KR20080054589A - 라우팅 체인 최소화 방법 및 이를 이용하는 네트워크시스템 - Google Patents

라우팅 체인 최소화 방법 및 이를 이용하는 네트워크시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 라우팅 체인 최소화 방법 및 이를 이용하는 네트워크 시스템에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 다수개의 노드가 임의의로 분포된 일정 영역내에서, 기지국이 다수의 노드 간의 전송 에너지를 측정하여, 각 노드에 전달하는 단계; 상기 다수의 노드를 무선 링크로 연결하는 체인을 구성하되, 종단노드가 두개이며, 상기 노드들 간의 무선 링크 연결 및 비 연결에 관계없이 상기 전송 에너지가 최소신장비용을 가지도록 무선 링크를 형성하여 체인을 형성하는 단계; 및 상기 체인에서 상기 무선 링크가 중첩되는 영역이 발생하는 경우, 상기 중첩되는 무선 링크와 접속되는 노드들 간의 전송 에너지를 서로 비교하여 최소가 되는 체인을 형성하는 단계;를 포함한다.
PEGASIS, Kruskal, Prim, Greedy Algorithm,

Description

라우팅 체인 최소화 방법 및 이를 이용하는 네트워크 시스템{OPTIMIZED ROUTING GHAIN METHOD AND NETWORK SYSTEM USING THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 라우팅 체인 최소화 방법이 적용되는 네트워크 시스템의 구성을 간략히 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 라우팅 체인 최소화 방법을 나타낸 순서도,
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 실시 예에 따른 1차 체인 연결 방법을 나타낸 도면들,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 1차 체인을 보강 수정하는 2차 체인 연결 방법을 나타낸 도면들,
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 네트워크 시스템과 비교되는 PEGASIS 네트워크의 체인 연결 형태를 나타낸 도면들,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시 예에 따른 라우팅 체인 최소화 방법이 적용되는 네트워크 시스템의 체인 연결 형태를 나타낸 도면들,
본 발명은 라우팅 체인 최소화 방법 및 이를 이용하는 네트워크 시스템에 관한 것으로서, 일정 영역 내에 분포된 센서들을 체인으로 연결할 경우, 각 센서들 간의 체인 링크 평균 길이를 최소화 하고, 최대 링크 길이를 줄임으로써, 에너지 효율을 최적화할 수 있는 라우팅 체인 최소화 방법 및 이를 이용하는 네트워크 시스템에 관한 것이다.
센서 네트워크는 일정 영역 내의 특성 예를 들면, 일정 영역의 온도 및 지진 발생 지점의 정확한 확인 및 원격 검침 등을 하는데 이용될 수 있는 기술로서, 일정 영역에 다수개의 센서를 분포시킨 후, 센서들로부터의 정보를 수집 및 분석하여 원하는 데이터를 추출하게 된다.
이러한 센서 네트워크에서 상기 센서를 분포시키는 작업은 센서의 전원이 한정적 자원일 경우, 예를 들면, 배터리 등으로 이용될 경우, 각 센서들의 에너지 효율을 고려한 분포 또는 분포된 센서들의 연결이 필요하다. 일정 영역에 특정 센서를 일률적이며, 일정 거리를 가지도록 배치하는 것이 상술한 에너지 효율을 평균화시키는 것이기는 하나, 실질적으로, 상기 센서들을 적용시키는 과정에서는 센서들 간의 거리를 모두 일정하게 유지하는 것은 불가능하다. 또한, 다수의 센서가 정보를 수집하는 노드 예를 들면 기지국(Base Station : BS)으로 정보를 전달하기 위해서는 에너지 효율을 고려하여 특정 센서에 나머지 센서들이 정보를 전달하는 방식이 효율적이다. 상술한 센서 분포의 특성 및 센서들 간의 정보 전달에 따른 에너 지 최적화를 위하여 PEGASIS(Power-Efficient Gathering In Sensor Information Systems)가 제안된 바 있다.
