[논문]무선센서네트워크에서 네트워크 수명연장을 위한 잔여전력 기반 라우팅 프로토콜

원종호; 박형근

doi:10.9717/kmms.2018.21.5.592

무선센서네트워크에서 네트워크 수명연장을 위한 잔여전력 기반 라우팅 프로토콜
Residual Power based Routing Protocol to Extend Network Lifetime in Wireless Sensor Networks 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.21 no.5, 2018년, pp.592 - 598

원종호 (School of Electrical, Electronic & Communication Eng., KOREATECH) , 박형근 (School of Electrical, Electronic & Communication Eng., KOREATECH)

Abstract ▼ AI-Helper

In wireless sensor networks where there is no centralized base station, each node has limited transmission range and the multi-hop routing for transmitting data to the destination is the one of the important technical issues. In particular, the wireless sensor network is not powered by external power source but operates by its own battery, so it is required to maximize the network life through efficient use of energy. To balance the power consumption, the residual power based adaptive power control is required in routing protocol. In this paper, we propose a routing protocol that prolongs the network lifetime by balancing the power consumption among the nodes by controlling the transmit power according to the residual power. We evaluate the proposed routing protocol using extensive simulation, and the results show that the proposed routing scheme can balance the power consumption and prolong network lifetime.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이렇게 두 개의 RREQ패킷을 전송하는 이유는 정상전력의 RREQ_RR=0을 추가로 보내서 저전력 전송영역 내에 중계노드가 존재하지 않을 경우 정상전송영역내의 노드를 통한 라우팅이 이루어지도록 하기 위함이다. 또한 RREQ 를 수신한 노드들이 자신이 어떤 전송영역에 속해있는지를 판단할 수 있도록 한다.
그러나 대부분의 라우팅 프로토콜들은 사전에 주변 노드들의 잔여전력을 인지하기 위한 전력정보를 전달하기 위해 많은 오버헤드를 필요로 하며 라우팅 알고리즘 또한 복잡해지는 문제점이 있다. 본 논문에서는 기존의 대표적 리엑티브 라우팅 프로토콜인 AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector) 라우팅을 기반으로 하여 노드를 잔여전력에 따라 고전력, 정상전력, 저전력의 3가지로 분류하고 각각의 분류에 따라 송신전력과 전송범위를 제어함으로써 노드간의 전력 불균형을 낮추어 전력이 고갈되는 노드의 수를 줄여 네트워크의 수명을 연장할 수 있는 라우팅 프로토콜을 제안한다.
본 논문에서는 노드의 잔여전력에 따라 송신전력을 제어함으로써 노드들간의 전력 불균형 문제를 해결하여 네트워크 수명을 증가시킬 수 있는 라우팅 프로토콜을 제안하였다. 각각의 센서노드들을 배터리의 잔여전력에 따라 고전력, 정상전력, 저전력 노드로 구분하고 이에 따라 전송전력 및 전송영역을 다르게 할당하였다.
본 논문에서는 제안된 라우팅 프로토콜의 성능을 비교 분석하기 위해서 MATLAB을 이용하여 무선 센서네트워크를 위한 라우팅 시뮬레이터를 개발하였다. 전체 네트워크는 121개의 노드로 구성되었으며 격자구조로 노드를 배치하였다.

가설 설정

5. The problem of RREQ-RREP exchange for long distance.
무선센서 네트워크에서 기존의 라우팅 기법들은 동일 전송전력을 이용한 동일한 전송범위를 가정하여 설계되었다. 이 경우 노드의 잔여전력에 상관없이 전송 경로내의 모든 노드들은 동일한 전력을 사용하여 데이터의 전송에 참여하게 된다.

