KR20090072039A - 무선 센서 네트워크 및 이의 구성 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크 및 이의 구성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크 및 이의 구성 방법에 관한 것으로, 이러한 본 발명은, 다수개의 센서 노드와 싱크 노드로 이루어진 무선 센서 네트워크에 있어서, 싱크 노드가 센서 노드들의 위치 정보를 수집하는 과정과, 상기 위치 정보에 의거하여 싱크 노드의 전송 범위를 모두 포함하는 센싱 범위를 가지는 센서 노드들을 액티브 노드로 선정하는 과정과, 상기 액티브 노드로 이루어진 네트워크를 구성하는 과정을 포함하는 무선 센서 네트워크 구성 방법 및 이에 따른 무선 센서 네트워크를 제공한다.
WSN, sensor, sink, node, convex hull

Description

무선 센서 네트워크 및 이의 구성 방법{wireless sensor network and method for configuration thereof}
본 발명은 무선 센서 네트워크에 관한 것으로, 특히, 수명을 연장을 할 수 있는 무선 센서 네트워크 및 이의 구성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 무선 센서 네트워크(WSN; Wireless Sensor Network)는 센서를 구비하여 센싱을 통해 특정 정보를 수집하는 센서 노드(Sensor node)와 수집된 정보를 외부로 내보내는 싱크 노드(Sink node)로 구성된 네트워크이다.
기존의 네트워크와 다르게 의사소통의 수단이 아니라 자동화된 원격 정보 수집을 기본 목적으로 하며 과학적, 의학적, 군사적, 상업적 용도 등 다양한 응용 개발에 폭넓게 활용되고 있다.
일반적인 무선 센서 네트워크의 각 노드들은 그 장치의 크기의 제약으로 작은 크기의 배터리를 사용한다. 센서 노드의 크기가 작은 만큼 그에 따른 제약 조건이 존재한다. 가장 큰 문제는 배터리의 크기이다. 현재 기술력으로 센서 노드에 적용할 수 있는 크기의 배터리로는 가용 에너지가 너무 적다. 이러한 이유로 센서 네트워크의 연구는 일차적으로 에너지 효율성을 고려해서 진행되고 있다. 따라서, 센 서 네트워크의 배터리의 가용 에너지의 한계를 극복하여 수명을 연장할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
따라서 상술한 바와 같은 종래의 요구를 감안한 본 발명의 목적은 무선 센서 네트워크의 수명을 연장할 수 있는 무선 센서 네트워크 및 이의 구성 방법을 제공함에 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크 구성 방법은, 다수개의 센서 노드와 싱크 노드로 이루어진 무선 센서 네트워크에 있어서, 싱크 노드가 센서 노드들의 위치 정보를 수집하는 과정과, 상기 위치 정보에 의거하여 싱크 노드의 전송 범위를 모두 포함하는 센싱 범위를 가지는 센서 노드들을 액티브 노드로 선정하는 과정과, 상기 액티브 노드로 이루어진 네트워크를 구성하는 과정을 포함한다.
상기 선정하는 과정은 컨벤스 헐(convex hull)을 이용하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 구성 방법.
상기 선정하는 과정은 싱크 노드의 전송 범위 내의 최외각의 센서 노드를 기준 노드로 선정하는 제1 과정과, 상기 기준 노드와 상기 기준 노드에서 연산 방향에 위치하는 센서 노드 중 어느 하나의 센서 노드를 연결하는 선분에 대하여, 상기 하나의 센서 노드를 제외한 다른 센서 노드들이 상기 선분의 일직선상 또는 상기 선분의 연산 방향에 놓이도록 하는 상기 하나의 센서 노드를 새로운 기준 노드로 선택하는 제2 과정과, 상기 선분들을 모두 연결하여 다각형을 이룰 때까지, 상기 새로운 기준 노드를 이용하여 상기 제2 과정을 반복하는 제3 과정과, 상기 모든 기준 노드들을 액티브 노드로 선정하는 제4 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 위치 정보는 상기 센서 노드가 비콘 프레임을 통하여 상기 싱크 노드로 전송하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성된 네트워크를 통해 특정 데이터를 센싱하는 과정과, 데드 노드가 발생하면, 인액티브 노드 중 어느 일 이상의 노드를 액티브 노드로 선정하는 과정과, 상기 선정한 액티브 노드를 포함하는 네트워크를 재구성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 액티브 노드로 선정하는 과정은 컨벡스 헐을 이용하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 구성 방법.
