KR100650743B1 - 애드혹(Ａｄ－ｈｏｃ) 네트워크에서 유전 알고리즘을이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법 - Google Patents

애드혹(Ａｄ－ｈｏｃ) 네트워크에서 유전 알고리즘을이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 애드혹(Ad-hoc) 네트워크에서 효율적인 데이터 전송을 위하여 중계노드의 수와 전체 전력소모를 최소화할 수 있도록 유전 알고리즘(GA)을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법에 관한 것으로서, 다수의 노드들로 구성된 애드혹(Ad-hoc) 네트워크에서 유전 알고리즘(GA)을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법에 있어서, 상기 Ad-hoc 네트워크를 구성하는 다수의 노드들을 하나의 염색체로 정의하고 상기 염색체를 각 노드별 {순서,전력} 쌍으로 표현하는 제1단계; 상기 노드들 중 소스노드와 인접한 부모노드에 대하여 순서기반의 교배 및 전력기반의 교배를 수행하여 자녀노드를 생성하는 제2단계; 상기 부모노드 및 자녀노드에 대하여 돌연변이 과정을 수행하는 제3단계; 상기 염색체의 각 노드별 순서 및 전력 정보를 브로드캐스트 라우팅 트리 정보로 변환하여 중계노드를 결정하고 상기 중계노드의 전력을 결정하는 제4단계; 및 상기 중계노드의 개수 및 전력을 이용하여 브로드캐스트 라우팅 경로를 선택하는 제5단계를 포함한다.
애드혹(Ad-hoc) 네트워크, 유전 알고리즘(GA), 브로드캐스트, 라우팅, 경로, 염색체, 노드, 순서, 전력

Description

애드혹(Ａｄ－ｈｏｃ) 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법{Braodcast routing path selection method using genetic algorithm in Ad-hoc network}
도 1은 본 발명이 적용되는 애드혹(Ad-hoc) 네트워크의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유전 알고리즘(GA)의 전체 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 유전 알고리즘을 적용한 브로드캐스트(Broadcast) 라우팅 경로 선택방법을 보이는 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유전 알고리즘에서의 표현(Representation)을 수행하는 과정을 보이는 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 유전 알고리즘에서의 교배(Crossover)를 수행하는 과정을 보이는 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 유전 알고리즘에서의 돌연변이(Mutation)를 수행하는 과정을 보이는 흐름도이다.
도 7은 본 발명에 따른 유전 알고리즘에서의 평가(Evaluation)를 수행하는 과정을 보이는 흐름도이다.
본 발명은 애드혹(Ad-hoc) 네트워크에서의 브로드캐스트 라우팅 방법에 관한 것으로서, 특히 Ad-hoc 네트워크에서 효율적인 데이터 전송을 위하여 중계노드의 수와 전체 전력소모(total power consumption)를 최소화할 수 있도록 하는 Ad-hoc 네트워크에서 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법에 관한 것이다.
애드혹(이하, Ad-hoc이라 한다) 네트워크는 노드들에 의해 자율적으로 구성되는 기반구조 없는 네트워크로서, 네트워크의 구성 및 유지를 위해 기지국이나 액세스 포인트와 같은 기반 네트워크 장치를 필요로 하지 않는다. Ad-hoc 노드들은 무선 인터페이스를 사용하여 서로 통신하고, 멀티 홉 라우팅 기능에 의해 무선 인터페이스가 가지는 통신 거리 상의 제약을 극복하며, 노드들의 이동이 자유롭기 때문에 네트워크 토폴로지가 동적으로 변화되는 특징이 있다. 이러한 Ad-hoc 네트워크는 완전 독립형이 될 수도 있고, 인터넷 게이트웨이를 거쳐 인터넷과 같은 기반 네트워크와 연동될 수도 있으며, 응용 분야로는 긴급 구조, 긴급 회의, 군사용 네트워크 등이 있다.
이와 같이, 서로 다른 여러 개의 노드들이 자유롭게 움직이면서 무선 링크를 통해 서로 통신하는 Ad-hoc 네트워크에서는 모든 노드가 송신기이자 수신기의 역할을 수행하게 되므로 어떻게 라우팅(routing)과 스케쥴링(scheduling)을 할 것인가 가 통신에서의 핵심 문제가 된다.
Ad-hoc 네트워크에서는 링크가 무선이므로 한 노드가 한 번의 전송으로 주변의 모든 노드에게 메시지를 보낼 수 있다. 이러한 특성을 브로드캐스트(broadcast)에 이용하여 자원 이용의 효율을 높일 수 있으며, 이는 소스 노드(source node)로부터 네트워크의 모든 노들들이 중계노드를 통해 연결되도록 만들어 줌으로서 실현될 수 있다. 따라서, Ad-hoc 네트워크에서 효율적인 데이터 전송을 위한 문제는 브로드캐스트 라우팅 트리를 구성하는 문제로 귀결됨을 쉽게 알 수 있다.
당해 기술 분야에서는 상기에서 기술한 문제점을 해결하기 위하여 Ad-hoc 네트워크에서의 망 자원 사용을 최소화할 수 있는 브로드캐스트 라우팅 방법이 필요하게 되었으며, 이러한 문제점을 해결하기 위한 노력이 현재에도 계속 진행되고 있다.
