KR20130116696A - 무선 센서 네트워크에서의 지능형 및 로드 밸런싱 라우팅 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크에서의 지능형 및 로드 밸런싱 라우팅 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 멀티-홉 방식을 사용하여 상기 데이터를 포함하는 센서 노드와 기지국 사이의 거리와 임계 거리를 통해 최적의 홉 수(hop-number)를 계산하고, 최적의 홉 수에 의해 계산된 범위를 이용하여 데이터를 포함하는 센서 노드와 기지국 사이에 존재하는 센서 노드 중에서 최소 거리를 가지는 적어도 하나 이상의 다음 홉 센서 노드를 선택하고, 선택된 하나 이상의 다음 홉 센서 노드를 통해 상기 데이터를 포함한 센서 노드와 상기 기지국 사이에 통신을 연결한다. 이러한 라우팅 방법을 통해 라우팅 과정에서 에너지 소비를 줄이고, 홉 스팟(hop-spot) 현상을 완화함과 동시에 네트워크의 수명을 연장할 수 있다.

Description

무선 센서 네트워크에서의 지능형 및 로드 밸런싱 라우팅 방법{INTELLIGENT AND LOAD BALANCING ROUTING METHOD IN WIRELESS SENSOR NETWORK}
본 발명은 무선 센서 네트워크에서 각 센서 노드 간의 데이터를 라우팅하는 과정에서 에너지 효율을 높일 수 있는 라우팅 기술에 대한 것이다.
무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)는 다수의 센서들이 무선 통신 방식을 통해 하나의 네트워크로 연결된 것을 말한다. 무선 센서 네트워크 기술은 컴퓨팅 능력과 무선 통신 인터페이스를 갖춘 센서 노드(Node)를 자연 환경이나 전장 등에 뿌려 자율적인 네트워크를 형성하고, 서로 간에 획득한 센싱 정보를 송수신하고, 네트워크를 통해서 원격지에서 감시 및 제어 용도로 활욜할 수 있는 기술을 말한다.
센서 네트워크의 목적은 모든 사물에 컴퓨팅 능력 및 무선통신 인터페이스를 부가하여 언제, 어디서나 센서들 사이에 통신이 가능한 유비쿼터스 환경을 구현하는 것이다. 센서는 감시된 데이터를 감시 및 처리하고, 하나의 센서 노드에서 다른 노드로 자동적으로 전송할 수 있다. 무선 센서 네트워크의 활용 분야는 전장에서 정찰 및 감시하는 군사적 용도, 산업 현장이나 농업 현장에서의 상태를 관찰하는 산업적 용도 및 인체 상태를 점검하는 의료용 용도 등 그 활용 범위가 매우 넓다.
무선 센서 네트워크 구축을 위하여 다양한 정보 수집을 위한 무선 센서 및 센서 네트워크 기술의 중요성이 높아지고 있지만, 센서 노드가 가지는 제한된 자원의 문제로 여러 문제점들이 나타나고 있다. 따라서 무선 센서 네트워크에서 센서 에너지를 효율적으로 이용하기 위한 라우팅 방법에 대한 관심이 증가하고 있다. 따라서 센서 노드 사이에서 데이터를 전송할 때 소모되는 에너지를 줄이기 위한 다양한 방안들이 연구되고 있다.
본 발명의 목적은 멀티 홉을 가지는 무선 센서 네트워크에서 에너지 소비량을 줄이고 에너지 소비 균형을 맞춰줌으로써 센서 노드의 수명을 연장하고, 무선 센서 네트워크에서의 홉 스팟(hop-spot) 현상을 완화하는 효과적인 라우팅 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 에너지를 효율적으로 사용하는 라우팅 방법은 멀티-홉 방식을 사용하여 상기 데이터를 포함하는 센서 노드와 기지국 사이의 거리와 임계 거리를 통해 최적의 홉 수(hop-number)를 계산한다. 그리고 최적의 홉 수에 의해 계산된 범위를 이용하여 데이터를 포함하는 센서 노드와 기지국 사이에 존재하는 센서 노드 중에서 최소 거리를 가지는 적어도 하나 이상의 다음 홉 센서 노드를 선택하고, 선택된 하나 이상의 다음 홉 센서 노드를 통해 상기 데이터를 포함한 센서 노드와 상기 기지국 사이에 통신을 연결한다.
