KR20090092976A - 무선 센서 네트워크 및 이를 위한 클러스터링 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크 및 이를 위한 클러스터링 방법

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KR20090092976A
KR20090092976A KR1020080018261A KR20080018261A KR20090092976A KR 20090092976 A KR20090092976 A KR 20090092976A KR 1020080018261 A KR1020080018261 A KR 1020080018261A KR 20080018261 A KR20080018261 A KR 20080018261A KR 20090092976 A KR20090092976 A KR 20090092976A
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정태명
최진영
한영주
박선호
임헌정
김종명
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

무선 센서 네트워크 및 이를 위한 클러스터링 방법이 개시된다. 무선 센서 네트워크는 복수의 센서 노드를 포함하며, 상기 복수개의 센서 노드들이 클러스터 헤드와 클러스터 노드 중 어느 하나로 동작하여 구성되는 다수의 클러스터-여기서, 상기 클러스터는 소정의 주기마다 재구성됨-로 분할되는 센서 필드; 및 상기 센서 필드와 외부 네트워크를 연결하며, 상기 센서 필드로부터 수집한 데이터를 상기 클러스터 헤드로부터 전달받는 베이스 스테이션(base station)을 포함하되, 상기 클러스터 헤드간의 데이터 전송 경로 재구성시 제(N-1)(단, N은 자연수) 클러스터 헤드와 제(N+1) 클러스터 헤드간의 데이터 전송 경로가 최단 거리가 되도록 제N 클러스터 헤드가 선정된다. 본 발명에 따르면 무선 센서 센서 노드들에 의해 수집된 데이터를 베이스 스테이션까지 전달하는데 소모되는 에너지를 최소화시킬 수 있다는 장점이 있다.

Description

무선 센서 네트워크 및 이를 위한 클러스터링 방법{Wireless sensor network and clustering method for the same }
본 발명은 무선 센서 네트워크 및 이를 위한 클러스터링 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 효율적으로 클러스터 헤드를 선정하는 무선 센서 네트워크 및 이를 위한 클러스터링 방법에 관한 것이다.
최근 상황인지를 위한 센싱 기능과 정보 처리 능력, 그리고 통신 능력을 갖춘 다수의 센서 노드를 이용하여 특정한 요청에 따라 원하는 정보를 수집하고, 이를 전달하는 센서 네트워크에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
센서 네트워크란 기존 인간과 컴퓨터간의 통신에 일상 생활에 산재된 사물과 물리적 대상을 추가시켜 협력 네트워크를 구성하는 것으로서, 필요로 하는 모든 곳에 다수의 센서 노드들을 부착하여 자율적으로 정보를 수집, 관리 및 제어하는 시스템이다.
즉, 물리 공간에 빛, 소리, 온도, 움직임 등과 같은 물리적 데이터를 센서 노드에서 감지 또는 측정하여 최종 데이터 수집 노드로 전달하는 구조를 가진다.
하지만, 센서 노드의 제한된 자원-여기서, 제한된 자원은 배터리 및 메모리를 포함함-으로 인해, 기존의 애드혹(Adhoc) 네트워크의 라우팅 기법은 대규모 센서 네트워크 환경에서 현실적으로 사용하기 어려운 문제점이 있다.
일반적으로, 센서 네트워크는 교환 및 충전이 어려운 작은 배터리로 동작하는 다수의 센서 노드들로 구성된다.
따라서, 센서 노드들의 에너지 소모를 줄이는 것은 무선 센서 네트워크의 효율적인 운용을 위해 매우 중요하다.
즉, 종단간(end-to-end) 데이터 전송시에 센서 노드에서 소모되는 에너지를 줄임으로써 센서 네트워크의 수명을 늘이는 것이, 무선 센서 네트워크를 설계할 때 최우선적으로 고려되어야 하는 사항이다.
그리고, 센서 네트워크의 특성상 센서 노드에서 수집된 정보는 일정 시간 내에서만 유효하기 때문에 센서 노드에서 수집된 정보는 제한된 시간 안에 최종 데이터 수집 장치에 전달되어야 한다.
예를 들면, 센서 네트워크는 자연 환경 모니터링, 기후 모니터링, 교통 상황 모니터링, 야생 동물의 서식 경로 모니터링, 군사 분쟁 지역 감시, 재해 모니터링 등 다양한 분야에서 응용될 수 있다.
특히 대부분의 센서 네트워크의 응용 분야는 실시간으로 데이터를 수집하여 통계 분석함으로써, 유효한 정보를 생성하고, 이를 일반 고객 및 해당 기관에 제공하는 것을 특징으로 한다.
즉, 대규모 무선 센서 네트워크에서 개별 센서 노드에 의해 수집된 데이터가 최종 데이터 수집 장치까지 도달하는 시간을 단축시키는 것이 매우 중요하다.
