KR101689532B1 - 모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법 - Google Patents

모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법 Download PDF

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KR101689532B1 KR1020150096628A KR20150096628A KR101689532B1 KR 101689532 B1 KR101689532 B1 KR 101689532B1 KR 1020150096628 A KR1020150096628 A KR 1020150096628A KR 20150096628 A KR20150096628 A KR 20150096628A KR 101689532 B1 KR101689532 B1 KR 101689532B1
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오영준
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Abstract

본 발명은 모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법에 관한 것이다. 이러한 모바일 애드 혹 네트워크에서의 분산 경로 설정 방법은 설정된 주기에 따라 소스 노드의 통신 범위에 위치하는 헤드노드들에 대해로드 밸런싱 값을 산출하는 로드 밸런싱 산출 단계, 산출된 상기 로드 밸런싱 값과 상기 헤드노드들의 속성정보를 이용하여 상기 헤드노드들에 대해 엘티노드 선정확률을 산출하는 엘티노드 선정확률 산출 단계, 그리고 상기 소스 노드가 상기 로드 밸런싱 값과 상기 엘티노드 선정확률을 이용하여 엘티노드를 선정하고, 선정된 엘티노드를 상기 소스 노드에 연결하여 상기 소스 노드의 데이터 패킷 전송경로를 재설정하는 경로 재설정 단계를 포함한다. 이로 인해, 데이터 패킷 전송에 포함된 헤드노드가 주체가 되어 주변 헤드노드들에 순위를 새로 부여하여 전송경로를 재구성하므로, 데이터 패킷 전송 경로 설정에 있어서 네트워크의 환경 및 헤드노드의 상태들을 고려하여 경로를 설정할 수 있어 전송 경로를 효율적으로 설정할 수 있는 효과가 있다.

Description

모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법{DISTRIBUTED PATH SETUP METHOD USING LOAD BALANCING FOR MOBILE AD HOC NETWORK}
본 발명은 모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법에 관한 것이다.
모바일 애드 혹 네트워크(MANET; Mobile Ad hoc Network)는 기간망에 의존하지 않는 이동 노드들로 구성된 무선 통신 네트워크로서, 자율망 또는 추론망에 의한 멀티 홉 네트워크로 형성될 수 있다.
이러한 모바일 애드 혹 네트워크를 형성하는 노드들은 이동성, 속도, 에너지와 같은 속성 정보를 포함하는데, 모바일 애드 혹 네트워크를 형성하는 노드가 계층적 통신 구조를 갖는 경우, 특정 클러스터 헤드노드에 부하가 집중되어 데이터 전송이 지연되거나 노드간 연결이 단절되는 문제점이 있다.
이로 인해, 부하가 집중된 특정 클러스터 헤드노드의 부하를 분산시켜 모바일 애드 혹 네트워크의 경로를 안정적으로 유지하는 방법이 필요한 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 모바일 애드 혹 네트워크에서 클러스터 헤드노드에 부하가 집중되었을 때 새로운 클러스터 헤드노드로 경로를 재설정하여, 부하가 발생한 클러스터 헤드노드의 부하를 분산시킴으로써 모바일 애드 혹 네트워크의 전송 효율을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법은, 설정된 주기에 따라 소스 노드의 통신 범위에 위치하는 헤드노드들에 대해로드 밸런싱 값을 산출하는 로드 밸런싱 산출 단계와; 산출된 상기 로드 밸런싱 값과 상기 헤드노드들의 속성정보를 이용하여 상기 헤드노드들에 대해 엘티노드 선정확률을 산출하는 엘티노드 선정확률 산출 단계; 및 상기 소스 노드가 상기 로드 밸런싱 값과 상기 엘티노드 선정확률을 이용하여 엘티노드를 선정하고, 선정된 엘티노드를 상기 소스 노드에 연결하여 상기 소스 노드의 데이터 패킷 전송경로를 재설정하는 경로 재설정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 소스 노드의 통신 범위는 하기의 식 1을 통해 산출하는 것을 특징으로 한다.
[식 1]
R c =k×R T
(여기서, R c 는 통신범위, k는 상기 소스 노드의 홉 수, R T 는 상기 소스 노드의 전송범위임)
본 발명에 있어서, 상기 로드 밸런싱 산출 단계는 하기의 식 2로부터 산출하는 것을 특징으로 한다.
[식 2]
Figure 112015065802898-pat00001
(여기서,
Figure 112015065802898-pat00002
는 시간 t의 흐름에 따라 로드밸런싱 산출 대상인 헤드노드의 로드밸런싱 값, i는 로드밸런싱 산출 대상인 헤드노드의 순서,
Figure 112015065802898-pat00003
는 시간 t에 따른 i번째 헤드노드의 데이터 패킷 흐름양,
Figure 112015065802898-pat00004
는 i번째 헤드노드가 속한 모바일 애드 혹 네트워크의 상황,
Figure 112015065802898-pat00005
는 i번째 헤드노드의 데이터 패킷 수용량임)
본 발명에 있어서, 상기 엘티노드 선정확률 산출 단계에서 이용하는 상기 헤드노드들의 속성정보는 거리정보에 대한 가중치, 방향에 대한 가중치 또는 에너지에 대한 가중치인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 경로 재설정 단계 이후에, 상기 선정된 엘티노드는 상기 선정된 엘티노드의 주변에 위치하는 헤드노드들의 로드 밸런싱 값을 새로 산출하고, 상기 선정된 엘티노드와 상기 선정된 엘티노드의 주변에 위치하는 헤드노드들의 관계 확률을 산출하여, 새로 산출된 상기 로드 밸런싱 값과 상기 관계 확률을 이용하여 전송경로를 재구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 선정된 엘티노드는 새로 산출된 상기 로드 밸런싱 값이 작고 상기 관계 확률이 높은 헤드노드를 전송 경로로서 포함시켜 전송경로를 재구성하는 것을 특징으로 한다.
