KR102239797B1 - Method and apparatus for determining aggregation node in wireless sensor network - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 무선 센서 네트워크에서 병합 노드 결정 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게는 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 무선 전력 전송을 고려하여 병합 노드를 결정하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for determining a merge node in a wireless sensor network. In more detail, it relates to a method and apparatus for determining a merge node in consideration of wireless power transmission in an energy-collecting wireless sensor network.
무선 센서 네트워크(WSN, Wireless Sensor Network)는 사람이 접근하기 힘든 지역이나 광범위한 지역에서 환경을 모니터링하기 위한 기법으로 최근 각광받고 있다. 무선 센서 네트워크는 온도, 기압 등과 같은 물리, 환경 조건을 측정하기 위해 분산 배포된 다수의 센서 노드(Sensor Node)와 무선을 통해 센서 노드로부터 정보를 수집하는 싱크 노드(Sink Node)로 구성되어 있다.A wireless sensor network (WSN) has recently been in the spotlight as a technique for monitoring the environment in an area that is difficult to access or in a wide area. The wireless sensor network is composed of a number of sensor nodes distributed and distributed to measure physical and environmental conditions such as temperature and air pressure, and a sink node that collects information from the sensor nodes through wireless.
이처럼 무선 센서 네트워크는 다수의 작은 센서 노드로 환경 데이터를 수집하는데, 일반적으로 배터리로 동작하기 때문에 수명이 짧다는 문제가 있다. 즉 센서 노드들은 주변 환경의 데이터를 수집하고 수집한 환경 데이터를 싱크 노드로 전송해야 하는데 데이터를 수집하는 과정과 전송하는 과정에서 배터리 소모가 커서 오랜 시간 작동이 어려울 수 있다.As described above, the wireless sensor network collects environmental data with a large number of small sensor nodes, but generally operates with a battery, so there is a problem that the lifespan is short. In other words, the sensor nodes must collect data of the surrounding environment and transmit the collected environmental data to the sink node. However, the battery is consumed during the data collection and transmission process, so it may be difficult to operate for a long time.
이러한 무선 센서 네트워크의 가용성을 높이기 위해서는 각 노드의 배터리를 주기적으로 교환하거나 새로운 노드로 교체해줘야 한다. 이를 극복하기 위해서 최근에는 환경 에너지를 수집하여 배터리를 충전하는 에너지 수집형 센서 노드를 사용하는 방식이 등장하였다. 예를 들면 태양광을 이용하여 센서 노드의 배터리를 충전하는 방식으로 그 가용성을 높이는 것이다.To increase the availability of such a wireless sensor network, the battery of each node must be periodically replaced or replaced with a new node. In order to overcome this, recently, a method of using an energy collection type sensor node that collects environmental energy and charges a battery has appeared. For example, it uses sunlight to increase its availability by charging the battery of the sensor node.
하지만 에너지 수집형 센서 노드는 환경의 변화에 영향을 많이 받기 때문에 안정적으로 에너지를 공급하기 어렵다는 단점이 있다. 또한 최근의 센서들은 사진, 영상 등 대용량의 데이터를 전송해야 하기 때문에 전송 에너지의 소모가 급격히 증가하여, 환경 에너지만으로는 센서 노드의 에너지 요구량을 만족시키기 어려운 경우가 많다.However, the energy-collecting sensor node has a disadvantage in that it is difficult to stably supply energy because it is highly affected by changes in the environment. In addition, since recent sensors have to transmit large amounts of data such as photos and images, the consumption of transmission energy increases rapidly, and it is often difficult to satisfy the energy requirements of the sensor node only with environmental energy.
이러한 에너지 부족 문제를 해결하기 위한 다른 방법으로 원거리에서 에너지를 전송하는 무선 전력 전송이 있다. 센서 노드에 무선으로 에너지를 공급하기 위해 자동차, UAV(UAV, Unmanned Aerial Vehicle) 등에 충전기를 장착하여 이동하면서 에너지를 충전하는 방식이 사용되고 있다.Another way to solve this energy shortage problem is wireless power transmission that transmits energy over a long distance. In order to wirelessly supply energy to sensor nodes, a method of charging energy while moving by attaching a charger to a car or UAV (Unmanned Aerial Vehicle) is used.
자동차를 이용하는 경우 고사양의 충전기를 장착할 수 있지만, 길이 있는 곳에서만 이동할 수 있기 때문에 운용 환경에 제약을 많이 받는다. 그래서 가용성을 확보하기 위해서 자동차 대신에 드론과 같은 UAV를 이용한 에너지 전송 방법에 대한 연구가 점차 많아지고 있다.If you use a car, you can install a high-end charger, but because you can only move where there is a road, there are many restrictions on the operating environment. So, in order to ensure availability, research on energy transmission methods using UAVs such as drones instead of cars are gradually increasing.
드론을 이용하는 경우 공중으로 이동하기 때문에 자동차에 비해서 가용성이 높다는 장점이 있다. 하지만 운반 무게의 한계로 인해 운송 장비의 무게에 제약이 발생하고 드론 역시 배터리를 이용하기 때문에 비행시간이 제한된다는 단점이 있다. 그래서 드론을 이용하는 경우에는 효율적인 이동 경로 설정과 배터리 관리 기법이 필요하다.The advantage of using a drone is that it is highly available compared to a car because it moves in the air. However, due to the limitation of the transport weight, there is a disadvantage in that the weight of the transport equipment is limited, and the flight time is limited because the drone also uses a battery. So, in the case of using a drone, an efficient path setting and battery management technique are required.
또한 무선 센서 네트워크에서는 데이터가 몰리는 핫스팟(Hot Spot)에서 노드의 에너지 소모가 크다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해서 직접 싱크 노드가 센서 노드로 방문하여 데이터를 수거하는 모바일 싱크를 이용하는 방법이 있다. 데이터 전송에 소모되는 에너지는 전송해야 할 데이터의 양과 거리에 영향을 받게 되는데, 전송 거리를 줄임으로써 에너지 소모량을 줄이는 방식이다.In addition, in the wireless sensor network, there is a problem in that the energy consumption of the node is large in a hot spot where data is concentrated. To solve this problem, there is a method of using a mobile sink in which a sink node directly visits a sensor node and collects data. The energy consumed in data transmission is affected by the amount and distance of data to be transmitted. This is a method of reducing energy consumption by reducing the transmission distance.
하지만 싱크 노드가 모든 센서 노드를 일일이 방문할 수 없기 때문에 몇몇 센서 노드 중에서 병합 노드(Aggregation Node)를 선정하고, 주변의 센서 노드의 데이터를 병합 노드에서 수집한 후 싱크 노드가 병합 노드만 방문하여 데이터를 수집하는 방식을 사용할 수 있다.However, since the sink node cannot visit all the sensor nodes individually, an aggregation node is selected from among several sensor nodes, and the data of the neighboring sensor nodes is collected from the merge node, and then the sink node visits only the merge node for data. You can use a method of collecting.
그럼에도 불구하고 병합 노드의 주변에서 핫스팟 문제가 발생할 수 있다. 만약 병합 노드의 배터리가 바닥이 나서 동작이 중지되면, 그 병합 노드를 거치는 모든 데이터가 유실되기 때문에 데이터의 손실이 커질 수 있으며, 대체 노드가 없을 경우 정상적인 네트워크의 운영이 어려울 수 있다.Nevertheless, a hotspot problem may occur in the vicinity of the merge node. If the operation is stopped because the battery of the merge node runs out, all data passing through the merge node is lost, so data loss may increase. In the absence of an alternate node, normal network operation may be difficult.
이를 해결하기 위해서는 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 무선 전력 전송이 가능한 드론을 이용한 효율적인 이동 경로 설정 및 배터리 관리에 대한 연구가 필요하다. 또한 병합 노드를 효율적으로 선정하고 관리하는 방법에 대한 연구가 필요하다.In order to solve this problem, there is a need for research on efficient movement path setting and battery management using a drone capable of wireless power transmission in an energy-collecting wireless sensor network. In addition, there is a need for research on how to efficiently select and manage merge nodes.
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 무선 전력 전송이 가능한 드론을 이용하여 모바일 싱크로 데이터를 수집할 때, 핫스팟 문제를 해결하고 네트워크 연결성을 향상시키기 위해서 데이터를 임시로 모으는 병합 노드를 선정하고, 관리하고, 무선 전력 전송으로 병합 노드에 에너지를 전송하는 방법을 제안한다.In order to solve the above problem, in the present invention, when collecting mobile synchro data using a drone capable of wireless power transmission, in order to solve the hotspot problem and improve network connectivity, a merge node that temporarily collects data is selected and managed. Then, a method of transmitting energy to the merge node through wireless power transmission is proposed.
즉 본 발명에서는 싱크 노드인 드론이 고정된 경로를 순회하고, 이 경로에서 일정 수의 노드를 병합 노드로 선정하여, 드론이 이 병합 노드를 방문하여 데이터를 수집하고 동시에 드론의 남은 에너지를 병합 노드에 공급함으로써 병합 노드가 에너지 부족으로 정전 상태가 되는 문제를 완화시키고자 한다.That is, in the present invention, a drone, which is a sink node, traverses a fixed path, selects a certain number of nodes as a merge node in this path, and the drone visits the merge node to collect data, and at the same time, the remaining energy of the drone is combined with the merge node. It is intended to alleviate the problem that the merge node goes into a power outage state due to lack of energy by supplying it.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 병합 노드 결정 방법은, 에너지 수집형 무선 센서 네트워크의 병합 노드와 모바일 싱크(Mobile Sink)를 통해 데이터를 수집하는 싱크 노드에 있어서, 상기 싱크 노드가, 상기 무선 센서 네트워크에 속한 센서 노드의 수와 상기 센서 노드가 센싱하는 데이터의 양을 고려하여 상기 병합 노드의 수를 적응적으로 결정하는 단계; 및 상기 싱크 노드가, 상기 모바일 싱크를 위한 상기 싱크 노드의 이동 경로 상에 있는 노드 중에서 상기 병합 노드의 수만큼 병합 노드를 선정하는 단계를 포함할 수 있다.A method for determining a merge node according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a sink node that collects data through a merge node of an energy-collecting wireless sensor network and a mobile sink, the sink Adaptively determining, by a node, the number of merge nodes in consideration of the number of sensor nodes belonging to the wireless sensor network and the amount of data sensed by the sensor node; And selecting, by the sink node, a merge node as many as the number of the merge nodes from among nodes on a movement path of the sink node for the mobile sink.
