KR20090090461A - 무선 센서 네트워크에서 센서 노드의 수명 연장 방법 및이를 위한 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 센서 네트워크에서 센서 노드의 수명 연장에 관한 것으로, 특히 무선 센서 네트워크의 신뢰성을 보장하면서 센서 노드의 수명을 연장하는 방법 및 이를 위한 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 무선 센서 네트워크에서 센서 노드(Sensor node)의 수명(Lifetime)을 연장하는 방법은 상기 네트워크의 연결 중요도에 따라 네트워크 연결성을 보장하는 신뢰도 값을 설정하는 과정과, 상기 센서 노드가 동작하는 확률(동작 확률)을 계산하는 과정과, 상기 설정된 신뢰도 값 이상이면서 상기 동작확률을 최소로 하는 총 슬리핑 타임을 계산하는 과정을 포함한다.

센서 노드, 수명(Lifetime), 슬리핑 타임(Sleeping time), 네트워크 연결성, 신뢰도, 전력량

Description

무선 센서 네트워크에서 센서 노드의 수명 연장 방법 및 이를 위한 시스템{Method for prolonging lifetime of sensor nodes in a wireless sensor network and system therefor}

본 발명은 무선 센서 네트워크에서 센서 노드의 수명 연장에 관한 것으로, 특히 무선 센서 네트워크의 신뢰성을 보장하면서 센서 노드의 수명을 연장하는 방법 및 이를 위한 시스템에 관한 것이다.

무선 센서 네트워크(Sensor network)는 센서(Sensor)로 감지가 가능하고 수집된 정보를 가공하는 프로세서를 구비하며 상기 가공된 정보를 전송하는 소형 무선 송수신 장치인 다수의 센서 노드(Sensor Node)들을 일정 영역에 분포시킨 후, 센서들로부터의 정보를 수집 및 분석하여 원하는 데이터를 추출하도록 구성된 네트워크이다. 일반적으로 무선 센서 네트워크는 특정 지역에 위치하는 수없이 많은 센서들이 설정된 대상을 감지하고 감지된 데이터를 정해진 특정 노드로 전송하는 구조를 갖는다. 센서 네트워크의 센서 노드들은 연결된 센서 노드들간에 무선 주파 수(Radio Frequency: RF)를 이용하여 수집된 온도, 조도, 습도, 상위노드, 클러스터 헤더(Cluster Header) 등의 정보를 주고받는다. 이러한 센서 네트워크는 점차 그 적용분야가 다양하게 확산되고 있는데, 예를 들어, 일정 영역의 온도 감지, 지진 발생 지점의 정확한 확인 및 원격 검침, 홈 자동화(Home automation), 환경 조건 감시 등에서 이용될 수 있다.

점점 활용도가 높아짐에 따라 이러한 센서 네트워크의 효율성 및 설계 비용 절감에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 예를 들어, 통상적으로 한정적인 자원을 이용하는 센서의 전원을 효율적으로 사용하는 방법, 각 센서들의 에너지 효율을 고려한 분포 또는 분포된 센서들에 대한 연결 등이 있을 수 있다. 그 중에서 설계 비용을 절감하기 위해 보편적으로 이용되는 방법이 한정된 자원을 이용하는 센서의 전력 소모를 줄이는 것이다. 센서의 슬립 모드(Sleep mode)와 웨이크업 모드((Wakeup mode) 또는 액티브 모드(Active mode))간을 교대로 전환함으로써 센서의 전력 소모를 줄일 수 있는데, 이때 데이터를 송수신하면서 통신할 수 있는 상태인 웨이크업 모드가 아닌 통신할 수 없는 상태인 슬립 모드에 있는 센서 노드는 데이터 송수신이 불가능하므로 네트워크의 성능을 저하시킬 수 있다. 그래서 기존의 방식들에서는 데이터를 송수신할 수 있는 상태로 만들기 위하여 슬립 모드에 있는 센서 노드를 깨우는 프로토콜(Protocol)들을 많이 개발하였다. 그 예로 미디어 접근 제어(Media Access Control: MAC) 프로토콜들을 들 수 있는데, MAC 프로토콜들 중의 하나인 스파스 토폴로지 및 에너지 관리(Sparse Topology and Energy Management, 이하 'STEM') 프로토콜은 통신하고자 하는 센서 노드에 의해 슬립 모 드에 있는 인접 노드(Neighbor)를 깨우기 위해 사용된다. 즉, 비콘 패킷(Beacon Packet)을 전송함으로써 인접 노드를 깨우는 STEM-B(Beacon) 프로토콜과 톤(Tone) 신호를 전송함으로써 인접 노드를 깨우는 STEM-T(Tone) 프로토콜이 있을 수 있다.

그런데 상기 STEM 프토토콜뿐만 아니라 기존의 대부분의 다른 MAC 프로토콜들이 전체 네트워크에 대한 성능과 관련되는 네트워크 신뢰도에 대한 고려없이 각 섹서의 수명 연장에만 중점을 두고 있으므로 네트워크 전체의 신뢰도는 저하되는 문제가 초래된다. 다시 말해서, 슬립 모드를 많이 가지는 센서 노드일수록 센서 노드의 수명은 연장되는 반면에, 슬립 모드의 센서 노드들이 많음으로 인해 통신이 단절된 가능성이 높아지므로 전체 네트워크의 신뢰도는 저하되는 것이다. 따라서, 어느 하나 즉, 수명 연장 또는 네트워크 신뢰도만을 고려한 프로토콜이 아니라 상황에 따라 조절할 수 있는 적응형 프로토콜에 대한 필요성이 대두된다.