이러한 특징에 따르면, 모바일 애드 혹 네트워크의 클러스터 헤드노드에 부하가 발생하였을 때, 부하가 발생한 클러스터 헤드노드의 통신 거리 주변에 위치하는 클러스터 헤드노드들의 노드 속성을 이용하여 부하가 발생한 클러스터 헤드노드의 경로를 대체할 새로운 전송 경로를 산출하고, 산출된 새로운 전송 경로를 통해 데이터를 전송하므로, 클러스터 헤드노드의 부하를 분산시킬 수 있어 모바일 애드 혹 네트워크의 데이터 전송 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법을 설명하기 위한 모바일 애드 혹 네트워크의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법을 실시하기 위한 상황테이블을 나타낸 도표이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법 중 전송경로 설정 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법을 실시하기 위한 모바일 애드 혹 네트워크의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법을 실시하기 위한 전송경로 설정 테이블을 나타낸 도표이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
먼저, 본 발명의 한 실시예에 따른 모바일 애드 혹 네트워크에서의 분산 경로 설정 방법을 설명하기 위해 도 1을 참고로 하여 모바일 애드 혹 네트워크의 구조를 설명하면, 모바일 애드 혹 네트워크는 도 1에 도시한 것처럼, 복수 개의 서로 떨어진 헤드노드(head node)(1, 2, 3)들과 헤드노드(1, 2, 3)에 각각 연결된 복수 개의 멤버노드(member node)(11, 12, 21, 22, 31, 32)를 포함한다.
이때, 각각의 헤드노드(1, 2, 3)는 제1 헤드노드(CH1)(1), 제2 헤드노드(CH2)(2) 및 제3 헤드노드(CH3)(3)로서, 제1 헤드노드(CH1)(1)는 제1 멤버노드(CM1)(11) 및 제2 멤버노드(CM2)(12)를 연결되고, 제2 헤드노드(CH2)(2)는 제3 멤버노드(CM3)(21) 및 제4 멤버노드(CM4)(22)와 연결되며, 제3 헤드노드(CH3)(3)는 제5 멤버노드(CM5)(31) 및 제6 멤버노드(CM6)(32)와 연결된다.
제1 내지 제3 헤드노드(1, 2, 3)는 각각 연결된 멤버노드인 제1 내지 제6 멤버 노드(11, 12, 21, 22, 31, 32)와 각각 모-자 관계로 연결되는 클러스터(cluster)를 구성하고, 여기서, 부모(모) 노드인 헤드노드(1, 2, 3)는 자식(자) 노드인 멤버노드(11, 12, 21, 22, 31, 32)로부터 데이터 패킷을 전달받아 인접하는 헤드노드를 통해 베이스 스테이션(미도시)으로 전송한다.
베이스 스테이션은 헤드노드가 데이터 패킷을 최종적으로 전송하고자 하는 목적지일 수 있다.
이처럼, 적어도 하나의 헤드노드와 이에 연결된 멤버노드를 포함하여 하나의 클러스터를 형성하는 모바일 애드 혹 네트워크의 구조에서, 제1 헤드노드(CH1)(1), 제1 멤버노드(CM1)(11) 및 제2 멤버노드(CM2)(12)가 제1 클러스터를 구성하고, 제2 헤드노드(CH2)(2), 제3 멤버노드(CM3)(21) 및 제4 멤버노드(CM4)(22)가 제2 클러스터를 구성하며, 제3 헤드노드(CH3)(3), 제5 멤버노드(CM5)(31) 및 제6 멤버노드(CM6)(32)가 제3 클러스터를 각각 구성한다.
이때, 모바일 애드 혹 네트워크를 형성하는 제1 내지 제3 클러스터가 클러스터 구조, 즉 계층적 통신 구조로 형성됨에 따라 각각의 클러스터의 헤드노드는 자신에 연결된 멤버노드로부터 데이터를 전달받고 이를 인접하는 다른 클러스터의 헤드노드로 전송하는 통신 형태를 가지며, 헤드노드에 연결된 한 멤버노드는 인접하는 클러스터들의 헤드노드의 부하 상태를 판단하기 위한 상태 테이블을 도 2와 같이 산출한다.
한 예에서, 모바일 애드 혹 네트워크에서 목적 노드로 데이터 패킷을 전송하는 소스 노드인 멤버노드, 예로써, 도 1에서 제1 멤버노드(CM1)(11)는 제1 멤버노드(CM1)(11)에 연결된 헤드노드인 제1 헤드노드(CH1)(1), 그리고 인접하는 클러스터인 제2 클러스터 및 제3 클러스터의 헤드노드인 제2 헤드노드(CH2)(2)와 제3 헤드노드(CH3)(3)의 부하 상태를 나타내는 지표인 로드밸런싱(lb)과 제1 내지 제3 헤드노드(1, 2, 3)의 엘티노드 선정확률을 각각 산출하여 도 2에 도시한 상태 테이블을 작성한다.