바람직하게는, 상기 병합 노드의 수를 적응적으로 결정하는 단계는, 상기 싱크 노드가, 한 번의 라운드에서 데이터 수집을 위해 소모하는 에너지에서 상기 이동 경로를 이동하는데 소모하는 에너지와 상기 병합 노드에 무선 충전으로 공급해야 하는 에너지의 최소량 및 상기 싱크 노드의 아이들 상태(Idle State)에서 소모되는 에너지의 합을 뺀 제1 값을 연산하는 단계; 상기 싱크 노드가, 상기 병합 노드에 이/착륙에 소모하는 에너지와 상기 병합 노드로부터 데이터를 수집하는데 소모하는 에너지 및 다음 라운드의 병합 노드를 선정하기 위해서 소모하는 에너지의 합인 제2 값을 연산하는 단계; 및 상기 제1 값을 상기 제2 값으로 나눈 값보다 작은 값 중에서 가장 큰 자연수를 상기 병합 노드의 수로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.Preferably, the step of adaptively determining the number of merge nodes comprises: energy consumed by the sink node for moving the movement path from energy consumed for data collection in one round and the energy consumed by the merge node Calculating a first value obtained by subtracting the sum of the minimum amount of energy to be supplied by charging and the energy consumed in the idle state of the sink node; Calculating, by the sink node, a second value that is a sum of energy consumed by the merge node for take-off/landing, energy consumed to collect data from the merge node, and energy consumed to select a merge node for the next round ; And determining a largest natural number as the number of merge nodes among values smaller than a value obtained by dividing the first value by the second value.
바람직하게는, 상기 제1 값을 연산하는 단계는, 상기 센서 노드의 수와 상기 센서 노드가 센싱하는 데이터의 양을 곱한 값에 비례하는 값으로 상기 무선 충전으로 공급해야 하는 에너지의 최소량을 연산하는 단계를 포함할 수 있다.Preferably, the step of calculating the first value comprises calculating a minimum amount of energy to be supplied by the wireless charging in a value proportional to a value obtained by multiplying the number of sensor nodes and the amount of data sensed by the sensor nodes. It may include steps.
바람직하게는, 상기 병합 노드의 수만큼 병합 노드를 선정하는 단계는, 상기 이동 경로를 상기 병합 노드의 수로 나눈 값을 간격으로 가지도록 상기 병합 노드를 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.Preferably, selecting the merge nodes as many as the number of merge nodes may include distributing the merge nodes to have a value obtained by dividing the movement path by the number of merge nodes at intervals.
바람직하게는, 상기 싱크 노드가, 상기 선정된 병합 노드로 병합 노드로 선정되었음을 알리는 제1 메시지를 송신하는 단계; 상기 선정된 병합 노드가, 상기 제1 메시지를 수신하고, 상기 병합 노드의 노드 ID를 포함한 제2 라우팅 메시지를 송신하는 단계; 및 제1 센서 노드가, 상기 제2 라우팅 메시지를 수신하고, 상기 제2 라우팅 메시지에 포함된 상기 노드 ID를 상기 제1 센서 노드가 데이터를 전송해야 할 병합 노드로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.Preferably, the sink node transmitting a first message notifying that a merge node has been selected as the selected merge node; Receiving, by the selected merging node, the first message and transmitting a second routing message including a node ID of the merging node; And setting, by the first sensor node, the second routing message, and setting the node ID included in the second routing message as a merge node to which the first sensor node should transmit data. have.
바람직하게는, 상기 제1 센서 노드가, 상기 노드 ID를 병합 노드 ID로 포함하고, 상기 제1 센서 노드의 ID를 발신 노드 ID로 포함하고, 상기 병합 노드까지의 홉 수를 포함하는 제3 라우팅 메시지를 송신하는 단계; 제2 센서 노드가, 상기 제3 라우팅 메시지를 수신하고, 상기 제3 라우팅 메시지에 포함된 상기 홉 수가 기존에 설정된 병합 노드까지의 홉 수보다 작은 경우에는 상기 병합 노드 ID를 상기 제2 센서 노드가 데이터를 전송해야 할 병합 노드로 갱신하는 단계를 더 포함할 수 있다.Preferably, the first sensor node includes the node ID as a merge node ID, the ID of the first sensor node is a source node ID, and a third routing including the number of hops to the merge node. Sending a message; When the second sensor node receives the third routing message and the number of hops included in the third routing message is smaller than the number of hops up to a previously set merge node, the second sensor node sets the merge node ID to the second sensor node. It may further include updating to a merge node to which data is to be transmitted.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 병합 노드 결정 장치인 싱크 노드는, 에너지 수집형 무선 센서 네트워크의 병합 노드와 모바일 싱크(Mobile Sink)를 통해 데이터를 수집하는 싱크 노드에 있어서, 상기 싱크 노드는, 상기 무선 센서 네트워크에 속한 센서 노드의 수와 상기 센서 노드가 센싱하는 데이터의 양을 고려하여 상기 병합 노드의 수를 적응적으로 결정하고, 상기 싱크 노드는, 상기 모바일 싱크를 위한 상기 싱크 노드의 이동 경로 상에 있는 노드 중에서 상기 병합 노드의 수만큼 병합 노드를 선정하고, 상기 싱크 노드는, 상기 병합 노드를 방문하는 경우에 상기 병합 노드로부터 데이터를 수집하면서 상기 병합 노드에 무선으로 에너지를 공급하는 것을 특징으로 한다.A sink node, which is an apparatus for determining a merge node according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, is a sink node that collects data through a merge node of an energy-collecting wireless sensor network and a mobile sink. , The sink node adaptively determines the number of the merge nodes in consideration of the number of sensor nodes belonging to the wireless sensor network and the amount of data sensed by the sensor node, and the sink node determines the mobile sink. A merge node is selected as many as the number of the merge nodes among nodes on the movement path of the sink node for, and the sink node collects data from the merge node while visiting the merge node. It is characterized in that it supplies energy.
바람직하게는, 상기 센서 노드의 수와 상기 센서 노드가 센싱하는 데이터의 양을 곱한 값에 비례하는 값으로 상기 병합 노드에 무선으로 에너지를 공급하는 것을 특징으로 한다.Preferably, energy is wirelessly supplied to the merge node at a value proportional to a product of the number of sensor nodes and the amount of data sensed by the sensor node.
본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에서 병합 노드 결정 방법을 이용하면, 무선 센서 네트워크의 연결성과 데이터 수집량을 높일 수 있다.When the method of determining the merge node in the wireless sensor network according to the present invention is used, the connectivity of the wireless sensor network and the amount of data collection can be increased.
구체적으로는 병합 노드를 일정 간격으로 선정함으로써, 데이터 전송 홉 수를 줄여 센서 노드들의 데이터 전송 홉 수를 감소시키고, 그 결과 에너지 소모량을 감소시켜 센서 노드의 가용성을 확보할 수 있다.Specifically, by selecting the merge node at a predetermined interval, the number of data transmission hops is reduced to reduce the number of data transmission hops of the sensor nodes, and as a result, the availability of the sensor node can be secured by reducing energy consumption.
또한, 여러 노드 중에서 데이터를 전송할 수 있는 에너지가 존재하는 노드를 병합 노드로 선택하고, 드론이 이들을 직접 방문하여 에너지를 충전해줌으로써, 병합 노드의 방전을 방지하고 네트워크의 연결성을 향상시킬 수 있다.In addition, it is possible to prevent discharging of the merged node and improve network connectivity by selecting a node that has energy capable of transmitting data from among several nodes as the merge node, and the drone directly visits them to charge the energy.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱크 노드인 드론의 이동 경로를 결정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드 및 병합 노드의 에너지 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱크 노드의 에너지 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 데이터의 수집 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 병합 노드 선정 과정을 설명하기 위한 의사 코드이다.
도 8 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 병합 노드 결정 방법의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 병합 노드 결정 장치를 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram illustrating a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a process of determining a moving path of a drone, which is a sink node, according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating an energy model of a sensor node and a merge node according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating an energy model of a sink node according to an embodiment of the present invention.
5 to 6 are diagrams for explaining a data collection process in a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.
7 is a pseudo code for explaining a process of selecting a merge node according to an embodiment of the present invention.
8 to 19 are diagrams for explaining the effect of a method for determining a merge node according to an embodiment of the present invention.
20 is a diagram illustrating an apparatus for determining a merge node according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.In the present invention, various modifications may be made and various embodiments may be provided, and specific embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it should be understood to include all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each drawing, similar reference numerals have been used for similar elements.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element. The term and/or includes a combination of a plurality of related items or any of a plurality of related items.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it should be understood that it is directly connected to or may be connected to the other component, but other components may exist in the middle. something to do. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in the middle.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 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.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof does not preclude in advance.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein including technical or scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. Does not.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification and claims, when a certain part includes a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram illustrating a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참고하면 무선 센서 네트워크에 다수의 센서 노드(Sensor Node)가 분포되어 있는 것을 볼 수 있다. 센서 노드는 도 1에서 하얀색 동그라미로 표시가 되어 있다. 각 센서 노드는 에너지 수집을 통해서 배터리를 충전할 수 있는 것으로 가정한다.Referring to FIG. 1, it can be seen that a plurality of sensor nodes are distributed in a wireless sensor network. Sensor nodes are marked with white circles in FIG. 1. It is assumed that each sensor node can charge the battery through energy collection.
도 1을 참고하면 병합 노드가 4개이므로 무선 센서 네트워크가 4개의 구역인 초록색 구역, 노란색 구역, 오렌지색 구역, 파란색 구역으로 나눠진 것을 볼 수 있다. 무선 센서 네트워크는 병합 노드의 수만큼 구역이 나눠지게 된다. 병합 노드의 수를 결정하는 방법에 대해서는 추후 보다 자세히 설명하기로 한다.Referring to FIG. 1, since there are four merge nodes, it can be seen that the wireless sensor network is divided into four zones: a green zone, a yellow zone, an orange zone, and a blue zone. The wireless sensor network is divided into zones by the number of merge nodes. A method of determining the number of merge nodes will be described in more detail later.
