KR20090117381A

KR20090117381A - 센서 네트워크에서의 라우팅 방법

Info

Publication number: KR20090117381A
Application number: KR1020080043400A
Authority: KR
Inventors: 김승렬; 박수현; 신수영; 이승주
Original assignee: 국민대학교산학협력단
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2009-11-12
Also published as: KR100970999B1

Abstract

본 발명은 센서 네트워크에서의 라우팅 방법에 관한 것이다. 본 발명은 센서 네트워크 필드 영역에서 하나 이상의 메인 클러스터 헤더를 선출하고 그에 따른 클러스터 영역을 구성한다. 상기 구성된 클러스터 영역마다 상기 메인 클러스터 헤더의 역할을 대신할 후보 클러스터 헤더를 복수 개 선정한다. 그리고, 상기 선정된 후보 클러스터 헤더의 에너지 잔량 정보가 큰 순서대로 우선 순위를 부여한다. 상기 부여된 우선 순위에 따라 자신의 순서가 도래되는 후보 클러스터 헤더부터 순차적으로 상기 메인 클러스터 헤더의 역할을 대신하여 주변정보를 수집하고 이를 전달하게 된다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 선정된 후보 클러스터 헤더 개수만큼 메인 클러스터 헤더 재선출 및 클러스터 영역을 재구성하지 않고서도 연속적으로 주변정보를 전송할 수 있어, 전체 센서 네트워크의 에너지 효율을 극대화할 수 있고, 아울러 생존 시간(life time)을 연장시킬 수 있는 이점이 있다.

센서 네트워크, LEACH, 클러스터 구성단계, 후보 클러스터 헤더

Description

센서 네트워크에서의 라우팅 방법{ROUTING METHOD IN SENSOR NETWORK}

본 발명은 센서 네트워크에 관한 것으로, 특히 라운드 구성요소 중 클러스터 구성(Set-Up) 단계를 최소화하는 센서 네트워크에서의 라우팅 방법에 관한 것이다.

도 1에는 종래의 센서 네트워크 구성도가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 복수 개의 센서 노드(12)들이 임의로 배치된 센서 필드(Sensor Field)(10)가 구성된다. 상기 센서 노드(12)는 주변정보를 센싱하는 역할을 수행한다. 상기 센싱되는 주변정보는 사물인식 정보, 온도 정보, 습도 정보, 오염 정보 등과 같은 주변의 환경 정보를 포함한다.

여기서, 상기 센서 노드(12)는 센싱한 주변정보를 소정의 라우팅 알고리즘, 예컨대 상기 센서 필드(10) 내에서 인접한 다른 센서 노드(Taget_A 내지 Taget_E)를 통해 홉(Hop) 방식으로 전달하게 된다.

상기 센서 노드(12)로부터 센싱된 주변정보를 전달받는 베이스 스테이션(Base Station; 이하 "BS"라 함.)(20)이 구비된다.

그리고, 상기 BS(20)를 경유하여 센싱된 주변정보를 전달받고 이를 인터넷과 같은 외부 네트워크를 통해 사용자단말(40)에게 제공하는 기지국(30)이 구비된다.

이러한 구성을 갖는 센서 네트워크에서 데이터를 전송하는 라우팅 방법은 몇가지가 존재한다. 이 라우팅 방법을 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 설명하겠다.

첫 번째 방식은 원 홉 무선모델(One-Hop Radio Model)이다. 도 2a를 참조하면, 이는 센서 네트워크에서 가장 간단한 모델로서, 각각의 센서 노드(12a)들은 BS(20a)과 직접 통신하는 모델이다.

그러나, 상기 원 홉 무선모델은 넓은 지역에 센서 노드들이 랜덤하게 배치되는 센서 네트워크에는 적합하지 않다. 즉, 각 센서 노드(12a)들과 BS(20a)이 직접 통신하게 되는 경우 일정 에너지를 보유한 센서 노드(12a)들은 상기 BS(20a)과 떨어진 거리에 대응하여 소비되는 에너지가 상이하다. 따라서, 상기 BS(20a)과 멀리 떨어져 있는 센서 노드부터 에너지가 고갈되어 센서 노드로서의 기능을 못하게 되는 문제점을 초래한다. 또 상기 센서 노드(12a)들이 상기 BS(20a)와 근접한 거리를 유지한다고 해도 데이터 통신시 인접한 센서 노드(12a)들 간의 충돌(Collision)로 인해 전체 네트워크의 성능에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다.

두 번째 방식은 멀티 홉 라우팅 모델(Multi-Hop Routing Model)이다. 도 2b를 참조하면, 모든 센서 노드(12b)들은 BS(20b)에게 정보를 전송할 때 가장 인접해 있는 센서 노드(12b)를 통해 홉 단위(센서 노드 상호 간 하나의 패스단위)로 정보를 전송하게 된다. 결국, 상기 센서 노드(12b)들은 상기 BS(20b)까지 n 개의 센서 노드(12b)를 통해 정보를 전송한다.