따라서 본 발명은 무선 센서 네트워크에서 센서 노드들의 수명을 연장하는 방법 및 이를 위한 시스템을 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예의 일 견지에 따르면, 본 발명의 무선 센서 네트워크에서 센서 노드(Sensor node)의 수명(Lifetime)을 연장하는 방법은 상기 네트워크의 연결 중요도에 따라 네트워크 연결성을 보장하는 신뢰도 값을 설정하는 과정과, 상기 센서 노드가 동작하는 확률(동작 확률)을 계산하는 과정과, 상기 설정된 신뢰도 값 이상이면서 상기 동작확률을 최소로 하는 총 슬리핑 타임을 계산하는 과정을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예의 다른 견지에 따르면, 본 발명의 센서 네트워크에서 센서 노드(Sensor node)의 수명(Lifetime)을 연장하는 시스템은 한정된 전력량을 가지며 데이터를 수집하거나 인접 센서 노드(Sensor node)로부터 수신된 데이터를 다른 인접 센서 노드로 전달하는 다수의 중간 센서 노드들과, 상기 중간 센서 노드들로부터 전달된 데이터를 최종적으로 수신한 후 미리 정해진 외부 장치로 전송하는 싱크(Sink) 노드와, 상기 네트워크의 연결 중요도에 따라 네트워크 연결성을 보장하는 신뢰도 값을 설정하고, 상기 센서 노드가 동작하는 확률(동작 확률)을 계산하며, 상기 설정된 신뢰도 값 이상이면서 상기 동작확률을 최소로 하는 총 슬 리핑 타임을 계산하는 서버를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예의 다른 견지에 따르면, 본 발명의 센서 네트워크에서 센서 노드(Sensor node)의 수명(Lifetime)을 연장하는 시스템은 데이터를 수집하거나 인접 센서 노드(Sensor Node)로부터 수신된 데이터를 다른 인접 센서 노드로 전달하는 다수의 센서 노드와, 상기 다수의 센서 노드들의 가용 전력량을 확인하고, 각각의 센서 노드의 전력량의 합이 상기 가용 전력량 이하이면서 네트워크 연결성을 최대로 하는 센서 노드의 전력량을 계산하는 서버를 포함한다.

전술한 바와 같은 내용들은 당해 분야 통상의 지식을 가진 자가 후술되는 본 발명의 구체적인 설명으로부터 보다 잘 이해할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 특징들 및 기술적인 장점들을 다소 넓게 약술한 것이다. 이러한 특징들 및 장점들 이외에도 본 발명의 청구범위의 주제를 형성하는 본 발명의 추가적인 특징들 및 장점들이 후술되는 본 발명의 구체적인 설명으로부터 잘 이해될 것이다.

본 발명은 네트워크의 연결성을 고려하여 각 센서의 총 슬리핑 타임을 결정하므로 원하는 네트워크 신뢰도를 유지하면서 센서의 수명을 연장시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명의 각 센서는 독립적으로 할당된 총 슬리핑 타임이 되도록 액티브 모드와 슬립 모드를 전환함으로써 인접 노드와의 상호작용을 고려할 필요 없이 센서의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 비콘 메시지와 같은 MAC 프로토콜의 복잡한 알고리즘을 이용하지 않으므로 MAC 프로토콜이 간소화될 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위하여 후술되는 발명의 개시된 개념 및 구체적인 실시예가 변경 또는 변형되어 사용될 수도 있다는 사실을 잘 인식할 것이다. 또한 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 개시하는 개념 및 구조와 균등한 개념들 및 구조들이 본 발명의 가장 넓은 형태의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는다는 사실을 잘 인식할 것이다. 도면들 중 참조번호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크의 구성을 도시하는 도면이고, 도 1b, 도 1c, 도 1d 및 도 1e는 도 1a의 네트워크에서 연결 상태를 도시하는 도면들이다.

도 1a는 센서 노드들(101, 102), 예를 들어 데이터를 수집하여 전송하는 소스 노드(Source node) 및 상기 소스 노드로부터 전송된 데이터를 최종적으로 수신한 후 미리 정해진 외부 장치로 전송하는 싱크 노드(Sink node)와, 들을 연결하는 중간 센서 노드들(103 내지 105, 106 내지 108)로 구성되는 센서 네트워크를 도시 한다. 이렇게 구성된 네트워크에서 센서들 각각이 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 슬리핑 타임(Sleeping time)과 액티브 타임(Active time)을 교대로 반복 수행하면서 센서 노드들(101, 102)간에 통신을 수행한다. 이때 센서 노드들(101, 102)간의 통신은 중간 센서 노드들(103 내지 105)을 통한 제1 경로를 통해 수행될 수 있고, 또는 중간 센서 노드들(106 내지 108)을 통한 제2 경로를 통해 수행될 수 있다. 싱크 노드들(101, 102)간을 연결하는 중간 노드들(103 내지 105, 106 내지 108)에서 슬리핑 타임이 적용된 네트워크 연결 상태의 예들이 도 1b 내지 도 1e이다.

