무선 센서 네트워크에서 이동 이벤트를 지원하기 위한 에너지 효율적인 멀티패스 라우팅 프로토콜 Energy-Efficient Multipath Routing Protocol for Supporting Mobile Events in Wireless Sensor Networks원문보기
무선 센서 네트워크는 센서 필드 상의 이벤트에 관한 데이터를 소스로부터 싱크로 수집하기 위해 연구되어왔다. 멀티패스라우팅은 노드나 링크 단절에 의해 소스에서 싱크로의 패스가 종종 손실되는 문제에 대해 신뢰성 있는 데이터전송을 위한 매력적인 방안 중 하나이다. 사람이나 동물 혹은 차량 등과 같은 모바일 이벤트 상황에서, 소스는 이 모바일 이벤트의 이동에 따라 연속적으로 소스가 발생할 수 있다. 따라서 멀티패스 라우팅에서 모바일 이벤트의 상황은 새로운 도전 과제를 제시한다. 그러나 기존의 멀티패스 라우팅 연구는 주로 소스들에서 정적인 싱크로 효율적인 멀티패스 구성과 패스 단절에 대한 빠른 멀티패스 재구성에 초점을 두었다. 따라서 이전 멀티패스 라우팅 프로토콜은 모바일 이벤트에 의해 발생하게 되는 연속적인 각각의 소스들이 소스에서 싱크로 각각의 멀티패스를 필요로 한다. 이는 이전 방안이 소스의 수에 비례하여 멀티패스 구성비용이 증가게 한다. 따라서 우리는 모바일 이벤트에 의해 연속적으로 발생하게 되는 소스를 지원하는 효율적인 멀티패스 라우팅 프로토콜을 제안한다. 제안방안에서 이전 소스에서 만들어 놓은 기존의 멀티패스를 이용함으로써, 새로운 소스가 효율적으로 재구성을 할 수 있다. 이를 위해, 제안방안은 지역적 멀티패스 재구성, 광역적 부분 멀티패스 재구성, 광역적 전체 멀티 패스 재구성의 세 방안 중 하나를 선택한다. 이 선택을 위해 우리는 멀티패스 재구성 비용과 데이터 포워딩 비용의 합을 계산하는 분석적인 에너지 소비 비용 모델을 제시한다. 시뮬레이션 결과 모바일 이벤트의 상황에서 멀티패스 라우팅을 할 때 제안방안이 기존의 방안보다 우수한 성능을 보였다.
무선 센서 네트워크는 센서 필드 상의 이벤트에 관한 데이터를 소스로부터 싱크로 수집하기 위해 연구되어왔다. 멀티패스 라우팅은 노드나 링크 단절에 의해 소스에서 싱크로의 패스가 종종 손실되는 문제에 대해 신뢰성 있는 데이터전송을 위한 매력적인 방안 중 하나이다. 사람이나 동물 혹은 차량 등과 같은 모바일 이벤트 상황에서, 소스는 이 모바일 이벤트의 이동에 따라 연속적으로 소스가 발생할 수 있다. 따라서 멀티패스 라우팅에서 모바일 이벤트의 상황은 새로운 도전 과제를 제시한다. 그러나 기존의 멀티패스 라우팅 연구는 주로 소스들에서 정적인 싱크로 효율적인 멀티패스 구성과 패스 단절에 대한 빠른 멀티패스 재구성에 초점을 두었다. 따라서 이전 멀티패스 라우팅 프로토콜은 모바일 이벤트에 의해 발생하게 되는 연속적인 각각의 소스들이 소스에서 싱크로 각각의 멀티패스를 필요로 한다. 이는 이전 방안이 소스의 수에 비례하여 멀티패스 구성비용이 증가게 한다. 따라서 우리는 모바일 이벤트에 의해 연속적으로 발생하게 되는 소스를 지원하는 효율적인 멀티패스 라우팅 프로토콜을 제안한다. 제안방안에서 이전 소스에서 만들어 놓은 기존의 멀티패스를 이용함으로써, 새로운 소스가 효율적으로 재구성을 할 수 있다. 이를 위해, 제안방안은 지역적 멀티패스 재구성, 광역적 부분 멀티패스 재구성, 광역적 전체 멀티 패스 재구성의 세 방안 중 하나를 선택한다. 이 선택을 위해 우리는 멀티패스 재구성 비용과 데이터 포워딩 비용의 합을 계산하는 분석적인 에너지 소비 비용 모델을 제시한다. 시뮬레이션 결과 모바일 이벤트의 상황에서 멀티패스 라우팅을 할 때 제안방안이 기존의 방안보다 우수한 성능을 보였다.