그러나, 상기 센서 노드(12b)가 수천 개에 달하는 센서 네트워크에서는 데이터 전송시 매우 높은 지연(Latency) 시간이 발생하게 된다. 또 상기 멀티 홉 라우 팅 모델은 블랙 홀(Black Hole) 효과로 인해 일정 시간이 지나면, 상기 BS(20b)에 인접한 센서 노드(12b)일수록 중계자(Intermediator) 역할을 수행하는 횟수가 많아져 에너지 소비가 상대적으로 커진다. 이에 따라, 일정 시간이 지나면 상기 BS(20b)에 가장 가까운 센서 노드들부터 에너지 고갈이 발생하는 문제점이 있었다.

세 번째 방식은 정적 클러스터 기반의 모델(Static Cluster-based Model)이다. 도 2c를 참조하면, 복수의 센서 노드(12c)들이 클러스터 단위(A)로 그룹화 된다. 각각의 클러스터 영역(A)에는 클러스터 헤더(Cluster Head)(14c)가 구비되는데, 상기 클러스터 헤더(14c)는 클러스터 영역(A) 내의 센서 노드(12c)들이 획득한 정보를 수집하여 다른 클러스터 영역(A) 또는 BS(20c)에게 전송하는 역할을 한다.

그러나, 상기 정적 클러스터 기반의 모델 또한 상술한 멀티 홉 라우팅 모델에서와 같이 블랙 홀 현상이 발생할 수 있다. 그 이유는 상기 클러스터 헤더(14c)가 해당 클러스터(A) 내의 모든 센서 노드(12c)들로부터 정보를 전송받고, 그 정보를 병합(Aggregation)하여 인접한 다른 클러스터 영역(A)이나 상기 BS(20c)에게 전송하는 작업을 수행하기 때문에 해당 클러스터 영역(A) 내의 다른 센서 노드(12c)들보다 에너지 소비가 상대적으로 많다. 이에 따라, 상기 클러스터 헤더(14c)의 수명은 다른 센서 노드(12c)에 대비하여 상대적으로 짧을 수밖에 없다. 아울러, 상기 클러스터 헤더(14c)의 에너지 고갈에 따른 기능 정지, 또는 자연 재해, 기능상 결함 등의 원인으로 인한 오류발생시 결정적으로 해당 클러스터 영역(A)은 외부와 통신이 두절될 수밖에 없는 문제점을 발생시킨다.

이와 같이, 상술한 라우팅 방법들은 네트워크를 유지하기 위한 프로세스를 진행하는데 사용하는 에너지 소모량, 센서 노드 간 에너지 균형 여부, 전체 센서 노드의 효율적 관리, 그로 인한 네트워크 라이프 타임(Life Time) 등과 같은 많은 문제점이 지적되었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 클러스터링 기반의 동적 라우팅(Dynamic Routing) 방법인 LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)가 제안되었다. 이를 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하겠다.

도 3에는 상기 LEACH의 라운드 구성 예시도가 도시되어 있고, 도 4에는 상기 LEACH의 동작을 설명하기 위한 흐름도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 상기 LEACH는 라운드(Round)(50)라는 시간 단위로 동작이 수행되는데, 상기 라운드(50)는 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)(52)와 활성 단계(steady-state Phase)(54)로 구성된다. 이때, 상기 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)(52)는 광고 단계(52a)와, 클러스터 설정 단계(52b)와, 일정 생성 단계(52c)를 포함하여 구성된다. 이러한 라운드(50)는 상기 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)(52)로 시작하여 상기 활성 단계(steady-state Phase)(54)로 진행된다. 참고로, 상기 활성 단계(steady-state Phase)(54)는 오버헤더를 최소화하기 위해 상기 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)(52)보다 더 오랜 시간이 할애되어 구성된다.

이와 같은 라운드 구성에 따라 상기 LEACH의 동작 과정을 도 4를 참조하여 설명하겠다.

도 4를 참조하면, 상기 LEACH는 클러스터 헤더 선출 및 클러스터 영역이 구 성되는 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)(S100)와, 상기 구성된 클러스터 영역으로부터 데이터가 전송되는 활성 단계(steady-state Phase)(S110)를 포함한다.

먼저, 상기 클러스터 구성 단계(S100)에서, 상기 클러스터 영역이 구성될 때 각 센서 노드들은 현재 라운드에서 클러스터 헤더 선출 여부를 결정한다(S102). 이때, 센서 네트워크 필드 영역에서 에너지 소비를 최소화하기 위한 최적의 비율(예컨대, 전체 센서 노드의 개수에서 5% 정도)에 기초하여 클러스터 헤더의 개수가 결정된다. 즉, 임의의 센서 노드(n)는 랜덤 넘버(random number)인 r을 0과 1 사이에서 선택한다. 만약, 상기 선택한 랜덤 넘버가 임계치(threshold) 값인 T(n)보다 작은 경우, 상기 센서 노드는 현재 라운드에서 클러스터 헤더로 선출된다. 상기 임계치 값은 현재 라운드에서 클러스터 헤더가 선출되기 위한 기준 값으로 '수학식 1'을 이용하여 산출된다.

[수학식 1]

'수학식 1'을 보면, 임의의 센서 노드(n)가 'G'에 속하는 경우, 임계치 값은 'P/[1-P{r mod(1/P)}]'이다. 반면, 임의의 센서 노드(n)가 'G'에 속하지 않는 경우, 임계치값은 '0'으로 고정된다. 참고로, 'P'는 선출되는 클러스터 헤더의 최적의 비율(5%)이고, 'r'은 현재 라운드이고, 'G'는 상기 클러스터 헤더로 선택되지 않은 노드의 집합을 말한다.