도 1b는 도 1a의 중간 센서 노드(103)가 슬립 모드로 전환된 경우 네트워크연결 상태를 나타낸다. 도 1b에서 센서 노드들(101, 102)은 도 1a의 중간 센서 노드들(106 내지 108)을 통한 제2 경로를 통해 연결될 수 있다. 도 1c는 도 1a의 중간 센서 노드들(104, 105)이 슬립 모드로 전환된 경우 네트워크연결 상태를 나타낸다. 도 1c에서 센서 노드들(101, 102)은 도 1a의 중간 센서 노드들(106 내지 108)을 통한 제2 경로를 통해 연결될 수 있다. 도 1d는 도 1a의 중간 센서 노드들(106 내지 108)이 슬립 모드로 전환된 경우 네트워크연결 상태를 나타낸다. 도 1d에서 센서 노드들(101, 102)은 도 1a의 중간 센서 노드들(102 내지 105)을 통한 제1 경로를 통해 연결될 수 있다. 도 1a와 같은 센서 네트워크에서 네트워크 연결 상태에 대한 예로써 도 1b 내지 도 1을 도시하였으나 도 1b 내지 도 1d의 예들 이외에도 다양한 네트워크 연결 상태가 있을 수 있음은 물론이다. 상술한 도 1b 내지 도 1d는 어떤 경로에 의해서든 네트워크가 연결된 경우 즉, 네트워크 신뢰도가 100퍼센 트(%)인 경우를 도시하였다. 신뢰도가 100 퍼센트인 네트워크는 네트워크의 모든 센서 노드들이 동작하는 경우이다. 따라서 모든 센서 노드가 슬리핑 타임 없이 동작하므로 각 센서의 수명은 각 센서의 전력량 만큼이므로 센서의 수명이 짧다. 그런데 설계하고자 하는 센서 네트워크에서 전달되는 데이터의 전송 중요도(네트워크 연결 중요도)에 따라서 예를 들어, 수집된 데이터가 누락 없이 모두 전달되어야하는 종류의 데이터인 경우 항상 네트워크가 연결되어야 하지만, 수집된 데이터가 일부 누락되어 전달되어도 상관없는 종류의 데이터인 경우에도 항상 네트워크를 연결하기 위해 슬리핑 타임을 적용하지 않는 것은 많은 전력을 소비하게 되므로 효율성이 떨어진다. 이와 같은 이유로 슬리핑 타임을 적용하여 도 1b 내지 도 1d와 같은 네트워크 연결 구조를 가질 수 있는데, 각 센서에서 독립적으로 조절되는 본 발명은 도 1e와 같은 네트워크 연결 구조도 가질 수 있다. 도 1e는 도 1a의 중간 센서 노드들(104, 107)이 슬립 모드에 진입한 경우 네트워크 연결 상태를 나타낸다. 제1 경로의 중간 센서 노드(104)와 제2 경로의 중간 센서 노드(107)가 슬립 모드에 진입한 상태이므로 싱크 노드들(101, 102)이 연결될 수 없다.

이러한 도 1e와 같은 구조가 많아질수록 네트워크의 신뢰도가 저하되는 것이다. 만약 네트워크 신뢰도를 90퍼센트로 설정하여 본 발명에 따라 슬리핑 타임을 조절하면 100회 중 10회 정도가 도 1e와 같은 연결 상태에 있을 수 있는 것이므로 설정된 90 퍼센트의 신뢰도는 유지될 수 있다. 또한 만약 신뢰도를 60 퍼센트로 설정한 후 본 발명에 따라 슬리핑 타임을 조절하면 100회 중 40회 정도가 도 1e와 같은 구조의 상태에 있을 수 있으며 60 퍼센트의 신뢰도는 유지될 수 있다.

센서의 전력 소모를 줄일 수 있도록 슬리핑 타임을 가능한 한 길게 유지하는 것이 센서의 수명 연장에 효율적이지만, 네트워크의 연결성을 위해서는 슬리핑 타임을 줄이는 것이 좋다. 따라서, 이러한 모순 관계에서 타협점을 찾기 위해 네트워크의 연결 중요도에 따라 적절하게 슬리핑 타임이 조절되어야 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 수명(lifetime)을 도시하는 도면이다.

센서는 통상적으로 한정된 자원 즉, 한정된 전력량(Battery Capacity)에 의해 동작된다. 따라서 센서의 수명은 유한하며 센서의 동작 시작점(Start)으로부터 한정된 전력량이 모두 소모되는 종료점(End)까지를 센서의 수명이라 한다. 도 2를 참조하면 센서가 액티브 모드(201)에서 동작을 시작한다. 즉, 센서는 데이터를 수집하거나 인접 센서들로부터 수신된 데이터를 다른 인접 노드로 전달하는 동작을 시작한다. 액티브 모드(201)에서 동작을 수행하다가 대기상태로 전환한다. 즉, 슬립 모드(202)로 진입한다. 슬립 모드에서 센서는 전력을 절약할 수 있으나 인접 센서들과 통신을 할 수 없는 연결이 단절된 상태이다. 슬립 모드(202) 동안 대기 상태를 유지하다가 다시 센서의 동작을 수행하는 액티브 모드(203)로 진입한다. 이러한 방식으로 센서의 전력이 모두 소모될 때까지 슬립 모드(204)와 액티브 모드(205)를 교대로 수행한다. 여기에서 슬립 모드(202, 204)의 합이 총 슬리핑 타임(Total sleeping time)이다. 앞서 언급하였듯이, 총 슬리핑 타임과 센서의 수명 연장은 비례관계에 있으므로 총 슬리핑 타임을 가능한 한 길게 설정하는 것이 센서의 수명을 연장시키는 방법이지만, 네트워크의 연결 가능성도 또한 고려하여야 한 다. 이때 네트워크의 연결 가능성을 계산하기 위하여 이용되는 변수가 센서가 액티브 모드에서 동작하는 확률, 즉 접근 가능성(Availability)이다. 센서의 전력량 및 총 슬리핑 타임을 이용하여 센서의 접근가능성(p_i)이 하기 <수학식 1>과 같은 계산될 수 있다.

