KR20120096276A - 무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템 및 이를 이용한 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템 및 이를 이용한 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템 및 이를 이용한 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법으로서, 클러스터 트리 구조 기반의 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법에 있어서, (A) 부모 기기 중 하나인 코디네이터가 WSN의 전체 지역을 연결시키기 위한 최소 네트워크 깊이 및 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 산출하고, 각각의 트리 단계에서의 네트워크 깊이에 따른 최대 자녀 라우터 기기 수 및 최대 자녀 종단 기기 수를 산출하여 네트워크 구조를 결정하는 네트워크 구조 결정 단계; (B) 각각의 트리 단계에서의 부모 기기가, 자녀 기기의 가입 요청에 따라 자녀 기기를 선택하여 주소를 할당하고 상기 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기에 대한 슈퍼프레임 구간을 할당하는 네트워크 연결 단계; 및 (C) 패킷을 보유한 라우터 기기가 자신의 주소와 패킷의 최종 목적지 주소의 대비를 통해 라우팅 경로를 탐색하여 패킷을 전송하는 데이터 전송 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법과 이를 이용하기 위한 무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템이며, 이와 같은 본 발명에 의하면 기존 트리 구조 네트워크의 장점인 네트워크 형성에 소요되는 시간, 제어 명령 메시지 교환에 의한 트래픽 및 라우팅 경로 탐색 부담 감소 등을 유지하면서도 넓은 지역에 높은 밀도로 분포하는 기기들을 네트워크에 연결할 수 있어 기존 기법에 비해 WSN의 자가구성 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템 및 이를 이용한 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법 {System and method for self-organization of wireless sensor networks}
본 발명은 무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템 및 이를 이용한 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대규모, 고밀집 무선 센서 네트워크를 클러스터 트리 구조로 자가구성하기 위한 시스템과 이를 이용하여 대규모, 고밀집 무선 네트워크의 자가구성을 하는 방법에 대한 것이다.
최근들어 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기반의 센서 기술, 저전력 아날로그 및 디지털 전자 기술, 저전력 RF 설계 기술 등이 급속하게 발전하고 있기 때문에 비교적 저비용의 저전력형 무선 센서들을 이용한 네트워크 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.
무선 센서 네트워크(wireless sensor networks: 이하 WSN이라 칭함)의 자가구성은 방대한 수의 서브 시스템으로 구성되는 대규모 네트워크를 구성하는데 매우 중요한 기술로써, 일반적으로 네트워크 확장성을 높이고 환경 조건의 변화에 동적으로 적응하는데 활용될 수 있으므로 통신 시스템에서 매우 중요한 역할을 하게 된다.
WSN에서 클러스터 기반의 자가 구성은 전체 네트워크를 클러스터 단위로 분할하여 제어가 용이하도록 네트워크 기반 구조를 제시한 것으로서 전체 WSN을 클러스터 계층으로 구분하는 계층적 접근을 이용하는데, 각 센서 노드는 하나의 클러스터 헤드를 중심으로 하나의 클러스터를 형성하고 전체 네트워크를 클러스터 단위로 분할한다. 각 클러스터의 클러스터 헤드는 다른 클러스터의 클러스터 헤드 또는 베이스스테이션으로 각 클러스터 내부에서 획득, 수집, 병합된 데이터를 라우팅하는 역할을 한다.
WSN의 자가구성 과정은 크게 세가지 단계로 구성되는데, 네트워크의 모양을 결정하는 네트워크 구조 결정 단계, 결정된 네트워크 구조에 따라 각 기기들을 연결하며 네트워크를 확장해나가는 네트워크 연결 단계 및 연결된 기기들이 서로 신호를 송수신하는 데이터 전송단계로 구성된다. WSN의 각 기기들은 네트워크에 가입할 때 고유의 주소를 부여 받아 이를 통해 서로를 인식하고, 하나의 부모 기기와 다수의 자녀 기기로 구성되는 클러스터 내(intra-cluster)의 기기들간 데이터 송수신은 같은 슈퍼프레임 구간 내에서 이루어지며, 서로 먼 거리에 있는 기기들은 기기의 전송 거리 제약으로 인해 다중 홉(multi-hop)을 통해 송수신한다. 따라서 대규모 WSN 자가구성을 위해서는 수많은 기기들에게 고유의 주소를 할당하고, 클러스터 간의 간섭을 방지하기 위해 각 클러스터가 사용하는 슈퍼프레임 구간을 독립적으로 할당하며, 다중 홉 전송을 위해 라우팅 경로를 탐색하는 것이 필수적이다.
대표적인 WSN 시스템인 지그비의 균형 트리 기반 WSN 자가구성 과정을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 네트워크 구조 결정 단계에서 네트워크 전체를 관리하는 코디네이터가 최대 네트워크 깊이, 최대 자녀 기기 수, 최대 자녀 라우터 수 등을 바탕으로 균형 트리 기반 네트워크를 구성한다. 이후 네트워크 연결 단계에서 각 기기는 통신 가능 범위 내의 라우터들을 모두 부모 후보군으로 결정하고, 이들 중 네트워크 깊이가 가장 작은 기기를 부모로 선택하여 전기능 기기(full function device)는 라우터로, 축소기능 기기(reduced function device)는 종단 기기(end device)로 가입을 요청한다. 부모로 선택된 라우터는 최대 자녀 기기 수와 최대 자녀 라우터 수를 고려하여 가입을 요청한 기기의 가입 허용 여부를 스스로 결정한 뒤, 균형 트리 구조에 기반하여 상기 기기들에게 직접 주소를 할당하고 부모와 자녀의 관계를 맺는다. 이때 각 부모 기기는 균형 트리 구조를 결정하는 인자들 즉, 최대 네트워크 깊이, 최대 자녀 기기 수, 최대 자녀 라우터 수 등을 비컨 신호에 담아 전송함으로써 자녀 기기들과 균형 트리 구조를 공유한다.
만약 특정 기기가 주변의 모든 라우터들로부터 가입을 거부 당하면 네트워크 가입 실패로 판단하고 고아(orphan) 기기가 되며, 전기능 기기는 라우터로 가입에 실패하면 종단 기기로 다시 가입을 시도하게 된다.
마지막으로 네트워크가 연결된 기기들은 데이터 전송 단계에서 균형 트리 구조에 기반한 계층적(hierarchical) 라우팅을 통해 데이터를 전송한다.
이와 같은 지그비의 균형 트리 기반 WSN 자가구성은 네트워크 형성에 소요되는 시간 및 제어 명령 메시지 교환에 의한 트래픽을 줄일 수 있고 트리 기반 계층적 라우팅을 사용하므로 별도의 라우팅 경로탐색이 필요없다는 장점을 가지고 있지만, 네트워크 깊이에 따라 트리 구조의 크기가 지수적으로 증가하는 균형 트리의 특성 때문에 네트워크 깊이가 제한될 뿐만 아니라 운용 환경을 고려하지 않고 균형 트리 구조를 결정하므로 형성되는 WSN 망이 커짐에 따라 낭비되는 주소의 수가 증가한다는 문제를 가지고 있다. 또한 라우터 및 종단 기기가 될 수 있는 전기능 기기는 주변의 모든 부모 후보들에게 가입을 거부 당할 때까지 라우터로 가입을 요청하기 때문에 라우터가 코디네이터 주변에 몰리게 되어 네트워크 깊이가 늘어나도 네트워크가 멀리까지 확장되기는 어렵다는 단점이 있다. 뿐만 아니라 전체 네트워크가 단일 채널을 써야 한다는 제약 조건 때문에 기기의 밀도가 높을 경우에 채널이 포화상태에 이르러 클러스터들이 독립적인 슈퍼프레임을 가질 수 없게 되므로 클러스터 간 간섭으로 인하여 네트워크의 연결성이 크게 저하되는 문제점이 발생된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 균형 트리 기반 WSN에서 네트워크 깊이에 따라 트리 구조의 크기가 지수적으로 증가하는 특성으로 인하여 네트워크 깊이가 제한되는 문제점과 네트워크의 운용 환경을 고려하지 않고 균형 트리 구조를 결정함으로 인해 형성되는 WSN 망의 낭비되는 주소수가 증가하는 문제점을 해결하고자 한다.
나아가서 라우터 또는 종단 기기가 될 수 있는 전기능 기기가 모든 부모 후보들에게 가입을 거부 당할 때까지 라우터로서 가입을 계속적으로 요청하기 때문에 코디네이터 주변에 전기능 기기가 몰리는 현상을 제거하며, 코디네이터 주변에 전기능 기기가 몰리는 현상으로 인하여 네트워크 깊이가 늘어나도 네트워크가 멀리까지 확장되기 어려운 문제점을 해결하고자 한다.
한걸음 더 나아가서 전체 네트워크가 단일 채널을 사용하는 제약 조건으로 인하여 기기의 밀도가 높을 경우에 채널이 포화상태에 이르러 클러스터들이 독립적인 슈퍼프레임을 가질 수 없게 되므로 클러스터 간 간섭으로 인하여 네트워크의 연결성이 크게 저하되는 문제점을 해결하고자 한다.
상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명은, 클러스터 트리 구조 기반의 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법에 있어서, (A) 부모 기기 중 하나인 코디네이터가 WSN의 전체 지역을 연결시키기 위한 최소 네트워크 깊이 및 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 산출하고, 각각의 트리 단계에서의 네트워크 깊이에 따른 최대 자녀 라우터 기기 수 및 최대 자녀 종단 기기 수를 산출하여 네트워크 구조를 결정하는 네트워크 구조 결정 단계; (B) 각각의 트리 단계에서의 부모 기기가, 자녀 기기의 가입 요청에 따라 자녀 기기를 선택하여 주소를 할당하고 상기 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기에 대한 슈퍼프레임 구간을 할당하는 네트워크 연결 단계; 및 (C) 패킷을 보유한 라우터 기기가 자신의 주소와 패킷의 최종 목적지 주소의 대비를 통해 라우팅 경로를 탐색하여 패킷을 전송하는 데이터 전송 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법을 포함한다.
바람직하게는 상기 (A) 단계는, (A-1) 평균 통신 가능 반경을 산출하고, 이에 기초하여 최소 네트워크 깊이를 산출하는 단계; (A-2) 상기 평균 통신 가능 반경 및 최소 네트워크 깊이에 기초하여 상기 평균 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 산출하는 단계; (A-3) 최대 네트워크 깊이 및 트리 단계 수를 설정하는 단계; 및 (A-4) 각각의 트리 단계에서의 네트워크 깊이에 따른 최대 자녀 라우터 기기 수 및 최대 자녀 종단 기기 수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 (A-3) 단계는, 상기 최대 네트워크 깊이를 최소 네트워크 깊이로 설정하고 상기 트리 단계 수를 사용자로부터 입력 받거나 또는 기보유된 값으로 설정하며, 상기 (A-4) 단계는, 각각의 트리 단계에 대한 트리 임계 깊이를 결정하고, 상기 최대 네트워크 깊이와 상기 트리 임계 깊이를 대비하여 각각의 트리 단계에서의 최대 자녀 라우터 기기 수 및 최대 자녀 종단 기기 수를 산출하여 각각의 트리 단계에 대한 구조를 결정할 수 있다.
