KR20150005355A - Method for analysis of energy efficient cluster ratio and the hierarchical wireless sensor network system the method applied thereto - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법 및 이 방법이 적용된 계층적 센서 네트워크 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 멀티-홉 투 원-홉(multi-hop to one-hop) 전송 구조를 기반으로 하는 계층적 센서 네트워크에서 시스템 홉 수(hop-count)의 최소화 및 노드 간 패킷수신율(packet reception ratio, PRR) 최대화 사이의 이해득실 관계를 분석하고, 이 두 요소를 종합적으로 고려한 최적의 클러스터 비율을 산출함으로써, 네트워크 시스템 전반의 홉 수를 최소화하고, 네트워크 패킷 전송 비용과 노드 간 재전송 오버헤드를 줄여 에너지 효율성을 향상시킬 수 있는 클러스터 비율 산출 방법 및 이 방법이 적용된 계층적 센서 네트워크 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method for calculating a cluster ratio for energy efficiency and a hierarchical sensor network system to which the method is applied. More particularly, the present invention relates to a hierarchical sensor network system based on a multi-hop to one-hop transmission structure And the maximum packet-to-node ratio (PRR) in a hierarchical sensor network, and the optimal cluster ratio considering both factors A cluster rate calculation method capable of minimizing the number of hops in a network system, reducing a network packet transmission cost and an inter-node retransmission overhead to improve energy efficiency, and a hierarchical sensor network system to which the method is applied.
무선 센서 네트워크는 백본망이나 인프라 구축 없이 애드 혹(ad-hoc) 기반으로 중앙 집중식 또는 분산적인 방식으로 네트워크 구축이 가능하다. 센서 네트워크는 센서 디바이스의 센싱 기능을 이용하여 환경 감지, 침입 감시 또는 전장(battlefield)와 같은 인위적인 데이터 수집이 위험하거나 불가능한 영역에서 활용되고 있다. 센서 네트워크에서의 기본 구성요소인 센서 노드는 한정된 배터리 용량, CPU 효율 및 복잡한 배치환경과 같은 다양한 제약조건에 직면한다. 이런 응용을 보면 보통 수백, 수천 개의 센서디바이스를 배치하고, 근접하기 어려운 환경에 설치하기 때문에 디바이스의 배터리 교환은 대부분 불가능하다. 따라서 한정된 배터리 자원은 센서 네트워크의 수명을 좌우하는 가장 중요한 제약요소이며, PHY 계층, MAC 계층과 라우팅 계층에서 에너지 효율성 향상을 위한 연구들이 활발하게 진행되고 있다.Wireless sensor networks can be networked in a centralized or distributed manner on an ad hoc basis without building a backbone network or an infrastructure. Sensor networks utilize the sensing function of sensor devices and are used in areas where dangerous or impossible data collection, such as environmental detection, intrusion monitoring or battlefield, is possible. Sensor nodes, which are basic components in sensor networks, face various constraints such as limited battery capacity, CPU efficiency and complex deployment environment. These applications usually deploy hundreds or thousands of sensor devices, and they are installed in difficult-to-reach environments, so it is almost impossible to replace the device's battery. Therefore, limited battery resources are the most important constraints that determine the lifetime of the sensor network, and studies for improving the energy efficiency in the PHY layer, the MAC layer, and the routing layer are actively conducted.
네트워크 구조상으로 보았을 때 무선 센서 네트워크는 평면적(flat) 구조와 계층적(hierarchical) 구조로 크게 분류된다. 평면적 구조에서 각각의 센서노드의 책임과 수행하는 임무는 동등하며 직접 싱크 노드와 통신 또는 주변 노드의 중계를 통하여 멀티-홉(mulit-hop)으로 통신한다. 이와 다르게 계층적 구조에서는 센서 노드들이 모여 여러 개의 클러스터를 구축하며, 각각의 클러스터 내에서는 한 개의 클러스터 헤드(cluster head; 이하 CH)와 여러 개의 클러스터 멤버(cluster member, 이하 CM)들을 가지게 된다.In terms of network architecture, wireless sensor networks are broadly classified into a flat structure and a hierarchical structure. In a planar structure, the responsibilities and responsibilities of each sensor node are equivalent, and they communicate directly with the sink node or through multi-hop communication through the relay of neighboring nodes. In contrast, in the hierarchical structure, sensor nodes gather to form multiple clusters, and each cluster head has a cluster head (CH) and a plurality of cluster members (CM).
클러스터링 기법은 계층적 구조를 이용하여 RF 통신에 드는 전력소비를 효율적으로 감소시켜 네트워크 수명을 연장할 수 있다. 클러스터 내부에서 CM들은 센싱한 데이터를 해당하는 CH에 보내게 되며, CH에서는 수집한 데이터를 외부 싱크에게 원-홉(one-hop) 혹은 멀티-홉(mulit-hop) 방식을 통하여 전송하게 된다. 또한 많은 센서 네트워크의 응용사례를 보면, 온도 측정, 습도, 압력 감시 등 센서 노드가 수집한 데이터 중에 많은 중복성이 존재하므로 CH에서 CM으로부터 수집한 데이터를 처리함으로써 데이터 중복성을 줄여주는 역할을 한다. 그러므로 계층적 구조를 가진 클러스터 기반 센서 네트워크는 CH의 데이터 결합(aggregation) 기능을 이용하여 각자 센서노드가 싱크노드와 통신하게 되는 통신 오버헤드와 시스템의 전송 패킷수를 줄임으로 전반 시스템의 전력 소모를 크게 감소시킬 수 있다. The clustering technique can use the hierarchical structure to efficiently reduce the power consumption for RF communication and extend the network lifetime. In the cluster, the CM sends the sensed data to the corresponding CH, and the CH transmits the collected data to the external sink through a one-hop or a multi-hop method. In addition, many application examples of sensor networks have a lot of redundancy among data collected by sensor nodes such as temperature measurement, humidity, pressure monitoring, and so on, so that CH reduces the data redundancy by processing data collected from CM. Therefore, a cluster-based sensor network with a hierarchical structure uses the data aggregation function of the CH to reduce the communication overhead in which each sensor node communicates with the sink node and the number of transmission packets in the system, Can be greatly reduced.
