KR102457960B1 - 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 ctp를 이용한 라우팅 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치 - Google Patents

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Abstract

태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법은, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크의 노드는 각 시간 슬롯마다 할당된 에너지, 링크 품질 및 예상 소모 에너지를 계산하는 단계; 해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값과 비교하는 단계; 해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값보다 큰 경우, 해당 시간 슬롯의 동작 노드를 노멀 모드로 결정하는 단계; 해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값보다 작거나 같은 경우, 동작 노드를 스위치 모드로 결정하는 단계; 및 스위치 모드로 동작하는 동안 노멀 모드로 동작할 수 있을 만큼의 자식 노드 집합을 찾을 수 없는 경우, 해당 시간 슬롯의 동작 노드를 콘트롤 모드로 결정하는 단계;를 포함한다. 이에 따라, 정전 노드의 발생 문제 및 에너지 불균형 문제를 해결한다.

Description

태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치{ROUTING METHOD USING COLLECTION TREE PROTOCOL IN SOLAR POWERED WIRELESS SENSOR NETWORKS, RECORDING MEDIUM AND DEVICE FOR PERFORMING THE METHOD}
본 발명은 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크로 구성된 영역에서 기존 라우팅 방식인 CTP(Collection Tree Protocol)을 개선한 Solar-CTP 라우팅 기법을 수행하는 기술에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크(WSN)는 제한된 배터리 용량으로 인해 수명이 짧을 뿐만 아니라 싱크 노드에 가까운 노드와 다른 노드 사이의 에너지 불균형 문제로 인해 어려움을 겪는다.
제한된 배터리 용량 문제를 근본적으로 해결하기 위해 최근 연구에서는 태양 에너지와 같이 주변 환경에서 에너지를 수집하는 연구가 활발히 진행 중이다. 또한, 에너지 불균형 문제를 해결하기 위해 에너지를 고려한 동적 토폴로지 제어를 사용하는 무선 센서 네트워크도 연구되고 있다.
무선 센서 네트워크는 주변 환경을 모니터링하고 다양한 정보를 수집하여 제공해주는 역할을 한다. 무선 센서 네트워크는 주변 환경을 센싱하는 수많은 센서 노드와 싱크 노드라는 네트워크 중앙에서 데이터를 수집하는 노드로 구성된다.
무선 센서 네트워크는 재난 모니터링, 환경 감지, 건강 관리 모니터링 및 위협 감지와 같은 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 센서 노드는 저렴한 비용으로 생산되며 크기는 작지만, 대량으로 배포된다. 따라서 제한된 배터리 용량으로 인해 수명이 짧다는 문제가 존재한다. 이 문제를 해결하기 위해 주변 환경에서 에너지를 수집하는 에너지 수집형 센서 노드에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 태양 에너지는 높은 에너지 밀도와 주기성으로 인해 센서 노드에 가장 적합한 형태의 에너지원이다. 한편, 싱크 노드의 위치가 고정되어 있어서 싱크 노드에 더 가까운 노드는 멀리 있는 노드보다 더 많은 에너지가 소비되어 에너지 불균형 문제가 발생한다.
CTP(Collection Tree Protocol)는 높은 데이터 수집률과 하드웨어 독립성이라는 장점이 있지만, 노드 간 에너지 불균형 문제가 심하고 루프 발생 가능성이 있다는 단점이 있다. 상대적으로 높은 에너지 소비는 트리의 상위 레벨(즉, 싱크 노드 근처의 노드)에서뿐만 아니라 많은 자식 노드와 통신하는 모든 부모 노드에서도 발생할 수 있다. 이러한 에너지 불균형 문제는 결국 전체 네트워크의 수명을 단축하게 한다.
KR 10-0856882 B1 KR 10-2015-0086736 A KR 10-1925022 B1
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법은, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크의 노드는 각 시간 슬롯마다 할당된 에너지, 링크 품질 및 예상 소모 에너지를 계산하는 단계; 해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값과 비교하는 단계; 해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값보다 큰 경우, 해당 시간 슬롯의 동작 노드를 노멀 모드로 결정하는 단계; 해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값보다 작거나 같은 경우, 동작 노드를 스위치 모드로 결정하는 단계; 및 스위치 모드로 동작하는 동안 노멀 모드로 동작할 수 있을 만큼의 자식 노드 집합을 찾을 수 없는 경우, 해당 시간 슬롯의 동작 노드를 콘트롤 모드로 결정하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 할당된 에너지는 수집 에너지의 총량을 하루인 24시간으로 나누어 균일하게 공급되는 에너지일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 링크 품질은 부모 및 주변 노드가 브로드 캐스트한 비콘의 총 횟수와 성공적으로 수신한 횟수를 비교하여 수동적으로 추산하거나, 부모 노드에게 직접 데이터를 송신한 총 횟수와 성공적으로 ACK 패킷을 받은 횟수를 비교하여 능동적으로 추산할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 해당 시간 슬롯의 동작 노드를 스위치 모드로 결정하는 단계는, 스위치 모드로 동작 시에는 자신이 노멀 모드로 동작할 수 있을 만큼의 자식 노드에게 부모 변경 메시지를 전송하는 단계; 및 부모 변경 메시지를 수신한 자식 노드는 새로운 부모를 선정하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 부모 변경 메시지를 수신한 자식 노드는 새로운 부모를 선정하는 단계는, 새로운 부모 노드는 예상 소모 에너지와 링크 품질, 할당 에너지를 비교하여 자신이 노멀 모드로 동작할 수 있는지를 검사하여 받아줄지 여부를 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 해당 시간 슬롯의 동작 노드를 콘트롤 모드로 결정하는 단계는, 해당 시간 슬롯 동안 전송할 수 있는 예상 총 데이터양과 본래 전송해야 하는 데이터양을 나눈 확률 값을 매 데이터 통신에 부여하여 송신 데이터양을 조절하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 노멀 모드는 정상적으로 센싱 및 데이터 전송을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 스위치 모드는 자식 노드의 수를 줄여 노드의 정전을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 싱크 노드는 특정 주기마다 임의의 위치로 이동할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에는, 상기 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록되어 있다.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 장치는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크의 노드는 각 시간 슬롯마다 할당된 에너지, 링크 품질 및 예상 소모 에너지를 계산하는 예상 잔여 할당 에너지 계산부; 해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값과 비교하여 노드의 동작 모드를 결정하는 모드 결정부; 해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값보다 큰 경우, 일반적인 센싱과 라우팅을 수행하는 노멀 모드로 동작하는 노멀 모드 수행부; 해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값보다 작거나 같은 경우, 자식 노드의 수를 줄여 노드의 정전을 방지하는 스위치 모드로 동작하는 스위치 모드 수행부; 및 스위치 모드로 동작하는 동안 노멀 모드로 동작할 수 있을 만큼의 자식 노드 집합을 찾을 수 없는 경우, 전송되는 총 데이터양을 줄이는 콘트롤 모드로 동작하는 콘트롤 모드 수행부;를 포함한다.
