KR20110022821A - 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법 - Google Patents

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Abstract

불필요한 재전송으로 인한 노드의 에너지 소비를 줄일 수 있고, 브로드캐스트의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법이 개시된다. 먼저, 중계 노드를 선발하는 제1 노드가 이웃 노드의 정보를 획득하고, 제1 노드가 획득한 이웃 노드의 정보에 기초하여 제1 노드로부터 1홉의 위치에 있는 노드들 중에서 중계 노드를 선발한 후 복수의 채널을 이용하여 선발된 적어도 하나의 중계 노드들 중 이웃하는 두 중계 노드에 동일한 채널이 할당되지 않도록 채널을 할당하고, 제1 노드가 선발된 중계 노드를 통해 브로드캐스트 메시지를 전송한다. 따라서, 각 노드가 중첩된 메시지를 송수신함으로써 소비되는 에너지를 줄일 수 있고, 브로드캐스트 메시지의 충돌을 억제하여 브로드캐스트 메시지 전송의 신뢰성을 향상시킬 수 있다
무선 센서 네트워크, MPR, 중계, 충돌, 채널

Description

무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법{METHOD FOR BROADCASTING IN WIRELESS SENSOR NETWORK}
본 발명은 무선 네트워크의 브로드캐스팅에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 멀티 포인트 릴레이를 이용한 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크는 각 센서 노드가 감지한 이벤트를 메시지를 통해 싱크 노드(sink node)로 전달하여 정보를 수집하는 기능을 수행하는 네트워크이다. 무선 센서 네트워크의 각 노드는 한정된 배터리 에너지를 이용하여 동작하므로 에너지를 효율적으로 사용하는 것이 중요하다. 각 노드들에서 소비되는 대부분의 에너지는 메시지의 송신과 수신에 사용된다.
무선 센서 네트워크의 전송 방법은 크게 유니캐스트(unicast)와 브로드캐스트(broadcast)로 구분될 수 있다. 브로드캐스트는 싱크 노드로 부터 모든 노드들에게 신호가 전달되는 방식으로, 질의를 통한 특별한 데이터의 수집, 노드의 프로그램 업데이트, 전체 무선 센서 네트워크 시스템의 제어 및 클락 표류(clock drift)로 인한 오차를 보정하기 위한 동기화(Synchronization) 등에 사용된다.
상기한 바와 같이 무선 센서 네트워크에서 브로드캐스트는 싱크 노드가 네트워크를 제어 및 관리하는 역할을 수행하기 위해 사용하는 중요한 전송방식이다. 이와 같은 이유로 효율적인 브로드캐스트 방법에 대한 연구는 무선 센서 네트워크에서 중요한 연구 주제 중 하나이다.
일반적으로 가장 단순한 브로드캐스트 기법인 플러딩(flooding)은 전송되는 브로드캐스트 메시지 간에 충돌 확률이 높고, 과도한 잉여 재전송에 따른 에너지 낭비를 발생시키는 브로드캐스트 스톰(broadcast storm)을 야기한다. 플러딩의 경우 재전송으로 커버되는 새로운 영역은 평균 41%에 불과하기 때문에 불필요한 송수신 에너지의 낭비와 노드간 과도한 전송 경쟁 및 메시지간 충돌 확률이 높아지는 문제점을 야기한다.
브로드캐스트는 성공적인 메시지 전송을 확인하는 ACK 메시지를 사용하지 않기 때문에 메시지간 충돌이 발생해 노드가 메시지를 받지 못한 경우에도 이를 확인할 수 없다. 따라서, 신뢰성 있는 브로드캐스트를 수행하기 위해 충돌 확률을 줄이는 것이 브로드캐스트에서 매우 중요하다.
무선 센서 네트워크에서 브로드캐스트 방법은 크게 두 가지로 나눠진다. 첫 번째는 각 노드가 전체 네트워크 토폴로지 정보를 습득하여 최적의 브로트캐스트 전달 노드를 설정하는 것이다. 그러나, 이와 같은 방법은 수천 개의 노드가 배치되는 경우 각 노드가 한정된 메모리 용량만으로 모든 노드의 정보를 저장해야 하기 때문에 노드의 수가 많은 경우에는 적합하지 않다는 단점이 있다.