그러나, 클러스터 기반 네트워크 구축으로 얻게되는 시스템 성능향상은 배치한 클러스터 수에 좌우하게 된다. 클러스터 수는 네트워크 전반에 분포한 CH와 CM의 비율을 의미하는 클러스터 비율이라는 용어로 표현할 수 있다. 한층 더 효율적인 계층적 네트워크 구축과 시스템 성능향상을 위하여 다양한 관점에서 최적의 클러스터 비율을 분석하는 방법들이 도입되었다.However, the system performance improvement obtained by building a cluster-based network depends on the number of clusters deployed. The number of clusters can be expressed by the term cluster ratio, which means the ratio of CH to CM distributed throughout the network. In order to construct a more efficient hierarchical network and improve system performance, methods of analyzing the optimal cluster ratio from various viewpoints have been introduced.
리치(LEACH)는 가장 유명한 원-홉(one-hop) 전송상황에서 에너지 효율성을 보장한 클러스터링 알고리즘이다. 히드(HEED)는 LEACH 기반 클러스터링 알고리즘이며 센서 노드의 잔여 에너지를 고려하여 시스템의 균일한 에너지 소모를 보완하였다. LEACH와 HEED에서는 시스템의 최소 에너지 소모를 목표함수로 두어 최적의 클러스터 비율(5%)를 제안하였다. 그러나, 이러한 종래의 클러스터 비율 분석기법은 이상적인 채널상황을 가정하여 최적의 클러스터 비율을 분석하였고, 클러스터 크기변화로 인한 홉 수 증가, 또한 무선 채널의 불안정으로 인한 패킷의 재전송은 고려되지 않았다.Leach (LEACH) is a clustering algorithm that ensures energy efficiency in the most popular one-hop transmission situations. HEED is a LEACH - based clustering algorithm and compensates for the uniform energy consumption of the system considering the residual energy of the sensor nodes. In LEACH and HEED, we proposed the optimal cluster ratio (5%) by setting the minimum energy consumption of the system as the target function. However, the conventional clustering ratio analysis method is based on an ideal channel condition, and the optimal cluster ratio is analyzed. The increase of the number of hops due to the cluster size change and the packet retransmission due to the instability of the radio channel are not considered.
더불어, LEACH와 HEED에서 가정했던 원-홉(one-hop) 전송상황은 실제 IEEE 802.15.4 기반 저전력 근거리통신 모듈로 실현하기는 어렵다. 즉, 넓은 필드에 계층적 구조를 가진 센서 네트워크를 구축하였을 경우, CM와 CH 사이의 직접 통신은 많은 에너지를 소모하게 되며, 심지어 직접 통신이 불가능할 수도 있다. 또한, 단일 멀티-홉 전송방식은 싱크와 가까운 CH에 중계해야 할 데이터들이 집중됨으로써 심각한 에너지 소모를 초래하는 단점이 있다.In addition, the one-hop transmission situation assumed in LEACH and HEED is difficult to realize with IEEE 802.15.4 based low-power short-range communication module. That is, when a sensor network having a hierarchical structure in a wide field is constructed, direct communication between the CM and the CH consumes a lot of energy, and even direct communication may not be possible. In addition, a single multi-hop transmission scheme has a disadvantage in that data to be relayed to a CH close to the sink is concentrated, which causes serious energy consumption.
본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본발명의 목적은 멀티-홉 투 원-홉(multi-hop to one-hop) 전송 구조를 기반으로 하는 계층적 센서 네트워크에서 시스템 홉 수(hop-count)의 최소화 및 노드 간 패킷수신율(packet reception ratio, PRR) 최대화 사이의 이해득실 관계를 분석하고, 이 두 요소를 종합적으로 고려한 최적의 클러스터 비율을 산출함으로써, 네트워크 시스템 전반의 홉 수를 최소화하고, 네트워크 패킷 전송 비용과 노드 간 재전송 오버헤드를 줄여 에너지 효율성을 향상시킬 수 있는 클러스터 비율 산출 방법 및 이 방법이 적용된 계층적 센서 네트워크 시스템을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems of the prior art. It is an object of the present invention to minimize the hop-count of a hierarchical sensor network based on a multi-hop to one-hop transmission structure, packet reception ratio (PRR) maximization, and by calculating the optimum cluster ratio considering these two factors together, it is possible to minimize the number of hops throughout the network system, and to reduce the network packet transmission cost and the inter-node retransmission overhead And a hierarchical sensor network system to which the method is applied.
상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명은, 멀티-홉 투 원-홉(multi-hop to one-hop) 전송 구조를 기반으로 하는 계층적 센서 네트워크 시스템의 클러스터 비율 산출 방법에 있어서, 네트워크 시스템 전반의 총 홉 수를 구하는 단계; 클러스터 내에서의 노드 간 패킷수신율을 구하는 단계; 및 네트워크 시스템 홉 수의 최소화 및 노드 간 패킷수신율의 최대화를 고려한 클러스터 비율을 산출하는 단계를 포함하여 구성된 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for calculating a cluster ratio of a hierarchical sensor network system based on a multi-hop to one-hop transmission structure, Obtaining a total number of hops of the entire system; Obtaining a packet reception ratio between nodes in a cluster; And calculating a cluster ratio considering minimization of the number of network system hops and maximization of a packet reception ratio between nodes. The present invention provides a method for calculating a cluster ratio for energy efficiency.
또한, 본 발명은 멀티-홉 투 원-홉(multi-hop to one-hop) 전송구조를 기반으로 하는 계층적 센서 네트워크 시스템에 있어서, 네트워크 시스템 전반의 총 홉 수를 구하는 홉수 산출 모듈; 클러스터 내 노드 간 패킷수신율을 산출하는 패킷 수신율 산출 모듈; 및 상기 홉수 산출 모듈을 통해 얻은 네트워크 시스템 총 홉 수의 최소화 및 상기 패킷 수신율 산출 모듈을 통해 얻은 클러스터 내에서의 노드 간 패킷수신율(PRR)의 최대화를 고려하여 클러스터 비율을 산출하는 클러스터 비율 산출 모듈을 포함하여 구성되는 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법이 적용된 센서 네트워크 시스템을 제공한다.The present invention also provides a hierarchical sensor network system based on a multi-hop to one-hop transmission structure, the hierarchical sensor network system comprising: a hop count calculation module for obtaining a total hop count of the entire network system; A packet reception ratio calculating module for calculating a packet reception ratio between nodes in the cluster; And a cluster ratio calculating module for calculating a cluster ratio in consideration of minimizing a total number of hop counts of the network system obtained through the hop count calculating module and maximizing a packet reception ratio (PRR) between nodes in the cluster obtained through the packet reception ratio calculating module The present invention provides a sensor network system to which a cluster ratio calculation method for energy efficiency is applied.
