WO2012115353A2 - 무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템 및 이를 이용한 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템 및 이를 이용한 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법 Download PDF

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김형신
이승환
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Definitions

  • the present invention relates to a self-configuring system of a wireless sensor network and a method of self-configuring a wireless sensor network using the same, and more particularly, to a system for self-configuring a large-scale, high-density wireless sensor network in a cluster tree structure and using the same. How to self-configure a large, dense wireless network.
  • MEMS Micro Electro Mechanical System
  • WSN Wireless Sensor Network
  • Cluster-based self-configuration in WSNs presents a network infrastructure that is easy to control by dividing the entire network into clusters. It uses a hierarchical approach to divide the entire WSN into cluster hierarchies. A cluster is formed around the head, and the entire network is divided into clusters. The cluster head of each cluster routes data acquired, collected, and merged inside each cluster to the cluster head or base station of the other cluster. do.
  • the WSN self-configuration process consists of three main steps: network structure determination step to determine the shape of the network, network connection step to connect each device and expand the network according to the determined network structure, and connected devices send and receive signals to each other. It consists of a data transmission step.
  • Each device in the WSN is given a unique address when it joins the network, thereby recognizing each other, and transmitting and receiving data between intra-cluster devices consisting of one parent device and multiple child devices Devices within a frame interval, and devices located at a far distance from each other transmit and receive through multi-hop due to the transmission distance constraint of the device. Therefore, for large-scale WSN self-configuration, assigning unique addresses to a large number of devices, independently assigning superframe intervals used by each cluster to prevent interference between clusters, and searching routing paths for multiple absorption transmissions It is essential.
  • the coordinator who manages the entire network forms a balanced tree-based network based on the maximum network depth, the maximum number of child devices, and the maximum number of child routers. Then, in the network connection step, each device decides all the routers within the communication range as the parent candidate group, and selects the device with the smallest network depth as its parent so that the full function device is the router and the reduced function device ( The reduced function device requests subscription to an end device.
  • the router selected as the parent decides whether to allow the device requesting to join considering the maximum number of child devices and the maximum number of child routers, and then assigns the address directly to the devices based on the balance tree structure and the relationship between the parent and the child. Bears.
  • each parent device shares the balance tree structure with the child devices by transmitting a beacon signal including factors that determine the balance tree structure, that is, the maximum network depth, the maximum number of child devices, and the maximum number of child routers.
  • the networked devices transmit data through hierarchical routing based on the balance tree structure in the data transmission stage.
  • ZigBee's balanced tree-based WSN self-configuration has the advantage of reducing the time required for network formation and traffic by exchanging control command messages and using tree-based hierarchical routing, which eliminates the need for a separate routing path search. Due to the nature of the balance tree where the size of the tree structure increases exponentially with network depth, not only network depth is limited but also the balance tree structure is determined without considering the operating environment. The problem is that the number increases. Also, full-featured devices that can be routers and end devices require subscriptions to the router until all surrounding parent candidates are denied to join, so the routers will be crowded around the coordinator, so that the network will not extend farther as network depth increases. The disadvantage is that it is difficult. In addition, due to the constraint that the entire network has to use a single channel, when the device density is high, the channel reaches saturation and clusters cannot have independent superframes. Is generated.
  • the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, the network depth is limited due to the exponential increase in the size of the tree structure according to the network depth in the balanced tree-based WSN and network operating environment It is intended to solve the problem that the number of wasted addresses in the WSN network formed by determining the balance tree structure is not considered.
  • full-featured devices that can be routers or end devices are all parents It eliminates the phenomenon of full-function devices gathering around the coordinator by continuously requesting to join as a router until the candidates are rejected to join, and even if the network depth increases due to the phenomenon of full-function devices gathering around the coordinator. We want to solve a problem that is difficult to expand.
  • the channel will reach saturation and the clusters will not be able to have independent superframes. To solve the problem.
  • the present invention provides a self-configuration method of a wireless sensor network (WSN) based on a cluster tree structure, wherein (A) a coordinator, which is one of the parent devices, connects the entire area of the WSN, and A network structure determining step of calculating a number of devices located within a communicable radius, and determining a network structure by calculating a maximum number of child router devices and a maximum number of child terminal devices according to the network depth in each tree step; (B) a network connection step 1 in which a parent device in each tree step selects a child device and assigns an address according to a request for joining a child device, and allocates a superframe section for the child router device among the child devices; And (C) a data transmission step in which the router device holding the packet searches for a routing path and compares the packet with the final destination address of the packet and transmits the packet.
  • Self-configuring method of a wireless sensor network (WSN) characterized in that it comprises a.
  • step (A) comprises the steps of: (A-1) calculating an average communicable radius and calculating a minimum network depth based thereon; (A-2) calculating the number of devices located within the average communicable radius based on the average communicable radius and the minimum network depth; (A-3) setting a maximum network depth and tree step number; And (A-4) calculating the maximum number of child router devices and the maximum number of child terminal devices according to the network depth in each tree step. More preferably, the step (A-3), the maximum network depth is set to the minimum network depth and the tree number of steps is input from the user or set to a value held in advance, and the step (A-4) is performed. Determine a tree threshold depth for each tree step, and calculate the maximum number of child router devices and the maximum number of child terminal devices in each tree step by comparing the maximum network depth and the tree threshold depth, The structure for can be determined.
  • the step (B) may include (B-1) the child device selecting a parent candidate group, and the child device based on the network depth and the transmission link state (LQ) of each parent device included in the parent candidate group. Selecting a parent device and requesting to join the selected parent device; (B-2) selecting a child device requesting subscription based on the number of child devices to which the selected parent device is subscribed and subscribing to the child device; (B-3) assigning an address to the child device to which the selected parent device is subscribed; And (B-4)
  • the selected parent device may include allocating a superframe period to a child router device among child devices assigned an address.
  • the child device estimates the transmission link state (LQ) based on the reception characteristics of the beacon signal received by the child device and the estimated transmission link state ( Initializing a parent candidate group with routers whose LQ) is greater than a threshold; Determining a parent device to be included in a parent candidate set based on a network depth of parent devices included in the parent candidate group; Selecting a parent device having a smallest transmission link state (LQ) in the parent candidate set; The method may further include generating a subscription request message including a number of parent devices included in the parent candidate group and transmitting the generated subscription request message to the selected parent device.
  • LQ transmission link state
  • the step (B-2) may include: initializing the child router candidate group with the child router devices requesting subscription; If the selected parent device is a coordinator, the child router device having the highest transmission link state (LQ) is selected from the child router candidate group; and if the selected parent device is a router, the parent device is included in the parent candidate group from the child router candidate group. Selecting a child router device with the smallest number of children; Adding the selected child router device to a subscribed child router group; And confirming the subscription of the selected child router device in preparation for the number of child routers included in the subscribed child router group and the maximum number of child routers.
  • LQ transmission link state
  • the child device estimates the transmission link state (LQ) based on the reception characteristics of the beacon signal received by the child device and the estimated transmission link state ( Initializing a parent candidate group with routers whose LQ) is greater than a threshold; Determining a parent device to be included in a parent candidate set based on a network depth of parent devices included in the parent candidate group; Selecting a parent device having the largest transmission link state (LQ) in the parent candidate set; The method may further include generating and transmitting a subscription request message to the selected parent device.
  • LQ transmission link state
  • the selected parent device is a child requesting subscription based on the maximum number of terminal devices, which is a value obtained by subtracting the maximum number of child routers
  • Subscription to child termination devices may be confirmed on a first-come, first-served basis for the termination devices.
  • step (B-3) comprises calculating a maximum number of devices subscribed to a lower layer tree step of the selected parent device; And assigning router addresses to child router devices among the child devices subscribed to the selected parent device at intervals of the maximum number of devices, and sequentially to the child end devices among the child devices subscribed to the selected parent device after the maximum number of devices. May include assigning a router address have.
  • the step (B-4) may include: ( ⁇ -4-al) estimating a usable state of the found channel by searching for channels of the selected parent device and the child router device; (B-4-a2) generating candidate information usable as a superframe section in a channel of an available state estimated by the selected parent device; (B-4-a3) the selected parent device transmitting the candidate information to the child router device; (B-4-a4) comparing, by the child router device, the candidate information received with the channel of the available state estimated by the child router device to determine one of the available periods in the channel as a superframe period; (B-4-a5) transmitting, by the child router device, the determined superframe interval information to the selected parent device; And (B- 4-a6) allocating a superframe section between the selected parent device and the child router device.
  • the child router device compares the received candidate candidate information with the channel of the available state estimated by the child router device, and the superframe interval when the candidate information corresponds to a saturated channel. Sending a failure message for the determination to the selected parent device; And searching for another channel by the selected parent device and performing the process again from the ( ⁇ -4-al) step.
  • the step (B-4) may include ( ⁇ -4-bl) estimating a usable state of the found channel by searching for channels of the selected parent device and the child router device; (B-4-b2) the available state estimated by the child router device Generating candidate information usable as a superframe section in the channel; (B-4-b3) the child router device transmitting the candidate information to the selected parent device; (B-4-b4) comparing, by the selected parent device, the received candidate information with a channel in the available state estimated by the parent to determine one of the available periods in the channel as a superframe period; (B-4-b5) transmitting the determined superframe interval information to the child router device by the selected parent device; And (B-4-b6) allocating a superframe section between the selected parent device and the child router device.
  • the selected parent device compares the received candidate information with the channel of the available state estimated by the selected parent device and the superframe period when the candidate information corresponds to a saturated channel. Sending a failure message for the determination to the child router device; And the selected parent device may search for another channel and perform the process again from the ( ⁇ -4-al) step.
  • the step (C) comprises the step of accommodating the packet by the router device having the packet if the address of the router device having the packet and the final destination address of the packet are the same; If the final destination address of the packet is larger than the address of the router device holding the packet and the address of the router device holding the packet is less than the maximum number of devices subscribed to its lower layer tree step, the router device holding the packet. Transmitting the packet to a child device subscribed to a lower layer tree step of the; And a router device of which the final destination address of the packet holds the packet. If the address is smaller than the address or the address of the router device having the packet plus the maximum number of devices subscribed to its lower layer tree step, the parent device of the higher layer tree step of the router device having the packet is joined to the parent device. And transmitting the packet.
  • the present invention provides a self-configuring system of a wireless sensor network (WSN) based on a cluster tree structure, calculating the average communication radius of the WSN and the number of devices located within the average communication radius, A coordinator for determining a multi-level tree network structure by calculating a maximum number of child routers and a maximum number of child devices of the network; A parent device that receives a request for subscription from a child device in a lower hierarchical tree level, selects a child device to be subscribed to, and assigns an address to the child devices subscribed to the parent device; And a self-configuring system of a wireless sensor network (WSN), characterized in that it comprises a child device that selects a parent device in the upper hierarchical tree level and makes a subscription request and receives an address and is assigned an address according to the selection of the parent device.
  • WSN wireless sensor network
  • the coordinator may include an operating environment estimating unit configured to calculate an average communicable radius and the number of devices located within the average communicable radius; And a multi-stage balanced tree optimizer that calculates the maximum network depth and the maximum number of child routers and the maximum number of child devices in each tree level.
  • the parent device further includes a child router selection unit configured to receive a subscription request from a child router device requesting subscription to a router among the child devices, determine whether to subscribe to the child device, and to manage a subscribed child router device;
  • a child terminal device selection unit that receives a request for subscription from a child terminal device requesting to join and determines whether to join the child terminal device, and manages the child terminal device to be joined; It may include a multi-level tree-based address allocator for allocating an address to a child device subscribed to the child device, transmitting the assigned address to the child device, and allocating a superframe interval to the child router device among the child devices.
  • the child device includes a child router device and a child end device, and the child router device selects a parent candidate group, selects a parent device from the parent candidate group, and then selects a parent for a router requesting subscription to the selected parent device.
  • the child terminal device may include a parent selector for an end device for selecting a parent candidate group, selecting a parent device from the parent candidate group, and requesting the selected parent device to join.
  • the coordinator, the parent device and the child router device may include a multi-level tree-based hierarchical routing unit for searching a routing path for packet transmission as a router device.
  • the coordinator's operating environment estimator estimates the number of devices located within the minimum network depth and the communication radius, and based on the multistage tree structure determination unit, the multistage tree is determined according to the actual device installation environment. By optimizing the network structure to connect all devices while minimizing routing delay Can be designed.
  • network connectivity and transmission performance can be maximized by inducing routers to be evenly distributed in a wide area without being oriented in a specific direction.
  • the parent selector for the terminal device of the child terminal device and the child terminal device selector of the parent device according to the present invention not only to increase the network connectivity of the terminal device, but also the transmission link state between the parent router and the child terminal device after the network connection (LQ Can improve data transfer performance between devices.
  • each parent device can be subscribed to its lower hierarchical tree level based on the multi-stage tree structure factor determined in the network structure determination process .
  • parents can assign addresses directly without any message exchanges, while ensuring address independence.
  • the child router device after the parent device and the child router device respectively retrieve the channel state, the child router device finally selects the superframe period for the superframe period candidate information presented by the parent device, or the superframe presented by the child router device. Since the parent device finally selects the superframe section for the section candidate information, the superframe section can be allocated by efficiently combining the channel availability status information of each of the parent device and the child router device. Unlike ZigBee, the child router uses a different channel than the parent device to allocate superframe segments Since it is possible to operate its own cluster, even in an environment where devices are distributed at a high density, each cluster secures an independent superframe section so that the network can be connected without inter-cluster interference.
  • routing path of a packet is determined based on a multi-stage tree determined according to the network structure determination process, a large number of devices installed in a large area with high density can be quickly self- minimized while minimizing message exchange, routing path search burden, and routing delay. Can be configured.
  • the present invention it is possible to effectively improve the large-scale WSN self-configuration performance by connecting a large number of devices selected at high density in a large area to the network while minimizing message exchange occurring during the WSN self-configuration process.
  • FIG. 1 is a schematic flowchart of a method for self-configuration of a wireless sensor network according to the present invention
  • FIG. 2 illustrates a concept of a WSN based on a cluster tree structure to which the present invention is applied
  • FIG. 3 illustrates an embodiment of a channel and superframe structure of a WSN to which the present invention is applied
  • FIG. 4 is a WSN to which the present invention is applied.
  • the system shows the average distance between the communicable radius and the devices located therein,
  • 5 shows an embodiment of a schematic configuration of a coordinator of a self-configuring system of a wireless sensor network according to the present invention
  • 6 is a flowchart of an embodiment of a process of determining a network structure by a coordinator according to the present invention
  • FIG. 7 illustrates an embodiment of a WSN configuration based on a multi-level tree structure
  • FIG. 8 illustrates WSNs of various physical structures for the WSNs of the logical structure of FIG.
  • FIG. 9 shows a flowchart for estimating the minimum network depth and the number of devices according to the present invention for each structure for the embodiment of FIG.
  • FIG. 10 is a flowchart of an embodiment of a process of constructing a multi-stage tree according to the present invention.
  • FIG. 11 shows a schematic configuration of an embodiment of a parent device and a child device according to the present invention
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating an embodiment of a process in which a sensor device wanting to join a router according to the present invention is connected to a parent device.