Wireless sensor networks have been researched to gather data about events on sensor fields from sources at sinks. Multipath routing is one of attractive approaches to reliably send data against the problem of frequent breakages on paths from sources to sinks due to node and link failures. As mobile ...
Wireless sensor networks have been researched to gather data about events on sensor fields from sources at sinks. Multipath routing is one of attractive approaches to reliably send data against the problem of frequent breakages on paths from sources to sinks due to node and link failures. As mobile events such as humans, animals, and vehicles are considered, sources may be continuously generated according to the movement of the mobile event. Thus, mobile events provide new challenging issue in multipath routing. However, the research on multipath routing mainly focus on both efficient multipath construction from sources to static sinks and fast multipath reconstruction against path breakages. Accordingly, the previous multipath routing protocols request each source continuously generated by a mobile event to construct individual multipath from the source to sinks. This induces the increase of multipath construction cost in the previous protocols in proportion to the number of source. Therefore, we propose efficient multipath routing protocol for supporting continuous sources generated by mobile events. In the proposed protocol, new source efficiently reconstructs its multipath by exploiting the existing multipath of previous sources. To do this, the proposed protocol selects one among three reconstruction methods: a local reconstruction, a global partial one, and a global full one. For a selection decision, we provide an analytical energy consumption cost model that calculates the summation of both the multipath reconstruction cost and the data forwarding cost. Simulation results show that the proposed protocol has better performance than the previous protocol to provide multipath routing for mobile events.
Wireless sensor networks have been researched to gather data about events on sensor fields from sources at sinks. Multipath routing is one of attractive approaches to reliably send data against the problem of frequent breakages on paths from sources to sinks due to node and link failures. As mobile events such as humans, animals, and vehicles are considered, sources may be continuously generated according to the movement of the mobile event. Thus, mobile events provide new challenging issue in multipath routing. However, the research on multipath routing mainly focus on both efficient multipath construction from sources to static sinks and fast multipath reconstruction against path breakages. Accordingly, the previous multipath routing protocols request each source continuously generated by a mobile event to construct individual multipath from the source to sinks. This induces the increase of multipath construction cost in the previous protocols in proportion to the number of source. Therefore, we propose efficient multipath routing protocol for supporting continuous sources generated by mobile events. In the proposed protocol, new source efficiently reconstructs its multipath by exploiting the existing multipath of previous sources. To do this, the proposed protocol selects one among three reconstruction methods: a local reconstruction, a global partial one, and a global full one. For a selection decision, we provide an analytical energy consumption cost model that calculates the summation of both the multipath reconstruction cost and the data forwarding cost. Simulation results show that the proposed protocol has better performance than the previous protocol to provide multipath routing for mobile events.
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문제 정의
따라서 본 논문에서 무선 센서 네트워크에서 모바일 이벤트로 인해 연속적으로 발생한 소스를 지원하기 위한 에너지 효율적인 멀티패스 라우팅 프로토콜을 제안한다. 지역적 멀티패스 재구성과 광역적 멀티패스 재구성 사이의 결정을 위해, 제안방안은 멀티패스 라우팅의 에너지 소비 비용을 고려한다.
본 논문은 무선 센서 네트워크에서 모바일 이벤트에 의한 연속적인 소스의 생성을 지원하기 위한 에너지 효율적인 멀티패스 라우팅 프로토콜을 제안했다. 제안방안은 연속적인 소스로 부터 이전 멀티패스를 이용한 효율적인 라우팅을 위해 지역적 재구성, 광역적 부분 재구성 그리고 광역적 전체 재구성의 세 가지 방안을 고려한다.
