KR101912734B1 - 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법 및 장치 - Google Patents

태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법 및 장치를 개시한다.
태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법에 있어서, 상기 무선 센서 네트워크의 각 센서 노드에서 에너지 문턱값 및 잔여 에너지량에 의거하여 ER 모드(Energy-Rich Mode)와 ES 모드(Energy-Save Mode) 중에서 하나의 동작 모드를 선택하는 모드 선택 단계; 각 클러스터의 ER 모드의 노드 중에서 어느 하나를 클러스터 헤드로 선정하는 단계; 이동 싱크가 ER 모드이면서 거리가 가장 가까운 노드를 액세스 노드로 선정하고, 상기 선정된 액세스 노드로 위치 정보를 등록함에 따라, 상기 액세스 노드가 자신의 위치 정보를 자신이 속한 클러스터 헤드를 통해 모든 클러스터 헤드에게 전송하여 공유시키는 위치 알림 단계; 및 각 클러스터 헤드가 상기 액세스 노드의 위치 정보가 전송된 경로의 역방향으로 데이터 전송 경로를 설정하고, 클러스터 내의 멤버 노드에서 수집된 수집 데이터를 상기 데이터 전송 경로에 의거하여 상기 액세스 노드로 전송하는 데이터 전송 단계;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

Description

태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법 및 장치{CLUSTER-BASED MOBILE SINK LOCATION MANAGEMENT METHOD AND APPARATUS FOR SOLAR-POWERED WIRELESS SENSOR NETWORKS}
본 발명은 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법 및 장치에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)는 센서로 구성되어 있는 네트워크로서, 무선 센서를 사용하여 주변 지역의 정보를 수집하는 역할을 수행한다.
WSN은 정보를 수집하는 센서 노드들과 수집된 데이터가 모이는 싱크 노드로 구성되어 있으며, 지역정보수집, 군사지역, 자연재해 알림, 헬스케어, 스마트홈 등 여러 분야에서 활용되고 있다.
기존 WSN은 에너지원으로 배터리를 사용하는데, 배터리 기반 WSN은 고정된 에너지 양으로 인하여 제한된 수명을 갖고 있다.
따라서, 네트워크의 수명을 늘리기 위해 시스템 측면이나 네트워크 측면에서 에너지 사용을 최소화하는 방향으로 동작한다.
그럼에도 불구하고 제한된 에너지라는 배터리의 근본적인 문제로 인하여, WSN은 배터리를 수동으로 교환하는 추가적인 작업을 하지 않는 한 일회성 사용에 그치게 된다.
이러한 문제를 극복하기 위해 주변 환경으로부터 에너지를 수집하는 에너지 수집형 센서에 대한 연구가 최근 활발히 진행되고 있다.
에너지 수집형 센서는 주변 환경에서 에너지를 수집하기 때문에 하드웨어의 문제가 없는 한 지속적으로 동작할 수 있다.
특히, 태양 에너지는 다른 수집 에너지원에 비해 전력 밀도가 높기 때문에, 대부분의 WSN 응용에서 센서 노드가 필요로 하는 에너지 요구량을 충분히 만족시킬 수 있다.
따라서, 에너지 사용량의 최소화를 목표로 했던 배터리 기반의 WSN의 여러 연구와 다르게, 에너지 수집형 WSN에서는 수집되는 에너지를 보다 효율적으로 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
예를 들어, 에너지 수집형 센서에서 에너지 사용의 최소화를 목표로 한다면, 재충전가능 배터리가 완충되어, 사용도 못하고 버려지는 수집 에너지가 발생할 수도 있다.
이와 관련하여, 에너지 수집량과 소모량에 따른 에너지 문턱값 모델을 제안하여 문턱값 이상의 잔존 에너지를 가진 노드에서는 에너지 사용을 최소화하는 대신 에너지를 활발히 사용하게 하는 기법이 제안되고(비특허문헌 1), 태양 에너지 수집량 예측 및 이에 따른 효율적인 에너지 스케쥴링 기법이 제안되었다(비특허문헌 2).
한편, 최근에는 드론 등의 이동 싱크를 이용한 WSN이 활발히 연구됨에 따라, 이를 효율적으로 지원하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다.
특히, 클러스터링을 이용한 기법들이 낮은 오버헤드와 높은 효율성으로 인하여 가장 활발히 연구되고 있다.
예를 들어, 이동 싱크를 이용한 배터리 기반 WSN에서 싱크의 위치를 알리는 오버헤드를 줄이기 위해 노드의 클러스터 레벨을 멀티 레벨로 나누어 최상위 레벨에게만 이동 싱크의 위치를 알리는 기법이 있다(비특허문헌 3). 그러나 이러한 배터리 기반의 WSN에서는 수집되는 에너지가 없고, 또한 각 레벨의 클러스터 헤드로 선출된 노드들은 에너지를 상대적으로 많이 사용하기 때문에, 각 노드는 라운드로빈 방식으로 헤드 노드의 역할을 수행하게 된다.
다른 예로, LEACH(비특허문헌 5)를 기반으로 하는 클러스터링 기법이 있다(비특허문헌 4). 이 기법에서 클러스터 헤드들과 멤버 노드들 간의 데이터 통신은 TDMA(time division multiple access)를 기반으로 한다. 그리고 이동 싱크는 랜덤하게 움직이며 클러스터 헤드의 위치 정보를 수집하고 클러스터끼리의 평균 거리를 계산한 후, 이동 싱크가 수집한 클러스터 헤드의 에너지와 거리에 기반하여 새로 이동할 위치를 결정하게 된다.
또 다른 예로, 클러스터 헤드와 이동 싱크 간에 TDMA 스케쥴링으로 데이터 전송을 조정하는 기법이 있다(비특허문헌 6). 이 기법에서 이동 싱크는 네트워크를 이동하면서 현재 자신의 위치와 인접한 클러스터 헤드로부터 데이터를 얻는다. 그리고 헤드 노드들의 잔여 에너지에 대한 정보를 수집하여 더 높은 에너지를 가진 클러스터로 이동하면서 전체 네트워크의 에너지 균형을 맞춘다. 그러나 이 기법은 이동 싱크가 클러스터 헤드 근처에 왔을 때만 데이터 전송이 가능하기 때문에 지연을 허용하는(delay-tolerant) 응용에 사용이 국한된다.
또한, 제한된 시간 동안 이동 싱크가 모든 클러스터 헤드 노드를 방문할 것이란 보장이 없기 때문에 네트워크의 일부분이 제대로 서비스되지 않을 수 있다는 문제점이 있다.
또 다른 예로, 고정된 경로를 이동하는 이동 싱크를 이용한 태양 에너지 기반 WSN에서 데이터를 효율적으로 수집하는 클러스터링 기법이 있다(비특허문헌 7). 각 노드의 에너지 문턱값을 기준으로 잔여 에너지가 문턱값 이상인 노드들 중에서 클러스터 헤드를 선출하고 클러스터 헤드끼리는 서로 데이터 공유를 하여 이동 싱크의 이동 거리를 줄이는 것을 목표로 한다. 그러나 이 기법은 이동 싱크가 고정된 경로를 이동하므로, 이동 싱크의 위치 정보를 미리 알고 있다는 가정하에 이루어진다. 따라서, 이 기법은 이동 싱크가 무작위 경로로 이동하는 경우에는 이용될 수 없는 문제점이 있다.