센서 노드와 상기 기지국 사이에 통신을 연결하는 방법은 데이터를 포함하는 센서 노드에서 위치 정보를 포함하는 경로 요청(route request, RREQ) 메시지를 생성하고, 선택된 다음 홉 센서 노드에 전달하고, 다음 홉 센서 노드는 수신된 경로 요청 메시지에 대한 응답으로 ACK(acknowledge) 메시지를 경로 요청 메시지를 전달한 센서 노드로 전달하고, 수신된 경로 요청 메시지에 위치 정보를 추가하여 새로운 다음 홉 센서 노드 또는 기지국에 전달한다. 그리고 경로 요청 메시지를 수시한 기지국은 응답으로 경로 요청 메시지에 포함된 위치 정보에 기초한 경로 정보를 포함하는 경로 응답(route reply, RREP) 메시지를 데이터를 포함하는 센서 노드로 전달하고, 데이터를 포함하는 센서 노드에서 경로 응답 메시지에 포함된 경로 정보를 통해 상기 데이터를 상기 기지국으로 전달한다.
본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 에너지를 효율적으로 사용하는 라우팅 방법은 데이터를 송신하는 소스 노드와 소스 노드로부터 데이터를 수신하는 싱크 노드 사이의 거리를 기준으로 데이터 전송 방식을 선택하고 멀티-홉 전송 방식을 통해 최적의 홉 수와 중간 센서 노드를 결정함에 따라 라우팅 과정에서 에너지 소비를 줄이고, 홉 스팟(hop-spot) 현상을 완화함과 동시에 네트워크의 수명을 연장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 무선 센서 네트워크의 일 실시예의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 데이터 전달 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 라우팅 방법(REAR)의 실험 환경을 나타내는 구조도이다.
도 4는 실험 환경에서 본 발명의 일 실시예에 따른 라우팅 방법(REAR)과 다른 라우팅 방법과의 에너지 소비를 나타내는 비교도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 라우팅 방법과 다른 방법의 평균 네트워크 지속시간을 나타내는 비교도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 및 단어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 발명의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 후술하는 실시예에서 사용된 용어는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 무선 센서 네트워크의 일 실시예의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 무선 센서 네트워크의 일 실시예는 네트워크 상에 존재하는 다수의 센서 노드로부터 데이터를 수신하는 기지국(130), 기지국(130)으로 전달할 데이터를 포함하고 있는 소스 노드(110) 및 소스 노드(110)와 기지국(130) 사이에서 데이터를 전달하는 역할을 하는 다수의 중간 홉 센서 노드(111)를 포함한다. 무선 센서 네트워크는 네트워크에 존재하는 다수의 센서 노드와 다수의 센서 노드로부터 측정된 데이터를 수신하여 수집하고 처리하는 기지국(130)을 포함한다. 한정된 에너지를 가지는 센서 노드에 있어서 기지국으로 데이터를 전달할 때 소모되는 에너지 양을 줄이는 것은 매우 중요하다.
따라서 센서 노드에서 기지국으로 데이터를 전달할 때, 크게 두 가지 방법을 사용한다. 첫 번째는 직접 전송 방식으로 기지국(130)으로 전달할 데이터를 가지고 있는 소스 노드(110)에서 기지국(130)으로 바로 데이터를 전송하는 방식이다. 이 방식은 둘 사이의 거리가 가까운 경우 효율적이나 거리가 멀어질 경우 하나의 소스 노드(110)에서 과도한 에너지를 소모하게 된다. 따라서 이러한 경우, 멀티 홉(multi-hop) 방식을 선택하여 데이터를 전달한다. 멀티 홉 방식은 소스 노드(110)에서 기지국(130)으로 데이터를 직접 전달하는 것이 아니라 소스 노드(110)와 기지국(130) 사이에 존재하는 다른 센서 노드들을 경유해서 전달하는 방식이다. 소스 노드(110)와 기지국(130) 사이의 센서 노드 중에서 최적의 에너지 효율을 갖는 홉 수를 계산하고 이를 통해 중간의 노드를 선택하여 데이터를 전달한다. 홉 수를 결정하는 방법과 연결 방법은 후술하는 라우팅 방법에서 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 라우팅 방법의 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 먼저, 소스 노드(source node)에서 기지국(base station)으로 전송할 데이터를 가지고 있을 때, 경로 설정 단계를 시작한다(201). 다음으로 무선 센서 네트워크의 라우팅 방법은 먼저 소스 노드(source node)와 기지국(base station) 사이의 데이터 전송 방식을 결정한다(202). 소스 노드는 무선 센서 네트워크 상에 존재하는 다수의 센서 노드(sensor node) 중에서 현재 기지국으로 전송할 데이터를 가진 센서 노드를 의미한다. 기지국은 다수의 센서 노드로부터 수신된 데이터를 취합하고 이 데이터를 처리하는 역할을 한다. 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크는 소스 노드에서 기지국까지의 거리가 미리 설정된 에너지 효율 거리보다 짧은 경우에는 직접전송 방식을 선택하고, 에너지 효율 거리보다 긴 경우에는 멀티-홉(multi-hop) 전송 방식을 선택한다.
