KR102052685B1 - 무선 센서 네트워크 클러스터링 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크에서, 기지국과 직접 통신하는 센서 노드로 이루어진 제1 계층; 및 클러스터를 형성하여 클러스터 헤드 및 상기 제1 계층 센서 노드를 통하여 기지국과 통신하는 센서 노드로 이루어진 제2 계층;을 포함하는 무선 센서 네트워크 클러스터링 시스템으로서, 네트워크를 2개의 계층으로 나눔으로써 전체 시스템의 에너지 부하를 낮출 수 있어 네트워크 수명을 증가시킬 수 있는 효과 및 클러스터 헤드에 연결된 센서 노드의 개수를 제한함으로써 클러스터 헤드에 가해지는 부하를 줄여 네트워크 안정성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

무선 센서 네트워크 클러스터링 방법 및 시스템{WIRELESS SENSOR NETWORK CLUSTERING METHOD AND SYSTEM THEREOF}
본 발명은 무선 다중 센서 클러스터링(CLUSTERING) 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 무선 다중 센서 네트워크를 2개의 계층으로 나누어 제1 계층의 센서 노드(SENSOR NODE)는 기지국과 직접 통신하고, 제2 계층의 센서 노드는 클러스터링 되어 클러스터 헤드를 통하여 기지국과 통신하는 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
최근 무선 센서 네트워크 분야의 발전으로 저비용 및 저전력 센서 개발이 용이해졌다. 일반적으로 무선 센서 장치는 배터리로 작동되는 작은 장치로 네트워크 동작 중에 실시간으로 충전하기 어려운 경우가 있다. 이 센서는 원하는 장소에 배치되어 정보를 감지, 수집 및 처리하는데, 무선 센서 장치는 사람의 개입이 불가능한 지역에 배치되어 자율적으로 운영되기도 한다. 따라서, 무선 다중 센서 시스템에서는 네트워크의 신뢰성과 무선 센서의 생존 가능성이 아주 중요하다. 무선 센서 장치가 배치된 지역에서, 이들 장치는 멀티-홉 통신의 수단 인 클러스터라고 불리는 그룹을 형성하여 센싱(SENSING) 된 데이터를 기지국(BASE STATION)으로 전송 한다. 무선 센서 네트워크에는 제한된 배터리(에너지), 제한된 계산 기능, 적은 스토리지 용량 및 낮은 통신 대역폭과 같은 리소스 제약이 있다. 그럼에도 불구하고, 무선 센서 네트워크는 다양한 실용적인 응용 분야에 사용된다.
무선 센서 네트워크에서의 대부분의 연구는 배터리 자원의 수명을 향상시키고 에너지를 보존하는 제약 조건에서 수렴된다. 처음에는 각 센서 장치의 배터리 수명이 초기 배터리 충전으로 제한된다. 무선 센서 네트워크의 다양한 응용 분야에서 인간이 무선 센서 장치에 접근 할 수 없는 경우가 많은데, 이 경우에는 배터리를 재충전하거나 교체하기가 어렵다. 따라서 무선 센서 네트워크의 제한된 에너지는 무선 센서 네트워크 수명에서 중요한 제약 사항이다. 네트워크 수명은 무선 센서 네트워크의 성능을 평가하는 데 중요한 기능 중 하나이다. 일반적으로 네트워크 수명은 네트워크의 잔류 에너지로 측정되므로 무선 센서 네트워크의 주요 문제 중 하나는 무선 센서 장치의 배터리를 효율적으로 재사용하는 것이다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 또 다른 목적은 무선 센서 네트워크에서 많은 에너지를 소모하는 무선 센서 장치 클러스터링을 개선하는 방법을 개시함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면 무선 센서 네트워크에서, 기지국과 직접 통신하는 센서 노드로 이루어진 제1 계층; 및 클러스터를 형성하여 클러스터 헤드 및 상기 제1 계층 센서 노드를 통하여 기지국과 통신하는 센서 노드로 이루어진 제2 계층;을 포함하는 무선 센서 네트워크 클러스터링 시스템을 제공 한다.