한편, 한국공개특허공보 제2005-7802호(명칭:에너지 기반 가상 링크코스트 이동 애드혹 네트워크 라우팅 기법) 및 제2004-4953호(명칭:애드혹 네트워크에서 데이터 전송 경로 설정장치 및 방법)에는 애드혹 네트워크에서의 라우팅 방법을 개시하고 있다. 전자는 이동 애드혹 네트워크의 작동시간을 연장하기 위한 에너지 기반 패킷 라우팅 기법을 제공하고, 후자는 데이터 전송 경로를 단축하기 위하여 최소한의 오류를 갖는 경로를 설정하는 기술을 제시하고 있다. 그러나, 이들 선행특허에서는 Ad-hoc 네트워크에서의 브로드캐스트 라우팅시 자원을 효율적으로 사용할 수 있도록 중계노드 및 전체 전력소모를 최소화하는 브로드캐스트 라우팅 방법은 제시하지 않고 있다.
상술한 바와 같은 필요성에 의해 안출된 본 발명은 유전 알고리즘(GA)을 이용하여 Ad-hoc 네트워크에서 데이터 전송시 망의 자원을 최대한 효율적으로 사용할 수 있도록 중계노드(relay node)의 수와 전체 전력소모를 최소화할 수 있는 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 Ad-hoc 네트워크에서의 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법은, 다수의 노드들로 구성된 애드혹(Ad-hoc) 네트워크에서 유전 알고리즘(GA)을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법에 있어서,
상기 Ad-hoc 네트워크를 구성하는 다수의 노드들을 하나의 염색체로 정의하고 상기 염색체를 각 노드별 {순서,전력} 쌍으로 표현하는 제1단계; 상기 노드들 중 소스노드와 인접한 부모노드에 대하여 순서기반의 교배 및 전력기반의 교배를 수행하여 자녀노드를 생성하는 제2단계; 상기 부모노드 및 자녀노드에 대하여 돌연변이 과정을 수행하는 제3단계; 상기 염색체의 각 노드별 순서 및 전력 정보를 브로드캐스트 라우팅 트리 정보로 변환하여 중계노드를 결정하고 상기 중계노드의 전력을 결정하는 제4단계; 및 상기 중계노드의 개수 및 전력을 이용하여 브로드캐스트 라우팅 경로를 선택하는 제5단계를 포함한다.
상기 제1단계는 브로드캐스트 라우팅을 위하여 상기 네트워크의 모든 노드가 소스노드에 직접 연결되거나 중계노드를 통해 연결되도록 하고 상기 각 노드에 대한 연결 순서 및 데이터 전송 전력을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 순서는 바람직하게는 상기 소스노드에 직접 연결되거나 중계노드를 통해 연결되는 연결 순서이며, 상기 전력은 바람직하게는 상기 각 노드에서 데이터를 수신하여 전송하는데 필요한 에너지이다.
상기 제2단계는 상기 소스노드에 인접한 제1 및 제2 부모노드의 전송 전력을 상호 비교하여 전송 전력이 더 적은 하나의 부모노드를 선택하는 단계; 상기 소스노드에 인접한 제3 및 제4 부모노드의 전송 전력을 상호 비교하여 전송 전력이 더 적은 하나의 부모노드를 선택하는 단계; 및 상기 두 단계에서 선택된 2개의 부모노드를 교배하여 제1 및 제2 자녀노드를 생성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기한 본 발명의 경로 선택방법은, 상기 생성된 제1 자녀노드가 상기 제1 및 제2 부모노드보다 전송 전력이 적으면 상기 제1 및 제2 부모노드 중 전송 전력이 더 적은 하나의 부모노드와 상기 제1 자녀노드를 상기 부모노드의 다음 세대의 노드로 결정하고, 전송 전력이 크거나 같으면 상기 제1 및 제2 부모노드를 상기 다음 세대의 노드군(pool)으로 결정하는 단계; 및 상기 생성된 제2 자녀노드가 상기 제3 및 제4 부모노드보다 전송 전력이 적으면 상기 제3 및 제4 부모노드 중 전송 전력이 더 적은 하나의 부모노드와 상기 제2 자녀노드를 상기 다음 세대의 노드로 결정하고, 전송 전력이 크거나 같으면 상기 제3 및 제4 부모노드를 상기 다음 세대의 노드군(pool)으로 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 및 제2 자녀노드의 생성단계는, 0~1 사이의 값을 임의로 생 성하는 단계; 및 상기 생성값이 미리 설정된 제1기준값(R_ORDERCROSSOVER(0.5))보다 작으면, 상기 2개의 부모노드에 대하여 순서기반의 부분 매칭 교배(Partially Matched Crossover:PMX)를 수행하여 제1 및 제2 자녀노드의 순서값을 결정하는 단계를 포함할 수 있으며, 또한 0~1 사이의 값을 임의로 생성하는 단계; 및 상기 생성값이 미리 설정된 제2기준값(R_POWERCROSSOVER(0.5))보다 작으면, 상기 2개의 부모노드에 대하여 전력기반의 블렌드 교배(Blend Crossover:BLX)를 수행하여 제1 및 제2 자녀노드의 전력값을 결정하는 단계를 포함할 수도 있다.
