KR101886363B1 - 이벤트 검출 기반 무선 센서 네트워크 시스템 및 그를 이용한 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법 - Google Patents

이벤트 검출 기반 무선 센서 네트워크 시스템 및 그를 이용한 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법 Download PDF

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박건우
강두식
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Abstract

무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법에 관한 것이며, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법은, (a) 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터 내 복수의 센서 노드 중 어느 하나의 센서 노드가 클러스터 헤드 노드 선정과 관련한 정보를 기지국으로부터 수신하는 단계; (b) 상기 어느 하나의 센서 노드가, 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 수신하는 단계; (c) 상기 어느 하나의 센서 노드가, 상기 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터에 대한 전송경로를 결정하는 단계; 및 (d) 상기 어느 하나의 센서 노드가, 상기 (c) 단계에서 결정된 전송경로를 통해 상기 총합 데이터를 전송하는 단계를 포함하되, 상기 (c) 단계에서, 상기 전송경로는 상기 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나로 결정될 수 있다.

Description

이벤트 검출 기반 무선 센서 네트워크 시스템 및 그를 이용한 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법 {EVENT-DRIVEN WIRELESS SENSOR NETWORK SYSTEM AND METHOD FOR CLUSTER TRANSMISSION CONTROL OF WIRELESS SENSOR NETWORK USING THE THEORY}
본원은 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템 및 그를 이용한 무선 센서 네트워크의 클러스터 기반 전송 제어 방법에 관한 것이다.
최근 IOT(Internet of Things)로 접어들면서 비디오 센서 노드의 이용량이 증가하고 있다.
도 1은 비디오 센서 네트워크에서 비디오 센서 노드의 클러스터링 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 비디오 센서 노드(Video Sensor Node)는 많은 양의 비디오 데이터(또는 컨텐츠)를 자체적으로 캡쳐 및 분석할 수 있으며 협력을 통해 일부 정보를 처리할 수 있다. 또한, 싱크 노드(Sink Node)는 자신이 포함된 클러스터 내의 비디오 센서 노드들에 의하여 발생된 데이터를 수신하고 수신된 데이터를 취합하여 유무선 네트워크를 통해 클라우드 서버(Cloud Server)로 전송할 수 있다.
센서 노드의 전송 방식은 주기적인 영상 전송 방식과 이벤트 기반의 영상 전송 방식으로 구분될 수 있다. 주기적인 영상 전송 방식은 주기적인 모니터링을 통해 데이터의 변화량을 확인하고자 하는 어플리케이션에 적합하며, 이는 정해진 주기마다 모든 센서 노드에서 발생한 데이터를 기지국으로 전송함에 따라 전체 지역에 대한 미세한 데이터 변화를 파악할 수 있다. 이벤트 기반의 영상 전송 방식은 특정 이벤트가 지역에 국한되어 발생하거나 특정 이벤트 발생에 따른 보고 시간이 중요한 경우, 또는 변화가 적은 데이터의 획득이 무의미한 어플리케이션에 적합하며, 이는 센서 노드에서 특정 이벤트가 발생한 시점에서의 데이터를 기지국으로 전송함에 따라 네트워크의 전체적인 에너지 소비의 감소와 전송 지연 시간을 감소시킬 수 있다.
비디오 센서 노드의 에너지 소비는 기존의 단순한 센서 노드의 에너지 소비보다 훨씬 크기 때문에 비디오 센서 노드의 작동 시간을 연장하거나 최대화하기 위해 많은 양의 가용 에너지를 유지해야 한다. 이를 위한 방법 중 하나로 비디오 센서 노드의 배터리 크기를 확장하거나 주기적으로 배터리를 재충전하는 방식이 있는데, 이는 비디오 센서 노드가 산림, 오지, 원격 지역 등에서 작동하는 경우 배터리 크기를 확대하거나 주기적인 배터리의 교체가 어려워 실용성이 떨어짐에 따라 지속적인 전력 공급이 어려운 문제가 있다.
이러한 에너지 제한을 극복하기 위한 방법으로서 재생 가능한 에너지원으로부터 에너지를 수집하여 사용하는 에너지 하비스팅(energy harvesting) 방법이 그 해결책이 될 수 있다. 재생 가능한 에너지는 햇빛, 바람, 비 등으로부터 얻을 수 있으나 이러한 자원에서 얻은 에너지는 일반적으로 불안정하고 시차가 있기 때문에 하비스팅 되는 에너지량을 예측하기 어려운 문제가 있다.
또한, 비디오 센서 네트워크는 특성상 일정 수준 이상의 영상 화질을 보장해야 하고, 이에 따라 비디오 센서 노드는 수용 가능한 비디오 품질을 유지하면서 비디오 서비스를 제공해야 하므로, 이를 위해서는 일정 구간 동안 비디오 센서 노드의 에너지 소비량과 하비스팅된 에너지를 이용하여 비디오 품질을 제어할 필요가 있다. 또한, 비디오 센서 노드는 네트워크 내 에너지 불균형을 방지하여 일부 노드들의 배터리 고갈로 인한 네트워크 생존 주기의 단축을 방지해야 할 필요가 있다.
종래에 공지된 에너지 소비, 비트율 및 화질 간의 관계에 관한 기존 연구는 각 에너지 소비, 비트 전송률 및 화질들의 모델을 유도하여 에너지 효율성을 향상시키고 비디오 센서 노드의 작동 시간을 연장시켰다. 또한, 종래에 공지된 비디오 코덱의 에너지 소비 관련 기존 연구는 양자화 파라미터, 모션 추정의 정확도 등의 인코딩 파라미터를 적응적으로 조정하여 비디오 코덱의 에너지 소비를 줄였다. 그러나, 이러한 기존 연구들은 에너지 하비스팅 방법을 고려하고 있지 않기 때문에 에너지의 고갈없이 비디오 센서 노드를 작동시킬 수 없는 한계가 있다.
추가적으로, 센서 네트워크가 사용되는 어플리케이션에 따라서 적절한 네트워크 프로토콜이 사용될 수 있는데, 기존의 연구들은 앞서 설명된 센서 노드의 에너지 하비스팅과 비디오 센서 노드의 비디오 프로세싱 에너지를 함께 고려하거나 지역적으로 발생된 이벤트의 데이터 보고 시간이 중요한 어플리케이션을 위한 이벤트 기반의 영상 전송 방식에 대하여 전혀 고려하지 않음에 따라 에너지 소비 효율의 한계가 존재하는 문제가 있다.
따라서, 무선 센서 네트워크에서의 효율적인 에너지 소비와 센서 노드의 효율적 운용을 위해서는 비디오 코덱의 양자화 파라미터, 이미지 센서의 화면률 및 프로세서의 동작주파수를 이용한 화질-에너지 간의 관계를 수립함과 더불어 에너지 하비스팅 방법을 이용한 가까운 미래의 하비스팅 에너지량 예측을 통해 에너지 고갈을 막을 수 있는 기술이 요구되고, 이에 더하여 지역적 이벤트의 발생 여부를 판별하여 이벤트가 발생한 센서 노드의 데이터 위주로 센서 네트워크 클러스터링을 수행하고 클러스터 헤드의 전송경로를 제어하는 등의 기술이 요구된다.
본원의 배경이 되는 기술은 한국등록특허공보 제10-1658736호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 개술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 센서 노드에서 특정 이벤트가 발생한 경우에만 해당 데이터를 클러스터 헤드로 전송하는 프로토콜 방식을 사용함으로써 센서 네트워크의 전체 에너지 소비를 줄이고, 특정 이벤트의 발생에 따른 시간에 즉각 반응할 수 있는 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템 및 그를 이용한 무선 센서 네트워크의 클러스터 기반 전송 제어 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 센서 노드가 지속적인 전력 공급이 어려운 환경에 있더라도 센서 노드의 하비스팅을 고려하여 에너지 고갈없이 센서 노드를 동작시킬 수 있도록 하는 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템 및 그를 이용한 무선 센서 네트워크의 클러스터 기반 전송 제어 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 센서 네트워크 내에서 이벤트가 발생되는 확률이 균등하기 않거나 기지국과 클러스터 간에 떨어진 거리가 각기 다름으로 인해 야기되는 네트워크 내 에너지 불균형을 방지하여 일부 센서 노드들의 배터리 고갈로 인한 네트워크 생존 주기의 단축을 방지할 수 있는 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템 및 그를 이용한 무선 센서 네트워크의 클러스터 기반 전송 제어 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 현재 에너지 소비량과 예측 하비스팅 에너지를 이용해 화질-에너지 사이의 트레이드 오프(trade-off)를 수행하여 센서 노드로 하여금 일정 수준 이상의 영상 화질이 보장되도록 하면서도 센서 노드(또는 무선 센서 네트워크)의 수명 연장이 가능하도록 하는 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템 및 그를 이용한 무선 센서 네트워크의 클러스터 기반 전송 제어 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제1 측면에 따른 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법은, (a) 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터 내 복수의 센서 노드 중 어느 하나의 센서 노드가 클러스터 헤드 노드 선정과 관련한 정보를 기지국으로부터 수신하는 단계; (b) 상기 어느 하나의 센서 노드가, 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 수신하는 단계; (c) 상기 어느 하나의 센서 노드가, 상기 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터에 대한 전송경로를 결정하는 단계; 및 (d) 상기 어느 하나의 센서 노드가, 상기 (c) 단계에서 결정된 전송경로를 통해 상기 총합 데이터를 전송하는 단계를 포함하되, 상기 (c) 단계에서, 상기 전송경로는 상기 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나로 결정될 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제2 측면에 따른 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법은, (a) 기지국에서, 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터에서 클러스터 헤드 노드를 선정하는 단계; (b) 상기 기지국에서, 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 상기 클러스터 헤드 노드가 수신하도록 제어하는 단계; 및 (c) 상기 기지국에서, 상기 클러스터 헤드 노드가 결정한 전송경로를 통하여 상기 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터를 상기 클러스터 헤드 노드로부터 수신하는 단계를 포함하되, 상기 기지국은, 상기 (c) 단계에서, 상기 클러스터 헤드 노드가 상기 전송경로를 상기 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나로 결정하도록 제어할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제3 측면에 따른 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어를 지원하는 센서 노드는 프로세서; 및 통신 모듈을 포함하되, 상기 프로세서는, (a) 기지국으로부터 클러스터 헤드 노드 선정과 관련한 정보를 수신하는 단계; (b) 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터 내 복수의 센서 노드 중 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 수신하는 단계; (c) 상기 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터에 대한 전송경로를 결정하는 단계; 및 (d) 상기 어느 하나의 센서 노드가, 상기 (c) 단계에서 결정된 전송경로를 통해 상기 총합 데이터를 전송하는 단계를 수행하되, 상기 (c) 단계에서, 상기 전송경로는 상기 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나로 결정될 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제4 측면에 따른 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어를 지원하는 기지국 장치는 프로세서; 및 통신 모듈을 포함하되, 상기 프로세서는, (a) 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터에서 클러스터 헤드 노드를 선정하는 단계; (b) 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 상기 클러스터 헤드 노드가 수신하도록 제어하는 단계; (c) 상기 클러스터 헤드 노드가 결정한 전송경로를 통하여 상기 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터를 상기 클러스터 헤드 노드로부터 수신하는 단계를 수행하되, 상기 (c) 단계에서, 상기 클러스터 헤드 노드가 상기 전송경로를 상기 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나로 결정하도록 제어할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제5 측면에 따른 무선 센서 네트워크 시스템은 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터에서 클러스터 헤드 노드를 선정하는 기지국; 및 상기 클러스터 내 복수의 센서 노드 중 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 수신하고, 상기 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터에 대한 전송경로를 결정하고, 결정된 전송경로를 통해 상기 총합 데이터를 전송하는 클러스터 헤드 노드를 포함하되, 상기 클러스터 헤드 노드는, 상기 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나로 상기 전송경로를 결정할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제6 측면에 따른 컴퓨터 프로그램은, 본원의 제1 측면 및 제2 측면 중 어느 한 측면에 따른 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법을 실행시키기 위하여 기록매체에 저장되는 것일 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 클러스터 헤드 노드 선정과 관련한 정보를 수신한 센서 노드(즉, 클러스터 헤드 노드)가 클러스터 내 센서 노드 중 발생된 이벤트에 대응하는 센서 노드에 대해서만 데이터를 수신하고 수신한 데이터의 총합 데이터를 기지국으로 전송함으로써, 이벤트 검출시에만 센서 노드로부터 데이터를 획득함에 따라 모든 센서 노드들이 주기적으로 영상을 전송하는 방식에 비해 에너지를 절감시킬 수 있고, 또한 무선 센서 네트워크의 수명 주기를 증대시킬 수 있다.