그러면 드론(100)이 각 구역을 이동하면서 데이터를 수집한다. 도 1에서는 드론(100)의 이동 경로(Mobile Sink Travel Area)가 점선 경계를 가진 회색 영역으로 표시되어 있다. 드론(100)은 무선으로 전력 전송이 가능한 것으로 가정한다. 즉 데이터를 수집하면서 동시에 병합 노드(Aggregation Node)에 에너지를 전달할 수 있다.Then, the
드론(100)도 제한된 배터리를 통해서 가동되므로 모든 센서 노드를 방문하는 대신 본 발명에서는 효율을 고려하여 드론(100)의 이동 경로 상에 있는 센서 노드 중에서 병합 노드를 선정한다. 즉 드론(100)의 이동 경로 상에 있는 센서 노드들은 병합 노드의 후보가 될 수 있다. 병합 노드를 다른 말로 앵커 노드(Anchor Node)라고도 칭한다. 이하 병합 노드와 앵커 노드는 동일한 의미를 가진다.Since the
도 1에서는 앵커 노드의 후보군(Anchor Node Candidate)들은 하얀색 동그라미에 X 표시가 있다. 그 중에서 각 구역별로 총 4개의 병합 노드, 즉 앵커 노드(110a, 110b, 110c, 110d)를 선정하고 드론(100)은 각 앵커 노드를 방문하여 각 앵커 노드가 해당 구역의 다른 센서 노드로부터 수집한 데이터를 수집한다.In FIG. 1, anchor node candidates are marked with an X in a white circle. Among them, a total of four merge nodes, namely
동시에 드론(100)은 각 앵커 노드(110a, 110b, 110c, 110d)에 무선으로 에너지를 공급한다. 도 1에서는 드론(100)과 각 앵커 노드(110a, 110b, 110c, 110d)의 데이터 전송(Data Collection)은 빨간색 화살표로, 에너지 전송(Energy Supply)은 녹색 화살표로 표시가 되어 있다.At the same time, the
도 1에서의 각 센서 노드들은 병합 노드에 주기적으로 센싱 데이터를 전송한다. 드론(100)은 고정된 경로를 돌면서 병합 노드를 방문하여 하나의 라운드 동안 수집된 데이터를 수신한다. 이 때 병합 노드는 특정 센서 노드에 고정되는 것이 아니라, 하나의 라운드가 진행되는 동안 다음 병합 노드를 선정하고 이를 해당 구역의 센서 노드에 알리는 방식으로 데이터를 수집한다.Each sensor node in FIG. 1 periodically transmits sensing data to the merge node. The
이러한 과정을 통해서 병합 노드가 정전이 되는 것을 방지하고, 무선 센서 네트워크의 가용성을 높인다. 본 발명에서는 드론(100)이 싱크 노드 및 에너지 공급의 역할을 하기 때문에 자동차나 사람이 접근하기 어려운 지역에서도 안정적으로 데이터의 수집이 가능하다.Through this process, the merge node prevents a power outage and increases the availability of the wireless sensor network. In the present invention, since the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱크 노드인 드론의 이동 경로를 결정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram illustrating a process of determining a moving path of a drone, which is a sink node, according to an embodiment of the present invention.
본 발명에서 싱크 노드로 사용하는 드론(100) 또한 제한된 배터리로 비행을 하기 때문에 이동 경로의 제한이 있다. 즉, 한번의 충전으로 드론(100)이 비행 가능한 거리보다 짧을 거리를 무선 센서 네트워크에서의 이동 경로로 설정하여야 한다. 이 때 이동 경로는 무선 센서 네트워크의 중앙 부분과 가까워야 한다. 그래야 적은 이동 경로로 효율적인 데이터의 수집이 가능하다.Since the
그리고 이동 경로에 있는 센서 노드 중에서 병합 노드가 선택되므로 이동 경로에서 먼 거리에 있는 센서 노드는 병합 노드까지 데이터를 전송하는 과정의 전송 홉 수가 증가할 수 있다. 전송 홉 수가 너무 커지면 무선 센서 네트워크의 성능 저하를 야기할 수 있다. 그러므로 필요한 경우에는 여러 대의 드론(100)을 이용하고 무선 센서 네트워크를 작은 영역으로 나누는 방법을 통해서 홉 수를 줄일 필요가 있다.In addition, since the merge node is selected from among the sensor nodes in the moving path, the number of transmission hops in the process of transmitting data to the merge node in the sensor node distant from the moving path may increase. If the number of transmission hops is too large, it can cause performance degradation of the wireless sensor network. Therefore, if necessary, it is necessary to reduce the number of hops by using
이 때 이동 경로 근처의 센서 노드 중에서 병합 노드(또는 앵커 노드)를 선택할 때 네트워크의 모양을 고려할 수 있다. 예를 들면 네트워크 필드가 사각형인 경우 앵커 노드의 위치들도 사각형의 꼭지점인 것이 데이터 수집 측면에서 유리하다.At this time, when selecting a merge node (or anchor node) among sensor nodes near the moving path, the shape of the network can be considered. For example, when the network field is a square, it is advantageous in terms of data collection that the positions of the anchor nodes are also the vertices of the square.
도 2를 참고하면 사각형의 무선 센서 네트워크에서 드론(100)이 비행하면서 데이터를 수집할 모바일 싱크의 경로를 설정하는 과정을 볼 수 있다. 우선 무선 센서 네트워크의 중심에서 먼 거리에 있는 센서 노드와 무선 센서 네트워크 중심까지의 거리를 계산하고, 다음 단계로 계산한 거리의 중점에 해당하는 위치를 계산하고, 중점들을 연결한 이동 경로의 총 길이를 계산해서 드론(100)으로 비행이 가능한 거리인지 판단한다. 가능한 경우에는 해당 경로를 비행 경로로 결정한다.Referring to FIG. 2, a process of setting a path of a mobile sink to collect data while the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드 및 병합 노드의 에너지 모델을 설명하기 위한 도면이다.3 is a diagram illustrating an energy model of a sensor node and a merge node according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참고하면, 센서 노드의 다음 라운드에서의 남은 에너지 은 현재 라운드에서의 남은 에너지 에서 소비 에너지 를 빼고, 수집 에너지 를 더한 값이다. 이를 수학식으로 표현하면 다음의 수학식 1과 같다.3, the remaining energy in the next round of the sensor node Is the remaining energy in the current round Energy consumption in Minus, collect energy Is the sum of This can be expressed as
[수학식 1][Equation 1]
여기서 수집 에너지 는 기상 환경 등을 고려하면 정량적으로 예측이 가능하다. 그리고 소비 에너지 는 데이터를 전송하는데 소모되는 에너지 와 데이터를 수신하는데 소모되는 에너지 및 기타 아이들(Idle)상태에서 센서 노드의 작동에 소모되는 에너지 가 포함된다. 이를 수학식으로 표현하면 다음의 수학식 2와 같다.Energy collected here Can be predicted quantitatively by taking into account the weather environment, etc. And energy consumption Is the energy consumed to transmit data And energy consumed to receive data And other energy consumed in the operation of the sensor node in the idle state Is included. This can be expressed as
[수학식 2][Equation 2]
여기서 데이터 수신에 소모되는 에너지 와 센서 노드의 작동에 소모되는 에너지 는 센서 노드의 설정을 통해서 예상할 수 있다. 왜냐하면 해당 에너지들은 센서 노드의 트랜시버(Transceiver)가 켜진 시간 및 센서 노드의 작동 시간에 의존하기 때문이다. 그리고 데이터 송신에 소모되는 에너지 는 데이터의 양과 전송 거리에 따라서 다양한 값을 가진다. 이에 대한 에너지 소비 모델을 적용하면 다음의 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.Energy consumed to receive data here And energy consumed in the operation of the sensor node Can be expected through the configuration of the sensor node. This is because the energies depend on the turn-on time of the sensor node's transceiver and the operating time of the sensor node. And the energy consumed in data transmission Has various values depending on the amount of data and the transmission distance. When the energy consumption model is applied to this, it can be expressed as
[수학식 3][Equation 3]
여기서 는 전송해야 할 패킷의 길이(byte)이며, 는 에너지 소비 상수로 거리당 바이트당 소비되는 에너지로 단위를 가진다. 그리고 은 노드의 전송 거리이며, 는 경로 손실로 2부터 5사이의 값을 가진다(2 <= <= 5). 수학식 2와 수학식 3을 수학식 1에 대입하면 다음의 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.here Is the length (byte) of the packet to be transmitted, Is the energy consumption constant, which is the energy consumed per byte per distance. Have a unit. And Is the transmission distance of the node, Is the path loss and has a value between 2 and 5 (2 <= <= 5). Substituting
[수학식 4][Equation 4]
이상으로 센서 노드의 에너지 모델을 살펴보았으며, 다음으로 병합 노드의 에너지 모델을 살펴보기로 한다. 도 3을 참고하면, 앵커 노드의 다음 라운드의 남은 에너지 은 현재 라운드에서의 남은 에너지 에서 데이터 수신에 소비되는 에너지 와 센서 노드의 작동에 소모되는 에너지 를 빼고, 수집 에너지 를 더한 값이다.The energy model of the sensor node has been examined above, and next, the energy model of the merge node will be examined. 3, the remaining energy of the next round of the anchor node Is the remaining energy in the current round Energy consumed to receive data from And energy consumed in the operation of the sensor node Minus, collect energy Is the sum of
병합 노드 역시 데이터를 싱크 노드로 전송하기에 데이터 전송 과정에서도 에너지 소모가 있다. 하지만 병합 노드는 싱크 노드가 방문했을 때만 데이터를 전송하고 그 전까지는 데이터를 수신하기만 하기 때문에 싱크 노드가 방문하기 전까지는 병합 노드에 인접한 다른 노드에 비해 에너지를 적게 소모한다. 그러므로 센서 노드의 에너지 모델을 나타낸 수학식 4와는 달리, 병합 노드의 에너지 모델에서는 데이터 전송에 소모되는 에너지 는 생략하고 다음의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.Since the merge node also transmits data to the sink node, energy is consumed in the data transmission process as well. However, since the merge node transmits data only when the sink node visits and receives data until then, it consumes less energy than other nodes adjacent to the merge node until the sink node visits. Therefore, unlike
[수학식 5][Equation 5]
병합 노드(=앵커 노드)가 블랙 아웃이 되면 해당 병합 노드를 사용하면 해당 구역의 모든 센서 노드의 데이터 수집이 중지되므로 이 값은 앵커 노드 작동에 필요한 최소 에너지 값인 보다 커야 한다. 이를 수학식으로 표현하면 다음의 수학식 6과 같다.When a merge node (=anchor node) is blacked out, using that merge node stops data collection from all sensor nodes in the zone, so this value is the minimum energy value required to operate the anchor node. Should be greater than This can be expressed as
[수학식 6][Equation 6]
병합 노드는 에너지를 소모하는 동시에 에너지 수집을 통해서 에너지를 충전하기도 하고 싱크 노드인 드론(100)으로부터도 에너지를 공급받는다. 그러므로 앵커 노드의 남은 에너지량은 앵커 노드의 에너지 저장 용량 보다 크지 않은 것이 바람직하다. 왜냐하면 배터리를 오버해서 충전하면 에너지 자체가 제한적인 무선 센서 네트워크에서 에너지가 낭비되기 때문이다. 이를 수학식으로 표현하면 다음의 수학식 7과 같다.The merge node consumes energy and also charges energy through energy collection and receives energy from the
[수학식 7][Equation 7]
본 발명에서는 수학식 6과 7을 고려하여 앵커 노드 작동에 필요한 최소 에너지 값인 보다 크고 앵커 노드의 에너지 저장 용량 보다 작은 값을 가진 노드를 병합 노드 후보군 중에서 병합 노드로 선택한다. 도 3을 통해서 센서 노드와 병합 노드의 에너지 모델을 살펴보았으므로 다음에는 싱크 노드인 드론(100)의 에너지 모델을 살펴보기로 한다.In the present invention, in consideration of
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱크 노드의 에너지 모델을 설명하기 위한 도면이다.4 is a diagram illustrating an energy model of a sink node according to an embodiment of the present invention.