하지만, 종래의 센서 네트워크에서 체인을 기반으로 하는 계층적 라우팅 기법은 각 센서 노드가 최종 데이터 수집 노드와 원홉(One-Hop) 통신을 할 수 있다는 비현실적인 가정을 가지고 있으므로, 대규모 센서 네트워크에는 적합하지 않은 문제점이 있었다.
예를 들면, 대규모 센서 네트워크에서, 데이터를 수집한 센서 노드와 최종 데이터 수집 노드 사이의 거리가 먼 경우, 센서 노드는 수집된 데이터를 최종 데이터 수집 노드에 전송하기 위해 많은 전송 파워를 소모해야 한다.
이는, 제한된 배터리 용량을 가진 센서 노드의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라, 대규모 센서 네트워크의 유지/보수에 많은 비용을 투자해야 하는 문제점이 있다.
도 1은 종래 기술의 센서 네트워크의 구성을 예시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술의 센서 네트워크는 상황 인지를 위한 센싱 기능, 정보 처리 기능 및 통신 기능을 탑재한 다수의 센서 노드(100)와 센서 노드(100)들에 의해 센싱된 데이터를 최종적으로 수집하여 외부 네트워크로 전송하는 베이스 스테이션(base station)(110)를 포함할 수 있다.
하지만, 센서 노드(100)는 제한적인 메모리와 배터리 자원을 가지고 있으므로, 기존의 애드혹 네트워크에 적용된 라우팅 방법을 통해서는 센싱된 데이터를 에너지 효율적으로 최종 데이터 수집 장치(110)에 전송하는데 한계가 있다.
도 2는 종래 기술의 평면적 라우팅 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 특정 센서 노드가 특정 센싱 이벤트(220)를 감지하는 경우, 해당 센싱 이벤트(220)에 상응하여 수집된 데이터가 라우팅 경로를 따라 베이스 스테이션(210)으로 전달되게 된다.
여기서, 센싱 이벤트(220)는 센서 네트워크의 응용 분야에 따라, 주기적인 방식, 요구 응답 방식, 이벤트 트리거(Triggered) 방식 중 어느 하나에 의해 발생될 수 있다.
예를 들면, 주기적인 방식은 소정의 주기마다 센서 노드가 깨어나서 미리 정의된 센싱 대상의 정보를 획득하는 방식일 수 있다. 여기서, 센싱 대상은 자연 환경 모니터링, 기후 모니터링, 교통 상황 모니터링, 야생 동물의 서식 경로 모니터링, 군사 분쟁 지역 감시, 재해 모니터링 등을 포함할 수 있다.
반면, 요구 응답 방식은 센서 노드가 특정 노드(예를 들면, 최종 데이터 수집 노드가 될 수 있음)의 제어 신호에 따라, 센싱 데이터를 획득하고 이를 베이스 스테이션(210)에 전달하는 방식일 수 있다.
또한, 이벤트 트리거 방식은 센서 노드가 일정 주기를 갖고 측정한 값이 미리 정의된 이벤트 발생 기준을 만족하는 경우, 센싱 데이터를 생성하여 베이스 스테이션(210)에 전달하는 방식일 수 있다.
센싱 이벤트(220)를 감지한 센서 노드는 데이터를 수집하여 인접한 모든 센서 노드에게 전달하며, 데이터를 전달 받은 센서 노드는 자신과 인접한 센서 노드에게 데이터를 전달하는 방식으로 베이스 스테이션(210)까지 센싱된 데이터가 전달된다.
이러한 전달 방법은 센서 네트워크상에 중복된 데이터의 전송을 야기할 수 있으므로, 센서 노드에 불필요한 에너지 낭비를 초래할 수 있는 단점을 가진다.
또한, 센싱 이벤트(220)가 센싱 네트워크 상에서 동시 다발적으로 발생하는 경우, 데이터의 중복 전달로 인한 네트워크 폭주가 발생할 수도 있다.
도 3은 종래 기술의 클러스터링을 이용한 계층적 라우팅 기법을 설명하기 위한 도면이다.
좀 더 상세하게는, 도 3에 도시된 계층적 라우팅 기법은 전체 센서 네트워크를 일정 규모의 지리적 영역으로 분할된 복수의 클러스터 및 클러스터 별 선택된 헤드 노드(이하, '클러스터 헤드'라 칭함)를 이용한 라우팅 방법이다.
일반적으로, 계층적 라우팅 기법은 앞서 기술한 평면적 라우팅 기법의 단점인 센서 노드간에 센싱된 데이터가 중복 전달되는 것을 피할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 계층적 라우팅 기법은 전체 센서 네트워크를 일정 규모의 지리적인 영역을 커버하는 4개의 클러스터로 구분하고, 각 클러스터에 포함된 센서 노드(300)들 중 어느 하나를 해당 클러스터의 헤드(330)로 선택한다.
