KR20090065230A - 계층 구조를 갖는 무선 센서망 및 이를 위한 라우팅 방법 - Google Patents

계층 구조를 갖는 무선 센서망 및 이를 위한 라우팅 방법 Download PDF

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Abstract

계층 구조를 갖는 무선 센서망 및 이를 위한 라우팅 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 계층 구조를 갖는 무선 센서망은 복수의 클러스터를 포함하고, 각 클러스터는 복수의 노드들; 및 노드들과 메쉬 형태로 연결되는 클러스터 헤드를 포함하며, 각 노드는 해당 클러스터의 클러스터 헤드를 통해 다른 클러스터에 연결하는 것을 특징으로 한다.
무선 센서망, 크로스 레이어, 실시간 서비스, 라우팅

Description

계층 구조를 갖는 무선 센서망 및 이를 위한 라우팅 방법{Wireless sensor network having hierarchical structure and method for routing for the same}
본 발명은 무선 센서망(Wireless Sensor Network, WSN)에 관한 것으로, 특히 망의 스캘러빌리티(scalability)를 고려하고, 단대단 지연(end-to-end delay)을 보장하는 계층 구조를 갖는 무선 센서망 및 이를 위한 라우팅 방법에 관한 것이다.
WSN은 일반적으로 대규모의 센서노드들로 이루어졌으며 이 센서 노드들은 센서 필드에 조밀하게 전개된다. 이와 같이 대규모의 센서 망에서 데이터 전송(delivery) 지연은 지연에 민감한(sensitive) 응용(application)에는 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 실제 군 응용(military application) 과 같은 실시간 (real-time) 서비스들은 빠르게 목적물을 인지하여야 하며 이러한 정보를 원거리의 지휘 통제소에 전송하여야 한다.
전장 응용(battle field application)과 같은 실시간 서비스 (real-time services)를 실현하기 위해서는 대규모 망으로의 확장성뿐만 아니라 서비스 지연에 대한 보장이 고려되어야 한다. 지연을 최소화하는 방법으로 계층적 구조와 짧은 홉(hop) 수를 이용한다. 그러나 홉 수가 짧은 경우에도 링크(link)의 품 질(quality)이 좋지 않은 경우, 계속적인 재전송(retransmission)으로 인하여 지연이 더욱 길어질 수 있다. 계층적 구조 및 링크에 대한 품질과 신뢰도(reliability)가 보장된다면 지연이 보장되는(delay guarantee) 실시간 서비스를 처리할 수 있다.
기존은 라우팅 방법 중 민트(Mint) 라우팅은 라우팅 메트릭으로 링크의 품질을 측정하는데, 이는 새로이 예측된 링크 품질과 이전에 예측된 링크 품질의 값을 가중치 제어를 이용하여 계산하는 지수함수가중이동평균(EWMA, Exponentially weighted moving average) 방식을 사용한다. 그러나 민트 메트릭은 비선형 링크 예측을 이용하므로, 경로(path)를 따라 링크 품질 정보가 좋은 라우팅 패스를 결정하기에는 충분하지 않기 때문에 라우팅의 안정화(stability)에 문제가 있다. 다음 홉에 대한 루트 결정은 서로 다른 패스를 따라 흘러가는 링크들의 품질 합(aggregate)에 따라 이루어진다. 즉, 다음 홉에 대한 루트 결정은 다음 홉 선택(selection)에 대한 경로상의 루트를 의미하며 단지 다음 홉의 링크를 의미하는 것은 아니다.
