KR20120063811A - 무선 센서 네트웍에서의 라우팅 방법 - Google Patents

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Abstract

무선 센서 네트웍에 있어서 라우팅 프로세스가 진행되는 동안 모든 센서 노드들이 비슷한 비율로 에너지를 소비하도록 균형화(balancing)함으로써, 에너지 균형화 및 효율화를 달성할 수 있고, 핫스팟 문제를 경감시킬 수 있는 라우팅 방법.
먼저, 새로운 데이터를 감지하여 싱크 노드에 송신하고자 하는 소스 노드, 또는 소스 노드에 의해 감지된 데이터를 받아들여 싱크 노드로 포워딩하는 중간 노드는 송신 모드가 되어, 자신과 싱크 노드까지의 거리에 따라 전송 방식으로 결정한다. 전송 방식이 멀티 홉 전송 방식으로 결정된 경우, 송신 노드는 최적의 다음 홉 이웃 노드를 결정한다. 이때, 송신 노드는 자신과 상기 다음 홉 이웃 노드간 거리와 상기 다음 홉 이웃 노드와 상기 싱크 노드간 거리를 감소시키기 위한 제1 조건과, 잔여 에너지가 큰 노드를 선택하기 위한 제2 조건을 충족시키도록, 다수의 센서 노드들 중에서 다음 홉 이웃 노드를 결정하게 된다. 다음 홉 이웃 노드가 결정되면, 송신 노드는 상기 다음 홉 이웃 노드로 데이터를 전송하게 된다.

Description

무선 센서 네트웍에서의 라우팅 방법{Routing Method in Wireless Sensor Network}
본 발명은 네트웍에서의 라우팅 방법에 관한 것으로서, 특히, 다수의 노드들이 랜덤하게 배치되어 있는 무선 네트웍에서의 라우팅 방법에 관한 것이다.
빛, 소리, 온도, 움직임과 같은 물리적 상태 데이터를 다수의 센서에 의해 감지하여 무선 링크를 통해 수집하는 무선 센서 네트웍(WSNs: Wireless Sensor Networks)이 최근 수년간 많은 관심을 받아왔는데, 이는 군용 및 재난 감시, 생산라인 모니터링, 농업 분야의 관측, 보건, 스마트 홈 등과 같은 넓은 응용분야를 가지고 있기 때문이다. 통상적으로 무선 센서 네트웍에 있어서는 모니터링하고자 하는 물리적 환경에서 센서 노드들이 랜덤하게 배치되어, 소스 노드로부터 목적지 노드 즉 싱크 노드까지의 경로가 애드 혹(Ad-hoc) 방식으로 탐색되어 라우팅됨으로써 수집된 데이터가 자율적이고 독립적인 방식으로 싱크 노드로 전송된다.
애드 혹 네트웍은 고정된 하부구조가 없이 이동이나 추가, 제거가 가능한 노드들을 통해 데이터를 전달하기 때문에, 각 노드가 유선망의 라우터 기능을 수행하게 된다. 여기서 라우팅이란 서로 다른 응용분야에서의 요구조건에 따라 소스 노드 또는 중간 노드로부터의 모니터링 데이터를 싱크 노드로 전송하는 프로세스를 말한다.
애드 혹 방식의 무선 센서 네트웍에서 라우팅을 수행함에 있어서는 에너지 효율을 최적화하고 향상시키기 위한 방안이 매우 중요하며, 에너지 효율과 균형화는 무선 센서 네트웍의 성공적인 적용을 위한 주요 해결과제 중 하나라 할 수 있다. 클러스터링, 데이터 수집, 다경로 및 위치 추적 등과 같은 기술을 사용하는 많은 에너지 효율화 라우팅 알고리즘 내지 프로토콜이 지금까지 제안된 바 있다.
무선 센서 네트웍에서의 전통적인 라우팅 프로토콜은 크게 세 가지 카테고리 즉, 데이터 중심적, 계층적, 위치기반 라우팅 프로토콜들로 분류될 수 있다.
데이터 중심적 라우팅 프로토콜 중에서, SPIN("Energy-efficient communication protocol for wireless sensor networks", Proc. Hawaii International Conference System Sciences, 2000, pp.1-10 참조)은 센서 노드들 간의 데이터 협상 기법을 활용하여 데이터 용장도를 감소시키고 에너지를 절약하는 최초의 데이터 중심적 라우팅 프로토콜로 볼 수 있다. 직접 확산("Directed diffusion: A scalable and robust communication paradigm for sensor networks", Proc. 6th Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking, 2000, pp.56-67 참조)은 무선 센서 네트웍을 위한 또 하나의 데이터 중심적 라우팅 프로토콜이다. 센서 노드들에 의해 생성된 데이터는 노드들 내에서 속성-값 쌍으로써 명칭이 부여된다. 일단 싱크 노드가 특정 유형의 정보를 요구할 때에는 쿼리가 송신되고, 관측된 데이터가 수집되어 싱크 노드로 전송될 수 있다. 추가적으로, 부하 분산이 이루어질 수도 있다.