특히, 해당 클러스터 내부에서 특정 센싱 이벤트(320)이 발생된 경우, 해당 클러스터 내부의 센서 노드들에 의해 센싱된 모든 데이터는 클러스터 헤드(330)로 전달되며, 해당 클러스터 헤드(330)는 전달된 센싱 데이터를 병합하여, 원홉(one-hop)으로 최종 데이터 수집 노드(310)에 전달한다.
상기한 바와 같이, 도 3에 도시된 계층적 라우팅 기법은 클러스터를 나누는 단계; 클러스터 별로 클러스터 헤드를 선정하는 단계; 선정된 클러스터 헤드가 센싱된 데이터를 병합하는 단계; 병합된 데이터를 베이스 스테이션에 원홉으로 전달하는 단계를 순차적으로 수행함으로써, 센싱된 데이터를 최종 데이터 수집 노드(310)에 전달할 수 있다.
그러나, 종래의 계층적 라우팅 기법은 특정 센싱 이벤트에 다라 센싱된 데이터를 수집한 센서 노드-여기서, 센서 노드는 클러스터 헤드를 포함함 할 수 있음-와 베이스 스테이션과의 거리가 너무 먼 경우, 통신이 불가능한 상태가 될 수 있다는 문제점이 있다.
특히, 계층적 라우팅 기법을 이용한 경우, 센서 네트워크의 규모가 커짐에 따라 통신 불능 상태가 자주 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 센서 노드들에 의해 수집된 데이터를 베이스 스테이션까지 전달하는데 소모되는 에너지를 최소화시키는 무선 센서 네트워크 및 이를 위한 클러스터링 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 센서 노드들에 의해 수집된 데이터를 제한된 시간내에 베이스 스테이션까지 전달하는 것이 가능한 무선 센서 네트워크 및 이를 위한 클러스터링 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 부모 클러스터 헤드를 선택함에 있어, 자식 클러스터 헤드와 조부모 클러스터 헤드와의 거리가 최소화되는 부모 클러스터 헤드를 선정할 수 있는 무선 센서 네트워크 및 이를 위한 클러스터링 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 센서 노드를 포함하며, 상기 복수개의 센서 노드들이 클러스터 헤드와 클러스터 노드 중 어느 하나로 동작하여 구성되는 다수의 클러스터-여기서, 상기 클러스터는 소정의 주기마다 재구성됨-로 분할되는 센서 필드; 및 상기 센서 필드와 외부 네트워크를 연결하며, 상기 센서 필드로부터 수집한 데이터를 상기 클러스터 헤드로부터 전달받는 베이스 스테이션(base station)을 포함하되, 상기 클러스터 헤드간의 데이터 전송 경로 재구성시 제(N-1)(단, N은 자연수) 클러스터 헤드와 제(N+1) 클러스터 헤드간의 데이터 전송 경로가 최단 거리가 되도록 제N 클러스터 헤드가 선정되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크가 제공된다.
여기서, 제(N-1) 클러스터 헤드, 제N 클러스터 헤드 및 제(N+1) 클러스터 헤드는 순차적으로 연결된다.
여기서, 상기 베이스 스테이션이 송신한 메시지가 임의의 제1 클러스터 헤드를 경유하여 상기 제1 클러스터 헤드에 연결된 제2 클러스터 헤드에 수신된 경우, 상기 제2 클러스터 헤드는 상기 제1 클러스터 헤드로부터 수신되는 메시지를 이용하여 상기 제1 및 제2 클러스터 헤드간의 거리를 산출할 수 있다.
여기서, 상기 제2 클러스터 헤드는 상기 수신되는 메시지의 신호 세기를 이용하여 상기 제1 및 제2 클러스터 헤드간의 거리를 산출할 수 있다.
여기서, 상기 제2 클러스터 헤드는 상기 산출된 거리와 상기 제2 클러스터 헤드의 ID를 상기 메시지에 삽입하여 제2 메시지를 생성할 수 있다.
여기서, 상기 제2 클러스터 헤드는 상기 제2 메시지를 후보리스트에 저장한 후 브로드 캐스팅할 수 있다.
여기서, 상기 클러스터 헤드간의 데이터 전송 경로 재구성시 상기 후보 리스트를 이용하여 상기 제N 클러스터 헤드가 선정될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 무선 센서 네트워크에서 복수의 센서 노드로 구성되는 복수의 클러스터로부터 정보를 수집하는 클러스터링 방법에 있어서, 제1 클러스터 헤드가 브로드 캐스팅한 제1 메시지가 상기 제1 클러스터 헤드에 연결된 제2 클러스터 헤드에 연결되는 단계; 상기 제2 클러스터 헤드가 상기 제1 메시지를 이용하여 상기 제1 및 제2 클러스터 헤드간의 거리를 산출하는 단계; 상기 제2 클러스터 헤드가 상기 산출된 거리 및 상기 제2 클러스터 헤드의 ID를 상기 제1 메시지에 삽입하여 제2 메시지를 생성하는 단계; 상기 제2 클러스터 헤드가 상기 제2 메시지를 상기 제2 클러스터 헤드의 후보 리스트에 저장하는 단계; 및 상기 제2 클러스터 헤드가 상기 제2 메시지를 브로드 캐스팅하는 단계를 포함하되, 제(N-1)(단, N은 자연수) 클러스터 헤드와 제(N+1) 클러스터 헤드간의 데이터 전송 경로가 최단 거리가 되도록 제N 클러스터 헤드가 선정되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 클러스터링 방법이 제공된다.
