KR20090099636A - 센서 네트워크에서의 패킷 라우팅 방법 - Google Patents

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 센서 네트워크에서의 패킷 라우팅 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것임.
2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제
본 발명은 멀티홉 무선 센서 네트워크에서 이웃 노드의 위치 정보, 시간에 따른 이웃 노드의 에너지 잔량 정보 및 현재 노드와 이웃 노드 사이의 무선 채널 상태 정보를 고려하며, 시간에 따른 노드의 에너지 소모량을 고려하여 로드 밸런싱을 수행할 수 있는 패킷 라우팅 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공함.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은 센서 네트워크 노드의 패킷 라우팅 방법에 있어서, 상기 노드의 주변 노드의 위치 정보, 잔여 에너지 정보 및 무선 채널 상태 정보를 포함하는 이웃 테이블을 구성하는 테이블 구성 단계; 상기 주변 노드 중에서 상기 노드가 전송하는 데이터 패킷을 수신할 노드의 후보 그룹을 결정하는 후보 그룹 결정 단계; 및 상기 이웃 테이블의 정보에 기초하여 주변 노드의 위치, 시간의 흐름에 따른 에너지 잔량 및 무선 채널 상태에 따라 상기 후보 그룹에서 상기 노드가 전송하는 데이터 패킷을 수신할 노드를 결정하는 노드 결정 단계를 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 멀티홉 무선 센서 네트워크 등에 이용됨.
무선 센서 네트워크, 패킷 포워딩, 라우팅

Description

센서 네트워크에서의 패킷 라우팅 방법{Method for Packet Routing in sensor network}
본 발명은 센서 네트워크에서의 패킷 라우팅 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 멀티홉 무선 센서 네트워크에서 이웃 노드의 위치 정보, 시간에 따른 이웃 노드의 에너지 잔량 정보 및 현재 노드와 이웃 노드 사이의 무선 채널 상태 정보가 고려된 비용 함수를 이용하여, 데이터 패킷을 최적의 경로로 라우팅하는 것이다.
무선 센서 네트워크는 센싱 정보를 각 센서 노드로부터 미리 정해진 목적지, 즉, 싱크 노드(sink node 또는 destination node)로 전달한다. 여기서, 가장 중요한 점은 에너지의 효율적인 이용, 정확한 정보의 전달 및 높은 전송 효율이다.
무선 센서 네트워크에서, 현재 노드가 다음 노드로 패킷을 전송할 때, 이웃 노드 중에서 최적의 노드를 선택하는 지역적 최적 선택 방법을 각 노드마다 반복적 으로 이용하면, 목적지까지 최적의 경로가 선택되어 패킷이 전송될 수 있다. 따라서, 위치 기반 라우팅 방법에서 가장 중요한 것은 다음 노드의 결정이다.
여기서, 다음 노드란, 현재 노드로부터 신호 또는 패킷을 전송받는 노드이며, 일반적으로 노드 관점에서 패킷은 현재 노드가 소스 노드 또는 목적지 노드로서 처리하는 컨트롤 패킷과, 현재 노드가 처리하지 않고 이웃한 노드로 포워딩하는 데이터 패킷이 있다.
종래 GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)은 이웃 노드의 위치 정보를 이용하여 다음 노드를 결정하는 기술로서, 이웃 노드 중에서 목적지 노드와 가장 가까운 노드가 다음 노드로 선택되고, 선택된 다음 노드로 패킷이 전송된다. 또한, 로컬 미니멈(local minimum) 노드로 패킷이 전송되는 경우, 목적지까지의 다른 경로를 찾기 위해 라이트 핸드 법칙(right hand rule)을 이용하여 다음 노드를 결정한다. 여기서, 로컬 미니멈(local minimum) 노드란, 패킷을 전송받을 다음 노드를 갖지 않는 노드를 의미한다.
상기 GPSR은 이웃 노드의 상태(state) 정보 없이 이웃 노드의 위치 정보만을 이용하여 라우팅을 할 수 있지만, 로드 밸런싱(Load Balancing)을 전혀 하지 못하고, 커뮤니케이션 홀(communication hole) 주변의 노드들이 계속 이용됨으로써 커뮤니케이션 홀(communication hole)이 점점 많아지는 단점이 있다.
여기서, 로드 밸런싱이란, 패킷이 여러 노드로 분산 전송되도록 하는 것을 의미한다. 즉, 특정 노드로 패킷 전송이 집중되는 것을 막음으로써, 상기 특정 노드의 에너지가 집중적으로 소모되는 것을 방지할 수 있다.