이와 같은 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법에 따르면, 링크 품질과 수집 에너지, 예상 소모 에너지를 동시에 고려하여 에너지 균형적인 토폴로지 변경 및 유지를 가능하게 한다. 또한, 고정된 싱크가 아닌 모바일 싱크를 사용함으로써 싱크 주변 노드와 외곽 노드 간의 에너지 불균형 문제를 해결한다.
나아가, 확률을 기반으로 한 송신 데이터양 조절을 통해 노드의 정전을 방지하고, 종래 기술에 비해 정전 노드의 감소, 데이터 수집량 증가, 링크 품질이 높을수록 더 높은 효율성을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1의 장치의 해결하고자 하는 문제 및 해결 방안을 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명이 적용하는 CTP 통신의 모듈을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명에서 다음 슬롯에서 n3 노드가 노멀 모드로 동작할 수 있는 경우를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에서 다음 슬롯에서 n3 노드가 콘트롤 모드로 동작할 수 있는 경우를 보여주는 도면이다.
도 6은 비콘 메시지에 의한 CTP 구성 과정을 보여주기 위한 도면이다.
도 7은 시간 슬롯에 할당된 에너지를 보여주는 도면이다.
도 8은 시간에 따른 노드의 동작 모드 변화를 보여주는 도면이다.
도 9는 노드 i의 동작 모드 결정 알고리즘의 의사 코드를 나타내는 도면이다.
도 10은 스위치 모드 동작의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 스위치 모드 동작의 의사 코드를 나타내는 도면이다.
도 12는 콘트롤 모드 동작의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 모바일 싱크 이동에 따른 토폴로지 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법의 흐름도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 장치의 블록도이다.
본 발명에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP(Collection Tree Protocol)를 이용한 라우팅 장치(10, 이하 장치)는 수집되는 에너지와 링크 품질, 소모 에너지를 동시에 고려하여 노드의 동작 모드를 결정하고, 특정 주기마다 싱크 노드를 이동 시켜 싱크 주변 노드의 에너지 불균형 문제를 해소한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 장치(10)는 예상 잔여 할당 에너지 계산부(110), 모드 결정부(130), 노멀 모드 수행부(150), 스위치 모드 수행부(170) 및 콘트롤 모드 수행부(190)를 포함한다. 상기 장치(10)는 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크의 노드이거나 노드의 일부일 수 있다.
본 발명의 상기 장치(10)는 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅을 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)가 설치되어 실행될 수 있으며, 상기 예상 잔여 할당 에너지 계산부(110), 상기 모드 결정부(130), 상기 노멀 모드 수행부(150), 상기 스위치 모드 수행부(170) 및 상기 콘트롤 모드 수행부(190)의 구성은 상기 장치(10)에서 실행되는 상기 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅을 수행하기 위한 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다.
상기 장치(10)는 별도의 단말이거나 또는 단말의 일부 모듈일 수 있다. 또한, 상기 예상 잔여 할당 에너지 계산부(110), 상기 모드 결정부(130), 상기 노멀 모드 수행부(150), 상기 스위치 모드 수행부(170) 및 상기 콘트롤 모드 수행부(190)의 구성은 통합 모듈로 형성되거나, 하나 이상의 모듈로 이루어 질 수 있다. 그러나, 이와 반대로 각 구성은 별도의 모듈로 이루어질 수도 있다.
본 발명에서는 배터리 용량 제한 문제와 에너지 불균형 문제를 동시에 해결하기 위해, 모바일 싱크를 기반으로 하는 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에 적합한 Solar-CTP(Collection Tree Protocol)를 제안한다.
기존 CTP의 문제점과 본 발명에서 제안하는 해결책은 도 2에 도시되어 있으며 아래와 같다.
배터리 기반 무선 센서 네트워크의 에너지 제약 문제: 태양 에너지 수집형 센서 노드를 도입하고 에너지를 고려한 CTP를 설계하여 해결한다.
기존 CTP의 정전 노드 문제: 링크 품질과 에너지를 동시에 고려하여 노드의 동작 모드 결정 및 부모 노드 재선정 기법을 사용하여 해결한다.
기존 CTP의 에너지 불균형 문제: 에너지 상태, 링크 품질 및 모바일 싱크 노드의 위치에 따라 트리 토폴로지를 동적으로 재구성하여 해결한다.
다만, 태양 에너지 수집형 센서 노드를 사용하더라도 평균적으로 수집된 에너지보다 더 많은 에너지가 소비되는 특정 기간에 정전이 발생할 수 있다. 반면, 배터리 기반 센서 노드처럼 에너지 절약에만 초점을 맞추면 배터리의 잔여 에너지가 점차 증가하고 배터리 용량의 한계에 도달하면 잉여 에너지는 버려지게 된다.