이동 싱크가 무작위 경로로 이동하는 경우에는 이동 싱크의 위치 정보를 계속하여 갱신시켜야 할 필요가 있는데, 종래에는 이동하는 이동 싱크의 위치를 모든 노드에 알려야 했다.
따라서, 추가적으로 에너지가 소모되고, 변동된 이동 싱크의 위치를 모든 노드에 알려주어야 하므로 오버헤드가 발생하는 문제점이 있다.
한국등록특허공보 제10-1735369호(공고일 2017.05.15.)
Y. Yang, L. Wang, D. Noh, H. K. Le and T. Abdelzaher, "SolarStore: Enhancing Data Reliability in Solar-powered Storage-centric Sensor Networks," ACM International Conference on Mobile System, Applications and Services, June, 2009 A. Kansal, J. Hsu, S. Zahedi and M. B. Srivastava, "Power management in energy harvesting sensor networks," ACM Transaction on Embedded Computing Systems, Vol. 6, No. 4, pp. 1-38, September, 2007 Kate Ching-Ju Lin, Po-Lin Chou and Cheng-Fu Chou, "HCDD : hierarchical cluster-based data dissemination in wireless sensor networks with mobile sink," Proc. the International Conference on Wireless Communications and Mobile Computing, July, 2006 Y. Xun-Xin and Z. Rui-Hua, "An energy-efficient mobile sink routing algorithm for wireless sensor networks," in Wireles Communications, Networking and Mobile Computing (WiCOM), 2011 W. R. Heinzelman, A. Chandrakasan and H. Balakrishnan, "Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks," in Proc. 33rd Hawaii Int. Conf. on System Sciences, ser. HICSS ‘00, Vol. 8, Washington, DC, USA: IEEE Computer Society, 2000, pp. 8020-8030 B. Nazir and H. Hasbullah, "Mobile sink based routing protocol (MSRP) for prolonging network lifetime in clustered wireless sensor network," in Computer Applications and Industrial Electronics (ICCAIE), 2010 Int. Conf. on, dec. 2010, pp. 624-629 H. Lee, J. Yi, J. Kim, M. Park and D. Noh, "Energy-aware Clustering Topology Management to Support a Mobile Sink in Solar-Powered WSNs," Proc. IEEE Asia Pacific Wireless Communications Symposium, Aug, 2015 J. A. Hartigan and M. A. Wong, "Algorithm AS 136: A K-Means Clustering Algorithm," Journal of the Royal Statistical Society, Vol. 28, No. 1, pp. 100-108, 1979
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 태양 에너지 수집형 센서에서 발생한 여분의 에너지를 이동 싱크의 위치 공유와 데이터 전송에 사용하여, 전체 정전 노드의 개수를 감소시키고, 싱크에 수집되는 데이터를 증가시킬 수 있도록 하는 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법 및 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 클러스터별로 클러스터 헤드를 선정하고, 선정된 클러스터 헤드들만 이동 싱크가 위치를 등록한 액세스 헤드의 위치 정보를 공유토록 함으로써, 이동 싱크의 위치 정보를 공유함에 있어서 발생하는 오버헤드를 줄일 수 있도록 하는 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법 및 장치를 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법은, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법에 있어서, 상기 무선 센서 네트워크의 각 센서 노드에서 에너지 문턱값 및 잔여 에너지량에 의거하여 ER 모드(Energy-Rich Mode)와 ES 모드(Energy-Save Mode) 중에서 하나의 동작 모드를 선택하는 모드 선택 단계; 각 클러스터의 ER 모드의 노드 중에서 어느 하나를 클러스터 헤드로 선정하는 단계; 이동 싱크가 ER 모드이면서 거리가 가장 가까운 노드를 액세스 노드로 선정하고, 상기 선정된 액세스 노드로 위치 정보를 등록함에 따라, 상기 액세스 노드가 자신의 위치 정보를 자신이 속한 클러스터 헤드를 통해 모든 클러스터 헤드에게 전송하여 공유시키는 위치 알림 단계; 및 각 클러스터 헤드가 상기 액세스 노드의 위치 정보가 전송된 경로의 역방향으로 데이터 전송 경로를 설정하고, 클러스터 내의 멤버 노드에서 수집된 수집 데이터를 상기 데이터 전송 경로에 의거하여 상기 액세스 노드로 전송하는 데이터 전송 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 모드 선택 단계는, 상기 잔여 에너지량이 에너지 문턱값보다 크면 ER 모드를 동작 모드로 선택하는 단계; 및 상기 잔여 에너지량이 에너지 문턱값보다 작으면 ES 모드를 동작 모드로 선택하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 각 센서 노드의 에너지 문턱값은 아래의 수학식에 의해 계산하고,
Figure 112017078619306-pat00001
여기서,
Figure 112017078619306-pat00002
는 i번째 센서 노드(
Figure 112017078619306-pat00003
)의 평균 에너지 수집률,
Figure 112017078619306-pat00004
는 i번째 센서 노드(
Figure 112017078619306-pat00005
)의 평균 에너지 소모율, c(i)는 i번째 센서 노드(
Figure 112017078619306-pat00006
)의 전체 배터리 용량을 나타내는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 위치 알림 단계는, 상기 이동 싱크가 이웃 노드 중에서 ER 모드이면서 거리가 가장 가까운 노드를 액세스 노드로 선정하는 단계; 상기 선정된 액세스 노드로 이동 싱크 자신의 위치 정보를 등록하는 단계; 상기 액세스 노드가 자신의 위치 정보를 자신이 속한 클러스터 헤드로 전송하는 단계; 및 상기 클러스터 헤드가 다른 클러스터 헤드로 상기 액세스 노드의 위치 정보를 전송하여 상기 액세스 노드의 위치 정보를 공유하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 이동 싱크의 이동에 따라 상기 액세스 노드의 통신 범위를 벗어나게 되면, ER 모드이면서 거리가 가장 가까운 노드를 액세스 노드로 새로 선정하는 단계; 및 상기 새로 선정된 액세스 노드가 이전 액세스 노드와 다른 클러스터 멤버이면, 상기 이동 싱크의 요구에 따라 상기 새로 선정된 액세스 노드가 자신의 위치 정보를 자신이 속한 클러스터 헤드를 통해 모든 클러스터 헤드에게 전송하여 공유시키는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 