본 발명에 따른 클러스터 비율 산출 방법 및 이 방법이 적용된 계층적 센서 네트워크 시스템은, 시스템 홉 수 최소화와 노드 간 전송 신뢰성 최대화를 종합적으로 고려하여 센서 네트워크의 에너지 효율성을 보장한다. 유도된 최적의 클러스터 비율을 통하여 네트워크 전반 홉 수를 최소화 함으로써, 본질적으로 시스템 전반의 송수신 비용(cost)을 최소화한다. 또한, 클러스터 내부에서의 전송 신뢰성 즉 패킷 수신율을 최대화함으로써 불안정적인 채널 상태에서의 노드 간 재전송 오버헤드를 줄여주어 에너지 효율성을 확보할 수 있다.The cluster ratio calculation method according to the present invention and the hierarchical sensor network system to which this method is applied assure the energy efficiency of the sensor network by taking into consideration the system hop count minimization and the inter-node transmission reliability maximization. By minimizing the number of network-wide hops through the derived optimal cluster ratio, essentially minimizing system-wide transmission and reception cost. In addition, by maximizing the transmission reliability within the cluster, that is, the packet reception ratio, energy overhead can be reduced by reducing the inter-node retransmission overhead in an unstable channel state.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 최소 홉 수와 최대 PRR을 통해 획득한 클러스터 비율을 비교한 결과.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 클러스터 비율 산출 방법이 적용된 계층적 센서 네트워크 시스템의 내부 구성도.
도 3은 모든 센서노드에서 한 개의 패킷을 생성하여 싱크 노드로 전송하려는 상황에 대하여 시뮬레이션 한 결과.
도 4는 노드 분포밀도 0.05에서 본원발명과 종래기술을 비교하였을 때 얻을 수 있는 에너지 효율성 이득 결과.FIG. 1 is a graph illustrating a result of comparing a minimum hop count and a cluster ratio obtained through a maximum PRR according to an exemplary embodiment of the present invention.
BACKGROUND OF THE
FIG. 3 is a simulation result of a situation in which one packet is generated from all the sensor nodes and transmitted to the sink node.
Figure 4 shows the energy efficiency gain results obtained when comparing the present invention with the prior art at a node distribution density of 0.05.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 본 발명의 센서 노드들은 센서 필드에 포아송 포인트 프로세서(poission point process)에 의해 랜덤 배치되었으며, 근접이웃(nearest-neighbor) 매커니즘에 기반하여 가장 가까운 CH와 클러스터를 구성하게 된다. 클러스터 내부 즉 첫 번째 계층에서 클러스터 멤버(cluster member, 이하 CM)들은 클러스터 헤드(cluster head; 이하 CH)에게 최소 전송파워로 멀티-홉(multi-hop)을 통하여 패킷을 전송한다. 두 번째 계층에서 CH는 수집한 데이터의 중복성을 처리한 다음 싱크 노드에게 원-홉(one-hop)으로 패킷을 전송한다. 이에 따라, 본 발명은 보로노이 테셀레이션(Voronoi Tessellation)을 기반으로 센서 네트워크의 두 계층을 분석하기 위하여 아래와 같은, 5가지의 가정을 하기로 한다.First, the sensor nodes of the present invention are randomly arranged in a sensor field by a Poisson point process, and form a cluster with the closest CH based on a nearest-neighbor mechanism. A cluster member (hereinafter referred to as a CM) in a cluster, that is, a first layer, transmits a packet to a cluster head (CH) at a minimum transmission power through a multi-hop scheme. In the second layer, the CH processes the redundancy of the collected data and then sends the packet to the sink node in one-hop. Accordingly, the present invention makes the following five assumptions for analyzing two layers of a sensor network based on Voronoi tessellation.
첫째, 센서노드는 분포 밀도 에 의하여 센싱 필드 안에 포아송 포인트 프로세서에 따라 랜덤 분포된다.First, the sensor node has a distribution density 0.0 > Poisson < / RTI > point processor in the sensing field.
둘째, 클러스터 비율은 이며, CH의 수 가 전체 노드 수 에서 차지하는 비율을 의미한다.Second, And the number of CHs Is the total number of nodes .
셋째, CH의 분포 밀도가 였을 때, 이며, 는 센서 노드를 분포한 필드의 면적이다.Third, the distribution density of CH When it was, Lt; Is the area of the field where sensor nodes are distributed.
넷째, CM의 분포 밀도는 로 계산된다.Fourth, the distribution density of CM .
마지막으로, 클러스터 내에서 CM의 전송반경은 이다.
Finally, within the cluster, the transmission radius of the CM is to be.
본 발명에서는 노드 간 통신의 신뢰성 분석을 위하여 실외 LoS(line-of-sight) 환경을 가정하였다. 이와 같은 전제조건을 통해, 무선 신호의 전파모델은 하기의 [수학식 1]에 정의된 경로 손실 모델에 기반한다. 하기의 [수학식 1]에서 는 클러스터 내 CM와 CH 사이 거리가 일 때의 경로손실을 의미하고, 는 경로손실 지수를 의미하며, 는 경로손실 측정을 위한 기준거리이다.In the present invention, an outdoor LoS (line-of-sight) environment is assumed for reliability analysis of inter-node communication. Through such prerequisites, the propagation model of the radio signal is based on the path loss model defined in Equation (1) below. In the following expression (1) Is the distance between the CM and CH in the cluster The path loss in the case of < RTI ID = 0.0 > Means the path loss index, Is the reference distance for path loss measurements.
한 클러스터 내에서의 노드 수, 링크 길이와 총 홉 수의 랜덤 특징을 분석하기 위하여, 한 클러스터에 하기의 [수학식 2]가 존재한다. In order to analyze the random characteristics of the number of nodes, the link length and the total number of hops in one cluster, there is the following equation (2) in one cluster.
상기 [수학식 2]에서 는 함수 의 누적 합을 의미하여, 이다. 여기서, 함수 가 클러스터 한 노드로부터 CH까지의 홉 수로 정의된다면, 즉 (은 CM와 CH 사이 거리를 의미한다)이 되며, 하기의 [수학식 3]을 통해 한 클러스터 내 총 홉수의 기대치를 구할 수 있게 된다. In Equation (2) Function Which is a cumulative sum of " to be. Here, Is defined as the number of hops from one node of the cluster to the CH, that is, ( Is the distance between the CM and the CH), and the expected value of the total number of hops in one cluster can be obtained through the following equation (3).