따라서, 본 발명은 수집된 에너지를 고려한 CTP를 설계하여 수집되는 태양 에너지를 효율적으로 사용하면서 에너지를 버리지 않는 에너지 중립적인 동작을 수행한다.
먼저, CTP는 링크 품질을 기반으로 토폴로지를 구성하여 데이터 라우팅을 수행하는 프로토콜이다. CTP는 링크 품질로 ETX(Expected Transmission Number)를 사용하며, 트리 구조는 각 노드의 ETX 값에 따라 결정된다. CTP는 라우팅을 수행하기 위해 이웃 노드의 주소 정보나 추가적인 하드웨어가 필요하지 않으며 우수한 데이터 전송률을 가지고 있다.
CTP는 도 3과 같이 효율적인 라우팅을 달성하기 위해 3개의 모듈로 구성되어 있다. 도 3을 참조하여, 모듈과 ETX 값의 관리 및 업데이트 방법에 대해 설명하면, Link estimator(210)는 한 홉 내 이웃 노드의 linkETX를 추정한다. 여기서, linkETX는 이웃 노드와 통신 할 때 수행해야 하는 예상 전송 수이다. 추정하는 방법은 브로드 캐스트 비콘을 사용하거나 노드 간의 직접 통신을 통해 추정 할 수 있다.
첫 번째 linkETX 추정 방법인 Qb는 이웃 노드로부터 수신된 브로드캐스트 비콘 메시지를 기반으로 다음의 수학식 1과 같이 계산할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021035918418-pat00001
여기서, nb는 성공적으로 수신된 비콘 수이고 Nb는 이웃 노드에 의해 전송된 모든 비콘 수이다. Qb는 주로 토폴로지가 처음 구성될 때와 루프 감지와 같은 네트워크 불균형 문제가 발생할 때 사용된다.
두 번째 linkETX 추정 방법인 Qu는 부모 노드와 직접 통신한 결과를 기반으로 하며 다음의 수학식 2와 같이 계산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112021035918418-pat00002
여기서, nu는 자식 노드가 보낸 총 패킷 수이고 na는 성공적으로 수신된 ACK 패킷의 수이다. Qu는 정상적인 토폴로지에서 사용되며 Qb보다 더 정확한 추정 방법이다. 이 두 가지 방법을 사용하여 추정된 linkETX는 Routing engine(230)으로 전달된다.
Routing engine(230)은 Link estimator(210)가 추정한 linkETX를 기반으로 라우팅 테이블을 구성한다. 이웃 노드의 ID, 이웃 노드와의 linkETX, 이웃 노드의 ETX가 이 라우팅 테이블에 기록된다. Routing engine은 이웃 노드 중 linkETX와 ETX의 합이 가장 작은 노드를 부모 노드로 선택한다. 그런 다음 자신의 ETX가 부모 노드의 ETX와 linkETX의 합으로 업데이트된다. 즉, Routing engine의 핵심적인 역할은 예상되는 총 전송 수가 가장 적은 라우팅 경로를 찾는 것이다.
Forwarding engine(250)은 다음 세 가지 역할을 담당한다. 먼저 전송 큐를 확인하여 부모 노드로 데이터를 전송한다. 둘째, 수신한 패킷이 중복되었는지를 판단하여, 중복된 패킷이면 수신하지 않는다. 마지막으로 Link estimator(210)에 데이터 전송 결과를 알려 부모 노드의 linkETX 추정을 도와준다.
본 발명은 모바일 싱크 노드와 태양 에너지 수집형 센서 노드로 구성된 무선 센서 네트워크에 맞게 조정된 Solar-CTP를 제안한다. 본 발명은 각 노드는 예상되는 에너지 수집량 및 소비량을 기반으로 추정된 에너지 상태에 따라 동작 모드를 결정한다.
상기 예상 잔여 할당 에너지 계산부(110)는 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크의 노드는 각 시간 슬롯마다 할당된 에너지, 링크 품질 및 예상 소모 에너지를 계산하고, 상기 모드 결정부(130)는 해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값과 비교하여 노드의 동작 모드를 결정한다.
상기 노멀 모드 수행부(150), 상기 스위치 모드 수행부(170) 및 상기 콘트롤 모드 수행부(190)는 상기 모드 결정부(130)에서 결정된 모드로 각각 동작한다.
구체적으로, 각 시간 슬롯이 시작될 때 노드는 이 시간 슬롯 동안 사용할 수 있는 사전에 할당된 에너지의 양을 이 시간 슬롯 동안 소비할 것으로 예상되는 에너지의 양과 비교한다. 본 발명에서 할당된 에너지가 클 때 에너지가 충분하다고 하며, 반대의 경우 에너지가 부족하다는 표현을 사용한다. 각 노드는 에너지 상태에 따라 시간 슬롯 동안 다음 세 가지 모드 중 하나로 동작한다.
1) 노멀 모드: 노드에 충분한 에너지가 있으면 정상적으로 센싱 및 데이터 전송을 수행한다.
2) 스위치 모드: 에너지가 부족하면 스위치 모드로 동작하고 자식 노드 수를 조절하여 에너지 소비를 줄이고 정전을 방지하여 노멀 모드로 다시 동작한다.
