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보고서 상세정보

다차원 속성질의 처리를 지원하는 무선 센서 네트워크 설계
Design of Wireless Sensor Network supporting Multi-attributes query processing

  • 사업명

    정보통신연구개발사업

  • 주관연구기관

    한국정보사회진흥원

  • 연구책임자

    강선무

  • 참여연구자

    김홍수   임채준   김종철   고협  

  • 보고서유형

    최종보고서

  • 발행국가

    대한민국

  • 언어

    한국어

  • 발행년월

    2008-12

  • 주관부처

    행정안전부

  • 사업 관리 기관

    한국과학재단
    Korea Science and Engineering Foundtion

  • 등록번호

    TRKO200900074422

  • DB 구축일자

    2013-04-18

  • 초록 


    The works in the project can be divided into 4 parts, two for developing new algorithms and two for implementing.
    $\circ$...

    The works in the project can be divided into 4 parts, two for developing new algorithms and two for implementing.
    $\circ$ Developing multi-attributes query processing algorithm
    It can be possible assumption for a sensor to detect one more environmental attributes recently. However, there are some limitations in the environments to keep in mind during development. One of them is energy constraints according to the scenario. Thus, we make a new algorithm to process multi-attribute query in energy-efficient manner. To do so, in initial routing path setup, partial information about attributes in descendent nodes are maintained locally and so it is possible to protect unnecessary query message forwarding. And new Sector-Bit scheme is also devised to make the size of local information constant. A attribute has a maximum/minimum value and the interval can be divided into the same size, N sections and N bits are allocated (initial value=0). If the attribute value of a node comes under $i^{th}$ interval, the $i^{th}$ bit is set to 1.
    $\circ$ resetup routing path after node failure
    Location information is also considered as two static attributes (x, y). In this case, new devised spatial query processing algorithm can be applied when a node finds that there is a failure in one of its children nodes($S_c$). That is, all nodes have to maintain locally whole area information including all its descendent nodes and so it forwards new spatial query with ${S_c}'s$ area. If one node $S__{new}$ can respond the query, new routing path can be established from the node.
    $\circ$ Simulator
    This project has a purpose to develop new query processing algorithm and so needs a mechanism to show the improvements of the proposed algorithm. To do so, we have make a simulator with Java language on Linux machine. During experimental efforts, we mainly focus the number of outgoing messages since our main interests are related with energy-efficiency.
    $\circ$ implementation of sensor module
    One of the initial and widely accepted sensors is Mote series developed in Berkely university. We also have a ZigbeX sensor which is one of the series and make a program code by nesC language on cygWin compiler. All sensors are divided into sink node and normal nodes and they have to have functions for routing path setup based on parent-child relationship, query forwarding and result gathering, falut-tolerance and so on.


    본 연구에서 개발하려는 내용은 다음과 같이 크게 4가지 분야로 나누어 생각할 수 있다. 기본적인 2가지 알고리즘 개발과 이를 응용하기 위한 실험 및 센서 모듈 구현 2가지이다. 각각에 대해서는 다음과 같이 설명한다.
    ...

