KR20060132113A - 무선 센서 네트워크에서 가상 싱크와 로테이션을 사용한라우팅 경로 설정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서 네트워크 통신 시스템 및 이에 이용되는 라우팅 경로 설정 방법을 개시한다. 본 발명의 라우팅 경로 설정 방법은, 소정의 정보를 수집하는 복수의 센서 노드들 및 센서 노드들로부터 정보를 제공받는 싱크를 포함하는 센서 네트워크에서의 라우팅 경로를 설정하는 방법으로서, 복수의 센서 노드들 중에서 가상 싱크를 선정하는 단계; 가상 싱크가 복수의 센서 노드들로 트리 설정 메시지를 브로드캐스팅하고, 트리 설정 메시지를 수신한 복수의 센서 노드들이 트리 설정 메시지를 재브로드캐스팅하여 가상 싱크 트리를 구성하는 단계; 및 싱크가 싱크에 인접한 센서 노드를 통해서 가상 싱크로 가상 경로 설정 메시지를 전송하여, 가상 싱크로부터 싱크까지의 가상 경로를 설정하는 단계를 포함한다. 본 발명은 센서 네트워크의 에너지 소모를 분산시켜 전체 센서 네트워크의 수명을 연장시킬 수 있으며, 저비용으로 확장성이 양호한 센서 네트워크 시스템을 구현할 수 있는 효과가 있다.

Description

무선 센서 네트워크에서 가상 싱크와 로테이션을 사용한 라우팅 경로 설정 방법{Routing path setup method based on virtual sink and its rotation for the wireless sensor networks}

도 1a 내지 도 1d 는 종래 기술에 따른 센서 네트워크 라우팅 경로 설정 방법을 설명하는 도면이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 라우팅 경로 설정 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 3a 및 도 3b 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라서 가상 싱크 트리를 구성하는 예를 도시한 도면이다.

도 4 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라서 센서 네트워크에 새로운 싱크가 추가되는 경우에 가상 경로 설정 과정 및 정보 전달 과정을 설명하는 흐름도이다.

도 5 는 싱크가 센서 네트워크 내에서 이동하는 경우에 가상 경로의 제거 및 가상 경로의 재설정 과정을 설명하는 흐름도이고, 도 6 은 싱크가 이동하는 경우의 센서 네트워크의 구성을 예시적으로 도시하는 도면이다.

도 7 은 가상 싱크 트리의 보수 및 관리 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 8a 내지 도 8c 는 센서 노드 400개인 센서 필드 환경에서 싱크 수를 1~ 16까지 늘려가며 평균 메시지 지연 시간(도 8a), 평균 소모된 에너지(도 8b), 메시지 전송 효율(도 8c) 등을 측정한 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.

도 9a 내지 도 9c 는 소스의 수가 1 ~ 16 까지 변화됨에 따른 본 발명의 평균 메시지 지연 시간(도 9a), 평균 소모된 에너지(도 9b), 및 메시지 전송 효율(도 9c)을 종래 기술과 비교한 도면이다.

도 10a 내지 도 10c 는 400개의 노드를 가진 센서 필드 환경에서 싱크의 이동속도를 0m/s ~ 20 m/s까지 증가시킬 때, 평균 메시지 지연 시간, 평균 소모된 에너지, 메시지 전송 효율 등을 측정한 결과를 각각 도시한 도면이다.

도 11 은 시뮬레이션 시간 100초 중 30초 동안 임의의 노드를 부분적으로 파손시켜 실험한 메시지 전송 효율의 결과를 도시한 도면이다.

도 12a 및 도 12b 는 센서 노드의 수를 증가 시켰을 때의 평균 소모된 에너지를 도시한다.

도 13 은 가상 싱크 선정 방법에 따른 본 발명의 성능 측정 결과를 도시한 도면이다.

본 발명은 센서 네트워크 통신 시스템 및 센서 네트워크 통신 시스템에서의 라우팅 경로를 설정하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 센서 네트워크 통신 시스템에서 가상의 싱크를 설정함으로써 각 센서 노드와 이동성 있는 싱 크간의 메시지 전송의 효율을 높이고, 네트워크의 수명을 연장시킬 수 있는 센서 네트워크 통신 시스템 및 이에 이용되는 라우팅 경로 설정 방법에 관한 것이다.

일반적인 이동통신 시스템은 이동통신 단말기와 기지국간의 데이터를 송수신한다. 즉, 이동단말과 기지국은 다른 이동통신 단말기/노드를 경유하지 않고 직접 데이터를 송수신한다. 그러나, 이러한 종래의 이동통신 시스템은 기지국이라는 인프라스트럭쳐에 의존하고 있으므로, 인프라스트럭쳐가 구비되지 않은 환경 및 응용분야에서는 통신을 수행할 수 없는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 인프라스트럭쳐의 의존하지 않고 각각의 이동통신 노드들만으로 통신 네트워크를 구성하는 기술로 Ad-hoc 네트워크 방식과 센서 네트워크 방식이 개발되었다.

도 1a 는 일반적인 센서 네트워크의 기본 개념을 설명하는 도면이다. 도 1a를 참조하면, 센서 노드는 지정된 사용자가 설정한 타겟(target)에 관한 정보를 수집한다. 센서 노드가 수집하는 타겟의 정보는 주위의 온도나 물체의 이동, 지진 측정, 해일 측정, 전쟁터의 무인 모니터링 등이 있다. 센서 노드는 수집된 정보를 싱크 노드로 전송한다. 싱크 노드는 센서 네트워크를 구성하고 있는 센서 노드들이 전송한 데이터들을 전달받는다. 싱크 노드로부터 일정 거리 이내에 위치하고 있는 센서노드는 전송할 데이터를 직접 싱크 노드로 전달한다. 하지만, 일정 거리 이내에 위치하고 있지 않은 센서 노드는 수집된 데이터를 싱크 노드로 직접 전달하는 대신 싱크 노드에 인접한 센서 노드들로 전송한다.

상술한 바와 같이, 일정 거리 이내에 위치하고 있지 않는 노드가 인접 노드 들을 이용하여 데이터를 전송하는 이유는 데이터 전송에 따른 전력 소모를 최소화하기 위해서이다. 즉, 센서 노드가 싱크 노드로 데이터를 전송하는데 소모되는 전력은 일반적으로 싱크 노드와 센서 노드간의 거리의 제곱에 반비례한다. 따라서, 싱크 노드로부터 일정 거리 이내에 위치하고 있지 않은 센서 노드는 복수 개의 센서 노드들을 이용하여 수집된 데이터를 전송함으로서 데이터 전송에 따른 전력소모를 최소화할 수 있게 된다. 물론 다른 센서 노드로부터 데이터를 수신하여 싱크로 전달하는 중계 노드 역시 자신이 수집한 데이터를 다른 중계 노드를 이용하여 또는 직접 싱크 노드로 전송한다.

이러한 센서 네트워크에서 이용되는 센서 노드는 에너지, 연산 능력, 저장 용량등의 제약이 심하므로 에너지를 절감할 수 있는 프로토콜이 적용되어야 하며, 센서 네트워크에서의 센서 노드의 수는 수 천 내지 수 만개에 이르도록 확장될 수 있으므로, 네트워크 크기에 대한 확장성이 중요하다.

도 1b 및 도 1c 는 제 1 종래 기술에 따른 센서 네트워크의 라우팅 프로토콜의 일예를 설명하는 도면이다. 도 1b 및 도 1c 에 도시된 제 1 종래 기술은 "Intanagonwiwat, C., Govindan, R. and Estrin, D., Directed Diffusion: A Scalable and Robust Communication Paradigm for Sensor Networks , In Proceedings of the Sixth Annual International Conference on Mobile Computing and Networks, pp. 2 16, Vol. 11, Issue 1, 2000" 에 소개된 Directed Diffusion 방식을 의미한다.

Directed Diffusion(이하, "DD"라 칭함)은 싱크의 질의(Query)에 기반을 둔 데이터 중심적 라우팅 기법으로 질의유포 및 처리 응용에 적합한 특성을 가진다. DD 방식에서, 싱크는 질의에 해당하는 interest 메시지를 전체 네트워크에 브로드캐스팅하고 각 소스는 질의와 매칭되는 이벤트를 감지하면 처음에 interest 메시지가 수신된 모든 경로를 통해서 싱크까지 데이터를 전송하게 된다. 복수의 경로를 통해서 데이터를 수신한 싱크는 가장 지연이 적은 하나의 경로를 선택하고, 이후의 소스에서 전송된 데이터는 선택된 경로를 통해서 싱크로 전달된다.