즉, 본원은 무선 센서 네트워크 내에서 이벤트 검출시에만 이벤트가 검출된 센서 노드로부터 기지국까지 클러스터 기반으로 데이터 전송이 이루어질 수 있어, 모든 센서 노드들에 대한 주기적 영상 전송 방식에 비해 효과적으로 무선 센서 네트워크의 에너지를 절감시킬 수 있다.
본원은 클러스터 헤드 노드가 총합 데이터를 기지국으로 전송할 때의 전송경로를 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송(즉, 다른 클러스터 헤드 노드를 경유하여 기지국으로 전송되도록 하는 중계 전송) 중 어느 하나로 결정하되, 이때 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드와 공유한 클러스터 대표 에너지 값을 기반으로 중계 전송 후의 예상 잔여 에너지를 고려하여 전송경로를 결정함으로써, 클러스터 간 에너지 균형을 이룰 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있다.
즉, 본원은 클러스터 대표 에너지 값에 기반한 중계 전송 후의 예상 잔여 에너지를 고려하여 직접 전송과 중계 전송 중 어느 하나의 전송경로를 결정함으로써, 센서 네트워크 내 이벤트 발생 확률이 균등하지 않은 경우, 이벤트가 자주 발생되지 않는 센서 노드를 포함하는 클러스터 대비 이벤트가 자주 발생되는 센서 노드를 포함하는 클러스터에서의 에너지가 더 빨리 고갈됨에 따라 야기되는 클러스터 간 에너지 불균형 문제를 해소할 수 있다. 구체적으로, 본원은 다른 센서 노드의 에너지가 충분함에도 불구하고 임의의 다른 센서 노드가 먼저 죽음(예를 들어, 배터리 방전 등)으로써 센싱이 제한되는 영역이 발생되는 문제를 해소할 수 있다.
본원은 이벤트 검출 기반의 전송 프로토콜을 이용함으로써 이벤트 발생에 따른 보고 시간의 지연을 감소시켜 발생된 이벤트에 즉각 반응할 수 있음과 더불어 센서 네트워크의 전체 에너지 소비를 줄여 에너지 소비 효율을 최대화할 수 있다.
본원은 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링이 수행됨으로써 클러스터 간 에너지 균형이 이루어지도록 할 수 있다.
본원은 클러스터 내 센서 노드의 잔여 에너지 및 노드와 기지국 간의 거리를 고려하여 클러스터 헤드 노드를 선정(구체적으로, 클러스터 내 잔여 에너지가 임계 에너지 값 이상인 센서 노드 중 기지국과의 거리가 가장 가까운 센서 노드를 클러스터 헤드 노드로 선정)함으로써, 클러스터 내의 에너지 균형을 이룰 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있다.
본원은 기 산출된 화질 에너지 제어 계수(이는 센서 노드의 하비스팅 기능을 이용함)에 기반하여 센서 노드의 동작을 제어함으로써 높은 화질의 영상을 획득할 수 있다.
본원은 에너지 하비스팅 기능을 고려함으로써 산림 또는 오지 등의 환경에서도 무선 비디오 센서 네트워크 및/또는 센서 노드의 강인한 동작을 가능하게 할 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1은 비디오 센서 네트워크에서 비디오 센서 노드의 클러스터링 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본원의 일 실시예에 따른 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도3 내지 도 5는 본원의 일 실시예에 따른 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템에서 클러스터링 수행시 클러스터의 크기를 결정하는 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템에서 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터의 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법에 대한 동작 흐름을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에서 단계S720의 세부 흐름을 나타낸 도면이다.
도 9는 본원의 다른 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법에 대한 동작 흐름을 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 또는 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본원의 일 실시예에 따른 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템 및 그를 이용한 무선 센서 네트워크의 클러스터 기반 전송 제어 방법에 대하여 기술한다. 또한, 이하에서는 설명의 편의상 본원의 일 실시예에 따른 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템(100)을 본 시스템(100)이라 하기로 한다.
도 2a 및 도 2b는 본원의 일 실시예에 따른 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템(100)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 2a는 센서 노드의 잔여 에너지를 고려하여 본 시스템(100)에 의해 클러스터링된 클러스터의 예를 나타내고, 도 2b는 센서 노드의 잔여 에너지 및 센서 노드와 기지국(110) 간의 거리를 고려하여 본 시스템(100)에 의해 클러스터링된 클러스터의 예를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 시스템(100)은 기지국(110) 및 복수의 센서 노드를 포함할 수 있다.
기지국(110)은 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터에서 클러스터 헤드 노드를 선정할 수 있다. 달리 말해, 기지국(110)은 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터 내 복수의 센서 노드 중에서 어느 하나의 센서 노드를 클러스터 헤드 노드로 선정할 수 있다. 여기서, 미리 설정된 조건은 클러스터와 기지국(110) 간의 거리를 고려하여 클러스터의 크기를 결정하는 조건일 수 있다. 또한, 클러스터의 크기는 기지국과 클러스터에 대응하는 기준점 간의 거리의 제곱에 반비례한 수로 할당하여 결정된 센서 노드의 수일 수 있다.
또한, 기지국(110)은 클러스터 내 복수의 센서 노드의 잔여 에너지 및 센서 노드와 기지국(110) 간의 거리 중 적어도 하나를 고려하여 클러스터 헤드 노드를 선정할 수 있다.
또한, 기지국(110)은 클러스터 내 복수의 센서 노드 중 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 클러스터 헤드 노드가 수신하도록 제어할 수 있다. 달리 말해, 센서 노드에 이벤트가 발생한 경우에 한하여, 이벤트가 발생된 센서 노드가 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반하여 동작함에 따라 발생된 데이터를 클러스터 헤드 노드가 수신할 수 있다. 이후, 클러스터 헤드 노드는 이벤트가 발생된 센서 노드로부터 수신한 데이터를 합한 총합 데이터를 기지국(110)으로 전송할 수 있다. 여기서, 클러스터 헤드 노드는 총합 데이터를 기지국(110)으로 전송할 때, 기지국(110)으로 직접 전송되거나 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통해 기지국(110)으로 전송(즉, 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 경유하여 기지국으로 전달되도록 하는 전송)되도록 하는 전송경로를 결정하고, 결정된 전송경로를 통해 총합 데이터를 기지국(110)까지로 전송할 수 있다.
달리 표현하여, 기지국(110)은 클러스터 헤드 노드가 결정한 전송경로를 통하여 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터를 클러스터 헤드 노드로부터 수신할 수 있다. 이때, 기지국(110)은, 클러스터 헤드 노드가 총합 데이터를 기지국(110)으로 전송함에 있어서 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나의 전송경로를 결정하도록 제어할 수 있다.
앞선 설명에서, 미리 설정된 조건에 따른 클러스터링 방법, 클러스터 헤드 노드 선정 방법, 화질 에너지 제어 계수 산출 방법 및 전송경로 결정 방법에 대해서는 후술하여 보다 자세히 설명하기로 한다.
기지국(110)과 클러스터 헤드 노드 간에 데이터 송수신은 네트워크(120)를 통해 이루어질 수 있다.
네트워크(120)는 유/무선 네트워크일 수 있다. 구체적인 예로 네트워크(120)는 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 네트워크, LTE(Long Term Evolution) 네트워크, WIMAX(World Interoperability for Microwave Access) 네트워크, 인터넷(Internet), LAN(Local Area Network), Wireless LAN(Wireless Local Area Network), WAN(Wide Area Network), PAN(Personal Area Network), 블루투스(Bluetooth) 네트워크, NFC(Near Field Communication) 네트워크, 위성 방송 네트워크, 아날로그 방송 네트워크, DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 네트워크 등이 포함될 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니고, 다양한 네트워크가 적용될 수 있다.
센서 노드는 비디오 센서 노드일 수 있다. 센서 노드는 수신된 비디오 데이터(또는 컨텐츠)를 자체적으로 캡쳐 및 분석할 수 있으며 협력을 통해 일부 정보를 처리할 수 있다. 센서 노드는 재생 가능한 에너지원으로부터 에너지를 수집하여 사용하는 에너지 하비스팅(energy harvesting) 기능을 가진 센서 노드일 수 있다. 또는 센서 노드는 에너지 하비스팅 기능을 가지지 않은 센서 노드일 수 있다. 또한, 센서 노드는 비디오 데이터를 수집하고 압축하여 인접한 센서 노드 또는 기지국(110)으로 전송할 수 있다. 또한 센서 노드는 인접한 센서 노드로부터 데이터를 수신할 수 있다.
또한, 센서 노드는 이미지 센서 모듈, 부호화기 모듈, 전송 모듈, 수신 모듈 및 배터리를 포함할 수 있으며, 다만, 이에만 한정되는 것은 아니고, 상기의 구성 중 적어도 하나의 구성을 포함하지 않거나 또는 다른 구성을 포함할 수 있다.
한편, 클러스터 헤드 노드의 선정 방법에 대한 구체적은 설명은 다음과 같다. 복수의 센서 노드는 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링(또는 그룹화)되어 적어도 하나의 클러스터로 형성될 수 있다. 도 2a 및 도 2b를 참조한 일예에서는 복수의 센서 노드가 미리 설정된 조건에 따라 4개의 클러스터(C1, C2, C3, C4)로 클러스터링(또는 그룹화)된 경우에 대하여 예시하기로 한다.
각 클러스터 내에는 적어도 하나의 센서 노드가 포함될 수 있다. 기지국(110)은 클러스터 내 복수의 센서 노드 중 어느 하나의 센서 노드를 클러스터 헤드 노드로 선정할 수 있다. 이때, 기지국(110)은 선정된 클러스터 헤드 노드로 클러스터 헤드 노드 선정과 관련한 정보를 전송할 수 있다. 즉, 기지국(110)은 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터 내 복수의 센서 노드 중 어느 하나의 센서 노드로 클러스터 헤드 노드 선정과 관련한 정보를 전송할 수 있다.
