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KR101482145B1 - 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치 및 방법 Download PDF

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KR101482145B1
KR101482145B1 KR20130010657A KR20130010657A KR101482145B1 KR 101482145 B1 KR101482145 B1 KR 101482145B1 KR 20130010657 A KR20130010657 A KR 20130010657A KR 20130010657 A KR20130010657 A KR 20130010657A KR 101482145 B1 KR101482145 B1 KR 101482145B1
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KR
South Korea
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node
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sensor
sensor node
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정상화
김태구
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 클러스터 기반에서 센서 노드를 실제 환경에 설치했을 때, 각각의 노드들이 가지는 서로 다른 링크 품질로 인해 데이터의 유실이나 손상이 잦은 노드를 헤더 선출에 회피하여 데이터의 신뢰성 있는 전달과 불필요한 재전송의 발생을 줄여 네트워크의 전체 생존 시간을 향상시키기 위한 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로서, 무선 센서 네트워크에 포함되는 각 센서노드의 잔량 에너지를 추정하는 에너지 잔량 추정부와, 상기 각 센서 노드의 링크 품질을 측정하는 링크 품질 정보 측정부와, 상기 추정된 각 센서노드의 잔량 에너지 정보 및 링크 품질 정보를 수집하고, 수집된 각 센서노드의 잔량 에너지 정보 및 링크 품질 정보의 조합을 통해 각 센서 노드별로 가중치 값을 산출하는 가중치 산출부와, 상기 산출된 가중치 값을 기반으로 각 센서 노드간의 비교를 통해 가장 높은 가중치 값을 갖는 센서 노드를 선별하여 클러스터 헤더 노드로 선출하는 클러스터 헤더노드 선출부와, 상기 선출된 클러스터 헤더 노드가 클러스터 헤더로 선출된 횟수 정보 및 기지국으로 정보를 전달할 때 발생한 재전송 횟수 정보를 업데이트하여 상기 링크 품질 정보 측정부에서 측정되는 링크 품질 측정 결과를 업데이트시키는 링크품질 정보 업데이트부를 포함하여 구성되는데 있다.

Description

무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치 및 방법{Apparatus and method for energy-saving and reliable data communication in Wireless Sensor Networks}
본 발명은 무선 센서 네트워크(wireless sensor networks)를 사용하는 환경에서 효율적인 에너지 관리를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 노드의 에너지 잔량 및 링크 품질 정보를 함께 조절하여 클러스터 헤더 노드를 선정하여 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 할 수 있는 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 센서 네트워크(wireless sensor networks)는 무선 통신 기능이 있는 센서노드를 이용하여 각종 정보를 수집하는데 이용되며, 다양한 분야에 적용되어 응용되고 있다. 일예로 유비쿼터스(ubiquitous) 시대에는 모든 사물에 전자태그를 부착하여 사물과 환경을 인식하고, 센서 네트워크를 통해 실시간 정보를 구축 및 활용하게 된다.
기본적으로 무선 센서 네트워크는 노드 주변의 물리적인 환경 정보를 수집하는 업무를 수행하는 복수의 노말(normal) 노드들로 이루어진 적어도 하나 이상의 노말 노드 그룹(클러스터)과, 상기 노말 노드들을 통해 수집된 환경 정보를 응용에서 이해하기 쉽도록 처리하는 업무를 수행하는 싱크(sink) 노드와, 상기 노말 노드들과 싱크 노드 간에 직접적인 통신을 담당하는 클러스터 헤더(노드)로 이루어질 수 있다.
무선 센서 네트워크에서는 이러한 특정 동작을 수행하는 센서 노드(sensor node)들이 제약적이고 한정된 자원을 바탕으로 보다 오랜 시간동안 생존하여 임무를 수행하는 것이 중요한 과제이다. 이러한 생존 시간을 향상시키기 위해 많은 연구가 진행되었고 기술로도 많이 개발되고 있다.
