KR20200021287A - 클러스터 기반 라우팅에서의 시스템 변수 결정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 네트워크 상에서 클러스터 기반 라우팅 구현시, 에너지 소모량에 기초하여 클러스터의 개수 및 노드 간에 송수신되는 제어 메시지의 전송 반경을 결정하는 방법을 제공할 수 있다. 상기 방법은, 센서 필드에 분포되어 있는 모든 노드의 총 에너지 소모량을 산출하는 단계, 및 상기 모든 노드의 총 에너지 소모량에 기초하여, 상기 클러스터의 개수 및 상기 제어 메시지의 최대 전송 반경을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

클러스터 기반 라우팅에서의 시스템 변수 결정 방법{SYSTEM PARAMETERS DETERMINATION METHOD FOR CLUSTER-BASED ROUTING}
본 발명은 무선 센서 네트워크 상에서 클러스터 기반 라우팅을 구현할 때, 시스템 변수를 결정하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센서 필드에 분포되어 있는 노드들의 에너지 소모량에 기초하여 클러스터의 개수 및 노드 간에 송수신되는 제어 메시지의 전송 반경을 결정하는 방법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Networks, WSN)는 정보를 측정하려는 지역에 다수의 센서 노드들을 배치하여 원하는 정보를 얻는다. 각 노드들은 배터리로 에너지를 공급받으므로, 각 노드 간에 메시지를 송수신할 때 노드들의 에너지 소모를 가능한 줄여서 네트워크의 수명을 연장하기 위한 기술이 필요하게 되었다.
이에, 최근 클러스터에 기반한 계층적 라우팅 기술이 연구되어 왔으며, LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) 프로토콜은 계층적 라우팅 기술의 대표적인 예이다.
LEACH 프로토콜에서는, 센서 노드들이 다수의 클러스터로 나누어지며, 하나의 클러스터는 클러스터 헤드 노드와 그의 멤버 노드들로 이루어진다. 기존의 LEACH 프로토콜에서는 대부분 클러스터의 개수를 5개로 정하여 사용하였다. 또한, 센서 노드들이 분포된 센서 필드가 원형의 모양이고 그 반경이 L이고, 각 노드들이 제어 메시지를 전송할 수 있는 최대 전송 반경 R이라고 하면, 기존의 LEACH 프로토콜에서는 제어 메시지가 센서 필드 전체 범위로 전송되도록 보장하기 위해 R=2L로 고정하여 사용하였다. 또한, 센서필드의 모양이 정사각형이고 한 변의 길이가 L이라면, 기존의 LEACH 프로토콜에서는 제어 메시지의 전송반경을 R=√L로 고정하여 사용하였다.
그러나, 이러한 종래의 LEACH 프로토콜은 좁은 지역에 분포한 센서 네트워크에 대해서는 효율적인 반면, 센서 네트워크의 지역이 넓어질 경우에는 노드 간에 제어 메시지를 송수신할 때 소모되는 에너지가 지나치게 커지게 되어, 에너지 효율이 떨어지며 네트워크 수명이 줄어든다. 또한, 대부분의 LEACH 프로토콜에서 클러스터의 개수 결정시 에너지 소모량은 고려하지 않고 있다.
선행기술문헌 1: 한국 등록 특허 제10-1379217호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 무선 센서 네트워크 상에서 클러스터 기반 라우팅 구현시, 에너지 소모량에 기초하여 클러스터의 개수 및 노드 간에 송수신되는 제어 메시지의 전송 반경을 결정하는 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 무선 센서 네트워크 상의 센서 노드들의 에너지 효율성을 향상시켜, 네트워크 수명을 증가시키는 것을 일 목적으로 하며, 특히 넓은 지역에 분포된 무선 센서 네트워크에서 효율성을 증대시키고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은, 무선 센서 네트워크 상에서 클러스터 기반 라우팅 구현시, 클러스터의 개수 및 노드 간에 송수신되는 제어 메시지의 전송 반경을 결정하는 방법으로, 센서 필드에 분포되어 있는 모든 노드의 총 에너지 소모량을 산출하는 단계; 및 상기 모든 노드의 총 에너지 소모량에 기초하여, 상기 클러스터의 개수 및 상기 제어 메시지의 최대 전송 반경을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 총 에너지 소모량을 산출하는 단계는, 상기 센서 필드에 분포되어 있는 모든 노드 중 클러스터 헤드 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계; 및 상기 센서 필드에 분포되어 있는 모든 노드 중 클러스터 헤드 노드를 제외한 일반 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제어 메시지는, 상기 클러스터 헤드 노드가 클러스터를 형성하는 과정에서 상기 일반 노드에게 전송하는 광고 메시지, 상기 일반 노드가 상기 클러스터 헤드 노드에게 해당 클러스터에 가입을 요청하는 가입 요청 메시지, 및 상기 클러스터 헤드 노드가 해당 클러스터에 가입한 일반 노드에게 전송하는 전송 스케줄링 메시지를 포함할 수 있다.