드론(100)의 에너지 모델은 다음의 항목들을 고려할 수 있다. 드론의 이동에 소모되는 에너지 , 병합 노드로부터 데이터를 수집하는데 소비되는 에너지, 병합 노드에 공급하는 에너지 , 다음 라운드의 병합 노드를 선정하는데 소모되는 에너지, 아이들(Idle) 상태에서 드론의 작동에 소모되는 에너지 를 고려해서 에너지 모델을 설계할 수 있다.The energy model of the
또한 드론(100)은 이전 라운드에서 선택된 병합 노드를 방문하고, 각 병합 노드에 의해 집계된 인근 센서 노드의 데이터를 수신하는 동안 에너지를 병합 노드로 무선으로 전송해야 한다. 이 과정에서 드론(100)은 데이터 수신과 에너지 전송을 위해 병합 노드의 위치에 일정시간 동안 머물러 있어야 한다. 이 과정에서 착륙 및 이륙 에너지가 소모될 수 있으며, 데이터 송수신에서도 에너지가 소모될 수 있다. 이를 수학식으로 표현하면 다음의 수학식 8과 같다.In addition, the
[수학식 8][Equation 8]
수학식 8에서 는 병합 노드에 집계된 데이터의 패킷의 길이(byte)이며, 는 아까 수학식 3에서 살펴본 에너지 소비 상수이며, 는 드론(100)의 데이터 전송 범위이며, 는 데이터를 수신하는 동안 소모되는 에너지이다.In
수학식 8의 에너지는 하나의 병합 노드에서 데이터 수집에 소모되는 에너지이고, 데이터 수집에 소모되는 전체 에너지는 드론(100)이 데이터를 수집해야 하는 병합 노드의 수만큼 소모되므로, 병합 노드의 수를 라고 하면 한 라운드 동안 병합 노드로부터 병합 노드의 데이터를 수집하는데 소비되는 에너지의 총량은 다음의 수식 와 같이 표현할 수 있다.The energy in
또한, 한 라운드가 진행되면서 드론(100)은 다음 라운드에서 데이터를 수집할 병합 노드를 선정하고, 이를 해당 노드에 안내해야 한다. 이 과정에서도 에너지 소비가 발생되며 다음 라운드의 병합 노드의 수를 라고 하면 다음 라운드의 병합 노드를 선정하는데 소모되는 에너지는 와 같이 표현할 수 있다.In addition, as one round progresses, the
마지막으로 드론(100)은 무선 센서 네트워크에서 고정된 경로를 이동하기 때문에 이동에 소모되는 에너지 는 무선 센서 네트워크의 크기에 따라 고정된다. 드론의 이동에 소모되는 에너지 와 데이터의 송수신에 소모되는 에너지와 다음 라운드의 병합 노드를 선정하는데 소모되는 에너지와 병합 노드에 충전해주는 에너지 및 아이들(Idle) 상태에서 드론(100)의 운영에 소모되는 에너지를 고려하면 드론(100)의 에너지 모델은 다음의 수학식 9와 같이 표현할 수 있다.Finally, since the
[수학식 9][Equation 9]
수학식 9에서 드론의 이동에 소모되는 에너지 와 드론의 이착륙에 소모되는 에너지 , 데이터의 송수신에 소모되는 에너지 는 거의 고정된 값이다.Energy consumed to move the drone in
수학식 9에서 드론(100)이 병합 노드에 공급할 수 있는 에너지 는 고정된 값이므로, 병합 노드의 수와 각 병합 노드에 공급되는 에너지는 트레이드 오프 관계이다. 즉 드론(100)이 공급할 수 있는 에너지의 총량은 제한적이므로, 병합 노드의 수가 많아지면 각 병합 노드에 공급할 수 있는 에너지의 양도 적어지게 된다.Energy that the
수학식 9를 도면으로 표시한 도 4를 참고하면 현재 라운드의 앵커의 수 와 다음 라운드의 앵커의 수 에 따라 현재 라운드에서 드론이 소모하는 총 에너지양 가 결정된다. 특히 데이터를 수집하는 과정의 에너지(Data Communication Energy)는 현재 라운드의 앵커의 수 에 영향을 받고 다음 라운드의 병합 노드를 선정하는 과정의 에너지(Anchor Selection Energy)는 다음 라운드의 앵커의 수 에 영향을 받는다.Referring to FIG. 4
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 데이터의 수집 과정을 설명하기 위한 도면이다.5 to 6 are diagrams for explaining a data collection process in a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.
앞서 도 3 내지 도 4를 통해서 센서 노드와 병합 노드 및 싱크 노드인 드론(100)의 에너지 모델에 대해서 수식과 함께 이를 모델링해보았다. 도 5에서는 이를 종합적으로 살펴보기 위해 각 노드별 에너지 모델을 비교해보기로 한다.3 to 4, the energy model of the
싱크 노드인 드론(100)은 한번의 라운드가 진행되는 동안 2가지의 작업을 진행한다. 하나는 병합 노드를 방문하여 데이터를 수집하는 것이다. 싱크 노드는 고정된 경로를 주기적으로 이동하면서 병합 노드에 집계된 데이터를 수집한다(Data Communication Energy). 이때 싱크 노드는 자신에게 남아 있는 에너지를 각 병합 노드에 공급하여 병합 노드가 정전에 빠지는 것을 예방한다.The
또 다른 작업은 다음 라운드의 병합 노드를 선정한다(Anchor Selection Energy). 이 과정에서 병합 노드 후보군에 해당하는 노드들의 상태 정보를 수집하고, 상태 정보를 그 중에서 다음 라운드의 병합 노드를 선정한다. 다음 라운드의 병합 노드를 설정할 때 수학식 5 내지 수학식 6을 고려하여 선정하려는 병합 노드가 다음 라운드까지 생존이 가능한 노드인지 확인한다.Another task is to select the next round of merge nodes (Anchor Selection Energy). In this process, state information of nodes corresponding to the merge node candidate group is collected, and a merge node of the next round is selected from among the state information. When setting the merge node for the next round, it is checked whether the merge node to be selected is a node capable of surviving until the next round in consideration of
싱크 노드의 상태 정보 요청에 대해서 수학식 6을 만족하는 노드는 자신들의 다음 라운드 예상 잔여 에너지를 싱크 노드로 전송한다. 이때 싱크 노드는 각 구역의 병합 노드 후보군 중에서 다음 라운드의 예상 잔여 에너지가 가장 적은 센서 노드를 병합 노드로 선정한다.A node that satisfies
이렇게 예상되는 다음 라운드의 잔여 에너지가 가장 낮은 노드를 병합 노드로 선정하는 이유는 드론(100)이 해당 노드를 방문하여 데이터를 수집하는 동안 에너지를 공급하기 때문에, 에너지 공급을 통해서 해당 병합 노드의 정전을 예방하기 위해서이다. 싱크 노드는 각 노드의 상태 정보를 수신하고 그 중에서 병합 노드를 선정한 후에 병합 노드로 선정되었음을 알린다. 이 과정에서 소비되는 에너지 은 다음의 수학식 10과 같이 표현할 수 있다.The reason why the node with the lowest residual energy expected in the next round is selected as the merge node is because the
[수학식 10][Equation 10]
즉, 각 노드의 상태 정보를 요청하는데 소모되는 에너지 와 각 노드로부터 상태 정보를 수신하는데 소모되는 에너지 와 병합 노드로 선정된 노드를 무선 센서 네트워크에 브로드 캐스트 하는데 소모되는 에너지 를 합한 값과 같다.In other words, the energy consumed to request state information of each node And energy consumed to receive state information from each node Energy consumed to broadcast the node selected as the merge node with the wireless sensor network It is equal to the sum of
한 라운드 동안 데이터의 수집이 모두 끝나면 다음 라운드 비행을 위해서 드론(100)은 충전이 필요하다. 그러나 드론(100)의 충전에는 많은 시간이 소모될 수 있으므로, 1) 드론(100)의 비행 라운드 사이의 시간을 충전에 걸리는 시간보다 더 크게 설정하거나, 2) 여러 대의 드론을 사용하거나, 3) 여러 개의 배터리를 사용하는 방법을 고려할 수 있다.When all data is collected during one round, the
도 5를 참고하면 병합 노드(110a)에서 1 홉의 이웃 노드들(120a, 120b, 120c)은 그 주변의 다른 센서 노드로부터 데이터를 수집해서 다시 병합 노드(110a)로 전달하는 역할을 한다. 그러므로 특정 노드가 병합 노드로 선정되면 그 주변의 노드들은 핫스팟(Hot Spot)으로 인해 에너지 소모가 커진다.Referring to FIG. 5, neighboring
그러므로 병합 노드 후보군 중에서 다음 라운드의 예상 잔여 에너지가 가장 낮은 노드를 병합 노드로 선정하는 것이다. 그래야 병합 노드로 선정된 노드는 싱크 노드로부터 에너지를 공급받을 수 있고, 주변의 비교적 에너지가 많은 노드들은 병합 노드로 메시지를 전달하는 핫스팟 역할을 할 수 있는 것이다.Therefore, the node with the lowest estimated residual energy of the next round among the merge node candidate groups is selected as the merge node. Then, the node selected as the merge node can receive energy from the sink node, and the nodes with relatively high energy around it can serve as a hot spot for delivering messages to the merge node.
