[논문]무선 센서 네트워크에서 Directed Diffusion을 이용한 신뢰성 있는 데이터 전달 기법

최재원; 이광휘

무선 센서 네트워크에서 Directed Diffusion을 이용한 신뢰성 있는 데이터 전달 기법
A Reliable Data Transfer Mechanism Using Directed Diffusion in Wireless Sensor Networks 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. TC, 통신, v.43 no.8 = no.350, 2006년, pp.77 - 83

초록
AI-Helper

본 논문에서는 무선 센서 네트워크에서 Directed Diffusion을 이용하여 데이터를 신뢰성 있게 전달하는 기법을 제안하였다. 각각의 노드는 자신의 이웃에 대한 정보만을 유지하고 있으나 Interest의 전파 과정을 이용하여 종단간의 전달 신뢰성을 계산함으로써 도달가능성이 높은 경로를 선택하여 전송하는 메커니즘이다. 링크의 에러율과 노드의 개수 변화에 따른 실험을 통하여 제안 방식이 데이터 전달 신뢰성을 향상시킨다는 사실을 확인하였다. 또한, 부가적인 효과로서 트래픽 부하가 분산되고 에너지 소비가 감소되어 네트워크 수명이 연장됨을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we have pesented a reliable data transfer mechanism using Directed Diffusion in WSNs (fireless Sensor Networks). This mechanism involves selecting a route with higher reachability and transferring data along the route chosen, which is based on the end-to-end reliability calculated by the dissemination procedure of Interest packets, while each node of a sensor network maintains the only information on its neighborhood. We performed various experiments changing the link error rates and the number of nodes and discovered that this proposed mechanism improves event-to-sink data transfer reliability in WSNs. We also found that this mechanism spreads traffic load over and reduces energy consumption, which in turn prolongs network lifetime.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이것은 군사 및 환경 감시와 같은 응용에서 신뢰성에 민감한 데이터에 대하여 도달 가능성을 높이기 위함이다. 또한, 오류가 심한 무선 링크에서 재전송으로 인한 에너지 소비를 방지하는 것이다. 데이터 전달 신뢰성에 대한 기존의 많은 연구들은 ACK/因ACK에 기반하거나 지역적 추정 확률값에 따라 경로를 설정한다'JU 전자의 경우는 전송 오류 시에 데이터를 다시 전송하는 기법으로서 재전송으로 인하여 추가적인 에너지가 소비된다.
본 논문에서는 무선 센서 네트워크에서 데이터 중심적 라우팅 기법 중의 하나인 One-Phase Pull Diffusion 을 이용하여 신뢰성 있게 데이터를 전달하는 알고리즘을 제안하였다. 본 메커니즘은 1홉의 이웃 정보를 이용하여 종단 간의 전달 신뢰성을 계산하였으며, 필요에 따라 다중의 경로를 선택하는 것도 가능하다.
선택하여 데이터를 전송하는 기법이다. 본 장에서는 다양한 실험 및 결과를 통하여 제안 기법의 우수성을 보이고자 한다.
본 절에서는 기존의 방식을 이용한 데이터 전달과 제안 방식을 이용한 데이터 전달 시의 네트워크 수명을 비교해 보고자 한다.

