KR102027291B1 - 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법, 이를 적용한 무선 센서와 그 시스템 - Google Patents

무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법, 이를 적용한 무선 센서와 그 시스템 Download PDF

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본 발명은 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법, 이를 적용한 무선 센서와 그 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선센서 네트워크 환경에서 스케쥴링 기법 중 큐롬(Quorum)기반 이웃 노드 탐색 프로토콜을 개선한 결합 큐롬 기반 스케쥴링 생성 방법으로서, 서로 다른 크기를 갖는 큐롬기반 스케쥴링을 결합하여 새로운 스케쥴을 생성하여 두 개의 스케쥴이 만나는 횟수를 종래의 스케쥴링 기법보다 증가시키는 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법, 이를 적용한 무선 센서와 그 시스템에 관한 것이다.

Description

무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법, 이를 적용한 무선 센서와 그 시스템{Combined Quorum-based NDP in Heterogeneous Wireless Sensor Networks, Applied wireless sensor and its system}
본 발명은 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법, 이를 적용한 무선 센서와 그 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선센서 네트워크 환경에서 스케쥴링 기법 중 큐롬(Quorum)기반 이웃 노드 탐색 프로토콜을 개선한 결합 큐롬 기반 스케쥴링 생성 방법으로서, 서로 다른 크기를 갖는 큐롬기반 스케쥴링을 결합하여 새로운 스케쥴을 생성하여 두 개의 스케쥴이 만나는 횟수를 종래의 스케쥴링 기법보다 증가시키는 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법, 이를 적용한 무선 센서와 그 시스템에 관한 것이다.
무선 센서 (wireless sensors)는 무선통신 능력을 갖춘 센서가 자율적인 네트워크를 구성하여 센서 노드로부터 수집된 정보를 활용하는 기술로 기상예측을 위한 정보수집과 재난현장에서 생존자 확인을 위한 정보수집 및 군사적인 목적의 다양한 정보를 수집하고 전송하는데 사용된다.
무선센서는 대부분 사람이 접근하기 곤란한 환경에서 사용되며, 소형의 장치로 구성되기 때문에 한번 설치된 무선센서의 수명은 내부에 장착된 소형의 배터리를 효율적으로 사용하여 배터리의 교체 없이 무선센서가 장기간 동작하도록 하는 방법 중 하나가 무선센서의 액티브 모드(active mode)와 슬립 모드(sleep mode)를 조절하는 스케쥴링 기법이다.
무선센서의 배터리 소모를 줄이는 방법은 MAC (media access control) 프로토콜, 압축 기법, 전송 전력 조절 등 다양한 방법들이 있다.
본 발명에서는 센서 네트워크 환경 구축 초반에 이웃 센서노드를 찾는데 소비되는 에너지 절약을 위한 이웃 노드 탐색 프로토콜(NDP : neighbor discovery protocol)에 대하여 설명하도록 한다.
이웃 노드 탐색 프로토콜은 센서 네트워크 환경에 센서가 임의로 배치되었을 때, 무선센서의 통신 반경 범위 내에 있는 다른 센서를 탐색하는 프로토콜을 의미한다.
무선센서 네트워크 환경에서 센서는 고정된 위치에 있지 않고, 필요에 따라 이동을 할 수 있으며, 외적 요인으로 인해 통신 반경 범위에 갑자기 나타날 수도 또는 사라질 수도 있기 때문에 이웃 노드 탐색 프로토콜은 단순 한번 이벤트를 위해 사용되는 프로토콜이 아닌 무선센서가 운영되는 동안 계속해서 수행될 수 있는 프로토콜이다.
따라서, 효율적인 이웃 노드 탐색 프로토콜은 무선센서의 에너지 소비와 직접적으로 연관성이 많으므로 무선센서의 수명을 연장시키는데 중요한 역할을 한다.
무선센서 네트워크 환경에 배치되는 센서의 경우, 목적에 따라 센서의 스케쥴 주기 안에 액티브 모드와 슬립 모드의 비율에 따라 달라진다.
예를 들어, 무선센서가 구축된 환경이 주기적으로 변하는 경우에는 액티브 모드의 비율이 높은 스케쥴 방법을 사용해야 하며, 반면에 온도 측정과 같이 빠른 측정 주기가 필요하지 않은 경우에 액티브 모드의 비율이 낮은 스케쥴링 기법을 사용한다.
무선센서의 스케쥴링 기법에서 한 주기 내에서 액티브 모드의 비율을 듀티 사이클(DC: duty cycle)이라 한다.
즉, 듀티 사이클이 높을 경우, 한 주기 안에 액티브 모드 횟수가 많으며, 반대로 듀티 사이클이 낮을 경우, 한 주기 안에 액티브 모드의 횟수가 적다.
듀티 사이클이 모두 같은 무선센서 네트워크 환경을 대칭(symmetric)한 환경이라고 하며, 듀티 사이클이 서로 다른 무선센서가 배치된 환경을 비대칭(asymmetric) 환경이라 한다.
대부분의 무선센서 네트워크 환경은 각기 다른 센서가 배치되는 경우가 일반적인 상황으로 대칭환경과 비대칭 환경 모두를 지원하는 다양한 환경에 적용 가능한 스케쥴링 기법이다.
큐롬기반 스케쥴링 방법은 대칭과 비대칭을 모두 지원하는 방법이며, n × n 그리드(grid)의 한 행과 한 열을 액티브 모드의 슬랏으로 사용하기 때문에 다른 방법에 비해 비교적 단순하기 때문에 적용하기 쉬운 장점이 있다.
반면에, n × n 그리드를 사용하기 때문에 한 행을 연속적으로 액티브 모드로 사용하는 채널 환경이 복잡한 경우, 지연시간이 길어질 수 있다는 단점이 있다.
따라서, 큐롬기반의 이웃노드 탐색 프로토콜을 개선하기 위한 그리드 기반의 큐롬 방법을 결합한 새로운 이웃 노드 탐색 프로토콜을 개발할 필요성이 대두되고 있으며, 본 발명에서는 기본적인 큐롬 기반 프로토콜의 그리드의 액티브 슬랏에 다른 그리드 기반의 스케쥴링 프로토콜을 결합하는 방법으로 새로운 스케쥴을 생성하는 기술을 제안하게 되었으며, 새롭게 생성된 큐롬기반 이웃노드탐색 프로토콜을 통해 기존의 그리드 기반의 스케쥴링 방법에 비해서 이웃노드를 탐색 위한 액티브모드의 횟수를 증가시킴으로써, 채널 환경으로 인해 손실되는 데이터에 의한 지연시간이 짧아지는 장점을 제공하고자 하며, 이웃 노드를 찾는 지연시간이 짧아지도록 함으로써, 에너지 소비에 대한 효율을 향상시키고자 한다.
