성요소인 센서노드는 다양한 위치에 설치되어 기설정된 기능 및 작용에 따라 데이터를 센싱하고 이를 내부의 큐(queue)에 저장한다. 이후에 센싱된 데이터의 전송을 위해 전송채널을 할당받아 해당 전송채널을 통해 센싱된 데이터를 다른 노드로 전송하도록 한다.

이러한 센서노드 간에는 무선통신을 통해 데이터를 송수신하므로 센서노드간에 통신장애가 발생하게 되면 센싱된 데이터는 손실될 수 있으며, 손실된 데이터는 더 이상 활용할 수 없게 되어 정확한 데이터 전송이 이루어지지 않는다. 특히, 수중 무선통신의 경우 느린 전송속도와 제한된 대역폭을 포함한 기타 환경적 요인에 따라 통신장애가 발생할 가능성이 크다.

이에, 종래에 센싱 데이터 복구를 위해 주성분분석(PCA:Principle Component Analysis) 기법이나 원형 큐를 이용한 압축방법 등의 연구가 진행되었다. 특히, 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법은 비교적 간단한 프로세스로 이루어져 많이 사용되고 있다. 그러나, 종래의 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법에서는 기본적으로 센서노드에서 센싱된 데이터의 특징을 고려하지 않기 때문에 데이터의 손실이 많을수록 오차율이 커지는 문제점이 존재한다.

따라서, 해당 기술분야에서는 무선 센서네트워크에서 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법에서 데이터 손실을 최소화하고 오차율을 최대한 줄일 수 있도록 하는 기술의 개발이 요구되고 있다.

공개특허 제10-2007-0025098호 등록특허 제10-1353585호 등록특허 제10-0925288호

논문: 육의수, 김성호, "센서네트워크 환경에서의 PCA 기법을 이용한 데이터 복구기법", 제어 로봇 시스템 학회 합동 학술발표대회 논문집, pp.20-24, 2007 논문: Zhang, Y. et al., "Applied sensor fault detection and validation using transposed input data PCA and ANNs", IEEE Conference, pp.269-274, 2012

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점과 기술개발의 요구에 대응하여 제안된 것으로서, 원형 큐를 이용한 데이터 압축시 센싱된 데이터의 손실을 최소화하고 데이터 복구의 오차율을 최대한 줄일 수 있도록 하는 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 원형 큐를 이용한 데이터 압축시 압축구간별로 센싱된 데이터를 최대값 및 최소값 중심으로 압축하도록 하는 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법은,

센서노드가 기설정된 센싱주기에 따라 데이터를 센싱하는 제1센싱단계; 상기 센서노드에서 상기 센싱된 데이터를 원형 큐 내부의 다수의 저장공간에 순차적으로 저장하는 제1저장단계; 상기 센서노드가 상기 저장공간이 상기 데이터로 모두 채워졌는지를 확인하는 확인단계; 상기 저장공간이 모두 채워졌으면, 상기 센서노드가 첫 번째 저장공간에 저장된 제1데이터와 마지막 저장공간에 저장된 제n데이터, 그리고 상기 제1데이터와 제n데이터 사이에서 연속으로 증가추세를 보이는 데이터 중에서는 최대값 및 연속으로 감소추세를 보이는 데이터 중에서는 최소값을 남기고 나머지 데이터를 삭제하는 삭제단계; 상기 센서노드가 상기 삭제된 데이터로 인해 비어있는 저장공간을 남은 데이터로 순차적으로 채우도록 상기 남은 데이터를 재저장하는 재저장단계; 상기 센서노드가 상기 센싱주기의 2배의 주기로 데이터를 센싱하는 제2센싱단계; 및 상기 센서노드가 상기 2배 주기로 센싱된 데이터를 상기 재저장 이후에 상기 원형 큐의 저장공간에 순차적으로 저장시키는 제2저장단계를 포함한다.

본 발명에서, 상기 삭제단계에서　서로 이웃한 두 데이터가 적어도 한번 이상 교대로 증가와 감소를 반복하는 경우 상기 센서노드가 변곡점에 있는 데이터를 남긴다.