두 번째는 각 노드가 자신 주변의 이웃 노드 정보만을 이용하여 효율적인 브 로드캐스트 전달 노드를 설정하는 것이다. 이웃 노드 정보만을 이용한 브로드캐스트 방법 중 MPR(Multi-Point Relay) 기반 기법은 2 홉(hop) 범위의 이웃 노드 정보를 이용하여 모든 2 홉 이웃 노드에게 메시지를 전달하기 위한 1 홉의 전달 노드를 최소한으로 선발하여 효율적으로 브로트캐스트를 수행하는 방법이다. 여기서, MPR은 소정의 노드가 싱크 노드로부터 n 홉에 위치할 때 상기 소정의 노드가 n+2 홉에 위치한 자손 노드들을 모두 커버(cover)할 수 있는 n+1의 자식 노드를 최소한으로 선출하게 되는데 이때 선출된 n+1 홉에 위치한 자식 노드를 의미한다.
MPR 기반 브로드캐스트 방법은 모바일 Ad-hoc 네트워크(MANET)에서 소개되었고, QoS 또는 우선순위를 고려하거나 확률에 기반을 둔 다양한 MPR 기반 브로드캐스트 방법이 제안되었다.
MPR 기반 브로드캐스트 방법은 브로드캐스트 전달 노드(즉, MPR)를 최소한으로 선발하고 선발된 브로드캐스트 전달 노드를 통하여 메시지를 브로드캐스트 함으로써 불필요한 재전송을 줄이는 것이 최대 장점이다.
그러나, 최소한의 MPR을 선발하는 경우에도 소정의 노드가 두 개의 서로 다른 MPR의 전송 거리 내에 포함되어 두 개의 서로 다른 MPR로부터 동일한 메시지를 두 번 수신하는 경우가 발생할 수 있는 단점이 있다. 특히, 상기한 두 개의 서로 다른 MPR이 서로 히든 터미널(hidden terminal)관계에 있을 경우, 수신 노드에서 메시지 충돌이 발생하여 신뢰성 있는 메시지 수신을 하지 못하게 되는 경우가 발생할 수 있다.
상술한 바와 같은 단점을 극복하기 위한 본 발명의 목적은 불필요한 재전송으로 인한 노드의 에너지 소비를 줄일 수 있고, 브로드캐스트의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법은, 중계 노드를 선발하는 제1 노드가 이웃 노드의 정보를 획득하는 단계와, 상기 제1 노드가 획득한 상기 이웃 노드의 정보에 기초하여 상기 제1 노드로부터 1홉의 위치에 있는 노드들 중에서 중계 노드를 선발하는 단계와, 상기 제1 노드가 복수의 채널을 이용하여 선발된 적어도 하나의 중계 노드들 중 이웃하는 두 중계 노드에 동일한 채널이 할당되지 않도록 채널을 할당하는 단계 및 상기 제1 노드가 선발된 중계 노드를 통해 브로드캐스트 메시지를 전송하는 단계를 포함한다. 상기 중계 노드를 선발하는 노드가 이웃 노드의 정보을 획득하는 단계는, 상기 제1 노드가 상기 제1 노드로부터 1홉(hop)에 위치하는 이웃 노드의 집합, 상기 제1 노드로부터 2홉에 위치하는 이웃 노드의 집합 및 상기 1홉에 위치하는 이웃 노드 각각이 커버하는 2홉 노드의 집합 정보를 획득할 수 있다. 상기 중계 노드를 선발하는 노드가 이웃 노드의 정보을 획득하는 단계는, 획득한 상기 이웃 노드 정보에 기초하여 2차원 행렬을 생성하는 단계를 포함하되, 상기 2차원 행렬의 각 행은 상기 제1 노드로부터 1홉에 위치하는 이웃 노드를 나타내고, 상기 2차원 행렬의 각 열은 상기 1홉에 위치하는 이웃 노드 각각이 커버하는 2홉 노드를 나타낼 수 있다. 상기 제1 노드가 획득한 상기 이웃 노드의 정보에 기초하여 상기 제1 노드로부터 1홉의 위치에 있는 노드들 중에서 중계 노드를 선발하는 단계는, 상기 2차원 행렬의 각 열 마다 기록된 동일한 노드 정보를 카운트하는 단계와, 카운트된 값이 작은 순으로 열을 검색하여 소정의 열에 기록된 2홉 노드에 대응되는 1홉에 위치한 노드를 중계 노드로 선발하는 단계 및 선발된 중계 노드가 커버하는 2홉 노드는 이후의 열 검색에서 제외하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 노드가 획득한 상기 이웃 노드의 정보에 기초하여 상기 제1 노드로부터 1홉의 위치에 있는 노드들 중에서 중계 노드를 선발하는 단계는, 상기 제1 노드가 다른 중계 노드를 선발하는 노드와 메시지 교환을 통해 선발된 중계 노드들 간의 간섭 영역에 포함된 중첩 노드 정보를 