바람직하게는 상기 (B) 단계는, (B-1) 자녀 기기가 부모 후보군을 선택하고, 상기 자녀 기기가 상기 부모 후보군에 포함된 각각의 부모 기기의 네트워크 깊이와 전송링크 상태(LQ)에 근거하여 부모 기기를 선택하고 상기 선택된 부모 기기에 가입을 요청하는 단계; (B-2) 상기 선택된 부모 기기가 가입된 자녀 기기 수에 근거하여 가입을 요청한 자녀 기기를 선택하여 자녀 기기로 가입시키는 단계; (B-3) 상기 선택된 부모 기기가 가입된 자녀 기기에게 주소를 할당하는 단계; 및 (B-4) 상기 선택된 부모 기기가 주소가 할당된 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기에 슈퍼프레임 구간을 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 자녀 기기가 자녀 라우터 기기인 경우에, 상기 (B-1) 단계는, 자녀 기기가 수신된 비컨 신호의 수신 특성을 기반으로 전송링크 상태(LQ)를 추정하고 상기 추정된 전송링크 상태(LQ)가 임계값보다 큰 라우터들로 부모 후보군을 초기화하는 단계; 상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기들의 네트워크 깊이에 기초하여 부모 후보 집합에 포함될 부모 기기를 결정하는 단계; 상기 부모 후보 집합에서 전송링크 상태(LQ)가 가장 작은 부모 기기를 선택하는 단계; 상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기의 수를 포함하는 가입 요청 메시지를 생성하여 상기 선택된 부모 기기에 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 자녀 기기가 자녀 라우터 기기인 경우에, 상기 (B-2) 단계는, 상기 선택된 부모 기기는, 가입을 요청하는 자녀 라우터 기기들로 자녀 라우터 후보군을 초기화하는 단계; 상기 선택된 부모 기기가 코디네이터인 경우 상기 자녀 라우터 후보군에서 전송링크 상태(LQ)가 가장 높은 자녀 라우터 기기를 선택하고, 상기 선택된 부모 기기가 라우터인 경우 상기 자녀 라우터 후보군에서 상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기의 수가 가장 작은 자녀 라우터 기기를 선택하는 단계; 상기 선택된 자녀 라우터 기기를 기가입된 자녀 라우터군에 추가하는 단계; 및 상기 기가입된 자녀 라우터군에 포함된 자녀 라우터의 수와 최대 자녀 라우터 수를 대비하여 상기 선택된 자녀 라우터 기기의 가입을 확정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 자녀 기기가 자녀 종단 기기인 경우에, 상기 (B-1) 단계는, 자녀 기기가 수신된 비컨 신호의 수신 특성을 기반으로 전송링크 상태(LQ)를 추정하고 상기 추정된 전송링크 상태(LQ)가 임계값보다 큰 라우터들로 부모 후보군을 초기화하는 단계; 상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기들의 네트워크 깊이에 기초하여 부모 후보 집합에 포함될 부모 기기를 결정하는 단계; 상기 부모 후보 집합에서 전송링크 상태(LQ)가 가장 큰 부모 기기를 선택하는 단계; 상기 선택된 부모 기기에 가입 요청 메시지를 생성하여 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 자녀 기기가 자녀 종단 기기인 경우에, 상기 (B-2) 단계는, 상기 선택된 부모 기기는 최대 자녀 기기 수에서 최대 자녀 라우터 수를 뺀 값인 최대 종단 기기 수에 기초하여 가입을 요청하는 자녀 종단 기기들에 대하여 선착순으로 자녀 종단 기기의 가입을 확정할 수 있다.
나아가서 상기 자녀 라우터 기기는, 상기 부모 후보군에 포함된 모든 부모 기기에 대한 가입 요청을 하여 상기 (B-2) 단계의 수행 결과 상기 부모 후보군에 포함된 모든 부모 기기로부터 가입이 거절된 경우, 자녀 종단 기기로서 상기 (B-1) 단계를 다시 수행할 수 있다.
바람직하게는 상기 (B-3) 단계는 상기 선택된 부모 기기의 하위 계층 트리 단계에 가입된 최대 기기 수를 산출하는 단계; 및 상기 선택된 부모 기기에 가입된 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기들에게는 상기 최대 기기 수 간격으로 라우터 주소를 할당하고, 상기 선택된 부모 기기에 가입된 자녀 기기 중 자녀 종단 기기들에게 상기 최대 기기 수 이후부터 순차적으로 라우터 주소를 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 (B-4) 단계는, (B-4-a1) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기가 상기 선택된 부모 기기의 채널을 검색하여 검색된 채널의 사용 가능 상태를 추정하는 단계; (B-4-a2) 상기 선택된 부모 기기가 추정한 사용 가능 상태의 채널에서 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 생성하는 단계; (B-4-a3) 상기 선택된 부모 기기가 상기 후보 정보를 상기 자녀 라우터 기기에 전송하는 단계; (B-4-a4) 상기 자녀 라우터 기기가 수신된 상기 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 채널에서 사용 가능한 구간 중 하나를 슈퍼프레임 구간으로 결정하는 단계; (B-4-a5) 상기 자녀 라우터 기기가 결정된 슈퍼프레임 구간 정보를 상기 선택된 부모 기기에게 전송하는 단계; 및 (B-4-a6) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기 간의 슈퍼프레임 구간이 할당되는 단계를 포함할 수 있다.
나아가서 상기 (B-4-a4) 단계는, 상기 자녀 라우터 기기가 수신된 상기 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 후보 정보가 포화된 채널에 해당하는 경우에 슈퍼프레임 구간 결정에 대한 실패 메시지를 상기 선택된 부모 기기에게 전송하는 단계; 및 상기 선택된 부모 기기가 다른 채널을 검색하여 상기 (B-4-a1) 단계부터 다시 수행할 수도 있다.
또한 상기 (B-4) 단계는, (B-4-b1) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기가 상기 선택된 부모 기기의 채널을 검색하여 검색된 채널의 사용 가능 상태를 추정하는 단계; (B-4-b2) 상기 자녀 라우터 기기가 추정한 사용 가능 상태의 채널에서 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 생성하는 단계; (B-4-b3) 상기 자녀 라우터 기기가 상기 후보 정보를 상기 선택된 부모 기기에 전송하는 단계; (B-4-b4) 상기 선택된 부모 기기가 수신된 상기 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 채널에서 사용 가능한 구간 중 하나를 슈퍼프레임 구간으로 결정하는 단계; (B-4-b5) 상기 선택된 부모 기기가 결정된 슈퍼프레임 구간 정보를 상기 자녀 라우터 기기에게 전송하는 단계; 및 (B-4-b6) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기 간의 슈퍼프레임 구간이 할당되는 단계를 포함할 수 있다.
나아가서 상기 (B-4-b4) 단계는, 상기 선택된 부모 기기가 수신된 상기 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 후보 정보가 포화된 채널에 해당하는 경우에 슈퍼프레임 구간 결정에 대한 실패 메시지를 상기 자녀 라우터 기기에게 전송하는 단계; 및 상기 선택된 부모 기기가 다른 채널을 검색하여 상기 (B-4-a1) 단계부터 다시 수행할 수 있다.
바람직하게는 상기 (C) 단계는 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소와 패킷의 최종 목적지 주소가 동일한 경우 상기 패킷을 보유한 라우터 기기가 상기 패킷을 수용하는 단계; 상기 패킷의 최종 목적지 주소가 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소보다 크고 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소에 자신의 하위 계층 트리 단계에 가입된 최대 기기 수를 더한 값보다 작으면 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 하위 계층 트리 단계에 가입된 자녀 기기로 상기 패킷을 전송하는 단계; 및 상기 패킷의 최종 목적지 주소가 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소보다 작거나 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소에 자신의 하위 계층 트리 단계에 가입된 최대 기기 수를 더한 값보다 크면 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 상위 계층 트리 단계의 자신이 가입된 부모 기기로 상기 패킷을 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 클러스터 트리 구조 기반의 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 시스템에 있어서, WSN의 평균 통신 반경 및 상기 평균 통신 반경내에 위치하는 기기들의 수를 산출하고, 이에 기초하여 각각의 트리 단계에서의 최대 자녀 라우터수 및 최대 자녀 기기수를 산출하여 다단계 트리 네트워크 구조를 결정하는 코디네이터; 하위 계층 트리 단계의 자녀 기기로부터 가입 요청을 받고 자신에게 가입될 자녀 기기를 선택하며, 자신에게 가입된 자녀 기기들에게 주소를 할당하는 부모기기; 및 상위 계층 트리 단계의 부모 기기를 선택하여 가입 요청을 하고 부모 기기의 선택에 따라 가입되어 주소를 할당 받는 자녀기기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 시스템을 포함한다.
바람직하게는 상기 코디네이터는, 평균 통신 가능 반경 및 상기 평균 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 산출하는 운용 환경 추정부; 및 네트워크 최대 깊이 및 각각의 트리 단계에서의 최대 자녀 라우터수 및 최대 자녀 기기수를 산출하는 다단계 균형 트리 최적화부를 포함할 수 있다.
나아가서 상기 부모 기기는, 상기 자녀 기기 중 라우터로 가입을 요청하는 자녀 라우터 기기로부터 가입 요청을 받고 이에 대한 가입 여부를 결정하며, 가입된 자녀 라우터 기기를 관리하는 자녀 라우터 선택부; 상기 자녀 기기 중 종단 기기로 가입을 요청하는 자녀 종단 기기로부터 가입 요청을 받고 이에 대한 가입 여부를 결정하며, 가입된 자녀 종단 기기를 관리하는 자녀 종단 기기 선택부; 가입된 자녀 기기에게 주소를 할당하고 상기 할당된 주소를 상기 자녀 기기에게 전송하며, 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기에게는 슈퍼프레임 구간을 할당하는 다단계 트리 기반 주소 할당부를 포함할 수 있다.