본 발명에서, 상기 재저장단계에서 상기 센서노드가 상기 제1데이터가 저장된 첫 번째 저장공간 이후의 저장공간부터 상기 저장된 데이터의 저장시간에 따라 상기 저장공간에 차례대로 상기 남은 데이터를 재저장한다.

본 발명에서, 상기 제1저장단계 및 제2저장단계에서 상기 센서노드가 상기 데이터를 저장할 때 상기 데이터의 저장시간 및 센싱주기를 함께 저장한다.

본 발명에 따른 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법에서는 센서노드에서 센싱된 데이터의 특성을 고려하여 데이터를 압축하기 때문에 데이터의 복구 오차율을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 센서노드의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 센서노드에서 센싱된 데이터의 그래프 예시도,
도 3은 본 발명에 따른 원형 큐의 데이터 저장방법을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법을 보이는 흐름도,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 최대값 및 최소값 선택과정을 설명하기 위한 개념도,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법을 설명하기 위한 예시도,
도 7은 본 발명에 따른 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법과 종래의 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법에 따른 데이터 복구시의 오차율을 비교한 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법과 종래의 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법에서 센싱주기 배수에 따른 평균 오차율을 보인 그래프.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 센서노드의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 센서노드(100)는 센싱부(101), 저장부(102), 통신부(103) 및 제어부(104)를 포함하여 구성된다.

센싱부(101)는 현재의 센싱주기를 확인하고 설정된 센싱주기에 따라 데이터를 센싱한다. 이러한 데이터는 물리적 또는 화학적 데이터가 될 수 있다. 예컨대, 화재감지를 위한 센서노드인 경우 온도, 연기, 불꽃 등에 대한 데이터를 센싱할 수 있다. 다른 예로서 수중센서노드인 경우에는 수중온도, 이산화탄소 농도, 탁도, 수질 등의 각종 수정정보를 센싱할 수도 있다.

저장부(102)는 센싱부(101)에서 센싱한 데이터를 저장하고 센서노드(100)의 동작에 필요한 다수의 프로그램을 저장한다. 본 실시 예에서 이러한 저장부(102)는 원형 큐(circular queue)로 구현된다. 원형 큐에서의 데이터 저장은 도 3에서 상세히 설명된다.

통신부(103)는 다른 센서노드와의 통신을 담당한다. 도면에는 도시하지 않았으나 원격지로 데이터를 중계하기 위한 다른 장치와의 통신도 수행할 수 있다.

제어부(104)는 센서노드(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 특히, 본 발명에 따른 제어부(104)는 센서노드(100)의 센싱주기를 설정 및 변경한다. 또한, 이러한 제어부(104)는 센싱주기에 따라 각종 데이터를 센싱하도록 센싱부(101)의 동작을 제어하고 그 센싱된 데이터를 저장부(102)에 저장시킨다. 이때, 제어부(104)는 예컨대 통신장애가 발생하는 경우와 같이 필요에 따라 저장부(102)에 저장된 데이터를 압축하거나 센싱주기를 변경하도록 한다. 데이터 압축방법은 하기에서 구체적으로 설명한다. 또한, 제어부(104)는 전송 스케쥴에 따라 저장부(102)에 저장된 데이터를 다른 센서노드나 게이트웨이로 전송하도록 통신부(103)의 동작을 제어한다.

도 2는 본 발명에 따른 센서노드에서 센싱된 데이터의 그래프 예시도이다.