획득하는 단계 및 획득한 상기 중첩 노드 정보에 기초하여 선발된 중계 노드 중 다른 노드와 전송 간섭을 일으키는 중계 노드를 선발된 중계 노드에서 제외시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 노드가 복수의 채널을 이용하여 선발된 적어도 하나의 중계 노드들 중 이웃하는 두 중계 노드에 동일한 채널이 할당되지 않도록 채널을 할당하는 단계는, 세 개의 채널을 이용하여 상기 이웃하는 두 개의 중계 노드에 첫 번째 채널 및 세 번째 채널을 교대로 할당하고, 네트워크 토폴로지에서 상기 제1 노드가 커버하는 중계 노드들 중 가장 외곽에 위치한 중계 노드는 두 번째 채널을 할당할 수 있다. 상기 제1 노드가 선발된 중계 노드를 통해 브로드캐스트 메시지를 전송하는 단계는, 상기 제1 노드가 비콘 신호를 적어도 하나의 선발된 중계 노드에 전송하는 단계와, 상기 비콘 신호를 수신한 상기 적어도 하나의 선발된 중계 노드가 브로드캐스트 메시지의 수신을 위해 할당된 채널로 채널을 변경하는 단계 및 상기 제1 노드가 상기 할당된 채널을 통해 상기 브로드캐스트 메시지를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법에 따르면, 각 노드가 Hello 메시지를 통해 1홉 및 2홉의 이웃 노드 및 1홉 노드가 커버하는 2홉 노드 정보를 획득한 후 2차원 행렬을 생성하고, 생성된 행렬에 기초하여 MPR을 최소로 선발한다. 그리고, 세 개의 채널을 이용하여 생성된 MPR 노드들 중 이웃하는 노드들에게 중첩되지 않는 채널을 할당한 후, 브로드캐스트 메시지를 전송한다.
따라서, 각 노드가 중첩된 메시지를 송수신함으로써 소비되는 에너지를 줄일 수 있고, 브로드캐스트 메시지의 충돌을 억제하여 브로드캐스트 메시지 전송의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나 의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호 를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법은 무선 센서 네트워크의 동작 중 브로드캐스트 전송을 대상으로 하며 기타의 동작들은 일반적인 MAC(Medium Access Control) 프로토콜에 기초하여 동작하는 것으로 가정한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법에서 무선 센서 네트워크를 구성하는 각 노드들은 주변의 노드 위치와 비교하여 자신의 위치에 대한 상대적인 위치 정보를 알 수 있는 것으로 가정한다. 예를 들어, 각 노드는 GPS(Global Positioning System) 또는 가상 좌표(Virtual Coordinate) 방법(T. Moscibroda, R. O'Dell, M. Wattenhofer, and R. Wattenhofer. "Virtual coordinates for ad hoc and sensor networks". In DIALM-POMC '04 pages 8-16 참조)을 통해 상대적인 위치 정보를 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 네트워크 토폴로지를 나타낸다. 도 3은 도 1에 도시된 이웃 노드 정보 획득 과정을 통해 획득한 이웃 노드 정보를 행렬 형태로 표시한 것이다. 도 4는 MPR 노드 간의 전송 간섭 영역을 설명하기 위한 개념도이다. 도 5는 도 1에 도시된 채널 할당 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드 캐스트 방법은 크게 브로드캐스트 메시지가 전송될 경로를 설정하는 초기화 과정(단계 110 내지 단계 140)과, 설정된 브로드캐스트 경로를 통해 브로드캐스트 메시지를 전송하는 과정(단계 150)으로 구성되고, 상기 초기화 과정은 이웃 노드의 정보 획득 단계(단계 110), 획득한 이웃 노드 정보에 기초하여 최소한의 MPR 노드를 선발하는 단계(단계 120) 및 선발된 MPR에 채널을 할당하는 단계(단계 130)로 구성될 수 있다.
