무선 센서 네트워크에서 센서 노드는 제한된 자원과 센싱 능력을 가지고 있으며 분산된 환경에서 동작한다. 특히 적은 에너지 자원을 가지고 있으며, 한 번 살포된 후에는 사용자의 접근이 제한되며 배터리를 교체할 수 없다. 에너지 소비를 최소화하여 전체 센서 네트워크의 수명을 최대화하는 것은 중요한 이슈 중 하나이다. LEACH에서는 현재 에너지 량을 고려하지 않고 확률적으로 클러스터 헤드를 선택한다. 본 논문에서는 평균 에너지 레벨보다 센서 노드의 에너지 레벨이 높을 경우, 클러스터 헤드로 선출될 자격을 부여하는 클러스터 형성 기법을 제안한다. 시뮬레이션을 통해 제안하는 클러스터 형성 기법의 우수성을 검증한다.
무선 센서 네트워크에서 센서 노드는 제한된 자원과 센싱 능력을 가지고 있으며 분산된 환경에서 동작한다. 특히 적은 에너지 자원을 가지고 있으며, 한 번 살포된 후에는 사용자의 접근이 제한되며 배터리를 교체할 수 없다. 에너지 소비를 최소화하여 전체 센서 네트워크의 수명을 최대화하는 것은 중요한 이슈 중 하나이다. LEACH에서는 현재 에너지 량을 고려하지 않고 확률적으로 클러스터 헤드를 선택한다. 본 논문에서는 평균 에너지 레벨보다 센서 노드의 에너지 레벨이 높을 경우, 클러스터 헤드로 선출될 자격을 부여하는 클러스터 형성 기법을 제안한다. 시뮬레이션을 통해 제안하는 클러스터 형성 기법의 우수성을 검증한다.
Sensor nodes in wireless sensor networks operate in distributed environments with limited resources and sensing capabilities. Especially, a sensor node has a small energy. After the sensor nodes are distributed in some area, it is not accessible to the area. AIso, a battery of sensor node cannot cha...
Sensor nodes in wireless sensor networks operate in distributed environments with limited resources and sensing capabilities. Especially, a sensor node has a small energy. After the sensor nodes are distributed in some area, it is not accessible to the area. AIso, a battery of sensor node cannot change. One of the hot issues in wireless sensor networks maximizes the network lifetime through minimizing the energy dissipation of sensor nodes. In LEACH, the cluster head is elected based on a kind of probability method without considering remaining energy of sensor node. In this paper, we propose a cluster formation scheme that the network elect the node, which has higher energy level than average energy level of overall sensor network, as cluster head node. We show the superiority of our scheme through computer simulation.
Sensor nodes in wireless sensor networks operate in distributed environments with limited resources and sensing capabilities. Especially, a sensor node has a small energy. After the sensor nodes are distributed in some area, it is not accessible to the area. AIso, a battery of sensor node cannot change. One of the hot issues in wireless sensor networks maximizes the network lifetime through minimizing the energy dissipation of sensor nodes. In LEACH, the cluster head is elected based on a kind of probability method without considering remaining energy of sensor node. In this paper, we propose a cluster formation scheme that the network elect the node, which has higher energy level than average energy level of overall sensor network, as cluster head node. We show the superiority of our scheme through computer simulation.
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문제 정의
본 논문에서는 센서 노드의 에너지 레벨을 이용하여 평균 에너지 레벨보다 더 많이 에너지를 보유한 센서 노드 중에서 클러스터 헤드를 선택하여 클러스터를 형성하고자 한다. 그렇게 함으로써 적은 에너지를 보유한 센서 노드들이 연속해서 클러스터 헤드로 선택되고 클러스터가 형성되는 것을 방지하여 무선 센서 네트워크의 수명을 연장하고자 한다. 기존의 [2]의 LEACH-C에서는 GPS 수신기가 각 센서 노드에 장착되어 있는 것을 가정하였으나 본 논문에서는 그런 가정이 필요 없다.
본 논문에서는 센서 노드에 남은 에너지 레벨을 고려한 클러스터 형성 기법을 제안한다. 모든 센서 노드에게 균등하게 에너지를 소비하게 하여 죽는 노드 수를 줄임으로써 무선 센서 네트워크의 수명을 연장하고자 한다.