이에 따라, 클러스터 내에 포함된 적어도 하나의 센서 노드 중 어느 하나의 센서 노드는 기지국(110)으로부터 클러스터 헤드 노드 선정과 관련한 정보를 수신할 수 있다. 여기서, 기지국(110)으로부터 클러스터 헤드 노드 선정과 관련한 정보를 수신한 센서 노드는 클러스터 헤드 노드일 수 있다. 일예로, 제1 클러스터(C1) 내 클러스터 헤드 노드(10')는 기지국(110)으로부터 클러스터 헤드 노드 선정과 관련한 정보를 수신할 수 있다.
클러스터 헤드 노드 선정시, 기지국(110)은 클러스터 내 복수의 센서 노드의 잔여 에너지를 고려하여 클러스터 헤드 노드를 선정할 수 있다. 기지국(110)은 복수의 센서 노드 중 최고 잔여 에너지(즉, 잔여 에너지가 가장 높은 최고 잔량 에너지)를 갖는 센서 노드를 클러스터 헤드 노드로 선정할 수 있으며, 이는 도 2a를 통해 보다 쉽게 이해될 수 있다. 도 2a를 참조하면, 기지국(110)은 제1 클러스터(C1) 내에 포함된 복수의 센서 노드(1, 2, 3, 4, 10) 중 최고 잔여 에너지를 갖는 센서 노드로서 센서 노드(10)를 클러스터 헤드 노드로 선정할 수 있다. 이와 같은 방식으로 복수의 클러스터(C1, C2, C3, C4) 각각에서 클러스터 헤드 노드(10, 20, 30, 40)가 선정될 수 있다.
다른 일예로, 기지국(110)은 센서 노드의 잔여 에너지 및 센서 노드와 기지국(110)과의 거리(즉, 센서 노드가 기지국으로부터 떨어진 거리)를 함께 고려하여 클러스터 헤드 노드를 선정할 수 있으며, 이는 도 2b를 참조하여 보다 쉽게 이해될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 기지국(110)은 클러스터 내 복수의 센서 노드 중에서 잔여 에너지가 미리 설정된 임계 에너지 값 이상(또는 미리 설정된 에너지 임계 범위에 속하는)인 센서 노드를 식별할 수 있으며, 이후 식별된 센서 노드 중 기지국(110) 과의 거리가 가장 가까운 센서 노드를 클러스터 헤드 노드로 선정할 수 있다. 달리 표현하여, 기지국(110)은 클러스터 내 센서 노드 중 잔여 에너지가 가장 큰 센서노드의 잔여 에너지로부터(즉, 최고 잔여 에너지로부터 또는 가장 높은 배터리 레벨로부터) 이보다 기 설정된 에너지 만큼 낮은 에너지 범위에 속하는 센서 노드를 식별할 수 있으며, 식별된 센서 노드 중 기지국(110) 과의 거리가 가장 가까운 센서 노드를 클러스터 헤드 노드로 선정할 수 있다.
예를 들어, 기지국(110)은 제1 클러스터(C1) 내에 포함된 복수의 센서 노드(1, 2, 3, 4, 10') 중 잔여 잔여 에너지가 미리 설정된 임계 에너지 값 이상인 센서 노드로서 센서 노드(1, 4, 10')를 식별할 수 있다. 이후, 식별된 센서 노드(1, 4, 10') 중 기지국(110) 과의 거리가 가장 가까운 센서 노드(10')를 클러스터 헤드 노드로 선정할 수 있다. 이와 같은 방식으로 복수의 클러스터(C1, C2, C3, C4) 각각에서 클러스터 헤드 노드(10', 20', 30', 40')가 선정될 수 있다.
본원에서는 도 2a와 같은 클러스터 헤드 노드 선정 방식 대비 도 2b와 같은 방식으로 클러스터 헤드 노드를 선정하는 것이 보다 바람직할 수 있으며, 이에 따라 이하에서는 도 2b에 기반하여 설명하기로 한다. 또한, 설명의 편의상 이하에서는 클러스터 헤드 노드로서 제1 클러스터(C1)에 포함된 제1 클러스터 헤드 노드(10')를 기준으로 하여 설명하기로 하며, 제1 클러스터 헤드 노드(10')에 대하여 설명한 내용은 이하 생략된 내용이라 하더라도 다른 클러스터 헤드 노드(20', 30', 40')에 대한 설명에도 동일하게 적용 가능하다.
한편, 기지국(110)은 클러스터 간 및/또는 클러스터 내에서 에너지 불균형으로 인해 다른 센서 노드의 에너지가 충분함에도 불구하고 임의의 다른 센서 노드가 먼저 죽음(즉, 배터리가 방전되거나 에너지 잔량이 센서 노드의 동작을 제한하는 정도의 임계값 이하로 떨어짐)으로써 센싱이 제한되는 영역의 발생과 본 시스템(100)의 전체 동작이 중단되는 것을 막기 위하여, 에너지 균형을 고려하여 클러스터링을 수행(달리 말해, 에너지 균형적 클러스터링 방법을 수행)하고 적응적으로 클러스터 헤드 노드를 선정(달리 말해, 적응적 클러스터 헤드 선정 방법을 수행)할 수 있다. 기지국(110)은 미리 설정된 조건에 따른 클러스터링 방법을 통해 클러스터 간 에너지 균형을 고려하여 클러스터를 형성할 수 있으며, 또한 상기에 기술한 클러스터 헤드 노드 선정 방법을 통해 클러스터 내 에너지 균형을 고려하여 클러스터 헤드 노드를 적응적으로 선정할 수 있다.
기지국(110)에 의해 수행되는 미리 설정된 조건에 따른 클러스터링 방법(즉, 에너지 균형적 클러스터링 방법)에 대한 구체적인 설명은 다음과 같다.
에너지 균형적 클러스터링 방법과 관련하여, 기지국(110)은 본 시스템(100)의 수명 연장을 위해 클러스터 내 에너지 균형 및/또는 클러스터 간 에너지 균형을 고려하여 효율적인 에너지 소비가 이루어질 수 있도록 클러스터링을 수행할 수 있다. 이러한 에너지 균형적 클러스터링을 위해 기지국(110)은 일예로, LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)에서의 송수신모듈의 에너지 소비 모델을 이용할 수 있다.
센서 노드에 포함된 전송 모듈의 에너지 소비 모델은 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017049955767-pat00001
여기서,
Figure 112017049955767-pat00002
는 센서 노드 내 전송 모듈의 에너지 소비량,
Figure 112017049955767-pat00003
은 전송 모듈이 동작하는데 사용되는 에너지량,
Figure 112017049955767-pat00004
는 전송하는 데이터의 비트(bit) 수(즉, 정보량),
Figure 112017049955767-pat00005
는 증폭기가 동작하는데 사용되는 에너지량,
Figure 112017049955767-pat00006
는 데이터를 전송하는 곳까지 떨어진 거리(즉, 전송 거리)를 나타낸다.
센서 노드에 포함된 수신 모듈의 에너지 소비 모델은 하기 수학식 2를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112017049955767-pat00007
여기서,
Figure 112017049955767-pat00008
는 센서 노드 내 수신 모듈의 에너지 소비량을 나타낸다.
한편, 클러스터 크기가 n 인 경우, 1개의 센서 노드가 n 라운드 동안 소비하는 송/수신 소비 에너지는 하기 수학식 3 내지 수학식 5와 같을 수 있다.
구체적으로, 클러스터 헤드 노드의 에너지 소비 모델은 하기 수학식 3을 만족할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112017049955767-pat00009
여기서,
Figure 112017049955767-pat00010
는 클러스터 헤드 노드의 에너지 소비량을 나타낸다. 또한,
Figure 112017049955767-pat00011
는 클러스터 내 센서 노드들 각각과 기지국 간의 거리의 평균거리를 나타내며, 달리 표현하여, 클러스터와 기지국 간의 거리라 할 수 있다.
Figure 112017049955767-pat00012
는 비디오 프로세싱 에너지를 나타낸다.
클러스터 내 센서 노드 중 클러스터 헤드 노드가 아닌 클러스터 멤버 노드의 에너지 소비 모델을 하기 수학식 4를 만족할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112017049955767-pat00013
여기서,
Figure 112017049955767-pat00014
는 클러스터 멤버 노드의 에너지 소비량,
Figure 112017049955767-pat00015
는 클러스터 내 클러스터 멤버 노드들 각각과 클러스터 헤드 노드 간의 거리의 평균거리를 나타낸다.
상기의 수학식 3 및 수학식 4에 기반하여 클러스터의 전체 에너지 소비 모델은 하기 수학식 5를 만족할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112017049955767-pat00016
여기서,
Figure 112017049955767-pat00017
는 클러스터의 전체 에너지 소비량으로서, 이는 클러스터 내에 포함된 클러스터 헤드 노드의 에너지 소비량과 클러스터 멤버 노드의 에너지 소비량의 합을 통해 산출될 수 있다.
한편, 도3 내지 도 5는 본원의 일 실시예에 따른 이벤트 검출 기반 무선 센서 네트워크 시스템(100)에서 클러스터링 수행시 클러스터의 크기를 결정하는 조건(즉, 미리 설정된 조건)을 설명하기 위한 도면이다.
보다 자세하게, 도 3은 기지국(110)과 클러스터 헤드 노드 간에 데이터 송수신을 가능하게 하는 네트워크 지역(Network Area) 내에 센서 노드들이 동일 간격으로 균등하게 배치되어 있는 예를 나타낸 도면이다. 도 4는 도 3과 같은 조건하에서 클러스터 크기(Cluster Size) n에 따른 클러스터 내 클러스터 멤버 노드들과 클러스터 헤드 노드 간의 평균거리
Figure 112017049955767-pat00018
(즉,
Figure 112017049955767-pat00019
)의 변화를 나타낸 도면이다. 도 5는 클러스터 크기 n과 클러스터 내 센서노드들과 기지국 간의 평균 거리
Figure 112017049955767-pat00020
(즉, 클러스터와 기지국 간의 거리
Figure 112017049955767-pat00021
)에 따른 클러스터 내 센서 노드의 평균 에너지 소비량
Figure 112017049955767-pat00022
의 변화를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본원은 도 3과 같이 센서 노드들이 네트워크 지역 내에 균등하게 배치되어 있다고 가정하고,
Figure 112017049955767-pat00023
를 클러스터 크기 n에 관한 함수로 모델링할 수 있다. 모델링 결과는 도 4와 같을 수 있으며, 도 4를 참조하면 클러스터 크기 n이 증가함에 따라
Figure 112017049955767-pat00024
도 단조 증가함을 확인할 수 있다. 이를 고려하여
Figure 112017049955767-pat00025
를 n에 관한 함수로 대체하는 경우, 상기 수학식 5로 표현되는 클러스터의 전체 에너지 소비량은 하기 수학식 6과 같이 클러스터 내 센서 노드의 평균 에너지 소비량으로 표현될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112017049955767-pat00026
여기서,
Figure 112017049955767-pat00027
은 n에 대한 단조 증가함수를 나타낸다.
