KR20130022793A

KR20130022793A - 무선 센서 네트워크에서 싱크 노드 이동을 지원하는 계층적 라우팅 방법

Info

Publication number: KR20130022793A
Application number: KR1020110085706A
Authority: KR
Inventors: 박재희; 정민아; 이성로; 박희만; 박선; 최명수; 김영주
Original assignee: 목포대학교산학협력단
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2013-03-07

Abstract

무선 센서 네트워크에서 싱크 노드 이동을 지원하는 계층적 라우팅 방법이 개시된다. 이 방법은 이웃 노드를 탐색하여 탐색된 이웃 노드 중 거리가 가장 가까운 4개의 노드와 나머지 노드를 구분하여 이웃 노드 테이블을 통해 관리 및 주기적으로 갱신하는 단계, 및 상기 이웃 노드 테이블에서 상기 거리가 가장 가까운 4개의 노드 중 적어도 일부가 갱신되면, 라우팅 테이블 갱신을 위한 메시지를 브로드캐스트하는 단계를 포함한다. 이에 따라 싱크 노드를 추적할 수 있고, 결과적으로 싱크 노드로 끊김없이 데이터 전송이 가능하다.

Description

무선 센서 네트워크에서 싱크 노드 이동을 지원하는 계층적 라우팅 방법{A hierarchical routing method to support mobile sink-node in wireless sensor networks}

본 발명은 무선 센서 네트워크에 관한 것으로, 특히 무선 센서 네트워크에서 효율적인 망 운영을 위한 라우팅 알고리즘에 관한 것이다.

무선 센서 네트워크는 구성 요소가 모두 고정적인 유선 통신망과 달리 단말기 위치가 가변적이므로 구성 요소의 위치를 알 수 없고 제한된 에너지와 처리능력을 갖는다. 이런 환경에서 효율적인 네트워크 통신을 하기 위한 다양한 라우팅 알고리즘이 존재한다. Directed Diffusion, GRAB 등이 센서 네트워크를 위한 라우팅 프로토콜들로 잘 알려져 있다. 그러나 이러한 프로토콜들을 센서 네트워크에서 그리 좋은 성능을 나타내지 못하고 있다. 이동성 싱크 노드 문제점을 해결하기 위해 두 계층 데이터 전송 방식(Two-Tier Data Dissemination, TTDD)이 제안되었지만, 센서 노드가 현상을 발견할 때마다 그리드 구조를 생성하기 위한 많은 제어 패킷의 사용으로 에너지 효율적인 라우팅 프로토콜로는 적합하지 않다. 네트워크 생존시간 측면에서는 무선 센서 네트워크의 라우팅 프로토콜 중에서 적은 데이터 전송으로 통신비용을 줄인 계층적 라우팅 알고리즘을 사용하는 프로토콜들이 보다 효율적이다. 대표적인 계층적 라우팅 프로토콜로는 LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)가 있다. 계층적 라우팅 프로토콜들을 주기적으로 클러스터를 재구성하고, 라우팅 테이블을 갱신하는 것에 의해서 부분적으로는 싱크 노드의 이동성을 지원하게 되지만, 현존하는 계층적 라우팅 프로토콜은 싱크 노드에 대한 완전한 이동성을 제공하지 못한다.

도 1은 LEACH 프로토콜의 구성도이다.

