무선 센서 네트워크에서 효율적인 위치 측정 기법

국문 초록 (Abstract)

무선 센서 네트워크 환경에서 센서 위치 측정 기술은 다양한 응용에 있어 필수적인 기반 기술이다. 이를 위해 무선 센서 네트워크 분야는 거리 비종속(Range-Free) 위치 측정 기법에 대한 연구가 활발하게 진행 중이며, 비 균일 네트워크 환경에서 위치 정확도를 향상하기 위한 중심 극한 정리와 정규 분포에 근거한 위치 측정 기법인 밀집 확률 기법이 제안되었다. 밀집 확률 기법의 경우 노드 간 통신을 통해 거리를 추정 후, 최종 위치를 측정하지만 거리 추정 시 주위 인근 모든 노드가 동일한 1-홉 추정 거리를 갖는 문제점이 발생한다. 따라서 본 논문에서는 이러한 오차를 최소화하기 위해 각 노드마다 거리 추정 후 센싱 반경을 조절하여 2차 지역 거리 평가를 통해 센서의 위치를 측정하는 기법을 제안한다. 성능평가 결과, 제안하는 기법은 기존 Density Probability 기법에 비해 8% 더 높은 정확도를 보였다. 또한 대표적인 거리 비종속 위치 측정 기법인 DV-HOP에 비해 48% 더 우수한 위치 정확도를 보였다.
또한 기존 위치 측정 기법은 실제 응용에서 발생 가능한 네트워크-홀을 고려하지 않아 위치 측정에 많은 오차를 발생시킨다. 이러한 문제점을 고려하여, 본 논문에서는 무선 센서 네트워크 환경에서 홀을 고려한 센서 위치 측정 기법을 제안한다. 제안하는 기법에서는 네트워크상의 홀이 존재할 경우, 이웃 노드 밀도를 기반으로 하여 홀을 감지한 후, 누적 홀-경계 노드 수를 기반으로 하는 거리 보정을 통해 센서 위치를 추정한다. 이를 통해, 네트워크상에 홀이 존재하는 상황에서도 높은 정확도의 센서 위치 측정이 가능하다.
제안하는 기법의 우수성을 입증하기 위해, 시뮬레이션을 통한 기존의 기법과의 성능을 비교 평가한다. 성능평가 결과, 제안하는 기법은 기존 기법에 비해 위치 측정 정확도가 크게 증가함을 보임으로써 그 우수성을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In wireless sensor networks, a positioning scheme is one of core technologies for many sensor applications. For this reason, the research for range-free positioning schemes are progressing actively. The density probability scheme based on central limit theorem and normal distribution have been proposed to improve the location accuracy in irregular sensor network environments. The density probability scheme estimates 1-hop distance by using communication between nodes. After that, it estimates final position of unknown node. However, the density probability scheme has a problem that has equivalent 1-hop distance for all of nodes in same areas.
In this dissertation, we propose a sensor positioning scheme through second positioning step by using the sensing range control scheme after estimating 1-hop distance for each node. Our experimental results show that our proposed scheme improve the accuracy of sensor positioning by about 8% over the density probability scheme and by about 48% over the DV-HOP scheme. The existing positioning schemes cause many errors since they do not consider holes in real world environments. This thesis proposes a sensor positioning scheme considering holes in wireless sensor networks. In case the holes exist in a network, after the proposed scheme detects holes by considering the density of neighboring nodes, it estimates a sensor position through the distance correction based on cumulative hole boundary sensors.
As a result, the proposed scheme guarantees the higher accuracy of sensor positioning when the holes exist in a network. To show the superiority of the proposed scheme, we compare it with the existing positioning scheme. Our experimental results show that the proposed scheme significantly improves the accuracy of sensor positioning over the existing scheme.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 관련연구 8
• 2.1 센서 네트워크 기술 특성 8
• 2.2 센서 네트워크 시스템 12
• 2.3 센서 네트워크의 데이터 저장 13
• 2.3.1 외부 저장 방식 14
• 2.3.2 내부 저장 방식 15
• 2.2.3 인-네트워크 데이터 중심 저장 방식 18
• 2.4 무선 센서 네트워크 환경에서 위치 측정 기법의 필요성 20
• 2.5 무선 센서 네트워크 환경에서의 위치 측정 기법의 분류 21
• 2.5.1 거리 기반 위치 측정 기법 21
• 2.5.2 거리 비 존속 위치 측정 기법 25
• Ⅲ. 제안하는 비거리 위치 측정 기법 35
• 3.1 제안하는 기법의 네트워크 환경 및 특징 35
• 3.2 밀집 확률을 고려한 위치 추정 38
• 3.3 센싱 반경 조절 위치 보정 기법 43
• 3.4 앵커 노드를 이용한 위치 측정 45
• Ⅳ. 홀을 고려한 위치 측정 기법 48
• 4.1 홀 감지 50
• 4.2 중심 극한 정리(central limit theorem)를 통한 거리 추정 57
• 4.3 경계 노드 카운트 기반의 거리 보정 61
• Ⅴ. 성능평가 66
• 5.1 제안하는 비거리 위치 측정 기법의 성능평가 66
• 5.1.1 실험 환경 66
• 5.2 실험 결과 68
• 5.2.1 네트워크 모델에 따른 평가 68
• 5.2.2 센서 네트워크 크기 및 노드 수에 따른 위치 오차율 평가 71
• 5.3 홀을 고려한 위치측정 기법의 성능평가 74
• 5.3.1 성능평가 환경 74
• 5.3.2 실험 결과 76
• Ⅵ. 결 론 80
• 참고문헌 83
• 감사의 글 91