무선 센서 네트워크는 특정 지역의 센서 정보를 센서 노드를 통해 수집하는 네트워크이다. 지역 내 센서 노드의 측정된 데이터는 데이터를 수집, 처리하여 사용자에게 전달하는 싱크 노드로 전송된다. 하지만, 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드의 제한된 능력 때문에 센서 노드의 저전력 동작 기법이 필요하다. 센서 네트워크에서 노드들은 주위 노드가 유사한 데이터를 측정한다는 특성을 갖기 때문에 클러스터를 형성하여 클러스터 헤드로 데이터를 전송하는 클러스터링 기법이 저전력 동작 기법에 효과적으로 사용될 수 있다. 다중 흡 기반의 클러스터링 형성 기법에서 클러스터 내 멤버 노드의 개수는 균형적인 클러스터 형성에 영향을 주기 때문에, 클러스터링 기법은 클러스터를 균등하게 분할하는 방법이 필요하다. 이를 위해, 본문은 클러스터 내 적절한 멤버 노드를 설정하여, 에너지 효율적인 센서네트워크 클러스터링 방법을 제안한다.
무선 센서 네트워크는 특정 지역의 센서 정보를 센서 노드를 통해 수집하는 네트워크이다. 지역 내 센서 노드의 측정된 데이터는 데이터를 수집, 처리하여 사용자에게 전달하는 싱크 노드로 전송된다. 하지만, 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드의 제한된 능력 때문에 센서 노드의 저전력 동작 기법이 필요하다. 센서 네트워크에서 노드들은 주위 노드가 유사한 데이터를 측정한다는 특성을 갖기 때문에 클러스터를 형성하여 클러스터 헤드로 데이터를 전송하는 클러스터링 기법이 저전력 동작 기법에 효과적으로 사용될 수 있다. 다중 흡 기반의 클러스터링 형성 기법에서 클러스터 내 멤버 노드의 개수는 균형적인 클러스터 형성에 영향을 주기 때문에, 클러스터링 기법은 클러스터를 균등하게 분할하는 방법이 필요하다. 이를 위해, 본문은 클러스터 내 적절한 멤버 노드를 설정하여, 에너지 효율적인 센서네트워크 클러스터링 방법을 제안한다.
The goal of wireless sensor networks is to collect sensing data on specific region over wireless communication. Sink node gathers all local sensing data, processes and transmits them to users who use sensor networks. Generally, senor nodes are low-cost, low power devices with limited sensing, comput...
The goal of wireless sensor networks is to collect sensing data on specific region over wireless communication. Sink node gathers all local sensing data, processes and transmits them to users who use sensor networks. Generally, senor nodes are low-cost, low power devices with limited sensing, computation and wireless communication capabilities. And sensor network applies to multi-hop communication on large-scale network. As neighboring sensor nodes have similar data, clustering is more effective technique for 'data-aggregation'. In cluster formation technique based on multi-hop, it is necessary that the number of cluster member nodes should be distributed equally because of the balance of cluster formation To achieve this, we propose a method to customize cluster member nodes for energy-efficiency in wireless sensor networks.
The goal of wireless sensor networks is to collect sensing data on specific region over wireless communication. Sink node gathers all local sensing data, processes and transmits them to users who use sensor networks. Generally, senor nodes are low-cost, low power devices with limited sensing, computation and wireless communication capabilities. And sensor network applies to multi-hop communication on large-scale network. As neighboring sensor nodes have similar data, clustering is more effective technique for 'data-aggregation'. In cluster formation technique based on multi-hop, it is necessary that the number of cluster member nodes should be distributed equally because of the balance of cluster formation To achieve this, we propose a method to customize cluster member nodes for energy-efficiency in wireless sensor networks.
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문제 정의
따라서 적정한 멤버 노드 설정을 위해서는 로컬 클러스터의 적정 멤버 노드 개수(Nopt)의 허용 범위를 증가시키면서 로컬 클러스터가 서로 간에 균형을 이루는지 알아낼 필요성이 있다. 따라서 본 논문은 Nopt의 허용 범위를 증가시키면서 어떠한 상태 일 때, 로컬 클러스터가 가장 에너지 효율적인 멤버 노드의 개수를 가질 수 있는지 알아본다.
본 논문은 무선 센서 네트워크에서 클러스터 균등 분할을 위해 적정한 클러스터 멤버 개수에 관해 실험 및 결과를 도출하였다. 이를 위해 로컬 클러스터 내 멤버 노드 개수의 표준편차 값을 사용하여 기존의 클러스터링 방법과 비교하여 적절한 클러스터 멤버 노드의 개수를 파악할 수 있었다.
