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센서 네트워크 환경에서 에너지 효율을 위한 계층적 통신 기법에 관한 연구
A Study on Hierarchical Communication Method for Energy Efficiency in Sensor Network Environment 원문보기 논문타임라인

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.9 no.8, 2014년, pp.889 - 897  

손민영 (금오공과대학교 컴퓨터공학과) ,  김영학 (금오공과대학교 컴퓨터공학과)

초록
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무선 통신과 센서 기술의 발달과 더불어 센서 네트워크의 응용이 다양한 분야에서 활용되고 있다. 센서 네트워크 환경에서 센서의 전력 소비를 최소화하는 것은 시스템의 수명을 연장하기 위한 중요한 요인 중의 하나이다. 센서 네트워크에서 각 센서 노드의 전력 소모는 헤드(싱크) 노드와의 통신 방법에 따라 달라 질 수 있다. 본 연구에서는 각 센서의 전력 소모를 최소하기 위한 새로운 계층적 통신 방법을 제안한다. 제안된 방법은 분할 정복 기법을 사용하여 센서 네트워크의 영역을 네 개의 영역으로 구분하고 각 영역에서 헤드 노드와 가장 가까운 노드를 그 노드의 자식 노드로 구성한다. 다음에 더 이상 영역이 분할되지 않을 때까지 같은 방법을 반복적으로 적용하여 계층적 트리를 구성한다. 각 센서 노드는 이러한 계층적 트리를 이용하여 헤드 노드와 통신을 수행한다. 본 연구에서 제안된 결과는 시뮬레이션을 통하여 기존의 방법과 비교하였으며 그 결과 센서 네트워크의 에너지 효율에서 우수한 결과가 도출됨을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

With the development of wireless communication and sensor technology, sensor network applications in various fields have been applied. To minimize the power consumption of sensors in sensor network is one of the important factors in oder to extend the system life. The power consumption of each senso...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 두 방법에서 각 센서 노드의 전력 소모의 주요 요인은 통신 노드들 간의 거리와 경유 통신 횟수를 들 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 두 요인을 고려하여 전력 소모를 최소화하기 위한 새로운 방식의 계층적 센서 네트워크의 구성 방법을 제안한다.
  • 따라서 본 연구에서는 이러한 두 프로토콜에서 제기되는 단점을 극복하기 위해 계층적 에너지 라우팅 프로토콜을 제안한다. 계층적 라우팅 네트워크를 구성하기 위해 센서 노드들이 포함된 전체 영역을 먼저 네 개의 영역으로 분할하고 가장 중심에 위치한 센서 노드를 헤드 노드로 지정한다.
  • 이전에 저 전력 기반의 센서 네트워크 구성 및 통신 프로토콜에 대해서 다수의 연구들이 진행되어 왔다[6-10]. 본 논문에서는 이들 프로토콜 중에서 직접 통신과 라우팅을 기반으로 하는 최소 에너지 라우팅 프로토콜을 고려한다. 직접 통신 프로토콜은 각 센서 노드가 거리와 관계없이 개별적으로 헤드 노드(싱크)와 통신을 한다.
  • 각 센서에서 에너지 소모의 주요 원인은 통신을 위한 센서 노드들 간의 거리와 통신 횟수이다. 본 연구에서는 센서 네트워크 환경에서 에너지 소모량을 줄여 시스템의 수명 주기를 늘리기 위한 계층적 트리 방식의 센서 네트워크 구성 및 통신 방법을 제안하였다. 계층적 라우팅 네트워크를 구성하기 위해 분할 정복 기법을 사용하여 전체 영역을 반복적으로 네 영역으로 분할하여 계층적 트리를 구성하였다.
  • 본 연구에서는 특정 노드의 급격한 에너지 소비의 증가로 인한 문제점을 해결하기 위하여, 데이터가 전달되는 경로 내의 각각의 노드가 주어진 한계 값 이상으로 에너지를 소비했는지 여부를 검토하였다. 계층적 트리 내의 노드가 미리 정해진 한계 값 이상으로 에너지를 소비했다고 판단되면, 에너지가 남아 있는 노드 중 거리가 가장 가까운 노드를 찾아 자신을 대체하는 방법을 사용하였다.
  • 본 절에서는 제안된 방법의 비교를 위해 직접 통신 프로토콜과 라우팅 프로토콜의 에너지 소모량에 대한 개요를 설명한다. 직접 통신 프로토콜을 사용할 경우 각 센서 노드는 그 자신의 데이터를 헤드 노드에 직접 전송한다.
  • 특히, 본 연구에서 제안한 방법(HTE)이 MTE에 비하여 데이터의 유실 확률이 적으면서도 에너지를 모두 소비한 노드의 수가 약 30% 적게 나타났다. 이러한 결과는 본 연구에서 제안한 방법(HTE)이 계층적 트리를 사용하여 전송할 노드 간의 거리를 최적화하고 불필요한 데이터 경유 전송을 줄여 효율성을 증가시켰기 때문이다.