그러므로 새로운 소스의 위치는 지역적 멀티패스 재구성 방법을 디자인하는데 매우 중요한 요소이다. 본 논문은 지역적 멀티패스 재구성 방법을 제시하기 위해 새로운 소스가 생성되는 위치는 두가지 경우로 나눈다. 첫 번째 경우는 최초 소스와 싱크를 기반으로 구성된 Virtual Line(VL)으로부터 멀어지는 위치에 소스가 생성되는 것이다.
가설 설정
4 Zigbee를 이용하였다. 이벤트의 이동은 랜덤하게 이루어진다고 가정하였다. 또한 이벤트의 이동에 따라 소스 노드는 연속해서 발생한다.
제안 방법
지역적 멀티패스 재구성은 새로운 소스가 생성되면 기존의 패스를 그대로 이용하여 이전 소스와 새로운 소스 사이의 지역적인 멀티패스만 이어주어 이 패스를 통해 데이터를 전송하는 방안이다. 그리고 광역적 멀티패스 재구성은 새로운 소스가 생성되면 기존의 패스를 이용하지 않고 새로운 소스와 싱크 사이에 새롭게 멀티패스를 구성하고 이 경로를 통해서 데이터를 전송하는 방안이다.
그리고 패킷 전송 진행 과정은 먼저 소스에서 싱크로 멀티패스를 생성하고, 주 경로를 통해 1개의 데이터 패킷을 전송하는 것으로 하였다.
우리는 먼저 우리의 시뮬레이션 모델과 평가 항목을 소개한다. 다음으로 기존의 방안 중 모바일 싱크를 고려한 멀티패스 라우팅 방안이 없기 때문에 제안방안을 지역적 재구성과 광역적 재구성만을 하는 방안들과 시뮬레이션 결과를 통해 비교한다.
따라서, 본 논문에서 우리는 먼저, 기존 멀티패스 이용과 새로운 멀티패스 구성 사이의 결정을 위한 기준을 제시한다. 다음으로, 우리는 기존 멀티패스를 이용하는 방법을 제안한다. 마지막으로, 우리는 새로운 멀티패스 구성 방법을 제안한다.
그러므로, 이전 소스의 멀티패스를 이용할 지 새로운 멀티패스를 구성할지에 대한 확실한 기준을 제시하는 것이 모바일 이벤트를 위한 효율적인 멀티패스 전송을 지원하기 위해 필요하다. 따라서, 본 논문에서 우리는 먼저, 기존 멀티패스 이용과 새로운 멀티패스 구성 사이의 결정을 위한 기준을 제시한다. 다음으로, 우리는 기존 멀티패스를 이용하는 방법을 제안한다.
광역적 멀티패스 재구성이 선택되면, 제안방안은 새로운 소스에서 싱크로 광역적으로 멀티패스를 재구성한다. 또한 더 효율적인 광역적 멀티패스 재구성을 제공하기 위해서, 제안방안은 우리의 분석적 모델을 통해 오직 멀티패스의 부분만을 사용하는 광역적 부분 멀티패스 재구성과 멀티패스의 모든 부분을 사용하는 광역적 멀티패스 재구성 사이의 효율적인 선택 방법을 제공한다. 여러 환경에서의 시뮬레이션 결과는 제안방안이 이전방안과 비교하여 에너지 소비와 딜레이 측면에서 모바일 이벤트에 의한 연속적인 소스를 효율적으로 지원하는 것을 보여준다
다음으로, 우리는 기존 멀티패스를 이용하는 방법을 제안한다. 마지막으로, 우리는 새로운 멀티패스 구성 방법을 제안한다. 우리는 다음의 소절에서 위의 3 가지에 대해서 자세히 설명한다.
본 논문에서 우리는 에너지 소비 비용을 계산하기 위해, 먼저, 멀티패스 생성의 홉 수와 멀티패스 상의 데이터 전송홉 수를 고려하고, 다음으로 각각의 에너지 소비 비용을 이용한다. 구하고자 하는 두 노드 사이의 홉 수는 두 노드의 위치정보를 이용하여 예측 값을 구할 수 있다.
