KR20080066111A - 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지관리 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법 및 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법은, 다수개의 노드가 스패닝 트리를 형성하는 다수의 클러스터를 포함하는 일정 영역내에서, 일정 주기에 따라 기지국이 상기 노드들의 에너지 잔량을 수집하는 단계; 상기 클러스터 별로 상기 노드들을 연결할 수 있는 링크 수를 배정하는 단계; 상기 노드들의 최대 허용 링크 차수를 결정하는 단계; 및 상기 최대 허용 링크 차수를 기반으로 상기 스패닝 트리를 갱신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
SPANNING TREE, PEGASIS, PEDAP, PEDAP-PA, LEACH

Description

스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법 및 시스템{SYSTEM AND METHOD FOR ENERGY MANAGEMENT FOR SENSOR NETWORK USING THE SPANNING TREE}
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 시스템의 일예를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 클러스터를 가지는 네트워크 시스템의 일예를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 최대 허용 링크 차수 결정을 위한 초기 동작 과정을 나타낸 순서도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 최대 허용 링크 차수 결정을 위한 매 주기 동작 과정을 나타낸 순서도,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 최대 허용 링크 차수 결정을 제 1 방법을 나타낸 순서도,
도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 제 1 방법이 적용되는 네트워크 시스템을 나타낸 도면들,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 최대 허용 링크 차수 결정을 제 2 방법을 나타낸 순서도.
본 발명은 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 노드의 링크에 허용되는 최대 링크 허용 차수를 제어하여 센서 네트워크 내에 분포한 센서 노드들의 에너지 사용을 균일화할 수 있는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법 및 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 수집한 정보를 정보 수집 장치 예를 들면 기지국(Base Station : BS)으로 정보를 전달 하기 위해서는 에너지 효율을 고려하여 특정 센서에 나머지 센서들이 정보를 전달하는 방식이 효율적이다.
그러나, 종래의 센서 네트워크에서 센서 노드는 에너지를 공정하게 소비하지 않는 특성이 있다. 이를 보다 상세히 설명하면, 센서 노드는 임의의 위치에 설치되기 때문에 연결 형태가 다양한 모습을 가지게 된다. 이에 따라, 상기 센서 노드를 연결하는 라우팅 경로는 임의의 모습을 갖게 되며, 그 결과 센서 노드는 스패닝 트리의 루트에 해당하는 BS로 측정 데이터를 전달하는 과정에서 자신의 자식 노드의 수가 일정하지 않기 때문에 서로 다른 양의 수신 에너지를 소모하게 된다. 또한, 센서 노드는 부모 노드와의 거리가 각각 다르기 때문에 서로 다른 양의 전송 에너지를 소모한다. 그리고, 센서 노드들 중 특정 센서 노드는 자신만의 특정한 역할을 수행하기 위해서 많은 에너지를 소모할 수 있으며, 특정 센서 노드에 장착한 배터리가 불량하여 다른 센서 노드들에 비하여 훨씬 적은 에너지 잔량을 가지고 작업을 시작하거나, 센서 노드가 위치한 다양한 환경들로 인하여, 특정 센서 노드는 다른 센서 노드에 비하여 빠르게 에너지를 소모할 수 있다.
상술한 바와 같이 센서 네트워크에서 센서 노드들은 시간이 흐를수록 공정한 에너지 소비를 하지 못하고, 대부분의 센서 노드들이 서로 다른 에너지 잔량을 가지게 된다. 결과적으로, 센서 노드들 중에는 다른 센서 노드들에 비하여 그 수명이 짧은 노드들이 발생하게 되며, 이러한 노드 사멸은 각 센서 노드들이 사멸된 센서 노드를 제외하고 새로운 링크 연결을 구성하는 센서 네트워크에서 다른 센서 노드들의 수명을 더욱 단축시키는 결과를 낳는 문제점이 있다. 이에 따라, 센서 노 드들의 에너지 소모를 균일화할 수 있는 방안의 모색이 절실히 필요한 실정이다.