가설 설정

  • 센서 네트워크는 응용 및 지형에 따라 다양하게 설치될 수 있으나 본 연구에서는 제안된 방법의 설명을 쉽게 하기 위해 평면의 구조를 가정한다. 먼저 그림 1에서 보인 것과 같이 랜덤하게 센서 노드가 설치되어 있는 상황을 고려해 본다.
  • 시뮬레이션에서 에너지 소비량을 측정하기 위하여 메시지의 수신과 송신이 일어날 때 Eelec = 50 nJ/bit를 소요하고, 트랜스미트 증폭기가 실행될 때 ξamp= 100 pJ/bit/m2가 소요된다고 가정하였다.
  • 여기서 에너지 최소화를 위한 변수는 거리가 주요 요인이 된다. 예로서 네 개의 센서 노드 A, B, C, D가 있다고 가정하고 센서 노드 A가 센서 노드 D에 데이터를 전송하고자 한다. 노드 B와 C가 D에게 데이터를 전송하기 위한 경유 노드로 고려된다고 할 때, B를 경유한 통신과 C를 경유한 통신 경로인 A-B-D와 A-C-D의 거리를 비교하여 더 적은 경로를 선택한다.
  • 위의 평가 모델에서 거리 d는 일정하다고 가정하였으나 실제 상황에서는 다를 수 있으며 본 논문에서는 시뮬레이션 수행과정에서 이러한 부분을 고려하였다.
  • 가 10nJ/bit에서 100nJ/bit까지 변화함에 따라 직접 통신 방법과 MTE 라우팅 방법, 그리고 본 연구에서 제안한 방법(HTE)의 총 에너지 소비량이 변화되는 그래프를 보여준다. 이 때, 각 센서 노드는 2000bit의 데이터 패킷을 헤드 노드에 전송한다고 가정하였다. 그 결과, 본 연구에서 제안한 방법(HTE)이 평균적으로 직접 통신 방법과 MTE 라우팅 방법에 비하여 총 에너지 소모량이 작은 것을 확인 할 수 있었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
센서 네트워크에서 각 센서 노드의 전력 소모는 무엇에 따라 달라지는가? 센서 네트워크 환경에서 센서의 전력 소비를 최소화하는 것은 시스템의 수명을 연장하기 위한 중요한 요인 중의 하나이다. 센서 네트워크에서 각 센서 노드의 전력 소모는 헤드(싱크) 노드와의 통신 방법에 따라 달라 질 수 있다. 본 연구에서는 각 센서의 전력 소모를 최소하기 위한 새로운 계층적 통신 방법을 제안한다.
센서 네트워크 환경에서 시스템의 수명을 연장하기 위한 요인은 무엇인가? 무선 통신과 센서 기술의 발달과 더불어 센서 네트워크의 응용이 다양한 분야에서 활용되고 있다. 센서 네트워크 환경에서 센서의 전력 소비를 최소화하는 것은 시스템의 수명을 연장하기 위한 중요한 요인 중의 하나이다. 센서 네트워크에서 각 센서 노드의 전력 소모는 헤드(싱크) 노드와의 통신 방법에 따라 달라 질 수 있다.
센서 네트워크의 통신 프로토콜이 저전력 기반으로 설계되어야 하는 이유는 무엇인가? 무선 센서 네트워크에 참여하는 센서 노드들은 제한적인 하드웨어 구성(프로세서, 메모리 등) 요소를 가지며 시스템의 생명 주기에 긴 시간을 유지할 수있는 배터리의 관리가 매우 중요하다. 센서 노드에 장착된 배터리는 일반적으로 적은 용량을 가지기 때문에 오랜 유지를 위해서는 센서의 에너지 소모량을 최소화하여야 한다. 따라서 센서 네트워크의 통신 프로토콜은 저 전력 기반으로 설계 되어야 한다.
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참고문헌 (13)

  1. C. Li, H. Zhang, B. Hao, and J. Li, "A survey on routing protocols for large-scale wireless sensor networks," Sensors, vol. 11, no. 10, 2011, pp. 3498-3526. 

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    센서 및 통신 기술의 발달과 더불어 최근에 무선 센서 네트워크에 대한 응용이 확대 되고 있다[1-5].

  2. Y. Jang, J. Lee, J. Park, D. Seong, and J. Yoo, "Efficient Distributed Broadcast Schemes using Sensor Networks in Road Network Environments," J. of Korea Contents Associattion, vol. 11, no. 1, 2010, pp. 26-33. 

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    센서 및 통신 기술의 발달과 더불어 최근에 무선 센서 네트워크에 대한 응용이 확대 되고 있다[1-5].

  3. S. Kang, D. Hwang, J. Park, D. Seong, and J. Yoo, "Efficient Bi-directional Linear Broadcast Scheme with Sensor Networks in Road Environments," J. of KIISE : Computing Pracices and Letters, vol. 18, no. 3, Mar 2012, pp. 239-243. 

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    센서 및 통신 기술의 발달과 더불어 최근에 무선 센서 네트워크에 대한 응용이 확대 되고 있다[1-5].