이때, 목적 노드는 소스 노드가 데이터 패킷을 전송하고자 하는 다른 헤드노드 또는 멤버노드일 수 있고, 위에서 이미 설명한 것처럼, 베이스 스테이션일 수 있다.
도 1에 도시한 모바일 애드 혹 네트워크 구조를 참고로 하는 한 예에서, 소스 노드는 제1 멤버노드(CM1)(11)이고, 목적 노드는 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)의 통신범위(R c )에 포함되는 헤드노드 또는 멤버노드일 수 있다.
그리고 이때, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)의 목적 노드가 베이스 스테이션인 경우라도, 베이스 스테이션이 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)의 통신범위(R c )에 포함되는 경우에만 목적 노드로 지정될 수 있다.
예로써, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)의 전송범위(R T )가 도 1에 도시한 제1 반경(101)이고 제1 멤버노드(CM1)(11)의 홉(hop) 수(k)가 2인 경우, 다음의 식 1으로부터 소스 노드인 제1 멤버노드(CM)(11)의 통신범위(R c )를 산출하여 제2 반경(102)로서 간주한다.
[식 1]
R c =k× R T
위의 식 1에서, 제2 반경(102)인 통신범위(R c )는 제1 멤버노드(CM1)(11)의 홉 수(k)인 2에 제1 반경(101)을 곱하여 산출된 것으로, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)의 목적 노드가 될 수 있는 노드로는 제2 반경(102)에 속하는 노드들(1, 2, 3, 12) 중에서 선택될 수 있다.
이처럼, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)는 위의 식 1을 통해 통신범위(R c )를 산출하고, 산출된 통신범위 내에 속하는 노드들 중 헤드노드들에 대한 로드밸런싱(lb, load balancing)을 다음의 식 2를 이용하여 산출한다.
[식 2]
Figure 112015065802898-pat00006
위의 식 2에서,
Figure 112015065802898-pat00007
는 시간 t의 흐름에 따라 로드밸런싱 산출 대상인 헤드노드의 로드밸런싱 값이고, i는 로드밸런싱 산출 대상인 헤드노드의 순서로서 제1 헤드노드(CH1)(1)의 i는 1이고 제2 헤드노드(CH2)(2)의 i는 2이며, 제3 헤드노드(CH3)(3)의 i는 3이다.
그리고,
Figure 112015065802898-pat00008
는 시간 t에 따른 i번째 헤드노드의 데이터 패킷 흐름양이고,
Figure 112015065802898-pat00009
는 i번째 헤드노드가 속한 모바일 애드 혹 네트워크의 상황이며,
Figure 112015065802898-pat00010
는 i번째 헤드노드의 데이터 패킷 수용량이다.
이때, i번째 헤드노드의 데이터 패킷 수용량인
Figure 112015065802898-pat00011
는 시간 t에 따른 i번째 헤드노드의 데이터 패킷 흐름양인
Figure 112015065802898-pat00012
보다 크거나 같다.
그리고 이때, α는 환경변수를 의미하는 변수로서, 모바일 애드 혹 네트워크의 환경 변화에 따라 각각 다른 값을 갖는다. 예로써, 환경변수 α는 자유공간에서 2, 도시지역에서 2.7~3.5, 가시거리가 확보된 실내지역에서 1.6~1.8, 그리고 가시거리가 확보되지 않는 실내지역에서 4~6의 값을 각각 갖는다.
위의 식 2로부터 산출된 제1 내지 제3 헤드노드(1, 2, 3)에 대한 로드밸런싱 값은 0≤
Figure 112015065802898-pat00013
≤1 범위의 값을 가지며, 제1 멤버노드(CM1)(11)는 산출된 로드밸런싱 값이 클수록 해당 헤드노드에 부하가 많이 걸려 있는 상황이라고 판단한다.
한 예에서, 위의 식 2를 이용하여 산출되는 i번째의 헤드노드에 대한 로드밸런싱 값은 i번째 헤드노드의 패킷 흐름양(
Figure 112015065802898-pat00014
)이 많을수록 높은 값을 갖고, i번째 헤드노드의 패킷 흐름양(
Figure 112015065802898-pat00015
)이 낮을수록 낮은 값을 갖는다.
이때, i번째 헤드노드의 패킷 흐름양(
Figure 112015065802898-pat00016
)은 시간(t)에 따라 헤드노드의 패킷 수용량이 변할 수 있는 점을 고려한 변수이다.
그리고, i번째 헤드노드가 속한 모바일 애드 혹 네트워크의 상황이 좋을수록, 즉 변수
Figure 112015065802898-pat00017
가 큰 수치를 가질수록 i번째 헤드노드에 대한 로드밸런싱 값이 낮은 값을 갖고, 변수
Figure 112015065802898-pat00018
가 작은 수치를 가질수록 i번째 헤드노드에 대한 로드밸런싱 값이 높은 값을 갖는다.
