무선 센서 네트워크에 있어서의 방향성 플러딩 방법{ Directional Flooding Method in Wireless Sensor Networks }

도 1은 플러딩 트리에 관한 개요,

도 2는 방향성 플러딩 트리에 관한 개요,

도 3은 본 발명에 따른 방향성 플러딩 방법의 제1실시예,

도 4는 제1실시예에 따른 방향성 플러딩의 동작 과정의 예,

도 5는 본 발명에 따른 방향성 플러딩 방법의 제2실시예,

도 6은 제2실시예를 적용하기 위한 각 센서 노드에서의 동작,

도 7은 제2실시예에 따른 방향성 플러딩의 동작 과정의 예이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

A~L, S: 센서 노드

본 발명은 무선 센서 네트워크에 있어서의 방향성 플러딩 방법에 관한 것으 로서, 특히 각 노드들의 사이에서 전달되는 패킷을 방향성 정보를 통해 목적지 방향을 향하도록 유도하여, 불필요한 패킷 전송을 제거하고 효율적인 패킷 데이터 전송이 이루어지도록 할 수 있는 새로운 플러딩 방법에 관한 것이다.

무선 센서 네트워크는 무선 ad hoc 네트워크와 구별되는 몇 가지 독특한 특징을 갖고 있어 최근 들어 많은 학술적인 관심을 끌고 있다. 이를 테면 무선 센서 네트워크는 극히 제한된 에너지와 컴퓨팅 자원을 가진 많은 수의 센서 노드들이 밀집되어 네트워크를 형성하고 있다. 또한 무선 센서 노드들은 일반적으로 IP 주소와 같은 광역 아이디(Global Identification)를 가지고 있지 않다.

그러나 여전히 무선 센서 네트워크는 ad hoc 무선 네트워크의 한 형태로 여겨지고 있다. 이것은 두 네트워크가 많은 면에서 매우 유사하기 때문이다. 예를 들어 센서 네트워크와 ad hoc 네트워크는 외부의 간섭 없이 독립적으로 배열되고(self-configuration), 스스로 네트워크를 유지하는 것(self-maintenance)이 가능하다. 패킷의 전송이 무선 링크의 다중 홉을 통해 이루어지는 점(multi-hop routing) 역시 두 네트워크의 중요한 유사점이다. 모바일 ad hoc 네트워크에서는 라우팅 프로토콜에 관한 연구가 매우 활발하게 진행되어져 왔고, 이미 몇몇 프로토콜들이 존재한다.

반면 무선 센서 네트워크에서는 센서 노드에서 싱크 노드(sink node)로의 라우팅(data dissemination)이 최근 큰 주목을 받고 있다. 여기서, 싱크 노드란 센서 네트워크에서 감지한 데이터를 받아 사람에게 전달해주거나 혹은 기간 네트워크에 연결되어 데이터를 전달해주는 등의 역할을 수행하는 노드를 의미한다.

무선 ad hoc 네트워크나 무선 센서 네트워크에서의 라우팅 방법들은 대부분 플러딩(Flooding)을 기반으로 하고 있으나, 일반적으로 많은 비용이 소비된다는 문제점을 가지고 있다. 또한 모바일 ad hoc 네트워크와 무선 센서 네트워크에서 사용되는 대부분의 MAC 프로토콜들은 충돌(collision)을 피하기 위해 캐리어를 감지하여 매체의 다중 액세스를 지원하는 CSMA/CA를 사용하고 있기 때문에 근접한 여러 노드들이 동시에 브로드캐스트를 할 경우 네트워크는 심각한 경쟁상태(contention)에 빠질 수 있다. 이러한 경쟁 상태 및 신호의 충돌과 불필요하게 중복되는 브로드캐스트는 브로드캐스트 스톰(broadcast storm) 문제를 발생시킬 수 있다.

따라서 단순 플러딩 기법은 좀 더 효과적으로 개선될 필요가 있으며, Ad hoc 네트워크 환경에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 연구가 진행되어 왔고 몇몇 알고리즘들이 개시되어 있다. 이러한 알고리즘들의 기반이 되는 아이디어는 소스로부터 네트워크내의 모든 노드들에게 패킷이 전달될 수 있도록 하는 최적의 브로드캐스트 트리를 형성하는 것이다.