상기 액티브 노드로 선정하는 과정은, 인액티브 노드 중 상기 싱크 노드의 전송 범위 내에 속하며, 상기 싱크 노드의 전송 범위를 센싱 범위로 포함할 수 있는 노드를 선정하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크는, 다수개의 센서 노드와 싱크 노드로 이루어진 무선 센서 네트워크에 있어서, 액티브, 인액티브 및 데드 노드로 동작하는 센서 노드; 및 상기 센서 노드의 위치 정보를 수집하고, 상기 수집한 위치 정보에 의거하여 상기 센서 노드 중 센싱 범위가 싱크 노드의 전송 범위를 포함하는 센서 노드를 액티브 노드로 선정하고, 선정한 센서 노드를 액티브 노드로 동작하도록 제어하는 싱크 노드를 포함하여 구성된다.
상기 싱크 노드는 상기 선정 시, 컨벡스 헐 이론에 따라 액티브 노드를 선정하는 것을 특징으로 한다.
상기 센서 노드는 상기 싱크 노드의 전송 범위 내에 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 싱크 노드는 상기 액티브 노드 중 데드 노드가 발생하면 상기 인액티브 노드 중 센서 노드의 전송 범위 내에 위치하며, 상기 싱크 노드의 전송 범위를 모두 포함할 수 있는 인액티브 노드를 액티브 노드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 센서 노드는 상기 위치 정보를 비콘 프레임을 통하여 상기 싱크 노드로 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 센서 노드 중 센싱 범위가 싱크 노드의 전송 범위를 포함하는 센서 노드를 액티브 노드로 하여 센싱 활동을 수행하고, 해당 액티브 노드가 수명이 다한 경우, 인액티브 노드를 이용하여 센싱 활동을 수행하게 함으로써, 네트워크의 수명을 연장시킬 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크의 구성을 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크(wireless sensor network, 이하, "센서 네트워크"로 축약함)는 다수개의 노드로 이루어진다.
센서 네트워크의 각 노드는 초소형 저전력 장치로 1
Figure 112007094393133-PAT00001
정도의 크기를 가질 수 있다. 각 노드는 특정 데이터 센싱을 위한 센서, 센싱한 데이터를 디지털 신호로 변환하기 위한 ADC(Analog to Digital Converter), 데이터 가공 처리를 위한 프로세서와 메모리, 전원 공급을 위한 배터리, 그리고 데이터 송수신을 위한 무선 트랜시버(transceiver)를 포함하여 구성된다.
각 노드들은 일정 지역에 설치되어 네트워크를 구성하며, 설치된 지역의 특정 데이터를 센싱하여 사용자에게 제공한다. 이러한 각 노드는 그 역할에 따라 싱크 노드(Sink Node)와 센서 노드(Sensor Node)로 분류될 수 있다.
센서 노드들은 설치된 지역의 지리적, 환경적 변화, 예컨대, 온도, 습도, 기온 등을 센싱하여 싱크 노드로 전달한다. 센서 노드들은 정해진 위치에 설치될 수도 있고 자동차 비행기 등을 통해 무작위로 뿌려질 수도 있다. 기본적으로 특정 위치에 고정되어 있으나 자동차나 PDA, 노트북컴퓨터, 사람 등에 설치되어 이동하는 상태로 동작할 수도 있다. 특히, 본 발명의 실시 예에 따른 센서 노드들은 3가지로 분류할 수 있다. 센서 노드들은 액티브(Active), 인액티브(Inactive) 및 데 드(Dead) 노드로 구분된다. 액티브 노드는 전원이 켜진 상태로 센싱 활동을 수행하는 센서 노드이며, 인액티브 노드는 전원이 꺼진 상태로 있다가 소정 주기로 깨어나서 비콘 프레임 등의 데이터를 전송하는 상태의 노드를 말한다. 인액티브 노드는 센싱 활동은 하지 않는다. 또한, 데드 노드는 액티브 노드 중 배터리를 모두 소진하여 더 이상 활동할 수 없는 상태의 노드를 말한다.
