[논문]생체 내 셀 간 신호 전달 체계를 모사한 지역적 협력 및 시스템 요구 성능 보장을 위한 무선 센서망의 노드 스케쥴링 제어

변희정; 손수국

doi:10.7840/kics.2014.39b.3.143

[국내논문] 생체 내 셀 간 신호 전달 체계를 모사한 지역적 협력 및 시스템 요구 성능 보장을 위한 무선 센서망의 노드 스케쥴링 제어
A Node Scheduling Control Scheme in Wireless Sensor Networks Inspired by Inter-Cell Signaling 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 네트워크 및 서비스, v.39B no.3, 2014년, pp.143 - 150

변희정 (수원대학교 정보통신공학과) , 손수국 (수원대학교 정보통신공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 컴퓨팅 및 문제 해결 기술로 상당한 주목을 받고 있는 생체 모방 기술을 이용하여 무선 센서망에서 에너지 효율적이고, 요구 지연 시간이 보장된 노드 스케쥴링 제어 방식을 제안한다. 특히 생체의 셀 간 신호 시스템과 무선 센서망 시스템 사이의 유사성을 도출하고, 무선 센서망의 특징을 고려하는 새로운 수학적 모델을 수립한다. 이러한 모델을 바탕으로 각 애플리케이션에 의해서 요구되는 QoS, 지역 환경 조건, 인접 노드들의 상태에 따라 센서 노드의 상태를 결정한다. 제어 이론을 바탕으로 분석을 수행하여 제안된 생체 모방 방식이 각 노드가 자율적으로 매개 변수들을 제어함으로써 시스템 안정성을 보장한다는 것을 보인다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안된 방식이 기존 프로토콜과 비교하여 상당한 에너지 절감뿐만 아니라 요구되는 지연 시간을 만족함을 확인한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an energy efficient and delay guaranteed node scheduling scheme inspired by biological systems, which have gained considerable attention as a computing and problem solving technique. With the identification of analogies between cellular signaling systems and WSN systems, we formulate a new mathematical model that considers the networking challenges of WSNs. The proposed bio-inspired algorithm determines the state of the sensor node, as required by each application and as determined by the local environmental conditions and the states of the adjacent nodes. A control analysis shows that the proposed bio-inspired scheme guarantees the system stability by controlling the parameters of each node. Simulation results also indicate that the proposed scheme provides significant energy savings, as well as reliable delay guarantees by controlling the states of the sensor nodes.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

노드 스케쥴링 기술은 센서 네트워크 운영의 모든 측면에 대해 영향을 주기 때문에, 무선 센서망에서 상당히 중요한 분야이다. 본 논문은 생체 시스템 중 셀 간 신호 전달 체계를 모방하여, 무선 센서망의 센서 노드 상태를 스케쥴링 하기 위한 새로운 수학적 모델을 제안한다. 제어 이론을 바탕으로, 시스템 성능과 제안된 생체 모방 시스템의 평형점을 분석한다.
하지만, 확장성 및 성능 문제의 충돌로 인해, 무선 센서 망에 대한 고려 없이 동일하게 적용할 수 없고 안정성 측면에서 이론적으로 입증되지 않았다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 특정 애플리케이션의 QoS를 고려할 뿐만 아니라 지역 조건과 인접 노드의 상태를 고려하는 새로운 생체 모방 네트워킹 알고리즘을 제안한다. 특히 셀 간 신호 체계에 의해 모방된 방법론을 사용하여 무선 센서망 애플리케이션의 QoS 를 고려한 노드 스케쥴링 제어 모델 및 알고리즘을 제안한다.
센서 노드의 주변 환경 상태를 나타내기 위해서 각 노드의 로컬 상태 표시기를 소개한다. 무선 센서망에서는 트래픽 부하 변화 및 링크 품질 변동으로 인해 네트워크에서 혼잡이 종종 발생하고, 이로 인하여, 에너지 낭비, 처리량 감소, 충돌의 증가, 그리고 재전송을 유발하여 네트워크의 수명을 단축시킨다.
본 연구는 고정 ν를 사용하지만 후속 연구에서 제어 파라미터 조절을 통해 최적화된 성능을 보이려고 한다.
본 논문은 무선 센서망의 에너지 절감 및 요구 지연 시간 보장을 위해 생체 내 셀 간 신호 전달 체계를 바탕으로 노드 스케쥴링 제어 알고리즘을 제안하였다. 제안한 방식에서는 노드들의 지역적 환경 특성에 의해서 결정되고, 애플리케이션 특정 글로벌 요구사항에 의해 결정되는 로컬 상태 지시기 및 활성 상태 지시기를 제안하였다.