(선행문헌) 대한민국등록특허번호 10-0938471호
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 무선센서 네트워크 환경에서 스케쥴링 기법 중 큐롬(Quorum)기반 이웃 노드 탐색 프로토콜을 개선한 결합 큐롬 기반 스케쥴링 생성 방법으로서, 서로 다른 크기를 갖는 큐롬기반 스케쥴링을 결합하여 새로운 스케쥴을 생성하여 두 개의 스케쥴이 만나는 횟수를 종래의 스케쥴링 기법보다 증가시키고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법은,
각 무선 센서노드들에 대하여 행렬 M인 m × m 그리드와 행렬 N인 n × n 그리드를 이용하여 듀티 사이클을 설정하기 위한 듀티사이클설정단계(S100)와,
상기 설정된 듀티 사이클을 참조하여 각 무선 센서들에 대한 웨이크업 스케쥴을 설정하기 위하여, 0과 1을 원소로 갖는 행렬 M인 m × m 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정하며, 0과 1을 원소로 갖는 행렬 N인 n × n 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정하기 위한 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)를 포함한다.
이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명에 따른 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법, 이를 적용한 무선 센서와 그 시스템을 통해, 무선 센서 네트워크를 구성하고 있는 무선 센서들의 웨이크업 스케쥴링을 도입하게 되어 수명을 연장할 수 있는 효과를 발휘하게 된다.
또한, 기본적인 큐롬 기반 프로토콜의 그리드의 액티브 슬랏에 다른 그리드 기반의 스케쥴링 프로토콜을 결합하는 방법으로 새로운 스케쥴을 생성하는 기술을 제공하게 되어 새롭게 생성된 큐롬기반 이웃노드탐색 프로토콜을 통해 기존의 그리드 기반의 스케쥴링 방법에 비해서 이웃노드를 탐색 위한 액티브 모드의 횟수를 증가시킴으로써, 채널 환경으로 인해 손실되는 데이터에 의한 지연시간이 짧아지는 장점을 제공하고자 하며, 이웃 노드를 찾는 지연시간이 짧아지도록 함으로써, 에너지 소비에 대한 효율을 향상시키는 효과를 발휘하게 된다.
도 1은 Quorum 기반 이웃 노드 프로토콜의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 큐롬기반 이웃노드 탐색 프로토콜의 온/오프 스케쥴을 나타낸 도면.
도 3은 SearchLight 이웃 노드 프로토콜의 구조를 나타낸 도면.
도 4는 Hedis 이웃 노드 프로토콜의 구조를 나타낸 도면.
도 5는 이웃노드 탐색 스케쥴(neighbor discovery schedule)을 설명한 도면.
도 6은 큐롬기반 그리드와 큐롬 행렬을 나타낸 도면.
도 7은 그리드 기반의 큐롬스케쥴링 기법의 공통액티브 슬랏을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법을 나타낸 흐름도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법을 수행하기 위한 슈도 코드를 나타낸 예시도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법의 실험 결과로서, 각 NDP의 평균 발견 지연 시간을 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법의 실험 결과로서, 각 NDP의 최대 발견 지연시간을 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법의 실험 결과로서, 각 NDP의 평균 에너지 소모를 나타낸 그래프
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법의 실험 결과로서, 각 NDP의 최대 에너지 소비량을 나타낸 그래프.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법을 적용한 무선 센서시스템을 개략적으로 나타낸 구성도.
이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만, 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다.
또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 수단은 하기와 같다.
즉, 본 발명의 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법은,
각 무선 센서노드들에 대하여 행렬 M인 m × m 그리드와 행렬 N인 n × n 그리드를 이용하여 듀티 사이클을 설정하기 위한 듀티사이클설정단계(S100)와,
상기 설정된 듀티 사이클을 참조하여 각 무선 센서들에 대한 웨이크업 스케쥴을 설정하기 위하여, 0과 1을 원소로 갖는 행렬 M인 m × m 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정하며, 0과 1을 원소로 갖는 행렬 N인 n × n 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정하기 위한 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 듀티사이클설정단계(S100)는,
행렬 M인 m × m 그리드와 행렬 N인 n × n 그리드 상의 듀티 사이클을 하기의 수식을 이용하여 설정하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112018019814231-pat00001
(수식)
(m2 : 행렬 M의 사이클의 길이, 2m-1 : 행렬 M의 액티브 슬랏의 개수, n2 : 행렬 N의 사이클의 길이, 2n-1 : 행렬 N의 액티브 슬랏의 개수)
이때, 상기 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)는,
행렬 M과 행렬 N의 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00002
NnXn에 의해서 생성된 행렬 중 행렬 M인 m × m 그리드 중 m으로 설정된 숫자와 행렬 N인 n × n 그리드 중 n으로 설정된 숫자를 더한 행을 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00003
NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏으로 설정하는 행액티브슬랏설정단계(S210);
행렬 M과 행렬 N의 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00004
NnXn에 의해서 생성된 행렬 중 행렬 M인 m × m 그리드 중 m으로 설정된 숫자와 행렬 N인 n × n 그리드 중 n으로 설정된 숫자를 더한 열을 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00005
NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏으로 설정하는 열액티브슬랏설정단계(S220);
크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00006
NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏 개수를 (2m - 1) X (2n - 1)에 대입하여 계산하는 액티브슬랏개수계산단계(S230);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예인 무선 센서는 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법에 의해 생성된 웨이크업 스케쥴이 제공되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예인 무선 센서시스템은 다수의 정보수집용무선센서(100)와 정보전송용무선센서(200)를 포함하여 구성되는데, 특히 정보수집용무선센서(100)와 정보전송용무선센서(200)에는 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법에 의해 생성된 웨이크업 스케쥴이 제공된다.
즉, 본 발명의 무선 센서시스템은 제공된 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법에 의해 생성된 웨이크업 스케쥴에 따라 웨이크업 모드시, 동시에 웨이크업 된 다른 무선센서들로부터 정보를 수집하는 다수의 정보수집용무선센서(100)와,
제공된 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법에 의해 생성된 웨이크업 스케쥴에 따라 웨이크업 모드시, 상기 다수의 정보수집용무선센서(100)로부터 정보를 수집하고, 수집된 정보를 무선 통신을 이용하여 원격지단말기(300)로 전송하기 위한 정보전송용무선센서(200)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하에서는, 본 발명에 의한 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법, 이를 적용한 무선 센서와 그 시스템의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기에 앞서, 무선센서 네트워크 환경에서 사용되는 큐롬기반과 큐롬을 응용한 써치라이드(SearchLight)와 헤디스(Hedis) 이웃 노드 프로토콜의 아이디어와 장단점에 대해 설명하도록 하겠다.
큐롬기반 이웃 노드 탐색 프로토콜은 n × n 그리드를 사용하는 방법으로 액티브 슬랏을 설정하는 방법이 단순하기 때문에 스케쥴을 생성하기 쉬운 장점이 있다.
큐롬기반 이웃노드 탐색 프로토콜의 경우 도 1과 같이, n × n 그리드에서 임의의 한 개의 행과 열을 액티브 슬랏으로 설정하는 방법으로 서로 다른 행과 열을 액티브 슬랏으로 설정하게 되면 2개의 공통액티브 슬랏을 보장하는 방법이다.
그리고, 도 2와 같이, 큐롬기반 이웃노드 탐색 프로토콜의 온/오프 스케쥴을 가지게 된다.