그러나 무선 센서 네트워크를 실제 환경에 구축했을 때에는 장애물, 지형 등과 같은 환경적인 요인으로 센서 노드들이 서로 다른 링크 품질을 가지게 된다. 이때, 무선 센서 네트워크에서 널리 쓰이는 계층적 구조인 클러스터링 기법에서는 주변 센서 노드들의 정보를 취합하고 기지국(base station)으로 전달하기 위한 클러스터 헤더(cluster head)가 필요하게 되며, 이 클러스터 헤더가 좋지 않은 링크 품질을 가지고 있는 경우, 기지국으로 데이터를 전달할 때에 데이터의 유실 또는 손상이 발생할 가능성이 높아지게 된다. 이렇게 되면 데이터의 수집율을 보장하기 위해서 재전송과 같은 별도의 메커니즘이 필요하다. 이런 경우 추가적인 에너지 소모가 불가피하여 한정적인 에너지를 보다 긴 시간 유지하기 위한 무선 센서 네트워크에서는 비효율적인 운용이 된다.
이에 따라, 무선 센서 네트워크에서 에너지 소모를 줄이고 효율적인 관리를 하기 위한 다양한 대체 기술이 존재하지만, 링크 품질이란 기반으로 재전송을 활용한 에너지 관리 기법은 흔하지 않으며 재전송과 같은 링크 품질을 활용한 대부분의 연구들은 라우팅에 초점이 맞춰져 있어 클러스터 헤더 선출 기법에는 거의 활용되지 않았다. 또한 무선 센서 네트워크에서 센서 노드는 저전력으로 오랜 시간 생존을 해야 하는 주된 임무로 인해 별도의 정밀한 에너지 측정이나 위치, 거리 등과 같은 정보를 이용하기 용이하지 않은 제약이 존재한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점의 해결 및 기술적 향상을 위해 안출한 것으로서, 클러스터 기반에서 센서 노드를 실제 환경에 설치했을 때, 각각의 노드들이 가지는 서로 다른 링크 품질로 인해 데이터의 유실이나 손상이 잦은 노드를 헤더 선출에 회피하여 데이터의 신뢰성 있는 전달과 불필요한 재전송의 발생을 줄여 네트워크의 전체 생존 시간을 향상시키기 위한 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 노드의 에너지 잔량 및 링크 품질 정보를 함께 조절하여 클러스터 헤더 노드를 선정하여 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 할 수 있는 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치의 특징은 무선 센서 네트워크에 포함되는 각 센서노드의 잔량 에너지를 추정하는 에너지 잔량 추정부와, 상기 각 센서 노드의 링크 품질을 측정하는 링크 품질 정보 측정부와, 상기 추정된 각 센서노드의 잔량 에너지 정보 및 링크 품질 정보를 수집하고, 수집된 각 센서노드의 잔량 에너지 정보 및 링크 품질 정보의 조합을 통해 각 센서 노드별로 가중치 값을 산출하는 가중치 산출부와, 상기 산출된 가중치 값을 기반으로 각 센서 노드간의 비교를 통해 가장 높은 가중치 값을 갖는 센서 노드를 선별하여 클러스터 헤더 노드로 선출하는 클러스터 헤더노드 선출부와, 상기 선출된 클러스터 헤더 노드가 클러스터 헤더로 선출된 횟수 정보 및 기지국으로 정보를 전달할 때 발생한 재전송 횟수 정보를 업데이트하여 상기 링크 품질 정보 측정부에서 측정되는 링크 품질 측정 결과를 업데이트시키는 링크품질 정보 업데이트부를 포함하여 구성되는데 있다.
