KR101755978B1 - 무선 센서 네트워크에서 이중 연결성을 갖도록 릴레이 노드들의 위치를 결정하는 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크에서 이중 연결성을 갖도록 릴레이 노드들의 위치를 결정하는 방법 Download PDF

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이화여자대학교 산학협력단
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Abstract

이중 연결성을 갖는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 방법은 컴퓨터 장치가 센서 노드를 포함하는 복수의 세그먼트를 각 세그먼트의 위치를 기준으로 복수의 컨벡스 홀을 이용하여 분류하고, 상기 복수의 세그먼트를 연결하는 방향성 그래프를 생성하는 단계, 상기 컴퓨터 장치가 상기 방향성 그래프를 기반으로 상기 복수의 세그먼트가 연결되면서 이중 연결성을 갖는 경로를 설정하는 단계 및 상기 경로상에 배치되는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

무선 센서 네트워크에서 이중 연결성을 갖도록 릴레이 노드들의 위치를 결정하는 방법{LOCATION DETERMINATION METHOD OF RELAY NODES IN WIRELESS SENSOR NETWORK WITH BI-CONNECTIVITY}
이하 설명하는 기술은 무선 센서 네트워크에서 릴레이 노드의 위치를 결정하는 기법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크(wireless sensor network, WSN)를 구성하는 다중의 센서 노드들은 통신 거리 내에 서로 인접하게 배치됨으로써 하나의 연결된 네트워크를 구성한다. 이렇게 형성된 센서노드들 간의 무선 통신 네트워크를 이용하여 각 소스 노드(source node)들이 수집한 정보가 중간 노드들을 통해 타켓 노드(target node)로 전송된다. 따라서 무선 센서 네트워크에서는 센서 노드 간의 연결성(connectivity)이 보장되어야 한다.
B. Hao, H. Tang, and G. Xue, "Fault-tolerant relay node placement in wireless sensor networks: formulation and approximation," Proc. the Workshop on High Perf. Switching and Routing, Phoenix, AZ, 2004 J. Tang, B. Hao, and A. Sen, "Relay Node Placement in Large Scale Wireless Sensor Networks", Computer Comm., special issue on wireless sensor networks, Vol. 29. pp. 490-501, 2006.
이하 설명하는 기술은 무선 센서 네트워크에서 이중 연결성을 보장하는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 기법을 제공하고자 한다.
무선 센서 네트워크에서 이중 연결성을 갖는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 방법은 컴퓨터 장치가 센서 노드를 포함하는 복수의 세그먼트를 각 세그먼트의 위치를 기준으로 복수의 컨벡스 홀을 이용하여 분류하고, 상기 복수의 세그먼트를 연결하는 방향성 그래프를 생성하는 단계, 상기 컴퓨터 장치가 상기 방향성 그래프를 기반으로 상기 복수의 세그먼트가 연결되면서 이중 연결성을 갖는 경로를 설정하는 단계 및 상기 경로상에 배치되는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 단계를 포함한다.
이하 설명하는 기술은 무선 센서 네트워크에서 하나의 노드 또는 하나의 경로에 장애가 발생하는 경우에도 통신이 가능한 네트워크 토폴로지를 제공한다.
도 1은 이중 연결성을 갖는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 방법에 대한 개략적인 순서도이다.
도 2는 세그먼트들 간의 방향성 그래프를 생성하는 과정에 대한 예이다.
도 3은 하나의 그룹에 속한 세그먼트가 인접한 그룹에 속한 세그먼트를 연결하는 에지를 선택하는 과정에 대한 예이다.
도 4는 세그먼트를 나타내는 방향성 그래프를 기반으로 케이브 홀을 형성하는 과정에 대한 예이다.
도 5는 컨케이브 홀을 기반으로 이중 연결성을 갖는 경로를 결정하는 과정에 대한 예이다.
도 6은 도 5의 과정에 이어지는 이중 연결성을 갖는 경로를 결정하는 과정에 대한 예이다.
도 7은 이중 경로에 대한 최적화 과정의 예이다.
도 8은 도 7의 과정에 이어지는 이중 경로에 대한 최적화 과정의 예이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 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, 이하 설명하는 기술의 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.
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.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하 설명하는 기술은 무선 센터 네트워크에 장애가 발생하여 복수의 개별 네트워크로 나누어진 상태를 전제한다. 무선 센서 네트워크에서는 하나의 노드가 에너지 부족 등의 이유로 망으로부터 분리되어 연결이 끊어질 수 있다. 더불어 정찰지역이나, 재난지역에 설치된 무선 센서 네트워크에서는 천재 지변, 폭발과 같은 물리력 등의 이유로 인접한 다중의 노들이 동시에 통신 기능을 상실할 수 있다. 후자의 경우 하나의 무선 센서 네트워크가 복수의 개별 네트워크로 나누어진 상태가 된다. 그래프(graph) 형태의 자료구조에서 보자면 연결이 끊어진 복수의 개별 네트워크는 하나의 세그먼트(disjoint segment)에 해당한다.