한편, 클러스터 간의 에너지 균형을 위해 수행된 클러스터의 크기 n과 클러스터와 기지국 간의 평균거리
Figure 112017049955767-pat00028
에 따른 n 라운드(round) 동안의 클러스터 내 센서 노드의 평균 에너지 소비량
Figure 112017049955767-pat00029
를 분석한 결과는 도 5와 같을 수 있다.
도 5를 참조하면,
Figure 112017049955767-pat00030
가 클수록 또는 클러스터 크기 n이 클수록 클러스터 내 센서 노드의 평균 에너지 소비량이 크게 나타남을 확인할 수 있다. 일정한 클러스터 크기 n에 대하여
Figure 112017049955767-pat00031
가 클수록, 클러스터 헤드 노드로부터 기지국까지 데이터 전송 에너지가 증가한다. 일정한
Figure 112017049955767-pat00032
에 대하여 클러스터 크기 n이 클수록, 클러스터 내 클러스터 멤버 노드들과 클러스터 헤드 노드 간의 평균거리
Figure 112017049955767-pat00033
가 커짐에 따라 전송 에너지가 증가한다.
따라서, 기지국(110)은 클러스터와 기지국 간의 거리를 고려하여 클러스터 간의 에너지 균형을 맞추어 복수의 센서 노드들에 대한 클러스터링을 수행할 수 있다. 이를 위해, 기지국(110)은 기지국과 클러스터에 대응하는 기준점 간에 떨어진 거리의 제곱에 반비례하는 수의 센서 노드를 해당 클러스터에 할당함으로써 클러스터를 형성할 수 있다. 달리 표현하여, 기지국(110)은 복수의 센서 노드들에 대한 클러스터링을 수행함에 있어서, 클러스터와 기지국 간의 거리를 고려하여 클러스터의 크기를 결정하는 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링을 수행할 수 있다. 이때, 클러스터의 크기는 기지국과 클러스터에 대응하는 기준점 간의 거리의 제곱에 반비례한 수로 할당하여 결정된 센서 노드의 수일 수 있다. 즉, 클러스터의 크기는 기지국과 클러스터에 대응하는 기준점 간의 거리의 제곱에 대응하는 센서 노드의 수와 반비례하게 설정될 수 있다. 이와 같은 조건으로 클러스터링된 클러스터의 일예는 도 6과 같을 수 있다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템(100)에서 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터의 예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 기지국(Base Station, 110)과 클러스터 헤드 노드 간에 데이터 송수신이 가능한 네트워크 지역(Network Area, 121) 내의 복수의 센서 노드들은, 일예로 미리 설정된 조건에 기초하여 5 개의 클러스터로 클러스터링될 수 있다.
일예로, 5개의 클러스터 각각은, 제1 클러스터 헤드 노드(10)와 복수의 클러스터 멤버 노드(1, 2, 3, 4, 5, 6)를 포함하는 제1 클러스터, 제2 클러스터 헤드 노드(20)를 포함하는 제2 클러스터, 제3 클러스터 헤드 노드(30)를 포함하는 제3 클러스터, 제4 클러스터 헤드 노드(40)를 포함하는 제4 클러스터, 및 제5 클러스터 헤드 노드(50)를 포함하는 제5 클러스터일 수 있다. 이때, 도 6을 참조하면, 제1 내지 제5 클러스터 각각의 크기, 즉 제1 내지 제5 클러스터 각각에 포함된 센서 노드의 수는, 기지국과 클러스터에 대응하는 기준점 간의 거리의 제곱에 반비례하게 결정됨에 따라 클러스터와 기지국 간의 거리에 따라 상이함을 확인할 수 있다.
한편, 도 6과 같이 형성된 클러스터에서 클러스터 헤드 노드(10, 20, 30, 40, 50)는 앞서 설명한 조건(즉, 클러스터 내 센서 노드 중 잔량 에너지가 임계 값 이상이거나 또는 미리 설정된 임계 범위에 속하되, 기지국과의 거리가 최소인 조건)에 기반하여 선정될 수 있다.
클러스터 헤드 노드는 자신이 속한 클러스터 내에서 이벤트가 발생한 적어도 하나의 멤버 노드로부터 데이터를 수신하고, 수신한 데이터의 총합 데이터를 기지국(110)으로 전송해야 하므로, 클러스터 내에서 에너지 소비가 집중되며, 이는 클러스터 내의 에너지 불균형을 초래할 수 있다. 이에 따라, 본 시스템(100)에서는 클러스터 내 센서 노드의 전여 에너지 및 센서 노드와 기지국 간의 거리 중 적어도 하나를 고려함으로써 클러스터 헤드 노드가 적응적으로 선정될 수 있다. 즉, 본 시스템(100)에서는 클러스터 내 잔여 에너지가 임계 에너지 값 이상인 센서 노드 중 기지국과의 거리가 가장 가까운 센서 노드가 클러스터 헤드 노드로 선정될 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 앞서 설명했으므로, 이하 생략하기로 한다.
본 시스템(100)에서는 적응적 클러스터 헤드 노드 선정시 클러스터 내 센서 노드의 잔여 에너지를 고려함으로써 클러스터 내 모든 센서 노드의 에너지 균형을 맞출 뿐만 아니라, 센서 노드와 기지국(110) 간의 거리를 고려함으로써 전체적인 클러스터의 에너지 소비를 절약할 수 있다.
또한, 클러스터 헤드 노드의 선정은, 클러스터 내 센서 노드 중 이벤트가 발생한 센서 노드가 존재하거나 다른 클러스터의 총합 데이터에 대한 중계 전송의 역할을 수행한 노드(즉, 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 대신하여, 상기 다른 클러스터 헤드 노드로부터 수신한 상기 다른 클러스터의 총합 데이터를 중계하여 기지국으로 대신 전송한 센서 노드)가 존재하여 기지국이 클러스터 헤드 노드로부터 데이터를 수신한 경우에 이루어질 수 있다. 달리 말해, 클러스터 헤드 노드의 선정이 이루어지는 시점은 기지국이 이벤트 발생으로 인해 클러스터 멤버 노드로부터 발생된 데이터를 클러스터 헤드 노드로부터 수신하는 시점일 수 있다. 즉, 클러스터 헤드 노드가 기지국(110)으로 총합 데이터를 전송한 이후에, 클러스터 헤드 노드의 재선정이 이루어질 수 있다.
다시 말해, 기지국(110)은 클러스터 내 잔여 에너지가 임계 에너지 값 이상인 센서 노드 중 기지국과의 거리가 가장 가까운 센서 노드를 클러스터 헤드 노드로 선정함으로써, 클러스터 헤드 노드로 선정된 센서 노드가 클러스터 멤버 노드들 대비 에너지 소비가 큰 클러스터 헤드의 역할을 수행하도록 할 수 있으며, 이를 통해 클러스터의 전체 에너지 소비를 절약하고, 동일 클러스터 내의 센서 노드들의 에너지 불균형을 막을 수 있다.
클러스터 헤드 노드(10')는, 클러스터 내 복수의 센서 노드 중 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 수신할 수 있다. 예를 들어, 도 2b에서 제1 클러스터(C1) 내 클러스터 멤버 노드(1, 2, 3, 4) 중 제1 센서 노드(1)와 제2 센서 노드(2)에서 이벤트가 발생된 경우, 클러스터 헤드 노드(10')는 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로서 제1 센서 노드(1)와 제2 센서 노드(2)로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터(즉, 영상)를 수신할 수 있다.
달리 말해, 클러스터 헤드 노드(10')는 클러스터(C1) 내 일 영역에 적어도 하나의 이벤트가 발생한 경우(달리 말해, 클러스터 내 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드에서 이벤트가 발생한 경우), 발생된 이벤트에 대응하는 클러스터 내 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드가 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 따라 동작함으로써 발생된 데이터를 상기 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신할 수 있다. 여기서, 화질 에너지 제어 계수는 클러스터 멤버 노드(10')에 의해 산출될 수 있다. 다만, 이에만 한정되는 것은 아니고, 다른 일예로 기지국(110)이 클러스터 헤드 노드로부터 수신한 데이터에 기초하여 화질 에너지 제어 계수를 산출할 수 있다.
화질 에너지 제어 계수의 산출(또는 선정) 과정에 대한 구체적인 설명은 다음과 같다. 비디오 센서 네트워크의 특성상 일정 수준 이상의 영상 화질을 보장해야 하므로 화질과 에너지 사이에는 최적의 트레이드 오프(trade-off)가 수행되어야 한다. 이를 위해, 클러스터 헤드 노드(10')는 화질 에너지 제어 계수를 산출(또는 선정)할 수 있다. 여기서, 화질 에너지 제어 계수는 현재 시점에서 클러스터 내 센서 노드 중 최저 잔여 에너지를 갖는(즉, 잔여 에너지가 가장 낮거나 배터리 레벨이 가장 낮은) 센서 노드에 기반하여 산출될 수 있다. 달리 말해, 클러스터 헤드 노드(10')는 효율적인 에너지 소비를 고려한 화질 에너지 제어를 위해, 클러스터 내의 센서 노드 중 최저 잔여 에너지를 갖는 센서 노드를 기준으로 하여 미리 설정된 단위 기간(또는 일정 기간, T) 동안에 적용될 화질 에너지 제어 계수를 산출할 수 있다.
클러스터 헤드 노드(10')는 화질 에너지 제어 계수를 산출하기 위해, 과거 하비스팅 데이터를 기반으로 향후 하비스팅 에너지량을 예측할 수 있다(step1). 다음으로, 에너지 소비 모델을 이용한 화질 에너지 제어 계수별 에너지 사용량 계산을 통해 에너지 사용량을 계산할 수 있다(step2). 다음으로, step1에서 예측된 향후 하비스팅 에너지량, step2에서 계산된 에너지 사용량 및 현재 시점에서 클러스터 내 센서 노드 중 최저 잔여 에너지를 갖는 센서 노드의 에너지(즉, 최저 잔여 에너지)를 이용하여 미리 설정된 단위 기간 동안 사용되는(적용될) 화질 에너지 제어 계수를 산출할 수 있다(step3).
구체적으로, step1에서는 과거 하비스팅 데이터를 기반으로 향후(앞으로의) 하비스팅 에너지량을 예측할 수 있다. 이를 위해, step1 에서는 예측기를 이용하여 당일 현재 시점으로부터 당일 일몰 시점까지 시간 구간별 과거 하비스팅 되었던 에너지의 누적 총량
Figure 112017049955767-pat00034
를 예측할 수 있다. 달리 말해 해당 시점에서 향후 하비스팅 될 에너지, 즉 향후 하비스팅 에너지량의 예측은, 직전일 또는 과거 미리 설정된 기간 동안의 평균치로부터 해당 시점부터 일몰 시점까지 누적하여 계산될 수 있다.
step2에서는 센서 노드에 포함된 이미지 센서 모듈, 부호화 모듈 및 전송 모듈 각각에 대한 에너지 소비 모델을 이용하여 에너지 사용량을 예측할 수 있다. 다시 말해, step2에서는 에너지 소비 모델을 이용하여 화질 에너지 제어 계수별 에너지 사용량을 계산할 수 있는데, 이때 센서 노드의 특성을 고려하여 그에 맞는 에너지 소비 모델을 사용할 수 있다. 즉, 센서 노드는 에너지 하비스팅 기능을 가진 센서 노드일 수도 있고, 또는 에너지 하비스팅 기능을 가지지 않은 센서 노드일 수도 있으며, 또한 이미지 센서 모듈, 부호화기 모듈, 전송 모듈, 수신 모듈 및 배터리 중 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있으므로, 그에 맞는 각 에너지 소비 모델을 사용함으로써 화질 에너지 제어 계수별 에너지 사용량을 계산할 수 있다.