에너지를 효율적으로 사용하는 데이터 전송 방식을 선택하기 위해 1차 라디오 모델(first order radio model)로 불리는 에너지 모델을 이용할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
식 1은 메시지 전송 에너지
Figure pat00004
, 식 2는 메시지 수신 에너지
Figure pat00005
를 각각 나타낸다. 무선 장치는
Figure pat00006
비트의 메시지를
Figure pat00007
거리만큼 전송하는데
Figure pat00008
만큼의 에너지를 소모한다. 또한,
Figure pat00009
비트의 메시지를 수신하는데
Figure pat00010
만큼의 에너지를 소모한다. 무선 센서 네트워크의 센서 노드는 데이터를 전송하는 과정에서 전송과 송신은 하나의 쌍으로 작동한다. 따라서 센서 노드에서 메시지를 전달하는데 필요한 메시지 전달 에너지는 메시지 전송 에너지와 메시지 수신 에너지의 합과 같다. 식 3은 메시지 전달 에너지
Figure pat00011
를 나타낸다. 이는
Figure pat00012
비트의 메시지를 전달하는데
Figure pat00013
만큼의 에너지를 소모함을 나타낸다.
식1, 식2 및 식3의 파라미터 값
Parameter Definition Value
Figure pat00014
 Energy dissipation
to run the radio device		 50 nJ/bit
Figure pat00015
 Free space model of
transmitter amplifier		 10 pJ/bit/m2
Figure pat00016
 Multi-path model of
transmitter amplifier		 0.0013 pJ/bit/m4
Figure pat00017
 Data length 2000 bits
Figure pat00018
 Distance threshold
Figure pat00019
m
표 1을 참조하면, 식 1, 식 2 및 식 3에서
Figure pat00020
는 센서 노드의 무선 장치를 구동하는데 소모되는 에너지,
Figure pat00021
는 송신 증폭기의 자유 공간(free space) 모델,
Figure pat00022
는 송신 증폭기의 다수 경로(multi path) 모델,
Figure pat00023
은 데이터의 길이 및
Figure pat00024
는 한계 거리(distance threshold)를 나타낸다. 소스 노드에서 목적지인 기지국까지의 거리
Figure pat00025
가 한계 거리
Figure pat00026
보다 작은 경우에는 중간의 센서 노드를 경유하지 않고 소스 노드에서 기지국으로 바로 데이터를 전달하는 직접 전송 방식을 사용할 수 있다.
Figure pat00027
식 4는 직접 전송 방식과 멀티-홉 방식의 효율성을 나타낸다.
Figure pat00028
는 효율성을 나타내는 값,
Figure pat00029
는 직접 전송 방식의 에너지 소모량 및
Figure pat00030
는 멀티-홉 방식의 에너지 소모량을 나타낸다.
Figure pat00031
값이 0보다 크다는 의미는 결국 직접 전송 방식이 멀티-홉 방식보다 에너지 소모량이 크다는 것을 의미한다.
Figure pat00032
식 5는 식 4로부터 근의 공식을 통해 계산된 해를 나타낸다. 식 4의 해
Figure pat00033
는 임계 거리(critical distance)를 의미한다. 임계 거리
Figure pat00034
를 통해 데이터 전송 방식을 판단한다.