또한, i번째 헤드노드의 데이터 패킷 수용량인
Figure 112015065802898-pat00019
가 큰 수치를 가질수록 i번째 헤드노드에 대한 로드밸런싱 값이 낮은 값을 갖고,
Figure 112015065802898-pat00020
가 작은 수치를 가질수록 i번째 헤드노드에 대한 로드밸런싱 값이 높은 값을 갖는다.
따라서, 위의 식 2에 따라서, i번째 헤드노드의 패킷 흐름양(
Figure 112015065802898-pat00021
)이 낮은 값을 갖고, i번째 헤드노드가 속한 모바일 애드 혹 네트워크의 상황에 대한 변수인
Figure 112015065802898-pat00022
가 큰 수치를 가지며, i번째 헤드노드에 대한 상수
Figure 112015065802898-pat00023
가 큰 수치를 갖는 경우 i번째 헤드노드에 대한 로드밸런싱 값이 작고, 그 반대인 경우 i번째 헤드노드에 대한 로드밸런싱 값이 크다.
이때, 위에서 이미 설명한 것처럼, 계산된 로드밸런싱 값은 0≤
Figure 112015065802898-pat00024
≤1 범위의 값을 갖고, 0에 가까운 값을 가질수록 헤드노드의 집중현상이 적다고 판단하고 1에 가까운 값을 가질수록 헤드노드의 집중현상이 발생하여 해당 헤드노드가 패킷을 저장할 수 있는 수용량이 적다고 판단한다.
그리고 이때, 헤드노드들의 로드밸런싱 값을 계산하는 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)는 헤드노드 교체시기마다 위의 식 2를 이용하여 헤드노드들의 로드밸런싱 값을 계산하는 것이 좋다.
소스 노드는 산출된 각 헤드노드들의 로드 밸런싱 값을 도 2에 도시한 것처럼 저장한다.
그리고, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)는 아래의 식 3을 이용하여 제1 엘티(L.T; load tolerance)노드 선정확률을 계산한다.
[식 3]
Figure 112015065802898-pat00025
위의 식 3에서,
Figure 112015065802898-pat00026
는 위의 식 2로부터 계산된 시간 t의 흐름에 따라 로드 밸런싱 산출 대상인 헤드노드의 로드 밸런싱 값이고, P i(t)| lb 는 로드 밸런싱을 이용하여 계산한 제1 엘티노드 선정확률로서, 0≤P i(t)| lb ≤1 범위의 값을 갖는다.
따라서, 로드 밸런싱 값이 작을수록 제1 엘티노드 선정확률이 높고, 로드 밸런싱 값이 클수록 제1 엘티노드 선정확률은 낮다.
그리고, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)는 위의 식 3으로부터 계산된 제1 엘티노드 선정확률과 헤드노드의 속성을 이용하여 엘티노드를 선정한다.
이때, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)가 엘티노드 선정을 위해 고려하는 헤드노드의 속성으로는, 거리 속성, 에너지 속성, 방향 속성이 있다.
예로써, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)는 아래의 식 4를 이용하여 헤드노드의 거리 속성을 확률로 산출한다.
[식 4]
Figure 112015065802898-pat00027
위의 식 4에서, P i(t)| dist 는 시간 t의 흐름에 따른 i번째 헤드노드에 대한 거리 속성 확률이고, dist ij(t)는 시간 t의 흐름에 따른 i번째 헤드노드와 j 노드인 소스 노드(CM1(11)) 사이의 거리정보이며, R c는 위의 식 1로부터 설정된 통신범위이다.
이때, i번째 헤드노드와 j 노드 사이의 거리정보는 두 노드의 위치정보를 이용하여 산출되는 거리정보인 것이 좋다.
그리고, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)는 아래의 식 5를 이용하여 헤드노드의 에너지 속성을 확률로 산출한다.
[식 5]
Figure 112015065802898-pat00028
위의 식 5에서, P i(t)| E 는 시간 t의 흐름에 따른 i번째 헤드노드에 대한 에너지 속성 확률이고, E init은 노드의 설정된 에너지량이며, E i(t)는 노드의 잔여 에너지량을 각각 나타낸다.
그리고, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)는 아래의 식 6을 이용하여 헤드노드의 방향 속성을 확률로 산출한다.
[식 6]
Figure 112015065802898-pat00029
위의 식 6에서, P i(t)| Dir 는 시간 t의 흐름에 따른 i번째 헤드노드에 대한 방향 속성 확률이고, Dir ij는 i번째 헤드노드와 j노드인 소스 노드((CM1)(11)) 사이의 방향 차이이며,
Figure 112015065802898-pat00030
는 j노드인 소스 노드((CM1)(11))의 방향 차이 임계값을 나타낸다.
이때, Dir ij 및
Figure 112015065802898-pat00031
는 아래의 식 7로부터 산출된다.
[식 7]
Dir ij=|Diri- Dirj|
Figure 112015065802898-pat00032
여기서, Dir i는 i번째 헤드노드의 방향, Dir j는 소스 노드인 j노드의 방향, rs는 j노드를 기준으로 방향 차이를 계산하고자 하는 노드(예로써, i번째 헤드노드) 사이의 방향 편차의 임계값을 각각 나타낸다.