상기의 [수학식 3]에서 을 정수로 바꾸기 위하여 파라미터 를 도입하여, 를 얻는다. 이로서, 한 클러스터 내 전체 홉수의 기대치를 하기의 [수학식 4]와 같이 구할 수 있다.In the above equation (3) To an integer. Lt; / RTI > . Thus, the expectation of the total number of hops in one cluster can be obtained as shown in the following equation (4).
본 발명에서 CH는 수집한 데이터를 원-홉으로 싱크노드까지 전송한다고 가정하였음으로 두 번째 계층에서의 홉 수는 이다. 네트워크 전반에서 총 홉 수는 모든 클러스터를 포함한 첫번째와 두 번째 계층에서의 홉 수의 총합이므로 하기의 [수학식 5]에 의해 구할 수 있다.In the present invention, it is assumed that the CH transmits the collected data to the sink node by one-hop, and the number of hops in the second layer is to be. Since the total number of hops in the entire network is the sum of the number of hops in the first and second layers including all the clusters, it can be obtained by the following equation (5).
CH가 싱크까지 신뢰성있는 원-홉 통신을 보장할 수 있다고 가정하였음으로 노드 사이 패킷 수신율은 클러스터 내에서 분석한다. 또한 클러스터 내에서 CM는 에너지 효율성을 위하여 최소 전송파워를 사용하여 송신하게 된다. 주변 노드들은 수신된 패킷을 멀티-홉을 통하여 CH까지 중계한다. 이에 따라, CM로부터 CH까지 원-홉 링크의 전송신뢰성이 보장되면 전반 클러스터 내 노드 사이의 패킷수신율(packet reception ratio, 이하 PRR)을 보장할 수 있다.Assuming that CH can guarantee reliable one-hop communication up to sink, the packet reception ratio between nodes is analyzed in the cluster. In the cluster, the CM is transmitted using the minimum transmission power for energy efficiency. The neighboring nodes relay the received packet to the CH through the multi-hop. Accordingly, if the transmission reliability of the one-hop link from the CM to the CH is guaranteed, the packet reception ratio (PRR) between the nodes in the first cluster can be guaranteed.
PRR에 대한 분석을 위하여 클러스터 내 무선 신호의 경로 손실부터 분석한다. 우선 먼저 상기 [수학식 2]에 기반하여 클러스터 내 CM의 수와 CM로부터 CH까지의 링크 길이 총 합을 구하면 각각 이다. 이 결과를 이용하여 클러스터의 평균 반경은 하기의 [수학식 6]에 의해 얻을 수 있다.For the analysis of PRR, we analyze path loss of wireless signal in the cluster. First, the total number of CMs in the cluster and the sum of the link lengths from the CM to the CH are calculated based on Equation (2) to be. Using this result, the average radius of the cluster can be obtained by the following equation (6).
상기 [수학식 6]을 상기 [수학식 1]에 대입하면 하기와 같이 한 클러스터 내에서의 평균 경로 손실을 획득할 수 있는 [수학식 7]을 얻게 된다. 이때, 이고, 는 파장이며, 이다.Substituting Equation (6) into Equation (1), Equation (7), which can obtain an average path loss in a cluster as follows, is obtained. At this time, ego, Is a wavelength, to be.
다음 CM에서 전송한 패킷은 비트 단위로 전송하므로, 베르누이(bernoulli) 랜덤 변수 를 정의한다. 패킷이 성공적으로 수신되었으면 =1이고 아니면 =0이다. 는 iid 분포를 따르므로 대수 약 법칙(weak law of large number)에 의하여 PRR는 패킷을 성공적으로 수신하는 확률과 근사함으로 하기의 [수학식 8]을 통해 얻을 수 있다.Since the packet transmitted from the next CM is transmitted in a bit unit, the bernoulli random variable . If the packet is successfully received = 1 < / RTI > = 0. Since PRR follows the iid distribution, the PRR is approximated to the probability of successfully receiving a packet by a weak law of large number, and can be obtained by the following equation (8).
상기 [수학식 8]에서 F는 프레임 크기를 의미하며 단위는 바이트(byte)이다. 비트 에러 확률 는 각각 모듈레이션 기법의 에러 함수에 의하여 결정된다. 그러므로 본 발명의 분석 과정은 모듈레이션 기법에 무관하기 때문에 여러 모듈레이션 기법에 적용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 저전력 지그비(ZigBee) 모듈로 많이 사용하고 있는 CC1110을 고려하였음으로 FSK 모듈레이션 기법을 예로 든다. FSK 모듈레이션 기법에서 는 하기의 [수학식 9]와 같이 정의된다.In Equation (8), F denotes a frame size and a unit is a byte. Bit error probability Are determined by the error function of the modulation technique, respectively. Therefore, since the analysis process of the present invention is independent of the modulation technique, it can be applied to various modulation techniques. In the embodiment of the present invention, considering the CC1110, which is widely used as a low power ZigBee module, the FSK modulation technique is taken as an example. In the FSK modulation technique Is defined as follows. &Quot; (9) "
상기 [수학식 9]에서 이며 잡음전력밀도()에 대한 비트에너지의 비율을 의미한다. 와 SNR(signal to noise ratio) 사이 관계는 등식 로 정의할 수 있다. 여기서 은 데이터 전송 속도를 의미하고, 은 잡음 대역폭이다. 이로서, 상기 [수학식 8]은 하기 [수학식 10]으로 다시 표현할 수 있다.In Equation (9) And the noise power density ( ) ≪ / RTI > And SNR (signal to noise ratio) . here Means the data transmission rate, Is the noise bandwidth. Thus, Equation (8) can be rewritten as Equation (10).
또한, 수신자 각도에서 SNR은 수신감도 와 잡음플로어 로 와 같이 얻을 수 있다. 송신된 신호가 전파과정에서 경로손실을 갖게 되므로, 신뢰성 있는 수신을 위하여 등식 을 만족 시켜야 한다. 이때, 는 송신 파워를 의미하며, 은 경로손실이다. 위에서 유도한 클러스터 내 평균 경로손실을 대입하면 이고, 이다. 이를 상기 [수학식 10]에 대입하면 하기의 [수학식 11]과 같이 패킷 수신율에 대한 클러스터 비율의 함수를 얻을 수 있게 된다.Also, at the receiver angle, SNR is the receiver sensitivity And noise floor in Can be obtained as follows. Since the transmitted signal has path loss in the propagation process, . At this time, Quot; means transmission power, Is the path loss. By assigning the average path loss in the cluster derived above ego, to be. Substituting this into Equation (10), a function of the cluster ratio with respect to the packet reception ratio can be obtained as in Equation (11) below.