상기 클러스터 헤드 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계는, 상기 클러스터 헤드 노드가 상기 광고 메시지를 전송할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계; 상기 클러스터 헤드 노드가 상기 가입 요청 메시지를 수신할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계; 상기 클러스터 헤드 노드가 상기 전송 스케줄링 메시지를 전송할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계; 및 상기 클러스터 헤드 노드가 해당 클러스터에 가입한 일반 노드로부터 수신한 데이터를 병합하고, 병합된 데이터를 기지국에 전송할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 일반 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계는, 상기 일반 노드의 클러스터 가입 성공 확률을 산출하는 단계; 상기 클러스터 가입 성공 확률에 기초하여, 상기 일반 노드 중 클러스터에 가입한 가입 성공 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계; 및 상기 클러스터 가입 성공 확률에 기초하여, 상기 일반 노드 중 클러스터에 가입하지 못한 가입 실패 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 일반 노드의 클러스터 가입 성공 확률을 산출하는 단계는, 상기 일반 노드가 상기 광고 메시지를 수신하지 못할 확률인 가입 실패 확률을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 가입 실패 확률을 산출하는 단계는, 상기 센서 필드 내에서 하나의 노드가 제어 메시지를 전송할 수 있는 영역인 제어 메시지 영역의 넓이를 산출하는 단계; 상기 센서 필드 내에서 단위 면적당 클러스터 헤드 노드의 평균 개수를 산출하는 단계; 및 상기 제어 메시지 영역의 넓이 및 상기 클러스터 헤드 노드의 평균 개수에 기초하여 상기 가입 실패 확률을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제어 메시지 영역의 넓이 및 상기 클러스터 헤드 노드의 평균 개수에 기초하여 상기 가입 실패 확률을 산출하는 단계는, 상기 제어 메시지 영역의 넓이 및 상기 클러스터 헤드 노드의 평균 개수에 기초하여 상기 센서 필드 내의 하나의 노드가 n개의 광고 메시지를 수신할 확률을 포아송(Poisson) 분포로 정의하는 단계; 및 상기 포아송 분포에서 상기 센서 필드 내의 하나의 노드가 0개의 광고 메시지를 수신할 확률을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 가입 성공 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계는, 상기 가입 성공 노드가 상기 광고 메시지를 수신할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계; 상기 가입 성공 노드가 상기 가입 요청 메시지를 전송할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계; 상기 가입 성공 노드가 가입한 클러스터의 클러스터 헤드 노드로부터 상기 전송 스케줄링 메시지를 수신할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계; 및 상기 가입 성공 노드가 가입한 클러스터의 클러스터 헤드 노드에게 데이터를 전송할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 가입 실패 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계는, 상기 가입 실패 노드가 기지국에 데이터를 전송할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 센서 필드에 분포되어 있는 모든 노드의 총 에너지 소모량을 산출하는 단계는, 상기 모든 노드의 총 에너지 소모량을, 상기 클러스터의 개수 및 상기 제어 메시지의 최대 전송 반경을 변수로 갖는 함수식으로 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 모든 노드의 총 에너지 소모량에 기초하여, 상기 클러스터의 개수 및 상기 제어 메시지의 최대 전송 반경을 결정하는 단계는, 상기 함수식에 Nelder-Mead Simplex 알고리즘을 적용하여 상기 총 에너지 소모량이 최소가 되는 상기 클러스터의 개수 및 상기 제어 메시지의 최대 전송 반경을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 방법은, 상기 방법을 제어 장치가 수행하도록 하는 일련의 명령어가 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 네트워크 상에서 클러스터 기반 라우팅 구현시, 에너지 소모량에 기초하여 클러스터의 개수 및 노드 간에 송수신되는 제어 메시지의 전송 반경을 결정하는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 네트워크 상의 센서 노드들의 에너지 효율성을 향상시켜, 네트워크 수명을 증가시킬 수 있으며, 특히 넓은 지역에 분포된 무선 센서 네트워크에서 효과를 증대시킬 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 LEACH 프로토콜의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 LEACH 프로토콜의 구성 및 노드의 제어 메시지 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 변수 결정 방법의 예시적인 흐름도이다.
도 4는 도 3의 단계 S10을 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 다른 시스템 변수 결정 방법을 적용한 실시예 1 및 2와, 종래 기술의 프토토콜에 따른 비교예 1 및 2의 시간에 따른 생존 노드를 비교하기 위해 도시한 그래프이다.
도 6은 상기 실시예 1 및 2와, 비교예 1 및 2의 노드의 수명을 비교하기 위한 표이다.
도 7은 상기 실시예 1과 비교예 1의 에너지 효율을 비교하기 위한 표이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면 부호가 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다", 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 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. 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결'되는 것의 의미는 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 직접 연결되거나, 또 다른 구성요소를 매개로 하여 간접적으로 연결되는 것을 포함하는 의미이다.
본 발명은 무선 센서 네트워크에서 클러스터 기반 라우팅을 구현할 때, 시스템 변수들을 결정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서 필드에 분포되어 잇는 모든 노드의 총 에너지 소모량에 기초하여, 클러스터의 개수 및 제어 메시지의 최대 전송 반경을 결정하는 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 시스템 변수 중 클러스터의 개수 및 제어 메시지의 최대 전송 반경을 가장 에너지 효율성이 높은 값으로 결정할 수 있다. 또한, 각 노드의 에너지 효율성을 높임으로써 네트워크 수명을 연장시킬 수 있다.