도 2를 참조하면, 센서노드(100)에서 센싱되는 데이터는 센서의 종류, 센서가 사용되는 환경 등 주요 요소에 따라 여러 패턴으로 나타난다. 일반적으로 자연환경에서 온도의 변화는 도 2의 (a)와 같이 시간에 따라 일정하게 증가와 감소를 반복하며 계절에 따라 그 정도의 차이는 있다. 또한, 풍속의 경우 온도와 달리 센서 데이터 값이 크게 증가 또는 감소하는 특징을 가지고 있다. 하지만, 온도 데이터 값이 모두 일정하게 증가와 감소를 반복하는 것은 아니다. 만약, 온도센서 근처에 큰 폭발이나 화재가 발생했다면 온도는 자연환경과 다르게 급격하게 증가하게 될 것이다. 수많은 센서의 센싱 데이터를 수집하여 그래프화시킨다면 데이터의 특징에 따라 그래프 패턴이 다르게 나온다. 시간에 따라 일정하게 증가와 감소를 반복하는 온도 데이터는 도 2의 (a)와 같이 곡선 형태와 유사하며, 주기가 반복되는 것을 볼 수 있으며, 일정하게 값이 변하지 않는 풍속 데이터의 경우 도 2의 (b)와 같이 그래프가 일정한 모양을 보이지 않는 특성을 가지는 것을 볼 수 있다. 실제로 이 외에도 센서 데이터의 특징에 따라 수많은 그래프가 나올 수 있다. 이와 같은 특징을 이용하면 적은 양의 센서 데이터로 실제 데이터에 가까운 값을 복구할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 원형 큐의 데이터 저장방법을 나타낸 도면이다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원형 큐(20)에는 입력되는 데이터를 저장하기 위한 다수의 저장공간(21)이 원형 큐(20)의 형상에 따라 마련된다. 도 3에는 설명의 편의상 일례로 7개의 저장공간(21a~21g)이 제공되지만, 물론 이러한 저장공간(21)의 개수는 변경될 수 있음은 당연하다. 원형 큐(20) 내의 다수의 저장공간(21)에는 센싱된 데이터가 순차적으로 저장된다.

도 3의 (b) 및 (c)를 참조하면, 원형 큐(20)에서는 다수의 저장공간(21)에 센싱주기에 따라 센싱된 데이터가 순차적으로 저장되고 전송 프로세스에 따라 데이터가 출력된다. 이러한 원형 큐(20) 내부의 저장공간(21)에는 리어(rear)(22)와 프런트(front)(23)가 각각 설정되는데, 리어(22)는 현재 입력된 데이터가 저장될 저장공간을 지시하며, 프런트(23)는 설정된 전송 프로세스에 따라 출력될 데이터가 저장된 저장공간을 지시한다. 절차에 따라 데이터가 저장되거나 출력되면 리어(22)와 프런트(23)의 위치는 원형 큐(30)의 둘레를 따라 계속 변한다. 구체적으로, 도 3의 (b)에서와 같이 원형 큐(20)의 저장공간(21)에 A,B,C,D의 데이터가 제1~4 저장공간(21a~21d)에 순차적으로 저장된다. 다음주기에 센싱되는 데이터는 리어(22)가 대응되는 제5저장공간(21e)에 저장된다. 또한, 데이터의 전송시에는 프런트(21a)가 대응되는 저장공간(21a)에 저장된 데이터가 출력된다. 이후에, 새로운 데이터 E가 센싱되어 제5저장공간(21e)에 저장되면 도 3의 (c)에서와 같이 리어(22)는 1칸 옆으로 이동하여 그 옆의 저장공간(21f)에 대응되고, 제1저장공간(21a)에 저장된 A 데이터가 출력되면 다음에 전송될 B 데이터가 저장된 저장공간(21b)에 대응되도록 1칸 옆으로 이동된다.

이와 같이, 센서노드(100)에서 센싱된 데이터는 주기별로 원형 큐(20)에 순차적으로 저장되므로, 그 데이터 저장공간(21)의 위치에 따라 데이터가 입력되는 위치인 리어(22)가 변하는 것이다. 또한, 저장된 데이터가 전송되면 다음에 전송될 데이터의 위치가 변하므로 전송될 데이터의 위치에 따라 프런트(23)도 변하게 되는 것이다. 이와 같이, 가장 먼저 저장된 데이터의 위치가 프런트(23)가 되며 가장 먼저 저장된 데이터가 전송되면 그 데이터는 삭제되고 다음에 전송될 데이터의 위치가 프런트(23)가 되는데, 만약 FIFO 방식으로 데이터를 전송하는 경우 프런트(23)는 1칸씩 옆으로 이동하게 된다.