  • FIG. 13 is a flowchart of an embodiment of a process of a parent device selecting a child router according to the present invention.
  • FIG. 14 is a view illustrating an embodiment of a process of selecting a parent device by a sensor device wanting to subscribe to an end device according to the present invention
  • 15 is a flowchart illustrating a process of allocating an address by a parent device according to the present invention.
  • FIG. 16 illustrates a process of allocating a superframe interval of a child router according to the present invention. Shows a flowchart of an embodiment
  • 17 is a flowchart of another embodiment of a process of allocating a superframe interval of a child router according to the present invention.
  • FIG. 18 illustrates an embodiment of an apparatus for performing a data transmission process according to the present invention
  • FIG. 19 illustrates a flowchart of an embodiment of a process of searching a routing path hierarchically based on a multi-stage tree structure according to the present invention. do.
  • the present invention relates to a system for self-organizing a large-scale, high-density wireless sensor network into a cluster tree structure, and a method for self-configuring a large-scale, high-density wireless sensor network using the same.
  • 1 shows a schematic flowchart of a method for self-configuration of a wireless sensor network according to the present invention.
  • a network structure is determined (S100), and a network is connected (S200) based on the determined structure.
  • the process includes selecting a parent device and a child device from each device included in the network (S210), assigning an address to each selected device (S230), and then determining whether the selected child device is a router (S250). If your child's device is a router, The superframe section is allocated (S270). After this process, data is transmitted within the connected network (S300).
  • 2 illustrates a concept of a WSN based on a cluster tree structure to which the present invention is applied.
  • FIG. 2A illustrates a physical network structure for a WSN based on a cluster tree structure.
  • (B) shows the logical network structure for the WSN based on the cluster tree structure.
  • each device connected to the network is connected to a parent device and a child device, and one parent device and a plurality of child devices form one cluster (A).
  • a plurality of clusters are connected in a parent-child relationship between routers and are applied in a cluster tree-based WSN system in which an entire network is formed in a tree structure.
  • a logical network structure as shown in FIG. It can be applied to the WSN system based on the cluster tree structure having a hierarchical structure of.
  • the hierarchical tree higher than the tree level to which it belongs The device 100 is a child device for the device 100 that is located at the stage and is joined to the parent, and is a parent device for the device 300 that is located at a lower hierarchical tree level than the tree stage to which the device 100 belongs.
  • FIG. 3 illustrates an embodiment of a structure of a channel and a superframe of a WSN to which the present invention is applied.
  • the cluster includes a superframe section starting from a beacon signal transmitted from a parent device as shown in FIG. It is assumed that the data transmission and reception during the active period is stopped until the next beacon signal is transmitted after the superframe ends, that is, during the inactive period.
  • the WSN system can use non-overlapping N ch channels, and each channel has N SF non-overlapping superframe intervals within one beacon signal period. Assume that we can provide
  • the average communicable radius of the WSN calculated from the coordinator may be represented by the following Equation 2 according to the network depth D.
  • Equation 2 the self-configuring system of the wireless sensor network and the self-configuring method of the wireless sensor network using the same will be described in more detail with reference to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 illustrates an embodiment of a schematic configuration of a coordinator of a self-configuring system of a wireless sensor network according to the present invention
  • FIG. 6 is a flowchart of an embodiment of a process of determining a network structure by a coordinator according to the present invention. Illustrated.
  • the process (S100) of determining the network structure is performed by the coordinator 100.
  • the coordinator 100 according to the present invention is schematically illustrated as an operation environment estimator 110.
  • a multi-stage balanced tree optimizer 120 and the process of determining the network structure through the coordinator 100 having such a configuration will be described in detail with reference to FIG. 6.
  • an operation environment of the coordinator 100 is added.
  • the government 110 calculates the average communicable radius (!
  • the minimum network depth D mi adopted for connecting the entire area of the WSN is calculated (S120) and the average communication radius of the WSN at network depth D ( ⁇ D min ) r composer(D) estimates the number of devices N d (ratio S140).
  • the multi-stage balanced tree optimizer 120 of the coordinator 100 determines the maximum network depth ⁇ so as to minimize the routing delay while connecting the entire region by using 3 ⁇ 4 'and N d ) (S160). To minimize the difference between the number of devices that can be connected in a tree structure at d (z>) and network depth Z), the maximum number of child router devices according to the number of tree steps ep and Z) ( ⁇ m ) R soup, (D ) And maximum child devices
  • FIG. 7 illustrates an embodiment of a WSN configuration based on a multilevel tree structure.
  • the coordinator first calculates an average communication radius through Equation 2 based on the communication radius of each device, and the r d , r n ( D) the minimum network depth Z) milakerequired to connect the entire area of the WSN to be constructed using information such as, p, S and the average communicable radius of the WSN at network depth D ( ⁇ TM )
  • the number N d (Z)) of devices located within can be estimated as follows.
  • FIG. 8 illustrates the WSNs of various physical structures for the WSNs of the logical structure of FIG. 7, wherein FIG. 8 (a) illustrates a case in which a space in which the WSN is configured is circular and a coordinator is located at the center of the space. 8 (b) shows a case in which the space in which the WSN is configured is a square and the coordinator is located at the center of the space, and FIG. 8 (c) shows a case in which the space in which the WSN is formed is a square and the coordinator is located at an edge of the space. The case is shown.
  • the coordinator 100 determines the minimum network depth and the number of devices for each structure.
  • 9 shows a flowchart for estimating the minimum network depth and the number of devices according to the present invention for each structure for the embodiment of FIG.
  • FIG. 9 (a) is a process of estimating the minimum network depth and the number of devices N d (/)) when the space shown in FIG. 8 (a) is circular and the coordinator is located at the center.
  • the operating environment estimator 110 of (100) calculates (SllOa) the radius R of the circular space according to [Equation 3] below, and estimates (S120a) as shown in [Equation 4] below.
  • N d D N d D
  • FIG. 9 (b) shows the minimum network depth z mm and the number of devices when the space shown in FIG. 8 (b) is square and the coordinator is located at the center.
  • the coordinator may estimate (S140b) ⁇ ⁇ ( ⁇ )) as shown in Equation 9 below. for D ⁇ D a
  • FIG. 9 (C) shows the minimum network depth /) and the number of devices when the space shown in FIG. 8 (C) is square and the coordinator is located at the corner.
  • ⁇ ⁇ > As a process of estimating a value, in this case, the operating environment estimating unit 110 of the coordinator 100 performs the following formula [Equation 1 (S120c) and the minimum depth ⁇ satisfying this>. After calculating the minimum depth A satisfying ⁇ and ⁇ (Equation 11) and [Equation 12] (S130c), the operating environment estimator 110 of the coordinator 100 is based on the following [Equation 11] and [Equation 12]. [Equation 13] can be estimated (S140c) .
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a process of constructing such a multistage tree. Illustrated.
  • the tree structure and the actual device distribution are the same, but a lot of memory is used to store the tree structure information, which is not suitable for the WSN implementation.
  • a case where the maximum number of tree steps ⁇ is determined as 3 and the multi-step tree structure determination process is performed will be considered.
  • limiting the maximum tree step number ⁇ to 3 is one embodiment according to the present invention, and the present invention is not limited thereto, and the maximum tree step number may be determined.
  • the multi-stage balanced tree optimizer 120 of the coordinator 100 has a maximum network depth L m so as to connect the entire space while minimizing the routing delay.
  • L m maximum network depth
  • the first stage tree threshold depth D is determined as / (S182a), [Equation 18], [Equation 19] and [Equation 2] to determine the ratio and (S183a) to complete the one-step tree configuration.
  • the operating environment estimation unit 110 of the coordinator 100 is By estimating mm and N d (z?) and optimizing the multi-stage tree structure according to the actual equipment installation environment, the multi-stage tree structure determination unit 120 can design a network structure that can connect the entire devices while minimizing the routing delay.
  • FIG. 11 shows a schematic configuration of an embodiment of a parent device and a child device according to the present invention.
  • the parent device 200 includes a child router selector 210, a multi-level tree-based address allocator 220, and a child end device selector 230, and the child device 300 is large. It is classified into a child router device 300a, a sensor device that wants to join a router, and a child end device 300b, a child device that wants to join a terminal device.
  • the sensor device 300a which wants to join a router, is a parent selection unit for a router.
  • the sensor device 300b that includes 310a and wishes to subscribe to an end device includes a parent selector 310b for the end device.
  • a process of network connection between the parent device and the child device is performed.
  • a device 300a that wants to join as a router among the child devices 300 first selects a parent candidate group using the network depth in the parent selector 310a for the router. Selects a parent device from the parent candidate group using channel state information such as network depth and link quality (LQ), and requests to join, and the selected parent device 200 is selected from the child router selector 210.
  • the child router device is selected in consideration of the number of parent candidates of devices requesting to join.
  • the device 300b that wants to join as an end device among the child devices 300 selects a parent from the parent selection unit 310b for the end device using channel state information such as network depth and transmission link status (LQ), and then joins.
  • the parent device 300 selects the child terminal device on a first-come, first-served basis from the child terminal device selection unit 230.
  • the full-function device may first try to join the router and then fail to join the end device again, and the reduction function device may join the network only to the end device.
  • the parent device 200 allocates the address of the child device through the multi-level tree-based address assignment unit 230 (S230), and transmits the allocated address information to the child device 300.
  • S230 multi-level tree-based address assignment unit 230
  • the router parent selector 310a of the sensor device 300a that wants to join the router selects a parent candidate group by using the network depth, and channel condition information such as network depth and transmission link state (LQ) among the parent candidate groups.
  • LQ transmission link state
  • the parent selection unit for the router of the sensor device k 300a to be subscribed to the router may be described.
  • (310a) first estimates a transmission link state (LQ) based on a reception characteristic of a beacon signal received through ch channels, and the estimated transmission link state (LQ) is larger than a threshold value 5 for obtaining a desired transmission performance.
  • the parent candidate group P is initialized as shown in Equation 2 (S211a).
  • R is the total set of routers connected to the network and L is the LQ between the two devices.
  • the parent selector 310a for the router is selected from among the selected parent candidates.
  • the set of parent candidates having the smallest network depth ⁇ is determined according to Equation 30 below, and the parent candidate with the smallest transmission link state (LQ) among i k is selected as the parent device / ⁇ according to Equation 31 below.
  • the parent selection unit 310a for the router of the child device 300 utilizes network depth information so that each device is farther from the coordinator. By preventing the device from being selected as a parent device, it avoids wasting network depth, and by selecting a device far away from itself in consideration of the transmission link status (LQ), etc., it is possible to efficiently expand the WSN average communication radius and the size of the network. have.
  • LQ transmission link status
  • the parent device 200 selected through the router parent selector 310a of the sensor device 300a that wants to join the router selects the child router device through the child router selector 210, and FIG. 13 shows the parent device. Is a flow chart illustrating the process of selecting a child router device.
  • the parent device 200 selects the child router device 300a in consideration of the transmission link state (LQ) of the child router or the number of parent candidates through the child router selector 210.
  • the child router selection unit 210 first requests the user to join the network according to Equation 32 below. Initialize ⁇ with devices (S221a). p c ⁇ [Formula 32]
  • the device that wants to join the router is rejected by all parent candidates, the device retries to join the end device.
  • the sensor device 300b that wants to subscribe to the terminal device selects the parent device 200 in consideration of the network depth and the transmission link state (LQ) through the parent device selecting part 310b for the terminal device. See this for reference.
  • FIG. 14 illustrates a process of selecting a parent device by a sensor device that wants to join as an end device.
  • the sensor device 300b that wants to join as an end device is referred to as FIG.
  • State (LQ) is initialized (S211b) the parent candidate p k, as shown in [formula 36] to a large routers than 5.
  • the set of parent candidates having the minimum network depth among the parent candidate groups ⁇ is determined according to Equation 3 below, and among the ⁇ , the parent candidate having the largest transmission link state (LQ) is selected as the parent as shown in [Equation 38].
  • S219b) then finish the parent selection process.
  • the child terminal device selector 230 of the parent device 200 ⁇ selected through the parent device selector 310b for the terminal device has a maximum number of child device devices in the child terminal device group endure(/ ⁇ ( ⁇ )). If is less than c m ( t 1 ⁇ 2.)-Hour, then you can add it to ⁇ by selecting it as the child end device. That is, the termination of the child device selection unit 230 selects a child device terminating the extent of the maximum number of child termination device C "()" e, ( /) on a first come, first served basis.
  • the network a connectivity of the terminal device is provided through the parent device selection unit 310b for the terminal device of the sensor device 300b and the child terminal device selection unit 230 for the parent device 200.
  • data transmission between devices is ensured by ensuring the transmission link status (LQ) between the parent router and the child end device after the network connection. It can improve performance.
  • LQ transmission link status
  • the multi-level tree-based address allocator 220 of the parent device 200 is selected by the child router selector 210 or the child end device selector 230.
  • An address may be assigned to the child device 300.
  • FIG. 15 is a flowchart illustrating a process of assigning an address by a parent device according to the present invention.
  • p is a maximum number of devices for a lower layer of P in a multi-level tree structure capable of connecting to a network from > based on a multi-level tree structure factor c (D nel (p)) is calculated according to the following Equation 39 (S231). + 1), for o ⁇ D na (P) ⁇ L m -i
  • ⁇ A P + R m (d) xC Mp (Z) net (P)) + n, for 1 ⁇ " ⁇ C m (Z net (P))-R m ( Onel (P)) ] Is the address of the «th child end device.
  • each parent device calculates c s (ocken e , (P)) based on the multi-stage tree structure factor determined in the network structure determination process (S100). By determining their available addresses, address independence can be guaranteed while the parent device assigns them directly, without exchanging messages.
  • the child device is a router (S250). If the child device is a router, the multi-channel is used, and the channel availability status information of the parent device and the child router device is combined in the future. The process of allocating a superframe section of the cluster to be configured (S270) will be described.
  • FIG. 16 is a flowchart illustrating an example of a process of allocating a superframe period of a child router device according to the present invention. Referring to FIG. 16, a process of allocating a superframe period of a child router device is described below. 200 and the child router device 300a search for a channel of the parent device 200 in an inactive period after transmitting and receiving address allocation information, and estimate available states of the channel (S271 and S272).
  • the parent device 200 prepares candidate information usable as a superframe section by using the channel availability state information estimated by itself. For example, if sections 2, 5, and 7 of the 8 sections are empty, 01001010 Written in this manner
  • Candidate information available for the superframe period is transmitted to the child router device 300a (S273a).
  • the child router device 300a compares the superframe section candidate information with its estimated channel availability status information and determines one of the available sections as the superframe section (S274a).
  • the determined superframe section information is transmitted to the parent device 200 (S275a), and the parent device 200 and the child router device 300a complete the superframe section allocation (S280).
  • the child router device 300a If the channel is saturated in the process of determining the superframe section (S274a), if the superframe section is not found, the child router device 300a transmits failure information to the parent device 200 (S275a), and in this case, the parent device 200 ) And the child router device 300a converts the child router device 300a into a multi-channel operation mode so that the child router device 300a can use a superframe section on a different channel from the parent device 200.