가설 설정

는 버퍼 용량이다. 본 논문에서는 컨트롤러 타임 슬롯당 하나의 활성 기간이 발생한다고 가정한다. 활성 기간, T_a은 모든 노드에 대해 동일하다.
로컬 상태 표시기 값을 계산한 이후에, 노드 m 은 s_m을 그 이웃들에게 알린다. 센서 노드들이 그들의 로컬 상태 표시기들의 값을 이웃들의 값과 교환하고, 각 노드는 모든 이웃들의 로컬 상태 표시기들의 값을 저장하는 표를 유지한다고 가정한다.
애플리케이션 특정 요구 사항을 충족하기 위해, 우리는 기존의 셀 간 신호 체계 모델을 수정하여 노드 스케쥴링 알고리즘을 위한 모델을 제안한다. 특정 애플리케이션이 종단간 지연 보장을 요구한다고 가정하자. 싱크 노드는 지연을 측정하고, 측정된 지연 및 지연 요구 사항 사이의 차이 값을 ACK 메시지에 실어서 센서 노드들에게 전송한다.
2. Averaged performance of the proposed algorithm varying delay requirements : (a) local status indicator, active status indicator and (b) delay, consumed energy.

제안 방법

이러한 문제들을 해결하기 위해, 우리는 생체 시스템을 모방하여 무선 센서망을 위한 센서 노드 스케쥴링 제어 방법을 제안한다. 노드 스케쥴링 기술은 센서 네트워크 운영의 모든 측면에 대해 영향을 주기 때문에, 무선 센서망에서 상당히 중요한 분야이다.
본 논문은 생체 시스템 중 셀 간 신호 전달 체계를 모방하여, 무선 센서망의 센서 노드 상태를 스케쥴링 하기 위한 새로운 수학적 모델을 제안한다. 제어 이론을 바탕으로, 시스템 성능과 제안된 생체 모방 시스템의 평형점을 분석한다. 또한 제안된 생체 모방 제어 시스템에서 각 노드 별로 제어 매개 변수를 자율적으로 설정함으로써 시스템 안정성을 보장함을 보인다.
각 노드의 스케쥴링 제어는 τc마다 수행되며 이와 동일한 슬롯 기간을 가진 슬롯 [n, n+1], n=0,1,…,으로 분할되는 이산 시간 모델을 개발한다.
활성제는 정해진 속도 r_a 에 a 와 i 모두에 의존하는 속도를 더한 속도로 생산된다. 각 센서 노드는 위의 모델을 이용하여 활성제 및 억제제 농도를 계산한다. 주어진 임계 값을 초과하는 활성제 수치를 가진 센서 노드는 활성화 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 특정 애플리케이션의 QoS를 고려할 뿐만 아니라 지역 조건과 인접 노드의 상태를 고려하는 새로운 생체 모방 네트워킹 알고리즘을 제안한다. 특히 셀 간 신호 체계에 의해 모방된 방법론을 사용하여 무선 센서망 애플리케이션의 QoS 를 고려한 노드 스케쥴링 제어 모델 및 알고리즘을 제안한다.
무선 센서망에서는 트래픽 부하 변화 및 링크 품질 변동으로 인해 네트워크에서 혼잡이 종종 발생하고, 이로 인하여, 에너지 낭비, 처리량 감소, 충돌의 증가, 그리고 재전송을 유발하여 네트워크의 수명을 단축시킨다. 네트워크의 혼잡을 감지하고 측정하기 위해서, 본 논문에서는각 센서 노드에서 버퍼 길이, 트래픽 부하 및 무선 채널 품질을 통해서, 네트워크 혼잡 수준을 측정하는 혼잡 표시기(h)를 제안한다.