그리고, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)는 위에서 이미 설명한 것처럼, 식 3 내지 식 6으로부터 각각 산출된 제1 엘티노드 선정확률, 헤드노드의 거리 속성 확률, 헤드노드의 에너지 속성 확률 및 헤드노드의 방향 속성 확률을 이용하여 엘티노드를 선정하는데, 엘티노드 선정을 위해서 이들 확률을 이용하여 다음의 식 8을 이용하여 제2 엘티노드 선정확률을 계산하고, 이때 계산된 제2 엘티노드 선정확률이 도 2에 도시한 상태 테이블에 포함되는 엘티노드 선정확률이다.
[식 8]
Figure 112015065802898-pat00033
위의 식 8에서,
Figure 112015065802898-pat00034
는 제2 엘티노드 선정확률
Figure 112015065802898-pat00035
이고,
Figure 112015065802898-pat00036
는 거리정보에 대한 가중치,
Figure 112015065802898-pat00037
는 방향에 대한 가중치,
Figure 112015065802898-pat00038
는 에너지에 대한 가중치,
Figure 112015065802898-pat00039
는 로드 밸런싱에 대한 가중치이다.
이때, 가중치 중 거리정보에 대한 가중치인
Figure 112015065802898-pat00040
와 에너지에 대한 가중치인
Figure 112015065802898-pat00041
는 유의적 관계에 있다고 보고, 이처럼 유의적 관계에 있는 적어도 두 개의 가중치는 하나의 가중치로 간주하여, 유의적 관계에 있는 가중치들과 나머지 가중치들의 모든 합이 1이 되도록 가중치 값을 설정하는 것이 좋다.
[식 9]
Figure 112015065802898-pat00042
Figure 112015065802898-pat00043
위의 식 9를 참고로 하여 가중치 정보를 나타낸 식을 살펴보면, 유의적 관계에 있는 거리정보에 대한 가중치
Figure 112015065802898-pat00044
와 에너지에 대한 가중치
Figure 112015065802898-pat00045
을 α로 보며, 따라서, α와 β와 γ의 합, 즉, 가중치 정보들의 합이 1이 된다.
유의적 관계에 있는 가중치 정보의 한 예에서, 거리가 멀어질수록 데이터 패킷을 전송하는 데 소요되는 에너지량이 높아져, 노드의 잔여 에너지량이 줄어들게 되고,반대로, 거리가 멀어질수록 데이터 패킷을 전송하는 데 소요되는 에너지량이 줄어듦에 따라 노드의 잔여 에너지량이 늘어나게 되므로 유의적 관계에 있는 서로 다른 가중치를 하나의 가중치(α)로서 간주할 수 있다.
예로써, 가중치는 설정된 값으로 저장되며 변경될 수 있다.
그리고 이때, 노드의 잔여 에너지는 다음의 식 10과 같이 나타낼 수 있다.
[식 10]
Figure 112015065802898-pat00046
위의 식 10에서, E residual 은 노드의 에너지 잔여량, E initial 은 노드의 초기 에너지량, 그리고 E consumed 는 노드의 에너지 소비량을 각각 나타내고, 식 10에 나타낸 것처럼, 노드의 에너지 잔여량은 노드의 초기 에너지량에서 에너지 소비량을 차감한 것으로 표현된다.
즉, 위의 식 10은 노드의 소비 에너지가 노드의 전송 거리와 관계 있으므로, 노드의 잔여 에너지와도 관계가 있음을 나타낸다.
이때, 노드의 에너지 소비량은 LEACH(low energy adaptive cluster hierarchy) 모델에 의해 계산한다.
그리고 이때, 노드의 에너지량을 데이터 패킷 수신에 소모되는 에너지량과 데이터 패킷 송신에 소모되는 에너지량으로 각각 구분하여 살펴보면, 다음의 식 11과 같이 나타낼 수 있다.
[식 11]
Figure 112015065802898-pat00047
위의 식 11에서, E TX (l,d)는 노드가 데이터 패킷을 송신하는 데 소모되는 에너지량, E RX (l)은 노드가 데이터 패킷을 수신하는 데 소모되는 에너지량, l은 데이터 패킷의 데이터량, d는 데이터 패킷을 전송하는 두 노드간의 거리, 그리고 E elec 은 데이터 패킷의 비트당 소모되는 에너지량을 나타낸다.
이처럼, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)가 위의 식 8로부터 계산된 제2 엘티노드 선정확률을 이용하여 각각의 i번째 헤드노드에 대한 제2 엘티노드 선정확률을 비교하여 제일 높은 값을 갖는 헤드노드를 엘티노드로서 선정한다.
이때, 도 2에 도시한 것처럼, 제3 헤드노드(CH3)(3)의 엘티노드 선정확률이 가장 높으므로, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)는 제3 헤드노드(CH3)(3)를 엘티노드로 선정한다.
이처럼, 소스 노드는 소스 노드의 통신 거리 내에 속하는 헤드노드들에 대한 로드 밸런싱을 계산하고, 이를 이용하여 엘티노드 선정확률을 계산함에 따라, 소스 노드에 현재 연결된 헤드노드 및 주변의 헤드노드들의 상태를 고려하여, 엘티노드를 선정한다.