거리 값에 따른 전송 방식 표
거리
Figure pat00035
 직접 전송 멀티 홉 전송
Figure pat00036
 ○
Figure pat00037
 ○
Figure pat00038
 ○
표 2를 참조하면, 소스 노드에서 싱크 노드 간의 거리가 한계 거리보다 작은 경우(
Figure pat00039
<
Figure pat00040
) 및 소스 노드에서 싱크 노드 간의 거리가 한계 거리 이상이고 임계 거리 이하인 경우(
Figure pat00041
<
Figure pat00042
<
Figure pat00043
)에는 직접 전송 방식을 선택하는 것이 더욱 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다. 소스 노드에서 싱크 노드 간의 거리가 임계 거리보다 큰 경우(
Figure pat00044
<
Figure pat00045
)에는 멀티-홉 전송 방식을 선택하는 것이 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다. 이러한 임계 거리가 에너지 효율 거리를 나타낸다.
다음으로 결정된 전달 방식이 직접 전송 방식인지 여부를 확인한다(203). 전술한 과정에 따라 소스 노드와 싱크 노드 사이의 데이터 전송 방식이 결정된다. 만약 기지국과 소스 노드 사이의 거리가
Figure pat00046
<
Figure pat00047
인 경우, 직접 전송 방식으로 데이터를 기지국으로 전송한다(204).
데이터 전송 방식으로 멀티-홉 전송 방식이 선택된 경우, 데이터를 전달하는 역할을 하는 다음 홉의 센서 노드를 결정한다(205). 멀티-홉 전송방식은 소스 노드에서 싱크 노드로 데이터를 전송할 때, 두 노드 사이에 존재하는 센서 노드들을 중간 경유지로 이용하여 전송하는 방법이다. 다음 홉의 센서 노드를 결정하는 방법은 현재 위치에서 싱크 노드까지의 거리와 홉 수(hop number)를 이용하여 결정할 수 있다.
일 실시예에 따른 홉 수를 나타내는 표
D r i n opt
[0, dc) r1 < dc 1
[dc, 2d0) r1,r2 < d0 2
: : :
[(n-1)d0, nd0) r1,,.,,rn < d0 n
표 1을 참조하면, r i 는 현재 센서 노드와 다음 센서 노드 간의 거리를 나타내고, n opt 는 최적 홉 수를 나타낸다. 홉 수가 1인 경우는 소스 노드와 싱크 노드 사이에 통과하는 홉이 한번이라는 의미로 결국 직접 전송 방식을 나타낸다. d<dc인 경우에는 홉 수가 1이며, 이는 직접 전송 방식을 나타낸다. d≥dc인 경우에는 홉수는 nopt ∈ (d/d0, d/d0+1]의 범위의 값을 갖게 된다.
현재 센서 노드에서 다음 홉의 센서 노드 간의 거리 r i 는 r i ∈ (d/n opt , d/n opt +△]과 같은 범위의 값을 갖는다. 따라서, 현재의 센서 노드에서 r i 범위 내에 위치하는 모든 센서 노드를 다음 홉 센서 노드의 후보로 지정할 수 있다. 지정된 후보 센서 노드 중에서 기지국과 가장 가까운 위치에 존재하는 센서 노드를 다음 홉의 노드로 결정할 수 있다.
다음 홉 센서 노드가 선택되면, 소스 노드는 본인의 위치 정보를 포함하는 짧은 길이의 경로 요청(Route Request, 이하 RREQ) 메시지를 인접한 다음 홉 센서 노드로 전송한다(206). 경로 요청 메시지는 데이터프레임을 목적지로 보내기 위해 경로를 찾으려고 목적지에 보내는 명령으로서, 다음 홉 노드로부터 경로 요청 메시지에 대한 응답을 수신하고 이를 통해 경로를 확인한다.
인접한 다음 홉 노드는 RREQ 메시지를 수신하면 ACK(acknowledge) 메시지를 이전 노드로 전달하고 인접한 다음 홉 노드를 선택하여 RREQ 메시지를 전송한다(207). RREQ 메시지를 수신한 다음 홉 노드는 RREQ 메시지에 대한 응답으로 ACK 메시지를 이전 노드로 전송하여 데이터가 오차없이 수신되었음을 알린다. 그리고 본인의 위치정보를 RREQ 메시지에 추가하여 인접한 다음 홉 노드로 RREQ 메시지를 전송한다. 이러한 과정은 RREQ 메시지가 기지국에 전달될 때까지, 계속 반복되어 경로 정보가 추가되고 RREQ 메시지가 기지국에 도달하면 RREQ는 완성된 경로 정보를 포함하게 된다.