여기서, 제(N-1) 클러스터 헤드, 제N 클러스터 헤드 및 제(N+1) 클러스터 헤드는 순차적으로 연결된다.
여기서, 상기 후보리스트를 이용하여 상기 제 N 클러스터 헤드가 선정될 수 있다.
여기서, 클러스터 헤드간의 거리를 산출하는 단계는 상기 수신되는 제1 메시지의 신호 세기를 이용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 무선 센서 네트워크에서 클러스터링 방법을 수행하기 위해 무선 센서 네트워크에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 구현되어 있으며, 상기 무선 센서 네트워크에 의해 판독될 수 있는 프로그램을 기록한 기록매체에 있어서, 제1 클러스터 헤드가 브로드 캐스팅한 제1 메시지가 상기 제1 클러스터 헤드에 연결된 제2 클러스터 헤드에 연결되는 단계; 상기 제2 클러스터 헤드가 상기 제1 메시지를 이용하여 상기 제1 및 제2 클러스터 헤드간의 거리를 산출하는 단계; 상기 제2 클러스터 헤드가 상기 산출된 거리 및 상기 제2 클러스터 헤드의 ID를 상기 제1 메시지에 삽입하여 제2 메시지를 생성하는 단계; 상기 제2 클러스터 헤드가 상기 제2 메시지를 상기 제2 클러스터 헤드의 후보 리스트에 저장하는 단계; 및 상기 제2 클러스터 헤드가 상기 제2 메시지를 브로드 캐스팅하는 단계를 수행하되, 제(N-1)(단, N은 자연수) 클러스터 헤드와 제(N+1) 클러스터 헤드간의 데이터 전송 경로가 최단 거리가 되도록 제N 클러스터 헤드가 선정되는 것을 특징으로 하는 프로그램이 기록된 기록매체가 제공된다.
여기서, 제(N-1) 클러스터 헤드, 제N 클러스터 헤드 및 제(N+1) 클러스터 헤드는 순차적으로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 무선 센서 네트워크 및 이를 위한 클러스터링 방법은 센서 노드들에 의해 수집된 데이터를 베이스 스테이션까지 전달하는데 소모되는 에너지를 최소화시키다는 장점이 있다.
또한, 센서 노드들에 의해 수집된 데이터를 제한된 시간내에 베이스 스테이션까지 전달할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 부모 클러스터 헤드를 선택함에 있어, 자식 클러스터 헤드와 조부모 클러스터 헤드와의 거리가 최소화되는 부모 클러스터 헤드를 선정할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술의 센서 네트워크의 구성을 예시한 도면.
도 2는 종래 기술의 평면적 라우팅 기법을 설명하기 위한 도면.
도 3은 종래 기술의 클러스터링을 이용한 계층적 라우팅 기법을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 예시한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 클러스터링 방법의 전체적인 흐름을 에시한 순서도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 센서 필드에서 클러스터를 구성하는 과정을 예시한 순서도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 클러스터 헤드간의 데이터 전송 경로를 설정하는 과정을 예시한 순서도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 부모 클러스터 헤드를 선정하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 실시에에 따라 클러스터 헤드에서 생성되는 메시지의 구성을 예시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
400 : 센서 필드 420 ; 베이스 스테이션
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 예시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 무선 센서 네트워크는 센서 필드(400), 외부 네트워크(430) 및 센서 필드(400)와 외부 네트워크(430)을 연결하는 베이스 스테이션(420)를 포함할 수 있다.
센서 필드(400)는 복수개의 센서 노드들을 포함할 수 있다. 여기서, 사용자나 응용시스템은 베이스 스테이션(420)을 통하여 센서 필드(400)에 질의를 전달하거나, 센서 필드(400)로부터 수집된 데이터를 전달받을 수 있다. 또한, 센서 필드(400)는 클러스터링 방법에 의해 하나 이상의 클러스터(401 내지 408)로 분류될 수 있다.
여기서, 클러스터(401 내지 408)는 하나의 클러스터 헤드(예를 들어 411)는 복수개의 클러스터 노드(예를 들어 412 내지 415)를 포함할 수 있다.
클러스터 헤드(411)는 자신의 클러스터(401) 영역에 포함되는 클러스터 노드(412 내지 415)로부터 데이터를 수집하고, 수집한 데이터를 모아서 베이스 스테이션(420)으로 전달할 수 있다.
