KR20170086363A - 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 장치, 이를 위한 방법 및 이 방법이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체 - Google Patents

무선 센서 네트워크 복구 및 교체 장치, 이를 위한 방법 및 이 방법이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체 Download PDF

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KR20170086363A KR1020160006106A KR20160006106A KR20170086363A KR 20170086363 A KR20170086363 A KR 20170086363A KR 1020160006106 A KR1020160006106 A KR 1020160006106A KR 20160006106 A KR20160006106 A KR 20160006106A KR 20170086363 A KR20170086363 A KR 20170086363A
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Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크 내 센서 노드를 유전자 알고리즘과 등급 확산 알고리즘을 조합한 방식으로 복구 및 교체하는 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 장치, 이를 위한 방법 및 이 방법이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 관한 것으로, 등급 확산 알고리즘에 의하여 구축된 무선 센서 네트워크 내 센서 노드를 복구 및 교체하는 장치에 있어서, 현재 작동하는 센서 노드의 개수를 상기 무선 센서 네트워크 내 센서 노드의 총 개수와 비교하고, 상기 현재 작동하는 센서 노드의 개수가 상기 센서 노드의 총개수에 대비하여 미리 설정된 비율 미만이면, 상기 무선 센서 네트워크 내 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로를 따라 각 센서 노드의 작동 가능 여부의 연속으로 표현되는 염색체 스트링을 작성하는 염색체 스트링 생성부; 상기 무선 센서 네트워크 내 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로에 포함된 각 센서 노드에 대한 적합성을 평가하고, 평가 결과에 따라 비교 염색체 스트링을 작성하는 비교 염색체 스트링 생성부; 및 상기 염색체 스트링과 상기 비교 염색체 스트링 간 교차와 돌연변이를 통하여 신규 염색체 스트링을 획득하고, 상기 신규 염색체 스트링에 따라 센서 노드를 복구 및 교체하는 경로 복구부를 포함한다.

Description

무선 센서 네트워크 복구 및 교체 장치, 이를 위한 방법 및 이 방법이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체{APPARATUS FOR RECOVERY AND REPLACEMENT FOR WIRELESS SENSOR NETWORK, METHOD THEREOF AND COMPUTER RECORDABLE MEDIUM STORING THE METHOD}
본 발명은 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 장치, 이를 위한 방법 및 이 방법이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 무선 센서 네트워크 내 센서 노드를 유전자 알고리즘과 등급 확산 알고리즘을 조합한 방식으로 복구 및 교체하는 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 장치, 이를 위한 방법 및 이 방법이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 관한 것이다.
일반적으로 무선 센서 네트워크는 많은 수의 센서 노드를 포함하고, 각 노드는 제한된 배터리 전원을 가지므로 긴 시간 사용하면 노드의 배터리가 소모된다. 따라서, 애드혹(ad-hoc) 모바일 네트워크를 위한 라우팅 프로토콜을 설계함에 있어서는 이러한 점이 고려되어야 한다. 이와 같은 배터리 및 무선 기술에 있어서, 센서는 데이터 처리, 무선 검출 등의 기능이 강화되는 추세이다. 센서 노드가 사용 시 및 송신 처리 실행 시 배터리를 소모함에 따라 전원이 고갈되면, 해당 센서 노드는 이벤트 데이터를 소스 노드로부터 싱크 노드로 전송하지 못하고, 다른 센서 노드가 대신 이벤트 데이터를 전송해야 하므로 잦은 전송 동작 수행이 부담이 될 수 있다.
또한, 센서 노드를 충전하는 것은 그 개수 등으로 인하여 어려운 작업인 바, 무선 센서 네트워크의 성능 향상을 위해서는 센서 노드의 방전으로 인한 데이터 손실 및 센서 노드 자체의 에너지 소모를 줄이고 영향을 받은 노드를 신속하게 복구 및 교체할 필요가 있다.