싱크 노드는 센서 네트워크 내의 센서 노드들을 관리하고 제어하며 센서 노드들이 센싱한 데이터를 수집한다. 또한, 싱크 노드는 수집한 데이터를 게이트웨이로 전달한다. 여기서, 게이트웨이는 센싱한 데이터를 외부로 전달하기 위한 장치이다.
즉, 센서 네트워크는 센서 노드들을 통해 그 설치된 지역의 특정 데이터를 센싱하고, 싱크 노드를 통해 센싱된 데이터를 수집하며, 싱크 노드를 통해 인터넷 등의 외부 네트워크를 통하여 사용자에게 제공한다.
센서 네트워크의 각 노드들은 그 크기가 작은 만큼 배터리의 크기도 작다. 이러한 이유로 각 노드들은 가용 에너지가 많지 않은 문제점을 안고 있다. 센서 네트워크의 각 노드들은 무선장치가 다른 어떤 부품보다도 많은 전력을 소모한다. 예를 들면, 0dBm 출력의 협대역 무선장치는 3V 전송(TX) 모드일 때 15mA를, 수신(RX) 모드일 때 5~15mA를 소모한다. 분산 스펙트럼 무선장치는 전송 모드 보다 수신 모드일 때 더 많은 전류를 소모한다.
이러한 전류소모는 용량이 대략 시간당 220mA가 되지 못하는 배터리를 주로 이용하는 센서 노드에는 과도한 것이다. 그러므로 배터리 전력을 절약하기 위해서 는 무선장치가 꺼지는 시간을 되도록 늘려야 한다.
하지만 다중 홉(multi-hop) 무선 센서 네트워크에서는 센서의 연결성과 트래픽 전송을 위해서 각 노드 간에 상호 협력해야 한다. 이러한 이유로 긴 시간 동안 무선장치를 꺼놓는 것은 노드가 패킷을 놓치거나 드롭(drop)하는 가능성을 높인다. 또한, 노드들이 대량의 재전송을 하거나, 심지어 접속 실패를 야기할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시 예에서는 싱크 노드의 1홉 이내의 노드들로 이루어진 네트워크를 구성한다. 즉, 싱크 노드의 전송 범위 내의 센서 노드들로 이루어진 네트워크를 구성한다.
또한, 각 노드들은 정해진 위치에 설치될 수도 있고 자동차 비행기 등을 통해 무작위로 뿌려질 수도 있다. 무작위로 뿌려지는 경우, 또한, 정해진 위치에 설치하는 경우에도 각 센싱 노드들은 그 센싱 범위가 중복되어 위치될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 중복되는 센싱 범위를 가지는 센싱 노드(20)들 중 일부만 액티브시키고 다른 일부는 인액티브시킨다. 즉, 센싱 노드의 일부는 액티브 노드가 되며, 다른 일부는 인액티브 노드가 된다. 이때, 액티브 노드들의 센싱 범위가 싱크 노드의 전송 범위 내의 모든 영역을 포함하도록 한다.
도 1을 참조하여 설명하면, 센서 노드들은 중복되는 센싱 범위(도면에서 점선으로 표시)를 가질 수 있다.
따라서 센서 네트워크의 토폴로지(topology)를 구성함에 있어서, 액티브 노드로 이루어진 네트워크를 구성하되, 액티브 노드들의 센싱 범위가 싱크 노드의 전송 범위(도면에서 일점쇄선으로 표시)에 모두 포함되도록 한다. 이때, 액티브 노드 는 최소의 수를 가지는 것이 바람직하다.
싱크 노드는 센서 노드의 위치 정보를 수신하며, 센서 노드는 싱크 노드의 제어에 따라 액티브 또는 인액티브 노드로 동작한다. 이러한 제어를 위하여, 싱크 노드 및 센서 노드를 포함하는 각 노드는 비콘 프레임(beacon)을 전송한다. 이러한 비콘 프레임의 구조에 대해서 간략히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 비콘 프레임의 구조를 도시한 도면이다.
특히, 도 2는 맥 레이어서의 프레임 구조를 도시한 것이다. 비콘 프레임은 맥 페이로드(MAC payload)에 정보를 실어 전송하는데, 맥 페이로드는 맥 헤더(MHR, MAC header)에 의해서 정의 되어 지고, 맥 페이로드에 이어 맥 풋터(MFR, MAC footer)가 첨부된다. 즉, 비콘 프레임은 맥 헤더, 맥 헤더에 이어지는 맥 페이로드 및 맥 페이로드에 이어지는 맥 풋터를 포함하여 구성된다.