또한, 클러스터 내 멤버 노드 수는 클러스터 헤드 및 로컬 클러스터에서 소모하는 에너지에 영향을 미치기 때문에 멤버 노드의 비율을 어떻게 조절하는 가가 전체 네트워크의 에너지 변화에 영향을 미칠 수 있다. 이에 본 논문은 로컬 클러스터 간의 영향을 적게 줄 수 있는 적절한 멤버 노드를 설정함으로써, 센서 네트워크에서의 에너지 효율적인 클러스터를 이룰 수 있는 방법을 제안한다.
가설 설정
(2) 수식에서, p는 클러스터 헤드가 될 확률이다. 클러스터 헤드는 p의 확률로 그리고 클러스터 내에 클러스터 헤드를 제외한 나머지 노드는 (1-p)의 확률로 에너지 소모를 한다.
센서 네트워크에서 1 byte를 전송하는데 걸리는 시간을 T라고 가정한다. 그러면 Intra 단계(클러스터 내 통신)의 시간을 Tintra라고 가정 하고, Extra 단계(클러스터 외 통신)의 시간을 Textra라고 가정 한다. 에서 T를 나눈값은 클러스터 내 전체 데이터 전송량이 된다.
우선, 전체 네트워크의 크기는 100m x 100m로 구성한다. 노드의 통신 범위는 10m로 한정되어 있다고 가정한다. 또한, 노드는 네트워크에 균등하고 일정한 간격, 즉, 5m, 을 이룬다.
전체 노드가 300개이기 때문에 그 중 5%인 15개의 노드가 클러스터 헤드로 선출한다. 따라서 (N/CHnum-1) 만큼의 적정한 멤버 노드가 될 수 있도록 가정한다. 이러한 네트워크 환경에 적정한 멤버 노드 수의 범위를 5%부터 100%까지 증감하면서 규정하였을 때, 형성된 클러스터가 에너지 효율적인지를 판단하는 실험을 한다.
[그림 3-(a)]과 같이, 초기의 센서 네트워크가 10x10 그리드 형태로 균등하게 노드가 형성되어 있고(100개의 노드), 전체의 5%인 클러스터 헤드가 형성되어 있다. 또한, 각 노드의 클러스터 헤드는 임의로 5개(A,B,C,D,E)가 선정된다고 가정한다. ACHS의 방법으로 클러스터를 재구성하게 되면, [그림 3-(b)]와 같이 새로운 클러스터를 구성할 수 있다.
클러스터 내에 있는 노드들의 개수를 N이라 정의하면 멤버 노드의 개수는 (N-1)개가 된다. 센서 네트워크에서 1 byte를 전송하는데 걸리는 시간을 T라고 가정한다. 그러면 Intra 단계(클러스터 내 통신)의 시간을 Tintra라고 가정 하고, Extra 단계(클러스터 외 통신)의 시간을 Textra라고 가정 한다.
센서 노드의 라디오에 의한 에너지 모델은 노드가 성공적인 전송을 위해서 요구되는 최소한의 레벨을 유지할 수 있다고 가정한다. 센서 노드의 전송과 수신은 에너지 소모가 각각 다른 특징들을 갖는다.
센서 노드의 전송과 수신은 에너지 소모가 각각 다른 특징들을 갖는다. 송신기 혹은 수신기 에서 소모되는 에너지는 Eelec J/bit로 가정하고, 신호대 잡음비에 도달하는 송신기 증폭기(transmitter amplifier)의 에너지는 Eamp J/bit로 가정한다. 이러한 라디오 모델을 사용하여 거리 d(meter)에 k(bit)의 메시지를 보내기 위해서는 다음과 같은 수식이 요구된다[10]
이는 로컬 클러스터 A를 제외한 나머지 클러스터들은 이전의 방법 보다 불균등한 클러스터 형성을 보임을 알 수 있다. 즉, 적정 노드의 개수, Nopt = N / CHnum-1, 19개로 가정하였기 때문에. 클러스터 재분배 전보다 더 불균형을 형성함을 알 수 있다.
제안 방법
네트워크 설정을 통해 적정 노드 개수를 Nopt를 기반으로 적정 노드 개수를 허용할 수 있는 노드 개수를 늘림으로써 클러스터 당 적정 노드 개수와 소유하는 멤버 노드의 개수를 비교하였다. 이를 위해, 적정 멤버 노드 Nopt에 0%에서 100%까지의 범위를 5%씩 증가하여 로컬 클러스터 당 멤버 노드의 표준편차를 구하는 실험을 하였다.