이하, 첨부되는 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명한다.
도 1은 LEACH 프로토콜의 구성과, 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위해 정의된 용어들을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 반경 L[m]인 원형의 센서 필드에 N개의 노드가 분포되어 있는 상황을 가정한다. 본 발명은 에너지 효율성을 높이는 것을 목적으로 하기 때문에, 본 발명의 일 실시예에서는 에너지 효율을 정확히 계산하기 위해 도 1 과 같이 센서 필드를 원형으로 설정한다.
센서 필드에는 k개의 클러스터가 형성된다. 예를 들면, 도 1에 도시된 예에서는 클러스터의 개수 k가 3이다. 분포된 N개의 노드는 각 클러스터의 클러스터 헤드 노드와 일반 노드로 구분되며, 일반 노드는 다시 클러스터에 가입한 가입 성공 노드와, 클러스터에 가입하지 못한 가입 실패 노드로 구분된다.
센서 필드에 분포된 N개의 노드는 서로 간에 제어 메시지를 전송하여 클러스터를 형성하고, 서로 간에 데이터를 전송한다. LEACH 프로토콜에서 한 노드가 l[bit]의 메시지를 d[m] 거리만큼 전송하는 데에 소모하는 에너지는 아래 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기서, 임계값 δ은 아래 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
또한, 수학식 1에서 상수들은 아래 수학식 3과 같다.
Figure pat00003
또한, LEACH 프로토콜에서 한 노드가 l[bit]의 메시지를 수신하는 데에 소모하는 에너지는 아래 수학식 4와 같다.
Figure pat00004
LEACH 프로토콜에서, 시간은 연속적은 라운드(Round) 들로 나누어지며, 매 라운드는 클러스터 헤드 노드 선출 과정, 노드 간 제어 메시지 송수신에 의한 클러스터 형성 과정, 및 노드 간 데이터 전송 과정을 포함한다. 클러스터 헤드 노드 선출 과정에 있어서, 클러스터 헤드 노드의 개수인 클러스터의 개수 k에 따라, 각 노드가 해당 라운드에서 클러스터 헤드 노드가 될 것인지 확률적으로 결정된다. 이 결정에 따라 클러스터 헤드 노드가 선출되며, 나머지 노드는 일반 노드가 된다.
클러스트 헤드 노드가 선출되고 나면, 노드 간 제어 메시지가 송수신되며 클러스터가 형성된다. 클러스터 헤드 노드는 자신이 클러스터 헤드가 되었음을 알리는 광고 메시지(Cluster Head Advertizement)를 일반 노드에게 전송한다(이하, 광고 메지시의 길이를 lA라 함). 일반 노드는 클러스터 헤드 노드들이 전송한 광고 메시지를 수신하고, 그 중 가장 가까운 클러스터 헤드 노드를 선택하여, 해당 클러스터에 가입한다. 일반 노드는, 클러스터 헤드 노드에게 해당 클러스터에 가입을 요청하는 가입 요청 메시지를 전송한다(이하, 가입 요청 메시지의 길이를 lJ라 함). 일반 노드는 가입 요청 메시지를 전송하여 해당 클러스터에 가입함으로써 클러스터를 형성한다. 일반 노드 중 클러스터 헤드 노드가 전송한 광고 메시지를 하나도 수신하지 못한 노드가 존재할 수 있다. 이러한 노드는 클러스터에 가입하지 못한 상태로 남아있게 된다. 클러스터 형성되고 나면, 클러스터 헤드 노드는 자신의 클러스터에 속한 가입 성공 노드들에게 각 노드의 데이터 전송 순서를 포함하는 전송 스케줄링 메시지를 전송한다(이하, 전송 스케줄링 메시지의 길이를 lT라 함).
이 과정에서, 노드들은 자신으로부터 제어 메시지의 최대 전송 반경(R, 도 2 참조) 내에 있는 일반 노드들에게 광고 메시지를 전송할 수 있다. 기존의 대부분의 LEACH 프로토콜에서는, 센서 필드의 반경이 L이라면, 서로 가장 멀리 있는 노드의 거리가 2L이기 때문에, 제어 메시지의 최대 전송 반경을 2L로 설정하였다. 그러나 이러한 기존의 방식은 제어 메시지의 전송 반경이 지나치게 크고, 특히 센서 필드 반경 L이 200[m] 이상인 경우와 같이 넓은 지역의 센서 네트워크에서는 에너지 소모량이 크게 증가하는 문제점이 존재하였다. 후술하는 본 발명의 일 실시예는 에너지 소모량을 최소화하는 제어 메시지의 최대 전송 반경을 결정하는 방법을 제공한다.
클러스터 형성이 완료되면 데이터 전송 과정이 진행된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 센서 필드 내에는 클러스터에 가입하지 못한 일반 노드인 가입 실패 노드가 존재한다. 가입 실패 노드는 직접 기지국(BS, Base Station)에 데이터를 전송한다. 클러스터에 가입한 일반 노드인 가입 성공 노드는 자신이 속한 클러스터의 클러스터 헤드 노드에게 데이터를 전송한다. 클러스터 헤드 노드는 클러스터에 속한 가입 성공 노드들로부터 수신한 데이터와 자신의 데이터를 병합하고, 병합된 데이터를 기지국(BS)에 전송한다. 상기와 같은 데이터 전송 과정에서, 데이터를 전송하는 노드는 데이터를 수신하는 노드까지의 거리를 참조하여 필요한 만큼의 전송 반경을 설정하고, 소모되는 에너지를 조절한다.