맥 헤더는 프레임 컨트롤(frame control), 비콘 시퀀스 넘버(BSN, beacon sequence number) 및 주소 필드(addressing field)를 포함한다. 또한, 맥 헤더는 선택적으로 보조 보안 헤더(auxiliary security header)를 더 포함할 수 있다.
맥 페이로드는 슈퍼프레임 스펙(the superframe specification), GTS 필드(guaranteed time slot field), 팬딩 어드레스 필드(pending address field) 및 비콘 페이로드(beacon payload)를 포함하여 구성된다.
맥 풋터는 16 bit의 프레임 체크 시퀀스(FCS, frame check sequence)를 포함한다.
각 노드들은 비콘 프레임의 송수신을 통해 정보를 교환한다. 이때, 각 노드 들은 자신의 위치 정보를 비콘 프레임의 비콘 페이로드에 포함시켜 전송한다. 따라서, 싱크 노드는 비콘 페이로드를 통해 각 센싱 노드의 위치 정보를 파악할 수 있다. 또한, 싱크 노드는 비콘 페이로드에 액티브 또는 인액티브 노드를 결정하는 제어 신호를 포함시켜 각 센서 노드로 전송한다.
맥 풋터는 16 bit의 프레임 체크 시퀀스(FCS, frame check sequence)를 포함한다.
그러면, 상술한 본 발명의 실시 예에 따른 센서 네트워크 구성 방법을 살펴보기로 한다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 네트워크의 토폴로지 구성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 싱크 노드(10)는 S301 단계에서 각 센서 노드들의 위치 정보를 수집한다. 여기서, 위치 정보의 수집은 센서 노드들이 전송한 비콘 프레임을 통하여 수집할 수 있다.
위치 정보를 수집한 싱크 노드(10)는 S303 단계에서 액티브 노드를 선정한다. 즉, 싱크 노드(10)는 수신한 비콘 프레임의 위치 정보를 이용하여 각 센서 노드(20)를 액티브 상태로 둘 것인지 또는 인액티브 상태로 둘 것인지를 결정한다.
앞서 설명한 바와 같이, 액티브 상태가 될 센서 노드(20)들의 센싱 범위가 싱크 노드(10)의 전송 범위에 모두 포함되도록 한다. 이때, 액티브 되는 센서 노드(20)는 최소의 수를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명은 상술한 바와 같은 액티브 노드를 결정하기 위한 일 예로, 컨벡스 헐(convex hull)을 이용한 방법을 제공한다. 이러한 컨벡스 헐을 이용한 액티브 노 드의 결정 방법은 하기에서 보다 자세히 설명하기로 한다.
다음으로, 싱크 노드(10)는 S305 단계에서 선정한 액티브 노드로 이루어진 네트워크를 구성한다. 즉, 선정한 센서 노드들을 액티브 노드로 전환시키고, 선정되지 않은 센서 노드들을 인액티브 노드로 전환시킨다.
이러한 네트워크의 구성을 위하여, 싱크 노드는 각 센서 노드의 액티브 및 인액티브 정보를 가지는 비콘 프레임을 각 센서 노드로 전송한다. 이때, 비콘 프레임은 브로드캐스트 방식으로 전송됨이 바람직하다. 액티브 및 인액티브 정보를 가지는 비콘 프레임을 수신한 각 센서 노드들은 해당 정보에 의거하여 액티브 노드 또는 인액티브 노드로 전환된다.
이와 같은 상태의 센서 네트워크의 토폴리지가 도 1에 도시되었다. 도시한 바와 같이, 액티브 상태의 노드들은 싱크 노드의 전송 범위 안에 속하며, 싱크 노드의 전송 범위를 모두 포함하는 센싱 범위를 가진다. 따라서, 불필요한 노드의 에너지를 절약할 수 있다.
한편, 상술한 S303 단계에서 싱크 노드(10)의 액티브 노드 결정을 위한 일 예로 컨벡스 헐(convex hull)을 이용한 방법을 언급하였다.