3) 콘트롤 모드: 노드가 스위치 모드에서 조절할 적절한 자식 노드를 찾을 수 없는 경우, 이는 토폴로지를 변경하는 것만으로는 정전을 방지할 수 없음을 의미한다. 그러므로, 노드는 스위치 모드에서 변경된 토폴로지를 기반으로 콘트롤 모드로 전환되고 전송되는 총 데이터양을 줄여 노드의 정전을 더욱 최소화하는 동작을 수행한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 모드 변경을 포함한 전체적인 동작을 보여준다. 시간 슬롯에 사용 가능한 에너지가 충분한지 여부는 각 시간 슬롯의 시작 부분에서 결정된다. 노드 n3이 이전 시간 슬롯에서 노멀 모드로 동작했지만, 다음 시간 슬롯에서 에너지가 부족함을 예측한다고 가정한다. 따라서, 노드 n3은 스위치 모드로 동작한다.
도 4를 참조하면, 먼저 자식 노드(노드 n6, n8?炳? n9)가 부모를 변경할 수 있는지 확인하기 위해 스위치 메시지를 브로드 캐스트 한다. 그리고 부모 변경이 가능하다는 메시지를 보내는 자식 노드 중에서 가장 적절한 노드 집합을 선택한다. 이 집합의 모든 노드가 새 부모 노드의 자식 노드가 된 경우, 현재 부모 노드(노드 n3)는 노멀 모드로 동작을 변경할 수 있다.
노드 n6이 도 4에서 유일하게 부모 후보 노드가 있다고 가정한다. 노드 n3은 선택한 모든 자식 노드(도 4 노드 n6)에 변경 메시지를 보내 부모를 변경하게 한다. 결과적으로, 노드 n3은 노멀 모드로 동작한다.
반면에, 도 5는 노드 n3이 스위치 모드로 동작하는 동안 노멀 모드로 동작하게 할만큼의 자식 노드 집합을 찾을 수 없는 경우를 보여준다. 즉, 모든 자식 노드가 새 부모 후보 노드를 찾을 수 없다고 가정한다. 따라서, 노드 n3은 콘트롤 모드로 동작하여 전송되는 총 데이터양을 줄여 노드의 정전을 방지한다.
아래의 표 1은 이하의 설명에서 사용하는 수식 목록을 보여준다.
[표 1]
Figure 112021035918418-pat00003
도 6을 참조하면, 네트워크 시작 단계에서 노드는 이웃 노드의 ETX를 계산하고 브로드 캐스트 비콘 메시지를 수신하여 자체 ETX를 업데이트한다. 노드 i의 ETX는 다음의 수학식 3과 같이 정의된다.
[수학식 3]
Figure 112021035918418-pat00004
여기서, ETXparent는 부모 노드의 ETX이고 linkETX(i.parent)는 Link estimator(210)에 의해 측정된 부모 노드와 노드 i 간의 linkETX이다. 각 노드의 ETX는 부모의 ETX에서 계산될 수 있으므로 ETX는 트리의 상단에서 하단으로 순차적으로 업데이트된다.
노드 i는 자신과 모든 이웃 사이의 ETXi를 계산한 다음 가장 작은 ETX를 가진 노드를 부모 노드로 선택한다. 해당 ETX는 노드 i의 최종 ETX(ETXi)로 설정된다. 그런 다음 노드 i는 자신의 ETX를 포함하는 비콘 메시지를 이웃에게 브로드캐스트하여 CTP를 계속 구성한다.
도 7은 수집된 태양 에너지가 달라지는 기상 조건과 시간이 지남에 따라 크게 변한다는 것을 보여준다. 특히 일몰 이후에 수집되는 에너지가 거의 없어 노드 정전을 유발할 수 있다. 또한, 낮에 집중적인 에너지 수집으로 인해 배터리 용량을 초과하여 저장이 불가능한 잉여 에너지가 발생할 수 있다. 따라서, 시간과 무관하게 균일한 동작을 달성하기 위해 시간 슬롯 동안 소비할 가용 에너지를 결정하는 에너지 할당 방식이 필요하다.
도 7을 참조하면, 하루를 N개의 슬롯으로 나누고 노드는 균형 잡힌 에너지 할당 방식을 사용하여 각 슬롯에 가용 에너지를 할당한다. 도 7은 N개의 시간 슬롯에 걸친 균형 잡힌 에너지 할당을 보여준다.
도 8을 참조하면, 노드 i는 다음 시간 슬롯 동안 예상 에너지 소비량 및 수집량을 기반으로 시간 슬롯 의 시작에서 예상 잔여 할당 에너지인
Figure 112021035918418-pat00005
을 계산한다. 해당 수식은 다음의 수학식 4와 같이 정의된다.
[수학식 4]
Figure 112021035918418-pat00006
Ealloc(i,t)는 노드 i에 할당된 에너지이고, Esys(i,t)는 전송 이외의 목적으로 소비되는 모든 에너지를, linkETX(i.parent)는 노드 i와 노드 i의 부모 간의 linkETX이다. Etx(i,t)는 부모 노드로 각 데이터 전송을 위해 노드 i가 소비하는 에너지이다. Etx(i,t)는 다음의 수학식 5과 같이 정의된다.
[수학식 5]
Figure 112021035918418-pat00007
S는 전송 데이터의 크기, β는 바이트당 소모 에너지, d는 부모 노드와의 거리, α는 경로 손실률을 의미한다. 수학식 5는 단 한 번의 전송만으로 성공적인 전송이 보장되는 환경에서의 에너지 소비량이다. 그러나 실제로는 무선 센서 네트워크에 존재하는 다양한 간섭 요인으로 인해 빈번한 재전송이 발생한다. 따라서 한 홉의 ETX값인 linkETX(i.parent)를 고려하여야 데이터 전송 에너지 소비량을 더욱 정확하게 계산할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 노드의 동작 모드 결정에 대해 설명한다.
도 9는 노드 i의 동작 모드 결정 알고리즘의 의사 코드를 나타낸다. 이 알고리즘은 각 시간 슬롯이 시작될 때 호출된다. 먼저, 노드 i는 시간 슬롯 t(3행)에 할당된 에너지의 양을 얻는다. 그리고 수학식 4를 사용하여
Figure 112021035918418-pat00008
의 값을 계산한다(5행).