따라서 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은, 스패닝 트리를 구성하는 센서 네트워크 환경에서 각 센서 노드들의 에너지 소모를 균일화할 수 있는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법은, 다수개의 노드가 스패닝 트리를 형성하는 다수의 클러스터를 포함하는 일정 영역내에서, 일정 주기에 따라 기지국이 상기 노드들의 에너지 잔량을 수집하는 단계; 상기 클러스터 별로 상기 노드들을 연결할 수 있는 링크 수를 배정하는 단계; 상기 노드들의 최대 허용 링크 차수를 결정하는 단계; 및 상기 최대 허용 링크 차수를 기반으로 상기 스패닝 트리를 갱신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 시스템은 일정 영역 별로 링크 연결이 스패닝 트리를 형성하며, 일정 주기에 따라 상기 스패닝 트리를 갱신하는 노드들; 및 일정 주기를 설정하고, 상기 일정 주기 마다 상기 노드들의 에너지 잔량과 상기 노드의 분포 위치 수집하여 상기 노드들의 최대 허용 링크 차수를 결정하고, 결정된 최대 허용 링크 차수를 기반으로 상기 스패닝 트리를 계산하여 그 결과를 상기 노드에 전달하는 기지국;을 포함하는 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.
본 발명에서 설명하는 에너지 관리 방법 및 시스템은 일정 영역의 정보 수집을 위하여 다수개가 분포되는 센서 노드와, 상기 센서 노드 간의 정보전달을 위하여 각 센서 노드 간에 스패닝 트리를 형성하는 링크로 연결된 센서 네트워크 영역에서의 에너지 소모의 균일화 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 센서 네트워크에서 센서는 다양한 센서 예를 들면, 지진 측정 센서, 온도 센서, 습 도 센서, 미생물 측정 센서, 화생방 센서 등 다양한 특성의 센서들이 적용될 수 있다.
이하 본 발명의 에너지 관리 시스템에서 자식 노드는 자신의 데이터를 다른 센서 노드에 전달하는 하위 센서 노드를 의미하며, 부모 노드는 자식 노드로부터 데이터를 전달받고, 이를 처리하여 다른 부모 노드 또는 담당 노드에 전달하는 센서 노드를 의미하고, 담당 노드는 다른 자식 노드 혹은 부모 노드들로부터 데이터를 수집하여 처리하고 이를 기지국에 전송하는 센서 노드를 의미한다. 여기서, 부모 노드 및 담당 노드의 데이터 수집 및 처리 과정은 하위 센서 노드로부터 데이터를 전달받는 과정과, 전달받은 과정을 효율적인 데이터 전송을 위하여 압축처리하는 과정을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 스패닝 트리 링크 연결이 적용되는 센서 네트워크 시스템을 나타낸 도면이다.
설명에 앞서, 본 발명의 센서 네트워크 시스템은 센서 노드가 재충전이 되지 않는 전원을 가지고 있으며, 기지국(Base Station : BS)은 무한한 전원을 가지는 센서 네트워크의 일반적인 환경에 대하여 가정하기로 하며, 상기 센서 노드들 중 특정 담당 노드가 주기적으로 다른 센서 노드들의 데이터를 수신하여 처리한 후 상기 BS로 전송하는 것으로 가정한다. 또한 상기 BS와 상기 센서 노드는 움직이지 않으며, 모든 센서 노드가 데이터 전송할 때 소모되는 전송 에너지는 유사한 것으로 가정한다. 이러한 환경에서 상기 BS는 센서 네트워크에서 센서 노드들이 가지는 에너지 잔량을 주기적으로 검사하고, 일정 주기에 따라 상기 센서 네트워크 내에 분포된 센서 노드들 간의 최대 링크 허용 차수를 조절하여 특정 센서 노드에 접속되는 링크를 분산함으로써, 전체 센서 노드의 에너지 사용을 균일하게 유도하게 된다. 여기서, 상기 일정 주기는 각 센서 노드가 데이터를 전송하는 라운드 주기로서, 이러한 라운드는 센서 노드가 데이터를 수집하여 상기 BS에 전송하는 주기로 정의할 수 있다. 또한, 상기 일정 주기는 상기 BS가 정하는 일정 주기 예를 들면, 전체 센서 네트워크 수명을 일정 분할로 구분하고, 각 분할에 해당하는 주기로 설정할 수 있다. 여기서, 상기 전체 센서 네트워크 수명은 센서 노드들의 제작 당시 사용될 수 있는 에너지 소모 시간 및 이에 대한 오차 허용을 포함하여 계산할 수 있다.
상기 도 1를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 시스템은 일정 영역의 범위에 다수개가 최대 링크 허용 차수를 유지하며 스패닝 트리를 형성하는 센서 노드(10), 상기 센서 노드(10)들의 분포로 형성된 센서 네트워크(50), 상기 센서 네트워크(50)가 수집하는 데이터를 특정 센서 노드로부터 수신하고, 상기 센서 노드(10)들의 에너지 잔량과 센서 노드(10)들 간의 최대 링크 허용 차수를 일정 주기에 따라 조정하여 각 센서 노드(10)들이 에너지를 균일하게 소모할 수 있도록 유도하는 기지국(Base Station : 이하 BS)(30)을 포함하여 구성된다.
