무선 센서 네트워크에서
멀티미디어 데이터 전송을 위한
간섭 회피 다중 경로 설정 기법
허형민*˚, 유명식 숭실대학교 정보통신전자공학부An Interference-Aware Multi-Path Routing
Protocol for Multimedia Data Transmission
over Wireless Sensor Networks
Heo, Hyeongmin, Yoo, Myungsik Soongsil University
E-mail : [email protected], [email protected]
요 약 무선 센서 네트워크 시스템을 이용한 많은 응용 시스템이 연구되고 있는 가운데, 최근 무 선 센서 네트워크 시스템의 신뢰성 확보에 대한 문제점이 대두되었다. 이러한 문제점을 해 결하기 위하여 영상 데이터를 전송함으로써 보다 신뢰성 있는 정보를 제공할 수 있는 멀티 미디어 센서 네트워크에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 영상 데이터를 저속의 멀티 홉 무선 센서 네트워크 환경에서 효율적으로 전송하는 프로토콜에 관련된 연구는 비 교적 많지 않다. 지금까지의 통신 프로토콜들은 비교적 단순한 센싱 데이터를 전송할 수 있도록 설계되었으며, 새로운 응용들을 지원하기 위해서는 새로운 통신 프로토콜이 필요하 다. 따라서 본 논문에서는 연속적인 영상 데이터를 멀티 홉 환경에서 효율적으로 전송할 수 있는 다중 경로 간 간섭이 없는 간섭 회피 다중 경로 설정 기법을 제안한다.
1. 서론
무선 센서 네트워크는 소형 센서를 사용해 주변 환경 및 사물 정보를 수집하고, 무선 통신 기술을 활용하여 수집된 정보를 전송할 수 있도록 구성한 네트워크를 말한다. 이와 같은 무선 센서 네트워크 는 사물 및 환경 정보를 습득하는 센서와 센싱 정 보를 무선 통신 기술을 통해 전송하는 센서 노드 본 연구는 서울시 산학연 협력사업(과제번호: 10544C093115)의 연구비지원에 의하여 연구되었음 와 센싱 정보를 외부 망으로 송출하는 게이트웨이 의 역할을 담당하는 싱크 노드로 구성된다[1]. 이러한 무선 센서 네트워크의 응용 분야가 계속 확장해가고 있는 가운데, 무선 센서 네트워크 시스 템의 신뢰성 확보에 대한 문제점이 제기되었다. 최 근에는 카메라가 부착된 이미지 센서 노드 성능의 향상으로 멀티미디어 데이터 전송이 가능해졌고, 이에 따라 비디오, 오디오 등의 멀티미디어 데이터 전송을 통해 무선 센서 네트워크의 신뢰성을 확보 하고자 하는 WMSN(Wireless Multimedia Sensor Network)에 대한 관심이 높아지고 있다[2].멀티미디어 데이터는 온도, 소리, 압력 등의 단 순한 센싱 데이터보다 비교적 용량이 크고, 전송 속도와 전송 지연에 민감한 특성을 가진다. 하지 만, 기존 무선 센서 네트워크 통신 프로토콜들은 단순한 센싱 데이터만을 고려하여 설계되었기 때 문에 이러한 멀티미디어 데이터 전송에 적합하지 않다. 따라서 낮은 대역폭과 멀티 홉 환경의 무선 센서 네트워크에서 멀티미디어 데이터를 효율적으 로 전송할 수 있는 통신 프로토콜에 대한 연구가 반드시 필요하다. 이에 본 논문에서는 용량이 큰 멀티미디어 데이 터를 효율적으로 전송하기 위해 다중 경로 간 서 로 간섭이 없는 것을 특징으로 하는 새로운 간섭 회피 다중 경로 설정 기법을 제안한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 본 논 문에서 제안하는 다중 경로 간 서로 간섭이 없는 새로운 간섭 회피 다중 경로 설정 알고리즘의 특 징 및 동작 방법을 설명한다. 3장에서는 제안 알고 리즘의 모의실험을 통해 성능을 분석하고, 마지막 으로 4장에서 결론 및 향후 연구 방향을 제시한다.