이하 설명하는 기술은 연결이 끊어진 무선 센서 네트워크를 복구하기 위하여 복수의 세그먼트들을 릴레이 노드(relay node)를 사용하여 서로 연결하기 위한 것이다. 한편 설명하는 기술은 복수의 세그먼트들이 서로 이중 연결성(bi-connectivity)을 갖도록 한다. 이중 연결성이란 하나의 세그먼트에서 임의의 다른 세그먼트로 연결되는 서로 다른 경로가 2개 존재한다는 의미이다. 이하 이중 연결성을 갖는 경로를 이중 경로라고 명명한다. 그래프 관점에서 보자면 이하 설명하는 기술은 복수의 세그먼트를 하나의 사이클(cycle) 형태로 연결하는 경로를 결정한다.
다른 측면에서 이하 설명하는 기술은 무선 센서 네트워크의 통신 경로를 결정하는 기법에 적용할 수도 있다. 즉, 이하 설명하는 기술은 하나의 노드가 통신 기능을 상실하더라고 전체 무선 센서 네트워크의 연결을 보장하는 무선 센서 네트워크를 제공할 수 있다. 이하 설명하는 기술은 이중 연결성(bi-connectivity)을 갖는 무선 센서 네트워크를 구성하기 위한 것이다. 이중 연결성을 갖는 무선 센서 네트워크에서는 하나의 소스 노드로부터 하나의 타겟 노드에 이르는 경로가 2개 존재한다. 따라서 이중 연결성을 갖는 무선 센서 네트워크는 하나의 경로가 끊어지더라도 다른 하나의 경로를 통해 정보 전송이 가능하다.
다만 이하 설명의 편의를 위해 복수의 세그먼트를 연결하기 위한 릴레이 노드의 위치를 결정하는 과정을 중심으로 설명하고자 한다. 일정한 컴퓨터 장치가 릴레이 노드의 위치를 결정하는 과정을 수행한다. 무선 센서 네트워크를 관리하는 센터(서버)가 릴레이 노드의 위치를 결정할 수 있다. 경우에 따라서는 무선 센서 네트워크를 구성하는 특정 노드가 릴레이 노드의 위치를 결정할 수도 있을 것이다. 이하 설명의 편의를 위해 컴퓨터 장치가 알고리즘의 각 단계의 연산을 수행한다고 설명한다.
이하 설명하는 기술은 크게 3개의 단계로 구분할 수 있다. (1) 첫 째는 복수의 세그먼트를 일정한 그룹으로 분류하고, 복수의 세그먼트들을 에지로 연결하여 얻게되는 방향성 그래프(자료구조)를 마련하는 단계이다. (2) 둘 째는 이중 연결성을 갖는 토폴로지를 생성하는 단계이다. (3) 셋 째는 이중 연결성을 갖는 토폴로지를 최적화하는 과정이다. 릴레이 노드를 배치하여 세그먼트를 연결하는 경우 최소의 개수로 세그먼트를 연결하는 것이 바람직하기 때문에 토폴로지를 최적화하는 과정이 필요할 수 있다.
도 1은 이중 연결성을 갖는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 방법(100)에 대한 개략적인 순서도이다. 컴퓨터 장치는 복수의 세그먼트를 각 세그먼트의 위치를 기준으로 복수의 그룹으로 분류한다(110). 이 과정에서 컴퓨터 장치는 다중의 컨벡스 홀 (convex hull)을 구하여 각 컨벡스 홀에 속한 세그먼트들을 하나의 그룹으로 분류하고, 인접한 그룹에 속한 세그먼트들을 연결하는 방향성 그래프를 생성한다(110). 컴퓨터 장치는 방향성 그래프라는 자료 구조를 이용하여 복수의 세그먼트가 연결되면서 이중 연결성을 갖는 경로를 설정한다(120). 나아가 컴퓨터 장치는 생성한 경로를 전체 에지의 길이를 최소화하는 방향으로 재설정(변경)할 수 있다(130). 마지막으로 컴퓨터 장치는 최종 경로에 릴레이 노드가 배치될 위치를 결정할 수 있다(140). 이하 각 단계를 구체적으로 설명한다.
도 2은 세그먼트에 대한 방향성 그래프를 생성하는 과정에 대한 예이다. 도 2에서 번호가 표시된 원은 전술한 하나의 세그먼트이다. 세그먼트는 복수의 센서 노드로 구성된다. 세그먼트의 위치는 해당 센서 노드가 외부 네트워크와 연결되는 위치이다. 따라서 세그먼트의 위치는 어느 하나의 센서 노드의 위치이거나 게이트웨이의 위치일 수도 있다. 도 2(a)는 모두 27개의 세그먼트를 도시한 예이다.
복수의 세그먼트에 대한 방향성 그래프 생성
첫 번째 단계는 (i) 복수의 세그먼트를 복수의 그룹으로 분류하는 과정 및 (ii) 복수의 그룹 중 인접한 그룹 사이를 연결하는 에지를 결정하는 과정을 포함한다. 컴퓨터 장치가 복수의 세그먼트를 그룹으로 분류하기 위해서는 기본적으로 각 세그먼트에 대한 위치 정보를 알고 있어야 한다.