  • the parent device 200 selects another channel (S278). For example, if there is previously search information about another channel, the channel device having the least interference is selected. Channels are selected in order. Then, the channel change information is transmitted to the child router device 300a (S279), and the process of allocating the superframe interval as described above starts with channel search (S271). Repeat). Meanwhile, the child router device 300a which receives the channel change information from the parent device 200 (S279) and receives the selected other channel information again checks the available state of the channel. Returning to the process of estimating (S272) and repeats the above superframe interval allocation process (S270) starting with the channel search for the selected other channel.
  • the child router device 300a may transmit its own beacon signal in the superframe section and select a new device as the child device to configure a cluster.
  • FIG. 17 is a flowchart of another embodiment of allocating a superframe interval of a child router device according to the present invention. Referring to FIG. 17, a process of allocating a superframe interval of a child router device is described above. As in the sixteenth embodiment, the parent device 200 and the child router device 300a search for a channel of the parent device 200 in an inactive period after transmitting and receiving address allocation information, respectively, to estimate a usable state of the channel (S271, S272).
  • the child router device 300a prepares candidate information usable in the superframe period by using the channel availability state information estimated by the child router device 300a.
  • the child router device 300a transmits candidate information available for the superframe period to the parent device 200 (S273b).
  • the parent device 200 receiving the superframe section candidate information compares the superframe section candidate information with the channel availability status information estimated by the parent device 200 and determines one of the available sections as the superframe section (S274b), By transmitting the determined superframe section information to the child router device 300a (S275b), the parent The device 200 and the child router device 300a complete the superframe interval allocation (S280).
  • the parent device 200 transmits failure information to the child router device 300a (S275b), in which case the parent device 200 ) And the child router device 300a converts the child router device 300a into a multi-channel operation mode so that the child router device 300a can use a superframe section on a different channel from the parent device 200.
  • the parent device 200 selects another channel (S278). For example, if there is previously search information about another channel, the parent device 200 selects a channel having the least interference. Channels are selected in order. Then, the channel change information is transmitted to the child router device 300a (S279), and the process returns to the process of estimating the availability of the channel (S271). Repeat). Meanwhile, the child router device 300a, which has received the channel change information from the parent device 200 (S279) and receives the selected other channel information, returns to the process of estimating a usable state of the channel (S272). Repeating the superframe interval allocation process (S270) starting with the channel search for.
  • S278 superframe interval allocation process
  • the child router device 300a may transmit its own beacon signal in the superframe section and select a new device as the child device to configure a cluster.
  • the parent device and the child router device respectively search for channel states, and then the superframe interval candidate information presented by the parent device. Since the child router device finally selects the superframe period or the parent device finally selects the superframe period based on the superframe interval candidate information presented by the child router device, the channel availability status information of each of the parent device and the child router device is displayed.
  • the superframe interval can be allocated by combining them efficiently.
  • the child router device can use a different channel from the parent device to allocate a superframe interval and operate its own cluster, so that even in an environment where devices are distributed at high density, each cluster Network can be connected without inter-cluster interference by securing independent superframe interval.
  • an operation principle of the data transmission process S300 of FIG. 4 according to an embodiment of the present invention will be described.
  • the data transmission process S300 is performed by a multi-stage tree based hierarchical routing unit 410 of the router 400. .
  • the multi-step tree-based hierarchical routing unit 410 searches for a routing path hierarchically based on the multi-step tree structure determined through the above-described process as illustrated in FIG. 19.
  • a Nex , max ⁇ (
  • the unit 410 determines the routing path of the packet based on a multi-stage tree determined according to the network structure determination process (S100), so that there is no separate routing path search burden, and a large area with high density while minimizing message exchange and routing delay, etc.
  • S100 network structure determination process
  • a large number of devices selected at high density over a large area can be connected to a network while minimizing the message exchange occurring during the WSN self-configuration process. By connecting, you can effectively improve large WSN self-configuration performance.

Landscapes

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  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

본 발명은, 무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템 및 이를 이용한 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법으로서, 클러스터 트리 구조 기반의 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법에 있어서, (A) 부모 기기 중 하나인 코디네이터가 WSN의 전체 지역을 연결시키기 위한 최소 네트워크 깊이 및 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 산출하고, 각각의 트리 단계에서의 네트워크 깊이에 따른 최대 자녀 라우터 기기 수 및 최대 자녀 종단 기기 수를 산출하여 네트워크 구조를 결정하는 네트워크 구조 결정 단계; (B) 각각의 트리 단계에서의 부모 기기가, 자녀 기기의 가입 요청에 따라 자녀 기기를 선택하여 주소를 할당하고 상기 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기에 대한 슈퍼프레임 구간을 할당하는 네트워크 연결 단계; 및 (C) 패킷을 보유한 라우터 기기가 자신의 주소와 패킷의 최종 목적지 주소의 대비를 통해 라우팅 경로를 탐색하여 패킷을 전송하는 데이터 전송 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크(WSN)의 자가구성 방법과 이를 이용하기 위한 무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템이며, 이와 같은 본 발명에 의하면 기존 트리 구조 네트워크의 장점인 네트워크 형성에 소요되는 시간, 제어 명령 메시지 교환에 의한 트래픽 및 라우팅 경로 탐색 부담 감소 등을 유지하면서도 넓은 지역에 높은 밀도로 분포하는 기기들을 네트워크에 연결할 수 있어 기존 기법에 비해 WSN의 자가구성 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

【명세서】
【발명의 명칭】
무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템 및 이를 이용한 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법
【기술분야】 .
본 발명은 무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템 및 이를 이용한 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법에 관한 것으로서， 보다 상세하게는 대규모， 고밀집 무선 센서 네트워크를 클러스터 트리 구조로 자가구성하기 위 한 시스템과 이를 이용하여 대규모， 고밀집 무선 네트워크의 자가구성을 하는 방법에 대한 것 이다 .
[배경 기술】
최근들어 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기 반의 센서 기술， 저 전력 아날로그 및 디지털 전자 기술 , 저 전력 RF 설계 기술 등이 급속하게 발전하고 있기 때문에 비교적 저 비용의 저 전력 형 무선 센서.들을 이용한 네트워크 기술 개발이 활발히 진행되고 있다 .
무선 센서 네트워크 (wireless sensor networks : 이하 WSN이 라 칭함)의 자가구성은 방대한 수의 서브 시스템으로 구성되는 대규모 네트워크를 구성하는데 매우 중요한 기술로써， 일반적으로 네트워크 확장성을 높이고 환경 조건의 변화에 동적으로 적웅하는데 활용될 수 있으므로 통신 시스템에서 매우 중요한 역할을 하게 된다 . WSN에서 클러스터 기반의 자가 구성은 전체 네트워크를 클러스터 단위로 분할하여 제어가 용이하도톡 네트워크 기반 구조를 제시한 것으로서 전체 WSN을 클러스터 계층으로 구분하는 계층적 접근을 이용하는데, 각 센서 노드는 하나의 클러스터 헤드를 중심으로 하나의 클러스터를 형성하고 전체 네트워크를 클러스터 단위로 분할한다ᅳ 각 클러스터의 클러스터 헤드는 다른 클러스터의 클러스터 헤드 또는 베이스스테이션으로 각 클러스터 내부에서 획득, 수집， 병합된 데이터를 라우팅하는 역할을 한다.
WSN의 자가구성 과정은 크게 세가지 단계로 구성되는데， 네트워크의 모양을 결정하는 네트워크 구조 결정 단계， 결정된 네트워크 구조에 따라 각 기기들을 연결하며 네트워크를 확장해나가는 네트워크 연결 단계 및 연결된 기기들이 서로 신호를 송수신하는 데이터 전송단계로 구성된다. WSN의 각 기기들은 네트워크에 가입할 때 고유의 주소를 부여 받아 이를 통해 서로를 인식하고, 하나의 부모 기기와 다수의 자녀 기기로 구성되는 클러스터 내 (intra-cluster)의 기기들간 데이터 송수신은 같은 슈퍼프레임 구간 내에서 이루어지며, 서로 먼 거리에 있는 기기들은 기기의 전송 거리 제약으로 인해 다중 흡 (multi-hop)을 통해 송수신한다. 따라서 대규모 WSN 자가구성을 위해서는 수많은 기기들에게 고유의 주소를 할당하고， 클러스터 간의 간섭을 방지하기 위해 각 클러스터가 사용하는 슈퍼프레임 구간을 독립적으로 할당하며， 다중 흡 전송을 위해 라우팅 경로를 탐색하는 것이 필수적이다.
대표적인 WSN 시스템인 지그비의 균형 트리 기반 WSN 자가구성 과정을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 네트워크 구조 결정 단계에서 네트워크 전체를 관리하는 코디네이터가 최대 네트워크 깊이, 최대 자녀 기기 수， 최대 자녀 라우터 수 등을 바탕으로 균형 트리 기반 네트워크를 구성한다. 이후 네트워크 연결 단계에서 각 기기는 통신 가능 범위 내의 라우터들을 모두 부모 후보군으로 결정하고, 이들 중 네트워크 깊이가 가장 작은 기기를 부모로 선택하여 전기능 기기 (full function device)는 라우터로， 축소기능 기기 (reduced function device)는 종단 기기 (end device)로 가입을 요청한다. 부모로 선택된 라우터는 최대 자녀 기기 수와 최대 자녀 라우터 수를 고려하여 가입을 요청한 기기의 가입 허용 여부를 스스로 결정한 뒤， 균형 트리 구조에 기반하여 상기 기기들에게 직접 주소를 할당하고 부모와 자녀의 관계를 맺는다. 이때 각 부모 기기는 균형 트리 구조를 결정하는 인자들 즉， 최대 네트워크 깊이， 최대 자녀 기기 수, 최대 자녀 라우터 수 등을 비컨 신호에 담아 전송함으로써 자녀 기기들과 균형 트리 구조를 공유한다.
만약 특정 기기가 주변의 모든 라우터들로부터 가입을 거부 당하면 네트워크 가입 실패로 판단하고 고아 (orphan) 기기가 되며， 전기능 기기는 라우터로 가입에 실패하면 종단 기기로 다시 가입을 시도하게 된다.
마지막으로 네트워크가 연결된 기기들은 데이터 전송 단계에서 균형 트리 구조에 기반한 계층적 (hierarchical) 라우팅을 통해 데이터를 전송한다.
이와 같은 지그비의 균형 트리 기반 WSN 자가구성은 네트워크 형성에 소요되는 시간 및 제어 명령 메시지 교환에 의한 트래픽을 줄일 수 있고 트리 기반 계층적 라우팅을 사용하므로 별도의 라우팅 경로탐색이 필요없다는 장점을 가지고 있지만, 네트워크 깊이에 따라 트리 구조의 크기가 지수적으로 증가하는 균형 트리의 특성 때문에 네트워크 깊이가 제한될 뿐만 아니라 운용 환경을 고려하지 않고 균형 트리 구조를 결정하므로 형성되는 WSN 망이 커짐에 따라 낭비되는 주소의 수가 증가한다는 문제를 가지고 있다. 또한 라우터 및 종단 기기가 될 수 있는 전기능 기기는 주변의 모든 부모 후보들에게 가입을 거부 당할 때까지 라우터로 가입을 요청하기 때문에 라우터가 코디네이터 주변에 몰리게 되어 네트워크 깊이가 늘어나도 네트워크가 멀리까지 확장되기는 어렵다는 단점이 있다. 뿐만 아니라 전체 네트워크가 단일 채널을 써야 한다는 제약 조건 때문에 기기의 밀도가 높을 경우에 채널이 포화상태에 이르러 클러스터들이 독립적인 슈퍼프레임을 가질 수 없게 되므로 클러스터 간 간섭으로 인하여 네트워크의 연결성이 크게 저하되는 문제점이 발생된다.
【발명의 내용】
【기술적 과제】
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 균형 트리 기반 WSN에서 네트워크 깊이에 따라 트리 구조의 크기가 지수적으로 증가하는 특성으로 인하여 네트워크 깊이가 제한되는 문제점과 네트워크의 운용 환경을 고려하지 않고 균형 트리 구조를 결정함으로 인해 형성되는 WSN 망의 낭비되는 주소수가 증가하는 문제점을 해결하고자 한다.
나아가서 라우터 또는 종단 기기가 될 수 있는 전기능 기기가 모든 부모 후보들에게 가입올 거부 당할 때까지 라우터로서 가입을 계속적으로 요청하기 때문에 코디네이터 주변에 전기능 기기가 몰리는 현상을 제거하며， 코디네이터 주변에 전기능 기기가 몰리는 현상으로 인하여 네트워크 깊이가 늘어나도 네트워크가 멀리까지 확장되기 어려운 문제점을 해결하고자 한다.
한걸음 더 나아가서 전체 네트워크가 단일 채널을 사용하는 제약 조건으로 인하여 기기의 밀도가 높을 경우에 채널이 포화상태에 이르러 클러스터들이 독립적인 슈퍼프레임을 가질 수 없게 되므로 클러스터 간 간섭으로 인하여 네트워크의 연결성이 크게 저하되는 문제점을 해결하고자 한다.
【기술적 해결방안】
상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명은， 클러스터 트리 구조 기반의 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법에 있어서, (A) 부모 기기 중 하나인 코디네이터가 WSN의 전체 지역을 연결시키기 위한 최소 네트워크 깊이 및 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 산출하고, 각각의 트리 단계에서의 네트워크 깊이에 따른 최대 자녀 라우터 기기 수 및 최대 자녀 종단 기기 수를 산출하여 네트워크 구조를 결정하는 네트워크 구조 결정 단계; (B) 각각의 트리 단계에서의 부모 기기가， 자녀 기기의 가입 요청에 따라 자녀 기기를 선택하여 주소를 할당하고 상기 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기에 대한 슈퍼프레임 구간을 할당하는 네트워크 연결 단겨 1; 및 (C) 패킷을 보유한 라우터 기기가 자신의 주소와 패킷의 최종 목적지 주소의 대비를 통해 라우팅 경로를 탐색하여 패킷을 전송하는 데이터 전송 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법을 포함한다.
바람직하게는 상기 (A) 단계는， (A-1) 평균 통신 가능 반경을 산출하고, 이에 기초하여 최소 네트워크 깊이를 산출하는 단계; (A-2) 상기 평균 통신 가능 반경 및 최소 네트워크 깊이에 기초하여 상기 평균 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 산출하는 단계; (A-3) 최대 네트워크 깊이 및 트리 단계 수를 설정하는 단계; 및 (A-4) 각각의 트리 단계에서의 네트워크 깊이에 따른 최대 자녀 라우터 기기 수 및 최대 자녀 종단 기기 수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 (A-3) 단계는， 상기 최대 네트워크 깊이를 최소 네트워크 깊이로 설정하고 상기 트리 단계 수를 사용자로부터 입력 받거나 또는 기보유된 값으로 설정하며, 상기 (A-4) 단계는, 각각의 트리 단계에 대한 트리 임계 깊이를 결정하고, 상기 최대 네트워크 깊이와 상기 트리 임계 깊이를 대비하여 각각의 트리 단계에서의 최대 자녀 라우터 기기 수 및 최대 자녀 종단 기기 수를 산출하여 각각의 트리 단계에 대한 구조를 결정할 수 있다.