센서 네트워크의 초기에는 각 노드의 에너지가 충분하지만, 시간이 지남에 따라, 각 노드별로 소모되는 에너지가 상이해진다. 각 노드별 잔여 에너지가 각각 상이해지므로, 센서 네트워크의 초기 시점보다 시간이 충분히 지난 시점에서 로드 밸런싱이 더욱 중요하다.
따라서, 시간의 흐름에 따라 노드의 에너지 소모량을 고려할 수 있는 라우팅 방법이 요구된다.
한편, 종래 GEAR(Greedy and Energy Aware Routing)은 이웃 노드의 위치정보 및 이웃 노드의 에너지 잔량 정보를 이용하여 다음 노드를 결정하는 기술로서, 이웃 노드 중에서 에너지 잔량이 가장 많은 노드를 다음 노드로 선택한다.
상기 GEAR은 노드의 잔여 수명 및 데이터 전송시 소비되는 전력을 고려하여 경로를 구성하는 Energy aware 방식을 이용하여 로드 밸런싱을 수행할 수 있지만, 시간에 따른 각 노드의 에너지 소모량에 대한 고려가 미흡하다는 단점이 있다. 나아가, 무선 채널의 상태를 전혀 고려하지 않아 패킷의 전송에러가 빈번하게 발생될 수 있다는 단점이 있다.
즉, 종래 에너지 잔량 정보를 이용하여 로드 밸런싱을 수행하는 라우팅 기술들은 현재 노드의 전송 범위 내에서 현재 노드로부터 목적지 방향으로 가장 먼 노드를 선택하는 방법을 이용했다.
그러나, 현재 노드의 전송 범위 내에서 가장 먼 노드로 신호를 전송하는 경우, 실제 무선 채널과의 관계에서 문제점이 발생된다. 즉, 전송 거리가 멀어질수록 수신 노드가 전송받는 신호의 세기는 지수함수적으로 감소하므로, 수신 노드가 전 송받는 신호는 에러를 포함할 수 있고, 실제로는 수신 노드로 신뢰할 수 있게 전송될 수 없는 범위에 포함되는 경우도 있다.
따라서, 에러가 발생되지 않는 범위 내의 노드를 선택함으로써, 신호 전송 에러 및 재전송률을 줄이고, 요구되는 서비스품질(quality of service, QoS)을 제공할 수 있는 라우팅 방법이 요구된다. 또한, 이웃 노드의 위치 정보 및 이웃 노드의 에너지 잔량 정보뿐 아니라, 노드간의 무선 채널의 상태를 고려하는 라우팅 방법이 요구된다.
상기한 바와 같이, 멀티홉 센서네트워크를 위한 패킷 라우팅 방법은 이웃 노드의 위치 정보, 이웃 노드의 에너지 잔량 정보 및 현재 노드와 이웃 노드 사이의 무선 채널 정보를 고려하며, 시간에 따른 노드의 에너지 소모량을 고려하여 로드 밸런싱을 수행할 수 있어야 한다.