무선 센서 네트워크에서 노드들 사이에 에너지 소모를 균등하게 분해하기 위해서, 확률 기반으로 클러스터 헤드를 선정하는 자동 재구성 클러스터 기반의 프로토콜이다. LEACH는 클러스터 헤드라는 상위 계층의 노드와 일반 멤버 노드로 구성된다. LEACH는 도 1과 같이 클러스터를 재구성하고 이를 기반으로 한 통신이 이루어지는 시간 구간을 라운드(round)로 정의한다. 각 라운드는 클러스터를 구성하는 셋업 단계(Set-up Phase)와 실제 통신이 이루어지는 정상 상태 단계(Steady-state Phase)로 구분된다. 셋업 단계는 클러스터 헤드가 선출되는 광고 단계(Advertisement Phase)와 이 헤드를 기반으로 클러스터가 구성되는 클러스터 셋업 단계(Cluster Set-up Phase) 및 클러스터 헤드가 전송할 노드들의 순서를 결정하는 스케줄 생성 단계(Schedule Creation Phase)로 구성된다. 클러스터 헤드 선정 방법은 각 라운드의 초기 시점에서 이루어지는데, 이때 각 노드들은 0~1 사이에서 임의의 한 수를 선택한다. n번째 노드가 임의로 선택한 수가 임계값 T(n)보다 작다면, 그 노드는 해당 라운드에서 클러스터 헤드로 선출된다. 클러스터 헤드의 수를 선출하기 위한 임계값은 다음의 수학식 1과 같이 결정된다.

수학식 1에서 P는 전체 노드들 중에서 선출되는 클러스터 헤드의 비율을 나타내고, r은 현재 라운드, 그리고 G는 이전 1/P번의 라운드 동안 클러스터 헤드로 선출되지 않는 노드들의 집합을 의미한다. LEACH는 1/P 라운드 동안에 모든 노드들이 한 번씩 클러스터 헤드가 되는 것을 보장한다. 하지만 LEACH는 싱크 노드가 이동하면 싱크 노드가 다시 interest 메시지를 플러딩(flooding)하기 전까지는 라우팅 경로가 변경되지 않아 싱크 노드까지의 데이터 전송은 불가능하게 되어 완전한 이동성을 지원하지 못한다.

고정된 싱크 노드를 고려한 계층적 라우팅 프로토콜들을 현실적인 환경에서 전통적인 센터 네트워크 서비스만 가능하기 때문에, 다양한 센서 네트워크 서비스를 위해서 이동 싱크 노드를 지원하기 위한 방법이 필요하다. 본 발명은 이러한 이동 싱크 노드를 지원하기 위한 기술적 방안을 제공함을 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 무선 센서 네트워크에서 싱크 노드 이동을 지원하는 계층적 라우팅 방법은 이웃 노드를 탐색하여 탐색된 이웃 노드 중 거리가 가장 가까운 4개의 노드와 나머지 노드를 구분하여 이웃 노드 테이블을 통해 관리 및 주기적으로 갱신하는 단계, 및 상기 이웃 노드 테이블에서 상기 거리가 가장 가까운 4개의 노드 중 적어도 일부가 갱신되면, 라우팅 테이블 갱신을 위한 메시지를 브로드캐스트하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 LEACH의 셋업 단계(Set-up Phase)에 추가된 이동성 결정 단계(Mobility Decision Phase)에서 수행됨을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 싱크 노드 이동을 지원하는 계층적 라우팅 방법.

본 발명은 이웃 노드 테이블에 변화가 있다면 이동 싱크 노드가 라우팅 테이블 갱신을 위한 메시지를 브로드 캐스트 함으로써 라우팅 경로가 비효율적으로 길어지는 것을 피할 수 있다. LEACH는 저전력 소모를 위해 설계되었지만, 고정 싱크를 기반으로 하는 프로토콜이기 때문에 싱크 노드가 이동하면 싱크 노드가 다시 interest 메시지를 플러딩하기 전까지는 라우팅 경로가 변경되지 않아 싱크 노드까지의 데이터 전송은 불가능하게 되어 완전한 이동성을 지원하지 못한다. 본 발명은 클러스터 헤드가 선출되기 전에 이동성 결정 단계를 적용하여 싱크 노드의 이동성을 판단하고 지역적 플러딩으로 라우팅 경로를 갱신하게 된다. 이웃 노드 테이블에 변화가 있다면 이동 싱크 노드가 라우팅 테이블 갱신을 위한 메시지를 브로드 캐스트 함으로써 라우팅 경로가 비효율적으로 길어지는 것을 피할 수 있다. 클러스터가 재구성되기 전에 싱크 노드가 이동하더라도 싱크 노드의 이웃 노드 테이블을 갱신하고 클러스터 헤드의 라우팅 경로를 결정한다. 결과적으로 싱크 노드를 추적할 수 있고 따라서 싱크 노드로 끊김없이 데이터 전송이 가능하다.