PEGASIS 센서 네트워크는 센서를 통해서 데이터를 수집하는 센서 노드와 센서 네트워크에서 수집한 데이터를 센서 네트워크 외부로 전송하는 BS로 구성된다.
센서 노드는 전송에너지를 절약하기 위해서 자신이 감지한 측정 데이터를 직접 BS로 보내기보다는 징검다리 식으로 중간에 위치한 다른 센서 노드를 거쳐서 전달한다.
BS는 센서 네트워크와는 떨어진 위치에 주로 설치되기 때문에 각각의 센서 노드가 BS로 측정 데이터를 직접 전달하기보다는 한 개 혹은 여러 개의 BS와 통신을 담당하는 담당 센서 노드를 정하고 그 담당 센서 노드가 모든 센서 노드의 측정 데이터를 모아서 이를 축약한 후 BS로 전달하는 방법이 이용될 수 있다. 센서 네트워크에서 에너지의 사용 정도는 센서 네트워크의 수명과 반비례하므로, 데이터의 축약이 많이 이루어질수록 보다 효과적으로 에너지를 절약할 수 있다.
이를 위하여 상기 PEGASIS 센서 네트워크는 모든 센서 노드를 한 줄로 엮어서 라우팅 경로를 구성하며, 이 토폴로지를 체인이라 한다. PEGASIS에서 BS는 생성된 체인 토폴로지를 모든 센서 노드에게 통보한다. BS는 자신과의 거리가 가장 먼 센서 노드를 체인의 첫 노드로 선정한 후 탐욕 알고리즘(Greedy Algorithm)을 이용하여 체인을 구성한다. 여기서, 탐욕 알고리즘은 근시안적이지만 원하는 결과에 개략적으로 도달할 수 있도록 하는 알고리즘으로서, 모든 방법을 고려하기 보다는 일시적이며 즉흥적인 선택을 통하여 목표치에 가깝게 도달하도록 하는 전략을 달성 하기 위한 알고리즘이다.
상기 PEGASIS 센서 네트워크에서 각 센서 노드는 라운드라고 불리는 기본 주기마다 자신의 수집 자료를 BS로 전달을 담당하는 담당 센서 노드로 전달한다. 모든 센서 노드들은 체인의 순서에 따라 이전 센서 노드로부터 전달받은 측정 데이터와 자신의 측정 데이터를 통합하여 체인 상의 다음 센서 노드로 전달한다. 이러한 절차를 반복하면 BS로 모든 측정 데이터가 전달된다.
한편, PEGASIS 센서 네트워크가 생성하는 체인은 평균 링크 길이가 길며, 특히 마지막으로 체인을 생성하는 몇몇 링크의 길이는 매우 길다. 또한, PEGASIS 센서 네트워크에서 정해진 체인 경로는 임의로 바꾸기 힘들기 때문에 자신이 전송해야 할 체인 토폴로지 상에서 다음 센서 노드와의 거리가 먼 경우에는 측정 데이터를 매 라운드마다 먼 거리로 전송해야 하는 상황이 발생하게 된다. 이에 따라, 링크 길이가 긴 센서 노드는 다른 센서 노드보다 에너지를 빨리 소비하여서 에너지가 고갈되어 사멸하게 된다. 결과적으로 종래의 PEGASIS 센서 네트워크는 특정 센서 노드가 사멸하면 활동하는 센서 노드가 줄어든 만큼 측정의 정확도가 저하될 뿐 아니라 평균 전송 길이가 길어짐에 따라서 소요되는 에너지가 증가되어, 결과적으로 전체적인 센서 네트워크의 수명을 단축시키는 단점이 있다. 즉, 종래 PEGASIS 센서 네트워크는 센서 노드가 사멸하면 끊어진 라우팅 경로를 연결하기 위해서 기존에 사용하던 체인 상에서 사멸한 센서 노드의 양쪽에 위치한 두 노드를 연결한다. 이때 일반적으로 새로 생긴 무선 링크의 구간은 이전에 사용하던 무선 링크 영역보다 커지기 때문에 소모되는 평균 전송 에너지가 증가하게 된다.