종래에는, 에너지 소모를 줄이기 위하여 유전자 알고리즘을 이용하여 전력을 소비하는 태스크를 스케쥴링함으로써 전력 소모를 줄이는 기술이 개발되었으나, 방전으로 인한 셧다운(Shutdown) 노드가 발생한 경우에는 이에 대한 복구를 수행할 수 없어 나머지 노드들에게 계속적으로 부담을 가중시키는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1348439호
본 발명은 센서 노드들 중 일부가 셧다운된 경우에 유전자 알고리즘과 등급 확산 알고리즘 방식을 결합하여 센서 노드를 복구함으로써, 교체해야 하는 센서 노드의 개수를 최소화하고 사용 가능한 라우팅 경로의 개수를 최대화할 수 있는 기술을 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 등급 확산 알고리즘에 의하여 구축된 무선 센서 네트워크 내 센서 노드를 복구 및 교체하는 장치에 있어서, 현재 작동하는 센서 노드의 개수를 상기 무선 센서 네트워크 내 센서 노드의 총 개수와 비교하고, 상기 현재 작동하는 센서 노드의 개수가 상기 센서 노드의 총개수에 대비하여 미리 설정된 비율 미만이면, 상기 무선 센서 네트워크 내 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로를 따라 각 센서 노드의 작동 가능 여부의 연속으로 표현되는 염색체 스트링을 작성하는 염색체 스트링 생성부; 상기 무선 센서 네트워크 내 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로에 포함된 각 센서 노드에 대한 적합성을 평가하고, 평가 결과에 따라 비교 염색체 스트링을 작성하는 비교 염색체 스트링 생성부; 및 상기 염색체 스트링과 상기 비교 염색체 스트링 간 교차와 돌연변이를 통하여 신규 염색체 스트링을 획득하고, 상기 신규 염색체 스트링에 따라 센서 노드를 복구 및 교체하는 경로 복구부를 포함한다.
여기서, 상기 적합성은, 하기 적합성 함수에 의하여 계산되고,
Figure pat00001
-
Figure pat00002
는 등급 값이 i인 복구된 센서 노드의 개수이고,
Figure pat00003
는 등급 값이 i인 센서 노드로부터 재사용되는 라우팅 경로의 개수이며, TN은 무선 센서 노드 네트워크를 구성하는 센서 노드의 총 개수이고, TP는 무선 센서 노드 네트워크를 구성하는 라우팅 경로의 총 개수임 -
상기 무선 센서 네트워크 내 라우팅 경로 상에 동일 등급을 갖는 센서 노드 중 상기 적합성 함수의 값이 가장 낮은 센서 노드는 상기 비교 염색체 스트링 내 비작동 센서 노드로 설정될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예는, 등급 확산 알고리즘에 의하여 구축된 무선 센서 네트워크 내 센서 노드를 복구 및 교체하는 방법에 있어서, 현재 작동하는 센서 노드의 개수를 상기 무선 센서 네트워크 내 센서 노드의 총 개수와 비교하고, 상기 현재 작동하는 센서 노드의 개수가 상기 센서 노드의 총개수에 대비하여 미리 설정된 비율 미만이면, 상기 무선 센서 네트워크 내 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로를 따라 각 센서 노드의 작동 여부의 연속으로 표현되는 염색체 스트링을 작성하는 단계; 상기 무선 센서 네트워크 내 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로에 포함된 각 센서 노드에 대한 적합성을 평가하고, 평가 결과에 따라 비교 염색체 스트링을 작성하는 단계; 및 상기 염색체 스트링과 상기 비교 염색체 스트링 간 교차와 돌연변이를 통하여 신규 염색체 스트링을 획득하고, 상기 신규 염색체 스트링에 따라 센서 노드를 복구 및 교체하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 적합성은, 하기 적합성 함수에 의하여 계산되고,
Figure pat00004
-
Figure pat00005
는 등급 값이 i인 복구된 센서 노드의 개수이고,
Figure pat00006
는 등급 값이 i인 센서 노드로부터 재사용되는 라우팅 경로의 개수이며, TN은 무선 센서 노드 네트워크를 구성하는 센서 노드의 총 개수이고, TP는 무선 센서 노드 네트워크를 구성하는 라우팅 경로의 총 개수임 -
상기 무선 센서 네트워크 내 라우팅 경로 상에 동일 등급을 갖는 센서 노드 중 상기 적합성 함수의 값이 가장 낮은 센서 노드는 상기 비교 염색체 스트링 내 비작동 센서 노드로 설정될 수 있다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 다른 실시예는, 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 방법을 실행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체를 제공할 수 있다.