계층적 라우팅 프로토콜들이 무선 센서 네트웍에 적합한 이유는 이 프로토콜들이 수백 혹은 수천 개의 센서들에 대해 우수한 확장성을 제공할 뿐만 아니라 각 클러스터 내에 있는 클러스터 헤드에 의해 데이터 수집을 행할 수 있기 때문이다. LEACH("Energy-efficient communication protocol for wireless sensor networks", Proc. Hawaii International Conference System Sciences, 2000, pp.1-10 참조)는 무선 센서 네트웍을 위한 계층적 라우팅 프로토콜 중 가장 유명한 것 중 하나이다. 이 프로토콜은 직접 전송 프로토콜 및 최초 전송 에너지 프로토콜과 같은 여타의 통상적인 라우팅 프로토콜보다 네트웍 수명을 8배까지 연장시킨다. 그렇지만, 클러스터 헤드 노드들의 5%는 랜덤하게 선택되고 클러스터 헤드 노드들은 싱크 노드들에 대하여 직접적인 전송을 수행하게 되는데, 이는 에너지 소비의 불균형을 야기한다. PEGASIS("PEGASIS: Power efficient gathering in sensor information systems", Proc. IEEE Aerospace Conference, 2002, pp.924-935 참조)는 LEACH의 진보된 버전으로 여겨진다. 이 프로토콜은 LEACH에 비해 많은 에너지를 절약할 수 있는 체인 기반 라우팅 프로토콜이다. 메시지는 체인을 따라 수집되어 체인 상의 어떤 임의의 노드에 의해 직접 전송을 통해서 싱크 노드로 최종 송신된다. PEGASIS의 가장 큰 단점은 전체 네트웍에 대해 전반적인 지식을 필요로 한다는 점이다.
위치기반 라우팅 프로토콜은 GPS 디바이스, 또는 수신 신호 강도(RSS)를 토대로 한 다른 추정 알고리즘을 통하여 위치 정보를 획득할 수 있다. 위치 정보를 알게 되면, 전력 제어 메커니즘을 통해 에너지 소비가 절감될 수 있고, 통신상의 오버헤드도 감소될 수 있다. MECN("Minimum energy mobile wireless networks", IEEE Journal on Sel. Areas Comm., 1999, pp.1333-1344 참조)은 저전력 GPS의 지원 하에서 무선 센서 네트웍을 위한 최소 에너지 네트웍을 제공한다. "Minimum energy mobile wireless networks revisited"(Proc. of IEEE International Conference on Communications (ICC'01), 2001, pp.278-283)의 저자들은 임의의 통신 노드 쌍들 사이에서 발생가능한 장애들을 고려하여 MECN을 확장하고 있다.
최근 들어, 새로운 유형의 홉(hop) 내지 거리 기반 라우팅 알고리즘 및/또는 프로토콜들이 제안된 바 있다. "Power-aware Localized Routing in Wireless Networks"(IEEE Transaction on Parallel and Distributed Systems 2001, pp.1121-1133)에서, 저자들은 일반적인 무선 네트웍 환경 하에서 서로 다른 에너지 모델들을 연구하는 개척적인 작업을 제시하고 있다. "Energy Balanced Data Propagation in Wireless Sensor Networks"(Wireless Networks, 2006, pp.691-707)에서, 저자들은 확률 관점에서 전송 방식의 선택에 대한 연구를 제시하고 있다. 이 문헌에서 저자들은 확률 Pi로 멀티 홉(multi-hop) 방식으로 싱크 노드에 데이터를 전송하고, 확률 (1-Pi)로 단일 홉 방식으로 데이터를 전송하는 것을 제시한다. "On the Problem of Energy Efficiency of Multi-hop vs One-hop Routing in Wireless Sensor Networks"(the 21st International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops (AINAW), 2007, pp.380-385)의 저자들도 단일 홉 및 멀티 홉 전송 방식에서의 에너지 소비에 대한 연구결과를 제시한다. 이들은 단일 홉 라우팅에 대비한 멀티 홉 라우팅의 우수성은 소스와 싱크간의 거리와 수신 비용에 의존한다고 주장한다.
홉 수의 메트릭(metric of hop number) 즉 홉 거리는 에너지 소비, 라우팅 오버헤드, 간섭, 지연시간 등 많은 네트웍 메트릭에 매우 중요한 영향을 미친다. 감각적으로 보더라도, 만약 홉 수가 매우 크다면, 에너지 소비는 단대단 지연시간 및 큰 제어 오버헤드의 비용을 지불해야 감소시킬 수가 있다. 만약 직접 전송에서와 같이 홉 수가 매우 작은 경우에는, 지연시간은 매우 작아지지만 무선통신의 본질적인 속성으로 인하여 에너지 소비는 매우 커질 수 있다. 그러므로, 에너지 효율화 및 균형화를 달성하기 위해서는 적당한 개별 거리와 함께 적절한 홉 수가 설정되어야 할 필요가 있다.