상기 노드(10)는 데이터를 수집하는 센서 노드(10)와, 데이터의 수집 및 다른 센서 노드(10)들로부터 수집된 데이터를 전달받아 상기 BS(30)에 전달하는 담당 노드(10c)를 포함하여 구성된다. 상기 센서 노드(10)는 데이터를 수집하여 자신과 링크로 연결된 다른 센서 노드 즉, 부모 노드(10b)에 전달하는 자식 노드(10a)와, 자식 노드(10a)로부터 데이터를 전달받아 이를 처리하고, 다른 센서 노드(10) 혹은 담당 노드(10c)에 전달하는 부모 노드(10b)를 포함하여 구성된다. 부모 노드(10b)의 측면에서 상기 자식 노드(10a)는 하위 센서 노드에 속하며, 자식 노드(10a)의 측면에서 상기 부모 노드(10b)는 상위 센서 노드에 속한다. 그리고, 부모 노드(10b) 간에도 데이터를 전달하는 부모 노드(10b)는 데이터를 수신하는 부모 노드(10b)에 비하여 하위 센서 노드에 속하게 되며, 이때, 데이터를 수신하는 부모 노드(10b)는 상위 센서 노드에 속한다. 이에 따라, 상기 담당 노드(10c)는 상위 센서 노드이다. 이러한 본 발명의 센서 노드(10)들의 링크 연결은 각각의 센서 노드(10)가 최대 링크 허용 차수 이내에서 링크를 구성하는 신장트리(Minimum Spanning Tree) 방식에 따라 형성한다. 하위 센서 노드는 상위 센서 노드에 데이터를 전달하는 센서 노드이며, 상위 센서 노드는 하위 센서 노드로부터 데이터를 수신하는 센서 노드이다.
상기 센서 네트워크(50)는 상기 링크 연결되는 센서 노드(10)들이 분포된 일정 영역을 정의한다. 이러한 센서 네트워크(50)는 다수개의 연결된 센서 노드(10)들이 수집하는 정보를 외부의 BS(30)에 전달한다.
상기 BS(30)는 상기 센서 네트워크(50)에 포함된 각 센서 노드(10)들이 수집한 정보를 전달받아, 상기 정보를 분석한다. 이러한 BS(30)는 에너지 효율을 고려하여 상기 센서 네트워크(50)에 포함된 센서 노드(10)들 중 담당 노드(10c)와 링크를 연결하고, 연결된 담당 노드(10c)로부터 정보를 수집한다. 여기서, 담당 노드(10c)는 담당 노드(10c)와 링크로 연결된 다른 센서 노드(10)들로부터 정보를 전 달받아 압축하여 상기 BS(30)에 정보를 전달한다. 한편, 상기 BS(30)는 일정 주기, 예를 들면, 상기 센서 노드(10)들이 데이터를 전송하는 라운드 주기마다, 각 센서 노드(10)들이 형성하는 스패닝 트리를 새롭게 구성하도록 조정할 수 있다. 다시 말하여 상기 BS(30)는 일정 주기마다, 각 스패닝 트리에 포함된 센서 노드(10)들의 최대 링크 허용 차수를 조절함으로써, 스패닝 트리를 재구성하여, 특정 센서 노드(10)들 예를 들면, 부모 노드(10b)에 집중된 링크 연결을 분산하여 에너지 소모의 균일화를 유도한다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 시스템의 구성을 살펴보았다. 이하에서는 상술한 본 발명의 실시 예에 따른 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크(50)에 분포하는 센서 노드(10)들의 에너지 소모 균일화 방법에 대하여 살펴보기로 한다.
본 발명에서는 라운드의 수로 표현되는 주기(Tc)마다 새로운 스패닝 트리를 만들어서 이를 센서 네트워크(50)의 라우팅 경로로 사용한다. 이러한, 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 관리 방법에 있어서, 스패닝 트리는 미리 계산한 각 센서 노드(10)에서의 최대 허용 링크 차수보다 같거나 작은 링크 차수를 가지도록 구성하며, 각 센서 노드(10)의 차수는 새로운 라우팅 경로를 생성할 영역에서의 에너지 잔량과 센서 네트워크(50)의 위치 분포를 고려하여 정한다. 한 센서 노드(10)의 링크 차수는 해당 센서 노드(10)가 라우팅 경로로 사용하는 스패닝 트리를 구성하는 링크의 개수이다.