그러나, 이러한 최적의 트리를 형성하는 방법이 무선 센서 네트워크 환경에는 오히려 불필요한 오버헤드를 가져오게 되어 적절하지 않을 수 있다. 이것은 센서 네트워크에서는 데이터 패킷이 네크워크 내의 모든 노드들에게 전달될 필요가 없기 때문이다. 특히 일반 센서들이 센싱한 데이터는 대부분 단일 목적 노드 즉 싱크 노드에게만 전송되면 족하다.

모바일 ad hoc 네트워크 환경에서 좀 더 효율적인 플러딩을 위해 현재까지 연구된 방법들이 무선 센서 네트워크에서도 최선의 해결책이 될 수 있는가에 대해 고찰해 보기로 한다.

예로서, 브로드캐스트 스톰이라는 플러딩의 결점을 최소화하기 위해 단순 플러딩 기법을 일부분 수정한 몇몇 방법들이 ad hoc 네트워크 환경 하에서 제안되었다. 이 기법들의 대부분은 최적의 브로드캐스트 트리를 생성한다는 아이디어를 기반으로 하여 전체 플러딩 과정에서 전송되는 패킷의 수를 최소화 한다는 방안이다.

도 1을 참조하여, 단순히 모든 노드를 플러딩하는 방법과 최적화된(optimal) 플러딩 트리를 사용하는 방법을 비교해 보기로 한다.

도 1a에서 보는 바와 같이 단순 플러딩 기법을 사용하였을 경우에는 한번의 패킷을 전송하기 위해 모든 노드들이 패킷을 전송해 주어야 한다. 이러한 단순 플러딩 기법은 매우 신뢰성 있게 패킷을 전달할 수 있는 반면에 많은 비용을 소비한다. 예를 들어 도 1a에서는 총 25번의 패킷 전송이 발생한다.

좀 더 효율적으로 플러딩하기 위해서는 최적의 브로드캐스트 트리를 찾아서 패킷의 전송 횟수를 최소화해야 하는데, 이때에도 여전히 소스 노드가 보내는 패킷은 모든 노드들에게 전달될 수 있어야 한다. 도 1b에서는 모든 노드에게 패킷이 전달되기 위해 단지 12번의 전송만이 필요하다.

그러나 문헌 " W. Liang "constructing Minimum-Energy Broadcast Trees in Wireless Ad Hoc Networks," in proc. of ACM Mobihoc '02, pp.112-123, Jun.2002."에서는 그러한 최적의 브로드캐스트 트리를 찾는 문제가 NP-complete임을 입증하고 있다. 따라서 효율적인 플러딩 방법을 위해 최적의 브로드캐스트 트리에 근접하는 형태를 형성할 수 있는 다른 대안이 제안되었다.

그 예로서는 중간 노드가 미리 정의된 확률을 가지고 패킷을 다시 브로드캐스트 할 것인지를 결정하도록 하거나, 미리 계산된 지역 범위(coverage)를 이용하거나, 이웃 노드의 정보를 이용하여 패킷의 전송여부를 결정함으로써 선택적으로 플러딩을 하는 등의 방법을 들 수 있다. 이와 같은 방법들은 적응적이고(adaptive) 스스로 탐색 가능한(heuristic) 알고리즘을 사용하여 보다 효율적으로 브로드캐스트 할 수 있는 트리를 형성하는 것에 그 목적을 두고 있다.

한편, 무선 센서 네트워크에서는 이와 같은 최적의 브로드캐스트 트리를 형성하는 플러딩 방법이 가장 효과적인 플러딩 방법이 될 수 없을 가능성이 높다. 왜냐하면 최적의 브로드캐스트 트리를 만드는 것은 네트워크내의 모든 노드에게 패킷이 전달되어야 한다는 전제를 만족시키기 위한 것인데, 무선 센서 네트워크에서는 이 전제 자체가 불필요한 것이기 때문이다.