한편, FIFO 방식이 아니라 기설정된 데이터 전송의 우선순위에 따라 데이터를 전송하는 경우 프런트(23)가 그 전송순위에 따라 다음에 전송될 데이터가 위치한 저장공간으로 이동하게 된다. 이는 1칸씩 옆으로 이동할 수도 있지만 경우에 따라서는 어느 저장공간으로도 이동이 가능하다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법을 보이는 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법에서는 먼저, 센서노드(100)의 센싱부(101)에서 현재 설정되어 있는 센싱주기를 확인하고 설정된 현재 센싱주기에 따라 데이터를 센싱한다(S101). 이와 같이 센싱된 데이터는 다양하게 적용될 수 있다. 예컨대, 센서노드(100)가 수중환경에 설치되는 경우 센싱 데이터는 수중온도, 염도, 수실 등과 같은 데이터가 될 수 있다. 이와 같이 센싱된 데이터는 저장부(102)의 원형 큐(20) 내부의 다수의 저장공간에 입력되는 순서에 따라 순차적으로 저장된다(S103). 이는 도 3과 같이 리어(22)의 위치가 계속 변경되면서 저장공간을 차례대로 채워가면서 저장되는 것이다.

이와 같이 데이터가 저장공간에 저장될 때마다 센서노드(100)의 제어부(104)는 원형 큐(20)의 저장공간이 데이터로 모두 채워졌는지를 판단한다(S105). 이때, 원형 큐(20) 내 다수의 저장공간이 모두 데이터로 채워졌다는 것은 데이터 출력에 문제가 발생했다는 것을 의미한다. 예컨대, 통신장애가 발생하여 데이터 전송이 이루어지지 않는 것을 포함한다. 즉, 통신장애가 발생하여 원형 큐(20)의 저장공간에 저장된 데이터가 출력되지 않고 있다는 것이다. 따라서, 데이터 출력은 이루어지지 않고 센싱주기에 따라 계속 센싱되는 데이터의 입력(저장)만 이루어져 모든 저장공간에 데이터가 모두 저장되어 있다는 것을 의미한다. 이 경우 센싱주기에 따라 계속해서 센싱되는 데이터는 저장되고 제일 먼저 저장된 데이터부터 손실이 발생된다. 이러한 손실 데이터의 복구를 위해 본 발명에 따른 데이터의 압축이 필요하다. 이와 같이 데이터 압축이 필요한지를 확인하는 절차로서 S105 단계와 같이 다수의 저장공간이 모두 데이터로 채워졌는지를 판단하는 것이다.

만약, 저장공간이 모두 채워지지 않았다면 S101 단계로 진행하여 센싱주기에 따라 계속 데이터를 센싱한다. 이러한 센싱 데이터는 S103 단계와 같이 다음 저장공간에 순차적으로 저장된다. 그런데, S105 단계에서 저장공간이 모두 채워졌다면 첫 번째 저장공간에 저장된 제1데이터와, 마지막 저장공간에 저장된 제n데이터와, 상기 제1데이터와 제n데이터 사이에서 연속으로 증가추세를 보이는 데이터 중에서는 최대값과, 연속으로 감소추세를 보이는 데이터 중에서는 최소값을 남기고 나머지 데이터를 삭제한다(S107).

이후에는, 상기와 같이 삭제된 데이터로 인해 비어있는 저장공간을 남은 데이터로 순차적으로 채우도록 상기 남은 데이터를 재저장한다(S109). 여기서, S109 단계에서 남은 데이터를 재저장하는 것은 첫 번째 저장공간 이후에 비어있는 저장공간을 순차적으로 채우도록 남은 데이터를 빈 저장공간으로 차례로 이동시켜 저장하는 것을 의미한다. 이로써, 첫 번째 저장공간부터 연속해서 빈 저장공간이 없도록 남은 데이터로 모두 채우게 되고, 데이터가 채워진 이후의 저장공간부터는 자연적으로 비어있는 저장공간으로 남게 된다. 따라서, 재저장 단계(S109) 이후에 비어있는 저장공간의 개수는 삭제된 데이터의 개수와 동일하다.