따라서 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은, 일정 영역 내에 분포하는 노드들을 체인으로 연결함에 있어서, 평균 링크 길이 및 최대 링크 길이를 최소화할 수 있는 라우팅 체인 최소화 방법 및 이를 이용하는 네트워크 시스템을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 라우팅 체인 최소화 방법은, 다수개의 노드가 임의의로 분포된 일정 영역내에서, 기지국이 다수의 노드 간의 전송 에너지를 측정하여, 각 노드에 전달하는 단계; 상기 다수의 노드를 무선 링크로 연결하는 체인을 구성하되, 종단노드가 두개이며, 상기 노드들 간의 무선 링크 연결 및 비 연결에 관계없이 상기 전송 에너지가 최소신장비용을 가지도록 무선 링크를 형성하여 체인을 형성하는 단계; 및 상기 체인에서 상기 무선 링크가 중첩되는 영역이 발생하는 경우, 상기 중첩되는 무선 링크와 접속되는 노드들 간의 전송 에너지를 서로 비교하여 최소가 되는 체인을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 시스템은, 다수의 노드; 상기 다수의 노드로 형성된 일정 영역의 센서 네트워크; 및 상기 센서 네트워크 내에 포함된 노드들 간의 전송 에너지를 측정하여 각 노드에 전달하고, 상기 노드들이 수집한 정보를 특정 노드로부터 수신하는 기지국;을 포함하되, 상기 다수의 노드는 무선 링크로 연결되는 체인을 구성하되, 종단노드가 두 개이며, 상기 노드들 간의 무선 링크 연결 및 비 연결에 관계없이 상기 전송 에너지가 최소비용을 가지도록 무선 링크를 형성하여 체인을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
예를 들면, 본 발명에서 설명하는 네트워크 시스템은 일정 영역의 정보 수집을 위하여 다수개가 분포되는 노드와, 상기 노드 간의 정보전달을 위하여 각 노드 간에 체인으로 연결되는 네트워크 영역에서의 라우팅 체인을 최소화하는 방법에 관 한 것이다. 이러한 본 발명의 센서 네트워크에서 센서는 다양한 센서 예를 들면, 지진 측정 센서, 온도 센서, 습도 센서, 미생물 측정 센서, 화생방 센서 등 다양한 특성의 센서들이 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 라우팅 체인 최소화를 위한 네트워크 시스템을 나타낸 도면이다.
설명에 앞서, 본 발명의 라우팅 체인 최소화 방법은 노드는 재충전이 되지 않는 전원을 가지고 있으며 기지국(Base Station : BS)는 무한한 전원을 가지는 센서 네트워크의 일반적인 환경에 대한 가정과 상기 노드들 중 특정 담당 노드가 주기적으로 패킷을 생성하여 BS로 전송하는 것으로 가정한다. 또한 상기 BS와 상기 노드는 움직이지 않으며, 모든 노드는 링크 길이에 따라 전송 에너지를 조절할 수 있다고 가정한다. 이러한 환경에서 BS는 센서 네트워크에서 노드들이 서로 떨어진 거리와 전송 에너지 양에 대한 정보를 수집한 후 비분산적인 방법으로 라우팅 토폴로지를 계산하고 그 결과를 노드에게 전달한다.
상기 도 1를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 시스템은 일정 영역의 범위에 다수개가 폐루프를 형성하지 않는 최소 비용을 가지는 링크를 우선적으로 연결하여 형성된 체인으로 연결되며 분포된 노드(10), 상기 노드(10)들의 분포로 형성된 센서 네트워크(20), 상기 센서 네트워크(20)가 수집하는 정보를 특정 노드로부터 수신하는 기지국(Base Station : 이하 BS)(30)을 포함하여 구성된다.