구체적으로, 초기화 과정은 먼저 각 노드가 Hello 메시지 교환을 통해 이웃 노드의 정보를 획득한다(단계 110). 여기서 각 노드는 자신을 기준으로 1홉에 위치하는 이웃 노드의 집합과, 2홉에 위치하는 이웃 노드의 집합과, 1홉에 위치하는 이웃 노드 각각이 커버하는 2홉 이웃 노드의 정보를 획득한다.
이후, 각 노드는 획득한 이웃 노드 정보에 기초하여 2차원 행렬을 생성한다. 상기 2차원 행렬에서 각 행은 1홉 거리에 위치하는 노드를 나타내고, 각 열은 각 1홉 노드와 연결된 2홉 거리에 위치하는 노드를 나타낸다.
예를 들어, 도 2에 도시된 네트워크 토폴로지에서 K 레벨에 위치하는 노드 S는 K+1 레벨(즉, 1홉 거리)에 위치하는 노드들 중 최소의 MPR 노드를 선발하는 MPR 선발 노드이고, 상기 노드 S는 획득한 이웃 노드 정보에 기초하여 도 3에 도시된 바와 같이 2차원 행렬을 생성한다. 구체적으로, 노드 S는 1홉 거리에 위치하는 노드들인 노드 A, 노드 B, 노드 C 및 노드 D를 행에 삽입하고, 1홉 거리에 위치한 각 노드와 연결된 2홉 거리의 노드를 해당 열에 삽입하여 행렬을 생성한다. 노드 A는 노드 1, 노드 2 및 노드 3을 자식 노드로 취하고 있으므로 행렬의 A 행 뒤에 1, 2, 3을 삽입한다. 여기서, 각 노드는 자신이 위치한 레벨을 알고 있기 때문에 이웃 노드라 하더라도 자신이 위치한 레벨보다 높은 레벨에 위치한 노드의 정보는 행렬에 삽입하지 않는다.
이후, MPR 노드를 선발하는 노드(이하, 'MPR 선발 노드'라 지칭함)는 상술한 바와 같은 과정을 통해 생성된 행렬에 기초하여 최소 개수의 MPR 노드를 선발한다(단계 120).
구체적으로, MPR 선발 노드는 생성된 2차원 행렬에서 각 열마다 같은 숫자(즉, 2홉 노드 정보)가 중복되는 회수를 카운트하고, 카운트 값이 작은 순으로 열을 검색하여 해당 열에 대응되는 부모 노드를 MPR 노드로 선발하고, 선발된 MPR 노드에 포함된 다른 자식 노드들은 이후의 카운트 값 검색에서 제외한다. 또한, 복수의 열이 동일한 카운트 값을 가지는 경우에는 열의 왼쪽에서 오른쪽으로 순차적으로 검색하되 먼저 선발된 MPR 노드에 속하는 자식 노드는 검색에서 제외한다. 여기서, 소정의 열에서 카운트된 값이 1인 경우는 상기 열에 속한 노드의 부모 노드는 단 하나라는 것을 의미하기 때문에 상기 부모 노드는 반드시 MPR 노드가 되어야 함을 의미한다.
도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 먼저 노드 1은 카운트 값이 1이므로 노드 1의 부모 노드인 노드 A는 MPR 노드로 선발된다. 이후, 노드 A의 자식 노드인 노드 2 및 노드 3은 노드 A가 커버하는 영역에 포함되므로 다음 카운트 값 검색에서 제외된다. 이와 동일한 방법을 적용하여 노드 7의 카운트 값이 1이므로 노드 7의 부모 노드인 노드 D도 MPR 노드로 선발되고 노드 D의 자식 노드인 노드 6은 카 운트 값 검색에서 제외된다. 또한, 카운트 값이 2인 노드 4 및 노드 5는 동일한 카운트 값을 가지므로 순차적 검색에 의해 노드 4의 부모 노드인 노드 B가 MPR 노드로 선발되고, 노드 B의 자식 노드에 포함되는 노드 5는 검색에서 제외된다.