계속해서, 센서노드(100)의 제어부(104)는 센싱주기를 변경한다. 즉 센싱주기를 현재의 센싱주기의 2배로 조정함으로써 센싱부(101)에서는 현재의 센싱주기의 2배의 주기로 데이터를 센싱한다(S111). 이에 따라 상기 2배의 주기로 센싱된 데이터를 상기 재저장 이후에 원형 큐(20)의 저장공간에 순차적으로 저장시킨다(S113). 여기서, 데이터를 저장된 순서에 따라 출력 및 재저장하기 위해서는 S103 단계와 S113 단계에서 데이터를 저장할 때에는 데이터의 저장시간 및 센싱주기를 함께 저장하는 것이 바람직하다.

이와 같이 통신장애가 발생하여 데이터 입력이 계속 진행되는 상황에서는 현재 모든 저장공간에 저장된 데이터 중 제1데이터, 제n데이터, 상승구간의 최대값, 감소구간의 최소값만을 남기고 나머지를 제거한 후, 데이터를 센싱하는 주기를 현재 센싱주기보다 2배로 늘려서 센싱하도록 하여 센싱된 데이터를 저장하도록 한다. 이는 센싱주기를 2배로 늘림으로써 데이터의 센싱 간격을 늘여 그 동안 통신장애를 복구하는 시간을 확보하고, 2배의 센싱주기에서 센싱되는 데이터는 보간법을 이용하여 유추하도록 함으로써 데이터 손실 확률을 줄일 수 있도록 한다.

만약, 이러한 과정 이후에도 통신이 복구되지 않아 데이터가 출력되지 않는다면 위 과정을 동일하게 반복한다. 즉, 2배의 주기로 센싱한 데이터가 저장되어 저장공간이 모두 채워진다면, 동일한 방법으로 제1데이터, 제n데이터, 그리고 증가추세의 최대값과, 감소추세의 최소값을 남기고 모두 삭제한 후, 저장공간이 차례대로 채워지도록 남은 데이터로 재저장한다. 이후에 센싱주기를 다시 2배 더 증가시킨다. 즉, 최초에 설정한 센싱주기의 4배가 되는 것이다. 4배의 주기로 센싱한 데이터는 빈 저장공간을 다시 순차적으로 채우는 것이다. 이와 같은 과정은 통신이 복구되어 데이터가 출력될 때까지 계속 반복하게 된다. 이후에 이처럼 데이터 압축과정에서 삭제된 데이터는 보간법 등을 통해 복구하도록 한다. 이때, 남은 데이터는 보간법을 통한 데이터 복구에 이용되는 것이다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 최대값 및 최소값 선택과정을 설명하기 위한 개념도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 예시에서 원형 큐(20)에는 12개의 저장공간이 있고, 첫 번째 저장공간에는 제1데이터로서 3이 저장되고, 마지막 저장공간에는 제n데이터로서 4가 저장되며, 제1데이터 및 제n데이터 사이에는 두 번째 저장공간부터 5, 8, 11, 10, 8, 10, 5, 9, 7, 5가 각각 순차적으로 저장된다고 가정한다. 물론, 상기 데이터는 설명의 편의상 일례를 설명하는 것이다.