따라서, 본 발명은 상기 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 멀티홉 무선 센서 네트워크에서 이웃 노드의 위치 정보, 시간에 따른 이웃 노드의 에너지 잔량 정보 및 현재 노드와 이웃 노드 사이의 무선 채널 상태 정보를 고려하며, 시간에 따른 노드의 에너지 소모량을 고려하여 로드 밸런싱을 수행할 수 있는 패킷 라우팅 방법 및 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 센서 네트워크 노드의 패킷 라우팅 방법에 있어서, 상기 노드의 주변 노드의 위치 정보, 잔여 에너지 정보 및 무선 채널 상태 정보를 포함하는 이웃 테이블을 구성하는 테이블 구성 단계; 상기 주변 노드 중에서 상기 노드가 전송하는 데이터 패킷을 수신할 노드의 후보 그룹을 결정하 는 후보 그룹 결정 단계; 및 상기 이웃 테이블의 정보에 기초하여 주변 노드의 위치, 시간의 흐름에 따른 에너지 잔량 및 무선 채널 상태에 따라 상기 후보 그룹에서 상기 노드가 전송하는 데이터 패킷을 수신할 노드를 결정하는 노드 결정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은, 데이터 패킷을 최적의 경로로 라우팅하기 위하여, 프로세서를 구비한 센서 네트워크 시스템에, 노드의 주변 노드의 위치 정보, 잔여 에너지 정보 및 무선 채널 상태 정보를 포함하는 이웃 테이블을 구성하는 기능; 상기 주변 노드 중에서 상기 노드가 전송하는 데이터 패킷을 수신할 노드의 후보 그룹을 결정하는 기능; 및 상기 이웃 테이블의 정보에 기초하여 주변 노드의 위치, 시간의 흐름에 따른 에너지 잔량 및 무선 채널 상태에 따라 상기 후보 그룹에서 상기 노드가 전송하는 데이터 패킷을 수신할 노드를 결정하는 기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
상기와 같은 본 발명은, 무선 센서 네트워크에서 요구되는 서비스품질(QoS)을 제공하며, 시간에 따른 노드의 에너지 소모량을 고려하여 로드 밸런싱을 수행함으로써, 목적지까지 최적의 경로를 결정할 수 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있 는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명이 적용되기 위한 몇 가지 전제가 있다. 첫째, 각 노드는 GPS 장치에 의해 스스로의 위치 정보를 알고 있으며, Sink 노드, 즉 목적지(destination) 정보도 알고 있다. 둘째, 각 노드는 스스로의 잔여 에너지량 계속 파악할 수 있다. 셋째, 각 노드는 심플 헬로 프로토콜(simple hello protocol)을 이용하여, 1 홉(one-hop)내의 이웃 노드들의 정보도 주기적으로 보고받는다.
여기서, 상기 simple hello protocol은 주변 노드들과의 관계를 설정하고 관리하기 위한 프로토콜이고, 상기 one-hop은 하나의 노드와 하나의 노드 사이의 링크이다.
도 1은 본 발명이 적용되는 센서 네트워크를 나타내는 일실시예 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 현재 노드(111)의 관점에서, 이론상 현재 노드(111)는 전송범위내에서 최대한 멀리 있는 이웃 노드로 패킷을 보낼 수 있으나, 실제적으로는 그러하지 않다. 전송범위는, 거리에 따라, 연결영역(connected region, 101), 중간영역(transient region, 103), 단절영역(disconnected region, 105)으로 분류된다.
패킷을 전송하고자 하는 노드(이하, 전송노드)가 상기 connected region(101)내의 이웃 노드로 패킷을 전송하는 경우, 에러없이 패킷이 전송될 수 있다. 상기 transient region(103)내의 이웃 노드로 패킷을 전송하는 경우, 에러가 발생될 수 있다. 상기 disconnected region(105)내의 이웃 노드로 패킷을 전송하는 경우, 실제로 무선 채널의 환경 때문에 패킷을 전송할 수 없다.
따라서, 상기 현재 노드(111)의 connected region(101) 외부의 노드들은 무관심노드그룹(Indifferent Node Group, ING)으로 포함시켜 다음 노드가 될 수 있는 후보로부터 제외시킨다. 또한, 상기 connected region(101)에 있지만 패킷 리셉션률(Packet Reception Rate, PRR)이 낮은 노드도 ING로 포함시킨다.
예를 들어, 현재 노드(111)는 transient region(103) 및 disconnected region(105)의 노드를 ING로 포함시켜(connected region(101) 외부의 노드이므로), 다음 노드 후보로부터 제외하고, connected region(101) 내부의 노드 중에서 목적지까지의 거리가 가깝고, 에너지 잔량이 많은 노드를 다음 노드로 선택한다.
상기 connected region(101) 의 노드 중 다음 노드를 선택함으로써, one hop의 패킷 전송 에러가 방지되고, 재전송률이 줄어든다. 재전송률이 줄어듦에 따라, 노드의 에너지 소모량이 줄어들고, 전송 노드부터 목적지 노드까지 패킷 전송시간(end-to-end delay)이 줄어들어, 높은 서비스품질(QoS)이 제공될 수 있다.
또한, transient region(103) 및 상기 disconnected region(105) 내부의 노 드 외에도, connected region(101) 내부에 포함되지만, 소스 노드(111)와 사이에 장애물(115)이 있어, 낮은 PRR을 갖는 노드(113)도 ING로 포함되어, 다음 노드 후보로부터 제외된다.