제104단계에서, 클러스터 헤더로 선출된 복수 개의 센서 노드들은 각각 센서 네트워크에 포함되어 있는 모든 센서 노드(즉, 비 클러스터 헤더)들에게 광고 메시지를 브로드캐스팅 한다. 상기 광고 메시지는 현재 센서 노드의 노드 ID 및 노드 IP, 포트번호 등의 정보를 포함한다.

상기 광고 메시지를 수신한 센서 노드들은 자신이 소속될 클러스터 영역을 결정한다. 상기 클러스터 영역은 상기 전송된 광고 메시지의 신호 세기와 지역적 특성을 고려하여 결정된다. 즉, 상기 센서 노드들은 가장 강한 세기의 신호로 수신된 광고 메시지를 송신한 클러스터 헤더를 선택하는 것이다. 그리고, 상기 센서 노드들은 상기 선택한 클러스터 헤더에게 클러스터 조인 메시지(Cluster Join Message)를 전송하여 멤버가 되었음을 공지한다(S106). 이때, 상기 센서 노드들은 반송파 감지 다중 접근(Carrier Sense Multiple Access:CSMA) MAC 프로토콜을 이용하여 전송한다.

이에 따라, 상기 클러스터 헤더들은 자신에게 상기 클러스터 조인 메시지를 송신한 센서 노드(이하 "멤버 노드"라 함.)들로 클러스터 영역을 구성하게 된다.

그리고, 상기 클러스터 헤더들은 상기 멤버 노드들로부터 전송된 클러스터 조인 메시지를 참조하여 TDMA(Time Division Multiple Access, 시분할 다중 접속) 스케줄 메시지를 생성한다. 상기 TDMA 스케줄 메시지는 향후 멤버 노드들이 어느 시점에 자신들의 정보를 클러스터 헤더에게 전송하느냐에 대한 일정표로서, 상기 TDMA 스케줄에 따라 멤보 노드들은 휴지(Sleep)상태와 활성화 상태를 유지하여 주 어진 에너지를 최대한 효율적으로 사용할 수 있도록 한다. 따라서, 상기 멤버 노드들은 상기 TDMA 스케줄 메시지에 따라 할당받은 시간 동안에는 상기 클러스터 헤더에게 센싱한 정보를 전송하고, 상기 할당받은 시간 이외에는 파워 오프(Power Off) 상태를 유지하여 에너지 소비를 최소화할 수 있는 것이다.

그리고, 상기 클러스터 헤더들은 상기 생성된 TDMA 스케줄 메시지를 자신의 멤버 노드들에게 브로드캐스팅 한다(S108).

다음, 제108단계가 완료되면 주변정보를 전송하는 활성 단계(Steady-State Phase)(S110)가 수행된다.

상기 활성 단계(Steady-State Phase)(S110)에서, 상기 멤버 노드들은 상기 전송된 TDMA 스케줄 메시지에 따라 할당받은 시간 동안 주변정보(즉, 센싱한 주변정보)를 해당 클러스터 헤더에게 전송한다(S112).

제114단계에서, 상기 TDMA 스케줄 메시지에 따라 모든 멤버 노드들이 정보 전송을 완료하면, 상기 클러스터 헤더들은 이를 하나의 단일 신호로 압축하는 데이터 퓨전(Data Fusion)을 수행한다. 예컨대, 상기 전송된 정보가 음성 신호이거나 또는 지진파 신호인 경우, 상기 클러스터 헤더는 그 개별적 신호들을 복합적 신호로 작성되도록 광자화 할 수 있다.

그리고, 상기 클러스터 헤더는 상기 복합적 신호를 베이스 스테이션(BS)에게 전송한다.

한 라운드가 경과되면(S116), 센서 노드들은 다시 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)를 수행하고, 새로 선택된 클러스터 헤더로 다음 라운드를 시작 한다.

상술한 바와 같이 상기 LEACH는 센서 네트워크 내의 모든 센서 노드들의 에너지 소비가 균등하게 배분토록 하기 위하여 에너지 집약적인 클러스터 헤더를 무작위로 선출하고, 상기 선출된 클러스터 헤더가 자신의 클러스터 영역 내의 주변정보를 수집하여 지역적으로 통합함으로써 전체적인 통신 비용을 절감하는 특징이 있다.

그러나, 상기 LEACH는 다음과 같은 문제점이 있다.

