[논문]무선 센서 네트워크의 성능 향상을 위한 새로운 라우팅 알고리즘

양현석; 김도형; 박준열; 이태봉

초록
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무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network)는 사람이 직접 접근하기 불가능한 군사지역이나 자연 환경의 감시, 혹은 안전감시를 위한 목적으로 각 상황의 특성에 맞는 다양한 정보를 수집하는데 많이 이용되고 있다. 지금까지 제시된 프로토콜 중 LEACH 프로토콜은 에너지의 균등한 소모를 특징으로 많이 쓰이고 있다. 하지만 거리에 따른 에너지 소모의 증가로 원거리 노드의 에너지 소모 문제가 대두되었는데, 지금까지 여러 가지 해결방안들이 제시되었는데 대부분 중앙 시스템 방식이다. 본 논문에서는 LEACH 프로토콜을 사용한 무선 센서 네트워크를 모델로 하여, 네트워크 규모가 커질수록 1-hop 전송방식에서 발생할 수 있는 원거리 센서 노드의 에너지 불균형 문제를 해결하였다. 또한, 중앙 시스템 방식이 아닌 센서 노드 자체에서 클러스터링 문제를 해결할 수 있는 분산 시스템 방식의 라이프타임 향상 알고리즘을 제안하였다.

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In this paper, a distributed 2-hop routing algorithm is proposed. The main purpose of the proposed algorithm is to reduce the overall power consumption of each sensor node so that the lifetime of WSN(wireless sensor network) is prolonged. At the beginning of each round, the base station transmits a ...

In this paper, a distributed 2-hop routing algorithm is proposed. The main purpose of the proposed algorithm is to reduce the overall power consumption of each sensor node so that the lifetime of WSN(wireless sensor network) is prolonged. At the beginning of each round, the base station transmits a synchronization signal that contains information on the priority table that is used to decide whether each sensor node is elected as a cluster head or not. The priority table is constructed so that sensor nodes closer to half energy distance from the base station get the higher priority. 2-hop routing is done as follows. Cluster heads inside half energy distance from the base station communicate with the base station directly. Those outside half energy distance have to decide whether they choose 2-hop routing or 1-hop routing. To do this, each cluster head outside half energy distance calculates the energy consumption needed to communicate with the base station via 1-level cluster head or directly. If less energy is needed when passing through the 1-level cluster head, 2-hop routing is chosen and if not, 1-hop routing is chosen. After routing is done each sensor nodes start sensing data.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

그림 1과 같이 베이스 스테이션에서 센서 필드의 크기를 알고 있다고 가정하고, 베이스 스테이션에서 가장 먼 거리를 d_max, 가장 가까운 거리를 d_min이라 할 때, 중간 지점 d_mid는 식 (2)와 같다.

제안 방법

구역 분할 방식에서 전체 구역을 2개로 구분하였으며, 2개로 구분된 구역에서 클러스터 헤드의 위치를 확률적으로 정하였다. 2개의 구역으로 나뉜 상태에서 클러스터 헤드들의 위치가 양단으로 나뉘는 경우를 방지하고자, 서로 비슷한 거리를 유지할 수 있도록 클러스터 헤드들을 형성하도록 가중치를 부여하고자 한다. 베이스 스테이션에서의 거리에 따라 그림 3과 같이 가중치를 부여하였다.
구역 분할 방식에서 전체 구역을 2개로 구분하였으며, 2개로 구분된 구역에서 클러스터 헤드의 위치를 확률적으로 정하였다. 2개의 구역으로 나뉜 상태에서 클러스터 헤드들의 위치가 양단으로 나뉘는 경우를 방지하고자, 서로 비슷한 거리를 유지할 수 있도록 클러스터 헤드들을 형성하도록 가중치를 부여하고자 한다.
둘째, 두 구역에 클러스터 헤드가 나뉘어 있는 경우, Near region에 존재하는 클러스터 헤드 중에 기준이었던 d_mid와 가장 가까이 존재하는 클러스터 헤드를 1레벨 클러스터 헤드(CH_mid)로써 사용한다. Far region에 존재하는 클러스터 헤드(들)은 CH_mid과의 에너지 거리를 측정하고, 1-hop 전송 방식보다 에너지 소모가 적을 경우, CH_mid을 경유하여 전송한다.
이러한 문제를 2-hop 전송 방식을 통해 해결하기 위해 1레벨 클러스터를 선택하는 기법을 제시하고, 가중치를 부여한 클러스터 헤드 선정 기법을 통해 라이프타임을 증가시킬 수 있는 알고리즘을 제시하였다.
이러한 상황을 방지하고자 LEACH 프로토콜에서 제시한 threshold 계산식에 가중치를 부여하는 방법을 제시한다.^[9]
LEACH와 제안 알고리즘의 성능을 표 1의 변수를 사용하여 시뮬레이션 하였다. 표 1의 변수를 제외한 나머지 센서 필드의 크기, 베이스 스테이션의 위치, 각 센서 노드의 초기 에너지 등은 각 실험 별로 변경하여 시뮬레이션 하였다.

데이터처리

LEACH와 제안 알고리즘의 성능을 표 1의 변수를 사용하여 시뮬레이션 하였다. 표 1의 변수를 제외한 나머지 센서 필드의 크기, 베이스 스테이션의 위치, 각 센서 노드의 초기 에너지 등은 각 실험 별로 변경하여 시뮬레이션 하였다.