제안 방법

본 논문에서는 노드의 잔여전력에 따라 송신전력을 제어함으로써 노드들간의 전력 불균형 문제를 해결하여 네트워크 수명을 증가시킬 수 있는 라우팅 프로토콜을 제안하였다. 각각의 센서노드들을 배터리의 잔여전력에 따라 고전력, 정상전력, 저전력 노드로 구분하고 이에 따라 전송전력 및 전송영역을 다르게 할당하였다. 제안된 라우팅 프로토콜을 시뮬레이션을 통해 그 성능을 기존의 홉 수기반의 라우팅 프로토콜과 비교 분석하였다.
노드의 잔여전력에 따라 저전력 노드, 정상전력 노드, 고전력 노드로 나누고 정상전력노드의 전송거리를 250m로 하고 mod1에서는 저전력 노드, 정상전력 노드, 고전력 노드의 전송거리를 1:2:4 의 비율로 설정하였으며 mod2에서는 1.5:2:3 으로 설정하였고 pathloss exponent값을 2로 하여 송신전력 및 배터리 전력소모를 계산하였다. 또한 고전력 노드 기준전력은 P_high=0.
5:2:3 으로 설정하였고 pathloss exponent값을 2로 하여 송신전력 및 배터리 전력소모를 계산하였다. 또한 고전력 노드 기준전력은 P_high=0.75P_max 로 하여 배터리 최대용량의 75%로 설정하였고 저전력 노드의 기준전력은 P_low=0.25P_max로 하여 배터리 최대용량의 25%로 설정하였다.
먼저 본 논문에서는 기존의 RREQ패킷과는 달리 송신전력과 전송영역을 제어할 수 있는 RREQ패킷을 새롭게 정의한다. 기존의 RREQ메시지 필드에 Fig.
전체 네트워크는 121개의 노드로 구성되었으며 격자구조로 노드를 배치하였다. 배터리 용량은 빠른 시뮬레이션을 위해 25J로 낮게 설정하였으며 pathloss exponent는 2로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 위한 네트워크 파라미터는 Table 1과 같다[8].
만약 노드의 잔여전력이 기준치 보다 낮아 저전력 노드로 분류되는 경우 전송범위를 줄여 전력소모를 줄일 필요가 있다. 본 논문에서는 RREQ의 송신전력을 줄여 작은 전송영역 내에서 릴레이노드를 찾게 함으로써 경로가 설정된 후 보다 적은 전력으로 데이터를 전송할 수 있게 한다. 그러나 이 경우 전송범위가 줄어듦에 따라 전송범위 내에 릴레이 노드가 존재하지 않을 문제가 발생할 수 있다.
이를 위해 제안하는 전력제어 라우팅 프로토콜에 서는 Fig. 6과 같이 고전력 노드의 경우는 제안된 RREQ패킷에서 정상 송신전력을 갖는 RREQRR=0 과 확장된 전송영역을 갖는 RREQRR=2 을 각각 전송하도록 한다.
4에서 보듯이 RR=0 일 때는 RREQ패킷을 정상전력으로 송신함을 의미하고 RR=1 일 때는 정상전력보다 낮은 전력으로 RREQ패킷을 송신하여 전송 영역을 감소시키고 RR=2인 RREQ패킷은 높은 전력으로 송신되어 정상적인 RREQ패킷보다 더 넓은 전송영역을 갖도록 한다. 이와 같이 RREQ패킷의 RR 필드를 추가함으로써 수신노드로 하여금 RREQ패킷의 전송전력과 전송영역을 알 수 있도록 하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 제안된 라우팅 프로토콜의 성능을 비교 분석하기 위해서 MATLAB을 이용하여 무선 센서네트워크를 위한 라우팅 시뮬레이터를 개발하였다. 전체 네트워크는 121개의 노드로 구성되었으며 격자구조로 노드를 배치하였다. 배터리 용량은 빠른 시뮬레이션을 위해 25J로 낮게 설정하였으며 pathloss exponent는 2로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.

데이터처리

각각의 센서노드들을 배터리의 잔여전력에 따라 고전력, 정상전력, 저전력 노드로 구분하고 이에 따라 전송전력 및 전송영역을 다르게 할당하였다. 제안된 라우팅 프로토콜을 시뮬레이션을 통해 그 성능을 기존의 홉 수기반의 라우팅 프로토콜과 비교 분석하였다. 그 결과 노드들 간의 잔여 전력차이가 크게 줄어들어 균형적인 전력소모가 이루어짐을 확인하였으며 이로 인해 전체적인 네트워크 수명이 크게 증가하는 것을 확인하였다.

이론/모형

본 라우팅 알고리즘은 AODV알고리즘을 기반으로 하여 설계하였다. 잔여전력의 임계값을 정해 구간을 세 개로 나눈 뒤 노드들은 세가지로 분류하고 해당 노드의 송신 전력을 조절한다.