여기서, 노드 사이의 장애물(115)의 존재 여부는 컨트롤 패킷(control packet)을 주기적으로 교환함으로써 알 수 있다. 거리가 가까우면서도 컨트롤 패킷의 수신율이 좋지 않은 노드를 발견하는 경우, 상기 노드 사이에 장애물이 존재하거나, 무선 채널 상황이 나쁘다는 것이 예상할 수 있으므로, 상기 발견된 노드는 낮은 PRR을 갖는 노드로 보고 ING에 포함시킨다.
도 2는 본 발명에 따른 라우팅 방법을 나타내는 일실시예 전체 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 우선 노드가 처음 배치되고, 각 노드 스스로 노드의 값들을 셋팅한다. 여기서, 노드의 값이란, 각 노드의 위치 정보, 에너지 정보, 이웃 노드 정보 등을 의미한다.
상기 셋팅된 초기 정보들은 이웃 테이블(Neighbor Table, NT)에 기록되고 저장된다(s201).
먼저, 자기 자신을 제외한 모든 노드의 노드 ID, 노드의 위치 정보, 잔여 에너지 및 컨트롤 패킷 전송받은 횟수가 기록된다. 노드의 위치 정보는 GPS에 의해 알 수 있고, 위치 정보 이외의 값은 모두 0으로 설정하고, 각 노드는 잔여 에너지량(residual energy)를 스스로 알 수 있으며, 각 노드들이 갖는 초기 에너지량(initial energy)는 모두 같다.
상기 컨트롤 패킷이 전송된 횟수를 기록하는 것은 몇 번의 컨트롤 패킷을 전송하는 동안, 이웃 노드로부터 몇 번의 컨트롤 패킷을 전송받는지 확인하여, 이웃 노드의 PRR을 확인하기 위함이다. 상기 컨트롤 패킷 전송받은 횟수 대신 수신 신호 강도(received signal strength)이 기록되어 PRR과 같이 이용될 수 있다.
현재, 각 노드는 이웃 노드의 정보를 전송받지 않았으므로, ING 테이블은 작성되지 않는다.
상기 ING 테이블에는 연결영역(connected region) 외부의 노드 ID 및 연결영역(connected region) 내부에 있으나, 낮은 PRR을 갖는 노드 ID가 기재된다. 상기 ING 테이블에 포함된 노드는 ING로 포함되어, 다음 노드 후보로부터 제외된다. 여기서, 연결영역(connected region)의 기준 및 PRR의 기준은 네트워크 구성시 네트워크 관리자가 설정하는 값이다. 예를 들어, 반경 10m와 PRR 80%로 설정될 수 있다.
상기 ING 테이블이 작성되는 경우, 초기 작성된 NT 테이블로부터 ING 테이블에 포함된 노드를 제외한 NT 테이블이 다음 노드 후보가 된다.
다음, 컨트롤 패킷이 송수신된 경우인지 판단한다(s203).
상기 단계 s203 판단결과, 컨트롤 패킷이 송수신된 경우(s213), 이하 도 3에서 상세하게 설명한다.
한편, 상기 단계 s203 판단결과, 컨트롤 패킷이 송수신된 경우가 아니면, 데이터 패킷이 송수신된 경우인지 판단한다(s205).
상기 단계 s205 판단결과, 데이터 패킷이 송수신된 경우(s215), 이하 도 4에 서 상세하게 설명한다.
한편, 상기 단계 s205 판단결과, 데이터 패킷이 송수신된 경우가 아니라면, 현재 노드가 로컬 미니멈 노드라는 정보가 수신되었는지 확인한다(s207).
다음, 상기 단계 s207 확인 결과, 현재 노드가 로컬 미니멈 노드라는 정보가 수신된 경우, 현재 노드를 ING로 포함시키고(s217), 다시 컨트롤 패킷 송수신 확인단계(s203)로 돌아간다.
한편, 상기 단계 s207 확인 결과, 현재 노드가 로컬 미니멈 노드라는 정보가 수신되지 않은 경우, 현재 노드의 노드 에너지가 고갈되었는지 확인한다(s209). 즉, 에너지 고갈(energy depleted) 인터럽트가 발생되었는지 확인한다.
다음, 상기 단계 s209 확인 결과, 현재 노드의 노드 에너지가 고갈된 경우, 네트워크의 수명이 종료된 것으로 보고, 알고리즘은 종료된다(s211).
한편, 상기 단계 s209 확인 결과, 현재 노드의 노드 에너지가 고갈되지 않은 경우, 다시 컨트롤 패킷 송수신 확인단계(s203)로 돌아간다.