베이스 스테이션(420)은 일반적인 센서 노드와 달리 계산 능력이 좋으며, 전원을 공급받아 센서 필드에 분포되어 있는 센서 노드들에서 수집된 자료를 제공받는다. 또한, 베이스 스테이션(420)은 수집된 자료를 사용자 또는 관리자에게 제공하거나, 외부 네트워크로 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 하나 이상의 클러스터 헤드는 트리 구조의 데이터 전송 경로를 가질 수 있다. 예를 들어, 데이터 전송 경로로서 제1 내지 제3 클러스터(416 내지 418)가 순차적으로 연결되고, 제3 클러스터 헤드(418)는 최종적으로 베이스 스테이션(420)으로 연결될 수 있다. 이 경우, 제1 클러스터 헤드(416)는 해당 클러스터(406)의 각 노드에서 수집된 데이터를 수신하여 제2 클러스터 헤드(417)로 전송할 수 있다. 그리고, 제2 클러스터 헤드(417)는 수신되는 데이터를 제3 클러스터 헤드(418)로 전송할 수 있다. 그리고, 제3 클러스터 헤드(418)에 수신된 데이터는 최종적으로 베이스 스테이션(420)으로 전송될 수 있다.
이하, 본원 발명의 이해와 설명의 편의를 도모하기 위하여, 클러스터 헤드간의 트리 구조상에서 하위 방향에서 상위 방향으로, 예를 들어 3개의 클러스터 헤드를 언급하는 경우, 자식 클러스터 헤드(예를 들어, 416), 부모 클러스터 헤드(예를 들어, 417) 및 조부모 클러스터 헤드(예를 들어 418)이라 칭한다.
지금까지 도 4를 참조하여 본원 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크를 설명하였다.
이하, 본 발명의 실시예에에 따른 무선 센서 네트워크를 위한 클러스터링 방법을 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에에 따른 클러스터링 방법의 전체적인 흐름을 예시한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 단계 S510에서 센서필드(400)에 포함되는 복수개의 센서 노드가 분류되어 클러스터를 구성할 수 있다. 단계 S510에 대해서는 이하 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
이어서, 단계 S520에서 복수개의 클러스터 헤드간에 트리 구조의 데이터 전송 경로가 설정될 수 있다. 단계 S520에 대해서는 이하 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.
이어서, 단계 S530에서 센서 노드에서 수집된 데이터는 센서 노드가 포함되는 클러스터의 클러스터 헤드로 전송되고, 앞서 설정된 클러스터 헤드간의 트리 구조 형식의 데이터 전송 경로를 통하여 베이스 스테이션(420)으로 전송될 수 있다. 클러스터 헤드간에 데이터 전송 경로가 설정된 경우, 데이터가 전송될 수 있음은 당업자에게 자명한 사항이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.
지금까지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 다른 클러스터링 방법의 전체적인 흐름을 설명하였다. 이하 도 6을 참조하여 앞서 설명한 단계 S510에 대해서 상세히 설명한다.
이하, 본원 발명의 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해, 본 명세서에서 사용할 약어에 대해서 하기의 표1을 참조하여 먼저 정의한다.
[표 1]
약어 정의
ID 노드가 가지고 있는 식별자
Pini 클러스터 헤드 후보가 될 수 있는 확률
Random 클러스터 헤드가 무작위로 생성한 수
Mark 클러스터 헤드로 선정하기 위해 센서 노드의 남아있는 에너지를 나타내는 가중치
여기서, Pini는 베이스 스테이션(420)이 미리 지정된 방법에 따라 각 노드별로 설정할 수 있다. Pini에 대해서는 이하 도 6의 단계 S610에서 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 센서 필드에서 클러스터를 구성하는 과정을 예시한 순서도이다. 즉, 도 5의 단계 S510을 상세히 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 단계 S610에서 센서 필드(400)에 포함되는 각각의 센서 노드는 무작위로 Random 값을 생성하고, 생성한 Random 값이 해당 센서 노드의 Pini 보다 작은지 여부를 판단한다.
여기서, Pini 값 및 Random 값은 0 이상 1이하로 설정될 수 있다.
예를 들어, Pini 값이 높을수록, 해당 노드의 Random 값이 Pini 값보다 작을 확률이 높아진다. 이 경우, 해당 노드는 하기에서 설명할 단계 S650에서 클러스터 헤드로 선정될 가능성이 생긴다.
반면, 앞서 설명한 경우와 달리 Pini 값이 작을수록 해당 노드가 클러스터 헤드로 선정될 가능성이 낮아짐은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다.
본 발명의 실시예에 따르면 베이스 스테이션(420)이 미리 지정된 방법에 의거 복수개의 센서 노드에 Pini 값을 각각 설정할 수 있다.