본 발명의 실시 예에 따른 에너지 잔량은 초기 에너지 값에서, 각 센서 노드 가 하위 센서 노드와 연결되는 링크 개수 즉, 링크 차수에 따른 에너지 소모량을 감산한 값이 되며, 센서 네트워크(50) 위치 분포 고려는 센서 노드(10)들 간에 배치된 형태를 고려하여, 특정 상위 센서 노드에 링크되는 하위 센서 노드는 상위 센서 노드 인근에 배치되는 센서 노드로 선택하는 것이 바람직하다.
이를 위하여 본 발명의 실시 예에 다른 에너지 관리 방법은 일정 퍼센트의 여유분을 가지는 링크 차수를 만족하는 스패닝 트리를 원할 경우 각 센서 노드가 가질 수 있는 허용 링크 차수를 책정하는 방법을 이용한다.
본 발명에 적용되는 스패닝 트리는 담당 노드(10c)가 결정되면 이 담당 노드(10c)를 루트 노드로 간주하여 루트 노드로 가기 위한 첫번째 노드를 부모 노드라고 칭하고 나머지 인근 노드를 자식 노드로 구분한다. 스패닝 트리에서는 목적지로 갈 수 있는 경로가 유일하게 결정되므로 루트 노드 이외의 노드에서 부모 노드는 항상 한 개이다. 또한 N개의 센서 노드(10)로 구성된 네트워크에서 스패닝 트리는 (N-1) 개의 링크로 구성되며, 네트워크의 전체 센서 노드(10)가 가지는 실제 링크 차수의 합은 2(N-1)이다. 본 발명의 실시 예에 따른 BS(30)는 각 센서 노드(10)가 가질 수 있는 최대 허용 링크 차수를 미리 정하고 이를 만족하는 스패닝 트리를 계산하여, 이에 대한 정보를 각 센서 노드(10)에 전달한다. 예를 들면, 모든 센서 노드(10)에서의 허용 링크 차수의 합이 3(N-1)이라면 허용 링크 차수는 50%의 여유분이 있다고 할 수 있다.
허용 링크 차수는 실제로 결정되는 링크 차수가 아니라 단지 각 센서 노드(10)가 허용할 수 있는 링크 차수의 상한값이다. 따라서, 실제 형성되는 링크 차수는 허용 링크 차수 값과 같거나 낮은 값이 실제 링크 차수로 결정된다. 예를 들면, 허용 링크 차수 값이 1인 경우는 항상 1로 링크 차수가 결정되며, 허용 링크 차수 값이 2인 경우는 주로 2로 링크 차수가 결정된다. 또한, 허용 링크 차수 값이 2보다 큰 경우는 이 값보다 적은 값으로 실제 링크 차수가 결정될 수 있다.
이러한 허용 링크 차수의 결정에 있어서, 허용 링크 차수의 여유분이 매우 크다면 실제 링크차수와 크게 차이가 나므로 바람직하지 않게 되며, 반면에 여유분이 10% 미만이라면 허용 링크 차수의 범위에 여유가 크지 않게 되어 링크 차수에 제한을 받지 않을 때의 최적 스패닝 트리보다 비용이 훨씬 많은 비용을 소모하는 스패닝 트리를 생성하기 때문에 역시 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명에 실시 예에 따른 에너지 관리 방법에서는 상술한 이유로 10%-20%의 링크 차수 여유분을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 10%-20%의 링크 차수 여유분은 한 클러스터의 에너지 잔량 표준편차에 따라 선택되는 값으로, "x"로 정의하기로 한다.
이하에서, 본 발명에 따른 센서 네트워크에서 일어나는 스패닝 트리 형성 과정에 대하여 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 환경을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 네트워크의 초기 동작 과정을 나타낸 순서도이며, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 센서 네트워크의 매 주기 동작 과정을 나타낸 순서도이다.
설명에 앞서, 본 발명에 따른 센서 네트워크는 초기 동작 과정 및 매주기 동작 과정을 가진다. 또한, "i"는 센서 노드(10)의 번호를 의미한다.
상기 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 초기 동작 과정 동안에는 생성한 스패닝 트리를 사용하는 기간인 Tc를 정하고(S101), 한 노드에서 주기 Tc 동안에 한 센서 노드(10)가 자식 노드를 추가할 때에 추가로 지불해야 할 에너지량인 Tc X Er을 계산한다(S102). 여기서, Er은 제품개발 혹은 제품양산 단계에서 정해지는 에너지 양을 의미한다.