센서 노드에 포함된 이미지 센서 모듈에 대응하는 에너지 소비 모델(즉, 이미지 센싱 에너지 소비 모델)은 하기 수학식 7을 만족할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112017049955767-pat00035
여기서,
Figure 112017049955767-pat00036
는 한 프레임당 소비하는 에너지를 나타낸다.
센서 노드에 포함된 부호화 모듈에 대응하는 에너지 소비 모델(즉, 부호화 에너지 소비 모델)은 하기 수학식 8을 만족할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112017049955767-pat00037
여기서,
Figure 112017049955767-pat00038
는 동작주파수,
Figure 112017049955767-pat00039
는 동작주파수에 따른 모델 계수,
Figure 112017049955767-pat00040
는 양자화 계수에 따른 비트레이트(bitrate),
Figure 112017049955767-pat00041
는 비트레이트(bitrate)에 따른 CPU 사이클 수를 나타낸다.
센서 노드에 포함된 전송 모듈에 대응하는 에너지 소비 모델은 앞서 설명한 상기 수학식 1을 만족할 수 있다.
따라서, 화질 에너지 제어 계수별 에너지 사용량은 상기 수학식 1, 수학식 2, 수학식 7 및 수학식 8을 이용한 에너지 소비 모델을 통해 계산될 수 있으며, 이에 기반하여 step2에서는 센서 노드의 전체적인 에너지 소비량을 계산할 수 있다.
step3에서는 step1에서 예측된 향후 하비스팅 에너지량, step2에서 계산된 에너지 사용량 및 현재 시점에서의 최저 잔여 에너지(달리 말해, 현재 에너지 잔량)을 이용하여 미리 설정된 단위 기간 동안 사용되는(사용될, 적용될) 화질 에너지 제어 계수를 산출할 수 있다. 이때, step3에서 산출되는 화질 에너지 제어 계수는 효율적인 에너지 소비를 가능하도록 하는 계수를 의미한다. Step3에서 산출된 화질 에너지 제어 계수는 하기 수학식 9를 만족할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112017049955767-pat00042
여기서,
Figure 112017049955767-pat00043
는 당일 일몰부터 다음날 일출까지 단위 기간의 총 수(달리 말해, 일정 기간 단위의 총 수)를 나타낸다.
Figure 112017049955767-pat00044
는 현재 단위 기간(일정 기간)부터 당일 일몰까지의 단위 기간의 총 수를 나타낸다.
Figure 112017049955767-pat00045
는 step3에서 산출되는 화질 에너지 제어 계수로 동작했을 때 단위 기간에 대응하는 에너지 소비량, 달리 표현하여 해당 화질 에너지 제어 계수로 동작했을 때의 단위 기간 에너지 소비량을 나타낸다.
Figure 112017049955767-pat00046
는 현재 에너지량을 나타낸다.
Figure 112017049955767-pat00047
는 현재부터 i번째 후 단위 기간의 하비스팅 에너지량을 나타낸다.
Figure 112017049955767-pat00048
는 센서 노드의 에너지 소비와 관련된 제어 파라미터들을 에너지 소비가 최소화 되도록(최소로 되도록) 설정했을 때 사용되는 에너지 소비량을 나타낸다.
Figure 112017049955767-pat00049
는 n번째 단위 기간의 최적 화질 에너지 제어 계수로서, 각각 부호화 태스크, 동작주파수, 양자화 계수 및 화면률을 나타낸다.
즉, 수학식 9에 의하면, step3에서 산출되는 화질 에너지 제어 계수는, 현재 시점으로부터 당일 일몰 시점까지 화질 에너지 제어 계수로 동작했을 때의 에너지 소비량과 당일 일몰 시점부터 다음날 일출까지 에너지 소비를 최소로 한 최소 에너지 소비량의 합이, 현재 시점에서의 최저 잔여 에너지와 현재 시점으로부터 당일 일몰 시점까지의 하비스팅 에너지량의 합보다 작도록 설정될 수 있다.
한편, 센서 노드에서 정해진 주기로 클러스터 헤드 노드로 센싱한 데이터를 전송하는 경우(즉, 주기적인 영상 전송 방식의 경우)에는 데이터의 미세한 변화량을 확인하기에 적합하지만, 클러스터 내 일 영역에서 발생한 특정 이벤트에 대한 보고 시간이 중요하거나 미세한 데이터의 변화가 중요하지 않은 어플리케이션에 있어서는 전체 네트워크의 에너지 낭비가 초래되며 특정 이벤트의 보고 시간이 크게 지연될 수 있다. 이를 위해, 본 시스템(100)은, 기지국(110)에 의하여 클러스터 헤드 노드가 클러스터 내 이벤트가 검출된 센서 노드에 한하여 데이터를 수신하도록 제어됨으로써, 본 시스템(100)의 전체 에너지 소비를 줄일 뿐만 아니라 발생된 특정 이벤트에 즉각적으로 반응할 수 있다.
구체적으로, 클러스터 내 복수의 센서 노드 각각은 이벤트의 발생 여부를 판단(즉, 이벤트의 발생을 검출)할 수 있다. 이때, 센서 노드는 이벤트가 발생된 경우 상기 step3에서 정해진 화질 에너지 제어 계수 내 화면률 마다 또는 센서 노드에 구비된 보조 센서 등의 센싱 주기마다 데이터를 클러스터 헤드 노드로 전송할지 여부를 결정할 수 있다. 여기서, 이벤트는 센서 노드가 획득하는 영상 내 미리 설정된 요소에 대하여 이전 영상 대비 현재 영상 간의 차분 값 또는 센서 노드에 구비된 보조 센서를 이용해 센싱된 데이터가 임계값 이상인 것으로 판단되는 이벤트를 의미할 수 있다. 달리 말해, 센서 노드가 주기적으로 배경 영상과 함께 현재 센싱한 영상을 차분했을 때 미리 설정된 임계값 이상의 값을 가지거나 PIR보조 센서 등을 이용해 센싱된 데이터가 미리 설정된 임계값 이상을 가지는 경우에 대하여 이벤트가 발생된 것으로 판단될 수 있다. 즉, 센서 노드나 보조 센서를 통해 센싱된 데이터에 있어서 미리 설정된 요소(즉, 관심 성분)에 대하여 미리 임계값을 설정해 둔 후 이를 넘어서는 경우에 한하여 이벤트가 발생된 것으로 판단될 수 있다.
센서 노드는, 이벤트가 발생한 경우(즉, 이벤트 발생이 검출된 경우) 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반하여 동작함으로써 발생된 데이터를 자신이 속한 클러스터의 클러스터 헤드 노드로 전송할 수 있다. 즉, 이벤트가 발생한 클러스터 멤버 노드는 클러스터 헤드 노드로 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 전송할 수 있다. 만약 이벤트가 발생하지 않은 경우(즉, 이벤트 발생이 검출되지 않은 경우), 센서 노드는 클러스터 헤드 노드로 데이터를 전송하지 않게 되며, 이에 따라 본 시스템(100)은 전체 네트워크의 무의미한 데이터 전송을 줄이고, 전체 전송 에너지의 소비를 크게 줄일 수 있다.
이때, 센서 네트워크 내에서 이벤트 발생 확률이 균등하지 않은 경우에는, 이벤트 발생 확률이 높은 영역의 센서 노드나 이를 포함하는 클러스터의 에너지가, 다른 영역 내의 센서 노드나 클러스터의 에너지에 비해 급격히 감소하게 된다. 이는 클러스터 간 에너지 불균형을 초래하여 다른 센서 노드의 에너지가 충분함에도 불구하고 임의의 다른 센서 노드가 먼저 죽음(즉, 배터리가 방전되거나 에너지 잔량이 센서 노드의 동작을 제한하는 정도의 임계값 이하로 떨어짐)으로써 센싱이 제한되는 영역을 발생시키며, 또한 본 시스템(100)의 전체 동작의 중단을 야기시킬 수 있다. 이를 위해, 본 시스템(100)에서 클러스터 헤드 노드는, 클러스터 대표 에너지 값을 기반으로 하여 이벤트가 발생한 센서 노드(즉, 클러스터 멤버 노드)로부터 획득한 데이터의 총합 데이터에 대한 전송경로를 결정 및 결정된 전송경로로 데이터를 전송할 수 있다. 달리 말해, 클러스터 헤드 노드는 클러스터 대표 에너지 값을 기반으로 하여 기지국으로의 총합 데이터 전송에 대한 전송경로(즉, 직접 전송경로 또는 중계 전송경로)를 제어할 수 있다.
전송경로 결정 방법에 대한 구체적인 설명은 다음과 같다. 클러스터 헤드 노드(10')(즉, 클러스터 헤드 노드 선정과 관련한 정보를 기지국으로부터 수신한 어느 하나의 센서 노드)는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터에 대한 전송경로를 결정할 수 있다. 이때, 클러스터 헤드 노드(10')는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터를 추가 프로세싱 하거나 또는 하지 않을 수 있으며, 수신한 데이터를 기지국(10)으로 전송하기 위한 총합 데이터를 생성할 수 있다.
클러스터 헤드 노드(10')는 총합 데이터를 기지국(110)으로 어떤 방식으로 전송할 것인지에 대한 전송경로를 결정할 수 있으며, 결정된 전송경로를 통해 총합 데이터를 전송할 수 있다. 이때, 클러스터 헤드 노드(10')는 기지국(110)으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송(즉, 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 경유하여 기지국으로 전송되는 다른 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송) 중 어느 하나로 전송경로를 결정될 수 있다.
클러스터 헤드 노드(10')는 전송경로를 결정하기 위해, 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드와 클러스터 대표 에너지 값을 공유(또는 교환)할 수 있다. 이후, 클러스터 헤드 노드(10')는 공유된 클러스터 대표 에너지 값 및 기지국까지의 전송 에너지를 기반으로 다른 클러스터의 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 후의 예상 잔여 에너지를 고려함으로써 전송경로를 결정할 수 있다. 클러스터 헤드 노드(10')는 중계 전송 후의 자신의 예상 잔여 에너지보다 중계 전송 후의 중계 전송을 수행하는 클러스터 헤드 노드(즉, 중계 클러스터 헤드 노드)의 예상 잔여 에너지가 크거나 같다고 판단되는 경우 전송경로를 중계 전송으로 결정할 수 있다. 반면, 클러스터 헤드 노드(10')는 자신의 예상 잔여 에너지보다 중계 전송을 수행하는 클러스터 헤드 노드의 예상 잔여 에너지가 작다고 판단되는 경우 전송경로를 직접 전송으로 결정할 수 있다.
다시 설명하면, 클러스터 헤드 노드에서의 전송경로 결정을 위해, 각 클러스터 헤드 간에는 클러스터 대표 에너지 값을 공유할 수 있다. 클러스터 헤드 노드는 클러스터 대표 에너지 값을 공유함으로써, 다른 클러스터에 대하여 어느 정도의 에너지 불균형을 가지는지를 확인할 수 있다.