, C_i(i=1,...,n)는 i번째 센서의 전력량(Battery capacity), S_i(i=1,...,n)는 i번째 센서의 총 슬리핑 타임, 여기에서 센서 네트워크에 n개의 센서들이 존재한다고 가정한다.

상기 <수학식 1>에서 보는 바와 같이 센서의 총 슬리핑 타임이 크면 클수록 센서가 동작을 수행하는 센서의 전력 소비량은 작아진다. 따라서 총 슬리핑 타임이 최대이면, 센서의 전력 소모는 최소가 되므로 전력 소비량은 최소가 된다. 이렇게 되면 센서 네트워크의 설계 시 비용을 줄일 수 있다. 그러나 총 슬리핑 타임이 크면 클수록 센서가 동작을 수행하는 액티브 모드에 있는 경우는 일정 단위 시간에서 보면 줄어드는 것이므로 센서의 접근 가능성(availability)은 작아지는 반비례 관계에 있다. 다시 말해서, 통신이 불가능한 상태인 슬립 모드에 있는 센서들이 많을수록 네트워크의 연결 가능성은 낮아진다. 이러한 관점에서 본 발명은 각 센서의 수명을 단순히 연장시키는 방법을 제안하는 것이 아니라 원하는 수준의 네트워크의 연결 가능성을 유지하면서 센서의 수명을 연장시키는 방법을 제안한다. 여기에서 네트워크의 연결 가능성(R(p))은 총 슬리핑 타임과 센서의 접근 가능성이 반비례 관계에 있음을 이용하여 하기 <수학식 2>에 의해 계산될 수 있다.

S_i(i=1,...,n)는 i번째 센서의 총 슬리핑 타임, R(S_1,...,S_n)은 n개의 센서들의 총 슬리핑 타임에 대한 네트워크 연결 가능성, α는 요구 신뢰도 레벨

상기 <수학식 2>에서 보는 바와 같이 센서의 총 슬리핑 타임이 최대가 되는 경우의 총 슬리핑 타임이 네트워크 신뢰도값 이상이면 원하는 네트워크의 연결성을 보장하면서 최대의 총 슬리핑 타임을 적용하므로 센서의 수명을 가장 효율적으로 연장시킬 수 있다. 여기에서 네트워크 연결 가능성(R(p))은 네트워크에서 선택된 노드들간의 연결 가능한 확률을 의미한다. 즉, 수집된 데이터를 전송하는 소스(Source) 노드가 상기 데이터를 최종적으로 전송하고자 하는 목적지(Destination) 노드와 연결되는 확률을 의미한다. 이러한 네트워크 연결 가능성(R(p))을 계산하는 방법은 여러 가지 알려진 방법들이 있으나, 그 중에서 전확률 법칙(Full probability formula)에 의한 방법을 예를 들어 도 3을 통하여 자세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크 구성도이다. 도 3은 네트워크 연결 가능성(R(p)) 계산의 간소화를 위하여 소스 노드/목적지 노드 또는 싱크 노드인 센서 노드 A 및 B(301, 302)를 연결하는 2개의 경로들 각각에 하나의 중간 센서 노드가 존재하는 센서 네트워크를 도시한다. 중간 센서 노드들(310, 320) 중에서 중간 센서 노드(320)에 대한 네트워크 연결 가능성(R(p))을 계산하는 과정만을 설명하지만 나머지 중간 센서 노드(310)에 대한 네트워크 연결 가능성도 이와 동일한 방식으로 계산될 수 있다. 또한 도 3의 네트워크 구성 이외의 구조에서도 각 중간 센서 노드에 대한 네트워크 연결 가능성이 이와 동일한 방식으로 계산될 수 있다.

센서 노드A 및 B(301, 302)간에 연결되는 경우는 중간 센서 노드(310)를 통해 연결되는 경우와 중간 센서 노드(320)를 통해 연결되는 경우가 있을 수 있다. 이때 중간 센서 노드(320)에 대한 네트워크 연결여부를 확인하기 위하여 중간 센서 노드(310)가 항상 동작하는 경우와 동작하지 않는 경우로 나누어 생각할 수 있다. 중간 센서 노드(310)가 항상 동작하는 경우에는 중간 센서 노드(320)의 접근 가능성과 상관없이 센서 노드 A 및 B(301, 302)가 항상 연결되는 경우이므로 이때의 네트워크가 연결될 확률은 1이다. 다음으로 중간 센서 노드(320)가 동작하지 않는 경우에는 중간 센서 노드(320)의 접근 가능성에 따라 상기 센서 노드 A 및 B(301, 302)의 연결 여부가 결정되므로 이때의 중간 센서 노드(320)의 접근 가능성을 p라 하면 네트워크가 연결될 확률은 p이다. 이러한 관계를 수학식으로 나타내면 하기 <수학식 3>과 같다.