수식을 통해 로컬 클러스터에서 발생하는 패킷의 수를 알아내기 위해서 우선 클러스터 헤드와 멤버 노드 그리고 클러스터 헤드와 싱크 노드간의 홉수를 알아야 한다. 따라서 이를 위해 본 논문은 간단한 네트워크 토폴로지를 구성한다. 우선, 전체 네트워크의 크기는 100m x 100m로 구성한다.
LEACH는 우선 클러스터 헤드를 싱크노드로부터 지정받는다. 선정된 클러스터 헤드는 클러스터 멤버 노드들로부터 로컬 지역의 감지 정보를 수집하고, 데이터를 취합 및 처리하여 싱크노드로 데이터를 전달한다. LEACH의 특징은 네트워크에 있는 모든 센서 노드들에게 에너지 소비를 공정하게 분산시키기 위해, 에너지 집약적인 기능을 하는 클러스터 헤드를 무작위로 순환시켜, 전체 네트워크의 에너지 소모를 줄이기 위해 노드를 지역적으로 관리하는 클러스터링 기법을 사용한다.
따라서 (N/CHnum-1) 만큼의 적정한 멤버 노드가 될 수 있도록 가정한다. 이러한 네트워크 환경에 적정한 멤버 노드 수의 범위를 5%부터 100%까지 증감하면서 규정하였을 때, 형성된 클러스터가 에너지 효율적인지를 판단하는 실험을 한다.
본 논문은 무선 센서 네트워크에서 클러스터 균등 분할을 위해 적정한 클러스터 멤버 개수에 관해 실험 및 결과를 도출하였다. 이를 위해 로컬 클러스터 내 멤버 노드 개수의 표준편차 값을 사용하여 기존의 클러스터링 방법과 비교하여 적절한 클러스터 멤버 노드의 개수를 파악할 수 있었다. 그 결과로 적정 멤버 노드 개수의 25%안으로 허용 범위를 설정한다면, 보다 균등한 클러스터를 형성 할 수 있었다.
를 기반으로 적정 노드 개수를 허용할 수 있는 노드 개수를 늘림으로써 클러스터 당 적정 노드 개수와 소유하는 멤버 노드의 개수를 비교하였다. 이를 위해, 적정 멤버 노드 Nopt에 0%에서 100%까지의 범위를 5%씩 증가하여 로컬 클러스터 당 멤버 노드의 표준편차를 구하는 실험을 하였다. 각 클러스터 헤드는 기존의 클러스터 헤드 선정 방식에 따라 LEACH와 ACHS의 방식과 제안하는 클러스터 적정 노드개수 허용방법에 의해 비교하였다.
대상 데이터
따라서 네트워크는 20x20 그리드 형태로 분포한다. 고립 노드를 방지하기 위해 300개의 노드를 분포한다. 전체 노드가 300개이기 때문에 그 중 5%인 15개의 노드가 클러스터 헤드로 선출한다.
고립 노드를 방지하기 위해 300개의 노드를 분포한다. 전체 노드가 300개이기 때문에 그 중 5%인 15개의 노드가 클러스터 헤드로 선출한다. 따라서 (N/CHnum-1) 만큼의 적정한 멤버 노드가 될 수 있도록 가정한다.
데이터처리
이를 위해, 적정 멤버 노드 Nopt에 0%에서 100%까지의 범위를 5%씩 증가하여 로컬 클러스터 당 멤버 노드의 표준편차를 구하는 실험을 하였다. 각 클러스터 헤드는 기존의 클러스터 헤드 선정 방식에 따라 LEACH와 ACHS의 방식과 제안하는 클러스터 적정 노드개수 허용방법에 의해 비교하였다. [그림 4]에서와 같이, LEACH와 ACHS는 로컬 클러스터가 적정 노드 수 19개의 표준편차가 약 10.
이론/모형
센서 노드의 제한된 무선 통신 범위 때문에 자신의 통신 범위 밖에 있는 노드와 통신하기 위해서 다중 홉(multi-hop) 방식을 이용하는 것이 알맞다[6]. 따라서 센서 네트워크의 클러스터링 기법은 선택된 클러스터 헤드에 의해 로컬 클러스터를 형성하는데 있어 다중 홉 기법을 이용한다. 각 로컬 클러스터가 가지는 멤버 노드의 수는 클러스터 헤드의 개수와 뿌려진 노드의 수에 달라진다.