상기 제3단계는 상기 1개의 염색체에서 한쌍의 노드를 선택하여 순서를 서로 바꾸는 단계; 및 상기 1개의 염색체에서 1개의 노드를 선택하여 [0,최대전력값]에서 임의로 생성된 실수를 상기 노드의 전력으로 바꾸는 단계를 포함한다. 여기서, 상기한 상기 두 단계는 서로 독립적으로 수행되는 것이 바람직하며, 상기 순서를 바꾸는 단계는 0~1 사이의 값을 임의로 생성하는 단계; 및 상기 생성값이 미리 설정된 제3기준값(R_ORDERMUTATION(0.001))보다 작으면, 상기 부모노드 및 자녀노드에 대하여 순서기반의 돌연변이 과정을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 전력을 바꾸는 단계는, 0~1 사이의 값을 임의로 생성하는 단계; 및 상기 생성값이 미리 설정된 제4기준값(R_POWERMUTATION(0.5))보다 작으면, 상기 부모노드 및 자녀노드에 대하여 전력기반의 돌연변이 과정을 수행하는 단계를 포함한다.
더불어, 상기한 본 발명의 경로 선택방법에서 상기 제4단계는, 상기 소스노드의 전력으로 커버(cover)되는 노드들의 집합(C)에서 순서가 낮은 순서대로 노드들을 정렬하는 단계; 상기 노드들 각각에 대해 자신의 이웃노드 중 커버되지 않는 노드가 있다면 자신을 중계노드로 결정하는 단계; 아직 커버되지 않은 노드들 중 상기 결정된 중계노드의 중계에 의해 커버되는 노드들을 상기 C집합에 추가하는 단계; 및 상기 염색체의 모든 노드가 커버될 때까지 상기 단계들을 반복하는 단계를 포함한다.
나아가, 상기한 본 발명의 경로 선택방법에서 상기 제5단계는, 각 브로드캐스트 라우팅 경로에 따른 중계노드 수 및 전력 소모를 계산하는 단계; 및 상기 중계노드의 개수 및 전력 소모가 최소인 브로드캐스트 라우팅 경로를 선택하는 단계를 포함한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 그에 대한 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1은 본 발명이 적용되는 애드혹(Ad-hoc) 네트워크의 구성예를 도시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 Ad-hoc 네트워크(100)는 다수의 노드들(101~103)로 구성된다. 각 노드는 소스노드(source node), 중계노드(relay node), 목적노드(destination node)가 될 수 있다. 도 1의 예시도에서는 하나의 소스노드(101)와 여러 개의 중계노드(102) 또는 목적노드(103)를 포함하는 Ad-hoc 네트워크를 예시적으로 도시하고 있다. 도면에는 미도시 되었으나 Ad-hoc 네트워크를 구성하고 있는 노드들이 전송한 데이터들을 다른 통신 시스템(예컨대, 인터넷 네트워크)으로 전달하기 위하여 하나 이상의 게이트웨이를 더 포함할 수도 있다.
도 1에서, 소스노드(101)는 전송할 데이터를 인접한 중계노드(102)로 전송하고 상기 중계노드(102)는 상기 데이터를 다른 인접한 중계노드(102)로 전송한다. 이러한 일련의 전송과정을 거쳐 상기 데이터를 최종 목적노드(103)로 전송하게 된다. 이와 같이 각 노드들은 전송할 데이터를 인접한 노드들을 이용하여 전송함으로써 데이터 전송에 따른 전체 전력 소모(power consumption)를 최소화한다. 여기서, 전력(power)은 각 노드에서 데이터를 수신하고 이를 다른 노드로 전송하는데 소모되는 에너지를 의미한다. 상기에서 중계노드(102)는 다른 노드들의 데이터를 중계하는 역할을 수행한다.
도 2는 본 발명에 따른 유전 알고리즘(GA)의 전체 흐름도이다.
우선, 본 발명에서 이용되는 따른 유전 알고리즘(GA:genetic algorithm)에 대하여 간단하게 설명한다. 일반적인 최적화 문제들은 비선형성이 많이 존재하기 때문에 해답을 구하는데 있어 많은 어려움이 따른다. 이러한 최적화 문제를 해결하기 위하여 다양한 기법들이 소개되어 있는 가운데, 최근 생물의 진화 메커니즘을 이용한 유전 알고리즘이 제시되고 있다. 유전 알고리즘(GA)은 생태의 진화과정, 즉 자연선별(natural selection)과 유전법칙을 모방한 확률적 최적해 탐색 기법이다. 이러한 유전 알고리즘은 1975년 J. Holland의 논문 "Adaptation in Natural and Artificial Systems" 에서 처음 소개되었다.
유전 알고리즘은 적자 생존과 자연 도태의 진화원리를 이용하여 최적 해답을 찾는 방법이다. 문제의 기본해를 유전자(gene)라고 불리는 숫자나 기호의 배열인 염색체(chromosome)로 표현하고 초기 모집단(initial population)을 구성한다. 초기 모집단구성 후 선택(selection)과 유전 연산자에 해당하는 교배(crossover), 돌연변이(mutation) 과정을 통해 새로운 모집단을 형성하는 진화를 통해 우수한 해답을 찾는 방식이다. 유전 알고리즘에서의 해답의 표현(representation)은 해결하고자 하는 문제에 따라 이진수나 실수로 다양하게 표현될 수 있다.