한편, 패킷들의 성공적 전송이 이어지는 경우 #는 0에 가깝다. 소비된 에너지 수준을 고려하기 위해 정규화된 에너지 소비 수준에 h_m을 곱해서 혼잡 표시기를 수정한다. 즉, 노드 m의 수정된 혼잡 표시기로서 #을 나타낸다:
제안하는 노드 스케쥴링 제어 방식은 나머지 노드가 수면 모드에 있는 동안에, 센서 노드들은 측면 억제를 통해서 경쟁해서 활성화된 상태를 얻게 된다. 애플리케이션 특정 요구 사항을 충족하기 위해, 우리는 기존의 셀 간 신호 체계 모델을 수정하여 노드 스케쥴링 알고리즘을 위한 모델을 제안한다.
제안하는 노드 스케쥴링 제어 방식은 나머지 노드가 수면 모드에 있는 동안에, 센서 노드들은 측면 억제를 통해서 경쟁해서 활성화된 상태를 얻게 된다. 애플리케이션 특정 요구 사항을 충족하기 위해, 우리는 기존의 셀 간 신호 체계 모델을 수정하여 노드 스케쥴링 알고리즘을 위한 모델을 제안한다. 특정 애플리케이션이 종단간 지연 보장을 요구한다고 가정하자.
결과적으로, 더 자주 패킷 전송을 수행함으로써 지연 시간이 감소된다. 이러한 방법으로, 제안된 제어기는 센서 노드가 애플리케이션 요구 사항 및 로컬 환경 조건을 모두 고려하여 자신의 행동을 결정하게 한다.
MATLAB 시뮬레이터를 사용하여 시뮬레이션 환경을 개발한다. 제안된 방식의 효과를 보이기 위하여, 생체 모방 기반의 노드 활성 방식 (BI-NAS)^[12]과 비교한다.
본 논문은 무선 센서망의 에너지 절감 및 요구 지연 시간 보장을 위해 생체 내 셀 간 신호 전달 체계를 바탕으로 노드 스케쥴링 제어 알고리즘을 제안하였다. 제안한 방식에서는 노드들의 지역적 환경 특성에 의해서 결정되고, 애플리케이션 특정 글로벌 요구사항에 의해 결정되는 로컬 상태 지시기 및 활성 상태 지시기를 제안하였다. 또한 생체 시스템 중 셀 간 신호체계의 측면 억제 모델을 기반으로 센서 노드의 상태를 제어 할 수 있는 새로운 수학 공식을 개발하였다.
제안한 방식에서는 노드들의 지역적 환경 특성에 의해서 결정되고, 애플리케이션 특정 글로벌 요구사항에 의해 결정되는 로컬 상태 지시기 및 활성 상태 지시기를 제안하였다. 또한 생체 시스템 중 셀 간 신호체계의 측면 억제 모델을 기반으로 센서 노드의 상태를 제어 할 수 있는 새로운 수학 공식을 개발하였다. 각 노드는 로컬 상태 지시기 값을 계산하고, 제안된 활성 상태 지시기 모델에 의해 센서 노드의 일부분만 활성화되고, 나머지 수면 모드에 머무르면서 에너지를 절약하게 된다.

대상 데이터

100개의 센서 노드들이 100m × 100m의 반경을 가진 지역에서 무작위로 배포되는 시뮬레이션 토폴로지를 사용한다.

데이터처리

MATLAB 시뮬레이터를 사용하여 시뮬레이션 환경을 개발한다. 제안된 방식의 효과를 보이기 위하여, 생체 모방 기반의 노드 활성 방식 (BI-NAS)^[12]과 비교한다. 100개의 센서 노드들이 100m × 100m의 반경을 가진 지역에서 무작위로 배포되는 시뮬레이션 토폴로지를 사용한다.