그리고, 상기 클러스터 헤드는 의사결정 노드에 의해서 선택되는 것으로서, 상기 의사결정 노드는 제1 계층 센서 노드들 중에서 선택된 센서 노드이고, 상기 클러스터 헤드는 상기 의사결정 노드와 통신 가능한 제2 계층 센서 노드 중에서 선택될 수 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면 무선 센서 네트워크에서, 네트워크 내의 모든 센서 노드가 각자의 센서 노드 정보를 담은 신호를 브로드캐스트(broadcast)하고, 모든 센서 노드는 수신되는 센서 노드 정보를 저장하여 통신 가능한 이웃 센서 노드를 파악하는 자기 조직화 단계; 기지국과 직접 통신 가능한 센서 노드를 제1 계층 센서 노드로, 그 외의 센서 노드를 제2 계층 센서 노드로 설정하는 계층 설계 단계; 제1 계층 센서 노드 중에서 의사결정 노드를 선정하는 단계; 제2 계층 센서 노드 중에서 클러스터 헤드를 선정하는 단계; 및 제2 계층에서 클러스터를 구성하는 센서 노드를 선정하는 단계;를 포함하는 무선 센서 네트워크 클러스터링 방법을 제공한다.
그리고, 상기 센서 노드 정보에는 각 센서 노드의 위치정보, 남은 에너지량이 포함될 수 있다.
또, 상기 클러스터 헤드는 의사결정 노드에 의해서 선택되는 것으로서, 상기 의사결정 노드는 제1 계층 센서 노드들 중에서 선택된 센서 노드이고, 상기 클러스터 헤드는 상기 의사결정 노드와 통신 가능한 제2 계층 센서 노드 중에서 선택될 수 있다.
또, 상기 의사결정 노드는 제2 계층 노드와 기 설정된 일정 수 이상 통신 가능한 센서 노드로 선택될 수 있다.
또, 상기 하나의 의사결정 노드에 연결되는 상기 클러스터 헤드는 1개 이상일 수 있다.
또한, 상기 의사결정 노드는 상기 의사결정 노드와 연결된 1이상의 클러스터에 상기 클러스터 마다 상이한 포스트픽스 카운터(postfix counter)를 할당하여, 상기 1이상의 클러스터를 구성하는 각 클러스터 헤드 및 센서 노드가 데이터 패킷을 송수신할 때, 패킷 시퀀스 넘버(packet sequence number)에 상기 할당된 포스트픽스 카운터(postfix counter)를 포함할 수 있다.
또한, 제2 계층 센서 노드는 2이상의 상기 클러스터 헤드가 송신하는 가입 요청 메시지(Join Request Message)를 수신하는 경우, 상기 가입 요청 메시지(Join Request Message)에 포함된 상기 클러스터를 구성하는 센서 노드의 개수를 비교하여 더 적은 개수를 가지는 클러스터 헤드를 선택하여 가입 수락 메시지(Join Accepts Message)를 송신할 수 있다.
그리고 또, 상기 클러스터 헤드는 상기 클러스터 헤드와 연결되는 제2 계층 센서 노드의 개수를 임계값 이하로 제한할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 센서 네트워크 클러스터링 방법 및 시스템은 네트워크를 2개의 계층으로 나눔으로써 전체 시스템의 에너지 부하를 낮출 수 있어 네트워크 수명을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. 그리고, 클러스터 헤드에 연결된 센서 노드의 개수를 제한함으로써 클러스터 헤드에 가해지는 부하를 줄여 네트워크 안정성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 센서 네트워크 클러스터링 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 센서 네트워크 클러스터링 방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 자기 조직화 방법을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 센서 네트워크 클러스터링 시스템에서 제1 계층 및 제2 계층의 영역을 구분하여 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 제2 계층의 클러스터 설계를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 클러스터 헤드에 연결되는 평균 센서 노드의 개수에 따라 클러스터 헤드의 새로운 센서 노드 차단 확률을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 센서 네트워크 클러스터링 시스템(100)을 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 무선 센서 네트워크 환경에서 1개의 기지국(110) 및 2이상의 센서 노드(120)가 존재할 수 있는데, 각 센서 노드(120)는 센서 모듈을 가지고 있어 필요한 데이터를 센싱할 수 있고, 통신 모듈(트랜시버, transceiver)을 가지고 있어 무선으로 데이터를 송수신할 수 있으며, 데이터를 저장할 수 있는 메모리를 포함하는 장치일 수 있다.
