Actor Relocation with Guaranteed Sink Connectivity in Wireless Sensor and Actor Networks

Abstract

무선 센서 액터 네트워크(Wireless Sensor and Actor Networks: WSAN)는 무선으로 연결된 센서와 액터의 집합으로서, 센서는 주변 환경에서 이벤트를 탐지하고 액터는 센서의 의해 탐지된 정보를 기반으로 적절한 액션을 수행한다. 그리고 센서와 액터는 싱크를 통하여 외부 네트워크 또는 관리 시스템과 연동하여 정보를 전송하거나 명령을 수신한다. 이러한 WSAN에서 액터들이 효율적으로 액션을 수행하기 위해서는 서로 정보를 공유하고 동작을 동기화할 수 있어야 한다. 특히 액터가 센서로부터 탐지된 정보를 싱크에게 전송하고, 싱크로부터 명령을 수신하여 액션을 수행하기 위해서는 싱크와 연결된 상태, 즉 싱크 연결성을 확보하여야 한다. 하지만 대부분의 WSAN 응용 환경은 사람이 접근하기 불가능하거나 곤란한 영역이기 때문에 일반적으로 액터를 무작위로 배치한다. 이러한 액터 배치는 특정 영역에 액터가 너무 과밀하게 분포되어 액터들의 액션 범위가 중첩되거나, 너무 과소하게 분포되어 액터들의 연결성이 단절될 수 있다. 따라서 네트워크 영역에 무작위로 배치된 액터들을 적절한 위치로 이동함으로써 중첩을 최소화하면서 싱크와 연결성을 유지할 수 있도록 재배치할 필요가 있다. 본 논문은 WSAN에서 무작위로 배치된 액터들의 싱크 연결성을 확보하도록 액터를 재배치하는 알고리즘을 제안한다. 제안한 알고리즘은 네트워크 영역에 무작위로 배치된 액터들을 일정한 간격으로 분산시킴으로써 액션 범위의 중첩을 최소화하면서 이와 동시에 싱크와 연결된 액터 네트워크를 형성한다. 먼저, 제안하는 알고리즘은 싱크로부터 일정한 홉 거리에 있는 센서들 중에서 클러스터 헤드를 선출한다. 그리고 선출된 클러스터 헤드로부터 일정한 홉 간격으로 다음 클러스터 헤드를 선출하는 과정을 반복한다. 이러한 과정을 통해 클러스터 헤드들은 싱크를 루트로 하는 계층적 연결 구조를 형성한다. 클러스터 헤드 선출은 센서들의 분포 밀도가 높은 영역에서 우선적으로 이루어진다. 클러스터 헤드로 선출되지 않은 센서들은 가장 근접한 클러스터 헤드와 결합하여 클러스터를 구성한다. 센서 클러스터가 구성되면, 액터와 클러스터 헤드는 각각 서로 가장 근접한 상대방과 일대일로 결합하고, 액터는 결합된 클러스터 헤드의 위치로 이동한다. 그리고 액터는 싱크 연결성이 확보될 때까지 상위 클러스터 헤드의 위치로 이동을 반복한다. 제안한 액터 재배치 알고리즘은 센서 클러스터 구성 단계에서 중첩을 최소화하면서 일정한 간격을 유지하는 클러스터를 구성하므로, 클러스터 헤드의 위치로 이동한 액터는 커버리지를 향상시키면서 상호간의 연결을 유지한다. 또한 클러스터 헤드들에 의해 형성된 계층적 연결 구조에서 액터들이 상위 클러스터 헤드로 이동함으로써 결국에는 싱크 연결성을 확보한다. 제안한 알고리즘에 의한 액터 재배치 성능을 확인하기 위해 시뮬레이션을 수행한다. 시뮬레이션에서는 네트워크 영역에 배치되는 액터, 센서의 개수에 따른 액터 커버리지, 전송 메시지 수, 액터의 이동 거리에 대한 성능을 분석한다. 그리고 실제 응용 환경을 최대한 적용하기 위해 네트워크 영역에 센서를 균일하게 배치하는 방법과 여러 집단을 형성하도록 배치하는 방법으로 구분하여 시뮬레이션을 수행한다. 시뮬레이션을 통하여 제안한 알고리즘이 기존의 알고리즘에 비해 센서를 균일하게 배치하였을 때와 집단을 형성하도록 배치하였을 때 각각 액터 커버리지를 액터 개수에 따라 최대 10%, 11% 향상시키고, 센서 개수에 따라 18∼33%, 7%∼10% 향상시키는 것을 확인한다. 또한 센서에 의해 전송되는 메시지 수를 센서 개수에 따라 최대 20%, 67%∼69% 더 감소시키고, 액터의 평균 이동 거리를 액터 개수에 따라 최대 54%, 14%∼75% 더 감소시키는 것을 확인한다. 시뮬레이션 결과에 근거하여 클러스터 헤드들이 싱크를 루트로 하는 계층적 연결 구조를 형성하는 것은 배치된 액터 개수에 관계없이 액터의 싱크 연결성을 확보하는데 효과적인 방법임을 확인한다. 따라서 본 논문의 연구 결과는 커버리지를 최대화하면서 싱크 연결성을 보장하는 액터 재배치 방법으로 유용하게 활용될 수 있다. 본 논문에서 제안하는 기법은 센서 클러스터 구성과 클러스터 헤드의 연결 구조를 필요로 한다. 비록 본 논문에서는 싱크를 루트로 하는 클러스터 헤드들의 계층적 연결 구조를 제시하지만 센서의 장애가 빈번하게 발생하는 환경에서는 클러스터 헤드의 재 선출 또는 연결 구조 재설정이 센서에게 부담이 될 수 있다. 따라서 향후 과제로 이중화 연결 등과 같은 추가적인 기법을 적용하여 클러스터 헤드의 연결 단절을 극복하는 방안을 모색할 필요가 있다.