무선 센서 네트워크에서의 플러딩 목적은 모든 노드에게 패킷을 전달하는 것이 아니라 유니캐스트(unicast)나 지오캐스트(geocast)처럼 단일 내지는 몇몇 목적(destination) 노드에게 전달하는 데 있다. 이것은 곧 플러딩 방법을 이용한 패킷의 전송이 특정 목적(destination) 노드를 향하는 방향성을 가질 수 있음을 의미한다.

도 2는 방향성 플러딩 방법에 의해 형성된 트리를 보여주고 있은데, 소스(source) 노드로부터 목적(destination) 노드까지 패킷이 전송되기 위해서는 단지 4번의 전송으로도 충분하다.

이러한 기술과 관련되어, [ C. Intanagonwiwat, R. Govinda, D. Estrin, and J. Heidemann, "Directed Diffusion for Wireless Sensor Networking," in IEEE/ACM Transaction on Networking, Vol. 11, No.1, pp.2-16, Feb. 2003 ], [ F. Ye, G. Zhong, S. Lu, L. Zhang, "GRAdient Broadcast: A Robust Data Delivery Protocol for Large Scale Sensor Networks," to appear at the ACM WINET Journal. ] 등의 문헌은 무선 센서 네트워크에서 효율적으로 데이터를 전송하는 것과 관련하여 최근에 이루어진 연구들을 제시하고 있다.

이러한 방안들은 패킷을 전송할 것인지 그렇지 않을 것인지를 라우팅 비용(routing cost)을 사용하여 결정한다.

그러나, 네트워크의 형태가 자주 변하는 환경일 경우 이러한 프로토콜은 이웃노드의 정보를 주기적으로 갱신해야 하고 이것은 패킷의 수, 에너지 소비 그리고 지연(delay) 측면에서 많은 오버헤드를 가져올 수 있는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 방향성 정보를 통해 목적 노드에 점점 근접해가는 방향으로 패킷의 플러딩이 이루어지도록 하여, 불필요한 패킷 전송을 제거하고 전체 에너지 소비를 줄일 수 있는 무선 센서 네트워크에 있어서의 방향성 플러딩 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 무선 센서 네트워크에 있어서의 방향성 플러딩 방법은, 다음과 같이 구성하여 바람직하게 실시할 수 있다.

본 발명에 따라 센서 노드에서 싱크 노드로 패킷을 전송하는 방법은, 1) 싱크 노드는 자신의 위치정보를 상기 각 센서 노드로 알리는 단계; 2) 상기 각 센서 노드는 자신과 상기 싱크 노드 사이의 최소 홉 수(minimum hop count)를 계산하는 단계; 3) 상기 싱크 노드로 패킷을 전송하기 원하는 센서 노드는 상기 최소 홉 수에 관한 정보를 해당 패킷에 넣고 목적지를 상기 싱크 노드로 하여 브로드캐스트하는 단계; 4) 상기 패킷을 수신한 각 센서 노드는 자신이 가지고 있는 최소 홉 수와 상기 패킷에 기록된 최소 홉 수를 비교한 후 자신의 것이 더 적은 경우에는 상기 패킷에 자신의 최소 홉 수를 기록하여 다시 브로드캐스트하고 그렇지 않은 경우에는 해당 패킷을 버리는 과정이 반복되어 상기 패킷이 상기 싱크 노드까지 도달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 싱크 노드에서 일정 목적 지역내의 센서 노드로 패킷을 전송하는 방법은, 1) 상기 싱크 노드는 전송하려는 패킷에 목적 지역의 중심지 좌표, 목적 지역의 좌표 및 패킷이 목적 지역 내에 도달했는지를 표시하는 지역 플래그를 포함시켜 브로드캐스트하는 단계; 2) 상기 싱크 노드가 전송한 패킷이 상기 목적 지역에 위치한 각 센서 노드에 전달되고, 상기 목적 지역에 위치한 센서 노드는 상기 패킷의 지역 플래그가 세팅되어 있지 않은 상태이면 상기 지역 플래그를 세팅하는 단계; 3) 상기 지역 플래그가 세팅되어 있는 패킷을 수신한 각 센서 노드는 자신이 상기 목적 지역내에 있는 경우에는 상기 패킷을 브로드캐스트하고 그렇지 않은 경우에는 상기 패킷을 무시하는 과정이 반복되어, 상기 패킷이 상기 목적 지역내에 위치한 각 센서 노드에 전달되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 싱크 노드에서 일정 목적 지역내의 센서 노드로 패킷을 전송할 때도 목적 지역까지의 최소 홉 수를 통해 목적지에 가장 근접한 센서 노드들만이 패킷 전송에 참여하도록 구성하여 더욱 바람직하게 실시할 수 있음은 물론이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3을 참조하여, 본 발명에 따라 일정 센서 노드에서 싱크 노드로의 패킷 전송이 이루어지는 실시예를 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 플러딩 방법에서 각 센서 노드는 목적 노드를 향한 방향성 정보를 고려하여 플러딩을 할 것인지의 여부를 결정하게 된다. 이를 위하여 각 센서 노드는 자신의 위치를 알 수 있도록 구성되어야 하는데, GPS 수신기를 통해 위치정보를 이용할 수 있는 센서 노드가 그 적례이다.