본 논문에서, 우리는 지역적 멀티패스 재구성 방법과 광역적 멀티패스 재구성 방법 사이의 선택을 위해 두 방법의 에너지 소비 비용을 고려한다. 지역적 멀티패스 재구성 방법의 총 에너지 소비 비용은 아래의 Equation (1)과 같이 나타낼 수 있다.
제안방안은 연속적인 소스로 부터 이전 멀티패스를 이용한 효율적인 라우팅을 위해 지역적 재구성, 광역적 부분 재구성 그리고 광역적 전체 재구성의 세 가지 방안을 고려한다. 세 가지 재구성 방안중 하나를 선택하기 위해서, 제안방안은 멀티패스를 재구성하고 구성된 멀티패스로 데이터를 포워딩하는 비용의 합을 분석적인 에너지 소비 비용 모델을 제시한다. 지역적인 멀티패스 재구성에서, 제안방안은 이전 소스에서 새로운 소스로 기존의 멀티패스를 이용한 지역적으로 재구성한다.
지역적 멀티패스 재구성과 광역적 멀티패스 재구성 사이의 결정을 위해, 제안방안은 멀티패스 라우팅의 에너지 소비 비용을 고려한다. 에너지 소비 비용을 계산하기 위해, 우리는 재구성된 멀티패스의 멀티패스 재구성 비용과 데이터 포워딩 비용의 합에 대한 분석적인 모델을 제시한다. 지역적 멀티패스 재구성이 우리의 분석적 모델을 통해 선택되면, 제안방안은 이벤트의 이동 방향을 고려하여 이전 소스에서 새로운 소스로 기존의 패스를 지역적으로 재구성한다.
이 장에서 우리는 제안 방안의 성능을 시뮬레이션을 통해 평가한다. 우리는 먼저 우리의 시뮬레이션 모델과 평가 항목을 소개한다. 다음으로 기존의 방안 중 모바일 싱크를 고려한 멀티패스 라우팅 방안이 없기 때문에 제안방안을 지역적 재구성과 광역적 재구성만을 하는 방안들과 시뮬레이션 결과를 통해 비교한다.
본 논문은 무선 센서 네트워크에서 모바일 이벤트에 의한 연속적인 소스의 생성을 지원하기 위한 에너지 효율적인 멀티패스 라우팅 프로토콜을 제안했다. 제안방안은 연속적인 소스로 부터 이전 멀티패스를 이용한 효율적인 라우팅을 위해 지역적 재구성, 광역적 부분 재구성 그리고 광역적 전체 재구성의 세 가지 방안을 고려한다. 세 가지 재구성 방안중 하나를 선택하기 위해서, 제안방안은 멀티패스를 재구성하고 구성된 멀티패스로 데이터를 포워딩하는 비용의 합을 분석적인 에너지 소비 비용 모델을 제시한다.
따라서 본 논문에서 무선 센서 네트워크에서 모바일 이벤트로 인해 연속적으로 발생한 소스를 지원하기 위한 에너지 효율적인 멀티패스 라우팅 프로토콜을 제안한다. 지역적 멀티패스 재구성과 광역적 멀티패스 재구성 사이의 결정을 위해, 제안방안은 멀티패스 라우팅의 에너지 소비 비용을 고려한다. 에너지 소비 비용을 계산하기 위해, 우리는 재구성된 멀티패스의 멀티패스 재구성 비용과 데이터 포워딩 비용의 합에 대한 분석적인 모델을 제시한다.
대상 데이터
우리의 시뮬레이션은 네트워크 크기는 1050m×1050m, 노드 배치는 균일하게, 전송범위는 15m, 컨트롤 패킷의 사이즈는 32 byte, 데이터 패킷의 사이즈는 128 byte, 그리고 MAC 프로토콜은 IEEE 802.15.4 Zigbee를 이용하였다.