그러나, DD 방식에서는 소스와 싱크의 수가 증가할수록 브로드캐스팅에 따른interest 메시지의 플러딩과 경로 선택으로 인한 오버헤드가 급격히 증가하므로, 노드 수가 적은 센서 네트워크에 유효한 방식이다. 또한, 싱크가 이동하는 경우에는, 싱크가 이동할 때마다 전체 노드에 싱크의 위치를 전달해야 하므로 오버헤드가 급격히 증가하여 자유롭게 센서 필드내를 이동할 수 있는 모바일 싱크에 대해서는 적용되기 어려운 문제점이 있다.

도 1d 는 제 2 종래 기술에 따른 센서 네트워크의 라우팅 프로토콜의 일예를 설명하는 도면이다. 도 1d 에 도시된 제 2 종래 기술은 "Ye, F., Luo, H., Cheng J., Lu, S., Zhang, L., A Two-Tier Data Dissemination Model for Large-Scale Wireless Sensor Networks, In Proceeding of Mobile Computing and Networks, pp. 148 159, Sep. 2002" 에 소개된 라우팅 프로토콜을 의미한다. 도 1d를 참조하여 설명하면, Two-Tier Data Dissemination(이하, "TTDD" 라 칭함)방식에서 소스는 싱크에 전달할 이벤트를 감지하면 전체 네트워크로 데이터 어나운스먼트(announcement)를 브로트캐스팅하여 그리드 구조를 구성하게 되고, 싱크는 인접한 dissemination 노드를 선택하여 자신의 위치를 통지하면 싱크의 위치 정보는 그리드를 통해서 소스로 전달되고, 소스는 감지된 정보를 그리드를 통해서 싱크로 전송한다.

TTDD 방식은 소스를 중심으로 그리드를 구성하므로 싱크의 수에 따른 제어 오버헤드가 적다. 또한, 싱크가 이동하더라도 셀안에서 싱크의 위치를 셀 내에서 플러딩하여 dissemination 노드까지 연결하여 전체 네트워크로 싱크의 위치를 알릴 필요가 없으므로 싱크의 이동에 따른 오버헤드가 줄어든다.

그러나, TTDD 방식은 소스의 수가 늘어나면 각 소스마다 그리드 구조를 형성해야 하고, 각 소스의 그리드를 유지하기 위한 오버헤드가 커지게 된다. 또한, 전송 지연의 측면에서도, TTDD는 그리드 구조를 가지므로 유니캐스트로 전송하는 것보다

에 해당하는 전송지연을 더 가지게 된다.

또한, TTDD의 성능은 셀의 크기에 많은 영향을 받는다. 셀의 크기가 너무 작으면 모바일 싱크의 잦은 셀간 이동으로 새로운 dissemination 노드 선정으로 인한 오버헤드가 커지고, 셀 크기가 너무 커지면 모바일 싱크로 인한 셀 내부의 플러딩 오버헤드가 커지는 문제점이 있다.

특히, 상술한 DD 방식 및 TTDD 방식 모두 GPS를 통하여 위치 정보를 얻는 것으로 가정하였다. 그러나 GPS는 외부에서만 이용할 수 있을 뿐 아니라, GPS 리시버의 비용으로 인하여 수많은 센서 노드에 적용하기엔 적절하지 않다. 따라서, 종래에 제안된 GPS를 가지는 모바일 센서 네트워크의 라우팅 프로토콜은 실용적인 면에서 적용하기 어려운 문제가 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 다수의 이동성을 가진 싱크 및 다수의 소스를 효율적으로 지원하는 저전력 고성능 라우팅 경로 설정 방법을 제공하고, 에너지 소모를 전체 센서 네트워크에 분산시킴으로써 센서 네트워크의 수명을 증가시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 GPS를 이용하지 않으므로써 적은 비용의 센서 노드 또는 Active RFID 태그들로 구성된 대규모 센서 네트워크 및 미래의 유비쿼터스 네트워크에 이용될 수 있는 확장성과 경제성을 가진 라우팅 경로 설정 방법을 제공하는 것이다.

상술한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 라우팅 경로 설정 방법은, 소정의 정보를 수집하는 복수의 센서 노드들 및 센서 노드들로부터 정보를 제공받는 싱크를 포함하는 센서 네트워크에서의 라우팅 경로를 설정하는 방법으로서, (a) 복수의 센서 노드들 중에서 가상 싱크를 선정하는 단계; (b) 가상 싱크가 복수의 센서 노드들로 트리 설정 메시지를 브로드캐스팅하고, 트리 설정 메시지를 수신한 복수의 센서 노드들이 트리 설정 메시지를 재브로드캐스팅하여 가상 싱크 트리를 구성하는 단계; 및 (c) 싱크가 싱크에 인접한 센서 노드를 통해서 가상 싱크로 가상 경로 설정 메시지를 전송하여, 가상 싱크로부터 싱크까지의 가상 경로를 설정하는 단계를 포함한다.

또한, 상술한 가상 경로 설정 방법 (a) 단계는 가상 싱크로 선정된 센서 노드의 에너지 레벨이 소정의 기준 레벨 이하가 되면 신규 가상 싱크를 선정하고, 신규 가상 싱크에 대해서 (b) 단계 및 (c) 단계가 수행될 수 있다.

또한, 상술한 (a) 단계는 복수의 센서 노드들 중에서 랜덤하게 가상 싱크를 선정할 수 있다.

또한, 상술한 가상 경로 설정 방법은 싱크가 센서 네트워크에 추가되는 경우에, (d) 센서 네트워크에 추가된 싱크가 인접한 센서 노드 중 홉수가 최소인 센서 노드를 선택하는 단계; 및 (e) 선택된 센서 노드가 가상 경로 설정 메시지를 가상 싱크로 전송하여 가상 경로를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상술한 가상 경로 설정 방법은 싱크가 이동하는 경우에, (f) 싱크가 가상 경로 제거 메시지를 가상 싱크로 전송하고, 가상 경로 제거 메시지를 수신한 가상 싱크가 가상 경로를 제거하는 단계; 및 (g) 싱크가 이동된 후, 싱크에 인접한 센서 노드들 중 선택된 센서 노드를 통하여 가상 싱크로 가상 경로 설정 메시지를 전송하여, 가상 싱크로부터 싱크까지의 가상 경로를 재설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상술한 (f) 단계는, (f1) 싱크가 가상 경로 제거 메시지를 싱크에 연결된 가상 경로상의 센서 노드로 전송하는 단계; (f2) 가상 경로상의 센서 노드들이 하위 노드로부터 가상 경로 제거 메시지를 수신하여 상위 노드로 전송하고, 싱크로 전송하던 정보를 가상 싱크로 반송하는 단계; 및 (f3) 가상 싱크가 경로 제거 메시지를 수신하여 가상 경로를 제거하고, 반송된 정보를 저장하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상술한 (g) 단계는, (g1) 싱크가 이동된 후, 인접한 센서 노드 중 홉수가 최소인 노드를 선택하고, 선택된 센서 노드를 통해서 가상 싱크로 가상 경로 설정 메시지를 전송하는 단계; 및 (g2) 가상 싱크가 가상 경로 설정 메시지를 수신하여 가상 경로를 재설정하고, 재설정된 가상 경로를 통해서 저장된 정보를 싱크로 전송하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 가상 싱크 트리에서 임의의 센서 노드가 파손된 경우에, 파손된 센서 노드의 자식 노드가 인접한 상위 노드를 부모 노드로 선택하는 단계; 인접한 상위 노드가 존재하지 않으면, 자식 노드가 형제 노드가 아닌 인접 피어(peer) 노드를 부모 노드로 선택하는 단계; 및 형제 노드가 아닌 인접 피어 노드가 존재하지 않으면, 자식 노드를 부모 노드로 선택하는 단계를 더 포함할 수 있고, 자식 노드가 가상 경로 상의 노드인 경우에,새롭게 선택된 부모 노드로 가상 경로 설정 메시지를 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 상술한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 센서 네트워크 통신 시스템은, 소정의 정보를 수집하는 복수의 센서 노드들 및 정보를 제공받는 싱크를 포함하는 센서 네트워크 통신 시스템으로서, 복수의 센서 노드들 중 선택되어, 정보를 복수의 센서 노드들로부터 수집하여 센서 노드들을 통하여 싱크로 전송하는 가상 싱크; 소정의 정보를 수집하여 가상 싱크로 전송하고, 가상 싱크에서 전송된 정보를 싱크로 전달하는 복수의 센서 노드; 및 복수의 센서 노드들 중 인접한 센서 노드에 접속하여 가상 싱크에서 전송된 정보를 수신하는 싱크를 포함한다.

