무선 센서엑츄에이터 네트워크(WSAN) 시스템은 기존의 무선 센서 네트워크(WSN)에서 엑츄에이터 기능을 추가한 센서 노드들을 연결하여 망을 구성하는 시스템이다. 엑츄에이터는 센서 노드와 함께 작동하며, 재난구호, 군용 감시체계, 건강 모니터링 및 기반시설 보안 등의 여러 응용분야에 적용된다. 이러한 응용분야는 적시에 정확하게 작동하여 데이터를 신뢰성 있게 전달하는 능력이 요구된다. 생물학적으로 영감을 받은 모델링 기법은 개별적인 단순함을 유지하면서 동시에 강인성과 확장성, 적응성을 달성할 수 있는 기법으로 최근 상당한 관심을 받아오고 있다. 본 논문에서는 생물학적 메커니즘 중 전염병 전파 모델을 기반으로 이산 동적 모델을 제안하고 WSAN 시스템에 적용하고자 한다. 이를 위해 에너지 소모를 최소화하면서 동시에 시간지연 구속조건을 갖는 데이터 전파를 위한 노드 스케줄링 기법을 제안한다. 제안된 기법의 평형 상태 분석과 제어이론을 바탕으로 시스템의 안정성을 분석한 후 시뮬레이션 결과를 통해 요구 지연 시간을 만족하는 동시에 에너지 소모를 줄이는 성능을 검증한다.
무선 센서 엑츄에이터 네트워크(WSAN) 시스템은 기존의 무선 센서 네트워크(WSN)에서 엑츄에이터 기능을 추가한 센서 노드들을 연결하여 망을 구성하는 시스템이다. 엑츄에이터는 센서 노드와 함께 작동하며, 재난구호, 군용 감시체계, 건강 모니터링 및 기반시설 보안 등의 여러 응용분야에 적용된다. 이러한 응용분야는 적시에 정확하게 작동하여 데이터를 신뢰성 있게 전달하는 능력이 요구된다. 생물학적으로 영감을 받은 모델링 기법은 개별적인 단순함을 유지하면서 동시에 강인성과 확장성, 적응성을 달성할 수 있는 기법으로 최근 상당한 관심을 받아오고 있다. 본 논문에서는 생물학적 메커니즘 중 전염병 전파 모델을 기반으로 이산 동적 모델을 제안하고 WSAN 시스템에 적용하고자 한다. 이를 위해 에너지 소모를 최소화하면서 동시에 시간지연 구속조건을 갖는 데이터 전파를 위한 노드 스케줄링 기법을 제안한다. 제안된 기법의 평형 상태 분석과 제어이론을 바탕으로 시스템의 안정성을 분석한 후 시뮬레이션 결과를 통해 요구 지연 시간을 만족하는 동시에 에너지 소모를 줄이는 성능을 검증한다.
Wireless sensor-actuator networks (WSANs) enhance the existing wireless sensor networks (WSNs) by equipping sensor nodes with an actuator. The actuators work with the sensor nodes and perform application-specific operations. The WSAN systems have several applications such as disaster relief, intelli...
Wireless sensor-actuator networks (WSANs) enhance the existing wireless sensor networks (WSNs) by equipping sensor nodes with an actuator. The actuators work with the sensor nodes and perform application-specific operations. The WSAN systems have several applications such as disaster relief, intelligent building, military surveillance, health monitoring, and infrastructure security. These applications require capability of reliable data transfer to act responsively and accurately. Biologically inspired modeling techniques have received considerable attention for achieving robustness, scalability, and adaptability, while retaining individual simplicity. In this paper, an epidemic-inspired algorithm for data dissemination with delay constraints while minimizing energy consumption in WSAN is proposed. The steady states and system stability are analyzed using control theory. Also, simulation results indicate that the proposed scheme provides desirable dissemination delay and energy saving.