복수의 세그먼트를 복수의 그룹으로 분류하는 과정에서 복수의 그룹은 하나의 일방향 그래프(acyclic digraph)로 연결된다. 이 과정은 하나의 그룹을 다른 그룹과 연결하는 에지를 결정하는 과정(round)이 반복해서 수행된다. 먼저 첫 번째 라운드에서 그래함 스캔 알고리즘(Graham scan algorithm)과 같은 알고리즘을 사용하여 모든 세그먼트 Sseg를 포함하는 컨벡스 홀(convex hull)을 결정한다. 도 2의 (b)에서 1번, 2번, 3번 및 4번을 연결하면 모든 세그먼트를 포함하는 컨벡스 홀 CH0이 된다. CH0상에 놓인 세그먼트 그룹을 OS0이라고 명명한다. 두 번째 라우드에서 CH0 상에 있는 세그먼트를 제외한 나머지 세그먼트를 기준으로 재차 컨벡스 홀(CH1)을 결정한다. 이와 같은 과정을 모든 세그먼트에 대해 반복적으로 수행하면 도 2(b)와 같이 모든 세그먼트들을 OS0, OS1, OS2, OS3로 분류할 수 있다. 세그먼트를 분류하는 과정은 최종적으로 결정한 컨벡스 홀 내에 2개 이하의 세그먼트가 존재하는 경우(즉 더 이상의 컨벡스 홀을 결정할 수 없는 경우) 종료된다. 최종적으로 결정한 컨벡스 홀 내에 1개 또는 2개의 세그먼트가 존재하면 남아 있는 세그먼트가 하나의 그룹이 된다.
복수의 그룹이 결정되면 각 그룹을 연결하는 에지를 결정한다. 하나의 컨벡스 홀 상에 위치하는 복수의 세그먼트 각각이 인접한 컨벡스 홀에 놓인 다른 세그먼트들 중 가장 가까운 세그먼트를 결정한다. 하나의 컨벡스 홀 상에 위치한 복수의 세그먼트 각각에 대해 이웃한 컨벡스 홀 상에 위치한 세그먼트를 연결하는 가장 길이가 짧은 에지를 결정한다. 즉 각각의 세그먼트에 대해 OSr과 OSr의 바로 안쪽에 위치한 OSr+1사이를 연결하는 가장 짧은 에지를 결정한다. 여기서 OS의 상대적 위치는 세그먼트들이 위치한 영역의 중심을 기준으로 구분할 수 있다. 0 ≤ r < f라는 관계를 갖고, f는 가장 마지막 라운드를 의미한다. 만일 어느 세그먼트가 외부그룹에 속한 세그먼트로부터 에지가 연결되지 않은 경우에는, 외부그룹에 속한 가장 가까운 세그먼트로부터 에지를 추가로 연결한다. 이는 도(2)-(d)에서 점선으로 표기된 에지에 해당한다.
컴퓨터 장치는 세그먼트에 대한 OS가 모두 결정되면, 일정한 방향성 그래프 dG = (dV, dE)를 생성할 수 있다. 여기서 dV는 세그먼트에 해당하고, dE는 바깥쪽 OSr에서 인접한 안쪽 OSr+1를 연결하는 방향성 에지를 포함한다. OSr에 속한 각 세그먼트 Ni ∈ dV를 Ni r이라고 하고, OSr+1에 속한 세그먼트를 Mj ∈ dV를 Mj r+1이라고 표시한다. dE는 각 Ni r이 Mj r+1를 연결하는 방향성 에지를 포함한다. 컴퓨터 장치는 OSr에 위치한 각 세그먼트에 대해 OSr+1에 위치한 세그먼트를 연결하는 최단 거리의 에지를 결정한다.
도 3는 하나의 그룹에 속한 세그먼트가 인접한 그룹에 속한 세그먼트로 연결되는 에지를 선택하는 과정에 대한 예 중 특수한 경우를 도시한다.
이다. 도 3를 살펴보면 OSr에 위치한 A 세그먼트는 OSr+1에 위치한 1번 세그먼트와 4번 세그먼트에 이르는 에지의 길이가 동일하다. 이와 같은 경우에는 A 세그먼트에서 에지의 방향이 상대적으로 오른쪽을 향하는 1번 세그먼트를 연결하는 에지를 선택할 수 있다.
도 2(c)는 도 2(b)와 같이 복수의 그룹으로 분류한 세그먼트에 대해 이웃한 그룹에 속한 세그먼터를 연결한 예이다. 도 2(c)는 복수의 그룹에 속한 세그먼트에 대해 이웃한 그룹에 속한 세그먼트를 연결하는 방향성 에지를 결정하는 과정에 대한 예이다. 도 2(c)를 살펴보면, 자신에게 들어오는(incoming) 에지가 없이 다른 세그먼트를 향하는(outgoing) 에지만을 갖는 세그먼트가 존재할 수 있다(도 2(c)에서 하얀 색으로 표시함). 이하 도 2(c)에서 하얀색으로 도시한 세그먼트와 같이 다른 세그먼트로 향하는 에지만을 갖는 세그먼트를 일방향 세그먼트 또는 일방향 노드라고 명명한다.