제어 메시지의 최대 전송 반경 R이 너무 작은 경우에는 일반 노드들이 클러스터 헤드 노드가 전송하는 광고 메시지를 수신하지 못하여, 클러스터에 가입하지 못하므로 클러스터 형성 과정이 제대로 이루어지지 않는다. 또한, 최대 전송 반경 R이 너무 큰 경우에는 불필요한 에너지 소모가 발생한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예는 기존의 LEACH 프로토콜에서 사용하는 R=2L 보다는 작으면서도, L≤R≤2L 범위에서 센서 필드 전체적으로 노드의 에너지 소모가 최소화되는 R값을 결정하는 방법을 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 변수 결정 방법의 예시적인 흐름도이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 센서 네트워크의 센서 필드 반경 (L) 및 센서 필드 내 총 노드의 수(N)가 정해진 상황에서, 시스템 변수인 클러스터의 수(k) 및 제어 메시지의 최대 전송 반경(R)이 결정된다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면 클러스터의 수(k) 및 제어 메시지의 최대 전송 반경(R)을 동시에 최적화하는 방법이 제공된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은, 센서 필드에 분포되어 있는 모든 노드의 총 에너지 소모량을 산출하는 단계(S10), 및 상기 모든 노드의 총 에너지 소모량에 기초하여, 클러스터의 개수(k) 및 제어 메시지의 최대 전송 반경(R)을 결정하는 단계(S20)를 포함한다.
도 4는 도 3의 단계 S10을 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다. 이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 센서 필드에 분포된 모든 노드의 총 에너지 소모량을 산출하는 방법을 구체적으로 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 총 에너지 소모량을 산출하는 단계(S10)는 클러스터 헤드 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계(S11) 및 일반 노드(가입 성공 노드, 가입 실패 노드)의 에너지 소모량을 산출하는 단계(S12~15)를 포함한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면 센서 필드 내 분포된 센서 노드를 클러스터 헤드 노드, 가입 성공 노드 및 가입 실패 노드로 구분하여, 3가지 종류의 각 노드에서 소모되는 에너지를 산출하고, 산출된 값들을 합산하여 총 에너지 소모량을 산출한다.
총 에너지 소모량을 산출하는 방법을 설명하기에 앞서, 제어 메시지 영역, 일반 노드의 가입 실패 확률 및 가입 성공 확률, 그리고 각 메시지의 길이에 대해서 설명한다.
우선, 도 2를 참조하여 제어 메시지 영역에 대해서 설명한다.
도 2를 참조하면, 센서 필드가 원점 좌표인 (0,0)을 중심으로 하는 실선의 원으로 표시되어 있다. 기지국(BS)은 (S,0)에 위치한다(S≥L). 또한, 원점으로부터 r만큼 떨어진 거리에 노드가 존재하고, 해당 노드로부터 제어 메시지가 도달하는 영역이 점선 원으로 표시되어 있다. 점선 원은 제어 메시지의 최대 전송 반경 R을 반경으로 한다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 메시지의 최대 전송 반경은 L≤R≤2L 범위 내에서 결정되므로, 도 2에도 해당 범위 내의 R로 도시되었다.
본 명세서에서 언급되는 제어 메시지 영역이란, 센서 필드 내에서 한 노드의 제어 메시지가 영향을 미치는 영역을 뜻한다. 즉, 도 2에서 센서 필드(실선 원)과 일 노드로부터 제어 메시지가 도달하는 영역(점선 원)이 겹쳐지는 부분(음영 표시된 부분)이 제어 메시지 영역이다.
센서 필드의 중심인 원점으로부터 노드까지의 거리 r이 r≤R-L이라면 노드의 제어 메시지가 도달하는 영역(점선 원) 내에 센서 필드(실선 원) 전체가 들어오게 될 것이므로, 이 때 노드의 제어 메시지 영역은 센서 필드 전체가 된다. 따라서, r≤R-L인 경우 제어 메시지 영역의 넓이는 πL2이다. 한편, R-L≤r≤L인 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이 센서 필드(실선 원)과 일 노드로부터 제어 메시지가 도달하는 영역(점선 원)이 겹쳐지는 부분(음영 표시된 부분)이 제어 메시지 영역이 된다. 이 경우 겹치는 부분의 면적은 아래 수학식 5와 같다.
Figure pat00005
결론적으로, 도 2를 참조할 때, 원점(센서 필드의 중심)으로부터 거리가 r인 노드의 제어 메시지 영역의 넓이는 아래 수학식 6과 같다.
Figure pat00006
따라서, 제어 메시지 영역의 넓이 A(r,R)의 기대값은 아래 수학식 7과 같다.
Figure pat00007
또한, 총 에너지 소모량을 산출하는 방법을 설명하기에 앞서, 본 발명의 일 실시예에 따라 센서 필드 내의 일반 노드가 클러스터에 가입할 확률 및 가입에 실패할 확률을 산출하는 방법을 설명한다.