이와 같이 민트 라우팅 메트릭은 현재의 링크품질과 상태를 충분히 반영할 수 없어서 실시간 응용에는 문제가 있다고 할 수 있다. 더욱이 많은 링크들이 전체 센서 네트워크를 통해 보면 손실이 많다고(lossy) 할 수 있으며 손실률은 환경 요인에 따라 동적으로 변한다. 이와 같이 링크 레벨에서의(link-level) 재전송은 신뢰성있는 전송을 어렵게 하고, 그러한 손실(lossy) 채널을 보상하기 위하여 각각의 홉은 하나 또는 그 이상의 재전송을 요구할 것이다. 이는 실시간 서비스의 데이터 전송 지연에 커다란 원인이 될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 네트워크의 스캘러빌리티를 고려하고 단대단 지연이 보장되도록 네트워크가 계층 구조를 갖게 하고, 이러한 네트워크 구조에서 라우팅을 위해 다음 홉을 선택할 때 이웃 노드들에 대한 정보를 같이 고려하여 라우팅하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한, 본 발명은 복수의 클러스터를 포함하고, 각 클러스터는 복수의 노드들; 및 상기 노드들과 메쉬 형태로 연결되는 클러스터 헤드를 포함하며, 각 노드는 해당 클러스터의 클러스터 헤드를 통해 다른 클러스터에 연결하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한, 본 발명은 계층 구조를 갖는 네트워크에서 현재 노드로부터 목적지 노드까지 경로를 설정하는 방법에 있어서, 상기 현재 노드의 이웃 노드들로부터 링크 품질 정보 및 그 노드의 상태 정보를 포함한 라우팅 정보를 수신하는 단계; 상기 링크 품질 정보 및 상태 정보를 이용하여 상기 이웃 노드들 중에서 상기 목적지 노드까지 경로 품질을 최대화하는 노드를 선택하는 단계; 및 선택된 노드를 부모 노드로 하는 라우팅 엔트리 테이블을 상기 이웃 노드들에게 플러딩하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 네트워크를 계층적으로 구성하고 크로스 레이어를 최적화 함으로써 네트워크의 스캘러빌러티를 실현하고 단대단 전송 딜레이를 보장할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시 예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 계층적 구조를 갖는 망의 구성도이다.
도시된 바에 따르면, 센서망(10)은 게이트웨이(gateway, 11)를 통해 인터넷(12)과 같은 외부 망과 연결된다.
센서망(10)은 복수의 클러스터들(1)을 포함하고, 각 클러스터(1)는 클러스터 헤드(2) 및 복수의 센서노드(3)를 포함한다. 참조번호 4는 각 센서노드(3)의 영향이 미치는 범위이다. 참조번호 5는 싱크(sink) 노드로, 센서망(10)을 게이트웨이(11)에 연결하는 노드이다.
센서노드(3)는 센서(미도시)를 구비하여, 센서를 이용하여 데이터를 수집한다. 클러스터 헤드(2)는 클러스터(1) 내의 각 센서노드(3)와 연결되고, 각 센서노드(3)로부터 수집한 정보의 오보 확률을 줄이기 위해 수집한 정보를 처리, 필터링 및 융합하여 싱크 노드(5)에 전달하거나, 싱크 노드(5) 또는 다른 클러스터의 정보 를 자신이 속한 클러스터(1) 내의 각 센서 노드(3)에게 전달한다. 싱크 노드(5)는 도시된 바와 같이 한 클러스터(1)에서 클러스터 헤드(2)로 동작하며, 센서망(10)의 데이터를 외부 망(12)으로 전달시 게이트웨이(11)에 연결한다.
센서망(10)의 클러스터 헤드(2) 또는 싱크 노드(5)는 실시간 서비스에 따라 센서 노드(3)나 클러스터 헤드(2)의 역할을 하도록 자율적으로 구성한다.
센서 노드(3)는 클러스터(1) 내의 다른 센서 노드들과 메쉬(mesh)망으로 연결되어, 수집한 정보를 메쉬망으로 전송한다. 클러스터 헤드(2)들 간에도 메쉬망으로 연결된다.
게이트웨이(11)는 싱크노드(5)로부터 수신된 정보를 인터넷(12)과 같은 외부망으로 전달함으로써 실시간 정보를 필요로 하는 원거리의 타스크 메니저(task manager) 등에게 전달한다.