2. 제안하는 다중 경로 설정 알고리즘
본 논문에서 제안하는 서로 간섭이 없는 다중 경로 설정 알고리즘은 센서 노드의 간섭 범위를 고려하여 다중 경로를 설정함으로써 다중 경로 사 용의 장점을 최대화하는 것을 목적으로 한다. 그림 1. 제안하는 다중 경로 설정 기법 일반적으로 무선 환경의 간섭 범위는 전송 범위 의 약 1.8배로 알려져 있다[3]. 따라서 전송 범위를 R이라고 한다면 1.8R 이상 떨어진 거리의 노드는 서로에게 간섭의 영향을 주지 않는다. 본 논문에서 는 위치 정보를 이용하여 다중 경로 간 거리가 1.8R 이상 떨어지도록 설정하여 다중 경로 간 간 섭을 피한다. 그림 1은 이러한 제안 알고리즘의 기 본 동작 개념을 도시하고 있다. 그림에서 볼 수 있듯이 근원지 노드와 싱크(목 적지) 노드를 연결한 직선에서 양 옆으로 0.9R이상 떨어진 노드들로 다중 경로를 설정하여 다중 경로 가 1.8R이상 떨어지도록 한다. 이렇게 하면 소스 노드와 싱크 노드 주변의 분리 구간을 제외한 나 머지 구간에서는 간섭 없이 다중 경로를 사용할 수 있다. 제안 알고리즘은 크게 RREQ(Route Request) 브 로드캐스트 과정과 RREP(Route Reply) 선택 전송 과정의 2가지 과정을 거쳐 동작한다. 이를 보다 자 세히 살펴보면 다음과 같다. 1. RREQ 브로드캐스트 과정 경로 설정 과정에서 오버헤드가 큰 경우 불필요 한 에너지 소모 뿐 아니라, 주변에서 데이터를 전 송하고 있는 다른 노드들에게도 영향을 미쳐 전송 지연이 증가하는 문제가 생길 수 있다. 이에 본 논 문에서는 오버헤드를 줄이기 위해 PR(Positive Region)과 NR(Negative Region)으로 영역을 나누 어 포워딩되는 RREQ를 최대한 줄이면서 목적지 노드를 탐색할 수 있는 방법을 사용하여 경로 탐 색 시의 오버헤드를 줄인다. 먼저 소스 노드는 싱크 노드로의 경로 탐색을 위해 RREQ 메시지를 브로드캐스트한다. 이때, 경 로 탐색 시의 오버헤드를 줄이기 위하여 소스 노 드와 싱크 노드 사이의 영역 부분 중 소스 노드와 싱크 노드를 잇는 직선에서 0.5R 떨어진 영역부터 2R 떨어진 영역 사이의 영역을 PR로 설정하고 나 머지 영역은 NR로 설정한다. PR 내의 노드들은 RREQ를 받으면 브로드캐스트하여 경로 탐색에 참 여하고, NR 내의 노드들은 RREQ를 받더라도 무 시하고 경로 탐색에 참여하지 않는다. 2. RREP 선택 전송 과정 RREP를 선택하여 전송하기 위해서는 선택의 기 준이 필요하다. 본 논문에서는 최단 홉 수를 기준 으로 RREP를 선택하여 전송하며, 그 방법은 다음 과 같다. RREP 선택 전송을 위한 변수는 표 1에 서 정의하였다.-208-변수 정의 R 센서 노드의 최대 전송 거리 D 소스 노드와 싱크 노드를 잇는 직선과 현재 노드 사이의 거리 L 소스 노드와 싱크 노드를 잇는 직선상에서 싱크 노드를 기준으로 한 현재 노드의 위치 S 소스 노드와 싱크 노드 사이의 직선거리 K RREQ 보낸 노드들의 노드 선택 값 표 1. 노드 선택 기준 변수 정의 소스 노드나 싱크 노드를 잇는 직선의 1.5R 이 내의 거리에서는 연결성을 고려하여 소스 노드와 싱크 노드를 잇는 직선상에서 양 옆으로 0.5R보다 크고 0.9R보다 작은 범위에서 RREP 전송 노드를 선택해야 한다. 