바람직하게는 상기 (B) 단계는, (B-1) 자녀 기기가 부모 후보군을 선택하고, 상기 자녀 기기가 상기 부모 후보군에 포함된 각각의 부모 기기의 네트워크 깊이와 전송링크 상태 (LQ)에 근거하여 부모 기기를 선택하고 상기 선택된 부모 기기에 가입을 요청하는 단계; (B-2) 상기 선택된 부모 기기가 가입된 자녀 기기 수에 근거하여 가입을 요청한 자녀 기기를 선택하여 자녀 기기로 가입시키는 단계; (B-3) 상기 선택된 부모 기기가 가입된 자녀 기기에게 주소를 할당하는 단계; 및 (B-4) 상기 선택된 부모 기기가 주소가 할당된 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기에 슈퍼프레임 구간을 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 자녀 기기가 자녀 라우터 기기인 경우에， 상기 (B-1) 단계는， 자녀 기기가 수신된 비컨 신호의 수신 특성을 기반으로 전송링크 상태 (LQ)를 추정하고 상기 추정된 전송링크 상태 (LQ)가 임계값보다 큰 라우터들로 부모 후보군을 초기화하는 단계; 상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기들의 네트워크 깊이에 기초하여 부모 후보 집합에 포함될 부모 기기를 결정하는 단계; 상기 부모 후보 집합에서 전송링크 상태 (LQ)가 가장 작은 부모 기기를 선택하는 단계; 상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기의 수를 포함하는 가입 요청 메시지를 생성하여 상기 선택된 부모 기기에 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 자녀 기기가 자녀 라우터 기기인 경우에 상기 (B-2) 단계는， 상기 선택된 부모 기기는, 가입을 요청하는 자녀 라우터 기기들로 자녀 라우터 후보군을 초기화하는 단계; 상기 선택된 부모 기기가 코디네이터인 경우 상기 자녀 라우터 후보군에서 전송링크 상태 (LQ)가 가장 높은 자녀 라우터 기기를 선택하고， 상기 선택된 부모 기기가 라우터인 경우 상기 자녀 라우터 후보군에서 상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기의 수가 가장 작은 자녀 라우터 기기를 선택하는 단계; 상기 선택된 자녀 라우터 기기를 기가입된 자녀 라우터군에 추가하는 단계; 및 상기 기가입된 자녀 라우터군에 포함된 자녀 라우터의 수와 최대 자녀 라우터 수를 대비하여 상기 선택된 자녀 라우터 기기의 가입을 확정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 자녀 기기가 자녀 종단 기기인 경우에, 상기 (B— 1) 단계는, 자녀 기기가 수신된 비컨 신호의 수신 특성을 기반으로 전송링크 상태 (LQ)를 추정하고 상기 추정된 전송링크 상태 (LQ)가 임계값보다 큰 라우터들로 부모 후보군을 초기화하는 단계; 상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기들의 네트워크 깊이에 기초하여 부모 후보 집합에 포함될 부모 기기를 결정하는 단계; 상기 부모 후보 집합에서 전송링크 상태 (LQ)가 가장 큰 부모 기기를 선택하는 단계; 상기 선택된 부모 기기에 가입 요청 메시지를 생성하여 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 자녀 기기가 자녀 종단 기기인 경우에， 상기 (B-2) 단계는， 상기 선택된 부모 기기는 최대 자녀 기기 수에서 최대 자녀 라우터 수를 뺀 값인 최대 종단 기기 수에 기초하여 가입을 요청하는 자녀 종단 기기들에 대하여 선착순으로 자녀 종단 기기의 가입을 확정할 수 있다.
나아가서 상기 자녀 라우터 기기는， 상기 부모 후보군에 포함된 모든 부모 기기에 대한 가입 요청을 하여 상기 (B-2) 단계의 수행 결과 상기 부모 후보군에 포함된 모든 부모 기기로부터 가입이 거절된 경우， 자녀 종단 기기로서 상기 (B-1) 단계를 다시 수행할 수 있다. - 바람직하게는 상기 (B-3) 단계는 상기 선택된 부모 기기의 하위 계층 트리 단계에 가입된 최대 기기 수를 산출하는 단계; 및 상기 선택된 부모 기기에 가입된 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기들에게는 상기 최대 기기 수 간격으로 라우터 주소를 할당하고， 상기 선택된 부모 기기에 가입된 자녀 기기 중 자녀 종단 기기들에게 상기 최대 기기 수 이후부터 순차적으로 라우터 주소를 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 (B-4) 단계는， (Β-4-al) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기가 상기 선택된 부모 기기의 채널을 검색하여 검색된 채널의 사용 가능 상태를 추정하는 단계; (B-4-a2) 상기 선택된 부모 기기가 추정한 사용 가능 상태의 채널에서 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 생성하는 단계; (B-4-a3) 상기 선택된 부모 기기가 상기 후보 정보를 상기 자녀 라우터 기기에 전송하는 단계; (B-4-a4) 상기 자녀 라우터 기기가 수신된 상기 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 채널에서 사용 가능한 구간 중 하나를 슈퍼프레임 구간으로 결정하는 단계; (B-4-a5) 상기 자녀 라우터 기기가 결정된 슈퍼프레임 구간 정보를 상기 선택된 부모 기기에게 전송하는 단계; 및 (B- 4-a6) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기 간의 슈퍼프레임 구간이 할당되는 단계를 포함할 수 있다.
나아가서 상기 (B-4-a4) 단계는, 상기 자녀 라우터 기기가 수신된 상가 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 후보 정보가 포화된 채널에 해당하는 경우에 슈퍼프레임 구간 결정에 대한 실패 메시지를 상기 선택된 부모 기기에게 전송하는 단계; 및 상기 선택된 부모 기기가 다른 채널을 검색하여 상기 (Β-4-al) 단계부터 다시 수행할수도 있다.
또한 상기 (B-4) 단계는, (Β-4-bl) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기가 상기 선택된 부모 기기의 채널을 검색하여 검색된 채널의 사용 가능 상태를 추정하는 단계; (B-4-b2) 상기 자녀 라우터 기기가 추정한 사용 가능 상태의 채널에서 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 생성하는 단계; (B-4-b3) 상기 자녀 라우터 기기가 상기 후보 정보를 상기 선택된 부모 기기에 전송하는 단계; (B-4-b4) 상기 선택된 부모 기기가 수신된 상기 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 채널에서 사용 가능한 구간 중 하나를 슈퍼프레임 구간으로 결정하는 단계; (B-4-b5) 상기 선택된 부모 기기가 결정된 슈퍼프레임 구간 정보를 상기 자녀 라우터 기기에게 전송하는 단계; 및 (B-4-b6) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기 간의 슈퍼프레임 구간이 할당되는 단계를 포함할 수 있다.
나아가서 상기 (B-4-b4) 단계는, 상기 선택된 부모 기기가 수신된 상기 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 후보 정보가 포화된 채널에 해당하는 경우에 슈퍼프레임 구간 결정에 대한 실패 메시지를 상기 자녀 라우터 기기에게 전송하는 단계; 및 상기 선택된 부모 기기가 다른 채널을 검색하여 상기 (Β-4-al) 단계부터 다시 수행할 수 있다.
바람직하게는 상기 (C) 단계는 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소와 패킷의 최종 목적지 주소가 동일한 경우 상기 패킷을 보유한 라우터 기기가 상기 패킷을 수용하는 단계; 상기 패킷의 최종 목적지 주소가 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소보다 크고 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소에 자신의 하위 계층 트리 단계에 가입된 최대 기기 수를 더한 값보다 작으면 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 하위 계층 트리 단계에 가입된 자녀 기기로 상기 패킷을 전송하는 단계; 및 상기 패킷의 최종 목적지 주소가 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소보다 작거나 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소에 자신의 하위 계층 트리 단계에 가입된 최대 기기 수를 더한 값보다 크면 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 상위 계층 트리 단계의 자신이 가입된 부모 기기로 상기 패킷을 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 클러스터 트리 구조 기반의 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 시스템에 있어서, WSN의 평균 통신 반경 및 상기 평균 통신 반경내에 위치하는 기기들의 수를 산출하고， 이에 기초하여 각각의 트리 단계에서의 최대 자녀 라우터수 및 최대 자녀 기기수를 산출하여 다단계 트리 네트워크 구조를 결정하는 코디네이터; 하위 계층 트리 단계의 자녀 기기로부터 가입 요청을 받고 자신에게 가입될 자녀 기기를 선택하며， 자신에게 가입된 자녀 기기들에게 주소를 할당하는 부모기기; 및 상위 계층 트리 단계의 부모 기기를 선택하여 가입 요청을 하고 부모 기기의 선택에 따라 가입되어 주소를 할당 받는 자녀기기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 시스템을 포함한다.
바람직하게는 상기 코디네이터는, 평균 통신 가능 반경 및 상기 평균 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 산출하는 운용 환경 추정부; 및 네트워크 최대 깊이 및 각각의 트리 단계에서의 최대 자녀 라우터수 및 최대 자녀 기기수를 산출하는 다단계 균형 트리 최적화부를 포함할 수 있다.
나아가서 상기 부모 기기는， 상기 자녀 기기 중 라우터로 가입을 요청하는 자녀 라우터 기기로부터 가입 요청을 받고 이에 대한 가입 여부를 결정하며, 가입된 자녀 라우터 기기를 관리하는 자녀 라우터 선택부; 상기 자녀 기기 중 종단 기기로 가입을 요청하는 자녀 종단 기기로부터 가입 요청을 받고 이에 대한 가입 여부를 결정하며, 가입된 자녀 종단 기기를 관리하는 자녀 종단 기기 선택부; 가입된 자녀 기기에게 주소를 할당하고 상기 할당된 주소를상기 자녀 기기에게 전송하며， 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기에게는 슈퍼프레임 구간을 할당하는 다단계 트리 기반 주소 할당부를 포함할 수 있다.
또한 상기 자녀 기기는， 자녀 라우터 기기와 자녀 종단 기기를 포함하며， 상기 자녀 라우터 기기는， 부모 후보군을 선택하고 상기 부모 후보군에서 부모 기기를 선택한 후 상기 선택된 부모 기기에게 가입을 요청하는 라우터용 부모 선택부를 포함하며， 상기 자녀 종단 기기는, 부모 후보군을 선택하고 상기 부모 후보군에서 부모 기기를 선택한 후 상기 선택된 부모 기기에게 가입을 요청하는 종단 기기용 부모 선택부를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 코디네이터， 부모 기기 및 자녀 라우터 기기는， 라우터 기기로서 패킷 전송을 위한 라우팅 경로를 탐색하는 다단계 트리 기반 계층적 라우팅부를 포함할 수 있다.
【유리한 효과】 - 이와 같은 본 발명에 따르면， 코디네이터의 운용 환경 추정부가 최소 네트워크 깊이와 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 추정하고 이에 근거하여 다단계 트리 구조 결정부가 다단계 트리를 실제 기기 설치 환경에 따라 최적화함으로써 라우팅 지연을 최소화하면서 동시에 전체 기기를 연결할 수 있는 네트워크 구조를 설계할 수 있다.
나아가서 본 발명에 의하면 라우터들이 특정 방향으로 쏠리지 않고 넓은 지역에 고르게 분포할 수 있도록 유도함으로써 네트워크 연결성과 전송 성능을 극대화할 수.있다.
또한 본 발명에 따른 자녀 종단 기기의 종단 기기용 부모 선택부와 부모 기기의 자녀 종단 기기 선택부를 통해 종단 기기의 네트워크 연결성을 높일 뿐만 아니라 네트워크 연결 후 부모 라우터와 자녀 종단 기기 사이의 전송링크 상태 (LQ)를 보장하여 기기 사이의 데이터 전송 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 다단계 트리 기반 주소 할당 과정은 각 부모 기기가 네트워크 구조 결정 과정에서 결정된 다단계 트리 구조 인자에 기반하여 자신의 하위 계층 트리 단계에 가입될 최대. 기기 수를 계산하고 이를 통해 자신의 가용 주소를 결정함으로써, 별도의 메시지 교환 없이 부모 기기가 직접 주소를 할당하면서도 주소의 독립성올 보장할 수 있다.
또한 본 발명에서는 부모 기기와 자녀 라우터 기기가 각각 채널 상태를 검색한 뒤 부모 기기가 제시한 슈퍼프레임 구간 후보 정보에 대해 자녀 라우터 기기가 슈퍼프레임 구간을 최종 선택하거나， 자녀 라우터 기기가 제시한 슈퍼프레임 구간 후보 정보에 대해 부모 기기가 슈퍼프레임 구간을 최종 선택하므로， 부모 기기와 자녀 라우터 기기 각각의 채널 사용 가능 상태 정보를 효율적으로 조합하여 슈퍼프레임 구간을 할당할 수 있으며， 단일 채널을 사용하는 기존의 지그비와 달리 자녀 라우터가 부모 기기와 다른 채널을 사용하여 슈퍼프레임 구간을 할당하고 자신의 클러스터를 운영할 수 있으므로， 기기가 높은 밀도로 분포되어 있는 환경에서도 각 클러스터가 독립적인 슈퍼프레임 구간을 확보하여 클러스터 간 간섭 없이 네트워크를 연결할 수 있다.
나아가서 본 발명에서는 패킷의 라우팅 경로를 네트워크 구조 결정 과정에 따라 결정된 다단계 트리에 기반하여 결정하므로 메시지 교환， 라우팅 경로탐색 부담 및 라우팅 지연 등을 최소화하면서 높은 밀도로 넓은 지역에 설치된 다수의 기기들을 빠르게 자가구성 할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면 WSN의 자가구성 과정에서 발생하는 메시지 교환을 최소화하면서도 넓은 지역에 높은 밀도로 선택된 수많은 기기들을 네트워크에 연결하여 효과적으로 대규모 WSN자가구성 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
【도면의 간단한 설명】
도 1은 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법의 개략적인 흐름도를 도시하며，
도 2는 본 발명이 적용되는 클러스터 트리 구조 기반 WSN의 개념을 도사하며, 도 3은 본 발명이 적용되는 WSN의 채널 및 슈퍼프레임의 구조의 실시예를 도시하며 도 4는 본 발명이 적용되는 WSN 시스템의 실시예에서 통신 가능 반경과 그 내에 위치한 기기간의 평균 거리를 도시하며,
도 5는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템의 코디네이터의 개략적인 구성에 대한 실시예를 도시하며 , 도 6은 본 발명에 따른 코디네이터에 의한 네트워크 구조를 결정하는 과정에 대한 실시예의 흐름도를 도시하며 ,
도 7은 다단계 트리 구조에 기반한 WSN 구성의 실시예를 나타내며，
도 8은 상기 도 7의 논리적 구조의 WSN에 대한 다양한 물리적 구조의 WSN을 도시하며,
도 9는 상기 도 8의 실시예에 대한 각각의 구조에 대하여 본 발명에 따라 최소 네트워크 깊이와 기기들의 수를 추정하는 흐름도를 나타내며,
도 10은 본 발명에 따른 다단계 트리를 구성하는 과정의 실시예에 대한 흐름도를 도시하며，
도 11은 본 발명에 따른 부모 기기와 자녀 기기의 실시예에 대한 개략적인 구성을 나타내며，
도 12는 본 발명에 따른 라우터로 가입을 원하는 센서 기기가 부모 기기에 연결되는 과정의 실시예에 대한흐름도를 도시하며，
도 13는 본 발명에 따른 부모 기기가 자녀 라우터.를 선택하는 과정의 실시예에 대한흐름도를 도시하며，
도 14는 본 발명에 따른 종단 기기로 가입을 원하는 센서 기기가 부모 기기를 선택하는 과정의 실시예를 도시하며，
도 15는 본 발명에 따른 부모 기기가 주소를 할당하는 과정에 대한 흐름도를 도시하며，
도 16은 본 발명에 따른 자녀 라우터의 슈퍼프레임 구간을 할당하는 과정에 대한 실시예의 흐름도를 나타내며，
도 17은 본 발명에 따른 자녀 라우터의 슈퍼프레임 구간을 할당하는 과정에 대한 다른 실시예의 흐름도를 나타내며，
도 18은 본 발명에 따른 데이터 전송 과정을 수행하는 장치의 실시예를 나타내며, 도 19은 본 발명에 따른 다단계 트리 구조에 기반하여 계층적으로 라우팅 경로를 탐색하는 과정의 실시예에 대한흐름도를 도시한다.