이러한 유전 알고리즘(GA)은 어떤 문제에 가장 적합한 해답을 진화를 통해서 찾아가는 인공지능의 한 분야이다. 예를 들어, 어떤 문제에 대한 해결방안 한 가지를 하나의 유전자라고 하고, 여러 가지의 해결방안(유전자)을 임의로 만든다. 이렇게 만들어진 해결방안들은 상대적으로 문제에 적합한 정도를 알아 볼 수 있다. 가지고 있는 해결방안 중 문제에 가장 적합한 두개를 골라서 교배(crossover), 돌연변이(mutation) 과정을 통해 새롭게 더 나은 해결방법을 만들어 낸다. 새롭게 만든 해결방법을 가지고 이런 방법을 계속해서 문제에 대한 최적의 해결방안을 찾아낸다.
교배 연산자는 개체들끼리 유전자 배열을 섞는 역할을 수행한다. 개체의 진화는 돌연변이에 의해 발생할 수도 있지만(확률은 낮은), 주로 개체들끼리의 교배 과정에 의해 발생한다. 유전 알고리즘에서의 교배는 두 과정으로 구성된다. 즉, 하 나 혹은 두 개 이상의 교배 대상의 개체(들)를 선택하는 과정과, 유전자 배열 중의 임의의 위치를 선택하고 개체들간의 유전자 배열을 바꾸는 과정으로 구성된다. 이러한 과정을 통해 개체군(pool)이 세대가 지날수록 환경에 적응하는 개체들이 늘어나게 된다.
돌연변이 연산자는 유전자 배열 중의 유전자(gene)를 바꾸는 역할을 수행하기 위한 것으로서, 교배 과정을 통해 개체 진화의 한계를 극복하기 위한 것이다. 하지만 돌연변이가 발생하는 확률을 너무 높게 설명하면 무작위 탐색이 될 수 있으므로 적절한 돌연변이의 발생이 요구된다. 일반적으로 돌연변이 발생 확률을 0.01로 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 상기한 유전 알고리즘(GA)을 이용하여 Ad-hoc 네트워크에서 브로드캐스트 라우팅 경로를 최적으로 선택하는 방법을 제공한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 이용되는 유전 알고리즘은 전체적으로 표현과정(S20), 선택과정(S22), 교배과정(S24), 돌연변이과정(S26), 평가과정(S28) 및 계산과정(S30)으로 구성된다.
상기 S20 단계에서는 여러 개체로 이루어진 모집단을 운용하여 최적해를 탐색하기 위하여 Ad-hoc 네트워크를 구성하는 각 노드를 하나의 염색체로 구현하고, 상기 각 노드에 대하여 순서기반의 유전 알고리즘(order based GA)과 전력기반의 유전 알고리즘(real number based GA)을 쌍(pair)로 하여 해결하고자 하는 문제의 해를 개체로 표현한다. 즉, 네트워크를 구성하는 각 노드별로 (순서,전력)의 쌍으로 표현한다. 상기 S22 단계에서는 염색체로 표현된 노드들 중 소스 노드로부터 인 접한 2개의 부모 노드(parent node)를 선택한다. 상기 S24 단계에서는 상기 선택된 부모 노드로부터 유전 알고리즘 연산자인 교배 과정을 통해 자녀 노드(child node)를 생성한다. 상기 S26 단계에서는 상기 생성된 자녀 노드에 대하여 돌연변이 과정을 수행한다. 상기 S28,S30 단계에서는 상기 표현(representation)을 유전 알고리즘(GA)에 사용하기 위해 염색체로 표현된 정보를 브로드캐스트 라우팅(broadcast routing) 정보로 바꾸고 개체의 적응성(fitness)을 평가하고 해를 계산한다.
도 3은 본 발명에 따른 Ad-hoc 네트워크에서 유전 알고리즘(GA)을 적용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법을 보이는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 Ad-hoc 네트워크 환경을 구축하고, 상기 Ad-hoc 네트워크를 구성하는 전체 노드들에 대하여, 각 노드별로 순서(order) 및 전송 전력(transmission power)을 하나의 쌍(pair)으로 표현한다(S300). 보다 상세하게는, 본 발명의 Ad-hoc 네트워크의 각 노드들에 대하여 순서 기반의 유전 알고리즘(order based GA)과 전송 전력 기반의 유전 알고리즘(real number based GA)을 결합한 형태로 Ad-hoc 네트워크의 각 노드별로 (순서,전송전력)의 쌍으로 각각 설정하고, 이러한 각 노드들을 개체들로 표현(representation)한다. 이와 같이 표현된 개체들은 제1세대로서 부모 노드(parent node)가 되고, 이들 개체들은 하나의 개체군(pool)을 형성한다.
상기와 같이 표현된 Ad-hoc 네트워크의 개체들 중에서 소스 노드에서 인접한 제1 및 제2 부모 노드를 선택하고(S302), 상기 제1,2 부모 노드의 전송 전력을 서 로 비교하여(S304) 전송 전력이 더 적은 부모 노드를 선택한다(S306). 또한, 상기 소스 노드에서 인접한 다른 제3 및 제4 부모 노드를 선택하고(S308), 상기 제3,4 부모 노드의 전송 전력을 서로 비교하여(S310) 전송 전력이 더 적은 부모 노드를 선택한다(S312).
상기 S309 단계에서 제1,2 부모 노드 중 선택된 부모 노드와 상기 S312 단계에서 제3,4 부모 노드 중 선택된 부모 노드를 교배(crossover)하여 제1 및 제2 자녀 노드를 생성한다(S314). 이러한 부모 노드 및 자녀 노드는 트리 구조로 표시될 수 있으며, 이러한 트리 구조에서 자녀 노드는 부모 노드의 다음 세대를 구성하게 된다.