RREQ 메시지를 다음 홉 노드로 전송하여 ACK 응답을 수신하고, 다음 홉 노드는 자신의 위치정보를 추가한 RREQ를 자신과 기지국 사이의 또 다른 다음 홉 노드로 전송하는 과정을 반복한다(209). 이러한 반복 과정은 RREQ 메시지가 기지국에 도착할 때까지 반복된다. RREQ 메시지가 기지국에 도착하며 RREQ 메시지는 소스 노드로부터 기지국까지의 완성된 경로 정보를 포함한다.
마지막으로, 기지국은 RREQ 메시지에 대한 응답으로 경로응답 (Route Reply, 이후 RREP) 메시지를 소스 노드로 전송하고, 소스 노드와 기지국 사이의 데이터 전송을 실시한다(210). RREQ 메시지를 수시한 기지국에서는 먼저 RREQ 메시지를 수신했다는 사실을 소스 노드로 알리기 위하여 RREQ 메시지 수신확인 내용을 포함하는 RREP 메시지를 소스 노드로 전송한다. 이로서 소스 노드와 기지국 사이의 연결이 완성되고 소스 노드는 RREQ 메시지에 담긴 경로 정보를 통해 기지국으로 데이터 전송을 실시한다. RREQ 메시지가 소스 노드에서 기지국으로 전달되는 과정에서 RREQ 메시지에 추가된 다음 홉 노드들의 위치정보가 결국 경로 정보를 나타낸다.
RREQ 메시지를 전송한 노드가 다음 홉 노드로부터 ACK 메시지를 수신하지 못하는 경우, 소스 노드는 이를 연결 실패로 판단한다(208). 소스 노드가 연결 실패를 감지하면, 경로 설정 단계를 재시작하게 된다. 중간 노드의 연결이 실패하면, 먼저 지역 연결(local link) 복구를 시도한다(211). 소스 노드와 기지국 간의 거리와 홉 수를 이용하여 인접한 노드들 중 연결이 실패한 노드를 제외한 나머지 노드들 중에서 기지국에 가장 가까운 센서 노드를 다음 홉 노드로 결정한다. 그리고 전술한 과정(205,206,207)을 재수행하여 RREQ 메시지를 기지국에 전송한다. 경로 설정 단계를 다시 수행하여 연결이 복구되면 전술한 과정가 동일하게 RREQ 메시지가 기지국에 도착할 때까지 다음 홉 노드를 선택하고 RREQ 메시지를 전송, ACK 메시지 수신을 반복하여 수행한다.
연결 복구를 실패하면, 마지막으로 RREQ를 전송했던 중간 홉 노드에서 소스 노드로 경로에러 (route error, RRER) 메시지를 전송하고 연결 경로에 존재하는 각 노느들에 연결 링크 실패를 알린다(212). 연결을 복구하는데 실패하면, 해당 연결로 데이터를 더 이상 전달할 수 없다고 판단하고, RREQ 메시지에 저장된 위치 정보에 따른 경로정보를 통해 RREQ 메시지가 수신된 역방향으로 RRER 메시지를 전송한다. RRER 메시지는 소스 노드로 전달되어 해당 연결이 실패하였음을 알린다. 그리고 연결 경로에 존재하는 각 노드에도 연결 링크 실패를 알린다.
연결 복구를 실패한 경로는 소스 노드와 연결 경로에 존재하는 노드에서 삭제된다(213). RRER 메시지가 소스 노드에 전송되면, 소스 노드 및 소스 노드와 기지국 사이에서 RREQ 메시지를 전달한 다음 홉 노드에 저장된 라우트 링크(route link)가 삭제된다. 소스 노드를 포함한 노드 간의 RREQ 메시지와 ACK 메시지를 송수신 하는 과정에서 소스 노드로부터 시작된 라우트 링크가 각 노드에 기록된다. 따라서 연결이 실패하면 새로운 연결을 구축하기 위하여 기존 연결의 라우트 링크를 삭제한다.