이는 비교적 단순하기 때문에 무선센서 네트워크의 이웃노드탐색 프로토콜뿐만 아니라 다양한 분야에 적용되는 방법이지만 다른 방법에 비해서 에너지소비가 높은 방법으로 알려져 있다.
큐롬기반의 스케쥴링 기법을 개선한 써치라이트는 n × n 그리드에서 행의 개수를 반으로 줄인 방법을 제시하였다.
도 3에 도시한 바와 같이, 서치라이트 방법은 첫번열을 앵커(anchor), 대각선 방향의 액티브 슬랏을 프로브 (probe)를 사용하는 방법으로 대칭과 비대칭 스케쥴링을 모두 지원하는 방법을 제시하였다.
큐롬의 경우, n × n 그리드에서 다양한 스케쥴을 생성할 수 있지만 써치라이트의 경우, n/2 X n 그리드에서 한 개의 스케쥴을 생성하는 방법으로 큐롬 방법보다 다양한 스케쥴을 생성하지 못한다.
또한, 큐롬의 경우 2이상의 n에 대해서 일반적으로 스케쥴을 생성할 수 있지만, 써치라이트의 경우 짝수인 경우에 한정하여 적용할 수 있는 방법이다.
한편, 도 4에 도시한 바와 같이, 헤디스는 n X (n+1) 그리드를 사용하여 스케쥴을 생성하여 대칭과 비대칭 모두를 지원하는 방법을 제시하였다.
대칭의 경우, 임의의 그리드 크기에 무관하게 공통액티브 슬랏이 존재하지만, 비대칭의 경우 두 개의 그리드 n X (n+1) 과 m X (m+1)인 경우, n과 m이 홀수이거나 짝수인 경우에만 비대칭 스케쥴링에서 공액티브 슬랏이 존재한다.
또한, 써치라이트와 같이 한 개의 그리드에서 한 개의 스케쥴만 생성할 수 있는 방법이다.
현재, 무선 센서는 전원 공급없이 배터리로 작동하는 경우가 대부분이다.
왜냐하면, 사람이 접근할 수 없는 곳에서 기상관측, 지진, 화산폭발, 군사적용도로 무선센서가 사용될 수 있기 때문이다.
따라서, 무선 센서의 작동 수명을 연장하기 위해서는 무선 센서가 항상 작동하는 것이 아니라, 작동모드 혹은 웨이크업모드(wakeup mode)와 작동하지 않는 모드인 슬립모드(sleep mode)가 있게 되며, 무선 센서의 수명을 연장하기 위해서 웨이크업모드(wakeup mode)와 슬립모드(sleep mode)를 조절할 필요가 있었다.
이를 스케쥴링 기법이라 정의하고 있다.
이때, 무선센서 스케쥴링 기법에서 요구하는 2가지는 아래와 같다.
즉, 어떤 특정 센서가 웨이크업모드이면, 동시에 웨이크업모드인 무선 센서가 통신가능한 범위 내에 있어야 한다.
그리고, 주변의 모든 무선 센서와 통신해야 하며, 가능한 한 빨리 통신이 이루워져야 한다.
상기한 통신 가능한 범위 내에 존재하는 무선 센서들의 집합을 센서 네트워크라 정의하고 있으며, 센서 네트워크에서 이웃 노드들을 찾기 위해 무선 센서는 웨이크업모드(wakeup mode) 상태에 있어야 한다.
이웃 노드를 발견한 후, 클럭 동기화는 일정 시간 내에서 서로 만날 수 있는 주기적인 제어 패킷들과 센서 노드들을 교환함으로써 유지된다.
주기적인 메시지들을 교환하여 시간 동기화를 유지하는 대신에, 각각의 센서는 해당 모드를 전환하여 자체 웨이크업모드(wakeup mode)와 슬립모드(sleep mode) 스케쥴을 수행할 수 있다.
두 개의 상이한 일정 시간 내의 적어도 하나의 랑데부 타임 슬롯(rendezvous
time slot)이 있는 경우, 충돌 또는 무선 오류가 없는 한 이들 두 개의 노드가 서로를 찾을 수 있음을 보장할 수 있다.
이웃노드 탐색 과정에서 다음과 같은 상태, 즉 웨이크업모드(wakeup mode) 또는 슬립모드(sleep mode) 중 하나에 있을 수 있다고 가정한다.
이진수로 다음의 두 모드가 그려질 수 있다. 번호 "1"은 웨이크업모드를 나타내고, "0"은 슬립모드를 나타낸다.
도 5와 같이, 간단한 2진 표기를 사용함으로써, 스케쥴(schedule)과 듀티 사이클(duty cycle)을 정의할 수 있다.
스케쥴(schedule)은 각각 웨이크업모드(wakeup mode) 및 슬립모드(sleep mode)를 나타내는 0과 1의 시퀀스이다.
웨이크업모드(wakeup mode)는 무선 센서에 해당 통신장치를 켜고 데이터 패킷을 송수신할 준비가 되어 있는 상태이고, 상기 슬립 모드는 무선 센서에 통신장치가 꺼지고 환경 데이터만 감지 또는 수집하는 상태를 나타낸다.
듀티 사이클(duty cycle)은 주어진 스케쥴당 슬롯들의 총개수(전체 길이) 분의 웨이크업 슬롯 수의 비율의 백분율이다.
즉, 하기 수식1과 같이 표현된다.
D = (A/T) x 100% (수식1)
상기 D는 듀티 사이클, A는 웨이크업 슬롯 수, T는 스케쥴 내에 있는 슬롯들의 총개수(전체 길이)이다.
도 5의 스케쥴은 일곱 타임 슬롯들로 구성되며 듀티 사이클은 (3/7) x 100% ≒ 43% 이다.
다음은 본 발명인 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법의 스케쥴의 정의와 스케쥴 생성에 필요한 기호들을 설명하고, 본 발명의 큐롬을 결합한 새로운 스케쥴링 방법인 CQ-NDP(combined quorum based neighbor discovery protocol)에 대해 설명하도록 하겠다.
무선센서는 에너지를 절약하기 위해서 데이터를 서로 교환할 수 있는 액티브 모드와 대기상태인 슬립모드로 구성된다.
스케쥴에서는 액티브 모드를 1로 슬립 모드를 0으로 표시한다.
스케쥴은 일정한 패턴을 갖고 있으며 정해진 주기 L에 따라 같은 패턴을 반복한다.
따라서, 무선센서노드 u 가 주기 L을 갖는 경우, 스케쥴은 사이클의 길이가 L인 수열로서, 0과 1을 갖는 수열로 표현할 수 있으며, 다음과 같이 스케쥴을 정의한다.
센서노드 u 가 주기 L인 스케쥴은 수열
Figure 112018019814231-pat00007
로 수열의 원소는 ai = 0 또는 ai = 1 을 가지고, i는 타임 슬랏의 인덱스를 의미한다.
즉, 스케쥴은
Figure 112018019814231-pat00008
로 나타낼 수 있다.
예를 들어, 무선센서 노드 u가 도 1과 같이, 5 X 5 그리드를 기본으로 하는 큐롬의 스케쥴을 갖는다면 스케쥴의 주기는 25이며, 스케쥴 수열은
Figure 112018019814231-pat00009
= < 0,0,1,0,0,1,1,1,1,1,0,0,1,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,0,0 > 이다.