센서 필드 내 클러스터의 수는 k이고, 센서 필드의 넓이는 πL2이므로, 센서 필드 내에서 단위 면적당 클러스터 헤드 노드의 개수 λ는 아래 수학식 8과 같다.
Figure pat00008
제어 메시지의 최대 전송 반경이 R이므로, 하나의 노드가 n개의 광고 메시지를 수신할 확률을 포아송(Poisson) 분포로 정의하면 아래 수학식 9와 같다.
Figure pat00009
일반 노드가 클러스터 헤드 노드로부터 하나의 광고 메시지도 듣지 못하는 경우, 클러스터에 가입할 수 없게 된다. 따라서, 일반 노드가 클러스터 가입에 실패할 가입 실패 확률, 및 일반 노드가 클러스터에 가입할 가입 성공 확률은 각각 아래 수학식 10 및 11과 같다.
Figure pat00010
Figure pat00011
이에 따라, 하나의 클러스터에 성공적으로 가입한 노드의 평균 숫자는 일반 노드의 수인 (N-k)와 가입 성공 확률을 곱한 아래 수학식 12와 같다.
Figure pat00012
전술한 바와 같이, 광고 메시지, 가입 요청 메시지, 전송 스케줄링 메시지 각각의 길이를 lA, lJ, lT로 표현한다. 또한, 후술되는 실시예에서 각 센서 노드가 주고받는 데이터 메시지의 길이는 lD로 나타낸다. 여기서, lA, lJ, lD는 본 발명에서 결정하고자 하는 시스템 변수인 k(클러스터 개수), R(제어 메시지의 최대 전송 반경)과 무관하게 고정된 값이다. 그러나, 전송 스케줄링 메시지는 클러스터 헤드 노드가 자신의 클러스터에 속한 일반 노드들에게 전송 순서를 정하여 알려주는 메시지이므로, 클러스터에 가입한 가입 성공 노드의 개수에 따라 메시지 길이가 달라진다. 상술한 바와 같이 클러스터에 가입한 노드의 평균 개수는 수학식 12와 같으며, 이 값을 k로 나눈 것이 하나의 클러스터에 속한 가입 성공 노드의 평균 개수이다. 따라서, lT를 k와 R의 함수로 나타내면 아래 수학식 13과 같다.
Figure pat00013
여기서 16은 하나의 센서 노드의 ID값을 표현하기 위한 비트 수로, 일반적인 LEACH 프로토콜에서 사용되는 값이다.
이하, 클러스터 헤드 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계(S11)에 대해서 구체적으로 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 각 노드가 소모하는 에너지를, 노드가 메시지를 전송하는 경우 및 수신하는 경우를 구분하여 산출한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따라 클러스터 헤드 노드가 메시지를 전송할 때 소모하는 에너지를 산출하는 방법(S11)을 설명한다.
하나의 클러스터 헤드 노드가 광고 메시지를 전송할 때 에너지 소모량(ET-ADV)과 전송 스케줄링 메시지를 전송할 때 에너지 소모량(ET-TDMA)은 각각 수학식 14 및 수학식 15과 같다.
Figure pat00014
Figure pat00015
또한, 클러스터 헤드 노드는 자신의 클러스터에 속한 가입 성공 노드들로부터 받은 데이터 모두와 자신의 데이터를 병합하며, 데이터 병합에서 만들어진 데이터 메시지의 길이를 lD라 한다. 이 때 에너지 소모량(EAgg)은 아래 수학식 16과 같다.
Figure pat00016
여기서, EDA는 아래 수학식 17과 같다.
Figure pat00017
클러스터 헤드 노드는 병합된 데이터 메시지를 기지국(BS)에 전송하며, 이 때 에너지 소모량(ET-CHtoBS)은 아래 수학식 18와 같다.
Figure pat00018
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 클러스터 헤드 노드가 메시지를 전송할 때 에너지 소모량들을 산출할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따라 클러스터 헤드 노드가 메시지를 수신할 때 소모하는 에너지를 산출하는 방법을 설명한다.
하나의 클러스터 헤드 노드는, 자신의 제어 메시지 영역 내에 있는 일반 노드들로부터 가입 요청 메시지를 수신한다. 따라서, 클러스터 헤드 노드가 가입 요청 메시지를 수신할 때 에너지 소모량(ER-Join)은 아래 수학식 19과 같다.
Figure pat00019
또한, 클러스터 헤드 노드는 자신의 클러스터에 속한 가입 성공 노드들로부터 데이터 메시지를 수신한다. 이 때, 에너지 소모량(ER-DATA)은 아래 수학식 20와 같다.
Figure pat00020
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 클러스터 헤드 노드가 메시지를 수신할 때 소모하는 에너지를 산출할 수 있다.
산출된 클러스터 헤드 노드의 에너지 소모량을 모두 더한 값에 클러스터의 개수 k를 곱하면, 한번의 라운드 내에서 모든 클러스트 헤드 노드들이 소모하는 총 에너지 소모량을 구할 수 있다. 따라서, 센서 필드 내 모든 클러스터 헤드 노드들이 소모하는 총 에너지 소모량을 클러스터의 개수 k와 제어 메시지의 최대 전송 반경 R의 함수로서 나타내면 아래 수학식 21과 같다.
