KR20180124487A - Node-Scheduling Control Method for Wireless Sensor-Actuator Networks with Time Delay Constraints - Google Patents

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KR20180124487A KR1020170059097A KR20170059097A KR20180124487A KR 20180124487 A KR20180124487 A KR 20180124487A KR 1020170059097 A KR1020170059097 A KR 1020170059097A KR 20170059097 A KR20170059097 A KR 20170059097A KR 20180124487 A KR20180124487 A KR 20180124487A
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Abstract

The present invention relates to a node scheduling control method of a wireless sensor-actuator network (WSAN) having time delay constraint. The node scheduling control method minimizes energy consumption in a dynamic WSAN and, at the same time, enables time delay recognition data propagation inspired by an epidemic theory. The node scheduling control method of a WSAN having time delay constraint includes: a step of receiving a packet of a source node in a specific node; a step of measuring a packet time delay based on transmission time information included in the received packet; a step of updating a propagation delay time based on the measured packet time delay; a step of delivering a packet to the updated propagation delay time; and a step of determining an activation or sleep state of the specific node.

Description

시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법{Node-Scheduling Control Method for Wireless Sensor-Actuator Networks with Time Delay Constraints}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a node-scheduling control method for a wireless sensor-actuator network having a time delay constraint,

본 발명은 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법에 관한 것으로, 특히 역동적인 무선센서-액추에이터 네트워크(WSAN; Wireless Sensor-Actuator Network)에서 에너지 소모를 최소화하면서 동시에 전염병 이론에 의해 영감을 받는 시간지연 인식 데이터 전파가 가능한 노드 스케줄링 제어방법을 제공하도록 한 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a node scheduling control method of a wireless sensor-actuator network having a time delay constraint, and more particularly to a dynamic sensor-actuator network (WSAN) The present invention relates to a node scheduling control method for a wireless sensor-actuator network having a time delay constraint to provide a node scheduling control method capable of propagating time delay recognition data inspired by a node.

무선센서 네트워크(WSN)는 다양한 물리적 현상을 감지하고 감시할 수 있는 장치들을 연결한다. 일반적으로 WSN은 배터리로 가동되는 다수의 작은 센서 노드를 포함한다. WSN 시스템은 목표추적과 서식환경 감시, 교통통제, 과학적 탐구에 초점을 두고 있는 여러 응용분야를 보유하고 있다. 최근 다양한 과업을 수행하는 액추에이터 노드가 도입되었고 그 센서와 액추에이터는 무선 센서-액추에이터 네트워크 (WSAN)와 같은 네트워크를 형성할 수 있게 되었다(비 특허문헌 1, 2). WSAN에서 센서는 물리적 환경에 관한 정보를 수집하며 동시에 액추에이터가 환경에 적합한 결정을 내리고 적정 조치를 취한다. WSAN 적용분야로는 재해구제, 지능형빌딩, 군용 감시체계, 건강감시, 기반시설 보안 등이 있다. WSAN에서 제어 응용분야에 따라 센서 입력에 신속히 반응할 필요가 있다. 구체적으로 비상상태와 구조 응용분야와 같은 임무 필수(mission critical) 응용분야는 응용분야에 특화된 기능과 신뢰할 수 있는 성능 보장을 요구한다. 또한, 환경을 감지하고 난 후 조치를 취하기 때문에 조치를 취하는 시점에 센서 데이터가 유효해야 한다. 따라서 반드시 효율적이고 신뢰할 수 있는 자료 전송 체계가 적시에 정확하게 작동해야 한다. 불행하게도 기존의 매체접근제어(medium access control)(MAC) 프로토콜은 주로 에너지 절감을 위해 설계되었다(비 특허문헌 3 내지 6 참조). 그러나 에너지 소비 절감은 추가적인 종단간 시간지연을 유발하며, 이는 역동적인 네트워크 변화 환경에서 WSAN 시스템이 신뢰할 수 있는 통신 요건을 충족시키기 어렵게 만든다. 따라서 WSAN 시스템을 위한 에너지 절감과 제한된 전파 시간지연이라는 이중적인 목표를 갖는 신뢰할 수 있는 노드 스케줄링에 대한 설계가 중요하다.Wireless sensor networks (WSN) connect devices that can detect and monitor various physical phenomena. Generally, a WSN includes a number of small sensor nodes running on a battery. The WSN system has several applications that focus on goal tracking, environmental monitoring, traffic control, and scientific inquiry. In recent years, actuator nodes have been introduced that perform various tasks, and their sensors and actuators have been able to form networks such as wireless sensor-actuator networks (WSANs) (Non-Patent Documents 1 and 2). In the WSAN, the sensor collects information about the physical environment, while at the same time the actuator makes appropriate decisions and takes appropriate action. WSAN applications include disaster relief, intelligent buildings, military surveillance systems, health monitoring, and infrastructure security. Depending on the control application in the WSAN, it is necessary to react quickly to the sensor input. Specifically, mission critical applications, such as emergency situations and structural applications, require applications-specific functionality and reliable performance assurance. Also, the sensor data must be valid at the time of taking action since it takes action after detecting the environment. Therefore, an efficient and reliable data transmission system must operate in a timely and accurate manner. Unfortunately, the existing medium access control (MAC) protocol is primarily designed for energy savings (see Non-Patent Documents 3 to 6). However, energy savings result in additional end-to-end time delays, which makes it difficult for WSAN systems to meet reliable communication requirements in a dynamic network change environment. Therefore, design for reliable node scheduling with dual goals of energy savings and limited propagation time delay for WSAN systems is important.

생물학적으로 영감을 얻은 모델링 기법은 강인하고, 확장 가능하며, 적응성이 있지만, 개별적인 단순함을 유지하고 있는 컴퓨터 네트워크를 실현하기 위한 새로운 대안으로 컴퓨터 네트워크에서 상당한 관심을 모으고 있다(비 특허문헌 7 내지 11 참조). 특히, 면역체계(비 특허문헌 12 내지 15 참조)와 곤충 군집(비 특허문헌 16 내지 20 참조), 활성 물질과 저해 물질 체계(비 특허문헌 21 내지 24), 세포수준 신호전달 체계(비 특허문헌 25 내지 30 참조)와 같은 생물학적 모델에서 파생된 개념과 원리가 무선 네트워크 시스템 설계에 적용되었다.Biologically inspired modeling techniques have attracted considerable interest in computer networks as a new alternative to realizing a computer network that is robust, scalable, and adaptable but maintains individual simplicity (see Non-Patent Literatures 7-11) ). Particularly, the present invention relates to an immune system (see Non-Patent Documents 12 to 15) and insect populations (see Non-Patent Documents 16 to 20), active substances and inhibitor systems (Non-Patent Documents 21 to 24) 25-30), have been applied to wireless network system design.