    본 연구에서 개발하려는 내용은 다음과 같이 크게 4가지 분야로 나누어 생각할 수 있다. 기본적인 2가지 알고리즘 개발과 이를 응용하기 위한 실험 및 센서 모듈 구현 2가지이다. 각각에 대해서는 다음과 같이 설명한다.
    $\circ$ 다차원 속성 질의 처리 알고리즘 개발
    하드웨어적인 기술의 발전으로 인하여 하나의 조그만 센서가 주변의 여러 속성 값을 측정하여 전달하는 것이 이젠 일반적인 기술이다. 하지만 기술적으로는 가능하지만 아직 고려해야 할 사항이 여러 가지가 있는데 그 중 하나가 에너지의 효율적 사용이다. 본 연구에서는 각 센서가 조그만 배터리로 동작하는 환경을 가정하고 있으며, 이 경우 사용자의 질의를 에너지 효율적인 방식으로 처리할 수 있는 기법을 개발하려고 한다. 일반적인 부모-자식 관계를 이용한 라우팅 경로 설정 과정에서, 자식 노드가 부모 노드에게 제한된 속성값 정보를 전달하여 이를 이용하여 불필요한 메시지의 발생을 줄이려는 방식으로 동작한다.
    $\circ$ 결함포용 가능한 라우팅 경로 재설정
    각 센서는 다양한 방법에 의해 자신의 위치를 알 수 있다. 일반적으로 위치 정보는 (x, y)라는 2차원 정보라고 생각할 수도 있다. 이 경우, 앞서 제안한 기법을 약간 변경한다면 부모가 자신의 자식 및 모든 자손 노드들에 대한 부분적인 영역 정보를 지역적으로 저장해둘 수 있다. 이후 부모가 자신의 자식 노드에서 실패(failure)가 발생했다는 사실을 발견하게 된다면, 그 자식 노드 및 그 자식 노드의 모든 자손 노드를 포함하는 영역에 대한 일종의 공간질의(spatial query)를 수행하도록 한다. 이 후 그 영역 내에의 한 노드라도 질의에 응답할 수 있다면 그 노드를 기준으로 영역내의 노드들만 부모-자식 관계를 재설정하도록 한다. 이와 같은 방식으로 노드의 실패가 발생하더라도 제한된 메시지를 전송하여 라우팅 경로를 재설정할 수 있다.
    $\circ$ 제안 기법에 대한 실험 환경 구현
    본 연구는 기본적으로 새로운 환경에 적용가능한 새로운 질의처리 알고리즘을 개발하려는 목적을 가진다. 따라서 연구에서 제안한 알고리즘의 우수성을 보일 수 있는 방법이 필요하다. 이를 위하여 Java 언어를 이용하여 분산 방식의 Simulator를 구현하여 다양한 환경 설정하에 실험을 수행하였다. 실험에서는 주로 교환되어야 할 데이터의 크기 및 바깥으로 나가는 메시지의 수를 비교함으로써 에너지의 효율성에 초점을 맞추었다.
    $\circ$ 실제 센서 모듈을 이용한 구현
    현재 여러 센서 제품이 나와있지만, 가장 초기부터 연구가 된 곳은 Berkeley 대학교의 Motes 시리즈이다. 본 연구에서는 이러한 Motes 시리즈를 응용한 (주) 한백전자의 Zig Bex 제품을 구입하여, netC 언어를 이용하여 본 연구에서 제안한 센서 모듈을 실제 구현하였다. 즉, 센서들은 기본적으로 Sink 노드와 일반 노드로 구분할 수 있으며, 각 센서에서 구현한 기능은 초기 라우팅 경로 설정 방식, 부모-자식 관계에 기반하여 부모에게 정보를 전달하는 모듈, 질의를 전파하고 결과를 취합하여 재전송하는 모듈로 구성되었다.


  • 목차(Contents) 