초기에 싱크 노드는 자신의 위치정보를 각 센서 노드로 알리게 된다(S31).

싱크 노드는 거의 움직이지 않는 것으로 흔히 가정되기 때문에, 싱크 노드가 자신의 위치정보를 알려주는 것은 처음 무선 센서 네트워크가 형성될 때 한번만 이루어지면 충분하다. 싱크 노드로부터 위치정보를 받은 각 센서 노드는 자신의 위치를 파악할 수 있으므로, 자신의 위치와 싱크 노드간의 최소 홉 수(minimum hop count)를 계산할 수 있다(S32). 즉, 센서 노드와 싱크 노드의 위치정보와 센서 노드의 전송범위를 이용하여 각 센서 노드의 최소 홉 수가 손쉽게 계산될 수 있다.

한편, 싱크 노드로 일정 패킷을 전송하기 원하는 센서 노드는 최소 홉 수에 관한 정보를 해당 패킷에 넣고 목적지를 싱크 노드로 설정한 후 해당 패킷을 전송(예: 브로드캐스트) 한다(S33).

이제 센서 노드가 전송한 패킷은 각각의 다른 센서 노드를 경유하여 최종 목적지인 싱크 노드까지 전송된다(S34).

단계 S34에 관여하는 각각의 센서 노드에서 이루어지는 동작을 구체적으로 설명하자면, 패킷을 수신한 각 센서 노드는 자신이 가지고 있는 최소 홉 수와 패킷에 기록된 최소 홉 수를 비교한다(S34-1,S34-2). 그리고, 비교 결과 자신의 것이 더 적은 경우에는 해당 패킷에 자신의 최소 홉 수를 기록하여 다시 브로드캐스트하고(S34-3~S34-5), 그렇지 않은 경우에는 해당 패킷을 무시(폐기)한다(S34-3,S34-6). 이에 따라 싱크 노드에 가까운 센서 노드들만이 패킷의 전송에 참여하게 되므로 싱크 노드를 향하는 방향성을 갖고 전달될 수 있으며, 불필요한 패킷 전송을 제거할 수 있게 된다.

설명의 이해를 돕기 위해 도 4를 참조하여 본 발명에 따라 플러딩이 이루어지는 과정의 구체적인 예를 설명하기로 한다.

도 4a는 A 내지 L 및 S의 센서 노드와 하나의 싱크 노드가 존재하는 예이며, 센서 노드 S가 소스 노드로서 싱크 노드로 일정 패킷을 전송하려는 노드이다. 이때 소스 노드 S와 싱크 노드 사이의 거리는 100으로, 각 센서 노드의 최대 전송 범위는 30으로 가정하였다. 따라서 소스 노드 S는 초기에 알려진 싱크 노드의 위치정보를 이용하여 싱크 노드까지의 최소 홉 수가 4라고 판단하게 된다.

