The main function of a wireless sensor network (WSN) is to detect intruders in its service area. Once a WSN is installed, it is desired to work as long as possible. For that the scarcity of energy from the limited size of sensor batteries has to be effectively handled, motivating us to develop energy efficient intruder detecting schemes in a WSN.
Popularly used for extending the lifetime of a sensor network is a policy to let only a selected subset of sensors actively operate at a time while other sensors remain idle or in a sleep mode consuming only a tiny fraction of energy. This policy is adopted throughout, rendering the focus of our study on finding an optimal sleep schedule of sensors. For the sleep scheduling, introduced as a unit of selected sensor subset is the sensor path, which can by itself detect intruders and deliver that data via a form of alarm message to the gateway hub node for further processing.
A sensor area is the area within which any intruder can be detected by a sensor at its center, taking the circular form. A sensor path is defined as a connected chain of overlapped sensor areas stretching from one side to the other side of a rectangular shaped cover (or service) area. Then the detection area covered by a sensor path looks like a strip stretching horizontally the rectangular service area. Penetration (confined here the vertical type only) by an intruder cannot thus be made without crossing the sensor area. Note that activating a certain sensor path means operating actively all the sensors constituting the barrier while letting all other sensors in the area be in the sleep mode. With the notion of sensor path, we deal with the problem on how to optimally schedule in time active ones from a list of sensor paths so as to maximize the lifetime of a WSN. Included in this setting is how to configure each candidate sensor path, which also affects the network’s lifetime.
Provided that an intruder located within a sensor area is surely detected by the sensor, we first consider the case that one and only one sensor path is active at a time. Our problem under this setting then boils down to finding an optimal alternating sequence of active sensor paths which maximizes the lifetime. But in the literature, it is reported that an intruder can hide from being detected if stayed in some region where alternating barriers cross each other. We present a near optimal schedule at which such complicating occurrences are almost removed.
We have dealt with the case where a sensor area is with a single circular boundary within which an intruder is surely detected. Implicitly assumed therein is that an intruder outside the boundary is not detected. But in reality, an intruder outside the circle can be detected with the probability which tends to decrease in distance from the center sensor. This grey detection region is better to be utilized for those WSN applications not guaranteeing the full detection capability. Another use can be found in the cases where the cover area is very wide while sensor placement is costly. For that, we now consider a sensor area with two circular boundaries. An intruder inside the area within the inner boundary is surely detected, while the one in the region between the two boundaries is detected with high probability the value of which decrease in distance from the sensor.
In our model, the radius of the inner circular boundary is intrinsically given, but that of the outer one has to be determined taking into account the given detection environment. In this framework, we assume that the detection capability of a sensor outside the outer boundary here does not carry any practical value. Since the full detection capability is not guaranteed by a sensor path with outer circular boundary, sensor paths are needed to be clustered and activated concurrently to reach the given objective detection quality of the network. With these new features, the problem is to find a combination of the outer circular boundary and the cardinality of clustered sensor path which maximizes the lifetime. To find the solution, the cardinality of clustered sensor paths is fixed and the related radius of the outer boundary and lifetime of network is calculated. And then is found from which maximizes the lifetime the best combination the list of those combinations.
무선 센서네트워크(Wireless Sensor Network)의 주요 기능 중 하나는 대상 영역내의 침입자를 탐지하는 것이다. 이러한 목적으로 설치된 센서네트워크는 가능한 오래 동작하는 것이 요구되기에, 내장된 배터리의 용량 한도 내에서 효율적으로 에너지를 사용할 필요가 있다.
센서네트워크의 수명(lifetime)을 늘이기 위해 많이 사용되는 방식은 일부의 센서노드(sensor node)만을 동작하게 하고 나머지는 매우 적은 양의 에너지를 소모하는 수면 모드(sleep mode)로 전환시키는 것이다. 이 연구에서는 이 방식을 받아들여 필요 기능인 침입자 탐지와 이 탐지정보의 외부 전달을 위한 소집합으로 센서패스(sensor path)를 구성하고, 네트워크의 수명을 최대화 할 수 있도록 이들의 최적 작동 스케줄을 구하려 한다.
각 센서노드는 같은 크기의 원형 탐지영역을 가지며, 이 영역 내에 들어온 침입자를 탐지할 수 있다. 센서패스는 이 탐지영역들이 겹쳐 모인 영역들의 집합으로 정의될 수 있으며, 이 영역은 감시하려는 사각형 대상 지역의 좌우 끝부분까지 포함해야 하기에 대상 지역을 가로로 덮는 띠와 같은 형태가 된다. 이 경우 탐지 대상이 되는 침입자들이 대상 영역의 상부에서 출발하여 하부로 이동할 때 반드시 센서 패스를 지날 수 밖에 없게 된다. 이 연구에서는 설치된 센서 네트워크에서 센서 패스를 구성하고, 전체 센서패스의 총 구동 시간을 최대로 만드는 스케줄을 구하는 것을 목적으로 한다. 여기에서 하나의 센서패스를 구동시키는 것은 그에 속한 센서노드 들은 동작하지만 그 외는 수면모드에 들게 하는 것을 의미한다.
이 연구에서는 두 가지 종류의 탐지 영역을 가정한다. 먼저 침입자가 센서패스 내부에 있을 때 확실히 탐지되는 경우를 가정할 때, 하나의 센서패스를 구동시키는 것 만으로 침입자 탐지와 이의 외부 전달이라는 목적이 달성될 수 있다. 이 경우, 센서네트워크 전체의 수명을 최대화 할 수 있게 센서패스를 구성하고 이의 작동 순서를 찾는 것이 목표가 된다. 하지만 이 경우 동작하는 센서패스가 교체되는 시점에서 이들간 서로 얽혀 생기게 된 둘 사이의 빈 영역에서(hiding space) 침입자가 숨어있다가 탐지되지 않고 지나치는 것이 가능하기 때문에, 여기에서는 이러한 숨은 침입자(hidden intruder)를 방지하면서 동작시간을 최대화하도록 센서패스의 구성과 실행 순서를 찾는 연구를 수행한다.
앞에서는 한 센서노드의 탐지영역을 단일 원 내의 영역으로 보고 이 영역 내부에서 침입자는 확실히 탐지되고, 이 밖에서는 탐지되지 못하는 것을 가정하였다. 하지만 센서노드의 중심에서부터의 거리가 멀어 질수록 탐지확률이 줄어드는 경향이 있는 또 하나의 센서 영역을 가정하는 것이 보다 현실적이다. 이 경우에서도 두 번째 영역 외부에서는 역시 전혀 침입자 탐지가 되지 않는 것이 가정된다. 이러한 확률적 영역을 포함하여 센서패스를 구성, 사용하는 것은 센서 네트워크가 완전한 탐지를 보장하지 않는 경우이거나, 탐지 대상 영역이 넓은 데 반해 센서노드의 비용이 적지 않은 경우가 된다.
여기에서는 확정적 탐지가 가능한 반경과 확률적 반경의 최대치가 주어졌을 때 목적하는 침입 탐지율을 보장하면서 센서 네트워크의 수명을 최대화 할 수 있도록 확률적 탐지 반경과 한 시점에 동작해야 하는 센서 패스의 수를 정하는 문제를 다룬다.