한편, 핫스팟 문제는 무선 센서 네트웍의 네트웍 수명에 직접 영향을 주는 중요한 요소이다. 핫스팟 문제는 센서들간의 에너비 소비 불균형으로 인하여 야기된다. 이것은 랜덤하고 동적인 토폴로지를 갖는 무선 센서 네트웍에 있어서 반드시 극복해야만 하는 큰 해결과제이다. 예를 들어, 모든 센서들이 직접 전송을 사용한다면, 에너지 소비가 거리의 네제곱에 비례하기 때문에 싱크 노드 근처에 있는 노드들은 잔여 에너지가 많다 하더라도 싱크 노드로부터 멀리 떨어져 있는 노드들은 일찍 수명을 다하게 된다. 한편, 멀티 홉 전송이 사용될 때에는, 단거리 멀티 홉 전송을 사용하는 과정에서 싱크 노드로부터 멀리 떨어져있는 노드들은 잔여 에너지가 많다 하더라도 싱크 노드 근처에 있는 노드들은 포워딩할 트래픽이 많아져서 일찍 수명을 다하게 된다.
따라서, 핫스팟 문제를 경감시키기 위해서는, 전송 방식, 전송 거리, 잔여 에너지 등의 요소를 고려하여 모든 센서들 간에 에너지 소비를 균형화할 필요가 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 무선 센서 네트웍에 있어서 라우팅 프로세스가 진행되는 동안 모든 센서 노드들이 비슷한 비율로 에너지를 소비하도록 균형화(balancing)함으로써, 에너지 균형화 및 효율화를 달성할 수 있고, 핫스팟 문제를 경감시킬 수 있는 라우팅 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 라우팅 방법은 다수의 센서 노드들 및 싱크 노드를 구비하는 무선 센서 네트웍에서 사용하기에 적합한 것이다.
먼저, 송신 노드는 상기 송신 노드와 상기 싱크 노드간 거리를 토대로 전송 방식을 결정한다. 여기서, 송신 노드는 새로운 데이터를 감지하여 싱크 노드에 송신하고자 하는 소스 노드가 될 수도 있고, 소스 노드에 의해 감지된 데이터를 받아들여 싱크 노드로 포워딩하는 중간 노드가 될 수도 있다. 전송 방식을 결정함에 있어서, 송신 노드는 자신과 싱크 노드까지의 거리가 소정의 하한값보다 작은 경우에는 직접 전송 방식을 전송 방식으로 결정하고, 상기 싱크 노드까지의 거리가 상기 하한값보다 작지 않은 경우에는 멀티 홉 전송 방식을 전송 방식으로 결정한다.
전송 방식이 멀티 홉 전송 방식으로 결정된 경우, 송신 노드는 최적의 다음 홉 이웃 노드를 결정한다. 이때, 송신 노드는 자신과 상기 다음 홉 이웃 노드간 거리와 상기 다음 홉 이웃 노드와 상기 싱크 노드간 거리를 감소시키기 위한 제1 조건과, 잔여 에너지가 큰 노드를 선택하기 위한 제2 조건을 충족시키도록, 다수의 센서 노드들 중에서 다음 홉 이웃 노드를 결정하게 된다.
다음 홉 이웃 노드가 결정되면, 송신 노드는 상기 다음 홉 이웃 노드로 데이터를 전송하게 된다.
바람직한 실시예에 따르면, 다음 홉 이웃 노드를 결정함에 있어서는, 먼저 송신 노드로부터의 거리가 제1 기준치보다 작고, 싱크 노드로부터의 거리가 제2 기준치보다 작은 다음 홉 후보 노드들을 결정한다. 그리고, 상기 다음 홉 후보 노드들 중에서 최대 잔여 에너지를 가지고 있는 노드를 다음 홉 이웃 노드로 선택하게 된다.
바람직한 실시예에 있어서, 다수의 센서 노드들 각각에는 상기 싱크 노드와 다른 센서 노드들 중 적어도 일부 각각까지의 거리를 저장하는 이웃 노드 테이블과, 상기 다른 노드들의 에너지 레벨을 저장하기 위한 에너지 레벨 테이블이 마련되며, 상기 다음 홉 이웃 노드는 상기 이웃 노드 테이블과 상기 에너지 레벨 테이블을 참조하여 결정된다.
본 발명에 따르면, 송신 노드 즉, 소스 노드 또는 중간 노드가 다음 홉 이웃 노드를 결정함에 있어서, 노드들 간의 개별 거리를 1차적 기준으로 취급하고, 잔여 에너지를 2차적 기준으로 고려하는데, 잔여 에너지를 고려함에 있어 총 에너지 소비를 감소시키려 하기보다는 각 노드가 비슷한 감소율로 에너지를 소비하도록 하게 된다.
이와 같은 에너지 균형화를 통하여 핫스팟 현상이 경감될 수 있게 되며, 라우팅 과정에서 에너지 소비를 감소시킬 수도 있음은 물론 네트웍 수명을 크게 연장시키게 되는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명한다. 도면 중,
도 1은 본 발명의 거리 기반 에너지 인식 라우팅(DEAR) 방법에 있어서의 전송 방식 및 개별 거리에 대한 결정기준을 보여주는 표이다.
도 2는 본 발명의 라우팅 방법이 적용되는 무선 센서 네트웍의 일 예를 보여준다.
도 3은 도 2에 도시된 센서 노드들 각각을 구성하는 센서 노드 디바이스의 블록도이다.