상기 노드(10)는 정보를 수집하는 노드(10)와, 수집된 정보를 전달받아 상기 BS(30)에 전달하는 담당 노드(10a)를 포함하여 구성된다. 상기 노드(10)들의 연결은 각각의 노드가 폐루프를 형성하지 않으며, 최대 차수가 2로 제한된 최소비용 신장트리(Minimum Spanning Tree)를 이용하는 방식을 적용하여 체인을 형성한다. 즉, 본 발명의 노드(10)들은 노드들 간에 연결되는 링크에 있어서, 최초 모든 링크 중에서 가장 작은 링크 값을 가지는 두 노드를 연결하여 서브 체인을 생성한다. 그리고, 본 발명의 노드(10)들은 이후 현재 선택된 노드 중 이미 이웃 노드가 두 개인 노드를 제외한 노드들과 현재 선택되지 않은 노드를 연결하는 링크 중에서 링크 값이 가장 작은 링크를 체인에 추가한다. 이때에 현재 이미 선택된 링크와 떨어진 링크를 선택할 수도 있다. 모든 노드가 체인에 포함되고 모든 서브 체인들이 하나로 연결되면 상기 노드(10)들을 연결하는 체인이 완성된다.
상기 센서 네트워크(20)는 상기 체인으로 연결되는 노드(10)들이 분포된 일정 영역을 정의한다. 이러한 센서 네트워크(20)는 다수개의 연결된 노드(10)들이 수집하는 정보를 외부의 BS(30)에 전달한다.
상기 BS(30)는 상기 센서 네트워크(20)에 포함된 각 노드(10)들이 수집한 정보를 전달받아, 상기 정보를 분석한다. 이러한 BS(30)는 에너지 효율을 고려하여 상기 센서 네트워크(20)에 포함된 노드(10)들 중 담당 노드(10a)와 링크를 연결하고, 연결된 담당 노드(10a)로부터 정보를 수집한다. 여기서, 담당 노드(10a)는 담당 노드(10a)와 체인으로 연결된 다른 노드들로부터 정보를 전달받아 압축하여 상기 BS(30)에 정보를 전달한다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 시스템의 구성을 살펴보았 다. 이하에서는 상술한 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 시스템의 센서 네트워크(20)를 구성하는 노드(10)들의 라우팅 체인 최소화 방법에 대하여 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 라우팅 체인 최소화 방법을 나타낸 순서도이다.
설명에 앞서, 본 발명의 실시 예에 다른 라우팅 체인 최소화 방법에 대한 설명을 위하여 모든 노드를 포함하는 집합 A는 체인의 순서에 의하여 1부터 Nd의 번호를 가지는 것으로 가정하며, 상기 집합 A는 노드 i와 노드 j를 포함하며, 상기 i와 j간에 체인을 구성하는 각 무선 링크는 L(i,j)로 정의하며, L(i,j)의 전송에너지는 C(i,j)로 정의한다.
상기 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 라우팅 체인 최소화 방법은 먼저, 기지국(Base Station : 이하 BS)(30)이 다수개의 센서 네트워크(20) 내에 포함된 노드(10)들 간에 형성되는 무선 링크 L(i,j)의 전송 에너지 C(i,j)를 각각의 노드(10)에 전달한다(S101).
상기 S101 단계에서, BS(30)는 센서 네트워크(20)에 분포된 전체 노드(10)들 간의 무선 링크 L(i,j)에 소요되는 전송 에너지 C(i,j)를 각각 계산하여 각각의 노드(10)에 전달한다. 이때, 전송 에너지 C(i,j)은 무선 링크 L(i,j)들의 거리에 비례하는 것으로 가정하기로 한다.
다음으로, 상기 각 노드(10)들은 전송 에너지 C(i,j)가 최소인 노드들부터 순차적으로 연결하여 체인을 형성한다(S102).