바람직하게 상기 에너지 잔량 추정부는 센서노드의 MCU(Micro Controller Unit)에서 제공하는 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 이용하여 측정되는 동작 전압값을 이용하여 각 센서노드의 잔량 에너지를 추정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 센서노드의 잔량 에너지의 추정은 수식 를 이용하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 링크 품질 정보 측정부는 센서 노드가 클러스터 헤더로 선출된 횟수와 기지국으로 정보를 전달할 때에 발생한 재전송 횟수 정보를 이용하여 링크 품질 정보를 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 방법의 특징은 (A) 무선 센서 네트워크에 포함되는 각 센서노드의 잔량 에너지를 추정하는 단계와, (B) 상기 각 센서노드들이 가지는 링크 품질 정보를 측정하는 단계와, (C) 상기 추정된 각 센서노드의 잔량 에너지 정보 및 링크 품질 정보를 수집하고, 수집된 각 센서노드의 잔량 에너지 정보 및 링크 품질 정보의 조합을 통해 각 센서 노드별로 가중치 값을 산출하는 단계와, (D) 상기 산출된 가중치 값을 기반으로 각 센서 노드간의 비교를 통해 가장 높은 가중치 값을 갖는 센서 노드를 선별하여 클러스터 헤더 노드로 선출하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
바람직하게 상기 (B) 단계는 센서 노드가 클러스터 헤더로 선출된 횟수와 기지국으로 정보를 전달할 때에 발생한 재전송 횟수 정보를 이용하여 링크 품질 정보를 얻는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 (C) 단계에서 센서노드의 가중치 값(센서노드 weight 값)은 수식
Figure 112013009129986-pat00002
을 이용하여 산출하며, 이때, 상기 w는 잔여 에너지와 링크 품질의 적용 가중치인 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 적용 가중치(w)값을 라운드가 진행될수록 낮게 설정하여, 라운드가 진행될수록 에너지 잔여 에너지보다 링크 품질에 가중치가 높아지도록 설정되도록 하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 (D) 단계는 한 라운드동안 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 (D) 단계는 (D1) 상기 산출된 각 센서노드의 가중치 값을 이용하여 센서노드들 간에 서로 비교(경쟁)를 수행하는 단계와, (D2) 상기 비교 수행으로 가장 높은 가중치 값을 갖는 센서 노드로 클러스터 헤더 노드가 결정되면, 결정된 클러스터 헤더 노드는 클러스터 내의 센서노드들에게 자신이 해당 지역에 클러스터 헤더 노드임을 알리는 알림 메시지를 전송하는 단계와, (D3) 상기 클러스터 내의 센서 노드들로부터 전달해야할 정보를 포함하는 연결 메시지를 전달받는 단계와, (D4) 상기 전달된 센서노드들의 정보를 수집하고 취합한 정보를 기지국으로 전달하는 단계와, (D5) 자신이 클러스터 헤더로 선출된 횟수 정보와 기지국으로 정보를 전달할 때 발생한 재전송 횟수 정보를 업데이트하여, 상기 (B) 단계에서 다음 라운드에서 링크 품질을 측정하는데 활용될 수 있도록 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 (D1) 단계는 센서노드들이 자신보다 높은 가중치 값을 갖는 센서노드와 비교되면 경쟁을 멈추고 센서노드 상태를 유지하고, 자신보다 낮은 가중치 값을 갖는 센서노드와 비교되면 자신의 상태를 클러스터 헤더 노드로 변경하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 데이터의 유실이나 손상이 잦은 노드를 헤더 선출에 회피하여 데이터의 신뢰성 있는 전달과 불필요한 재전송의 발생을 줄여 네트워크의 전체 생존 시간을 향상시킬 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 잔여 에너지 측정 방식으로 활용한 ADC는 많은 MCU들이 제공하는 경우가 많으며 별도의 추가적인 에너지 소모를 요구하는 회로 설계 등이 필요 없어 실제적인 구현이 용이하다.
셋째, 링크 품질을 이용하려는 재전송 정보는 통신 분야에서 널리 쓰이는 데이터 전송에 대한 Ack 처리와 같은 메커니즘으로 인해 쉽게 정보를 얻어 활용할 수 있는 부분으로 실제 구현이 용이하다.
넷째, 배터리 등과 같은 유한한 에너지원을 이용하는 센서노드를 활용하여 클러스터와 같은 계층적 구조를 활용하는 무선 센서 네트워크에 적용하여 이용할 수 있다.