성능/효과

또한, 제안 알고리즘은 센서 네트워크의 규모 증가로 인한 라이프타임 감소를 효율적인 2-hop 전송 방식을 적용하여 해결하고, 데이터 트래픽 증가에 따른 에너지 소모 문제에 대해 향상된 라이프타임을 보였으며, 현재 제시되고 있는 중앙 시스템 방식의 multi-hop 방식이 아닌 LEACH 프로토콜의 특성인 분산 시스템 방식을 유지하며 센서 네트워크의 라이프타임의 증가를 확인하였다.
제안하는 알고리즘의 성능을 시뮬레이션을 통하여 확인해 볼 수 있었다. 센서 노드의 분포를 통해 제안 알고리즘은 host에게 센서 노드 배치 간격을 증가시켜 무선 센서 네트워크 구성비용을 줄일 수 있다.
그림 8과 그림 9를 보면 LEACH의 경우보다 제안 알고리즘의 경우 생존 노드가 고른 분포를 보인다. 센서 필드 규모가 증가함에 따라 제안 알고리즘은 성능 향상을 보인다.
그림 11과 그림 12를 보면 III-2의 결과와 비교하여 제안 알고리즘의 경우 더 나은 분포를 보인다. 센서 필드 규모의 증가와 센싱 데이터의 증가는 제안 알고리즘의 경우 더 나은 성능 향상을 보인다.
셋째, CH_mid 선정 시 d_mid와 거리가 가까운 클러스터 헤드가 2개 이상 존재할 수도 있다. 이 경우 분산 시스템으로 동작하도록 설정하기 위하여, 복잡한 계산에 의한 부담이 없도록 Far region의 클러스터 헤드에서 베이스 스테이션으로 직접 전송하도록 하고 있다.
무선 센서 네트워크의 규모 증가는 LEACH 프로토콜을 사용했을 때, 원거리 센서 노드의 짧은 수명은 센서 필드에서 생존 노드의 편중 현상을 야기하고, host로 하여금 센서 노드의 추가 배치를 필요로 하게 한다. 시 뮬레이션 결과에서 센서 노드가 50% 생존 시, LEACH 프로토콜을 사용한 무선 센서 네트워크에서는 생존 센서 노드가 베이스 스테이션 근처에 편중되어 센서 노드의 추가 배치를 필요로 하지만, 2-hop 라우팅과 제안 알고리즘을 사용한 무선 센서 네트워크에서는 편중 현상 없이 고른 분포를 보이며, 센서 노드의 추가 배치 시간 간격을 늘려서 비용을 절감할 수 있음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대표적으로 많이 쓰이는 LEACH 프로토콜은 어떻게 데이터를 전송하는가?	대표적으로 많이 쓰이는 LEACH 프로토콜은 1-hop 전송 방식으로 베이스 스테이션에 데이터를 전송한다. 그러나 센서 필드의 규모가 커짐으로써, 베이스 스테이션에서 멀리 있는 센서 노드는 다른 노드에 비하여 에너지 소모가 증가하여 동작시간이 짧아지게 된다.
	무선 센서 네트워크의 목적은?	무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network)는 사람이 직접 접근하기 불가능한 군사지역이나 자연 환경의 감시, 혹은 안전감시를 위한 목적으로 각 상황의 특성에 맞는 다양한 정보를 수집하는데 많이 이용되고 있다. 지금까지 제시된 프로토콜 중 LEACH 프로토콜은 에너지의 균등한 소모를 특징으로 많이 쓰이고 있다.
	LEACH 프로토콜의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 대부분 중앙 시스템 방식이 제시되었는데 본 논문에서 제안한 바는?	본 논문에서는 LEACH 프로토콜을 사용한 무선 센서 네트워크를 모델로 하여, 네트워크 규모가 커질수록 1-hop 전송방식에서 발생할 수 있는 원거리 센서 노드의 에너지 불균형 문제를 해결하였다. 또한, 중앙 시스템 방식이 아닌 센서 노드 자체에서 클러스터링 문제를 해결할 수 있는 분산 시스템 방식의 라이프타임 향상 알고리즘을 제안하였다.

참고문헌 (9)

I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E.Cayirci , "Wireless sensor networks: a survey", IEEE Trans. Computernetworks, Vol38, pp.393-422, March2002.
Edgar H. Callaway, Jr., "Wireless sensor networks, archtectures and protocol", Auerbach Publications.
Al-Karaki, J.N, Kamal, A.E. "Routing techniques in wireless sensor networks: a survey", IEEE Wireless Communications, Vol.11 pp.6-28, Dec 2004.
W .Heinzelman, A. Chandrakasan and H. Balakrishnan, "Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks", Proc. 33rd Hawaii Int'l.Conf.Sys. Sci., Jan. 2000.
R. C. Shah and J.Rabaey, "Energy Aware Routing for Low Energy Ad Hoc Sensor Networks", IEEE WCNC, Mar. 2002.
S.Lindsey and C. Raghavendra, "PEGASIS: Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems", IEEE Aerospace Conf.Proc., 2002.
Chaurasiya, V.K, Kumar, S.R, Verma, S, Nandi, G.C, "Traffic based clustering in wireless sensor network", Wireless Communication and Sensor Networks, Fourth International Conference on, pp.83-88, 2008.
Farooq, M.O, Dogar, A.B, Shah, G.A. "MR-LEACH: Multi-hop Routing with Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy", Sensor Technologies and Applications (SENSORCOMM), 2010 Fourth International Conference on, pp.262-268, Aug 2010.
오세준, 허선, 이건우, "무선 센서 네트워크에서 에너지의 효율적 사용방법", IE Interfaces, vol.23.

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