즉, |L-S|값이 1.5R보다 작은 노드 의 경우 연결성을 고려하여 간섭이 발생하는 0.9R 보다 작은 범위에서 다음 노드를 선택해야 한다. |L-S|값이 1.5R보다 큰 영역에서는 0.9R보다 큰 범위에서 다음 노드를 선택하여 간섭을 피한다. 제안하는 알고리즘에서 최단 홉 수로 간섭이 발 생하지 않는 다중 경로를 설정하려면 일반적으로 L값은 클수록 좋고, D값은 작을수록 좋다. 하지만 논문에서 제안하는 방식으로 간섭을 피하려면 D값 이 0.9R보다 커야한다. 따라서 D값이 0.9R보다 큰 범위에서는 D값에 관계없이 간섭이 발생하지 않으 므로 작은 D값을 가지는 노드를 선택하는 것이 좋 다. RREQ를 전송 받은 노드들 중 0.9R보다 큰 범 위의 노드가 없거나, 연결성을 고려하여 D값이 0.9R보다 작은 범위에서 노드를 선택하여야 할 경 우에는 D값이 클수록 간섭의 영향을 적게 받으므 로 큰 D값을 가지는 노드를 선택하는 것이 좋다. 이를 정리하면 다음과 같다. |L-S|값이 1.5R보다 큰 영역에서 RREQ를 전송 받은 노드들 중 0.9R보 다 큰 범위의 노드들이 있다면, 해당 노드들의 K 값은 L*D의 수식을 계산하여 구하고, 0.9R보다 작 은 범위의 노드들은 K값을 계산하지 않는다. RREQ를 전송 받은 노드들 중 0.9R보다 큰 범위의 노드가 없거나, |L-S|값이 1.5R보다 작은 영역에서 K값은 L/D의 수식을 계산하여 구한다. RREQ를 전송 받은 노드들의 K값을 비교하여 가장 큰 값을 가지는 노드에게 RREP를 선택하여 전송한다.
4. 모의실험 결과 및 분석
1. 모의실험 환경 본 장에서는 제안 알고리즘의 성능 분석을 위해 홉 수와 패킷 발생률에 따른 종단 간 평균 전송 지연시간을 비교 분석한다. 이를 위한 모의실험 환 경은 표 2의 파라미터를 사용하였으며, C++ 언어 를 기반으로 구현되었다. 성능 비교 대상으로는 단 일 경로 라우팅 알고리즘 AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector)[4]와, 다중 경로 라 우팅 알고리즘 AOMDV(Ad-hoc On-demand Multi-path Distance Vector)[5]를 선정하였다.파라미터 값 센서 노드의 수 400 센서 노드의 전송 범위 [m] 30 패킷 크기 [bit] 1,024 최대 전송률 [Kbps] 250 트래픽 부하 [bit/s] 0.1 ~ 1 표 2. 모의실험 파라미터 센서 노드는 400m×400m의 환경에 400개의 노드 를 균일하게 배치하고, 채널 백오프 시간은 지수적 채널 백오프를 적용하였다. 본 모의실험에서 노드 당 최대 전송률은 250 Kbps이고, 이를 발생시키기 위해 패킷 크기는 1,024 bit, 패킷 발생 시간은 CBR 형태로 트래픽 부하 1.0을 기준으로 4ms를 고려하였다. 도출 결과는 세 가지 알고리즘에 의해 선택된 경로로 패킷을 전송하였을 때 측정되는 종 단 간 전송 지연시간을 분석하였다. 2. 모의실험 결과 및 분석 그림 2. 홉 수 증가에 따른 평균 전송 지연 시간