가설 설정

그림 6은 각각의 노드에 일련번호를 부여한 후 10, 000개의 패킷을 전송해 보았을 때 각 노드들이 패킷을 전달한 횟수를 표현한 그래프이다 이때의 실험 네트워크는 10x10개의 노드들로 구성되었으며 모든 링크들의 에러율은 10% 이하에서 랜덤하게 나타나는 것으로 가정하였다. 실험 결과로서 기존의 방식은 패킷 전달 횟수에 대한 표준편차가 1395인 것에 반하여 제안방식의 표준편차는 824로 나타났다.
본 알고리즘을 위하여 각각의 노드는 자신의 잔여 에너지양(时을 알고 있다고 가정한다. 또한, 자신으로부터 이웃한 노드들까지의 링크 에러율(E?)을 알고 있다고 가정한다. 여기서 에러율이란 MAC 계층에서의 패킷 손실률로서 RTS/CTS/DATA/ACK 시퀀스를 통하여 구할 수 있다 關.
무선 센서 네트워크는 특정한 응용을 위한 것으로서 센서 노드들이 데이터를 감지하고 수집하여 싱크 노드로 전송하는 구조이며, 각각의 노드는 여러 개의 작은 장치들로 구성된다S 센서 노드는 일반적으로 악조건의 환경에 조밀하게 배치되며 배터리 전원으로 동작하므로, 배터리는 충전되거나 교체될 수 없다고 가정한다. 이러한 이유로 인하여 무선 센서 네트워크의 모든 프로토콜과 일련의 동작들에는 에너지에 대한 제약이 뒤따른다.
단지, 자신과 이웃하는 노드들에 대한 정보만 유지할 수 있다. 본 알고리즘을 위하여 각각의 노드는 자신의 잔여 에너지양(时을 알고 있다고 가정한다. 또한, 자신으로부터 이웃한 노드들까지의 링크 에러율(E?)을 알고 있다고 가정한다.

제안 방법

Interest 패킷이 가장 먼저 도착하는 경로를 선택하는 지연시간 기반의 기존 알고리즘과 전달 신뢰성이 높은 경로를 선택하는 제안 알고리즘을 비교하였다.
후자의 경우는 불확실성으로 인하여 백 프레셔 (back pressure)를 야기할 수 있으므로, 이 방식 또한 신호 및 데이터 재전송으로 불필요한 에너지가 낭비된다. 본 논문에서 제안하는 메커니즘은 지역 정보를 이용하여 종단 간(event-to-sink) 의전 달 신뢰성을 향상시키는 기법이다. 즉, 이웃 노드에 대한 링크 에러율을 이용하여 싱크 노드까지의 신뢰성 값을 반복적으로 계산한 값을 Interest에 포함시켜.
본 논문에서 제안하는 신뢰성 있는 데이터 전달 기법은 Directed Diffusion의 Interest 패킷 전파에 기반을 둔다. 따라서 본 장에서는 Directed Diffusion의 개념과 동작 방식에 대하여 먼저 소개하고자 한다.
본 논문에서 제안하는 알고리즘은 기존의 One-Phase Pull Division처럼 단순하게 지연시간이 짧은 경로를 선택하는 것이 아니라, 좀 더 전달 신뢰성이 높은 경로를 선택하여 데이터를 전송하는 기법이다. 본 장에서는 다양한 실험 및 결과를 통하여 제안 기법의 우수성을 보이고자 한다.
하지만, 이 방식은 링크가 대칭적이라는 가정이 필요하다. 본 논문에서는 제안하는 알고리즘은 One-Phase Pull Diffusion을 이용한 신뢰성 있는 데이터 전달 기법이다. One-Phase Pull Difftisione 플러딩을 줄일 수 있고 강화 과정이 필요 없으므로, 좀 더 신속하게 경로를 설정하고 데이터를 전달할 수 있기 때문에 QoS 요구를 만족시키기에 적합하다.
제안하였다. 본 메커니즘은 1홉의 이웃 정보를 이용하여 종단 간의 전달 신뢰성을 계산하였으며, 필요에 따라 다중의 경로를 선택하는 것도 가능하다. 즉, 이웃 노드에 대한 에러율만을 이용하여 싱크 노드까지의 신뢰성 값을 반복적으로 계산한 값을 Interest에 포함 시켜 전파함으로써 경사를 설정하였다.
본 장에서는 One-Phase Pull Diffusion을 이용한 신뢰성 있는 데이터 전달 메커니즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 싱크 노드 방향으로 데이터를 전송할 때 신뢰성 값을 이용하여 전달 확률이 높은 경로를 선택하는 기법이다.
선택하였다. 실험에 사용된 파라미터는 표 1과 같으며, 여기에 표시되지 않은 항목들은 필요에 따라 값을 변경하면서 각각의 실험에 적용하였다.
실험은 Directed Diffusion의 데이터 전파 메커니즘을 프로그래밍으로 직접 구현하여 실행하였다. 그림 1에서 설명한 기본적인 동작 과정을 모두 구현하고 본 논문에서 제안하는 알고리즘을 Interest 전파 및 경사 설정 과정에 추가하였다.
제안하는 알고리즘은 싱크 노드 방향으로 데이터를 전송할 때 신뢰성 값을 이용하여 전달 확률이 높은 경로를 선택하는 기법이다. 그림 2를 예로 들어 설명하고자 한다.
본 논문에서 제안하는 메커니즘은 지역 정보를 이용하여 종단 간(event-to-sink) 의전 달 신뢰성을 향상시키는 기법이다. 즉, 이웃 노드에 대한 링크 에러율을 이용하여 싱크 노드까지의 신뢰성 값을 반복적으로 계산한 값을 Interest에 포함시켜. 전파함으로써 경사(gradients)를 설정하는 방법이다.
본 메커니즘은 1홉의 이웃 정보를 이용하여 종단 간의 전달 신뢰성을 계산하였으며, 필요에 따라 다중의 경로를 선택하는 것도 가능하다. 즉, 이웃 노드에 대한 에러율만을 이용하여 싱크 노드까지의 신뢰성 값을 반복적으로 계산한 값을 Interest에 포함 시켜 전파함으로써 경사를 설정하였다. 이렇게 함으로써 설정된 경사는 특정 노드에서 싱크 노드까지의 신뢰성 정보를 유지하게 되어, 결국 이러한 방법으로 소스 노드에서 싱크 노드까지 신뢰성이 높은 경로를 선택하여 데이터를 전달할 수 있었다.