【발명의 실시를 위한 최선의 형태】
본 발명은 대규모， 고밀집 무선 센서 네트워크를 클러스터 트리 구조로 자가 구성하기 위한 시스템과 이를 이용하여 대규모, 고밀집 무선 센서 네트워크를 자가구성하는 방법에 대한 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법의 개략적인 흐름도를 도시한다.
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법을 개략적으로 살펴보면， 우선 네트워크 구조를 결정 (S100)하고, 결정된 구조에 기초하여 네트워크를 연결 (S200)하는데, 네트워크를 연결 (S200)하는 과정은 네트워크에 포함된 각각의 기기들에서 부모 기기와 자녀 기기를 선택 (S210)하고 선택된 각각의 기기들에 주소를 할당 (S230)한 후 선택된 자녀 기기가 라우터인지를 판단 (S250)하여 선택된 자녀 기기가 라우터인 경우에는 자녀 라우터 기기에 슈퍼프레임 구간을 할당 (S270)하게 된다. 그리고 이와 같은 과정이 끝나면 연결된 네트워크 내에서 데이터를 전송 (S300)하게 된다.
【발명의 실시를 위한 형태】
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저， 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서， 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며ᅳ 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서， "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징， 숫자, 단계, 동작， 구성요소， 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지， 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자， 단계， 동작， 구성요소， 부품 또는 이들을 조합한 것들와 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서， 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 도 2는 본 발명이 적용되는 클러스터 트리 구조 기반 WSN의 개념을 도시한다.
상기 도 2의 (a)는 클러스터 트리 구조 기반의 WSN에 대한 물리적 네트워크 구조를 나타내며， (b)는 클러스터 트리 구조 기반의 WSN에 대한 논리적 네트워크 구조를 나타낸다.
본 발명은 상기 도 2의 (a)에서 보는 바와 같이 네트워크에 연결된 각 기기가 부모 기기와 자녀 기기 관계로 맺어져 있고， 하나의 부모 기기와 다수의 자녀 기기가 하나의 클러스터 (A)를 구성하며， 복수개의 클러스터가 라우터 간 부모와 자녀 관계로 연결되어 네트워크 전체가 트리 구조로 구성되는 클러스터 트리 기반 WSN 시스템에서 적용되는데, 이를 논리적 네트워크 구조로 보면 상기 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 복수의 계층 구조를 갖는 클러스터 트리 구조 기반의 WSN 시스템에 적용될 수 있다.
이와 같은 트리 구조 기반의 WSN 시스템의 구성을 상기 도 2의 (b)를 참조하여 좀 더 살펴보면, 가령 해당 WSN 시스템에 속한 하나의 기기 (200)를 기준으로, 자신이 속한 트리 단계보다 상위 계층 트리 단계에 위치되어 자신이 가입된 기기 (100)에 대해서는 상기 기기 (100)가 자녀 기기가 되고， 자신이 속한 트리 단계보다 하위 계층 트리 단계에 위치되어 자신에게 가입된 기기 (300)에 대해서는 부모 기기가 된다.
도 3은 본 발명이 적용되는 WSN의 채널 및 슈퍼프레임의 구조의 실시예를 도시하는데， 상기 클러스터는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 부모 기기가 전송한 비컨 신호로부터 시작하는 슈퍼프레임 구간에서 활성 기간 (active period) 중 데이터를 송수신하고， 슈퍼프레임아 끝난 후 다음 비컨 신호를 전송하기 전까지， 즉 비활성 기간 (inactive period) 동안에는 데이터 전송을 멈춘다고 가정한다. 또한 상기 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 WSN 시스템은 비중첩된 Nch개의 채널을 사용할 수 있으며， 각 채널은 한 비컨 신호 기간 (beacon interval) 내에 NSF개의 비 중첩된 슈퍼프레임 구간을 제공할 수 있다고 가정한다.
이와 같은 경우에 면적이 S인 공간에 통신 가능 반경 (transmission range)이 rd인 NFFD개의 전기능 기기와 NRFD개의 축소기능 기기가 임의로 흔합되어 설치되는 경우에 단위 면적당 기기의 밀도 p는 하기 [식 1]에 의해 산출될 수 있다.
Figure imgf000021_0001
도 4는 본 발명이 적용되는 WSN 시스템의 실시예에서 통신 가능 반경과 그 내에 위치한 기기간의 평균 거리를 도시하는데, 도 4에 도시된 바와 같이 각 기기의 통신 가능 반경은 rd이지만 기기들이 임의로 분포되어 있으므로 연결된 각 기기들 간의 평균 거리는 rd/V^라 할 수 있다. 따라서 코디네이터로부터 계산된 WSN의 평균 통신 가능 반경은 네트워크 깊이 D에 따라 하기 [식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
= ^ +
ᅳ ΊΓᅳ [식 2] 이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 통해 좀 더 자세히 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템 및 이를 이용한 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법을 살펴보기로 한다.
우선 본 발명에 따른 네트워크 구조를 결정 (S100)하기 위한 본 발명에 따른 코디네이터와 이를 이용하여 네트워크 구조를 결정하는 과정을 살펴보기로 한다. 도 5는 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템의 코디네이터의 개략적인 구성에 대한 실시예를 도시하며， 도 6은 본 발명에 따른 코디네이터에 의한 네트워크 구조를 결정하는 과정에 대한 실시예의 흐름도를 도시한다.
본 발명에 따른 실시예에서 네트워크 구조를 결정하는 과정 (S100)은 코디네이터 (100)가 수행하는데, 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 코디네이터 (100)는 개략적으로 운용 환경 추정부 (110)와 다단계 균형 트리 최적화부 (120)를 포함하며， 이와 같은 구성을 갖는 코디네이터 (100)를 통해 네트워크 구조를 결정하는 과정을 도 6을 참조하여 보다 자세히 살펴보자면， 먼저 코디네이터 (100)의 운용 환경 추정부 (110)가 상기 [식 2]를 근거로 네트워크 깊이에 따른 WSN의 평균 통신 가능 반경 (!))를 계산하고, 상기 통신 가능 반경 rd , 평균 통신 가능 반경 ， 단위 면적당 기기의 밀도 ρ， 면적 S 등의 정보에 근거하여 WSN의 전체 지역을 연결하는데 필요한 최소 네트워크 깊이 Dmi„ 을 산출 (S120)하고 네트워크 깊이 D (<Dmin)에서 WSN의 평균 통신 가능 반경 r„(D) 내에 위치한 기기들의 수 Nd (비를 추정 (S140)한다.
이후 코디네이터 (100)의 다단계 균형 트리 최적화부 (120)가 상기 ¾„과 Nd )를 활용하여 전체 지역을 연결하면서도 라우팅 지연을 최소화할 수 있도록 최대 네트워크 깊이 ^를 결정 (S160)하고, 상기 Nd(z>)와 네트워크 깊이 Z)에서 트리 구조로 연결할 수 있는 기기 수의 차이를 최소화할 수 있도록 트리 단계 수 ep과 상기 Z) (≤ m)에 따른 최대 자녀 라우터 기기 수 R„,(D) 및 최대 자녀 기기 수
C„,(D) 등을 결정 (S180)함으로써 연결성을 극대화할 수 있는 다단계 트리를 구성한다 .
도 7은 다단계 트리 구조에 기반한 WSN구성의 실시예를 나타낸다.
도 7에 도시된 다단계 트리 구조의 WSN 논리적 구성의 경우에 상기 코디네이터가 먼저 각 기기의 통신 가능 반경 를 바탕으로 상기 [식 2]를 통해 평균 통신 가능 반경 를 계산하고， 상기 rd , rn(D) , p , S 등의 정보를 이용하여 구성될 WSN의 전체 지역을 연결하는데 필요한 최소 네트워크 깊이 Z)mi„ 과 네트워크 깊이 D (≤ ™)에서 WSN의 평균 통신 가능 반경 r„(Z)) 내에 위치한 기기들의 수 Nd(Z))는 하기와 같이 추정할 수 있다.
상기 도 7의 실시예를 본 발명에 따른 WSN의 자가구성 방법으로 WSN의 자가구성하는 과정을 보다 쉽게 설명하기 위하여 도 8에 도시된 바와 같이 상기 도 7의 논리적 구조의 실시예를 다양한 물리적 구조의 경우로 변환하여 설명하기로 한다.
도 8은 상기 도 7의 논리적 구조의 WSN에 대한 다양한 물리적 구조의 WSN을 도시하는데， 도 8의 (a)는 WSN이 구성되는 공간이 원형이고 코디네이터가 그 공간의 중앙에 위치하는 경우이며, 도 8의 (b)는 WSN이 구성되는 공간이 사각형이고 코디네이터가 그 공간의 중앙에 위치하는 경우이며, 도 8의 (c)는 WSN이 구성되는 공간이 사각형이고 코디네이터가 그 공간의 모서리에 위치하는 경우를 나타낸다.
이와 같은 도 8의 WSN의 물리적 구조에 대한 실시예의 WSN 운용 환경에 있어서, 코디네이터 (100)가 각각의 구조에 대한 최소 네트워크 깊이와 기기들의 수를 추정하는데, 도 9는 상기 도 8의 실시예에 대한 각각의 구조에 대하여 본 발명에 따라 최소 네트워크 깊이와 기기들의 수를 추정하는 흐름도를 나타낸다.
도 9의 (a)는 상기 도 8의 (a)에 도시된 공간이 원형이고 코디네이터가 중앙에 위치하는 경우에 최소 네트워크 깊이 과 기기들의 수 Nd(/)) 값을 추정하 과정으로서， 코디네이터 (100)의 운용 환경 추정부 (110)가 원형 공간의 반경 R을 하기 [식 3]에 따라산출 (SllOa)하고 ) 을 하기 [식 4]와 같이 추정 (S120a)한다.
[식 3]
[식 4]
Figure imgf000024_0001
여기서 「 는 Χ보다 크거나 같은 정수 중 최소값을 나타낸다 . 이를 바탕으로
Nd D)을 하기 [식 5]와 같이 추정 (S140a)할 수 있다.
P^{D), for D<Dm
[식 5]
PS , ΐοτΌ≥ΰ^ 다음 예로 도 9의 (b)는 상기 도 8의 (b)에 도시된 공간이 사각형이고 코디네이터가 중앙에 위치하는 경우에 최소 네트워크 깊이 zmm 과 기기들의 수
N,
(의값을 추정하는 과정으로서， 코디네이터 (100)의 운용 환경 추정부 (110)가 D, 을 하기 [식 6]에 따라 산출 (S120b)한다.
[식 6]
Figure imgf000024_0002
여기서 «와 6는 각각 직사각형 공간의 짧은 변 길이와 긴 변 길이를 의미한다. 상기 도 8의 (b)에서 보는 바와 같이 사각형 공간에서는 r„( )가 직사각형의 벽을 넘어갈 때 통신 가능 범위의 확장이 제한된다. 이 때 rn(Z))가 코디네이터로부터 가까운 벽 즉， 코디네이터와 거리가 α/2인 벽을 넘어가는 최소 네트워크 깊이를 Da 코디네이터로부터 먼 벽 즉， 코디네이터와 거리가 ψ 인 벽을 넘어가는 최소 네트워크 깊이를 2¾라 하면, 코디네이터는 상기 와 A를 각각 하기 [식 기과
[식 8]으로 산출 (S130b)할 수 있다.
[식 7]
[식 8]
Figure imgf000025_0001
이를 바탕으로 코디네이터는 하기 [식 9]와 같이 Νά(∑))를 추정 (S140b)할 수 있다. for D<Da
Figure imgf000025_0003
Figure imgf000025_0002
[식 9]
P , iorDb <D<Dl
arA brA
^■-2 cos' -2 cos
2rn (D)
PS , for £) > £ „ 마지막 예로 도 9의 (C)는 상기 도 8의 (C)에 도시된 공간이 사각형이고 코디네이터가 모서리에 위치하는 경우에 최소 네트워크 깊이 /) 과 기기들의 수 ^υ> 값을 추정하는 과정으로서, 이 경우에 코디네이터 (100)의 운용 환경 추정부 (110)는 ,„을 하기 [식 1이과 같이 추정 (S120c)하고 이>。를 만족하는 최소 깊이 Ζ)。와 ^(의 를 만족하는 최소 깊이 Α를 각각 하기 [식 11]과 [식 12]와 같이 산출 (S130c)한 뒤， 이를 바탕으로 코디네이터 (100)의 운용 환경 추정부 (110)는 하기 [식 13]과 같이 (의를 추정 (S140c)할 수 있다.
[식 10]
Figure imgf000026_0001
Dn = miίnη{ ;(£):
[식 11]
Figure imgf000026_0003
[식 13]
Figure imgf000026_0002
상기와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 상기 네트워크 구조 결정 과정 (S100)에서 상기 코디네이터 (100)의 운용 환경 추정부 (110)가 추정한 z)rain 을 활용하여 코디네이터 (100)의 다단계 균형 트리 최적화부 (120)는 전체 지역을 연결하면서도 라우팅 지연을 최소화할 수 있도록 최대 네트워크 깊이 ^를 결정하고, 상기 (의 를 활용하여 상기 ^ (비와 네트워크 깊이 D에서 트리 구조로 연결할 수 있는 기기 수의 차이를 최소화할 수 있도록 트리 단계 수 "step (≤Wstep)과 네트워크의 깊이에 따라 최대 자녀 기기 수 및 최대 자녀 라우터 기기 수를 최적화함으로써 기기 분포에 적합한 다단계 트리를 구성하게 되는데, 도 10은 이와 같은 다단계 트리를 구성하는 과정에 대한 흐름도를 도시한다.