상기 S101 단계에서, 상기 Tc는 각 센서 노드(10)가 데이터를 전송하는 라운드 주기로 정의할 수 도 있으며, 전체 센서 네트워크(50)의 수명을 BS(30)가 지정하는 분할에 따라 구분한 주기로 정의할 수 도 있다.
다음으로, 상기 초기 동작 과정 동안 각 센서 네트워크(50)를 구성하는 공간인 센서 필드를 5-10개의 지역으로 나누고 센서 노드(10)를 위치에 따라서 한 지역으로 배정한다. 여기서, 한 지역에 속하는 모든 센서 노드(10)의 집합을 클러스터(40)로 정의한다(S103).
상기 S103 단계에서, 상기 클러스터 영역은 상기 센서 네트워크(50)의 1/5 - 1/10의 크기를 가지게 된다.
상기 도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 매 주기 동작 과정은 새로운 라우팅 경로를 생성할 시간 영역에서 모든 센서 노드(10)가 자신의 배터리 잔량 El[i]를 BS(30)에게 보고한다(S201).
다음으로, 상기 BS(30)는 클러스터(40) 별로 링크 수 L[j]를 배정한다(S202).
상기 S202 단계에서, 상기 링크 수 L[j]배정 방법은 링크의 여유분이 x %일 경우 (1+x/100)*N[j]를 반올림하여 산출할 수 있다. 이 때, N[j]는 특정 j 번째 클러스터에 속한 센서 노드의 개수이다.
상기 여유분은 클러스터(40)에 할당되는 링크 수 L[j]의 여유분을 정의하는 값으로, 한 클러스터(40)의 스패닝 트리를 구성하기 위해서, 필요한 여유 링크 수를 의미한다. 이러한 여유분은 실제 한 클러스터(40)에 사용되는 링크 수보다 크게 책정되며, 이는 BS(30)가 한 클러스터(40)의 스패닝 트리를 계산하기 위해서, 특정 센서 노드(10)에 경우의 수를 계산하는 여유분이다. 즉, 상위 센서 노드가 상기 여유분에 따라 3차 링크 차수가 배정된다 하더라도, 3차 링크 차수는 다양한 스패닝 트리를 계산하기 위하여 적용되는 차수로서, 실제 상기 상위 센서 노드는 2개의 링크 차수를 가질 수 있다.
다음으로, BS(30)는 각 클러스터(40) 별로 클러스터(40)에 속하는 모든 센서 노드(10)에 대해서 최대 허용 링크 차수 D[i]를 정하고(203), 결정된 D[i]를 기반으로 클러스터(40) 내의 각 센서 노드(10)간 스패닝 트리를 갱신한다(S204).
상기 S203 단계에서, 상기 최대 허용 링크 차수를 결정하는 방법은 클러스터 내에서 센서 노드의 에너지 잔량의 순위만을 이용하여 정하는 제 1 방법과, 에너지 잔량값 El[10]를 상대적으로 감안하는 제 2 방법을 이용할 수 있다. 여기서, 제 2 방법은 센서 네트워크(50)가 큰 경우 예를 들면, 가령 10헥타르 이상에 사용되는 것이 바람직하다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여, 최대 허용 링크 차수 결정 방법에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
설명에 앞서, i는 센서 노드 번호를, j는 센서 노드i가 속한 클러스터 번호로 정의한다. 그리고, 상대적 순위 R[i]는 {1, 2, , N[j]}의 순위를 의미한다.
도 5는 본 발명의 S203 단계에 있어서, 에너지 잔량의 상대적인 순위 R[i]를 이용하는 제 1 방법을 나타낸 순서도이다.
상기 도 5를 참조하면, 상기 에너지 잔량의 상대적인 순위를 이용하는 제 1 방법은, 먼저 에너지 잔량의 상대적인 순위 R[i]를 에너지가 제일 적은 경우로부터 오름차순으로 정한다(S301).
다음으로, 센서 노드 i의 상대적인 순위 R[i]와 수학식 1을 이용하여 표준소수 P[i]를 구한다(S302). 여기서, P[i]는 0 <P[i] < 1를 만족한다.
P[i] = (R[i]-0.5)/N[j]
다음으로, 표 1에 도시된 테이블을 이용하여 최대 허용 링크 차수 D[i]를 결정한다.
x(%)/ P 0 - 0.2 0.2 - 0.3 0.3 - 0.5 0.5 - 0.9 0.9 - 1.0
10 1 1 2 3 3
15 1 2 2 3 3
20 1 2 2 3 4
상기 표 1에 도시된 테이블은 사용할 여유분 x 값에 대한 센서 노드(10)들의 에너지 잔량 분포의 표준편차를 고려하여 결정한 것으로, 해당 클러스터 별로 다르게 설정될 수 있다.