데이터 전송 단계는, 각 클러스터 헤드가 상기 액세스 노드의 위치 정보가 전송된 경로의 역방향으로 데이터 전송 경로를 설정하는 단계; 자신에게 속해 있는 각 센서 노드에서 수집한 수집 데이터를 수신하는 단계; 각 센서 노드로부터 수신된 수집 데이터를 병합하여 중복 데이터를 제거하는 단계; 및 중복 데이터가 제거된 수집 데이터를 상기 데이터 전송 경로에 의거하여 상기 액세스 노드로 전송하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 클러스터 내의 멤버 노드에서 수집된 수집 데이터를 상기 데이터 전송 경로에 의거하여 전송하는 중에, 상기 이동 싱크의 이동에 따라 액세스 노드가 이전 액세스 노드와 다른 클러스터 멤버로 변경되는 경우, 상기 수집 데이터가 이전 액세스 노드에 수신되기 전에 상기 변경된 액세스 노드의 위치 정보가 공유되면, 상기 수집 데이터를 수신한 클러스터 헤드가 새로 설정된 데이터 전송 경로에 의거하여 상기 변경된 액세스 노드로 수집 데이터를 전송하는 단계; 및 상기 수집 데이터가 이전 액세스 노드에 수신된 후에 상기 변경된 액세스 노드의 위치 정보가 공유되면, 이전 액세스 노드에서 상기 수신한 수집 데이터를 자신이 속한 클러스터 헤드로 재전송하고, 상기 수집 데이터를 재전송받은 클러스터 헤드가 새로 설정된 데이터 전송 경로에 의거하여 상기 변경된 액세스 노드로 수집 데이터를 전송하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 각 센서 노드가 현장에 설치되면, 각 센서 노드의 위치 정보를 기반으로 센서 노드들을 기설정된 개수의 클러스터로 나누는 클러스터링 단계;를 더 포함하며, 상기 클러스터링 단계는, 랜덤 선택된 k개의 센서 노드를 포함한 모든 센서 노드가 현장에 설치된 후, 자신의 위치 정보를 다른 모든 센서 노드에게 플러딩하는 단계; 상기 플러딩 단계를 통해 다른 모든 센서의 위치 정보와 상기 랜덤 선택된 k개의 센서 노드를 확인한 각각의 센서 노드에서, 각 센서 노드의 위치 정보를 기반으로 각각의 센서 노드가 상기 랜덤 선택된 k개의 센서 노드 중에서 거리가 가장 가까운 센서 노드와 그룹이 형성되도록, 그룹을 나누는 단계; 및 각 센서 노드에서, 그룹별로 각 그룹의 중심이 되는 평균 지점을 구하고, 각각의 센서 노드가 k개의 평균 지점 중에서 거리가 가장 가까운 평균 지점과 그룹이 형성되도록, 그룹을 나누되, 그룹의 변화가 없을 때까지 이를 반복하여 k개의 클러스터를 형성하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 장치는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 장치에 있어서, 센서 노드 자신의 에너지 문턱값 및 잔여 에너지량에 의거하여 ER 모드와 ES 모드 중에서 하나의 동작 모드를 선택하는 모드 선택부; 각 센서 노드의 위치 정보를 기반으로 센서 노드들을 기설정된 개수의 클러스터로 나누고, 자신이 속한 클러스터의 ER 모드의 노드 중에서 어느 하나를 클러스터 헤드로 선정하는 클러스터링부; 이동 싱크에 의해 액세스 노드로 선정되어 상기 이동 싱크가 자신의 위치 정보를 등록하게 되면, 액세스 노드 자신의 위치 정보를 자신이 속한 클러스터 헤드를 통해 다른 클러스터 헤드에게 전송하여 상기 이동 싱크의 위치를 공유시키는 위치 알림부; 액세스 노드의 위치 정보가 전송된 경로의 역방향으로 데이터 전송 경로를 설정하는 데이터 경로 설정부; 데이터를 수집하는 데이터 수집부; 및 멤버 노드로 동작할 때는 자신이 속한 클러스터 헤드로 상기 데이터 수집부에서 수집된 수집 데이터를 전송하고, 클러스터 헤드로 동작할 때는 클러스터 내의 멤버 노드에서 수신된 수집 데이터를 상기 데이터 전송 경로에 의거하여 상기 액세스 노드로 전송하는 데이터 전송부;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 이동 싱크는, 기존 액세스 노드와 통신이 가능한지를 판단하여, 기존 액세스 노드와 통신이 가능하면, 기존 액세스 노드와 통신을 수행하고, 기존 액세스 노드와 통신이 불가능하면, ER 모드이면서 자신과 거리가 가장 가까운 노드를 액세스 노드로 새로 선정하고, 새로 선정된 액세스 노드로 자신의 위치 정보를 등록하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 데이터 전송부는, 노드 자신이 액세스 노드로 동작하다 멤버 노드로 변경된 후, 수집 데이터가 수신되면, 수신한 수집 데이터를 자신이 속한 클러스터 헤드로 재전송하는 것이 바람직하다.
본 발명의 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법 및 장치는, 태양 에너지 수집형 센서에서 발생한 여분의 에너지를 이동 싱크의 위치 공유와 데이터 전송에 사용하여, 전체 정전 노드의 개수를 감소시키고, 싱크에 수집되는 데이터를 증가시킬 수 있게 된다.
또한, 클러스터별로 클러스터 헤드를 선정하고, 선정된 클러스터 헤드들만 이동 싱크가 위치를 등록한 액세스 헤드의 위치 정보를 공유토록 함으로써, 이동 싱크의 위치 정보를 공유함에 있어서 발생하는 오버헤드를 줄일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크의 구성을 예시적으로 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 장치의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따라 클러스터링을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따라 액세스 노드의 위치 정보를 공유하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따라 수집 데이터를 전송하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법을 설명하기 위한 처리도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법 및 장치에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크의 구성을 예시적으로 보인 도면이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크는 현장에 설치되어 정보를 수집하는 복수개의 센서 노드(10)와 각각의 센서 노드(10)에서 수집된 수집 데이터가 모이는 이동 싱크(Mobile Sink)(20)로 구성된다.
여기서, 센서 노드(10)는 멤버 노드(10-1), 클러스터 헤드(10-2), 액세스 노드(10-3)로 구분될 수 있다.
멤버 노드(10-1)는 현장에서 데이터를 수집하고, 수집된 수집 데이터를 자신이 속해 있는 클러스터의 클러스터 헤드(10-2)로 전송한다.
클러스터 헤드(10-2)는 현장에서 데이터를 수집하며, 멤버 노드(10-1)에서 전송되는 수집 데이터를 모아 병합한다.
액세스 노드(10-3)는 이동 싱크(20)와 통신을 수행하는 노드로, 현장에서 데이터를 수집하며, 클러스터 헤드(10-2)에서 전송되는 수집 데이터를 이동 싱크로(20)로 전송한다.
이러한, 액세스 노드(10-3)는 이동 싱크(20)에 의해 선정되며, 액세스 노드(10-3)의 선정 과정에 대해서는 아래에서 좀 더 자세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 장치의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 장치는, 모드 선택부(11), 클러스터링부(12), 위치 알림부(13), 데이터 경로 설정부(14), 데이터 수집부(15), 데이터 전송부(16)를 포함하며, 이러한 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 장치는 각 센서 노드(10)에 구현될 수 있다.
도 2에서, 모드 선택부(11)는 센서 노드 자신의 에너지 문턱값 및 잔여 에너지량에 의거하여 ER 모드(Energy-Rich Mode)와 ES 모드(Energy-Save Mode) 중에서 하나의 동작 모드를 선택한다.
모드 선택부(11)는 아래의 수학식 1에 의해 에너지 문턱값을 계산한다.