또한, 상술한 복수의 센서 노드들은, 가상 싱크에서 브로드캐스팅된 트리 설정 메시지를 인접한 센서 노드로부터 수신하여 인접한 센서 노드를 자신의 부모 노드로 설정하고, 트리 설정 메시지를 인접한 다른 센서 노드로 재브로드캐스팅함으로써 트리 구조로 계층화 되는 것이 바람직하다.

또한, 상술한 가상 싱크의 에너지 레벨이 소정의 기준 레벨 이하가 되면 신규 가상 싱크가 선정되는 것이 바람직하다.

또한, 상술한 가상 싱크는 복수의 센서 노드들 중에서 랜덤하게 설정될 수 있으며 필요에 따라 노드의 에너지 수준, 싱크와의 거리 등 다른 요소를 고려하여 최적의 노드가 선정될 수 있다. 이러한 가상 싱크의 로테이션은 센서 네트워크의 에너지 소모를 분산시킴으로써 네트워크의 수명을 연장하는데 목적이 있다.

또한, 상술한 센서 네트워크 통신 시스템에 추가된 싱크는 인접한 센서 노드들 중 홉수가 최소인 센서 노드를 선택하고, 선택된 센서 노드를 통하여 가상 경로 설정 메시지를 가상 싱크로 전송하며, 가상 싱크는 가상 경로 설정 메시지를 수신하여 가상 싱크로부터 싱크로의 가상 경로를 설정할 수 있다.

또한, 싱크가 이동하는 경우에, 싱크는 접속된 센서 노드를 통해서 가상 싱크로 가상 경로 제거 메시지를 전송하고, 이동 후, 인접한 센서 노드들 중 선택된 센서 노드를 통하여 가상 경로 설정 메시지를 가상 싱크로 전송하며, 가상 싱크는 가상 경로 제거 메시지를 수신하여 가상 경로를 제거하고, 신규로 선택된 센서 노드로부터 가상 경로 설정 메시지를 수신하여 가상 싱크로부터 싱크로의 신규 가상 경로를 설정할 수 있다.

또한, 싱크가 이동하는 경우에, 가상 경로상의 복수의 센서 노드는 하위 노드로부터 가상 경로 제거 메시지를 수신하여 상위 노드로 전송하고, 싱크로 전송하던 정보를 가상 싱크로 반송하며, 가상 싱크는 반송된 정보를 저장하고, 저장된 정보를 신규 가상 경로를 통해서 싱크로 전송할 수 있다.

또한, 복수의 센서 노드는 자신의 부모 노드가 파손된 경우에, 부모 노드와 동일한 계층의 인접한 상위 노드를 부모노드로 선택하고, 인접한 상위 노드가 존재하지 않으면, 형제 노드가 아닌 인접 피어(peer) 노드를 부모 노드로 선택하며, 형제 노드가 아닌 인접 피어 노드가 존재하지 않으면, 자식 노드를 부모 노드로 선택할 수 있다.

또한, 상술한 센서 노드가 가상 경로상의 노드인 경우에, 센서 노드는 새롭게 선택된 부모 노드로 가상 경로 설정 메시지를 전송할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라우팅 경로 설정 방법을 설명하는 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명 라우팅 경로 설정 방법은, 먼저, 복수의 센서 노드들 중에서 가상 싱크를 선정하고(S200), 선정된 가상 싱크를 중심으로 가상 싱크 트리를 구성하며(S210), 가상 싱크로부터 실제 싱크에 이르는 가상 경로를 가상 싱크 트리내에 설정한다(S220). 제 S200 단계 내지 제 S220 단계를 수행하여 가상 싱크와 실제 싱크간의 라우팅 경로가 설정되면, 가상 싱크는 센서 노드들로부터 정보를 수집하고(S230), 수집된 정보를 가상 경로를 통해서 가상 싱크로 전송한다(S240).

이하, 각각의 단계에 대해서 설명하면 다음과 같다.

먼저, 가상 싱크를 선정하는 제 S200 단계에 대해서 설명한다.

본 발명의 가상 싱크는 모든 싱크의 역할을 대표하는 센서 노드이다. 가상 싱크는 후술하는 소정의 규칙에 따라서 센서 네트워크를 구성하는 복수의 센서 노드들 중에서 선정된다. 또한, 본 발명의 가상 싱크는 가상 싱크의 에너지 레벨이 기준 레벨 이하로 떨어지는 경우에 새로운 가상 싱크가 선정되는 것이 바람직하고, 또는 소정의 시간 주기로 새로운 가상 싱크가 설정될 수도 있다. 즉, 본 발명의 가상 싱크는 하나의 센서 노드로 고정되는 것이 아니라, 서로 다른 센서 노드들이 순환적으로 선정된다.

센서 네트워크 프로토콜 설계에서 중요하게 고려되어야 할 점은 싱크 주변의 센서 노드들의 에너지 소모량이 매우 크다는 것이다. 싱크는 주변 몇몇의 센서 노드와 통신한다. 이러한 다-대-일(many-to-one) 통신은 싱크 주변에 많은 트래픽을 유발하며, 따라서, 싱크 주변의 노드들이 싱크로부터 상대적으로 원거리에 존재하는 노드들보다 더 많은 에너지를 소모를 하게 된다. 이런 현상은 본 발명의 가상 싱크 주변 노드들에서도 발생하며, 본 발명이 가상 싱크로서 일반 센서 노드를 선택하기 때문에 이러한 에너지 소모 현상은 더 심각하게 나타난다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제 S200 단계는 네트워크 전체에 에너지 소모를 분산시키기 위하여, 가상 싱크로 선정된 센서 노드의 에너지가 일정한 기준 레벨 이하가 되는 경우에 새로운 가상 싱크를 선정한다. 또한, 가상 싱크는 소정의 시간 주기마다 선정되도록 변경될 수도 있음을 당업자는 알 수 있을 것이다.

센서 노드들 중에서 가상 싱크를 선정하는 방식에 대해서 설명하면, 센서 필드 내에 1개의 싱크만이 존재하고 그 위치에 변경이 없다면, 싱크의 이웃 노드 중 하나가 가상 싱크가 되는 것이 바람직하다. 또한, 새로운 싱크가 센서 필드에 추가되면, 가상 싱크의 위치는 이전의 싱크 위치에 따라 상대적으로 멀어질 수 있다. 정보의 전송 경로를 최소화하기 위해서는 각 싱크와 가상 싱크사이에 통신 거리가 최소화가 되도록 가상 싱크의 위치를 정하는 것이 바람직하다. 따라서, 가상 싱크의 위치는 센서 노드인 소스가 전체 센서 필드에 고루 분포되어 있다고 가정할 때, 모든 싱크의 무게 중심에 있는 것이 가장 바람직하다. 그러나, 본 발명은 센서 필드내에서 각 싱크의 추가 및 이동이 자유롭다고 가정하므로 이러한 가상 싱크 선정 방법보다는 아래에 설명하는 방법을 채택하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예는 가상 싱크의 센서 필드내 위치를 고려하기 보다는, 센서 노드 전체의 에너지를 고려하여 가상 싱크를 선정함으로써, 센서 네트워크에서 소모되는 에너지를 분산시켜 전체 센서 네트워크의 수명을 연장시킨다.

이러한 에너지 분산의 측면에서 가장 바람직한 가상 싱크 선정 방법은 센서 노드들 중에 잔여 에너지가 제일 많은 노드를 가상 싱크로 선택하는 것이다. 후술하는 가상 싱크 트리의 구조를 고려하면, 가상 싱크로 선정되는 센서 노드는 가상 싱크 트리의 최하위 말단 노드일 것이다.