상기와 같은 다단계 트리 구조에서 트리 단계 수가 늘어날수록 트리 구조와 실제 기기 분포가 같아지지만 트리 구조 정보를 저장하기 위해 메모리를 많이 사용하게 되어 WSN 구현에 적합하지 않으므로， 도 10의 본 발명에 따른 실시예의 흐름도에서는 최대 트리 단계 수 啤을 3으로 결정하고 상기 다단계 트리 구조 결정 과정을 수행하는 경우를 고려하기로 한다. 그러나 이와 같이 최대 트리 단계 수 ^ ^을 3으로 제한하는 것은 본 발명에 따른 하나의 실시예로서 실제적으로 본 발명은 이에 제한되지 않고 최대 트리 단계 수 가 결정될 수 있다.
도 10을 참조하여 본 발명에 따라 다단계 트리를 구성하는 과정을 살펴보면， 먼저 코디네이터 (100)의 다단계 균형 트리 최적화부 (120)는 라우팅 지연을 최소화하면서 전체 공간을 연결할 수 있도록 최대 네트워크 깊이 Lm 을 z)m,„ 값으로 설정 (S160)한다.
그리고 ^이 문턱 값 /보다 작거나 같을 경우 (S181)인 큰 네트워크 깊이가 필요 없는 경우에는 1단계 트리로 전체 기기를 연결할 수 있다고 판단하고 " 한 뒤 (S182b) 와 C"'(D)를 각각 하기 [식 14], [식 15] 및 [식 16]에 따라 결정 (S183b)함으로써 1단계 트리를 구성하고 트리 최적화 과정을 마친다. 그러나 실제적으로는 네트워크 깊이에 따라 필요한 주소 공간이 값에 지수적으로 즈가하는 균형 트리 구조의 특성에 의해 1단계 트리는 큰 네트워크 지원하기 어려울 것이다. =
Figure imgf000028_0001
R„, , G(£m +l,R) < Nm [식 14]
C,„ =min C„, [식 15]
G{Lm,Rm)
{ {D),Cm{D)) = (Rm,Cm), ioxO≤D<Lm [식 16] 여기서 과 Cm 는 각각 ( ))과 Cm(Z))의 최대 값, B는 주소 할당에 사용되는 비트 (bit) 수， Lᅬ는 보다 작거나 같은 정수 중 최대 값 G(x,y) 하기 [식 1기과 같은 함수를 의미한다 .
, for Λ: = 1
G(x,y)- :， otherwise
[식 17]
그러나 만약 Lm >l (S181)이면 1단계 트리로 전체 기기를 연결하기 어렵다고 판단하고 2단계 이상의 다단계 트리를 구성하기 시작하는데， 먼저 1단계 트리 임계 깊이 D、을 /로 결정 (S182a)하고, 하기 [식 18]， [식 19] 및 [식 2이에 따라 비 와 를 결정 (S183a)하고 1단계 트리 구성을 마친다.
=max{R|R<Rmmax) 1 + RG(D„R) + RD'G(L„,-DI,R)<NF [식 18] C„,' [식 19]
Figure imgf000029_0001
{Rm (D),Cm {D)) = (Rm] ,CmX), forO<D<JD1 [식 20] 이후 2단계 트리를 구성하기 위해 2단계 트리 임계 깊이 A를 하기 [식 21]에 따라 결정 (S184)한다.
Z), = 1 + arg max ^(^)-ι-^,σ(ο, „)1 [식 21]
D-D, J
그리고 산출된 2단계 트리 임계 깊이 z 가 ζ)2=ζ„,-ι이면 (S185) "step =2한 뒤 (S186b) 2 =1하고 하기 [식 22] 및 [식 23]에 따라 ( )와 C»'(D)를 결정 (S187b)하여 2단계 트리를 구성한다.
2B -\-CmXG{D,Rm
[식 22]
R^G{Lm -Dl;Rm2[
{ (D),Cm (D)) = {Rm2,Cml), for ≤ D < Lm [식 23] 그러나 만약 /) 2<i„,-i이면 (S174) ep=3한 뒤 (S186a), τ?„,2=ι하고 하기 [식 24]으로
Cm2를 산출하고 상기 [식 23]에 따라 (^와 c"' (^를 결정 (S187a)하여 2단계 트리를 구성한다.
C„, [식 24]
Figure imgf000029_0002
이후 , =1하고 하기 [식 25] 및 [식 26]에 따라 (^와 C ^)를 결정 (S188)하여
3단계 트리를 구성하고 트리 최적화 과정을 마친다. , [식 25]
Figure imgf000030_0001
{ (D),Cm (D)) = (Rm3,Cm3), for ≤ D < Lm [식 26] 이와같이 본 발명에 따른 코디네이터 (100)의 운용 환경 추정부 (110)가 상기 Dmm과 Nd(z?)를 추정하고 다단계 트리 구조 결정부 (120)가 다단계 트리를 실제 기기 설치 환경에 따라 최적화함으로써 라우팅 지연을 최소화하면서도 전체 기기를 연결할 수 있는 네트워크 구조를 설계할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 도 4에서 네트워크 연결 과정 (S200)에 대하여 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
도 11은 본 발명에 따른 부모 기기와 자녀 기기의 실시예에 대한 개략적인 구성을 나타낸다.
도 11에 도시된 바와 같이 부모 기기 (200)는 자녀 라우터 선택부 (210), 다단계 트리 기반 주소 할당부 (220) 및 자녀 종단 기기 선택부 (230)를 포함하며 자녀 기기 (300))는 크게 라우터로 가입을 원하는 센서 기기인 자녀 라우터 기기 (300a)와 종단 기기로 가입을 원하는 센서 기기인 자녀 종단 기기 (300b)로 분류되며， 라우터로 가입을 원하는 센서 기기 (300a)는 라우터용 부모 선택부 (310a)를 포함하고 종단 기기로 가입을 원하는 센서 기기 (300b)는 종단 기기용 부모 선택부 (310b)를 포함한다.
상기 도 4를 같이 참조하여 부모 기기와 자녀 기기의 네트워크 연결 (S200) 과정을 좀 더 살펴보면， 부모 및 자녀를 선택 (S210)하는 과정은 먼저 자녀 기기 (300) 중 라우터로 가입을 원하는 기기 (300a)는 라우터용 부모 선택부 (310a)에서 네트워크 깊이를 활용하여 부모 후보군을 선택하고 상기 부모 후보군 중에서 네트워크 깊이와 전송링크 상태 (Link Quality ： LQ) 같은 채널 상황 정보를 이용하여 부모 기기를 선택한 뒤 가입을 요청하고， 상기 선택된 부모 기기 (200)는 자녀 라우터 선택부 (210)에서 가입을 요청한 기기들의 부모 후보 수를 고려하여 자녀 라우터 기기를 선택한다.
그리고 자녀 기기 (300) 중 종단 기기로 가입을 원하는 기기 (300b)는 종단 기기용 부모 선택부 (310b)에서 네트워크 깊이와 전송링크 상태 (LQ) 등과 같은 채널 상황 정보를 활용하여 부모를 선택한 뒤 가입을 요청하고， 상기 선택된 부모 기기 (300)는 자녀 종단 기기 선택부 (230)에서 선착순으로 자녀 종단 기기를 선택한다.
바람직하게는 본 발명의 실시 예에서 전기능 기기는 먼저 라우터로 가입을 시도한 뒤 실패하면 종단 기기로 다시 가입을 시도할 수 있고， 축소 기능 기기는 종단 기기로만 네트워크 가입이 가능하다.
이후 부모 기기 (200)는 다단계 트리 기반 주소 할당부 (230)를 통해 자녀 기기의 주소를 할당 (S230)하고， 상기 할당된 주소 정보를 자녀 기기 (300)에게 전송한다. 그리고 자녀 기기 (300)가 라우터인지를 판단 (S250)하여 만약 자녀 기기 (300)가 라우터이면, 다중 채널을 사용하여 향후 자녀 라우터 기기가 구성하게 될 클러스터의 슈퍼프레임 구간을 결정 (S270)하고， 만약 자녀 기기 (300)가 종단 기기이면 바로 네트워크 연결 과정 (S200)을 종료한다.
여기서 라우터로 가입을 원하는 센서 기기 (300a)의 라우터용 부모 선택부 (310a)가 네트워크 깊이를 활용하여 부모 후보군을 선택하고， 상기 부모 후보군 중에서 네트워크 깊이와 전송링크 상태 (LQ)과 같은 채널 상황 정보를 활용하여 부모 기기를 선택하는 과정은 도 12의 흐름도에 도시되어 있다.
도 12를 참조하여 본 발명에 있어서 , 라우터로 가입올 원하는 센서 기기 (300a)가 부모 기기 (200)에 연결되는 과정을 살펴보면， 라우터로 가입을 원하는 센서 기기 k (300a)의 라우터용 부모 선택부 (310a)는 먼저 ch개의 채널을 통해 수신된 비컨 신호의 수신 특성을 기반으로 전송링크 상태 (LQ)를 추정하고 상기 추정된 전송링크 상태 (LQ)가 원하는 전송성능을 얻기 위한 임계 값 5보다 큰 라우터들로 부모 후보군 P을 하기 [식 2기과 같이 초기화 (S211a)한다.
Pk
Figure imgf000032_0001
[식 27]
여기서 R은 네트워크 연결되어 있는 전체 라우터들의 집합을， 는 두 기기 ¬와 사이의 LQ를 나타낸다.
그리고 를 의 /번째 부모 후보로， )„a(rf)를 기기 의 네트워크 깊이로， |P |를 의 원소 개수로 정의하고， 및 를 하기 [식 28] 및 [식 29]와 같이 정의한다.
¾,,η
Figure imgf000032_0002
[식 28]
Z)d,max =m^{ )net(^)} [식 ] 만약 ¾,ram<¾.max<zM-2이면 (S212a), / = 1하고 (S213a) 부모 후보군을 선택하는데， 웨 A)와 A 가 동일한지 비교 (S214a)하여 웨 <¾ 일 경우 바로 와 | |를 비교 (S217a)하고, 만약 £ P,) = 일 경우에는 를 ᅳ { 로 설정하여 부모 후보군에서 제거 (S215a)한 뒤， /를 1만큼 감소 (S216a)시키고 / 와 | 를 비교 (S217a)한다. .
/와 |pj를 비교 (S217a)하여 만약 ,·<|ΐ\|면 /를 1만큼 증가 (S218a)시킨 후 다시 와 가 동일한지 비교 (S214a)하는 과정으로 돌아가고， 만약 ,≥ |면 부모 후보군 선택 과정을 마친다.
이와 같은 부모 후보군 선택 과정이 끝나거나 만약 Α^Η< ^<Α„— 2가 (S212a) 성립되지 않고 D ≥Lm-2또는 일 경우에， 라우터용 부모 선택부 (310a)는 선택된 부모 후보군 중 네트워크 깊이가 최소인 부모 후보들의 집합 ^를 하기 [식 30]에 따라 결정하고 ik 중에서 전송링크 상태 (LQ)가 가장 작은 부모 후보를 하기 [식 31]에 따라 부모 기기 /^로 선택한다.
Pk [식
Figure imgf000033_0001
30]
Pk = &rgmm{r (p,k)} [식 31] 상기 라우터로 가입을 원하는 센서 기기 *는 상기 부모 선택 과정이 끝난 후 부모 후보 수 | |이 포함된 가입 요청 메시지를 부모 기기 (200)에 전송한다.
이와 같이 본 발명에 따른 자녀 기기 (300)의 라우터용 부모 선택부 (310a)는 네트워크 깊이 정보를 활용하여 각 기기가 코디네이터로부터 자신보다 멀리 떨어진 기기를 부모 기기로 선택하는 것을 방지함으로써 네트워크 깊이 낭비를 막고， 전송링크 상태 (LQ) 등을 고려하여 자신과 멀리 떨어진 기기를 부모로 선택하므로 WSN 평균 통신 반경 및 네트워크의 크기를 효율적으로 확장할 수 있다.
라우터로 가입을 원하는 센서 기기 (300a)의 라우터용 부모 선택부 (310a)를 통해 선택된 부모 기기 (200)는 자녀 라우터 선택부 (210)을 통해 자녀 라우터 기기를 선택하게 되는데， 도 13는 부모 기기가 자녀 라우터 기기를 선택하는 과정을 도시한흐름도이다.
부모 기기 (200)가 자녀 라우터 선택부 (210)를 통해 자녀 라우터의 전송링크 상태 (LQ) 또는 부모 후보 수 등을 고려하여 자녀 라우터 기기 (300a)를 선택하는 과정을 상기 도 13을 참조하여 살펴보면 , 부모 기기 (200)를 라 하고, 상기 의 자녀 라우터 후보군 및 자녀 라우터군을 각각 와 ^라 할 때， 상기 자녀 라우터 선택부 (210)는 먼저 하기 [식 32]에 따라 자신에게 네트워크 가입을 요청한 기기들로 ^을 초기화 (S221a)한다.
Figure imgf000034_0001
pc} [식 32]
이후 에 + 1 로 설정하고 (S222a)ᅳ 상기 P 가 코디네이터인지 여부를 판단 (S223a)하여， 상기 尸가 코디네이터인 경우에는 하기 [식 33]에 따라 전송링크 상태 (LQ)가 가장 높은 자녀 라우터 후보를 ！ '번째 자녀 라우터 ,로 선택 (S224a)하고, 만약 상기 P가 라우터인 경우 하기 [식 34]과 같이 부모 후보 수가 가장 작은 자녀 라우터 후보를 /번째 자녀 라우터 ,로 선택 (S225a)한다.
ci =argma\{Y(P,c)} [식 33] c( =argmin{|Pc|} [식 34] 이와 같은 과정으로 선택된 자녀 라우터 정보 를 ^에 추가 (S226a)하고， I I와 min{ ?„,(Z 尸)) ,|C 을 비교 (S227a)하여， |c«|<min{^,(Dnet( )),|c¾ 이면 + ϊ 로 하고 (S228a) 다시 상기 P 가 코디네이터인지 여부를 판단 (S223a)하는 과정으로 돌아가며， 만약 ^|≥min{R„, (웨 P)),|C 이면 하기 [식 35]과 같이 자녀 라우터군을 확정 (S229a)한다.
[식 35] 만일 라우터로 가입을 원하는 기기가 모든 부모 후보들에게 가입을 거절당하면 상기 기기는 종단 기기로 가입을 재시도 한다.
이와 같은 본 발명에서는 코디네이터 또는 상기 부모 기기의 자녀 라우터 선택부를 통해 라우터들의 특정 방향으로 쏠리지 않고 넓은 지역에 고르게 분포할 수 있도록 유도함으로써 네트워크 연결성과 전송 성능을 극대화할 수 있다.
한편 종단 기기로 가입을 원하는 센서 기기 (300b)는 종단 기기용 부모 선택부 (310b)를 통해 네트워크 깊이와 전송링크 상태 (LQ) 등을 고려하여 부모 기기 (200)를 선택하는데, 이를 도 14를 참조하여 살펴보기로 한다.
도 14는 종단 기기로 가입을 원하는 센서 기기가 부모 기기를 선택하는 과정을 도시하는데, 종단 기기로 가입을 원하는 센서 기기 (300b)를 라 할 때， 상기 A'의 종단 기기용 부모 선택부 (310b)는 먼저 Λ ^개의 채널을 통해 수신된 비컨 신호의 수신 특성을 기반으로 전송링크 상태 (LQ)를 추정하고 상기 추정된 전송링크 상태 (LQ)가 5 보다 큰 라우터들로 하기 [식 36]과 같이 부모 후보군 pk, 를 초기화 (S211b)한다.
k.