Figure 112017078619306-pat00007
수학식 1에서,
Figure 112017078619306-pat00008
는 i번째 센서 노드(
Figure 112017078619306-pat00009
)의 평균 에너지 수집률,
Figure 112017078619306-pat00010
는 i번째 센서 노드(
Figure 112017078619306-pat00011
)의 평균 에너지 소모율, c(i)는 i번째 센서 노드(
Figure 112017078619306-pat00012
)의 전체 배터리 용량을 나타낸다.
이와 같이, 수학식 1에 의해 에너지 문턱값이 계산되면, 이를 잔여 에너지량과 비교하여 잔여 에너지량이 아래의 수학식 2를 만족하면, 즉 잔여 에너지량이 에너지 문턱값보다 크면 동작 모드를 ER 모드로 선택하여, 여분의 에너지로 기본 동작(센싱, 저장, 전송) 외에 다른 추가적인 동작을 수행할 수 있도록 한다.
Figure 112017078619306-pat00013
그리고 잔여 에너지량이 아래의 수학식 3을 만족하면, 즉 잔여 에너지량이 에너지 문턱값보다 작으면 동작 모드를 ES 모드로 선택하여, 센서 노드가 기본 동작만을 수행하여 소모 에너지를 줄일 수 있도록 한다.
Figure 112017078619306-pat00014
클러스터링부(12)는 다른 센서 노드들과 주고받은 각 센서 노드의 위치 정보를 기반으로 WSN을 구성하는 센서 노드들을 기설정된 개수의 클러스터로 나눈다.
전술한, 클러스터링부(12)는 k-평균 알고리즘(비문헌특허 8)을 이용하여 WSN을 클러스터링한다.
이를 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
센서 노드가 현장에 설치되기 전에 k개(예를 들어, 3개)의 센서 노드가 랜덤하게 선택된다.
이후, 랜덤 선택된 k개의 센서 노드를 포함한 모든 센서 노드가 예를 들어 도 3에 도시하는 바와 같이 현장에 설치되는 경우, 각각의 센서 노드는 자신의 위치 정보를 다른 모든 센서 노드에게 플러딩(flooding)한다. 이때, 랜덤 선택된 k개의 센서 노드는 자신의 위치 정보와 함께 자신이 랜덤 선택된 노드임을 나타내는 정보를 함께 전송할 수 있다.
전술한 바와 같이, 각각의 센서 노드가 자신의 위치 정보를 다른 모든 센서 노드에게 플러딩하게 됨에 따라, 각각의 센서 노드는 자신을 포함한 모든 센서 노드들에 대한 위치 정보와 랜덤 선택된 k개의 센서 노드를 알 수 있게 된다.
이에 따라, 각 센서 노드는 위치 정보를 기반으로 각각의 센서 노드와 랜덤 선택된 k개의 센서 노드 간의 거리를 이용하여 도 4에 도시하는 바와 같이, 각각의 센서 노드가 랜덤 선택된 k개의 센서 노드 중에서 거리가 가장 가까운 노드와 그룹이 형성되도록, 센서 노드들을 k개의 그룹으로 나눈다.
이후에는, 그룹별로 각 그룹의 중심이 되는 평균 지점을 계산하고, 각각의 센서 노드와 k개의 평균 지점 간의 거리를 이용하여 도 5에 도시하는 바와 같이, 각각의 센서 노드가 k개의 평균 지점 중에서 거리가 가장 가까운 평균 지점과 그룹이 형성되도록, 그룹을 다시 나누되, 그룹의 변화가 없을 때까지 이를 반복 수행하여 WSN을 k개의 클러스터로 나눈다.
여기서, 평균 지점의 x값은 각각의 그룹을 형성하는 멤버 노드의 x좌표 값을 모두 더한 후, 이를 각 그룹의 멤버 노드의 개수로 나눈 값이고, 평균 지점의 y값은 각각의 그룹을 형성하는 멤버 노드의 y좌표 값을 모두 더한 후, 이를 각 그룹의 맴버 노드의 개수로 나눈 값이다.
전술한 바와 같이, 클러스터링부(12)는 k-평균 알고리즘을 통해 클러스터를 구성하게 된다.
또한, 클러스터링부(12)는 각 클러스터의 멤버 노드들 중에서 클러스터 헤드를 선출하는데, 동작 모드가 ER 모드인 노드 중에서 클러스터 헤드를 선출한다.
이때, ER 모드인 노드 중에서 잔여 에너지량이 가장 많은 노드가 클러스터 헤드로 선출될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 센서 노드가 브로드캐스팅 방식으로 데이터를 전송하므로, k값을 설정할 때, 클러스터 헤드 간의 거리가 센서 노드의 통신 범위를 벗어나는 일이 없도록 설정하는 것이 바람직하다.
그리고 네트워크 토폴리지의 면적이 넓어지면 k값을 늘려서 클러스터 헤드의 최대 통신 범위가 클러스터의 한쪽 끝에서 다른 클러스터의 반대편 끝까지 커버할 수 있도록 설정하는 것이 바람직하다.
위치 알림부(13)는 이동 싱크에 의해 액세스 노드로 선정되어 이동 싱크가 자신의 위치 정보를 등록하면, 액세스 노드로 선정된 노드 자신이 속한 클러스터 헤드로 자신의 위치 정보를 전송한다.
또한, 위치 알림부(13)는 센서 노드가 클러스터 헤드인 경우에는, 액세스 노드 또는 다른 클러스터 헤드로부터 수신한 액세스 노드의 위치 정보를 주변의 클러스터 헤드로 브로드캐스팅하여 액세스 노드의 위치 정보를 모든 클러스터 헤드들과 공유한다.
예를 들어, 도 6에 도시하는 바와 같이, 이동 싱크(100)가 센서 노드(200)를 액세스 노드로 선정하면, 이동 싱크(100)는 선정된 액세스 노드(200)로 자신의 위치 정보를 등록한다(경로 ①).
이와 같이, 이동 싱크(100)가 선정된 액세스 노드(200)에 자신의 위치 정보를 등록하면, 액세스 노드(200)는 자신이 속한 클러스터 헤드(300)로 이동 싱크(100)의 위치 정보가 아닌 자신의 위치 정보를 전송한다(경로 ②).
액세스 노드(200)의 위치 정보를 수신한 클러스터 헤드(300)는 액세스 노드(200)의 위치 정보를 다른 클러스터 헤드와 공유하기 위해 액세스 노드(200)의 위치 정보를 브로드캐스팅 방식으로 전송하고, 클러스터 헤드(400, 500)가 클러스터 헤드(300)의 통신 범위에 있다고 가정했을 때, 클러스터 헤드(300)가 전송한 액세스 노드(200)의 위치 정보를 클러스터 헤드(400)(경로 ③)와 클러스터 헤드(500) (경로 ④)가 수신하게 된다.