또한 상기 자녀 기기는, 자녀 라우터 기기와 자녀 종단 기기를 포함하며, 상기 자녀 라우터 기기는, 부모 후보군을 선택하고 상기 부모 후보군에서 부모 기기를 선택한 후 상기 선택된 부모 기기에게 가입을 요청하는 라우터용 부모 선택부를 포함하며, 상기 자녀 종단 기기는, 부모 후보군을 선택하고 상기 부모 후보군에서 부모 기기를 선택한 후 상기 선택된 부모 기기에게 가입을 요청하는 종단 기기용 부모 선택부를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 코디네이터, 부모 기기 및 자녀 라우터 기기는, 라우터 기기로서 패킷 전송을 위한 라우팅 경로를 탐색하는 다단계 트리 기반 계층적 라우팅부를 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 코디네이터의 운용 환경 추정부가 최소 네트워크 깊이와 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 추정하고 이에 근거하여 다단계 트리 구조 결정부가 다단계 트리를 실제 기기 설치 환경에 따라 최적화함으로써 라우팅 지연을 최소화하면서 동시에 전체 기기를 연결할 수 있는 네트워크 구조를 설계할 수 있다.
나아가서 본 발명에 의하면 라우터들이 특정 방향으로 쏠리지 않고 넓은 지역에 고르게 분포할 수 있도록 유도함으로써 네트워크 연결성과 전송 성능을 극대화할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 자녀 종단 기기의 종단 기기용 부모 선택부와 부모 기기의 자녀 종단 기기 선택부를 통해 종단 기기의 네트워크 연결성을 높일 뿐만 아니라 네트워크 연결 후 부모 라우터와 자녀 종단 기기 사이의 전송링크 상태(LQ)를 보장하여 기기 사이의 데이터 전송 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 다단계 트리 기반 주소 할당 과정은 각 부모 기기가 네트워크 구조 결정 과정에서 결정된 다단계 트리 구조 인자에 기반하여 자신의 하위 계층 트리 단계에 가입될 최대 기기 수를 계산하고 이를 통해 자신의 가용 주소를 결정함으로써, 별도의 메시지 교환 없이 부모 기기가 직접 주소를 할당하면서도 주소의 독립성을 보장할 수 있다.
또한 본 발명에서는 부모 기기와 자녀 라우터 기기가 각각 채널 상태를 검색한 뒤 부모 기기가 제시한 슈퍼프레임 구간 후보 정보에 대해 자녀 라우터 기기가 슈퍼프레임 구간을 최종 선택하거나, 자녀 라우터 기기가 제시한 슈퍼프레임 구간 후보 정보에 대해 부모 기기가 슈퍼프레임 구간을 최종 선택하므로, 부모 기기와 자녀 라우터 기기 각각의 채널 사용 가능 상태 정보를 효율적으로 조합하여 슈퍼프레임 구간을 할당할 수 있으며, 단일 채널을 사용하는 기존의 지그비와 달리 자녀 라우터가 부모 기기와 다른 채널을 사용하여 슈퍼프레임 구간을 할당하고 자신의 클러스터를 운영할 수 있으므로, 기기가 높은 밀도로 분포되어 있는 환경에서도 각 클러스터가 독립적인 슈퍼프레임 구간을 확보하여 클러스터 간 간섭 없이 네트워크를 연결할 수 있다.
나아가서 본 발명에서는 패킷의 라우팅 경로를 네트워크 구조 결정 과정에 따라 결정된 다단계 트리에 기반하여 결정하므로 메시지 교환, 라우팅 경로탐색 부담 및 라우팅 지연 등을 최소화하면서 높은 밀도로 넓은 지역에 설치된 다수의 기기들을 빠르게 자가구성 할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면 WSN의 자가구성 과정에서 발생하는 메시지 교환을 최소화하면서도 넓은 지역에 높은 밀도로 선택된 수많은 기기들을 네트워크에 연결하여 효과적으로 대규모 WSN 자가구성 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명이 적용되는 클러스터 트리 구조 기반 WSN의 개념을 도시하며,
도 2는 본 발명이 적용되는 WSN의 채널 및 슈퍼프레임의 구조의 실시예를 도시하며,
도 3은 본 발명이 적용되는 WSN 시스템의 실시예에서 통신 가능 반경과 그 내에 위치한 기기간의 평균 거리를 도시하며,
도 4는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법의 개략적인 흐름도를 도시하며,
도 5는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템의 코디네이터의 개략적인 구성에 대한 실시예를 도시하며,
도 6은 본 발명에 따른 코디네이터에 의한 네트워크 구조를 결정하는 과정에 대한 실시예의 흐름도를 도시하며,
도 7은 다단계 트리 구조에 기반한 WSN 구성의 실시예를 나타내며,
도 8은 상기 도 7의 논리적 구조의 WSN에 대한 다양한 물리적 구조의 WSN을 도시하며,
도 9는 상기 도 8의 실시예에 대한 각각의 구조에 대하여 본 발명에 따라 최소 네트워크 깊이와 기기들의 수를 추정하는 흐름도를 나타내며,
도 10은 본 발명에 따른 다단계 트리를 구성하는 과정의 실시예에 대한 흐름도를 도시하며,
도 11은 본 발명에 따른 부모 기기와 자녀 기기의 실시예에 대한 개략적인 구성을 나타내며,
도 12는 본 발명에 따른 라우터로 가입을 원하는 센서 기기가 부모 기기에 연결되는 과정의 실시예에 대한 흐름도를 도시하며,
도 13는 본 발명에 따른 부모 기기가 자녀 라우터를 선택하는 과정의 실시예에 대한 흐름도를 도시하며,
도 14는 본 발명에 따른 종단 기기로 가입을 원하는 센서 기기가 부모 기기를 선택하는 과정의 실시예를 도시하며,
도 15는 본 발명에 따른 부모 기기가 주소를 할당하는 과정에 대한 흐름도를 도시하며,
도 16은 본 발명에 따른 자녀 라우터의 슈퍼프레임 구간을 할당하는 과정에 대한 실시예의 흐름도를 나타내며,
도 17은 본 발명에 따른 자녀 라우터의 슈퍼프레임 구간을 할당하는 과정에 대한 다른 실시예의 흐름도를 나타내며,
도 18은 본 발명에 따른 데이터 전송 과정을 수행하는 장치의 실시예를 나타내며,
도 19은 본 발명에 따른 다단계 트리 구조에 기반하여 계층적으로 라우팅 경로를 탐색하는 과정의 실시예에 대한 흐름도를 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서 상에 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.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 대규모, 고밀집 무선 센서 네트워크를 클러스터 트리 구조로 자가 구성하기 위한 시스템과 이를 이용하여 대규모, 고밀집 무선 센서 네트워크를 자가구성하는 방법에 대한 것이다.
도 1은 본 발명이 적용되는 클러스터 트리 구조 기반 WSN의 개념을 도시한다.
상기 도 1의 (a)는 클러스터 트리 구조 기반의 WSN에 대한 물리적 네트워크 구조를 나타내며, (b)는 클러스터 트리 구조 기반의 WSN에 대한 논리적 네트워크 구조를 나타낸다.
본 발명은 상기 도 1의 (a)에서 보는 바와 같이 네트워크에 연결된 각 기기가 부모 기기와 자녀 기기 관계로 맺어져 있고, 하나의 부모 기기와 다수의 자녀 기기가 하나의 클러스터(A)를 구성하며, 복수개의 클러스터가 라우터 간 부모와 자녀 관계로 연결되어 네트워크 전체가 트리 구조로 구성되는 클러스터 트리 기반 WSN 시스템에서 적용되는데, 이를 논리적 네트워크 구조로 보면 상기 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 복수의 계층 구조를 갖는 클러스터 트리 구조 기반의 WSN 시스템에 적용될 수 있다.
이와 같은 트리 구조 기반의 WSN 시스템의 구성을 상기 도 1의 (b)를 참조하여 좀 더 살펴보면, 가령 해당 WSN 시스템에 속한 하나의 기기(200)를 기준으로, 자신이 속한 트리 단계보다 상위 계층 트리 단계에 위치되어 자신이 가입된 기기(100)에 대해서는 상기 기기(100)가 자녀 기기가 되고, 자신이 속한 트리 단계보다 하위 계층 트리 단계에 위치되어 자신에게 가입된 기기(300)에 대해서는 부모 기기가 된다.
도 2는 본 발명이 적용되는 WSN의 채널 및 슈퍼프레임의 구조의 실시예를 도시하는데, 상기 클러스터는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 부모 기기가 전송한 비컨 신호로부터 시작하는 슈퍼프레임 구간에서 활성 기간(active period) 중 데이터를 송수신하고, 슈퍼프레임이 끝난 후 다음 비컨 신호를 전송하기 전까지, 즉 비활성 기간(inactive period) 동안에는 데이터 전송을 멈춘다고 가정한다.
또한 상기 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 WSN 시스템은 비중첩된 Nch개의 채널을 사용할 수 있으며, 각 채널은 한 비컨 신호 기간(beacon interval) 내에 NSF개의 비 중첩된 슈퍼프레임 구간을 제공할 수 있다고 가정한다.
이와 같은 경우에 면적이 S인 공간에 통신 가능 반경(transmission range)이 rd인 NFFD개의 전기능 기기와 NRFD개의 축소기능 기기가 임의로 혼합되어 설치되는 경우에 단위 면적당 기기의 밀도 ρ는 하기 <식 1>에 의해 산출될 수 있다.
[식 1]
Figure pat00001
도 3은 본 발명이 적용되는 WSN 시스템의 실시예에서 통신 가능 반경과 그 내에 위치한 기기간의 평균 거리를 도시하는데, 도 3에 도시된 바와 같이 각 기기의 통신 가능 반경은
Figure pat00002
이지만 기기들이 임의로 분포되어 있으므로 연결된 각 기기들 간의 평균 거리는
Figure pat00003
라 할 수 있다. 따라서 코디네이터로부터 계산된 WSN의 평균 통신 가능 반경은 네트워크 깊이 D에 따라 하기 <식 2>와 같이 나타낼 수 있다.
[식 2]
Figure pat00004

도 4는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법의 개략적인 흐름도를 도시한다.
도 4를 참조하여 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법을 개략적으로 살펴보면, 우선 네트워크 구조를 결정(S100)하고, 결정된 구조에 기초하여 네트워크를 연결(S200)하는데, 네트워크를 연결(S200)하는 과정은 네트워크에 포함된 각각의 기기들에서 부모 기기와 자녀 기기를 선택(S210)하고 선택된 각각의 기기들에 주소를 할당(S230)한 후 선택된 자녀 기기가 라우터인지를 판단(S250)하여 선택된 자녀 기기가 라우터인 경우에는 자녀 라우터 기기에 슈퍼프레임 구간을 할당(S270)하게 된다. 그리고 이와 같은 과정이 끝나면 연결된 네트워크 내에서 데이터를 전송(S300)하게 된다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 통해 좀 더 자세히 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템 및 이를 이용한 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법을 살펴보기로 한다.