성능/효과
이를 위해 로컬 클러스터 내 멤버 노드 개수의 표준편차 값을 사용하여 기존의 클러스터링 방법과 비교하여 적절한 클러스터 멤버 노드의 개수를 파악할 수 있었다. 그 결과로 적정 멤버 노드 개수의 25%안으로 허용 범위를 설정한다면, 보다 균등한 클러스터를 형성 할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선 센서 네트워크는 무엇인가?
무선 센서 네트워크는 센서 노드로부터 센서 정보를 무선 네트워크를 통해 수집하는 자가 구성적인 네트워크를 말한다. 센서 네트워크를 구성하는 각 노드는 주변 환경의 변화를 탐지 하는 있는 센서, 수집된 데이터를 가공 및 처리 할 수 있는 프로세서, 그리고 가공된 데이터를 전송할 수 있는 무선 송수신기로 이루어진다.
무선 센서 네트워크는 무엇으로 나뉘는가?
센서 네트워크를 구성하는 각 노드는 주변 환경의 변화를 탐지 하는 있는 센서, 수집된 데이터를 가공 및 처리 할 수 있는 프로세서, 그리고 가공된 데이터를 전송할 수 있는 무선 송수신기로 이루어진다. 무선 센서 네트워크는 네트워크에서의 역할에 따라 두 가지 노드, 즉, 센서 노드(Sensor node)와 싱크 노드(Sink node) 로 나뉜다. 센서 노드는 주변 환경 정보를 수집하고, 가공하여 싱크 노드로 전송하는 역할을 수행하고, 싱크 노드는 센서 노드로부터 정보를 수집하고, 외부 네트워크로 데이터를 전송하는 게이트웨이 역할을 수행한다[1].
센서 네트워크의 통신 기법은 네트워크 토폴로지를 어떻게 형성하는가에 따라 어떤 방법으로 나뉠 수 있는가?
센서 네트워크의 통신 기법은 네트워크 토폴로지를 어떻게 형성하는 가에 따라 두 가지 방법으로 나뉠 수 있다. 먼저, 네트워크 전체를 하나의 영역으로 간주하여 모든 노드들이 동등하게 라우팅에 참여할 수 있는 평면 라우팅 기법이 있다. 다음으로, 특정 지역을 하나의 로컬 영역이 아닌 클러스터(Cluster) 단위로 세분화하여 지역적인 라우팅을 수행하는 계층적 라우팅 기법이 있다. 일반적으로 센서 노드가 유사한 데이터를 감지하고, 유사한 데이터를 중복 전달하는 특징을 갖기 때문에 데이터 중복 방지기능을 하는 계층적 라우팅 기법이 센서 네트워크에서 보다 효율적인 라우팅 기법이 될 수 있다[5]
참고문헌 (10)
an F. Akyildiz, Weilian Su, Yogesh SanKarasubrarnaniam, and Erdal Cayirci, "A survey on Sensor Networks, "IEEE Communications Magazine, vol.40, No.8, pp.102-114, August 2002.
Akyildiz, I.F., W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci, "A Survey on Sensor Networks", IEEE Communication Magazine, pp. 102-114 August 2002.
M. Tubaishat, S. Madria, "Sensor Networks : An Overview," IEEE Potencials, April/May 2003.
A Wadaa, S. Olariu, L. Wilson, K. Jones, Q. Xu, "On Training a Sensor Network", Proceedings of the International Parallel and Distributed Processing Symposium(IPDPS'03), IEEE, 2003.
J.N. Al-Karaki, A.E. Kamal, "Routing Techniques in Wireless Sensor Networks: A Survey," IEEE Wireless Communications, Vol.11, No. 6, Dec. 2004, pp. 6-28.
S. Toumpis, A.J. Goldsmith, "Capacity regions for Wireless ad hoc networks", Wireless Communications, IEEE Transactions on Volume 2, Issue 4, Jul 2003 Page(s): 736-748
Wendy Rabiner Heinzelman, Anantha Chandrakasan, and Hari Balakrishnan, "Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks", Proceedings of the Hawaii International Conference on System Sciences, January 2000.
Choon-Sung Nam, Hee-Jin Jeong and Dong-Ryeol Shin, "The Adaptive Cluster Head Selection in Wireless Sensor Networks", IEEE International Workshop on Semantic Computing and Applications, pp. 147-149, 200
Choon-Sung Nam, Yong-Ki Ku, Jong-Wan Yoon and Dong-Ryeol Shin, "Cluster Head Selection for Equal Cluster Size in Wireless Sensor Networks", International Conference on New Trends in Information and Service Science, June 2009
Wendy Rabiner Heinzelrnan, Anantha Chandrakasan, and Hari Balakrislman, "Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks", Proceedings of the Hawaii International Conference on System Sciences, January 2000.
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