여기서, 클러스터 대표 에너지 값은, 클러스터 내 센서 노드의 평균 잔여 에너지 레벨 및 클러스터 내 클러스터 헤드 노드의 잔여 에너지 레벨 중 어느 하나에 기초하여 결정된 값일 수 있다. 다시 말해, 클러스터 대표 에너지 값은 클러스터의 평균 잔여 에너지 레벨 또는 클러스터 헤드의 잔여 에너지 레벨로 결정될 수 있다. 다만, 이에만 한정되는 것은 아니고, 클러스터 대표 에너지 값은 클러스터 간 에너지 균형을 비교할 수 있는 값(달리 말해, 잔여 에너지를 비교할 수 있는 값)으로 다양하게 결정될 수 있다.
이후, 클러스터 헤드 노드는 공유된 클러스터 대표 에너지 값(즉, 자신이 속한 클러스터의 대표 에너지 값과 다른 클러스터의 대표 에너지 값)을 이용해 기지국(110)으로 직접 전송 또는 다른 클러스터의 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송에 대한 전송경로를 결정할 수 있다. 이후, 클러스터 헤드 노드는 결정된 전송경로를 통하여 총합 데이터를 전송할 수 있다. 직접 전송의 경우에는 클러스터 헤드 노드가 기지국(110)으로 총합 데이터를 직접 전송하고, 중계 전송의 경우에는 클러스터 헤드 노드가 다른 클러스터의 클러스터 헤드 노드로 총합 데이터를 전달하면, 이를 전달받은 다른 클러스터의 클러스터 헤드 노드가 총합 데이터를 기지국(110)으로 전송할 수 있다.
이때, 직접 전송 또는 중계 전송을 결정함에 있어서, 클러스터 헤드 노드는 클러스터 대표 에너지 값을 기반으로 다른 클러스터의 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 이후의 예상 잔여 에너지를 고려할 수 있다. 일예로, 클러스터 헤드 노드는 중계 전송 이후의 자신의 예상 잔여 에너지 보다 중계 전송 이후의 중계 클러스터 헤드 노드의 예상 잔여 에너지가 크거나 같은 경우 전송경로를 중계 전송 방식으로 결정하고, 그렇지 않은 경우에는 전송경로를 기지국(110)으로의 직접 전송 방식으로 결정할 수 있다. 이렇게 결정된 전송 방식을 통해 클러스터 헤드 노드는 총합 데이터를 전송할 수 있다.
한편, 센서 네트워크 내에서 이벤트의 발생 확률이 균등하게 나타나지 않기 때문에, 복수의 클러스터 각각에 있어서 클러스터 헤드 노드의 총합 데이터의 전송 횟수나 총합 데이터를 기지국으로 전송하는데 있어서 소모되는 에너지량, 에너지 잔량 변화 정도 등에 차이가 있을 수 있다.
즉, 이벤트가 지역적으로 불균등하게 발생함으로써 각 클러스터 마다 잔여 에너지 레벨(여기서, 잔여 에너지 레벨은 클러스터 헤드 노드의 잔여 에너지 레벨 또는 클러스터 내 전체 센서 노드의 평균 잔여 에너지 레벨 등을 의미할 수 있음)이 각기 다를 수 있다. 이를 고려하여, 본 시스템(100)에서 잔여 에너지 레벨이 낮은 클러스터 헤드 노드는 잔여 에너지 레벨이 높은 클러스터 헤드 노드를 중계 노드로 이용하여 총합 데이터를 기지국(110)까지 전송할 수 있으며, 이를 통해, 잔여 에너지 레벨이 낮은 클러스터 헤드 노드는 기지국(110)으로 데이터를 직접 전송하는데에 대한 부담이 줄어들 수 있다. 이때, 잔여 에너지 레벨이 높은 클러스터 헤드 노드라 할지라도, 잔여 에너지 레벨이 높은 클러스터 헤드 노드가 자신이 속한 클러스터의 총합 데이터와 중계 전송에 의해 전달받은 다른 클러스터의 총합 데이터를 함께 기지국(110)으로 전송하는 데에 대한 에너지 소비에 부담이 될 수 있으며, 이는 또 다른 클러스터 간의 에너지 불균형을 초래할 수 있다. 따라서, 이러한 문제를 종합적으로 고려한 클러스터 간 에너지 균형을 위해 본 시스템(100)에서는, 중계 전송을 수행하기 이전에 중계 전송을 수행할 시작 노드인 클러스터 헤드 노드(즉, 총합 데이터를 중계 전송을 통해 전송하고자 하는 클러스터 헤드 노드) 대비 중계 전송을 수행하는 중계 클러스터 헤드 노드의 예상 잔여 에너지 레벨이 같거나 큰지를 비교(또는 계산)함으로써 중계 클러스터 헤드 노드가 실제 중계 노드의 역할을 수행하기에 적합한지, 즉, 중계 노드의 역할을 수행하기에 에너지 레벨이 충분한지를 판별(또는 판단)할 수 있다.
클러스터 헤드 노드는 하기 수학식 10을 이용하여 직접 전송 또는 중계 전송에 대한 전송경로를 결정할 수 있다. 달리 말해, 클러스터 헤드 노드인
Figure 112017049955767-pat00050
는 하기 수학식 10을 만족할 때, 총합 데이터가 중계 클러스터 헤드 노드인
Figure 112017049955767-pat00051
를 경유하여 기지국(110)으로 전송되도록 제어될 수 있다.
즉, 하기 수학식 10을 만족하는 경우에는 총합 데이터가 중계 전송을 통해 전송되도록 전송경로가 중계 전송으로 결정될 수 있다. 반면, 하기 수학식 10을 만족하지 않는 경우에는 클러스터 헤드 노드가 기지국(110)으로 총합 데이터를 직접 전송하도록, 전송경로가 직접 전송으로 결정될 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112017049955767-pat00052
여기서,
Figure 112017049955767-pat00053
는 클러스터 헤드 노드,
Figure 112017049955767-pat00054
는 클러스터의 대표 에너지 값을 나타낸다.
Figure 112017049955767-pat00055
는 A 노드가 B 노드로 데이터를 전송하는데 사용되는 에너지량,
Figure 112017049955767-pat00056
는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터에 대한 추가 프로세싱 수행시 사용되는 에너지량,
Figure 112017049955767-pat00057
는 B노드가 A노드의 데이터를 수신할 때 사용되는 에너지량, BS 는 기지국을 나타낸다.
클러스터 헤드 노드에서 직접 전송 또는 중계 전송을 통해 총합 데이터를 전송한 이후에는, 에너지 균형을 고려한 클러스터링 과정(즉, 미리 설정된 조건에 따른 클러스터링 과정)을 제외한 클러스터 헤드 노드를 선정하는 과정이 수행될 수 있다. 달리 말해, 클러스터 헤드 노드로부터 총합 데이터에 대한 직접 전송 또는 중계 전송이 이루어진 이후에는 클러스터 헤드 노드의 재선정이 이루어질 수 있다. 즉, 전송경로에 따른 전송이 수행될 때마다 적응적 클러스터 헤드 선정 방법을 통해 클러스터 헤드 노드가 재선정될 수 있다.
재선정된 클러스터 헤드 노드는 클러스터 내 복수의 센서 노드들 중 이벤트가 검출된 센서 노드에서 발생한 센싱 영상을 수신하여 이를 추가 프로세싱하거나 하지 않을 수 있으며, 수신된 데이터를 총합한 총합 데이터를 기지국(110)으로 전송할 수 있다. 또한, 미리 설정된 단위 기간 이후에는 향후 하비스팅 에너지량, 에너지 사용량 및 현재 에너지 잔량을 이용하여 다음의 단위 기간(일정 기간) 동안에 사용될(적용될) 화질 에너지 제어 계수를 산출하는 과정, 클러스터 대표 에너지 값을 기반으로 전송경로에 따라서 소비되는 에너지를 미리 예측하여(즉, 예상 잔여 에너지의 산출) 전송경로를 결정하는 과정 및 결정된 전송경로를 따라 총합 데이터를 전송하는 과정이 반복적으로 수행될 수 있다.
이러한 본원은 본 시스템(100)을 통해, 무선 센서 네트워크의 에너지 불균형 없이 효율적인 에너지 소비가 이루어지도록 하고, 이벤트 검출에 즉각적인 반응이 이루어지도록 할 수 있다. 즉 본원은 본 시스템(100)을 통한 이벤트 검출 방법, 미리 설정된 조건에 따른 클러스터링 방법, 적응적 클러스터 헤드 노드 선정 방법, 화질 에너지 제어 계수 산출 방법 및 전송경로 결정 방법 등을 제공함으로써, 클러스터 간 또는 클러스터 내 에너지 균형을 이루면서 이벤트 검출에 즉시 반응할 수 있다.
즉, 본원은 클러스터 간 및/또는 클러스터 내 에너지 균형을 맞추기 위해 기지국과 클러스터에 대응하는 기준점 간의 거리에 따라 클러스터를 형성(즉, 클러스터의 크기에 대응하는 클러스터 내 센서 노드의 수를 결정)하고, 형성된 클러스터 내에서 센서 노드의 잔여 에너지와 기지국으로부터 떨어진 거리를 고려하여 클러스터 헤드 노드를 선정할 수 있다. 또한 본원은 효율적인 에너지 소비를 가능케 하는 화질 에너지 제어(달리 말해, 에너지 효율적 화질 에너지 제어)를 위해 현재 잔여 에너지와 예측된 향후 에너지 하비스팅을 이용하여 단위 기간 동안 사용될 화질 에너지 제어 계수를 산출(또는 선정)할 수 있다. 이후, 클러스터 헤드에서 기지국으로 또는 다른 클러스터 헤드로의 데이터 전송 후 마다 선정(즉, 재선정)되는 클러스터 헤드 노드는, 클러스터 멤버 노드의 이벤트 검출 여부(유/무)에 따라 이벤트가 검출된 클러스터 멤버 노드로부터 데이터를 수신할 수 있다. 이후, 클러스터 헤드 노드는 수신된 데이터를 병합하여 추가 프로세싱 하거나 하지 않을 수 있다. 또한 클러스터 헤드 노드는 결정된 전송경로에 따라 총합 데이터에 대한 데이터 전송 제어를 수행함으로써, 총합 데이터를 기지국(110) 또는 다른 클러스터 헤드 노드로 전송할 수 있다.
이러한 본원은 이벤트 검출 기반으로 비디오 무선 센서 네트워크를 조직화하고 데이터 전송경로를 제어하여 에너지 균형에 따른 네트워크의 수명을 최대로 늘릴 수 있다. 또한, 본원은 센싱 영상의 화질을 에너지와 함께 제어함으로써 최적 화질의 영상을 수집할 수 있다. 또한 본원은 에너지 하비스팅을 고려함으로써 비디오 센서 노드를 포함하는 본 시스템(100)의 에너지 불균형 없는 효율적인 에너지 소비와 이벤트 검출에 즉각적인 반응이 이루어지도록 제공할 수 있다.