스케쥴은 0 과 1로 구성된 길이가 L인 수열이며, 이 중 1의 개수가 액티브 슬랏의 개수를 의미한다.
따라서, 본 발명에서
Figure 112018019814231-pat00010
주기의 길이가 L인 스케쥴에서 1의 개수를 의미한다.
두 개의 스케쥴
Figure 112018019814231-pat00011
과
Figure 112018019814231-pat00012
에서
Figure 112018019814231-pat00013
의 의미는 0에서 LCM(L,K)-1 까지 대응하는 수열의 원소 간에 논리곱(logical and)연산을 수행한 것을 의미하고 여기서 LCM(least common multiple)은 최소공배수를 의미한다.
따라서, 두 스케쥴의 논리곱
Figure 112018019814231-pat00014
이다.
다음은 행렬의 곱 연산 중 하나인 크로넥커 프로덕트(Kronecker product)을 설명하도록 하겠다.
일반적으로 행렬의 덧셈은 두 개의 행렬의 크기가 같아야 하며, 행렬의 곱은 행의 개수와 열의 개수가 같아야 연산이 가능하지만, 크로넥커 프로턱트는 행렬의 크기와 무관하게 연산이 가능하며 다음과 같이 정의한다.
행렬 M은 크기가 a × b 인 행렬이고, 행렬 N은 크기가 c × d 인 행렬이라 하면, M 과 N은 수식1의 좌와 우로 쓸 수 있다.
Figure 112018019814231-pat00015
(수식1)
M 과 N의 두 행렬의 크로넥커 프로덕트는 M
Figure 112018019814231-pat00016
N 으로 표시하며, 행렬 M의 원소에 행렬 N을 곱한 것으로 수식 2와 같이 정의한다.
Figure 112018019814231-pat00017
(수식2)
큐롬 무선센서 네트워크 스케쥴링 방법은 n × n 그리드를 사용하여 임의의 행과 열을 액티브 슬랏인덱스로 정하기 때문에 0과 1을 원소로 갖는 행렬로 표현이 가능하다.
도 6의 좌측 그림은 3 X 3 그리드의 1행과 2열을 액티브슬랏으로 정하는 경우이고, 우측 그림은 그리드의 액티브 슬랏을 행렬의 원소 1로 표현하고, 슬립모드의 경우 0으로 표현한 3 X 3 행렬이다.
그리드 기반의 큐롬 스케쥴은 도 6과 같이, 한 개의 행과 열을 액티브 슬랏 인덱스로 하며, 이에 대응하는 행렬을 큐롬 행렬이라 하면 큐롬 행렬은 행렬의 임의의 한 개의 행과 임의의 한 개의 열의 원소가 1이며, 나머지 다른 원소는 모두 0 인 행렬을 의미한다.
도 6의 그리드는 1행과 2열이 액티브 슬랏이므로 큐롬 행렬을 (1, 2) 큐롬행렬로 나타낼 수 있다.
큐롬기반의 행렬의 원소는 0과 1로 구성되어 있으며, 무선센서의 스케쥴 또한 0과 1을 원소 ak 를 갖는 수열이기 때문에 행렬의 i 행 j 열의 원소 mij 를 무선센서의 스케쥴로 매핑시킬 수 있다.
n × n 그리드를 사용하는 경우, 사이클의 길이가 n2 이기 때문에 타임 슬랏은 n2 이고, 생성되는 스케쥴의 인덱스는 k = 0,...,n2 이다.
따라서, 수열의 인덱스 k = 0,...,n2 에 대하여 스케쥴의 모드 ak = mij 라 하면, k = (i + j) + i(n - i) 이다.
여기서, i,j = 0,1,...,n-1 이다.
도 7은 3 X 3 큐롬 행렬과 스케쥴과의 관계를 나타낸 것으로서, 센서노드 u는 행렬 M의 1행과 2열을 액티브 슬랏으로 한 것이며, 센서노드 v 는 행렬 N의 2행과 3열을 액티브 슬랏으로 한 것으로 액티브 슬랏은 0,1,2,4,7 과 2,3,4,5,8 이다.
하기의 수식 3은 3 X 3 큐롬 행렬 M 과 3 X 3 큐롬 행렬 N을 나타낸 것이다.
Figure 112018019814231-pat00018
(수식3)
센서노드 u 와 v의 스케쥴 수열은
Figure 112018019814231-pat00019
= < 1,1,1,0,1,0,0,1,0 > 과
Figure 112018019814231-pat00020
= < 0,0,1,1,1,1,0,0,1 > 이며, LCM(9,9) = 9 이기 때문에 슬랏 인덱스 0에서 8까지 공통 액티브 슬랏은 2와 4가 존재하기 때문에
Figure 112018019814231-pat00021
= < 0,0,1,0,1,0,0,0,0 > 이고,
Figure 112018019814231-pat00022
= 2가 된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명인 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법은, 듀티사이클설정단계(S100), 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)를 포함하게 된다.
상기한 스케쥴링 생성 방법은 웨이크업 스케쥴 도구에 의해 듀티사이클설정단계(S100), 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)를 수행하게 된다.
구체적으로 설명하자면, 상기 듀티사이클설정단계(S100)는 각 무선 센서노드들에 대하여 행렬 M인 m × m 그리드와 행렬 N인 n × n 그리드를 이용하여 듀티 사이클을 설정하게 된다.
무선센서의 이웃 노드 탐색 프로토콜(NDP : neighbor discovery protocol)에서 듀티 사이클은 사이클은 액티브 슬랏의 개수를 사이클의 길이로 나눈 값으로 주어진 스케쥴링 방법의 에너지 효율을 결정하는 방법으로 사용된다.
큐롬 기반의 스케쥴링 기법의 듀티 사이클(DC : duty cycle)은 사이클의 길이가 m2 이고, 액티브의 개수는 2m - 1 이므로 큐롬 기반의 DC는 수식 4와 같다.
Figure 112018019814231-pat00023
(수식 4)
한편, 본 발명인 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법을 수행하기 위한 슈도 코드를 도 9에 나타냈으며, 이를 무선센서들에 장입하여 각 무선 센서들에 대한 웨이크업 스케쥴을 설정하게 되는 것이다.
또한, 듀티사이클설정단계(S100)는 행렬 M인 m × m 그리드와 행렬 N인 n × n 그리드 상의 듀티 사이클을 하기의 수식 5를 이용하여 설정하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112018019814231-pat00024
(수식 5)
여기서, m2 는 행렬 M의 사이클의 길이, 2m-1 는 행렬 M의 액티브 슬랏의 개수, n2 는 행렬 N의 사이클의 길이, 2n-1 는 행렬 N의 액티브 슬랏의 개수를 의미한다.
구체적으로 설명하면, 큐롬 행렬 M의 크기 m × m 와 큐롬 행렬 N의 크기 n × n 라면, 두 개의 큐롬 행렬을 결합한 본 발명의 듀티 사이클은 수식 5와 같이 구할 수 있다.