Figure pat00021
다음으로, 센서 필드에 분포된 노드 중 클러스터 헤드 노드를 제외한 일반 노드의 에너지 소모량을 산출하는 과정(S12~S15)에 대해 설명한다.
먼저, 일반 노드는 클러스터에 가입한 가입 성공 노드와, 클러스터에 가입하지 못한 가입 실패 노드로 구분된다. 따라서, 일반 노드의 에너지 소모량을 산출하기 위해서는 일반 노드가 클러스터에 가입할 가입 성공 확률을 구하여야 하며, 이 과정은 전술되었다(S12).
즉, 일반 노드가 소모하는 전체 에너지는 가입 성공 노드들의 에너지 소모량과, 가입 실패 노드들이 소모하는 에너지 소모량의 합이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이를 다시 노드들이 메시지를 전송할 때 소모하는 에너지와 메시지를 수신할 때 소모하는 에너지로 구분하여 산출한다. 이하에서, 도 4의 S13~S15의 과정을 구체적으로 설명하나, 이는 예시적인 것이며 후술하는 순서에 한정되지 않는다.
먼저, 가입 성공 노드의 에너지 소모량을 산출한다(S13). 가입 성공 노드는 클러스터 헤드 노드에게 가입 요청 메시지 및 데이터 메시지를 전송한다. 또한, 가입 성공 노드는 주변의 클러스터 헤드 노드로부터 광고 메시지를 수신하고, 자신이 속한 클러스터의 클러스터 헤드 노드로부터 전송 스케줄링 메시지를 수신한다.
하나의 일반 노드가 하나의 라운드에서 가입 요청 메시지를 전송하는데 소모하는 에너지는 아래 수학식 22와 같다.
Figure pat00022
가입 성공 노드가 클러스터 헤드 노드에게 데이터 메시지를 전송할 때 에너지 소모량을 산출하기 위해, 각각의 클러스터를 반지름 rCH인 원으로 모델링하고, 각 클러스터의 넓이의 합이 전체 센서 필드의 넓이와 같다고 가정하면 아래 수학식 23이 성립한다.
Figure pat00023
따라서, rCH는 아래 수학식 24와 같다.
Figure pat00024
클러스터에 가입한 가입 성공 노드에서 클러스터 헤드 노드까지의 거리를 dCH라 하면, dCH의 제곱 및 네제곱의 평균값은 아래 수학식 25와 같다.
Figure pat00025
따라서, 하나의 가입 성공 노드가 자신이 속한 클러스터의 클러스터 헤드 노드에게 데이터 메시지를 보내는 데 에너지 소모량은 아래 수학식 26과 같다.
Figure pat00026
다음으로, 가입 성공 노드가 메시지를 수신할 때 에너지 소모량을 산출하는 과정을 설명한다.
하나의 일반 노드가 광고 메시지를 수신할 수 있는 클러스터 헤드 노드의 평균 개수는 클러스터 헤드 노드의 밀도(λ)와 제어 메시지 영역의 기대값(수학식 7 참조)의 곱이다. 따라서, 하나의 일반 노드(가입 성공 노드)가 광고 메시지를 수신할 때 에너지 소모량(ER-ADV)은 아래 수학식 27과 같다.
Figure pat00027
한편, 전송 스케줄링 메시지는 다수의 클러스터 헤드 노드가 아니라, 자신이속한 클러스터의 클러스터 헤드 노드로부터만 수신한다. 따라서, 하나의 가입 성공 노드가 전송 스케줄링 메시지 수신 시 에너지 소모량(ER-TDMA)은 아래 수학식 28과 같다.
Figure pat00028
상술한 바와 같은 과정을 통해 얻어진 에너지 소모량들을 모두 더하여, 가입 성공 노드의 에너지 소모량을 산출할 수 있다(S13).
다음으로, 가입 실패 노드의 에너지 소모량을 산출하는 과정(S14)을 설명한다. 일반 노드가 클러스터 가입에 실패하면 자신의 센서 데이터를 기지국(BS)에 직접 전송하여야 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 기지국의 위치를 (S,0)으로 가정한다. 이 때, 센서 필드 내 임의의 센서 노드에서 기지국(BS)까지의 거리를 dBS라고 하면, dBS의 네제곱의 평균값을 아래 수학식 29와 같이 산출할 수 있다.
Figure pat00029
따라서, 가입 실패 노드가 기지국(BS)에 직접 데이터 메시지를 보내는 데 에너지 소모량(ET-BS)을 근사적으로 아래 수학식 30과 같이 산출할 수 있다.
Figure pat00030
상술한 바와 같이 가입 실패 노드의 에너지 소모량을 산출할 수 있다(S14).