전술한 바와 같이 최종적으로 구성된 토폴로지에서 어느 하나의 세그먼트에서 다른 세그먼트를 연결하는 서로 다른 2개의 경로가 존재해야 한다. 다른 말로 모든 세그먼트는 링 토폴로지로 연결되어야 한다. 즉 어떤 하나의 세그먼트는 소스에서 타겟에 이르는 경로를 구성하는 중간 노드(intermediate node)가 될 수 있어야 한다. 따라서 컴퓨터 장치는 도 2(c)에서 하얀 색으로 표시한 일방향 세그먼트에 대하여 추가적인 에지를 결정해야 한다. 컴퓨터 장치는 OSr에 속한 일방향 세그먼트 Ni r에 대하여 OSr-1에 속한 Nh r-1로부터 Ni r에 이르는 방향성 에지를 dE에 추가한다. 도 2(d)는 일방향 세그먼트에 대해 추가적인 에지를 부가한 예를 도시한다. 도 2(d)에서 추가적인 에지는 점선으로 표시하였다. 예컨대, 컴퓨터 장치는 일방향 세그먼트인 N24 1 및 N23 2에 대해 각각 에지 e(N2 0,N24 1) 및 e(N24 1,N23 2)를 추가하였다.
이중 연결성을 갖는 토폴로지 생성
컴퓨터 장치는 각 세그먼트 Sseg에 대해 컨케이브 홀(concave hull)을 연산한다. 컴퓨터 장치는 가장 최외곽 세그먼트 그룹 OS0과 가장 안쪽에 있는 세그먼트 그룹 OSf-1을 연결하는 중간 경로(bridge)를 결정한다. 중간 경로는 OS0과 OSf-1을 연결한다. 중간 경로는 OS0과 OSf-1 사이에 있는 그룹 OSi을 모두 방문하게 된다(1≤i≤f-2). 중간 경로는 OS0과 OSf-1 에 위치하는 세그먼트를 서로 연결하면서 동시에 다른 경로와 세그먼트를 공유하지 않는다. 중간 경로를 형상하는 노드(세그먼트)를 이하 i노드라고 명명한다.
컴퓨터 장치는 케이브를 OS0에 속한 세그먼트를 포함하는 외부 케이브(external Cave, 이하 eCave) 및 OSf-1에 속한 세그먼트와 중간 경로를 포함하는 내부 케이브(internal Cave, 이하 iCave)로 구분한다. 그리고 컴퓨터 장치는 eCave와 iCave로 둘러싼 영역 내부에 존재하는 i 노드 (internal node, iNode)들을 연결하여 링 토폴로지를 구성하기위한 중간 경로를 결정한다. 이를 위해 컴퓨터 장치는 먼저 무방향 그래프 G2c =(V2c, E2c)을 생성한다.
Figure 112016002671052-pat00001
이고,
Figure 112016002671052-pat00002
Figure 112016002671052-pat00003
Figure 112016002671052-pat00004
이다.
도 4은 세그먼트를 나타내는 방향성 그래프를 기반으로 케이브를 형성하는 과정에 대한 예이다. 도 4은 도 2(d)의 그래프를 기반으로 케이브를 형성하는 과정에 대한 예이다. 도 4에서 eC는 eCave를 의미하고, iC는 iCave를 의미한다. 도 4을를 살펴보면, 먼저 컴퓨터 장치는 OS0에 속한 세그먼트 중 CH0에서 가장 긴 에지를 형성하는 N1 0 및 N4 0로부터 중간 경로(bridge) 결정을 시작한다. 컴퓨터 장치는 dE에 속하는 에지 중 N1 0를 포함하는 에지와 N4 0를 포함하는 에지들(후보 에지) 중에서 인접한 그룹 OS1에 속한 세그먼트가 서로 가장 가까운 두 개의 에지를 결정한다. 컴퓨터 장치는 e(N1 0,N20 1) 및 e(N4 0,N22 1)을 선택한다.
이제 컴퓨터 장치는 OS1에서 선택된 N20 1 및 N22 1대해 동일한 과정을 반복한다. 즉 dE에서 N20 1를 포함하는 에지와 N22 1를 포함하는 에지들을 후보 에지로 구분하고, 후보 에지 중에서 다음 인접한 그룹 OS2에 속한 세그먼트가 서로 가장 가까운 두 개의 에지를 결정한다. 컴퓨터 장치는 각각 e(N20 1,N21 2) 및 e(N22 1,N13 2)을 선택한다. 그리고 컴퓨터 장치는 N21 2 및 N13 2대해 마지막으로 동일한 기준으로 OSf-1인 OS3을 연결하는 에지를 선택한다. 컴퓨터 장치는 e(N21 2,N14 3) 및 e(N13 2,N12 3)을 선택한다. 컴퓨터 장치는 각 단계에서 선택한 에지를 에지 그룹 E2c에 추가한다. 결론적으로 컴퓨터 장치는 두 개의 서브 경로 {e(N1 0,N20 1), e(N20 1,N21 2), e(N21 2,N14 3)}과 {e(N4 0,N22 1), e(N22 1,N13 2), e(N13 2,N12 3)}을 E2c에 추가한다. 이 시점에서 E2c에 포함되는 에지가 중간 경로에 해당한다. 전술한 바와 같이 컴퓨터 장치는 이제 세그먼트를 eCave(OS0에서 e(N1 0 및 N4 0)를 제외한 에지를 포함)와 iCave(OS3에서 e(N14 3 및 N27 3)를 제외한 에지 및 E2c에 추가한 중간 경로를 포함)를 구분하여 생성하였다. 도 4에서 eCave는 방향이 없는 점선으로 표시하였고, iCave는 방향이 없는 실선으로 표시하였다. 도 4은 컴퓨터 장치가 세그먼트들에 대한 컨케이브 홀을 생성한 상태를 도시한다. 도 4을 살펴보면, 그래프는 케이브를 구성하는 무방향 에지와 나머지 i노드를 연결하는 방향성 에지를 포함한다.