마지막으로 계산된
Figure 112021035918418-pat00009
에 따라 노드 i의 동작 모드가 결정된다(7행에서 끝까지). 만약 노드 i가 시간 슬롯 t 끝에서(즉, 시간 슬롯 t+1 시작에서) 다음 수학식 6을 만족한다면, 예상 에너지 소비가 할당된 에너지보다 적기 때문에 현재 토폴로지를 유지하며 노멀 모드로 동작한다.
[수학식 6] ?? ?? ?? ?? ?? ?煬? ??
Figure 112021035918418-pat00010
그렇지 않은 경우 예상 에너지 소비가 다음 시간 슬롯동안 할당된 에너지보다 많을 것임을 의미한다. 따라서, 노드는 스위치 모드로 전환되고 노드의 정전을 방지하기 위해 일부 자식 노드를 조절한다. 이 스위치 모드에서 토폴로지를 변경하여 노드의 정전을 방지할 수 있는 경우 노드는 변경된 토폴로지를 유지하면서 스위치 모드에서 노멀 모드로 돌아간다.
그러나, 스위치 모드에서 가능한 모든 자식 노드를 변경한 후에도 노드의 정전을 방지할 수 없는 경우에는 전송되는 데이터양을 줄여 노드의 정전을 막기 위해 콘트롤 모드로 동작한다. 물론 제안 기법은 정전 가능성을 배제할 수는 없지만, 정전을 최소화한다.
이하에서는 노드의 스위치 모드 동작에 대해 설명한다.
노드 i가 시간 슬롯에 대해 수학식 6을 충족할 수 없다고 판단하면 일부 자식 노드를 분리하여 노드의 정전을 방지해야 한다. 이 동작에서 노드는 모든 자식 노드에 스위치 메시지를 브로드 캐스트하여 새 부모 후보 노드가 존재하는 노드를 찾는다. 노드 j가 부모 노드에서 브로드 캐스트된 스위치 메시지를 수신하면 새 부모 후보 노드가 노드 j를 자식 노드로 받을 수 있는지를 결정한다.
이때, 부모 후보 노드로 적합한지 여부는 에너지와 ETX(링크 품질)에 의해 결정된다. 첫째, 노드 j의 새 부모 후보 노드는 노드 j를 새로운 자식 노드로 받은 후에도 수학식 6을 만족해야 한다. 둘째, 안정적인 CTP 토폴로지를 유지하기 위해 다음의 수학식 7에 따른 ETX 요구 사항을 충족하는 이웃 노드만을 노드 j의 새 부모 후보 노드로 선택할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112021035918418-pat00011
여기서, ETXnewParent는 새 부모 후보 노드의 ETX이고, linkETX(j.newParent)는 노드 j와 새 부모 후보 노드 간의 linkETX이고, ETXoriginParent는 원래 부모 노드의 ETX이며, min(linkETX(j.child))는 노드 j와 그 자식 노드 사이의 linkETX 중 최솟값이다. 여기서 노드 j는 다음 세 가지 접근 방식을 사용하여 루프 발생을 억제한다.
1) 수학식 7을 충족하는 이웃 노드만 새 부모 후보 노드로 선택: 수학식 7을 만족하지 않으면 새로 업데이트될 ETX가 자식 노드의 ETX보다 클 수 있으며, 이로 인해 라우팅 루프가 발생할 수 있다.
2) 새 부모 후보 노드 선택 시, 자식 노드 제외: 자식 노드 중 수학식 7을 충족하는 노드가 있더라도, 루프가 발생하므로 해당 노드를 새 부모 후보 노드로 선정하지 않는다.
3) 부모 노드의 빈번한 변경 방지: 시간 슬롯의 시작에서만 부모 노드를 결정한다. 이는 루프 발생을 줄이고자 부모 노드의 빈번한 변경을 방지하기 위해 해당 시간 슬롯 동안 부모를 변경되지 않은 상태로 유지한다.
자식 노드로부터 새 부모 후보 노드가 있다는 메시지를 수신하고 이 메시지를 보낸 노드를 기반으로 노드 j는 자신이 수학식 6을 만족시킬 수 있는 가장 적절한 노드 집합을 결정한다. 이 집합의 노드 수는 하나 이상일 것이다. 노드 i는 이 집합의 모든 노드에 변경 메시지를 전송하여 새 부모 노드를 선정하게 한다. 마지막으로
Figure 112021035918418-pat00012
을 다시 계산하여 노멀 모드로 동작할 것인지 콘트롤 모드로 동작할 것인지를 결정한다.
도 10은 스위치 모드 동작의 예를 설명하고, 도 11은 스위치 모드 동작의 의사 코드를 보여준다. 이 예에서 노드 n2는 스위치 모드(즉, 다음 시간 슬롯에 충분한 에너지가 없음)로 동작하고 스위치 메시지를 자식 노드(도 11의 1행)에 브로드 캐스트한다. 노드 n7은 새 부모 후보 노드(노드 n3)가 있지만, 노드 n3은 수학식 7을 만족하지 않는다. 따라서 노드 n7은 새 부모 후보 노드를 찾지 못하고 노드 n2에 새 부모 후보 노드가 없다는 메시지를 보낸다.
그러나, 노드 n4는 노드 n1이 노드 n4를 자식 노드로 받아준 후에도 노드 n1이 수학식 6과 수학식 7을 만족하기 때문에 새 부모 후보 노드(노드 n1)를 찾는 데 성공한다. 따라서, 노드 n4는 노드 n2(도 11의 4행)에 새 부모 후보 노드가 있다는 메시지를 보낸다. 노드 n2는 노드 n4가 부모 노드를 변경하면, 노멀 모드에서 동작할 수 있음을 인지하고 노드 n4에게 부모 변경 메시지를 보낸다(도 11의 7행에서 13행까지). 결과적으로, 노드 n2는 다음 시간 슬롯(도 11의 14행) 동안 계속해서 노멀 모드로 동작한다.