그리고 소스 노드에서는 새로운 경로 설정 단계를 시작한다(214). 기존 연결을 삭제한 후, 새로운 연결을 설정하기 위하여 다시 전송 방식을 설정하는 단계로 되돌아가 연결 과정을 다시 수행한다. 따라서, 연결 과정에서 실패를 하더라도 새로운 연결을 생성할 수 있다.
전술한 무선 센서 네트워크의 라우팅 방법을 REAR(Ring-based Energy Aware Routing)라 칭한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 라우팅 방법(REAR)의 실험을 나타내는 구조도이다.
도 3을 참조하면, 100에서 300개의 센서 노드가 300
Figure pat00048
300m2의 범위에 배치되어 있고, 기지국은 중앙에 위치한다. 데이터의 길이는 2000비트이고 각 노드는 데이터를 기지국으로 전달한다.
Figure pat00049
는 120, R은 110 및 △는 20이다. 소스 노드가 기지국으로 전달해야 하는 데이터를 가지고 있을 경우, 각 센서 노드는 다른 전송 방식을 이용하여 기지국으로 데이터를 전송하였다
도 4는 실험 환경에서 본 발명의 일 실시예에 따른 라우팅 방법(REAR)과 다른 라우팅 방법과의 에너지 소비를 나타내는 비교도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 그래프의 세로축은 에너지 소비량을 나타내고, 가로축은 기지국과 노드 사이의 거리를 나타낸다. 직접 전송 방식(Direct Transmission)은 소스 노드에서 기지국으로 데이터를 직접 전송하는 경우이고, 그리디 알고리즘(Greedy Algorithm) 방식은 각 센서 노드가 자신보다 기지국에 더 가까운 임의의 센서 노드를 선택하는 방식이다. MRE(Maximal Remaining Energy) 알고리즘 방식은 센서 노드가 다음 홉 센서 노드를 선택할 때, 데이터를 전송하는데 필요한 에너지를 가장 많이 가지고 있는 노드를 선택하는 방식이다. 본 발명에 따른 REAR 알고리즘을 사용한 전송방식은 전술한 내용과 같이 소스 노드와 기지국 간의 거리 및 최적의 홉 수를 계산하고 이에 따라 계산된 거리의 범위 내의 센서 노드 중 싱크 노드에 가장 근접한 센서 노드를 선택하는 방식이다.
소스 노드와 기지국 사이의 거리(d)가 가까운 경우, 네 가지 방식모두 소비되는 에너지가 비슷하고 그 양도 가장 적게 나타난다. 직접 전송 방식의 경우 거리가 멀어질수록 에너지 소비량이 가파르게 증가하며, 네 가지 방식중 가장 에너지 소비가 크게 나타난다. MRE 알고리즘과 그리디 알고리즘 방식은 직접 전송 방식에 비하여 완만하게 에너지 소비가 증가하며 그 양도 직접 전송 방식에 비하여 적게 나타난다. 하지만 본 발명에 따른 REAR 알고리즘 방식에 비하여 에너지 소비량이 크게 나타났다. 소스 노드와 기지국 사이의 거리가 멀어질수록 에너지 소비량이 증가하며 특히 직접 전송 방식의 경우는 근거리를 제외하고 효율이 매우 나쁜 것을 알 수있다. REAR 알고리즘 방식은 모든 거리에서 에너지 소비량이 같거나 더 적게 나타남을 알 수 있다. 특히 거리(d)가 140 이하인 경우에서는 에너지 소비가 매우 적은 것으로 나타난다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크의 라우팅 방법과 다른 방법의 평균 네트워크 지속시간을 나타내는 비교도이다.
도 5를 참조하면, 직접 전송 방식이 평균 네트워크 지속 시간이 가장 짧으며, 그 뒤로 MRE 알고리즘 방식과 그리디 알고리즘 방식의 순서로 지속 시간이 길며, REAR 알고리즘 방식은 더욱 긴 지속시간을 가지는 것을 알 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 이러한 실험 결과에 따라 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 라우팅 방법(REAR)은 다른 전송 방식에 비하여 더욱 뛰어난 에너지 효율을 가지는 것을 알 수 있다. 이에 따라 각 센서 노드에서 소비되는 에너지의 양을 줄일 수 있고, 홉 스팟과 같은 현상이 완화될 수 있다.