본 논문에서는 센서 노드에 남은 에너지 레벨을 고려한 클러스터 형성 기법을 제안한다. 모든 센서 노드에게 균등하게 에너지를 소비하게 하여 죽는 노드 수를 줄임으로써 무선 센서 네트워크의 수명을 연장하고자 한다.
본 논문에서는 센서 노드의 에너지 레벨을 이용하여 평균 에너지 레벨보다 더 많이 에너지를 보유한 센서 노드 중에서 클러스터 헤드를 선택하여 클러스터를 형성하고자 한다. 그렇게 함으로써 적은 에너지를 보유한 센서 노드들이 연속해서 클러스터 헤드로 선택되고 클러스터가 형성되는 것을 방지하여 무선 센서 네트워크의 수명을 연장하고자 한다.
본 논문에서는 센서 노드의 에너지 소비를 균등하게하고, 에너지가 적게 남은 센서 노드가 연속하여 클러스터 헤드로 선택되어 클러스터가 형성되는 것을 방지하기 위하여 센서 노드의 잔여 에너지 레벨을 고려한 클러스터 형성 기법을 제안하였다. BS는 클러스터 헤드로부터 받은 센싱 정보와 에너지 레벨의 합, 그리고 멤버 노드의 수를 취합한 후 평균 에너지 레벨을 모든 노드에게 브로드캐스트한다.
가설 설정
노드는 이동하지 않고 고정되어 있다고 가정하였으며, 20 초마다 한 번씩 클러스터를 재구성하도록 하였다.
제안 방법
본 논문에서는 프로토콜은 이 부분이 기존의 프로토콜과 다른 점이다. 본 논문에서는 CH는 멤버노드 수와 멤버 노드의 에너지 레벨의 합을 수집한 데이터와 함께 BS에 전송한다. 이 메시지를 각 CH로부터 수신한 BS는 에너지 레벨과 멤버 노드들의 수를 이용하여 평균 에너지 레벨을 계산한다.
Ci (t)의 값이 ‘0’인 센서 노드는 클러스터 헤드 노드가 될 자격이 없다. 본 논문에서는 에너지 레벨을 이용하여 클러스터를 형성하기 때문에 수식(1)에서 Ci (t)는 이용하지 않고, Pi (t) = k/ {N - k(rmodN/k) }만을 Ⅲ-2절의 제안하는 기법에서 이용한다.
또한 LEACH-C에서는 각각의 센서 노드의 현재 위치값과 에너지 레벨, 노드 ID 쌍(pair)을 노드가 베이스 스테이션에 직접 전송하도록 하여 에너지를 효율적으로 소비하지 못하였다. 본 논문의 클러스터 형성 기법에서는 클러스터 헤드가 멤버 노드로부터 받은 현재 에너지 레벨의 합과 수신한 데이터 신호 수를 바탕으로 멤버 노드의 수만을 베이스 스테이션에 보내어 오버헤드를 줄였다. 모든 노드는 베이스 스테이션으로부터 받은 평균 에너지 레벨을 이용하여 클러스터 헤드를 선택하여, 확률적으로 클러스터 헤드를 선택하여 클러스터링하는 것보다 무선 센서 네트워크의 동작 시간을 향상시킨다.
BS는 클러스터 헤드로부터 받은 센싱 정보와 에너지 레벨의 합, 그리고 멤버 노드의 수를 취합한 후 평균 에너지 레벨을 모든 노드에게 브로드캐스트한다. 이를 수신한 센서 노드는 자신의 에너지 레벨이 평균 에너지 량보다 높고, 랜덤 수보다 Pi(t)가 클 경우 클러스터 헤드로 선출하여 클러스터를 형성하는 기법을 제안하였다. 확률에만 의존해 에너지 레벨이 낮은 센서 노드가 클러스터 헤드가 되지 않도록 하는 기법이다.
이번 장에서는 본 논문에서 제안하는 기법과 LEACH에서의 기법을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 그 성능을 평가하고자 한다. [2]에서 사용한 라디오 모델을 그대로 사용한다.
하지만, 멤버 노드의 현재 에너지 레벨을 센싱 데이터와 함께 CH에 전송해야 하는 것과 CH도 멤버 노드의 전체 에너지 레벨의 합과 멤버 노드 수를 BS에 전송해야 하는 오버헤드는 존재한다. 하지만, 본 논문의 기법은 현재의 에너지 레벨을 고려하여 CH를 선출하기 때문에 특정 센서 노드가 연속해서 CH로 선출되지 않을 뿐 아니라 에너지 레벨이 낮은 센서 노드를 CH로 선출하여 불공평하게 에너지를 소비하지 않도록 하였다.
