[논문]모바일 센서 네트워크에서 최단거리 멀티홉 전송을 위한 강한연결 클러스터 기법

우매리

doi:10.9717/kmms.2018.21.6.667

모바일 센서 네트워크에서 최단거리 멀티홉 전송을 위한 강한연결 클러스터 기법
Strong Connection Clustering Scheme for Shortest Distance Multi-hop Transmission in Mobile Sensor Networks 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.21 no.6, 2018년, pp.667 - 677

우매리 (Dept. Of Computer Culture, Yongnam Theological University and Seminary)

Abstract ▼ AI-Helper

Since sensor networks consist of sensor nodes with limited energy resources, so efficient energy use of sensor nodes is very important in the design of sensor networks. Sensor nodes consume a lot of energy for data transmission. Clustering technique is used to efficiently use energy in data transmission. Recently, mobile sink techniques have been proposed to reduce the energy load concentrated on the cluster header near a sink node. The CMS(Cluster-based Mobile sink) technique minimizes the generation of control messages by creating a data transmission path while creating clusters, and supports the inter-cluster one-hop transmission. But, there is a case where there is no connectivity between neighbor clusters, it causes a problem of having a long hop data transmission path regardless of local distance. In this paper, we propose a SCBC(Strong connection balancing cluster) to support the path of the minimum number of hops. The proposed scheme minimizes the number of hops in the data transmission path and supports efficient use of energy in the cluster header. This also minimizes a number of hops in data transmission paths even when the sink moves and establishes a new path, and it supports the effect of extending the life cycle of the entire sensor network.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 관련 연구[12]의 전송경로의 비효율성을 보완하기 위해서, 클러스터 헤더간 강한 연결을 제공하는 SCBC(Strong connection balancing cluster) 기법을 제안한다. 이 방법은 클러스터 환경에서 최소의 멀티홉 데이터 전송경로 및 균형적인 클러스터 구조를 생성하고, 싱크의 이동하는 환경에서 효율적인 경로설정을 지원한다.
본 논문은 관련 연구[12]의 문제점을 보완하기 위해서, 최소 홉수의 멀티홉 전송경로를 설정하기 위한 강한연결 및 균형 클러스터 구조를 생성하는 SCBC 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 클러스터생성 과정을 통해서 싱크로 데이터 전송경로가 동시에 설정되고, 싱크가 이동할 경우, 원활한 데이터 전송경로를 제공한다.
본 논문은 센서 네트워크에서 센서 노드의 효율적인 에너지 사용을 위해서, 강한연결 클러스터 기법을 제안했다. 제안한 방식은 관련 연구인 CMS 클러스터 기법에 비해서, 지역적 거리에 비례한 최소 홉의 멀티홉 데이터 전송경로를 지원하여, 데이터 전송에 소모되는 노드의 에너지 소모를 최소화한다.

제안 방법

가장 높은 신호세기의 응답 메시지를 전송하는 클러스터 헤더를 선택하여, ‘클러스터 헤더 선출’ 메시지를 전송한다.
이 방식은 센서 네트워크의 에너지 효율성과 지연에 민감한 센서 응용 어플리케이션에 대해서 좋은 품질의 서비스를 지원한다. 모바일 싱크의 이동 경로를 결정하는 RP 지점의 선출을 위해서 센서 토폴로지와 거리정보, 모바일 싱크의 이동 속도 등의 전체 센서 네트워크의 정보를 기반으로 가중치기반 알고리즘을 사용한다. 모바일 싱크는 선출된 RP로 이동하여 데이터를 수집하고, 센서 노드는 멀티홉을 통해서 RP로 데이터를 전송한다.
‘경로 갱신’ 메시지는 자신의 클러스터 헤더 ID와 홉수를 포함한다. 이 메시지를 수신한 클러스터 헤더는 홉수에 기반하여 데이터 전송 경로를 수정한다. 현재 생성된 클러스터 구조에서 2홉 이상 거리를 이동할 때, 경로 갱신 과정이 진행되어, 경로 갱신에 소모되는 에너지 소모를 줄일 수 있다.
제안하는 기법은 클러스터간 원홉 연결을 지원하는 클러스터 헤더를 순차적으로 선출하여 강한연결 및 균형 클러스터 구조를 생성한다. Fig.
본 논문은 관련 연구[12]의 문제점을 보완하기 위해서, 최소 홉수의 멀티홉 전송경로를 설정하기 위한 강한연결 및 균형 클러스터 구조를 생성하는 SCBC 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 클러스터생성 과정을 통해서 싱크로 데이터 전송경로가 동시에 설정되고, 싱크가 이동할 경우, 원활한 데이터 전송경로를 제공한다.
제안한 방식의 강한연결 클러스터 SCBC 기법의 에너지 사용의 효율성을 검증하기 위해서 실험을 수행하였다. 비교 대상 프로토콜은 모바일 싱크의 위치를 기준으로 트리를 구성하는 MLRP 기법과 기존의 클러스터 기반 라우팅 경로 설정방법인 CMS을 사용하였다.
제안한 SCBC 방식은 전체의 MLRP 방식에 비해서 평균 48%의 에너지를 소모하고, CMS 방식에 비해서 평균 90%의 에너지를 소모한다. 제안한 방식이 기존의 클러스터 방식인 CMS보다 더 나은 에너지 효율을 보이는 것은 데이터 전송경로의 홉수의 감소와 관련하여 데이터 크기의 감소에 대한 에너지 사용양의 효과로 분석된다.