생물학적으로 영감을 얻은 모델들 중, 전염병 기반 통신 모델은 무선 네트워크에서 데이터를 전송하는 효과적인 수단을 제공한다. 여기서 감염 전파 과정은 노드 사이의 메시지 전달과 연관되어 있다(비 특허문헌 31 내지 39 참조). 무선 네트워크에서 정보배포와 공동체 내에서 전염병의 전파 사이의 유사점은 명확하다. 노드가 한 가지 정보를 받아 이를 저장할 경우, "감염되었다"라고 말할 수 있으며, 그 외의 경우 "감염 가능하다""고 여길 수 있다. 전염병은 감염 전파의 연쇄반응으로 여겨지고 있다. 전염병 이론의 전염병 개념으로 모델링된 데이터 전파와 관련된 유명한 연구 중 하나는 SPIN이다(비 특허문헌 32 참조). 이들 연구자들은 모든 노드에 개별 노드 관측의 효율적인 전파에 관심을 집중했으며, 네트워크에서 여분의 전송을 제거하는 데이터 기술자(data descriptor)를 제안하였다. 또 다른 연구자들은 어느 정도의 신뢰성을 제공하는 TDMA 기반 데이터 전파 프로토콜을 제안하였다(비 특허문헌 33 참조). Firecracker 프로토콜(비 특허문헌 34 참조)은 무선 네트워크를 통해 데이터가 빠르게 전파되도록 라우팅과 동보(broadcast) 원리를 조합하여 사용하였다. Trickle(비 특허문헌 35 참조)은 네트워크에서 모든 노드에 가능한 신속하게 코드 갱신을 전파하고 관리하기 위해 제안되었다. 이 프로토콜의 핵심적인 공헌 중 하나는 이웃하는 노드 사이에서 전송을 제한하기 위해 동보 속도에 대해 억제하고, 동적인 조정을 이용하는 "polite gossip"이다. 이는 노드가 코드를 전파할 때를 결정하는 메커니즘을 제공한다. Deluge(비 특허문헌 36 참조)은 Trickle 원리를 기반으로 대형 데이터 객체의 전송을 지원하는 특성을 추가하였다. 여전히 다른 연구자들도 각 노드가 특정 확률을 기반으로 다른 노드에 메시지 전달을 결정하는 가십(gossip) 기반 접근법을 제안하고 있다(비 특허문헌 37 참조). 가십을 이용할 경우 문제는 한 소스(source)가 매우 적은 이웃을 갖고 있으면, 정보가 모든 노드에 도달하기 전에 자취를 감출 수도 있다는 점이다. 이 문제를 해결하기 위해, 몇 가지 변형된 프로토콜이 제안되었다. 예를 들어 GOSSIP1(p, k)라고 불리는 수정된 프로토콜에서, 각 노드는 가십이 확률 p를 지속하기 전까지 첫 k번 이동 동안 확률 1로 정보를 전달한다. 미들웨어는 원하는 신뢰도에 따라 과정을 조절하는 정보 전파 기술을 사용하여 제어된 전염병 방식 전파를 제공하기 위해 제안되었다(비 특허문헌 38 참조). 또한 MRO(multi-rumor overwriting) 모델도 제안되었다(비 특허문헌 39 참조). 이 모델은 주기적으로 감지된 데이터의 전파와 상호작용에 대해 설명하고 있으며, 이는 네트워크에 유의한 간섭을 초래하지 않고, 가십을 이용하여 분배된다.Among biologically inspired models, epidemic-based communication models provide an effective means of transmitting data over wireless networks. Here, the infection propagation process is related to the message transfer between nodes (see Non-Patent Documents 31 to 39). The similarities between dissemination of information in wireless networks and propagation of communicable diseases within communities are clear. When a node receives a piece of information and stores it, it can say "infected." Otherwise, it can be considered "infectable." The epidemic is considered a chain reaction of infectious diseases. (See Non-Patent Document 32). These researchers have focused on efficient propagation of individual node observations at all nodes, and have found that data descriptors that eliminate redundant transmissions in the network (refer to non-patent document 33). [0004] The Firecracker protocol (see Non-Patent Document 34) is a method of transmitting data through a wireless network to data And the broadcast principle is used in combination to propagate rapidly. 35) has been proposed to propagate and manage code updates as quickly as possible to all nodes in the network. One of the key contributions of this protocol is to suppress the rate of broadcast to limit transmission between neighboring nodes, Quot; polite gossip " that utilizes the in-tuning of a node, which provides a mechanism for determining when a node propagates code. [0005] Deluge (see non-patent reference 36) Still other researchers have proposed a gossip-based approach in which each node determines the delivery of a message to another node based on a certain probability (see Non-Patent Document 37). If the source has very few neighbors, the information may be hidden before reaching all nodes. In a modified protocol, for example called GOSSIP1 (p, k), each node sends information with probability 1 during the first k moves until gossip persists probability p, . Middleware has been proposed to provide controlled infectious mode propagation using information propagation techniques that regulate the process according to desired confidence (see Non-Patent Document 38). A multi-rumor overwriting (MRO) model has also been proposed (see Non-Patent Document 39). This model describes the propagation and interaction of periodically sensed data, which is distributed using gossip, without causing significant interference to the network.

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그러나 상기와 같은 종래기의 전염병에 영감을 받은 알고리즘은 공통된 약점이 있다. 이들은 정보전파에 대해 제어를 허용하지 않는다. 따라서 어떤 시스템이 역동적인 네트워크 조건하에서 고정된 파라미터를 이용하여 특정한 응용분야에 대한 원하는 성능 수준에 도달할 수 있다고 확신하기 어렵다. However, the algorithms inspired by the infectious diseases of the prior art have a common weakness. They do not allow control over information propagation. It is therefore difficult to be certain that a system can reach the desired performance level for a particular application using fixed parameters under dynamic network conditions.

또한, 기존의 알고리즘은 해석 모델보다는 주로 실험 결과를 기반으로 하고 있다. 이 때문에, 기존에 생물학적으로 영감을 받은 시스템은 시스템 안정성 측면에서 이론적으로 분석되지 않았다. In addition, existing algorithms are mainly based on experimental results rather than analytical models. For this reason, existing biologically inspired systems have not been theoretically analyzed in terms of system stability.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 역동적인 무선센서-액추에이터 네트워크(WSAN; Wireless Sensor-Actuator Network)에서 에너지 소모를 최소화하면서 동시에 전염병 이론에 의해 영감을 받는 시간지연 인식 데이터 전파가 가능한 노드 스케줄링 제어방법을 제공하도록 한 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for minimizing energy consumption in a dynamic wireless sensor-actuator network (WSAN) The present invention provides a node scheduling control method for a wireless sensor-actuator network having a time delay constraint for providing a node scheduling control method capable of propagating time delay recognition data.

본 발명의 다른 목적은 역동적인 WSAN 환경에서 적합한 확산을 고려하여 노드 스케줄링을 위한 전염병에 영감을 받은 알고리즘을 설계하여, 응용분야의 시간 지연 요구사항에 따라 노드 상태를 제어하여 정보 확산율이 동적으로 조절되도록 한 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to design an algorithm that is inspired by infectious diseases for node scheduling considering proper spreading in a dynamic WSAN environment and to control the node state according to the time delay requirement of the application field, And to provide a node scheduling control method of a wireless sensor-actuator network having a time delay constraint.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법은 (a) 특정 노드에서 소스 노드의 패킷을 수신하는 단계; (b) 상기 수신한 패킷에 포함된 전송 시간 정보를 기초로 패킷 시간지연을 측정하는 단계; (c) 상기 측정한 패킷 시간지연을 기초로 전파 지연시간을 갱신하는 단계; (d) 상기 (c)단계에서 갱신한 전파 지연시간으로 패킷을 전달하는 단계; 및 (e) 상기 특정 노드의 활성 또는 슬립 상태를 결정하는 단계를 포함하여, 노드를 스케줄링하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for controlling node scheduling of a wireless sensor-actuator network having a time delay constraint, the method comprising the steps of: (a) receiving a packet of a source node at a specific node; (b) measuring a packet time delay based on transmission time information included in the received packet; (c) updating the propagation delay time based on the measured packet time delay; (d) delivering the packet with the propagation delay time updated in the step (c); And (e) determining an active or sleep state of the particular node.

상기에서 전송 시간 정보는 타임스탬프(time stamp) 정보를 이용하는 것을 특징으로 한다.The transmission time information may be time stamp information.

상기에서 (c)단계는 전파 지연시간 값을 저장한 상태에서, 상기 측정한 패킷 시간지연과 이전에 저장된 전파 지연시간 사이의 최대값으로 전자 지연시간을 갱신하는 것을 특징으로 한다.In the step (c), the electronic delay time is updated to a maximum value between the measured packet delay and the previously stored propagation delay time while the propagation delay time value is stored.

상기에서 (e)단계는 모든 타임 슬롯마다 시간 간격(Im)으로 켜질 때마다 특정 노드의 활성 또는 슬립 상태를 결정하는 것을 특징으로 한다.In the step (e), the active or sleeping state of the specific node is determined every time it is turned on every time slot (I m ) for every time slot.

상기에서 (e)단계는 활성화되면 시간 간격(Tα) 동안 작동한 채 유지되며 이후 슬립 모드로 진입하는 것을 특징으로 한다.In the step (e), when activated, it remains activated for a time interval T alpha and then enters a sleep mode.

상기에서 (e)단계는 활성화되는 동안 새로운 데이터를 수신하면 해당 특정 노드는 데이터는 동보 처리하는 것을 특징으로 한다.In the step (e), if new data is received during the activation, the data of the specific node is subjected to the broadcast processing.

본 발명에 따르면 전염병 체계를 기반으로 하는 이론적인 모델을 제시하고, 자동으로 WSAN 시스템 성능이 역동적인 네트워크 조건에서 에너지 소모를 최소화하며, 원하는 전파 시간 지연을 갖도록 한 장점이 있다.According to the present invention, a theoretical model based on infectious disease system is presented, and the performance of the WSAN system is automatically minimized in a dynamic network condition, and the desired propagation time delay is provided.

또한, 본 발명에 따르면 네트워크 응답성과 정상상태를 얻기 위해 분석적 수식을 이용하여 제안된 시스템의 성은에 대한 통찰력을 제공해주는 장점도 있다.In addition, according to the present invention, there is also an advantage in providing insight into the performance of the proposed system using analytical formulas to obtain network responsiveness and steady state.