이론/모형
우리는 제안방안, 지역적 재구성만 하는 프로토콜 그리고 광역적 재구성만 하는 프로토콜을 NS3 시뮬레이터를 이용해 평가한다[17]. 센서 장치의 파라미터는 MICA specification[18]을 참고하였다. 우리의 시뮬레이션은 네트워크 크기는 1050m×1050m, 노드 배치는 균일하게, 전송범위는 15m, 컨트롤 패킷의 사이즈는 32 byte, 데이터 패킷의 사이즈는 128 byte, 그리고 MAC 프로토콜은 IEEE 802.
성능/효과
그러나 새로운 소스 수가 증가하게 되면 가장 높은 에너지 소비를 보인다. 그리고 광역적 재구성만을 하는 프로토콜은 지역적 재구성만을 하는 프로토콜보다 낮은 에너지 소비를 보이며, 제안방안은 가장 낮은 에너지 소비를 보인다.
광역적 부분 멀티패스 재구성에서, 제안방안은 현재 멀티패스의 일부 패스만을 재사용하고, 다른 하나의 패스는 소스에서 싱크로 새로 재구성한다. 다양한 환경에서 수행된 시뮬레이션 결과는 모바일 이벤트를 위한 멀티패스 라우팅을 지원하기 위한 제안방안이 에너지 소비와 데이터 전송 딜레이 관점에서 다른 프로토콜들 보다 더 효율적인 것을 증명했다.
또한 더 효율적인 광역적 멀티패스 재구성을 제공하기 위해서, 제안방안은 우리의 분석적 모델을 통해 오직 멀티패스의 부분만을 사용하는 광역적 부분 멀티패스 재구성과 멀티패스의 모든 부분을 사용하는 광역적 멀티패스 재구성 사이의 효율적인 선택 방법을 제공한다. 여러 환경에서의 시뮬레이션 결과는 제안방안이 이전방안과 비교하여 에너지 소비와 딜레이 측면에서 모바일 이벤트에 의한 연속적인 소스를 효율적으로 지원하는 것을 보여준다
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
멀티패스 라우팅이 손실 무선 네트워크를 위한 효과적인 방안 중 하나로 고려된 이유는 무엇인가?
신뢰성 있는 데이터 전송을 위해, 멀티패스 라우팅 방안은 주 경로와 대체경로를 사용하는 방안을 제안했었다[6-8]. 주경로가 단절될 때, 멀티패스 라우팅은 새로운 패스 구성 없이 즉시 데이터를 대체경로를 이용하여 소스에서 싱크로 전송할 수 있다. 따라서 멀티패스 라우팅은 손실 무선 네트워크를 위한 가장 효과적인 방안 중 하나로 고려되었다[5].
일반적으로 무선 센서 네트워크에서 소스는 무엇에 의해 생성되는가?
우리의 이전방안은 오직 정적인 소스와 정적인 싱크 사이의 멀티패스 데이터 전송을 고려한다. 일반적으로 무선 센서 네트워크에서 소스는 이벤트에 의해 생성된다. 그리고 이벤트는 무선 센서 네트워크의 많은 어플리케이션에서 동적이다.
소스에서 싱크로 신뢰성 있는 데이터 전송이 무선 센서 네트워크에서 도전과제인 이유는 무엇인가?
이 센서 노드를 이용한 무선 센서 네트워크는 environment monitoring, smart battlefield, home automation, traffic control 등 다양하고 폭넓은 어플리케이션을 위해 디자인되고, 개발되어 왔다[2]. 무선 센서 네트워크에서 많은 어플레이케이션 중에 영토 보안과 침입 탐지와 같은 긴급 어플리케이션들은 삶과 그들의 자산을 보호하기 위해 치명적인 데이터를 전송하는 것을 필요로 한다[3, 4]. 그러나 무선 센서 네트워크는 소스에서 싱크까지 자원 제약적인 센서노드로 구성된 패스를 이용하기 때문에 잦은 단절을 갖는다[5]. 따라서 소스에서 싱크로 신뢰성 있는 데이터 전송은 무선 센서 네트워크에서 도전과제이다.