상기 S102 단계에서, 상기 각 노드(10)들이 전송 에너지 C(i,j)가 최소인 노드들부터 연결하게 됨으로, 전체 체인을 형성하기 전에 다수개의 서브 체인들이 형성된다. 여기서, 상기 전송 에너지 C(i,j)가 최소인 상태는 노드들 간에 형성될 수 있는 다수개의 무선 링크 L(i,j)들 중 전송 에너지가 가장 작은 무선 링크를 선택할 경우의 전송 에너지를 의미한다. 한편, 상술한 S102 단계를 수행하기 위해서는 각 서브 체인의 양단에 위치한 종단 노드는 자신의 반대쪽 종단 노드의 노드 번호를 알고 있어야 한다. 만일 노드가 혼자 떨어져 위치하여 인근노드를 가지고 있지 않은 상태라면 자신의 노드를 기억한다. 따라서, 초기에는 모든 노드가 인근노드를 가지지 않으므로 자신의 노드를 기억한다. 상기 S102 단계는 체인의 양끝 노드가 2개가 될 때까지 상기 제 1 내지 제 Nd 개의 노드를 각각 선택하여 체인을 형성한다.
상기 S102 단계의 체인 형성 과정은, 전송 에너지 C(i,j)가 최소인 i와 j를 선택하고, 상기 i 및 j는 상기 집합 A에 속하며, i≠j이고, 노드 i의 반대측 종단 노드가 j가 아닌 경우, j가 속한 서브 체인 반대측 종단 노드 또는 j 노드 값을 i가 속한 서브 체인 반대측 종단 노드 또는 노드 값에 대응하도록 대입시킨다. 그리고, i가 속한 서브체인 반대측 종단 노드 또는 i 노드 값을 j의 서브 체인 반대측 종단 노드 또는 j 노드에 대입시킨다. 이후, i 노드의 반대측 종단 노드 값이 j가 아닌 경우 i를 집합 A로부터 제거하고, j의 반대측 종단 노드 값이 i 가 아닌 경우 j를 집합 A로부터 제거한다.
상술한 상기 S102 단계를 도 3을 참조하여 간단히 설명하면, 0부터 6까지의 일곱 개의 노드가 분포되고, 각 노드가 도 3a와 같이 무선링크가 연결되며, 각 무선링크들 간의 전송에너지 값이 분포되었다고 가정할 경우, 도 3b에 도시된 바와 같이 초기에 상기 제 0 내지 제 6 노드들이 각각 분포되어 배치된다. 이후, 도 3c에 도시된 바와 같이, 제 0 노드와 제 5 노드의 전송 에너지 값이 가장 최소의 값을 가짐으로, 무선 링크를 연결한다. 다음으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 제 2 노드 및 제 3 노드의 전송 에너지 값이 다음의 최소 값을 가짐으로 무선 링크를 연결한다. 그리고, 도 3e에 도시된 바와 같이 제 1 노드 및 제 6 노드가 무선 링크를 연결하며, 도 3f에 도시된 바와 같이 제 2 노드와 제 1 노드가 무선 링크를 연결한다. 도 3g에 도시된 바와 같이 제 3 노드와 도 4 노드가 무선 링크를 연결하며, 마지막으로 도 3h에 도시된 바와 같이 제 4 노드와 제 5 노드가 연결된다. 이러한 방식으로 전송에너지가 최소인 무선링크들 간을 각각 연결하되, 연결된 무선링크가 폐루프를 형성하지 않도록 인근노드들을 검사하여 하나의 체인을 형성한다.
다음으로, 무선 링크가 중첩되는 영역에 분포한 4개의 노드 간에 상기 무선 링크들의 전송에너지를 비교하여 최소가 되도록 무선링크를 갱신한다(S103).
상기 S103 단계에서, 무선 링크로 연결된 4개의 노드 예를 들면, i, i+1, j, j+1 노드가 존재하고, L(j,i+1)이 연결된 경우, 무선 링크는 L(i,i+1), L(i,j), L(j+1,i+1), L(j,j+1)이 존재하는 경우, 가장 큰 전송 비용이 C(i,i+1)라고 할 경우, 상기 무선 링크 L(i,i+1)를 고정하고, 모든 링크에 대하여, 아래 수학식 1 및 수학식 2의 조건을 만족하는지 검사한다.