이때, 당연히 2m -1 / m2 < 1 이고, 2n -1 / n2 < 1 이기 때문에 본 발명의 DC와 큐롬을 결합하여 생성된 스케쥴의 DC는 수식 6의 부등식을 만족하기 때문에 본 발명의 DC는 큐롬의 DC보다 작다는 것을 알 수 있다.
Figure 112018019814231-pat00025
(수식 6)
한편, 써치라이트의 DC는 수식 7과 같이 주어진다.
Figure 112018019814231-pat00026
(수식 7)
상기 써치라이트의 DC와 본 발명의 DC를 비교하면 DCCQ < DCS 로서, 본 발명의 DC가 써치라이트보다 작은 것은 당연한 것이며, 헤디스의 DC는 수식 8과 같이 주어진다.
Figure 112018019814231-pat00027
(수식 8)
따라서, 본 발명의 DC가 헤디스의 DC보다 당연히 작으므로 DCCQ < DCH 가 성립함을 알 수 있다.
그리고, 설정된 듀티 사이클을 참조하여 각 무선 센서들에 대한 웨이크업 스케쥴을 설정하기 위하여 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)를 거치게 된다.
큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)는 0과 1을 원소로 갖는 행렬 M인 m × m 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정하며, 0과 1을 원소로 갖는 행렬 N인 n × n 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정하게 된다.
구체적으로 설명하면, 행렬 M을 m × m 그리드에 대응하는 큐롬기반 행렬이라고 하고 행렬 N을 n × n 그리드에 대응하는 큐롬기반 행렬이라고 하면, 행렬?M과 행렬 N의 임의의 한 행과 한 열의 원소는 1이고 나머지 원소는 모두 0으로 구성된 행렬이다.
상기한 정의를 이용하여 0과 1을 원소로 갖는 행렬 M인 m × m 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정하며, 0과 1을 원소로 갖는 행렬 N인 n × n 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정할 수 있게 된다.
이때, 본 발명인 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)는,
행렬 M과 행렬 N의 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00028
NnXn에 의해서 생성된 행렬 중 행렬 M인 m × m 그리드 중 m으로 설정된 숫자와 행렬 N인 n × n 그리드 중 n으로 설정된 숫자를 더한 행을 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00029
NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏으로 설정하는 행액티브슬랏설정단계(S210);
행렬 M과 행렬 N의 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00030
NnXn에 의해서 생성된 행렬 중 행렬 M인 m × m 그리드 중 m으로 설정된 숫자와 행렬 N인 n × n 그리드 중 n으로 설정된 숫자를 더한 열을 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00031
NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏으로 설정하는 열액티브슬랏설정단계(S220);
크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00032
NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏 개수를 (2m - 1) X (2n - 1)에 대입하여 계산하는 액티브슬랏개수계산단계(S230);를 포함하게 된다.
구체적으로 설명하면, 본 발명인 결합 큐롬기반 이웃탐색 프로토콜(CQ-NDP)은 행렬 M 과 행렬 N의 크로넥커 프로덕트 M
Figure 112018019814231-pat00033
N 에 의해서 생성된 행렬을 스케쥴로 생성한다.
이때, 상기 행액티브슬랏설정단계(S210)는 행렬 M과 행렬 N의 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00034
NnXn에 의해서 생성된 행렬 중 행렬 M인 m × m 그리드 중 m으로 설정된 숫자와 행렬 N인 n × n 그리드 중 n으로 설정된 숫자를 더한 행을 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00035
NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏으로 설정하게 된다.
그리고, 열액티브슬랏설정단계(S220)는 행렬 M과 행렬 N의 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00036
NnXn에 의해서 생성된 행렬 중 행렬 M인 m × m 그리드 중 m으로 설정된 숫자와 행렬 N인 n × n 그리드 중 n으로 설정된 숫자를 더한 열을 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00037
NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏으로 설정하게 된다.
예를 들어, 설명하자면, 스케쥴 행렬 M은 3 X 3 행렬이며, 1행과 2열이 액티브 슬랏으로 설정하였으며, 스케쥴 행렬 N은 5 X 5 행렬이며, 1행과 2열이 액티브 슬랏으로 설정하였다면, 스케쥴 행렬 M과 스케쥴 행렬 N은 다음과 같이 설정된다.
M과 N의 결합 큐롬기반 이웃탐색 프로토콜 CQ-NDP는 두 행렬의 크로넥커 프로덕트 M3X3
Figure 112018019814231-pat00038
N5X5로 얻을 수 있기 때문에 두 개 행렬의 크기를 곱한 크기는 15 X 15이며, 8 행과 8 열의 모든 원소를 1로 구성하게 되는데, 상기 1로 구성된 8 행과 8열을 액티브 슬랏으로 설정하는 것이다.
즉, 8 행은 행액티브슬랏설정단계(S210)에 의해, 행렬 M인 3 X 3 그리드 중 m으로 설정된 숫자 3과 행렬 N인 5 X 5 그리드 중 n으로 설정된 숫자 5를 더한 행인 8을 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00039
NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏으로 설정하는 것이다.
그리고, 8 열도 마찬가지로 열액티브슬랏설정단계(S220)에 의해, 행렬 M인 3 X 3 그리드 중 m으로 설정된 숫자 3과 행렬 N인 5 X 5 그리드 중 n으로 설정된 숫자 5를 더한 열인 8을 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00040
NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏으로 설정하는 것이다.
이후, 액티브슬랏개수계산단계(S230)는 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00041
NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏 개수를 (2m - 1) X (2n - 1)에 대입하여 계산하게 된다.
즉, 액티브 슬랏을 나타내는 1의 개수는 M의 액티브 개수 5(=2*3-1)와 N의 액티브 개수 9(=2*5-1)의 곱인 45개임을 알 수 있다.
즉, m × m 그리드를 사용하는 큐롬의 액티브 개수는 2m-1 이지만 본 발명의 CQ-NDP(combined quorum based neighbor discovery protocol)의 경우에는 m × m 그리드와 n × n 그리드를 사용하여 스케쥴을 생성하면 (2m - 1) X (2n - 1)이 된다.
예를 들어,
Figure 112018019814231-pat00042
이면, 두 행렬의 M3X3 과 N5X5 의 크로넥커 프로덕트는 수식 9와 같다.
Figure 112018019814231-pat00043
(수식9)
센서노드 u가 큐롬행렬 MmXm 과 NnXn 의 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00044
NnXn 를 스케쥴로 생성하게 되면 스케쥴 수열은
Figure 112018019814231-pat00045
이다.
두 개의 무선센서노드 u 와 v가 서로 다른 행과 열을 큐롬 행렬의 MmXm 과 NnXn 의 액티브 슬랏으로 하는 경우에 두 행렬의 크로넥커 프로덕트 MmXm
Figure 112018019814231-pat00046
NnXn 의 한 행과 한 열의 모든 원소가 액티브 슬랏으로 대응되기 때문에
Figure 112018019814231-pat00047
인 것은 당연하다.
따라서, 두 개의 스케쥴이 공통 액티브 슬랏이 항상 2 개 이상이 존재하는 것이다.