노드의 에너지 소비 측면에서 스위치 모드 동작의 오버헤드는 여러 메시지 교환 오버헤드를 무시할 만큼 작다. 다음 설명은 여러 메시지 교환 측면에서 각 노드가 수행하는 도 11의 오버헤드를 분석한 설명이다. m이 노드의 자식 노드의 평균 수이고 k가 노드의 평균 이웃 노드 수라고 가정하면 스위치 모드의 노드는 도 11의 1행과 같이 모든 자식 노드에 스위치 메시지를 전송하므로 O(m)이다.
그리고 스위치 메시지를 수신한 각 자식 노드에서 새로운 부모를 찾기 위한 복잡도는 O(k-m)의 이다. 그러므로 1행에서 전체 복잡도는 O(m(k-m))으로 계산된다. 또한 반복문 시작 7행에서의 복잡도는 O(m)이다. 따라서, 도 11의 오버헤드 복잡도는 O(m(k-m))으로 계산된다. 복잡도 자체는 낮지만, 더 중요한 것은 이 동작이 시간 슬롯이 시작될 때 한 번만 실행되고 결정된 토폴로지가 시간 슬롯 동안 변경되지 않는다는 것이다. 따라서 위에서 설명한 오버헤드는 이 동작을 통해 얻은 이득보다 훨씬 적을 것으로 예상된다.
이하에서는 노드의 콘트롤 모드 동작에 대해 설명한다.
노드 i가 노멀 모드에서 계속 동작하기 위해 조절할 적절한 자식 노드 집합이 없는 경우 노드 i는 데이터 전송을 줄이기 위해 콘트롤 모드로 동작한다. 이 경우에도 노드 i에 새 부모 후보 노드가 있다는 메시지를 보낸 자식 노드는 노드 i의 에너지 소비를 가능한 한 많이 줄이기 위해 부모 노드를 변경하게 한다.
콘트롤 모드에서 노드 i는 시간 슬롯 동안 전송되는 총 데이터양 중
Figure 112021035918418-pat00013
비율만큼 보내어 노드의 정전을 방지한다. 전송 조절률인
Figure 112021035918418-pat00014
는 다음의 수학식 8과 같이 정의된다.
[수학식 8]
Figure 112021035918418-pat00015
여기서 Sall(i,t)는 노드 i의 모든 자식 노드에서 수신할 예상 데이터양과 시간 슬롯 t 동안 자신의 센싱 데이터양의 합계를 나타낸다. 모든 노드의 센싱률이 일정하다고 가정하기 때문에 이 값은 노드 i의 자식 노드의 수를 기반으로 추정 할 수 있다.
Figure 112021035918418-pat00016
은 노드 i가 주어진 할당 에너지로 시간 슬롯 t 동안 전송할 수 있는 최대 데이터 크기이며 다음과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112021035918418-pat00017
콘트롤 모드에서 전송할 수 있는 데이터의 양이 제한되어 있기 때문에 전송할 데이터와 폐기 할 데이터를 구분할 필요가 있다. 본 발명에서 각 노드는 확률에 따라 전송할 데이터를 결정한다. 즉, 수신된 데이터를 각각
Figure 112021035918418-pat00018
확률로 전송함으로써 이 시간 슬롯 동안
Figure 112021035918418-pat00019
만큼 전송할 수 있다.
도 12는 콘트롤 모드 동작의 예를 보여준다. 도 12(a)는 노드 n1이 노드 n4를 자식 노드로 받아들이면 수학식 6을 만족하지 못한다는 것을 제외하고는 도 10과 동일한 상황을 보여준다. 이 경우 노드 n4는 노드 n7과 유사하게 노드 n2에 새 부모 후보 노드가 없다는 메시지를 보낸다. 따라서 노드 n2는 노멀 모드로 동작할 수 없음을 인지한다. 따라서, 콘트롤 모드로 동작하여 도 12(b)와 같이 전송 데이터의 총량을 줄여 정전을 방지한다.
본 발명에서 모바일 싱크 노드는 특정 주기마다 임의의 위치로 이동한다. 이는 싱크 노드 주변에 위치한 노드와 외곽 노드 사이의 에너지 불균형 문제를 해결하기 위함이다. 모바일 싱크 노드의 이동은 도 14와 같이 에너지 핫스팟 영역을 다른 위치로 변경할 수 있다.
싱크 노드는 주기적으로 움직이고 일정 기간 유지된다. 싱크 노드가 이동을 완료한 후 비콘 메시지를 통해 싱크 노드를 시작으로 모든 노드로 브로드 캐스트를 수행하여 CTP는 도 13과 같이 재구성된다.
즉, 모바일 싱크 노드가 특정 주기마다 이동하고 초기 CTP 구성과 동작 노드 결정을 반복하여 수행한다. 따라서 싱크 노드에 가까이 위치해 싱크 노드가 이동하기 전에 더 많은 에너지를 소비한 노드는 새 토폴로지에서 싱크 노드로부터 멀리 떨어져 있기 때문에, 싱크 노드가 이동한 후 더 적은 에너지를 소비한다. 이 동작은 네트워크 전반적으로 에너지 균형을 달성하고 각 노드의 정전 시간을 줄이는 데 도움이 된다.
기존 CTP는 링크 품질에 따라 효율적인 라우팅을 수행하며, 높은 데이터 전송률을 보여준다는 장점이 있다. 그러나 정전 노드로 인한 루프 발생 및 CTP 트리 토폴로지에서 노드 간의 에너지 불균형이 심하다는 것과 같은 몇 가지 단점이 있다. 본 발명에서는 모바일 싱크 노드 기반 태양 에너지 수집형 무선 센서 노드로 구성된 무선 센서 네트워크에 적합한 Solar-CTP를 제안했다.