도 4는 본 발명에 의한 거리 기반 에너지 인식 라우팅 방법의 바람직한 실시예를 보여주는 흐름도이다.
도 5는 도 4의 제106단계 및 제114단계에서 멀티 홉 전송을 위한 최적의 다음 홉 이웃 노드를 결정하는 선택기준을 보여주는 상세 흐름도이다.
도 6은 소스 노드로부터 싱크 노드까지의 거리가 주어졌을 때의 다양한 멀티 홉 경로의 분포를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 라우팅 알고리즘과 세 종류의 범용 라우팅 알고리즘 간의 평균 에너지 소비를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 라우팅 알고리즘과 세 종류의 범용 라우팅 알고리즘 간의 평균 네트웍 수명을 비교하여 도시한 그래프이다.
본 발명의 거리 기반 에너지 인식 라우팅(DEAR: Distance Based Energy Aware Routing) 알고리즘은 1차 무선 모형(First Order Radio Model)이라 칭해지는 기존의 에너지 모형의 이론적, 실험적 분석에 기초를 두고 있다.
무선 디바이스가 ℓ-비트의 메시지를 전송하는데 소비하는 에너지 ETx는 다음 수학식 1과 같이 거리 d에 따라 달라진다.
Figure pat00001
메시지를 수신하는데 소비하는 에너지 ERx와 메시지를 포워딩하는데 소비하는 에너지 EFx는 각각 수학식 2 및 수학식 3과 같다.
Figure pat00002
Figure pat00003
표 1은 수학식 1 내지 수학식 3에 포함된 무선 파라미터의 정의를 정리한 것이다.
파라미터 정의 값
Eelect 무선 디바이스를 구동하기 위한 에너지 소비 50 nJ/비트
εfs 전송장치 증폭기의 자유공간 모형 10 pJ/비트/㎡
εmp 전송장치 증폭기의 다중경로 모형 0.0013 pJ/비트/㎡
ℓ 데이터 길이 2000 비트
d0 거리 임계치
Figure pat00004
m
이하, 소스 노드에서 싱크 노드까지의 경로를 따라 n개의 센서 노드가 각각의 거리 {d1, d1, …, dn}만큼 이격되어 배치되어 있고, 소스 노드에서 싱크 노드까지의 거리는 d이고 노드 1이 싱크 노드로부터 가장 먼 노드라고 가정한다.
각 노드가 차례로 ℓ-비트의 메시지를 원격지의 싱크 노드로 송신하도록 한다고 가정하면, i-번째 노드는 그 자신의 ℓ-비트 데이터를 한차례 전송하고 다른 메시지를 (i-1)번 포워딩하게 된다. 따라서 i-번째 노드에서의 에너지 소비는 수학식 4와 같다.
Figure pat00005
Ei=Ei +1이라 하면, 최종적으로 다음 수학식 5를 얻을 수 있다.
Figure pat00006
dn>0 이므로, 다음 수학식이 만족되어야 한다.
Figure pat00007
수학식 6을 토대로, 도 1에 도시된 바와 같이 n=[2:9]의 범위 내에 있는 각각의 n값에 대한 거리의 하한 d1 및 di를 구할 수 있다. 여기서, εamp=0.001 pJ/비트/m4, Eelect=50 nJ/비트의 값을 사용하였다. 멀티 홉 수 n이 주어지면, 도 1의 표를 사용하여 거리의 하한 d1 뿐만 아니라 소스 노드로부터 싱크 노드까지의 최소 거리 d도 산출할 수 있다. 예를 들어, 실제 d = 300 일 때에는, d1(2) > 100 또는 d1(3) > 118.9 이므로 2-홉 또는 3-홉 경로를 사용할 수 있을 뿐이다.
한편, 소스 노드로부터 싱크 노드까지의 거리 d가 주어졌을 때에는, 홉 수 n을 달리하는 여러 개의 멀티 홉 경로가 존재할 수 있다. 이 경우, 각 센서 노드에 대하여 에너지 소비가 최소화되는 최대 홉 수가 최적의 멀티 홉 수가 된다.
표 2에서, 소스 노드로부터 싱크 노드까지의 거리 d가 주어졌을 때 서로 다른 d1(n)의 집합을 알 수 있다. 예를 들어, d=800일 때에는, d1(8)=164.8인 8-홉 경로 또는 d1(7)=170.5인 7-홉 경로를 선택할 수 있다. 그에 상응한 개별 거리 di는 수학식 6으로부터 추론하여 구할 수 있다. 여기서,
Figure pat00008
이기 때문에 9-홉 경로를 선택할 수는 없다는 것을 주목해야 한다.