상술한 MPR 노드의 선발 과정은 무선 센서 네트워크의 가장 높은 레벨에 위치하는 싱크 노드로부터 시작하여 하위 레벨로 내려가면서 MPR 노드로 선정된 노드들에서 반복적으로 수행된다.
또한, 상술한 MPR 노드 선발 과정에서 선발된 MPR 노드와 이웃하는 MPR 노드 사이에는 상호간의 상관관계를 고려하지 않는 경우 전송 간섭 영역이 발생할 수 있다.
도 4를 참조하여 설명하면, 노드 S1 및 노드 S2가 각각 이웃 노드 정보를 이용하여 노드 S11, 노드 S12, 노드 S21 및 노드 S22를 MPR 노드로 선발한 경우, 선발된 MPR 노드간에 최대 4중의 간섭 영역이 발생할 수 있다. 상기와 같은 간섭 영역을 발생시키는 MPR 노드를 제거하기 위해 MPR 노드를 선발하는 노드 S1 및 노드 S2는 메시지 교환을 통해 간섭 영역에 포함된 중첩 노드 정보를 획득하고, 중첩 노드의 부모 노드인 MPR 노드를 찾아내어 MPR 노드에서 제외시킴으로써, 메시지의 중복 수신을 줄이고, 효율적으로 MPR 노드에 채널을 할당할 수 있다.
상술한 바와 같이 MPR 노드 선발 과정이 종료되면, 선발된 각 MPR 노드에 대해 채널이 할당된다(단계 130).
하나의 MPR 선발 노드로부터 선발된 MPR 노드들간에 간섭없는 전송을 위해 필요한 채널의 수는 2개이고(귀류법을 통해 증명 가능함), 여러개의 MPR 선발 노드 로부터 선발된 MPR 노드간의 전송 간섭을 고려하면 소정의 MPR 선발 노드가 선발한 MPR 노드들 중 가장 바깥부분의 MPR 노드에서 간섭이 발생된다. 도 4에 도시된 바와 같이 MPR 노드 선발 과정에서 간섭을 일으키는 MPR 노드를 제거하였기 때문에 3중의 중복은 발생하지 않는다. 따라서, 각 MPR 선발 노드에 의해 선발된 MPR 노드에 의해 중첩되는 자식 노드는 네트워크 토폴로지를 트리 형태로 표현하였을 때 가장 바깥쪽에 위치한 MPR 노드만을 고려하면 된다.
상기한 바와 같은 근거에 의해 본 발명의 일 실시예에서는 3개의 채널을 이용하여 선발된 MPR 노드에 채널을 할당한다.
도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 할당 방법을 설명하면, 먼저 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 하나의 MPR 선발 노드 A가 복수의 MPR 노드(노드 a 내지 노드 f)를 선발한 경우, 가장 왼쪽의 MPR 노드부터 오른쪽으로 진행하면서 순차적으로 서로 다른 홀수 채널을 할당하고, 가장 오른쪽에 위치한 MPR 노드는 짝수 채널을 할당한다. 즉, 가장 왼쪽의 MPR 노드인 노드 a 부터 노드 b, 노드 c, 노드 d로 진행하면서 세 개의 채널 중 1번 채널과 3번 채널을 번갈아 할당하고, 가장 오른쪽에 위치한 MPR 노드 f에는 짝수 채널인 2번 채널을 할당한다.
가장 오른쪽에 위치한 MPR 노드에 짝수 채널을 할당하는 이유는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 MPR 선발 노드 C에 의해 MPR 노드 g에 1번 채널이 할당되고, MPR 선발 노드 D에 의해 MPR 노드 j도 1번 채널이 할당되기 때문에 노드 C의 가장 오른쪽에 위치한 MPR 노드 i와 상기 노드 j에 할당된 채널이 서로 중복되는 것을 방지하기 위함이다.
상술한 바와 같이 선발된 MPR 노드에 채널 할당이 끝나면, 싱크노드로부터 복수의 할당된 MPR 노드를 통해 브로드캐스트 메시지가 전송된다(단계 140).