전술한 본 발명에 따르면, 센서 노드들 중 일부가 셧다운된 경우에 유전자 알고리즘과 등급 확산 알고리즘 방식을 결합하여 센서 노드를 복구함으로써, 교체해야 하는 센서 노드의 개수를 최소화하고 사용 가능한 라우팅 경로의 개수를 최대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 장치를 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 장치에 의해 생성되는 염색체 스트링을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 방법을 구체적으로 도시한 흐름도이다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
“제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 장치를 나타낸 도면이고, 도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 장치에 의해 생성되는 염색체 스트링을 도시한 도면으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 장치는, 염색체 스트링 생성부(100), 비교 염색체 스트링 생성부(200) 및 경로 복구부(300)를 포함한다.
염색체 스트링 생성부(100)는, 현재 작동하는 센서 노드의 개수를 무선 센서 네트워크 내 센서 노드의 총 개수와 비교하고, 현재 작동하는 센서 노드의 개수가 센서 노드의 총개수에 대비하여 미리 설정된 비율 미만이면, 무선 센서 네트워크 내 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로를 따라 각 센서 노드의 작동 여부의 연속으로 표현되는 염색체 스트링을 작성한다.
이때, 무선 센서 네트워크의 라우팅 경로는 등급 확산 알고리즘(Grade Diffusion Algorithm)에 의하여 설정되며, 등급 확산 알고리즘의 주 목적은 인접 노드의 집합을 발견하고 모든 각 센서 노드에 대하여 라우팅 경로를 생성하는 데에서 기인하는 전송 로딩을 감소시키는 것이다. 각 센서 노드는 인접 노드의 집합으로부터 나머지 센서 노드를 취한다. 등급 테이블이 존재하지 않는 경우에는 노드는 중계(Relay) 기능을 수행할 수 있다. 등급 확산 테이블은 또한 데이터 중계에 관한 정보를 기록한다. 등급 확산 알고리즘은 라우팅 경로를 실시간으로 갱신한다. 이 동작으로 인하여, 데이터는 싱크 노드로 빠르고 정확하게 전송된다.
여기서, 등급 확산 알고리즘의 주 동작에 의하면 각 센서 노드의 등급을 발견하고, 이후에 라우팅 테이블을 가져오며, 주변의 커버리지(Coverage) 영역으로부터 노드를 취한 다음에, 인접 노드가 도착지를 포함하는지 검사하고 순방향에 있는 노드를 가져온다. 다음에, 순방향에 있는 노드를 한 개 고르고, 최종적으로 다시 다른 소스 노드에서 모든 노드들을 발견할 때까지 위와 같은 과정을 다시 반복한다.
한편, 등급 번호, 라우팅 테이블, 지인(Acquaintance) 노드의 집합 및 각 센서 노드의 페이로드(Payload) 값을 생성한다. 등급 확산 알고리즘에 따라 싱크 노드에 데이터를 보내어 수행되는 노드 제외(Deportation)는 현재 작동하는 센서 노드의 개수에 대한 무선 센서 네트워크 내 센서 노드의 총 개수의 비율을 반영하는 임계값(Bth)을 계산하는 이벤트에 의해 발생한다. 즉, 임계값이 0보다 크면 유전자 알고리즘이 동작하게 된다. 다시 말하면, 센서 노드를 복구하는 동작을 수행하는 유전자 알고리즘에 의해 생성된 최적의 노드에 의해 사용 불가능한 노드가 복구된다.