도 1은 본 발명이 적용되는 무선센서-액추에이터 네트워크의 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법을 보인 흐름도,
도 3(a)(b)(c)은 전달률과 전파 시간지연, 평균 에너지 소비에 관한 Na의 영향 설명도,
도 4는 본 발명에서 제안한 노드 스케줄링 알고리즘의 기본적인 동작 예시도,
도 5는 시뮬레이션에 사용된 네트워크 토폴로지 예시도,
도 6은 시뮬레이션에 사용된 기본 파라미터,
도 7은 시간지연 요건에 따른 Na의 시간 거동 그래프,
도 8은 지연시간 요건에 따라 변하는 평균 Na 그래프,
도 9(a)(b)는 제안된 프로토콜의 에너지 소모와 전파 시간지연 예시도,
도 10은 노드 수 100에 대해 프로토콜에 따라 비교된 에너지 소모와 전파 시간지연 결과도로서, (a)는 본 발명에서 제안된 프로토콜, (b)는 SMAC 프로토콜, (c)는 Gossip, Box-MAC 프로토콜,
도 11은 노드 수 200에 대해 프로토콜에 따라 비교된 에너지 소모와 전파 시간지연 결과도로서, (a)는 본 발명에서 제안된 프로토콜, (b)는 SMAC 프로토콜, (c)는 Gossip, Box-MAC 프로토콜.
1 is a conceptual diagram of a wireless sensor-actuator network to which the present invention is applied,
FIG. 2 is a flowchart illustrating a node scheduling control method of a wireless sensor-actuator network having a time delay constraint according to the present invention;
Figs. 3 (a), 3 (b) and 3 (c) are explanatory diagrams of the influence of Na on the propagation rate, the propagation time delay,
FIG. 4 is a diagram illustrating a basic operation of the node scheduling algorithm proposed in the present invention,
5 is an exemplary network topology used in the simulation,
6 shows the basic parameters used in the simulation,
Figure 7 is a graph of the time behavior of Na with time delay requirements,
Figure 8 shows an average Na graph that varies with delay time requirements,
9 (a) and 9 (b) are examples of energy consumption and propagation time delay of the proposed protocol,
FIG. 10 is a graph showing energy consumption and propagation time delay results compared with the protocol for the number of nodes of 100. FIG. 10A shows the protocol proposed in the present invention, FIG. 10B shows the SMAC protocol, FIG. protocol,
FIG. 11 is a graph showing energy consumption and propagation time delay results compared with the protocol for the number of nodes 200. FIG. 11A shows the protocol proposed in the present invention, FIG. 11B shows the SMAC protocol, FIG. protocol.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a node scheduling control method of a wireless sensor-actuator network having a time delay constraint according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법이 적용되는 무선센서-액추에이터 네트워크의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a wireless sensor-actuator network to which a node scheduling control method of a wireless sensor-actuator network having a time delay constraint according to a preferred embodiment of the present invention is applied.

도 1에서 참조부호 11 ~ 10+N은 주변 환경의 정보를 수집하고, 수집한 환경정보를 무선 네트워크(20)를 통해 액추에이터(31)로 전송하는 센서 노드를 의미한다.In FIG. 1, reference numerals 11 to 10 + N denote sensor nodes for collecting information on the surrounding environment and transmitting the collected environment information to the actuator 31 through the wireless network 20.

또한, 참조부호 30은 사용자가 자동으로 제어하고자 하는 대상 기기를 의미하고, 액추에이터(31)는 상기 센서 노드(11 ~ 10+N)로부터 획득한 환경 정보를 기초로 제어 대상 기기(30)를 제어하며, 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 상기 센서 노드들을 스케줄링하는 역할을 한다.Reference numeral 30 denotes a target device to be automatically controlled by the user and the actuator 31 controls the control target device 30 based on the environment information acquired from the sensor nodes 11 to 10 + And scheduling the sensor nodes of the wireless sensor-actuator network having a time delay constraint.

도 2는 본 발명에 따른 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법을 보인 흐름도로서, 상기 액추에이터(31)에서 노드 스케줄링을 수행하는 과정을 나타낸 것으로서, (a) 특정 노드(액추에이터)에서 소스 노드(센서 노드)의 패킷을 수신하는 단계(S10), (b) 상기 수신한 패킷에 포함된 전송 시간 정보를 기초로 패킷 시간지연을 측정하는 단계(S20), (c) 상기 측정한 패킷 시간지연을 기초로 전파 지연시간을 갱신하는 단계(S30), (d) 상기 (c)단계에서 갱신한 전파 지연시간으로 패킷을 전달하는 단계(S40) 및 (e) 상기 특정 노드의 활성 또는 슬립 상태를 결정하는 단계(S50)를 포함한다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a node scheduling control method of a wireless sensor-actuator network having a time delay constraint according to the present invention. FIG. 2 illustrates a process of performing node scheduling in the actuator 31, (B) measuring a packet time delay based on the transmission time information included in the received packet (S20); (c) (S30) of updating the propagation delay time based on the measured packet time delay, (d) transferring the packet to the propagation delay time updated in the (c) step (S40), and (e) And determining an active or sleep state (S50).

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The node scheduling control method of the wireless sensor-actuator network having the time delay constraint according to the present invention configured as described above will be described in detail as follows.

본 발명을 구체적으로 설명하기에 앞서 본 발명에 적용된 전염병 이론을 살펴보면 다음과 같다.Before describing the present invention in detail, the infectious disease theory applied to the present invention will be described as follows.

전염병 이론은 인구 중에서 전염성 질병이 확산되는 방식에 관한 역학을 연구한 것이다(비 특허문헌 40 참조). 전염병 모델은 감염의 전파 과정을 모델링한다. 이러한 전파 과정을 설명하는 가장 간단한 두 가지 모델은 취약 감염 회복(SIR; Susceptible Infected Recovered)과 취약 감염 취약(SIS; Susceptible Infected Susceptible) 모델이다(비 특허문헌 41 참조). SIR에서는 취약한 사람이 감염되고, 감염기간이라고 불리는 시간 기간 이후, 그 사람이 회복되고 추가 감염에 면역된다. SIS에서는 그 사람이 회복 이후에도 다시 취약하게 된다.The epidemic theory explores the epidemiology of the spreading of infectious diseases in the population (see non-patent reference 40). The epidemic model models the process of transmission of the infection. Two of the simplest models for explaining this propagation process are Susceptible Infected Recovered (SIR) and Susceptible Infected Susceptible (SIS) models (see Non-Patent Document 41). In SIR, a vulnerable person is infected, and after a period of time called the infection period, the person is recovered and is immunized for further infection. In SIS, the person becomes vulnerable again after recovery.

일반적인 SIR 모델에서는 전체 인구(N(t))에서 감염(I(t))과 취약(S(t)), 회복된 사람(Z(t))의 역학이 하기와 같은 [수학식 1] 과 같은 미분 방정식으로 설명할 수 있다(비 특허문헌 40 참조).In the general SIR model, the epidemiology of infection (I (t), vulnerability (S (t)) and recovered person (Z (t)) in total population (N (t) Can be explained by the same differential equation (see Non-Patent Document 40).

Figure pat00001
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Figure pat00002
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Figure pat00003
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Figure pat00004
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여기서 β와 γ는 각각 감염률 및 감염제거율을 나타낸다. SIR 모델은 이러한 취약한 사람의 비율 감소와 감염률 증가는 감염성 β와 취약 대상의 수 S(t), 감염된 사람의 수 I(t)를 이용하여 계산한다고 설명한다. 총 노드 수는 고려한 시간 간격 동안 유지된다. SIS 모델은 완벽하게 회복한 사람(Z(t))은 없으며, 회복된 사람들은 초기 회복 이후 취약 계층으로 다시 포함된다.Where β and γ denote infection rate and infection removal rate, respectively. The SIR model explains that the proportion of these vulnerable people is reduced and the rate of infection is calculated using infectious β , the number of vulnerable subjects S (t), and the number of infected persons I (t). The total number of nodes is maintained for the time interval considered. The SIS model does not have a fully recovered person (Z (t)), and the recovered people are again included as vulnerable after the initial recovery.

전염병학에서 네트워크 토폴로지는 인구 중 질병 감염의 확산을 연구하기 위해 사용되며, 노드는 사람, 모서리는 사회적 접촉을 나타낸다. WSAN 시스템은 전염병의 SIS 모델과 동일하며, 이는 개별 인원이 오직 2가지 상태(취약이나 감염)에 있을 수 있으며, 상태 변화는 개인 간의 감염의 결과이다. 기존의 전염병에 영감을 얻은 네트워크 프로토콜은 더 현실적인 무선 네트워크의 거동을 달성하기 위해 SIS 모델의 수정에 집중했다(비 특허문헌 31 내지 39 참조).In epidemiology, the network topology is used to study the spread of disease infections among the population, nodes represent people, and corners represent social contact. The WSAN system is identical to the SIS model of the epidemic, which can be in only two states (vulnerable or infected), and the state change is the result of infection among individuals. Network protocols inspired by existing epidemics have focused on modifying SIS models to achieve more realistic behavior of wireless networks (see Non-Patent Documents 31-39).