도 2는 센서 노드(3)들 사이의 큐 정보 및 링크 정보를 얻기 위해 송수신되는 메시지 구조를 도시한 것이다.
노드간 송신 메시지와 수신 메시지의 포맷(foramt)은 동일하다. 도시된 바에 따르면, 송신 또는 수신 메시지는 프레임 제어(frame control) 필드(21), 일련 번호(sequence number) 필드(22), 주소(address) 필드(23), 버퍼 상태(buffer status) 필드(24), 링크 품질(LQ, Link Quality) 필드(25), 데이터 페이로드(data payload) 필드(26) 및 FCS(Frame Check Sequence) 필드(27)를 포함한다.
여기서, 버퍼 상태 필드(24)는 버퍼의 사용 정도를 나타낸다. 버퍼의 사용 정도는 해당 노드의 데이터 전송 능력을 나타내므로, 전송 지연을 보장할 수 있는 파라미터가 된다.
링크 품질 필드(25)는 수신 신호 세기 표시자(RSSI, Received Signal Strength Indicator) 또는 링크 품질 표시자(link quality indicator)와 같이 채널의 주파수 대역의 에너지 크기를 표시하는 값으로, 수신된 신호의 세기 표시로 나타낸다.
데이터 페이로드 필드(26)는 라우팅 헤더(routing header) 필드(261), ID(identification) 필드(262), 부모(parent) 필드(263), 비용(cost) 필드(264), RcvEst 필드(265), SendEst 필드(266) 및 FCS 필드(267)을 포함한다.
여기서, ID 필드(262)는 이웃 노드의 ID를 나타낸다. 부모 필드(263)는 자신의 상위 노드의 ID를 갖고 있다. 비용 필드(264)는 싱크 노드(5)로부터 자신까지의 메트릭(metric) 값을 의미한다.
RcvEst 필드(206)는 일정 기간동안 상대 이웃노드에서 받은 메시지를 바탕으로 링크 품질을 추정한 값을 나타내고, SendEst 필드(207)는 일정 기간동안 상대 노드에게 보낸 메시지를 기반으로 하여 추정한 링크 품질을 추정한 값이다.
도 3은 도 2의 비용 필드(264)에 기입될 비용 결정 과정을 예시한 것이다.
비용 결정을 위해, 각 센서 노드(3)는 주기적으로 이웃 노드들에게 메시지를 전송한다. 도시된 바에 따르면, 메시지는 매 20초마다 5번의 메시지를 송신(31)한다. 또한 상대 이웃노드로부터 매 20초마다 5개의 메시지를 받는다. 이러한 5회의 메시지 송수신 정보를 바탕으로 링크의 비용을 계산한다.
비용 메트릭으로는 경로에 따른 링크들의 전송 기대치(expected number of transmissions)를 사용한다. 즉, 최상의 경로는 현재 노드로부터 목적지 노드까지의 멀티 홉 상에서 패킷 전송 수를 최소화하는 경로이다. 즉, 경로 상의 링크들에 대한 신뢰도가 높아 재전송이 최소화되는 경로를 말한다.
비용 계산이 완료되면, 비용이 가장 작은 노드를 부모 노드로 선출하며, 이 정보를 포함한 라우팅 엔트리(routing entry) 정보를 이웃노드들에게 플러딩(32)한다. 여기서 플러딩은 현재의 센서 노드(3)에 연결되어 있는 모든 이웃 노드들에게 정보를 전송하는 것을 말하며, 부모 노드는 다른 센서 노드 혹은 클러스터 헤드일 수 있다.
도 4는 도 3의 데이터 플러딩(32)을 위해 각 노드가 갖고 있는 라우팅 엔트리(routing entry) 테이블 구조를 도시한 것이다. 각 노드는 자신의 라우팅 엔트리에 이웃 노드들에 대한 라우팅 정보를 갖고 있다.