도 4b를 참조하자면, 소스 노드 S의 원(one) 홉 거리에 있는 이웃 노드들(A, B, D)이 패킷을 받으면 오직 센서 노드 D만이 현재 패킷의 최소 홉 수(4)보다 더 적은 홉 수(3)를 갖고 있기 때문에 센서 노드 D만이 패킷을 다시 브로드캐스트하게 된다. 반면, 센서 노드 A와 B는 4보다 더 적은 홉 수를 갖고 있지 않기 때문에 받은 패킷을 다시 브로드캐스트 하지 않는다.

도 4c를 참조하자면, 소스 노드 S와 센서 노드 D 사이에 첫 번째 경로가 표시되어 있으며, 센서 노드 D는 패킷의 최소 홉 수를 자신의 홉 수인 3으로 설정하여 브로드캐스트한다. 센서 노드 D의 원(one) 홉 거리에 있는 이웃 노드들(F, I, J)이 패킷을 받으면, 센서 노드 I와 J만이 현재 패킷의 최소 홉 수(3)보다 더 적은 홉 수(2)를 갖고 있기 때문에 센서 노드 I와 J만이 패킷을 다시 브로드캐스트하게 된다. 반면, 센서 노드 F는 3보다 더 적은 홉 수를 가지고 있지 않기 때문에 받은 패킷을 다시 브로드캐스트 하지 않는다.

도 4d를 참조하자면, 센서 노드 D와 I, 및 D와 J 사이에 두 번째 경로가 표시되어 있으며, 센서 노드 I와 J는 이 패킷의 최소 홉 수를 자신의 홉 수인 2로 설정하여 브로드캐스트한다. 이에 따라 이상의 설명과 마찬가지로 센서 노드 L만이 현재 패킷의 최소 홉 수(2)보다 더 적은 홉 수(1)를 갖고 있기 때문에 센서 노드 L만 패킷을 다시 브로드캐스트하게 된다. 반면, 센서 노드 F, K 등은 2보다 더 적은 홉 수를 가지고 있지 않기 때문에 받은 패킷을 다시 브로드캐스트 하지 않는다.

도 4e를 참조하자면, 센서 노드 I와 L 사이에 세 번째 경로가 표시되어 있으며, 센서 노드 L은 이 패킷의 최소 홉 수를 자신의 홉 수인 1로 설정하여 브로드캐 스트한다. 이때 센서 노드 L은 1의 최소 홉 수를 가지고 있으므로 센서 노드 L이 브로드캐스트한 패킷은 원래 목적지인 싱크 노드에 도달하게 된다.

이러한 과정에 따라 도 4f에 도시된 바와 같이 소스 노드 S로부터 싱크 노드에 이르는 경로(굵은 선)를 따라 패킷이 전송된다. 즉, 방향성 플러딩이 이루어지게 되며, 소스 노드 S 주위의 12개 노드들 중에서 4개 노드(D, I, J, L)만이 플러딩 과정에 참여하였음을 알 수 있다.

이제 본 발명에 따라 싱크 노드에서 센서 노드로 패킷을 전송하는 실시예에 관하여 설명하기로 한다. 싱크 노드에서 센서 노드로 패킷을 전송하는 예로는, 위에서 설명한 실시예와 같이 초기에 자신의 위치정보를 알리거나 일정 센서 노드로 센싱한 데이터를 보내줄 것을 요청하는 패킷을 보내는 경우 등을 들 수 있다.

이러한 실시예에서 싱크 노드는 자신이 패킷을 보내려는 목적 지역의 위치를 알 수 있도록 구성되어야 한다(예: 남동쪽의 평균 온도를 요청하는 패킷 전송).

도 5를 참조하자면, 일정 센서 노드로 패킷을 전송하려는 싱크 노드는 목적 지역의 중심지 좌표(목적 지역을 직사각형으로 도시하였으나 GPS 좌표 등에 따라 달라질 수 있다), 목적 지역의 좌표, 및 패킷이 목적 지역 내에 도달했는지를 표시하기 위한 지역 플래그 정보(region flag)를 패킷에 포함시켜 전송한다(S51).

이 패킷은 싱크 노드와 목적 지역의 센서 노드들 사이에 위치하는 각 센서 노드를 통해 목적 지역의 각 센서 노드로 전송되며(S52), 패킷이 일단 목적 지역에 도달하면 목적 지역내의 센서 노드들 사이에서만 단순 플러딩이 이루어진다(S53).