본 발명은 상기와 같은 전염병 이론에 영감을 받은 시간지연 인식 데이터 전파 방식을 제안한다. 예컨대, 질병 감염 확산 방식을 데이터 전파 모델로 번역한 후, 특정 응용분야에 대해 시간지연 구속조건과 에너지 효율을 고려하여 각 노드의 상태를 결정하는 노드 스케줄링 방식을 제안한다.The present invention proposes a time delay recognition data propagation system inspired by the infectious disease theory described above. For example, we propose a node scheduling method that translates disease propagation methods into data propagation models and then determines the state of each node considering the time delay constraints and energy efficiency for a specific application.

노드 스케줄링 제어는 WSAN에서 가장 중요한 것이며, 이는 센서 네트워크 동작의 다른 모든 측면에 걸쳐 높은 수준의 영향을 준다. 어떠한 구체적인 노드 스케줄링도 없다면 노드는 액추에이터에 신속하게 데이터를 전달할 수 없거나 긴 시간 간격 동안 무선을 켜진 채 유지하면서 상당한 양의 에너지를 소비한다. 시간지연에 대한 노드 스케줄링의 효과를 보여주기 위해, 본 발명자는 특정한 활성화 기간에 켜지는 평균 노드 수인, 파라미터 Na를 도입한다. Na가 너무 낮다면 패킷은 전체 네트워크를 통해 전파되기 전에 자취를 감추게 된다. Node scheduling control is the most important in the WSAN, which has a high level of impact across all other aspects of sensor network operation. Without any specific node scheduling, the node can not deliver data to the actuator quickly, or consumes a significant amount of energy while keeping the radio on for long time intervals. To demonstrate the effect of node scheduling on time delay, the inventor introduces a parameter Na, which is the average number of nodes to be turned on during a particular activation period. If N a is too low, the packet is hidden before it is propagated through the entire network.

도 3(a)은 전달률(delivery ratio)에 관한 Na의 영향을 보여준다. 이 결과는 Na의 최소값이 특정 신뢰도 수준을 보장하기 위해 필요하다는 점을 나타낸다. 이어지는 시뮬레이션에서 본 발명자는 최소 Na로 30을 설정했으며, 이는 90% 이상의 전달률을 달성한다. 최소 Na은 전달률을 기준으로 자동으로 제어할 수도 있다는 점을 주의해야 한다.Figure 3 (a) shows the influence of N on a transmissibility (delivery ratio). This result indicates that the minimum value of N a is needed to ensure a certain level of confidence. In the ensuing simulation, the inventor has set the minimum N a to 30, which achieves a transmission rate of 90% or more. It should be noted that the minimum N a can be automatically controlled based on the transmittance.

도 3(b)은 다양한 Na 값에 대한 평균 전파 시간지연을 보여준다. Na가 낮을 때 작은 시간지연은 낮은 전달률 때문이다. Na이 높은 전달률을 달성할 수 있을 만큼 충분히 클 경우, Na가 증가할수록 시간지연은 줄어든다.Figure 3 (b) shows the average propagation time delay for various Na values. A small time delay when N a is low is due to low transmittance. If N a is large enough to achieve a high transmission rate, the time delay decreases with increasing N a .

또한, 도 3(c)은 Na가 증가할 때 에너지 소모에서 선형 증가가 존재한다는 점을 보여준다. 이 결과는 시간지연이 네트워크에서 활성화된 노드의 수에 따라 제어된다는 점을 보여준다. 이러한 동기로, 본 발명자는 응용분야에 특화된 시간지연 구속조건을 갖는 시간지연 인식 노드 스케줄링 제어기를 설계하였다.Figure 3 (c) also shows that there is a linear increase in energy consumption when N a increases. This result shows that the time delay is controlled by the number of nodes activated in the network. With this motivation, the inventor designed a time delay aware node scheduling controller with time delay constraints specific to the application field.

본 발명자는 액추에이터 노드가 다중 홉(hop) 토폴로지에서 전개되고, 하나 혹은 여러 개의 소스 노드(센서 노드)가 모든 액추에이터에 메시지를 전파하는 WSAN을 고려하였다. 노드의 집합을 N = {1, 2, ..., N}로 다시 쓰면, 각 노드는 두 가지 상태 즉 활성 또는 슬립 중 하나로만 존재할 수 있다. 노드는 슬립일 때 무선을 끄며, 활성화될 때 정보 패킷을 교환하기 위해 무선을 켠다.The present inventors have considered a WSAN in which an actuator node is deployed in a multi-hop topology and one or more source nodes (sensor nodes) propagate messages to all actuators. By rewriting a set of nodes with N = {1, 2, ..., N}, each node can exist in only one of two states: active or sleep. The node turns off the radio when it is sleeping and turns on the radio to exchange information packets when activated.

도 4는 본 발명에서 제안된 모델의 기본적인 동작 예시 도이다.4 is a diagram illustrating a basic operation of the model proposed in the present invention.

초기에는 모든 노드를 주기 IM 조건으로 주기적으로 켰다. 노드가 켜져 있는 동안, 새로운 데이터를 수신했을 경우, 노드는 계산된 확률로 이웃에 그 데이터를 전송하며, 이는 주기 Im(Im < IM)으로 켜진 이후이다. 노드가 모든 타임 슬롯마다 시간 간격 Im으로 켜질 때마다, 제안된 전염병 공식을 기반으로 다음번 활성화나 슬립 모드에 있을 곳을 결정한다. 활성화되면, 노드는 시간 간격 Ta 동안 작동한 채 유지되며, 이후 슬립 모드로 들어간다. 활성화되는 동안, 노드가 새로운 데이터를 받는다면, 노드는 데이터를 동보 처리한다.Initially, all nodes were periodically turned on with period I M conditions. If, while the node is on, when it receives new data, the node transmits its data to the neighbor with a calculated probability, which is after it has been turned on the period I m (I m <I M ). Whenever a node is turned on at every time slot I m for every time slot, it determines where to go to the next active or sleep mode based on the proposed epidemic formula. When activated, the node remains active for a time interval T a , and then goes into sleep mode. During activation, if the node receives new data, the node broadcasts the data.

본 발명은 WSAN의 신뢰성을 강화하여, 역동적인 환경에서 응용분야에 필요한 성능을 보장할 수 있도록 하는 것이다. 노드 스케줄링은 제어 알고리즘이 모든 제어 기간 τ마다 갱신이 이루어지는 이산시간 공식을 제안했다. 따라서 시간은 동일한 시간 간격 τ로 [n, n+1], n = 0, 1, ...으로 나누어진다.The present invention enhances the reliability of the WSAN so as to ensure performance required for application in a dynamic environment. Node scheduling proposed a discrete time formula in which the control algorithm is updated every control period τ. Therefore, the time is divided into [n, n + 1], n = 0, 1, ... at the same time interval τ.

본 발명자는 주지한 전염병 이론의 SIS 모델을 채택하고 하기의 [수학식 2] 내지 [수학식 4] 와 같이 제안된 방식에 대해 이산 동적 모델을 만들었다.The present inventor adopted the SIS model of the known infectious disease theory and made a discrete dynamic model for the proposed method as shown in the following Equations (2) to (4).

Figure pat00005
Figure pat00005

Figure pat00006
Figure pat00006

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서 Ns(n)와 Na(n)는 각각 타임 슬롯 n에서 슬립 상태에 있는 노드와 활성 상태에 있는 노드의 수이며, α는 감염률, β는 제어 파라미터, Nt는 총 노드 수이다. 상기 [수학식 2] - [수학식 4] 는 활성 노드의 수가 동적인 감염도 α에 의해 계산됨을 의미한다. 기존 전염병 알고리즘이 사전에 정의된 감염도를 사용하고, 환경 변화에 따라 감염도를 조정하기 위해 사용되지 않았다. 이 문제를 해결하기 위해, 본 발명자는 응용분야에 대해 원하는 성능뿐만 아니라 네트워크 상태에 따라 α값을 제어하는 노드 스케줄링 방법을 제안한다.Where N s (n) and N a (n) are the number of sleeping and active nodes in timeslot n, α is the infection rate, β is the control parameter, and N t is the total number of nodes. Equation (2) - Equation (4) means that the number of active nodes is calculated by the dynamic infection degree?. Existing infectious disease algorithms used predefined infectious doses and were not used to adjust for infection according to environmental changes. In order to solve this problem, the present inventors propose a node scheduling method for controlling a value according to network conditions as well as a desired performance for an application field.

노드 스케줄링 방법을 설계하기 전에, 본 발명자는 전파 시간지연과 응용분야의 지연시간 요건을 각각 d(n)과 dr로 다시 표시한다. Before designing the node scheduling method, the present inventor again expresses the propagation time delay and the application delay time requirements as d (n) and dr, respectively.