한편, 본 발명인 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법인 듀티사이클설정단계(S100)와 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)를 무선센서들에서 수행하기 위하여 웨이크업 스케쥴링을 수행하게 되는데, 이는 웨이크업 스케쥴 도구에 의해, 적어도 한 개 이상의 무선 센서들에 상기 듀티사이클설정단계(S100) 및 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)를 적용하여 다수의 무선 센서들의 웨이크업 스케쥴을 생성하는 것을 반복하게 되는 것이다.
다음은 본 발명인 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법에 대한 성능을 비교하도록 하겠다.
무선센서 네트워크 환경은 다수의 센서가 임의의 위치에 배치된 환경으로 각 센서는 자신의 통신 반경 범위 안에 존재하는 이웃 센서를 발견한 후, 통신이 가능하다.
무선센서 네트워크 환경 구성을 위해 센서 네트워크 환경에서 많이 활용되는 TOSSIM 시뮬레이터 기반의 환경을 구성하며, 환경 구성 시 성능 측정을 위해 레이턴시(latency) 측정 모듈과 에너지 측정 모듈을 포함한 시뮬레이터에 탑재시킨 후 시뮬레이션이 구동되는 동안 에너지와 레이턴시를 측정하였다.
실험 환경으로서, 무선센서 네트워크 환경 구성을 위해 표 1과 같은 속성을 가지고 네트워크를 구축하였다.
실험 환경 요소
속성 값
네트워크 구성 랜덤 토폴로지
실험 사이즈 100*100m
통신 모듈 CC2420
센서 수 50 개
개별 슬랏 시간 15ms
Duty cycle 형태 비대칭형 Duty Cycle
에너지 측정 모듈 PowerTOSSIM Module
링크 모델 USC 링크 모델
채널 접근 방법 CSMA/CA
무선 전파 모델 Log-Distance Path Loss Model
NDP 종류 Quorum, SearchLight, Hedis, CQuorum
우선 100*100m 실험 환경에서 50개의 무선 통신이 가능한 센서 디바이스를 임의의 위치에 배치한 랜덤 토폴로지를 구성하였다.
랜덤하게 토폴로지 구성을 하였기 때문에 각 무선센서는 자신의 주변에 어떤 센서가 존재하는지 알 수 없다.
무선센서 디바이스는 15ms 마다 이웃 센서를 탐색 위한 데이터를 송수신을
시도한다.
기존 방식과 비교하기 위해서 본 발명인 CQ-NDP와 큐롬, 써치라이트, 헤디스 이웃노드탐색 프로토콜을 실험하였다.
본 발명에서는 실제 무선센서 네트워크 환경의 전파 방해부터 지연까지 흡사한 환경 구성을 위해 서던 캘리포니아 대학교에서 개발한 링크 모델을 사용하였으며, 무선센서 디바이스가 랜덤하게 채널에 접근하는 접근 방식은 CSMA/CA(carrier sense multiple access with collision avoidance) 방식을 사용하였다.
그리고, 무선 전파 모델로써 Log-Distance Path Loss Model을 사용하였다.
이웃노드 탐색 프로토콜을 비교하기 위해서 각기 다른 튜티 사이클을 선택하는 비대칭형 듀티사이클을 고려한 실험을 환경을 구성하였다.
대표적으로 10%-10%, 10%-5%, 10%-2%, 10%-1% 네 가지 비대칭형 환경을 고려한 실험환경을 구축하고 실험하였다.
실험환경 구축과 분석에는 비 대칭의 값으로 R 값을 활용하며, R값은 분모가 낮은 튜티사이클 분모가 높은 튜티사이클로 계산된다.
예를 들어, R=10/10=1, R=10/5=2, R=10/2=5, R=10/1=10 이 된다.
본 발명에서 성능평가를 위한 측도는 레이턴시와 에너지 소비로 아래와 같다.
레이턴시는 모든 센서 노드가 자신의 통신 반경 범위 안에 존재하는 모든 이웃 센서 노드를 다 찾을 때까지 걸린 시간을 의미하며, 에너지 소비는 모든 센서가 이웃 센서 노드를 탐색 위해서 소비되는 총 에너지양을 의미한다.
다음은 무선센서 네트워크 환경에서 실험환경을 바탕으로 실험을 수행한 결과를 분석하였다.
도 10은 각 NDP의 평균 발견 지연 시간을 나타낸 그래프로서, 평균 레이턴시결과 그래프를 보여주고 있다.
그래프의 X축은 R값을 의미하며, Y축은 평균 레이턴시(s)를 의미한다.
처음 R=1인 곳에서는 큐롬, 써치라이트, 헤디스와 본 발명의 방법인 CQ-NDP가 거의 비슷한 평균 레이턴시를 가지고 있는 것을 볼 수 있다.
그 이유는 R=1인 경우 10%-10% 듀티사이클을 가지고 있는 센서가 서로 통신하는 상황으로써, 비대칭의 대한 효과가 크지 않기 때문이다.
즉, 모든 센서 노드가 동일한 패턴을 가지고 통신 모듈을 On, Off 하기 때문에 행렬을 사용하는 모든 NDP가 비슷한 것이다.
반면에 R=2, 5, 10인 곳에서는 큐롬의 성능이 타 NDP에 비해 높은 평균 레이턴시를 보여주고 있다.
그 원인 타 NDP에 비해 행렬의 사이즈가 크고 만남의 횟수가 선택된 행에서 1번 열에서 1번 총 2번으로 만약 채널 상태가 좋지 않은 경우에는 행렬 사이즈 만큼 지연시간이 걸리기 때문이다.
반면에 써치라이트, 헤디스, 본 발명의 방법인 CQ-NDP의 경우, R=2, 5, 10에서 비슷한 평균 레이턴시를 보여주고 있다.
그 원인은 써치라이트와 헤디스는 큐롬 사이즈의 절반으로 전체 사이즈를 줄여 데이터 손실이 일어나도 금방 복구를 할 수 있으며, CQ-NDP의 경우 써치라이트와 헤디스에 비해 행렬의 사이즈는 크지만 만남의 횟수가 많기 때문에 손실이 발생 되도 만남이 유지된다.
따라서, CQ-NDP가 기존의 다른 NDP에 좋은 레이턴시를 가진다.
도 11은 각 NDP의 최대 발견 지연시간을 나타낸 그래프로서, 최대 레이턴시결과를 보여주고 있다.
평균 레이턴시 결과와는 다르게 최대 레이턴시의 결과는 CQ-NDP가 가장 좋은 결과를 보여주고 있는 것을 알 수 있다.
특히, R 값이 10인 곳에서는 큐롬에 비해 2배 이상 좋은 결과를 보여주고 있다.
본 발명의 CQ-NDP가 타 NDP에 비해서 최대 레이턴시가 좋은 이유는 그리드 기반의 다른 NDP는 데이터 손실을 2회 하게 될 경우, 다음 만남이 있을 때까지 행렬 전체 길이만큼 기다려야 이웃 노드를 찾을 수 있는 반면에 CQ-NDP의 경우, 2개의 행렬이 결합되기 때문에 한 액티브 슬랏마다 2개의 만남의 경우의 수가 발생하기 때문에 만남의 횟수가 프포토콜에 비해 증가되는 것이다.