그리고, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)는 엘티노드 선정을 완료한 이후, 현재 연결 중인 헤드노드, 즉 도 1을 참고로 하는 한 예에서 제1 헤드노드(CH1)(1), 제2 헤드노드(CH)(2) 및 제3 헤드노드(CH)(3)의 로드 밸런싱 값을 비교하여 가장 높은 로드 밸런싱 값을 갖는 헤드노드에 부하가 많이 걸려있다고 판단하여, 선정된 엘티노드를 포함하여 데이터 패킷의 전송경로를 재구성한다.
이처럼 로드 밸런싱의 임계값을 두지 않으면 헤드노드들이 비교적 작은 로드밸런싱 값을 갖더라도 무조건 엘티노드를 이용하여 데이터 전송경로를 재구성하게 된다. 이때, 데이터 패킷의 전송경로에 포함되는 헤드노드, 즉 엘티노드로 선정된 헤드노드는 도 2의 상태 테이블을 참고로 하여 주변의 헤드노드들의 로드 밸런싱 값, 엘티노드로 선정된 헤드노드와 주변 노드 간의 관계 확률을 이용하여 로드 밸런싱 값이 낮고 관계 확률이 높은 헤드노드의 순서대로 순위를 부여하고, 부여된 순위대로 데이터 패킷 전송경로를 설정한다.
엘티노드로 선정된 헤드노드와 주변 노드 간의 관계 확률은, 엘티노드로 선정된 헤드노드와 주변 멤버노드 간에는 0 또는 1의 값으로 지정되고, 엘티노드로 선정된 헤드노드와 주변 헤드노드 간에는 0에서 1 사이의 값으로 지정된다.
예로써, 엘티노드로 선정된 헤드노드와 주변 멤버노드가 연결된 경우 관계 확률은 1이고, 반대의 경우 0이다.
엘티노드로 선정된 헤드노드와 멤버노드의 연결관계를 나타내는 관계 확률에서, 멤버노드는 데이터 패킷을 전송하고자 하는 소스 노드일 수 있다.
그리고, 엘티노드로 선정된 헤드노드와 주변 헤드노드가 연결된 경우 관계 확률은 0에서 1 사이의 값을 갖는다.
따라서, 엘티노드로 선정된 헤드노드는 관계 확률과 로드 밸런싱 값을 이용하여 관계 확률이 가장 높고 로드 밸런싱 값이 가장 낮은 헤드노드를 전송경로에 포함시킨다.
이처럼, 소스 노드가 로드 밸런싱 값, 제1 엘티노드 선정확률 및 제2 엘티노드 선정확률을 계산함에 따라 복수개의 헤드노드 중에서 엘티노드를 선정하여 소스 노드와 연결하여 전송 경로를 구성하고, 엘티노드로 선정된 헤드노드는 주변 헤드노드의 로드 밸런싱 값과 관계 확률을 이용하여 헤드노드들에 순위를 부여하여 데이터 패킷 전송 경로를 구성한다.
그리고 이때, 데이터 패킷 전송 경로로 설정된 헤드노드는 소스 노드가 수행했던 동작, 즉 통신 범위에 속하는 주변 헤드노드들에 대한 로드 밸런싱 값과 엘티노드 선정확률을 계산하고 엘티노드 선정확률이 높은 헤드노드를 엘티노드로서 선정하며, 엘티노드 주변의 헤드노드들에 대한 로드 밸런싱 값과 관계 확률을 이용하여 전송 경로를 구성하는 동작을 동일하게 수행한다.
따라서, 데이터 패킷 전송에 포함된 헤드노드가 주체가 되어 주변 헤드노드들에 순위를 새로 부여하여 전송경로를 재구성하므로, 데이터 패킷 전송 경로 설정에 있어서 네트워크의 환경 및 헤드노드의 상태들을 고려하여 경로를 설정할 수 있어 전송 경로를 효율적으로 설정할 수 있는 효과가 있다.
다음으로, 도 1 내지 도 6을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 모바일 애드 혹 네트워크에서의 분산 경로 설정 방법을 설명한다.
도 3을 참고로 하면, 소스 노드인 클러스터 멤버노드(제1 멤버노드(CM1)(11))가 통신범위(102)에 속하는 헤드노드인 제1 헤드노드(CH1)(1), 제2 헤드노드(CH2)(2) 및 제3 헤드노드(CH3)(3)에 대해 로드 밸런싱 값을 산출한다(S110).
그런 다음, 클러스터 멤버노드(CM1)(11)는 계산된 로드 밸런싱 값을 이용하여 제1 엘티노드 선정확률을 계산하고 계산된 제1 엘티노드 선정확률과 가중치 정보를 이용하여 제2 엘티노드 선정확률을 산출하여 도 2처럼 상태 테이블을 생성하며, 생성된 상태 테이블의 엘티노드 선정확률을 이용하여 가장 높은 확률을 갖는 노드를 엘티노드로 선정한다(S120).
이때, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM1)(1)는 헤드노드 교체시기에 따라 상황테이블을 갱신하거나 또는 작성된 상황 테이블에서 자신이 연결된 헤드노드, 즉 제1 헤드노드(CH1)(1)의 로드 밸런싱 값이 가장 높은 경우 상황 테이블을 갱신한다.
그런 다음, 제1 멤버노드(CM1)(11)는 위 단계(S120)에서 선정된 엘티노드를 전송경로에 포함될 제1 클러스터 헤드노드로 지정하고, 지정된 제1 클러스터 헤드노드와 제1 멤버노드(CM1)(11)를 연결하여 전송경로를 생성한다(S130).