이제 컴퓨터 장치는 세그먼트들에 대한 컨케이블 홀을 기반으로 그 내부에 존재하는 노드(i 노드)들이 이중 연결성을 갖도록 중간경로를 결정한다.
도 5는 컨케이브 홀을 기반으로 i 노드들이 이중 연결성을 갖는 경로를 결정하는 과정에 대한 예이다. 도 5는 도 4에서 결정한 컨케이브 홀을 기반으로 i 노드들 사이에 이중 연결성을 갖는 경로를 결정하는 예이다. 컴퓨터 장치는 OS0에 속한 각각의 세그먼트에 대해 OS0에 속한 하나의 세그먼트에서 OSf-1에 속한 어느 하나의 세그먼트에 이르는 중간 경로를 결정한다. 먼저 컴퓨터 장치는 eCave를 형성하면서 에지를 제거했던 세그먼트(N1 0 및 N4 0) 중 어느 하나에서 이중 경로를 형성하는 과정을 시작한다.
컴퓨터 장치가 세그먼트들에 대한 컨케이브 홀을 생성하면 세그먼트를 컨케이브 홀을 구성하는 것과 컨케이브 홀 내부에 위치하는 것(i노드)으로 구분할 수 있다. 이중 경로를 형성하는 알고리즘을 설명하기 위해 세그먼트 S, 세그먼트 S' 및 특정한 에지(게이트)를 기준으로 사용한다.
S는 eCave를 형성하면서 에지를 제거했던 세그먼트(N1 0 및 N4 0) 중 선택한 어느 하나의 세그먼트를 포함한다. S는 이중 경로를 결정하기 위한 시작점에 해당한다. S'는 iCave에 위치하는 세그먼트 중 S에 속한 세그먼트에서 가까운 세그먼트에 해당한다. e(S, S')는 이중 경로를 찾기 위한 기준이 되는 에지가 된다. 이 에지를 게이트(gate)라고 명명한다. 도 5(a)는 N1 0 및 N4 0 중 N1 0을 선택하여 S에 추가한 예이다. 이 경우 S'는 N20 1가 된다. e(N1 0,N20 1)가 게이트가 되고 E2c에 추가된다.
이후 컴퓨터 장치는 집합 S에 속한 세그먼트를 루트로 갖는 방향성 그래프에서 S의 자식에 해당하는 i노드 x로부터 iCave에 이르는 경로를 일정하게 변경한다. S에 속한 세그먼트는 방향성 그래프에서 복수의 자식을 가질 수 있다. 이 경우 컴퓨터 장치는 복수의 자식 중 게이트(에지)로부터 직각 거리가 가장 가까운 세그먼트를 먼저 선택하여 경로를 설정한다. 이하 게이트로부터의 거리를 기준으로 선택한 세그먼트를 x라고 표시하고 설명한다. (i) 만약 x로부터 iCave에 이르는 경로가 하나라면, 컴퓨터 장치는 해당 경로를 E2c에 추가한다. 또한 컴퓨터 장치는 게이트를 E2c에서 제거하고, 대신에 에지 e(L, S')를 E2c에 추가한다. 여기서 L은 x로부터 iCave에 이르는 경로 중 마지막에 위치한 i 노드에 해당한다. E2c는 최종적으로 세그먼트들에 대한 중간 경로를 구성하는 에지를 포함한다. 추가된 경로는 무방향 에지로 구성된다. 따라서 컴퓨터 장치는 종래 방향성 에지를 무방향 에지로 변경하여 E2c에 추가한다. S의 자식 노드가 복수인 경우 x에 대한 처리가 완료되면, 컴퓨터 장치는 다음 x를 결정하여 동일한 과정을 반복한다. (ii) 그리고 x로부터 iCave에 이르는 경로가 복수 개라면, S와 x를 eCave를 구성하는 세그먼트로 설정(표시)하고, x가 S가 되고 e(x, S')는 새로운 게이트게 된다.
도 5(a)를 살펴보면 방향성 그래프에서 N1 0의 자식은 N19 1, N5 1 및 N26 1이다. 게이트인 e(N1 0,N20 1)에서 수직 거리가 가장 가까운 세그먼트는 N19 1이다. 따라서 컴퓨터 장치는 N19 1를 x로 설정한다. 도 5에서 x로 선택한 세그먼트로부터 선택한 중간 경로 상의 마지막 i노드(L)를 5각형으로 표시하였다. N19 1에서 iCave를 구성하는 세그먼트 N16 3에 이르는 경로(N1 0->N19 1>N18 2->N16 3)가 하나이다. 따라서 컴퓨터 장치는 현재의 게이트인 e(N1 0,N20 1)를 E2c에서 제거하고, e(N18 2,N20 1)을 E2c에 추가한다. 도 5(b)를 살펴보면 e(N1 0,N20 1)가 제거되고, e(N18 2,N20 1)가 추가된 상태를 도시한다. 그리고 x인 N19 1로부터 iCave에 이르는 경로가 무방향 에지로 변경된다. 이 과정은 컴퓨터 장치가 케이브(eCave 및 iCave)가 형성한 사이클을 구성하는 하나의 에지(게이트)를 제거하고, 대신에 새로운 에지들을 추가하여 새로운 사이클을 생성하는 과정이라고 할 수 있다.