상기 LEACH는 매 라운드마다 동일한 과정이 반복 수행된다. 즉, 매 라운드마다 클러스터 헤더 재선출 및 클러스터 영역을 재구성하는 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)가 수행된다는 것이다. 이에 따라 그만큼의 관리시간 및 에너지를 소모하고 아울러, 전체 센서 네트워크의 생존 시간(life time)을 단축하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 소정 클러스터 영역에서 복수 개의 후보 클러스터 헤더를 선정하여 매 라운드마다 클러스터 헤더 재선출 및 클러스터 영역을 재구성하지 않고서도 데이터를 전송하도록 하는 센서 네트워크에서의 라우팅 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 센서 네트워크에서의 라우팅 방법은, 센서 네트워크 필드에서 적어도 하나 이상의 메인 클러스터 헤더를 선출하는 메인 클러스터 헤더 선출단계와, 상기 선출된 메인 클러스터 헤더가 상기 센서 네트워크 필드에 존재하는 모든 센서 노드에게 광고 메시지를 전송하는 광고 메시지 전송단계와, 상기 센서 노드가 상기 전송된 광고 메시지의 신호 세기에 따라 클러스터 영역을 적어도 하나 이상 구성하는 클러스터 영역 구성단계와, 상기 구성된 클러스터 영역마다 복수 개의 후보 클러스터 헤더를 선정하는 후보 클러스터 헤더 선정단계와, 상기 후보 클러스터 헤더마다 우선 순위를 부여하는 우선 순위 부여단계와, 상기 우선 순위에 따라 자신의 순서가 도래되는 후보 클러스터 헤더부터 순차적으로 주변정보를 수집 및 전송하는 주변정보 전송단계를 포함한다.

상기 후보 클러스터 헤더마다 우선 순위가 부여되면, 상기 메인 클러스터 헤더가 상기 선정된 후보 클러스터 헤더 정보 및 우선 순위 정보에 따라 스케줄 메시 지를 생성하는 스케줄 메시지 생성단계와, 상기 메인 클러스터 헤더가 상기 생성된 스케줄 메시지를 해당 멤버 노드에게 전송하는 스케줄 메시지 전송단계를 더 수행하고, 상기 스케줄 메시지는 시분할 다중 접속(Time Division Multiple Access; TDMA) 방식에 의해 생성된다.

상기 클러스터 영역 구성단계는, 상기 센서 노드가 상기 광고 메시지의 신호 세기에 따라 소속될 메인 클러스터 헤더에게 클러스터 조인 메시지(Cluster Join Message)를 전송하는 단계와, 해당 메인 클러스터 헤더와 그 메인 클러스터 헤더에게 상기 클러스터 조인 메시지를 전송한 센서 노드들을 포함하여 하나 이상의 클러스터 영역이 구성되는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 클러스터 조인 메시지는, 각 단계별 헤더의 패킷 유형(Packet Type) 정보(4 bit)와, 송신 노드의 주소(2 byte)와, 수신 노드의 주소(2 byte)와, 시그널 교란을 바로 잡기 위한 전송 순서 정보(4 bit)와, 송수신 장애 시 재전송용 정보(4 bit)와, 멤버 노드의 정보(2 byte)와, 소속 클러스터 헤더의 정보(2 byte)와, 자신의 에너지 잔량 정보(2 byte)를 포함하여 이루어진다.

상기 후보 클러스터 헤더는 상기 클러스터 조인 메시지에 포함된 에너지 잔량 정보가 큰 순서대로 복수 개 선정되고 상기 에너지 잔량 정보가 큰 순서대로 우선 순위가 부여된다.

상기 스케줄 메시지는 각 단계별 헤더의 패킷 유형(Packet Type)(4 bit)과, 송신 노드의 주소(2 byte)와, 수신 노드의 주소(2 byte)와, 시그널 교란을 바로 잡기 위한 전송 순서 정보(4 bit)와, 송수신 장애 시 재전송용 정보(4 bit)와, 해당 멤버 노드들의 스케줄 정보(2 byte)와, 복수 개의 후보 클러스터 헤더의 정보 및 우선 순위 정보(2 byte)를 포함하고, 상기 스케줄 메시지에 따라 상기 센서 노드로부터 전송된 주변정보가 각 메인 클러스터 헤더에 의해 수집되어 베이스 스테이션에게 전송된다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 센서 네트워크에서의 라우팅 방법에 따르면, 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)를 효율적으로 관리함에 따라 전체 센서 네트워크의 에너지 효율을 극대화할 수 있고, 생존 시간(Life Time)을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 의한 센서 네트워크에서의 라우팅 방법을 첨부된 도면에 도시된 바람직한 실시 예를 참고하여 상세하게 설명한다.

도 5에는 본 발명에 따른 라운드(Round) 구성 예시도가 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 센서 네트워크에서의 라우팅 방법의 흐름도가 도시되어 있고, 도 7a 내지 도 7h에는 본 발명에 따른 센서 네트워크에서의 라우팅 방법을 설명하기 위한 센서 노드들의 분포 예시도가 도시되어 있다.

먼저, 도 5를 참조하면, 한 라운드(60)에는 하나의 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)(62)와, 복수의 활성 단계(Steady-State Phase)(64a 내지 64n) 를 포함하여 구성된다. 즉, 상기 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)가 1회만 실시되는 것이다. 이때, 상기 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)(62)는 광고 단계(62a)와, 클러스터 설정 단계(62b)와, 일정 생성 단계(62c)를 포함하여 구성된다. 특히, 상기 클러스터 설정 단계(62b)는 후보 클러스터 헤더를 선정하는 기능을 포함한다. 이와 같이 복수의 활성 단계(Steady-State Phase)(64a 내지 64n)에 따라 추가의 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase) 없이 계속해서 정보를 전송할 수 있게 되는 것이다. 본 실시 예에서는 이러한 라우팅 방법을 'e-LEACH'라 칭하기로 한다. 이와 같은 e-LEACH는, 종래의 LEACH에서 매 라운드마다 전반부에 수행되는 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)를 획기적으로 줄이거나 또는 생략함에 따라 효율적인 라운드 수행을 가능하게 하는 것이다.