따라서, d=800일 때에는 n∈[2,8]의 범위 내에서 n-홉 경로를 선택할 수 있다. 그리고, d1(8)=164.8인 8-홉 경로를 선택하는 것이 바람직한데, 이는 각 노드가 최소 에너지를 소비하기 때문이다.
d 800 900 1000
d1(n) d1(8)=164.8 d1(9)=169.7 d1(10)=174.3
d1(7)=170.5 d1(8)=174.2 d1(9)=177.8
d1(6)=183.7 d1(7)=184.7 d1(8)=186.3
위와 같은 분석을 토대로, 본 발명에 의한 거리 기반 에너지 인식 라우팅(DEAR) 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 라우팅 방법이 적용되는 무선 센서 네트웍의 일 예를 보여준다. 도시된 무선 센서 네트웍은 모니터링하고자 하는 감지대상 영역(10)에 랜덤하게 배치되어 있는 다수의 센서 노드(20a~20n)와, 상기 감지대상 영역(10) 내부 또는 외부에 설치되는 베이스 스테이션(BS) 즉 싱크 노드(30)를 포함한다. 싱크 노드(30)는 공중망을 통하여 유저 단말기(50)에 접속될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 센서 노드(20a~20n) 중 적어도 일부는 이동식으로 되어 있을 수 있고, 다른 일부는 고정되어 있을 수 있다. 이동성 여부에 관계없이, 각 센서 노드(20a~20n)는 동질적(homogeneous)이고, 이들 사이의 통신 링크들은 대칭적으로 구성되는 것이 바람직하다. 아울러, 소스 노드와 싱크 노드 사이에 큰 장애물이 없는 것이 바람직하다.
도 3은 센서 노드(20a~20n) 각각을 구성하는 센서 노드 디바이스의 블록도이다. 각 센서 노드 디바이스는 센서 모듈(70)과, 무선 통신부(72)와, 안테나(74)와, 마이크로컨트롤러(76)와, 플래시 메모리(78)와, SRAM(80)을 구비한다.
센서 모듈(70)은 예컨대 빛, 소리, 온도, 움직임과 같은 물리적 상태를 감지하여 디지털 데이터로 변환한다. 무선 통신부(72)는 안테나(74)를 통해서 다른 센서 노드(20a~20n) 또는 싱크 노드(30)와 예컨대 지그비(Zigbee), 블루투스(Bluetooth), 또는 와이파이(WiFi) 표준에 적합한 방식으로 무선 신호를 송수신한다. 특히, 바람직한 실시예에 있어서는, 무선 통신부(72)의 송신 출력이 마이크로컨트롤러(76)의 제어 하에 MAC 레이어와의 충돌이 없이 여러 단계로 가변시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
마이크로컨트롤러(72)는, 센서 모듈(70)로부터 새로운 감지 데이터가 획득되거나 다른 센서 노드(20a~20n)로부터 중계 전송할 감지 데이터를 수신하면, 무선 통신부(72) 및 안테나(74)를 통해 감지 데이터를 다른 센서 노드(20a~20n) 및 싱크 노드(30) 중에서 사전에 정해진 규칙에 따라 정해지는 어느 하나의 노드에 송신한다. 아울러, 마이크로컨트롤러(72)는 후술하는 바와 같이 경로 요구(RREQ: Route Requst) 메시지 또는 확인(ACK) 메시지를 송신할 수 있다.
플래시 메모리(78)는 디바이스 동작에 필요한 설정 데이터를 저장한다. 특히, 본 발명에 따르면, 플래시 메모리(78)에는 해당 디바이스의 근처에 있는 이웃 노드들 및 싱크 노드 각각의 어드레스와 해당 노드까지의 거리를 저장하는 이웃 노드 테이블이 저장된다. 여기서, 이웃 노드 또는 싱크 노드까지의 거리는 삼각측량법 또는 다른 측위 방법을 사용하여 구할 수 있다. 그렇지만, 다른 실시예에 있어서는, 각 노드가 자신의 위치 정보를 일반적인 측위 방법을 사용하여 획득한 상태에서 후술하는 바와 같이 노드 디바이스들간에 이러한 위치 정보를 교환하고, 각 노드 디바이스가 수학적 추론을 통해 다른 노드까지의 개별 거리를 계산할 수도 있다.
한편, SRAM(80)은 디바이스 동작 과정에서 발생하는 임시 데이터를 저장한다. 예컨대, SRAM(80)에는 디바이스 자신 및 이웃 노드들의 에너지 레벨을 저장하기 위한 에너지 레벨 테이블이 저장된다. 아울러, SRAM(80)에는 해당 디바이스가 관여된 경로에 대한 정보를 저장하는 경로 테이블이 추가적으로 저장될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 시스템에 있어서, 각 노드 디바이스는 정상 상태에서 이웃 노드들과 통신하면서 비콘 신호를 통해 자신들의 정보, 예컨대 위치 정보와 에너지 레벨 정보를 교환하게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 각 센서 노드 디바이스의 이웃 노드 테이블 및 에너지 레벨 테이블이 글로벌 네트웍 토폴로지 정보를 저장하는 것이 아니라 이웃에 있는 일부의 노드들과 싱크 노드에 대한 정보만을 저장하며, 이러한 점에서 마이크로컨트롤러(72)가 수행하는 본 발명의 거리 기반 에너지 인식 라우팅(DEAR) 방법은 분산된 국부적 라우팅 알고리즘이라 할 수 있다.
도 4는 본 발명에 의한 거리 기반 에너지 인식 라우팅(DEAR) 방법의 바람직한 실시예를 보여주는 흐름도이다.