그러나, 최대 에너지를 갖는 센서 노드를 찾는 것은 부가적인 오버헤드가 필요하므로, 본 발명의 바람직한 실시예는 보다 간단한 방법으로서 랜덤하게 가상 싱 크를 선택하는 방법을 채택한다. 본 발명은 센서 노드의 숫자가 충분히 많다고 가정하기 때문에 양호한 효과를 얻을 수 있다.

이하, 선정된 가상 싱크에 대해서 가상 싱크 트리를 구성하는 제 S210 단계를 설명한다.

가상 싱크로 선정된 센서 노드는 소스로부터 정보를 수집하고, 수집된 정보를 실제 싱크로 전달하는 기능을 수행한다.

가상 싱크는 수집된 정보를 실제 싱크로 전달하기 위해서 본 발명에서 가상 싱크 트리라 칭해지는 효율적인 스패닝 트리(spanning tree)를 구성한다. 스패닝 트리는 필드 내에 있는 모든 노드들을 포함하며, 소스로부터 정보를 수집하고 병합한다. 가상 싱크 트리는 센서 노드들이 뿌려지면서 구성되며, 가상 싱크의 에너지 고갈이나 가상 싱크인 센서 노드의 파손으로 인해서 가상 싱크가 변경되거나, 새로운 노드의 출현에 따라 변경되거나 재구성된다.

가상 싱크 트리가 구성되면, 가상 싱크는 싱크들의 정보 전달 센터로서 동작한다. 가상 싱크는 정보를 싱크로 전달하기 위해서 가상 싱크를 중심으로 하는 정보 전달 경로를 구성한다. 다수의 싱크가 존재하면, 가상 싱크로부터 실제 싱크까지 멀티캐스트 트리를 만들 수 있다. 가상경로와 정보 전달 멀티캐스트 트리는 가상 싱크 트리내에 내장 된다.

본 발명은 가상 싱크를 도입함으로써 가상 싱크만이 실제 싱크로의 경로를 파악하면 되므로, 센서 노드들의 계속적인 싱크의 위치에 대한 정보 요청 없이도 다수의 이동성을 가진 싱크를 지원 할 수 있다. 또한, 가상 싱크가 선정되면 실 제 싱크는 자신의 위치 정보를 가상 싱크로 전달해야 하는데, 본 발명은 종래의 기술의 싱크의 위치 정보를 지역적 혹은 네트워크 전체에 전달하던 방식과는 달리, 가상 싱크 트리안에 이미 존재 하는 센서 노드로부터 가상 싱크로의 정보 수집 경로(리포트 경로)를 이용하여 용이하게 싱크의 위치를 가상 싱크로 전달할 수 있다.

구체적으로, 본 발명은 센서 필드내의 노드를 계층으로 분류하여 가상 싱크 트리를 구성한다. 같은 계층에 있는 노드들은 가상 싱크로부터 동일한 홉 수를 가진다. 계층 1 의 노드들은 가상 싱크로부터 1 홉 거리에 있다. 계층 2 노드들은 가상 싱크까지 2 홉 거리에 있다.

도 3a 및 도 3b 는 가상 싱크 트리를 구성하는 예를 도시한 도면으로서, 도 3a 는 26개의 센서 노드가 4 계층으로 분류되어 가상 싱크 트리를 구성하는 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 센서 필드 내의 모든 센서 노드들은 가상 싱크를 루트로 하여 스패닝 트리를 구성한다.

가상 싱크 트리의 구성 과정은 가상 싱크가 트리 설정 메시지를 브로드캐스팅 함으로써 초기화된다. 트리 설정 메시지를 브로드캐스팅하는 노드는 자신의 주소, 부모 주소, 가상 싱크까지의 홉 수 정보를 트리 설정 메시지에 포함시켜 인접한 노드들로 전송한다. 가상 싱크로부터 직접 트리 설정 메시지를 수신한 노드들은 계층 1 노드가 된다. 계층 1 노드들은 자신과 연결된 센서 노드들에게 트리 설정 메시지를 재전송하여 계층 2 노드들에게 트리 설정 메시지를 전달하고, 계층 2 노드들 역시 자신과 연결된 하위 계층의 노드들에게 트리 설정 메시지를 전송한다. 하위 계층 노드에서 브로드캐스팅된 트리 설정 메시지를 수신한(overhearing) 상위 노드들은 메시지의 부모 주소가 자신이면, 자신의 자식 노드로 하위 계층 노드를 등록한다. 이 과정은 네트워크 전체 노드들이 트리에 참여할 때까지 반복된다.

무선 통신은 브로드캐스팅을 이용하기 때문에 루트에서부터 각 노드까지 빠르게 트리 설정 메시지를 보내는 것이 가능하다. 센서 노드와 가상 싱크 사이에 통신 지연 시간을 줄이기 위해서는 트리의 높이를 최소화 하여야 한다. 각 노드의 높이는 가상 싱크까지의 홉 수를 의미한다. 결과적으로 가상 싱크 트리는 센서 필드에서 넓고 높이가 낮은 트리를 형성하는 것이 바람직하다. 본 발명은 최소의 높이를 가지는 스패닝 트리를 구성한다.

가상 싱크 트리에서 이웃 노드들은 UP, DOWN, PEER등으로 가상 싱크와의 근접한 정도에 따라 구분된다. 노드i 가 노드j 에 대해서 UP 이라면 H(i) < H (j) 이다. 이 때, H(i)는 노드 i 의 홉 수를 의미한다. 노드 i가 노드 j 에 대해서 DOWN 이라면 H(i) > H (j) 이다. 마지막으로 PEER라 불리는 노드i 는 노드j 와 비교하여 H(i) = H(j) 이다. 각 노드는 가상 싱크로 정보를 전달하기 위해 적어도 하나의 UP 노드를 가지고 있어야 한다. 각 노드는 UP 노드 중에 부모 노드로 하나의 노드를 선택하고, 자신은 부모의 자식 노드가 된다. 가상 싱크에서부터 싱크까지 정보를 전달해 주기 위한 경로(가상 경로)위의 노드들은 UP 노드로부터 수신된 정보를 DOWN 노드로 전달 할 수 있어야 한다. 결론적으로 각 센서 노드는 적어도 하나 이상의 부모 노드와 0 또는 그 이상의 자식 노드를 가져야 한다. 따라서, 모든 이웃노드들은 도 3b 에 도시된 바와 같이 UP, DOWN, PEER의 노드들로 구분되어진다.

이하, 제 S220 단계에 대해서 설명한다. 상술한 제 S210 단계에서 가상 싱크 트리가 구성되면, 가상 싱크는 모든 소스로부터 정보를 수집하여 싱크로 전달하는 기능을 수행하여야 한다. 이를 위해, 각 센서 노드는 감지된 정보를 가상 싱크로 전송하기 위해 리포트 경로라 칭해지는 부모 노드를 통한 가상 싱크까지 상향 경로를 가지며, 가상 싱크는 소스로부터 수집된 정보를 실제 싱크로 전송하기 위한 가상 경로라 칭해지는 하향 경로를 가져야 한다. 각 싱크가 가상 경로를 구성하기 위해서는 실제 싱크의 위치 정보가 가상 싱크에 전달되어야 한다. 이 과정을 가상 경로 설정이라 칭한다. 가상 싱크 트리 내부의 센서 노드들은 가상 싱크까지의 리포트 경로를 가상 싱크 트리가 구성됨에 따라서 알고 있으므로, 가상 경로 설정은 이미 존재하는 리포트 경로에 의해 용이하게 구성될 수 있다.

가상 경로를 설정하기 위해서 실제 싱크는 연결된 센서 노드(이하, "포워드 에이전트"라 칭함)로 가상 경로 설정 메시지를 전송하고, 가상 경로 설정 메시지를 수신한 포워드 에이전트는 자신의 리포트 경로를 통하여 가상 싱크까지 가상 경로 설정 메시지를 전달한다. 가상 경로 위에 있는 각 노드들은 실제 싱크의 방향 정보를 내부에 기록하면서 자신의 리포트 경로를 따라서 자신의 자식 노드로부터 수신된 가상 경로 설정 메시지를 자신의 부모 노드로 전달한다.