C(i,i+1) + C(j,j+1) > C(i,j) + C(i+1,j+1)
C(i,i+1) == max{ C(i,i+1), C(j,j+1), C(i,j), C(i+1,j+1)}
상기한 수학식 1 및 수학식 2의 조건을 동시에 만족하는 링크가 한개 이상 존재하는 경우, 노드들은 에너지의 절약이 가장 많이 되는 링크 즉, 전송 에너지가 가장 작은 링크를 골라서, 새로운 체인을 형성한다. 그리고, 노들들은 새롭게 형성된 체인의 전송에너지를 재배열하고, 상기 수학식 1 및 수학식 2의 조건을 만족하는 링크가 있는지 여부를 반복적으로 검사한다. 상기 무선링크들이 수학식 1 및 수학식 2의 조건을 만족하지 않는 경우, 상기 고정한 무선 링크의 전송 에너지 크기 다음의 전송에너지를 가지는 무선 링크를 선택하고, 선택한 무선링크의 전송 에너지 값보다 작은 전송 에너지를 가지는 무선 링크에 대하여 상기 수학식 1 및 수학식 2의 조건을 만족하는지 검사한다.
상기 수학식 1의 조건은 체인을 변경한 후 링크의 길이를 비교하는 조건이며, 상기 수학식 2의 조건은 체인을 변경한 후 더 긴 링크가 발생하지 않도록 하기 위한 조건이다.
상기 수학식 1 및 수학식 2의 조건의 일예를 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명하기로 한다. 설명에 앞서, 전송 에너지는 무선 링크의 길이에 비례하는 것으로 가정한다.
이하의 설명에서, 도 4a 및 도 4b의 시작 노드 1과 종단 노드 Nd는 각각 i 노드 와 j+1 노드를 연결하는 노드이다.
상기 도 4a를 참조하면, 4개의 노드는 시작 노드 1과 종단 노드 Nd를 제외하고 각각, i, i+1, j, j+1이 존재하고, 상기 노드 중 두개의 노드 즉, j와 i+1의 노드는 최소의 전송에너지 값으로 각각의 노드가 연결된다. 이러한 조건에서, 무선 링크는 L(i,i+1), L(i,j), L(i+1,j+1), L(j,j+1)이 존재하게 되며, 이때, 상술한 무선 링크는 폐루프가 형성되지 않도록 선택된다. 한편, 상기 L(i,i+1), L(j,j+1)이 선택된 경우, 상기 수학식 1의 조건을 검사하여, L(i,i+1), L(j,j+1)의 전송에너지보다 L(i,j), L(i+1,j+1)의 전송에너지가 더 작을 경우, 도 4b에 도시된 바와 같이 체인을 재구성한다.
요약하자면, 상기 도 4a의 무선링크는 선택노드가 i 노드일 경우 L(i,i+1), L(i+1,j), L(j,j+1), j 노드로 이어지는 체인이 형성되는 반면, 도 4b에 도시된 무선링크는 동일한 선택노드 i에서 L(i,j), L(j,j+1),L(i+1,j+1), j 노드로 이어지는 체인이 형성되어 전송거리에 전송에너지가 비례하는 가정하에서 최소의 체인 구성이 가능해진다. 상술한 도 4a 및 도 4b의 전송에너지 최소에 대한 증명은 사각형의 각 4개의 변 중 2개의 변의 길이의 합은 사각형의 두개의 대각선의 길이의 합보다 작은 것으로 설명할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따른 라우팅 체인 최소화 방법은 다수개의 노드들이 분포하는 센서 네트워크 상에서 상기 S102 단계를 통하여 서브 체인을 형성한 노드들을 이용하며, 서브 체인 중 무선링크가 다른 무선링크에 중첩되는 영역이 발생할 경우, 상술한 S103 단계에서의 전송에너지 최소화 과정을 적용함으로써, 센서 네트워크의 노드 간 전송 에너지를 평균화할 수 있음과 아울러, 최대 길이를 가지 는 노드의 전송에너지를 최소화할 수 있다.
이러한 본 발명의 실시 예에 따른 라우팅 체인 최소화 방법에 대하여 종래의 PEGASIS(Power Efficient Gathering Sensor Information System) 적용 사례와 비교하여 설명하기로 한다.