, p는 센서의 접근 가능성(Availability), R(p)는 p에 대한 네트워크 연결 가능성

이런 식으로 계산될 수 있는 네트워크 연결 가능성을 고려하여 센서의 총 슬리핑 시간을 계산하는 과정을 도 4를 참조하여 자세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 네트워크 연결 가능성을 고려하여 센서의 총 슬리핑 타임을 결정하는 과정을 도시하는 흐름도이다.

본 발명의 센서들 각각은 인접 센서들이나 MAC 프로토콜에서 이용되는 특정 신호 예를 들어 비콘 메시지에 의한 상호 동작 없이 센서 자체에서 독립적으로 액티브 모드와 슬립 모드를 번갈아 전환한다. 즉, 특정 장치로부터 각 센서의 총 슬리핑 시간이 할당되면 슬립 모드를 유지하는 시간들의 합이 총 슬리핑 시간이 되는 범위에서 센서 각각이 임의로 슬립 모드 유지/비유지를 선택한다. 여기에서 슬립 모드 비유지는 액티브 모드 유지를 의미한다. 또한 특정 장치를 본 발명에서는 센서 네트워크 외부에 위치하며, 상기 센서 네트워크와 연결되어 센서 특히, 목적지 노드 또는 싱크 노드로부터 데이터를 수신하는 서버(Server)(도시되지 않음)라고 가정한다. 상세하게는 센서들의 위치를 알고 있는 서버 내에 구비된 임베디드 난수 생성기(Embedded pseudorandom generator)에 의해 각 센서의 슬리핑 타임 즉, 슬립 모드 유지 시간을 생성하여 각 센서에 할당한다. 상기 임베디드 난수 생성기는 난 수생성 프로그램을 구비하며 난수를 생성하여 각 센서의 슬리핑타임을 계산한다. 본 발명에서는 센서의 슬리핑타임이 센서의 위치를 알고 있는 특정장치(서버)에 의해 계산되어 각 센서에 할당되는 방법을 예로 들어 설명하지만 각 센서가 난수생성 프로그램을 포함하면 센서 자체에서 직접 각 센서의 슬리핑타임을 계산할 수 있음에 유의한다.

도 4를 참조하면, 410 단계에서 서버는 센서 노드들이 분포된 센서 네트워크의 토폴로지를 탐색한다. 이러한 센서 네트워크의 토플로지는 이미 알려진 알고리즘에 의해 탐색되어 링크된 관계 즉, 소스 노드로부터 목적지 노드로의 연결 정보를 획득한다. 또한, 서버는 센서 네트워크를 구성하는 센서들의 전력량 정보 등 이용 가능한 자원들의 정보를 획득한다. 420 단계에서 서버는 센서 네트워크의 센서들에 슬리핑 타임을 적용할 것인지 확인한다. 만약 슬리핑 타임이 적용되는 경우 서버는 430 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 480 단계로 진행한다. 430 단계에서 서버는 원하는 네트워크 신뢰도(α)의 레벨을 결정한다. 이때 네트워크 신뢰도의 레벨은 네트워크 연결 중요도에 따라 결정되며, 0보다 크고 1보다 작거나 같은 범위에서 선택될 수 있다. 네트워크 신뢰도의 레벨이 클수록 네트워크 연결 중요도가 높은 네트워크이며, 네트워크 신뢰도의 레벨이 1이면 네트워크가 항상 연결되는 네트워크 연결 가능성이 100퍼센트인 경우이다. 상기 430 단계에서 결정된 신뢰도 레벨(α)에 따라 440 단계에서 서버는 센서 네트워크내의 센서 노드 각각에 대한 연결 가능성 값(R(p))을 상기 <수학식 2> 및 <수학식 3>을 이용하여 계산한다. 여기에서 센서 노드의 번호(i)는 1이상 n이하이고, n은 센서 네트워크에 존재하는 센서 노드들의 수이다.

450 단계에서 서버는 계산된 R(p)에 따라 i번째 센서의 총 슬리핑 타임을 계산한다. 각 센서의 총 슬리핑 타임을 계산하는 과정을 이하 도 5를 참조하여 자세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 센서 네트워크 구성도이다.

도 5를 참조하면, 센서 노드들(501, 502)은 싱크 노드의 역할을 수행하는 센서들이고, 상기 센서 노드들(501, 502)의 사이에 위치하며 상기 싱크 노드들을 연결하는 중간 센서 노드들(510 내지 521)이다. 이때 설명의 편의를 위하여 각 중간 센서 노드들(510 내지 521)은 전력량이 동일한 단일종(Homogeneous)의 센서들이라고 가정한다. 중간 센서 노드 각각의 전력량(Battery capacity)을 C라 하면 센서 노드에 슬리핑 타임을 적용하지 않는 경우 센서 노드의 수명(T)은 C와 일치하며, 센서에 슬리핑 타임(S)을 적용하는 경우 센서의 연장된 수명(T_NEW)은 C와 총 슬리핑 타임(S)의 합이 된다. 이때, 센서의 전력량(C)이 고정된 것으로 가정하면 센서의 수명을 연장하기 위해서 S를 최대로 해야 한다. 그러나, 앞서 살펴보았듯이 네트워크 신뢰도를 감안해야 하므로 S를 무조건 최대로 늘릴 수 없다.