먼저, 센서 노드(20a~20n)는 새로운 데이터가 감지되었는지를 지속적으로 판단한다(제100단계). 제100단계에서 새로운 데이터가 감지되면, 감지 데이터가 획득한 센서 노드(20a~20n) 즉, 소스 노드는 감지된 데이터를 싱크 노드(BS)로 송신할 경로 설정 단계를 개시한다.
먼저, 소스 노드는 소스 노드로부터 싱크 노드(BS)까지의 거리 d를 토대로 전송 방식을 결정한다(제102단계). 구체적으로, 만약 소스 노드로부터 싱크 노드(BS)까지의 거리 d가 n=2일 때의 거리의 하한 d1(n=2) 즉, 도 1의 예에 있어서의 값인 100보다 작다면, 소스 노드는 직접 전송 방식을 사용하기로 결정하고, 데이터를 싱크 노드(BS)로 직접 송신한다(제104단계). 한편, 소스 노드로부터 싱크 노드(BS)까지의 거리 d가 n=2일 때의 거리의 하한 d1(n=2)보다 크다면, 소스 노드는 멀티 홉 전송 방식에 의해 데이터를 싱크 노드(BS)로 전송하는 것으로 결정한다.
만약 제102단계에서 멀티 홉 전송 방식이 선택되면, 소스 노드(예컨대 도 2의 20a)는 이웃 노드 테이블과 에너지 레벨 테이블을 토대로 하여 각 이웃 노드까지의 거리와 각 이웃 노드의 에너지 레벨에 따라서 최적의 다음 홉 이웃 노드(20b)를 결정한다(제106단계).
다음 홉 이웃 노드(20b)가 선택되면, 소스 노드(20a)는 자신의 위치 정보를 캡슐화하여 포함시킨 경로 요구(RREQ: Route Request) 메시지를 다음 홉 이웃 노드(20b)에 송신하여 경로 설정을 요구한다(제108단계). 다음 홉 이웃 노드(20b)는 RREQ 메시지를 수신하면 수신확인(ACK) 메시지를 이전 노드에 보내 응답한다(제110단계).
그 다음, 이웃 노드(20b)는 자신의 위치 정보를 RREQ 메시지 내에 추가하여 그 다음 홉 이웃 노드(20c)에 송신하는데, 이와 같은 과정이 반복적으로 수행된다. 이에 따라, RREQ 메시지는 완전한 경로 정보를 포함한 상태로 싱크 노드(BS)에 도달하게 된다(제114단계).
최종적으로, 싱크 노드(BS)는 경로 응답(RREP: Route Reply) 메시지를 송신하여 RREQ 메시지의 수신을 확인하며, 트래픽 전송이 개시될 수 있게 된다(제116단계).
만약 경로 설정 과정에서 소스 노드(20a)가 링크 오류를 검출하게 되면(제112단계), 소스 노드(20a)는 자체적으로 구비하는 이웃 노드 테이블 및 에너지 레벨 테이블을 토대로 다른 적절한 이웃 노드(예컨대, 도 2에서 20k)를 선택하여 경로 설정 단계를 재시작한다. 만약 제112단계에서 중간 노드(20b~20e)가 링크 오류를 검출하게 되면, 해당 중간 노드(20b~20e)는 먼저 로컬 링크 복구 프로세스를 시도한다(제110단계). 다시 말해서, 중간 노드는 제106단계 내지 제110단계와 유사한 방식으로 다른 적합한 이웃 노드를 선택하고자 시도하게 된다. 만약 로컬 링크 복구가 성공적으로 이루어졌다면, 라우팅 프로세스는 제114단계로부터 재개될 수 있다. 반대로, 로컬 링크 복구가 실패한 경우에는, RREQ 메시지에 저장된 정보를 토대로 경로 에러(RERR) 메시지가 해당 중간 노드(20b~20e)로부터 소스 노드(20a)로 역방향 송신된다. 또한, 상기 중간 노드(20b~20e)는 장애 발생 경로에 관련된 노드들에게 그 사실을 통지한다(제120단계).
마지막으로, 소스 노드(20a)로부터 관련 중간 노드들을 포함한 경로가 각 디바이스의 경로 테이블에서 삭제되며(제122단계), 새로운 경로 설정 단계가 소스 노드(20a)에 의해 개시된다(제124단계).
도 5는 도 4의 제106단계에서 소스 노드가 멀티 홉 전송을 위한 최적의 다음 홉 이웃 노드를 결정하는 선택기준을 보다 상세하게 보여준다.
먼저, 소스 노드는 소스 노드 i와 그 이웃 노드 j 간의 거리가
Figure pat00009
의 관계를 만족시키는 다음 홉 후보 노드들의 집합(A)을 선별한다(제150단계). 여기서, 메트릭(Δ)은 조정 파라미터로써, 도 1 및 위에서 설명한 예와 같은 실질적인 네트웍 토폴로지 하에서 예컨대 [20,40] 범위 내에 있는 값으로 정해질 수 있다.