가상 싱크가 가상 경로 설정 메시지를 수신하면, 가상 싱크는 가상 경로 설정 메시지가 수신된 리포트 경로의 역방향으로 가상 경로를 설정하여 내부에 기록하고, 이후, 센서 노드들로부터 정보를 수집하면 가상 경로를 통해서 싱크로 전송 한다.

도 4 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 센서 네트워크에 새로운 싱크가 추가되는 경우에 가상 경로 설정 과정 및 정보 전달 과정을 설명하는 흐름도이다.

상술한 바와 같이 가상 싱크가 선정되고, 선정된 가상 싱크에 따라서 가상 싱크 트리가 구성된 센서 네트워크에 새로운 싱크가 추가되면, 추가된 싱크는 인접한 센서 노드들을 조사하고, 가상 싱크까지의 홉수가 최소인 센서 노드를 포워드 에이전트로 선택한다(S400).

실제 싱크는 포워드 에이전트의 리포트 경로를 통해서 가상 경로 설정 메시지를 가상 싱크로 전송한다(S410).

포워드 에이전트로부터 가상 경로 설정 메시지를 수신한 포워드 에이전트의 부모 노드는 실제 싱크의 방향을 내부에 기억하고, 가상 경로 설정 메시지를 자신의 부모 노드로 전송하며, 이를 수신한 상위 노드 역시 실제 싱크의 방향을 내부에 기록하고 가상 경로 설정 메시지를 상위 노드로 전송한다(S420).

가상 경로 설정 메시지를 제 1 계층의 노드로부터 수신한 가상 싱크는 실제 싱크의 방향을 기록하여 가상 경로를 설정한다(S430).

그 후, 가상 싱크는 센서 노드들로부터 정보를 수집하고, 수집된 정보를 가상 경로를 통해서 실제 싱크로 전송한다(S440).

한편, 센서 네트워크에 추가되는 싱크의 숫자가 증가할수록, 부가적인 오버헤드 없이 다수의 싱크를 위한 가상경로가 멀티 캐스트 트리로 구성 될 수 있을 것 이다. 가상 싱크 트리의 한 노드가 2개의 가상 경로에 속하게 된다면, 2개의 가상 경로는 자연스럽게 합쳐질 것이다. 결과적으로, 트리는 가상 싱크에서부터 시작하여 2개의 모바일 싱크로 연결될 것이다. 싱크의 수가 증가할수록 가상경로의 수도 증가하며, 가상 경로의 수가 증가할수록 가상 싱크는 트리의 루트가 되고, 각 싱크는 트리의 말단 노드가 된다.

이 트리를 정보 전달 멀티캐스트 트리라 칭하고, 멀티캐스트 트리를 통해 정보를 효율적으로 싱크에 전달 될 수 있을 것이다. 멀티캐스트 트리는 각 가상경로를 연결하여 싱크간의 지역성를 잘 이용할 수 있다. 가상경로와 데이터 전달 멀티캐스트 트리를 도 6 에 나타내었다. 가상 싱크는 정보 전달 멀티캐스트 트리로서 센서 필드 안의 모든 싱크를 위한 효율적인 정보 전달 센터로서 역할을 수행한다.

도 5 는 실제 싱크가 센서 네트워크 내에서 이동하는 경우에 가상 경로의 제거 및 가상 경로의 설정 과정을 설명하는 흐름도이고, 도 6 는 실제 싱크가 이동하는 경우의 센서 네트워크의 구성을 예시적으로 도시하는 도면이다.

도 5 및 도 6 를 참조하면, 가상 경로가 설정되어 가상 싱크로부터 정보를 수신중인 싱크가 이동하는 경우에, 실제 싱크는 먼저 포워드 에이전트로 가상 경로 제거 메시지를 전송한다(S500).

포워드 에이전트는 가상 경로 제거 메시지를 가상 경로를 통해서 가상 싱크로 전송하고, 가상 경로상의 각 센서 노드는 가상 경로 제거 메시지를 인식하고, 가상 싱크로부터 실제 싱크로 전달하던 정보를 가상 싱크로 반송한다(S510).

가상 경로 제거 메시지를 수신한 가상 싱크는 실제 싱크에 대해서 기록된 가상 경로를 제거하고, 제거된 가상 경로상의 센서 노드들로부터 반송된 정보를 내부에 임시로 저장한다(S520).

한편, 이동이 완료된 실제 싱크는 상술한 제 S400 단계와 동일하게 인접한 센서 노드들 중 싱크까지의 홉수가 가장 최소인 이웃 노드를 포워드 에이전트로 선택하고, 상술한 제 S410 단계와 동일한 방식으로 포워드 에이전트를 통해서 가상 경로 설정 메시지를 가상 싱크로 전송하며, 포워드 에이전트의 리포트 경로상의 센서 노드들은 실제 싱크의 새로운 방향을 내부에 기록한다(S530).

가상 경로 설정 메시지를 수신한 가상 싱크는 가상 경로를 설정하고, 종래의 가상 경로상의 센서 노드들로부터 반송되어 내부에 저장되었던 정보를 새롭게 설정된 가상 경로를 통해서 싱크로 실제 전송한다(S540).

도 7 은 가상 싱크 트리의 보수 및 관리 방법을 설명하는 흐름도이다. 도 7을 참조하면, 센서 노드는 물리적인 충격이나, 에너지 소모 등으로 인하여 파손될 수 있다. 그러나, 센서 네트워크의 라우팅 기능은 이러한 노드의 파손에 의해서 영향을 받는 것이 바람직하지 못하다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예는 도 7 에 도시된 바와 같은 파손 노드의 리포트 경로 및 가상 경로 보수 알고리즘을 채택한다. 파손된 노드가 가상 싱크 트리의 말단 노드라면, 파손된 노드는 네트워크 에 영향을 주지 않는다. 따라서, 도 7 에 도시된 보수 알고리즘은 파손된 노드가 중간 계층의 노드인 경우에 적용된다.

가상 싱크 트리의 노드가 파손되면, 파손된 노드의 자식 노드들은 부모 노드 와 통신할 수 없으므로, 가상 싱크 트리와 연결이 끊어진다(S700).

가상 트리와 연결이 단절된 파손 노드의 자식 노드는 인접한 상위 노드가 존재하는지 조사하고(S710), 인접한 상위 노드가 존재하면 상위 노드를 부모 노드로 선택한다(S720). 이 때, 선택되는 부모 노드는 기존의 부모 노드와 동일한 계층에 속한다.

한편, 인접한 상위 노드가 존재하지 않는 경우에, 단절된 자식 노드는 형제 노드가 아닌 인접한 peer 노드가 존재하는지 조사하고(S730), 존재하는 경우에는 인접한 peer 노드를 부모 노드로 선택한다(S740).

한편, 인접한 형제 노드 아닌 peer 노드도 존재하지 않는 경우에, 자식 노드들에게 상향 경로가 모두 파손되었음을 알리고, 자식 노드들 중에서 자신 이외에 부모를 선택할 수 있는 자식 노드를 새로운 부모 노드로 선택하며, 자신은 가상 싱크 트리의 말단 노드가 된다(S750). 상술한 제 S700 단계 내지 제 S750 단계를 수행함으로써 리포트 경로는 재설정된다.

한편, 단절된 자식 노드가 가상 경로에 속했던 경우에, 자식 노드는 새롭게 설정된 부모 노드로 가상 경로 설정 메시지를 전송하고, 새롭게 설정된 부모 노드는 자신의 리포트 경로를 통해서 가상 경로 설정 메시지를 가상 싱크로 전달하여 가상 경로를 설정한다(S760).

이하에서는, 상술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라우팅 경로 설정 방법의 성능을 종래의 다른 라우팅 방법과 비교하여 설명한다. 먼저, 본 발명의 라우팅 경로 설정 방법은 본 발명의 기술분야의 당업자에게 주지된 ns-2 시뮬레이 터(The Network Simulator ns-2 Documentation, http://www.isi.edu/nsman/ns)에 구현되었다.