    1. 제 1 장 서론 ...23
    2. 제 1 절 도입 ...23
    3. 제 2 절 개요 및 관련연구 ...26
    4. 가. 개요 ...26
    5. 나. 국내.외 현황 ...29
    6. 다. 핵심요소 접근 방법 ...32
    7. 라. 혁신성과 독창성 ...33
    8. 제 3 절 연...
    1. 제 1 장 서론 ...23
    2. 제 1 절 도입 ...23
    3. 제 2 절 개요 및 관련연구 ...26
    4. 가. 개요 ...26
    5. 나. 국내.외 현황 ...29
    6. 다. 핵심요소 접근 방법 ...32
    7. 라. 혁신성과 독창성 ...33
    8. 제 3 절 연구 목표 ...36
    9. 가. 최종 목표 ...36
    10. 나. 추진내용 ...37
    11. 제 4 절 과제 수행체계 및 추진일정 ...39
    12. 가. 수행체계 ...39
    13. 나. 추진일정 ...41
    14. 제 5 절 과제 수행방법 ...43
    15. 가. 과제 수행방법 ...43
    16. 나. 과제수행 비율 ...44
    17. 제 6 절 평가항목 및 평가방법 ...45
    18. 가. 평가항목 ...45
    19. 나. 평가방법 ...46
    20. 제 7 절 기대성과 및 활용 방안 ...46
    21. 제 2 장 본론 ...48
    22. 제 1 절 라우팅 경로 설정 ...49
    23. 가. 라우팅 경로 설정 ...49
    24. 나. 섹터비트 기반 기법(Sector-Bit based Scheme) ...51
    25. 제 2 절 결함포용 알고리즘 ...60
    26. 가. 실패발생 ...60
    27. 나. 회복기법 ...62
    28. 제 3 절 실험 결과 ...63
    29. 가. 개요 ...63
    30. 나. 실험 모델 ...63
    31. 다. 실험 결과 ...69
    32. 제 4 절 ZigbeX를 이용한 센서 구현 ...73
    33. 가. TinyOS 개요 ...73
    34. 나. Mote 시리즈 ...78
    35. 다. NesC 프로그래밍 ...81
    36. 다. 모듈 구현 ...93
    37. 제 3 장 결론 ...100
    38. 참고문헌 ...102
    39. [알고리즘 1] 센서노드가 $NM_i$ 메시지를 받은 후 수행하는 작업 ...7
    40. [표 1] 분야별 응용 서비스 ...25
    41. [표 2] 대표적인 센서 네트워크 연구 프로젝트 ...31
    42. [표 3] 최종 연구 목표 ...37
    43. [표 4] 추진일정 ...42
    44. [알고리즘 2] 센서노드가 $NM_i$ 메시지를 받은 후 수행하는 작업 ...50
    45. [알고리즘 3] 센서에서 속성값이 이전 섹터 범위를 벗어날 경우 ...54
    46. [표 5] 다차원 속성 질의의 예 ...56
    47. [표 6] 3단계 계층 ...75
    48. [표 7] 부팅과정 ...77
    49. [표 8] nesC의 특징 ...82
    50. [표 9] nesC에서 컴포넌트 관련 용어 ...82
    51. [표 10] 커맨드와 이벤트의 차이 ...84
    52. [표 11] TinyOS의 대표적인 인터페이스 ...85
    53. [그림 1] 센서 네트워크 기본 구성도 ...24
    54. [그림 2] 추상적 개념의 분산 센서 데이터베이스 ...27
    55. [그림 3] 다양한 WLAN과 WPAN 표준의 데이터 속도 및 비용 ...30
    56. [그림 4] 감시정찰 센서 네트워크 ...38
    57. [그림 5] 과제 수행체계 ...39
    58. [그림 6] 구현 환경 ...40
    59. [그림 7] ZigbeX 개요도 ...41
    60. [그림 8] 마일드스톤 ...43
    61. [그림 9] 국제망(TEIN) 활용 개념도 ...44
    62. [그림 10] 과제의 수행 범위 ...48
    63. [그림 11] 섹터기반 속성값 전달 ...53
    64. [그림 12] Thin Rectangle Problem ...55
    65. [그림 13] 센서 네트워크 영역을 $6{\times}6$개의 섹터로 나눈 상태 ...58
    66. [그림 14] 섹터 비트의 응용 예 ...60
    67. [그림 15] 부모선택 단계 예제 ...62
    68. [그림 16] 사용자의 질의 처리를 받는 서버 화면 ...65
    69. [그림 17] 환경을 설정하고 질의를 보낼 수 있는 메인 화면 ...66
    70. [그림 18] Mote 프로그램 수행 화면 ...68
    71. [그림 19] 지역정보의 크기 ...70
    72. [그림 20] 섹션의 크기에 따른 실험 ...71
    73. [그림 21] 속성의 개수에 따른 실험 ...71
    74. [그림 22] 속성의 갱신 빈도에 따른 실험 ...72
    75. [그림 23] 결함포용 실험 (임의 분포) ...73
    76. [그림 24] 결함포용 실험 (편향 분포) ...73
    77. [그림 25] MOTE 계층도 ...79
    78. [그림 26] ZigbeX 센서 응용 ...81
    79. [그림 27] LedC의 컴포넌트 구성도 ...89
    80. [그림 28] 컴파일이 무사히 수행된 모습 ...93
    81. [그림 29] 전체적인 구현 과정 ...94
  • 참고문헌

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