따라서, 행렬 기반 다른 NDP가 2번 손실되어 기다리는 동안, CQ-NDP의 경우 하나의 행렬 안에서 공통액티브 슬랏의 개수가 증가하기 때문이다.
그리고, 도 11에서 써치라이트와 헤디스의 결과가 비슷한 이유는 행렬의 사이즈가 거의 비슷하며, 만남의 횟수 또한 비슷하기 때문에 토폴로지가 같을 경우 비슷한 결과를 보여준다.
실험결과에서 보여주는 것과 같이 본 발명에서 제안하는 CQ-NDP가 타 NDP에 비해서 우수한 레이턴시를 가진다는 것을 알 수 있다.
도 12는 각 NDP의 평균 에너지 소모를 나타낸 그래프이며, 도 13은 각 NDP의 최대 에너지 소비량을 나타낸 그래프이다.
도 12와 도 13은 무선센서 네트워크 환경에서 각 센서 노드가 이웃 노드를 탐색 위해서 통신 칩을 On, Off 하고, 데이터 송수신시 발생되는 에너지 측정한 결과를 보여주고 있다.
도 12의 X축 레이턴시 그래프와 비슷하게 R 값을 보여주고 있으며, Y 축은 에너지 소비량 mJ을 보여준다.
도 12와 도 13 모두 큐롬이 가장 에너지 효율이 떨어진다는 것을 알 수 있다.
그 이유는 큐롬의 경우, 기존의 NDP에 비해 기본적인 스케쥴 사이클 길이가
길기 때문에 데이터 손실로 인한 레이턴시 증가가 발생될 가능성이 있으며, 하나의 행과 열 선택의 액티브 슬랏의 개수가 높은 비율을 차지하기 때문에 에너지 소비가 크다.
반면에 에너지 효율이 가장 좋은 본 발명인 CQ-NDP의 경우, 기본적 행렬 크기는 큐롬의 비해 증가하지만, 만남의 횟수가 큐롬의 비해 증가하기 때문에 전체 행렬의 크기인 주기 내에서 만남이 이뤄진다.
따라서, CQ-NDP가 큐롬과 다른 NDP에 비해 빨리 이웃 노드를 찾을 수 있기 때문에 에너지 효율이 높다는 것을 알 수 있다.
결국, 본 발명에서는 무선센서 네트워크 환경에서 각 센서 노드가 자신의 이웃 노드를 에너지 효율이 높으면서 짧은 레이턴시를 갖는 새로운 NDP를 제공하였다.
본 발명에서 제공한 NDP는 행렬을 사용하는 기본 큐롬의 결합하는 공식을 활용해서 만들어진 NDP로써, 기존에 행렬의 단점인 레이턴시가 늘어나는 것을 만남의 횟수 증가를 통해 해결하였다.
결론적으로 만남의 횟수 증가로 인해 전체적인 최대 레이턴시를 줄이는 효과를 볼 수 있었으며, 에너지 효율 또한 기존의 NDP인 큐롬, 써치라이트, 헤디스에 비해 에너지 효율도 높다는 것도 알 수 있었다.
또한, 본 발명의 무선센서는 상술한 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법에 의해 생성된 웨이크업 스케쥴이 제공된다.
즉, 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 기법이 적용된 무선센서는,
각 무선 센서노드들에 대하여 행렬 M인 m × m 그리드와 행렬 N인 n × n 그리드를 이용하여 듀티 사이클을 설정하기 위한 듀티사이클설정단계(S100)와,
상기 설정된 듀티 사이클을 참조하여 각 무선 센서들에 대한 웨이크업 스케쥴을 설정하기 위하여, 0과 1을 원소로 갖는 행렬 M인 m × m 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정하며, 0과 1을 원소로 갖는 행렬 N인 n × n 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정하기 위한 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)를 통해 생성된 웨이크업 스케쥴에 의해 웨이크업되는 것을 특징으로 한다.
결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 기법에 의한 웨이크업 스케쥴 생성은 이미 상술한바 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 도 14에 도시한 바와 같이, 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법을 적용한 무선 센서시스템은 크게, 다수의 정보수집용무선센서(100), 정보전송용무선센서(200), 원격지단말기(300)를 포함하여 구성되게 된다.
상기 다수의 정보수집용무선센서(100)는 상술한 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법에 의해 생성된 웨이크업 스케쥴에 대한 알고리즘을 메모리에 저장하고 중앙처리부의 제어에 따라 웨이크업 모드를 수행하게 된다.
또한, 상기 정보전송용무선센서(200)도 다수의 정보수집용무선센서와 동일하게 상술한 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법에 의해 생성된 웨이크업 스케쥴에 대한 알고리즘을 메모리에 저장하고 중앙처리부의 제어에 따라 웨이크업 모드를 수행하게 된다.
즉, 상기 무선 센서시스템은 웨이크업 스케쥴에 따라 웨이크업 모드시 상기 다수의 정보수집용무선센는 정보를 수집하고, 수집된 정보를 정보전송용무선센서(200)에서 획득하여 해당 정보를 무선 통신을 이용하여 원격지단말기(300)로 전송하게 되는 것이다.
상기와 같이, 구성함으로써, 사람이 접근할 수 없는 장소에서 기상 관측, 지진, 화산 폭발, 군사적 목적을 위한 정보를 무선 센서로부터 수집하여 해당 수집된 정보를 정보전송용무선센서를 통해 원격지단말기로 주기적으로 수집 정보를 송출할 수 있게 되는 것이다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100 : 정보수집용무선센서
200 : 정보전송용무선센서
300 : 원격지단말기

Claims (9)

  1. 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법에 있어서,
    각 무선 센서노드들에 대하여 행렬 M인 m × m 그리드와 행렬 N인 n × n 그리드를 이용하여 듀티 사이클을 설정하기 위한 듀티사이클설정단계(S100)와,
    상기 설정된 듀티 사이클을 참조하여 각 무선 센서들에 대한 웨이크업 스케쥴을 설정하기 위하여, 0과 1을 원소로 갖는 행렬 M인 m × m 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정하며, 0과 1을 원소로 갖는 행렬 N인 n × n 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정하기 위한 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 듀티사이클설정단계(S100)는,
    행렬 M인 m × m 그리드와 행렬 N인 n × n 그리드 상의 듀티 사이클을 하기의 수식을 이용하여 설정하는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법.