도 5를 참고하면, 병합 노드(110a)에서 1 홉보다 더 먼 위치의 노드들(Outside Sensor Node) 중에서 제1 노드(130a)는 총 8칸의 잔여 배터리에서 데이터의 송수신에 총 3칸의 배터리가 소모된 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 5, among nodes (Outside Sensor Node) located farther than one hop from the
그에 비해 1 홉 위치의 노드(1-Hop Neighbor Node) 중에서 제2 노드(120c)는 총 8칸의 잔여 배터리에서 데이터의 송수신에 총 7칸의 배터리가 소모된 것을 볼 수 있다. 이는 핫스팟 현상으로 인한 것이다.In contrast, it can be seen that among the 1-hop neighbor nodes, the
마지막으로 병합 노드 중에서 제3 노드(110a)는 총 8칸의 잔여 배터리에서 데이터의 송수신에 3칸의 배터리가 소모된 것을 볼 수 있다. 병합 노드의 에너지 소모량이 제일 적은 이유는 싱크 노드인 드론(100)으로부터 에너지를 무선으로 공급받기 때문이다.Lastly, it can be seen that the
도 6을 참고하면 다음 라운드의 병합 노드를 선정하는 과정을 볼 수 있다. 우선 현재 라운드에 병합 노드로 선정된 병합 노드의 수만큼 무선 센서 네트워크의 구역이 나눠진다. 도 6에서는 초록색 구역, 노란색 구역, 오렌지색 구역, 파란색 구역으로 구분된 것을 볼 수 있다. 다음으로 각 구역의 센서 노드들이 수집한 데이터는 병합 노드로 전송된다.Referring to FIG. 6, a process of selecting a merge node for the next round can be seen. First, the area of the wireless sensor network is divided by the number of merge nodes selected as merge nodes in the current round. In FIG. 6, it can be seen that it is divided into a green area, a yellow area, an orange area, and a blue area. Next, the data collected by the sensor nodes in each area is transmitted to the merge node.
드론(100)은 정해진 이동 경로를 따라 이동하면서 병합 노드 후보군에 속한 센서 노드에 상태 정보를 요청하고, 상태 정보를 수신한 후, 병합 노드 후보군 중에서 수학식 5 내지 6을 만족하는 센서 노드 중에서 에너지가 가장 낮은 노드를 병합 노드로 선정하고 이에 대한 알림을 브로드 캐스팅 한다.The
그러면 병합 노드 주변의 센서 노드들은 해당 병합 노드에 데이터를 송신하고, 병합 노드는 이를 다시 드론(100)에 전송하는 방식으로 무선 센서 네트워크의 데이터가 수집된다.Then, the sensor nodes around the merge node transmit data to the merge node, and the merge node transmits the data back to the
이때 드론(100)은 각 병합 노드에 무선으로 에너지를 제공할 수 있다. 병합 노드는 데이터의 송수신에 많은 에너지를 소모하기 때문에 에너지의 공급이 필요하다. 드론(100)으로부터의 에너지 공급을 고려하기 때문에, 앞선 과정에서 수학식 5 내지 6을 만족하는 센서 노드 중에서 가장 에너지가 낮은 노드를 병합 노드로 선정하는 것이다.At this time, the
이 때 센서 노드의 홉 수는 데이터를 전송해야 하는 병합 노드의 위치에 따라 결정된다. 홉 수가 많아지면 데이터의 전송에 에너지가 많이 소모되므로 병합 노드의 수와 위치를 효율적으로 선택하는 것이 무선 센서 네트워크의 전체적인 가용성을 올리는 길이 된다.In this case, the number of hops of the sensor node is determined according to the location of the merge node to which data is to be transmitted. As the number of hops increases, the transmission of data consumes a lot of energy. Therefore, efficient selection of the number and location of merge nodes is a way to increase the overall availability of the wireless sensor network.
센서 노드의 홉 수를 최소화하려면 한 라운드를 진행할 때 병합 노드의 수를 최대한 많이, 그 분포는 최대한 균등하게 위치하도록 병합 노드를 선정해야 한다. 이때 싱크 노드인 드론(100)은 정해진 경로를 따라 이동하므로 병합 노드의 수가 고정된 경우에는 드론(100)의 이동 경로의 거리를 병합 노드의 수만큼 나눈 값을 간격으로 가지도록 병합 노드를 선정하면 된다. 이렇게 병합 노드를 선정하는 경우 각 센서 노드는 가장 가까운 병합 노드로 데이터를 전송하면 되므로 홉 수를 최소화할 수 있다.In order to minimize the number of hops of sensor nodes, a merge node should be selected so that the number of merge nodes is as much as possible and the distribution is as uniform as possible during one round. At this time, since the
싱크 노드에서 제공하는 에너지로 병합 노드를 충전하므로, 모든 센서 노드의 데이터를 수집하고 이를 싱크 노드로 전송하는 역할을 하는 병합 노드를 적절한 수로 선정하는 것이 무선 센서 네트워크의 가용성을 최대화하기 위해서 매우 중요하다.Since the merge node is charged with the energy provided by the sink node, it is very important to select an appropriate number of merge nodes that collect data from all sensor nodes and transmit it to the sink node to maximize the availability of the wireless sensor network. .
이 때 한 라운드 동안 하나의 센서 노드가 전송해야 하는 데이터의 총 량을 s라고 가정하고, 센서 노드의 수를 n이라고 가정하면, 데이터 전송에 필요한 에너지의 총량은 수학식 3으로부터 다음의 수학식 11과 같이 유도된다.At this time, assuming that the total amount of data to be transmitted by one sensor node during one round is assumed to be s, and the number of sensor nodes is assumed to be n, the total amount of energy required for data transmission is from
[수학식 11][Equation 11]
싱크 노드는 최소한 이만큼의 에너지를 각 병합 노드에 공급할 수 있어야 하므로 싱크 노드가 모든 병합 노드에 공급해야 하는 에너지의 최소량은 다음의 수학식 12와 같이 유도된다.Since the sink node must be able to supply at least this amount of energy to each merge node, the minimum amount of energy that the sink node must supply to all the merge nodes is derived as in
[수학식 12][Equation 12]
여기서 는 에너지 전송 효율이다. 본 발명에서는 무선 센서 네트워크의 크기가 고정되어 있고, 센서 노드는 주기적으로 동일한 양의 데이터를 수집하기 때문에 병합 노드의 수는 크게 변하지 않는다. 따라서 현재 라운드의 병합 노드의 수 와 다음 라운드의 병합 노드의 수 는 동일하다고 가정할 수 있으므로 수학식 9로부터 다음의 수학식 13을 유도할 수 있다.here Is the energy transfer efficiency. In the present invention, the size of the wireless sensor network is fixed, and since the sensor nodes periodically collect the same amount of data, the number of merge nodes does not change significantly. So the number of merge nodes in the current round And the number of merge nodes in the next round Since can be assumed to be the same, the following
[수학식 13][Equation 13]
수학식 13을 에 관해서 정리하면 다음의 수학식 14를 얻을 수 있다.
[수학식 14][Equation 14]
센서 노드의 홉 수를 줄이려면 우리는 가능한 많은 수의 병합 노드를 선정하는 것이 바람직하므로 수학식 14로부터 우리는 병합 노드의 수를 다음과 같이 결정할 수 있다.In order to reduce the number of hops of sensor nodes, it is desirable to select as many merge nodes as possible, so from
[수학식 15][Equation 15]
그러므로 싱크 노드가 각 병합 노드에 공급해야 하는 에너지의 크기는 이며, 만약 센서 노드의 배터리 에너지 저장 용량을 초과하는 경우에는 더 이상 충전할 필요는 없이 다음 병합 노드에 남은 에너지를 더 공급하면 된다.Therefore, the amount of energy the sink node must supply to each merge node is If the battery energy storage capacity of the sensor node is exceeded, there is no need to charge any more, and the remaining energy can be supplied to the next merge node.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 병합 노드 선정 과정을 설명하기 위한 의사 코드이다.7 is a pseudo code for explaining a process of selecting a merge node according to an embodiment of the present invention.
앞서 수학식 15를 통해서 한 라운드 동안 선정해야 할 병합 노드의 수를 결정하는 방법에 대해서 살펴보았다. 다음으로 해당 병합 노드를 통해 데이터를 전송하는 센서 노드들의 집합, 즉 구역을 나누는 방법에 대해서 설명하기로 한다. 앞서 병합 노드의 수만큼 구역이 나뉜다고 잠깐 언급한 적이 있다. 이에 대해서 보다 자세히 살펴보기로 한다.Previously, a method of determining the number of merge nodes to be selected during one round was described through
특정 노드가 병합 노드로 선정이 되면 해당 노드는 자신이 병합 노드로 선정되었음을 알리는 라우팅 메시지를 브로드 캐스팅 한다. 해당 메시지에 포함되는 정보는 병합 노드의 ID, 병합 노드까지의 홉 수(0의 값)이 포함될 수 있다.When a specific node is selected as a merge node, the node broadcasts a routing message indicating that it has been selected as a merge node. The information included in the message may include the ID of the merge node and the number of hops to the merge node (a value of 0).
그러면 라우팅 메시지를 수신한 각 센서 노드는 해당 병합 노드의 ID를 자신이 데이터를 전송해야 할 병합 노드 ID로 설정한다. 이 때, 라우팅 메시지에 포함된 병합 노드의 ID, 병합 노드까지의 홉 수, 자신에게 메시지를 뿌린 노드의 ID를 기록한 후, 이 메시지의 정보를 갱신하여 다시 라우팅 메시지를 전송할 수 있다.Then, each sensor node that has received the routing message sets the ID of the corresponding merge node as the ID of the merge node to which it needs to transmit data. At this time, after recording the ID of the merge node included in the routing message, the number of hops to the merge node, and the ID of the node that transmitted the message to itself, the routing message can be transmitted again by updating the information of this message.