이러한 라운드 구성으로 수행되는 본 발명에 따른 e-LEACH를 도 6을 참조하여 상세하게 설명하겠다. 이때, 상기 e-LEACH를 설명함에 있어서 실제 센서 노드들의 분포 예시도를 나타내고 있는 도 7a 내지 도 7h를 함께 참조하여 설명한다.

도 6을 참조하면, 상기 e-LEACH 방식은 메인 클러스터 헤더 선출 및 클러스터 영역을 설정하고, 복수 개의 후보 클러스터 헤더를 선정하는 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)(S200)와, 상기 선출된 메인 클러스터 헤더 및 복수 개의 후보 클러스터 헤더가 순차적으로 주변정보를 전송하는 활성 단계(Steady-State Phase)(S220)를 포함한다. 상기 주변정보는 사물인식 정보, 온도 정보, 습도 정보, 오염 정보 등과 같은 주변의 환경 정보를 포함한다.

상기 클러스터 구성 단계(S200)에서는 먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이, 센 서 노드(70)가 다수 개 예컨대, 100개가 분포되어 있는 상태에서 각 센서 노드(70)들은 현재 라운드의 메인 클러스터 헤더 선출 여부를 결정한다(S202). 즉, 각 센서 노드(70)들은 미리 설정된 최적의 비율(5%)과 임계치 값에 기초하여 자신이 메인 클러스터 헤더로 선출될지 여부를 결정한다. 이에 따라, 5개의 메인 클러스터 헤더(72A 내지 72E)가 선출된다(도 7b 참조).

상기 선출된 메인 클러스터 헤더(72A 내지 72E)들은 센서 네트워크에 포함되어 있는 모든 센서 노드(즉, 비 메인 클러스터 헤더)(70)들에게 메인 클러스터 헤더(72A 내지 72E)로 선출되었음을 공지하기 위한 광고 메시지를 브로드캐스팅 한다(S204). 상기 광고 메시지는 자신의 노드 ID 및 노드 IP, 포트번호 등의 정보를 포함한다.

그리고, 상기 메인 클러스터 헤더(72A 내지 72E)들은 각각의 클러스터 영역을 구성하기 위해(즉, 멤버 노드로부터 클러스터 조인 메시지를 전송받기 위해) 수신모드로 모드전환을 수행한다.

그러면, 상기 센서 노드(70)들은 상기 전송된 광고 메시지의 신호 세기에 따라 소속될 클러스터 영역을 결정한다. 즉, 각 센서 노드(70)들은 신호 세기가 가장 우수한 광고 메시지를 송신한 메인 클러스터 헤더 하나를 선택하는 것이다. 그리고, 각 센서 노드(70)는 상기 선택한 메인 클러스터 헤더에게 자신이 멤버 노드임을 알리기 위한 클러스터 조인 메시지(Cluster Join Message)를 전송한다(S206). 상기 클러스터 조인 메시지는 센서 노드의 모든 정보 즉, 소속 클러스터 헤더 정보(Cluster_Head_ID), 멤버 노드 정보(Node_ID), 에너지 잔량(Energy Life Extension) 정보 등을 포함하여 이루어진다.

이와 같이, 해당 멤버 노드(70A 내지 70E)들로부터 상기 클러스터 조인 메시지가 모두 전송 완료되면, 도 7c에 도시된 바와 같이, 상기 5개의 메인 클러스터 헤더(72A 내지 72E)를 중심으로 5개의 클러스터 영역(A 내지 E)이 구성된다.

제208단계에서, 상기 메인 클러스터 헤더(72A 내지 72E)들은 전체 센서 노드의 개수(또는, 멤버 노드의 개수)에 따라 적정 비율에 해당하는 후보 클러스터 헤더를 각각 복수 개 선정한다. 이때, 상기 메인 클러스터 헤더(72A 내지 72E)들은 해당 멤버 노드(70A 내지 70E)들로부터 전송된 정보 중 에너지 잔량(Energy Life Extension) 정보를 기준으로 상기 후보 클러스터 헤더를 선정하게 된다. 예컨대, 도 7d를 참조하면, 상기 클러스터 영역(A 내지 E)마다 상기 메인 클러스터 헤더(72A 내지 72E)들은 자신의 멤버 노드(70A 내지 70E) 중 에너지 잔량(Energy Life Extension) 정보가 큰 순서대로 4개의 후보 클러스터 헤더(74)를 선정한다.

그리고, 상기 메인 클러스트 헤더(72A 내지 72E)들은 상기 선정된 복수의 후보 클러스터 헤더를 메인 클러스터 헤더로 활용할 우선 순위를 에너지 잔량(Energy Life Extension) 정보가 큰 순서대로 부여한다.