본 발명의 라우팅 경로 설정 방법의 MAC 계층은 1.6Mbps 802.11 MAC 으로 설계 되었다. 센서 네트워크에서 기존에 제안된 MAC 프로토콜들(Christian C. Enz., Amre, E. H., Decotignie, J. D., Peiris, V., WiseNET: An Ultralow-Power Wireless Sensor Network Solution, IEEE computer magazine,Vol. 37, No. 8, Aug 2004, 및 Ye, W., Heidemann, J., Estrin, D., An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks, In Proceedings of the INFOCOM 2002, pp. 1567 1576, Vol. 3, 2002)은 IDLE 기간 동안 대기 모드를 가진다. 반면에 802.11 MAC의 라디오는 IDLE 기간동안에도 에너지를 소모하기 때문에 802.11 MAC 은 센서 네트워크에는 부적합하다. 센서 네트워크에 가까운 모델을 만들기 위해 IDLE 기간 동안의 파워 소모를 35mW로 설정하였고, 수신할 때 파워 소모는 395mW, 전송할 때 파워 소모는 660mW으로 설정하였다. 기존의 센서 네트워크에서의 실험과 비교하기 위해 파워 소모량을 동일한 값으로 설정하였다.

네트워크 크기에 대한 본 발명의 성능을 분석하기 위해서, 여러 개의 크기를 가지는 센서 필드를 생성하였다. 센서 필드 크기는 100개의 노드 수에서부터 100개씩 증가하여 800개의 노드 수를 가지도록 설정하였다. 일반적인 실험은 2000ㅧ2000m 크기에서 400 개의 센서 노드를 랜덤하게 위치시켜서 실험하였다. 노드의 Radio range 는 250m 이다. 노드의 조밀도를 일정하게 유지시키기 위해서 Radio range는 변화시키지 않고 센서 필드에 크기를 증가시키면서 실험을 수행하였다. 모든 소스는 랜덤 소스 모델에 따라서 랜덤하게 선택되었고, 싱크는 센서 필드에 균일하게 뿌려졌다. 각 소스는 초당 1개의 전송될 정보를 생성하고, 각 정보의 크기는 64 byte이다. 각 정보는 필드 내에 모든 싱크에 전달 되도록 모델을 만들었다. 각 시뮬레이션 은 100초 간 수행되었다.

본 발명과 종개 기술과의 성능을 비교하기 위하여, 평균 전송 지연 시간, 평균 소모된 에너지, 및 메시지 전송 효율의 3 가지의 특성을 사용하여 분석한다. 평균 전송 지연 시간은 소스에서부터 싱크까지 정보가 전송될 때 걸린 평균 시간을 의미한다. 평균 전송 지연 시간은 데이터 전송에 대한 센서 네트워크에서의 성능을 의미한다. 평균 소모된 에너지는 하나의 노드당 소모된 에너지의 평균값이다. 싱크까지 일정한 수의 정보를 전달하기 위해 필요한 노드의 평균 에너지를 나타낸다. 또한 에너지 소모량은 네트워크 수명과 관련이 있다. 메시지 전송 효율은 전송된 데이터와 싱크에 도착한 정보의 비율이다. 본 실험에서는 싱크 수, 소스 수, 모바일 싱크의 속도, 센서 노드 수 등을 변화시켜가며 이 특성들을 비교하였다.

먼저, 모든 싱크가 고정되어 있다는 가정하에서 싱크 수의 변화에 따른 본 발명의 성능을 측정해 보았다. 도 8a 내지 도 8c 는 센서 노드 400개인 센서 필드 환경에서 싱크 수를 1~ 16까지 늘려가며 평균 메시지 지연 시간(도 8a), 평균 소모된 에너지(도 8b), 메시지 전송 효율(도 8c) 등을 측정한 결과를 그래프로 나타낸 도면이다. 도 8a 내지 도 8c 의 시뮬레이션은 소스의 수가 5개인 경우로서, 본 발명을 Directed diffusion (이하, "DD"라 칭함) 프로토콜과 Two-Tier Data Dissemination (이하, "TTDD" 라 칭함)과 비교하였으며 각 프로토콜은 다수의 싱크와 이동성을 가진 다수의 싱크를 고려하여 설계 되었다.

도 8a를 참조하면, 싱크 수가 증가할수록 점차적으로 DD의 평균 메시지 지연 시간은 증가하고 있다. Directed diffusion 프로토콜은 싱크에서 소스까지 reinforcement 와negative reinforcement를 수행하기 때문에 싱크수가 증가할수록 수행해야 하는 reinforcement, negative reinforcement로 생기는 트래픽 오버헤드와 충돌이 증가하여 지연 시간이 증가하는 모습을 볼 수 있다. TTDD 프로토콜은 DD 프로토콜보다는 극심하지 않지만, 싱크 수가 증가함에 따라 그리드를 유지하기 위한 query수가 증가하므로 지연시간이 증가함을 볼 수 있다.

반면, 본 발명의 경우 싱크 수의 변화에 상관없이 일정하게 지연 시간을 유지함을 볼 수 있다. 더욱이, 평균 메시지 지연 시간은 20ms 이하이므로 싱크 수가 1개인 경우를 제외하고는 DD와 TTDD에 비해 2배의 성능을 나타낸다.

도 8b를 참조하면, 싱크 수가 1개일 때 본 발명의 평균 소모된 에너지는 3.8J 인 것을 알 수 있다. 이 값은 DD 의 35.8 %, TTDD의 43.2 % 정도이다. DD는 interest, reinforcement propagation 같은 오버헤드가 크고, TTDD는 그리드를 유지하기 위한 패킷 오버헤드가 존재하기 때문에, 본 발명과 비교하여 에너지 소모가 크다. 본 발명은 다른 프로토콜에 비해 에너지 소모가 매우 적은 것을 알 수 있다.

도 8c 는 싱크 수 변화에 따른 메시지 전송 효율을 도시한다. 본 발명과 TTDD에 비해 DD의 전송 효율이 너무 낮아 TTDD와 본 발명만을 비교하였다. 싱크 수가 1, 2, 4, 8 일 때 TTDD는 76% ~ 83% 의 전송 효율을 나타내는 반면, 본 발명은 거의 모든 패킷을 성공적으로 싱크에 전달하는 것을 알 수 있다.

도 9a 내지 도 9c 는 소스의 수가 1 ~ 16 까지 변화됨에 따른 본 발명의 평균 메시지 지연 시간(도 9a), 평균 소모된 에너지(도 9b), 및 메시지 전송 효율(도 9c)을 종래 기술과 비교한 도면이다. 여기서, 싱크는 1개인 경우를 도시하였다.

도 9a를 참조하면, DD는 reinforcement 과정을 거쳐 최적의 경로를 찾으므로 본 발명과 TTDD와 비교하여 1개의 소스에서 가장 적은 지연시간의 결과를 보여준다. 그러나 DD와 TTDD는 소스 수가 증가 할수록 점차적으로 지연시간이 증가하고 있다. DD는 싱크에서 소스까지 reinforcement 와 negative reinforcement를 수행하기 때문에 소스 수가 늘어날수록 수행해야 하는reinforcement, negative reinforcement로 생기는 트래픽 오버헤드와 충돌이 늘어나고, 이로 인해 지연시간이 늘어난다. TTDD는 DD 보다는 극심하지 않지만, 소스수가 늘어남에 따라 유지해야 하는 그리드 수가 늘어나므로 지연 시간이 증가함을 볼 수 있다. 그러나, 본 발명의 경우 소스 수가 변화해도 지연 시간이 일정함을 알 수 있다.

도 9b를 참조하면, 모든 경우에 대해서 DD나 TTDD에 비해 본 발명은 적은 에너지를 소모함을 알 수 있다. 본 발명은 다른 프로토콜에 비하여 모든 소스로부터 싱크로 보낼 수 있는 경로가 이미 구성되어 있으므로 소스수가 증가하여도 전송될 정보가 증가할 뿐이다. 반면 DD와 TTDD는 소스 수가 증가 할수록 점차적으로 프로토콜 오버헤드가 증가한다. 16개의 소스에 대해서 수행된 시뮬레이션 결과에서 본 발명은 DD 보다는 25%, TTDD 에 비해서 34%의 적은 에너지를 소모한다. 데 이터 병합과 캐싱 기능을 가지고 있는 DD와 TTDD에 비하여 이렇게 적은 에너지를 소모하는 것은 매우 놀랄 만한 일이다.