도 1을 참고하여 본 발명을 보다 자세하게 설명하면, 본 발명에 따른 센서 노드는 무선 네트워크 환경에서 기지국(110)과 직접 통신(direct communication, one-hop communication) 가능한 제1 계층 센서 노드 및 기지국(110)과 직접 통신 불가능하여 멀티홉 통신(multi-hop communication) 가능한 제2 계층 센서 노드로 구분할 수 있다.
제2 계층 센서 노드는 클러스터 헤드(140)를 중심으로 클러스터(cluster)되어 있는데, 제2 계층 센서 노드는 제2 계층의 클러스터 헤드(140) 및 제1 계층의 의사결정 노드(130)를 통하여 기지국(110)과 통신 가능하다.
본 발명에서, 센서 노드(120)는 센싱(sensing), 데이터 처리(data processing) 및 데이터 등의 신호 송수신(transmitting and receiving)의 역할을 할 수 있으나, 경로 계산(path computation)의 역할은 하지 않을 수 있다. 그리고, 클러스터 헤드(140)로 선정된 센서 노드는 경로 계산(path computation)을 포함하여, 데이터 처리(data processing) 및 데이터 등의 신호 송수신(transmitting and receiving)의 역할을 할 수 있으나, 센싱(sensing)의 역할은 하지 않을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크 클러스터링 방법에 대하여 보다 상세하게 기술한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 센서 네트워크 클러스터링 방법을 도시한 순서도이다.
A. 자기 조직화(S210)
무선 센서 네트워크에서, 네트워크 내의 모든 센서 노드가 각자의 센서 노드 정보를 담은 신호를 발신하고, 모든 센서 노드는 수신되는 센서 노드 정보를 저장하여 통신 가능한 이웃 센서 노드를 파악할 수 있다.
보다 자세하게, 무선 센서 네트워크에서 센서 노드는 무작위로 또는 균일하게 배포될 수 있는데, 무선 센서 네트워크에서 모든 센서 노드는 트랜시버(transceiver)를 켜고 각 센서 노드 정보를 포함하는 신호를 브로드캐스트(broadcast)하여 각 센서 노드의 존재를 알릴 수 있다. 상기 센서 노드 정보에는 각 센서 노드의 위치 정보, 현재 에너지 정보 등이 포함될 수 있다. 그리고, 모든 센서 노드는 각 센서 노드 주변에 존재하는 이웃 센서 노드의 브로드캐스트 신호를 수신할 수 있고, 모든 센서 노드는 이웃 노드 테이블을 만들 수 있다. 이웃 노드 테이블을 만들면 센서 노드가 타 센서 노드의 위치 정보를 이용하여 노드간 거리를 계산할 수 있고, 계산된 거리 또는 이웃 노드의 에너지 상태를 기초로 노드간 통신 품질을 예측할 수 있으며, 각 센서 노드와 통신 가능한 타 센서 노드의 개수를 알 수 있다.
무선 센서 네트워크 시스템을 설계하는 최초의 모든 센서 노드의 에너지 수준은 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 자기 조직화 방법을 도시한 도면이다.
도 3을 참고하면, 모든 센서 노드는 각 센서 노드 주변에 존재하는 이웃 센서 노드의 브로드캐스트 신호를 수신하여 이웃 노드 테이블을 만들 수 있다. 그 결과 각 센서 노드는 통신 가능한 이웃 노드의 개수를 계산할 수 있다. 도 3에서, 어느 한 센서 노드(310)는 4개의 이웃 노드와 통신 가능하고, 또 다른 한 센서 노드(320)는 7개의 이웃 노드와 통신 가능하다는 것을 계산할 수 있다.
B. 제1 계층 및 제2 계층 설계(S220)
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 센서 네트워크 클러스터링 시스템(100)에서 제1 계층 및 제2 계층의 영역을 구분하여 도시한 도면이다.