성능/효과

제안된 라우팅 프로토콜을 시뮬레이션을 통해 그 성능을 기존의 홉 수기반의 라우팅 프로토콜과 비교 분석하였다. 그 결과 노드들 간의 잔여 전력차이가 크게 줄어들어 균형적인 전력소모가 이루어짐을 확인하였으며 이로 인해 전체적인 네트워크 수명이 크게 증가하는 것을 확인하였다.
기존의 AODV방식에서는 노드간의 잔여전력에 대한 표준편차가 크게 나타나 전력사용의 불균형이 심화됨을 알 수 있다. 반면 제안된 라우팅 프로토콜에서는 잔여전력의 표준편차가 크게 줄어듦을 확인할 수 있으며 저전력, 정상전력, 고전력 노드에 따른 전송거리가 1:2:4로 그 차이가 크게 나타나는 mod1의 경우가 전송거리가 1.5:2:3의 비율을 갖는 mod2에 비해 공평하게 전력사용이 이루어짐을 알 수 있다.
반면에 제안된 방식에서는 전송 패킷의 수가 많지 않을 때는 전력을 다한 노드의 수가 거의 없다가 차츰 증가하는 것을 볼 수 있다. 수명을 다한 노드 수는 네트워크의 수명으로 직결되기 때문에 매우 중요한 성능지표가 되며 결과에서 보듯이 제안한 라우팅 프로토콜을 사용했을 때 네트워크 수명이 크게 증가할 수 있음을 알 수 있다.
PL(d₀)는 기준거리 d₀ 에서의 경로손실을 의미한다. 위의 관계식을 보면 전송거리를 2배로 늘릴 때 pathloss exponent에 따라 4배에서 16배까지의 송신전력이 소요됨을 알 수 있다. 따라서 지나치게 전송범위를 늘릴 때는 매우 큰 송신전력을 요구하게 되고 이는 큰 전력소모로 연결될 수 있다.
제안하는 전력제어기반의 라우팅 프로토콜에서 RREQ(Route Request)를 플러딩 할 때 Fig. 5과 같이 고전력 노드는 RREQ 패킷의 송신전력을 보다 높게 전송하게 되면 홉수 기반의 경로선택과정에서 고전력 노드로부터 멀리 떨어진 노드가 중계노드로 선택될 가능성이 높게 된다. 단, Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제한된 크기의 전송 범위로 인해 직접 통신할 수 없는 거리에 위치한 노드들은 어떤 방식으로 통신을 수행하는가?	무선 센서 네트워크는 별도의 기지국이나 인프라 시설이 없는 상황에서 노드들이 독자적으로 네트워크를 구성하여 통신을 수행한다. 그리고 각각의 노드는 제한된 크기의 전송 범위를 가지고 있기 때문에 직접 통신할 수 없는 거리에 위치한 노드들은 ‘멀티 홉 라우팅’ 방식으로 통신을 수행한다. 그리고 통신을 수행하는 동안 두 노드 사이에 위치한 중간 노드들은 각자의 라우팅 테이블에 저장된 라우팅 정보에 따라 패킷을 다음 노드로 전달하는 라우터의 역할을 수행한다.
	무선 센서 네트워크 수행방식은?	최근 IoT 서비스의 증가에 따라 무선 센서네트워크에 대한 관심과 응용분야가 더 넓어지고 있으며 효율적 전력관리, 프로세싱과 저장능력, 전송영역과 신뢰성 등 관련 연구가 활발히 진행되고 있다[1]-[3]. 무선 센서 네트워크는 별도의 기지국이나 인프라 시설이 없는 상황에서 노드들이 독자적으로 네트워크를 구성하여 통신을 수행한다. 그리고 각각의 노드는 제한된 크기의 전송 범위를 가지고 있기 때문에 직접 통신할 수 없는 거리에 위치한 노드들은 ‘멀티 홉 라우팅’ 방식으로 통신을 수행한다.
	센서네트워크는 외부전원이 아닌 배터리를 통해 전원을 공급받기에 일어날 수 있는 문제는?	센서네트워크는 외부전원이 아닌 배터리를 통해 전원을 공급받기 때문에 사용할 수 있는 가용전원이 제한적이다. 따라서 자신이 보유하고 있는 배터리 잔량 에너지를 모두 소모하게 되면 노드는 더 이상 정상적인 라우팅 동작을 수행할 수 없게 되고 이와 같이 전원이 고갈된 노드가 많아지게 되면 네트워크는 기능을 상실하고 그 수명을 다하게 된다. 특히 노드들간의 전력소모에서의 불균형은 특정 노드들의 전력을 고갈시켜 전체적으로 충분한 전력을 갖는 노드들이 많이 있음에도 네트워크가 수명을 다하는 문제를 야기한다[4].

참고문헌 (8)

V. Stangaciu, M. Stanciu, L. Lupu, M.V. Micea, and V. Cretu, "Application Layer Protocol for IoT Using Wireless Sensor Networks," Proceeding of 9th International Congress on Ultra Mordern Telecommunications and Control Systems and Workshops, pp. 430-435, 2017.
Z. Sheng, C. Maharatra, C. Zhu, and V.M. Leung, "Recent Advantage in Industrial Wireless Sensor Networks Toward Efficient Management in IoT," IEEE Access, Vol. 3, pp. 622-637, 2015.

상세보기
S. Jung, S. Park, and C. Sim, "A Novel on Optimal Growth Management System of Corp Using Recirculation of Nutrient Solution Based on IoT and Location Tracking Technology," Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 19, No. 11, pp. 1891-1899, 2016.

원문보기 상세보기
P. Yarde, S. Srivastava, and K. Garg, "A Modified Energy Efficient Protocol for Optimization of Dead Nodes and Energy Consumption in Wireless Sensor Networks," Proceeding of Eleventh International Conference on Sensing Technology, 2017.
X. Fei, Y. Wang, A. Liu, and N. Cao, "Research on Low Power Hierarchical Routing Protocol in Wireless Sensor Networks," Proceeding of IEEE International Conference on Computational Science and Engineering, pp. 376-378, 2017.
N.H. Nazar and M.R. Heydarinezhad, "Enhancement Lifetime of Wireless Sensor Networks with Mobile Sink Managed and Improved Routing and Control Power Consumption," Proceeding of 2nd International Conference on Knowledge-based Engineering and Innovation, pp. 485-491, 2015.
X. Zhang, Z.H. Qian, Y.Q. Guo, and X. Wang, "An Efficient Hop Count Routing Protocol for Wireless Ad Hoc Networks," International Journal of Automation and Computing, Vol. 11, Issue 1, pp. 93-99, 2014.

상세보기
K. Shim and B. An, "A RF Energy Based Protocol in Mobile Ad-hoc Wireless Sensor Networks," Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers, Vol. 53, No. 4, pp. 87-93, 2016.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증