도 9c를 참조하면 TTDD의 전송 효율이 소스 수가 증가함에 따라 60%까지 감소 하는 반면, 본 발명은 거의 모든 데이터가 싱크에 전달되어 TTDD에 비하여 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있다.

도 10a 내지 도 10c 는 400개의 노드를 가진 센서 필드 환경에서 싱크의 이동속도를 0m/s ~ 20 m/s까지 증가시킬 때, 평균 메시지 지연 시간, 평균 소모된 에너지, 메시지 전송 효율 등을 측정한 결과를 각각 도시한 도면이다. DD는 이동성을 가진 싱크에 적합한 프로토콜이 아니므로, 실험에서는 TTDD와의 비교를 통해 본 발명의 성능을 평가 하였다.

도 10a 는 싱크의 이동속도 변화에 따른 평균 메시지 지연 시간을 도시한다. 도 10a를 참조하면, 싱크의 이동속도가 증가해도 본 발명의 평균 메시지 지연 시간은 변화가 없다. 싱크가 빠르게 이동하더라도 본 발명은 오버헤드가 적고, 설정이 빠른 하나의 가상경로 설정만을 거치기 때문이다. 반면 TTDD는 싱크가 주 에이전트로부터 일정 거리 이상 멀어지면, 새로운 에이전트를 선택하기 위해 cell 안에서 지역적인 브로드캐스팅을 수행한다. 또한 이전의 에이전트는 새로운 에이전트로 싱크가 움직이는 동안 전달하지 못한 메시지를 전달한다. 이로 인한 충돌과 트래픽이 증가하므로, 메시지의 지연시간이 늘어난 것이다. 본 발명의 평균 메시지 지연 시간은 20ms 이하로 TTDD의 보다 2배 이상 빠르다.

도 10b 는 평균 소모된 에너지를 도시한다. 싱크의 이동속도가 증가해도 본 발명의 평균 소모된 에너지는 5J 로 거의 변화가 없다. TTDD의 결과도 이와 비슷하게 중간 정도의 이동 속도까지 11J 주변의 에너지 소모를 보인다. 하지만, 싱크의 이동 속도가 20m/s에 달하면, trajectory forwarding과 많은 지역적 브로드캐스팅으로 인해 노드 당 소모되는 에너지는 22.4J 로 증가한다. 실험 결과에서 알 수 있듯이 본 발명은 에너지 면이나 지연 시간 면에서 TTDD 보다 양호한 성능을 나타낸다.

도 10c 는 메시지 전송 효율을 도시한다. 도 10c를 참조하면, 본 발명은 모든 이동 속도에서 91% 이상의 전송 효율을 보이는 반면, TTDD는 5m/s ~ 15m/s 사이의 이동 속도에서 80 % 정도의 전송 효율을 가진다. 더구나 TTDD는 20 m/s 에서 30 %의 전송 효율을 보인다. TTDD는 20 m/s 를 초과하는 싱크의 이동속도에서는 매우 좋지 않은 성능을 보이고 있다.

도 11 은 시뮬레이션 시간 100초 중에 30초 동안 임의의 노드를 부분적으로 파손시켜 실험한 메시지 전송 효율의 결과를 도시한 도면이다. 도 11을 참조하면, 노드의 파손이 전체 노드의 15% 이상으로 증가 할수록 전송 효율이 점진적으로 떨어짐을 볼 수 있다. 15%에서 20% 의 노드 파손에서 전송 효율이 급격하게 95% 밑으로 떨어진 것을 볼 수 있다. 이것은 파손된 노드들이 센서 필드내에 hole을 생성하여 어떤 싱크로도 전송할 수 없는 상황이 되었기 때문이다. 그러나 본 발명의 메시지 전송 효율은 94%를 넘는다는 점을 주목하여야 한다. 이는 상술한 노드 보수 및 관리 알고리즘이 노드의 장애를 충분히 고려한 신뢰성을 가진 알고리즘임을 입증한다.

도 12a 및 도 12b 는 센서 노드의 수를 증가 시켰을 때의 평균 소모된 에너지를 도시한다. 도 12a 는 2000ㅧ 2000m 크기에서 노드의 조밀성을 증가시키면서 소모된 에너지를 측정한 것이고, 도 12b는 노드의 조밀성은 그대로 유지한 상태에서 네트워크 크기와 노드 수를 증가시키면서 소모된 에너지를 측정한 것이다. 도 12a 및 도 12b를 참조하면 센서 노드의 수를 증가시켜도 본 발명의 에너지 소모는 거의 일정함을 알 수 있다. 센서 수의 증가로 통신 경로를 위한 홉 수가 늘어나더라도 통신에 참여하는 노드 수가 늘어나므로 노드당 평균 에너지 소모량이 일정하다.

그러나, TTDD와 DD 의 경우 노드 조밀성이 높아지면 interest 와 정보 전달로 인한 브로드캐스팅의 수가 증가하므로 노드 당 소모 에너지가 증가한다. 반면, 본 발명의 가상 싱크 트리는 1 홉 거리 안에서 가능한 많은 자식 노드를 연결 하므로 노드 수가 증가 하더라도 데이터 전송으로 인한 오버헤드가 상대적으로 적다. 도 12b 에서는 생략 되었지만, DD와 TTDD 에서 센서 필드의 크기를 변화시켰을 때도 비슷한 결과가 도출되었다.

도 13 은 가상 싱크 선정 방법에 따른 본 발명의 성능 측정 결과를 도시한 도면이다. 실험은 5개의 소스, 4개의 싱크를 가지고, 각 선정 방법을 500초 동안 시뮬레이션 하였다. 도 13 은 (a) 가상 싱크를 고정시킨 경우, (b) 최대 에너지 레벨의 센서 노드를 가상 싱크로 선정한 경우, (c) 복수의 센서 노드에서 임의로 가상 싱크를 선정한 경우를 각각 도시한다. 도시된 바와 같이, (b) 및 (c) 의 경우는 (a) 의 경우와 비교하여 에너지를 모두 소모한 노드가 없다. 예상 외의 결 과로 전체 에너지의 6% 미만인 노드의 비율이 (a) 12.2%, (b)5.7%, (c)2%로 가상 싱크를 임의로 선정하는 방법이 최대 에너지를 갖는 센서 노드를 선정하는 방식보다 더 양호한 성능을 나타내었다. 결과적으로 가상 싱크를 순환하여 선정하는 방식은 센서 노드의 hole이 생기는 것을 방지하고, 센서 네트워크의 수명을 늘릴 수 있는 효과를 나타낸다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 센서 네트워크에 포함된 복수의 센서 노드들 중 하나를 하나씩 순환시키면서 가상 싱크로 선정하고, 선정된 가상 싱크에 대해서 가상 싱크 트리를 구성하여, 가상 싱크에서 센서 노드들로부터 싱크로 전송되는 정보를 수집한다. 그리고, 이동성 있는 싱크의 위치가 확정되면 실제 싱크는 가상 싱크로 자신의 위치를 통지하여 가상 싱크로부터 실제 싱크까지의 가상 경로를 설정하고, 가상 싱크는 실제 싱크로 정보를 전송한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 가상 싱크를 센서 노드들 중에서 순환시키면서 선정하므로, 네트워크 전체에 에너지 소모를 분산시킴으로써 전체 네트워크의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 가상 싱크만이 실제 싱크의 위치를 기록하면 되므로, 각 센서 노드는 자신의 상위 노드와 하위 노드의 구조만 기억하면 되고, 전체 센서 네트워크에 대한 정보 및 자신의 위치 정보를 기억할 필요가 없으므로, 적은 비용으로 이동성이 많은 모바일 싱크를 효율적으로 지원할 수 있고, 확정성이 양호한 효과가 있다.