도 3은 도 2의 컨트롤 패킷 송수신(s213)의 경우를 나타내는 일실시예 흐름도이다.
노드는 주기적으로 컨트롤 패킷을 교환한다. 각 노드는 주기적으로 컨트롤 패킷을 이웃 노드로 전송하고, 이웃 노드로부터 컨트롤 패킷을 전송받아, 상기 단계 s201에 의해 셋팅된 자신의 정보, 즉 NT 테이블을 업데이트한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 먼저, 컨트롤 패킷이 수신된 경우인지 판단된 다(s301).
다음, 컨트롤 패킷을 전송받은 경우이면, 현재 노드가 컨트롤 패킷을 전송한 노드의 연결영역(connected region)이면서, 동시에 낮은 PRR을 갖는 노드인지 판단된다(s303).
상기 단계 s303 판단결과, 현재 노드가 이전 노드의 연결영역이면서, 동시에 낮은 PRR을 갖는 노드가 아닌 경우, 상기 NT 테이블을 업데이트한다(s309). 상기 NT 테이블 업데이트 후, 대기 상태에 도달한다(s311).
상기 단계 s303 판단결과, 현재 노드가 이전 노드의 연결영역이면서, 동시에 낮은 PRR을 갖는 노드인 경우, 현재 노드를 ING로 포함시키고(s305), 대기 상태에 도달한다(s311).
다음, 현재 노드가 컨트롤 패킷을 수신한 경우가 아니라면, 즉, 컨트롤 패킷을 전송해야 하는 경우, 상기 현재 노드는 자기 노드 정보를 포함하는 컨트롤 패킷을 전송하고(s307), 대기 상태에 도달한다(s311).
현재 노드가 컨트롤 패킷을 생성한 경우이고, 상기 생성된 컨트롤 패킷은1 홉(1 hop)의 이웃노드로 전송된다. 주기적인 컨트롤 패킷 전송을 위해 특정 주기의 타이머가 시작된다.
도 4는 도 2의 데이터 패킷 송수신(s215)의 경우를 나타내는 일실시예 흐름도이다.
컨트롤 패킷이 1 hop 이내의 노드로 전송되는 것과 달리 상기 데이터 패킷은 이웃 노드 중 임의의 노드로 전송된다. 데이터 패킷이 발생되는 경우는 노드가 스스로 데이터를 생성하는 경우와 다른 노드로부터 데이터 패킷을 전송받아 다음 노드로 전달해야 하는 경우가 있다.
노드가 스스로 데이터를 생성하는 경우, 상위 레이어(upper layer)로부터 패킷의 전송이 시작되고, 다른 노드로부터 데이터 패킷을 전송받은 경우, 하위 레이어(lower layer)로부터 패킷의 전송이 시작된다.
여기서, 상기 상위 레이어(upper layer)는 라우팅 메카니즘을 갖는 네트워크 레이어(network layer)보다 상위에 있는 계층 즉, 상위 계층(예를 들어, Transport layer, application layer)을 의미하고, 하위 레이어(lower layer)는 라우팅 메카니즘을 갖는 네트워크 계층보다 하위에 있는 계층 즉, 하위 계층(예를 들어, MAC layer)을 의미한다.
상기 전송될 데이터 패킷이 존재하는 경우, 현재 노드는 NT 테이블 중에서 다음 노드를 선택한다. 여기서, 연결영역(connected region) 외부의 노드이거나, 낮은 PRR을 갖는 노드는 ING로 포함되기 때문에, 다음 노드가 될 수 있는 후보로부터 제외된다.
상기 NT 테이블에 포함되는 노드 중에서 다음 노드는 이웃 노드와 목적지 노드까지의 거리 및 이웃 노드의 에너지 잔량을 고려하여 결정된다. 여기서, 이웃 노드와 목적지 노드까지의 거리 및 이웃 노드의 에너지 잔량의 관계는 비용 함수로 정의된다.
즉, 상기 NT 테이블에 포함되는 노드 중에서, 상기 비용 함수에 의한 비용 값이 가장 작은 노드가 다음 노드로 선택된다.
상기 비용 함수는 다음과 같다.
현재 노드를 i 노드라 하고, 이웃 노드들을 j 노드, 목적지 노드를 d 노드라 한다. 여기서, i 노드는 j 노드들 중에서 d 노드와 가장 가까우면서도 에너지 잔량이 많은 노드를 다음 노드로서 결정한다.