도 1은 기존 LEACH 프로토콜의 구성도.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 싱크 노드를 지원하기 위한 이웃 노드 테이블 관리 흐름도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 싱크 노드의 이웃 노드 테이블 관리 방법 설명을 위한 참조도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LEACH 프로토콜 구성도.
도 5는 시간에 따른 에너지 소모량을 나타낸 그래프.
도 6은 시간에 따른 데이터 수신량을 나타낸 그래프.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 싱크 노드를 지원하기 위한 이웃 노드 테이블 관리 흐름도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 싱크 노드의 이웃 노드 테이블 관리 방법 설명을 위한 참조도이다.

라우팅 테이블을 기반으로 싱크 노드에 이웃 노드 테이블(Neighbor Node Table, NNT)을 이용하여 이동 싱크 노드를 지원하기 위한 이웃 노드 테이블 관리 기법을 제안한다. 싱크 노드에서 NNT를 관리함으로써 싱크 노드가 이동할 때마다 질의(query) 메시지를 통해서 이웃 노드에서 싱크 노드로 향하는 경로를 갱신하여 클러스터 헤드에서 전송되는 데이터가 전송 과정에서 손실되지 않고 싱크 노드로 전달될 수 있도록 한다. 이하, 구체적으로 설명한다.

이동 싱크 노드를 향한 라우팅 경로를 유지하기 위해, 싱크 노드는 먼저 현재 자신의 이웃 노드를 탐색하여 NNT에 등록하고 노드를 N(New) 타입으로 설정한다. 그 후 가장 가까운 4개의 이웃 노드를 탐색하여 가까운 노드는 1 값을, 거리가 먼 노드는 0 값을 주어 가까운 거리 4개의 노드를 O(Original) 타입으로 설정한다. 싱크 노드가 이동하면서 주기적으로 이웃 노드를 탐색하고 기존의 4개의 이웃 노드보다 가까운 노드를 발견하게 되면, N 타입으로 NNT에 추가 설정하고 중복 탐색된 노드는 D(Duplicate) 타입으로 설정한다. 예시된 바와 같이, 주변 노드를 검색하고, 검색된 노드의 ID가 NNT에 존재하는지 확인하여 존재하면 D 타입으로 존재하지 않으면 N 타입으로 설정한다(S210)(S215)(S220)(S225). 그 다음, 가까운 4개의 노드를 1로 설정하고, 먼 노드를 0으로 설정하여 NNT에 등록한다(S230)(S235).

NNT의 갱신이 완료되면, 싱크 노드는 현재 이웃 노드의 라우팅 경로를 갱신하기 위해서 질의 메시지를 발송한다. 이 질의 메시지는 거리가 가까운 이웃 노드로 전달된다. 싱크 노드에서 질의 메시지의 전송이 끝난 후, NNT에서 거리가 먼 노드는 제거되고 D와 N 타입의 노드는 O 타입으로 재설정된다. 예시된 바와 같이, N 타입이며 1인 노드가 존재하는지 판단하고, 존재하면 클러스터 헤드가 연속 3회 선정되었는지 판단하며, 연속 3회 선정되었으면 라우팅 경로를 갱신한다(S240)(S245)(S250). 그리고 가까운 노드를 O 타입으로 설정하여 NNT에 등록하며, 거리가 먼 노드는 NNT에서 제거한다(S255)(S260).

일반적으로 이동성 싱크 노드를 추적하는 방법에는 싱크 노드가 이동할수록 라우팅 경로가 길어짐으로써 비효율적인 데이터 라우팅이 발생한다. 따라서 주기적으로 전체 센서 노드의 라우팅 테이블에 대한 갱신이 필요하다. 제안한 방법은 NNT에 변화가 있다면 이동 싱크 노드가 라우팅 테이블 갱신을 위한 메시지를 브로드캐스트함으로써, 라우팅 경로가 비효율적으로 길어지는 것을 피할 수 있다. 클러스터가 재구성되기 전에 싱크 노드가 이동하더라도 싱크 노드의 NNT를 갱신하고 클러스터 헤드의 라우팅 경로를 결정한다. 결과적으로 싱크 노드를 추적할 수 있고, 이에 따라 싱크 노드로 끊김 없이 데이터 전송이 가능해진다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LEACH 프로토콜 구성도이다.