도 4를 참고하여 본 발명에 따른 제1 계층 및 제2 계층의 경계를 보다 상세하게 설명하면, 일반적으로 기지국(110)에 가까운 센서 노드는 기지국(110)과 직접 통신(one-hop communication)을 수행할 수 있고, 클러스터되지 않은 채로 남아있을 수 있다. 기지국(110)과 직접 통신할 수 있는 센서 노드(410 내지 440)가 존재하는 영역을 제1 계층(1st layer), 플랫 계층(flat layer) 또는 언클러스터드 계층(un-clusteredlayer)이라고 한다. 도 4에서 점선으로 표시된 원의 안쪽 영역에 해당한다. 제1 계층의 경계는 고정된 영역이 아니라, 센서 노드의 전송 범위를 기준으로 설정될 수 있다. 예를 들면, 센서 노드의 한 종류인 MICAz 노드의 경우에는 외부 환경에서 전송범위는 75~100m 이고, 실내 환경에서 전송범위는 20~30m 인데, 외부 환경에서 제1 계층의 영역은 기지국(110)을 기준으로 넓은 범위일 수 있고, 실내 환경에서 제1 계층의 영역은 기지국(110)을 기준으로 좁은 범위일 수 있다.
반면, 기지국(110)과 직접 통신을 수행할 수 없는 센서 노드(450, 460)의 경우에는, 기지국(110)으로부터 한홉(one-hop) 보다 더 떨어져있는 센서 노드로서, 다중 홉 통신(multi-hop communication)하고 클러스터링 된 상태로 기지국(110)과 통신할 수 있도록 설계될 수 있다. 기지국(110)과 직접 통신할 수 없는 센서 노드가 존재하는 영역을 제2 계층(2nd layer) 또는 클러스터드 계층(clustered layer)이라고 한다. 제2 계층 영역은 제1 계층의 경계에서부터 네트워크 경계까지일 수 있다.
C. 제1 계층에서 의사결정 노드(130) 선정(S230)
제1 계층 센서 노드들 중에서 의사결정 노드(130)가 선정될 수 있는데, 의사결정 노드(130)는 제1 계층 센서 노드 중에서 많은 수의 제2 계층 센서 노드와 통신 가능한 센서 노드가 선택될 수 있다. 모든 센서 노드들은 이웃 노드 테이블을 만들어 이웃 센서 노드들의 정보를 저장할 수 있는데, 각 센서 노드들은 자신의 이웃 센서 노드의 정보를 브로드캐스트 하여 이웃 노드에 알릴 수 있다. 제1 계층 센서 노드들 중에서 이웃 노드 테이블이 서로 비교되고 제1 계층 센서 노드들 중에서 기 설정된 일정한 수 이상의 제2 계층 센서 노드와 통신 가능한 센서 노드가 의사결정 노드(130)로 선정될 수 있다. 도 1에 나타나 있는 바와 같이 의사결정 노드(130)는 1개 이상일 수 있다. 예를 들면, 제1 계층 센서 노드 중에서 제2 계층 센서 노드와 4개 이상 통신 가능한 노드가 의사결정 노드(130)가 될 수 있도록 미리 설정할 수 있다.
제1 계층의 의사결정 노드(130)는 제2 계층 센서 노드 중에서 클러스터 헤드(140)를 선정할 수 있고, 클러스터 헤드(140)로부터 수신된 데이터를 기지국(110)으로 전송할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 제2 계층의 클러스터 설계를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 5를 참고하면, 제1 계층 센서 노드 중에서 기 설정된 일정한 수 이상의 제2 계층 센서 노드와 통신 가능한 센서 노드(500)는 의사결정 노드로 선정될 수 있다. 상기 의사결정 노드(500)에 의해서 상기 의사결정 노드(500)와 통신 가능한 제2 계층에 속해있는 센서 노드들 중에서 클러스터 헤드(140)가 선정될 수 있다.
D. 제2 계층에서 클러스터 헤드(140) 선정(S240)
제2 계층에 속해있는 센서 노드들은 그들의 밀도 정보를 의사결정 노드(130)와 교환하여 클러스터 헤드(140)가 되는 계산에 참여할 수 있다. 노드 밀도 정보는 이웃 노드 테이블을 이용하여 계산할 수 있는 정보이다. 제2 계층에서 클러스터 헤드(140)를 선정하기 위하여, 제2 계층 센서 노드 중에서 의사결정 노드(130)와 통신 가능한 제2 계층 센서 노드는 의사결정 노드(130)로 각자의 이웃 노드 테이블 정보를 송신할 수 있고, 의사결정 노드(130)는 상기 수신한 이웃 노드 테이블 정보에서 제2 계층 센서 노드와 통신 가능한 다른 제2 계층 센서 노드의 개수를 계산하는 방법으로 밀도 정보를 계산할 수 있다. 제2 계층 센서 노드들은 시분할 다중 액세스(TDMA) 기술을 사용하여 이웃 센서 노드와 통신할 수 있다.