위 단계(S130)를 수행함으로부터 생성된 전송경로에 목적지인 BS(100)가 포함되는 지의 여부를 판단하여(Q100), 전송경로에 BS(100)가 포함되는 경우, 즉, 제1 멤버노드(CM1)(11)에서 전송하고자 하는 데이터 패킷이 지정된 제1 클러스터 헤드노드를 통해 BS(100)로 바로 전송되는 경우, 전송경로 설정을 종료한다.
이때, 제1 경로 클러스터 헤드노드 선정 단계(S130), 즉 최초 경로 설정에 대한 식은 다음의 식 12로 나타낸다.
[식 12]
Figure 112015065802898-pat00048
위의 식 12에서, s.t는 경우를 의미하고, X M (i,j) 은 소스 노드와 전송 경로 중 첫 번째 헤드노드와의 연결관계를 나타내는 확률, lb i (t)는 시간 t에 따른 i번째 헤드노드의 로드 밸런싱 값을 나타내므로, 확률인 X M (i,j) 와 로드 밸런싱 값인 lb i (t)의 곱이 가장 큰 값을 갖는 경우, i 번째 헤드노드와 j 번째 헤드노드의 경로 D.Path(i,j)는 계산한다. 즉, 클러스터 헤드노드의 로드밸런싱이 통신반경 내에 있는 타 클러스터 헤드노드보다 큰 값을 가지고 있는 경우, 통신반경 내에 있는 클러스터 헤드노드 중 L.T 노드 선정확률이 높은 노드를 선택하게 된다.
그러나 이때, 위 단계(Q100)의 판단에서 전송경로에 BS가 포함되지 않은 경우, 위 단계(S130)에서 지정된 제1 클러스터 헤드노드가 클러스터 헤드노드들의 로드 밸런싱 값을 계산하고, 제1 클러스터 헤드노드와 다른 클러스터 헤드노드들의 관계확률을 계산하며, 계산된 클러스터 헤드노드들의 로드 밸런싱 값과 관계확률을 이용하여 전송경로를 생성한다(S140).
도 4를 참고로 하여 이 단계(S140)를 좀더 자세히 설명하면, i가 2이고(S141), 제1 멤버노드(CM1)(11)와 연결된 지정된 제(i-1)번째 클러스터 헤드노드는 주변의 클러스터 헤드노드들의 로드 밸런싱 값과 관계 확률을 이용하여 로드 밸런싱 값이 작고 관계 확률이 높은 헤드노드를 제i 경로 클러스터 헤드노드로서 지정하고, 지정된 제i 클러스터 헤드노드를 전송경로에 포함한다(S142).
그리고 이때, 위 단계(S142)에서 생성된 전송경로에 목적지 노드인 BS(100)가 포함되는 지의 여부를 판단하여(Q200), 전송경로에 BS가 포함되는 경우, 즉, 소스 노드인 제1 멤버노드(CM)(11)가 전송하고자 하는 데이터 패킷이 제1 클러스터 헤드노드 및 제i(i는 2) 클러스터 헤드노드를 통해 BS(100)로 전송되는 경우에는, 전송경로 설정을 종료한다.
그러나 이때, 위 단계(Q200)의 판단에서 전송경로에 BS가 포함되지 않은 경우, i를 1만큼 증가시키고(S143) 위 단계(S142)를 재수행한다.
따라서, 제i 클러스터 헤드노드 지정 단계(S142)는 전송경로에 BS(100)가 포함될때까지 i를 증가시키면서 반복적으로 수행되며, 이 단계(S142)의 수행 주체는 단계가 수행될 때마다 다르게 적용된다.
그리고, 도 5 및 도 6을 참고로 하여 전송경로 설정 변경 및 전송경로 설정 테이블의 갱신 과정을 설명한다.
먼저, 도 5의 (a)에 도시한 것처럼 데이터 패킷을 BS(100)에 전송하고자 하는 소스노드인 제1 멤버노드(CM1)(11)가 제2 클러스터 헤드노드(CH2), 제5 클러스터 헤드노드(CH5) 및 제8 클러스터 헤드노드(CH8)를 통해 목적 노드인 BS(100)로 데이터 패킷을 전송하는 네트워크의 구조에서, 제1 멤버노드(CM1)(11)는 현재 연결된 제2 클러스터 헤드노드(CH2)의 로드 밸런싱 값이 다른 클러스터 헤드노드들의 로드 밸런싱 값보다 높은 값을 가지므로, 클러스터 헤드노드들의 엘티노드 선정확률을 계산하여 확률이 가장 큰 제3 클러스터 헤드노드(도 2 참조)를 엘티노드로 선정하여 전송경로로 설정한다.
이때, 전송경로에 포함된 클러스터 헤드노드 중에서 제2 클러스터 헤드노드의 로드 밸런싱 값이 다른 클러스터 헤드노드의 로드 밸런싱 값보다 큰 값을 갖는 현상을 컷 포인트(cut point)가 발생했다고 보고, 컷 포인트가 발생한 경우, 전송경로를 설정하는 노드(예로써 제1 멤버노드 또는 컷 포인트가 발생한 노드 이전에 연결된 노드)가 전송경로를 설정하는 단계(도 3의 S140 또는 도 4의 S142)를 수행한다.
