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LEACH와 PEGASIS 기법에 기반한 에너지 효율적 하이브리드 라우팅 규약
An Energy Efficient Hybrid Routing Protocol Based on LEACH and PEGASIS 원문보기

정보처리학회논문지. The KIPS transactions. Part C Part C, v.16C no.5, 2009년, pp.629 - 636  

이영한 (선문대학교 컴퓨터정보학과) ,  이현준 (선문대학교 컴퓨터정보학과) ,  이경오 (선문대학교 컴퓨터공학부)

초록
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무선 센서 네트워크에 사용되는 센서들은 제한된 배터리에 의해서 가동되며 배터리의 수명이 다하면 센서 네트워크가 정상적으로 동작할 수 없으므로 각 센서들의 에너지를 효과적으로 사용하는 라우팅 기법이 사용되어야 한다. 이러한 라우팅 기법 중에 가장 널리 알려진 기법이 LEACH와 PEGASIS 기법이나 LEACH(혹은 LEACH-C) 기법은 헤드 노드의 전력 소모가 심하여 다른 노드보다 먼저 수명을 다하는 단점이 있으며 PEGASIS 기법은 LEACH 기법보다 성능이 우수한 것으로 알려져 있으나 소스 노드에서 싱크노드로 데이터를 전송하기 위해 매우 긴홉을 통과하여 데이터가 전달되기 때문에 전송시간이 길고 싱크 노드에 가까운 노드들의 에너지 소모가 급격하게 진행된다는 단점이 있다. 본 논문에서는 LEACH의 클러스터링 기법과 PEGASIS 기법 체인연결 기법을 혼합하여 사용함으로써 센서네트워크를 보다 오래 사용할 수 있는 하이브리드 기법을 제시하였으며 LEACH-C 기법보다는 33% PEGASIS 기법보다는 18%의 성능의 향상을 가져올 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Since all sensor nodes in wireless sensor networks work by their own embedded batteries, if a node runs out of its battery, the sensor network can not operate normally. In this situation we should employ the routing protocols which can consume the energy of nodes efficiently. Many protocols for ener...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 라우팅 기법은 크게 평면적 라우팅 기법과 계층적 라우팅 기법 그리고 위치기반 라우팅 기법으로 나누어 볼 수가 있다. 그 세 가지 기법들의 특성과 취약점들을 알아보자.
  • 향후 연구과제로서 클러스터를 구성하고 클러스터 헤드를 선출하는 과정에서 몇 개의 후보노드를 선정하는 것이 효율적인가를 연구할 것이다. 노드의 수와 노드가 분포한 영역의 넓이 등 여러 상황에 따라 최적값은 달라질 것으로 예상되며 많은 실험을 통해 이 값의 분포를 구하려고 한다.
  • 본 논문에서는 이러한 LEACH와 PEGASIS 프로토콜이 가지고 있는 취약점들을 해결하고 센서 네트워크상에 존재하는 노드들의 에너지를 보다 효율적으로 사용하게 하여 전체적인 가용 시간을 향상시킬 수 있는 LEACH와 PEGASIS를 혼합한 하이브리드 라우팅 알고리즘을 제안한다.
  • 센서 네트워크에서는 한 개의 노드가 죽기 시작하게 되면 그때부터 네트워크의 수명이 끝난 것이라고 봐야하며 첫 번째 노드가 죽은 후 다른 노드역시 빨리 수명을 다하게 된다. 본 논문에서는 이러한 네트워크상에서 첫 번째로 수명을 다하는 노드의 수명을 연장하는 것을 목표로 새로운 라우팅 기법을 제안한다.
  • 본 논문에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해 PEGASIS와 LEACH-C기법의 유기적으로 결합하여 해결을 시도하였다. 즉 LEACH-C 기법과 마찬가지로 노드들을 클러스터로 구분하고 클러스터 헤드를 선출하여 이 클러스터 헤드가 데이터를 취합하여 전송하게 한다.
  • 위와 같이 기존에 연구된 대표적인 클러스터링 기법 3가지 종류 중에서 본 논문에서는 계층적 라우팅 기법이 현실적으로 타당성이 높다고 판단하고 이를 기반으로 한 새로운 라우팅 기법에 대해서 제안하였다.