도 5a 및 도 5b는 종래의 PEGASIS 센서 네트워크에서 적용되는 프림(Prim) MST(Minimum Spanning Tree) 방법이 적용된 센서 네트워크를 나타낸 도면이다.
상기 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 종래의 PEGASIS 센서 네트워크에서는 다수개의 노드 중 선택된 노드로부터 한붓그리기 방식인 프림 방식이 적용되어 특정 지점으로부터 다음 노드 간의 무선 링크를 선택하되, 다른 노드와 연결된 노드의 종단으로부터 최소신장 비용을 가지는 노드를 순차적으로 선택하여 그려진 것이다. 도면에서, A 노드에서 시작하여 최소신장 비용을 가지도록 주변 노드를 검사하여 트리를 구현함에 따라, B 무선 링크 및 C 무선 링크들은 다른 무선 링크들에 비하여 매우 큰 무선 링크 길이를 가지게 되며, 전송 에너지가 무선 링크 길이에 비례한다고 가정할 경우, 상기 B 무선 링크 및 C 무선 링크의 전송 에너지는 매우 높다. 결과적으로, 상술한 종래의 센서 네트워크는 네트워크 시스템이 구동된 후, 상대적으로 짧은 시간 내에 상기 B 무선 링크 및 상기 C 무선 링크의 전송 에너지의 과다한 소모로 인하여 사멸될 것은 자명한 것이다. 이러한 각 노드의 사멸은 전체 센서 네트워크의 평균 전송 에너지의 증가를 가져옴과 아울러, 센서 네트워크의 신뢰도를 저하시키게 된다. 한편, 종래의 PEGASIS 센서 네트워크에서 특정 노드의 선택의 A 지점이 아닌 특정 지점을 선택한다 할지라도, 최소 길이의 체인을 구하는 문제는 "외판원의 최소이동거리 계산문제"와 매우 유사하며, 이 문제는 대표적인 NP-complete 문제로서 최적해는 모든 경우를 다 고려해야만 풀 수 있음으로 인하여, 전체 체인을 완성하는 시간이 매우 길게 소요되게 된다.
한편, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시 예에 따른 라우팅 체인 최소화 방법이 적용된 센서 네트워크를 나타낸 도면이다.
상기 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상기 도 6a에서는 전체 노드들 중 최소 비용 순으로 노드들 간에 무선 링크를 형성하되 연결되지 않은 노드 선택이 가능하며 폐루프가 형성되지 않도록 연결되고, 도 6b에 도시된 바와 같이, 전체 체인이 형성된 이후, 체인 내에 무선 링크가 중첩된 영역에서의 최소 전송에너지 루트를 검색하여 체인을 수정함으로써, 전체 체인을 완성하게 된다. 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 라우팅 체인 최소화 방법에 따른 센서 네트워크는 전체적으로 최대 무선 링크의 길이가 종래의 최대 무선 링크의 길이에 비하여 상대적으로 작게 분포되어 있으며, 최대 무선 링크의 길이 또한 평준화되어 나타남을 알 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 센서 네트워크 시스템은 특정 노드에 대한 전송 에너지가 비교적 작게 형성됨으로, 종래에 비하여 특정 노드의 수명이 비약적으로 증가함은 자명한 것이며, 이에 따라, 노드의 사멸 시점이 증가하여 전체적으로 센서 네트워크 시스템의 수명이 연장될 수 있다. 한편, 본 발명의 실시 예에 따른 라우팅 체인 최소화 방법은 실험적으로 센서 네트워크의 크기가 10헥타르 내외의 영역에서 센서 네트워크의 수명 연장 효과를 확인할 수 있다. 그러나, 상기 실험 영역은 특정 센서 및 특정 기지국을 이용한 실험으로서, 상기 구성의 변화 즉, 구성의 전력 및 구성의 배열 등에 따라, 변화될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에서 제안하는 본 발명의 라우팅 체인 최소화 방법 및 이를 이용한 센서 네트워크에 따르면, 일정 영역 내에 분포하는 노드들을 체인으로 연결함에 있어서, 평균 무선 링크 길이 및 최대 무선 링크 길이를 최소화하여 에너지 효율을 대폭 개선할 수 있다.