도시된 바에 따른 라우팅 엔트리는 Id 필드(401), 부모 필드(402), 비용 필드(403). 자식(Childlive) 필드(404), 분실(missd) 필드(405), 수신(received) 필드(406), 마지막 시퀀스 번호(lastSeqno) 필드(407), 플래그(flags) 필드(408), SendEst 필드(409), RcvEst 필드(410), 홉(hop) 필드(411) 그리고 FCS 필드(412)를 포함한다. 여기서, Id 필드(401)는 현재 노드의 이웃에 존재하는 노드들의 Id를 갖고 있으며, 라우팅 엔트리 정보는 이웃 노느들만의 정보를 유지한다.
도 5는 실제 링크의 비용을 이용하여 부모 노드를 찾는 과정에 대한 흐름도를 도시한 것이다.
본 발명에서는 라우팅을 위한 홉 결정시 안정된 경로(path)를 선택하기 위해 민트 메트릭 외에 이웃 상태 NS(neighbor status)를 라우팅 메트릭으로 사용한다. NS 정보는 전달(forwarding) 패킷이나 원천(originating) 패킷을 유지하는 노드의 큐(que)가 어느 정도로 사용되는지 혹은 오버플로우(overflow)인지, 링크 상태가 정상인지를 수치로 나타낸다. NS는 민트에서의 교환 주기보다 더 짧은 주기로 측정된 링크 품질을 나타내 이웃 노드들에 대한 가장 최근 정보를 얻을 수 있다. 따라서 본 발명에서는 민트 값뿐만 아니라 NS값을 참조하여 다음 홉, 즉 부모 노드를 결정한다.
도 5에 도시된 바에 따르면, 먼저 현재 노드는 민트 메트릭 측정을 위한 피키배킹(piggybacking) 메시지를 1홉 내의 이웃 노드들로부터 주기적으로 수신하여 이웃노드들에 대한 NS 정보를 얻는다(51단계). 여기서, NS 정보는 버퍼 상태를 나타내는 값, 예를 들어 전체 버퍼중에서 어느 정도의 버퍼가 사용되고 있는지를 나타내는 값을 말한다. 또한 현재 노드는 이웃 노드들과의 링크 상태를 인지한다(52단계). 여기서, 링크 상태는 민트 메트릭에 의해 측정될 수 있다. 다음으로, 이웃 노드들에 대한 정보 갱신 요구에 따라 NS 정보와 링크 상태에 대한 정보는 네트워크 계층으로 전달된다(53단계). 네트워크 계층에서는 라우팅 테이블을 유지하여 이웃 노드들의 ID와 링크 품질값들을 관리한다. 네트워크 계층에서는 MAC 계층으로부터 수신한 정보를 이용하여 이웃 노드들 중에서 목적지까지의 경로 품질을 최대화시키는 이웃 노드 하나를 부모 노드로 선택하고, 이를 MAC 계층에 알린다(504단계). MAC 계층에서는 선택된 부모 노드를 이웃 노드들에 대한 NS 정보 구성 또는 데이터를 플러딩하는데 사용한다(55단계).
도 6은 본 실시예에 따른 라우팅 방법에 대한 흐름도이다.
먼저, 현재 노드는 이웃노드들의 주기적인 플러딩에 의해 라우팅 정보를 수신한다(61단계). 각 노드는 자신의 타이머(timer)에 따라 라우팅 엔트리 테이블을 갱신할 시점에서 현재 유지하고 있는 링크 품질값과, 새로 수신한 링크 품질값을 비교하여 링크 품질값을 결정한다. 또한 이러한 링크 품질값 결정은 전체 라우팅 엔트리에서 이웃한 노드들 전체에 대해 수행된다.
상술한 링크 품질값 외에 본 실시예에서는 NS값을 결정한다. 즉, 부모 노드 선출을 위한 라우팅 메트릭으로, 기존의 민트 메트릭 외에 MAC 계층으로부터 전달받은 이웃 노드의 NS 값, 즉 버퍼 상태 값을 같이 고려한다(62단계).