본 발명의 제 1 방법에 대하여 도 6a 내지 도 6f를 참조하여 보다 상세히 살펴보기로 한다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 실시 예에 따른 제 1 방법을 설명하기 위한 네트워크 환경 중 한 클러스터(40)의 일예를 나타낸 도면들이다.
설명에 앞서, 각 센서 노드는 원형으로 표시하며, 원형 안에 기재된 숫자는 센서 노드의 에너지 잔량을 나타내는 것으로 가정하며, 원형 인근에 기재된 숫자는 센서 노드의 번호를 지정하는 것으로 가정한다. 또한, 실선은 각 센서 노드 간 형성되는 링크를 의미하며, 화살표는 데이터가 전송되는 방향 즉, 자식 노드와 부모 노드를 구분한다. 또한, 센서 노드의 에너지 잔량은 100으로 가정하며, 데이터 전송에 소요되는 에너지는 무시하고, 링크 차수에 따라 데이터 수신 및 처리에 따른 에너지 소모만을 고려하여, 해당 링크 차수에 따라 에너지 소모가 발생하는 것으로 가정한다.
상기 도 6a를 참조하면, 제 1 노드(1)는 BS에 데이터 전송하는 담당 노드이며, 제 3 노드(3), 제 4 노드(4)와 제 6 노드(6), 제 7 노드(7)는 각각 부모 노드이며, 제 2 노드(2), 제 5 노드(5), 제 8 노드(8), 제 9 노드(9) 및 제 10 노드(10)는 각각 자식 노드이다.
상기 도 6a에서 부모 노드들의 에너지 잔량은 자신의 링크 차수에 해당하는 개수만큼 에너지가 감소하는 것으로 가정하게 되면, 도 6b에 도시된 바와 같이, 제 1 노드(1)의 에너지 잔량은 97, 제 3 노드(3)의 에너지 잔량은 99, 제 4 노드(4)의 에너지 잔량은 98...과 같은 에너지 잔량 분포를 가지게 된다. 이에 따라, BS는 클러스터 내에 포함된 각 센서 노드들을 에너지 잔량을 기준으로 하여, 제 1 방법에서 기재하는 수학식 1에 따라 각각의 센서 노드의 최대 허용 링크 차수를 계산하고, 계산된 최대 허용 링크 차수를 이용하여 도 6b에 도시된 바와 같은 스패닝 트리를 새롭게 구성한다.
다음으로, 도 6b에 도시된 바와 같은 스패닝 트리를 이용하여 데이터가 전송된 이후, 각 센서 노드의 에너지 잔량은 도 6c에 도시된 바와 같은 에너지 잔량 분포를 가지게 된다. 이에 따라, 제 3 노드(3)는 BS에 데이터를 전송하는 담당 노드가 되며, 제 1 노드(1), 제 5 노드(5), 제 7 노드(7) 및 제 9 노드(9)는 각각 부모 노드로 결정되어, 각각 새로운 스패닝 트리를 형성한다.
도 6c에 도시된 스패닝 트리는 주기 Tc 이후, 각각 도 6d에 도시된 바와 같은 에너지 잔량 분포를 가지게 되며, 이에 따라, 도시된 바와 같이 새로운 스패닝 트리를 형성하게 된다. 동일한 방법으로 도 6e에서도 각 센서 노드의 에너지 잔량 분포에 따라 스패닝 트리를 형성한다.
상기 도 6f를 참조하면, 각각의 센서 노드의 에너지 잔량 분포는 95와 96으로 거의 비슷한 수준의 에너지 잔량을 가지게 됨을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 S203 단계의 에너지 잔량을 감안한 최대 허용 링크 차수를 결정하는 제 2 방법을 나타낸 순서도이다.
상기 도 7을 참조하면, 본 발명의 상기 2 방법은 에너지 잔량만을 고려할 경우 링크 차수의 여유분 x 를 조절할 수 없으므로 각 클러스터(40)의 링크 수 L[j]을 맞추기 위하여 보조 변수 m[j]를 결정한다(S401). m[j]는 한 클러스터(40)에서 공통적으로 사용하는 임의의 변수로서, 한 변수만을 사용하며 원하는 D[i]를 얻을 때까지 다음 수학식 2를 이용하여 반복적으로 값을 바꾸면서 찾게 된다.