이와 같이, 클러스터 헤드(300)로부터 액세스 노드(200)의 위치 정보를 수신한 클러스터 헤드(400)는 액세스 노드(200)의 위치 정보를 다른 클러스터 헤드와 공유하기 위해 액세스 노드(200)의 위치 정보를 브로드캐스팅 방식으로 전송하고, 클러스터 헤드(300, 500, 600, 700)이 클러스터 헤드(400)의 통신 범위에 있다고 가정했을 때, 클러스터 헤드(400)가 전송한 액세스 노드(200)의 위치 정보를 클러스터 헤드(300), 클러스터 헤드(500), 클러스터 헤드(600)(경로 ⑤), 클러스터 헤드(700)(경로 ⑥)가 각각 수신하게 된다. 그러나 이때 클러스터 헤드(300)과 클러스터 헤드(500)은 이전에 이미 액세스 노드(200)의 위치 정보를 수신하였으므로 클러스터 헤드(400)로부터 수신한 액세스 노드(200)의 위치 정보는 무시한다.
한편, 이동 싱크가 이동함에 따라 액세스 노드로부터 멀어져 액세스 노드의 통신 범위를 벗어나게 되면, 이동 싱크는 ER 모드이면서 거리가 가장 가까운 노드를 새로운 액세스 노드로 새로 선정한다.
그리고 새로 선정된 액세스 노드로 자신의 위치 정보를 등록하는데, 새로 선정된 액세스 노드로 자신의 위치 정보를 등록할 때 이전 액세스 노드 정보를 함께 전송할 수 있다.
이에 따라, 새로 선정된 액세스 노드는 싱크 노드로부터 수신한 이전 액세스 노드 정보를 이용하여 이전 액세스 노드가 자신과 동일 클러스터 멤버인지를 확인하고, 확인결과에 따라 클러스터가 변경된 경우에는, 자신이 속한 클러스터 헤드로 자신의 위치 정보를 전송할 때, 클러스터 헤드로 클러스터가 변경되었음을 알리고, 클러스터가 변경되지 않은 경우에는 클러스터가 변경되지 않았음을 알린다.
이에 따라, 클러스터 헤드의 위치 알림부(13)는 클러스터 변경 여부를 나타내는 정보에 의거하여 클러스터가 변경되지 않은 경우에는 변경된 액세스 노드의 위치 정보를 다른 클러스터 헤드와 공유하지 않고, 클러스터가 변경된 경우에는 변경된 액세스 노드의 위치를 다른 클러스터 헤드로 전송하여 다른 클러스터 헤드와 변경된 액세스 노드의 위치 정보를 공유한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 이동 싱크의 위치 정보가 아닌 액세스 노드의 위치 정보를 공유하는데, 그 이유는 이동 싱크가 이동했을 경우에도 액세스 노드를 활용하여 이동된 싱크 노드로 데이터를 재전송함으로써, 이동 싱크가 이동하는 동안에 발생할 수 있는 데이터의 손실을 최소화하기 위함이다.
한편, 데이터 경로 설정부(14)는 액세스 노드의 위치 정보가 전송된 경로의 역방향으로 데이터 경로를 설정한다.
즉, 데이터 경로 설정부(14)는 액세스 노드의 위치 정보가 수신되면, 수신한 액세스 노드의 위치 정보와 해당 액세스 노드의 위치 정보를 브로드캐스팅하여 전송한 노드의 정보를 함께 저장하고, 이를 이용하여 액세스 노드의 위치 정보가 전송된 경로의 역방향으로 데이터 전송 경로를 설정한다.
예를 들어, 도 7에 도시하는 바와 같이, 액세스 노드(200)의 위치 정보가 경로 ②->③->④를 통해 클러스터 헤드(600)로 전송된 경우, 데이터 전송 경로는 그 역방향인 경로 ⑥->⑦->⑧이 될 수 있다.
데이터 수집부(15)는 주기적으로 데이터를 수집하고, 수집된 수집 데이터를 데이터 전송부(16)에 제공한다.
데이터 전송부(16)는 센서 노드가 멤버 노드로 동작하는 경우에는, 데이터 수집부(15)에서 제공받은 수집 데이터를 자신이 속한 클러스터 헤드로 전송하고, 센서 노드가 클러스터 헤드로 동작하는 경우에는, 멤버 노드에서 수신한 수집 데이터를 데이터 경로 설정부(14)에서 설정된 데이터 전송 경로에 의거하여 액세스 노드로 전송한다.
전술한, 데이터 전송부(16)는 노드 자신이 액세스 노드로 동작하다 일반 멤버 노드로 변경된 후, 수집 데이터가 수신되면, 수신한 수집 데이터를 자신이 속한 클러스터 헤드로 재전송한다. 이에 대해서는 아래에서 좀 더 자세히 설명하기로 한다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법을 설명하기 위한 처리도로, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법은 도 2에 도시된 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 장치와 실질적으로 동일한 구성 상에서 진행되므로, 도 2의 이동 싱크 위치 관리 장치와 동일한 구성 요소에 대해 동일한 도면 부호를 부여하고 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
우선, WSN을 구성하는 각각의 센서 노드는 자신의 에너지 문턱값과 잔여 에너지량에 의거하여 ER 모드와 ES 모드 중에서 하나의 동작 모드를 선택한다(1000).
상기한 단계 1000을 도 9를 참조하여 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다,
각각의 센서 노드는 상기한 수학식 1에 의해 에너지 문턱값을 계산한다(1100).
상기한 단계 1100을 통해 수학식 1에 의해 에너지 문턱값이 계산되면, 각 센서 노드들은 에너지 문턱값과 자신의 잔여 에너지량을 비교하여 잔여 에너지량이 에너지 문턱값보다 크면(1200:예), 동작 모드를 ER 모드로 선택한다(1300).
이와 같이, 잔여 에너지량이 에너지 문턱값보다 큰 경우에는 동작 모드를 ER 모드로 선택하여, 여분의 에너지로 기본 동작(센싱, 저장, 전송) 외에 다른 추가적인 동작을 수행할 수 있도록 한다.
한편, 에너지 문턱값과 자신의 잔여 에너지량을 비교하여 잔여 에너지량이 에너지 문턱값보다 작으면(1200:아니오), 동작 모드를 ES 모드로 선택한다(1400).
이와 같이, 잔여 에너지량이 에너지 문턱값보다 작은 경우에는 동작 모드를 ES 모드로 선택하여 센서 노드가 기본 동작만을 수행하여 소모 에너지를 줄일 수 있도록 한다.
이후, 각각의 센서 노드는 각 클러스터의 ER 모드의 노드 중에서 어느 하나를 클러스터 헤드로 선정한다(2000).
본 발명이 구현되는 WSN은 복수개의 클러스터로 나누어지는데, 본 발명의 실시예에서는 k-평균 알고리즘(비특허문헌 8)을 이용하여 클러스터를 구성한다.
클러스터를 구성하는 과정에 대해, 도 10을 참조하여 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다.
센서 노드가 현장에 설치되기 전에 k개의 센서 노드가 랜덤하게 선택된다.
이와 같이, 랜덤 선택된 k개의 센서 노드를 포함한 모든 센서 노드가 현장에 설치되면, 각각의 센서 노드는 자신의 위치 정보를 다른 모든 센서 노드에게 플러딩(flooding)한다(2100).
상기한 단계 2100에서, 랜덤 선택된 k개의 센서 노드는 자신의 위치 정보와 함께 자신이 랜덤 선택된 노드임을 나타내는 정보를 함께 전송할 수 있다.