Wireless sensor-actuator networks (WSANs) enhance the existing wireless sensor networks (WSNs) by equipping sensor nodes with an actuator. The actuators work with the sensor nodes and perform application-specific operations. The WSAN systems have several applications such as disaster relief, intelligent building, military surveillance, health monitoring, and infrastructure security. These applications require capability of reliable data transfer to act responsively and accurately. Biologically inspired modeling techniques have received considerable attention for achieving robustness, scalability, and adaptability, while retaining individual simplicity. In this paper, an epidemic-inspired algorithm for data dissemination with delay constraints while minimizing energy consumption in WSAN is proposed. The steady states and system stability are analyzed using control theory. Also, simulation results indicate that the proposed scheme provides desirable dissemination delay and energy saving.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 WSAN을 위해 시간 지연을 고려한 노드 스케줄링 방식을 제안하였다. 전염병학적 모델을 WSAN에서 사용하기 적합한 형태로 이산 동적 모델을 제안하였고 이 모델을 기반으로 WSAN의 노드 스케줄링 알고리즘을 제안하였다.
본 논문에서는 이를 위해 α값을 제어하는 α-제어기를 제안한다.
전염병 이론의 전염병 개념으로 모델링된 데이터 전파와 관련된 유명한 연구 중 하나는 SPIN이다[4]. 이 연구에서는 모든 노드에 개별 노드 관측의 효율적인 전파에 관심을 집중했으며, 네트워크에서 불필요한 전송을 줄여주는 데이터 기술자 (data descriptor)를 제안하였다. Firecracker 프로토콜[5]은 무선네트워크를 통해 데이터가 빠르게 전파되도록 라우팅과 브로드캐드트를 결합한 기법을 제안하였다.
이러한 문제를 다루기 위해 본 논문에서는 전염병 이론에 의해 영감을 받은 지연시간 요구를 고려한 데이터 전파 기법을 제안한다. 제안된 기법은 응용분야의 시간 지연 요구사항에 따라 노드 상태를 제어하며, 이는 정보 확산율이 동적으로 조절되도록 한다.
제안 방법
노드가 켜져 있는 동안, 새로운 데이터를 수신했을 경우, 노드는 계산된 확률로 이웃에 그 데이터를 전송하며, 주기 Im(Im<IM)으로 활성화 된다. 노드가 모든 타임 슬롯마다 시간 간격 Im으로 무선 기능이 활성화 되고 이 때, 제안된 기법으로 노드의 활성/슬립 상태를 결정한다. 활성화되면, 노드는 시간 간격 Ta동안 작동한 채 유지되며, 이후 슬립모드로 들어간다.
제안된 기법은 응용분야의 시간 지연 요구사항에 따라 노드 상태를 제어하며, 이는 정보 확산율이 동적으로 조절되도록 한다. 또한 제안된 기법이 원하는 전파 시간지연과 시스템 안정성을 보장함을 제어 이론을 바탕으로 증명한다.
시스템의 안정성을 검증하기 위해, 비선형 시스템을 평균 정상상태 점에 대한 선형화를 통해 근사화 한다. z(n) = [x(n) α(n)]T 라 하면, 다음과 같은 선형 시스템을 얻을 수 있다.
전염병학적 모델을 WSAN에서 사용하기 적합한 형태로 이산 동적 모델을 제안하였고 이 모델을 기반으로 WSAN의 노드 스케줄링 알고리즘을 제안하였다. 응용분야에 대한 원하는 성능을 보장하기 위해, 제안된 방식은 정보 확산률을 제어하며, 이는 지연시간 요건과 동적 네트워크 환경에 따라 활성/슬립 노드 수를 결정하게 된다. 제안된 방안에 대해 제어 이론을 이용하여 시스템 성능을 분석하고 시스템 파라미터 조건을 유도했다.
전염병 이론의 Susceptible-Infected-Susceptible (SIS) 모델 ([10]-[11])을 기반으로 다음과 같은 이산 동적 모델을 제안한다.
본 논문에서는 WSAN을 위해 시간 지연을 고려한 노드 스케줄링 방식을 제안하였다. 전염병학적 모델을 WSAN에서 사용하기 적합한 형태로 이산 동적 모델을 제안하였고 이 모델을 기반으로 WSAN의 노드 스케줄링 알고리즘을 제안하였다. 응용분야에 대한 원하는 성능을 보장하기 위해, 제안된 방식은 정보 확산률을 제어하며, 이는 지연시간 요건과 동적 네트워크 환경에 따라 활성/슬립 노드 수를 결정하게 된다.