다섯째, 이동성이 없는 센서 노드에서 활용 가능하며, 군사적으로 침입을 감시, 감지하는 용도 또는 지진, 홍수와 같은 자연적인 현상과 변화를 감시, 감지하는 용도에 이용되는 무선 센서 네트워크에 해당 시스템을 적용하여 활용할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치의 구성을 나타낸 블록도
도 2 는 도 1의 에너지 잔량 추정부의 구성을 나타낸 바람직한 실시예를 나타낸 구성도
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 방법을 설명하기 위한 흐름도
도 4 는 도 3에서 클러스터 헤더 노드를 선출하는 과정을 상세히 설명하기 위한 흐름도
도 5 는 도 3에서 센서노드의 링크 품질 정보를 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면
도 6 및 도 7 은 도 3에서 클러스터 헤더 노드를 선출하는 과정을 설명하기 위한 도면
도 8 은 이번 라운드에서 각각의 클러스터별로 선출된 클러스터 헤더 노드가 기지국으로 정보를 전달할 때에 발생한 제각기 다른 링크 품질 정보를 보여주기 위한 실시예
도 9 는 도 8과 같은 상황이 발생했을 때에 다음 라운드에서 발생되는 현상을 보여주기 위한 실시예
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1과 같이, 정보 전달을 위한 장치는 무선 센서 네트워크에 포함되는 각 센서노드의 잔량 에너지를 추정하는 에너지 잔량 추정부(100)와, 상기 각 센서 노드의 링크 품질을 측정하는 링크 품질 정보 측정부(200)와, 상기 에너지 잔량 추정부(100)에서 추정된 각 센서노드의 잔량 에너지 정보 및 상기 링크 품질 정보 측정부(200)에서 측정된 각 센서 노드의 링크 품질 정보를 수집하고, 수집된 각 센서노드의 잔량 에너지 정보 및 링크 품질 정보의 조합을 통해 각 센서 노드별로 가중치 값을 산출하는 가중치 산출부(300)와, 상기 가중치 산출부(300)에서 산출된 가중치 값을 기반으로 각 센서 노드간의 비교를 통해 가장 높은 가중치 값을 갖는 센서 노드를 선별하여 클러스터 헤더 노드로 선출하는 클러스터 헤더노드 선출부(400)와, 상기 클러스터 헤더노드 선출부(400)에서 선출된 클러스터 헤더 노드가 클러스터 헤더로 선출된 횟수 정보 및 기지국으로 정보를 전달할 때 발생한 재전송 횟수 정보를 업데이트하여 상기 링크 품질 정보 측정부(200)에서 측정되는 링크 품질 측정 결과를 업데이트시키는 링크품질 정보 업데이트부(500)를 포함한다.
이때, 상기 에너지 잔량 추정부(100)는 일반적으로 센서노드에서 사용되는 MCU(Micro Controller Unit)에서 보편적으로 제공하는 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 이용하여 측정되는 동작 전압값을 통해 수학식 1에서 나타내고 있는 것과 같이 각 센서노드의 잔량 에너지를 추정한다.
Figure 112013009129986-pat00003
도 2 는 ADC를 이용하여 잔량 에너지를 측정하는 실시예를 나타낸 도면으로서, 각 센서노드에서 이용하는 MCU마다 제공되는 ADC의 값이 상이하므로, MCU의 ADC핀을 서로 다른 저항값(x,y)에 연결하여 최소 동작 전원에 대한 ADC값 및 최대 동작 전원에 대한 ADC값을 측정한다. 이와 같이 구성할 때, 최소 동작 전원과 최대 동작 전원을 측정하기 위해서는 저항값의 x와 y를 적절하게 변경하여 적절한 수치로 맞추어야 한다.
그리고 상기 링크 품질 정보 측정부(200)는 센서 노드가 클러스터 헤더로 선출된 횟수와 기지국으로 정보를 전달할 때에 발생한 재전송 횟수 정보를 이용하여 링크 품질 정보를 얻는다. 이렇게 얻어지는 링크 품질값은 작을수록 좋은 링크 품질을 가지는 것이다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1 또는 도 2와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 수행하는 동일한 부재를 지칭한다.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 먼저 에너지 잔량 추정부(100)를 통해 각 센서노드에서 사용되는 MCU(Micro Controller Unit)에서 제공하는 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 이용하여 동작 전압값의 측정을 통해 측정된 ADC값, 최소 및 최대 동작 전원에 대한 ADC값을 수학식 1에서 나타내고 있는 수식에 적용하여 각 센서노드의 잔량 에너지를 추정한다(S100). 이때, 일반적으로 무선 센서 네트워크에서의 센서노드들은 저전력을 위해 단순하고 간단한 구조로 하드웨어가 구성되어 있어 정밀한 잔여 에너지 측정을 하기 어려우며, 정밀한 에너지 측정을 위해 추가적인 회로나 별도의 센싱 칩(sensing chip)을 이용하면 추가적인 에너지 소모로 인해 무선 센서 네트워크에서 중요한 오랜 시간 생존에 영향을 주게 되므로 각 센서노드에서 사용되는 MCU(Micro Controller Unit)에서 제공하는 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 이용하여 동작 전압값의 측정을 통해 에너지 잔량을 추정하도록 한다.