우선 본 발명에 따른 네트워크 구조를 결정(S100)하기 위한 본 발명에 따른 코디네이터와 이를 이용하여 네트워크 구조를 결정하는 과정을 살펴보기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템의 코디네이터의 개략적인 구성에 대한 실시예를 도시하며, 도 6은 본 발명에 따른 코디네이터에 의한 네트워크 구조를 결정하는 과정에 대한 실시예의 흐름도를 도시한다.
본 발명에 따른 실시예에서 네트워크 구조를 결정하는 과정(S100)은 코디네이터(100)가 수행하는데, 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 코디네이터(100)는 개략적으로 운용 환경 추정부(110)와 다단계 균형 트리 최적화부(120)를 포함하며, 이와 같은 구성을 갖는 코디네이터(100)를 통해 네트워크 구조를 결정하는 과정을 도 6을 참조하여 보다 자세히 살펴보자면, 먼저 코디네이터(100)의 운용 환경 추정부(110)가 상기 <식 2>를 근거로 네트워크 깊이에 따른 WSN의 평균 통신 가능 반경
Figure pat00005
를 계산하고, 상기 통신 가능 반경
Figure pat00006
, 평균 통신 가능 반경
Figure pat00007
, 단위 면적당 기기의 밀도 ρ, 면적 S 등의 정보에 근거하여 WSN의 전체 지역을 연결하는데 필요한 최소 네트워크 깊이
Figure pat00008
을 산출(S120)하고 네트워크 깊이
Figure pat00009
에서 WSN의 평균 통신 가능 반경
Figure pat00010
내에 위치한 기기들의 수
Figure pat00011
를 추정(S140)한다.
이후 코디네이터(100)의 다단계 균형 트리 최적화부(120)가 상기
Figure pat00012
과
Figure pat00013
를 활용하여 전체 지역을 연결하면서도 라우팅 지연을 최소화할 수 있도록 최대 네트워크 깊이
Figure pat00014
를 결정(S160)하고, 상기
Figure pat00015
와 네트워크 깊이
Figure pat00016
에서 트리 구조로 연결할 수 있는 기기 수의 차이를 최소화할 수 있도록 트리 단계 수
Figure pat00017
과 상기
Figure pat00018
에 따른 최대 자녀 라우터 기기 수
Figure pat00019
및 최대 자녀 기기 수
Figure pat00020
등을 결정(S180)함으로써 연결성을 극대화할 수 있는 다단계 트리를 구성한다.
도 7은 다단계 트리 구조에 기반한 WSN 구성의 실시예를 나타낸다.
도 7에 도시된 다단계 트리 구조의 WSN 논리적 구성의 경우에 상기 코디네이터가 먼저 각 기기의 통신 가능 반경
Figure pat00021
를 바탕으로 상기 <식 2>를 통해 평균 통신 가능 반경
Figure pat00022
를 계산하고, 상기
Figure pat00023
,
Figure pat00024
,
Figure pat00025
,
Figure pat00026
등의 정보를 이용하여 구성될 WSN의 전체 지역을 연결하는데 필요한 최소 네트워크 깊이
Figure pat00027
과 네트워크 깊이
Figure pat00028
에서 WSN의 평균 통신 가능 반경
Figure pat00029
내에 위치한 기기들의 수
Figure pat00030
는 하기와 같이 추정할 수 있다.
상기 도 7의 실시예를 본 발명에 따른 WSN의 자가구성 방법으로 WSN의 자가구성하는 과정을 보다 쉽게 설명하기 위하여 도 8에 도시된 바와 같이 상기 도 7의 논리적 구조의 실시예를 다양한 물리적 구조의 경우로 변환하여 설명하기로 한다.
도 8은 상기 도 7의 논리적 구조의 WSN에 대한 다양한 물리적 구조의 WSN을 도시하는데, 도 8의 (a)는 WSN이 구성되는 공간이 원형이고 코디네이터가 그 공간의 중앙에 위치하는 경우이며, 도 8의 (b)는 WSN이 구성되는 공간이 사각형이고 코디네이터가 그 공간의 중앙에 위치하는 경우이며, 도 8의 (c)는 WSN이 구성되는 공간이 사각형이고 코디네이터가 그 공간의 모서리에 위치하는 경우를 나타낸다.
이와 같은 도 8의 WSN의 물리적 구조에 대한 실시예의 WSN 운용 환경에 있어서, 코디네이터(100)가 각각의 구조에 대한 최소 네트워크 깊이와 기기들의 수를 추정하는데, 도 9는 상기 도 8의 실시예에 대한 각각의 구조에 대하여 본 발명에 따라 최소 네트워크 깊이와 기기들의 수를 추정하는 흐름도를 나타낸다.
도 9의 (a)는 상기 도 8의 (a)에 도시된 공간이 원형이고 코디네이터가 중앙에 위치하는 경우에 최소 네트워크 깊이
Figure pat00031
과 기기들의 수
Figure pat00032
값을 추정하는 과정으로서, 코디네이터(100)의 운용 환경 추정부(110)가 원형 공간의 반경
Figure pat00033
을 하기 <식 3>에 따라 산출(S110a)하고
Figure pat00034
을 하기 <식 4>와 같이 추정(S120a)한다.
[식 3]
Figure pat00035
[식 4]
Figure pat00036
여기서
Figure pat00037
는
Figure pat00038
보다 크거나 같은 정수 중 최소값을 나타낸다. 이를 바탕으로
Figure pat00039
을 하기 <식 5>와 같이 추정(S140a)할 수 있다.
[식 5]
Figure pat00040
다음 예로 도 9의 (b)는 상기 도 8의 (b)에 도시된 공간이 사각형이고 코디네이터가 중앙에 위치하는 경우에 최소 네트워크 깊이
Figure pat00041
과 기기들의 수
Figure pat00042
값을 추정하는 과정으로서, 코디네이터(100)의 운용 환경 추정부(110)가
Figure pat00043
을 하기 <식 6>에 따라 산출(S120b)한다.
[식 6]
Figure pat00044
여기서
Figure pat00045
와
Figure pat00046
는 각각 직사각형 공간의 짧은 변 길이와 긴 변 길이를 의미한다. 상기 도 8의 (b)에서 보는 바와 같이 사각형 공간에서는
Figure pat00047
가 직사각형의 벽을 넘어갈 때 통신 가능 범위의 확장이 제한된다. 이 때
Figure pat00048
가 코디네이터로부터 가까운 벽 즉, 코디네이터와 거리가
Figure pat00049
인 벽을 넘어가는 최소 네트워크 깊이를
Figure pat00050
, 코디네이터로부터 먼 벽 즉, 코디네이터와 거리가
Figure pat00051
인 벽을 넘어가는 최소 네트워크 깊이를
Figure pat00052
라 하면, 코디네이터는 상기
Figure pat00053
와
Figure pat00054
를 각각 하기 <식 7>과 <식 8>으로 산출(S130b)할 수 있다.
[식 7]
Figure pat00055
[식 8]
Figure pat00056
이를 바탕으로 코디네이터는 하기 <식 9>와 같이
Figure pat00057
를 추정(S140b)할 수 있다.
[식 9]
Figure pat00058
마지막 예로 도 9의 (c)는 상기 도 8의 (c)에 도시된 공간이 사각형이고 코디네이터가 모서리에 위치하는 경우에 최소 네트워크 깊이
Figure pat00059
과 기기들의 수
Figure pat00060
값을 추정하는 과정으로서, 이 경우에 코디네이터(100)의 운용 환경 추정부(110)는
Figure pat00061
을 하기 <식 10>과 같이 추정(S120c)하고
Figure pat00062
를 만족하는 최소 깊이
Figure pat00063
와
Figure pat00064
를 만족하는 최소 깊이
Figure pat00065
를 각각 하기 <식 11>과 <식 12>와 같이 산출(S130c)한 뒤, 이를 바탕으로 코디네이터(100)의 운용 환경 추정부(110)는 하기 <식 13>과 같이
Figure pat00066
를 추정(S140c)할 수 있다.
[식 10]
Figure pat00067
[식 11]
Figure pat00068
[식 12]
Figure pat00069
[식 13]
Figure pat00070
상기와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 상기 네트워크 구조 결정 과정(S100)에서 상기 코디네이터(100)의 운용 환경 추정부(110)가 추정한
Figure pat00071
을 활용하여 코디네이터(100)의 다단계 균형 트리 최적화부(120)는 전체 지역을 연결하면서도 라우팅 지연을 최소화할 수 있도록 최대 네트워크 깊이
Figure pat00072
를 결정하고, 상기
Figure pat00073
를 활용하여 상기
Figure pat00074
와 네트워크 깊이
Figure pat00075
에서 트리 구조로 연결할 수 있는 기기 수의 차이를 최소화할 수 있도록 트리 단계 수
Figure pat00076
과 네트워크의 깊이에 따라 최대 자녀 기기 수 및 최대 자녀 라우터 기기 수를 최적화함으로써 기기 분포에 적합한 다단계 트리를 구성하게 되는데, 도 10은 이와 같은 다단계 트리를 구성하는 과정에 대한 흐름도를 도시한다.
상기와 같은 다단계 트리 구조에서 트리 단계 수가 늘어날수록 트리 구조와 실제 기기 분포가 같아지지만 트리 구조 정보를 저장하기 위해 메모리를 많이 사용하게 되어 WSN 구현에 적합하지 않으므로, 도 10의 본 발명에 따른 실시예의 흐름도에서는 최대 트리 단계 수
Figure pat00077
을 3으로 결정하고 상기 다단계 트리 구조 결정 과정을 수행하는 경우를 고려하기로 한다. 그러나 이와 같이 최대 트리 단계 수
Figure pat00078
을 3으로 제한하는 것은 본 발명에 따른 하나의 실시예로서 실제적으로 본 발명은 이에 제한되지 않고 최대 트리 단계 수
Figure pat00079
가 결정될 수 있다.
도 10을 참조하여 본 발명에 따라 다단계 트리를 구성하는 과정을 살펴보면, 먼저 코디네이터(100)의 다단계 균형 트리 최적화부(120)는 라우팅 지연을 최소화하면서 전체 공간을 연결할 수 있도록 최대 네트워크 깊이
Figure pat00080
을
Figure pat00081
값으로 설정(S160)한다.
그리고
Figure pat00082
이 문턱 값
Figure pat00083
보다 작거나 같을 경우(S181)인 큰 네트워크 깊이가 필요 없는 경우에는 1단계 트리로 전체 기기를 연결할 수 있다고 판단하고
Figure pat00084
한 뒤(S182b)
Figure pat00085
와
Figure pat00086
를 각각 하기 <식 14>, <식 15> 및 <식 16>에 따라 결정(S183b)함으로써 1단계 트리를 구성하고 트리 최적화 과정을 마친다. 그러나 실제적으로는 네트워크 깊이에 따라 필요한 주소 공간이
Figure pat00087
값에 지수적으로 증가하는 균형 트리 구조의 특성에 의해 1단계 트리는 큰 네트워크 깊이를 지원하기 어려울 것이다.