    Figure 112018019814231-pat00048
    (수식)
    (m2 : 행렬 M의 사이클의 길이, 2m-1 : 행렬 M의 액티브 슬랏의 개수, n2 : 행렬 N의 사이클의 길이, 2n-1 : 행렬 N의 액티브 슬랏의 개수)
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)는,
    행렬 M과 행렬 N의 크로넥커 프로덕트 MmXm
    Figure 112018019814231-pat00049
    NnXn에 의해서 생성된 행렬 중 행렬 M인 m × m 그리드 중 m으로 설정된 숫자와 행렬 N인 n × n 그리드 중 n으로 설정된 숫자를 더한 행을 크로넥커 프로덕트 MmXm
    Figure 112018019814231-pat00050
    NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏으로 설정하는 행액티브슬랏설정단계(S210);
    행렬 M과 행렬 N의 크로넥커 프로덕트 MmXm
    Figure 112018019814231-pat00051
    NnXn에 의해서 생성된 행렬 중 행렬 M인 m × m 그리드 중 m으로 설정된 숫자와 행렬 N인 n × n 그리드 중 n으로 설정된 숫자를 더한 열을 크로넥커 프로덕트 MmXm
    Figure 112018019814231-pat00052
    NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏으로 설정하는 열액티브슬랏설정단계(S220);
    크로넥커 프로덕트 MmXm
    Figure 112018019814231-pat00053
    NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏 개수를 (2m - 1) X (2n - 1)에 대입하여 계산하는 액티브슬랏개수계산단계(S230);를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선센서 네트워크에서 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 생성 방법.
  4. 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 기법이 적용된 무선 센서에 있어서.
    각 무선 센서노드들에 대하여 행렬 M인 m × m 그리드와 행렬 N인 n × n 그리드를 이용하여 듀티 사이클을 설정하기 위한 듀티사이클설정단계(S100)와,
    상기 설정된 듀티 사이클을 참조하여 각 무선 센서들에 대한 웨이크업 스케쥴을 설정하기 위하여, 0과 1을 원소로 갖는 행렬 M인 m × m 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정하며, 0과 1을 원소로 갖는 행렬 N인 n × n 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정하기 위한 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)를 통해 생성된 웨이크업 스케쥴에 의해 웨이크업되는 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 기법이 적용된 무선센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 듀티사이클설정단계(S100)는,
    행렬 M인 m × m 그리드와 행렬 N인 n × n 그리드 상의 듀티 사이클을 하기의 수식을 이용하여 설정하는 것을 특징으로 하는 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 기법이 적용된 무선센서.
    Figure 112018019814231-pat00054
    (수식)
    (m2 : 행렬 M의 사이클의 길이, 2m-1 : 행렬 M의 액티브 슬랏의 개수, n2 : 행렬 N의 사이클의 길이, 2n-1 : 행렬 N의 액티브 슬랏의 개수)
  6. 제4항에 있어서,
    상기 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)는,
    행렬 M과 행렬 N의 크로넥커 프로덕트 MmXm
    Figure 112018019814231-pat00055
    NnXn에 의해서 생성된 행렬 중 행렬 M인 m × m 그리드 중 m으로 설정된 숫자와 행렬 N인 n × n 그리드 중 n으로 설정된 숫자를 더한 행을 크로넥커 프로덕트 MmXm
    Figure 112018019814231-pat00056
    NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏으로 설정하는 행액티브슬랏설정단계(S210);
    행렬 M과 행렬 N의 크로넥커 프로덕트 MmXm
    Figure 112018019814231-pat00057
    NnXn에 의해서 생성된 행렬 중 행렬 M인 m × m 그리드 중 m으로 설정된 숫자와 행렬 N인 n × n 그리드 중 n으로 설정된 숫자를 더한 열을 크로넥커 프로덕트 MmXm
    Figure 112018019814231-pat00058
    NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏으로 설정하는 열액티브슬랏설정단계(S220);
    크로넥커 프로덕트 MmXm
    Figure 112018019814231-pat00059
    NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏 개수를 (2m - 1) X (2n - 1)에 대입하여 계산하는 액티브슬랏개수계산단계(S230);를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 기법이 적용된 무선센서.
  7. 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 기법이 적용된 무선 센서시스템에 있어서.
    웨이크업 스케쥴이 제공되고, 제공된 웨이크업 스케쥴에 따라 웨이크업 모드시, 동시에 웨이크업 된 다른 무선센서들로부터 정보를 수집하는 다수의 정보수집용무선센서(100)와,
    웨이크업 스케쥴이 제공되고, 제공된 웨이크업 스케쥴에 따라 웨이크업 모드시, 상기 다수의 정보수집용무선센서(100)로부터 정보를 수집하고, 수집된 정보를 무선 통신을 이용하여 원격지단말기(300)로 전송하기 위한 정보전송용무선센서(200)를 포함하며,

    상기 웨이크업 스케쥴은,
    각 무선 센서노드들에 대하여 행렬 M인 m × m 그리드와 행렬 N인 n × n 그리드를 이용하여 듀티 사이클을 설정하기 위한 듀티사이클설정단계(S100)와,
    상기 설정된 듀티 사이클을 참조하여 각 무선 센서들에 대한 웨이크업 스케쥴을 설정하기 위하여, 0과 1을 원소로 갖는 행렬 M인 m × m 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정하며, 0과 1을 원소로 갖는 행렬 N인 n × n 그리드 중 임의의 어느 하나의 행과 열을 원소 1로 표시되는 액티브 슬랏으로 설정하고, 나머지 행과 열은 원소 0으로 표시되는 슬립 슬랏으로 설정하기 위한 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)를 통해 생성되는 것을 특징으로 하는 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 기법이 적용된 무선센서 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 듀티사이클설정단계(S100)는,
    행렬 M인 m × m 그리드와 행렬 N인 n × n 그리드 상의 듀티 사이클을 하기의 수식을 이용하여 설정하는 것을 특징으로 하는 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 기법이 적용된 무선센서 시스템.
    Figure 112018019814231-pat00060
    (수식)
    (m2 : 행렬 M의 사이클의 길이, 2m-1 : 행렬 M의 액티브 슬랏의 개수, n2 : 행렬 N의 사이클의 길이, 2n-1 : 행렬 N의 액티브 슬랏의 개수)
  9. 제7항에 있어서,
    상기 큐롬기반행렬액티브슬랏설정단계(S200)는,
    행렬 M과 행렬 N의 크로넥커 프로덕트 MmXm
    Figure 112018019814231-pat00061
    NnXn에 의해서 생성된 행렬 중 행렬 M인 m × m 그리드 중 m으로 설정된 숫자와 행렬 N인 n × n 그리드 중 n으로 설정된 숫자를 더한 행을 크로넥커 프로덕트 MmXm
    Figure 112018019814231-pat00062
    NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏으로 설정하는 행액티브슬랏설정단계(S210);
    행렬 M과 행렬 N의 크로넥커 프로덕트 MmXm
    Figure 112018019814231-pat00063
    NnXn에 의해서 생성된 행렬 중 행렬 M인 m × m 그리드 중 m으로 설정된 숫자와 행렬 N인 n × n 그리드 중 n으로 설정된 숫자를 더한 열을 크로넥커 프로덕트 MmXm
    Figure 112018019814231-pat00064
    NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏으로 설정하는 열액티브슬랏설정단계(S220);
    크로넥커 프로덕트 MmXm
    Figure 112018019814231-pat00065
    NnXn에 의해서 생성된 행렬 상의 액티브 슬랏 개수를 (2m - 1) X (2n - 1)에 대입하여 계산하는 액티브슬랏개수계산단계(S230);를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 큐롬 기반의 이웃노드 탐색프로토콜 스케쥴링 기법이 적용된 무선센서 시스템.
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