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보고서 상세정보

센서 네트워크를 위한 클러스터 기반의 QoS 인지 미들웨어 개발
A Development of QoS-aware Middleware based on Cluster for WSNs

  • 주관연구기관

    군산대학교
    Kunsan National University

  • 보고서유형

    최종보고서

  • 발행국가

    대한민국

  • 언어

    한국어

  • 발행년월

    2008-06

  • 주관부처

    정보통신부

  • 사업 관리 기관

    정보통신산업진흥원
    National IT Industry Promotion Agency

  • 등록번호

    TRKO201000017929

  • DB 구축일자

    2013-04-18

  • 초록 


    The purpose of our research project is to develop a cluster based QoS-aware middleware for high-performance wireless sensor netwo...

    The purpose of our research project is to develop a cluster based QoS-aware middleware for high-performance wireless sensor networks(WSNs). To accomplish the objectives, firstly, we study for the developing method of WSN applications and techniques needed for supporting a effective processing environment.
    In order to develop QoS based WSN applications, we propose a method that specifies QoS parameters and real execution environment. The QoS specification for an application defined by a user results in a QoS profile after QoS translating process. And then it is used by the middleware when a WSN application is executed. For development of a WSN application, a developer must define the QoS specification according to the dedicated requirements of an application and it should be translated into the QoS profile needed for execution in a system level. By doing this, the QoS profile is used for the useful information when an WSN application is executed in a cluster based WSNs.
    With the QoS profile representing user's requirements of a WSN application, it is possible to support the required QoS through either the installation procedure or the adaptation procedure when the user's requirements and the status of network resources are changed. Especially, QoS installation protocol and QoS adaptation process is serviced by the proposed QoS-aware middleware during the execution phase. And we propose a method for handling of a hand-off problem when a user moves to the other cluster.
    The scope of research project for studying main technologies needed in developing and executing service components is as follows.
    First, we design functional modules for service discovery, specification of the layout configuration of a WSN application, resource allocation for designing of QoS installation protocol. And also hand-off function is included in a application level for a user with mobile devices.
    Second, we design service management layer and resource management layer operated in the same cluster to process the required QoS functions for real-time QoS adaptation and an optimized method is designed to reconfigure the configuration of service components and the topology of clusters when the user's requirements or the status of network resources are changed.
    Third, we propose a cluster control method to defining the type of a cluster head node operating adaptively in the real execution environment where the cluster node is used to minimize the cost for executing user's demands by resource management layer and cluster control layer. In addition, we design a method for maintaining dynamic characteristics of events occurred in a network, a distributed clustering method for supporting cooperation between sensor nodes, a cluster manufacturing method for initializing clusters according to user's request, and a method for information exchange and for member management of a cluster head concerning with management of cluster members.
    Fourth, for efficient information sharing and controlling between clusters when the overlapping on cluster areas is occurred, a method for detecting the overlay between objects, which are observed by two different clusters and located on the same area, is proposed. And a cluster control method for blocking unfairness of resource competition, resource starvation, and deadlock is proposed. Furthermore, we present a cluster merging and partitioning method for multiple long-term clusters existing at the same time.


    3. 연구의 구성 및 범위
    본 연구에서는 고기능형 무선 센서 네트워크에서 클러스터 기반의 QoS 인지 미들웨어 개발을 위해 응용 개발 과정과 응용의 실행 환경에 요구되는 기법들을 연구한다. 먼저, 응용 개발단계를 통해 용용 개...

    3. 연구의 구성 및 범위
    본 연구에서는 고기능형 무선 센서 네트워크에서 클러스터 기반의 QoS 인지 미들웨어 개발을 위해 응용 개발 과정과 응용의 실행 환경에 요구되는 기법들을 연구한다. 먼저, 응용 개발단계를 통해 용용 개발자들이 QoS 파라미터, 응용의 구성 및 적용환경을 지정할 수 있도록 연구한다. 이렇게 사용자가 지정한 응용에 대한 QoS 명세서를 시스템 수준으로 번역하는 QoS 번역과정을 통하여 QoS 프로파일을 생성하도록 한다. 그 다음 QoS 프로파일은 응용을 실행할 때 미들웨어에 제공되도록 한다. 응용 개발단계에서는 사용자의 요구조건에 따른 명세서 작성과 작성된 QoS 명세서를 시스템 수준으로 변환하는 두 가지 작업을 통해서 최종적으로 클러스터 기반의 센서 네트워크에서 응용이 수행될 때 응용 구성을 위한 기술명세로 사용할 수 있도록 한다. 이러한 명세서의 번역과정은 그림 1과 같다.
    이와 같이 어떤 무선 센서 네트워크 응용에 대한 사용자 요구조건을 QoS 변환과정 통하여 얻은 QoS 프로파일을 사용하면 실제 응용에 설치하는 단계와 사용자의 요구조건이나 네트워크의 자원상태가 변화되었을 때 이를 적응시키는 단계를 통해 요구된 서비스 품질을 제공할 수 있다. 특히, 실행단계에서는 QoS 설치 프로토콜과 QoS 적응화 과정이 QoS 인지 미들웨어에 의해 제공되도록 하고 이동성을 가진 사용자가 다른 클러스터로 위치를 이동하는 경우에 응용 수준에서 핸드오프를 처리하는 방법을 연구한다.
    본 연구에서 개발한 미들웨어를 이용하여 서비스 컴포넌트의 개발단계와 실행단계에서 필요한 구체적인 요소기술에 대한 연구 범위는 다음과 같다.

