[논문]무선센서 네트워크에서의 지역-중앙 클러스터 라우팅 방법

김명하; 이충세

무선센서 네트워크에서의 지역-중앙 클러스터 라우팅 방법
An Energy Efficient Routing Algorithm based on Center of Local Clustering in Wireless Sensor Networks 원문보기

융합보안논문지 = Convergence security journal, v.14 no.2, 2014년, pp.43 - 50

김명하 (충북대학교 소프트웨어학과) , 이충세 (충북대학교 소프트웨어학과)

초록
AI-Helper

최근 무선 센서 네트워크(WSN : Wireless Sensor Network)에서 센서노드의 에너지 소모를 균등화 하고 효율성을 향상시켜 전제 네트워크의 수명을 최대화하기 위한 다양한 계층적 라우팅 프로토콜들이 제안되고 있다. 특히, 멀티-홉 기법이 향상된 에너지 효율성과 실제 적용 가능한 모델로 많은 각광을 받고 있다. 멀티-홉 기법에서는 센서 노드사이 거리에 따라 전송 에너지를 효율적으로 조절하는 것이 가능하다고 가정한다. 이 논문에서는 대표적인 클러스터 알고리즘인 LEACH에 대하여 분석하고 이 알고리즘의 단점을 보완하고 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 지역-중앙 클러스터 라우팅 알고리즘을 제안한다. 제안한 클러스터 라우팅 알고리즘과 LEACH의 성능을 시뮬레이션을 통해 성능을 평가하고 분석하고 NS-2 시뮬레이션을 이용하여 성능 결과를 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, lot of researches for the multi-level protocol have been done to balance the sensor node energy consumption of WSN and improve the node efficiency to extend the life of the entire network. Especially in multi-hop protocol, a variety of models have been proposed to improve energy efficiency and apply it to WSN protocol. In this paper, we analyze LEACH algorithm and propose new method based on center of local clustering routing algorithm in wireless sensor networks. We also perform NS-2 simulation to show the performance of our model.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 논문에서는 기존 연구 기법들의 장·단점을 비교 분석하고 그 기법들의 실제 적용에 있어서의 문제점을 해결할 수 있는 싱크 노드 중심으로 한 다 단계및 노드의 잔존 에너지를 고려한 라우팅 프로토콜을 제시한다.
이 논문에서는 대표적인 클러스터 라우팅 알고리즘인 LEACH에 대하여 분석하고 이 알고리즘의 단점을 보완하고 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 지역-중앙 클러스터 라우팅 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘은 기법과 LEACH기법의 후속 작업을 참고하여 네트워크 라이프 타입을 최대한으로 연장하는 것을 목표로 하여 일부 필요한 방법을 변경하였다.
이 논문에서는 무선센서 네트워크에서 에너지를 효율적으로 사용하여 전체 네트워크의 생존 시간을 연장하는 연구를 수행하였다. 무선센서 네트워크에서 대표적 클러스터 알고리즘인 LEACH를 살펴보고 LEACH 알고리즘의 단점을 보완하고 에너지를 효율적 으로 사용할 수 있는 지역-중앙 클러스터 라우팅 알고리즘을 제안하였다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 이 논문에서는 대표적인 클러스터 알고리즘인 LEACH 알고리즘의 단점을 보완하고 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 지역-중앙 클러스터 라우팅 알고리즘을 제안한다.