먼저, 모든 j 노드에 대해서 상기 j 노드와 상기 d 노드 사이의 거리(dij )를 구한다.
Figure 112008019441180-PAT00001
여기서, (xd, yd)는 목적 노드의 위치, (xj, yj)는 j 노드 위치를 나타낸다.
다음, 비용 함수는 거리 및 에너지의 정규화(normalize)된 값을 더하여 나타난다. 즉, 비용 함수(Cj(dj, Rj))는 거리(dj)와 에너지 잔량(Rj)에 대한 함수이다.
Figure 112008019441180-PAT00002
여기서, z는 네트워크의 사이즈(네트워크는 반지름이 z인 원 형태)를 의미하고, 따라서, dj/z는 dj의 normalize된 값을 의미한다. 또한, Rj는 이웃 노드 j의 각 에너지 잔량을 의미하고, 따라서, ∑jRj는 모든 이웃 노드들의 에너지 합을 의미하고, Rj/∑jRj는 Rj의 normalize 된 값을 의미한다.
또한, βi는 에너지 가중요소(weighting factor)로서, 각 노드의 에너지 소모에 따른 현재 에너지 잔량을 비용 함수에 반영할 수 있게 한다.
상기 비용 함수를 이용하여 비용 값(Cj)이 가장 작은 노드가 다음 노드로 선택되고, 상기 선택된 노드로 데이터 패킷이 전송된다.
한편, 상기 비용 함수에서 이용되는 에너지 가중요소(weighting factor, βi)는 다음과 같다.
Figure 112008019441180-PAT00003
여기서
Figure 112008019441180-PAT00004
는 상기 NT 테이블에 포함된 모든 이웃 노드들의 현재 에너지 잔량(residual energy)의 합을 의미한다. 또한
Figure 112008019441180-PAT00005
는 상기 NT 테이블에 포함된 모든 이웃 노드들의 초기 에너지의 합을 의미한다.
초기에 모든 노드의 에너지가 가득 차 있기 때문에
Figure 112008019441180-PAT00006
는 거의 1에 가깝고, 상기 βi값은 0에 가까운 작은 값을 가지기 때문에 β term(
Figure 112008019441180-PAT00007
)은 미미한 정도여서, 초기 무선 네트워크의 노드는 거의 GPSR 방식의 라우팅을 한다.
그러나, 시간이 흐름에 따라, 점차 노드의 잔여 에너지가 작아지기 때문에,
Figure 112008019441180-PAT00008
는 거의 0에 가깝고, 상기 βi값은 1에 가까운 큰 값을 가지기 때문에 β term(
Figure 112008019441180-PAT00009
)이 고려되서, 무선 네트워크의 노드는 점점 더 크게 잔여 에너지량(Rj)의 영향을 받는 라우팅을 한다.
일반적으로, 상기 비용 함수에 의해 다음 노드를 선택하여 패킷이 전송되지만, 그렇지 않은 경우도 발생한다. 로컬 미니멈(local minimum), 즉 커뮤니케이션 홀(communication hole)을 만나는 경우이다.
노드가 패킷을 전송하기 위해 다음 노드를 선택할 때, ING 노드를 제외한 NT 테이블에 노드가 존재하지 않아, 패킷을 전송받을 다음 노드가 존재하지 않는 경우로서, 이웃 노드 중에서 목적지 노드 방향에 위치하는 노드가 없는 경우이다.
상기 목적지 노드, 즉 싱크 노드는 일반적으로 미리 정해진다. 따라서, 각 노드는 NT 테이블을 생성하는 과정에서, 싱크 노드 방향에 위치하는 이웃 노드의 존재 여부를 미리 알 수 있고, 싱크 노드 방향에 위치하는 이웃 노드가 없다면, 각 노드는 스스로 로컬 미니멈(local minimum) 노드라는 것을 알 수 있다. 상기 로컬 미니멈 노드는 이웃 노드가 자신을 ING로 포함시키도록 컨트롤 패킷을 이용하여 이웃 노드로 알려준다.
만약, 로컬 미니멈 노드로 패킷이 전송된 경우, 상기 로컬 미니멈 노드는 이웃 노드 중에서 잔여 에너지가 가장 많은 노드로 패킷을 전송한다. 그리고, 상기 로컬 미니멈 노드의 이웃 노드들은 상기 로컬 미니멈 노드를 ING로 포함시켜, 다음 노드 후보로부터 제외시킨다.