이어, 링크 품질 정보 측정부(200)를 통해 무선 센서 네트워크에 포함되어 있는 각 센서노드가 기지국으로 정보를 전달할 때에 발생한 재전송 횟수 정보 및 클러스터 헤더로 선출된 횟수 정보를 이용하여 링크 품질을 측정한다(S200). 이때 재전송 횟수 정보는 도 5(a)에서 도시하고 있는 것과 같이 해당 라운드에 발생한 재전송 비율로서, 전체 송신 횟수에서 발생한 재전송 횟수로 나눈 비율로서 산출된다. 또한 클러스터 헤더로 선출된 횟수 정보는 도 5(b)에서 도시하고 있는 것과 같이 총 동작 라운드 N에 따른 헤더 선출 횟수로서 산출된다. 이에 따라, 측정된 링크 품질값은 작을수록 좋은 링크 품질을 가지게 된다.
이처럼, 각 센서노드는 자신이 보유하고 있는 에너지 잔량과 자신의 링크 품질 정보를 알고 있으면 이들 값들의 조합을 통해 클러스터 헤더 선출 경쟁에서 사용할 수 있는 센서노드의 가중치 값을 산출할 수 있다(S300). 이때, 상기 센서노드의 가중치 값(센서노드 weight 값)은 수학식 2에서 나타내고 있는 것과 같이 각 센서노드의 잔여 에너지 정보와 링크 품질 정보를 조합하여 모든 센서노드 중에서 가장 우수한 클러스터 헤더 노드를 선택할 수 있다.
Figure 112013009129986-pat00004
이때, 상기 w는 잔여 에너지와 링크 품질의 적용 가중치로서, 우수한 클러스터 헤더 노드 선출을 위해 적절한 적용 가중치(w) 값을 설정하는 것이 중요하며, 적용 가중치 값은 적용하려는 센서노드의 특성에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서는 라운드가 진행될수록, 적용 가중치(w) 값을 낮게 설정한다. 즉, 라운드가 진행될수록 에너지 잔여 에너지보다는 링크 품질에 가중치가 높아지도록 설정한다. 이는 라운드가 진행되는 처음에는 잔여 에너지가 많은 센서 노드를 클러스터 헤더 노드로 선택하는 것이 효율적인 에너지 관리를 위해 효과적인데 반해, 라운드가 진행될수록 잔여 에너지보다는 링크 품질이 높은 센서 노드를 클러스터 헤더 노드로 선택하는 것이 데이터의 신뢰성 있는 전달과 불필요한 재전송의 발생을 줄일 수 있기 때문이다.
그리고 클러스터 헤더노드 선출부(400)를 통해 상기 가중치 산출부(300)에서 산출된 센서노드의 가중치 값을 기반으로 각 센서 노드들 간의 비교를 통해 가장 높은 가중치 값을 갖는 센서 노드를 선별하여 클러스터 헤더 노드로 선출한다(S400).
한편, 센서 노드들이 클러스터 헤더 노드로 선출되기 위해서는 도 4에서 도시하고 있는 일련의 과정이 필요하며, 가장 우수한 클러스터 헤더가 선출될 때까지 반복적으로 진행된다. 이때, 센서 노드들이 클러스터 헤더 노드로 선출되는 과정은 한 라운드동안 이루어지며, 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이 크게 클러스터 헤더 선출 경쟁과 결과를 알리를 셋업 과정(setup phase)과 정보를 취합하고 전달하는 고정 과정(steady)으로 구분 지을 수 있다. 이때, 상기 셋업 과정은 경쟁구간(competition), 알림구간(announcement)을 포함하고, 상기 고정 과정은 연결구간(connection), 보고구간(report)을 포함한다.
도 4를 참조하여 설명하면, 먼저 셋업 과정으로서 한 라운드가 시작될 때에 도 7과 같이 경쟁구간(competition)에서 가중치 산출부(300)를 통해 산출된 각 센서노드의 가중치 값을 이용하여 센서노드들(Node A)(Node B)(Node C) 간에 서로 비교(경쟁)를 수행한다(S410). 이때, 센서노드들은 자신보다 높은 가중치 값을 갖는 센서노드와 비교되면 경쟁을 멈추고 센서노드 상태를 유지하고, 자신보다 낮은 가중치 값을 갖는 센서노드와 비교되면 자신의 상태를 클러스터 헤더 노드로 변경한다. 이는 경쟁구간(competition)이 끝날 때 까지 계속 반복한다.