제안 방법

Ⅱ장에서는 이 논문의 이론적 배경 및 관련 연구를 소개한다. 또한 무선 센서 네트워크의 특성 및 대표적인 클러스터링 기법 및 라우팅 기법에 대하여 소개하고 분석한다. 그리고 기존에 연구된 계층적 라우팅 기법의 개요와 문제점을 기술한다.
이 논문에서는 무선센서 네트워크에서 에너지를 효율적으로 사용하여 전체 네트워크의 생존 시간을 연장하는 연구를 수행하였다. 무선센서 네트워크에서 대표적 클러스터 알고리즘인 LEACH를 살펴보고 LEACH 알고리즘의 단점을 보완하고 에너지를 효율적 으로 사용할 수 있는 지역-중앙 클러스터 라우팅 알고리즘을 제안하였다. 분석결과에서 알 수 있듯이 제안하는 지역-중앙 클러스터 라우팅 알고리즘이 기존의 LEACH 알고리즘에 비해 네트워크 라이프 타임을 7.
이 논문에서는 제안 기법에 대한 성능을 평가하기 위한 도구로 NS-2(Network Simulator version-2)를 사용하였다. 제안 기법에서는 새로운 클러스터 헤더 선정, 클러스터링 기법 및 이를 기반으로 라우팅 기법을 새롭게 제안하고 LEACH을 비롯한 멀티 홉 기법 등 기존 기법들과 비교분석 하였다.
제안 클러스터 라우팅 기법은 주로 클러스터 헤더 선정, 클러스터 구성, 클러스터 간의 통신 등 3 단계로 작동한다
이 논문에서는 대표적인 클러스터 라우팅 알고리즘인 LEACH에 대하여 분석하고 이 알고리즘의 단점을 보완하고 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 지역-중앙 클러스터 라우팅 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘은 기법과 LEACH기법의 후속 작업을 참고하여 네트워크 라이프 타입을 최대한으로 연장하는 것을 목표로 하여 일부 필요한 방법을 변경하였다.
영역내의 좌표는 (0 ,0)에서 (99, 99)까지가 되며, 초기 노드 에너지는 각 라운드별 시간당 20초씩 증가 시키고, 싱크노드는 가로 50m 세로 175m 지점에 위치한다. 제안한 지역-중앙 클러스터 라우팅 알고리즘과 LEACH알고리즘은 에너지를 가장 많이 보유한 노드를 클러스터 헤더 노드로 선정 한다.
(그림 5)와 같이 전체 센서 네트워크를 여러 개의 클러스터로 구성한 후 센서노드들은 데이터를 자신이 속한 클러스터 헤더한테 전송한다. 클러스터 헤더는 멤버 노드들에 전송된 데이터를 통합하여 LEACH기법과 다르게 직접 베이스 스테이션에 전송하지 않고, 계층적 멀티 홉을 사용하여 인접한 클러스터 헤더를 통하여 베이스 스테이션까지 데이터를 전송한다.

대상 데이터

NS-2 시뮬레이션 환경에 사용된 매개변수와 그에 대응하는 값은 (표 1)에서 보여주고 있다. 100m x 100m 의 네트워크 크기에 100개의 센서노드를 임의로 배치하였으며, 노드의 이동은 없는 것으로 설정하였다. 영역내의 좌표는 (0 ,0)에서 (99, 99)까지가 되며, 초기 노드 에너지는 각 라운드별 시간당 20초씩 증가 시키고, 싱크노드는 가로 50m 세로 175m 지점에 위치한다.
앞에서 기술한 글로벌 중앙 제어 알고리즘처럼 전체 센서노드들은 짧은 메시지를 싱크노드에 전송하고 싱크노드는 전체 센서노드 정보를 얻은 후 클러스터링을 진행함으로써 너무 많은 에너지를 소모하게 된다. 이 문제를 해결하기 위하여 두번째 라운드부터는 클러스터 헤더가 지역 중앙 노드로써 싱크노드 대신 뉴 클러스터 헤더를 선출한다.

이론/모형

이 논문에서는 제안 기법에 대한 성능을 평가하기 위한 도구로 NS-2(Network Simulator version-2)를 사용하였다. 제안 기법에서는 새로운 클러스터 헤더 선정, 클러스터링 기법 및 이를 기반으로 라우팅 기법을 새롭게 제안하고 LEACH을 비롯한 멀티 홉 기법 등 기존 기법들과 비교분석 하였다.
이 연구에서 제안한 지역-중앙 클러스터 라우팅 알고리즘은 기존 LEACH방식과 달리 클러스터간의 통신은 계층적 멀티-홉 기법을 사용한다. (그림 5)와 같이 전체 센서 네트워크를 여러 개의 클러스터로 구성한 후 센서노드들은 데이터를 자신이 속한 클러스터 헤더한테 전송한다.
각 노드는 정보수집단계에서 자신에게 정해진 타임 슬롯에 클러스터 헤더 노드에게 자신의 지리정보와 에너지 현황을 전송한다. 전송된 메시지를 받은 클러스터 헤더는 더미 중앙 알고리즘(dummy center algo rithm)을 실행하고 뉴 클러스터 헤더를 선출한다. 뉴 클러스터 헤더 노드는 두 가지 조건에 근거하여 선택한다.