가설 설정

  • 3) BS는 모든 노드의 위치정보를 알고 있다.
  • 4) 모든 노드는 이웃노드와 거리를 알고 있다.
  • 5) 모든 노드의 전송거리는 100m로 설정한다.
  • 일반적으로 자동차와 같이 빠른 속도로 움직이는 센서들은 경로의 설정이 매우 빠르게 변경되기 때문에 한정된 배터리를 갖는 센서네트워크에서는 부적합하며 제한된 센서들이 제한된 속도로 움직이는 것을 가정하는 것이 일반적이라 할 수 있다. 따라서 (그림 6)에서는 확률분포함수를 사용 하여 평균적으로 2.5%의 노드가 다음 라운드에서 다른 위치로 이동하였을 때를 가정하여 실험한 결과를 나타내었고, (그림 7)에서는 평균적으로 5%의 노드가 이동하였을 때를 가정하여 실험 결과를 표시하였다. 노드들은 주변노드의 이동을 파악하기 위해 라운드마다 이웃노드의 이동을 파악하는 메시지를 보내게 된다.
  • 첫 번째 실험은 각각의 프로토콜들에서 노드들의 생존율을 비교하는 실험을 하였다. 아래 (그림 6)에서 150개의 노드를 50m * 50m의 실험공간에서부터 200m * 200m의 공간에 이르기까지 공간의 크기를 변화시켜가며 실험을 실시했으며 각 노드들은 초기에 25kJ의 배터리 에너지를 보유하고 있다고 가정하였다. 같은 개수의 노드가 존재하므로 네트워크 공간이 넓어질수록 센서 노드들의 밀도는 줄어들게 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
LEACH 기법은 어떤 단점이 있는가? 계층적 라우팅 기법 중에서 LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) 라우팅 기법[1][13][14]이 대표적이라 할 수 있으며 이의 단점을 보완하기 위해서 제안된 라우팅 기법인 PEGASIS(Power-Efficient GAthering in Sensor Information Systems)[2][12][15]도 상당히 잘 알려져 있다. 그러나 LEACH(혹은 LEACH-C) 기법은 헤드 노드의 전력 소모가 심하여 헤드 노드가 다른 노드에 비해 일찍 수명을 다하는 단점이 있으며 PEGASIS 기법은 LEACH 기법보다 성능이 우수하다고 알려져 있지만 소스 노드로부터 싱크 노드까지의 경로의 길이가 대단히 길어지는 단점이 있다.
MANET은 무엇인가? MANET (Mobile Ad-hoc Network)이란 외부 유선 기반망의 도움이나 연결 없이 독립적으로 이동하는 무선 단말기끼리 서로 통신하며 이동하는 망의 형태를 말한다. 이러한 네트워크는 무선 단말 노드들의 에너지 자원이 한정적이고, 노드의 이동성으로 인하여 기존의 라우팅 프로토콜을 MANET 센서 네트워크에 바로 적용하기에는 적합하지 않다.
계층적 라우팅 기법의 장점은? 이 기법은 네트워크를 일정 규모의 부분 집합으로 나누어 그룹을 형성해서 감지한 데이터를 수집과 병합을 수행하여 전송량을 줄인 후 싱크 노드 혹은 BS(베이스 스테이션) 노드로 최종 전송하는 방식이다. 이는 무선 센서 네트워크의 배치 및 동작의 특성을 살펴볼 때 밀접하게 위치한 노드들은 비슷한 데이터를 감지할 수 있기 때문에 국부지역(Local Area)에서 이를 병합하여 줄임으로써 전체 네트워크의 전송량을 줄일 수 있다[4]. 하지만, 헤드 노드에 걸리는 에너지 소모 문제를 해결하기 위해서 다양한 방법의 라우팅 기법들이 나오고 있는 실정이다[5].
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참고문헌 (15)

  1. Wendi B. Heinzelman, Anantha P. Chandrakasan, Hari Balakrishnan, An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks, IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS, 2002. 

  2. S. Lindsey, C. S. Raghavendra, PEGASIS: Power Efficient GAthering in Sensor Information Systems, IEEE Aerospace Conference, 2002. 

  3. Tao Yang, Makoto Ikeda, Giuseppe De Marco, Leonard Barolli, Arjan Durresi, Fatos Xhafa, Routing Efficiency of AODV and DSR Protocols in Ad-Hoc Sensor Networks, The 28th International Conference on Distributed Computing Systems Workshops, pp.66-71, 2008. 

  4. Zhang Jian-wu, Ji Ying-ying, Zhang Ji-ji, Yu Cheng-lei, A Weighted Clustering Algorithm Based Routing Protocol in Wireless Sensor Networks, ISECS International Colloquium on Computing, Communication, Control, and Management, pp.599-602, 2008. 

  5. Dimitrios Koutsonikolas, Saumitra Das, Y. Charlie Hu, Ivan Stojmenovic, Hierarchical Geographic Multicast Routing for Wireless Sensor Networks, International Conference on Sensor Technologies and Applications, pp.347-354, 2007. 

  6. Wen-Jiunn Liu, Kai-Ten Feng, Greedy Routing with Anti-Void Traversal for Wireless Sensor Networks, IEEE Transactions on Mobile Computing, 2008. 

  7. Alokes Chattopadhyay, Markose Thomas, Arobinda Gupta, An Energy Aware Routing Protocol for Mobile Ad-Hoc Networks, 15th International Conference on Advanced Computing and Communications, December 2007, pp.62-267. 

  8. Muruganathan, S.D.; Ma, D.C.F.; Bhasin, R.I.; Fapojuwo, A.O., “A centralized energy-efficient routing protocol for wireless sensor networks”, IEEE Comm. Mag. 43(3), pp. S8-13, 2005. 

  9. J. Gong, H. Kim and G. H. Cho, A Coverage Efficient Clustering Method Based on Time Delay for Wireless Sensor Networks, the 2008 International Conference on Wireless Networks (ICWN'08: July 14-17, 2008), Las Vegas, US. 

  10. Thomas de Ruiter, Survey on Wireless Sensor Networks, March 

  11. Abdelghani Bellaachia, Nilkamal Weerasinghe, Performance analysis of four routing protocols in sensor networks, International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing, 3(3), May 2008, pp167-173. 

  12. Ameer Ahmed Abbasia, Mohamed Younisb, A survey on clustering algorithms for wireless sensor networks, Computer Communications, 30(15), October 2007, pp.2826-2841. 

  13. Shah, R.C. Rabaey, J.M., Energy aware routing for low energy ad hoc sensor networks, Wireless Communications and Networking Conference, Mar., 2002, pp.350-355. 

  14. Zhou, J. and De Roure, D., Designing Energy-Aware Adaptive Routing for Wireless Sensor Networks, The 6th International Conference on ITS Telecommunications, 21-23 June 2006, Chengdu, China. 

  15. J.-H. Chang and L. Tassiulas, “Maximum lifetime routing in wireless sensor networks,” IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORKING, Vol.12, No.4, Aug., 2004, pp.609-619. 

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