보다 상세하게는, 모든 센서 노드가 적어도 한번씩 클러스터 헤드러 선정될 수 있도록 베이스 스테이션(420)이 해당 노드의 Pini값을 설정할 수 있다.
예를 들어, 한번도 클러스터 헤드가 되지 않은 센서 노드의 경우, 베이스 스테이션(420)이 Pini값을 소정의 증가된 값으로 설정할 수 있다. 이 경우, 이하 단계 S650을 고려하면 Pini 값이 증가된 해당 노드가 클러스터 헤드로 선정될 가능성이 커짐은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다.
단계 S610에서 센서 노드에서 생성한 Random 값이 해당 센서 노드의 Pini 값보다 큰 경우(즉, 해당 센서노드의 Pini가 비교적 작은 경우), 단계 S660으로 진행하여 해당 센서노드는 일반적인 센서 노드가 될 수 있다.
단계 S610에서 센서 노드에서 생성한 Random 값이 해당 센서 노드의 Pini 보다 큰 경우, 단계 S620에서 해당 노드의 ID와 Mark를 수신되는 메시지에 삽입하여 새로운 메시지를 생성할 수 있다. 그리고 해당 노드는 생성된 새로운 메시지를 브로드 캐스트ㅡ할 수 있다.
이어서, 단계 S620에서 센서 노드들은 이웃한 센서 노드들로부터 단계 S620의 과정을 거처 생성된 새로운 메시지를 수신하여, 후보 리스트에 저장할 수 있다.
일반적으로 센서 노드들은 동일 또는 유사한 전송 범위를 가진다. 따라서, 각각의 센서 노드들은 동일 또는 유사한 전송 범위에 존재하는 센서 노드들로부터 상술한 새로운 메시지를 수신할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해와 설명의 편의를 도모하기 위하여 클러스터 영역이 앞서 설명한 센서 노드들의 전송범위를 참조하여 선정되는 것으로 설명한다. 그러나, 클러스터 영역의 설정이 이에 한정되지 아니함은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다.
이어서, 단계 S630에서 센서 노드들은 각각 후보 리스트를 이용하여, Mark 값이 가장 높은 센서 노드를 선택하여, 단계 S640에서 해당 센서 노드를 클러스터 헤드로 선정할 수 있다.
이 때, Mark 값이 상대적으로 작은 센서 노드들은 단계 S660에서 일반적인 센서 노드로 선정될 수 있다.
이어서, 일반적인 센서 노드들은 자신과 거리가 가까운 클러스터 헤드 노드로 선택하여 클러스터를 형성할 수 있다(미도시).
즉, 본 발명의 실시예에 따르면 센서 노드의 남아 있는 에너지를 고려하여 클러스터 헤드를 선정함으로써, 에너지 효율적인 클러스터 헤드를 선정할 수 있다.
지금까지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 클러스터를 구성하는 과정(도 5의 단계 S510참조)하는 단계를 설명하였다. 이하, 본 발명의 실시예에 따라 클러스터 헤드간의 트리 구조를 설정하는 방법에 대해서 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 클러스터 헤드간에 데이터 전송 경로를 설정하는 과정을 예시한 순서도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 부모 클러스터 헤드를 선정하는 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 클러스터 헤드에서 생성되는 메시지의 구성을 예시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 단계 S700에서 베이스 스테이션(420)이 소정의 메시지를 클러스터 헤드로 전송할 수 있다.
예를 들어, 베이스 스테이션(420)는 클러스터 재구성을 요청하는 메시지를 베이스 스테이션(420)에 연결된 클러스터 헤드로 전송할 수 있다. 이하, 클러스터 재구성을 요청하는 메시지가 베이스 스테이션(420)에서 각 클러스터 헤드로 전송되는 경우를 가정하여 설명하나, 여러 다양한 메시지를 이용할 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다.
예를 들어, 베이스 스테이션(420)이 송신한 클러스터 재구성 요청 메시지가 CH1 클러스 헤드(810), CH3 클러스터 헤드(822) 및 CH5 클러스터 헤드(830)으로 순차적으로 전송될 수 있다. 이 때, 본 발명의 실시예에 따른 클러스터 헤드간의 트리 구조상에서 CH5 클러스터 헤드(830)은 자식 클러스터 헤드로 칭하고, CH1 클러스터 헤드(810)은 자식 클러스터 헤드(830)을 기준으로 조부모 클러스터 헤드로 칭한다. 이 경우, 자식 클러스터 헤드(830)으로부터 데이터를 수신하여 조부모 클러스터 헤드(810)로 수집된 데이터를 전송하는 클러스터 헤드는 부모 클러스터 헤드로 칭한다.
이어서, 단계 S710에서 클러스터 헤드는 수신되는 메시지를 이용하여 각 클러스터 헤드에 메시지를 전송한 이웃 클러스터 헤드(예를 들어, 부모 클러스터 헤드)간의 거리를 산출할 수 있다.