상기 생성된 제1,2 자녀 노드에 있어서, 상기 제1 자녀노드가 상기 제1,2 부모 노드보다 전송 전력이 적은지를 판단하여(S316), 상기 제1 자녀 노드가 상기 제1,2 부모 노드보다 전송 전력이 적으면, 상기 제1,2 부모 노드 중 전송 전력이 더 적은 부모 노드와 상기 제1 자녀노드를 다음 세대의 개체군(pool)에 넣고(S318), 그렇지 않으면 상기 제1,2 부모 노드를 다음 세대의 개체군(pool)에 넣는다(S320). 또한, 상기 제2 자녀 노드에 대해서도 마찬가지로 상기 제2 자녀 노드가 상기 제3,4 부모 노드보다 전송 전력이 적은지를 판단하여(S322), 상기 제2 자녀 노드가 상기 제3,4 부모 노드보다 전송전력이 적으면, 상기 제3,4 부모 노드 중 전송 전력이 더 적은 부모 노드와 상기 제2 자녀 노드를 다음 세대의 개체군에 넣고(S324), 그렇지 않으면 상기 제3,4 부모 노드를 다음 세대의 개체군에 넣는다(S326).
상기 다음 세대의 개체군에 저장된 4개의 노드에 대해 돌연변이(mutation) 과정을 수행한다(S328). 상기 다음 세대의 개체군에 저장된 4개의 노드는 제1 자녀 노드, 제1 부모 노드 및 제2 부모 노드 중에서 전송 전력이 더 적은 2개의 노드와, 상기 제2 자녀 노드, 제3 부모 노드 및 제4 부모 노드 중에서 전송 전력이 더 적은 2개의 노드이다. 여기서, 주의할 것은, 상기 S328 단계에서는 네트워크의 노드들의 순서 및 전송 전력의 특성상, 상기 S306 단계에서 제1,2 부모 노드 중 선택된 하나의 부모 노드 및 상기 S312 단계에서 제3,4 부모 노드 중 선택된 부모 노드와, 상기 S314 단계에서 생성된 제1,2 자녀 노드에 대하여 돌연변이 과정을 수행하는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 다음 세대의 개체군에 저장될 수 있는 제1~4 부모 노드에 대한 돌연변이 과정을 배제하는 것은 아니다.
이와 같이, 상기 S302~S328 단계를 수행한 후, 상기 다음 세대의 개체군(pool)이 모두 채워졌는지를 확인하여(S330), 모두 채워졌으면 데이터를 전송할 중계 노드를 결정하고(S332), 상기 중계 노드의 소비 전력을 결정하기 위한 평가 과정을 수행한다(S334). 만약, 모두 채워지지 않았으면 상기 다음 세대의 개체군이 모두 채워질 때까지 상기 S302~S328 단계를 반복한다.
도 4 내지 도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 Ad-hoc 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법에서의 표현(representation)과정, 교배(crossover)과정, 돌연변이(mutation)과정 및 평가(evaluation)과정을 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 Ad-hoc 네트워크에 적용되는 유전 알고리즘에서의 표 현과정을 보이는 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 Ad-hoc 네트워크를 구성하는 각 노드를 하나의 염색체로 표현한다. 상기 노드의 개수를 n개라고 하면, 1개의 염색체는 n개(노드수)의 쌍(pair), 즉 n개의 각 노드별로 {순서,전력}으로 구성된다. 브로드캐스트 라우팅(broadcast routing)을 위하여 네트워크의 모든 노드가 소스 노드에 바로 연결되어 있거나 혹은 중계 노드를 통해 연결되어 있어야 한다는 것을 표현하기 위해 네트워크 내의 모든 노드에 대해 순서 넘버링(order numbering)을 하고, 전체 노드의 순서 및 전송 전력을 쌍으로 표현한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전체 노드의 개수는 n개이고, 각 노드별로 해당 노드의 순서 및 해당 노드의 전송 전력을 각각 하나의 쌍(pair)으로 구현함으로써 네트워크를 구성하는 전체 노드를 표현(representation)한다.
도 5는 본 발명에 따른 Ad-hoc 네트워크에 적용되는 유전 알고리즘에서의 교배과정을 보이는 흐름도이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유전 알고리즘에서의 교배 과정은 선택된 2개의 부모 노드를 교배하여 2개의 자녀 노드를 생성하는 것이다. 이러한 교배 과정에서는 순서 기반의 교배과정과 전력 기반의 교배과정으로 구분되며, 교배 과정에서는 노드의 순서값 및 전송 전력값이 결정된다.
도 5를 참조하면, 2개의 부모 노드(xi (1,t),xi (2,t))가 주어지면 자녀 노드의 순 서에 대해서는, 0~1 사이에서 임의의 값을 생성하고(S500), 상기 생성된 값과 미리 설정된 R_ORDERCROSSOVER(α)(이때, α=0.5로 설정함)을 서로 비교하여(S502), 상기 생성된 값이 상기 미리 설정된 R_ORDERCROSSOVER(0.5)보다 작거나 같으면 상기 2개의 부모 노드(xi (1,t),xi (2,t))를 이용하여 순서 기반의 교배인 부분적 매칭 교배(Partially Matched Crossover:PMX)를 수행한다(S504). 이로써 상기 PMX 수행에 의하여 상기 2개의 부모 노드의 교배를 통해 제1 및 제2 자녀 노드를 생성하여, 제1 부모 노드의 임의의 노드에 대한 순서값을 제1 자녀 노드의 순서값으로 배정하고, 제2 부모 노드의 임의의 노드에 대한 순서값을 제2 자녀 노드의 순서값을 배정한다.