본 발명의 실시예에서는 각 노드에 비콘(beacon) 트랜시버가 추가된 것으로 가정하고, 싱크 노드에서 브로드캐스트 메시지를 전송하기 전에 비콘 트랜시버를 통해 비콘 신호를 이웃 노드에게 전송한다. 비콘 신호를 수신한 각 노드들은 곧 브로드캐스트 메시지를 수신할 것으로 예상하고 상술한 채널 할당 방법에 따라 할당된 수신 채널 상태로 채널을 변경한다.
싱크 노드에서부터 가장 하위 레벨에 위치한 노드들까지 비콘 신호가 전송되어 브로드캐스트 메시지 송수신 준비가 끝나면 싱크 노드로부터 브로드캐스트 메시지가 전송된다. 여기서, 각 노드의 비콘 트랜시버가 소모하는 에너지는 50미터 내에 비콘 신호를 전송하는 것으로 가정할 경우 0.01mW이고, 이는 일반적인 메시지 송신에 소비되는 전력인 59.1mW와 비교할 때 매우 적은 양이기 때문에 전체 에너지 소비에 미치는 영향이 매우 적다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법에 대한 성능 평가를 위한 파라미터를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법은 현재 상용화된 MICAZ mote를 기반으로 설계하였으며, 성능 평가에 사용된 파라미터는 일반적인 무선 센서 네트워크의 특성과 MICAZ 노드의 기본 특성을 이용하였다.
구체적으로, 각 노드는 이동성을 가지지 않고, 랜덤하게 위치하며 높은 밀집도를 가진다. 또한, 본 발명의 실시예에서 멀티 채널을 이용함으로써 채널 스위칭 시간, 전송 프레임의 파라미터 추가 등의 오버헤드가 발생하지만 파라미터 추가로 인한 프레임의 길이의 차이는 거의 없으므로 무시하고 스위칭 시간만을 추가적으로 고려 하였다.
전체 네트워크 크기는 120m×140m 이며, 노드 수가 200, 300, 400 및 500개인 경우에 대해 모의 실험을 수행하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법과 종래의 MPR 기반 브로드캐스트 방법의 전달 지연시간을 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 종래의 MPR 기반 브로드캐스트 방법은 노드 밀집도가 증가할수록 MPR 노드가 더욱 많이 선발되고 단일 채널을 사용하기 때문에 선발된 MPR 노드의 경쟁이 증가함에 따라 전송 시간이 증가한다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 브로드캐스트 방법은 멀티 채널을 사용하기 때문에 노드 밀집도가 증가하는 경우에도 선발된 MPR 노드간에 전송 경쟁을 감소시킬 수 있고 이로 인해 전송 지연 시간이 급격하게 증가하지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법은 노드 수가 500개 일 때 종래의 MPR 기반 브로드캐스트 방법에 비해 36%의 성능 향상을 보였다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법과 종래의 MPR 기반 브로드캐스트 방법의 충돌 확률을 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 종래의 MPR 기반 브로드캐스트 방법도 3% 내지 4%의 비교적 낮은 충돌확률을 나타내고 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법은 0.5% 내지 1.5%의 충돌 확률을 보이고 있고, 이는 노드 밀집도가 증가하는 경우에도 충돌 확률이 크게 변하지 않기 때문에 높은 전송 신뢰성을 보장할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법과 종래의 MPR 기반 브로드캐스트 방법의 에너지 소비를 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법은 노드 밀집도가 증가하는 경우에도 메시지의 중복 수신으로 인한 에너지 낭비가 거의 발생하지 않지만, 단일 채널을 사용하는 종래의 MPR 기반 브로드캐스트 방법은 에너지 낭비가 급격하게 증가한다. 특히, 노드 수가 500일 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 브로드캐스트 방법은 종래의 브로드 캐스트 방법에 비해 95% 이상의 에너지를 절약할 수 있다.
종래의 브로드 캐스트 방법에서는 노드 밀집도가 높아짐에 따라 하나의 MPR 노드가 커버하는 자식 노드 수가 많아지고 중복된 수신이 많이 지지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 브로드캐스트 방법에서는 멀티 채널을 사용하여 중복 수신을 방지함으로써 에너지를 절약할 수 있음을 알 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 네트워크 토폴로지를 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 이웃 노드 정보 획득 과정을 통해 획득한 이웃 노드 정보를 행렬 형태로 표시한 것이다.