예를 들어, 클러스터 헤드는 수신되는 메시지의 신호 세기를 이용하여 해당 메시지를 해당 클러스터 헤드에 전송한 이웃 클러스터 헤드간의 거리를 산출할 수 있다.
예를 들어, 도 8에서 CH2 클러스터 헤드(821)는 CH1 클러스터 헤드(810)로부터 수신되는 메시지의 신호 세기를 이용하여, CH2 클러스터 헤드(821) 및 CH1 클러스터 헤드(810)간의 거리를 산출할 수 있다.
이어서, 단계 S720에서 클러스터 헤드는 산출된 거리 및 해당 클러스터 헤드의 ID를 수신한 메시지에 삽입하여 새로운 메시지를 생성할 수 있다. 그리고, 클러스터 헤드는 생성한 새로운 메시지를 후보 리스트에 저장한 후 브로드 캐스트 할 수 있다.
앞서 상술한 예를 일관하여 설명하면, CH2 클러스터 헤드(821)는 산출한 거리 및 CH2 클러스터 헤드의 ID를 수신한 메시지에 삽입하여 새로운 메시지를 생성할 수 있다. 그리고, 생성한 메시지를 이웃한 클러스터 헤드로 브로드 캐스트 할 수 있다.
예를 들어, CH5 클러스터 헤드(830)는 CH2 클러스터 헤드(821), CH3 클러스터 헤드(822) 및 CH4 클러스터 헤드(823)로부터 메시지를 각각 수신하고, 그에 따른 거리를 각각 산출할 수 있다. 또한, CH5 클러스터 헤드(830)는 각각 산출된 거리 및 ID를 이용하여 CH2 클러스터 헤드(821), CH3 클러스터 헤드(822) 및 CH4 클러스터 헤드(823)에 따른 새로운 메시지를 생성하고, 각각 생성된 새로운 메시지를 후보 리스트에 저장할 수 있다.
여기서, 메시지가 트리 구조의 전송경로에 따른 클러스터 헤드간에 전송되면서, 각 클러스터 헤드의 ID 및 각 클러스터 헤드간의 거리가 순차적으로 메시지에 삽입될 수 있다.
예를 들어, CH1 클러스터 헤드(810), CH3 클러스터 헤드(822) 및 CH5 클러스터 헤드(830)으로 메시지가 순차적으로 전송된 경우에 생성되는 메시지가 도 8에 예시되어 이다. 도 8을 참조하면 메시지의 앞에서 뒤방향으로 메시지가 전송된 클러스터 헤드의 ID 및 각 클러스터 헤드간의 거리가 삽입되어 있다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따라 생성되는 메시지의 구조가 도 9에 한정되지 아니함은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다.
다시 도 7을 참조하면, 단계 S730에서 동일한 조부모 클러스터 헤드로의 거리가 최단거리가 되는 클러스터 헤드를 부모 클러스터 헤드로 선정할 수 있다.
다시 도 8을 참조하면, CH5 클러스터 헤드(830)의 경우 조부모 클러스터 헤드인 CH1 클러스터 헤드(810)와의 거리를 고려하여 부모 클러스터 헤드를 CH3 클러스터 헤드(822)로 선정할 수 있다.
보다 상세하게는, 예를 들어, 자식 클러스터 헤드인 CH5 클러스터 헤드(830)에서 부모 클러스터 헤드로 CH2 클러스터 헤드를 고려하면, 자식 클러스터 헤드(821)에서조부모 클러스터 헤드(810)까지의 거리가 d1 + d3가 된다. 이 경우, CH3 클러스터 헤드를 부모 클러스터 헤드로 고려한 경우의 거리가 d2+ d4보다 더 작다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 자식 클러스터 헤드와 조부모 클러스터 헤드간의 거리를 고려하여 CH3 클러스터 헤드(822)를 부모 클러스터 헤드로 선정할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 해당 클러스터 헤드에서 단순히 베이스 스테이션(420)까지의 거리를 고려하는 것이 아니라, 조부모 클러스터 헤드와의 거리를 고려하여 부모 클러스터 헤드를 선정할 수 있다.
지금까지 도 7 내지 도 9을 참조하여 본 발명의 실시에에 따라 클러스터 헤드의 데이터 전송 경로를 트리 구조로 선정하는 방법을 설명하였다.