S는 자식 노드가 복수 개이다. 다음 라운드에서 컴퓨터 장치는 게이트인 e(N1 0,N20 1)에서 수직 거리가 N19 1 다음으로 가까운 N19 1를 다음 x로 선택한다. 또는 컴퓨터 장치는 새로운 게이트를 먼저 설정하고, S의 남은 자식 노드 중에서 새로운 게이트(e(N1 0,N19 1))에서 수직 거리가 가장 가까운 세그먼트를 x로 선택할 수도 있다. N19 1가 S'가 되고, e(N1 0,N19 1)가 새로운 게이트가 된다.
도 5(b)를 살펴보면, N5 1에서 iCave에 이르는 경로는 하나이다. 따라서 컴퓨터 장치는 현재의 게이트인 e(N1 0,N19 1)를 E2c에서 제거하고, e(N17 2,N19 1)을 E2c에 추가한다. 컴퓨터 장치는 x인 N19 1로부터 iCave에 이르는 경로를 무방향 그래프로 변경한다. 결국 컴퓨터 장치는 E2c를 E2c∪{e(N1 0,N5 1), e(N5 1,N17 2), e(N17 2,N19 1)} - {게이트 = e(N1 0,N19 1)}로 업데이트한다. 도 5(c)를 살펴보면 E2c가 업데이트된 상태를 도시한다.
N5 1가 S'가 되고, e(N1 0,N5 1)가 새로운 게이트가 된다. S의 남은 자식 노드는 세그먼트 N26 1이다. 도 5(c)를 살펴보면 컴퓨터 장치는 N26 1를 x로 설정한다. N26 1는 새로운 게이트 e(N1 0,N5 1)에서 수직 거리가 가장 가까운 노드이기도 하다. 도 5(d)를 살펴보면 컴퓨터 장치는 현재의 게이트인 e(N1 0,N5 1)를 E2c에서 제거하고, e(N26 1,N5 1)을 E2c에 추가한다. 도 5(d)는 S인 N1 0에 대한 자식 노드에 대한 경로 설정이 완료된 상태를 도시한다. 경로 설정이 완료된 노드는 검은색으로 표시한다.
이제 컴퓨터 장치는 eCave 속한 세그먼트 중 나머지 세그먼트에 대해서도 경로 설정 과정을 반복한다. 컴퓨터 장치는 eCave 속한 세그먼트 중 N1 0에 인접한 N2 0를 새로운 S로 설정한다. 그리고 컴퓨터 장치는 경로 설정이 완료된 이웃 노드 중 N2 0에 인접한 세그먼트를 S'로 설정한다. 컴퓨터 장치는 N1 0를 S'로 설정한다. e(N2 0,N1 0)가 게이트가 된다. 컴퓨터 장치는 S의 자식 중 게이트인 e(N2 0,N1 0)에서 수직 거리가 가장 가까운 N8 1를 x로 설정한다. 도 5(d)를 살펴보면 N8 1에서 iCave에 이르는 경로가 복수 개 존재한다(N8 1의 자식 노드가 두 개). 따라서 컴퓨터 장치는 N2 0 보다 먼저 N8 1에 대해 별도로 경로를 설정한다. 이를 위해 컴퓨터 장치는 N8 1를 S로 설정하고, e(N8 1, N1 0)을 새로운 게이트로 설정한다. 새로운 게이트웨이는 일단 E2c에 추가된다. 컴퓨터 장치는 S인 N8 1의 자식 노드 중 게이트 e(N8 1, N1 0)에서 수직 거리가 가까운 N25 2를 x로 설정한다. 도 5(e)를 살펴보면, 컴퓨터 장치는 현재의 게이트인 e(N8 1, N1 0)를 E2c에서 제거하고, e(N25 2,N1 0)을 E2c에 추가한다. 그리고 컴퓨터 장치는 e(N8 1, N25 2)를 새로운 게이트로 설정한다. 컴퓨터 장치는 경로를 설정한 구간의 에지를 무방향 그래프로 변경한다. 이후 S의 다른 자식 노드인 N9 2를 x로 설정하여 동일한 과정을 반복한다. 도 5(f)는 N9 2를 x로 경로 설정을 완료한 상태를 도시한다. 이제 컴퓨터 장치는 N8 1의 부모 노드인 N2 0를 S로 설정하여 경로 설정을 진행한다. 도 6(g)를 살펴보면 S인 N2 0에 대해 N24 1가 x가 된다. N2 0에서 iCave로 연결되는 경로는 (N24 1->N9 2)및 (N24 1->N23 2->N10 3)가 존재한다. (N24 1->N9 2)는 이미 경로가 결정된 iCave(검은색 노드)와 연결되는 경로이다. 이 경우 컴퓨터 장치는 e(N24 1, N9 2)를 제거한다. 컴퓨터 장치는 N24 1에 대해서는 e(N24 1, N9 2)를 제거하고, N23 2를 N8 1에 연결한다. 도 6(h)는 N2 0를 S로 시작한 경로 설정이 완료된 상태를 도시한다.