S402. D[i] = min(4, max(1, integer( (El[i]-m[j])/(Tc X Er) ) ) )
S403. y = ∑k=1,2,, N[j] D[ik(j)] - 2 X L[j]
S404. y>0 : m[j]를 적당히 증가하고 단계1로 복귀한다(S405).
S406. y<0 : m[j]를 적당히 감소하고 단계1로 복귀한다(S407).
상기 S402 단계에서, min() max() 함수는 D[i]가 1과 4 사이의 값만을 취하도록 한다. 또한 integer(k)는 실수 k를 반올림하여 정수로 만드는 함수이다. 단계 2에서 ik(j)는 클러스터 j에 속하는 센서 노드의 노드 번호이다.
다음으로, 수학식 2를 이용하여 전체 D[i]를 결정한다(S408).
본 발명의 실시 예에 따른 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법 및 시스템은 상술한 바와 같은 방법을 통하여 최대 허용 링크 차수를 결정하게 되고, 이 최대 허용 링크 차수를 이용하여 센서 네트워크(50)의 새로운 스패닝 트리를 계산한다. 이에 따라, 주기적으로 새로운 스패닝 트리를 가지는 센서 네트워크(50)의 각 센서 노드(10)는 링크가 이전에 비하여 일정 부하를 처리하는 센서 노드가 변경되거나, 상기 부하가 분산되는 특성을 가지게 되어, 전체적으로 센서 노드가 소모하는 에너지를 균일하게 유도할 수 있다. 즉, 본 발명 에 따른 에너지 관리 방법 및 시스템은 다른 노드에 비해서 빨리 에너지가 소모된 노드에게는 에너지를 적게 소요하는 역할을 부여하며 에너지가 덜 소모된 노드에 대해서는 에너지를 더 많이 소요하는 역할을 부여한다.
즉, 본 발명은 에너지 소모가 링크 차수에 따라 주도적으로 결정되는 센서 네트워크 환경에서, 각 센서 노드의 최대 링크 허용 차수를 에너지 잔량 및 에너지 잔량의 순위 중 적어도 하나에 따라 갱신하여 스패닝 트리의 링크 연결을 새롭게 구성하여, 전체 센서 네트워크의 수명을 연장하고, 이에 따라 센서 네트워크로부터 수집된 데이터의 신뢰도를 향상할 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 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법 및 시스템에 따르면, 전체 센서 네트워크의 수명을 연장하고, 이에 따라 센서 네트워크로부터 수집된 데이터의 신뢰도를 향상할 수 있다.

Claims (18)

  1. 다수개의 노드가 스패닝 트리를 형성하는 다수의 클러스터를 포함하는 일정 영역내에서,
    일정 주기에 따라 기지국이 상기 노드들의 에너지 잔량을 수집하는 단계;
    상기 클러스터 별로 상기 노드들을 연결할 수 있는 링크 수를 배정하는 단계;
    상기 노드들의 최대 허용 링크 차수를 결정하는 단계; 및
    상기 최대 허용 링크 차수를 기반으로 상기 스패닝 트리를 갱신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스패닝 트리를 갱신할 상기 일정 주기를 설정하는 단계; 및
    상기 일정 주기 동안 특정 노드에 다른 노드가 추가될 에너지량을 계산하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 일정 주기는
    상기 노드가 상기 기지국에 데이터를 전송하는 라운드 주기; 및
    상기 센서 네트워크 전체 수명을 일정 분할로 나눈 주기 중 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 클러스터는
    상기 일정 영역의 1/5 - 1/10의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 링크 수 배정하는 단계는
    상기 기지국이 상기 클러스터 내에 링크 차수의 여유분을 결정하는 단계; 및
    상기 클러스터에 위치한 노드들의 개수와 상기 클러스터에 위치한 노드들의 개수의 여유분을 가산하여 링크 수를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가산 값이 소숫점 값을 가질 경우, 반올림하여 링크 수를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 최대 허용 링크 차수는
    일정 비율의 여유분을 가지는 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 여유분은
    상기 노드들의 에너지 잔량 분포의 표준편차를 기반으로 결정하는 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 여유분은
    클러스터에 배치된 전체 노드의 허용 링크 차수 합의 10% - 20% 이내인 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 노드들의 최대 허용 링크 차수를 결정하는 단계는
    상기 클러스터에 위치한 노드들 에너지 잔량의 상대적 순위에 따라 노드들을 정렬하는 단계;
    상기 상대적 순위를 기반으로 표준소수를 계산하는 단계; 및