그리고 상기 경쟁구간(competition)이 끝나고 클러스터 헤더 노드(Node B)가 결정되면, 결정된 클러스터 헤더 노드(Node B)는 도 7과 같이 자신이 해당 지역에 클러스터 헤더 노드임을 알리는 알림 동작을 알림구간(announcement) 동안 수행하여 센서노드들(Node A)(Node C)에게 알림 메시지를 전송한다(S420). 그리고 센서노드들(Node A)(Node C)이 클러스터 헤더 노드(Node B)로부터 알림 메시지를 모두 받으면 셋업 과정(setup phase)은 종료된다(S430).
다음의 고정 과정(steady)으로서, 클러스터 내의 센서 노드들(Node A)(Node C)은 도 7과 같이 연결구간(connection)에서 자신이 전달해야할 정보를 포함하는 연결 메시지를 자신의 클러스터 헤더 노드(Node B)에게 전달한다(S440).
그러면, 상기 클러스터 헤더 노드(Node B)는 연결구간(connection) 동안 센서노드들(Node A)(Node C)의 정보를 수집하고 취합한 정보를 도 7과 같이 보고구간(report)에서 기지국으로 전달하고 고정 과정(steady)을 종료한다(S450).
이어, 상기 보고구간이 끝나면 이번 라운드에 클러스터 헤더 노드 역할을 수행한 센서노드(Node B)는 자신이 클러스터 헤더로 선출된 횟수 정보와 기지국으로 정보를 전달할 때 발생한 재전송 횟수 정보를 링크품질 정보 업데이트부(500)를 통해 업데이트하여, 링크 품질 정보 측정부(200)에서 다음 라운드에서 링크 품질을 측정하는데 활용될 수 있도록 한다(S460).
위와 같은 일련의 과정이 반복 수행되면, 도 8에서 도시하고 있는 것과 같은 결과가 나타날 수 있다.
도 8 은 이번 라운드에서 각각의 클러스터별로 선출된 클러스터 헤더 노드(20)가 기지국(30)으로 정보를 전달할 때에 발생한 제각기 다른 링크 품질 정보를 보여주기 위한 실시예로서, 각각의 클러스터에서 클러스터 헤더 노드로 선출된 센서노드 A 및 B와 같은 경우, 이번 라운드에 기지국(30)으로 정보를 전달할 때에 좋지 않은 링크 품질의 결과를 보여 주었고, 그와 동시에 자신의 클러스터 내에 이전에 더 좋은 링크 품질을 가진 예상센서 노드(predestinator)(40)가 각각 존재한다.
이에 따라 상기 예상센서 노드(40)는 이번 라운드에 선출된 클러스터 헤더 노드(20)보다 더 좋은 가중치 값을 가지게 되어, 다음 라운드의 클러스터 헤더 노드로 선출된 가능성이 높아지게 된다.