도 2에 도시한 바와 같이, 소스 노드(센서 노드)가 패킷을 전송할 때, 전송 시간을 나타내는 타임스탬프(time stamp)를 포함한다. 각 노드는 표에 전파 지연시간 값을 저장한다. 초기 전파 지연시간 값은 0이며, 제어주기마다 초기값으로 리셋된다. 단계 S10에서 노드(액추에이터)가 패킷을 수신하면, 단계 S20에서 노드는 소스 노드에서 자신까지의 패킷 시간지연을 측정한다. 이어, 단계 S30에서 상기 저장된 전파 지연시간을 이전에 저장된 전파 지연시간과 수신된 패킷으로부터 측정된 패킷 시간지연 사이에 최대값으로 갱신한다. 이후 단계 S40에서 상기 노드는 새롭게 저장된 전파 시간지연으로 패킷을 전달한다. 전파 지연시간을 이용하여, 노드 스케줄링 방법은 하기의 [수학식 5] 와 같은 식으로 모델링된다.As shown in FIG. 2, when a source node (sensor node) transmits a packet, it includes a time stamp indicating a transmission time. Each node stores the propagation delay time value in the table. The initial propagation delay time value is 0, and is reset to the initial value every control period. When the node (actuator) receives the packet in step S10, the node measures the packet time delay from the source node to itself in step S20. Next, in step S30, the stored propagation delay time is updated to a maximum value between the previously stored propagation delay time and the measured packet time delay from the received packet. In step S40, the node forwards the packet to the newly stored propagation time delay. Using the propagation delay time, the node scheduling method is modeled by the following equation (5).

Figure pat00008
Figure pat00008

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서 ε(<< 1)은 양의 상수이며, η는 선택해야 하는 제어 파라미터이다. 함수 Φ는 [-dM, ∞] 구간에서 증가함수이며, 여기서 dM은 지연시간 요건의 상한값이다. 상기 [수학식 2] - [수학식 5]의 결합된 모델은 측정된 시간지연이 시간지연 요구조건을 초과할 경우, α값이 증가하며, 이는 전체 노드 중 새롭게 활성화된 노드로 이어진다. 그 대신, 측정된 시간지연이 시간지연 요건보다 작을 경우, α값은 감소하며, 슬립 상태의 노드 수 증가를 야기한다.Where ε (<< 1) is a positive constant and η is a control parameter that must be selected. The function Φ is the increment function in the interval [-d M , ∞], where d M is the upper bound of the delay time requirement. The combined model of Equations (2) - (5) increases the value of alpha when the measured time delay exceeds the time delay requirement, leading to the newly activated node of all the nodes. Instead, if the measured time delay is less than the time delay requirement, the value of alpha decreases and causes an increase in the number of nodes in the sleep state.

상기 [수학식 3] 과 [수학식 5]에 의해 결정된 Na 값을 이용하여, 각 노드는 다음 타입 슬롯 동안, 노드가 활성 또는 슬립될지를 결정한다. 구체적인 노드 스케줄링을 구체화하기 위해, 본 발명자는 [0, 1] 구간에서 균일하게 분포하는 난수 값 ω를 도입한다. 각 노드는 독립적으로 난수를 생성한다. 활성화 노드와 총 노드의 비 (Na/Nt)가 ω보다 작다면, 노드는 슬립 상태로 들어간다. 이에 반해 활성화된 비율이 ω보다 크다면, 노드는 다음 타입 슬롯 동안 활성화 상태가 된다. 전파 시간지연이 필요한 시간지연을 초과할 경우, α와 Na 값은 증가하며, 활성화될 확률을 더욱 높여 준다. 이는 지연시간 축소와 더 빈번한 패킷 전송을 야기하지만, 전파 지연시간이 필요한 시간지연보다 더 작다면, α와 Na 값이 감소하고, 슬립 시간 증가로 에너지 절감으로 이어진다. 활성화되어 있는 동안, 노드가 k번 연속타임 슬롯 동안 어떠한 패킷도 받지 못했다면, 측정된 시간지연 값 d는 0으로 쓰이며, 상기 [수학식 3] - [수학식 5] 에 따라 Na가 줄어든다. d가 여전히 0인 상태에서 Na가 최소 Na에 도달하면, 노드는 초기 상태로 돌아가고 매번 IM에서 켜진다.Using the Na values determined by Equations (3) and (5) above, each node determines, during the next type slot, whether the node will be active or sleeping. To embody specific node scheduling, the inventor introduces a uniformly distributed random value ω in the [0, 1] interval. Each node independently generates a random number. If the ratio of the active node to the total node (Na / Nt) is smaller than?, The node goes into a sleep state. On the other hand, if the activated ratio is larger than?, The node becomes active during the next type slot. If the propagation time delay exceeds the required time delay, the values of α and Na are increased, further increasing the probability of activation. This causes reduction of the delay time and more frequent packet transmission, but if the propagation delay time is smaller than the required time delay, the values of α and Na decrease and the sleep time increase leads to energy saving. If the node does not receive any packets during the k consecutive timeslots while it is active, the measured time delay value d is used as 0 and Na is decreased according to [Equation 3] - [Equation 5]. If d is still zero and Na reaches the minimum Na, the node returns to its initial state and is turned on in IM every time.

결과적으로, 본 발명자는 주어진 응용분야 요건 수준과 네트워크 조건에 대해, 제안된 방식이 감염률 α와 활성화된 노드 수 Na를 효율적으로 제어할 수 있는 방법을 제공하며, 이는 특정한 응용분야에 대해 원하는 성능 수준에 따라 적응하는 노드 스케줄로 만들어 준다.As a result, the present inventors provide a way for the proposed method to efficiently control the infection rate a and the number of activated nodes Na for a given application requirement level and network conditions, The node scheduling is adaptable according to the node schedule.

상기와 같은 수식을 단순화하기 위해 본 발명자는 함수 Φ(σ(n))를 하기 [수학식 6]과 같이 1차로 제한하였다.In order to simplify the above equations, the present inventor limited the function Φ (σ (n)) to the first order as shown in the following equation (6).

Figure pat00010
Figure pat00010

Nt가 전체 전염 동안 대략 일정하다는 즉

Figure pat00011
가정하에 Nas와 αs를 상기 [수학식 3]과 [수학식 5]에 따른 정상상태 값이라고 하고, 포화 한계를 제거하면 상기 [수학식 3]은 하기 [수학식 7]과 같이 다시 쓰여 진다.That Nt is approximately constant during total infection
Figure pat00011
Assuming that N as and a s are the steady state values according to the above equations (3) and (5) under the assumption that the saturation limit is removed, the above Equation (3) is rewritten as Equation (7) .

Figure pat00012
Figure pat00012

상기 [수학식 7] 에서 하기 [수학식 8] 과 같은 정상 점을 얻는다.In Equation (7), a normal point as shown in the following Equation (8) is obtained.

Figure pat00013
Figure pat00013

상기 [수학식 5] - [수학식 8]에 따라 지연시간 요구사항에 따라 활성화된 노드의 수가 변한다는 점을 관찰할 수 있다. 시간지연 요건이 여유가 있어 질수록(큰 값), αs 값은 작아지며, Nas값이 더 작아지게 한다. 이에 반해 지연시간 요건이 엄격해질수록(작은 값), αs 값은 더 커지며, Nas값이 더 커지게 한다.It can be observed that the number of activated nodes changes according to the delay time requirements according to Equation (5) - (8). As the time delay requirement becomes larger (larger value), the value of αs becomes smaller and the value of N as becomes smaller. On the other hand, as the delay time requirement becomes stricter (smaller value), the value of? S becomes larger and the value of N as becomes larger.

Figure pat00014
이라고 가정한다. 여기서 ds는 측정된 시간지연의 정상 상태이다.
Figure pat00015
를 만족하는
Figure pat00016
를 고려하면 상기 [수학식 8]은 다음과 같이 제한된다.
Figure pat00014
. Where d s is the steady-state of the measured time delay.
Figure pat00015
Satisfy
Figure pat00016
(8) is limited as follows.

Figure pat00017
Figure pat00017

0 < Nas < N이기 때문에, β 조건을 다음과 같이 유도한다.Since 0 <N as <N, we derive β condition as follows.

Figure pat00018
Figure pat00018

또한, [수학식 8] 에서 η의 조건을 다음과 같이 유도한다.Further, the condition of eta in (8) is derived as follows.

Figure pat00019
Figure pat00019

다음과 같이

Figure pat00020
를 고려한다.As follows
Figure pat00020
.

Figure pat00021
Figure pat00021

그러면 정상상태에서 시간지연은 다음과 같이 유도된다.Then the time delay in steady state is derived as follows.