이러한 문제를 다루기 위해 본 논문에서는 전염병 이론에 의해 영감을 받은 지연시간 요구를 고려한 데이터 전파 기법을 제안한다. 제안된 기법은 응용분야의 시간 지연 요구사항에 따라 노드 상태를 제어하며, 이는 정보 확산율이 동적으로 조절되도록 한다. 또한 제안된 기법이 원하는 전파 시간지연과 시스템 안정성을 보장함을 제어 이론을 바탕으로 증명한다.
제안된 방식의 주요 기여는 (1) 전염병 체계를 기반으로 하는 WSAN 을 위한 새로운 모델 제안하였으며 (2)제안된 모델의 동력학은 자동으로 WSAN 시스템 성능이 역동적인 네트워크 조건에서 에너지 소모를 최소화 하며, 원하는 전파 시간지연을 갖도록 하며, (3) 제어 이론을 바탕으로 네트워크 응답성과 정상상태를 도출하고, (4) 안정성에 대한 이론적 분석을 통해 시스템 파라미터 조건을 제공한다는 것이다.
응용분야에 대한 원하는 성능을 보장하기 위해, 제안된 방식은 정보 확산률을 제어하며, 이는 지연시간 요건과 동적 네트워크 환경에 따라 활성/슬립 노드 수를 결정하게 된다. 제안된 방안에 대해 제어 이론을 이용하여 시스템 성능을 분석하고 시스템 파라미터 조건을 유도했다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안된 기법이 요구되는 지연 시간을 만족하고 에너지 소모를 줄임을 확인하였다.
대상 데이터
그림 1은 각각 15초, 20초, 25초의 지연시간 요건에 대한 제안된 방식에 따른 Na의 변화를 보여준다. 이 실험에서 노드 수는 100이다. Na가 시간지연 요건을 기준으로 각 경우에 일정한 값에 수렴함을 관찰 할 수 있다.
성능/효과
결과적으로, 주어진 응용분야 요건 수준과 네트워크 조건에 대해, 감염률(정보 확산률) α가 결정되며 이로 인해 활성화된 노드 수 Na를 효율적으로 제어할 수 있게 된다.
하지만 이러한 생체 기반 모델들을 이용한 알고리즘들은 역동적인 네트워크 조건 하에서도 고정된 파라미터를 이용하므로 특정한 응용분야에 대한 원하는 성능 수준을 보장하기 힘들다. 또한 기존의 알고리즘은 해석 모델 보다는 주로 실험 결과를 기반으로 시스템 성능을 확인하므로 시스템 안정성 측면에서 이론적으로 분석되지 않았다. 안정성 문제는 이들 시스템의 해석적 복잡성 때문에 시뮬레이션 결과로만 확인되었다.
제안된 방안에 대해 제어 이론을 이용하여 시스템 성능을 분석하고 시스템 파라미터 조건을 유도했다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안된 기법이 요구되는 지연 시간을 만족하고 에너지 소모를 줄임을 확인하였다.
그림 3은 제안된 방안의 에너지 소모와 최대 지연시간을 보여준다. 제어 가능한 범위 내에서 제안된 방식이 지연시간 요건을 충족하면서 에너지를 소모를 줄일 수 있도록 파라미터를 제어할 수 있다는 사실을 확인 할 수 있다. 그래프에서 점선은 전파 시간지연이 지연시간 요건과 동일한 경우이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선 센서 엑츄에이터 네트워크이란 무엇인가?
무선 센서 엑츄에이터 네트워크(WSAN) 시스템은 기존의 무선 센서 네트워크(WSN)에서 엑츄에이터 기능을 추가한 센서 노드들을 연결하여 망을 구성하는 시스템이다. 엑츄에이터는 센서 노드와 함께 작동하며, 재난구호, 군용 감시체계, 건강 모니터링 및 기반시설 보안 등의 여러 응용분야에 적용된다.
엑츄에이터는 어떤 분야에 적용되는가?