  4. W. S. Ku, R. Zimmermann, and H. Wang, "Location-Based Spatial Query Processing in Wireless Broadcast Environments," IEEE Trans. Mobile Computing, vol. 7, no. 6, June 2008, pp. 778-791. 

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    센서 및 통신 기술의 발달과 더불어 최근에 무선 센서 네트워크에 대한 응용이 확대 되고 있다[1-5].

  5. H. Lee, H. Lee, and H. Shin, "A Study On Ubiquitous Sensor Network Technologie," The J. of the Korean Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 4, no. 1, 2009, pp. 68-74. 

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    센서 및 통신 기술의 발달과 더불어 최근에 무선 센서 네트워크에 대한 응용이 확대 되고 있다[1-5].

  6. K. Akkaya and M. Younis, "A Survey on Routing Protocols for wireless Sensor Networks," AdHoc Networks, vol. 3, 2005, pp. 325-349. 

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    이전에 저 전력 기반의 센서 네트워크 구성 및 통신 프로토콜에 대해서 다수의 연구들이 진행되어 왔다[6-10].

    무선 센서네트워크 환경에서 각 센서 노드와 헤드 노드가 데이터 송신을 위한 몇 개의 라우팅 프로토콜들이 연구되어 왔다[6-7].

  7. W. R. Heinzelman, A. Chandrakasan, and H. Balakrishnan, "Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks," Proc. of the 33rd Hawaii Int. Conf. on System Sciences, Maui, Hawaii, USA, Jan, 2000. 

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    이전에 저 전력 기반의 센서 네트워크 구성 및 통신 프로토콜에 대해서 다수의 연구들이 진행되어 왔다[6-10].

    무선 센서네트워크 환경에서 각 센서 노드와 헤드 노드가 데이터 송신을 위한 몇 개의 라우팅 프로토콜들이 연구되어 왔다[6-7].

    이전에 여러 연구에서 에너지를 절약하는 라우팅 프로토콜들에 대한 연구가 진행되어 왔다[7-13].

    본 논문에서는 제안된 방법과 이전 방법의 비교를 위해 [7]에서 기술된 에너지 소모량 평가 모델을 사용하며 그 내용은 다음과 같다.

  8. Y.-S. Kim, Y.-P. Hong, Y.-I. Cho, J.-S. Kim, J.-W Eun, J.-Y. Lee, and S.-H. Lee, "A Study on clustering method for Banlancing Energy Consumption in Hierarchical Sensor Network," J. of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 11, no. 9, 2010, pp. 3472-3480. 

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    이전에 저 전력 기반의 센서 네트워크 구성 및 통신 프로토콜에 대해서 다수의 연구들이 진행되어 왔다[6-10].

    이전에 여러 연구에서 에너지를 절약하는 라우팅 프로토콜들에 대한 연구가 진행되어 왔다[7-13].

  9. J.-S. Park, J.-Y. Lee, and S.-H. Lee, "A Study on SR Packet MAC Protocol for Energy Saving in Wireless Sensor Network," J. of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 11, no. 5, 2010, pp. 1646-1652. 

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    이전에 저 전력 기반의 센서 네트워크 구성 및 통신 프로토콜에 대해서 다수의 연구들이 진행되어 왔다[6-10].

    이전에 여러 연구에서 에너지를 절약하는 라우팅 프로토콜들에 대한 연구가 진행되어 왔다[7-13].

  10. D. Wei, Y. Jin, S. Vural, K. Moessner, and R. Tafazolli, "An energy-efficient clustering solution for wireless sensor networks," IEEE Trans. Wireless Communications, vol. 10, no. 11, 2011, pp. 3973-3983. 

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    이전에 저 전력 기반의 센서 네트워크 구성 및 통신 프로토콜에 대해서 다수의 연구들이 진행되어 왔다[6-10].

    이전에 여러 연구에서 에너지를 절약하는 라우팅 프로토콜들에 대한 연구가 진행되어 왔다[7-13].

  11. S. K. Singh, M. P. Singh, and D. K. Singh, "Routing Protocols in Wireless Sensor Networks : A Survey," Int. J. of Computer Science and Engineering Survey, vol. 1, no. 2, Nov. 2011, pp. 63-83. 

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    이전에 여러 연구에서 에너지를 절약하는 라우팅 프로토콜들에 대한 연구가 진행되어 왔다[7-13].

  12. N. Park, C. Son, and W. Kim, "The Efficient Computation of Node Position on Mobile Sensor Network," J. of the Korean Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 5, no. 4, 2010, pp. 391-398. 

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    이전에 여러 연구에서 에너지를 절약하는 라우팅 프로토콜들에 대한 연구가 진행되어 왔다[7-13].

  13. K. Kim, B. Kim, S. Bae, and D. Kim, "An Improved Message Broadcast Scheme over Wireless Sensor Networks," J. of the Korean Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 5, no. 6, 2010, pp. 588-594. 

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    이전에 여러 연구에서 에너지를 절약하는 라우팅 프로토콜들에 대한 연구가 진행되어 왔다[7-13].

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