이때, 제1데이터인 3과 제n데이터인 4는 반드시 저장하고, 3과 4 사이에서 연속적인 증가추세와 연속적인 감소추세를 파악한다. 즉, 상기 일례에서 5,8,11은 연속적으로 증가하는 추세를 나타낸다. 따라서, 이 경우에는 최대값인 11을 저장한다. 11부터 8까지는 연속으로 감소하는 추세를 나타내므로, 여기서는 최소값인 8을 저장한다. 이때, 연속적인 증가와 감소는 선형적인 증가와 감소가 아니라도 상관없다. 그 다음에 10,5,9까지는 서로 이웃한 두 데이터 간에 증가와 감소를 반복한다. 이 경우에는 변곡점인 10,5,9를 저장한다. 이러한 변곡점과 연속 증가추세의 최대값, 연속 감소추세의 최소값과는 차이가 있다. 즉, 변곡점의 데이터는 서로 이웃하는 두 데이터 간에 적어도 한 번 이상 증가와 감소를 반복하는 경우이고 최대값 및 최소값은 둘 이상의 데이터가 연속으로 증가 및 감소를 보이는 경우에 선택되는 데이터이다. 그러나, 다른 실시 예에서는 이러한 변곡점을 최대값 또는 최소값으로 설정하여 선택할 수도 있다. 예컨대, 상기 예에서 10에서 5는 감소추세이고, 5에서 9는 증가추세로 하여 최소값인 5와 최대값인 9를 저장할 수도 있다. 이는 변곡점과 최대값/최소값을 어떻게 설정하느냐에 따라 결정되는 것이다. 따라서, 본 발명에서는 연속으로 증가추세에 있는 데이터에서는 최대값을 선택하고, 연속으로 감소추세에 있는 데이터에서는 최소값을 선택하도록 설명할 수도 있으며, 증가추세와 감소추세가 적어도 한번 이상 반복되는 경우에는 변곡점의 데이터를 선택하도록 설정할 수도 있는 것이다. 여기서, 도 4에는 일례를 도시한 것으로서, 저장되는 데이터에 따라 선택되는 최대값과 최소값의 개수는 변경이 가능하다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법을 보이는 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 원형 큐(20)를 이용한 데이터 압축방법에서는 (a)~(f)의 순서로 데이터를 처리한다. 먼저, 도 6의 (a)와 같이 센서노드(100)의 센싱부(101)에서 현재 설정된 센싱주기에 따라 데이터를 센싱하여 해당 데이터를 원형 큐(20)의 저장공간(211~217)에 순차적으로 저장시킨다. 도면에는 제1데이터인 A부터 G까지 차례로 저장되는 예를 도시하고 있으며, 도 6의 (a)에는 A부터 E까지 저장되고 있다.

도 6의 (b)와 같이 현재 설정된 센싱주기에 따라 계속 센싱되는 데이터 A~G까지 저장하여 원형 큐(20) 내의 모든 저장공간(211~217)에 데이터가 채워지면 제1데이터, 제n데이터, 최대값, 최소값을 결정한다. 여기서, 최대값은 D, 최소값은 F라고 가정하면, 도 6의 (c)의 예시와 같이 첫 번째 저장공간(211)에 저장된 제1데이터 A와, 마지막 저장공간(217)에 저장된 제n데이터 G와, 연속적인 상승추세의 최대값 D와, 연속적인 감소추세의 최소값 F를 남기고 나머지 데이터 B,C,E는 삭제한다. 이로써, 삭제된 데이터 B,C,E가 저장되어 있던 저장공간(212,213,215)은 비어 있는 상태가 된다.

이후에, 도 6의 (d)와 같이 현재 남아있는 데이터 A,D,F,G를 이용하여 저장공간(211~217)을 첫 번째 저장공간(211)부터 순차적으로 채우도록 재저장한다. 즉, 첫 번째 저장공간(211)부터 빈 저장공간이 안 생기도록 남은 데이터로 순차적으로 채우는 것이다. 이로써, 도 6의 (d)와 같이 3개의 저장공간(215,216,217)이 비게 된다. 이들 빈 저장공간(215,216,217)은 이후에 추가로 센싱되는 데이터를 다시 순차적으로 저장시키기 위한 것이다.

계속해서, 상기와 같이 남은 데이터를 재저장한 이후에는 도 6의 (e)와 같이 센서노드(100)에서는 현재의 센싱주기의 2배 주기로 센싱주기를 변경하여 데이터 H를 센싱하여 저장한다. 이러한 2배 주기라 함은 현재의 센싱시간 간격을 2배로 증가시킴을 의미한다. 예컨대, 10초 간격으로 데이터를 센싱하는 것을 20초 간격으로 증가시키는 것이다. 다른 실시 예에서는 3,4,5,...배 등으로 증가시킬 수도 있다.

이후, 도 6의 (f)와 같이 상기와 같이 2배 주기로 데이터 H,I,J를 센싱하여 저장하고, 다시 데이터가 모든 저장공간(211~217)에 채워졌으면, 다시 도 5의 (b) 이후의 과정을 수행하게 된다. 이 경우, 도 6의 (e)에서는 다시 현재의 센싱주기를 2배로 변경한 후 변경된 센싱주기로 데이터를 센싱하여 저장하게 된다. 따라서, 최초의 센싱주기에 4배가 되는 것이다. 이러한 데이터 압축과정은 통신이 복구되어 데이터가 출력될 때까지 계속 이루어진다.