라우팅 메시지를 갱신할 때 메시지의 최대 홉 수는 차감하며, 라우팅 메시지를 전송한 노드의 ID는 자신의 ID로 변경한다. 이는 도 7에서 line 17과 19에 의사 코드로 작성되어 있다. 메시지의 최대 홉 수를 차감하는 이유는 이때 너무 많은 노드에 메시지가 전송되는 것을 방지하기 위해서이다. 그러므로 이 값이 0보다 클 때만 라우팅 메시지를 전송한다. 이는 도 7에서 line 18에 의사 코드로 작성되어 있다.When updating a routing message, the maximum number of hops of the message is subtracted, and the ID of the node that transmitted the routing message is changed to its own ID. This is written in pseudo code in
만약 센서 노드가 이미 다른 라우팅 메시지를 통해서 자신이 데이터를 전송해야 할 병합 노드 ID를 이미 설정했다면, 새로 전달된 라우팅 메시지에 포함된 새로운 병합 노드까지의 홉 수와 이미 저장된 기존의 병합 노드까지의 홉 수를 비교하여 홉 수가 더 작은 병합 노드로 데이터를 전송할 수 있다. 이미 데이터를 전송하던 중에 새로운 병합 노드를 설정하는 경우에도 병합 노드를 변경해서 센싱 데이터의 전송도 가능하다. 이는 도 7에서 line 14 내지 16에 의사 코드로 작성되어 있다.If the sensor node has already set the ID of the merge node to which it needs to transmit data through another routing message, the number of hops to the new merge node included in the newly delivered routing message and the hops to the existing merge node that have already been saved. By comparing the number, data can be transmitted to a merge node with a smaller number of hops. Even if a new merge node is set while data is already being transmitted, sensing data can be transmitted by changing the merge node. This is written in pseudo code in
이상으로 본 발명에서 제안하는 병합 노드 결정 방법에 대해서 살펴보았다. 본 발명에서 제안하는 방법을 이용하면 무선 센서 네트워크에서 모바일 싱크를 통해 데이터를 수집할 때 병합 노드의 수를 최적화할 수 있고, 어떤 노드를 병합 노드로 선정할지 기준을 제공할 수 있고, 병합 노드로 선정된 경우 해당 병합 노드로 데이터를 전송할 센서 노드의 구역을 정할 수 있다.As described above, a method for determining a merge node proposed in the present invention has been described. Using the method proposed in the present invention, when collecting data through a mobile sink in a wireless sensor network, it is possible to optimize the number of merge nodes, and provide a criterion for selecting which node as a merge node. If selected, the area of the sensor node to transmit data to the corresponding merge node can be determined.
또한 데이터 수집 과정에서 싱크 노드가 병합 노드로 에너지를 공급하기 때문에 병합 노드의 정전을 예방하고 무선 센서 네트워크의 가용성을 높일 수 있다. 이를 통해 데이터의 수집 효율을 높일 수 있는 효과가 있다. 이를 구체적인 실험 결과와 함께 확인해보기로 한다.In addition, since the sink node supplies energy to the merge node during the data collection process, power failure of the merge node can be prevented and the availability of the wireless sensor network can be increased. This has the effect of increasing the efficiency of data collection. We will check this together with the specific experimental results.
도 8 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 병합 노드 결정 방법을 이용하는 경우의 효과를 설명하기 위한 도면이다.8 to 19 are diagrams for explaining the effect of using the method of determining a merge node according to an embodiment of the present invention.
테스트를 위해서 다음의 대조군을 이용하기로 한다. 1) 무선 충전으로 에너지를 공급하면서 병합 노드의 위치가 고정된 무선 센서 네트워크(이하 Fixed), 2) 무선 충전으로 에너지를 공급하면서 병합 노드의 위치가 랜덤인 무선 센서 네트워크(이하 Random), 3) 무선 충전으로 에너지의 공급이 없고, 병합 노드의 위치가 랜덤인 무선 센서 네트워크(이하 Random - No charge)와 함께 시뮬레이션을 진행한다.For the test, the following control will be used. 1) A wireless sensor network in which the location of the merge node is fixed while supplying energy through wireless charging (hereinafter, Fixed), 2) A wireless sensor network in which the location of the merge node is random while supplying energy through wireless charging (hereinafter, referred to as Random), 3) There is no energy supply due to wireless charging, and the simulation is conducted with a wireless sensor network (hereinafter, Random-No charge) in which the location of the merge node is random.
이때 모든 무선 센서 네트워크는 병합 노드의 수는 고정된 것으로 가정한다. 무선 충전이 있는 1번과 2번 방식은 드론이 병합 노드에 도착하면 병합 노드의 배터리를 모두 충전하는 것으로 가정한다. 각 대조군의 특징을 정리하면 다음과 같다.In this case, it is assumed that the number of merge nodes in all wireless sensor networks is fixed.
1번 Fixed 방식은 일정한 수의 병합 노드가 사전에 미리 선정된다. 드론은 사전에 미리 선정된 병합 노드에 방문하여 데이터를 수집한다. 드론은 무선으로 충전할 총 에너지를 병합 노드의 수로 나눈 값을 각 병합 노드에 공급한다. 만약 무선으로 공급된 에너지가 병합 노드가 저장할 수 있는 양을 초과하면 더 이상 충전이 진행되지 않으며, 남은 에너지는 드론이 아직 방문하지 않은 다른 병합 노드에 공급된다.In the fixed method No. 1, a certain number of merge nodes is pre-selected. The drone visits a pre-selected merge node and collects data. The drone supplies the total energy to be charged wirelessly to each merge node divided by the number of merge nodes. If the energy supplied wirelessly exceeds the amount that the merge node can store, charging is no longer performed, and the remaining energy is supplied to other merge nodes that the drone has not yet visited.
2번 Random 방식은 각 라운드마다 드론이 일정한 수의 병합 노드를 랜덤하게 선택한다. 병합 노드의 위치는 에너지 불균형 문제를 완화하기 위해 매 라운드마다 드론의 이동 경로 내에서 무작위로 선정한다. 1번 Fixed 방식과 마찬가지로 드론은 무선으로 충전할 총 에너지를 병합 노드의 수로 나눈 값을 각 병합 노드에 공급한다. 만약 무선으로 공급된 에너지가 병합 노드가 저장할 수 있는 양을 초과하면 더 이상 충전이 진행되지 않으며, 남은 에너지는 드론이 아직 방문하지 않은 다른 병합 노드에 공급된다.In the second random method, the drone randomly selects a certain number of merge nodes for each round. The location of the merge node is randomly selected within the drone's movement path every round to alleviate the energy imbalance problem. Like the 1st fixed method, the drone supplies the total energy to be charged wirelessly by the number of merge nodes to each merge node. If the energy supplied wirelessly exceeds the amount that the merge node can store, charging is no longer performed, and the remaining energy is supplied to other merge nodes that the drone has not yet visited.
3번 Random - No Charge 방식은 드론이 에너지를 전달하지 않는 점을 제외하고는 2번 Random 방식과 동일하다.No. 3 Random-No Charge method is the same as No. 2 Random method except that the drone does not transmit energy.
시뮬레이션을 위해서 모바일 싱크에서 수집된 데이터의 양, 센서 노드에서 감지된 데이터의 양, 센서 노드 및 병합 노드의 수 및 밀도 변화에 따른 블랙 아웃 노드(Black Out Node)의 수의 변화를 측정했다. 평균값을 얻기 위해 각 테스트를 60일 동안 30회 실행하였으며, 표 1은 시뮬레이션에 사용한 주요 파라미터를 나타내고 있다.For the simulation, the change in the number of black out nodes according to the change in the amount of data collected by the mobile sink, the amount of data detected by the sensor node, the number of sensor nodes and merge nodes, and density was measured. Each test was performed 30 times for 60 days to obtain an average value, and Table 1 shows the main parameters used in the simulation.
[표 1][Table 1]
도 8 내지 도 10을 참고하면 노드의 밀도가 0.04인 무선 센서 네트워크에서 8일 동안 약 1000에서 1200 라운드가 진행되는 동안 발생한 블랙 아웃 노드의 수, 센서 노드가 센싱한 데이터의 양, 드론이 수집한 데이터의 양을 확인할 수 있다.8 to 10, the number of blackout nodes that occurred during about 1000 to 1200 rounds for 8 days in a wireless sensor network with a node density of 0.04, the amount of data sensed by the sensor node, and the drone collected. You can check the amount of data.
센서 노드는 태양 에너지를 사용하여 에너지를 재충전하기 때문에 낮에는 블랙 아웃 노드가 적지만 밤에는 에너지가 재충전되지 않아 다수의 노드가 도 8과 같이 정전이 된다.Since the sensor node recharges energy using solar energy, there are few blackout nodes during the day, but the energy is not recharged at night, so that a number of nodes become blackouts as shown in FIG. 8.
특히 도 8을 참고하면, 1번 Fixed 방식(초록색 라인)이 2번 Random 방식(노란색 라인)에 비해 더 많은 수의 노드가 블랙 아웃 노드가 되는 것을 볼 수 있다. 이는 무선 충전으로 에너지가 공급되더라도 고정된 병합 노드들이 데이터 전송을 위해 많은 에너지를 소모하기 때문이다. 물론 에너지의 공급이 없는 3번 Random - No Charge 방식(보라색 라인)의 경우 1번과 2번 방식에 비해 압도적으로 블랙 아웃 노드의 수가 많다. 이에 비해 본 발명에서 제안하는 방식(빨간색 라인)을 이용하면 블랙 아웃 노드의 수를 매우 낮출 수 있다.In particular, referring to FIG. 8, it can be seen that a larger number of nodes become blackout nodes than the No. 1 fixed method (green line) and the No. 2 random method (yellow line). This is because even if energy is supplied by wireless charging, fixed merge nodes consume a lot of energy for data transmission. Of course, in the case of the No. 3 Random-No Charge method (purple line) without energy supply, the number of blackout nodes is overwhelmingly larger than the No. 1 and No. 2 methods. On the other hand, if the scheme (red line) proposed in the present invention is used, the number of blackout nodes can be very reduced.
도 9를 참고하면 센서 노드가 센싱하는 데이터의 양이 밤에는 많이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 이는 도 8에서 설명한 것과 마찬가지로 밤에는 태양 에너지를 통한 에너지 공급이 줄어들기 때문에 많은 수의 센서 노드가 블랙 아웃 노드가 되기 때문이다. 도 9에서도 도 8과 마찬가지로 3번 방식이 가장 가용성이 나쁘며, 1번 방식이 그 다음으로 가용성이 나쁘고, 2번 방식이 그 다음으로 가용성이 나쁘고, 본 발명에서 제안하는 방식이 가장 많은 데이터를 안정적으로 센싱하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 9, it can be seen that the amount of data sensed by the sensor node decreases significantly at night. This is because a large number of sensor nodes become blackout nodes because energy supply through solar energy decreases at night, as described in FIG. 8. In FIG. 9, as in FIG. 8,
도 10을 참고하면 싱크 노드가 수집한 데이터의 양이 밤에는 많이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 이는 도 8에서 설명한 것과 마찬가지로 밤에는 태양 에너지를 통한 에너지 공급이 줄어들기 때문에 많은 수의 센서 노드가 블랙 아웃 노드가 되기 때문이다. 도 10에서도 도 8과 마찬가지로 3번 방식이 가장 가용성이 나쁘며, 1번 방식이 그 다음으로 가용성이 나쁘고, 2번 방식이 그 다음으로 가용성이 나쁘고, 본 발명에서 제안하는 방식이 가장 많은 데이터를 안정적으로 수집하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10, it can be seen that the amount of data collected by the sink node decreases significantly at night. This is because a large number of sensor nodes become blackout nodes because energy supply through solar energy decreases at night, as described in FIG. 8. In FIG. 10, as in FIG. 8,
다음으로 도 11 내지 13에서는 노드의 수가 증가하는 경우의 가용성에 대한 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있다. 노드의 밀도는 0.04로 고정된 채로 노드의 수를 50에서부터 50 단위로 500까지 증가시켰을 때 블랙 아웃 노드가 어느 정도 발생하는지를 확인할 수 있다.Next, in FIGS. 11 to 13, simulation results for availability when the number of nodes increases can be confirmed. When the number of nodes is increased from 50 to 500 in increments of 50 while the node density is fixed at 0.04, it is possible to check how much blackout nodes occur.