제2 계층 센서 노드가 제1 계층의 의사결정 노드(130)와 밀도 정보를 교환하고자 신호를 송신하면, 의사결정 노드(130)는 최초로 수신된 밀도 정보를 송신한 제2 계층 센서 노드의 패킷 시퀀스 넘버(packet sequence number) 포스트픽스 카운터(postfix counter)를 '0'으로 할당 할 수 있다. 그러면, 상기 포스트픽스 카운터(postfix counter)를 '0'으로 할당 받은 제2 계층 센서 노드는 자신과 통신 가능한 다른 제2 계층 센서 노드들에게 상기 포스트픽스 카운터(postfix counter)를 포함하는 패킷 시퀀스 넘버(packet sequence number)를 브로드캐스트하여 알릴 수 있고, 상기 제2 계층 센서 노드와 통신 가능한 다른 제2 계층 센서 노드들은 상기 포스트픽스 카운터(postfix counter)를 포함하는 패킷 시퀀스 넘버(packet sequence number)를 저장하고 클러스터의 일부가 될 수 있다. 이 방법에 의하면 클러스터 내 제2 계층 센서 노드들에게 그들이 속한 클러스터의 밀도 정보를 알릴 수 있고, 클러스터 내 제2 계층 센서 노드들에게 이미 하나의 클러스터에 속해있기 때문에 또 다시 의사결정 노드(130)와 직접 통신하여 포스트픽스 카운터(postfix counter)를 할당 받지 않아야 한다는 것을 알릴 수 있다. 상기 포스트픽스 카운터(postfix counter)는 어느 클러스터의 패킷 시퀀스 넘버를 다른 클러스터의 패킷 시퀀스 넘버와 구분될 수 있도록 할 수 있다.
네트워크 수명 연장을 고려하여 하나의 클러스터 헤드(140)에 부하가 집중되지 않도록 하기 위하여, 하나의 클러스터에 속해 있는 제2 계층 센서 노드의 개수는 한정될 수 있다. 따라서, 어느 클러스터 헤드(140)와 클러스터를 이루고 있는 센서 노드의 개수가 임계값에 이르르면 클러스터 헤드(140)는 더 이상의 다른 센서 노드의 접속을 차단할 수 있고, 이 경우에 클러스터 그룹에 속하지 못하게되는 제2 계층 센서 노드는 이제 의사결정 노드(130)와 직접 통신하여 밀도 정보를 교환하고 새로운 포스트픽스 카운터(postfix counter)를 할당 받아 다른 클러스터를 형성하는 클러스터 헤드(140)가 될 수 있다.
상기와 같은 방법으로 의사결정 노드(130)는 제2 계층에서 자신의 클러스터 헤드(140)를 선정 할 수 있다.
E. 제2 계층에서 클러스터 구성원 노드 선정(S250)
각 클러스터에서 구성원 센서 노드를 선택하기 위해 센서 노드가 각 클러스터에 참여하는 방법을 설명한다.
처음에는 클러스터 헤드(140)가 가입 요청 메시지(Join Request Message)를 브로드 캐스트한다. 이 메시지는 제2 계층 센서 노드들에 대한 클러스터 헤드(140)의 사용가능성을 나타낸다. 노드에 의한 가입 요청 메시지(Join Request Message)를 수신하면, 그 노드는 가입 수락 메시지(Join Accepts Message)를 브로드캐스트 한다. 그 후에, 가입 수락 메시지(Join Accepts Message)를 브로드캐스트한 제2 계층 센서 노드는 가입 요청 메시지(Join Request Message)를 브로드캐스트한 클러스터 헤드(140)의 클러스터 구성원 센서 노드가 될 수 있다. 예를 들어, 제2 계층 센서 노드에 둘 이상의 가입 요청 메시지(Join Request Message)가 수신되면, 이를 수신한 제2 계층 센서 노드는 상기 메시지들에 포함된 클러스터 헤드(140)의 부하에 기초하여 어느 클러스터의 구성원이 될지 결정할 수 있다. 다시 말해, 상기 제2 계층 센서 노드는 클러스터 헤드(140) 중에서 더 적은 구성원 센서 노드를 갖는 클러스터 헤드(140)에 결합되는 것이 선호될 수 있다. 이러한 방법은 전체적으로 동등한 수의 구성원 노드를 각 클러스터에 할당하는 데 도움이 되므로 클러스터 헤드(140) 부하 균형을 조정하는 효과가 있다.