도 1은 상기 [수학식 5] 및 [수학식 11]을 이용하여 각각 얻은 최적의 클러스터 비율을 비교한 결과이다. 이때, 참조된 각 파라미터들은 하기의 <표 1>과 같다.FIG. 1 shows the results of comparing the optimum cluster ratios obtained using the above-mentioned equations (5) and (11). In this case, the parameters referred to are shown in Table 1 below.
도 1에 도시된 바와 같이, 최소의 홉 수를 제공해 줄 수 있는 A점에서 PRR은 90%밖에 안되므로 노드 간 재전송 횟수가 증가된다. 또한, 99%의 PRR을 보장하기 위한 최적의 B점에서는 홉 수가 13% 증가하는 것을 볼 수 있다. 이와 같이, 최소 홉 수를 위한 기법만으로 클러스터 내 신뢰성 있는 송수신 환경을 보장하지 못하며, PRR 보장을 위하여 더 작고 많은 클러스터를 구축한다면 패킷 전송하는 오버헤드를 증가시킨다.As shown in FIG. 1, since the PRR is only 90% at point A which can provide the minimum number of hops, the number of retransmissions between nodes increases. In addition, it can be seen that the hop count increases by 13% at the optimal point B to guarantee a PRR of 99%. In this way, the reliable minimum transmission / reception environment can not be guaranteed only by the technique for the minimum number of hops, and if the smaller and larger clusters are installed for the PRR guarantee, the overhead of packet transmission increases.
이와 같은, 이해득실(trade-off) 관계 때문에 각각 [수학식 5] 및 [수학식 11]에서 얻은 결과를 통하여 에너지 효율성을 보장하기 위한 최적의 클러스터 비율을 얻기 어려우므로, 본 발명에서는 아래의 목표함수(objective function)를 제안한다. 하기의 [수학식 12]를 통해 정의한 목표함수는 상기 [수학식 5]로부터 얻을 수 있는 시스템 총 홉 수의 최소화와 상기 [수학식 11]로부터 얻을 수 있는 클러스터 내에서의 PRR 최대화를 종합적으로 고려하였다. 제안한 목표함수를 만족시키는 최적의 클러스터 비율은 네트워크에서 패킷전송을 위한 비용을 최소화하고 클러스터 내 불안정한 무선채널 때문에 발생하는 재전송을 최소화할 수 있으므로 시스템 에너지 효율성을 한층 더 확보할 수 있다.Because of such a trade-off relationship, it is difficult to obtain an optimal cluster ratio for ensuring energy efficiency through the results obtained by Equations (5) and (11) We propose an objective function. The target function defined by the following Equation (12) comprehensively considers the minimization of the total number of system hops that can be obtained from Equation (5) and the maximization of PRR in the cluster obtained from Equation (11) Respectively. The optimal cluster ratio satisfying the proposed objective function minimizes the cost for packet transmission in the network and minimizes the retransmission caused by unstable radio channels in the cluster, thereby further securing system energy efficiency.
도 2는 본 발명의 클러스터 비율 산출 방법이 적용된 계층적 센서 네트워크 시스템의 내부 구성도이다.2 is an internal configuration diagram of a hierarchical sensor network system to which the cluster ratio calculating method of the present invention is applied.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 계층적 센서 네트워크 시스템은 센서 네트워크 시스템 전반의 총 홉 수를 구하는 홉수 산출 모듈(110), 클러스터 내 노드 간 패킷수신율을 산출하는 패킷 수신율 산출 모듈(120) 및 상기 홉수 산출 모듈(110)을 통해 얻은 시스템 총 홉 수의 최소화와 상기 패킷 수신율 산출 모듈(120)을 통해 얻은 클러스터 내에서의 노드 간 패킷수신율(PRR)의 최대화를 고려하여 최적의 클러스터 비율을 산출하는 클러스터 비율 산출 모듈(130)을 구비한다.2, the hierarchical sensor network system of the present invention includes a hop
홉수 산출 모듈(110)은 네트워크 시스템 전반의 총 홉 수를 구한다. 한 클러스터 내에서의 노드 수, 링크 길이와 총 홉 수의 랜덤 특징을 분석하기 위하여 을 이용한다. 이때, 는 함수 의 누적 합을 의미하여, 이다. 여기서, 함수 가 클러스터 한 노드로부터 CH까지의 홉 수로 정의된다면, 즉 (은 CM와 CH 사이 거리를 의미한다)이 되며, 한 클러스터 내 총 홉수의 기대치를 을 통해 구할 수 있게 된다.The
이때, 을 정수로 바꾸기 위하여 파라미터 를 도입하여, 를 얻는다. 이로서, 한 클러스터 내 전체 홉수의 기대치를 하기의 [수학식 13]과 같이 구할 수 있다.At this time, To an integer. Lt; / RTI > . Thus, the expected value of the total number of hops in one cluster can be obtained as shown in the following equation (13).
본 발명에서 CH는 수집한 데이터를 원-홉으로 싱크노드까지 전송하므로, 두 번째 계층에서의 홉 수는 이되며, 결국 네트워크 시스템 전반에서의 총 홉수는 모든 클러스터를 포함한 첫 번째와 두 번째 계층에서의 홉 수의 총 합이므로 하기의 [수학식 14]을 통해 구할 수 있다.In the present invention, the CH transmits the collected data to the sink node by one-hop, so that the number of hops in the second layer is The total number of hops in the entire network system is the sum of the number of hops in the first and second layers including all the clusters, so that it can be obtained through the following equation (14).