이어, 2개의 부모 노드(xi (1,t),xi (2,t))가 주어지면 상기 자녀 노드의 전송 전력에 대해서는, 상기 PMX 수행 여부와는 상관없이 0~1 사이에서 임의의 값을 생성하고(S506), 상기 생성값과 미리 설정된 R_POWERCROSSOVER(α)(이때, α=0.5로 설정함)을 서로 비교하여(S508), 상기 생성값이 상기 R_POWERCROSSOVER(0.5)보다 작거나 같으면 상기 2개의 부모 노드(xi (1,t),xi (2,t))를 이용하여 전력 기반의 교배인 블렌드 교배(Blend Crossover:BLX)를 수행한다(S510). 이로써 상기 BLX는, 2개의 부모 노드 xi (1,t)와 xi (2,t)에 대하여(이때, xi(1,t) < xi(2,t)로 가정함), [xi (1,t)-α (xi (2,t)-xi (1,t)), xi (2,t)+α(xi(2,t)-xi (1,t)] 범위 내에서, ri=(1+2α)ui - α(α=0.5, ui=생성값)에서, xi (1,t+1)=(1-ri)xi (1,t) + rixi (2,t)로 나타낸다. 이로써, 상기 BLX의 수행에 의하여 두 개의 부모 노드로부터 생성된 2개의 자녀 노드의 전력값을 생성한다.
이와 같은 과정을 통해 2개의 부모 노드의 다음 세대인 2개의 자녀 노드에 대한 (순서값, 전력값)이 결정된다(S512).
도 6은 본 발명에 따른 Ad-hoc 네트워크에 적용되는 유전 알고리즘에서의 돌연변이 과정을 보이는 흐름도이다. 본 발명에 따른 유전 알고리즘에서의 돌연변이 과정도 순서 기반의 돌연변이 과정과 전력 기반의 돌연변이 과정으로 구분되며, 이러한 돌연변이 과정에서는 노드의 순서값 및 전송 전력값을 바꾼다. 본 발명에서, 순서에 대해서는 1개의 염색체에서 임의로 2개의 노드에 해당하는 한 쌍을 뽑아 순서를 바꾸는 것을 순서 돌연변이로 정의하고, 전력에 대해서는 1개의 염색체에서 1개의 노드를 뽑아 [0,최대전력값]에서 임의로 생성한 실수를 그 노드의 전력으로 바꾸는 것을 전력 돌연변이라 정의한다.
도 6을 참조하면, 우선 상기한 바와 같이, 본 발명이 적용되는 Ad-hoc 네트워크를 구성하는 각 노드를 1개의 염색체로 표현한다. 상기 노드의 개수를 n개라고 하면, 1개의 염색체는 n개(노드수)의 (순서,전력)쌍으로 표현된다.
순서 기반의 돌연변이 과정을 수행하기 위하여, 0~1 사이에서 임의의 값을 생성하고(S600), 상기 생성된 값과 미리 설정된 R_ORDERMUTATION(α)(이때, α=0.001로 설정함)을 서로 비교하여(S602), 상기 생성된 값이 상기 R_ORDERCROSSOVER(0.001)보다 작거나 같으면, n개의 노드로 구성된 1개의 염색체에서 임의로 2개의 노드를 선택하여 그 순서(order)를 서로 바꾼 후(S604) 다음 단계(S606)로 진행하고, 상기 생성된 값이 상기 R_ORDERCROSSOVER(0.001)보다 크면 바로 다음 단계(S606)로 진행한다.
이어, 상기 도 4의 S306 단계에서 제1,2 부모 노드 중 선택된 하나의 부모 노드, S312 단계에서 제3,4 부모 노드 중 선택된 부모 노드, S314 단계에서 생성된 제1 및 제2 자녀 노드 등 4개의 노드에 대하여 각각 순서 기반의 돌연변이 과정을 수행하였는지를 판단한다(S606). 상기 판단결과, 상기 선택된 2개의 부모 노드와 상기 생성된 2개의 자녀 노드 각각에 대하여 순서 기반의 돌연변이 과정을 수행하였으면, 다음으로 전력 기반의 돌연변이 과정으로 진행하고, 수행하지 않았으면 상기 S600 단계로 진행하여 상기 과정들을 반복한다.
전력 기반의 돌연변이 과정에서는, 0~1 사이에서 임의의 값을 생성하고(S608),상기 생성값과 미리 설정된 R_POWERMUTATION(α)(이때, α=0.5로 설정함)을 서로 비교하여(S610), 상기 생성값이 상기 R_POWERCROSSOVER(0.5)보다 작거나 같으면, 상기 1개의 염색체에서 임의로 1개의 노드를 선택하여 [0,최대전력값]에서 임의로 생성한 실수를 해당 노드의 전력으로 바꾼 후(S612) 다음 단계(S614)로 진행하고, 상기 생성된 값이 상기 R_POWERCROSSOVER(0.5)보다 크면 바로 다음 단계(S614)로 진행한다.