이러한 컨벡스 헐을 이용한 액티브 노드 선정 방법에 대해서 살펴보기로 한다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 컨벡스 헐을 이용한 액티브 노드 선정 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 컨벡스 헐을 이용한 액티브 노드 선정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
평면상의 영역이 컨벡스(convex)하다는 의미는 그 영역에 속하는 임의의 두 점을 연결하는 선분상의 모든 점들 또한 해당영역에 속하는 경우를 의미한다. 또한, 점들의 모임에서 컨벡스 헐(convex hull)을 찾는 것은 점들을 잇는 선분자체가 포함되는 다각형을 찾는 것을 의미한다. 도 5에서 제1 내지 제9 센서 노드를 컨벡스 헐의 점에 대응하며, 선분 a 내지 선분 i는 컨벡스 헐의 선분에 대응된다. 선분 a 내지 선분 I를 컨벡스 헐 라인이라 칭하며, 컨벡스 헐은 이러한 컨벤스 헐 라인으로 이루어진 다각형을 찾는 것을 말한다.
한편, 센서 네트워크의 구성은 싱크 노드(10)의 전송 범위 내의 센서 노드로만 네트워크를 구성하는 것임을 유의하여야 한다. 즉, 싱크 노드(10)의 1 홉 범위 내의 센서 노드로만 센서 네트워크를 구성한다.
또한, 싱크 노드(10)는 상기한 S301 단계를 거쳐 센서 노드들의 위치 정보를 수신한 상태라고 가정한다. 그리고 액티브 노드 설정을 위한 연산은 시계 방향 또는 반시계 방향으로 진행된다. 본 발명의 실시 예에서 이러한 방향을 "연산 방향"이라 칭하기로 하며, 여기서는 시계 방향을 가정하였다.
도 4 및 도 5를 참조하면, S401 단계에서 싱크 노드(10)의 전송 범위 내에서 싱크 노드(10)와 가장 멀리 위치한 센서 노드를 기준 노드로 선택한다. 즉, 제1 센서 노드(1)를 기준 노드로 선택한다.
다음으로, S403 단계에서 기준 노드와 기준 노드에서 연산 방향(시계 방향)에 위치하는 센서 노드 중 어느 하나를 선택하여 선분을 연결한다. 이때, 제2 센서 노드(2)를 선택하여 선분 a를 연결하였다고 가정한다.
이어서, 싱크 노드(10)는 S405 단계에서 상기 선분이 컨벡스 헐의 조건을 만 족하는지 판단한다. 즉, 어느 일 센서 노드를 제외한 타 센서 노드들이 상기 선분의 일직선상에 위치하거나, 또는 어느 일 센서 노드를 제외한 타 센서 노드들이 상기 선분을 기준 노드 기준으로 연산 방향(시계 방향)으로 회전시켰을 때 연산 방향(시계 방향)에 위치하는지 판단한다. 예컨대, 제2 센서 노드(2)를 제외한 타 센서 노드들이 선분 a의 일직선상 또는 선분 a를 제1 센서 노드를 축으로 하여 시계 방향으로 회전시켰을 때, 타 센서 노드들이 회전 방향에 위치하는지 판단한다.
상기 S405 단계의 판단 결과, 컨벡스 헐의 조건을 만족하면, 싱크 노드(10)는 S407 단계에서 상기 일 센서 노드를 새로운 기준 노드로 선정한다. 예컨대, 기준 노드(제1 센서 노드(1))와 제2 센서 노드(2)를 연결하는 선분 a를 가정하면, 타 센서 노드들은 선분 a의 일직선상이거나 상기 선분의 시계 방향쪽에 위치한다. 따라서 제2 센서 노드(2)를 새로운 기준 노드로 선택한다. 한편, 상기 S405 단계의 판단 결과, 컨벡스 헐의 조건을 만족하지 않으면, 만족하는 결과가 나올 때까지, 상기 S403 단계를 반복한다.
그런 다음, 싱크 노드(10)는 S409 단계에서 앞선 단계(S401 및 S407 단계)에서 선택된 기준 노드들(1 및 2)을 연결하여 다각형이 완성되는지 판단한다.
상기 S409 단계의 판단 결과, 다각형이 완성되지 않으면, 싱크 노드(10)는 S409 단계에서 앞선 단계(S407 단계)에서 선택된 기준 노드를 이용하여 상기 S403, S405 및 S407 단계를 수행한다.