데이터처리

기존의 방식과 제안하는 방식에 대하여 트래픽 분산을 비교하였다. 트래픽 분산은 에너지 소비가 특정한 노드에 국한되는 것을 방지함으로써 네트워크 전체의 수명 연장에 기여한다.

성능/효과

그림 7과 8을 통한 실험 결과에서 알 수 있듯이 제안기법이 더 많은 흡수를 이용하지만 노드의 개수나 에러율에 의존하지 않고 일정한 값을 유지하며, 이를 그림 6을 통하여 분석해 보면 트래픽 분산 효과로 나타났다는 사실을 확인할 수 있다.
따라서 패킷 손실 확률을 줄임으로써 재전송 횟수를 낮추는 효과를 기대할 수 있으며, 이는 개별 노드의 에너지 효율을 향상시킨다. 또한, 신뢰성이 높은 경로를 선택하는 과정에서 수반되는 트래픽 분산 효과에 의하여 네트워크의 수명이 연장된다는 사실을 확인하였다.
모든 에러율 상태에서 제안 방식은 기존의 방식에 비하여 더 많은 홉을 거쳐서 데이터를 전달하지만 에러율에 독립적이며 일정한 값을 유지한다는 것을 알 수 있다.
가정하였다. 실험 결과로서 기존의 방식은 패킷 전달 횟수에 대한 표준편차가 1395인 것에 반하여 제안방식의 표준편차는 824로 나타났다. 또한, 그림 6을 통하여 기존 방식의 그래프보다 제안 방식의 그래프가 더욱 평평하다는 것을 알 수 있다.
실험을 통하여 기존의 방식에 비하여 전달 신뢰성이 향상됨을 확인할 수 있었다. 또한, 트래픽 부하가 분산되고 에너지 소비가 감소하여 네트워크의 수명。] '연장된다는 사실을 알 수 있었다.
이상의 결과에서 보듯이, Directed Diffusion에서 제안 알고리즘을 이용하여 데이터를 전송하면 기존의 방식에 비하여 전달 신뢰성이 향상됨을 알 수 있다. 이는 기존의 방식이 짧은 지연시간을 가진 경로를 선택하는데 반하여, 제안 방식은 링크들에 대한 에러율을 기반으로 패킷 손실 확률이 가장 낮은 경로를 선택하여 전송함으로써 종단 간의 도달 가능성이 높아지는 것으로 분석된다.
정한 값을 나타내었고, 이는 노드가 많아지더라도 홉수가 크게 증가하지 않음을 의미한다.
그래프는 100 번의 실험 결과에 대한 평균값을 표현한'것으로서 그림 4와 마찬가지로 에러율이 커질수록 전달 신뢰성은 감소한다. 하지만, 제안 알고리즘은 기존의 방식보다 항상 높은 신뢰성을 4 타내었으며, 감소하는 비율도 상대적으로 낮았다.
그래프는 100번의 실험 결과에 대한 평균값을 표현한 것으로서 네트워크를 구성하는 노드의 개수가 많아질수록 종단 간의 전달 신뢰성은 감소한다. 하지만, 제안 알고리즘은 기존의 방식에 비하여 감소하는 폭이 상대적으로 작았고 항상 높은 신뢰성을 나타내었다.