이후 컴퓨터 장치는 차례대로 eCave에 위치하는 N3 0 및 N4 0 대해 각각 경로 설정을 수행한다. 도 6(i)는 N3 0을 기준으로 경로를 설정하는 과정을 도시하고, 도 6(j)는 N3 0을 기준으로 경로 설정이 완료된 상태를 도시한다. 도 6(k)는 N4 0을 기준으로 경로를 설정하는 과정을 도시하고, 도 6(l)는 N4 0을 기준으로 경로 설정이 완료된 상태를 도시한다. 최종적으로 G2c =(V2c, E2c)는 이중 경로 갖는 토폴로지를 나타낸다.
이중 경로 최적화
전술한 이중 경로를 형성하는 과정은 단지 세그먼트들을 이중 경로로 연결하기 위한 것이었다. 예컨대, 도 6(l)로 완성된 토폴로지에는 불필요하게 긴 에지가 있을 수 있다. 컴퓨터 장치는 세그먼트들을 이중 경로로 연결하기 위하여 필요한 릴레이 노드 수를 최소화하기 위하여 앞서 생성한 G2c를 일정하게 변경할 수 있다. 최적화 과정은 결국 이중 연결성을 유지하면서 전체 에지의 길이의 최소화하는 과정이라고 하겠다. 이하 "cost(경로)"는 해당 경로를 연결하는데 사용되는 최소의 릴레이 노드의 개수를 나타낸다고 정의한다.
컴퓨터 장치는 일정한 개수의 에지를 하나의 단위로 하여 최적화를 수행할 수 있다. 예컨대, 컴퓨터 장치는 E2c에 속한 3개의 인접한 에지 T를 기준으로 경로를 재정의할 수 있다. 컴퓨터 장치는 T = {e1(u,v),e2(v,w),e3(w,x)}를 대체 경로인 T' = {e1'(u,v),e2'(v,w),e3'(w,x)}와 비교하고, cost(T')< cost(T)인 경우 E2c에 속한 T를 T'로 교체한다.
도 7은 이중 경로에 대한 최적화 과정의 예이다. 도 8은 도 7의 과정에 이어지는 이중 경로에 대한 최적화 과정의 예이다. 도 7는 도 5 및 도 6에서 완성한 이중 경로에 대한 최적화 과정을 예시한다. 경로에 대한 최적화를 수행하는 과정은 V2c에 있는 세그먼트 중 어느 하나를 기준으로 시작하면 된다. 또한 컴퓨터 장치는 에지가 zig-zag 형태를 갖는 영역에 대해서만 최적화를 수행할 수도 있다.
도 7(a)는 N22 1을 시작으로 최적화를 하는 예이다. 컴퓨터 장치는 T = {e1(N22 1,N4 0),e2(N4 0,N6 1),e3(N6 1,N12 1)}와 T' = {e1'(N22 1,N6 1),e2'(N6 1,N4 0),e3'(N4 0,N12 1)}를 비교하여 T'가 T에 비해 비용이 작다면 E2c에서 T를 T'로 교체한다. 도 7(b)는 T가 T'로 교체된 상태를 도시한다. 도 7(b)는 동일한 방식으로 컴퓨터 장치는 T={e1(N12 1,N3 0), e2(N3 0,N7 1), e3(N7 1,N11 2)}에 대해 대체 경로 T'={e1'(N12 1,N7 1), e2(N7 1,N3 0), e3(N3 0,N11 2)}와 비교하여 T'를 T와 교체한 상태를 도시한다. 도 7(b)는 컴퓨터 장치가 경로 최적화를 수행하는 경로 단위인 {e1(N7 1,N3 0),e2(N3 0,N11 2),e3(N11 2,N2 0)}, {e1(N23 2,N8 1),e2(N8 1,N9 2),e3(N9 2,N25 2)}, {e1(N25 2,N1 0),e2(N1 0,N7 1),e3(N7 1,N5 1)}을 도시한다. 컴퓨터 장치가 경로를 최적화하는 단위는 시작 세그먼트에서 출발하여 지그 재그 형태의 경로를 갖는 연속된 3개의 에지들이다. 도 7(c)는 도 7(a) 및 도 7(b)의 라운드를 거쳐 1차 최적화된 상태를 도시한다. 도 7(c), 도 7(d) 및 도 8(e)는 컴퓨터 장치가 1차 최적화된 상태의 경로에 대해 2차 최적화를 수행한 과정에 대한 예이다. 또한 도 8(f)부터 도 8(h)는 컴퓨터 장치가 2차 최적화된 상태의 경로에 대해 3차 최적화를 수행하는 과정에 대한 예이다. 컴퓨터 장치는 경로가 더이상 최적화될 대상이 없을때 까지 동일한 최적화 과정을 반복한다.