[식 14]
Figure pat00088
[식 15]
Figure pat00089
[식 16]
Figure pat00090
여기서
Figure pat00091
과
Figure pat00092
는 각각
Figure pat00093
과
Figure pat00094
의 최대 값,
Figure pat00095
는 주소 할당에 사용되는 비트(bit) 수,
Figure pat00096
는
Figure pat00097
보다 작거나 같은 정수 중 최대 값,
Figure pat00098
는 하기 <식 17>과 같은 함수를 의미한다.
[식 17]
Figure pat00099
그러나 만약
Figure pat00100
(S181)이면 1단계 트리로 전체 기기를 연결하기 어렵다고 판단하고 2단계 이상의 다단계 트리를 구성하기 시작하는데, 먼저 1단계 트리 임계 깊이
Figure pat00101
을
Figure pat00102
로 결정(S182a)하고, 하기 <식 18>, <식 19> 및 <식 20>에 따라
Figure pat00103
와
Figure pat00104
를 결정(S183a)하고 1단계 트리 구성을 마친다.
[식 18]
Figure pat00105
[식 19]
Figure pat00106
[식 20]
Figure pat00107
이후 2단계 트리를 구성하기 위해 2단계 트리 임계 깊이
Figure pat00108
를 하기 <식 21>에 따라 결정(S184)한다.
[식 21]
Figure pat00109
그리고 산출된 2단계 트리 임계 깊이
Figure pat00110
가
Figure pat00111
이면(S185)
Figure pat00112
한 뒤(S186b),
Figure pat00113
하고 하기 <식 22> 및 <식 23>에 따라
Figure pat00114
와
Figure pat00115
를 결정(S187b)하여 2단계 트리를 구성한다.
[식 22]
Figure pat00116
[식 23]
Figure pat00117
그러나 만약
Figure pat00118
이면(S174)
Figure pat00119
한 뒤(S186a),
Figure pat00120
하고 하기 <식 24>으로
Figure pat00121
를 산출하고 상기 <식23>에 따라
Figure pat00122
와
Figure pat00123
를 결정(S187a)하여 2단계 트리를 구성한다.
[식 24]
Figure pat00124
이후
Figure pat00125
하고 하기 <식 25> 및 <식 26>에 따라
Figure pat00126
와
Figure pat00127
를 결정(S188)하여 3단계 트리를 구성하고 트리 최적화 과정을 마친다.
[식 25]
Figure pat00128
[식 26]
Figure pat00129
이와 같이 본 발명에 따른 코디네이터(100)의 운용 환경 추정부(110)가 상기
Figure pat00130
과
Figure pat00131
를 추정하고 다단계 트리 구조 결정부(120)가 다단계 트리를 실제 기기 설치 환경에 따라 최적화함으로써 라우팅 지연을 최소화하면서도 전체 기기를 연결할 수 있는 네트워크 구조를 설계할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 도 4에서 네트워크 연결 과정(S200)에 대하여 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
도 11은 본 발명에 따른 부모 기기와 자녀 기기의 실시예에 대한 개략적인 구성을 나타낸다.
도 11에 도시된 바와 같이 부모 기기(200)는 자녀 라우터 선택부(210), 다단계 트리 기반 주소 할당부(220) 및 자녀 종단 기기 선택부(230)를 포함하며, 자녀 기기(300))는 크게 라우터로 가입을 원하는 센서 기기인 자녀 라우터 기기(300a)와 종단 기기로 가입을 원하는 센서 기기인 자녀 종단 기기(300b)로 분류되며, 라우터로 가입을 원하는 센서 기기(300a)는 라우터용 부모 선택부(310a)를 포함하고, 종단 기기로 가입을 원하는 센서 기기(300b)는 종단 기기용 부모 선택부(310b)를 포함한다.
상기 도 4를 같이 참조하여 부모 기기와 자녀 기기의 네트워크 연결(S200) 과정을 좀 더 살펴보면, 부모 및 자녀를 선택(S210)하는 과정은 먼저 자녀 기기(300) 중 라우터로 가입을 원하는 기기(300a)는 라우터용 부모 선택부(310a)에서 네트워크 깊이를 활용하여 부모 후보군을 선택하고 상기 부모 후보군 중에서 네트워크 깊이와 전송링크 상태(Link Quality :LQ) 같은 채널 상황 정보를 이용하여 부모 기기를 선택한 뒤 가입을 요청하고, 상기 선택된 부모 기기(200)는 자녀 라우터 선택부(210)에서 가입을 요청한 기기들의 부모 후보 수를 고려하여 자녀 라우터 기기를 선택한다.
그리고 자녀 기기(300) 중 종단 기기로 가입을 원하는 기기(300b)는 종단 기기용 부모 선택부(310b)에서 네트워크 깊이와 전송링크 상태(LQ) 등과 같은 채널 상황 정보를 활용하여 부모를 선택한 뒤 가입을 요청하고, 상기 선택된 부모 기기(300)는 자녀 종단 기기 선택부(230)에서 선착순으로 자녀 종단 기기를 선택한다.
바람직하게는 본 발명의 실시 예에서 전기능 기기는 먼저 라우터로 가입을 시도한 뒤 실패하면 종단 기기로 다시 가입을 시도할 수 있고, 축소 기능 기기는 종단 기기로만 네트워크 가입이 가능하다.
이후 부모 기기(200)는 다단계 트리 기반 주소 할당부(230)를 통해 자녀 기기의 주소를 할당(S230)하고, 상기 할당된 주소 정보를 자녀 기기(300)에게 전송한다.
그리고 자녀 기기(300)가 라우터인지를 판단(S250)하여 만약 자녀 기기(300)가 라우터이면, 다중 채널을 사용하여 향후 자녀 라우터 기기가 구성하게 될 클러스터의 슈퍼프레임 구간을 결정(S270)하고, 만약 자녀 기기(300)가 종단 기기이면 바로 네트워크 연결 과정(S200)을 종료한다.
여기서 라우터로 가입을 원하는 센서 기기(300a)의 라우터용 부모 선택부(310a)가 네트워크 깊이를 활용하여 부모 후보군을 선택하고, 상기 부모 후보군 중에서 네트워크 깊이와 전송링크 상태(LQ)과 같은 채널 상황 정보를 활용하여 부모 기기를 선택하는 과정은 도 12의 흐름도에 도시되어 있다.
도 12를 참조하여 본 발명에 있어서, 라우터로 가입을 원하는 센서 기기(300a)가 부모 기기(200)에 연결되는 과정을 살펴보면, 라우터로 가입을 원하는 센서 기기
Figure pat00132
(300a)의 라우터용 부모 선택부(310a)는 먼저
Figure pat00133
개의 채널을 통해 수신된 비컨 신호의 수신 특성을 기반으로 전송링크 상태(LQ)를 추정하고 상기 추정된 전송링크 상태(LQ)가 원하는 전송성능을 얻기 위한 임계 값
Figure pat00134
보다 큰 라우터들로 부모 후보군
Figure pat00135
을 하기 <식 27>과 같이 초기화(S211a)한다.
[식 27]
Figure pat00136
여기서
Figure pat00137
은 네트워크 연결되어 있는 전체 라우터들의 집합을,
Figure pat00138
는 두 기기
Figure pat00139
와
Figure pat00140
사이의 LQ를 나타낸다.
그리고
Figure pat00141
를
Figure pat00142
의
Figure pat00143
번째 부모 후보로,
Figure pat00144
를 기기
Figure pat00145
의 네트워크 깊이로,
Figure pat00146
를
Figure pat00147
의 원소 개수로 정의하고,
Figure pat00148
및
Figure pat00149
를 하기 <식 28> 및 <식 29>와 같이 정의한다.
[식 28]
Figure pat00150
[식 29]
Figure pat00151
만약
Figure pat00152
이면(S212a),
Figure pat00153
하고(S213a) 부모 후보군을 선택하는데,
Figure pat00154
와
Figure pat00155
가 동일한지 비교(S214a)하여
Figure pat00156
일 경우 바로
Figure pat00157
와
Figure pat00158
를 비교(S217a)하고, 만약
Figure pat00159
일 경우에는
Figure pat00160
를
Figure pat00161
로 설정하여 부모 후보군에서 제거(S215a)한 뒤,
Figure pat00162
를 1만큼 감소(S216a)시키고
Figure pat00163
와
Figure pat00164
를 비교(S217a)한다.
Figure pat00165
와
Figure pat00166
를 비교(S217a)하여 만약
Figure pat00167
면
Figure pat00168
를 1만큼 증가(S218a)시킨 후 다시
Figure pat00169
와
Figure pat00170
가 동일한지 비교(S214a)하는 과정으로 돌아가고, 만약
Figure pat00171
면 부모 후보군 선택 과정을 마친다.
이와 같은 부모 후보군 선택 과정이 끝나거나 만약
Figure pat00172
가(S212a) 성립되지 않고
Figure pat00173
또는
Figure pat00174
일 경우에, 라우터용 부모 선택부(310a)는 선택된 부모 후보군 중 네트워크 깊이가 최소인 부모 후보들의 집합
Figure pat00175
를 하기 <식 30>에 따라 결정하고
Figure pat00176
중에서 전송링크 상태(LQ)가 가장 작은 부모 후보를 하기 <식 31>에 따라 부모 기기
Figure pat00177
로 선택한다.
[식 30]
Figure pat00178
[식 31]
Figure pat00179
상기 라우터로 가입을 원하는 센서 기기
Figure pat00180
는 상기 부모 선택 과정이 끝난 후 부모 후보 수
Figure pat00181
이 포함된 가입 요청 메시지를 부모 기기
Figure pat00182
(200)에 전송한다.
이와 같이 본 발명에 따른 자녀 기기(300)의 라우터용 부모 선택부(310a)는 네트워크 깊이 정보를 활용하여 각 기기가 코디네이터로부터 자신보다 멀리 떨어진 기기를 부모 기기로 선택하는 것을 방지함으로써 네트워크 깊이 낭비를 막고, 전송링크 상태(LQ) 등을 고려하여 자신과 멀리 떨어진 기기를 부모로 선택하므로 WSN 평균 통신 반경 및 네트워크의 크기를 효율적으로 확장할 수 있다.