패킷 수신율 산출 모듈(120)은 클러스터 내 노드 간 패킷 수신율을 산출한다. 본 발명에서는 CH가 싱크까지 신뢰성있는 원-홉 통신을 보장 할 수 있다고 가정하였으므로 노드 사이의 패킷 수신율은 클러스터 내에서 분석하게 된다. 또한 클러스터 내에서 CM는 에너지 효율성을 위하여 최소 전송파워를 사용하여 송신하게 된다. 주변 노드들은 수신된 패킷을 멀티-홉을 통하여 CH까지 중계한다. 이로서 CM로부터 CH까지 원-홉 링크의 전송신뢰성이 보장되면 전반 클러스터 내 노드 사이 PRR를 보장할 수 있다. 이에 따라, 본원발명의 패킷 수신율 산출 모듈(120)은 노드 간 패킷수신율(PRR)에 클러스터 내 평균 경로손실을 대입한 함수인 하기의 [수학식 15]를 통해 패킷 수신율에 대한 클러스터 비율을 산출한다.The packet reception
클러스터 비율 산출 모듈(130)은 시스템 총 홉 수의 최소화와 클러스터 내에서의 노드 간 패킷수신율(PRR)의 최대화를 고려한 최적의 클러스터 비율을 획득한다. 즉, 클러스터 비율 산출 모듈(130)은 홉수 산출 모듈(110)을 통해 유도해낸 시스템 총 홉 수의 최소화와 패킷 수신율 산출 모듈(120)을 통해 유도해낸 클러스터 내에서의 패킷수신율(PRR)의 최대화를 종합적으로 고려한 하기의 [수학식 16]인 목표 함수를 만족시키는 최적의 클러스터 비율을 산출한다. The cluster
이에 따라, 본원발명의 센서 네트워크 시스템은 상기 목표함수를 만족시키는 최적의 클러스터 비율을 획득함으로써 네트워크에서 패킷전송을 위한 비용을 최소화하고, 클러스터 내 불안정한 무선채널 때문에 발생하는 재전송을 최소화 할 수 있으므로 시스템 에너지 효율성을 한층 더 확보할 수 있게 된다.
Accordingly, the sensor network system of the present invention minimizes the cost for packet transmission in the network by obtaining an optimal cluster ratio satisfying the target function, and minimizes the retransmission caused by unstable wireless channels in the cluster, The efficiency can be further secured.
본 발명에서 제안한 목표함수를 통하여 얻은 최적의 클러스터 비율이 에너지 효율성 면에서의 성능 향상을 보임을 증명하기 위하여, 시뮬레이션을 통하여 종래의 최소 홉 수를 보장하기 위한 클러스터링 기법과 비교하기로 한다.In order to verify that the optimal cluster ratio obtained through the proposed function of the present invention shows an improvement in energy efficiency, it is compared with a conventional clustering technique to guarantee the minimum number of hops through simulation.
본 발명의 시뮬레이션에서는 필드에 분포밀도 0.03, 0.05, 0.07에 의하여 각각 30000, 50000, 70000개의 센서노드를 랜덤 배치한다. RF모듈은 CC1110을 이용하고, 915MHz 주파수 대역을 사용하며, 클러스터 내에서 센서노드는 최소 전송파워 -25dBm을 이용하여 송신한다. 센서 노드들에서는 FSK 모듈레이션 기법을 사용하며, 한 프레임 크기는 50byte이다. 경로 손실 모델은 상기 [수학식 7]에서 정의한 모델을 사용하며, 음영페이딩(shadow fading)과 다중경로 페이딩(multi-path fading)은 고려되지 않는다. 기타 시뮬레이션에 참조된 파라미터들은 상기 [표 1]과 동일하다.
In the simulation of the present invention 30,000, 50,000, and 70,000 sensor nodes are randomly arranged in the field by distribution densities of 0.03, 0.05 and 0.07, respectively. The RF module uses the CC1110, uses the 915MHz frequency band, and transmits the sensor node using the minimum transmission power of -25dBm in the cluster. In the sensor nodes, the FSK modulation technique is used, and one frame size is 50 bytes. The path loss model uses the model defined in Equation (7), and shadow fading and multi-path fading are not considered. The parameters referred to in the other simulations are the same as those in Table 1 above.
도 3은 모든 센서노드에서 한 개의 패킷을 생성하여 싱크 노드로 전송하려는 상황에 대하여 시뮬레이션 한 결과이다. 도 3에 도시된 바와 같이, (a), (b)와 (c)에서는 각각 센서노드가 분포밀도 0.03, 0.05, 0.07에 의하여 랜덤 분포 되었을 경우의 결과이다. (a), (b)와 (c)에서 보면 최소 홉 수 클러스터링 기법을 통하여 보장할 수 있는 클러스터 내 평균 PRR은 각각 90%, 95%, 97%이다. 이는 센서 노드의 분포밀도가 작을수록 주변 중계노드와의 거리가 멀어짐으로 경로손실이 더 많이 발생하기 때문이다. 기존 최소 홉 수 클러스터링 기법은 시스템 전반의 전송에 수요되는 홉 수를 최적화 할 수는 있지만 센서노드의 분포밀도에 따라 변화되는 노드 사이의 송수신 신뢰성은 보장하지 못한다. 따라서, 시스템 전반의 전송횟수는 본 발명에서 제안한 방법보다 많아지며, 전송에 드는 에너지 소모도 증가된다.FIG. 3 is a simulation result of a situation where one sensor node generates one packet and transmits it to a sink node. As shown in FIG. 3, (a), (b) and (c) are the results when the sensor nodes are randomly distributed by the distribution density of 0.03, 0.05 and 0.07, respectively. In (a), (b) and (c), the average PRR within clusters guaranteed by the minimum hop clustering technique is 90%, 95%, and 97%, respectively. This is because the smaller the distribution density of the sensor node is, the more the distance from the adjacent relay node becomes, and the more path loss occurs. Although the existing minimum hop count clustering scheme can optimize the number of hops required for transmission throughout the system, it does not guarantee the transmission / reception reliability between the nodes that changes according to the distribution density of sensor nodes. Therefore, the number of transmissions throughout the system is larger than that proposed in the present invention, and the energy consumption for transmission is also increased.
센서노드의 랜덤 분포 밀도가 0.03, 0.05, 0.07이였을 때, 본 발명에서 제안한 목표함수를 통하여 얻은 최적의 클러스터 비율(CR)은 기존 최소 홉 수 클러스터링 방안보다 효율성이 각각 2%, 0.8%, 0.3% 향상된 것을 볼 수 있다. 이는 본 발명이 시스템 패킷 전송에 드는 홉 수와 노드간 통신의 PRR를 종합적으로 고려함으로서 기존 방안보다 네트워크의 수명 연장에 한층 더욱 효율적이며 특히 센서노드의 분포밀도가 작을수록 더 많은 에너지 소모를 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.