총 슬리핑 타임(S)이 최대(max)이면, 연결에 참여하도록 센서가 액티브 모드에서 활성화되는 확률, 즉 센서의 접근 가능성(p)은 최소가 된다. 이때 센서 노드들 A 및 B(501, 502)간에 연결될 확률인 네트워크 신뢰도 값을 α라 하면 하기 <수학식 4>와 같은 관계가 성립한다.

, p는 센서의 접근 가능성, R(p)는 네트워크 연결 가능성, α는 네트워크 신뢰도값

, p는 센서의 접근 가능성, R(p)는 네트워크 연결 가능성, α는 네트워크 신뢰도값

상기 <수학식 4>에서 p가 최소인 경우 R(p)는 최소값인 α 이상이므로 상기 <수학식 5>와 같이 정리될 수 있다. 특정 표본공간을 독립된 사건(배반사건)으로 분할할 수 있는 임의 사상에 대하여 적용하여 확률을 계산하는 전확률 법칙을 이용하여 p에 대한 네트워크 연결 가능성(R(p))을 구하면 하기 <수학식 6>와 같다.

또한, <수학식 6>은 상기 <수학식 5>에 의해 하기 <수학식 7>과 같이 정리될 수 있다.

<수학식 7>은 도 5의 각 중간 센서 노드들(510 내지 521)의 전력량이 동일한 동종(Homogeneous)의 센서들이라고 가정하였으므로 상기 <수학식 1>은 하기 <수학식 8>과 같다.

, C는 각 센서의 전력량, S_max는 센서의 총 슬리핑 타임이 최대인 값, 최소의 센서의 접근 가능성(p_min)

상기 <수학식 8>에 의해 센서의 총 슬리핑 타임의 최대값(S_max)은 하기 <수학식 9>과 같이 정리될 수 있다.

상술한 <수학식 1> 내지 <수학식 9>에 의해 원하는 네트워크 신뢰도가 고려 된 총 슬리핑 타임이 계산될 수 있다. 계산된 총 슬리핑 타임을 센서에 적용함으로써 센서의 수명은 연장될 수 있으며, 구체적으로 센서의 연장된 수명(T_NEW)은 하기 <수학식 10>과 같다.

상술한 수학식들에 의한 슬리핑 타임 적용/부적용에 따라 센서의 수명을 계산한 예들을 살펴보면 다음과 같다.

도 5에서 m=20, n=2, α=0.9, C=100 시간이라 가정할 때, 슬리핑 타임을 적용하지 않으면 각 중간 센서 노드의 수명(T)은 전력량(C)이므로 중간 센서 노드의 수명은 그대로 100 시간이다. 이때, 슬리핑 타임을 적용하면 각 중간 센서 노드의 수명은 상술한 <수학식 7> 및 <수학식 10>에 의해 303.2 시간으로 계산된다. 이는 슬리핑 타임의 적용으로 인해 늘어난 수명시간이다.

다른 예로 도 5에서 m=20, n=2, α=0.3, C=100 시간이라 가정할 때, 슬리핑 타임을 적용하지 않으면 각 중간 센서 노드의 수명(T)은 전력량(C)이므로 중간 센서 노드의 수명은 그대로 100 시간이다. 이때, 슬리핑 타임을 적용하면 각 중간 센서 노드의 수명은 상술한 <수학식 7> 및 <수학식 10>에 의해 752.2 시간으로 계산된다. 이와 같은 조건으로 설정한 경우의 각 센서 노드의 수명은 상기 α=0.9로 설 정한 경우의 센서 노드의 수명에 비해 훨씬 늘어난다. 네트워크 신뢰도(α)의 레벨 0.3이 0.9인 경우보다 더 낮으므로 각 중간 센서 노드에서 슬립 모드를 유지하는 시간이 더 증가하기 때문이다.

도 5를 참조하여 각 중간 센서 노드들의 전력량이 동일하다는 전제하에 계산하는 과정을 설명하였으나, 이와 유사한 방식으로 각 중간 센서 노드들의 전력량이 다른 경우에도 각 센서 노드에 대한 총 슬리핑 타임이 계산될 수 있으며, 이에 따라 각 중간 센서 노드의 연장된 수명도 계산될 수 있다.

도 4로 되돌아가서, 460 단계에서 서버는 계산된 총 슬리핑 타임을 i번째 센서 노드의 총 슬리핑 타임으로 결정한다. 470 단계에서 서버는 센서 노드의 번호(i)가 n인지 확인한다. 센서 노드의 번호가 작은 것부터 순서대로 총 슬리핑 타임을 계산하는 것이므로 센서 노드의 번호가 n이면 센서 네트워크 내에 존재하는 모든 센서 노드들에 대한 총 슬리핑 타임 계산이 완료됨을 의미한다. 센서 노드의 번호(i)가 n이면 서버는 총 슬리핑 타임 계산을 종료하고, 그렇지 않으면 440 단계로 되돌아가서 다음 순서의 센서 노드의 총 슬리핑 타임을 계산한다.

420 단계에서 센서에 슬리핑 타임을 적용하지 않는 경우, 서버는 480 단계로 진행하여 네트워크의 모든 센서 노드들의 슬리핑 타임을 '0'으로 결정한다. 이렇게 되면 센서의 수명(T)은 전력량(C)과 같다.