센서 필드 내에 모든 일반 노드의 개수는 전체 노드 개수에서 클러스터 헤드 노드의 개수를 뺀 N-k이다. 따라서, 상술한 S14 및 S15 단계에서 산출된 값에 기초하여, 센서 필드 내 일반 노드의 에너지 소모량을 k 및 R의 함수로서 아래 수학식 31과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00031
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 하나의 라운드에서 클러스터 헤드 노드들의 에너지 소모량(ECH(k,R), 수학식 21 참조), 및 일반 노드들의 에너지 소모량(Enon-CH(k,R), 수학식 31 참조)을 산출할 수 있다. 두 값을 합하여, 하나의 라운드에서 센서 필드 내 모든 노드들의 총 에너지 소모량을 산출할 수 있으며, 총 에너지 소모량의 기대값은 아래 수학식 32와 같다.
Figure pat00032
상기 수학식 32에 기초하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 E(k,R)이 최소가 되는 k 및 R값을 구할 수 있다. 즉, 에너지 소모를 최소화하는 kopt (0<kopt<N), Ropt (L<Ropt<2L) 값을 아래 수학식 33과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00033
일 실시예에 따르면, kopt, Ropt 값을 산출할 때 Gradient Decent 방법 또는 Newton Method와 같은 미분 기반 방법을 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 Nelder-Mead Simplex 알고리즘을 이용하여 kopt, Ropt 값을 산출할 수 있다. Nelder-Mead Simplex 알고리즘을 이용하는 경우, 미분이 필요 없기 때문에 계산 과정을 단순화시킬 수 있다.
이하, 도 5 내지 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 산출된 kopt, Ropt 값을 적용한 경우(실시예 1, 2)의 에너지 소모량 저감 및 네트워크 수명 연장의 효과를 기존의 LEACH 프로토콜을 적용한 경우(비교예 1, 2)와 비교하여 설명한다.
본 발명의 실시예 1, 2와 비교예 1, 2를 비교하기 위해, 우선 아래 표 1과 같은 무선 센서 네트워크 환경을 가정하였다.
광고 메시지 길이 lA 16 [bits]
가입 요청 메시지 길이 lJ 16 [bits]
데이터 메시지 길이 lD 8*(500+25) [bits]
전송 스케줄링 메시지 길이 lT 16*(해당 클러스터 가입 성공 노드 수) [bits]
센서 필드 내 총 노드 수 N 100, 200
센서 필드 반경 L 200, 300, 400 [m]
표 1과 같은 네트워크 환경 설정 후, 본 발명의 일 실시예에 따라, N=200, L=400인 경우에 총 에너지 소모량의 함수 E(k,R)에 대하여 Nelder-Mead Simplex 알고리즘을 적용하였다. 초기 Simplex의 꼭지점 값을 v1=(5, 600)으로 시작하여 54회 반복법(iteration)을 수행한 후에 vopt=(6.5, 525)를 도출하였다.
비교예 1의 경우, 기존의 LEACH 프로토콜에 k=5, R=2L=800을 사용하여 시뮬레이션 하였다. 실시예 1의 경우, 상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따라 산출된 vopt=(6.5, 525)를 적용하여, 비교예 1의 LEACH 프로토콜에 k=6.5, R=525를 사용하여 시뮬레이션 하였다.
비교예 2의 경우, 클러스터의 수 k를 5로 고정하고, 각 노드에게 확률을 차등 적용한 LEACH 프로토콜(선행기술문헌 1 참조)에, k=5, R=2L=800을 사용하여 시뮬레이션 하였다. 실시예 2의 경우, 상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따라 산출된 vopt=(6.5, 525)를 적용하여, 비교예 2의 LEACH 프로토콜에 k=6.5, R=525를 사용하여 시뮬레이션 하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 다른 시스템 변수 결정 방법을 적용한 실시예 1 및 2와, 종래 기술의 프토토콜에 따른 비교예 1 및 2의 시간에 따른 생존 노드를 비교하기 위해 도시한 그래프이다.
구체적으로, 도 5는 시간(라운드)에 따라 생존 노드의 백분율(%)을 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 비교예 1 보다 본 발명의 일 실시예에 따라 결정된 k 및 R 값을 적용한 실시예 1의 경우에, 생존 노드의 수가 크게 증가하였음을 알 수 있다. 마찬가지로, 비교예 2 보다 본 발명의 일 실시예에 따라 결정된 k 및 R 값을 적용한 실시예 2의 경우에, 생존 노드의 수가 크게 증가하였음을 알 수 있다.
도 6은 상기 실시예 1 및 2와, 비교예 1 및 2의 노드의 수명을 비교하기 위한 표이다. 구체적으로, 도 6은 실시예 1 및 2와, 비교예 1 및 2에 있어서 일정 비율의 노드들이 배터리를 모두 소모하여 수명이 다할 때까지 평균 시간(라운드)을 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, 실시예 1 및 2 모두 각각 비교예 1 및 2보다 노드의 수명이 연장된 것을 알 수 있다. 예를 들어, 노드의 50%가 수명이 다할 때까지의 시간을 비교하여 보면, 실시예 1의 경우 비교예 1에서보다 61% 향상되었고(108라운드 -> 174 라운드), 실시예 2의 경우 비교예 2에서보다 96% 향상되었다(146라운드 -> 286라운드).
도 7은 센서 필드 내 총 노드 수인 N과 센서 필드 반경 L을 변화시킨 상황에서, 실시예 1과 비교예 1의 에너지 효율을 비교하기 위한 표이다. 도 7을 참조하면, 한 라운드 당 한 노드의 에너지 소모량이 비교예 1에서보다 실시예 1에서 모두 감소하였음을 알 수 있다. 특히, 센서 필드 반경 L이 커질 수록 에너지 저감 비율이 매우 커지는 것을 알 수 있다.