이를 위하여 각 센서 노드는 도 6에 도시한 예와 같이 동작한다.

센서 노드는 패킷을 수신하면 자신이 패킷에 기록되어 있는 목적 지역내에 위치하는지를 판단한다(S61,S62). 그리고, 자신이 그 목적 지역내에 있는 경우에는 패킷에 포함되어 있는 지역 플래그를 조사하고(S63-1), 지역 플래그가 세팅되어 있지 않은 경우에는 지역 플래그를 세팅하여(S63-3), 해당 패킷을 이웃 노드로 브로드캐스트 한다(S63-4). 여기서 지역 플래그를 세팅한다는 것은 이 패킷이 이미 목적 지역에 도달하였다는 것을 표시하는 것을 의미한다.

한편, 단계 S62에서의 판단 결과 자신이 패킷에 기록되어 있는 목적 지역내에 위치하지 않는 경우에는(S64-1), 패킷의 지역 플래그가 세팅되어 있는지를 조사하여(S64-1), 지역 플래그가 세팅되어 있으면 해당 패킷을 무시(폐기)하고(S64-3), 그렇지 않으면 해당 패킷을 이웃 노드로 브로드캐스트 한다(S64-4).

즉, 이미 목적 지역에 도달한 패킷에 대하여, 목적 지역내의 각 센서 노드들 사이에서는 단순 플러딩이 이루어지지만, 목적 지역 밖의 각 센서 노드들 사이에서는 더 이상 패킷전송이 이루어지지 않게 된다.

설명의 이해를 돕기 위해 도 7을 참조하여 구체적인 하나의 예를 설명하기로 한다.

도 7a를 참조하자면, 싱크 노드는 목적 지역(Destination Area)의 중심 좌표로 패킷을 전송하고, 싱크 노드와 목적 지역의 사이에 있는 각 센서 노드를 통해 패킷의 전송이 이루어진다.

도 7b에 도시한 예와 같이 목적 지역내에 있는 센서 노드 A가 이 패킷을 수신하면, 센서 노드 A는 패킷의 지역 플래그를 세팅하여 이미 목적 지역내에 도달하였음을 표시하고, 이 패킷을 이웃 노드로 다시 브로드캐스트 한다.

지역 플래그가 표시되면, 도 7c에 도시한 예와 같이 목적 지역 내에서는 모든 센서 노드에게 빠짐없이 패킷이 전송될 수 있도록 하기 위하여 단순 플러딩이 이루어진다. 즉, 목적 지역 내에 위치한 각 센서 노드는 전송받은 패킷을 다른 모든 이웃 노드들에게 다시 브로드캐스트 해준다. 그러나 목적 지역 밖에 위치한 센서 노드들은 이 패킷을 무시하게 된다.

한편, 싱크 노드에서 일정 목적 지역으로 패킷을 전송하는 실시예에서도 도 3에 도시한 플러딩 방식이 그대로 적용될 수 있다.

즉, 패킷을 전송하려는 싱크 노드는 목적 지역까지의 최소 홉 수(minimum hop count)를 계산하고 이 정보를 패킷에 포함시켜 전송한다.

이 패킷을 브로드캐스트하는 각 센서 노드는 자신의 위치정보를 이용하여 패킷에 포함된 목적 지역까지의 자신의 최소 홉 수와 패킷에 기록되어 있는 최소 홉를 비교한 후 자신의 것이 더 적은 경우에는 해당 패킷에 자신의 최소 홉 수를 기록하여 브로드캐스트하고, 그렇지 않은 경우에는 해당 패킷을 버린다. 이에 따라 목적 지역까지 최적의 경로를 따라 패킷이 이동할 수 있게 된다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나 지 않는 범위내에서 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것임은 물론이다.

본 발명에 따르면, 무선 센서 네트워크에서의 패킷 전송시 평균 소비하는 에너지와 총 전송된 패킷 수 등을 종래의 단순 플러딩 방법에 비해 개선할 수 있는 효과가 있다.