도 9 는 도 8과 같은 상황이 발생했을 때에 다음 라운드에서 발생되는 현상을 보여주기 위한 실시예로서, 도 8에서 낮은 링크 품질을 가진 센서노드(A)(B)가 클러스터 헤더 노드로 선출된 이후, 다음 라운드에서는 경쟁을 통해 좋은 링크 품질을 가진 도 8의 예상센서 노드(40)가 클러스터 헤더 노드(20)로 선출되어 도 9와 같은 네트워크를 구성하게 된다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 무선 센서 네트워크에 포함되는 각 센서노드의 잔량 에너지를 추정하는 에너지 잔량 추정부와,
    상기 각 센서 노드의 링크 품질을 측정하는 링크 품질 정보 측정부와,
    상기 추정된 각 센서노드의 잔량 에너지 정보 및 링크 품질 정보를 수집하고, 수집된 각 센서노드의 잔량 에너지 정보 및 링크 품질 정보의 조합을 통해 각 센서 노드별로 가중치 값을 산출하는 가중치 산출부와,
    상기 산출된 가중치 값을 기반으로 각 센서 노드간의 비교를 통해 가장 높은 가중치 값을 갖는 센서 노드를 선별하여 클러스터 헤더 노드로 선출하는 클러스터 헤더노드 선출부와,
    상기 선출된 클러스터 헤더 노드가 클러스터 헤더로 선출된 횟수 정보 및 기지국으로 정보를 전달할 때 발생한 재전송 횟수 정보를 업데이트하여 상기 링크 품질 정보 측정부에서 측정되는 링크 품질 측정 결과를 업데이트시키는 링크품질 정보 업데이트부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 잔량 추정부는 센서노드의 MCU(Micro Controller Unit)에서 제공하는 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 이용하여 측정되는 동작 전압값을 이용하여 각 센서노드의 잔량 에너지를 추정하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서노드의 잔량 에너지의 추정은 수식
    Figure 112013009129986-pat00005
    를 이용하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 링크 품질 정보 측정부는 센서 노드가 클러스터 헤더로 선출된 횟수와 기지국으로 정보를 전달할 때에 발생한 재전송 횟수 정보를 이용하여 링크 품질 정보를 측정하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 장치.
  5. (A) 무선 센서 네트워크에 포함되는 각 센서노드의 잔량 에너지를 추정하는 단계와,
    (B) 상기 각 센서노드들이 가지는 링크 품질 정보를 측정하는 단계와,
    (C) 상기 추정된 각 센서노드의 잔량 에너지 정보 및 링크 품질 정보를 수집하고, 수집된 각 센서노드의 잔량 에너지 정보 및 링크 품질 정보의 조합을 통해 각 센서 노드별로 가중치 값을 산출하는 단계와,
    (D) 상기 산출된 가중치 값을 기반으로 각 센서 노드간의 비교를 통해 가장 높은 가중치 값을 갖는 센서 노드를 선별하여 클러스터 헤더 노드로 선출하는 단계를 포함하여 이루어지고,
    이때, 상기 (B) 단계는 센서 노드가 클러스터 헤더로 선출된 횟수와 기지국으로 정보를 전달할 때에 발생한 재전송 횟수 정보를 이용하여 링크 품질 정보를 얻는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 방법.
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 (C) 단계에서 센서노드의 가중치 값(센서노드 weight 값)은 수식
    Figure 112013009129986-pat00006
    을 이용하여 산출하며,
    이때, 상기 w는 잔여 에너지와 링크 품질의 적용 가중치인 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적용 가중치(w)값을 라운드가 진행될수록 낮게 설정하여, 라운드가 진행될수록 잔여 에너지보다 링크 품질에 가중치가 높아지도록 설정되도록 하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 (D) 단계는 한 라운드동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 (D) 단계는
    (D1) 상기 산출된 각 센서노드의 가중치 값을 이용하여 센서노드들 간에 서로 비교(경쟁)를 수행하는 단계와,
    (D2) 상기 비교 수행으로 가장 높은 가중치 값을 갖는 센서 노드로 클러스터 헤더 노드가 결정되면, 결정된 클러스터 헤더 노드는 클러스터 내의 센서노드들에게 자신이 해당 지역에 클러스터 헤더 노드임을 알리는 알림 메시지를 전송하는 단계와,
    (D3) 상기 클러스터 내의 센서 노드들로부터 전달해야할 정보를 포함하는 연결 메시지를 전달받는 단계와,
    (D4) 상기 전달된 센서노드들의 정보를 수집하고 취합한 정보를 기지국으로 전달하는 단계와,
    (D5) 자신이 클러스터 헤더로 선출된 횟수 정보와 기지국으로 정보를 전달할 때 발생한 재전송 횟수 정보를 업데이트하여, 상기 (B) 단계에서 다음 라운드에서 링크 품질을 측정하는데 활용될 수 있도록 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 (D1) 단계는
    센서노드들이 자신보다 높은 가중치 값을 갖는 센서노드와 비교되면 경쟁을 멈추고 센서노드 상태를 유지하고, 자신보다 낮은 가중치 값을 갖는 센서노드와 비교되면 자신의 상태를 클러스터 헤더 노드로 변경하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 센서 네트워크에 에너지 절약 및 신뢰성 있는 정보 전달을 위한 방법.
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