이와 같이 라우팅 메트릭을 이용하여 부모 노드를 결정하고 이러한 정보를 타이머에 맞추어 이웃 노드들에게 플러딩한다(63단계).
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 계층적 구조를 갖는 망의 구성도이다.
도 2는 도 1의 센서 노드(3)들 사이의 큐 정보 및 링크 정보를 얻기 위해 송수신되는 메시지 구조를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 비용 필드(264)에 기입될 비용 결정 과정을 예시한 것이다.
도 4는 도 3의 데이터 플러딩(32)을 위해 각 노드가 갖고 있는 라우팅 엔트리(routing entry) 테이블 구조를 도시한 것이다.
도 5는 실제 링크의 비용을 이용하여 부모 노드를 찾는 과정에 대한 흐름도를 도시한 것이다.
도 6은 본 실시예에 따른 라우팅 방법에 대한 흐름도이다.

Claims (11)

  1. 복수의 클러스터를 포함하고,
    각 클러스터는
    복수의 노드들; 및
    상기 노드들과 메쉬 형태로 연결되는 클러스터 헤드를 포함하며,
    각 노드는 해당 클러스터의 클러스터 헤드를 통해 다른 클러스터에 연결하는 것을 특징으로 하는 계층 구조를 갖는 네트워크.
  2. 제1항에서,
    각 노드는 라우팅 경로 설정시 MAC 계층에서 다음 홉의 대상이 되는 노드들로부터 메시지를 수신한 다음, 네트워크 계층에서 수신한 메시지에 포함된 정보를 이용하여 다음 홉을 결정하는 것을 특징으로 하는 계층 구조를 갖는 네트워크.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메시지는 링크 품질 정보, 상기 다음 홉의 대상이 되는 노드들의 상태 정보 및 상기 다음 홉의 대상이 되는 노드들의 라우팅 정보를 포함함을 특징으로 하는 계층 구조를 갖는 네트워크.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 링크 품질 정보는 채널 주파수 대역의 에너지 크기인 것을 특징으로 하는 계층 구조를 갖는 네트워크.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 노드들의 상태 정보는 상기 노드들의 버퍼 사용 정도를 나타낸 것을 특징으로 하는 계층 구조를 갖는 네트워크.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 노드들의 라우팅 정보는 해당 노드의 다음 홉을 나타내는 부모 노드, 비용, 수신 및 송신 채널의 링크 품질 추정값을 포함함을 특징으로 하는 계층 구조를 갖는 네트워크.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 비용은 해당 링크를 통해 미리 정해진 시간동안 송수신되는 메시지를 이용한 전송 기대치임을 특징으로 하는 계층 구조를 갖는 네트워크.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 다음 홉이 결정되면, 결정된 홉에 대한 정보를 포함하는 라우팅 엔트리 테이블을 상기 MAC 계층에서 상기 다른 노드들에게 플러딩하는 것을 특징으로 하는 계층 구조를 갖는 네트워크.
  9. 계층 구조를 갖는 네트워크에서 현재 노드로부터 목적지 노드까지 경로를 설정하는 방법에 있어서,
    상기 현재 노드의 이웃 노드들로부터 링크 품질 정보 및 그 노드의 상태 정보를 포함한 라우팅 정보를 수신하는 단계;
    상기 링크 품질 정보 및 상태 정보를 이용하여 상기 이웃 노드들 중에서 상기 목적지 노드까지 경로 품질을 최대화하는 노드를 선택하는 단계; 및
    선택된 노드를 부모 노드로 하는 라우팅 엔트리 테이블을 상기 이웃 노드들에게 플러딩하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 라우팅 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 링크 품질 정보는 채널 주파수 대역의 에너지 크기인 것을 특징으로 하는 라우팅 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 노드의 상태 정보는 버퍼 사용 정도를 나타낸 것을 특징으로 하는 라우팅 방법.
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