예컨대, 제1 센서 노드(1)를 기준으로 제2 센서 노드(2)를 선택한 바와 같이, 제2 센서 노드(2)를 기준으로 제3 센서 노드(3)를 찾을 수 있다. 또한, 이와 같은 과정(S403, S405 및 S407 단계)을 반복하면, 제1 내지 제9 센서 노드(1 내지 9)를 선택할 수 있다. 또한, 상기한 센서 노드들(1 내지 9)을 찾는 과정에서 이용되는 선분들(선분 a 내지 선분 i)을 모두 연결하면 하나의 다각형을 이룬다. 액티브 노드로 선정할 센서 노드들을 선택하는 과정은, 이러한 다각형이 완성될 때까지 계속된다.
반면, 상기 S409 단계의 판단 결과, 다각형이 완성되면 싱크 노드(10)는 S411 단계에서 앞선 단계에서 선택된 모든 기준 노드들을 액티브 노드로 선정한다.
정리하면, 싱크 노드의 전송 범위 내의 최외각의 센서 노드를 기준 노드로 해서 그 기준 노드를 제외한 모든 노드들이 오른편(시계 방향)이나 일직선상에 놓일 수 있는 센서 노드를 찾는다. 다시 찾아진 센서 노드를 기준 노드로 하여 동일한 조건을 만족하는 센서 노드들을 차례로 찾으면, 네트워크 내에 주어진 센서 노드들을 모두 감싸는 최소수의 센서 노드들을 도출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 액티브 노드를 선정하여 액티브 노드로 이루어진 센서 네트워크의 토폴리지를 구성한다. 토폴리지를 구성하면, 액티브 노드들은 소정의 데이터를 센싱하여 센싱한 데이터를 싱크 노드로 전송한다.
이때, 액티브 및 싱크 노드를 포함하는 노드들은 그 센싱 데이터 송수신 방법으로 RTS/CTS를 이용하여 전송한다.
센서 네트워크 노드의 전력소모를 줄이는 가장 일반적인 방법은 전송, 수신, 프로세싱에 소요되는 시간을 최소화하는 것이다. 하지만 듀티 사이클 동작이 느리면 네트워크 응답이 느려지고 그러면 결과적으로 네트워크 혼잡이나 불안정이 야기 될 수 있다. 이 글에서는 노드 듀티 사이클과 시스템 레벨 성능을 적절히 절충하고 전력 효율을 높이면서 네트워크 견고성과 응답성을 향상시키는 방법에 대해 알아보려고 한다.
무선 통신 장치의 전력 소모는 많은 요인의 영향을 받는다. 패킷을 잃거나 접속을 실패하지 않으면서 배터리 전력을 절약하기 위해서는 네트워크 노드가 협력적인 방식으로 무선장치를 끄고 켜야 한다. 이를 위해서는 프로토콜 스택의 MAC, 네트워크, 애플리케이션 층에서 몇 가지 설계 문제가 해결되어야 한다.
무선 센서 네트워크를 위해서 MAC층 프로토콜 설계를 기반으로 전력을 절약하는 가장 일반적인 방법이 무선 장치를 꺼서 수신 시간을 줄이는 것이다. 예를 들어 제4 센서 노드(4)가 제2 센서 노드(2)에서 싱크 노드(10)로 패킷이 전송되는 것을 인식하면, 제4 센서 노드(4)는 자신의 전원을 꺼서 자신을 향하지 않은 패킷 수신 동안 에너지가 낭비되지 않도록 한다. 노드가 꺼져 있는 시간은 패킷의 예상 전송 시간에 따라 달라져야 한다. 이 기법은 request-to-send/clear-to-send(RTS/CTS) 제어 패킷을 이용하는 MAC 프로토콜에 적합하다.
상술한 바와 같은 방법으로 센싱 데이터를 전송하는 액티브 노드 중 일 이상의 노드는 그 배터리의 소모로 데드 노드가 될 수 있다. 이때, 싱크 노드는 인액티브 상태의 센서 노드 중 어느 일 이상의 센서 노드를 액티브 상태로 전환시킨다. 싱크 노드의 전송 범위를 모두 포함하는 센싱 범위를 가지는 센서 네트워크로 재구성하기 위함이다. 이러한 센서 네트워크의 재구성은 싱크 노드의 전송 범위 내의 인액티브 센서가 없을 때까지 계속 된다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 데드 노드 발생 시 센서 네트워크를 재구성 하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 싱크 노드(10)는 S601 단계에서 액티브 노드로부터 센싱 데이터를 수신하는 센싱 활동 중에 있다.