또한, 상기 메인 클러스터 헤더(72A 내지 72E)들은 각각의 후보 클러스터 헤더 정보와 부여된 우선 순위를 참조하여 새로운 시분할 다중 접속(Time Division Multiple Access; TDMA) 스케쥴 메시지를 생성한다(S210). 이는, 종래의 LEACH에서와 같이 최초 메인 클러스터 헤더에 대한 멤버 노드들의 정보 전송 일정만을 생성하는 것뿐만 아니라, 상기 복수 개의 후보 클러스터 헤더에 대한 멤버 노드들의 정 보 전송 일정까지도 생성하는 것이다. 그리고, 상기 메인 클러스터 헤더(72A 내지 72E)들은 상기 생성된 새로운 TDMA 스케줄 메시지를 자신의 멤버 노드(70A 내지 70E)들에게 전송한다.

상기 제210단계에 따라 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)(S200)가 종료되고, 각 멤버 노드(70A 내지 70E)로부터 센싱된 주변정보가 전달되는 활성 단계(S220)가 수행된다.

일단 상기 활성 단계(S220)가 수행되면, 도 7e에서와 같이 각 멤버 노드(70A 내지 70E)들은 해당 메인 클러스터 헤더(72A 내지 72E)로부터 전송된 새로운 TDMA 스케줄 메시지에 따라 휴지(sleep) 상태 및 활성화 상태를 유지하며 센싱한 주변정보를 해당 메인 클러스터 헤더(72A 내지 72E)에게 전송한다(S222). 여기서, 설명의 편의상 'C' 클러스터 영역에서만 메인 클러스터 헤더에게 센싱된 주변정보가 전송되는 과정을 도시하였지만, 나머지 클러스터 영역(A)(B)(D)(E) 물론 동일한 과정이 수행되는 것은 당연하다.

모든 멤버 노드(70A 내지 70E)로부터 상기 센싱된 주변정보가 해당 메인 클러스터 헤더(72A 내지 72E)에게 모두 전송 완료되면, 도 7f에 도시된 바와 같이, 각 메인 클러스터 헤더(72A 내지 72E)는 전송받은 정보를 단일 신호화(data fusion)하여 베이스 스테이션(75)에게 전송한다(S224).

이후, 각 클러스터 영역(A 내지 E)마다 부여된 우선 순위 정보에 따라 복수 개의 후보 클러스터 헤더들 중 어느 하나는 메인 클러스터 헤더의 역할을 대신하도록 메인 클러스터 헤더로 변경된다(S226의 '예'). 이때, 상기 최초의 메인 클러스 터 헤더(72A 내지 72E)는 주변정보를 센싱하도록 멤버 노드로 변경된다.

그러면, 상기 멤버 노드들은 상기 새로운 TDMA 스케줄 메시지의 일정에 따라 센싱한 주변정보를 상기 변경된 메인 클러스터 헤더에게 전송한다.

예컨대, 도 7g를 참조하면, 각 클러스터 영역(A 내지 E)마다 선정된 복수 개의 후보 클러스터 헤더(74) 중 어느 하나는 우선 순위 정보에 따라 메인 클러스터 헤더(76)로 변경된다. 그리고, 해당 멤버 노드들(70A 내지 70E)은 TDMA 스케쥴 메시지에 따라 센싱한 주변정보를 상기 변경된 메인 클러스터 헤더(76)에게 전송한다. 물론, 상기 최초의 메인 클러스터 헤더(72A 내지 72E) 또한 해당 클러스터 영역(A 내지 E)의 멤버 노드로써 상기 새로운 TDMA 스케쥴 메시지에 따라 센싱한 주변정보를 상기 변경된 메인 클러스터 헤더(76)에게 전송한다. 설명의 편의상 'E' 클러스터 영역에만 변경된 메인 클러스터 헤더(76)에게 주변정보가 전송되는 과정을 도시하였지만, 나머지 클러스터 영역(A)(B)(C)(D) 물론 같은 과정이 수행되는 것은 당연하다.

그리고, 모든 멤버 노드로부터 센싱된 주변정보가 전송 완료되면, 도 7h에 도시된 바와 같이, 상기 변경된 메인 클러스터 헤더(76A 내지 76E)는 전송받은 데이터를 단일 신호화(data fusion)하여 베이스 스테이션(75)에게 전송한다.

마찬가지로, 각 클러스터 영역(A 내지 E)마다 선정된 나머지 3개의 후보 클러스터 헤더 또한 부여된 우선 순위 정보에 따라 순차적으로 메인 클러스터 헤더로 변경되어 주변정보를 수집하고 이를 상기 베이스 스케이션(75)에게 전송하게 된다.

이와 같이, 각 클러스터 영역(A 내지 E)마다 선정된 모든 후보 클러스터 헤 더들은 부여된 우선순위 정보에 따라 순차적으로 메인 클러스터 헤더로의 변경(최초 메인 클러스터 헤더→제1후보 클러스터 헤더→제2후보 클러스터 헤더→ … →제n후보 클러스터 헤더 순위로 부여된 우선순위 정보에 입각하여 메인 클러스터 헤더의 역할을 수행하도록 변경)이 수행되고, 상기 변경된 후보 클러스터 헤더는 해당 멤버 노드들에 의해 전송된 주변정보를 수집하여 베이스 스테이션(75)에게 전송하게 된다.