본 발명에서 제안한 기법은 다른 CTP 기법보다 정전 노드 수를 50∼98% 감소시켰고, 싱크 노드에서 수집되는 데이터양을 4∼227% 증가시켰으며, 더 높은 수신 데이터 품질을 보여주었다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법의 흐름도이다.
본 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP(Collection Tree Protocol)를 이용한 라우팅 방법은, 도 1의 장치(10)와 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 1의 장치(10)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법은 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅을 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)에 의해 실행될 수 있다.
본 발명은 수집되는 에너지와 링크 품질, 소모 에너지를 동시에 고려하여 노드의 동작 모드를 결정하고, 특정 주기마다 싱크 노드를 이동 시켜 싱크 주변 노드의 에너지 불균형 문제를 해소한다.
이를 위해, 각 시간 슬롯마다 예상 잔여 할당 에너지를 계산하여 현재 토폴로지를 유지할 수 있는지를 검사하여, 동작 모드를 결정한다. 예상 잔여 할당 에너지는 할당된 에너지와 링크 품질, 예상 소비 에너지를 기반으로 계산된다.
할당된 에너지는 시간에 따라 불균형한 태양 수집 에너지를 시간에 대해 균일하게 사용하기 위해, 수집 에너지의 총량을 하루인 24시간으로 나누어 균일하게 공급되는 에너지이다.
링크 품질은 1. 수동적 추산 방법: 부모 및 주변 노드가 브로드 캐스트한 비콘의 총 횟수와 성공적으로 수신한 횟수를 비교하여 추산. 2. 능동적 추산 방법: 부모 노드에게 직접 데이터를 송신한 총 횟수와 성공적으로 ACK 패킷을 받은 횟수를 비교하여 추산하는 두 가지 방법을 통해 계산한다.
해당 시간 슬롯의 할당된 태양 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값보다 크다면, 예상 잔여 할당 에너지가 충분한 것으로 노멀 모드로 동작하여 일반적인 센싱과 라우팅을 수행한다.
해당 시간 슬롯의 할당된 태양 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값보다 작다면, 예상 잔여 할당 에너지가 충분하지 않은 것으로 스위치 모드로 동작하여 자식 노드의 수를 줄여 노드의 정전을 방지한다.
스위치 모드로 동작 시에는 자신이 노멀 모드로 동작할 수 있을 만큼의 자식 노드에게 부모 변경 메시지를 보낸다. 이 부모 변경 메시지를 수신한 자식 노드는 새로운 부모를 선정해야 한다. 새로운 부모를 선정 시, 링크 품질을 먼저 검사한다. 링크 품질 측면에서 좋을 시, 새로운 부모 노드는 예상 소모 에너지와 링크 품질, 할당 에너지를 비교하여 자신이 노멀 모드로 동작할 수 있는지를 검사하여 받아줄지 여부를 결정한다.
스위치 모드로 동작하였음에도 여전히 할당된 태양 에너지가 부족하면, 콘트롤 모드로 동작하여 해당 시간 슬롯 동안 보내는 송신 데이터양을 줄여서 노드의 정전을 방지한다. 이때, 해당 시간 슬롯 동안 보낼 수 있는 예상 총 데이터양과 본래 보내야하는 데이터양을 나눈 확률 값을 매 데이터 통신에 부여하여 송신 데이터양을 조절한다. 이로써, 노드의 정전을 방지한다.
싱크 노드는 특정 주기마다 임의의 위치로 이동하여, 싱크 주변 노드와 외곽 노드 간의 에너지 불균형 문제를 어느 정도 해소한다.
위와 같은 방식으로 라운드를 반복 수행하며 라우팅을 수행한다.
도 14를 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법은, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크의 노드는 각 시간 슬롯마다 할당된 에너지, 링크 품질 및 예상 소모 에너지를 계산한다(단계 S10).
상기 링크 품질은 부모 및 주변 노드가 브로드 캐스트한 비콘의 총 횟수와 성공적으로 수신한 횟수를 비교하여 수동적으로 추산하거나, 부모 노드에게 직접 데이터를 송신한 총 횟수와 성공적으로 ACK 패킷을 받은 횟수를 비교하여 능동적으로 추산할 수 있다.
해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값과 비교한다(단계 S20).
해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값보다 큰 경우(단계 S30), 해당 시간 슬롯의 동작 노드를 노멀 모드로 결정한다(단계 S40). 상기 노멀 모드는 정상적으로 센싱 및 데이터 전송을 수행한다.
해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값보다 작거나 같은 경우 한다(단계 S30), 동작 노드를 스위치 모드로 결정한다(단계 S60). 상기 스위치 모드는 자식 노드의 수를 줄여 노드의 정전을 방지한다.
스위치 모드로 동작 시에는 자신이 노멀 모드로 동작할 수 있을 만큼의 자식 노드에게 부모 변경 메시지를 전송하고, 부모 변경 메시지를 수신한 자식 노드는 새로운 부모를 선정한다. 새로운 부모 노드는 예상 소모 에너지와 링크 품질, 할당 에너지를 비교하여 자신이 노멀 모드로 동작할 수 있는지를 검사하여 받아줄지 여부를 결정한다.
스위치 모드로 동작하는 동안 노멀 모드로 동작하게 할만큼의 자식 노드 집합을 찾을 수 없는 경우(단계 S70), 해당 시간 슬롯의 동작 노드를 콘트롤 모드로 결정한다(단계 S80).
반면, 스위치 모드로 동작하는 동안 노멀 모드로 동작하게 할만큼의 자식 노드 집합을 찾은 경우(단계 S70), 선택된 모든 자식 노드에게 새 부모가 있다는 메시지 전송을 받은 경우, 노멀 모드로 동작하고(단계 S40), 반대의 경우 컨트롤 모드로 동작한다(단계 S80).