상기한 단계 2100을 통해 각각의 센서 노드가 자신의 위치 정보를 다른 모든 센서 노드에게 플러딩하게 됨에 따라, 각각의 센서 노드는 자신을 포함한 모든 센서 노드들에 대한 위치 정보와 랜덤 선택된 k개의 센서 노드를 알 수 있게 된다.
따라서, 각 센서 노드는 위치 정보를 기반으로 각각의 센서 노드와 랜덤 선택된 k개의 센서 노드 간의 거리를 이용하여, 각각의 센서 노드가 랜덤 선택된 k개의 센서 노드 중에서 거리가 가장 가까운 노드와 그룹이 형성되도록, 센서 노드들을 k개의 그룹으로 나눈다(2200).
이후에는, 상기한 단계 2200을 통해 나뉜 그룹 안에서 평균 지점을 구하고(2300), 각각의 센서 노드가 k개의 평균 지점 중에서 거리가 가장 가까운 평균 지점과 그룹으로 묶이도록, 그룹을 다시 형성하되(2400), 그룹에 변화가 없을 때까지 단계 2300와 단계 2400을 반복 수행하여 WSN을 k개의 클러스터로 클러스터링한다(2500).
상기한 단계 2300에서 평균 지점은 각 클러스터에서 가장 중심이 되는 지점을 의미하는 것으로, 각각의 그룹을 형성하는 멤버 노드의 x좌표 값을 모두 더한 후, 각각의 그룹을 형성하는 멤버 노드의 개수로 나눈 값이고, 평균 지점의 y값은 각각의 그룹을 형성하는 멤버 노드의 y좌표 값을 모두 더한 후, 각각의 그룹을 형성하는 맴버 노드의 개수로 나눈 값이다.
한편, 이동 싱크(Mobile Sink)는 ER 모드이면서 거리가 가장 가까운 노드를 액세스 노드로 선정하고, 해당 액세스 노드로 자신의 위치 정보를 등록하는데, 이동 싱크에 의해 액세스 노드로 선정된 노드는 이동 싱크가 위치 정보를 등록하면, 액세스 노드는 자신의 위치 정보를 패킷에 담아 이를 자신이 속한 클러스터 헤드로 전송하고, 액세스 노드로부터 액세스 노드의 위치 정보를 수신한 클러스터 헤드는 다른 클러스터 헤드들에게 액세스 노드의 위치 정보를 전송하여 다른 클러스터 헤드들과 액세스 노드의 위치 정보를 공유한다(3000).
상기한 단계 3000을 도 11을 참조하여 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다.
이동 싱크는 이웃 노드 중에서 동작 모드가 ER 모드이면서 거리가 가장 가까운 노드를 액세스 노드로 선정하고(3100), 선정된 액세스 노드로 이동 싱크 자신의 위치 정보를 등록한다(3200).
상기한 단계 3200을 통해 이동 싱크로부터 위치 정보를 등록받은 액세스 노드는 이동 싱크의 위치 정보가 아닌 자신의 위치 정보를 패킷에 담아 이를 자신이 속한 클러스터 헤드로 전송한다(3300).
상기한 단계 3300에서 액세스 노드의 위치 정보를 수신한 클러스터 헤드는 액세스 노드의 위치 정보를 브로드캐스팅 방식으로 다른 클러스터 헤드로 전송하여 다른 클러스터 헤드들과 액세스 노드의 위치 정보를 공유한다(3400).
상기한 단계 3400에서 클러스터 헤드가 다른 클러스터 헤드로 액세스 노드의 위치 정보를 전송함에 따라, 모든 클러스터 헤드는 이동 싱크와 통신을 수행하는 액세스 노드의 위치를 알 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에서 이동 싱크의 위치 정보가 아닌 액세스 노드의 위치 정보를 공유하는 이유는, 이동 싱크가 이동했을 경우에도 액세스 노드를 활용하여 이동된 싱크 노드로 데이터를 재전송함으로써, 이동 싱크가 이동하는 동안에 발생할 수 있는 데이터의 손실을 최소화하기 위함이다.
한편, 이동 싱크와 액세스 노드는 연결성을 보장하기 위해 주기적으로 신호를 주고받는데, 이동 싱크가 이동한 후에도 기존 액세스 노드와 계속 통신이 가능하면 액세스 노드를 변경하지 않고, 기존 액세스 노드와 계속 통신 상태를 유지하여 데이터 전송 경로를 재설정하지 않도록 한다.
그러나 이동 싱크의 이동에 따라 이동 싱크가 액세스 노드로부터 멀어져서 액세스 노드의 통신 범위를 벗어나게 되면, 이동 싱크는 ER 모드이면서 거리가 가장 가까운 노드를 새로운 액세스 노드로 선정하고, 새로 선정된 액세스 노드로 자신의 위치 정보를 등록한다. 이때, 이동 싱크는 이전 액세스 노드 정보를 함께 전송할 수 있다.
이와 같이, 이동 싱크의 이동에 따라 액세스 노드가 새로 선정되면(3500:예), 액세스 노드는 이동 싱크로부터 수신한 이전 액세스 노드 정보에 의거하여 이전 액세스 노드가 자신과 같은 클러스터의 멤버인지를 확인한다(3600).
상기한 단계 3600의 확인결과 이전 액세스 노드가 자신과 같은 클러스터 멤버인 경우(3600:예), 액세스 노드는 자신의 위치 정보를 자신이 속한 클러스터 헤드로 전송한다(3700).
상기한 단계 3700에서 액세스 노드는 클러스터 헤드로 자신의 위치 정보를 전송할 때, 클러스터가 변경되지 않았음을 나타내는 정보를 함께 전송할 수 있다.
상기한 단계 3700을 통해 액세스 노드로부터 액세스 노드의 위치 정보를 수신한 클러스터 헤드는 클러스터가 변경되지 않았으므로, 클러스터 헤드끼리는 변경된 액세스 노드의 위치 정보를 공유하지 않는다.
한편, 상기한 단계 3600의 확인결과 이전 액세스 노드가 자신과 같은 클러스터 멤버가 아닌 경우(3600:아니오), 액세스 노드는 자신의 위치 정보를 자신이 속한 클러스터 헤드로 전송한다(3800).
상기한 단계 3800에서 액세스 노드는 클러스터 헤드로 자신의 위치 정보를 전송할 때, 클러스터가 변경되었음을 나타내는 정보를 함께 전송할 수 있다.
상기한 단계 3800을 통해 액세스 노드로부터 액세스 노드의 위치 정보를 수신한 클러스터 헤드는 액세스 노드로부터 수신한 클러스터가 변경되었음을 나타내는 정보에 따라 액세스 노드의 위치 정보를 브로드캐스팅 방식으로 다른 클러스터 헤드로 전송하여 다른 클러스터 헤드들과 새로 변경된 액세스 노드의 위치 정보를 공유한다(3900).
한편, 상기한 단계 3000을 통해 액세스 노드의 위치 정보를 전송받은 클러스터 헤드는 액세스 노드의 위치 정보가 전송된 경로의 역방향으로 데이터 전송 경로를 설정하고, 클러스터 내의 멤버 노드에서 수집된 데이터를 이 데이터 전송 경로에 의거하여 액세스 노드로 전송한다(4000).