계속하여, 상기 도 4의 S306 단계에서 제1,2 부모 노드 중 선택된 하나의 부모 노드, S312 단계에서 제3,4 부모 노드 중 선택된 부모 노드, S314 단계에서 생성된 제1 및 제2 자녀 노드 등 4개의 노드에 대하여 각각 전력 기반의 돌연변이 과정을 수행하였는지를 판단한다(S614). 상기 판단결과, 상기 선택된 2개의 부모 노드와 상기 생성된 2개의 자녀 노드 각각에 대하여 전력 기반의 돌연변이 과정을 수행하였으면, 본 발명의 돌연변이 과정은 종료되고, 수행하지 않았으면 상기 S608 단계로 진행하여 상기 과정들을 반복한다.
도 5 및 도 6에 도시된 순서 및 전력 기반의 교배과정과, 순서 및 전력 기반의 돌연변이 과정은 각각 서로 독립적으로 일어난다.
도 7은 본 발명에 따른 Ad-hoc 네트워크에 적용되는 유전 알고리즘에서의 평가(evaluation) 과정을 보이는 흐름도이다.
본 발명에 따른 평가과정은 본 발명이 적용되는 Ad-hoc 네트워크에서 유전 알고리즘(GA)을 적용하여 브로드캐스트 라우팅 경로를 선택하기 위하여 각 노드로 구성된 1개의 염색체를 브로드캐스트 라우팅 트리(broadcast routing tree)의 정보 형태로 바꾸어 주는 과정이다. 즉, 어떤 노드가 중계노드가 되는지와 중계노드 각각은 얼마의 전력을 사용하는지가 결정되는 과정이다.
도 7을 참조하면, 소스노드에서 자신의 전력으로 데이터 전송이 가능한(이를 'cover된다'라고 함) 1홉의 이웃노드들의 집합을 N으로 결정하고(S700), 상기 N과 소스노드의 합집합을 C로 설정한다(S702). 즉, C={소스노드}∪N로 설정된다. 상기 소스노드에 의해 cover되는 새로운 노드들의 집합은 Cnew라 하고, Cnew=
Figure 112005070980250-pat00001
로 설정한다(S704).
상기 1개의 염색체에서 N 집합에 포함되는 노드들을 순서(order)가 낮은 순서대로 정렬한다(S706). 상기 정렬된 순서대로 각 노드에 대하여 중계노드가 될 것인지 아닌지를 결정하는데, 상기 노드 각각에 대하여 자신의 1홉의 이웃노드 중 cover되지 않은 노드가 있으면 자신을 중계노드로 결정하고(S708), 예전에 cover되지 않았던 노드들 중 자신이 중계함으로써 cover되는 노드들을 Cnew에 추가시킨다(S710).
이어, 상기 C를 C∪Cnew로 바꾸고(S712), 아직 cover되지 않은 노드의 수를 카운트하여 상기 cover되지 않은 노드의 수가 0보다 크면(S714), Cnew=
Figure 112005070980250-pat00002
인지를 판단하고(S716), 상기 판단결과, Cnew가
Figure 112005070980250-pat00003
이 아니면 N을 Cnew로 바꾸고(S718), Cnew를
Figure 112005070980250-pat00004
으로 설정한 후(S720), 모든 노드가 cover될 때까지 상기 S706~S720 단계를 반복한다.
만약, 상기 S714 단계에서 cover되지 않은 노드의 수가 0이거나, 상기 S718 단계에서의 판단결과 Cnew가
Figure 112005070980250-pat00005
이면 적응성(fitness) 계산을 수행한 후(S722) 종료한다.
이와 같이, 소스노드로부터 목적노드까지의 데이터 전송시 각 노드의 입장에서 최적의 순서 및 전송 전력을 부여하고 이를 기반으로 어떤 노드가 중계노드가 되는지와 중계노드 각각은 얼마의 전력을 사용하는지를 결정하여 브로드캐스트 라 우팅 경로를 선택하게 된다. 본 발명은 공지의 유전 알고리즘(GA)을 Ad-hoc 네트워크에 적용하여 상기 네트워크의 각 노드에서의 브로드캐스트 라우팅 경로를 선택할 수 있도록 한다. 즉, 소스노드로부터 네트워크의 모든 노드들이 중계노드를 통해 연결되도록 함으로써 브로드캐스트 라우팅을 구현하도록 한다.
상기 도면과 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명은 Ad-hoc 네트워크를 구성하는 각 노드를 하나의 염색체로 표현하고, 각 노드에서의 순서 및 전력을 고려한 교배와 돌연변이 과정을 통해 소스노드로부터 각 목적노드까지의 각 노드 입장에서의 최적 순서와 전력을 부여하여 중계노드를 결정하고 이를 통해 데이터 전송을 실현함으로써, Ad-hoc 네트워크에서 브로드캐스트 라우팅을 중계노드의 수와 전체 전력 소모를 최소화할 수 있는 경로를 선택하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 망과 노드의 자원을 최대한 효율적으로 사용할 수 있도록 브로드캐스트 라우팅 경로를 선택할 수 있다.