이때, 액티브 노드 중 배터리의 소진으로 데드 노드가 발생할 수 있다. 그러면, 싱크 노드(10)는 S603 단계에서 이를 감지하고, S605 단계에서 인액티브 노드가 존재하는지 판단한다.
여기서, 데드 노드를 감지하는 방법은 두 가지가 될 수 있다. 모든 센서 노드는 주기적으로 비콘 프레임을 전송한다. 따라서 소정 기간 비콘 프레임을 전송하지 않는 노드를 데드 노드로 간주한다. 또한, 센서 노드의 배터리 잔량의 임계치를 정하고, 센서 노드의 배터리 잔량이 해당 임계치 이하로 떨어질 경우, 센서 노드가 자신이 곧 데드 노드가 될 것임을 알리는 정보를 전송할 수 있다.
상기 S605 단계의 판단 결과, 인액티브 노드가 존재하지 않으면, 싱크 노드는 네트워크 재구성을 종료한다. 이때에는 싱크 노드는 기존의 액티브 노드들이 수명을 다할 때까지 센싱 활동을 수행한다.
한편, 상기 S605 단계의 판단 결과, 인액티브 노드가 존재하면, 싱크 노드는 S607 단계에서 액티브 노드를 선정한다. 액티브 노드의 선정은 앞서 설명한 바와 같다. 즉, 새로 액티브 상태가 될 센서 노드의 센싱 범위가 싱크 노드의 전송 범위에 모두 포함되도록 한다. 이때, 액티브 되는 센서 노드는 최소의 수를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 액티브 노드 산출의 일 예로 컨벡스 헐에 의한 방법을 이용 할 수 있다.
다음으로, 싱크 노드는 S609 단계에서 상기 선정한 액티브 노드를 네트워크에 추가하여 네트워크를 재구성한다. 네트워크의 재구성은 센서 노드와 메시지의 교환 등을 이용하여 수행할 수 있다.
다음으로, 네트워크 재구성 시, 컨벡스 헐을 이용하여 액티브 노드를 선정하는 방법에 대해서 설명하기로 한다. 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 재구성시 컨벡스 헐을 이용하여 액티브 노드를 선정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 컨벡스 헐을 이용한 액티브 노드 선정은 도 4 및 도 5를 참조로 하는 설명과 같은 방법을 사용한다.
도 7을 참조하면, 제8 센서 노드(8)가 데드 노드가 되었다고 가정한다. 그러면, 제7 센서 노드(7)의 연산 방향(시계 방향)에 있는 센서 노드 중 어느 일 센서 노드를 선택하여 선분을 연결한다. 이때, 연결한 선분의 어느 일 센서 노드를 제외한 타 센서 노드들이 상기 선분의 일직선상 또는 상기 선분의 연산 방향(시계 방향)에 놓이도록 하는 센서 노드를 선택한다.
즉, 제7 센서 노드(7)에서 제11 센서 노드(11)로 선분 K를 연결하면, 타 인액티브 노드들은 선분 K의 일직선상이거나 상기 선분의 시계 방향쪽에 위치한다. 따라서 제11 센서 노드(11)를 선택한다.
다음으로, 제11 센서 노드(11)를 기준으로 다른 센서 노드와 연결될 수 있는 선분 중, 타 노드들이 해당 선분의 일직선상이거나 상기 선분의 시계 방향쪽에 위치하는 선분은 선분 l이 유일하다. 따라서, 액티브 노드로 제9 센서 노드(9)를 선 택한다. 그러면, 다각형이 완성되므로 액티브 노드 선정을 종료한다.
이상에서와 같이, 컨벡스 홀을 이용하여 액티브 노드를 선정하면, 싱크 노드는 선정된 센서 노드를 액티브시켜야 한다. 이러한 방법에 대해서 살펴보기로 한다. 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 인액티브 노드를 액티브 시키기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 인액티브 노드들은 S801 단계에서 주기 적으로 깨어나 싱크 노드로 요청 메시지(Join Request Message)를 전송한다.
그러면, 싱크 노드는 요청 메시지를 전송한 인액티브 노드가 액티브 노드로 선정되었는지 판단한다. 판단 결과, 액티브 노드로 선정된 경우, 싱크 노드는 S803 단계에서 센서 노드에 응답 메시지(Join Response Message)를 전송한다.