Figure pat00022
Figure pat00022

정상상태에서 시간지연범위는 지연시간 요건 dr과 σ*값에 의해 결정된다. δ*(>0)로 둔다면, Nas와 ds, 제어 파라미터 β, η의 범위는 [수학식 9 ] - [수학식 13] 에 따라 자동으로 결정된다.In the steady state, the time delay range is determined by the delay time requirements dr and σ * . If δ * (> 0), the range of Nas and ds and the control parameters β and η is automatically determined according to [Equation 9] - [Equation 13].

제안된 시스템의 안정성을 검증하기 위해, x = Na/N로 나타내면, [수학식 2] - [수학식 5] 는 다음과 같이 간단히 쓸 수 있다.In order to verify the stability of the proposed system, if x = Na / N, then Equation (2) - Equation (5) can be simply written as:

Figure pat00023
Figure pat00023

Figure pat00024
Figure pat00024

정상상태에 도달하기 위한 네트워크의 시간 상수(상승 시간)로 tr을 표시한다. [수학식 14]에서 시간 상수 tr은 다음과 같이 주어진다.Displays tr as the time constant (rise time) of the network to reach steady state. In Equation (14), the time constant tr is given as follows.

Figure pat00025
Figure pat00025

여기서 αs는 다음과 같이 결정된다.Here, αs is determined as follows.

Figure pat00026
Figure pat00026

상기 [수학식 15] - [수학식 16] 에 따라, 제안된 시스템의 응답성은 지연시간 요구조건 dr에 따라 크게 달라진다. 즉, 지연시간 요구조건이 엄격해 질수록(작아질수록), α값은 점점 커져 정상상태에 도달하는 짧은 상승시간을 야기한다. 이에 반해 시간지연 요건이 여유가 있어질수록(커질수록) 네트워크를 위한 상승시간이 점점 길어진다. 이는 활성화된 노드 부분의 Nas 새로운 상태에 도달하는 데 더 긴 시간이 필요하다는 점을 의미한다. 또한, α값은 σ*에 따라 증가하며, 이는 더 짧은 수렴시간을 야기한다. 즉, σ*값이 커질수록 지연시간의 원하는 범위는 더 넓어지며, 따라서 전자 시간지연이 더 짧은 시간에 원하는 범위 내로 수렴할 수 있다. 이에 반해 σ*의 범위가 작아지면 [수학식 13]의 원하는 시간지연 범위 내로 수렴하기 위해 필요한 시간이 길어진다.According to Equation (15) - (16), the responsiveness of the proposed system greatly varies according to the delay time requirement dr. That is, as the delay time requirement becomes stricter (smaller), the value of alpha becomes larger and causes a short rise time to reach a steady state. On the other hand, the longer the time delay requirement is, the longer the rise time for the network becomes. This means that it takes a longer time to reach the Nas new state of the activated node part. Also, the value of [alpha] increases with [sigma] * , which results in a shorter convergence time. That is, the larger the value of [sigma] * , the wider the desired range of the delay time, and thus the electronic time delay can converge within a desired range in a shorter time. On the other hand, if the range of [sigma] * is small, the time required to converge to the desired time delay range of [Equation 13] becomes long.

Figure pat00027
Figure pat00027

시스템의 안정성을 검증하기 위해, 비선형 시스템을 평균 정상상태 점에 대한 선형화를 통해 [수학식 14]에서 설명한 것처럼 근사화했다.

Figure pat00028
라 하면, 다음과 같은 선형 시스템을 얻을 수 있다.To verify the stability of the system, the nonlinear system was approximated as described in equation (14) through linearization for the mean steady state point.
Figure pat00028
, The following linear system can be obtained.

그리고

Figure pat00029
이다. 제어기가 안정화될 수 있도록 [수학식 17] 의 특성 다항식은 단위 원내에 모든 제로(zero)를 가져야 한다. 따라서 제안된 시스템은 제어 파라미터가 다음 관계를 만족한다면 점근적으로 안정(asymptotically stable)하다.And
Figure pat00029
to be. To be able to stabilize the controller, the characteristic polynomial of (17) must have all zeros in the unit circle. Therefore, the proposed system is asymptotically stable if the control parameters satisfy the following relation.

Figure pat00030
Figure pat00030

Figure pat00031
Figure pat00031

파라미터가 [수학식 18] - [수학식 19] 의 범위 내에서 설정되면, 제안된 시스템은 [수학식 13] 의 정상상태에서 수렴한다. 따라서 비선형 상태 방정식의 궤적은 안정한 노드처럼 거동할 것이다.If the parameter is set within the range of [Equation 18] - [Equation 19], the proposed system converges in the steady state of [Equation 13]. Therefore, the trajectory of the nonlinear state equation will behave like a stable node.

본 발명자는 제안된 시스템을 시뮬레이션하였다.The present inventors have simulated the proposed system.

시뮬레이션은 C++로 작성된 시뮬레이터를 이용하여 수행되었다. 시뮬레이터는 캐리어(carrier) 감지와 백오프(backoff), 충돌과 같은 실생활의 이벤트를 잡아낸다. 시뮬레이션 시작 시점에, 노드들은 시뮬레이션 영역 내부에 임의로 배치되었으며, 소스 노드는 중앙에 배치했다. 예제 토폴로지는 도 5에서 볼 수 있다. 도 6에서 보이는 기본 파라미터를 이용하여 소스 노드에서 최대 홉(hop) 거리는 대부분 4에서 6이다. 일단 전개되면, 노드는 활성화 모드와 슬립 모드 사이를 스위칭하여 작동 주기를 시작한다. 한 시점에, 소스 노드는 패킷을 주기적으로 생성하기 시작한다. 패킷은 순차 번호로 표시되어 있어, 노드가 중복된 패킷을 수신하거나 전달하지 않도록 한다. 소스 노드의 목표는 주어진 시간지연 요건 내에서 네트워크에 있는 다른 모든 노드(액추에이터)에 패킷을 보내는 것이다.The simulation was performed using a simulator written in C ++. The simulator captures real-life events such as carrier detection, backoff, and collision. At the start of the simulation, the nodes were randomly placed within the simulation area, and the source nodes were centrally located. An example topology can be seen in FIG. Using the basic parameters shown in FIG. 6, the maximum hop distance at the source node is mostly 4 to 6. Once deployed, the node switches between the active mode and the sleep mode to start the operating cycle. At one point, the source node begins to periodically generate packets. Packets are marked with a sequential number so that the node does not receive or forward duplicate packets. The goal of the source node is to send packets to all other nodes (actuators) in the network within a given time delay requirement.

두 가지 다른 매체접근 제어 프로토콜 즉 SMAC(비 특허문헌 3 참조)와 BoX-MAC(비 특허문헌 4 참조)가 시뮬레이터 내에서 실행된다. SMAC은 모든 노드가 동시에 켜지고 슬립되는 동기화된 듀티 사이클(duty cycle)을 갖는 MAC 이다. 이에 반해 BoX-MAC는 노드가 다른 시점에 켜지고 슬립되는 비동기화된 듀티 사이클(duty cycle)을 갖는 MAC 이다. 일반적으로 동보(broadcast) 기반 응용분야는 SMAC에 잘 맞으며, BoX-MAC는 유니캐스트(unicast) 기반 응용분야에 잘 맞는다.Two different medium access control protocols, SMAC (see Non-Patent Document 3) and BoX-MAC (see Non-Patent Document 4), are executed in the simulator. SMAC is a MAC with a synchronized duty cycle in which all nodes are simultaneously turned on and off. Whereas the BoX-MAC is a MAC with an unsynchronized duty cycle where the node is turned on and off at another point in time. In general, broadcast-based applications are well suited to SMAC, and BoX-MAC is well suited to unicast-based applications.