이후, 상기 새로운 TDMA 스케줄 메시지에 따라 메인 클러스터 헤더 및 복수 개의 후보 클러스터 헤더들의 모든 일정이 종료되면, 다시 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)를 시작으로 다음 라운드를 진행한다.

이에 따라 종래의 LEACH에서는 제224단계에서 한 라운드가 종료된 시점이지만, 본 발명에서는 1/n(메인 클러스터 헤더 및 후보 클러스터 헤더의 개수) 라운드에 불과한 것이다. 이는 상기 선정된 후보 클러스터 헤더의 개수만큼 전체 센서 네트워크를 통한 메인 클러스터 헤더 재선출 및 클러스터 재구성 과정을 생략할 수 있으므로, 그만큼의 에너지 효율을 극대화할 수 있고 아울러, 전체 네트워크의 신뢰성 및 상기 센서 노드들의 생존 시간(life time)을 크게 개선할 수 있는 것이다. 실제 센서 네트워크 환경에서는 통상 수백 내지는 수천 번 이상의 라운드 운영횟수를 요구하고 있으므로, 그 차이는 더 확연할 것이다.

한편, 도 8a에는 멤버 노드로부터 전송되는 클러스터 조인 메시지의 프레임 구성 예시도가 도시되어 있다.

도 8a를 참조하면, 상기 클러스터 조인 메시지(80)는 라운드를 구성하는 각 단계별 헤더의 패킷 유형(Packet Type)(4 bit)(81)과, 현재 정보를 송신하는 노드의 주소(2 byte)(82)와, 정보를 수신하는 노드의 주소(2 byte)(83)와, 송수신시 발생할 수 있는 시그널 교란을 바로 잡기 위한 것으로, 전송 차례(4 bit)(84)와, 송수신 장애 시 일시적 또는 정해진 시간만큼 전송을 정지하거나 중지했다가 재전송을 하고자 할 경우 사용되는 항목(4 bit)(85)과, 멤버 노드의 정보(2 byte)(86)와, 소속 클러스터 헤더의 정보(2 byte)(87)와, 자신의 에너지 잔량 정보(2 byte)(88)를 포함하여 구성된다.

도 8b에는 새로운 TDMA 스케줄 메시지의 구성 프레임이 도시되어 있다. 도 8b를 참조하면, 상기 새로운 TDMA 스케줄 메시지(90)는 해당 멤버 노드들의 스케줄 정보(2 byte)(96)와, 복수 개의 후보 클러스터 헤더의 정보 및 우선 순위 정보(2 byte)(97)를 포함하여 구성된다. 설명하지 않은 도면 부호'91' 내지 '95'는 도 8a에서 설명한 내용과 동일하므로, 설명은 생략하기로 한다.

한편, 도 9a 내지 도 9c에는 LEACH 방식과 e-LEACH 방식 수행시 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)에서 발생되는 각각의 에너지 소모량을 비교하기 위한 그래프가 도시되어 있다.

도 9a는 후보 클러스터 헤더를 2 개 선정한 경우이고, 도 9b는 후보 클러스터 헤더를 5 개 선정한 경우이고, 도 9c는 후보 클러스터 헤더를 10 개 선정한 경우이다. 도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같이, e-LEACH 방식은 특히, 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase) 중 TDMA 스케줄 생성단계(S_sche)에서 멤버 노드의 스케줄 정보뿐만 아니라 각 후보 클러스터 헤더의 정보 및 우선 순위 정보까지 생성함에 따라 상기 LEACH 프로세스에 비해 오버헤더(Overhead)가 발생되고 있다. 이로 인해, 상기 e-LEACH 방식의 초기 에너지는 상기 LEACH 방식보다 과도하게 소비되는 것을 알 수 있다.

그러나, 상기 e-LEACH 방식은 초기 에너지의 비효율적인 상황에도 불구하고 전체 라운드에서는 상기 LEACH보다 효율적이다. 이를 도 10a 내지 도 10c를 참조하여 설명하겠다. 도 10a 내지 도 10c에는 상기 LEACH 방식과 e-LEACH 방식의 전체 라운드에 따른 에너지 소모량을 비교한 그래프가 도시되어 있다.

도 10a는 후보 클러스터 헤더를 2 개 선정한 경우이고, 도 10b는 후보 클러스터 헤더를 5 개 선정한 경우이고, 도 10c는 후보 클러스터 헤더를 10 개 선정한 경우이다. 도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 'X축'은 라운드의 횟수를 의미하고, 'Y축'은 에너지 소모량(mJ)을 의미한다. 초기 제1 라운드의 경우에는, 도 9a 내지 도 9c에서 설명한 바와 같이, 상기 e-LEACH 방식의 비효율적인 에너지 소모량을 보여주지만, 라운드 횟수가 증가할수록 그 에너지 효율은 크게 4배 이상의 차이를 보이고 있음을 확인할 수 있다. 이는, 종래의 LEACH 방식에 대비하여 다음 라운드 시작시마다 전반부에 수행된 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)를 생략함에 따라 에너지 효율이 극대화되는 것이다.