이하에서는 상기에 자세히 설명된 내용을 기반으로, 본원의 동작 흐름을 간단히 살펴보기로 한다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법에 대한 동작 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법은 앞서 설명된 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템(100)의 클러스터 헤드 노드에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템(100)의 클러스터 헤드 노드에 대하여 설명된 내용은 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 7을 참조하면, 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터 내 복수의 센서 노드 중 어느 하나의 센서 노드가 클러스터 헤드 노드 선정과 관련한 정보를 기지국으로부터 수신할 수 있다(S710). 이에 따라, 상기 어느 하나의 센서 노드는 클러스터 헤드 노드를 의미할 수 있다.
여기서, 미리 설정된 조건은 미리 설정된 조건은 클러스터와 기지국 간의 거리를 고려하여 클러스터의 크기를 결정하는 조건일 수 있다. 또한, 클러스터의 크기는,
기지국과 클러스터에 대응하는 기준점 간의 거리의 제곱에 반비례한 수로 할당하여 결정된 센서 노드의 수일 수 있다.
또한, 단계S710에서, 어느 하나의 센서 노드는, 복수의 센서 노드의 잔여 에너지를 고려하여 선정될 수 있다. 또한, 어느 하나의 센서 노드는, 복수의 센서 노드와 기지국 간의 거리를 더 고려하여 선정될 수 있다. 일예로, 어느 하나의 센서 노드는, 클러스터 내 잔여 에너지가 임계 에너지 값 이상인 센서 노드 중 기지국과의 거리가 가장 가까운 센서 노드로 선정될 수 있다.
다음으로, 어느 하나의 센서 노드가, 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 수신할 수 있다(S720).
여기서, 이벤트는 센서 노드가 획득하는 영상 내 미리 설정된 요소에 대하여 이전 영상 대비 현재 영상 간의 차분값 또는 센서 노드에 구비된 보조 센서를 이용해 센싱된 데이터가 임계값 이상인 것으로 판단되는 이벤트일 수 있다.
또한, 단계S720에서, 어느 하나의 센서 노드는 화질 에너지 제어 계수를 산출할 수 있다. 이는 도 8을 참조하여 보다 쉽게 이해될 수 있다.
도 8은 도 7에서 단계S720의 세부 흐름을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 어느 하나의 센서 노드는 화질 에너지 제어 계수를 산출하기 위해, 단계S721에서 과거 하비스팅 데이터를 기반으로 향후 하비스팅 에너지량을 예측할 수 있다.
다음으로, 단계S722에서는 에너지 소비 모델을 이용한 화질 에너지 제어 계수별 에너지 사용량 계산을 통해 에너지 사용량을 계산할 수 있다. 이때, 단계S722에서는, 센서 노드에 포함된 이미지 센서 모듈, 부호화 모듈, 전송 모듈 및 수신 모듈 각각에 대한 에너지 소비 모델을 이용하여 계산할 수 있다.
이미지 센서 모듈에 대응하는 에너지 소비 모델은 앞서 설명된 상기 수학식 7를 만족하고, 부호화 모듈에 대응하는 에너지 소비 모델은 상기 수학식 8을 만족하고, 전송 모듈에 대응하는 에너지 소비 모델은 상기 수학식 1을 만족하고, 수신 모듈에 대응하는 에너지 소비 모델은 상기 수학식 2를 만족할 수 있으며, 중복되는 설명은 이하 생략하기로 한다.
다음으로, 단계S723에서는 단계S721에서 예측된 향후 하비스팅 에너지량, 단계S722에서 계산된 에너지 사용량 및 클러스터 내 센서 노드 중 최저 잔여 에너지를 갖는 센서 노드의 에너지를 이용하여 미리 설정된 단위 기간 동안 사용되는 화질 에너지 제어 계수를 산출할 수 있다.
단계S723에서 산출되는 화질 에너지 제어 계수는, 현재 시점으로부터 당일 일몰 시점까지 화질 에너지 제어 계수로 동작했을 때의 에너지 소비량과 당일 일몰 시점부터 다음날 일출까지 에너지 소비를 최소로 한 최소 에너지 소비량의 합이, 현재 시점에서의 최저 잔여 에너지와 현재 시점으로부터 당일 일몰 시점까지의 하비스팅 에너지량의 합보다 작도록 설정될 수 있다.
이때, 단계S723에서 산출되는 화질 에너지 제어 계수는 앞서 설명된 수학식 9를 만족할 수 있으며, 중복되는 설명은 이하 생략하기로 한다.
다음으로, 어느 하나의 센서 노드가, 단계S720에서 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터에 대한 전송경로를 결정할 수 있다(S730).
이때, 단계S730에서, 전송경로는 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나로 결정될 수 있다.
또한, 단계S730에서, 어느 하나의 센서 노드는, 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드와 클러스터 대표 에너지 값을 공유하고, 공유된 클러스터 대표 에너지 값 및 기지국까지의 전송 에너지 중 적어도 하나를 기반으로 중계 전송 후의 예상 잔여 에너지를 고려하여 전송경로를 결정할 수 있다.
또한, 단계S730에서, 어느 하나의 센서 노드는, 중계 전송 후의 자신의 예상 잔여 에너지보다 중계 전송 후의 중계 전송을 수행하는 클러스터 헤드 노드의 예상 잔여 에너지가 크거나 같다고 판단되는 경우 전송경로를 중계 전송으로 결정할 수 있다. 한편, 단계S730에서, 어느 하나의 센서 노드는, 자신의 예상 잔여 에너지보다 중계 전송을 수행하는 클러스터 헤드 노드의 예상 잔여 에너지가 작다고 판단되는 경우 전송경로를 직접 전송으로 결정할 수 있다.
또한, 단계S730에서, 클러스터 대표 에너지 값은, 클러스터 내 센서 노드의 평균 잔여 에너지 레벨 및 클러스터 내 클러스터 헤드 노드의 잔여 에너지 레벨 중 어느 하나에 기초하여 결정된 값일 수 있다.
또한, 단계S730에서, 어느 하나의 센서 노드는 상기의 수학식 10을 이용하여 전송경로를 결정할 수 있다.
다음으로, 어느 하나의 센서 노드가, 단계73에서 결정된 전송경로를 통해 총합 데이터를 전송할 수 있다(S740).
단계S740가 수행된 이후 다시 단계S710이 수행될 수 있다. 달리 말해 단계S740가 종료되면, 복수의 센서 노드를 클러스터링하는 과정은 생략되고 클러스터 헤드 노드를 선정하는 과정이 다시 수행될 수 있다.
상술한 설명에서, 단계 S710 내지 S740은 본원의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.
한편, 본원의 다른 일 실시예에 따른 무선 센서 네트 클러스터 기반 전송 제어를 지원하는 센서 노드는 프로세서 및 통신 모듈을 포함할 수 있다. 여기서 센서 노드는 클러스터 헤드 노드를 의미할 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 앞서 클러스터 헤드 노드에 대하여 설명한 내용은 무선 센서 네트 클러스터 기반 전송 제어를 지원하는 센서 노드에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
간단히 살펴보면, 센서 노드의 통신 모듈은 네트워크를 통해 다른 센서 노드 (특히, 자신이 속한 클러스터 내 센서 노드 또는 다른 클러스터 내 속한 클러스터 헤드 노드) 또는 기지국과 정보(또는 데이터)를 송수신할 수 있다.
센서 노드의 프로세서는, (a) 기지국으로부터 클러스터 헤드 노드 선정과 관련한 정보를 수신하는 단계; (b) 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터 내 복수의 센서 노드 중 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 수신하는 단계; (c) 상기 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터에 대한 전송경로를 결정하는 단계; 및 (d) 상기 어느 하나의 센서 노드가, 상기 (c) 단계에서 결정된 전송경로를 통해 상기 총합 데이터를 전송하는 단계를 수행하되, 상기 (c) 단계에서, 상기 전송경로는 상기 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나로 결정될 수 있다.
도 9는 본원의 다른 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법에 대한 동작 흐름을 나타낸 도면이다.
도 9에 도시된 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법은 앞서 설명된 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템(100)의 기지국(110)에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 이벤트 검출 기반의 무선 센서 네트워크 시스템(100)의 기지국(110)에 대하여 설명된 내용은 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 9를 참조하면, 기지국에서, 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터에서 클러스터 헤드 노드를 선정할 수 있다(S910).
다음으로, 기지국에서, 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 상기 클러스터 헤드 노드가 수신하도록 제어할 수 있다(S920).
다음으로, 기지국에서, 클러스터 헤드 노드가 결정한 전송경로를 통하여 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터를 클러스터 헤드 노드로부터 수신할 수 있다(S930).
이때 단계S930에서, 기지국은, 클러스터 헤드 노드가 전송경로를 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나로 결정하도록 제어할 수 있다.
상술한 설명에서, 단계 S910 내지 S930은 본원의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.
한편, 본원의 다른 일 실시예에 따른 무선 센서 네트 클러스터 기반 전송 제어를 지원하는 기지국 장치는 프로세서 및 통신 모듈을 포함할 수 있다. 여기서, 기지국 장치는 앞서 설명된 기지국(110)을 의미할 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 앞서 기지국(110)에 대하여 설명한 내용은 무선 센서 네트 클러스터 기반 전송 제어를 지원하는 기지국 장치에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
간단히 살펴보면, 기지국 장치의 통신 모듈은 네트워크를 통해 클러스터 헤드 노드와 데이터를 송수신할 수 있다.