제안된 프로토콜을 SMAC 위에서 실행된다. 시간 동기화는 SMAC에 의해 수행되며, 제안된 프로토콜은 노드가 듀티 사이클 주기의 시작 시점에 실제로 깨어있는지를 결정한다. 비교를 위해 2가지 다른 방식이 시행되었으며, 이들의 성능을 평가하였다. 첫 번째 것은 고정된 듀티 사이클 주기를 갖는 SMAC 프로토콜이었다. 비록 SMAC가 시간지연 요구사항을 기반으로 자동으로 제어하지는 않지만, 듀티 사이클에 대한 수동 조절은 에너지 소모와 패킷 지연 사이의 균형을 달성할 수 있다. 데이터 전파를 위해 소스는 패킷을 동보하며, 다른 노드는 패킷을 받았을 때 패킷을 한번 다시 동보한다. 두 번째 것은 BoX-MAC 위에서 실행하는 가십 프로토콜이다( 비 특허문헌 39 참조). BoX-MAC는 가십의 유니캐스트 기반 접근법이고, BoX-MAC에서 실행할 때 성능이 더 좋기 때문에 MAC 프로토콜로 사용된다. 노드가 패킷을 생성하거나 수신하면, 노드는 패킷을 동시에, 그 이웃 중에서 c로 전달한다. C는 가십 tx 카운트(gossip tx count) 라고 불리며 c 전송 사이의 기간을 가십 tx 구간(gossip tx interval)이라고 부른다. C가 너무 작다면, 패킷은 전체 네트워크로 전파되지 않는다. 시뮬레이션에 c는 전달률이 90%를 초과하는 최솟값으로 설정하였다. SMAC 외 유사하게, 노드의 듀티 사이클은 에너지 소모와 패킷 시간지연에 대한 영향을 연구하기 위해 변동된다.The proposed protocol is implemented on SMAC. Time synchronization is performed by the SMAC and the proposed protocol determines if the node is actually awake at the beginning of the duty cycle period. Two different schemes were implemented for comparison, and their performance was evaluated. The first was the SMAC protocol with a fixed duty cycle period. Although SMAC does not automatically control based on time delay requirements, manual regulation of the duty cycle can achieve a balance between energy consumption and packet delay. The source broadcasts the packet for data propagation, and the other node broadcasts the packet once again when it receives the packet. The second is a gossip protocol that runs on BoX-MAC (see Non-Patent Document 39). BoX-MAC is a unicast-based approach to gossip and is used as a MAC protocol because of its better performance when run on BoX-MAC. When a node generates or receives a packet, the node simultaneously forwards the packet to c among its neighbors. C is called the gossip tx count and the period between the c transfers is called the gossip tx interval. If C is too small, the packet is not propagated to the entire network. In the simulation, c is set to the minimum value with a transmission rate exceeding 90%. Similar to SMAC, the duty cycle of a node is varied to study the effect on energy consumption and packet time delay.

성능 평가를 위해 3가지 평가 방법을 사용하였다.Three evaluation methods were used for performance evaluation.

평균 전달률: 소스 노드에 의해 전송되는 모든 패킷에 대해 평균을 구한, 총 노드 수로 나눈 패킷을 수신한 노드 수.Average Transmission Rate: The number of nodes that received packets divided by the total number of nodes averaged over all packets sent by the source node.

평균 전파 시간지연: 전체 패킷에 걸쳐 평균을 구한, 패킷을 전송한 소스 노드와 네트워크에서 패킷을 받는 모든 노드 사이의 시간(패킷을 수신하지 못한 노드는 무시) Average propagation time delay: the time between the source node that sent the packet and all the nodes that receive the packet on the network, averaged over the entire packet (ignoring the node that did not receive the packet)

평균 에너지 소모: 전체 시뮬레이션 시간에 걸쳐 평균을 구한, 1초 내의 노드에 의해 소모되는 전하량. 단위는 [mA-s] 이다.Average energy consumption: The amount of charge consumed by a node within a second, averaged over the entire simulation time. The unit is [mA-s].

시뮬레이션에 사용된 기본 파라미터는 도 6에 나열되어 있다. 별도로 규정되지 않았다면 이들 파라미터가 사용된다. 제안된 프로토콜의 시간에 대한 거동을 보여주는 그래프를 제외하고, 그래프에서의 한 점은 다양한 네트워크 토폴로지와 다양한 랜덤 시드(random seed)를 갖는 500회의 시뮬레이션 실행에 대한 평균이다.The basic parameters used in the simulation are listed in FIG. These parameters are used unless otherwise specified. Except for the graph showing the behavior of the proposed protocol over time, one point in the graph is the average for 500 simulation runs with various network topologies and various random seeds.

실험 결과는 다음과 같다.The experimental results are as follows.

도 3(a)에서 전달률과 전파 시간지연, 에너지 소모에 대한 Na의 영향이 설명되었다. 이전 절에서 논의한 것처럼, 이 결과는 Na 감소가 전파 시간지연에 균형을 맞춰 에너지 소모를 줄여주지만, 최소 Na는 특정 한계 값 이상의 전달률을 유지하기 위해 설정해야 한다는 점을 나타낸다. 최소 Na로 30을 선택했으며, 이에 반해 최대 Na는 총 노드 수와 같게 하였다.In Fig. 3 (a), the influence of Na on the transmission rate, propagation time delay, and energy consumption has been described. As discussed in the previous section, this result indicates that although Na reduction reduces energy consumption by balancing propagation time delay, the minimum Na must be set to maintain a transmission rate above a certain threshold. The minimum Na was chosen as 30, while the maximum Na was equal to the total number of nodes.

도 3(b)에서 전파 시간지연과 에너지 소모의 균형이 제어될 수 있는 범위가 존재함을 관찰할 수 있다. 예를 들어 100 노드의 경우, 전파 지연시간을 15와 30초 사이에서 제어할 수 있다. 지연시간 요건이 30초보다 길 경우에도, Na는 전달률 때문에 추가로 줄일 수 없다. 지연시간 요건이 15초 이하인 경우에도, Na는 총 노드 수보다 크게 증가시킬 수 없다. 시간지연 요건이 범위를 벗어날 경우, 듀티 사이클 길이(깨어 있는 기간)도 제어할 수 있으며, 따라서 지연시간 요건은 제어할 수 있는 범위 내로 들어온다. In FIG. 3 (b), it can be observed that there is a range in which the balance between propagation time delay and energy consumption can be controlled. For example, for 100 nodes, the propagation delay time can be controlled between 15 and 30 seconds. Even if the delay time requirement is longer than 30 seconds, Na can not be further reduced because of the transfer rate. Even if the delay time requirement is less than 15 seconds, Na can not be increased significantly beyond the total number of nodes. If the time delay requirement is out of range, the duty cycle length (wakeup period) can also be controlled, so the delay time requirement falls within a controllable range.

도 7은 각각 15초, 20초, 25초의 지연시간 요건에 대한 제안된 방식에 따른 Na의 시간 거동을 보여준다. 이 실험에서 노드 수는 100이다. Na가 시간지연 요건을 기준으로 다양한 값에 수렴함을 관찰할 수 있다. 즉 Na는 요구되는 시간지연이 짧아질수록 더 높이 수렴한다. 더 작은 Na가 에너지 소모가 적기 때문에, 응용분야의 요구사항에 부합하는 경우, 에너지를 절감하기 위해 전파 지연시간을 제어하라고 말할 수 있다. 이에 더해, 이 결과는 시간지연 요건이 엄격해 질수록 α값이 증가하며, 반대로 정상상태로 도달하기 위한 상승시간이 짧아지게 한다고 [수학식 15] 의 시간 상수를 입증하고 있다.7 shows the time behavior of Na according to the proposed scheme for the delay time requirements of 15 seconds, 20 seconds and 25 seconds, respectively. The number of nodes in this experiment is 100. It can be observed that Na converges to various values based on the time delay requirement. That is, Na converges higher as the required time delay is shorter. Since the smaller Na consumes less energy, it can be said to control the propagation delay time to save energy if it meets the application requirements. In addition, the results prove the time constant of (15) that the α value increases as the time delay requirement becomes stricter and conversely the rise time to reach steady state becomes shorter.

다음으로, 0에서 60초까지 변하는 지연시간 요건에 따른 제안된 방식의 평균 Na를 도 8에서 보여주고 있다. 활성화된 센서 노드의 평균 수량이 시간지연 요건에 의해 제어된다는 점을 이해할 수 있다. 필요한 시간지연이 길어질수록 평균 Na가 증가한다. 이전 실험과 유사하게, 이 결과는 전파 시간지연과 에너지 소비 사이의 균형을 제어할 수 있는 범위가 존재한다는 사실로 보여준다. 100개의 노드를 사용하면, Na의 변화는 시간지연 요건 10과 30초 사이일 때 발생한다. 200개의 노드를 사용하면, 이 범위는 10과 50초 사이이다.Next, the average Na of the proposed scheme according to the delay time requirements varying from 0 to 60 seconds is shown in FIG. It can be appreciated that the average number of activated sensor nodes is controlled by the time delay requirement. The longer the time delay required, the greater the average Na. Similar to previous experiments, the results show that there is a range that can control the balance between propagation time delay and energy consumption. Using 100 nodes, the change in Na occurs when the time delay requirement is between 10 and 30 seconds. With 200 nodes, this range is between 10 and 50 seconds.

도 9(a)(b)는 제안된 방안의 에너지 소모와 최대 지연시간을 보여준다. 제어 가능한 범위 내에서 제안된 방식이 지연시간 요건을 충족하면서 에너지를 아낄 수 있도록 파라미터를 제어할 수 있다는 사실을 볼 수 있다. 그래프에서 점선은 전파 시간지연이 지연시간 요건과 동일한 경우이다. 제어 가능한 범위 내에서 지연시간 요건을 달성할 수 있음을 관찰할 수 있다.9 (a) and 9 (b) show the energy consumption and the maximum delay time of the proposed scheme. Within the controllable range, we can see that the proposed method can control the parameters to save energy while meeting the latency requirements. The dotted line in the graph is the case where the propagation time delay is equal to the delay time requirement. It can be observed that a delay time requirement can be achieved within a controllable range.