    첫째, QoS 설치 프로토콜 설계를 위해 서비스 디스커버리, 응용 구성형태의 결정방법, 자원의 할당과 같은 기능들을 설계한다. 또한 사용자가 모바일 장치를 사용할 경우 응용 수준에서의 핸드오프 기능을 포함시킨다.

    둘째, 실시간 QoS 적응화를 위해 동일 클러스터내의 서비스 관리 계층과 자원관리 계층에서 요구된 기능들을 각각 수행하는 기법들을 연구하고 사용자 요구조건과 자원상태가 변경된 경우에는 전체적으로 응용의 서비스 컴포넌트와 클러스터 형태를 재구성할 수 있는 최적화 기법을 연구한다.

    셋째, 자원 관리 계층과 클러스터 제어 계층을 통해 사용자가 요구한 작업을 수행하는 비용을 최소화할 수 있는 클러스터 헤드노드를 결정하고 이것이 실제의 수행 환경에 맞춰 적응적으로 작동할 수 있는 클러스터 제어 기술을 연구한다. 특히 네트워크에서 발생하는 사건들에 대한 동적 특성 유지 기법, 센서 노드들 간의 상호 협조를 수행하는 분산 클러스터링 기법, 응용 구성 요구에 따라 클러스터를 초기화하기 위한 클러스터 형성 프로토콜, 클러스터 멤버를 관리하는 클러스터 헤드의 멤버 관리와 정보교환 기법 등을 연구한다.

    넷째, 클러스터들 간의 원활한 정보 공유와 조정을 위해 클러스터 영역이 중첩되었을 때 상이한 두 클러스터에 의해서 관찰되던 서로 다른 객체가 동일한 위치에 존재하는 중첩현상(overlay)이 일어나는 것을 검출하는 기법과 자원을 경쟁하는 기간 동안에 불공정성, 기근현상, deadlock과 같은 현상이 일어나지 않도록 클러스터들 간의 조정 기법에 대해 연구한다. 또한 여러 클러스터가 장기간 동시에 존재할 때 이것들을 결합 또는 분할하는 클러스터 결합 및 분할 기법을 연구한다.


  • 목차(Contents) 

    1. 요약문 ... 1
    2. SUMMARY ... 10
    3. 목차 ... 16
    4. Contents ... 18
    5. 표 목차 ... 21
    6. 그림 목차 ... 22
    7. 제1장 서 론 ... 24
    8. 제1절 연구 동향 및 배경 ... 24
    9. 1. 연구 동향 ......
    1. 요약문 ... 1
    2. SUMMARY ... 10
    3. 목차 ... 16
    4. Contents ... 18
    5. 표 목차 ... 21
    6. 그림 목차 ... 22
    7. 제1장 서 론 ... 24
    8. 제1절 연구 동향 및 배경 ... 24
    9. 1. 연구 동향 ... 24
    10. 2. 연구의 배경 ... 27
    11. 제2절 연구 필요성 및 목적 ... 31
    12. 1. 연구 필요성 ... 31
    13. 2. 연구 목적 ... 32
    14. 제3절 연구 내용 ... 33
    15. 제4절 연구 범위 및 방법 ... 37
    16. 제2장 관련연구 ... 41
    17. 제1절 라우팅 프로토콜 ... 41
    18. 1. 방향성 확산 ... 41
    19. 2. SPIN ... 42
    20. 제2절 질의 프로세싱 및 데이터 병합 ... 43
    21. 제3절 네트워크 서비스 품질 ... 45
    22. 제4절 통신 모델 ... 47
    23. 제3장 클러스터 기반 QoS 인지 미들웨어 프레임워크 ... 49
    24. 제1절 COMF 시스템 구조 ... 49
    25. 제2절 출판/가입 서비스 ... 53
    26. 제3절 라우팅 프로토콜 ... 57
    27. 1. 계층형 클러스터 기반 라우팅 프로토콜 ... 57
    28. 제4장 컴포넌트 요소 기술 ... 62
    29. 제1절 클러스터 기반 에너지 인지형 라우팅 프로토콜 ... 62
    30. 1. 시스템 모델 ... 62
    31. 2. 에너지 인지 메시지 라우팅 ... 63
    32. 3. 저전력형 데이터 확산 알고리즘 ... 67
    33. 제2절 서비스 품질 ... 73
    34. 1. 자원 관리 ... 73
    35. 2. 클러스터 기반 다중 홉 라우팅을 위한 효율적 자원할당 기법 ... 74
    36. 제3절 데이터 병합 알고리즘 ... 77
    37. 제4절 홉 기반 혼잡 제어 알고리즘 ... 80
    38. 1. Hop-by-Hop 순서 번호 ... 80
    39. 2. DSbACK 기반의 혼잡 제어 ... 81
    40. 제5장 실험 및 성능 분석 ... 84
    41. 제1절 저전력형 데이터 확산 알고리즘의 성능 분석 및 평가 ... 84
    42. 1. 에너지 소비량 측정 및 성능 평가 ... 84
    43. 2. 응답 시간 ... 86
    44. 3. 네트워크 전체에 유포되는 메시지 비율 ... 87
    45. 제2절 QoS 제공을 위한 Delta-Averge 큐잉 알고리즘의 성능 분석 및 평가 ... 88
    46. 제3절 홉 기반의 신뢰성 있는 혼잡 제어 알고리즘의 성능 분석 및 평가 ... 91
    47. 제6장 결 론 ... 94
    48. 참고문헌 ... 96
  • 참고문헌

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