도 11을 참고하면 노드의 수가 증가함에 따라 병합 노드는 더 많은 데이터를 수집해야 하므로 핫스팟 문제로 인해 블랙 아웃 노드의 수가 증가하는 것을 볼 수 있다. 그럼에도 불구하고 본 발명에서 제안하는 방식이 블랙 아웃 노드의 수가 가장 작은 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 11, as the number of nodes increases, the merge node needs to collect more data, so it can be seen that the number of blackout nodes increases due to a hot spot problem. Nevertheless, it can be seen that the scheme proposed in the present invention has the smallest number of blackout nodes.
도 11을 참고하면, 3번 방식의 경우 무선 충전으로 에너지 공급이 없기 때문에 병합 노드가 다운되면 해당 병합 노드를 이용하는 모든 센서 노드들도 차단되어 블랙 아웃 노드가 급증하는 것을 볼 수 있다. 1번 방식의 경우 병합 노드가 고정되어 있기 때문에 다음 라운드의 새로운 병합 노드를 선정하는데 에너지 소모가 없다. 그럼에도 계속 고정된 병합 노드의 에너지 소모가 크기 때문에 무선 충전으로 에너지를 공급하는데도 블랙 아웃 노드의 수가 큰 것을 볼 수 있다. 반면에 본 발명에서 제안하는 방식을 이용하면 노드의 수가 증가하더라도 블랙 아웃 노드의 수가 급격히 증가하지는 않는 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 11, in the case of
도 12를 참고하면 노드의 수가 증가함에 따라 센서 노드에서 센싱된 데이터의 양을 확인할 수 있고, 도 13을 참고하면 노드의 수가 증가함에 따라 싱크 노드에서 수집한 데이터의 양을 확인할 수 있다. 도 12와 도 13에서 확인할 수 있듯이 본 발명에서 제안하는 방식이 가장 가용성이 높은 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 12, as the number of nodes increases, the amount of data sensed by the sensor node can be checked, and referring to FIG. 13, the amount of data collected by the sink node can be checked as the number of nodes increases. As can be seen in FIGS. 12 and 13, it can be seen that the scheme proposed in the present invention has the highest availability.
다음으로 도 14 내지 도 16에서는 노드의 밀도가 변하는 경우의 가용성에 대한 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있다. 도 14를 참고하면 노드의 수는 고정한 채로 노드의 밀도를 0.02 부터 0.07까지 변화시켰을 때 블랙 아웃 노드가 어느 정도 발생하는지 확인할 수 있다.Next, in FIGS. 14 to 16, simulation results for availability when the density of nodes is changed can be confirmed. Referring to FIG. 14, when the number of nodes is fixed and the density of nodes is changed from 0.02 to 0.07, it can be seen how much blackout nodes occur.
노드의 밀도가 낮으면 센서 노드와 병합 노드 사이의 홉 수가 증가하기 때문에 릴레이 노드가 더 많은 에너지를 소모하게 된다. 그래서 밀도가 낮아질수록 더 많은 수의 블랙 아웃 노드가 발생하게 된다. 반대로 노드의 밀도가 높으면 많은 센서 노드가 하나의 병합 노드에 연결되기 때문에 핫스팟 문제가 줄어들어 블랙 아웃 노드의 발생 횟수가 줄어들게 된다. 또한 병합 노드는 모바일 싱크가 도착할 때만 데이터를 전송하기 때문에 블랙 아웃 횟수가 줄어들게 된다.If the node density is low, the number of hops between the sensor node and the merge node increases, so the relay node consumes more energy. So, as the density decreases, a greater number of blackout nodes occur. Conversely, if the density of nodes is high, since many sensor nodes are connected to one merge node, the hot spot problem is reduced and the number of occurrences of blackout nodes is reduced. Also, since the merge node transmits data only when the mobile sink arrives, the number of blackouts is reduced.
앞서 다른 시뮬레이션에서 살펴본 것처럼 도 14 내지 도 16을 살펴보면 노드의 밀도가 감소하더라도 본 발명에서 제안하는 방식이 가장 가용성이 높은 것을 볼 수 있다. 블랙 아웃 노드의 수가 적으므로 본 발명에서 제안하는 방식이 보다 더 많은 데이터를 센싱하고 보다 더 많은 데이터를 수집하는 것을 볼 수 있다.14 to 16, as previously described in other simulations, it can be seen that even though the density of nodes decreases, the scheme proposed in the present invention is the most highly available. Since the number of blackout nodes is small, it can be seen that the scheme proposed by the present invention senses more data and collects more data.
다음으로 도 17 내지 도 19에서는 병합 노드의 수가 변하는 경우의 가용성에 대한 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있다. 도 17을 참고하면 앵커 노드의 수를 6개부터 26개까지 변화시키는 경우 블랙 아웃 노드가 어느 정도 발생하는지 확인할 수 있다.Next, in FIGS. 17 to 19, simulation results for availability when the number of merge nodes is changed can be confirmed. Referring to FIG. 17, when the number of anchor nodes is changed from 6 to 26, it is possible to check how much blackout nodes occur.
병합 노드의 수가 많아질수록 블랙 아웃 노드의 수가 줄어들게 된다. 이는 각 센서 노드가 병합 노드로 선택할 수 있는 선택의 폭이 넓어져서 핫스팟의 영향이 줄어들기 때문이다. 그러나 병합 노드의 수가 18개를 넘어가기 시작하면 오히려 블랙 아웃 노드가 증가하는 것을 볼 수 있다.As the number of merge nodes increases, the number of blackout nodes decreases. This is because the range of choices that each sensor node can select as a merge node is widened, reducing the influence of hot spots. However, when the number of merge nodes starts to exceed 18, it can be seen that the number of blackout nodes increases.
이는 잦은 이착륙으로 인해 싱크 노드가 공급할 수 있는 에너지가 줄어드는 데다가 다른 병합 노드와 그 에너지를 나눠서 공급받아야 하기 때문이다. 이로 인해 드론을 이용한 에너지의 무선 충전 효율이 떨어지게 되어서 무선 충전이 없는 3번 방식보다 오히려 1번 방식의 블랙 아웃 노드의 수가 급증하게 된다.This is because the energy that can be supplied by the sink node decreases due to frequent take-off and landing, and the energy must be shared with other merge nodes to be supplied. As a result, the efficiency of wireless charging of energy using drones decreases, and the number of blackout nodes of the first method is sharply increased rather than the third method without wireless charging.
이에 비해 본 발명에서 제안하는 방식은 드론의 에너지 양을 고려해서 병합 노드의 수를 적응적으로 선택하기 때문에 이러한 문제는 사전에 예방할 수 있다. 시뮬레이션 결과에서 본 발명은 병합 노드의 수를 18개로 선택해서 운영이 되었다. 그래서 다른 방식에 비해 높은 가용성을 확보하는 것을 볼 수 있다.On the other hand, since the method proposed by the present invention adaptively selects the number of merge nodes in consideration of the amount of energy of the drone, such a problem can be prevented in advance. From the simulation results, the present invention was operated by selecting the number of merge nodes as 18. So it can be seen that it has high availability compared to other methods.