참고문헌 (18)
I. Akyildiz, W. Su, and E. Cayirci, "A Survey on Sensor Networks," IEEE Communications Magazine, pp.102-114, Aug., 2002.
P. Rawat, K. Singh, H. Chaouchi, and J. Bonnin, "Wireless sensor networks: a survey on recent developments and potential synergies," The Journal of Supercomputing, Vol. 68, Iss.01, pp.1-48, Apr., 2014.
K. Lorincz, D. Malan, T. Fulford-Jones, A. Nawoj, A. Clavel, V. Shnayder, G. Mainland, M. Welsh, and S. Moulton, "Sensor Networks for Emergency Response: Challenges and Opportunities", IEEE Pervasive Computing, Vol.3, No.4, pp. 16-23, Oct.-Dec., 2004.
G. Zhow, Z. Zhu, P. Zhang, and W. Li, "Source-Aware Redundant Packet Forwarding Scheme for Emergency Information Delivery in -Chain-Typed Multihop Wireless Sensor Networks," International Journal of Distributed Sensor Networks, Vol.11, No.3, Article ID 405374, Mar., 2015.
S. Chouikhi, I. Korbi, Y. Ghamri-Doudane, and L. Saidane, "A survey on fault tolerance in small and large scale wireless sensor networks," Computer Communications, Vol.69, pp. 22-37, Sep., 2015.
D. Ganesan and R. Govindan, et al. "Highly-Resilient, Energy-Efficient Multipath Routing in Wireless Sensor Networks," Mobile Computing and Communications Review, Vol.1, No.2, 2001.
B. Yahya and J. Ben-Othman, "REER:Robust and Energy Efficient Multipath Routing Protocol for Wireless Sensor Networks," in Proc. IEEE Globecom, Nov., 2009.
S. Kumar, S. Khimsara, K. Kambhatla, K. Girvanesh, J. Matyjas, and M. Medley, "Robust On-Demand Multipath Routing with Dynamic Path Upgrade for Delay-Sensitive Data over Ad Hoc Networks," Journal of Computer Networks and Communications, Vol.2013 Article ID 791097, 13 pages, 2013.
B. Liu, M. Chen, and M. Tsai, "Message-Efficient Location Prediction for Mobile Objects in Wireless Sensor Networks Using a Maximum Likelihood Technique," IEEE Transactions on Computers, Vol.60. No.6, pp.865-878, Jun., 2011.
M. Bhuiyan, G. Wang, and A. Vasilakos, "Local Area Prediction-Based Mobile Target Tracking in Wireless Sensor Networks," IEEE Transaction on Computers, Vol. 64, No.7, pp.1968-1982, Jul., 2015.
Jinhyuk Yim, Hoewon Kim, and Euisin Lee, "A Multipath Routing Protocol for Enhancing Reliability and Real-time in Wireless Sensor Networks," in Proc. KICS Summer Conference, Aug., 2015.
E. Lee, F. Yu, S. Park, S. Kim, Y. Noh, and E. Lee, "Design and analysis of novel quorum-based sink location service scheme in wireless sensor networks," Wireless Networks, Vol.20, Iss.03, pp.439-509, Apr., 2014.
T. Wang, Y. Cao, Y. Zhou, and P. Li, "A Survey on Geographic Routing Protocols in Delay/Disruption Tolerant Networks," International Journal of Distributed Sensor Networks, Vol.12, No.2, Article ID 3174670, Feb., 2016.
E. Lee, S. Park, F. Yu, and S. Kim, "Data gathering mechanism with local sink in geographic routing for wireless sensor networks," IEEE Trans. Consumer Electronics, Vol. 56, No.3, pp.1433-1441, Sep., 2010.
D. Chen, J. Deng, and P. Varshney, "Selection of a forwarding area for contention-based geographic forwarding in wireless multi-hop networks," IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol.56, No.5, pp.3111-3122, 2007.
W. R. Heinzelman, A. P. Chandrakasan, and H. Balakrishnan, "An Application-Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks," IEEE Trans. Wireless Commun., Vol.1, No.4, pp.660-670, Oct., 2002.
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