본 발명에 의하면 무선 센서 네트워크의 전체 에너지를 관리하여 수명을 연장하기 위하여, 각 클러스터 헤드(140)에 연결되는 센서 노드의 개수를 제한할 수 있다.
클러스터 헤드(140)는 제한된 수의 노드에 서비스를 제공 할 수 있다. 클러스터 헤드(140)에 연결된 센서 노드 수가 증가하면 서비스 품질이 저하될 수 있기 때문에, 각 클러스터 헤드(140)에 연결되는 제2 계층 센서 노드의 연결 개수를 효율적으로 조정할 수 있는 트래픽 관리가 필요하다. 일 예로, 클러스터 헤드(140)에 연결된 제2 계층 센서 노드의 연결 개수가 특정 임계 값을 초과하면 클러스터 헤드(140)는 더 이상 추가적인 센서 노드의 연결을 허용하지 않을 수 있다. 다시 말해, 클러스터 헤드(140)는 센서 노드와 연결될 때 마다 상기 특정 임계값과 연결된 센서 노드의 개수를 비교하여 계산할 수 있고, 제2 계층 센서 노드가 이미 특정 임계값에 해당하는 센서 노드와 연결되어 있는 클러스터 헤드(140)에 연결을 요청하면, 상기 특정 임계값에 해당하는 센서 노드와 연결되어 있는 클러스터 헤드(140)의 정보에 의해 제2 계층 센서 노드는 클러스터 헤드(140)에 연결되지 않을 수 있다.
본 발명에서 클러스터 헤드(140)에 대하여 2개의 상태를 정의할 수 있다. 첫 번째 상태는 열린 상태로, 클러스터 헤드(140)는 새로운 연결을 위해 빈 채널을 즉시 사용할 수 있으므로 새 연결을 허용한다. 반면, 두 번째 상태는 닫힌 상태로, 들어오는 새 연결에 사용할 수 있는 채널이 없기 때문에 클러스터 헤드(140)가 새 연결을 허용하지 않는다. 열린 상태 및 닫힌 상태의 확률은 각 클러스터에 새로운 센서 노드의 합류 및 이탈에 의존한다.
클러스터 헤드(140)에 연결 가능한 제2 계층 센서 노드의 최대 개수인 임계값을 설정하여 클러스터 헤드(140)에 연결되는 제2 계층 센서 노드의 개수를 제한할 수 있다. 상기 임계값은 네트워크의 모든 클러스터 헤드(140)에 대해 정의되어 클러스터 헤드(140)가 클러스터로 들어오는 센서 노드의 연결 개수를 제어할 수 있도록 할 수 있다. 보다 구체적으로, 클러스터 헤드(140)는 새로운 제2 계층 센서 노드가 클러스터 헤드(140)에 연결을 시도할 때 마다 현재 연결된 센서 노드의 개수를 임계값과 비교할 수 있고, 현재 연결된 센서 노드의 개수가 미리 정의 된 임계값과 동일하면 클러스터 헤드(140)는 닫힌 상태가 되고, 새로운 센서 노드와의 연결을 허용하지 않을 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 클러스터 헤드(140)에 연결되는 평균 센서 노드의 개수에 따라 클러스터 헤드(140)의 새로운 센서 노드 차단 확률을 도시한 도면이다.
도 6에서 볼 수 있듯이 이론적 및 실험적 결과는 거의 유사하며, 클러스터 헤드(140)에 제2 계층 센서 노드의 연결 개수가 증가함에 따라 새로운 센서 노드의 차단 가능성이 증가한다는 것을 보여준다.