이상으로 도 8 내지 도 19를 통해서 본 발명에서 제안하는 방식이 병합 노드의 수의 변화, 노드의 밀도의 변화, 노드의 수의 변화에도 불구하고 안정적으로 데이터의 수집이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명에서는 네트워크의 크기, 노드의 수, 센싱 데이터의 양, 소비되는 에너지의 양을 고려하여 병합 노드의 개수를 결정하고, 각 라운드마다 동적으로 병합 노드를 선정하기 때문이다.As described above, through FIGS. 8 to 19, it was confirmed that the method proposed in the present invention can stably collect data despite a change in the number of merge nodes, a change in node density, and a change in the number of nodes. This is because in the present invention, the number of merge nodes is determined in consideration of the size of the network, the number of nodes, the amount of sensing data, and the amount of energy consumed, and the merge node is dynamically selected for each round.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 병합 노드 결정 장치를 설명하기 위한 도면이다.20 is a diagram illustrating an apparatus for determining a merge node according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 병합 노드 결정 장치(14000)는 앞서 살펴본 것처럼 무선 센서 네트워크에서 싱크 노드의 역할을 하는 드론(100)일 수 있다. 그러나 그 외에도 무선 센서 네트워크의 특정 노드가 해당 역할을 수행할 수도 있다. 즉 도 20의 구성을 포함하는 임의의 고정형/모바일 전자 장치에 해당할 수 있다. As described above, the
도 20을 참고하면 병합 노드 결정 장치(14000)는 통신 유닛(14010), 프로세서(14020), 스토리지 유닛(14040)을 포함한다.Referring to FIG. 20, the
통신 유닛(14010)은 프로세서(14020)와 연결되어 무선/유선 신호를 송신/수신할 수 있다. 통신 유닛(14010)은 프로세서(14020)로부터 전달된 데이터를 전송하거나, 수신 데이터를 통신 유닛으로 전달할 수 있다.The
본 발명에서, 통신 유닛(14010)은 각 센서 노드로부터 상태 정보를 수신하고, 병합 노드를 결정하고, 이를 다시 안내하는 데이터를 무선 센서 네트워크의 각 노드로 전송할 수 있다. 그리고 통신 유닛(14010)은 본 발명의 방법을 실행하기 위한 데이터를 각 노드로 전송할 수 있다. 또한, 통신 유닛(14010)은 센서 노드가 수집한 환경 데이터를 수신하여 프로세서(14020)에게 전달할 수 있다.In the present invention, the
스토리지 유닛(14030)은 프로세서(14020)와 연결되어, 프로세서(14020)를 구동하기 위한 다양한 정보를 저장한다. 스토리지 유닛(14030)은 병합 노드의 위치 정보, 에너지 상태 정보, 센싱한 환경 데이터 등의 다양한 데이터, 정보, 인스턴스, 명령을 저장할 수 있다. 스토리지 유닛(14030)은 병합 노드 결정 장치(14000)에 외부 데이터 베이스와 연결되어, 수집한 데이터를 다시 제공할 수도 있다.The
프로세서(14020)는 통신 유닛(14010) 및 스토리지 유닛(14030)과 연결되어 앞서 서술한 도면 및 설명에 따른 본 발명의 다양한 실시예에 따른 동작을 수행할 수 있다. 상술한 본 발명의 다양한 실시예에 따른 병합 노드 결정 방법을 구현하는 모듈, 데이터, 프로그램 또는 소프트웨어 중 적어도 하나가 스토리지 유닛(14030)에 저장되고, 프로세서(14020)에 의하여 실행될 수 있다. The
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain the technical idea, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
100: 싱크 노드 (드론)
110a, 110b, 110c, 110d: 병합 노드(= 앵커 노드)
120a, 120b, 120c: 병합 노드의 1 홉 이웃 노드
130a: 병합 노드에서 1 홉보다 먼 외부의 노드
14000: 병합 노드 결정 장치100: sink node (drone)
110a, 110b, 110c, 110d: merge node (= anchor node)
120a, 120b, 120c: 1-hop neighbor node of the merge node
130a: A node outside the merge node farther than 1 hop
14000: merge node determination device
Claims (8)
상기 싱크 노드가, 상기 무선 센서 네트워크에 속한 센서 노드의 수와 상기 센서 노드가 센싱하는 데이터의 양을 고려하여 상기 병합 노드의 수를 적응적으로 결정하는 단계; 및
상기 싱크 노드가, 상기 싱크 노드의 이동 경로 상에 있는 노드 중에서 상기 병합 노드의 수만큼 병합 노드를 선정하는 단계를 포함하고,
상기 병합 노드의 수를 적응적으로 결정하는 단계는,
상기 싱크 노드가, 한 번의 라운드에서 데이터 수집을 위해 소모하는 에너지에서 상기 이동 경로를 이동하는데 소모하는 에너지와 상기 병합 노드에 무선 충전으로 공급해야 하는 에너지의 최소량 및 상기 싱크 노드의 대기 상태에서 소모되는 에너지의 합을 뺀 제1 값을 연산하는 단계;
상기 싱크 노드가, 상기 병합 노드에 이/착륙에 소모하는 에너지와 상기 병합 노드로부터 데이터를 수집하는데 소모하는 에너지 및 다음 라운드의 병합 노드를 선정하기 위해서 소모하는 에너지의 합인 제2 값을 연산하는 단계; 및
상기 제1 값을 상기 제2 값으로 나눈 값보다 작은 값 중에서 가장 큰 자연수를 상기 병합 노드의 수로 결정하는 단계를 포함하는,
무선 센서 네트워크에서 병합 노드 결정 방법.
In the method of determining a merge node in a wireless sensor network of a merge node of an energy collecting wireless sensor network and a sink node that collects data as a mobile sink,
Adaptively determining, by the sink node, the number of merge nodes in consideration of the number of sensor nodes belonging to the wireless sensor network and the amount of data sensed by the sensor node; And
And selecting, by the sink node, a merge node as many as the number of merge nodes from among nodes on a moving path of the sink node,
The step of adaptively determining the number of merge nodes,
The sink node, from the energy consumed for data collection in one round, the energy consumed to move the movement path, the minimum amount of energy to be supplied to the merge node by wireless charging, and consumed in the standby state of the sink node. Calculating a first value obtained by subtracting the sum of the energy;
Calculating, by the sink node, a second value that is a sum of energy consumed by the merge node for take-off/landing, energy consumed to collect data from the merge node, and energy consumed to select a merge node for the next round ; And
Including the step of determining a largest natural number as the number of merge nodes among values smaller than a value obtained by dividing the first value by the second value,
How to determine the merge node in the wireless sensor network.
상기 제1 값을 연산하는 단계는,
상기 센서 노드의 수와 상기 센서 노드가 센싱하는 데이터의 양을 곱한 값에 비례하는 값으로 상기 무선 충전으로 공급해야 하는 에너지의 최소량을 연산하는 단계를 포함하는,
무선 센서 네트워크에서 병합 노드 결정 방법.
The method of claim 1,
The step of calculating the first value,
Comprising the step of calculating a minimum amount of energy to be supplied by the wireless charging in a value proportional to a value obtained by multiplying the number of sensor nodes and the amount of data sensed by the sensor nodes,
How to determine the merge node in the wireless sensor network.
상기 병합 노드의 수만큼 병합 노드를 선정하는 단계는,
상기 이동 경로를 상기 병합 노드의 수로 나눈 값을 간격으로 가지도록 상기 병합 노드를 분산시키는 단계를 포함하는,
무선 센서 네트워크에서 병합 노드 결정 방법.
The method of claim 1,
The step of selecting the merge nodes as many as the number of merge nodes,
Distributing the merge nodes to have a value obtained by dividing the movement path by the number of merge nodes at intervals,
How to determine the merge node in the wireless sensor network.
상기 싱크 노드가, 상기 선정된 병합 노드로 병합 노드로 선정되었음을 알리는 제1 메시지를 송신하는 단계;
상기 선정된 병합 노드가, 상기 제1 메시지를 수신하고, 상기 병합 노드의 노드 ID를 포함한 제2 라우팅 메시지를 송신하는 단계; 및
제1 센서 노드가, 상기 제2 라우팅 메시지를 수신하고, 상기 제2 라우팅 메시지에 포함된 상기 노드 ID를 상기 제1 센서 노드가 데이터를 전송해야 할 병합 노드로 설정하는 단계를 더 포함하는,
무선 센서 네트워크에서 병합 노드 결정 방법.
The method of claim 1,
Transmitting, by the sink node, a first message informing that the selected merge node has been selected as a merge node;
Receiving, by the selected merging node, the first message and transmitting a second routing message including a node ID of the merging node; And
The first sensor node, further comprising the step of receiving the second routing message, and setting the node ID included in the second routing message as a merge node to which the first sensor node should transmit data,
How to determine the merge node in the wireless sensor network.
상기 제1 센서 노드가, 상기 노드 ID를 병합 노드 ID로 포함하고, 상기 제1 센서 노드의 ID를 발신 노드 ID로 포함하고, 상기 병합 노드까지의 홉 수를 포함하는 제3 라우팅 메시지를 송신하는 단계;
제2 센서 노드가, 상기 제3 라우팅 메시지를 수신하고, 상기 제3 라우팅 메시지에 포함된 상기 홉 수가 기존에 설정된 병합 노드까지의 홉 수보다 작은 경우에는 상기 병합 노드 ID를 상기 제2 센서 노드가 데이터를 전송해야 할 병합 노드로 갱신하는 단계를 더 포함하는,
무선 센서 네트워크에서 병합 노드 결정 방법.
The method of claim 5,
The first sensor node transmits a third routing message including the node ID as the merge node ID, the ID of the first sensor node as the originating node ID, and the number of hops to the merge node. step;
When the second sensor node receives the third routing message and the number of hops included in the third routing message is smaller than the number of hops up to a previously set merge node, the second sensor node sets the merge node ID to the second sensor node. Further comprising the step of updating to the merge node to which the data is to be transmitted,
How to determine the merge node in the wireless sensor network.
상기 싱크 노드는, 상기 무선 센서 네트워크에 속한 센서 노드의 수와 상기 센서 노드가 센싱하는 데이터의 양을 고려하여 상기 병합 노드의 수를 적응적으로 결정하고,
상기 싱크 노드는, 상기 싱크 노드의 이동 경로 상에 있는 노드 중에서 상기 병합 노드의 수만큼 병합 노드를 선정하고,
상기 싱크 노드는, 상기 병합 노드를 방문하는 경우에 상기 병합 노드로부터 데이터를 수집하면서 상기 병합 노드에 무선으로 에너지를 공급하고,
상기 싱크 노드는, 상기 병합 노드의 수를 적응적으로 결정하기 위하여, 한 번의 라운드에서 데이터 수집을 위해 소모하는 에너지에서 상기 이동 경로를 이동하는데 소모하는 에너지와 상기 병합 노드에 무선 충전으로 공급해야 하는 에너지의 최소량 및 상기 싱크 노드의 대기 상태에서 소모되는 에너지의 합을 뺀 제1 값을 연산하고, 상기 병합 노드에 이/착륙에 소모하는 에너지와 상기 병합 노드로부터 데이터를 수집하는데 소모하는 에너지 및 다음 라운드의 병합 노드를 선정하기 위해서 소모하는 에너지의 합인 제2 값을 연산하며, 상기 제1 값을 상기 제2 값으로 나눈 값보다 작은 값 중에서 가장 큰 자연수를 상기 병합 노드의 수로 결정하는 것을 특징으로 하는,
싱크 노드.
In the merge node of the energy-collecting wireless sensor network and a sink node that collects data as a mobile sink,
The sink node adaptively determines the number of the merge nodes in consideration of the number of sensor nodes belonging to the wireless sensor network and the amount of data sensed by the sensor node,
The sink node selects as many merge nodes as the number of merge nodes among nodes on a moving path of the sink node,
The sink node wirelessly supplies energy to the merge node while collecting data from the merge node when visiting the merge node,
In order to adaptively determine the number of the merge nodes, the sink node must supply energy consumed for moving the movement path from energy consumed for data collection in one round and the energy consumed to move the moving path through wireless charging. Calculate a first value obtained by subtracting the sum of the minimum amount of energy and the energy consumed in the standby state of the sink node, energy consumed for takeoff/landing at the merge node, energy consumed for collecting data from the merge node, and the following A second value, which is a sum of energy consumed to select a round merge node, is calculated, and a largest natural number among values smaller than a value obtained by dividing the first value by the second value is determined as the number of merge nodes. doing,
Sink node.
상기 센서 노드의 수와 상기 센서 노드가 센싱하는 데이터의 양을 곱한 값에 비례하는 값으로 상기 병합 노드에 무선으로 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는,
싱크 노드.The method of claim 7,
In a value proportional to a product of the number of sensor nodes and the amount of data sensed by the sensor node, energy is wirelessly supplied to the merge node.
Sink node.
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CN115529646A (en) * | 2022-10-20 | 2022-12-27 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | Low-delay network switching method, device, equipment and storage medium |
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