이와 같이 상기 실시 예에 설명되고 있는 본 발명은 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)를 효율적으로 관리함에 따라 전체 네트워크의 에너지 효율을 극대화할 수 있고, 생존 시간(Life Time)을 연장시킬 수 있다.

이러한 본 발명의 범위는 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기 술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

도 1은 일반적인 센서 네트워크의 블록 구성도.

도 2a 내지 도 2c는 종래의 라우팅 방법의 예시도.

도 3은 LEACH의 라운드 구성 예시도.

도 4는 LEACH의 동작을 설명하기 위한 흐름도.

도 5는 본 발명에 따른 라운드(Round) 구성 예시도.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 e-LEACH의 흐름도.

도 7a 내지 도 7h는 본 발명에 따른 e-LEACH를 설명하기 위한 센서 노드의 분포 예시도.

도 8a는 클러스터 조인 메시지의 프레임 구성 예시도.

도 8b는 새로운 TDMA 스케줄 메시지의 프레임 구성 예시도.

도 9a 내지 도 9c는 LEACH 방식과 e-LEACH 방식의 클러스터 구성 단계(Set-Up Phase)에서 발생되는 각각의 에너지 소모량을 비교한 그래프.

도 10a 내지 도 10c는 LEACH 방식과 e-LEACH의 전체 라운드에서 발생되는 각각의 에너지 소모량을 비교한 그래프.

Claims

센서 네트워크 필드에서 적어도 하나 이상의 메인 클러스터 헤더를 선출하는 메인 클러스터 헤더 선출단계,

상기 선출된 메인 클러스터 헤더가 상기 센서 네트워크 필드에 존재하는 모든 센서 노드에게 광고 메시지를 전송하는 광고 메시지 전송단계,

상기 센서 노드가 상기 전송된 광고 메시지의 신호 세기에 따라 클러스터 영역을 적어도 하나 이상 구성하는 클러스터 영역 구성단계,

상기 구성된 클러스터 영역마다 복수 개의 후보 클러스터 헤더를 선정하는 후보 클러스터 헤더 선정단계,

상기 후보 클러스터 헤더마다 우선 순위를 부여하는 우선 순위 부여단계, 그리고

상기 우선 순위에 따라 자신의 순서가 도래되는 후보 클러스터 헤더부터 순차적으로 주변정보를 수집 및 전송하는 주변정보 전송단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서의 라우팅 방법.
제 1항에 있어서,

상기 후보 클러스터 헤더마다 우선 순위가 부여되면, 상기 메인 클러스터 헤더가 상기 선정된 후보 클러스터 헤더 정보 및 우선 순위 정보에 따라 스케줄 메시지를 생성하는 스케줄 메시지 생성단계와, 그리고

상기 메인 클러스터 헤더가 상기 생성된 스케줄 메시지를 해당 멤버 노드에게 전송하는 스케줄 메시지 전송단계를 더 수행하고,

상기 스케줄 메시지는 시분할 다중 접속(Time Division Multiple Access; TDMA) 방식에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서의 라우팅 방법.
제 2항에 있어서, 상기 클러스터 영역 구성단계는,

상기 센서 노드가 상기 광고 메시지의 신호 세기에 따라 소속될 메인 클러스터 헤더에게 클러스터 조인 메시지(Cluster Join Message)를 전송하는 단계, 그리고

해당 메인 클러스터 헤더와 그 메인 클러스터 헤더에게 상기 클러스터 조인 메시지를 전송한 센서 노드들을 포함하여 하나 이상의 클러스터 영역이 구성되는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서의 라우팅 방법.
제 3항에 있어서,

상기 클러스터 조인 메시지는, 각 단계별 헤더의 패킷 유형(Packet Type) 정보(4 bit)와, 송신 노드의 주소(2 byte)와, 수신 노드의 주소(2 byte)와, 시그널 교란을 바로 잡기 위한 전송 순서 정보(4 bit)와, 송수신 장애 시 재전송용 정보(4 bit)와, 멤버 노드의 정보(2 byte)와, 소속 클러스터 헤더의 정보(2 byte)와, 자신 의 에너지 잔량 정보(2 byte)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서의 라우팅 방법.
제 4항에 있어서,

상기 후보 클러스터 헤더는 상기 클러스터 조인 메시지에 포함된 에너지 잔량 정보가 큰 순서대로 복수 개 선정되고 상기 에너지 잔량 정보가 큰 순서대로 우선 순위가 부여되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서의 라우팅 방법.
제 2항에 있어서,

상기 스케줄 메시지는 각 단계별 헤더의 패킷 유형(Packet Type)(4 bit)과, 송신 노드의 주소(2 byte)와, 수신 노드의 주소(2 byte)와, 시그널 교란을 바로 잡기 위한 전송 순서 정보(4 bit)와, 송수신 장애 시 재전송용 정보(4 bit)와, 해당 멤버 노드들의 스케줄 정보(2 byte)와, 복수 개의 후보 클러스터 헤더의 정보 및 우선 순위 정보(2 byte)를 포함하고,

상기 스케줄 메시지에 따라 상기 센서 노드로부터 전송된 주변정보가 각 메인 클러스터 헤더에 의해 수집되어 베이스 스테이션에게 전송되는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크에서의 라우팅 방법.