이상 바람직한 실시 예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
110: 소스 노드
111: 다음 홉 센서 노드
130: 기지국

Claims (7)

  1. 다수의 센서 노드와 상기 다수의 센서 노드로부터 수집된 정보를 취합하는 기지국을 포함하는 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network)의 라우팅 방법에 있어서,
    상기 다수의 센서 노드 중에서 상기 기지국으로 전달할 데이터를 포함하고 있는 센서 노드와 상기 기지국 사이의 거리 및 에너지 효율에 따른 임계 거리를 비교하여 직접 전송 방식 또는 멀티-홉(multi-hop) 방식 중에서 어느 하나를 선택하는 단계;
    상기 멀티-홉 방식을 선택하는 경우, 상기 데이터를 포함하는 센서 노드와 상기 기지국 사이의 거리 및 상기 임계 거리를 통해 최적의 홉 수(hop-number)를 계산하는 단계;
    상기 최적의 홉 수에 의해 계산된 범위를 이용하여 상기 데이터를 포함하는 센서 노드와 상기 기지국 사이에 존재하는 센서 노드 중에서 최소 거리를 가지는 적어도 하나 이상의 다음 홉 센서 노드를 선택하는 단계;
    상기 선택된 하나 이상의 다음 홉 센서 노드를 통해 상기 데이터를 포함한 센서 노드와 상기 기지국 사이에 통신을 연결하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 효율을 높이는 무선 센서 네트워크의 라우팅 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터를 포함하고 있는 센서 노드와 상기 기지국 사이에 통신을 연결하는 단계는,
    상기 데이터를 포함하는 센서 노드에서 위치 정보를 포함하는 경로 요청(route request, RREQ) 메시지를 생성하고, 상기 선택된 다음 홉 센서 노드에 전달하는 단계;
    상기 다음 홉 센서 노드는 수신된 경로 요청 메시지에 대한 응답으로 ACK(acknowledge) 메시지를 상기 경로 요청 메시지를 전달한 센서 노드로 전달하고, 수신된 경로 요청 메시지에 위치 정보를 추가하여 새로운 다음 홉 센서 노드 또는 상기 기지국에 전달하는 단계;
    상기 경로 요청 메시지를 수시한 기지국은 응답으로 상기 경로 요청 메시지에 포함된 위치 정보에 기초한 경로 정보를 포함하는 경로 응답(route reply, RREP) 메시지를 상기 데이터를 포함하고 있는 센서 노드로 전달하는 단계;
    상기 데이터를 포함하고 있는 센서 노드에서 상기 경로 응답 메시지에 포함된 상기 경로 정보를 통해 상기 데이터를 상기 기지국으로 전달하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 효율을 높이는 무선 센서 네트워크의 라우팅 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 센서 노드에서 상기 ACK 메시지를 수신받지 못하는 경우, 연결이 실패한 것으로 인식하는 단계;
    상기 실패한 연결을 복구하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 효율을 높이는 무선 센서 네트워크의 라우팅 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 실패한 연결 복구가 실패한 경우, 경로에러(RRER) 메시지를 상기 데이터를 포함하고 있는 센서 노드로 전달하고 상기 경로 요청 메시지에 포함된 상기 경로 정보를 삭제하고, 상기 데이터 전달 방법을 다시 실행하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 라우팅 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 직접 전송 방식을 선택한 경우 상기 데이터를 포함하는 센서 노드에서 상기 기지국으로 상기 데이터를 직접 전달하는 에너지 효율을 높이는 것을 특징으로 하는 에너지 효율을 높이는 무선 센서 네트워크의 라우팅 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 멀티 홉 방식은 상기 데이터를 포함하는 센서 노드와 상기 기지국 사이에 존재하는 하나 이상의 센서 노드를 경유하여 데이터를 전달하는 에너지 효율을 높이는 것을 특징으로 하는 에너지 효율을 높이는 무선 센서 네트워크의 라우팅 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 직접 전송 방식 또는 멀티-홉(multi-hop) 방식 중에서 어느 하나를 선택하는 단계는,
    상기 데이터를 포함하는 센서 노드와 상기 기지국 사이의 거리가 상기 임계 거리보다 큰 경우, 상기 멀티 홉 방식을 선택하는 것을 특징으로 하는 에너지 효율을 높이는 무선 센서 네트워크의 라우팅 방법.
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