라우터로 가입을 원하는 센서 기기(300a)의 라우터용 부모 선택부(310a)를 통해 선택된 부모 기기(200)는 자녀 라우터 선택부(210)을 통해 자녀 라우터 기기를 선택하게 되는데, 도 13는 부모 기기가 자녀 라우터 기기를 선택하는 과정을 도시한 흐름도이다.
부모 기기(200)가 자녀 라우터 선택부(210)를 통해 자녀 라우터의 전송링크 상태(LQ) 또는 부모 후보 수 등을 고려하여 자녀 라우터 기기(300a)를 선택하는 과정을 상기 도 13을 참조하여 살펴보면, 부모 기기(200)를
Figure pat00183
라 하고, 상기
Figure pat00184
의 자녀 라우터 후보군 및 자녀 라우터군을 각각
Figure pat00185
와
Figure pat00186
라 할 때, 상기 자녀 라우터 선택부(210)는 먼저 하기 <식 32>에 따라 자신에게 네트워크 가입을 요청한 기기들로
Figure pat00187
을 초기화(S221a)한다.
[식 32]
Figure pat00188
이후
Figure pat00189
로 설정하고(S222a), 상기
Figure pat00190
가 코디네이터인지 여부를 판단(S223a)하여, 상기
Figure pat00191
가 코디네이터인 경우에는 하기 <식 33>에 따라 전송링크 상태(LQ)가 가장 높은 자녀 라우터 후보를
Figure pat00192
번째 자녀 라우터
Figure pat00193
로 선택(S224a)하고, 만약 상기
Figure pat00194
가 라우터인 경우 하기 <식 34>과 같이 부모 후보 수가 가장 작은 자녀 라우터 후보를
Figure pat00195
번째 자녀 라우터
Figure pat00196
로 선택(S225a)한다.
[식 33]
Figure pat00197
[식 34]
Figure pat00198
이와 같은 과정으로 선택된 자녀 라우터 정보
Figure pat00199
를
Figure pat00200
에 추가(S226a)하고,
Figure pat00201
와
Figure pat00202
을 비교(S227a)하여,
Figure pat00203
이면
Figure pat00204
로 하고(S228a) 다시 상기
Figure pat00205
가 코디네이터인지 여부를 판단(S223a)하는 과정으로 돌아가며, 만약
Figure pat00206
이면 하기 <식 35>과 같이 자녀 라우터군을 확정(S229a)한다.
[식 35]
Figure pat00207
만일 라우터로 가입을 원하는 기기가 모든 부모 후보들에게 가입을 거절당하면 상기 기기는 종단 기기로 가입을 재시도 한다.
이와 같은 본 발명에서는 코디네이터 또는 상기 부모 기기의 자녀 라우터 선택부를 통해 라우터들의 특정 방향으로 쏠리지 않고 넓은 지역에 고르게 분포할 수 있도록 유도함으로써 네트워크 연결성과 전송 성능을 극대화할 수 있다.
한편 종단 기기로 가입을 원하는 센서 기기(300b)는 종단 기기용 부모 선택부(310b)를 통해 네트워크 깊이와 전송링크 상태(LQ) 등을 고려하여 부모 기기(200)를 선택하는데, 이를 도 14를 참조하여 살펴보기로 한다.
도 14는 종단 기기로 가입을 원하는 센서 기기가 부모 기기를 선택하는 과정을 도시하는데, 종단 기기로 가입을 원하는 센서 기기(300b)를
Figure pat00208
라 할 때, 상기
Figure pat00209
의 종단 기기용 부모 선택부(310b)는 먼저
Figure pat00210
개의 채널을 통해 수신된 비컨 신호의 수신 특성을 기반으로 전송링크 상태(LQ)를 추정하고 상기 추정된 전송링크 상태(LQ)가
Figure pat00211
보다 큰 라우터들로 하기 <식 36>과 같이 부모 후보군
Figure pat00212
를 초기화(S211b)한다.
[식 36]
Figure pat00213
이후 부모 후보군 중 네트워크 깊이가 최소인 부모 후보들의 집합
Figure pat00214
를 하기 <식 37>에 따라 결정하고, 상기
Figure pat00215
중에서 전송링크 상태(LQ)가 가장 큰 부모 후보를 하기 <식 38>과 같이 부모
Figure pat00216
로 선택(S219b)한 뒤 부모 선택 과정을 마친다.
[식 37]
Figure pat00217
[식 38]
Figure pat00218
종단 기기용 부모 선택부(310b)를 통해 선택된 부모 기기(200)
Figure pat00219
의 자녀 종단 기기 선택부(230)는 자녀 종단 기기군
Figure pat00220
내의 자녀 종단 기기 수
Figure pat00221
가 최대 자녀 기기 수
Figure pat00222
에서 최대 자녀 라우터 수
Figure pat00223
를 뺀 값
Figure pat00224
보다 작을 경우 상기
Figure pat00225
를 자녀 종단 기기로 선택하여
Figure pat00226
에 추가할 수 있다. 즉, 상기
Figure pat00227
의 자녀 종단 기기 선택부(230)는 최대 자녀 종단 기기 수
Figure pat00228
의 한도 내에서 자녀 종단 기기를 선착순으로 선택한다.
이와 같이 본 발명에 따른 종단 기기로 가입을 원하는 센서 기기(300b)의 종단 기기용 부모 선택부(310b)와 부모 기기(200)의 자녀 종단 기기 선택부(230)를 통해 종단 기기의 네트워크 연결성을 높일 뿐만 아니라 네트워크 연결 후 부모 라우터와 자녀 종단 기기 사이의 전송링크 상태(LQ)를 보장하여 기기 사이의 데이터 전송 성능을 향상시킬 수 있다.
상기와 같은 부모 및 자녀를 선택하는 과정(S210)을 마치면 부모 기기(200)의 다단계 트리 기반 주소 할당부(220)는 자녀 라우터 선택부(210) 또는 자녀 종단 기기 선택부(230)에서 선택한 자녀 기기(300)에게 주소를 할당할 수 있는데, 도 15는 본 발명에 따른 부모 기기가 주소를 할당하는 과정에 대한 흐름도를 도시한다.
도 15를 참조하면, 부모 기기(200)를
Figure pat00229
라 할 때, 상기
Figure pat00230
는 다단계 트리 구조 인자를 바탕으로 상기
Figure pat00231
로부터 네트워크에 연결할 수 있는 다단계 트리 구조에서
Figure pat00232
의 하위 계층에 대한 최대 기기 수
Figure pat00233
를 하기 <식 39>에 따라 산출(S231)한다.
[식 39]
Figure pat00234
이후 자녀 기기(300)가 라우터인지를 판단(S233)하여 자녀 기기가 라우터이면 자녀 라우터 기기의 하위 계층 트리 단계에 연결될 수 있는 기기 수를 고려하여 하기 <식 40>과 같이
Figure pat00235
간격으로 라우터 주소(총
Figure pat00236
개)를 할당(S235)한다.
[식 40]
Figure pat00237
여기서
Figure pat00238
는 부모 기기의 주소를,
Figure pat00239
는
Figure pat00240
번째 자녀 라우터 기기의 주소를 의미한다.
만약 자녀 기기(300)가 라우터인지를 판단(S233)하여 자녀 기기(300)가 종단 기기이면 하기 <식 41>과 같이 1간격으로 자녀 종단 기기 주소(총
Figure pat00241
개)를 할당(S237)한다.
[식 41]
Figure pat00242
여기서
Figure pat00243
는
Figure pat00244
번째 자녀 종단 기기의 주소를 의미한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 다단계 트리 기반 주소 할당 과정은 각 부모 기기가 네트워크 구조 결정 과정(S100)에서 결정된 다단계 트리 구조 인자에 기반하여
Figure pat00245
를 계산하고 이를 통해 자신의 가용 주소를 결정함으로써, 별도의 메시지 교환 없이 부모 기기가 직접 주소를 할당하면서도 주소의 독립성을 보장할 수 있다.
한편 상기 도 4에서 자녀 기기가 라우터인지를 판단(S250)하여, 만약 자녀 기기가 라우터일 경우에 다중 채널을 활용하고, 부모 기기와 자녀 라우터 기기의 채널 사용 가능 상태 정보를 조합하여 향후 자녀 라우터 기기가 구성하게 될 클러스터의 슈퍼프레임 구간을 할당하는 과정(S270)은 살펴보기로 한다.
도 16은 본 발명에 있어서 자녀 라우터 기기의 슈퍼프레임 구간을 할당하는 과정에 대한 실시예의 흐름도를 나타내며, 상기 도 16을 참조하여 자녀 라우터 기기의 슈퍼프레임 구간을 할당하는 과정을 살펴보면, 먼저 부모 기기(200)와 자녀 라우터 기기(300a)는 주소 할당 정보 송수신 후 각각 비활성 기간에 부모 기기(200)의 채널을 검색하여 상기 채널의 사용 가능 상태를 추정(S271, S272)한다.
이후 부모 기기(200)는 자신이 추정한 채널 사용 가능 상태 정보를 이용하여 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 작성하는데, 예시적으로 8개의 구간 중 2, 5 및 7번 구간이 비어 있으면 01001010이 되며, 이와 같이 작성된 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 자녀 라우터 기기(300a)에게 전송(S273a)한다. 그리고 자녀 라우터 기기(300a)는 상기 슈퍼프레임 구간 후보 정보를 수신하면 상기 슈퍼프레임 구간 후보 정보를 자신이 추정한 채널 사용 가능 상태 정보와 비교하여 사용 가능한 구간 중 하나를 슈퍼프레임 구간으로 결정(S274a)하고, 상기 결정된 슈퍼프레임 구간 정보를 부모 기기(200)에게 전송(S275a)하고, 부모 기기(200)와 자녀 라우터 기기(300a)는 슈퍼프레임 구간 할당을 완료(S280)한다.
만약 슈퍼프레임 구간을 결정하는 과정(S274a)에서 채널이 포화되어 슈퍼프레임 구간을 찾지 못하면 자녀 라우터 기기(300a)가 부모 기기(200)에게 실패 정보를 전송(S275a)하며, 이 경우 부모 기기(200)와 자녀 라우터 기기(300a)는 자녀 라우터 기기(300a)가 부모 기기(200)와 다른 채널에서 슈퍼프레임 구간을 사용할 수 있도록 다중 채널 동작 모드로 변환한다.
상기 다중 채널 동작 모드에서 부모 기기(200)는 다른 채널을 선택(S278)하는데, 예로써 이전에 다른 채널에 대한 검색 정보가 있는 경우에는 간섭이 가장 적은 채널을 선택, 정보가 없는 경우 임의로 또는 1번부터 순서대로 채널을 선택하게 된다. 그리고 이와 같은 채널 변경 정보를 자녀 라우터 기기(300a)에게 전송(S279)하고, 다시 채널의 사용 가능 상태를 추정(S271)하는 과정으로 돌아가서 채널 검색으로 시작하는 상기와 같은 슈퍼프레임 구간 할당 과정(S270)을 반복한다.