이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 도시된 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 반대로 여러 개로 분산된 구성 요소들은 결합 되어 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

Claims (13)

  1. 무선 센서 네트워크 상에서 클러스터 기반 라우팅 구현시, 클러스터의 개수 및 노드 간에 송수신되는 제어 메시지의 전송 반경을 결정하는 방법으로,
    센서 필드에 분포되어 있는 모든 노드의 총 에너지 소모량을 산출하는 단계; 및
    상기 모든 노드의 총 에너지 소모량에 기초하여, 상기 클러스터의 개수 및 상기 제어 메시지의 최대 전송 반경을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 총 에너지 소모량을 산출하는 단계는,
    상기 센서 필드에 분포되어 있는 모든 노드 중 클러스터 헤드 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계; 및
    상기 센서 필드에 분포되어 있는 모든 노드 중 클러스터 헤드 노드를 제외한 일반 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 메시지는, 상기 클러스터 헤드 노드가 클러스터를 형성하는 과정에서 상기 일반 노드에게 전송하는 광고 메시지, 상기 일반 노드가 상기 클러스터 헤드 노드에게 해당 클러스터에 가입을 요청하는 가입 요청 메시지, 및 상기 클러스터 헤드 노드가 해당 클러스터에 가입한 일반 노드에게 전송하는 전송 스케줄링 메시지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계는,
    상기 클러스터 헤드 노드가 상기 광고 메시지를 전송할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계;
    상기 클러스터 헤드 노드가 상기 가입 요청 메시지를 수신할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계;
    상기 클러스터 헤드 노드가 상기 전송 스케줄링 메시지를 전송할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계; 및
    상기 클러스터 헤드 노드가 해당 클러스터에 가입한 일반 노드로부터 수신한 데이터를 병합하고, 병합된 데이터를 기지국에 전송할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 일반 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계는,
    상기 일반 노드의 클러스터 가입 성공 확률을 산출하는 단계;
    상기 클러스터 가입 성공 확률에 기초하여, 상기 일반 노드 중 클러스터에 가입한 가입 성공 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계; 및
    상기 클러스터 가입 성공 확률에 기초하여, 상기 일반 노드 중 클러스터에 가입하지 못한 가입 실패 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 일반 노드의 클러스터 가입 성공 확률을 산출하는 단계는,
    상기 일반 노드가 상기 광고 메시지를 수신하지 못할 확률인 가입 실패 확률을 산출하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가입 실패 확률을 산출하는 단계는,
    상기 센서 필드 내에서 하나의 노드가 제어 메시지를 전송할 수 있는 영역인 제어 메시지 영역의 넓이를 산출하는 단계;
    상기 센서 필드 내에서 단위 면적당 클러스터 헤드 노드의 평균 개수를 산출하는 단계; 및
    상기 제어 메시지 영역의 넓이 및 상기 클러스터 헤드 노드의 평균 개수에 기초하여 상기 가입 실패 확률을 산출하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 메시지 영역의 넓이 및 상기 클러스터 헤드 노드의 평균 개수에 기초하여 상기 가입 실패 확률을 산출하는 단계는,
    상기 제어 메시지 영역의 넓이 및 상기 클러스터 헤드 노드의 평균 개수에 기초하여 상기 센서 필드 내의 하나의 노드가 n개의 광고 메시지를 수신할 확률을 포아송(Poisson) 분포로 정의하는 단계; 및
    상기 포아송 분포에서 상기 센서 필드 내의 하나의 노드가 0개의 광고 메시지를 수신할 확률을 산출하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 가입 성공 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계는,
    상기 가입 성공 노드가 상기 광고 메시지를 수신할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계;
    상기 가입 성공 노드가 상기 가입 요청 메시지를 전송할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계;
    상기 가입 성공 노드가 가입한 클러스터의 클러스터 헤드 노드로부터 상기 전송 스케줄링 메시지를 수신할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계; 및
    상기 가입 성공 노드가 가입한 클러스터의 클러스터 헤드 노드에게 데이터를 전송할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 가입 실패 노드의 에너지 소모량을 산출하는 단계는,
    상기 가입 실패 노드가 기지국에 데이터를 전송할 때 에너지 소모량을 산출하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 필드에 분포되어 있는 모든 노드의 총 에너지 소모량을 산출하는 단계는,
    상기 모든 노드의 총 에너지 소모량을, 상기 클러스터의 개수 및 상기 제어 메시지의 최대 전송 반경을 변수로 갖는 함수식으로 산출하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 모든 노드의 총 에너지 소모량에 기초하여, 상기 클러스터의 개수 및 상기 제어 메시지의 최대 전송 반경을 결정하는 단계는,
    상기 함수식에 Nelder-Mead Simplex 알고리즘을 적용하여 상기 총 에너지 소모량이 최소가 되는 상기 클러스터의 개수 및 상기 제어 메시지의 최대 전송 반경을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기록된 방법을 컴퓨팅 장치가 수행하도록 하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
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