마지막으로 컴퓨터 장치는 최종적으로 결정된 경로를 기준으로 각 세그먼트를 연결하는 각 에지의 양 끝 두 노드를 연결하기 위한 최소수의 릴레이노드들이 배치될 위치를 결정할 수 있다. 릴레이 노드는 모두 동일한 통신 반경을 갖는다고 가정하면, 에지의 길이를 기준으로 일정하게 통신이 가능하도록 릴레이 노드를 배치할 수 있다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 컴퓨터 장치가 센서 노드를 포함하는 복수의 세그먼트를 각 세그먼트의 위치를 기준으로 복수의 컨벡스 홀을 이용하여 분류하고, 상기 복수의 세그먼트를 연결하는 방향성 그래프를 생성하는 단계;
    상기 컴퓨터 장치가 상기 방향성 그래프를 기반으로 상기 복수의 세그먼트가 연결되면서 이중 연결성을 갖는 경로를 설정하는 단계; 및
    상기 경로상에 배치되는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 단계를 포함하는 무선 센서 네트워크에서 이중 연결성을 갖는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컴퓨터 장치가 상기 경로를 상기 복수의 세그먼트를 연결하는 에지의 길이가 최소가 되도록 재설정하는 단계를 더 포함하는 무선 센서 네트워크에서 이중 연결성을 갖는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방향성 그래프를 생성하는 단계는
    상기 컴퓨터 장치가 상기 복수의 세그먼트의 위치 정보를 획득하는 단계;
    상기 컴퓨터 장치가 상기 복수의 세그먼트가 위치하는 전체 영역의 최외곽 또는 중심영역과의 거리를 기준으로 상기 복수의 세그먼트에 대한 적어도 하나의 컨벡스 홀을 결정하는 단계; 및
    상기 컴퓨터 장치가 복수의 컨벡스 홀을 결정한 경우 상기 복수의 컨벡스 홀 중 외곽에 있는 제1 컨벡스 홀 상에 위치하는 세그먼트들 각각에 대해 상기 제1 컨벡스 홀에 가장 인접한 안쪽 컨벡스 홀 상에 위치하는 세그먼트에 도달하는 가장 가까운 방향성 에지를 결정하는 단계를 포함하는 무선 센서 네트워크에서 이중 연결성을 갖는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 컨벡스 홀을 결정하는 단계는
    상기 복수의 세그먼트를 기준으로 최외곽 컨벡스 홀을 결정하는 단계; 및
    상기 복수의 세그먼트 중 상기 최외곽 컨벡스 홀 상에 위치하는 세그먼트를 제외한 나머지 세그먼트를 기준으로 최외곽 컨벡스 홀을 결정하는 단계를 포함하는 무선 센서 네트워크에서 이중 연결성을 갖는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 컴퓨터 장치가 상기 복수의 세그먼트 중 다른 세그먼트로 진출하는 에지만을 갖는 세그먼트인 타겟 세그먼트에 대해 상기 타겟 세그먼트가 위치하는 컨벡스홀에 가장 인접한 외곽 컨벡스에 위치한 세그먼트 중 상기 타겟 세그먼트가 가장 가까운 세그먼트로부터 상기 타겟 세그먼트 방향으로 연결되는 에지를 추가하는 단계를 더 포함하는 무선 센서 네트워크에서 이중 연결성을 갖는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 경로를 설정하는 단계는
    상기 컴퓨터 장치가 상기 복수의 컨벡스 홀 중 최외곽에 위치한 컨벡스홀 상에 위치하는 세그먼트를 포함하는 제1 컨케이브 홀과 상기 복수의 컨벡스 홀 중 가장 안쪽에 위치한 컨벡스 홀 상에 위치하는 세그먼트를 포함하는 제2 컨케이브 홀을 결정하는 단계; 및
    상기 컴퓨터 장치가 상기 제1 컨케이브 홀에 위치하는 세그먼트 각각에 대해 상기 제2 컨케이브 홀에 위치하는 세그먼트와 연결되는 중간 경로를 생성하는 단계를 포함하는 무선 센서 네트워크에서 이중 연결성을 갖는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 중간 경로를 생성하는 단계는
    상기 컴퓨터 장치가 상기 제1 컨케이브 홀에 위치하는 어느 하나의 세그먼트로부터 상기 제2 컨케이브 홀에 위치하는 어느 하나의 세그먼트까지의 경로가 상기 제1 컨케이브 홀과 상기 제2 컨케이브 홀 사이에 위치하는 세그먼트를 이용하여 하나의 싸이클을 형성하도록 상기 중간 경로를 생성하는 무선 센서 네트워크에서 이중 연결성을 갖는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 결정하는 단계에서 상기 컴퓨터 장치는 상기 릴레이 노드의 통신 반경을 고려하여 상기 복수의 세그먼트들을 연결하는 에지 상에 적어도 하나의 릴레이 노드가 배치되는 위치를 결정하는 무선 센서 네트워크에서 이중 연결성을 갖는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 재설정하는 단계에서 상기 컴퓨터 장치는 상기 이중 연결성을 갖는 경로 중 세 개의 연속된 에지들을 하나의 단위로 각 단위마다 현재 경로보다 길이가 짧은 경로가 존재하는 경우 해당 단위의 에지를 상기 길이가 짧은 경로로 대체하는 무선 센서 네트워크에서 이중 연결성을 갖는 릴레이 노드의 위치를 결정하는 방법.
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