임계값은 하기 수학식 1에 의하여 계산된다.
Figure pat00007
여기서,
Figure pat00008
는 하기 수학식 2를 만족하는 경우에는 1이고, 그 외에는 0이 된다.
Figure pat00009
여기서,
Figure pat00010
는 i 등급을 갖는 센서 노드 중 현재 작동하고 있는 노드의 총 개수를 의미하고,
Figure pat00011
은 i 등급을 갖는 센서 노드의 총 개수를 의미한다. β는 관리자가 설정할 수 있는 임의의 값으로, 예를 들면, 0.5로 설정할 경우 현재 작동하고 있는 노드 수가 최초에 작동하던 노드 수의 반 이하로 감소하면
Figure pat00012
를 1로 만들게 된다.
만약, 임계값이 0보다 큰 값이 되면, 유전자 알고리즘이 작동할 수 있고, 이에 따라 사용 불가능한 노드가 가장 효율적인 노드로 교체된다. 즉, 네트워크에 대하여 임계값의 계산이 완료되면, 모든 사용불가 노드 또는 수명이 많이 남지 않은 노드들이 유전자 알고리즘으로 넘겨진다. 따라서, 남은 노드들은 정상적으로 작동하는 노드가 된다.
한편, 염색체 스트링 생성부(100)는, 유전자 알고리즘이 작동되면, 네트워크 파퓰레이션(Network population)에 기반하여 도 2a에 도시된 바와 같은 염색체를 생성하고, 이러한 염색체는 0 및 1로 수치화된다. 염색체 내에서, 모든 노드들은 작동 중인 노드이거나 작동하지 않는 노드이다. 염색체의 수는 사용자에 의해 지정된 모집단의 크기에 의존한다. 즉, 도 2a를 참조하면, 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로의 릴레이 노드로 사용될 수 있는 각 센서 노드(4, 9, 13, 19, 21, 30, 39, 46, 59, 62)에 대하여 작동 중이거나 작동 가능한 노드는 '1'로 작동하지 않는 노드는 '0'으로 하여 염색체 스트링을 생성할 수 있다.
또한, 비교 염색체 스트링 생성부(200)는, 무선 센서 네트워크 내 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로에 포함된 각 센서 노드에 대한 적합성을 평가하고, 평가 결과에 따라 비교 염색체 스트링을 작성한다.
다시 말하면, 유전자 알고리즘의 다음 단계는 각 센서 노드의 적합성을 판단하는 평가이다. 적합성은 적합성 함수(fn)에 의하여 식별될 수 있다. 여기서 하기 수학식 3을 사용하여 사용 불가능한 노드들의 적합성을 발견한다. 본 발명의 유전자 알고리즘의 주 목적은 보다 적은 수의 센서 노드를 복구하고 센서 노드를 교체하는 비용을 줄이는 것이다.
Figure pat00013
여기서,
Figure pat00014
는 등급 값이 i인 복구된 센서 노드의 개수이고,
Figure pat00015
는 등급 값이 i인 센서 노드로부터 재사용되는 라우팅 경로의 개수이며, TN은 무선 센서 노드 네트워크를 구성하는 센서 노드의 총 개수이고, TP는 무선 센서 노드 네트워크를 구성하는 라우팅 경로의 총 개수이다.