먼저 하나의 노드에서만 데이터 전송을 할 때의 성능을 검증하기 위한 모의실험을 수행하였다. 홉 수에 따른 중단 간 평균 전송 지연시간을 알아보 기 위해 연쇄 토폴로지의 길이를 1홉에서 20홉으 로 변화시키면서 모의실험을 수행하였다. 그림 2를 통해 알 수 있듯이, 제안하는 알고리즘이 AODV와 AOMDV 알고리즘보다 낮은 평균 전송 지연시간 을 갖는다. 그림 3. 트래픽 부하 증가에 따른 평균 전송 지연 시간 다음으로 여러 노드에서 데이터 전송을 할 때의 성능을 검증하기 위한 모의실험을 수행하였다. 트 래픽 부하 증가에 따른 중단 간 평균 전송 지연시 간을 알아보기 위해 400m×400m의 환경에 400개의 노드를 균일하게 배치하여 트래픽 부하를 0.1에서 1로 변화시키면서 모의실험을 수행하였다. 그림 3 을 통해 알 수 있듯이, 제안하는 알고리즘이 AODV와 AOMDV 알고리즘보다 낮은 평균 전송 지연시간을 갖는다.
5. 결론
무선 센서 네트워크 응용 시스템을 효과적으로 활용하기 위해서는 무선 센서 네트워크의 신뢰성 확보가 절실히 요구된다. 특히 멀티미디어 데이터 전송을 통하여 신뢰성을 확보하는 경우 저속의 멀 티 홉 무선 센서 네트워크 환경에서 용량이 큰 멀 티미디어 데이터를 효율적으로 전송할 수 있는 통 신 프로토콜에 대한 연구가 반드시 필요하다. 이에 본 논문에서는 지연시간에 민감한 멀티미디어 데 이터를 빠르게 전송하기 위하여 다중 경로 간 서 로 간섭이 없는 간섭 회피 다중 경로 설정 알고리 즘을 제안하였다. 제안 알고리즘의 성능 평가를 위해 모의실험을 수행하였고, 다중 경로 간 간섭을 고려하여 다중 경로를 설정할 경우에 다중 경로를 동시에 사용하 더라도 간섭 없이 사용할 수 있어 평균 전송 지연 시간을 줄일 수 있음을 증명하였다. 이와 같은 결과를 토대로 무선 센서 네트워크 시스템의 신뢰성을 확보할 수 있는 연구의 기틀을 마련할 수 있었다. 마지막으로 실제 무선 센서 네 트워크 시스템 환경에 본 논문에서 제시하는 간섭 회피 다중 경로 설정 알고리즘을 적용하였을 때 발생할 수 있는 문제를 보다 심도 깊게 분석하고, 다중 경로를 동시에 사용함에 있어 증가될 수 있 는 지연 요소와 이를 줄일 수 있는 방안에 대한 연구가 진행되어야할 것이다.[참고문헌]
[1] 조위덕, 이상학, 강정훈, "센서 네트워크 기술 개요", 한국정보통신학회 정보통신소사이어티 논문지, 제 17권, 제 1호, 2003.[2] IAN F. AKYILDY, "Wireless Multimedia Sensor Network: A survey". IEEE Wireless Communications, 2007.
[3] Kaixin Xu, Mario Gerla, Sang Bae, "How Effective is the IEEE 802.11 RTS/CTS Hand -shake in Ad Hoc Networks?", GLOBE COMM IEEE Global Telecommunications Conference, no. 1, pp.72-77, 2002.
[4] C. E. Perkins and E. M. Royer, "Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing", In Proceedings of IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications, 1999. [5] M. K Marina and S.R. Das, "On-demand
multipath distance vector routing in ad hoc networks", Proceedings of the International Conference for Network Procotols, 2001.