Claims (14)

  1. 다수의 노드들로 구성된 애드혹(Ad-hoc) 네트워크에서 유전 알고리즘(GA)을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법에 있어서,
    상기 Ad-hoc 네트워크를 구성하는 다수의 노드들을 하나의 염색체로 정의하고 상기 염색체를 각 노드별 {순서,전력} 쌍으로 표현하는 제1단계;
    상기 노드들 중 소스노드와 인접한 부모노드에 대하여 순서기반의 교배 및 전력기반의 교배를 수행하여 자녀노드를 생성하는 제2단계;
    상기 부모노드 및 자녀노드에 대하여 돌연변이 과정을 수행하는 제3단계;
    상기 염색체의 각 노드별 순서 및 전력 정보를 브로드캐스트 라우팅 트리 정보로 변환하여 중계노드를 결정하고 상기 중계노드의 전력을 결정하는 제4단계; 및
    상기 중계노드의 개수 및 전력을 이용하여 브로드캐스트 라우팅 경로를 선택하는 제5단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1단계는,
    브로드캐스트 라우팅을 위하여 상기 네트워크의 모든 노드가 소스노드에 직접 연결되거나 중계노드를 통해 연결되도록 하고 상기 각 노드에 대한 연결 순서 및 데이터 전송을 위한 전력을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 순서는,
    상기 소스노드에 직접 연결되거나 중계노드를 통해 연결되는 연결 순서인 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전력은,
    상기 각 노드에서 데이터를 수신하여 전송하는데 필요한 에너지인 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2단계는,
    상기 소스노드에 인접한 제1 및 제2 부모노드의 전송 전력을 상호 비교하여 전송 전력이 더 적은 하나의 부모노드를 선택하는 단계;
    상기 소스노드에 인접한 제3 및 제4 부모노드의 전송 전력을 상호 비교하여 전송 전력이 더 적은 하나의 부모노드를 선택하는 단계; 및
    상기 두 단계에서 선택된 2개의 부모노드를 교배하여 제1 및 제2 자녀노드를 생성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 생성된 제1 자녀노드가 상기 제1 및 제2 부모노드보다 전송 전력이 적으면 상기 제1 및 제2 부모노드 중 전송 전력이 더 적은 하나의 부모노드와 상기 제1 자녀노드를 상기 부모노드의 다음 세대의 노드로 결정하고, 전송 전력이 크거나 같으면 상기 제1 및 제2 부모노드를 상기 다음 세대의 노드군(pool)으로 결정하는 단계; 및
    상기 생성된 제2 자녀노드가 상기 제3 및 제4 부모노드보다 전송 전력이 적으면 상기 제3 및 제4 부모노드 중 전송 전력이 더 적은 하나의 부모노드와 상기 제2 자녀노드를 상기 다음 세대의 노드로 결정하고, 전송 전력이 크거나 같으면 상기 제3 및 제4 부모노드를 상기 다음 세대의 노드군(pool)으로 결정하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자녀노드의 생성단계는,
    0~1 사이의 값을 임의로 생성하는 단계; 및
    상기 생성값이 미리 설정된 제1기준값(R_ORDERCROSSOVER(0.5))보다 작으면, 상기 2개의 부모노드에 대하여 순서기반의 부분 매칭 교배(PMX)를 수행하여 제1 및 제2 자녀노드의 순서값을 결정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자녀노드의 생성단계는,
    0~1 사이의 값을 임의로 생성하는 단계; 및
    상기 생성값이 미리 설정된 제2기준값(R_POWERCROSSOVER(0.5))보다 작으면, 상기 2개의 부모노드에 대하여 전력기반의 블렌드 교배(BLX)를 수행하여 제1 및 제2 자녀노드의 전력값을 결정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제3단계는,
    상기 1개의 염색체에서 한쌍의 노드를 선택하여 순서를 서로 바꾸는 단계; 및
    상기 1개의 염색체에서 1개의 노드를 선택하여 [0,최대전력값]에서 임의로 생성된 실수를 상기 노드의 전력으로 바꾸는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 두 단계는,
    서로 독립적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 순서를 바꾸는 단계는,
    0~1 사이의 값을 임의로 생성하는 단계; 및
    상기 생성값이 미리 설정된 제3기준값(R_ORDERMUTATION(0.001))보다 작으면, 상기 부모노드 및 자녀노드에 대하여 순서기반의 돌연변이 과정을 수행하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 전력을 바꾸는 단계는,
    0~1 사이의 값을 임의로 생성하는 단계; 및
    상기 생성값이 미리 설정된 제4기준값(R_POWERMUTATION(0.5))보다 작으면, 상기 부모노드 및 자녀노드에 대하여 전력기반의 돌연변이 과정을 수행하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제4단계는,
    상기 소스노드의 전력으로 커버(cover)되는 노드들의 집합(C)에서 순서가 낮은 순서대로 노드들을 정렬하는 단계;
    상기 노드들 각각에 대해 자신의 이웃노드 중 커버되지 않는 노드가 있다면 자신을 중계노드로 결정하는 단계;
    아직 커버되지 않은 노드들 중 상기 결정된 중계노드의 중계에 의해 커버되는 노드들을 상기 C집합에 추가하는 단계; 및
    상기 염색체의 모든 노드가 커버될 때까지 상기 단계들을 반복하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제5단계는,
    각 브로드캐스트 라우팅 경로에 따른 중계노드 수 및 전력 소모를 계산하는 단계; 및
    상기 중계노드의 개수 및 전력 소모가 최소인 브로드캐스트 라우팅 경로를 선택하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 유전 알고리즘을 이용한 브로드캐스트 라우팅 경로 선택방법.
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