기지국 장치의 프로세서는, (a) 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터에서 클러스터 헤드 노드를 선정하는 단계; (b) 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 상기 클러스터 헤드 노드가 수신하도록 제어하는 단계; (c) 상기 클러스터 헤드 노드가 결정한 전송경로를 통하여 상기 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터를 상기 클러스터 헤드 노드로부터 수신하는 단계를 수행하되, 상기 (c) 단계에서, 상기 클러스터 헤드 노드가 상기 전송경로를 상기 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나로 결정하도록 제어할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크 클러스터기반 전송 제어 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 무선 센서 네트워크 시스템
110: 기지국
120: 네트워크
10, 20, 30, 40, 50, 10', 20', 30', 40', 50': 클러스터 헤드 노드
1, 2, 3, 4: 클러스터 멤버 노드

Claims (22)

  1. 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법에 있어서,
    (a) 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터 내 복수의 센서 노드 중 어느 하나의 센서 노드가 클러스터 헤드 노드 선정과 관련한 정보를 기지국으로부터 수신하는 단계;
    (b) 상기 어느 하나의 센서 노드가, 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 수신하는 단계;
    (c) 상기 어느 하나의 센서 노드가, 상기 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터에 대한 전송경로를 결정하는 단계; 및
    (d) 상기 어느 하나의 센서 노드가, 상기 (c) 단계에서 결정된 전송경로를 통해 상기 총합 데이터를 전송하는 단계를 포함하되,
    상기 (c) 단계에서, 상기 전송경로는 상기 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나로 결정되고,
    상기 (c) 단계는,
    상기 어느 하나의 센서 노드가, 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드와 클러스터 대표 에너지 값을 공유하고,
    공유된 클러스터 대표 에너지 값을 기반으로 상기 중계 전송 후의 예상 잔여 에너지를 고려하여 상기 전송경로를 결정하는 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 어느 하나의 센서 노드가, 상기 중계 전송 후의 자신의 예상 잔여 에너지보다 상기 중계 전송 후의 중계 전송을 수행하는 클러스터 헤드 노드의 예상 잔여 에너지가 크거나 같다고 판단되는 경우 상기 전송경로를 상기 중계 전송으로 결정하고,
    상기 자신의 예상 잔여 에너지보다 상기 중계 전송을 수행하는 클러스터 헤드 노드의 예상 잔여 에너지가 작다고 판단되는 경우 상기 전송경로를 상기 직접 전송으로 결정하는 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    하기 수학식 1을 이용하여 상기 전송경로를 결정하는 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법;
    [수학식 1]
    Figure 112017049955767-pat00058

    (여기서,
    Figure 112017049955767-pat00059
    는 클러스터 헤드 노드,
    Figure 112017049955767-pat00060
    는 클러스터 대표 에너지 값,
    Figure 112017049955767-pat00061
    는 A 노드가 B 노드로 데이터를 전송하는데 사용되는 에너지량,
    Figure 112017049955767-pat00062
    는 상기 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터에 대한 프로세싱 수행시 사용되는 에너지량,
    Figure 112017049955767-pat00063
    는 B노드가 A노드의 데이터를 수신할 때 사용되는 에너지량, BS 는 기지국을 나타냄).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 클러스터 대표 에너지 값은,
    클러스터 내 센서 노드의 평균 잔여 에너지 레벨 및 클러스터 내 클러스터 헤드 노드의 잔여 에너지 레벨 중 어느 하나에 기초하여 결정된 값인 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이벤트는,
    센서 노드가 획득하는 영상 내 미리 설정된 요소에 대하여 이전 영상 대비 현재 영상 간의 차분값이 임계값 이상인 것으로 판단되는 이벤트인 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미리 설정된 조건은 상기 클러스터와 상기 기지국 간의 거리를 고려하여 상기 클러스터의 크기를 결정하는 조건인 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 클러스터의 크기는,
    상기 기지국과 상기 클러스터에 대응하는 기준점 간의 거리의 제곱에 반비례한 수로 할당하여 결정된 센서 노드의 수인 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 어느 하나의 센서 노드는, 상기 복수의 센서 노드의 잔여 에너지를 고려하여 선정되는 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 어느 하나의 센서 노드는, 상기 복수의 센서 노드와 기지국 간의 거리를 더 고려하여 선정되는 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 어느 하나의 센서 노드는, 상기 클러스터 내 잔여 에너지가 임계 에너지 값 이상인 센서 노드 중 상기 기지국과의 거리가 가장 가까운 센서 노드로 선정되는 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (d) 단계가 수행된 이후 다시 상기 (a) 단계가 수행되는 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    (b1) 과거 하비스팅 데이터를 기반으로 향후 하비스팅 에너지량을 예측하는 단계;
    (b2) 에너지 소비 모델을 이용한 화질 에너지 제어 계수별 에너지 사용량 계산을 통해 에너지 사용량을 계산하는 단계; 및
    (b3) 상기 예측된 향후 하비스팅 에너지량, 상기 계산된 에너지 사용량 및 상기 클러스터 내 센서 노드 중 최저 잔여 에너지를 갖는 센서 노드의 에너지를 이용하여 미리 설정된 단위 기간 동안 사용되는 상기 화질 에너지 제어 계수를 산출하는 단계,
    를 포함하는 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 (b2) 단계는,
    센서 노드에 포함된 이미지 센서 모듈, 부호화 모듈, 전송 모듈 및 수신 모듈 각각에 대한 에너지 소비 모델을 이용하여 계산하는 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 이미지 센서 모듈에 대응하는 에너지 소비 모델은 하기 수학식 2를 만족하고,
    [수학식 2]
    Figure 112017049955767-pat00064

    (여기서,
    Figure 112017049955767-pat00065
    는 한 프레임당 소비하는 에너지임)
    상기 부호화 모듈에 대응하는 에너지 소비 모델은 하기 수학식 3을 만족하고,
    [수학식 3]
    Figure 112017049955767-pat00066

    (여기서,
    Figure 112017049955767-pat00067
    는 동작주파수,
    Figure 112017049955767-pat00068
    는 동작주파수에 따른 모델 계수,
    Figure 112017049955767-pat00069
    는 양자화 계수에 따른 비트레이트(bitrate),
    Figure 112017049955767-pat00070
    는 비트레이트(bitrate)에 따른 CPU 사이클 수를 나타냄)
    상기 전송 모듈에 대응하는 에너지 소비 모델은 하기 수학식 4를 만족하고,
    [수학식 4]
    Figure 112017049955767-pat00071

    (여기서,
    Figure 112017049955767-pat00072
    는 상기 전송 모듈이 동작하는데 사용되는 에너지량,
    Figure 112017049955767-pat00073
    는 전송하는 데이터의 비트(bit)수,
    Figure 112017049955767-pat00074
    는 증폭기가 동작하는데 사용되는 에너지량,
    Figure 112017049955767-pat00075
    는 데이터를 전송하는 곳까지 떨어진 거리를 나타냄)
    상기 수신 모듈에 대응하는 에너지 소비 모델은 하기 수학식 5를 만족하는 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법;
    [수학식 5]
    Figure 112017049955767-pat00076

    (여기서,
    Figure 112017049955767-pat00077
    는 상기 전송 모듈이 동작하는데 사용되는 에너지량,
    Figure 112017049955767-pat00078
    는 전송하는 데이터의 비트(bit)수를 나타냄).
  16. 제13항에 있어서,
    상기 (b3) 단계에서 산출되는 상기 화질 에너지 제어 계수는, 현재 시점으로부터 당일 일몰 시점까지 화질 에너지 제어 계수로 동작했을 때의 에너지 소비량과 당일 일몰 시점부터 다음날 일출까지 에너지 소비를 최소로 한 최소 에너지 소비량의 합이, 상기 현재 시점에서의 상기 최저 잔여 에너지와 상기 현재 시점으로부터 상기 당일 일몰 시점까지의 하비스팅 에너지량의 합보다 작도록 설정되는 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 (b3) 단계에서 산출되는 상기 화질 에너지 제어 계수는 하기 수학식 6을 만족하는 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법;
    [수학식 6]
    Figure 112018043723765-pat00079

    (여기서,
    Figure 112018043723765-pat00080
    는 당일 일몰부터 다음날 일출까지 상기 단위 기간의 총 수,
    Figure 112018043723765-pat00081
    는 현재 단위 기간부터 당일 일몰까지의 상기 단위 기간의 총 수,
    Figure 112018043723765-pat00082
    는 상기 (b3) 단계에서 산출되는 상기 화질 에너지 제어 계수로 동작했을 때 상기 단위 기간에 대응하는 에너지 소비량,
    Figure 112018043723765-pat00083
    는 현재 에너지량,
    Figure 112018043723765-pat00084
    는 현재부터 i번째 후 단위 기간의 하비스팅 에너지량,
    Figure 112018043723765-pat00085
    는 제어 파라미터들을 에너지 소비가 최소화되도록 설정했을 때 사용되는 에너지 소비량,
    Figure 112018043723765-pat00086
    는 n번째 단위 기간의 최적 화질 에너지 제어 계수로서 각각 부호화 태스크, 동작주파수, 양자화 계수 및 화면률을 나타냄).
  18. 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법에 있어서,
    (a) 기지국에서, 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터에서 클러스터 헤드 노드를 선정하는 단계;
    (b) 상기 기지국에서, 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 상기 클러스터 헤드 노드가 수신하도록 제어하는 단계; 및
    (c) 상기 기지국에서, 상기 클러스터 헤드 노드가 결정한 전송경로를 통하여 상기 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터를 상기 클러스터 헤드 노드로부터 수신하는 단계를 포함하되,
    상기 기지국은, 상기 (c) 단계에서, 상기 클러스터 헤드 노드가 상기 전송경로를 상기 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나로 결정하도록 제어하며, 상기 클러스터 헤드 노드가 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드와 클러스터 대표 에너지 값을 공유하고, 공유된 클러스터 대표 에너지 값을 기반으로 상기 중계 전송 후의 예상 잔여 에너지를 고려하여 상기 전송경로를 결정하도록 제어하는 것인, 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어 방법.
  19. 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어를 지원하는 센서 노드에 있어서,
    프로세서; 및
    통신 모듈을 포함하되,
    상기 프로세서는,
    (a) 기지국으로부터 클러스터 헤드 노드 선정과 관련한 정보를 수신하는 단계;
    (b) 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터 내 복수의 센서 노드 중 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 수신하는 단계;
    (c) 상기 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터에 대한 전송경로를 결정하는 단계; 및
    (d) 상기 (c) 단계에서 결정된 전송경로를 통해 상기 총합 데이터를 전송하는 단계를 수행하되,
    상기 (c) 단계에서, 상기 전송경로는 상기 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나로 결정되고,
    상기 (c) 단계에서는, 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드와 클러스터 대표 에너지 값을 공유하고, 공유된 클러스터 대표 에너지 값을 기반으로 상기 중계 전송 후의 예상 잔여 에너지를 고려하여 상기 전송경로를 결정하는 것인, 센서 노드.
  20. 무선 센서 네트워크 클러스터 기반 전송 제어를 지원하는 기지국 장치에 있어서,
    프로세서; 및
    통신 모듈을 포함하되,
    상기 프로세서는,
    (a) 미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터에서 클러스터 헤드 노드를 선정하는 단계;
    (b) 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 상기 클러스터 헤드 노드가 수신하도록 제어하는 단계;
    (c) 상기 클러스터 헤드 노드가 결정한 전송경로를 통하여 상기 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터를 상기 클러스터 헤드 노드로부터 수신하는 단계를 수행하되,
    상기 (c) 단계에서, 상기 클러스터 헤드 노드가 상기 전송경로를 상기 기지국 장치로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나로 결정하도록 제어하며, 상기 클러스터 헤드 노드가 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드와 클러스터 대표 에너지 값을 공유하고, 공유된 클러스터 대표 에너지 값을 기반으로 상기 중계 전송 후의 예상 잔여 에너지를 고려하여 상기 전송경로를 결정하도록 제어하는 것인, 기지국 장치.
  21. 무선 센서 네트워크 시스템에 있어서,
    미리 설정된 조건에 따라 클러스터링된 클러스터에서 클러스터 헤드 노드를 선정하는 기지국; 및
    상기 클러스터 내 복수의 센서 노드 중 발생된 이벤트에 대응하는 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 기 산출된 화질 에너지 제어 계수에 기반한 동작 제어에 따라 발생된 데이터를 수신하고, 상기 적어도 하나의 클러스터 멤버 노드로부터 수신한 데이터의 총합 데이터에 대한 전송경로를 결정하고, 결정된 전송경로를 통해 상기 총합 데이터를 전송하는 클러스터 헤드 노드,
    를 포함하되,
    상기 클러스터 헤드 노드는, 상기 기지국으로의 직접 전송 및 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드를 통한 중계 전송 중 어느 하나로 상기 전송경로를 결정하며, 다른 클러스터 내 클러스터 헤드 노드와 클러스터 대표 에너지 값을 공유하고, 공유된 클러스터 대표 에너지 값을 기반으로 상기 중계 전송 후의 예상 잔여 에너지를 고려하여 상기 전송경로를 결정하는 것인, 무선 센서 네트워크 시스템.
  22. 제1항, 제3항 내지 제18항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체.
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