도 4에 도시된 바와 같이, 먼저, ING에 포함되는 이웃 노드는 다음 노드 후보로부터 제외한다(s401).
다음, 다음 노드 후보, 즉 NT 테이블에 포함되는 노드가 존재하는지 판단된다(s403).
다음, 상기 단계 s403 판단 결과, 다음 노드 후보가 존재하지 않는 경우, 현 재 노드는 현재 노드가 로컬 미니멈 노드임을 알리는 정보를 이웃 노드로 전송하고(s413), 상기 다음 노드를 선택하여 데이터 패킷을 전송하는 과정을 끝내고 대기 상태로 돌아간다(s415).
한편, 상기 단계 s403 판단 결과, 다음 노드 후보가 존재하는 경우, 이웃 노드와 목적지 노드 사이의 거리(normalize 된 값)가 계산된다(s405). 다음, 이웃 노드의 각 에너지 잔량(normalize 된 값)과 모든 이웃 노드들의 에너지 합의 비가 계산된다(s407).
다음, 상기 단계 s405 및 s407 계산 결과가 비용 함수로 대입되어 비용이 계산되고, 비용 값이 가장 작은 노드가 다음 노드로 선택된다(s409).
다음, 현재 노드는 선택된 다음 노드로 데이터 패킷을 전송하고(s411), 상기 다음 노드를 선택하여 데이터 패킷을 전송하는 과정을 끝내고 대기 상태로 돌아간다(s415).
도 5는 도1 내지 도 4에서 이용되는 패킷의 형태를 나타내는 일실시예 구성도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, SrcAddress 영역은 처음 패킷을 만든 노드가 자신의 노드 ID를 기록하고, 위치정보(SrcPosX, SrcPosY)를 기록하는 부분이다.
DstAddress 영역은 목적지 노드의 ID 및 위치정보(DstPosX, DstPosY)를 기록하는 부분이다.
NxtAddress 영역은 다음 노드의 ID 및 위치정보(NxtPosX, NxtPosY)를 기록하 는 부분이다.
RlyAddress 영역은 현재 노드, 즉 EWG 알고리즘을 이용하여 다음 노드를 선택하고, 패킷을 전송하는 노드의 ID 및 위치정보(RlyPosX, RlyPosY)를 기록한다.
Residual Energy 영역은 현재 노드의 에너지 잔량을 기록하는 부분이다. 따라서, 패킷을 전송받는 노드는 자신의 NT 테이블에 포함되는 현재 노드의 에너지 잔량 정보를 업데이트 할 수 있다.
type 영역은 컨트롤 패킷 및 데이터 패킷을 구별하기 위해 서로 다른 값이 셋팅된다.
한편, 컨트롤 패킷을 전송받은 이웃 노드중에서, 연결영역 외부의 이웃 노드들은 ING 테이블로 노드 ID를 추가함으로써, ING로 포함시킨다. 전송된 컨트롤 패킷이 포함하는 정보를 이용하여 전송한 노드의 위치 정보를 알 수 있으므로, 이웃노드가 연결영역 외부의 노드인지 확인할 수 있다.
또한, NT 테이블을 보면, 미리 정해진 hello protocol의 주기를 참고하여, 연결영역에서 컨트롤 패킷이 전송된 횟수를 알 수 있다. 만약, 전송된 횟수가 정해진 PRR %(예를 들면, 70%) 이하이면, 해당 노드 역시 ING로 포함된다.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
도 1은 본 발명이 적용되는 센서 네트워크를 나타내는 일실시예 도면,
도 2는 본 발명에 따른 라우팅 방법을 나타내는 일실시예 전체 흐름도,
도 3은 도 2의 컨트롤 패킷 송수신의 경우를 나타내는 일실시예 흐름도,
도 4는 도 2의 데이터 패킷 송수신의 경우를 나타내는 일실시예 흐름도,
도 5는 도1 내지 도 4에서 이용되는 패킷의 형태를 나타내는 일실시예 구성도이다.