성능/효과

Ⅳ장에서는 제안 프로토콜에 대한 효율성을 증명하기 위해 실험 환경과 실험 모델을 설계하고 NS-2 시뮬레이터를 이용해 시뮬레이션 한다. 또한 시뮬레이션 결과를 이용해 기존 기법인 LEACH, LEACH-C와 비교와 평가를 통하여 제안 기법의 효율성을 증명한다. 그리고 Ⅴ장에서는 제안기법을 정리하고 향후 연구를 제시하고 결론을 제시한다.
무선센서 네트워크에서 대표적 클러스터 알고리즘인 LEACH를 살펴보고 LEACH 알고리즘의 단점을 보완하고 에너지를 효율적 으로 사용할 수 있는 지역-중앙 클러스터 라우팅 알고리즘을 제안하였다. 분석결과에서 알 수 있듯이 제안하는 지역-중앙 클러스터 라우팅 알고리즘이 기존의 LEACH 알고리즘에 비해 네트워크 라이프 타임을 7.8% 연장하였을 뿐만 아니라 데이터 전송량을 평균 28% 줄여 에너지 소모를 최대한 줄이는 효과를 보여 주고 있다.
(그림 6)과 같이 LEACH기법, LEACH-C기법과 지역-중앙 알고리즘의 불능 노드가 처음 발생하는 시점은 각각 400초, 390초, 390초였고, 마지막 생존 노드가 발생하는 시점은 각각 540초, 560초, 578초에 발생하였다. 이것은 전체 센서 네트워크의 생존 신간을 지역-중앙 알고리즘이 LEACH 알고리즘과 비교하면 7%정도 향상된 것을 보이고, LEACH-C 알고리즘과 비교하면 4%정도 향상된 것을 보이고 있다. (그림 7)과같이 지역-중앙 클러스터 라우팅 알고리즘은 LEACH 프로토콜보다 에너지 소비량이 평균 23%적고, LEAC H-C 프로토콜보다 에너지 소비량이 평균19% 적다.

후속연구

또한 시뮬레이션 결과를 이용해 기존 기법인 LEACH, LEACH-C와 비교와 평가를 통하여 제안 기법의 효율성을 증명한다. 그리고 Ⅴ장에서는 제안기법을 정리하고 향후 연구를 제시하고 결론을 제시한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LEACH는 무엇인가?	대표적인 클러스터링 알고리즘은 LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)이다[2, 3]. LEACH는 확률적인 랜덤 방식으로 클러스터 헤드를 주기적으로 선정하는 클러스터 기반 라우팅 프로토콜 방법으로, 클러스터 헤드 선정 후 클러스터 내의각 센서 노드가 데이터를 클러스터 헤드로 전송하면 클러스터 헤드가 이들 데이터를 모아서 싱크노드에게 전송하는 방식이다.
	무선 센서 네트워크 라우팅기법은 무엇인가?	무선 센서 네트워크 라우팅기법은 무선 센서 네트워크에서 센서 노드들의 정보를 목적지 노드까지 효율적으로 전달하기 위한 경로 설정 기술이다.
	무선 센서 네트워크의 센서 노드는 무엇으로 구성되는가?	무선 센서 네트워크의 구조는 한 개의 기지국과 정보 획득을 위한 센서 필드, 그리고 많은 센서 노드들로 구성 된다[4]. 싱크 노드는 외부의 네트워크와 연결되어 센서 네트워크에서 수집된 정보들을 외부로 제공해 주는 역할을 수행하고, 센서 노드는 초소형의 저렴하고 적은 전력을 사용 하는 기본적으로 마이크로프로세서, 트랜시버, 컨버터, 그리고 다양한 센서로 구성된다. 센서 노드는 감지 센서에서 감지된 정보를 중간 노드를 통하여 싱크 노드에 전송하고, 또 다른 센서 노드들의 정보를 중계해주는 역할도 수행한다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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