이론/모형

이러한 생체 시스템의 속성들을 모방하여 컴퓨터 네트워킹 시스템에서 라우팅, 클러스터링, 노드 스케쥴링, 타임 동기화, 네트워크 보안, 등의 많은 분야에서 생체 모방 알고리즘이 제안되어 왔다^[2-3]. 특히, 면역 시스템, 곤충 집단, 활성제질-억제 물질 시스템, 그리고 셀 신호 시스템과 같은 시스템에서 유래한 개념과 원리는 무선 센서망 시스템의 self-organizing을 위해 활용되었다. 이러한 생체 모방 기술은 매우 강력하고, 중앙 집중화된 것 없이 신속하게 복구할 수 있는 장점이 있다.
따라서 기능성 패치가 형성된 것 안의 세포들은 측면 유도를 통해서 언제나 분화 단계로 발달하고, 일부 세포들은 활성화된 상태로 남아 있지만, 나머지 세포들은 불활성 상태로 남게 된다. 이론 생물학자와 수학자들은 미분 방정식 (ODEs)을 사용하여 델타-노치 신호 과정을 모델링 하였다^[8-12]. 우리는 [9]에서 제안된 다음의 간단한 모델을 고려한다.

성능/효과

제어 이론을 바탕으로, 시스템 성능과 제안된 생체 모방 시스템의 평형점을 분석한다. 또한 제안된 생체 모방 제어 시스템에서 각 노드 별로 제어 매개 변수를 자율적으로 설정함으로써 시스템 안정성을 보장함을 보인다.
결론적으로, 제안한 노드 스케쥴링으로 각 노드의 로컬 상태 수준은 모든 이웃 노드에 대한 평균 수준으로 수렴되고, 이것은 모든 노드들의 에너지 소모 균형이 이뤄지게 한다. a_ms는 a_m의 정상 상태 솔루션을 나타낸다고 하자.
또한, 평균 지연은 요구되는 지연시간으로 수렴된다. 결국 인접 노드들의 환경과 애플리케이션 요구 사항에 따라 활성화 상태를 결정함으로써 에너지 절약뿐만 아니라 지연 보장을 만족하는 것을 확인할 수 있다.
이는 BI-NAS가 활성 상태를 제어 할 수 있도록 애플리케이션 특정 요구 사항을 고려하지 않기 때문에, 불필요하게 패킷을 전송하여 전력을 소모하기 때문이다. 제안된 알고리즘은, 트래픽 속도 변화에도 불구하고, 지연 요구 사항을 보장하면서, 많은 전력을 절약함을 보인다. 하지만 지연 시간 요구가 짧은 경우 (0.
각 노드는 로컬 상태 지시기 값을 계산하고, 제안된 활성 상태 지시기 모델에 의해 센서 노드의 일부분만 활성화되고, 나머지 수면 모드에 머무르면서 에너지를 절약하게 된다. 시뮬레이션 결과는 우리의 제안된 방식이 신뢰할 수 있는 지연 보장뿐만 아니라 더 큰 에너지 절감을 제공하여 기존의 생체 모방 일정 프로토콜보다 우수한 성능을 보임을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선 센서망은 무엇으로 구성되는가?	무선 센서망은 목표 추적, 인프라 보안, 전장 감시, 건강 모니터링, 교통 제어 등의 여러 어플리케이션에 대해 물리적 현상들을 감지하고 모니터링 할 수 있는 장치들을 연결한다. 무선 센서망은 일반적으로 배터리 전원이 있는 다수의 작은 센서 노드들로 구성되어 있다. 따라서, 무선 센서망의 MAC 프로토콜은 주로 에너지 절감을 위해 설계되었다[1].
	무선 센서망의 역할은 무엇인가?	무선 센서망은 목표 추적, 인프라 보안, 전장 감시, 건강 모니터링, 교통 제어 등의 여러 어플리케이션에 대해 물리적 현상들을 감지하고 모니터링 할 수 있는 장치들을 연결한다. 무선 센서망은 일반적으로 배터리 전원이 있는 다수의 작은 센서 노드들로 구성되어 있다.
	무선 센서망의 MAC 프로토콜 한계는 무엇인가?	따라서, 무선 센서망의 MAC 프로토콜은 주로 에너지 절감을 위해 설계되었다[1]. 그러나, 무선 센서망의 규모가 크기 때문에, 센서 노드를 조정함에 있어 상당한 한계를 나타낸다. 일반적으로 노드의 수가 증가함에 따라 대규모 무선 센서망의 성능은 열화되며 그들의 기능성과 성능을 일정한 수준으로 유지하는데큰 어려움을 가진다.

참고문헌 (13)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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