상술한 바와 같이 본 발명은 네트워크의 연결성을 고려하여 각 센서의 총 슬리핑 타임을 결정하므로 각 센서에서 독립적으로 할당된 총 슬리핑 타임 내에서 액티브 모드와 슬립 모드를 교대로 수행한다. 이렇게 함으로써 인접 노드와의 상호작 용을 고려할 필요 없이 또한 MAC 프로토콜에서의 복잡한 알고리즘을 이용하지 않고서 원하는 네트워크의 신뢰도를 유지하면서 센서의 수명을 연장할 수 있다.

이제까지 각 센서의 전력량은 고정된 상태에서 총 슬리핑 타임을 조정하는 것에 대해 설명하였다. 그런데 각 센서의 총 슬리핑 타임뿐만 아니라 센서의 전력량 또한 효율적 사용을 위하여 조절하는 경우가 있다. 이 경우 하기 <수학식 11>과 같은 관계가 될 수 있다.

S_i(i=1,...,n)는 i번째 센서의 총 슬리핑 타임, C_i(i=1,...,n)는 i번째 센서의 전력량, R(S_{1 ,...,}S_{n ;} C_{1 ,...,}C_n)은 n개의 센서들의 총 슬리핑 타임 및 전력량에 대한 네트워크 연결 가능성, α는 요구 신뢰도 레벨

상기 <수학식 11>은 총 슬리핑 타임에 대해서만 계산한 상기 <수학식 2>과 유사하다. <수학식 2>로부터 센서의 총 슬리핑 타임을 계산한 방식과 유사한 방식으로 <수학식 11>을 이용하여 센서의 총 슬리핑 타임 및 전력량을 계산한다. 이러한 계산 방식은 상술한 방식과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.

이제까지 네트워크의 신뢰도값을 미리 설정한 상태에서 센서의 총 슬리핑 타임 또는 전력량을 계산하는 방법에 대해 설명하였으나, 네트워크의 신뢰도값을 미리 설정하지 않고 센서의 가용 자원, 예를 들어 전력량이 지원할 수 있는 한도 내 에서 네트워크 연결 가능성이 최대가 되도록 하는 경우도 있을 수 있다.

R은 네트워크 연결 가능성, C_i(i=1,...,n)는 i번째 센서의 전력량, A는 센서의 가용 자원

<수학식 12>에서 보는 바와 같이 네트워크의 센서 노드들에 지원가능한 자원이 주어진 경우 각 센서의 전력량(C_i)들의 합이 지원가능한 자원 이하가 되는 각 센서의 전력량(C_i)을 구하면 상기 지원가능한 자원이내이면서 네트워크 연결 가능성은 최대화할 수 있는 네트워크를 구성할 수 있다. <수학식 12>와 같은 관계를 이용하여 본 발명은 네트워크 신뢰도값을 미리 지정하지 않는 경우에도 한정된 자원이내에서 최대의 네트워크 연결 가능성을 구현할 수 있는 효율적인 네트워크 운영이 가능하다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크의 구성을 도시하는 도면이고, 도 1b, 도 1c, 도 1d 및 도 1e는 도 1a의 네트워크에서 연결 상태를 도시하는 도면들.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 수명(lifetime)을 도시하는 도면.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 센서 네트워크 구성도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 네트워크 연결 가능성을 고려하여 센서의 총 슬리핑 타임을 결정하는 과정을 도시하는 흐름도.

도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 센서 네트워크 구성도.

Claims (21)

1. 무선 센서 네트워크에서 센서 노드(Sensor node)의 수명(Lifetime)을 연장하는 방법에 있어서,

   상기 네트워크의 연결 중요도에 따라 네트워크 연결성을 보장하는 신뢰도 값을 설정하는 과정과,

   상기 센서 노드가 동작하는 확률(동작 확률)을 계산하는 과정과,

   상기 설정된 신뢰도 값 이상이면서 상기 동작확률을 최소로 하는 총 슬리핑 타임을 계산하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 수명 연장 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 센서 노드의 동작 확률은,

   상기 센서 노드의 전력량을 상기 센서 노드의 전력량과 총 슬리핑 타임의 합으로 나눈 값임을 특징으로 하는 수명 연장 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 네트워크의 연결 중요도는,

   상기 네트워크에서 전달되는 데이터의 전송 중요도이며, 상기 연결 중요도가 높은 경우 네트워크 연결성이 높은 경우임을 특징으로 하는 수명 연장 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 설정된 신뢰도 값은,

   0과 1사이의 값으로 1에 가까운 값일수록 상기 네트워크의 연결 중요도가 높음을 나타내며, 상기 신뢰도 값이 1인 경우 상기 네트워크는 항상 연결됨을 특징으로 하는 수명 연장 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 총 슬리핑 타임이 클수록 상기 센서 노드의 수명이 연장됨을 특징으로 하는 수명 연장 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 총 슬리핑 타임은 상기 센서 노드의 전력량이 모두 소모되는 때까지 대기 상태를 유지하는 슬리핑 타임의 총 시간이며, 상기 대기 상태의 유지 또는 비유지는 상기 센서에 의해 독립적으로 조절됨을 특징으로 하는 수명 연장 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 총 슬리핑 타임을 계산하는 과정은,

   상기 센서 노드의 동작확률 최소값에 대한 네트워크 연결 가능성이 상기 설정된 신뢰도 값과 일치하도록 상기 네트워크 연결 가능성을 계산하는 과정을 더 포 함함을 특징으로 하는 수명 연장 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 네트워크 연결 가능성은,