이에 따라, 컷 포인트가 발생한 제2 클러스터 헤드노드는 제1 멤버노드(CM1)(11) 전송경로 설정에 따라 제3 클러스터 헤드노드로 전송경로가 변경 설정되어 도 6의 (b)에 도시한 것처럼 데이터 패킷의 전송 경로가 갱신된다.
경로가 갱신된 네트워크는 도 6의 (b)에 도시한 것처럼, 갱신된 전송경로를 나타내는데, 이때, 도 5의 (b)에 도시한 것처럼 전송경로 중 제5 클러스터 헤드노드에서 컷 포인트가 발생한 경우, 즉, 제5 클러스터 헤드노드의 로드 밸런싱 값이 다른 클러스터 헤드노드들의 로드 밸런싱 값보다 높은 경우, 제5 클러스터 헤드노드의 이전 노드인 제3 클러스터 헤드노드가 전송경로를 설정 단계를 수행하여 로드 밸런싱 값이 작고 제3 클러스터 헤드노드와 관계 확률이 높은 클러스터 헤드노드인 제6 클러스터 헤드노드를 전송경로로 포함시킨다.
이에 따라, 컷 포인트가 발생한 제5 클러스터 헤드노드는 제3 클러스터 헤드노드의 전송경로 설정에 따라 제6 클러스터 헤드노드로 전송경로가 변경 설정되어 도 6의 (c)에 도시한 것처럼 데이터 패킷의 전송 경로가 갱신된다.
마찬가지로, 경로가 갱신된 네트워크는 도 6의 (c)에 나타낸 전송 경로를 통해 소스 노드로부터 목적 노드에 데이터 패킷을 전송할 수 있으며, 도 5의 (c)에 도시한 것처럼 제8 클러스터 헤드노드에서 컷 포인트가 발생했으므로, 제6 클러스터 헤드노드는 헤드노드들의 로드 밸런싱 값과 제6 클러스터 헤드노드와 주변 클러스터 헤드노드들의 관계확률을 산출하고 이를 이용하여 전송경로를 변경하도록 설정한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법이 이와 같이 이루어짐에 따라, 소스 노드에 연결된 헤드노드에 부하가 많이 걸렸을 때, 상태 테이블을 이용하여 전송 경로를 재설정함으로써 네트워크의 전송 경로를 효율적으로 설정하여 노드 운용 효율을 향상시킬 수 있고, 결과적으로는 네트워크의 수명을 연장시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1, 2, 3: 헤드노드 11, 12, 21, 22, 31, 32 : 멤버노드

Claims (6)

  1. 설정된 주기에 따라 소스 노드의 통신 범위에 위치하는 헤드노드들에 대해 로드 밸런싱 값을 산출하는 로드 밸런싱 산출 단계;
    산출된 상기 로드 밸런싱 값과 상기 헤드노드들의 속성정보를 이용하여 상기 헤드노드들에 대해 엘티노드 선정확률을 산출하는 엘티노드 선정확률 산출 단계;
    상기 소스 노드가 상기 로드 밸런싱 값과 상기 엘티노드 선정확률을 이용하여 엘티노드를 선정하고, 선정된 엘티노드를 상기 소스 노드에 연결하여 상기 소스 노드의 데이터 패킷 전송경로를 재설정하는 경로 재설정 단계; 및
    상기 선정된 엘티노드는 상기 선정된 엘티노드의 주변에 위치하는 헤드노드들의 로드 밸런싱 값을 새로 산출하고, 상기 선정된 엘티노드와 상기 선정된 엘티노드의 주변에 위치하는 헤드노드들의 관계 확률을 산출하여, 새로 산출된 상기 로드 밸런싱 값과 상기 관계 확률을 이용하여 전송경로를 재구성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 소스 노드의 통신 범위는 하기의 식 1을 통해 산출하는 것을 특징으로 하는 모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법.
    [식 1]
    R c =k× R T
    (여기서, R c 는 통신범위, k는 상기 소스 노드의 홉 수, R T 는 상기 소스 노드의 전송범위임)
  3. 제1항에서,
    상기 로드 밸런싱 산출 단계는 하기의 식 2로부터 산출하는 것을 특징으로 하는 모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법.
    [식 2]
    Figure 112015065802898-pat00049

    (여기서,
    Figure 112015065802898-pat00050
    는 시간 t의 흐름에 따라 로드밸런싱 산출 대상인 헤드노드의 로드밸런싱 값, i는 로드밸런싱 산출 대상인 헤드노드의 순서,
    Figure 112015065802898-pat00051
    는 시간 t에 따른 i번째 헤드노드의 데이터 패킷 흐름양,
    Figure 112015065802898-pat00052
    는 i번째 헤드노드가 속한 모바일 애드 혹 네트워크의 상황,
    Figure 112015065802898-pat00053
    는 i번째 헤드노드의 데이터 패킷 수용량임)
  4. 제1항에서,
    상기 엘티노드 선정확률 산출 단계에서 이용하는 상기 헤드노드들의 속성정보는 거리정보에 대한 가중치, 방향에 대한 가중치 또는 에너지에 대한 가중치인 것을 특징으로 하는 모바일 애드 혹 네트워크에서의 로드밸런싱을 이용한 분산 경로 설정 방법.
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