도 4는 MPR 노드 간의 전송 간섭 영역을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 도 1에 도시된 채널 할당 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법에 대한 성능 평가를 위한 파라미터를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법과 종래의 MPR 기반 브로드캐스트 방법의 전달 지연시간을 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법과 종래의 MPR 기반 브로드캐스트 방법의 충돌 확률을 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법과 종래의 MPR 기반 브로드캐스트 방법의 에너지 소비를 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.

Claims (7)

  1. 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법에 있어서,
    중계 노드를 선발하는 제1 노드가 이웃 노드의 정보를 획득하는 단계;
    상기 제1 노드가 획득한 상기 이웃 노드의 정보에 기초하여 상기 제1 노드로부터 1홉의 위치에 있는 노드들 중에서 중계 노드를 선발하는 단계;
    상기 제1 노드가 복수의 채널을 이용하여 선발된 적어도 하나의 중계 노드들 중 이웃하는 두 중계 노드에 동일한 채널이 할당되지 않도록 채널을 할당하는 단계; 및
    상기 제1 노드가 선발된 중계 노드를 통해 브로드캐스트 메시지를 전송하는 단계를 포함하는 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중계 노드를 선발하는 노드가 이웃 노드의 정보을 획득하는 단계는,
    상기 제1 노드가 상기 제1 노드로부터 1홉(hop)에 위치하는 이웃 노드의 집합, 상기 제1 노드로부터 2홉에 위치하는 이웃 노드의 집합 및 상기 1홉에 위치하는 이웃 노드 각각이 커버하는 2홉 노드의 집합 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 중계 노드를 선발하는 노드가 이웃 노드의 정보을 획 득하는 단계는,
    획득한 상기 이웃 노드 정보에 기초하여 2차원 행렬을 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 2차원 행렬의 각 행은 상기 제1 노드로부터 1홉에 위치하는 이웃 노드를 나타내고, 상기 2차원 행렬의 각 열은 상기 1홉에 위치하는 이웃 노드 각각이 커버하는 2홉 노드를 나타내는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 노드가 획득한 상기 이웃 노드의 정보에 기초하여 상기 제1 노드로부터 1홉의 위치에 있는 노드들 중에서 중계 노드를 선발하는 단계는,
    상기 2차원 행렬의 각 열 마다 기록된 동일한 노드 정보를 카운트하는 단계;
    카운트된 값이 작은 순으로 열을 검색하여 소정의 열에 기록된 2홉 노드에 대응되는 1홉에 위치한 노드를 중계 노드로 선발하는 단계; 및
    선발된 중계 노드가 커버하는 2홉 노드는 이후의 열 검색에서 제외하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 노드가 획득한 상기 이웃 노드의 정보에 기초하여 상기 제1 노드로부터 1홉의 위치에 있는 노드들 중에서 중계 노드를 선발하는 단계는,
    상기 제1 노드가 다른 중계 노드를 선발하는 노드와 메시지 교환을 통해 선발된 중계 노드들 간의 간섭 영역에 포함된 중첩 노드 정보를 획득하는 단계; 및
    획득한 상기 중첩 노드 정보에 기초하여 선발된 중계 노드 중 다른 노드와 전송 간섭을 일으키는 중계 노드를 선발된 중계 노드에서 제외시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 노드가 복수의 채널을 이용하여 선발된 적어도 하나의 중계 노드들 중 이웃하는 두 중계 노드에 동일한 채널이 할당되지 않도록 채널을 할당하는 단계는,
    세 개의 채널을 이용하여 상기 이웃하는 두 개의 중계 노드에 첫 번째 채널 및 세 번째 채널을 교대로 할당하고, 네트워크 토폴로지에서 상기 제1 노드가 커버하는 중계 노드들 중 가장 외곽에 위치한 중계 노드는 두 번째 채널을 할당하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 노드가 선발된 중계 노드를 통해 브로드캐스트 메시지를 전송하는 단계는,
    상기 제1 노드가 비콘 신호를 적어도 하나의 선발된 중계 노드에 전송하는 단계;
    상기 비콘 신호를 수신한 상기 적어도 하나의 선발된 중계 노드가 브로드캐스트 메시지의 수신을 위해 할당된 채널로 채널을 변경하는 단계; 및
    상기 제1 노드가 상기 할당된 채널을 통해 상기 브로드캐스트 메시지를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 브로드캐스트 방법.
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