한편, 상기와 같이 데이터가 삭제되면 데이터 손실이 발생하게 된다. 하지만, 본 발명에서는 상기와 같이 삭제된 데이터를 기설정된 데이터 복구 알고리즘을 사용하여 복구하도록 한다. 이러한 데이터 복구 알고리즘은 다양하게 공지되어 있다. 본 발명에서는 일례로 보간법을 이용하여 원하는 원래의 센싱주기 또는 임의의 시점에서 데이터를 복구하도록 한다. 본 발명의 경우, 센서노드에서 측정되는 데이터가 등간격으로 센싱되는 것이 아니기 때문에, 여러 보간법 중에서도 이에 적합한 뉴턴(Newton)의 분할 차분법을 이용하여 데이터를 유추하도록 한다. 이러한 분할 차분법을 이용한 보간법은 공지기술이므로 본 발명에서는 상세한 설명은 생략한다.

도 7은 본 발명에 따른 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법과 종래의 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법에 따른 데이터 복구시의 오차율을 비교한 그래프이다.

본 발명의 실시 예에서 본 발명의 데이터 압축방법에 따른 데이터 복구 오차율을 평가하기 위해 종래의 데이터 압축방법과 본 발명에 따른 데이터 압축방법으로 동일한 센싱 데이터를 압축하였다. 이때, 센싱주기를 2배, 4배, 8배로 증가시키면서 동일한 보간법을 적용하여 데이터를 복구하고, 그 복구된 데이터를 원래의 데이터와 비교하여, 이를 그래프로 나타내고 평균 오차율을 비교하도록 하였다.

평가를 위해 데이터의 종류는 하기 표 1과 같이 기상청에서 제공한 2014년 4월 서울의 실제 온도 데이터 100개를 사용하였으며, 실험은 MATLAB R2014a에서 수행하였다. 압축 후 데이터를 복구하기 위해 Linear와 Spline 보간법을 사용하였다.

데이터의 종류	2014년 4월 1시간 간격 온도 데이터(자료제공 기상청)
데이터 수	100개
사용 툴	MATLAB R2014a
보간법의 종류	Linear, Spline

도 7의 (a)와 (b)는 종래기술과 본 발명에 대하여 센싱주기를 2배로 변경하여 데이터를 센싱한 후 삭제된 데이터를 복구하여 정확도를 비교한 그래프이고, 도 7의 (c)와 (d)는 센싱주기를 4배인 경우, 도 7의 (e)와 (f)는 센싱주기를 8배인 경우를 비교한 그래프이다.

도면을 참고하면, 센싱주기가 2배, 4배까지는 실제 데이터와 복구된 데이터가 거의 일치한다. 하지만, 8배로 증가한 경우 기존의 데이터 압축방법은 실제 데이터와 큰 차이가 발생하였으며, 본 발명에 따른 압축방법에서는 Spline 보간법은 오차가 크게 발생하였지만 Linear 보간법은 실제 데이터와 거의 일치하게 나타남을 알 수 있다. 실제 오차의 경우 도 7의 (e)와 (f)에서 볼 수 있듯이, 실제 데이터와 일치하지 않아 생기는 공간의 면적만큼 오차가 발생한다.

도 8은 본 발명에 따른 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법과 종래의 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법에서 센싱주기의 배수에 따른 평균 오차율을 보인 그래프이다.

도 8을 참조하면, 센싱주기의 배수에 따른 평균 오차율은 센싱주기의 배수가 2배인 경우 평균 오차율이 2.1-2.6%로 실제 데이터와 거의 차이가 없었으며, 4배로 증가해도 본 발명에 따라 압축한 경우 Spline 보간법을 제외한 나머지 오차율은 4.5-6.1%로 실제 데이터와 큰 차이가 없었다. 하지만, 8배로 증가하면 기존의 방법은 Linear, Spline 보간법 모두 평균 오차율이 15.5-17.2%로 크게 증가하였다. 하지만 본 발명에 따른 압축방법으로 압축한 경우 Linear 보간법으로 데이터 복구 시 평균 오차율이 6.7%로 4배 주기로 압축한 경우와 큰 차이가 없었다. 기존 압축 방법은 센싱주기가 증가할수록 실제 분석할 수 있는 데이터가 줄어들어 구간별 최대값 및 최소값을 찾지 못하거나, 센싱구간 내에서 데이터 크기가 크게 변하는 경우 오차가 굉장히 크게 발생하는 요인이 된다. 하지만, 본 발명의 경우 센싱구간 내에서 최대값 및 최소값 중심으로 데이터를 복구하기 때문에 실제 데이터와 거의 일치한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법에서는 첫 번째 데이터와 마지막 데이터, 그리고, 최대값 및 최소값 중심의 압축방법을 사용함으로써 데이터의 복구 오차율을 줄일 수 있도록 한다.