도 8과 도 9의 결과를 합성할 때, 이는 지연시간 요건에 여유가 있을수록, Na값이 감소하며, 이는 에너지 소모를 줄인다는 점을 보여준다. 이에 반해 지연시간 요건이 엄격해질수록 Na는 증가하며, 이는 지연시간 요건에 부합하기 위해 더 빈번한 패킷 전송을 초래한다.When combining the results of FIG. 8 and FIG. 9, it is shown that the more the margin of delay time requirements are, the lower the Na value, which reduces energy consumption. On the other hand, as the latency requirement becomes more stringent, Na increases, which results in more frequent packet transmissions to meet latency requirements.

시간지연 요건이 제어 가능한 범위 밖으로 설정되면, 전파 시간지연과 평균 에너지 소모는 종점 중 하나로 고정된다. 도 9(a)와 (b)의 결과와 비교하여, 더 길어진 지연시간을 견딜 수 있을 경우, 노드 당 에너지 소모가 낮기 때문에, 더 높은 노드 밀도가 더 긴 네트워크 수명을 달성할 수 있다.If the time delay requirement is set outside the controllable range, the propagation time delay and average energy consumption are fixed at one of the end points. Compared to the results of Figs. 9 (a) and 9 (b), higher node densities can achieve longer network lifetimes because of lower energy consumption per node, if they can withstand longer delay times.

도 10은 노드 수 100을 기준으로, 프로토콜에 따라 비교된 에너지 소모와 전파 시간 지연이다. 도 10(a)은 본 발명에서 제안된 프로토콜에 따른 에너지 소모와 전파 지연 시간을 나타낸 것이고, 도 10(b)은 SMAC 프로토콜에 따른 에너지 소모와 전파 지연 시간을 나타낸 것이고, 도 10(c)은 Gossip, Box-MAC 프로토콜에 따른 에너지 소모와 전파 지연 시간을 나타낸 것이다.10 is energy consumption and propagation time delay compared according to the protocol on the basis of the number of nodes 100. 10 (a) shows energy consumption and propagation delay time according to the protocol proposed in the present invention, FIG. 10 (b) shows energy consumption and propagation delay time according to the SMAC protocol, and FIG. 10 Gossip, energy consumption and propagation delay time according to Box-MAC protocol.

도 11은 노드 수 200을 기준으로, 프로토콜에 따라 비교된 에너지 소모와 전파 시간 지연이다. 도 11(a)은 본 발명에서 제안된 프로토콜에 따른 에너지 소모와 전파 지연 시간을 나타낸 것이고, 도 11(b)은 SMAC 프로토콜에 따른 에너지 소모와 전파 지연 시간을 나타낸 것이고, 도 11(c)은 Gossip, Box-MAC 프로토콜에 따른 에너지 소모와 전파 지연 시간을 나타낸 것이다.11 is energy consumption and propagation time delay compared according to the protocol, based on 200 nodes. 11 (a) shows energy consumption and propagation delay time according to the protocol proposed in the present invention, FIG. 11 (b) shows energy consumption and propagation delay time according to the SMAC protocol, and FIG. 11 Gossip, energy consumption and propagation delay time according to Box-MAC protocol.

시뮬레이션 결과, 제안된 방안이 기존 방안을 능가하는 성능을 가졌으며, 높은 전달률과 지연시간 보장, 에너지 절감을 달성함을 알 수 있다.Simulation results show that the proposed scheme has superior performance over existing schemes and achieves high transfer rate, guaranteed delay time and energy saving.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It is obvious to those who have.

11 ~ 10+: 센서 노드
20: 무선 네트워크
30: 제어 대상 기기
31: 액추에이터
11 ~ 10+: Sensor node
20: Wireless network
30: Control target device
31: Actuator

Claims (8)

시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크에서 노드 스케줄링을 제어하는 방법으로서,
(a) 특정 노드에서 소스 노드의 패킷을 수신하는 단계;
(b) 상기 수신한 패킷에 포함된 전송 시간 정보를 기초로 패킷 시간지연을 측정하는 단계;
(c) 상기 측정한 패킷 시간지연을 기초로 전파 지연시간을 갱신하는 단계;
(d) 상기 (c)단계에서 갱신한 전파 지연시간으로 패킷을 전달하는 단계; 및
(e) 상기 특정 노드의 활성 또는 슬립 상태를 결정하는 단계를 실행하여,
노드를 스케줄링하는 것을 특징으로 하는 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법.
1. A method for controlling node scheduling in a wireless sensor-actuator network having a time delay constraint,
(a) receiving a packet of a source node at a particular node;
(b) measuring a packet time delay based on transmission time information included in the received packet;
(c) updating the propagation delay time based on the measured packet time delay;
(d) delivering the packet with the propagation delay time updated in the step (c); And
(e) performing a step of determining an active or sleep state of the particular node,
Wherein the scheduling of the nodes in the wireless sensor-actuator network has a time delay constraint.
청구항 1에서, 상기 (b)단계의 전송 시간 정보는 타임스탬프(time stamp) 정보를 이용하는 것을 특징으로 하는 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법.
The method of claim 1, wherein the transmission time information of the step (b) uses time stamp information.
청구항 1에서, 상기 (c)단계는 전파 지연시간 값을 저장한 상태에서, 상기 측정한 패킷 시간지연과 이전에 저장된 전파 지연시간 사이의 최대값으로 전자 지연시간을 갱신하는 것을 특징으로 하는 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법.
The method of claim 1, wherein the step (c) updates the electronic delay time to a maximum value between the measured packet delay and the previously stored propagation delay time while storing the propagation delay time value. A method for controlling node scheduling of a wireless sensor - actuator network having constraints.
청구항 1에서, 상기 (e)단계는 모든 타임 슬롯마다 시간 간격(Im)으로 켜질 때마다 특정 노드의 활성 또는 슬립 상태를 결정하는 것을 특징으로 하는 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법.
The method of claim 1, wherein step (e) comprises determining the active or sleep state of a particular node each time it is turned on in a time interval (I m ) for every time slot. Node scheduling control method.
청구항 1에서, 상기 (e)단계는 활성화되면 시간 간격(Tα) 동안 작동한 채 유지되며 이후 슬립 모드로 진입하는 것을 특징으로 하는 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법.
The method of claim 1, wherein step (e) comprises activating a time interval (T alpha ) and entering a sleep mode if the activation is active. .
청구항 1에서, 상기 (e)단계는 활성화되는 동안 새로운 데이터를 수신하면 해당 특정 노드는 데이터는 동보 처리하는 것을 특징으로 하는 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법.
The method according to claim 1, wherein, in the step (e), when new data is received while the node is activated, the node performs a multicast process on the data.
청구항 1에서, 상기 (e)단계는 [0, 1] 구간에서 균일하게 분포하는 난수 값 ω를 도입하고, 각 노드는 독립적으로 난수를 생성하며, 활성화 노드(Na)와 총 노드(Nt)의 비(Na/Nt)가 ω보다 작다면, 노드는 슬립 상태로 진입하고, 활성화된 비율이 ω보다 크다면 노드는 다음 타입 슬롯 동안 활성화 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법.
The method of claim 1, wherein the step (e) introduces a uniformly distributed random value ω in a [0, 1] interval, each node independently generates a random number, Characterized in that if the ratio (Na / Nt) is less than [omega], the node enters a sleep state and the node remains active during the next type slot if the activated ratio is greater than [omega] A method for controlling node scheduling in a sensor - actuator network.
청구항 1에서, 상기 (e)단계는 하기와 같은 수식을 이용하여 감염률 α와 활성화된 노드 수 Na를 제어하여, 노드의 활성 또는 슬립 상태를 결정하는 것을 특징으로 하는 시간지연 구속조건을 갖는 무선센서-액추에이터 네트워크의 노드 스케줄링 제어방법.
Figure pat00032

Figure pat00033

여기서 Ns(n)와 Na(n)는 각각 타임 슬롯 n에서 슬립 상태에 있는 노드와 활성 상태에 있는 노드의 수이며, α는 감염률, β는 제어 파라미터, Nt는 총 노드 수이다.
The method as claimed in claim 1, wherein the step (e) controls the infection rate a and the number of activated nodes Na by using the following formula to determine the active or sleep state of the node: A method for controlling node scheduling of an actuator network.
Figure pat00032

Figure pat00033

Where N s (n) and N a (n) are the number of sleeping and active nodes in timeslot n, α is the infection rate, β is the control parameter, and N t is the total number of nodes.
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