Figure imgf000036_0001
[식 36]
이후 부모 후보군 중 네트워크 깊이가 최소인 부모 후보들의 집합 ^를 하기 [식 3기에 따라 결정하고， 상기 ^ 중에서 전송링크 상태 (LQ)가 가장 큰 부모 후보를 하기 [식 38]과 같이 부모 로 선택 (S219b)한 뒤 부모 선택 과정을 마친다.
[식 37]
[식 38]
Figure imgf000036_0002
종단 기기용 부모 선택부 (310b)를 통해 선택된 부모 기기 (200) ^의 자녀 종단 기기 선택부 (230)는 자녀 종단 기기군 내의 자녀 종단 기기 수 가 최대 자녀 기기 수 „(/^(^)) 에서 최대 자녀 라우터 수 를 뺀 값 cm( t½.))- 시 보다 작을 경우 상기 를 자녀 종단 기기로 선택하여 ^。에 추가할 수 있다. 즉, 상기 의 자녀 종단 기기 선택부 (230)는 최대 자녀 종단 기기 수 C„( )„e,(/ ) 의 한도 내에서 자녀 종단 기기를 선착순으로 선택한다.
이와 같이 본 발명에 따른 종단 기기로 가입을 원하는 센서 기기 (300b)의 종단 기기용 부모 선택부 (310b)와 부모 기기 (200)의 자녀 종단 기기 선택부 (230)를 통해 종단 기기의 네트워 a 연결성을 높일 뿐만 아니라 네트워크 연결 후 부모 라우터와 자녀 종단 기기 사이의 전송링크 상태 (LQ)를 보장하여 기기 사이의 데이터 전송 성능을 향상시킬 수 있다. 상기와 같은 부모 및 자녀를 .선택하는 과정 (S210)을 마치면 부모 기기 (200)의 다단계 트리 기반 주소 할당부 (220)는 자녀 라우터 선택부 (210) 또는 자녀 종단 기기 선택부 (230)에서 선택한 자녀 기기 (300)에게 주소를 할당할 수 있는데, 도 15는 본 발명에 따른 부모 기기가 주소를 할당하는 과정에 대한 흐름도를 도시한다. 도 15를 참조하면, 부모 기기 (200)를 라 할 때， 상기 p는 다단계 트리 구조 인자를 바탕으로 상기 >로부터 네트워크에 연결할 수 있는 다단계 트리 구조에서 P 의 하위 계층에 대한 최대 기기 수 c (Dnel(p)) 를 하기 [식 39]에 따라 산출 (S231)한다. + 1), for o < Dna (P)≤Lm-i
[식 39]
Figure imgf000037_0001
, iorDna(P) = Lm 이후 자녀 기기 (300)가 라우터인지를 판단 (S233)하여 자녀 기기가 라우터이면 자녀 라우터 기기의 하위 계층 트리 단계에 연결될 수 있는 기기 수를 고려하여 하기
[식 4이과 같이 c (D„et(尸)) 간격으로 라우터 주소 (총 Rm{D„a(p)) 개)를 할당 (S235)한다. ,„ =AP + (n-l)x C p (DM (P)) + \, for \≤n≤Rm (Dna (/>)) [식 40] 여기서 Λ는 부모 기기의 주소를， R,„ 는 « 번째 자녀 라우터 기기의 주소를 의미한다. 만약 자녀 기기 (300)가 라우터인지를 판단 (S233)하여 자녀 기기 (300)가 종단 기기이면 하기 [식 41]과 같이 1간격으로 자녀 종단 기기 주소 (총 cm(DnAP))- (DM(P)) 개)를 할당 (S237)한다.
ο =AP +Rm (d)xCMp (Z)net (P)) + n, for 1≤ "≤ Cm (Znet (P))-Rm (Onel (P)) [식 41] 여기서 는 «번째 자녀 종단 기기의 주소를 의미한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 다단계 트리 기반 주소 할당 과정은 각 부모 기기가 네트워크 구조 결정 과정 (S100)에서 결정된 다단계 트리 구조 인자에 기반하여 cs (o„e,(P))를 계산하고 이를 통해 자신의 가용 주소를 결정함으로써 별도의 메시지 교환 없이 부모 기기가 직접 주소를 할당하면서도 주소의 독립성을 보장할 수 있다.
한편 상기 도 4에서 자녀 기기가 라우터인지를 판단 (S250)하여， 만약 자녀 기기가 라우터일 경우에 다중 채널을 활용하고， 부모 기기와 자녀 라우터 기기의 채널 사용 가능 상태 정보를 조합하여 향후 자녀 라우터 기기가 구성하게 될 클러스터의 슈퍼프레임 구간을 할당하는 과정 (S270)은 살펴보기로 한다.
도 16은 본 발명에 있어서 자녀 라우터 기기의 슈퍼프레임 구간을 할당하는 과정에 대한 실시예의 흐름도를 나타내며, 상기 도 16을 참조하여 자녀 라우터 기기의 슈퍼프레임 구간을 할당하는 과정을 살펴보면 , 먼저 부모 기기 (200)와 자녀 라우터 기기 (300a)는 주소 할당 정보 송수신 후 각각 비활성 기간에 부모 기기 (200)의 채널을 검색하여 상기 채널의 사용 가능 상태를 추정 (S271, S272)한다.
이후 부모 기기 (200)는 자신이 추정한 채널 사용 가능 상태 정보를 이용하여 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 작성하는데ᅳ 예시적으로 8개의 구간 중 2， 5 및 7번 구간이 비어 있으면 01001010이 되며， 이와 같이 작성된 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 자녀 라우터 기기 (300a)에게 전송 (S273a)한다. 그리고 자녀 라우터 기기 (300a)는 상기 슈퍼프레임 구간 후보 정보를 수신하면 상기 슈퍼프레임 구간 후보 정보를 자신이 추정한 채널 사용 가능 상태 정보와 비교하여 사용 가능한 구간 중 하나를 슈퍼프레임 구간으로 결정 (S274a)하고， 상기 결정된 슈퍼프레임 구간 정보를 부모 기기 (200)에게 전송 (S275a)하고， 부모 기기 (200)와 자녀 라우터 기기 (300a)는 슈퍼프레임 구간 할당을 완료 (S280)한다.
만약 슈퍼프레임 구간을 결정하는 과정 (S274a)에서 채널이 포화되어 슈퍼프레임 구간을 찾지 못하면 자녀 라우터 기기 (300a)가 부모 기기 (200)에게 실패 정보를 전송 (S275a)하며 , 이 경우 부모 기기 (200)와 자녀 라우터 기기 (300a)는 자녀 라우터 기기 (300a)가 부모 기기 (200)와 다른 채널에서 슈퍼프레임 구간을 사용할 수 있도록 다중 채널 동작 모드로 변환한다.
상기 다중 채널 동작 모드에서 부모 기기 (200)는 다른 채널을 선택 (S278)하는데， 예로써 이전에 다른 채널에 대한 검색 정보가 있는 경우에는 간섭이 가장 적은 채널올 선택， 정보가 없는 경우 임의로 또는 1번부터 순서대로 채널을 선택하게 된다. 그리고 이와 같은 채널 변경 정보를 자녀 라우터 기기 (300a)에게 전송 (S279)하고， 다시 채널의 사용 가능 상태를 추정 (S271)하는 과정으로 돌아가서 채널 검색으로 시작하는 상기와 같은 슈퍼프레임 구간 할당 과정 (S270)을 반복한다. 한편 부모 기기 (200)로부터 채널 변경 정보를 전송 (S279)받아 상기 선택된 다른 채널 정보를 수신한 자녀 라우터 기기 (300a)는 다시 채널의 사용 가능 상태를 추정 (S272)하는 과정으로 돌아가서 상기 선택된 다른 채널에 대한 채널 검색으로 시작하는 상기와 같은 슈퍼프레임 구간 할당 과정 (S270)을 반복한다.
이와 같은 과정을 통해 슈퍼프레임 구간 할당이 끝나면 자녀 라우터 기기 (300a)는 상기 슈퍼프레임 구간에서 자신의 비컨 신호를 전송하고 새로운 기기들을 자녀 기기로 선택하여 클러스터를 구성할 수 있다.
도 17은 본 발명에 있어서 자녀 라우터 기기의 슈퍼프레임 구간을 할당하는 과정에 대한 다른 실시예의 흐름도를 나타내며, 상기 도 17을 참조하여 자녀 라우터 기기의 슈퍼프레임 구간을 할당하는 과정을 살펴보면, 우선 상기 도 16의 실시예에서와 마찬가지로 부모 기기 (200)와 자녀 라우터 기기 (300a)는 주소 할당 정보 송수신 후 각각 비활성 기간에 부모 기기 (200)의 채널을 검색하여 상기 채널의 사용 가능 상태를 추정 (S271, S272)한다.
이후 상기 도 17에 도시된 실시예에서는 상기 도 16의 실시예와 다르게 자녀 라우터 기기 (300a)가 자신이 추정한 채널 사용 가능 상태 정보를 이용하여 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 작성한다. 그리고 자녀 라우터 기기 (300a)가 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 부모 기기 (200)에게 전송 (S273b)한다.
상기 슈퍼프레임 구간 후보 정보를 전송 받은 부모 기기 (200)는 상기 슈퍼프레임 구간 후보 정보를 자신이 추정한 채널 사용 가능 상태 정보와 비교하여 사용 가능한 구간 중 하나를 슈퍼프레임 구간으로 결정 (S274b)하고， 상기 결정된 슈퍼프레임 구간 정보를 자녀 라우터 기기 (300a)에게 전송 (S275b)하여 부모 기기 (200)와자녀 라우터 기기 (300a)는 슈퍼프레임 구간 할당을 완료 (S280)한다. 만약 슈퍼프레임 구간을 결정하는 과정 (S274b)에서 채널이 포화되어 슈퍼프레임 구간을 찾지 못하면 부모 기기 (200)가 자녀 라우터 기기 (300a)에게 실패 정보를 전송 (S275b)하며， 이 경우 부모 기기 (200)와 자녀 라우터 기기 (300a)는 자녀 라우터 기기 (300a)가 부모 기기 (200)와 다른 채널에서 슈퍼프레임 구간을 사용할 수 있도록 다중 채널 동작 모드로 변환한다.
상기 다중 채널 동작 모드에서 부모 기기 (200)는 다른 채널을 선택 (S278)하는데 , 예로써 이전에 다른 채널에 대한 검색 정보가 있는 경우에는 간섭이 가장 적은 채널을 선택， 정보가 없는 경우 임의로 또는 1번부터 순서대로 채널을 선택하게 된다. 그리고 이와 같은 채널 변경 정보를 자녀 라우터 기기 (300a)에게 전송 (S279)하고, 다시 채널의 사용 가능 상태를 추정 (S271)하는 과정으로 돌아가서 채널 검색으로 시작하는 상기와 같은 슈퍼프레임 구간 할당 과정 (S270)을 반복한다. 한편 부모 기기 (200)로부터 채널 변경 정보를 전송 (S279)받아 상기 선택된 다른 채널 정보를 수신한 자녀 라우터 기기 (300a)는 다시 채널의 사용 가능 상태를 추정 (S272)하는 과정으로 돌아가서 상기 선택된 다른 채널에 대한 채널 검색으로 시작하는 상기와 같은 슈퍼프레임 구간 할당 과정 (S270)을 반복한다.
이와 같은 과정을 통해 슈퍼프레임 구간 할당이 끝나면 자녀 라우터 기기 (300a)는 상기 슈퍼프레임 구간에서 자신의 비컨 신호를 전송하고 새로운 기기들을 자녀 기기로 선택하여 클러스터를 구성할 수 있다. 상기에서 살펴본 바와 같이 상기 도 16 및 도 17에 도시된 슈퍼프레임 구간 할당 과정에 대한 실시예에서는 부모 기기와 자녀 라우터 기기가 각각 채널 상태를 검색한 뒤 부모 기기가 제시한 슈퍼프레임 구간 후보 정보에 대해 자녀 라우터 기기가 슈퍼프레임 구간을 최종 선택하거나, 자녀 라우터 기기가 제시한 슈퍼프레임 구간 후보 정보에 대해 부모 기기가 슈퍼프레임 구간을 최종 선택하므로， 부모 기기와 자녀 라우터 기기 각각의 채널 사용 가능 상태 정보를 효율적으로 조합하여 슈퍼프레임 구간을 할당할 수 있다. 또한 단일 채널을 사용하는 기존의 지그비와 달리 자녀 라우터 기기가 부모 기기와 다른 채널을 사용하여 슈퍼프레임 구간을 할당하고 자신의 클러스터를 운영할 수 있으므로， 기기가 높은 밀도로 분포되어 있는 환경에서도 각 클러스터가 독립적인 슈퍼프레임 구간을 확보하여 클러스터 간 간섭 없이 네트워크를 연결할 수 있다. 이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 상기 도 4에서의 데이터 전송 과정 (S300)의 동작 원리를 살펴보기로 한다.
도 18은 본 발명에 따른 데이터 전송 과정을 수행하는 장치의 실시예를 나타내는데， 본 발명에 있어서 데이터 전송 과정 (S300)은 라우터 (400)의 다단계 트리 기반 계층적 라우팅부 (410)에 의해 수행된다.
다단계 트리 기반 계층적 라우팅부 (410)가 상기에서 살펴본 과정을 통해 결정된 다단계 트리 구조에 기반하여 계층적으로 라우팅 경로를 탐색하는 과정은 도 19에 도시된 바와 같다. 먼저 현재 패킷을 가지고 있는 라우터를 Λ¾νν라 정의하고， 패킷의 다음 목적지 기기를 A¾ 라 정의하고, 패킷의 최종 목적지 기기를 이라 정의한다.
상기 현재 패킷을 가지고 있는 라우터의 주소 와 패킷의 최종 목적지의 주소 „。, 를 대비하여 만약 ( = (S310)이면 현재 패킷을 가지고 있는 라우터 자신이 직접 패킷을 수용 (S320)하고, 만약 „。,≠ 이면 라우팅 경로 탐색을 시작하여 „。,<4 ^거나 L≥UCJ (Z)„e,(V0W) 1) (S330)이면 패킷의 최종 목적지인 Final 기기가 다단계 트리 구조에서 자신의 하위 계층에 속하지 않았다고 판단하고
Λ = 로 설정하고 자신의 부모 기기인 ρ 즉， 다단계 트리 구조의 상위 계층으로 패킷을 전송 (S340)한다. 만약 4^< „。,<4^ (웨^)-1)< 이면 현재 패킷을 가지고 있는 라우터 A¾w는 패킷의 최종 목적지 ·«α/기기가 다단계 트리 구조에서 자신의 '하위 계층에 속한다고 판단하고 하기 [식 42]와 같이 알맞은 자녀 기기의 주소를 ANe,로 정한 뒤 패킷을 전송 (S350)한다.