한편 부모 기기(200)로부터 채널 변경 정보를 전송(S279)받아 상기 선택된 다른 채널 정보를 수신한 자녀 라우터 기기(300a)는 다시 채널의 사용 가능 상태를 추정(S272)하는 과정으로 돌아가서 상기 선택된 다른 채널에 대한 채널 검색으로 시작하는 상기와 같은 슈퍼프레임 구간 할당 과정(S270)을 반복한다.
이와 같은 과정을 통해 슈퍼프레임 구간 할당이 끝나면 자녀 라우터 기기(300a)는 상기 슈퍼프레임 구간에서 자신의 비컨 신호를 전송하고 새로운 기기들을 자녀 기기로 선택하여 클러스터를 구성할 수 있다.
도 17은 본 발명에 있어서 자녀 라우터 기기의 슈퍼프레임 구간을 할당하는 과정에 대한 다른 실시예의 흐름도를 나타내며, 상기 도 17을 참조하여 자녀 라우터 기기의 슈퍼프레임 구간을 할당하는 과정을 살펴보면, 우선 상기 도 16의 실시예에서와 마찬가지로 부모 기기(200)와 자녀 라우터 기기(300a)는 주소 할당 정보 송수신 후 각각 비활성 기간에 부모 기기(200)의 채널을 검색하여 상기 채널의 사용 가능 상태를 추정(S271, S272)한다.
이후 상기 도 17에 도시된 실시예에서는 상기 도 16의 실시예와 다르게 자녀 라우터 기기(300a)가 자신이 추정한 채널 사용 가능 상태 정보를 이용하여 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 작성한다. 그리고 자녀 라우터 기기(300a)가 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 부모 기기(200)에게 전송(S273b)한다.
상기 슈퍼프레임 구간 후보 정보를 전송 받은 부모 기기(200)는 상기 슈퍼프레임 구간 후보 정보를 자신이 추정한 채널 사용 가능 상태 정보와 비교하여 사용 가능한 구간 중 하나를 슈퍼프레임 구간으로 결정(S274b)하고, 상기 결정된 슈퍼프레임 구간 정보를 자녀 라우터 기기(300a)에게 전송(S275b)하여 부모 기기(200)와 자녀 라우터 기기(300a)는 슈퍼프레임 구간 할당을 완료(S280)한다.
만약 슈퍼프레임 구간을 결정하는 과정(S274b)에서 채널이 포화되어 슈퍼프레임 구간을 찾지 못하면 부모 기기(200)가 자녀 라우터 기기(300a)에게 실패 정보를 전송(S275b)하며, 이 경우 부모 기기(200)와 자녀 라우터 기기(300a)는 자녀 라우터 기기(300a)가 부모 기기(200)와 다른 채널에서 슈퍼프레임 구간을 사용할 수 있도록 다중 채널 동작 모드로 변환한다.
상기 다중 채널 동작 모드에서 부모 기기(200)는 다른 채널을 선택(S278)하는데, 예로써 이전에 다른 채널에 대한 검색 정보가 있는 경우에는 간섭이 가장 적은 채널을 선택, 정보가 없는 경우 임의로 또는 1번부터 순서대로 채널을 선택하게 된다. 그리고 이와 같은 채널 변경 정보를 자녀 라우터 기기(300a)에게 전송(S279)하고, 다시 채널의 사용 가능 상태를 추정(S271)하는 과정으로 돌아가서 채널 검색으로 시작하는 상기와 같은 슈퍼프레임 구간 할당 과정(S270)을 반복한다.
한편 부모 기기(200)로부터 채널 변경 정보를 전송(S279)받아 상기 선택된 다른 채널 정보를 수신한 자녀 라우터 기기(300a)는 다시 채널의 사용 가능 상태를 추정(S272)하는 과정으로 돌아가서 상기 선택된 다른 채널에 대한 채널 검색으로 시작하는 상기와 같은 슈퍼프레임 구간 할당 과정(S270)을 반복한다.
이와 같은 과정을 통해 슈퍼프레임 구간 할당이 끝나면 자녀 라우터 기기(300a)는 상기 슈퍼프레임 구간에서 자신의 비컨 신호를 전송하고 새로운 기기들을 자녀 기기로 선택하여 클러스터를 구성할 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이 상기 도 16 및 도 17에 도시된 슈퍼프레임 구간 할당 과정에 대한 실시예에서는 부모 기기와 자녀 라우터 기기가 각각 채널 상태를 검색한 뒤 부모 기기가 제시한 슈퍼프레임 구간 후보 정보에 대해 자녀 라우터 기기가 슈퍼프레임 구간을 최종 선택하거나, 자녀 라우터 기기가 제시한 슈퍼프레임 구간 후보 정보에 대해 부모 기기가 슈퍼프레임 구간을 최종 선택하므로, 부모 기기와 자녀 라우터 기기 각각의 채널 사용 가능 상태 정보를 효율적으로 조합하여 슈퍼프레임 구간을 할당할 수 있다. 또한 단일 채널을 사용하는 기존의 지그비와 달리 자녀 라우터 기기가 부모 기기와 다른 채널을 사용하여 슈퍼프레임 구간을 할당하고 자신의 클러스터를 운영할 수 있으므로, 기기가 높은 밀도로 분포되어 있는 환경에서도 각 클러스터가 독립적인 슈퍼프레임 구간을 확보하여 클러스터 간 간섭 없이 네트워크를 연결할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 상기 도 4에서의 데이터 전송 과정(S300)의 동작 원리를 살펴보기로 한다.
도 18은 본 발명에 따른 데이터 전송 과정을 수행하는 장치의 실시예를 나타내는데, 본 발명에 있어서 데이터 전송 과정(S300)은 라우터(400)의 다단계 트리 기반 계층적 라우팅부(410)에 의해 수행된다.
다단계 트리 기반 계층적 라우팅부(410)가 상기에서 살펴본 과정을 통해 결정된 다단계 트리 구조에 기반하여 계층적으로 라우팅 경로를 탐색하는 과정은 도 19에 도시된 바와 같다.
먼저 현재 패킷을 가지고 있는 라우터를
Figure pat00246
라 정의하고, 패킷의 다음 목적지 기기를
Figure pat00247
라 정의하고, 패킷의 최종 목적지 기기를
Figure pat00248
이라 정의한다.
상기 현재 패킷을 가지고 있는 라우터의 주소
Figure pat00249
와 패킷의 최종 목적지의 주소
Figure pat00250
를 대비하여 만약
Figure pat00251
(S310)이면 현재 패킷을 가지고 있는 라우터 자신이 직접 패킷을 수용(S320)하고, 만약
Figure pat00252
이면 라우팅 경로 탐색을 시작하여
Figure pat00253
거나
Figure pat00254
(S330)이면 패킷의 최종 목적지인
Figure pat00255
기기가 다단계 트리 구조에서 자신의 하위 계층에 속하지 않았다고 판단하고
Figure pat00256
로 설정하고 자신의 부모 기기인
Figure pat00257
즉, 다단계 트리 구조의 상위 계층으로 패킷을 전송(S340)한다. 만약
Figure pat00258
이면 현재 패킷을 가지고 있는 라우터
Figure pat00259
는 패킷의 최종 목적지
Figure pat00260
기기가 다단계 트리 구조에서 자신의 하위 계층에 속한다고 판단하고 하기 <식 42>와 같이 알맞은 자녀 기기의 주소를
Figure pat00261
로 정한 뒤 패킷을 전송(S350)한다.
[식 42]
Figure pat00262
상기 다단계 트리 기반 계층적 라우팅부(410)는 패킷의 라우팅 경로를 네트워크 구조 결정 과정(S100)에 따라 결정된 다단계 트리에 기반하여 결정하므로 별도의 라우팅 경로 탐색 부담이 없으며, 메시지 교환 및 라우팅 지연 등을 최소화하면서 높은 밀도로 넓은 지역에 설치된 다수의 기기들을 빠르게 자가구성 할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면 WSN의 자가구성 과정에서 발생하는 메시지 교환을 최소화하면서도 넓은 지역에 높은 밀도로 선택된 수많은 기기들을 네트워크에 연결하여 효과적으로 대규모 WSN 자가구성 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 코디네이터,
110 : 운영 환경 추정부, 120 : 다단계 균형 트리 최적화부,
200 : 부모 기기,
210 : 자녀 라우터 선택부, 220 : 다단계 트리 기반 주소 할당부,
230 : 자녀 종단 기기 선택부,
300 : 자녀 기기,
300a : 자녀 라우터 기기, 310b : 라우터용 부모 선택부,
300b : 자녀 종단 기기, 310b : 종단 기기용 부모 선택부,
400 : 라우터,
410 : 다단계 트리 기반 계층적 라우팅부.