여기서, 가장 낮은 적합성 값을 갖는 노드를 작동하지 않는 노드로 제거, 즉, 비교 염색체 스트링 내에서 '0'으로 설정하고 나머지는 작동 가능한 노드로 포함, 즉, 비교 염색체 스트링 내에서 '1'로 설정한다. 즉, 사용 불가능한 노드가 삭제되고 남은 노드들이 작동 가능한 노드로서 염색체 스트링 작성부(100)에서 작성된 염색체 스트링과의 짝짓기(Mating)를 위하여 배치된다. 즉, 더 나은 적합성을 가진 노드들이 교차(Crossover) 단계를 위한 비교 염색체 스트링에 반영된다.
이때, 도 2a에 의하면 적합성 함수에 따라 위에서 2번째 스트링인 "0101101001"과 같은 비교 염색체 스트링이 작성되었음을 알 수 있다.
한편, 경로 복구부(300)는, 염색체 스트링 작성부(100)에서 작성한 염색체 스트링과 비교 염색체 스트링 작성부(200)에서 작성한 비교 염색체 스트링 간 교차와 돌연변이를 통하여 신규 염색체 스트링을 획득하고, 신규 염색체 스트링에 따라 센서 노드를 복구 및 교체한다.
즉, 교차 단계는 2개의 염색체에 크로싱(Crossing) 동작을 적용하여 신규의 염색체 스트링을 생성하는 것이다. 여기서, 신규의 염색체 스트링을 전개하기 위하여 단일 포인트 교차 전략이 사용되었다. 신규의 염색체는 두 개의 염색체 스트링을 스와핑함으로써 전개되고, 신규의 최적 노드가 반영된 염색체 스트링을 생성한다. 여기서, 도 2b를 참조하면, 염색체 스트링의 후단과 비교 염색체 스트링이 전단이 서로 스와핑되어 개선된 라우팅 경로를 반영하는 염색체 스트링인 "1101001001"이 작성됨을 알 수 있다.
이후에, 돌연변이 단계는 교차 단계를 수행한 후에 매우 빠르고 효과적으로 최적의 염색체 스트링을 생성하기 위하여 필요한 것이다. 염색체 스트링은 도 2c에 도시된 바와 같이 하나의 노드(13)를 0에서 1로 뒤집는 돌연변이에 의하여 조정될 수 있다. 돌연변이 단계 이후에 작성된 신규 염색체 스트링은 이전의 염색체 스트링과 비교하면 매우 효율적이다. 이러한 유전자 알고리즘의 최종 단계 이후에 노드는 사용 불가능한 노드의 위치를 교체할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 방법을 도시한 도면으로, 이에 관하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 현재 작동하는 센서 노드의 개수를 무선 센서 네트워크 내 센서 노드의 총 개수와 비교하고, 현재 작동하는 센서 노드의 개수가 센서 노드의 총개수에 대비하여 미리 설정된 비율 미만이면, 무선 센서 네트워크 내 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로를 따라 각 센서 노드의 작동 여부의 연속으로 표현되는 염색체 스트링을 작성한다(S100). 즉, 작동하는 센서 노드의 개수가 감소함에 따라 유전자 알고리즘이 개시되는데, 이는 작동하는 센서 노드의 개수에 대한 무선 센서 네트워크 내 센서 노드의 총 개수의 비율을 반영하는 임계값(Bth)을 계산하는 이벤트에 의해 개시될 수 있다. 즉, 임계값이 0보다 크면 유전자 알고리즘이 동작하게 된다.
임계값은 하기 수학식 1에 의하여 계산된다.
[수학식 1]
Figure pat00016
여기서,
Figure pat00017
는 하기 수학식 2를 만족하는 경우에는 1이고, 그 외에는 0이 된다.
[수학식 2]
Figure pat00018
여기서,
Figure pat00019
는 i 등급을 갖는 센서 노드 중 현재 작동하고 있는 노드의 총 개수를 의미하고,
Figure pat00020
은 i 등급을 갖는 센서 노드의 총 개수를 의미한다. β는 관리자가 설정할 수 있는 임의의 값으로, 예를 들면, 0.5로 설정할 경우 현재 작동하고 있는 노드 수가 최초에 작동하던 노드 수의 반 이하로 감소하면
Figure pat00021
를 1로 만들게 된다.