Claims (15)

  1. 센서 네트워크 노드의 패킷 라우팅 방법에 있어서,
    상기 노드의 주변 노드의 위치 정보, 잔여 에너지 정보 및 무선 채널 상태 정보를 포함하는 이웃 테이블을 구성하는 테이블 구성 단계;
    상기 주변 노드 중에서 상기 노드가 전송하는 데이터 패킷을 수신할 노드의 후보 그룹을 결정하는 후보 그룹 결정 단계; 및
    상기 이웃 테이블의 정보에 기초하여 주변 노드의 위치, 시간의 흐름에 따른 에너지 잔량 및 무선 채널 상태에 따라 상기 후보 그룹에서 상기 노드가 전송하는 데이터 패킷을 수신할 노드를 결정하는 노드 결정 단계
    를 포함하는 패킷 라우팅 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노드 결정 단계는,
    하기 [수학식1]로 정의되는 비용 함수에 의해 상기 노드가 전송하는 패킷을 수신할 노드를 결정하는 것을 특징으로 하는 패킷 라우팅 방법.
    [수학식1]
    Figure 112008019441180-PAT00010
    (여기서, i는 노드, j는 주변 노드, d는 전송하는 패킷을 수신할 노드, z는 네트워크의 사이즈, dj는 j와 d 사이의 거리, dj/z는 dj의 정규화된 값, Rj는 이웃 노드 j의 각 에너지 잔량, Rj/∑jRj는 Rj의 정규화된 값, ∑jRj는 모든 이웃 노드들의 에너지 합을 의미함)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 dj는,
    하기의 [수학식 2]에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 패킷 라우팅 방법.
    [수학식2]
    Figure 112008019441180-PAT00011
  4. 제3항에 있어서,
    상기 βi는,
    하기 [수학식 3]에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 패킷 라우팅 방법.
    [수학식 3]
    Figure 112008019441180-PAT00012
    (여기서,
    Figure 112008019441180-PAT00013
    는 상기 NT 테이블에 포함된 모든 이웃 노드들의 현재 에너지 잔량(residual energy)의 합,
    Figure 112008019441180-PAT00014
    는 상기 NT 테이블에 포함된 모든 이웃 노드들의 초기 에너지의 합을 의미함)
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 후보 그룹은,
    상기 노드로부터 에러없이 패킷을 수신할 수 있는 노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 패킷 라우팅 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 에러 없이 패킷을 수신할 수 있는 노드는,
    상기 노드를 중심으로 하는 소정 반경 영역에 포함되는 노드인 것을 특징으로 하는 패킷 라우팅 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 에러 없이 패킷을 수신할 수 있는 노드는,
    패킷 수신율이 소정 기준값 이상인 노드인 것을 특징으로 하는 패킷 라우팅 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 노드가 상기 주변 노드와 컨트롤 정보를 교환함으로써 상기 테이블을 갱신하는 단계
    를 더 포함하는 패킷 라우팅 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 무선 채널 상태는,
    상기 노드가 주변 노드와 교환한 컨트롤 정보의 교환 횟수인 것을 특징으로 하는 패킷 라우팅 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 패킷 수신율은,
    상기 교환 횟수에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 패킷 라우팅 방법.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주변 노드로부터 로컬 미니멈 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 로컬 미니멈 정보에 기초하여 상기 주변 노드를 상기 후보 그룹으로부터 제외하는 단계
    를 더 포함하는 패킷 라우팅 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 로컬 미니멈은,
    노드가 전송하는 데이터 패킷을 수신할 노드의 후보 그룹에 포함되는 노드가 하나도 없는 노드인 것을 특징으로 하는 패킷 라우팅 방법.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 후보 그룹 결정 단계는,
    상기 후보 그룹에 포함되는 노드가 없는 경우, 상기 주변 노드로 로컬 미니 멈 정보를 전송하는 단계를 포함하는 패킷 라우팅 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 로컬 미니멈은,
    노드가 전송하는 데이터 패킷을 수신할 노드의 후보 그룹에 포함되는 노드가 하나도 없는 노드인 것을 특징으로 하는 패킷 라우팅 방법.
  15. 데이터 패킷을 최적의 경로로 라우팅하기 위하여, 프로세서를 구비한 센서 네트워크 시스템에,
    노드의 주변 노드의 위치 정보, 잔여 에너지 정보 및 무선 채널 상태 정보를 포함하는 이웃 테이블을 구성하는 기능;
    상기 주변 노드 중에서 상기 노드가 전송하는 데이터 패킷을 수신할 노드의 후보 그룹을 결정하는 기능; 및
    상기 이웃 테이블의 정보에 기초하여 주변 노드의 위치, 시간의 흐름에 따른 에너지 잔량 및 무선 채널 상태에 따라 상기 후보 그룹에서 상기 노드가 전송하는 데이터 패킷을 수신할 노드를 결정하는 기능
    을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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