상기한 단계 4000을 도 12 및 도 7을 참조하여 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
상기한 단계 3000을 통해 액세스 노드의 위치 정보를 전송받은 클러스터 헤드는 수신한 액세스 노드의 위치 정보와 액세스 노드의 위치 정보를 보내준 노드의 정보를 함께 저장하고, 이를 이용하여 액세스 노드의 위치 정보가 전송된 경로의 역방향으로 데이터 전송 경로를 설정한다(4100).
그리고 각 클러스터 헤드는 자신에게 속해 있는 센서 노드인 멤버 노드에서 수집한 수집 데이터를 수신한다(4200).
상기한 단계 4200에서 각 센서 노드는 수집한 수집 데이터를 자신이 속한 클러스터 헤드로 전송하는데(경로 ⑤), 클러스터 헤드에 속한 각 센서 노드들은 멀티홉 전송 방식에 따라 수집 데이터를 클러스터 헤드로 전송할 수 있다.
상기한 단계 4200을 통해 멤버 노드로부터 수집 데이터를 수신한 클러스터 헤드는 각 센서 노드로부터 수신한 수집 데이터를 병합한 후, 중복 데이터를 제거하고(4300), 중복 데이터가 제거된 수집 데이터를 상기한 단계 4100에서 설정된 데이터 전송 경로에 의거하여 액세스 노드로 전송한다(4400).
예를 들어, 도 7에 도시하는 바와 같이 이동 싱크(100)가 액세스 노드로 선정된 노드(200)로 위치 등록을 하면(경로 ①), 액세스 노드(200)는 자신이 속한 클러스터 헤드(300)로 자신의 위치 정보를 전송하고(경로 ②), 액세스 노드(200)로부터 액세스 노드(200)의 위치 정보를 수신한 클러스터 헤드(300)는 브로드캐스팅 방식으로 다른 클러스터 헤드(400)(경로 ③)와 클러스터 헤드(500)로 액세스 노드(200)의 위치 정보를 전송하고, 클러스터 헤드(300)로부터 액세스 노드(200)의 위치 정보를 수신한 클러스터 헤드(400)는 브로드캐스팅 방식으로 다른 클러스터 헤드(300), 클러스터 헤드(500), 클러스터 헤드(600)(경로 ④), 클러스터 헤드(700)로 액세스 노드(200)의 위치 정보를 전송한다.
한편, 액세스 노드(200)의 위치 정보를 수신한 각 클러스터 헤드(300, 400, 500, 600, 700)는 수신한 액세스 노드(200)의 위치 정보와 액세스 노드(200)의 위치 정보를 보내준 노드의 정보를 함께 저장하고, 이를 이용하여 액세스 노드(200)의 위치 정보가 전송된 경로의 역방향으로 데이터 전송 경로를 설정한다.
그리고 각 클러스터 헤드(300, 400, 500, 600, 700)는 자신에게 속해 있는 센서 노드인 멤버 노드에서 수집한 수집 데이터를 수신하는데, 도 7에 도시하는 바와 같이 클러스터 헤드(600)에 속한 멤버 노드들은 경로 ⑤를 통해 수집 데이터를 자신이 속한 클러스터 헤드로 전송한다.
경로 ⑤를 통해 멤버 노드들로부터 수집 데이터를 수신한 클러스터 헤드(600)는 액세스 노드(200)의 위치 정보가 전송된 경로(②->③->④)의 역방향인 데이터 전송 경로(⑥->⑦->⑧)에 의거하여 수집 데이터를 액세스 노드(200)로 전송한다.
전술한 바와 같이, 클러스터 내의 멤버 노드에서 수집된 수집 데이터를 데이터 전송 경로에 의거하여 액세스 노드로 전송하는 중에, 이동 싱크의 이동에 따라 액세스 노드가 이전 액세스 노드와 다른 클러스터 멤버로 변경되는 경우가 발생할 수 있다.
이와 같이 수집 데이터를 액세스 노드로 전송하는 중에 액세스 노드가 다른 클러스터의 멤버 노드로 변경되면(4500:예), 수집 데이터가 이전 액세스 노드에 수신되기 전에, 변경된 액세스 노드의 위치 정보가 공유되는 지를 확인한다(4600).
상기한 단계 4600의 확인결과 수집 데이터가 이전 액세스 노드에 수신되기 전에, 변경된 액세스 노드의 위치 정보가 공유된 경우에는(4600:예), 수집 데이터를 수신한 클러스터 헤드가 액세스 노드의 위치 정보가 새로 공유됨에 따라 새로 설정된 데이터 전송 경로에 의거하여 새로 변경된 액세스 노드로 수집 데이터를 전송한다(4700).
한편, 상기한 단계 4600의 확인결과 수집 데이터가 이전 액세스 노드에 수신된 후에, 변경된 액세스 노드의 위치 정보가 공유되면(4600:아니오), 수집 데이터를 수신한 이전 액세스 노드에서 수신한 수집 데이터를 자신이 속한 클러스터 헤드로 재전송한다(4800).
상기한 단계 4800을 통해 이전 액세스 노드로부터 수집 데이터를 재전송받은 클러스터 헤드는 액세스 노드의 위치 정보가 새로 공유됨에 따라 새로 설정된 데이터 전송 경로에 의거하여 새로 변경된 액세스 노드로 수집 데이터를 전송한다(4900).
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10. 센서 노드, 10-1. 멤버 노드,
10-2. 클러스터 헤드, 10-3 액세스 노드,
11. 모드 선택부, 12. 클러스터링부,
13. 위치 알림부, 14. 데이터 경로 설정부,
15. 데이터 수집부, 16. 데이터 전송부,
20. 이동 싱크

Claims (12)

  1. 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법에 있어서,
    상기 무선 센서 네트워크의 각 센서 노드에서 에너지 문턱값 및 잔여 에너지량에 의거하여 ER 모드(Energy-Rich Mode)와 ES 모드(Energy-Save Mode) 중에서 하나의 동작 모드를 선택하는 모드 선택 단계;
    각 클러스터의 ER 모드의 노드 중에서 어느 하나를 클러스터 헤드로 선정하는 단계;
    이동 싱크가 ER 모드이면서 거리가 가장 가까운 노드를 액세스 노드로 선정하고, 상기 선정된 액세스 노드로 위치 정보를 등록함에 따라, 상기 액세스 노드가 자신의 위치 정보를 자신이 속한 클러스터 헤드를 통해 모든 클러스터 헤드에게 전송하여 공유시키는 위치 알림 단계; 및
    각 클러스터 헤드가 상기 액세스 노드의 위치 정보가 전송된 경로의 역방향으로 데이터 전송 경로를 설정하고, 클러스터 내의 멤버 노드에서 수집된 수집 데이터를 상기 데이터 전송 경로에 의거하여 상기 액세스 노드로 전송하는 데이터 전송 단계;를 포함하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모드 선택 단계는,
    상기 잔여 에너지량이 에너지 문턱값보다 크면 ER 모드를 동작 모드로 선택하는 단계; 및
    상기 잔여 에너지량이 에너지 문턱값보다 작으면 ES 모드를 동작 모드로 선택하는 단계;를 포함하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법.