다음에, 염색체 스트링은 도 2a에 도시된 바와 같이 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로의 릴레이 노드로 사용될 수 있는 각 센서 노드(4, 9, 13, 19, 21, 30, 39, 46, 59, 62)에 대하여 작동 중이거나 작동 가능한 노드는 '1'로 작동하지 않는 노드는 '0'으로 하여 작성될 수 있다.
이후에, 무선 센서 네트워크 내 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로에 포함된 각 센서 노드에 대한 적합성을 평가하고, 평가 결과에 따라 비교 염색체 스트링을 작성한다(S200). 여기서, 하기 수학식 3을 사용하여 사용 불가능한 노드들의 적합성을 평가한다.
[수학식 3]
Figure pat00022
여기서,
Figure pat00023
는 등급 값이 i인 복구된 센서 노드의 개수이고,
Figure pat00024
는 등급 값이 i인 센서 노드로부터 재사용되는 라우팅 경로의 개수이며, TN은 무선 센서 노드 네트워크를 구성하는 센서 노드의 총 개수이고, TP는 무선 센서 노드 네트워크를 구성하는 라우팅 경로의 총 개수이다.
이때, 가장 낮은 적합성 값을 갖는 노드를 작동하지 않는 노드로 제거하고 나머지는 작동 가능한 노드로 포함시킨다. 즉, 사용 불가능한 노드가 삭제되고 남은 노드들이 작동 가능한 노드로서 염색체 스트링 작성부(100)에서 작성된 염색체 스트링과의 짝짓기를 위하여 배치된다. 즉, 더 나은 적합성을 가진 노드들이 교차 단계를 위한 비교 염색체 스트링에 반영된다.
이후에, 염색체 스트링과 비교 염색체 스트링 간 교차와 돌연변이를 통하여 신규 염색체 스트링을 획득하고, 신규 염색체 스트링에 따라 센서 노드를 복구 및 교체한다(S300).
여기서, 교차 단계는 2개의 염색체에 크로싱 동작을 적용하여 신규의 염색체 스트링을 생성하는 것이다. 여기서, 신규의 염색체 스트링을 전개하기 위하여 단일 포인트 교차 전략이 사용되었다. 신규의 염색체는 두 개의 염색체 스트링을 스와핑함으로써 전개되고, 신규의 최적 노드가 반영된 염색체 스트링을 생성한다. 여기서, 도 2b를 참조하면, 염색체 스트링의 후단과 비교 염색체 스트링이 전단이 서로 스와핑되어 개선된 라우팅 경로를 반영하는 염색체 스트링인 "1101001001"이 작성됨을 알 수 있다.
이후에, 돌연변이 단계는 교차 단계를 수행한 후에 매우 빠르고 효과적으로 최적의 염색체 스트링을 생성하기 위하여 필요한 것이다. 염색체 스트링은 도 2c에 도시된 바와 같이 하나의 노드(13)를 0에서 1로 뒤집는 돌연변이에 의하여 조정될 수 있다. 돌연변이 단계 이후에 작성된 신규 염색체 스트링은 이전의 염색체 스트링과 비교하면 매우 효율적이다. 이러한 유전자 알고리즘의 최종 단계 이후에 노드는 사용 불가능한 노드의 위치를 교체할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 방법을 구체적으로 도시한 흐름도로서, 이에 관하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 등급 확산 알고리즘에 의하여 무선 센서 네트워크를 구성한다(S110).
이후에, 하기 수학식 1에 따른 임계값(Bth)을 계산함으로써, 구성된 무선 센서 네트워크를 평가한다(S120).
[수학식 1]
Figure pat00025
여기서,
Figure pat00026
는 하기 수학식 2를 만족하는 경우에는 1이고, 그 외에는 0이 된다.