이어서, 소스 노드는 다음 홉 후보 노드들의 집합(A)에 속한 노드들 중에서 노드 j로부터 싱크 노드(BS)까지의 거리가 소스 노드 i로부터 싱크 노드(BS)까지의 거리보다 작은 즉,
Figure pat00010
의 관계를 만족하는 다음 홉 후보 노드들의 부분집합(B)을 선별한다(제152단계).
제154단계에서, 소스 노드는 다음 홉 후보 노드들의 부분집합(B)에 속한 노드들 중에서 싱크 노드(BS)에 가장 가까운 하나 이상의 노드들을 선별하여 다음 홉 후보 노드들의 부분집합(C)을 엄선한다(즉,
Figure pat00011
).
제156단계에서, 소스 노드는 다음 홉 후보 노드들의 부분집합(C)에 속한 노드들 중에서 최종적인 다음 홉 노드 j는 최대 잔여 에너지를 가지고 있는 노드 j*를 최종적인 다음 홉 이웃 노드로 선택한다.
이와 같이, 바람직한 실시예에 있어서는, 노드들 간의 개별 거리가 라우팅 과정에서 1차적 파라미터로 취급되고, 잔여 에너지가 2차적 파라미터로 고려된다.
한편, 위에서는 도 4의 제106단계에서 소스 노드가 멀티 홉 전송을 위한 최적의 다음 홉 이웃 노드를 결정하는 선택기준을 중심으로 설명하였지만, 도 5의 결정 과정은 도 4의 제114단계에서 중간 노드가 최적의 다음 홉 이웃 노드를 결정하는 과정에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 6은 수학식 5와 도 1에 보여진 바와 같이 소스 노드로부터 싱크 노드까지의 거리(d)가 800으로 주어졌을 때의 다양한 멀티 홉 경로의 분포를 보여준다. d=800일 때, 홉 수(n)가 [2,8] 범위 내에 있는 여러 가지의 멀티 홉 경로 옵션이 존재한다. 이중에서 결국 8-홉 경로를 선택하게 되는데, 이 경우 각 노드가 최소 에너지를 소비하기 때문이다. 실제 네트웍 토폴로지 하에서 현실적인 값 d1(8)은 이론치보다 크게 된다는 점을 주목할 필요가 있다. 한편, 이와 같은 라우팅 방법을 통해서, 에너지 효율화와 에너지 균형화가 모두 달성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 라우팅 알고리즘과 세 종류의 범용 라우팅 알고리즘 간의 평균 에너지 소비를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 7에서는 300 개의 센서 노드들이 300ㅧ300 ㎡의 영역에 랜덤하게 배치되어 있고 싱크 노드(BS)가 영역의 중심에 위치하는 것으로 가정하고 시뮬레이션하였으며, 이 경우 최대 전송 반경은 150 미터가 된다. 각 노드는 서로 다른 라우팅 알고리즘을 토대로 하여 직접 전송 또는 멀티 홉 전송 방식으로 2000 비트의 메시지를 차례로 BS에 전송한다. 본 발명의 DEAR 알고리즘과 세 종류의 범용 라우팅 알고리즘 즉, 직접 전송, 그리디(greedy) 알고리즘, 및 최대 잔여 에너지(MRE: Maximal Residual Energy) 알고리즘에 대하여, 평균 에너지 소비를 비교하였다.
도 7에서 직접 전송 알고리즘이 가장 많은 양의 에너지를 소비하는 것을 볼 수 있는데, 이는 소스 노드로부터 싱크 노드까지의 평균 거리가 상대적으로 멀기 때문이다. 본 발명의 DEAR 알고리즘은 그 거리-기반 속성으로 인하여 에너지 소비가 최소화된다. 그리디(greedy) 알고리즘 및 MRE 알고리즘은 100 회 이하의 시뮬레이션에서 중간 성능을 나타내었다. 다른 알고리즘들에 비하여 DEAR 알고리즘은 센서들에 대한 에너지 소비를 균형화할 뿐만 아니라 에너지 소비를 감소시킬 수 있음을 볼 수 있다.
그리디(greedy) 라우팅 알고리즘의 경우, 각 노드는 라우팅 프로세스를 수행하는 동안에 개별 거리 ri를 전송 반경 R로 근사시켜 이웃 노드를 선택하는데, 이는 전송 반경 R이 커짐에 따라 에너지 소비가 증가하게 된다. MRE 알고리즘의 경우, 각 노드가 잔여 에너지가 비교적 큰 노드로 다음 홉을 선택하는데, 이는 멀티 홉 수와 개별 거리를 랜덤하게 분포되게 할 수 있었다. 본 발명의 DEAR 알고리즘의 경우, 적절한 개별 거리와 잔여 에너지를 가지는 적합한 다음 홉을 항상 탐색할 수 있다.
도 8은 본 발명의 라우팅 알고리즘과 세 종류의 범용 라우팅 알고리즘 간의 평균 네트웍 수명을 비교하여 보여준다. 여기서, 네트웍 수명은 첫 번째 노드의 에너지가 고갈되는 시간으로써 정의되는데, 이는 이 시간이 그 후의 네트웍 파티션 내지 격리 영역의 발생을 야기하기 때문이다.