Claims (23)

1. 소정의 정보를 수집하는 복수의 센서 노드들 및 상기 센서 노드들로부터 상기 정보를 제공받는 싱크를 포함하는 센서 네트워크에서의 라우팅 경로를 설정하는 방법으로서,

   (a) 상기 복수의 센서 노드들 중에서 가상 싱크를 선정하는 단계;

   (b) 상기 가상 싱크가 상기 복수의 센서 노드들로 트리 설정 메시지를 브로드캐스팅하고, 상기 트리 설정 메시지를 수신한 상기 복수의 센서 노드들이 트리 설정 메시지를 재브로드캐스팅하여 가상 싱크 트리를 구성하는 단계; 및

   (c) 상기 싱크가 상기 싱크에 인접한 센서 노드를 통해서 상기 가상 싱크로 상기 가상 경로 설정 메시지를 전송하여, 상기 가상 싱크로부터 상기 싱크까지의 가상 경로를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 (a) 단계는 상기 가상 싱크로 선정된 센서 노드의 에너지 레벨이 소정의 기준 레벨 이하가 되면 신규 가상 싱크를 선정하고,

   상기 신규 가상 싱크에 대해서 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 (a) 단계는 상기 소정의 시간 주기마다 신규 가상 싱크를 선정하고,

   상기 신규 가상 싱크에 대해서 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (a) 단계는

   상기 복수의 센서 노드들 중에서 랜덤하게 가상 싱크를 선정하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (a) 단계는

   상기 복수의 센서 노드들 중에서 잔여 에너지가 가장 많은 센서 노드를 가상 싱크로 선정하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   (d) 상기 센서 네트워크에 추가된 싱크가 인접한 센서 노드 중 홉수가 최소인 센서 노드를 선택하는 단계; 및

   (e) 상기 선택된 센서 노드가 가상 경로 설정 메시지를 상기 가상 싱크로 전송하여 가상 경로를 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 싱크가 이동하는 경우에

   (f) 상기 싱크가 가상 경로 제거 메시지를 상기 가상 싱크로 전송하고, 상기 가상 경로 제거 메시지를 수신한 가상 싱크가 상기 가상 경로를 제거하는 단계; 및

   (g) 상기 싱크가 이동된 후, 상기 싱크에 인접한 센서 노드들 중 선택된 센서 노드를 통하여 상기 가상 싱크로 상기 가상 경로 설정 메시지를 전송하여, 상기 가상 싱크로부터 상기 싱크까지의 가상 경로를 재설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 (f) 단계는

   (f1) 상기 싱크가 상기 가상 경로 제거 메시지를 상기 싱크에 연결된 상기 가상 경로상의 센서 노드로 전송하는 단계;

   (f2) 상기 가상 경로상의 센서 노드들이 하위 노드로부터 상기 가상 경로 제거 메시지를 수신하여 상위 노드로 전송하고, 상기 싱크로 전송하던 정보를 상기 가상 싱크로 반송하는 단계; 및

   (f3) 상기 가상 싱크가 상기 경로 제거 메시지를 수신하여 상기 가상 경로를 제거하고, 상기 반송된 정보를 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 (g) 단계는

   (g1) 상기 싱크가 이동된 후, 인접한 센서 노드 중 홉수가 최소인 노드를 선택하고, 상기 선택된 센서 노드를 통해서 상기 가상 싱크로 가상 경로 설정 메시지를 전송하는 단계; 및

   (g2) 상기 가상 싱크가 상기 가상 경로 설정 메시지를 수신하여 가상 경로를 재설정하고, 재설정된 가상 경로를 통해서 상기 저장된 정보를 상기 싱크로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 가상 싱크 트리에서 임의의 센서 노드가 파손된 경우에,

    상기 파손된 센서 노드의 자식 노드가 인접한 상위 노드를 부모 노드로 선택하는 단계;

    인접한 상위 노드가 존재하지 않으면, 상기 자식 노드가 형제 노드가 아닌 인접 피어(peer) 노드를 부모 노드로 선택하는 단계; 및

    형제 노드가 아닌 인접 피어 노드가 존재하지 않으면, 자식 노드를 부모 노드로 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 자식 노드가 가상 경로 상의 노드인 경우에,

    새롭게 선택된 상기 부모 노드로 가상 경로 설정 메시지를 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 트리 설정 메시지는

    상기 트리 설정 메시지를 브로드캐스팅하는 센서 노드의 주소, 부모 노드의 주소, 가상 싱크까지의 홉수 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
13. 소정의 정보를 수집하는 복수의 센서 노드들 및 상기 정보를 제공받는 싱크를 포함하는 센서 네트워크 통신 시스템으로서,

    상기 복수의 센서 노드들 중 선택되어, 상기 정보를 상기 복수의 센서 노드들로부터 수집하여 상기 센서 노드들을 통하여 상기 싱크로 전송하는 가상 싱크;

    상기 소정의 정보를 수집하여 상기 가상 싱크로 전송하고, 상기 가상 싱크에서 전송된 상기 정보를 상기 싱크로 전달하는 상기 복수의 센서 노드; 및

    상기 복수의 센서 노드들 중 인접한 센서 노드에 접속하여 상기 가상 싱크에서 전송된 상기 정보를 수신하는 싱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 통신 시스템.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 복수의 센서 노드들은

    상기 가상 싱크에서 브로드캐스팅된 트리 설정 메시지를 인접한 센서 노드로부터 수신하여 상기 인접한 센서 노드를 자신의 부모 노드로 설정하고, 상기 트리 설정 메시지를 인접한 다른 센서 노드로 재브로드캐스팅함으로써 트리 구조로 계층 화 되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 통신 시스템.
15. 제 13 항에 있어서,

    상기 가상 싱크의 에너지 레벨이 소정의 기준 레벨 이하가 되면 신규 가상 싱크가 선정되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 통신 시스템.
16. 제 13 항에 있어서, 상기 가상 싱크는

    소정의 시간 주기로 상기 복수의 센서 노드들 중에서 선정되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 통신 시스템.
17. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가상 싱크는

    상기 복수의 센서 노드들 중에서 랜덤하게 선정되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 통신 시스템.
18. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가상 싱크는

    상기 복수의 센서 노드들 중에서 잔여 에너지가 가장 많은 센서 노드가 선정되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 통신 시스템.
19. 제 13 항에 있어서,

    상기 센서 네트워크 통신 시스템에 추가된 상기 싱크는 인접한 상기 센서 노 드들 중 홉수가 최소인 센서 노드를 선택하고, 상기 선택된 센서 노드를 통하여 가상 경로 설정 메시지를 상기 가상 싱크로 전송하며, 상기 가상 싱크는 상기 가상 경로 설정 메시지를 수신하여 상기 가상 싱크로부터 상기 싱크로의 가상 경로를 설정하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 통신 시스템.
20. 제 13 항에 있어서, 상기 싱크가 이동하는 경우에,

    상기 싱크는 접속된 센서 노드를 통해서 상기 가상 싱크로 가상 경로 제거 메시지를 전송하고, 이동 후, 인접한 센서 노드들 중 선택된 센서 노드를 통하여 가상 경로 설정 메시지를 상기 가상 싱크로 전송하며,

    상기 가상 싱크는 상기 가상 경로 제거 메시지를 수신하여 상기 가상 경로를 제거하고, 신규로 선택된 상기 센서 노드로부터 상기 가상 경로 설정 메시지를 수신하여 상기 가상 싱크로부터 상기 싱크로의 신규 가상 경로를 설정하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 통신 시스템.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 싱크가 이동하는 경우에,

    상기 가상 경로상의 복수의 센서 노드는 하위 노드로부터 상기 가상 경로 제거 메시지를 수신하여 상위 노드로 전송하고, 상기 싱크로 전송하던 정보를 상기 가상 싱크로 반송하며,

    상기 가상 싱크는 상기 반송된 정보를 저장하고, 저장된 정보를 상기 신규 가상 경로를 통해서 상기 싱크로 전송하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 통신 시스템.
22. 제 13 항에 있어서,

    상기 복수의 센서 노드는 자신의 부모 노드가 파손된 경우에,

    상기 부모 노드와 동일한 계층의 인접한 상위 노드를 부모노드로 선택하고,

    인접한 상위 노드가 존재하지 않으면, 상기 형제 노드가 아닌 인접 피어(peer) 노드를 부모 노드로 선택하며,

    형제 노드가 아닌 인접 피어 노드가 존재하지 않으면, 자식 노드를 부모 노드로 선택하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 통신 시스템.
23. 제 22 항에 있어서,

    상기 센서 노드가 상기 가상 경로상의 노드인 경우에,

    상기 센서 노드는 새롭게 선택된 부모 노드로 가상 경로 설정 메시지를 전송하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크 통신 시스템.

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