무선 센서 엑츄에이터 네트워크(WSAN) 시스템은 기존의 무선 센서 네트워크(WSN)에서 엑츄에이터 기능을 추가한 센서 노드들을 연결하여 망을 구성하는 시스템이다. 엑츄에이터는 센서 노드와 함께 작동하며, 재난구호, 군용 감시체계, 건강 모니터링 및 기반시설 보안 등의 여러 응용분야에 적용된다. 이러한 응용분야는 적시에 정확하게 작동하여 데이터를 신뢰성 있게 전달하는 능력이 요구된다.
WSAN 시스템에서 에너지 절감과 지연 시간 요구를 만족하는 이중적인 목표를 갖는 신뢰할 수 있는 노드 스케줄링 제어 기법이 필요한 이유는 무엇인가?
따라서 효율적이고 신뢰할 수 있는 자료 전송 체계가 적시에 정확하게 작동해야 한다. 하지만 기존의 WSN을 위한 매체접근제어(medium access control)(MAC) 프로토콜은 주로 에너지 절감을 위해 설계되었고 이러한 에너지 소비 절감은 추가적인 종단간 시간 지연을 유발하며, 이는 역동적인 네트워크 변화 환경에서 WSAN 시스템이 신뢰할 수 있는 통신 요건을 충족시키기 어렵게 만든다. 따라서 WSAN 시스템에서는 에너지 절감과 지연 시간 요구를 만족하는 이중적인 목표를 갖는 신뢰할 수 있는 노드 스케줄링 제어 기법이 필요하다.
참고문헌 (11)
O. Akan, I. Akyildiz, and V. C. Gungor, "A real time and reliable transport protocol for wireless sensor and actor networks," IEEE/ACM Trans. on Networking, vol. 16, no. 2, pp. 359-370. 2008. http://dx.doi.org/10.1109/TNET.2007.900413
H. Salarian, K. Chin, and F. Naghdy, "Coordination in wireless sensor-actuator networks: A survey," Journal of Parallel Distributed Computing, vol. 72, no. 7, pp. 856-867, 2012. http://dx.doi.org/10.1016/j.jpdc.2012.02.013
Pradip De and Sajal K. Das, Y. Gao, and D. Zuo, "Epidemic models, algorithm and protocols in wireless sensor and ad-hoc networks," John Wiley & Sons, doi:10.1002/9780470396360.ch3, 2008.
J. Kulik, W. Rabiner, H. Balakrishnan, "Adaptive protocols for information dissemi- nation in wireless sensor networks," Proc. the Fifth ACM/IEEE Int. Conf. Mobile Com- puting and Networking, pp. 174-184. 1999. http://dx.doi.org/10.1145/313451.313529
P. Levis and D. Culler, "The firecracker protocol," Proc. the 11th ACM SIGOPS Euro- pean workshop, 2004. http://dx.doi.org/10.1.1.1.2952
P. Levis, N. Patel, D. Culler, and S. Shenker, "Trickle: a self-regulating algorithm for code propagation and maintenance in wireless sensor networks," Proc. the 1st conf. Symp. Networked Systems Design and Implementation, vol. 1, pp. 2-2, 2004.
J. W. Hui and D. Culler, "The dynamic behavior of a data dissemination protocol for network programming at scale," Int. Conf. Embedded Networked Sensor Systems, 2004. http://dx.doi.org/10.1145/1031495.1031506
M. Musolesi and C. Mascolo, "Controlled epidemic-style dissemination middleware for mobile ad hoc Networks," Proc. 3rd Ann. Int. Conf. Mobile and Ubiquitous Systems, pp.1-9, 2006. http://dx.doi.org/10.1109/MOBIQW.2006.361736
G. Williamson, D. Cellai, S. Dobson, and P. Nixon, "Modelling periodic data dissemination in wireless sensor networks," UKSim European Symposium on Computer Modeling and Simulation, pp.499-504, 2009. http://dx.doi.org/10.1109/EMS.2009.31
R. M. Anderson and R. M. May, "Infectious diseases of humans: dynamics and control," Oxford University Press, 1992.
M. E. J. Newman, "The structure and function of complex networks," SIAM Review, vol. 45, pp. 167, 2003. http://dx.doi.org/10.1137/S003614450342480
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.