이상에서와 같이 본 발명에서는 무선 센서네트워크를 구성하는 센서노드에서 데이터를 센싱하여 원형 큐에 저장한 후 기설정된 전송 프로세스에 따라 원형 큐에 저장된 데이터를 전송하도록 한다. 무선 센서네트워크는 인간이 직접 얻기 어려운 정보를 쉽게 얻을 수 있도록 도와주며 인간에게 많은 유용성을 제공한다. 이러한 정보들은 센서노드에서 수집된 데이터를 바탕으로 제공되는 것이기 때문에 신뢰성 높은 데이터의 수집과 처리가 필수적이다. 따라서, 본 발명에서는 무선통신의 특성상 쉽게 손실될 수 있는 데이터의 전송에 대한 신뢰성을 높이기 위한 데이터 처리방법을 제공하고 있다. 이를 통해 손실되는 데이터는 최소화되며 필요에 따라 삭제된 데이터나 원하는 시점에서의 데이터를 복구할 수 있으므로 원본 데이터에 가까운 데이터를 제공할 수 있게 된다.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

20 : 원형 큐 21 : 저장공간
22 : 리어(Rear) 23 : 프런트(Front)
100 : 센서노드 101 : 센싱부
102 : 저장부 103 : 통신부
104 : 제어부 211~217 : 저장공간

Claims (4)

1. 센서노드가 기설정된 센싱주기에 따라 데이터를 센싱하는 제1센싱단계;
   상기 센서노드가 상기 센싱된 데이터를 원형 큐 내부의 다수의 저장공간에 순차적으로 저장하는 제1저장단계;
   상기 센서노드가 상기 저장공간이 상기 데이터로 모두 채워졌는지를 확인하는 확인단계;
   상기 저장공간이 모두 채워졌으면, 상기 센서노드가 첫 번째 저장공간에 저장된 제1데이터와 마지막 저장공간에 저장된 제n데이터, 그리고 상기 제1데이터와 제n데이터 사이에서 연속으로 증가추세를 보이는 데이터 중에서는 최대값 및 연속으로 감소추세를 보이는 데이터 중에서는 최소값을 남기고 나머지 데이터를 삭제하는 삭제단계;
   상기 센서노드가 상기 삭제된 데이터로 인해 비어있는 저장공간을 남은 데이터로 순차적으로 채우도록 상기 남은 데이터를 재저장하는 재저장단계;
   상기 센서노드가 상기 센싱주기의 2배의 주기로 데이터를 센싱하는 제2센싱단계; 및
   상기 센서노드가 상기 2배 주기로 센싱된 데이터를 상기 재저장 이후에 상기 원형 큐의 저장공간에 순차적으로 저장시키는 제2저장단계; 를 포함하는 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 삭제단계에서　서로 이웃한 두 데이터가 적어도 한번 이상 교대로 증가와 감소를 반복하는 경우 상기 센서노드가 변곡점에 있는 데이터를 남기는 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 재저장단계에서 상기 센서노드가 상기 제1데이터가 저장된 첫 번째 저장공간 이후의 저장공간부터 상기 저장된 데이터의 저장시간에 따라 상기 저장공간에 차례대로 상기 남은 데이터를 재저장하는 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1저장단계 및 제2저장단계에서 상기 센서노드가 상기 데이터를 저장할 때 상기 데이터의 저장시간 및 센싱주기를 함께 저장하는 원형 큐를 이용한 데이터 압축방법.

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