Claims (10)

  1. 다수개의 노드가 임의의로 분포된 일정 영역내에서,
    기지국이 다수의 노드 간의 전송 에너지를 측정하여, 각 노드에 전달하는 단계;
    상기 다수의 노드를 무선 링크로 연결하는 체인을 구성하되, 종단노드가 두개이며, 상기 노드들 간의 무선 링크 연결 및 비 연결에 관계없이 상기 전송 에너지가 최소신장비용을 가지도록 무선 링크를 형성하여 체인을 형성하는 단계; 및
    상기 체인에서 상기 무선 링크가 중첩되는 영역이 발생하는 경우, 상기 중첩되는 무선 링크와 접속되는 노드들 간의 전송 에너지를 서로 비교하여 최소가 되는 체인을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 라우팅 체인 최소화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무선 링크가 중첩되는 영역에 위치하는 노드는 4개의 노드이며, 상기 4개의 노드를 연결하는 체인은 3개의 무선 링크를 형성하는 것을 특징으로 하는 라우팅 체인 최소화 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 3개의 무선 링크 중 한개는 최소신장 비용을 가지는 무선 링크로 고정연결되며, 나머지 두개의 무선 링크들은 상기 노드들의 연결 방법에 따라 상기 무선 링크가 중첩되는 영역에서 노드의 연결 비용이 최소신장비용이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 라우팅 체인 최소화 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 체인 형성 단계는
    상기 전체 노드가 연결된 체인 형성 이전에 상기 종단 노드가 두개인 서브 체인들을 형성하는 단계; 및
    상기 서브 체인 및 서브 체인을 형성하지 않은 노드들 간의 무선 링크를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 라우팅 체인 최소화 방법.
  5. 다수의 노드;
    상기 다수의 노드로 형성된 일정 영역의 센서 네트워크; 및
    상기 센서 네트워크 내에 포함된 노드들 간의 전송 에너지를 측정하여 각 노드에 전달하고, 상기 노드들이 수집한 정보를 특정 노드로부터 수신하는 기지국;을 포함하되,
    상기 다수의 노드는 무선 링크로 연결되는 체인을 구성하되, 종단노드가 두 개이며, 상기 노드들 간의 무선 링크 연결 및 비 연결에 관계없이 상기 전송 에너지가 최소비용을 가지도록 무선 링크를 형성하여 체인을 형성하는 것을 특징으로 하는 네트워크 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 다수의 노드는
    상기 기지국에 정보를 압축하여 전달하는 담당 노드와,
    상기 담당 노드와 하나의 체인을 통하여 연결되며, 인근 노드에 정보를 전달하는 노드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 체인은
    상기 전체 노드가 연결된 체인 형성 이전에 상기 종단 노드가 두개인 서브 체인들을 형성하고, 상기 서브 체인 및 서브 체인을 형성하지 않은 노드들 간의 무선 링크를 형성하는 것을 특징으로 하는 네트워크 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 체인에서 상기 무선 링크가 중첩되는 영역이 발생하는 경우, 상기 체인은 상기 중첩되는 무선 링크와 접속되는 노드들 간의 전송 에너지를 서로 비교하여 최소가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 네트워크 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 무선 링크가 중첩되는 영역에 위치하는 노드는 4개의 노드이며, 상기 4개의 노드를 연결하는 체인은 3개의 무선 링크를 형성하는 것을 특징으로 하는 네트워크 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 3개의 무선 링크 중 한개는 최소신장 비용을 가지는 무선 링크로 고정연결되며, 나머지 두개의 무선 링크들은 상기 노드들의 연결 방법에 따라 상기 무선 링크가 중첩되는 영역에서 노드의 연결 비용이 최소신장비용이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 네트워크 시스템.
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