   상기 네트워크에서 수집된 데이터를 전송하는 소스 노드와 최종적으로 상기 데이터를 수신하는 목적 노드가 연결되는 확률임을 특징으로 하는 수명 연장 방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 총 슬리핑 타임을 계산하는 과정은,

   상기 설정된 신뢰도 값 이상이면서 센서 노드의 동작 확률을 최소로 하는 상기 센서 노드의 전력량을 계산하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 수명 연장 방법.
10. 다수의 센서 노드들로 구성되는 무선 센서 네트워크에서 센서 노드(Sensor node)의 수명(Lifetime)을 연장하는 방법에 있어서,

    상기 다수의 센서 노드들의 가용 전력량을 확인하는 과정과,

    각각의 센서 노드의 전력량의 합이 상기 가용 전력량 이하이면서 네트워크 연결성을 최대로 하는 센서 노드의 전력량을 계산하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 수명 연장 방법.
11. 센서 네트워크에서 센서 노드(Sensor node)의 수명(Lifetime)을 연장하는 시스템에 있어서,

    한정된 전력량을 가지며 데이터를 수집하거나 인접 센서 노드(Sensor node)로부터 수신된 데이터를 다른 인접 센서 노드로 전달하는 다수의 중간 센서 노드들과,

    상기 중간 센서 노드들로부터 전달된 데이터를 최종적으로 수신한 후 미리 정해진 외부 장치로 전송하는 싱크(Sink) 노드와,

    상기 네트워크의 연결 중요도에 따라 네트워크 연결성을 보장하는 신뢰도 값을 설정하고, 상기 센서 노드가 동작하는 확률(동작 확률)을 계산하며, 상기 설정된 신뢰도 값 이상이면서 상기 동작확률을 최소로 하는 총 슬리핑 타임을 계산하는 서버를 포함함을 특징으로 하는 수명 연장 시스템.
12. 제 11항에 있어서, 상기 서버는,

    상기 센서 노드의 전력량을 상기 센서 노드의 전력량과 총 슬리핑 타임의 합으로 나누어서 센서 노드의 동작 확률을 계산함을 특징으로 하는 수명 연장 시스템.
13. 제 12항에 있어서, 상기 네트워크의 연결 중요도는,

    상기 네트워크에서 전달되는 데이터의 전송 중요도이며, 상기 연결 중요도가 높은 경우 네트워크 연결성이 높은 경우임을 특징으로 하는 수명 연장 시스템.
14. 제 13항에 있어서, 상기 설정된 신뢰도 값은,

    0과 1사이의 값으로 1에 가까운 값일수록 상기 네트워크의 연결 중요도가 높음을 나타내며, 상기 신뢰도 값이 1인 경우 상기 네트워크는 항상 연결됨을 특징으로 하는 수명 연장 시스템.
15. 제 14항에 있어서, 상기 총 슬리핑 타임이 클수록 상기 센서 노드의 수명이 연장됨을 특징으로 하는 수명 연장 시스템.
16. 제 15항에 있어서, 상기 총 슬리핑 타임은 상기 센서 노드가 전력이 모두 소모되는 때까지 대기 상태를 유지하는 슬리핑 타임의 총 시간임을 특징으로 하는 수명 연장 시스템.
17. 제 16항에 있어서, 상기 센서 노드는,

    상기 대기 상태의 비유지 시간이 상기 총 슬리핑 타임과 일치하도록 상기 대기 상태의 유지 또는 비유지를 독립적으로 전환함을 특징으로 하는 수명 연장 시스템.
18. 제 17항에 있어서, 상기 서버는,

    상기 센서 노드의 동작 확률 최소값에 대한 네트워크 연결 가능성이 상기 설정된 신뢰도 값과 일치하도록 상기 네트워크 연결 가능성을 계산한 후 상기 센서 노드의 총 슬리핑 타임을 계산함을 특징으로 하는 수명 연장 시스템.
19. 제 18항에 있어서, 상기 네트워크 연결 가능성은,

    상기 다수의 중간 센서 노드들 중에서 수집된 데이터를 전송하는 소스 노드와 상기 싱크 노드가 연결되는 확률임을 특징으로 하는 수명 연장 시스템.
20. 제 12항에 있어서, 상기 서버는,

    상기 설정된 신뢰도 값 이상이면서 센서 노드의 동작 확률을 최소로 하는 상 기 센서 노드의 총 슬리핑 타임과 함께 전력량을 더 계산함을 특징으로 하는 수명 연장 시스템.
21. 센서 네트워크에서 센서 노드(Sensor node)의 수명(Lifetime)을 연장하는 시스템에 있어서,

    한정된 전력을 가지며 데이터를 수집하거나 인접 센서 노드(Sensor Node)로부터 수신된 데이터를 다른 인접 센서 노드 또는 서버로 전달하는 다수의 중간 센서 노드와,

    상기 중간 센서 노드들로부터 전달된 데이터를 최종적으로 수신한 후 미리 정해진 외부 장치로 전송하는 싱크(Sink) 노드와,

    상기 다수의 중간 센서 노드들의 가용 전력량을 확인하고, 각각의 중간 센서 노드의 전력량의 합이 상기 가용 전력량 이하이면서 네트워크 연결성을 최대로 하는 중간 센서 노드의 전력량을 계산하는 서버를 포함함을 특징으로 하는 수명 연장 시스템.

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