  3. ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1항에 있어서,
    상기 각 센서 노드의 에너지 문턱값은 아래의 수학식에 의해 계산하고,
    Figure 112017078619306-pat00015

    여기서,
    Figure 112017078619306-pat00016
    는 i번째 센서 노드(
    Figure 112017078619306-pat00017
    )의 평균 에너지 수집률,
    Figure 112017078619306-pat00018
    는 i번째 센서 노드(
    Figure 112017078619306-pat00019
    )의 평균 에너지 소모율, c(i)는 i번째 센서 노드(
    Figure 112017078619306-pat00020
    )의 전체 배터리 용량을 나타내는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 위치 알림 단계는,
    상기 이동 싱크가 이웃 노드 중에서 ER 모드이면서 거리가 가장 가까운 노드를 액세스 노드로 선정하는 단계;
    상기 선정된 액세스 노드로 이동 싱크 자신의 위치 정보를 등록하는 단계;
    상기 액세스 노드가 자신의 위치 정보를 자신이 속한 클러스터 헤드로 전송하는 단계; 및
    상기 액세스 노드가 속한 클러스터 헤드가 다른 클러스터 헤드로 상기 액세스 노드의 위치 정보를 전송하여 상기 액세스 노드의 위치 정보를 공유하는 단계;를 포함하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이동 싱크의 이동에 따라 상기 액세스 노드의 통신 범위를 벗어나게 되면, ER 모드이면서 거리가 가장 가까운 노드를 액세스 노드로 새로 선정하는 단계; 및
    상기 새로 선정된 액세스 노드가 이전 액세스 노드와 다른 클러스터 멤버이면, 상기 이동 싱크의 요구에 따라 상기 새로 선정된 액세스 노드가 자신의 위치 정보를 자신이 속한 클러스터 헤드를 통해 모든 클러스터 헤드에게 전송하여 공유시키는 단계;를 더 포함하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 전송 단계는,
    각 클러스터 헤드가 상기 액세스 노드의 위치 정보가 전송된 경로의 역방향으로 데이터 전송 경로를 설정하는 단계;
    자신에게 속해 있는 각 센서 노드에서 수집한 수집 데이터를 수신하는 단계;
    각 센서 노드로부터 수신된 수집 데이터를 병합하여 중복 데이터를 제거하는 단계; 및
    중복 데이터가 제거된 수집 데이터를 상기 데이터 전송 경로에 의거하여 상기 액세스 노드로 전송하는 단계;를 포함하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 클러스터 내의 멤버 노드에서 수집된 수집 데이터를 상기 데이터 전송 경로에 의거하여 전송하는 중에, 상기 이동 싱크의 이동에 따라 액세스 노드가 이전 액세스 노드와 다른 클러스터 멤버로 변경되는 경우,
    상기 수집 데이터가 이전 액세스 노드에 수신되기 전에 상기 변경된 액세스 노드의 위치 정보가 공유되면, 상기 수집 데이터를 수신한 클러스터 헤드가 새로 설정된 데이터 전송 경로에 의거하여 상기 변경된 액세스 노드로 수집 데이터를 전송하는 단계; 및
    상기 수집 데이터가 이전 액세스 노드에 수신된 후에 상기 변경된 액세스 노드의 위치 정보가 공유되면, 이전 액세스 노드에서 상기 수신한 수집 데이터를 자신이 속한 클러스터 헤드로 재전송하고, 상기 수집 데이터를 재전송받은 클러스터 헤드가 새로 설정된 데이터 전송 경로에 의거하여 상기 변경된 액세스 노드로 수집 데이터를 전송하는 단계;를 더 포함하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 각 센서 노드가 현장에 설치되면, 각 센서 노드의 위치 정보를 기반으로 센서 노드들을 기설정된 개수의 클러스터로 나누는 클러스터링 단계;를 더 포함하며,
    상기 클러스터링 단계는,
    랜덤 선택된 k개의 센서 노드를 포함한 모든 센서 노드가 현장에 설치된 후, 자신의 위치 정보를 다른 모든 센서 노드에게 플러딩하는 단계;
    상기 플러딩 단계를 통해 다른 모든 센서의 위치 정보와 상기 랜덤 선택된 k개의 센서 노드를 확인한 각각의 센서 노드에서, 각 센서 노드의 위치 정보를 기반으로 각각의 센서 노드가 상기 랜덤 선택된 k개의 센서 노드 중에서 거리가 가장 가까운 센서 노드와 그룹이 형성되도록, 그룹을 나누는 단계; 및
    각 센서 노드에서, 그룹별로 각 그룹의 중심이 되는 평균 지점을 구하고, 각각의 센서 노드가 k개의 평균 지점 중에서 거리가 가장 가까운 평균 지점과 그룹이 형성되도록, 그룹을 나누되, 그룹의 변화가 없을 때까지 이를 반복하여 k개의 클러스터를 형성하는 단계;를 포함하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법.
  9. ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
  10. 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 장치에 있어서,
    센서 노드 자신의 에너지 문턱값 및 잔여 에너지량에 의거하여 ER 모드와 ES 모드 중에서 하나의 동작 모드를 선택하는 모드 선택부;
    각 센서 노드의 위치 정보를 기반으로 센서 노드들을 기설정된 개수의 클러스터로 나누고, 자신이 속한 클러스터의 ER 모드의 노드 중에서 어느 하나를 클러스터 헤드로 선정하는 클러스터링부;
    이동 싱크에 의해 액세스 노드로 선정되어 상기 이동 싱크가 자신의 위치 정보를 등록하게 되면, 액세스 노드 자신의 위치 정보를 자신이 속한 클러스터 헤드를 통해 다른 클러스터 헤드에게 전송하여 상기 이동 싱크의 위치를 공유시키는 위치 알림부;
    액세스 노드의 위치 정보가 전송된 경로의 역방향으로 데이터 전송 경로를 설정하는 데이터 경로 설정부;
    데이터를 수집하는 데이터 수집부; 및
    멤버 노드로 동작할 때는 자신이 속한 클러스터 헤드로 상기 데이터 수집부에서 수집된 수집 데이터를 전송하고, 클러스터 헤드로 동작할 때는 클러스터 내의 멤버 노드에서 수신된 수집 데이터를 상기 데이터 전송 경로에 의거하여 상기 액세스 노드로 전송하는 데이터 전송부;를 포함하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 이동 싱크는,
    기존 액세스 노드와 통신이 가능한지를 판단하여, 기존 액세스 노드와 통신이 가능하면, 기존 액세스 노드와 통신을 수행하고, 기존 액세스 노드와 통신이 불가능하면, ER 모드이면서 자신과 거리가 가장 가까운 노드를 액세스 노드로 새로 선정하고, 새로 선정된 액세스 노드로 자신의 위치 정보를 등록하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 데이터 전송부는,
    노드 자신이 액세스 노드로 동작하다 멤버 노드로 변경된 후, 수집 데이터가 수신되면, 수신한 수집 데이터를 자신이 속한 클러스터 헤드로 재전송하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 이동 싱크 위치 관리 장치.
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