본 발명의 실시예에 클러스터링 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 또한 상술한 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 복수의 센서 노드를 포함하며, 상기 복수개의 센서 노드들이 클러스터 헤드와 클러스터 노드 중 어느 하나로 동작하여 구성되는 다수의 클러스터-여기서, 상기 클러스터는 소정의 주기마다 재구성됨-로 분할되는 센서 필드; 및
    상기 센서 필드와 외부 네트워크를 연결하며, 상기 센서 필드로부터 수집한 데이터를 상기 클러스터 헤드로부터 전달받는 베이스 스테이션(base station)을 포함하되,
    상기 클러스터 헤드간의 데이터 전송 경로 재구성시 제(N-1)(단, N은 자연수) 클러스터 헤드와 제(N+1) 클러스터 헤드간의 데이터 전송 경로가 최단 거리가 되도록 제N 클러스터 헤드가 선정되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
    여기서, 제(N-1) 클러스터 헤드, 제N 클러스터 헤드 및 제(N+1) 클러스터 헤드는 순차적으로 연결됨.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 스테이션이 송신한 메시지가 임의의 제1 클러스터 헤드를 경유하여 상기 제1 클러스터 헤드에 연결된 제2 클러스터 헤드에 수신된 경우,
    상기 제2 클러스터 헤드는 상기 제1 클러스터 헤드로부터 수신되는 메시지를 이용하여 상기 제1 및 제2 클러스터 헤드간의 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 클러스터 헤드는 상기 수신되는 메시지의 신호 세기를 이용하여 상기 제1 및 제2 클러스터 헤드간의 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 클러스터 헤드는 상기 산출된 거리와 상기 제2 클러스터 헤드의 ID를 상기 메시지에 삽입하여 제2 메시지를 생성하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제2 클러스터 헤드는 상기 제2 메시지를 후보리스트에 저장한 후 브로드 캐스팅하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 클러스터 헤드간의 데이터 전송 경로 재구성시 상기 후보 리스트를 이용하여 상기 제N 클러스터 헤드가 선정되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크.
  7. 무선 센서 네트워크에서 복수의 센서 노드로 구성되는 복수의 클러스터로부터 정보를 수집하는 클러스터링 방법에 있어서,
    제1 클러스터 헤드가 브로드 캐스팅한 제1 메시지가 상기 제1 클러스터 헤드에 연결된 제2 클러스터 헤드에 연결되는 단계;
    상기 제2 클러스터 헤드가 상기 제1 메시지를 이용하여 상기 제1 및 제2 클러스터 헤드간의 거리를 산출하는 단계;
    상기 제2 클러스터 헤드가 상기 산출된 거리 및 상기 제2 클러스터 헤드의 ID를 상기 제1 메시지에 삽입하여 제2 메시지를 생성하는 단계;
    상기 제2 클러스터 헤드가 상기 제2 메시지를 상기 제2 클러스터 헤드의 후보 리스트에 저장하는 단계; 및
    상기 제2 클러스터 헤드가 상기 제2 메시지를 브로드 캐스팅하는 단계를 포함하되,
    제(N-1)(단, N은 자연수) 클러스터 헤드와 제(N+1) 클러스터 헤드간의 데이터 전송 경로가 최단 거리가 되도록 제N 클러스터 헤드가 선정되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 클러스터링 방법.
    여기서, 제(N-1) 클러스터 헤드, 제N 클러스터 헤드 및 제(N+1) 클러스터 헤드는 순차적으로 연결됨.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 후보리스트를 이용하여 상기 제 N 클러스터 헤드가 선정되는 것을 특징으로하는 무선 센서 네트워크의 클러스터링 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    클러스터 헤드간의 거리를 산출하는 단계는 상기 수신되는 제1 메시지의 신호 세기를 이용하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크의 클러스터링 방법.
  10. 무선 센서 네트워크에서 클러스터링 방법을 수행하기 위해 무선 센서 네트워크에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 구현되어 있으며, 상기 무선 센서 네트워크에 의해 판독될 수 있는 프로그램을 기록한 기록매체에 있어서,
    제1 클러스터 헤드가 브로드 캐스팅한 제1 메시지가 상기 제1 클러스터 헤드에 연결된 제2 클러스터 헤드에 연결되는 단계;
    상기 제2 클러스터 헤드가 상기 제1 메시지를 이용하여 상기 제1 및 제2 클러스터 헤드간의 거리를 산출하는 단계;
    상기 제2 클러스터 헤드가 상기 산출된 거리 및 상기 제2 클러스터 헤드의 ID를 상기 제1 메시지에 삽입하여 제2 메시지를 생성하는 단계;
    상기 제2 클러스터 헤드가 상기 제2 메시지를 상기 제2 클러스터 헤드의 후보 리스트에 저장하는 단계; 및
    상기 제2 클러스터 헤드가 상기 제2 메시지를 브로드 캐스팅하는 단계를 수행하되,
    제(N-1)(단, N은 자연수) 클러스터 헤드와 제(N+1) 클러스터 헤드간의 데이터 전송 경로가 최단 거리가 되도록 제N 클러스터 헤드가 선정되는 것을 특징으로 하는 프로그램이 기록된 기록매체.
    여기서, 제(N-1) 클러스터 헤드, 제N 클러스터 헤드 및 제(N+1) 클러스터 헤드는 순차적으로 연결됨.
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