When the random distribution density of the sensor nodes was 0.03, 0.05, and 0.07, the optimal cluster ratio (CR) obtained through the objective function proposed by the present invention was 2%, 0.8%, and 0.3% %. This is because the present invention comprehensively considers the number of hops of system packet transmission and the PRR of inter-node communication so that it is more efficient in extending the life of the network than the existing scheme, and in particular, the smaller the distribution density of the sensor node, .
도 4에서는 노드 분포밀도 0.05에서 본원발명과 종래의 최소 홉 수 클러스터링 기법을 비교하였을 때 얻을 수 있는 에너지 효율성 이득 결과를 보여준다. 도 4에 도시된 바와 같이, 다양한 경로손실 환경을 고려하기 위하여 경로손실 지수를 각각 3.0, 3.5, 4.0, 4.5로 설정하였다. 가장 이상적인 경로손실(경로손실 지수가 3.0)인 경우 본 발명에서 제안한 최적의 클러스터 비율 기법은 기존 방안보다 0.1%의 이득(gain)을 얻게 되며 경로손실 가장 심각한 (경로손실 지수가 4.5) 경우 16.25%의 이득을 얻게 된다. 이는 본 발명이, 클러스터 내 PRR 최대화를 목표함수에서 고려하였기 때문에 최적의 클러스터 비율을 통하여 보다 더 많은 에너지 효율성을 얻게 되는 것을 알 수 있다.
FIG. 4 shows the energy efficiency gain results obtained when the present invention is compared with the conventional minimum hop number clustering technique at a node distribution density of 0.05. As shown in FIG. 4, the path loss indexes are set to 3.0, 3.5, 4.0, and 4.5, respectively, in order to consider various path loss environments. In the case of the most ideal path loss (path loss index is 3.0), the optimal cluster ratio scheme proposed by the present invention achieves a gain of 0.1% and 16.25% when the path loss is the most severe (path loss index 4.5) . It can be seen that the present invention achieves more energy efficiency through the optimal cluster ratio since the PRR maximization in the cluster is considered in the target function.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Therefore, it is intended that the present invention cover the modifications and variations of this invention provided they come within the scope of the appended claims and their equivalents. It will be obvious to those of ordinary skill in the art.
110 : 홉수 산출 모듈 120 : 패킷 수신율 산출 모듈
130 : 클러스터 비율 산출 모듈110: HOP number calculation module 120: Packet reception ratio calculation module
130: Cluster Rate Calculation Module
Claims (14)
네트워크 시스템 전반의 총 홉 수를 구하는 단계;
클러스터 내에서의 노드 간 패킷수신율을 구하는 단계; 및
네트워크 시스템 홉 수의 최소화 및 노드 간 패킷수신율의 최대화를 고려한 클러스터 비율을 산출하는 단계;
를 포함하여 구성된 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법.
A method for calculating a cluster ratio of a hierarchical sensor network system based on a multi-hop to one-hop transmission structure,
Obtaining a total number of hops of the entire network system;
Obtaining a packet reception ratio between nodes in a cluster; And
Calculating a cluster ratio considering minimization of the number of network system hops and maximization of a packet reception ratio between nodes;
And calculating a cluster ratio for energy efficiency.
상기 네트워크 시스템 전반의 총 홉 수를 구하는 단계에서는,
모든 클러스터를 포함한 첫 번째와 두 번째 계층에서의 홉 수의 총합을 구하는 것을 특징으로 하는 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법.
The method according to claim 1,
In the step of obtaining the total number of hops in the network system,
Wherein the total number of hops in the first and second layers including all the clusters is obtained.
상기 홉 수의 총합은,
하기의 [수학식 1]를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법.
[수학식 1]
여기서,
,
,
: 클러스터 헤드의 수,
: 전체 노드의 수,
: 클러스터 멤버와 클러스터 헤드 사이의 거리,
: 클러스터 내에서 클러스터 멤버의 전송반경,
,
: 센서 노드가 분포한 필드의 면적.
3. The method of claim 2,
The total number of the hop numbers
And calculating the cluster ratio for energy efficiency based on the following formula (1).
[Equation 1]
here,
,
,
: Number of cluster heads,
: The total number of nodes,
: Distance between cluster member and cluster head,
: The transfer radius of cluster members within the cluster,
,
: Area of field distributed by sensor node.
상기 클러스터 내에서의 노드 간 패킷수신율을 구하는 단계에서는,
패킷수신율에 따른 클러스터 비율의 함수를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법.
The method according to claim 1,
In the step of obtaining the inter-node packet reception ratio in the cluster,
Wherein the cluster rate is calculated through a function of the cluster ratio according to the packet reception ratio.
상기 패킷수신율에 따른 클러스터 비율의 함수는,
패킷수신율(PRR)에 한 클러스터 내 평균 경로 손실을 대입한 것을 특징으로 하는 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법.
5. The method of claim 4,
The function of the cluster ratio according to the packet reception ratio is,
Wherein a mean path loss in a cluster is substituted for a packet reception ratio (PRR).
상기 한 클러스터 내 평균 경로 손실은,
하기의 [수학식 2]에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법.
[수학식 2]
여기서,
,
: 클러스터 헤드의 수,
: 전체 노드의 수,
: 센서 노드가 분포한 필드의 면적,
,
: 파장,
,
: 경로손실 지수.
6. The method of claim 5,
The average path loss in the above-
And calculating a cluster ratio for energy efficiency according to the following formula (2).
&Quot; (2) "
here,
,
: Number of cluster heads,
: The total number of nodes,
: Area of sensor node distributed field,
,
: wavelength,
,
Path loss index.
상기 패킷수신율(PRR)은,
하기의 [수학식 3]에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법.
[수학식 3]
여기서,
,
: 비트에너지의 비,
: 데이터 전송 속도,
: 잡음전력밀도,
: 잡음대역폭,
: 프레임 크기.
6. The method of claim 5,
The packet reception ratio (PRR)
And calculating the cluster ratio for energy efficiency according to the following formula (3).
&Quot; (3) "
here,
,
: Ratio of bit energy,
: Data transmission speed,
: Noise power density,
: Noise bandwidth,
: Frame size.
상기 패킷 수신율에 대한 클러스터 비율의 함수는,
하기의 [수학식 4]인 것을 특징으로 하는 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법.
[수학식 4]
여기서,
: 송신파워,
: 잡음 플로어,
: 잡음대역폭,
: 데이터 전송 속도,
: 파장,
: 경로손실 지수,
: 전체 노드의 수,
,
: 클러스터 헤드의 수,
: 센서 노드가 분포한 필드의 면적,
: 프레임 크기.