도 8에서, 대규모 네트웍 환경 하에서 또는 소스 노드로부터 싱크 노드까지의 평균거리가 비교적 클 때에는, 보통은 직접 전송이 가장 짧은 수명을 가지는 것을 볼 수 있다. MRE 알고리즘의 경우, 각 노드가 거리 분포와는 무관한 경우가 많은 잔여 에너지를 토대로 다음 홉을 선택하기 때문에, 최종 멀티 홉 경로는 적은 수의 홉 수를 가지게 되어 보다 많은 평균 에너지를 소비할 수가 있다. 그리디(greedy) 라우팅 알고리즘의 경우, 각 노드가 싱크 노드까지 가장 손쉽게 경로를 설정하기 위하여(greediest progress) R에 가까운 거리에 있는 노드를 다음 홉 노드로 선택하려는 경향이 있기 때문에, 네트웍 수명이 비교적 짧으면서도 많은 에너지 소비가 이루어진다. 이에 반하여, 본 발명의 DEAR 알고리즘은 에너지 효율화 및 균형화 속성으로 인하여 가장 긴 네트웍 수명을 나타내게 된다.
소스 노드로부터 싱크 노드까지의 거리와 표 1의 하드웨어 파라미터 값들이 주어지면, 전송 방식, 최적 멀티 홉 수는 물론 그에 상응한 개별거리까지 결정할 수 있다. 본 발명의 DEAR 알고리즘과 여타 알고리즘들 간의 가장 핵심적인 차이는 본 발명의 경우 각 라우팅 프로세스에서 총 에너지 소비를 감소시키려 하기보다는 각 노드가 비슷한 감소율로 에너지를 소비하게 한다는 것이다.
이와 같이, 본 발명의 라우팅 방법에 따르면 에너지 소비가 크게 감소됨은 물론 네트웍 수명이 크게 연장될 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다양한 방식으로 변형될 수 있고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다.
예컨대, 각 개별 거리의 하한을 나타내는 도 1의 테이블은 물리적 환경이나 응용분야에 따라 변경될 수 있다. 또한, 하드웨어 파라미터 값들 역시 표 1의 값들로 한정되지 않는다.
또한, 본 발명의 방법은 무선 센서 네트웍을 위한 다른 많은 종류의 에너지 효율적인 라우팅 알고리즘 또는 프로토콜에 적용가능하다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 감지대상 영역
20a~20n: 센서 노드
20a: 소스 노드
BS: 싱크 노드
RREQ: 경로 요구(Route Request) 메시지
ACK: 수신확인(Acknowledgement) 메시지
RREP: 경로 응답(Route Reply) 메시지
RERR: 경로 에러(Route Error) 메시지

Claims (3)

  1. 다수의 센서 노드들 및 싱크 노드를 구비하는 무선 센서 네트웍에서의 라우팅 방법으로서,
    (a) 새로운 데이터를 감지한 소스 노드 및 포워딩할 데이터를 수신한 중간 노드 중에서 하나로 정해지는 송신 노드가 상기 송신 노드와 상기 싱크 노드간 거리를 토대로 전송 방식을 결정하되, 상기 송신 노드와 상기 싱크 노드간 거리가 소정의 하한값보다 작은 경우에는 직접 전송 방식을 상기 전송 방식으로 결정하고, 상기 송신 노드와 상기 싱크 노드간 거리가 상기 하한값보다 작지 않은 경우에는 멀티 홉 전송 방식을 상기 전송 방식으로 결정하는 단계;
    (b) 상기 전송 방식이 상기 멀티 홉 전송 방식으로 결정된 경우, 상기 송신 노드가 최적의 다음 홉 이웃 노드를 결정하되, 상기 송신 노드와 상기 다음 홉 이웃 노드간 거리와 상기 다음 홉 이웃 노드와 상기 싱크 노드간 거리를 감소시키기 위한 제1 조건과 잔여 에너지가 큰 노드를 선택하기 위한 제2 조건을 충족시키도록, 상기 다수의 센서 노드들 중에서 상기 다음 홉 이웃 노드를 결정하는 단계; 및
    (c) 상기 송신 노드가 상기 다음 홉 이웃 노드로 상기 데이터를 전송하는 단계;
    를 포함하는 라우팅 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 (b)단계가
    (b1) 상기 송신 노드로부터의 거리가 제1 기준치보다 작고, 상기 싱크 노드로부터의 거리가 제2 기준치보다 작은 다음 홉 후보 노드들을 결정하는 단계; 및
    (b2) 상기 다음 홉 후보 노드들 중에서 최대 잔여 에너지를 가지고 있는 노드를 상기 다음 홉 이웃 노드로 선택하는 단계;
    를 포함하는 라우팅 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 다수의 센서 노드들 각각에는 상기 싱크 노드와 다른 센서 노드들 중 적어도 일부 각각까지의 거리를 저장하는 이웃 노드 테이블과, 상기 다른 노드들의 에너지 레벨을 저장하기 위한 에너지 레벨 테이블이 마련되며, 상기 이웃 노드 테이블과 상기 에너지 레벨 테이블을 참조하여 상기 다음 홉 이웃 노드가 결정되는 라우팅 방법.
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