[수학식 2]
Figure pat00027
여기서,
Figure pat00028
는 i 등급을 갖는 센서 노드 중 현재 작동하고 있는 노드의 총 개수를 의미하고,
Figure pat00029
은 i 등급을 갖는 센서 노드의 총 개수를 의미한다. β는 관리자가 설정할 수 있는 임의의 값으로, 예를 들면, 0.5로 설정할 경우 현재 작동하고 있는 노드 수가 최초에 작동하던 노드 수의 반 이하로 감소하면
Figure pat00030
를 1로 만들게 된다.
만약, 임계값이 0이면 임계값을 계산하는 단계(S120)를 반복 수행하고, 임계값이 0을 초과하면 유전자 알고리즘을 수행하는 단계(S210)로 진행한다(S130). 이때, 유전자 알고리즘 수행을 위하여, 도 2a에 도시된 바와 같이 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로의 릴레이 노드로 사용될 수 있는 각 센서 노드(4, 9, 13, 19, 21, 30, 39, 46, 59, 62)에 대하여 작동 중이거나 작동 가능한 노드는 '1'로 작동하지 않는 노드는 '0'으로 하여 염색체 스트링이 작성될 수 있다.
이후에, 적합성 함수를 이용하여 센서 노드를 평가한다(S210). 여기서, 하기 수학식 3을 사용하여 사용 불가능한 노드들의 적합성을 평가한다.
[수학식 3]
Figure pat00031
여기서,
Figure pat00032
는 등급 값이 i인 복구된 센서 노드의 개수이고,
Figure pat00033
는 등급 값이 i인 센서 노드로부터 재사용되는 라우팅 경로의 개수이며, TN은 무선 센서 노드 네트워크를 구성하는 센서 노드의 총 개수이고, TP는 무선 센서 노드 네트워크를 구성하는 라우팅 경로의 총 개수이다.
이때, 가장 낮은 적합성 값을 갖는 노드를 작동하지 않는 노드로 제거하고 나머지는 작동 가능한 노드로 포함시킨다.
다음에, 평가 결과에 따라 비교 염색체 스트링을 작성한다(S220). 즉, 도 2a에 도시된 바와 같이 적합성 함수에 따라 위에서 2번째 스트링인 "0101101001"과 같은 비교 염색체 스트링이 작성될 수 있다.
이후에, 2개의 염색체에 크로싱 동작을 적용하여 신규의 염색체 스트링을 생성한다(S320). 여기서, 신규의 염색체 스트링을 전개하기 위하여 단일 포인트 교차 전략이 사용되었다. 신규의 염색체는 두 개의 염색체 스트링을 스와핑함으로써 전개되고, 신규의 최적 노드가 반영된 염색체 스트링을 생성한다. 여기서, 도 2b를 참조하면, 염색체 스트링의 후단과 비교 염색체 스트링이 전단이 서로 스와핑되어 개선된 라우팅 경로를 반영하는 염색체 스트링인 "1101001001"이 작성됨을 알 수 있다.
다음에, 염색체 스트링에 대하여 도 2c에 도시된 바와 같이 하나의 노드(13)를 0에서 1로 뒤집는 돌연변이 동작을 수행한다(S320). 돌연변이 단계 이후에 작성된 신규 염색체 스트링은 이전의 염색체 스트링과 비교하면 매우 효율적이다.
최종적으로, 신규 염색체 스트링에 따라 설정된 경로로 데이터 전송을 수행함으로써 센서 노드를 복구 및 교체하게 된다(S330).
이러한 본 발명에 의한 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다.