ANex, =max{ (|^OT,, <^<min{^+CJfc,(Dnet(N0W)-l)^F,„iii}} [식 42] 상기 다단계 트리 기반 계층적 라우팅부 (410)는 패킷의 라우팅 경로를 네트워크 구조 결정 과정 (S100)에 따라 결정된 다단계 트리에 기반하여 결정하므로 별도의 라우팅 경로 탐색 부담이 없으며， 메시지 교환 및 라우팅 지연 등을 최소화하면서 높은 밀도로 넓은 지역에 설치된 다수의 기기들을 빠르게 자가구성 할 수 있다. 이와 같은 본 발명에 의하면 WSN의 자가구성 과정에서 발생하는 메시지 교환을 최소화하면서도 넓은 지역에 높은 밀도로 선택된 수많은 기기들을 네트워크에 연결하여 효과적으로 대규모 WSN자가구성 성능을 향상시킬 수 있게 된다. 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서， 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고， 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며， 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

[청구의 범위】 【청구항 11 클러스터 트리 구조 기반의 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법에 있어서，(A) 부모 기기 중 하나인 코디네이터가 WSN의 전체 지역올 연결시키기 위한 최소 네트워크 깊이 및 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 산출하고, 각각의 트리 단계에서의 네트워크 깊이에 따른 최대 자녀 라우터 기기 수 및 최대 자녀 종단 기기 수를 산출하여 네트워크 구조를 결정하는 네트워크 구조 결정 단계;(B) 각각의 트리 단계에서의 부모 기기가， 자녀 기기의 가입 요청에 따라 자녀 기기를 선택하여 주소를 할당하고 상기 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기에 대한 슈퍼프레임 구간을 할당하는 네트워크 연결 단계; 및 (C) 패킷을 보유한 라우터 기기가 자신의 주소와 패킷의 최종 목적지 주소의 대비를 통해 라우팅 경로를 탐색하여 패킷을 전송하는 데이터 전송 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법. 【청구항 2】 제 1항에 있어서, 상기 (A) 단계는，
(A-1) 평균 통신 가능 반경을 산출하고， 이에 기초하여 최소 네트워크 깊이를 산출하는 단계 ;
(A-2) 상기 평균 통신 가능 반경 및 최소 네트워크 깊이에 기초하여 상기 평균 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 산출하는 단계; (A-3) 최대 네트워크 깊이 및 트리 단계 수를 설정하는 단계; 및
(A-4) 각각의 트리 단계에서의 네트워크 깊이에 따른 최대 자녀 라우터 기기 수 및 최대 자녀 종단 기기 수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법.
【청구항 3】
제 2 항에 있어서，
상기 (A-3) 단계는,
상기 최대 네트워크 깊이를 최소 네트워크 깊이로 설정하고 상기 트리 단계 수를 사용자로부터 입력 받거나 또는 기보유된 값으로 설정하며，
상기 (A-4) 단계는,
각각의 트리 단계에 대한 트리 임계 깊이를 결정하고， 상기 최대 네트워크 깊이와 상기 트리 임계 깊이를 대비하여 각각의 트리 단계에서의 최대 자녀 라우터 기기 수 및 최대 자녀 종단 기기 수를 산출하여 각각의 트리 단계에 대한 구조를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법 .
【청구항 4】
제 1 항에 있어서，
상기 (B) 단계는，
(B-1) 자녀 기기가 부모 후보군을 선택하고， 상기 자녀 기기가 상기 부모 후보군에 포함된 각각의 부모 기기의 네트워크 깊이와 전송링크 상태 (LQ)에 근거하여 부모 기기를 선택하고 상기 선택된 부모 기기에 가입을 요청하는 단계; (B-2) 상기 선택된 부모 기기가 가입된 자녀 기기 수에 근거하여 가입을 요청한 자녀 기기를 선택하여 자녀 기기로 가입시키는 단계;
(B-3) 상기 선택된 부모 기기가 가입된 자녀 기기에게 주소를 할당하는 단계; 및 (B-4) 상기 선택된 부모 기기가 주소가 할당된 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기에 슈퍼프레임 구간을 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법 .
【청구항 5]
제 4항에 있어서，
상기 자녀 기기가 자녀 라우터 기기인 경우에，
상기 (B-1) 단계는，
자녀 기기가 수신된 비컨 신호의 수신 특성을 기반으로 전송링크 상태 (LQ)를 추정하고 상기 추정된 전송링크 상태 (LQ)가 임계값보다 큰 라우터들로 부모 후보군을 초기화하는 단계 ;
상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기들의 네트워크 깊이에 기초하여 부모 후보 집합에 포함될 부모 기기를 결정하는 단계;
상기 부모 후보 집합에서 전송링크 상태 (LQ)가 가장 작은 부모 기기를 선택하는 단계;
상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기의 수를 포함하는 가입 요청 메시지를 생성하여 상기 선택된 부모 기기에 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법.
【청구항 6]
제 5 항에 있어서,
상기 (B-2) 단계는，
상기 선택된 부모 기기는, 가입을 요청하는 자녀 라우터 기기들로 자녀 라우터 후보군을 초기화하는 단계 ;
상기 선택된 부모 기기가 코디네이터인 경우 상기 자녀 라우터 후보군에서 전송링크 상태 (LQ)가 가장 높은 자녀 라우터 기기를 선택하고， 상기 선택된 부모 기기가 라우터인 경우 상기 자녀 라우터 후보군에서 상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기의 수가 가장 작은 자녀 라우터 기기를 선택하는 단계;
상기 선택된 자녀 라우터 기기를 기가입된 자녀 라우터군에 추가하는 단계; 및 상기 기가입된 자녀 라우터군에 포함된 자녀 라우터의 수와 최대 자녀 라우터 수를 대비하여 상기 선택된 자녀 라우터 기기의 가입을 확정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법.
【청구항 7】
제 4 항에 있어서，
상기 자녀 기기가 자녀 종단 기기인 경우에，
상기 (B-1) 단계는,
자녀 기기가 수신된 비컨 신호의 수신 특성을 기반으로 전송링크 상태 (LQ)를 추정하고 상기 추정된 전송링크 상태 (LQ)가 임계값보다 큰 라우터들로 부모 후보군을 초기화하는 단계 ; 상기 부모 후보군에 포함된 부모 기기들의 네트워크 깊이에 기초하여 부모 후보 집합에 포함될 부모 기기를 결정하는 단계;
상기 부모 후보 집합에서 전송링크 상태 (LQ)가 가장 큰 부모 기기를 선택하는 단계; 상기 선택된 부모 기기에 가입 요청 메시지를 생성하여 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법.
【청구항 8]
제 7 항에 있어서，
상기 (B-2) 단계는，
상기 선택된 부모 기기는 최대 자녀 기기 수에서 최대 자녀 라우터 수를 뺀 값인 최대 종단 기기 수에 기초하여 가입을 요청하는 자녀 종단 기기들에 대하여 선착순으로 자녀 종단 기기의 가입을 확정하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법 .
【청구항 9]
제 6 항에 있어서 ,
상기 자녀 라우터 기기는,
상기 부모 후보군에 포함된 모든 부모 기기에 대한 가입 요청을 하여 상기 (B-2) 단계의 수행 결과 상기 부모 후보군에 포함된 모든 부모 기기로부터 가입이 거절된 경우， 자녀 종단 기기로서 상기 (B-1) 단계를 다시 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법.
【청구항 10] 제 4항에 있어서 ,
상기 (B-3) 단계는
상기 선택된 부모 기기의 하위 계층 트리 단계에 가입된 최대 기기 수를 산출하는 단계; 및
상기 선택된 부모 기기에 가입된 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기들에게는 상기 최대 기기 수 간격으로 라우터 주소를 할당하고，
상기 선택된 부모 기기에 가입된 자녀 기기 중 자녀 종단 기기들에게 상기 최대 기기 수 이후부터 순차적으로 라우터 주소를 할당하는 단계를 포함하는 을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법 .
【청구항 11】
제 4항에 있어서，
상기 (B-4) 단계는，
(Β-4-al) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기가 상기 선택된 부모 기기의 채널을 검색하여 검색된 채널의 사용 가능 상태를 추정하는 단계 ;
(B-4-a2) 상기 선택된 부모 기기가 추정한 사용 가능 상태의 채널에서 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 생성하는 단계 ;
(B-4-a3) 상기 선택된 부모 기기가 상기 후보 정보를 상기 자녀 라우터 기기에 전송하는 단계;
(B-4-a4) 상기 자녀 라우터 기기가 수신된 상기 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 채널에서 사용 가능한 구간 중 하나를 슈퍼프레임 구간으로 결정하는 단계 ;
(B-4-a5) 상기 자녀 라우터 기기가 결정된 슈퍼프레임 구간 정보를 상기 선택된 부모 기기에게 전송하는 단계; 및
(B-4-a6) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기 간의 슈퍼프레임 구간이 할당되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법 .
【청구항 12】
제 11 항에 있어서,
상기 (B-4-a4) 단계는，
상기 자녀 라우터 기기가 수신된 상기 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 후보 정보가 포화된 채널에 해당하는 경우에 슈퍼프레임 구간 결정에 대한 실패 메시지를 상기 선택된 부모 기기에게 전송하는 단계; 및
상기 선택된 부모 기기가 다른 채널을 검색하여 상기 (Β-4-al) 단계부터 다시 수행하는 것을 특징을 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법.
【청구항 13】
제 4항에 있어서 ,
상기 (B-4) 단계는,
(Β-4-bl) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기가 상기 선택된 부모 기기의 채널을 검색하여 검색된 채널의 사용 가능 상태를 추정하는 단계; (B-4-b2) 상기 자녀 라우터 기기가 추정한 사용 가능 상태의 채널에서 슈퍼프레임 구간으로 사용 가능한 후보 정보를 생성하는 단계 ;
(B-4-b3) 상기 자녀 라우터 기기가 상기 후보 정보를 상기 선택된 부모 기기에 전송하는 단계 ;
(B-4-b4) 상기 선택된 부모 기기가 수신된 상기 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 채널에서 사용 가능한 구간 중 하나를 슈퍼프레임 구간으로 결정하는 단계 ;
(B-4-b5) 상기. 선택된 부모 기기가 결정된 슈퍼프레임 구간 정보를 상기 자녀 라우터 기기에게 전송하는 단계 ; 및
(B-4-b6) 상기 선택된 부모 기기와 상기 자녀 라우터 기기 간의 슈퍼프레임 구간이 할당되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법 .
【청구항 14]
제 13 항에 있어서， ·
상기 (B-4-b4) 단계는，
상기 선택된 부모 기기가 수신된 상기 후보 정보와 자신이 추정한 사용 가능 상태의 채널을 비교하여 상기 후보 정보가 포화된 채널에 해당하는 경우에 슈퍼프레임 구간 결정에 대한 실패 메시지를 상기 자녀 라우터 기기에게 전송하는 단계; 및
상기 선택된 부모 기기가 다른 채널을 검색하여 상기 (Β-4-al) 단계부터 다시 수행하는 것을 특징을 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법 .
【청구항 15】
제 1 항에 있어서,
상기 (C) 단계는
상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소와 패킷의 최종 목적지 주소가 동일한 경우 상기 패킷을 보유한 라우터 기기가 상기 패킷을 수용하는 단계;
상기 패킷의 최종 목적지 주소가 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소보다 크고 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소에 자신의 하위 계층 트리 단계에 가입된 최대 기기 수를 더한 값보다 작으면 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 하위 계층 트리 단계에 가입된 자녀 기기로 상기 패킷을 전송하는 단계; 및
상기 패킷의 최종 목적지 주소가 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소보다 작거나 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 주소에 자신의 하위 계층 트리 단계에 가입된 최대 기기 수를 더한 값보다 크면 상기 패킷을 보유한 라우터 기기의 상위 계층 트리 단계의 자신이 가입된 부모 기기로 상기 패킷을 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 방법 .
【청구항 16】
클러스터 트리 구조 기반의 무선 센서 네트워크 (WSN)≤) 자가구성 시스템에 있어서， WSN의 평균 통신 반경 및 상기 평균 통신 반경내에 위치하는 기기들의 수를 산출하고， 이에 기초하여 각각의 트리 단계에서의 최대 자녀 라우터수 및 최대 자녀 기기수를 산출하여 다단계 트리 네트워크 구조를 결정하는 코디네이터; 하위 계층 트리 단계의 자녀 기기로부터 가입 요청을 받고 자신에게 가입될 자녀 기기를 선택하며， 자신에게 가입된 자녀 기기들에게 주소를 할당하는 부모기기; 및 상위 계층 트리 단계의 부모 기기를 선택하여 가입 요청을 하고 부모 기기의 선택에 따라 가입되어 주소를 할당 받는 자녀기기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 시스템.
【청구항 17】
제 16 항에 있어서，
상기 코디네이터는,
평균 통신 가능 반경 및 상기 평균 통신 가능 반경 내에 위치한 기기들의 수를 산출하는 운용 환경 추정부; 및
네트워크 최대 깊이 및 각각의 트리 단계에서의 최대 자녀 라우터수 및 최대 자녀 기기수를 산출하는 다단계 균형 트리 최적화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 시스템.
[청구항 18】
제 16 항에 있어서,
상기 부모 기기는，
상기 자녀 기기 중 라우터로 가입을 요청하는 자녀 라우터 기기로부터 가입 요청을 받고 이에 대한 가입 여부를 결정하며, 가입된 자녀 라우터 기기를 관리하는 자녀 라우터 선택부;
상기 자녀 기기 중 종단 기기로 가입을 요청하는 자녀 종단 기기로부터 가입 요청을 받고 이에 대한 가입 여부를 결정하며, 가입된 자녀 종단 기기를 관리하는 자녀 종단 기기 선택부;
가입된 자녀 기기에게 주소를 할당하고 상기 할당된 주소를 상기 자녀 기기에게 전송하며， 자녀 기기 중 자녀 라우터 기기에게는 슈퍼프레임 구간을 할당하는 다단계 트리 기반 주소 할당부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 시스템.
【청구항 19】
제 16 항에 있어서 ,
상기 자녀 기기는，
자녀 라우터 기기와 자녀 종단 기기를 포함하며，
상기 자녀 라우터 기기는， 부모 후보군을 선택하고 상기 부모 후보군에서 부모 기기를 선택한 후 상기 선택된 부모 기기에게 가입을 요청하는 라우터용 부모 섟택부를 포함하며，
상기 자녀 종단 기기는, 부모 후보군을 선택하고 상기 부모 후보군에서 부모 기기를 선택한 후 상기 선택된 부모 기기에게 가입을 요청하는 종단 기기용 부모 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 시스템.
【청구항 20】
제 16 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서，
상기 코디네이터， 부모 기기 및 자녀 라우터 기기는， 라우터 기기로서 패킷 전송을 위한 라우팅 경로를 탐색하는 다단계 트리 기반 계층적 라우팅부를 포함하는 것을 특정으로 하는 무선 센서 네트워크 (WSN)의 자가구성 시스템.
PCT/KR2012/000484 2011-02-22 2012-01-19 무선 센서 네트워크의 자가구성 시스템 및 이를 이용한 무선 센서 네트워크의 자가구성 방법 WO2012115353A2 (ko)

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