콘트롤 모드에서는 해당 시간 슬롯 동안 전송할 수 있는 예상 총 데이터양과 본래 전송해야 하는 데이터양을 나눈 확률 값을 매 데이터 통신에 부여하여 송신 데이터양을 조절한다. 콘트롤 모드는 송신 데이터양을 조절하여 노드의 정전을 방지할 수 있다.
다시 말해, 노드에 충분한 에너지가 있으면 노드는 다시 노멀 모드로 동작한다. 그렇지 않으면, 스위치 모드로 동작하여 에너지 상태에 따라 토폴로지 변경을 시도한 후 최종적으로 노멀 모드와 콘트롤 모드 사이에서 이 시간 슬롯에 대한 동작 모드를 결정한다. 노멀 모드와 콘트롤 모드가 결정되면 해당 시간 슬롯 동안 다른 모드로 전환되지 않는다.
이와 같은, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 태양 에너지 수집형 무선 센서 노드를 사용하여 본질적인 수명 문제를 해결하고, 링크 품질과 수집 에너지, 예상 소모 에너지를 동시에 고려하여 에너지 균형적인 토폴로지 변경 및 유지가 가능하므로, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크 분야에 유용하게 활용 가능하다.
10: CTP를 이용한 라우팅 장치
110: 예상 잔여 할당 에너지 계산부
130: 모드 결정부
150: 노멀 모드 수행부
170: 스위치 모드 수행부
190: 콘트롤 모드 수행부

Claims (11)

  1. 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크의 노드는 각 시간 슬롯마다 할당된 에너지, 링크 품질 및 예상 소모 에너지를 계산하는 단계;
    해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값과 비교하는 단계;
    해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값보다 큰 경우, 해당 시간 슬롯의 동작 노드를 일반적인 센싱과 라우팅을 수행하는 노멀 모드로 결정하는 단계;
    해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값보다 작거나 같은 경우, 동작 노드를 자식 노드의 수를 줄여 노드의 정전을 방지하는 스위치 모드로 결정하는 단계; 및
    스위치 모드로 동작하는 동안 노멀 모드로 동작할 수 있을 만큼의 자식 노드 집합을 찾을 수 없는 경우, 해당 시간 슬롯의 동작 노드를 전송되는 총 데이터양을 줄이는 콘트롤 모드로 결정하는 단계;를 포함하고,
    상기 해당 시간 슬롯의 동작 노드를 자식 노드의 수를 줄여 노드의 정전을 방지하는 스위치 모드로 결정하는 단계는,
    스위치 모드로 동작 시에는 자신이 노멀 모드로 동작할 수 있을 만큼의 자식 노드에게 부모 변경 메시지를 전송하는 단계; 및
    부모 변경 메시지를 수신한 자식 노드가 새로운 부모 노드를 선정하는 단계;를 포함하고,
    상기 부모 변경 메시지를 수신한 자식 노드는 새로운 부모 노드를 선정하는 단계는,
    새로운 부모 노드는 예상 소모 에너지와 링크 품질, 할당 에너지를 비교하여 자신이 노멀 모드로 동작할 수 있는지를 검사하여 받아줄지 여부를 결정하는 단계; 를 포함하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 할당된 에너지는 수집 에너지의 총량을 하루인 24시간으로 나누어 균일하게 공급되는 에너지인, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 링크 품질은 부모 및 주변 노드가 브로드 캐스트한 비콘의 총 횟수와 성공적으로 수신한 횟수를 비교하여 수동적으로 추산하거나, 부모 노드에게 직접 데이터를 송신한 총 횟수와 성공적으로 ACK 패킷을 받은 횟수를 비교하여 능동적으로 추산하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 해당 시간 슬롯의 동작 노드를 콘트롤 모드로 결정하는 단계는,
    해당 시간 슬롯 동안 전송할 수 있는 예상 총 데이터양과 본래 전송해야 하는 데이터양을 나눈 확률 값을 매 데이터 통신에 부여하여 송신 데이터양을 조절하는 단계;를 포함하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    싱크 노드는 특정 주기마다 임의의 위치로 이동하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법.
  10. 제1항에 따른 상기 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체.
  11. 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크의 노드는 각 시간 슬롯마다 할당된 에너지, 링크 품질 및 예상 소모 에너지를 계산하는 예상 잔여 할당 에너지 계산부;
    해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값과 비교하여 노드의 동작 모드를 결정하는 모드 결정부;
    해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값보다 큰 경우, 일반적인 센싱과 라우팅을 수행하는 노멀 모드로 동작하는 노멀 모드 수행부;
    해당 시간 슬롯의 할당된 에너지가 예상 소모 에너지와 링크 품질을 곱한 값보다 작거나 같은 경우, 자식 노드의 수를 줄여 노드의 정전을 방지하는 스위치 모드로 동작하는 스위치 모드 수행부; 및
    스위치 모드로 동작하는 동안 노멀 모드로 동작할 수 있을 만큼의 자식 노드 집합을 찾을 수 없는 경우, 전송되는 총 데이터양을 줄이는 콘트롤 모드로 동작하는 콘트롤 모드 수행부;를 포함하고,
    스위치 모드로 동작 시에는 노드가 자신이 노멀 모드로 동작할 수 있을 만큼의 자식 노드에게 부모 변경 메시지를 전송하고, 부모 변경 메시지를 수신한 자식 노드는 새로운 부모 노드를 선정하되,
    새로운 부모 노드는 예상 소모 에너지와 링크 품질, 할당 에너지를 비교하여 자신이 노멀 모드로 동작할 수 있는지를 검사하여 받아줄지 여부를 결정하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 CTP를 이용한 라우팅 장치.
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