이러한 개시된 기술인 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 개시된 기술의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 염색체 스트링 생성부
200: 비교 염색체 스트링 생성부
300: 경로 복구부

Claims (5)

  1. 등급 확산 알고리즘에 의하여 구축된 무선 센서 네트워크 내 센서 노드를 복구 및 교체하는 장치에 있어서,
    현재 작동하는 센서 노드의 개수를 상기 무선 센서 네트워크 내 센서 노드의 총 개수와 비교하고, 상기 현재 작동하는 센서 노드의 개수가 상기 센서 노드의 총개수에 대비하여 미리 설정된 비율 미만이면, 상기 무선 센서 네트워크 내 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로를 따라 각 센서 노드의 작동 가능 여부의 연속으로 표현되는 염색체 스트링을 작성하는 염색체 스트링 생성부;
    상기 무선 센서 네트워크 내 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로에 포함된 각 센서 노드에 대한 적합성을 평가하고, 평가 결과에 따라 비교 염색체 스트링을 작성하는 비교 염색체 스트링 생성부; 및
    상기 염색체 스트링과 상기 비교 염색체 스트링 간 교차와 돌연변이를 통하여 신규 염색체 스트링을 획득하고, 상기 신규 염색체 스트링에 따라 센서 노드를 복구 및 교체하는 경로 복구부를 포함하는 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적합성은, 하기 적합성 함수에 의하여 계산되고,
    Figure pat00034

    -
    Figure pat00035
    는 등급 값이 i인 복구된 센서 노드의 개수이고,
    Figure pat00036
    는 등급 값이 i인 센서 노드로부터 재사용되는 라우팅 경로의 개수이며, TN은 무선 센서 노드 네트워크를 구성하는 센서 노드의 총 개수이고, TP는 무선 센서 노드 네트워크를 구성하는 라우팅 경로의 총 개수임 -
    상기 무선 센서 네트워크 내 라우팅 경로 상에 동일 등급을 갖는 센서 노드 중 상기 적합성 함수의 값이 가장 낮은 센서 노드는 상기 비교 염색체 스트링 내 비작동 센서 노드로 설정되는 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 장치.
  3. 등급 확산 알고리즘에 의하여 구축된 무선 센서 네트워크 내 센서 노드를 복구 및 교체하는 방법에 있어서,
    현재 작동하는 센서 노드의 개수를 상기 무선 센서 네트워크 내 센서 노드의 총 개수와 비교하고, 상기 현재 작동하는 센서 노드의 개수가 상기 센서 노드의 총개수에 대비하여 미리 설정된 비율 미만이면, 상기 무선 센서 네트워크 내 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로를 따라 각 센서 노드의 작동 여부의 연속으로 표현되는 염색체 스트링을 작성하는 단계;
    상기 무선 센서 네트워크 내 싱크 노드에 이르는 라우팅 경로에 포함된 각 센서 노드에 대한 적합성을 평가하고, 평가 결과에 따라 비교 염색체 스트링을 작성하는 단계; 및
    상기 염색체 스트링과 상기 비교 염색체 스트링 간 교차와 돌연변이를 통하여 신규 염색체 스트링을 획득하고, 상기 신규 염색체 스트링에 따라 센서 노드를 복구 및 교체하는 단계를 포함하는 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 적합성은, 하기 적합성 함수에 의하여 계산되고,
    Figure pat00037

    -
    Figure pat00038
    는 등급 값이 i인 복구된 센서 노드의 개수이고,
    Figure pat00039
    는 등급 값이 i인 센서 노드로부터 재사용되는 라우팅 경로의 개수이며, TN은 무선 센서 노드 네트워크를 구성하는 센서 노드의 총 개수이고, TP는 무선 센서 노드 네트워크를 구성하는 라우팅 경로의 총 개수임 -
    상기 무선 센서 네트워크 내 라우팅 경로 상에 동일 등급을 갖는 센서 노드 중 상기 적합성 함수의 값이 가장 낮은 센서 노드는 상기 비교 염색체 스트링 내 비작동 센서 노드로 설정되는 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 방법.
  5. 청구항 3 및 청구항 4 중 어느 하나의 항에 기재된 무선 센서 네트워크 복구 및 교체 방법을 실행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
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