대상 데이터
(x=0, y=0) ×(x=100, y=100) 크기의 네트워크에 총 100개의 센서 노드를 분산 배치하였다.
베이스 스테이션은 (x=50, y=175)에 위치시켰다. NS-2[4] 버전 2.27에서 모의 실험을 진행하였다. 목표하는 클러스터의 개수 k는 5, 무선 센서 노드의 초기 에너지 량은 2J/node로 설정하였다.
데이터처리
본 논문에서는 CH는 멤버노드 수와 멤버 노드의 에너지 레벨의 합을 수집한 데이터와 함께 BS에 전송한다. 이 메시지를 각 CH로부터 수신한 BS는 에너지 레벨과 멤버 노드들의 수를 이용하여 평균 에너지 레벨을 계산한다. 계산된 평균 에너지 레벨은 센서 노드들에게 브로드캐스트 한다.
성능/효과
확률에만 의존해 에너지 레벨이 낮은 센서 노드가 클러스터 헤드가 되지 않도록 하는 기법이다. NS-2를 이용하여 시뮬레이션한 결과, 기존 알고리즘보다 더 오랜 시간 동안 네트워크가 생존하는 것을 확인하였다.
그림에서 보는 바와 같이 평균 에너지 레벨보다 더 많은 에너지 레벨을 가진 센서 노드를 CH의 후보군으로 포함시켜 그 중 CH를 선출하여 클러스터를 형성한다. 본 논문의 제안하는 기법이 더 오랫동안 노드가 생존하며, 따라서 기존 알고리즘보다 더 오랜 시간 동안 네트워크가 동작함을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
클러스터는 무엇으로 구성되는가?
무선 센서 네트워크에서 데이터 수집을 위해서는 효율적인 네트워크 구성이 필요하며, 노드들은 클러스터로 불리는 작은 그룹으로 나눠진다. 각 클러스터는 클러스터 헤드와 멤버 노드들로 구성된다[2]. 멤버 노드는 데이터를 수집하여 클러스터 헤드 노드에게 전송하며, 이것을 수신한 클러스터 헤드는 베이스 스테이션에 전송한다.
클러스터 기반 라우팅 프로토콜은 어떤 단계로 나누어져 있는가?
프로토콜은 모두 3단계로 나누어져 있다. 셋업단계(set-up phase)와 스케줄 생성 단계 그리고, 데이터 전송 단계로 나뉘어져 있다.
무선 센서 네트워크는 어떤 특성을 가지고 있는가?
최근 무선통신 기술, 센서 및 MEMS(Micro Elector Mechanical Systems) 기술, 저 전력 RF 설계 기술의 발달로 무선 센서 네트워크가 등장하고 있다[1]. 무선 센서 네트워크는 ad hoc 네트워크와 달리 제한된 자원을 가지고 있으며, 한 번 배치된 후에는 접근이 불가능한 특성을 가지고 있다. 재난 지역의 모니터링, 군사적 목적으로 이용될 수 있지만, 메모리, 프로세서, 배터리 등 자원이 한정되어 있다.
참고문헌 (8)
I, A Akyildiz, W. Su, Y. S. Subramaniam, and E. Cayirci, "A Survey on Sensor Networks", IEEE Commun. Mag., vol. 40, no. 8, pp. 102-114, Aug. 2002
장경수 외 2인, "WSN에서 네트워크 수명 연장을 위한 클러스터 헤드 선출 알고리즘", 한국인터넷방송통신TV학회 추계학술대회논문집, 한성대학교, pp. 31-34, 2009년 12월
Hyung Su Lee, Kyung Tae Kim, and Young Youn, "A New Cluster Head Selection Scheme for Long Lifetime of Wireless Sensor Networks", LNCS 3983, pp.519-528, 2006
이상훈, 석정봉, "무선센서 네트워크를 위한 LEACH 프로토콜의 에너지 효율 향상 방안", 한국통신학회논문지, Vol. 33, No. 2, pp. 76-81, 2008.
Ossama Younis et al, "Node Clustering in Wireless Sensor Networks: Recent Developments and Deployment Chalenges", IEEE Network, pp. 20-25, May/June 2006
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