응답 메시지를 수신한 인액티브 노드는 S805 단계에서 액티브 노드로 전환하고, 확인 메시지(Join Confirm Message)를 싱크 노드로 전송한다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 센서 네트워크의 일 예를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 비콘 프레임의 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 센서 네트워크의 토폴로지 구성 방법을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 컨벡스 헐을 이용한 액티브 노드 선정 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 컨벡스 헐을 이용한 액티브 노드 선정 방법을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 데드 노드 발생 시 센서 네트워크를 재구성 하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 재구성시 컨벡스 헐을 이용하여 액티브 노드를 선정하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 인액티브 노드를 액티브 시키기 위한 방법을 설명하기 위한 도면.

Claims (12)

  1. 다수개의 센서 노드와 싱크 노드로 이루어진 무선 센서 네트워크에 있어서,
    싱크 노드가 센서 노드들의 위치 정보를 수집하는 과정과,
    상기 위치 정보에 의거하여 싱크 노드의 전송 범위를 모두 포함하는 센싱 범위를 가지는 센서 노드들을 액티브 노드로 선정하는 과정과,
    상기 액티브 노드로 이루어진 네트워크를 구성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 구성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 선정하는 과정은,
    컨벤스 헐(convex hull)을 이용하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 구성 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 선정하는 과정은,
    싱크 노드의 전송 범위 내의 최외각의 센서 노드를 기준 노드로 선정하는 제1 과정과,
    상기 기준 노드와 상기 기준 노드에서 연산 방향에 위치하는 센서 노드 중 어느 하나의 센서 노드를 연결하는 선분에 대하여, 상기 하나의 센서 노드를 제외 한 다른 센서 노드들이 상기 선분의 일직선상 또는 상기 선분의 연산 방향에 놓이도록 하는 상기 하나의 센서 노드를 새로운 기준 노드로 선택하는 제2 과정과,
    상기 선분들을 모두 연결하여 다각형을 이룰 때까지, 상기 새로운 기준 노드를 이용하여 상기 제2 과정을 반복하는 제3 과정과,
    상기 모든 기준 노드들을 액티브 노드로 선정하는 제4 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 구성 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 위치 정보는
    상기 센서 노드가 비콘 프레임을 통하여 상기 싱크 노드로 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 구성 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 구성된 네트워크를 통해 특정 데이터를 센싱하는 과정과,
    데드 노드가 발생하면, 인액티브 노드 중 어느 일 이상의 노드를 액티브 노드로 선정하는 과정과,
    상기 선정한 액티브 노드를 포함하는 네트워크를 재구성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 구성 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 액티브 노드로 선정하는 과정은,
    컨벡스 헐을 이용하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 구성 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 액티브 노드로 선정하는 과정은,
    인액티브 노드 중 상기 싱크 노드의 전송 범위 내에 속하며, 상기 싱크 노드의 전송 범위를 센싱 범위로 포함할 수 있는 노드를 선정하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 구성 방법.
  8. 다수개의 센서 노드와 싱크 노드로 이루어진 무선 센서 네트워크에 있어서,
    액티브, 인액티브 및 데드 노드로 동작하는 센서 노드; 및
    상기 센서 노드의 위치 정보를 수집하고, 상기 수집한 위치 정보에 의거하여 상기 센서 노드 중 센싱 범위가 싱크 노드의 전송 범위를 포함하는 센서 노드를 액티브 노드로 선정하고, 선정한 센서 노드를 액티브 노드로 동작하도록 제어하는 싱크 노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 싱크 노드는
    상기 선정 시,
    컨벡스 헐 이론에 따라 액티브 노드를 선정하는 것을 특징으로 하는 무선 센 서 네트워크.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 센서 노드는
    상기 싱크 노드의 전송 범위 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 싱크 노드는
    상기 액티브 노드 중 데드 노드가 발생하면 상기 인액티브 노드 중
    센서 노드의 전송 범위 내에 위치하며, 상기 싱크 노드의 전송 범위를 모두 포함할 수 있는 인액티브 노드를 액티브 노드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 센서 노드는
    상기 위치 정보를 비콘 프레임을 통하여 상기 싱크 노드로 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
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