6. The method of claim 5,
The function of the cluster ratio with respect to the packet reception ratio,
And calculating a cluster ratio for energy efficiency according to Equation (4).
&Quot; (4) "
here,
: Transmission power,
: Noise floor,
: Noise bandwidth,
: Data transmission speed,
: wavelength,
: Path loss index,
: The total number of nodes,
,
: Number of cluster heads,
: Area of sensor node distributed field,
: Frame size.
상기 네트워크 시스템 홉 수의 최소화 및 노드 간 패킷수신율의 최대화를 고려한 클러스터 비율을 산출하는 단계는,
하기의 [수학식 5]를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법.
[수학식 5]
여기서,
: 전체 노드의 수,
,
: 클러스터 헤드의 수,
: 클러스터 내에서 클러스터 멤버의 전송반경,
: 분포밀도,
: 송신파워,
: 잡음 플로어,
: 잡음대역폭,
: 데이터 전송 속도,
: 파장,
: 경로손실 지수,
,
: 센서 노드가 분포한 필드의 면적,
: 프레임 크기.
The method according to claim 1,
Wherein the step of calculating the cluster ratio considering the minimization of the number of network system hops and the maximization of the inter-
And calculating a cluster ratio for energy efficiency based on the following formula (5).
&Quot; (5) "
here,
: The total number of nodes,
,
: Number of cluster heads,
: The transfer radius of cluster members within the cluster,
: Distribution density,
: Transmission power,
: Noise floor,
: Noise bandwidth,
: Data transmission speed,
: wavelength,
: Path loss index,
,
: Area of sensor node distributed field,
: Frame size.
네트워크 시스템 전반의 총 홉 수를 구하는 홉수 산출 모듈;
클러스터 내 노드 간 패킷수신율을 산출하는 패킷 수신율 산출 모듈; 및
상기 홉수 산출 모듈을 통해 얻은 네트워크 시스템 총 홉 수의 최소화 및 상기 패킷 수신율 산출 모듈을 통해 얻은 클러스터 내에서의 노드 간 패킷수신율(PRR)의 최대화를 고려하여 클러스터 비율을 산출하는 클러스터 비율 산출 모듈;
을 포함하여 구성되는 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법이 적용된 센서 네트워크 시스템.
In a hierarchical sensor network system based on a multi-hop to one-hop transmission structure,
A hop count calculating module for calculating a total hop count of the entire network system;
A packet reception ratio calculating module for calculating a packet reception ratio between nodes in the cluster; And
A cluster ratio calculating module for calculating a cluster ratio in consideration of minimizing a total number of network system hops obtained through the hop count calculating module and maximizing a packet reception ratio (PRR) between nodes in the cluster obtained through the packet reception ratio calculating module;
A sensor network system to which a cluster ratio calculation method for energy efficiency is applied.
상기 총 홉 수는,
모든 클러스터를 포함한 첫번째와 두번째 계층에서의 홉 수의 총 합인 것을 특징으로 하는 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법이 적용된 센서 네트워크 시스템.
11. The method of claim 10,
The total number of hops is
And the number of hops in the first and second layers including all the clusters. The sensor network system to which the cluster ratio calculation method for energy efficiency is applied.
상기 총 홉 수는,
하기의 [수학식 6]을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법이 적용된 센서 네트워크 시스템.
[수학식 6]
여기서,
,
,
: 클러스터 헤드의 수,
: 전체 노드의 수,
: 클러스터 멤버와 클러스터 헤드 사이의 거리,
: 클러스터 내에서 클러스터 멤버의 전송반경,
,
: 센서 노드가 분포한 필드의 면적.
12. The method of claim 11,
The total number of hops is
And calculating a cluster ratio for energy efficiency according to Equation (6) below.
&Quot; (6) "
here,
,
,
: Number of cluster heads,
: The total number of nodes,
: Distance between cluster member and cluster head,
: The transfer radius of cluster members within the cluster,
,
: Area of field distributed by sensor node.
상기 패킷 수신율 산출 모듈은,
패킷수신율(PRR)에 한 클러스터 내 평균 경로 손실을 대입한 함수인 하기의 [수학식 7]을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법이 적용된 센서 네트워크 시스템.
[수학식 7]
여기서,
: 송신파워,
: 잡음 플로어,
: 잡음대역폭,
: 데이터 전송 속도,
: 파장,
: 경로손실 지수,
: 전체 노드의 수,
,
: 클러스터 헤드의 수,
: 센서 노드가 분포한 필드의 면적,
: 프레임 크기.
11. The method of claim 10,
The packet reception ratio calculating module calculates,
And the average path loss in a cluster is substituted for the packet reception ratio (PRR), which is a function obtained by the following formula (7). ≪ EMI ID = 7.0 >
&Quot; (7) "
here,
: Transmission power,
: Noise floor,
: Noise bandwidth,
: Data transmission speed,
: wavelength,
: Path loss index,
: The total number of nodes,
,
: Number of cluster heads,
: Area of sensor node distributed field,
: Frame size.
상기 클러스터 비율 산출 모듈은,
하기의 [수학식 8]인 목표함수를 만족시키는 클러스터 비율을 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지 효율성을 위한 클러스터 비율 산출 방법이 적용된 센서 네트워크 시스템.
[수학식 8]
여기서,
: 전체 노드의 수,
,
: 클러스터 헤드의 수,
: 클러스터 내에서 클러스터 멤버의 전송반경,
: 분포밀도,
: 송신파워,
: 잡음 플로어,
: 잡음대역폭,
: 데이터 전송 속도,
: 파장,
: 경로손실 지수,
,
: 센서 노드가 분포한 필드의 면적,
: 프레임 크기.11. The method of claim 10,
The cluster ratio calculating module calculates,
Wherein a cluster ratio satisfying a target function expressed by Equation (8) below is calculated. A sensor network system to which a cluster ratio calculating method for energy efficiency is applied.
&Quot; (8) "
here,
: The total number of nodes,
,
: Number of cluster heads,
: The transfer radius of cluster members within the cluster,
: Distribution density,
: Transmission power,
: Noise floor,
: Noise bandwidth,
: Data transmission speed,
: wavelength,
: Path loss index,
,
: Area of sensor node distributed field,
: Frame size.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020130079221A KR101505179B1 (en) | 2013-07-05 | 2013-07-05 | Method for analysis of energy efficient cluster ratio and the hierarchical wireless sensor network system the method applied thereto |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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