후속연구

또한, 트래픽 부하가 분산되고 에너지 소비가 감소하여 네트워크의 수명。] '연장된다는 사실을 알 수 있었다. 향후에는 전달 신뢰성 이외에 다른 QoS 요구사항들을 적용한 알고리즘을 개발할 필요가 있다.

참고문헌 (11)

Ian F. Akyildiz, Weilian Su, Yogesh Sankarasubramaniam, and Erdal Cayirci, 'A Survey on Sensor Networks,' IEEE Communications Magazine, Vol. 40, No.8, pp. 102-114, Aug. 2002

상세보기
Jamal N. AI-Karaki, Ahmed E. Kamal, 'Routing Techniques in Wireless Sensor Networks: A Survey,' IEEE Wireless Communications, Vol. 11, No.6, pp. 6-28, Dec. 2004

상세보기
Kemal Akkaya, Mohamed Younis, 'A survey on routing protocols for wireless sensor networks,' Ad Hoc Networks, Vol. 3, No.3, pp. 325-349, May 2005

상세보기
Tian He, John A Stankovic, Chenyang Lu, and Tarek Abdelzaher, 'SPEED: A Stateless Protocol. for Real-Time Communication in Sensor Networks,' in Proc. of the 23rd International Conference on Distributed Computing Systems (ICDCS 2003), pp. 46-55, Providence, Rhode Island, USA, May 19-22, 2003
Min Chen, Taekyoung Kwon and Yanghee Choi, 'Energy-efficient differentiated directed diffusion (EDDD) in wireless sensor networks,' Computer Communications, Vol. 29, No.2, pp. 231-245, January 10, 2006

상세보기
Chalermek Intanagonwiwat, Ramesh Govindan, Deborah Estrin, 'Directed Diffusion: A Scalable and Robust Communication Paradigm for Sensor Networks,' in Proc. of the 6th Annual ？International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom 2000, pp. 56-67, Boston, Massachusetts, USA, Aug. 6-11, 2000
Chalermek Intanagonwiwat, Ramesh Govindan, Deborah Estrin, John Heidemann, Fabio Silva, 'Directed Diffusion for Wireless Sensor Networking,' IEEE/ ACM Transactions on Networking (TON), Vol. 11, No.1, pp. 2-16, Feb. 2003

상세보기
Fabio Silva, John Heidemann, Ramesh Govindan, Deborah Estrin, 'Directed Diffusion,' USC/ISI Technical Report ISI-TR-2004-586, Feb. 10, 2004
Fred Stann, John Heidemann, 'RMST: Reliable Data Transport in Sensor Networks,' in Proc. of ？the 1st IEEE International Workshop on Sensor Network Protocols and Applications (SNPA 2003), pp. 102-112, Anchorage, Alaska, USA, May 11, 2003
Emad Felemban, Chang-Gun Lee, Eylem Ekici, Ryan Boder, and Serdar Vural, 'Probabilistic QoS Guarantee in Reliability and Timeliness Domain in Wireless Sensor Networks,' in Proc. of IEEE INFOCOM 2005, Miami, Florida, USA, Mar. 13-17, 2005
Jae-Won Choi, Kwang-Hui Lee, 'A Reliable Transfer Mechanism in Wireless Sensor Networks,' in Proc. of 2005 lEEK ComSoc Summer Conference, Vol. 28, No.1, pp. 305-308, Busan, Korea, June 23-24, 2005

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증