Claims (20)

  1. 클러스터 트리 구조 기반의 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법에 있어서,
    (A) 부모 기기 중 하나인 코디네이터가 WSN의 전체 지역을 연결시키기 위한 최소 네트워크 깊이 및 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 산출하고, 각각의 트리 단계에서의 네트워크 깊이에 따른 최대 자녀 라우터 기기 수 및 최대 자녀 종단 기기 수를 산출하여 네트워크 구조를 결정하는 네트워크 구조 결정 단계;
    (B) 각각의 트리 단계에서의 부모 기기가, 자녀 기기의 가입 요청에 따라 자녀 기기를 선택하여 주소를 할당하고 상기 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기에 대한 슈퍼프레임 구간을 할당하는 네트워크 연결 단계; 및
    (C) 패킷을 보유한 라우터 기기가 자신의 주소와 패킷의 최종 목적지 주소의 대비를 통해 라우팅 경로를 탐색하여 패킷을 전송하는 데이터 전송 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (A) 단계는,
    (A-1) 평균 통신 가능 반경을 산출하고, 이에 기초하여 최소 네트워크 깊이를 산출하는 단계;
    (A-2) 상기 평균 통신 가능 반경 및 최소 네트워크 깊이에 기초하여 상기 평균 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 산출하는 단계;
    (A-3) 최대 네트워크 깊이 및 트리 단계 수를 설정하는 단계; 및
    (A-4) 각각의 트리 단계에서의 네트워크 깊이에 따른 최대 자녀 라우터 기기 수 및 최대 자녀 종단 기기 수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 (A-3) 단계는,
    상기 최대 네트워크 깊이를 최소 네트워크 깊이로 설정하고 상기 트리 단계 수를 사용자로부터 입력 받거나 또는 기보유된 값으로 설정하며,
    상기 (A-4) 단계는,
    각각의 트리 단계에 대한 트리 임계 깊이를 결정하고, 상기 최대 네트워크 깊이와 상기 트리 임계 깊이를 대비하여 각각의 트리 단계에서의 최대 자녀 라우터 기기 수 및 최대 자녀 종단 기기 수를 산출하여 각각의 트리 단계에 대한 구조를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (B) 단계는,
    (B-1) 자녀 기기가 부모 후보군을 선택하고, 상기 자녀 기기가 상기 부모 후보군에 포함된 각각의 부모 기기의 네트워크 깊이와 전송링크 상태(LQ)에 근거하여 부모 기기를 선택하고 상기 선택된 부모 기기에 가입을 요청하는 단계;
    (B-2) 상기 선택된 부모 기기가 가입된 자녀 기기 수에 근거하여 가입을 요청한 자녀 기기를 선택하여 자녀 기기로 가입시키는 단계;
    (B-3) 상기 선택된 부모 기기가 가입된 자녀 기기에게 주소를 할당하는 단계; 및
    (B-4) 상기 선택된 부모 기기가 주소가 할당된 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기에 슈퍼프레임 구간을 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 자녀 기기가 자녀 라우터 기기인 경우에,
    상기 (B-1) 단계는,
    자녀 기기가 수신된 비컨 신호의 수신 특성을 기반으로 전송링크 상태(LQ)를 추정하고 상기 추정된 전송링크 상태(LQ)가 임계값보다 큰 라우터들로 부모 후보군을 초기화하는 단계;
    상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기들의 네트워크 깊이에 기초하여 부모 후보 집합에 포함될 부모 기기를 결정하는 단계;
    상기 부모 후보 집합에서 전송링크 상태(LQ)가 가장 작은 부모 기기를 선택하는 단계; 및
    상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기의 수를 포함하는 가입 요청 메시지를 생성하여 상기 선택된 부모 기기에 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 (B-2) 단계는,
    상기 선택된 부모 기기는, 가입을 요청하는 자녀 라우터 기기들로 자녀 라우터 후보군을 초기화하는 단계;
    상기 선택된 부모 기기가 코디네이터인 경우 상기 자녀 라우터 후보군에서 전송링크 상태(LQ)가 가장 높은 자녀 라우터 기기를 선택하고, 상기 선택된 부모 기기가 라우터인 경우 상기 자녀 라우터 후보군에서 상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기의 수가 가장 작은 자녀 라우터 기기를 선택하는 단계;
    상기 선택된 자녀 라우터 기기를 기가입된 자녀 라우터군에 추가하는 단계; 및
    상기 기가입된 자녀 라우터군에 포함된 자녀 라우터의 수와 최대 자녀 라우터 수를 대비하여 상기 선택된 자녀 라우터 기기의 가입을 확정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 자녀 기기가 자녀 종단 기기인 경우에,
    상기 (B-1) 단계는,
    자녀 기기가 수신된 비컨 신호의 수신 특성을 기반으로 전송링크 상태(LQ)를 추정하고 상기 추정된 전송링크 상태(LQ)가 임계값보다 큰 라우터들로 부모 후보군을 초기화하는 단계;
    상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기들의 네트워크 깊이에 기초하여 부모 후보 집합에 포함될 부모 기기를 결정하는 단계;
    상기 부모 후보 집합에서 전송링크 상태(LQ)가 가장 큰 부모 기기를 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 부모 기기에 가입 요청 메시지를 생성하여 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 (B-2) 단계는,
    상기 선택된 부모 기기는 최대 자녀 기기 수에서 최대 자녀 라우터 수를 뺀 값인 최대 종단 기기 수에 기초하여 가입을 요청하는 자녀 종단 기기들에 대하여 선착순으로 자녀 종단 기기의 가입을 확정하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 자녀 라우터 기기는,
    상기 부모 후보군에 포함된 모든 부모 기기에 대한 가입 요청을 하여 상기 (B-2) 단계의 수행 결과 상기 부모 후보군에 포함된 모든 부모 기기로부터 가입이 거절된 경우, 자녀 종단 기기로서 상기 (B-1) 단계를 다시 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 (B-3) 단계는
    상기 선택된 부모 기기의 하위 계층 트리 단계에 가입된 최대 기기 수를 산출하는 단계; 및
    상기 선택된 부모 기기에 가입된 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기들에게는 상기 최대 기기 수 간격으로 라우터 주소를 할당하고,
    상기 선택된 부모 기기에 가입된 자녀 기기 중 자녀 종단 기기들에게 상기 최대 기기 수 이후부터 순차적으로 라우터 주소를 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 (B-4) 단계는,
    (B-4-a1) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기가 상기 선택된 부모 기기의 채널을 검색하여 검색된 채널의 사용 가능 상태를 추정하는 단계;
    (B-4-a2) 상기 선택된 부모 기기가 추정한 사용 가능 상태의 채널에서 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 생성하는 단계;
    (B-4-a3) 상기 선택된 부모 기기가 상기 후보 정보를 상기 자녀 라우터 기기에 전송하는 단계;
    (B-4-a4) 상기 자녀 라우터 기기가 수신된 상기 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 채널에서 사용 가능한 구간 중 하나를 슈퍼프레임 구간으로 결정하는 단계;
    (B-4-a5) 상기 자녀 라우터 기기가 결정된 슈퍼프레임 구간 정보를 상기 선택된 부모 기기에게 전송하는 단계; 및
    (B-4-a6) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기 간의 슈퍼프레임 구간이 할당되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 (B-4-a4) 단계는,
    상기 자녀 라우터 기기가 수신된 상기 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 후보 정보가 포화된 채널에 해당하는 경우에 슈퍼프레임 구간 결정에 대한 실패 메시지를 상기 선택된 부모 기기에게 전송하는 단계; 및
    상기 선택된 부모 기기가 다른 채널을 검색하여 상기 (B-4-a1) 단계부터 다시 수행하는 것을 특징을 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법.
  13. 제 4 항에 있어서,
    상기 (B-4) 단계는,
    (B-4-b1) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기가 상기 선택된 부모 기기의 채널을 검색하여 검색된 채널의 사용 가능 상태를 추정하는 단계;
    (B-4-b2) 상기 자녀 라우터 기기가 추정한 사용 가능 상태의 채널에서 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 생성하는 단계;
    (B-4-b3) 상기 자녀 라우터 기기가 상기 후보 정보를 상기 선택된 부모 기기에 전송하는 단계;
    (B-4-b4) 상기 선택된 부모 기기가 수신된 상기 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 채널에서 사용 가능한 구간 중 하나를 슈퍼프레임 구간으로 결정하는 단계;
    (B-4-b5) 상기 선택된 부모 기기가 결정된 슈퍼프레임 구간 정보를 상기 자녀 라우터 기기에게 전송하는 단계; 및
    (B-4-b6) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기 간의 슈퍼프레임 구간이 할당되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 (B-4-b4) 단계는,
    상기 선택된 부모 기기가 수신된 상기 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 후보 정보가 포화된 채널에 해당하는 경우에 슈퍼프레임 구간 결정에 대한 실패 메시지를 상기 자녀 라우터 기기에게 전송하는 단계; 및
    상기 선택된 부모 기기가 다른 채널을 검색하여 상기 (B-4-a1) 단계부터 다시 수행하는 것을 특징을 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 (C) 단계는
    상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소와 패킷의 최종 목적지 주소가 동일한 경우 상기 패킷을 보유한 라우터 기기가 상기 패킷을 수용하는 단계;
    상기 패킷의 최종 목적지 주소가 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소보다 크고 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소에 자신의 하위 계층 트리 단계에 가입된 최대 기기 수를 더한 값보다 작으면 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 하위 계층 트리 단계에 가입된 자녀 기기로 상기 패킷을 전송하는 단계; 및
    상기 패킷의 최종 목적지 주소가 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소보다 작거나 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소에 자신의 하위 계층 트리 단계에 가입된 최대 기기 수를 더한 값보다 크면 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 상위 계층 트리 단계의 자신이 가입된 부모 기기로 상기 패킷을 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법.
  16. 클러스터 트리 구조 기반의 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 시스템에 있어서,
    WSN의 평균 통신 반경 및 상기 평균 통신 반경내에 위치하는 기기들의 수를 산출하고, 이에 기초하여 각각의 트리 단계에서의 최대 자녀 라우터수 및 최대 자녀 기기수를 산출하여 다단계 트리 네트워크 구조를 결정하는 코디네이터;
    하위 계층 트리 단계의 자녀 기기로부터 가입 요청을 받고 자신에게 가입될 자녀 기기를 선택하며, 자신에게 가입된 자녀 기기들에게 주소를 할당하는 부모기기; 및
    상위 계층 트리 단계의 부모 기기를 선택하여 가입 요청을 하고 부모 기기의 선택에 따라 가입되어 주소를 할당 받는 자녀기기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 코디네이터는,
    평균 통신 가능 반경 및 상기 평균 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 산출하는 운용 환경 추정부; 및
    네트워크 최대 깊이 및 각각의 트리 단계에서의 최대 자녀 라우터수 및 최대 자녀 기기수를 산출하는 다단계 균형 트리 최적화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 부모 기기는,
    상기 자녀 기기 중 라우터로 가입을 요청하는 자녀 라우터 기기로부터 가입 요청을 받고 이에 대한 가입 여부를 결정하며, 가입된 자녀 라우터 기기를 관리하는 자녀 라우터 선택부;
    상기 자녀 기기 중 종단 기기로 가입을 요청하는 자녀 종단 기기로부터 가입 요청을 받고 이에 대한 가입 여부를 결정하며, 가입된 자녀 종단 기기를 관리하는 자녀 종단 기기 선택부; 및
    가입된 자녀 기기에게 주소를 할당하고 상기 할당된 주소를 상기 자녀 기기에게 전송하며, 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기에게는 슈퍼프레임 구간을 할당하는 다단계 트리 기반 주소 할당부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 시스템.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 자녀 기기는,
    자녀 라우터 기기와 자녀 종단 기기를 포함하며,
    상기 자녀 라우터 기기는, 부모 후보군을 선택하고 상기 부모 후보군에서 부모 기기를 선택한 후 상기 선택된 부모 기기에게 가입을 요청하는 라우터용 부모 선택부를 포함하며,
    상기 자녀 종단 기기는, 부모 후보군을 선택하고 상기 부모 후보군에서 부모 기기를 선택한 후 상기 선택된 부모 기기에게 가입을 요청하는 종단 기기용 부모 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 시스템.
  20. 제 16 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코디네이터, 부모 기기 및 자녀 라우터 기기는, 라우터 기기로서 패킷 전송을 위한 라우팅 경로를 탐색하는 다단계 트리 기반 계층적 라우팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 시스템.
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