상기와 같이, 제2 계층에서 클러스터가 형성되면 무선 센서 네트워크 클러스터링 시스템(100)이 완성될 수 있다.
그 후, 무선 센서 네트워크의 센서 노드들은 기지국(110)과 제1 계층의 센서 노드들은 기지국(110)과 직접 통신을 수행할 수 있고, 제2 계층의 센서 노드들은 클러스터 헤드(140) 및 의사결정 노드(130)를 경유하여 기지국(110)과 간접적으로 통신을 수행할 수 있다.
일반적으로, 제2 계층의 클러스터 헤드(140)는 클러스터 내의 제2 계층 센서 노드들로부터 다양한 데이터를 수신할 수 있고, 클러스터 헤드(140)는 상기 수신한 데이터 블록들을 분석하고 잘못된 데이터 등을 폐기하는 등 필터링한 후, 상기 데이터 블록들을 융합하여 네트워크를 통하여 의사결정 노드(130)를 경유하여 기지국(110)으로 송신할 수 있다.
본 발명에 의하면, 네트워크를 2개의 계층으로 나눔으로써 전체 시스템의 에너지 부하를 낮출 수 있어 네트워크 수명을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. 그리고, 클러스터 헤드(140)에 연결된 센서 노드의 개수를 제한함으로써 클러스터 헤드(140)에 가해지는 부하를 줄여 네트워크 안정성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100: 무선 센서 네트워크
110: 기지국
120: 센서 노드
130: 의사결정 노드
140: 클러스터 헤드

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 무선 센서 네트워크에서,
    네트워크 내의 모든 센서 노드가 각자의 센서 노드 정보를 담은 신호를 브로드캐스트(broadcast)하고, 모든 센서 노드는 수신되는 센서 노드 정보를 저장하여 통신 가능한 이웃 센서 노드를 파악하는 자기 조직화 단계;
    기지국과 직접 통신 가능한 센서 노드를 제1 계층 센서 노드로, 그 외의 센서 노드를 제2 계층 센서 노드로 설정하는 계층 설계 단계;
    제1 계층 센서 노드 중에서 의사결정 노드를 선정하는 단계;
    제2 계층 센서 노드 중에서 클러스터 헤드를 선정하는 단계; 및
    제2 계층에서 클러스터를 구성하는 센서 노드를 선정하는 단계를 포함하고,
    상기 하나의 의사결정 노드에 연결되는 상기 클러스터 헤드는 1개 이상이며,
    상기 의사결정 노드는 상기 의사결정 노드와 연결된 1이상의 클러스터에 상기 클러스터 마다 상이한 포스트픽스 카운터(postfix counter)를 할당하여, 상기 1이상의 클러스터를 구성하는 각 클러스터 헤드 및 센서 노드가 데이터 패킷을 송수신할 때, 패킷 시퀀스 넘버(packet sequence number)에 상기 할당된 포스트픽스 카운터(postfix counter)를 포함하도록 하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 클러스터링 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 센서 노드 정보에는 각 센서 노드의 위치정보, 남은 에너지량이 포함되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 클러스터링 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드는 의사결정 노드에 의해서 선택되는 것으로서,
    상기 의사결정 노드는 제1 계층 센서 노드들 중에서 선택된 센서 노드이고,
    상기 클러스터 헤드는 상기 의사결정 노드와 통신 가능한 제2 계층 센서 노드 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 클러스터링 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 의사결정 노드는 제2 계층 노드와 기 설정된 일정 수 이상 통신 가능한 센서 노드로 선택되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 클러스터링 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제3항에 있어서,
    제2 계층에서 클러스터를 구성하는 센서 노드를 선정하는 단계에서,
    제2 계층 센서 노드는 2이상의 상기 클러스터 헤드가 송신하는 가입 요청 메시지(Join Request Message)를 수신하는 경우, 상기 가입 요청 메시지(Join Request Message)에 포함된 상기 클러스터를 구성하는 센서 노드의 개수를 비교하여 더 적은 개수를 가지는 클러스터 헤드를 선택하여 가입 수락 메시지(Join Accepts Message)를 송신하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 클러스터링 방법.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드는 상기 클러스터 헤드와 연결되는 제2 계층 센서 노드의 개수를 임계값 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 클러스터링 방법.
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