    상기 표준소수 및 상기 여유분을 바탕으로 최대 허용 링크 차수를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    i 가 노드의 번호일 경우,
    상기 노드의 표준소수 P[i]는
    (상대적 순위 - 0.5)/클러스터의 노드 수 인 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 최대 허용 링크 차수 결정 단계는
    상기 표준소수와 상기 여유분에 따라 작성된 최대 허용 링크 차수 결정 테이블을 이용하여 차수를 결정하는 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 노드들의 최대 허용 링크 차수를 결정하는 단계는
    최대 허용 링크 차수를 D[i];
    x 값 이하일 경우, x 값을 출력하는 min(x);
    y 값 이상일 경우, y 값을 출력하는 max(y);
    i 번째 노드의 에너지 잔량을 E[i];
    임의의 변수를 m[j]
    주기를 Tc;
    특정 노드에 다른 노드가 추가되는데 소요되는 에너지를 Er;
    상기 클러스터에 배정된 링크 수를 L[j];
    k를 반올림하여 정수로 변환하는 integer(k);
    클러스터에 속하는 노드의 번호를 ik(j)라 할 경우,
    상기 최대 허용 링크 차수 D[i]를
    수학식 min(4, max(1, integer( (El[i]-m[j])/(Tc X Er) ) ) )을 이용하여 계산하는 1차 연산단계;
    상기 계산 값들을 수학식 ∑k=1,2,, N[j] D[ik(j)] - 2 X L[j]을 이용하여 계산하는 2차 연산단계;
    상기 2차 계산값이 0 보다 클 경우, 상기 m[j]를 임의로 증가시켜 상기 1차 연산을 반복하는 단계; 및
    상기 2차 계산 값이 0 보다 작을 경우, 상기 m[j]를 임의로 감소시켜 상기 1차 연산을 반복하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 스패닝 트리를 갱신하는 단계는
    상기 에너지 잔량과 상기 클러스터에 분포한 노드들의 위치를 고려하여 트리를 구성하는 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서 의 에너지 관리 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 갱신된 스패닝 트리는
    이전 스패닝 트리에서의 최대 허용 링크 차수보다 같거나 작은 링크 차수를 가지는 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 방법.
  16. 일정 영역 별로 링크 연결이 스패닝 트리를 형성하며, 일정 주기에 따라 상기 스패닝 트리를 갱신하는 노드들; 및
    일정 주기를 설정하고, 상기 일정 주기 마다 상기 노드들의 에너지 잔량과 상기 노드의 분포 위치 수집하여 상기 노드들의 최대 허용 링크 차수를 결정하고, 결정된 최대 허용 링크 차수를 기반으로 상기 스패닝 트리를 계산하여 그 결과를 상기 노드에 전달하는 기지국;을 포함하는 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 최대 허용 링크 차수 결정은
    최대 허용 링크 차수를 D[i];
    x 값 이하일 경우, x 값을 출력하는 min(x);
    y 값 이상일 경우, y 값을 출력하는 max(y);
    i 번째 노드의 에너지 잔량을 E[i];
    임의의 변수를 m[j]
    주기를 Tc;
    특정 노드에 다른 노드가 추가되는데 소요되는 에너지를 Er;
    상기 클러스터에 배정된 링크 수를 L[j];
    k를 반올림하여 정수로 변환하는 integer(k);
    클러스터에 속하는 노드의 번호를 ik(j)라 할 경우,
    상기 최대 허용 링크 차수 D[i]를
    수학식 min(4, max(1, integer( (El[i]-m[j])/(Tc X Er) ) ) )을 이용하여 계산하는 1차 연산하고, 상기 계산 값들을 수학식 ∑k=1,2,, N[j] D[ik(j)] - 2 X L[j]을 이용하여 계산하는 2차 연산하며, 상기 2차 계산값이 0 보다 클 경우, 상기 m[j]를 임의로 증가시켜 상기 1차 연산을 반복하고,상기 2차 계산 값이 0 보다 작을 경우, 상기 m[j]를 임의로 감소시켜 상기 1차 연산을 반복하는 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 최대 허용 링크 차수 결정은
    상기 클러스터에 위치한 노드들 에너지 잔량의 상대적 순위에 따라 노드들을 정렬하고, 상기 노드들의 에너지 잔량 분포의 표준편차를 기반으로 결정되는 일정 비율의 여유분과, 상기 상대적 순위를 기반으로 계산된 표준소수를 바탕으로 최대 허용 링크 차수를 결정하는 것을 특징으로 하는 스패닝 트리를 이용하는 센서 네트워크 환경에서의 에너지 관리 시스템.
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