싱크 노드의 이동성을 고려하여 LEACH 프로토콜을 도 4와 같이 개선한다. 도 1과 비교하였을 때, 클러스터 헤드가 선출되는 광고 단계(Advertisement Phase) 전에 싱크 노드의 이동성을 판단하는 이동성 결정 단계(Mobility Decision Phase)가 더 추가되었음이 확인된다. 따라서 싱크 노드가 이동하더라도 이동성 결정(Mobility Decision) 단계를 통해 싱크의 이동을 추적하게 된다. 싱크 노드가 이동하면 interest 메시지를 주변 노드들에게 지역적 플러딩하여 이동성을 판단하고 라우팅 경로를 갱신하여 싱크 노드까지의 데이터 전송이 끊김 없이 가능하게 된다. 다시 말해, 싱크 노드는 주변 노드와의 거리를 이용하여 이동성을 판단하게 되는데, 이로 인해 지역적 플러딩으로 라우팅 경로를 갱신할 수 있다. 그 결과 이동성을 갖는 싱크 노드를 지원할 수 있다.

제안된 방법에 대해 NS-2 시뮬레이터를 이용하여 실험하였다. 표 1의 실험 환경 변수 및 값을 이용하여 시뮬레이션하였다.

환경변수	값
센서망의 크기(m×m)	100×100
센서 노드의 수(N)	100
각 노드의 초기 에너지	2J
노드의 데이터 송수신 소모 에너지 양	50nJ/bit
송신 노드의 증폭 에너지 양	50nJ/bit/m2
구성할 클러스터의 수(K)	5
클러스터 재구성 시간 간격	매 10초

영역 내의 좌표는 (0,0)에서 (99,99)까지가 되며, 이동성을 갖는 싱크 노드는 센서 필드의 중앙에서부터 랜덤한 방향으로 이동하였다. 본 발명과 기존 방법인 LEACH 및 LEACH-C의 실험을 총 10회 수행하여 평균성능을 비교하였다.

도 5는 시간에 따른 노드의 에너지 소모량이다. 초기부터 중반까지 LEACH, LEACH-C, 제안한 방법의 에너지 소모량은 비슷하게 소모된다. 그리고 450초 이후부터 LEACH는 에너지 소모량이 떨어지기 시작하고, LEACH-C는 초반부터 600초까지 주어진 에너지를 과다 소모함으로써 에너지 소모량이 급격하게 줄어드는 결과를 보인다.

도 6은 시간에 따른 노드의 총 데이터 수신율을 나타내고 있다. 제안한 방법의 경우 데이터 수신율이 시간의 변화에 따라서 급격하게 감소하는 것이 아니라, 서서히 감소하기 때문에 기존의 방법보다 데이터 효율이 증가함을 알 수 있다.

따라서 제안한 방법은 싱크 노드의 이동성을 보장하였으며, 생존 노드의 총 에너지 소모량, 데이터 수신율은 LEACH, LEACH-C 방법보다 향상되었다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

이웃 노드를 탐색하여 탐색된 이웃 노드 중 거리가 가장 가까운 4개의 노드와 나머지 노드를 구분하여 이웃 노드 테이블을 통해 관리 및 주기적으로 갱신하는 단계; 및
상기 이웃 노드 테이블에서 상기 거리가 가장 가까운 4개의 노드 중 적어도 일부가 갱신되면, 라우팅 테이블 갱신을 위한 메시지를 브로드캐스트하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 싱크 노드 이동을 지원하는 계층적 라우팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 방법은 LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)의 셋업 단계(Set-up Phase)에 추가된 이동성 결정 단계(Mobility Decision Phase)에서 수행됨을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에서 싱크 노드 이동을 지원하는 계층적 라우팅 방법.