대상 데이터

C언어를 이용하여 150 m × 150 m의 영역에 200개의 노드를 임의로 배치한 실험하였다.
클러스터는 채널 경쟁, 패킷 충돌을 줄이고, 데이터 포워딩 에너지 소모를 줄여서, 센서 노드의 제한된 에너지를 효율적으로 사용되게 한다. 싱크가 일정한 경로로 이동하는 상황에서, 싱크 이동 경로상에 위치한 클러스터는 만남지점 노드(RN, rendezvous node)를 선출하고, 싱크는 RN 노드를 방문하여 수집된 데이터를 수집한다. RN 노드는 수집된 데이터를 싱크로 전달하는 역할을 담당하므로, 센서 노드 중에 충분한 에너지를 가진 노드가 주기적으로 선출된다.
다른 방식의 미리 결정된 경로로 이동하는 기법으로 육각형 기반 싱크 경로기법[2]은 센서 영역이 육각형 타일 형태로 구조화되고, 싱크 노드들은 동기화 되어 육각형 가장자리의 안쪽 부분을 일정한 거리를 유지하면서 이동한다. 육각형 영역안의 센서 노드는 멀티 홉을 통해서, 육각형 모서리에 위치한 노드에게 센서 데이터를 전송하고, 싱크는 육각형 모서리에서 일정시간동안 센서 데이터를 수집한다. 이러한 고정 경로의 싱크이동은 특별한 상황에 적합한 방식으로 간주되어진다.
C언어를 이용하여 150 m × 150 m의 영역에 200개의 노드를 임의로 배치한 실험하였다. 전송범위는 30 m, 신호세기 임계치 거리범위 20 m, 제어 메시지 512 kbit, 데이터 메시지 2048 kbit를 사용하였다. 에너지 모델은 (1)을 이용하여 E_elec 비트당 송수신 에너지는 50 nJ/bit, ε 증폭 에너지는 100 pJ/bit를 사용하였다[13].

이론/모형

제안한 방식의 강한연결 클러스터 SCBC 기법의 에너지 사용의 효율성을 검증하기 위해서 실험을 수행하였다. 비교 대상 프로토콜은 모바일 싱크의 위치를 기준으로 트리를 구성하는 MLRP 기법과 기존의 클러스터 기반 라우팅 경로 설정방법인 CMS을 사용하였다. C언어를 이용하여 150 m × 150 m의 영역에 200개의 노드를 임의로 배치한 실험하였다.
에너지 모델은 (1)을 이용하여 Eelec 비트당 송수신 에너지는 50 nJ/bit, ε 증폭 에너지는 100 pJ/bit를 사용하였다[13].

성능/효과

44를 보여준다. SCBC는 제안한 강한연결 클러스터 기법으로 평균 2.92의 홉수로써 MLRP, CMS 비해서 현저히 낮은 홉수를 가진다.
13은 싱크 이동에 따른 경로 설정에서 제어 메시지 전송시에 소모되는 에너지 사용량의 누적값을 보여준다. 제안한 SCBC 방식은 전체의 MLRP 방식에 비해서 평균 31%의 에너지를 소모하고, CMS 방식에 비해서 평균 39%의 에너지를 소모한다. 제안한 방식은 MLRP, CMS 방식에 비교하여, 월등히 높은 에너지 효율을 보인다.
12는 데이터 전송회수에 따른 에너지 사용량을 보여준다. 제안한 SCBC 방식은 전체의 MLRP 방식에 비해서 평균 48%의 에너지를 소모하고, CMS 방식에 비해서 평균 90%의 에너지를 소모한다. 제안한 방식이 기존의 클러스터 방식인 CMS보다 더 나은 에너지 효율을 보이는 것은 데이터 전송경로의 홉수의 감소와 관련하여 데이터 크기의 감소에 대한 에너지 사용양의 효과로 분석된다.
제안한 SCBC 방식은 전체의 MLRP 방식에 비해서 평균 31%의 에너지를 소모하고, CMS 방식에 비해서 평균 39%의 에너지를 소모한다. 제안한 방식은 MLRP, CMS 방식에 비교하여, 월등히 높은 에너지 효율을 보인다.
본 논문은 센서 네트워크에서 센서 노드의 효율적인 에너지 사용을 위해서, 강한연결 클러스터 기법을 제안했다. 제안한 방식은 관련 연구인 CMS 클러스터 기법에 비해서, 지역적 거리에 비례한 최소 홉의 멀티홉 데이터 전송경로를 지원하여, 데이터 전송에 소모되는 노드의 에너지 소모를 최소화한다. 제안한 방식은 싱크 노드가 이동하여 새로운 경로를 설정하는 상황에서 에너지 효율적인 경로를 지원하고, 이것은 클러스터 헤더의 에너지 소모의 부하를 줄임으로 클러스터 헤더의 에너지를 효율적으로 사용하도록 지원하고, 전체 센서 네트워크의 생명 주기를 증가시킬 수 있다.
제안한 방식은 관련 연구인 CMS 클러스터 기법에 비해서, 지역적 거리에 비례한 최소 홉의 멀티홉 데이터 전송경로를 지원하여, 데이터 전송에 소모되는 노드의 에너지 소모를 최소화한다. 제안한 방식은 싱크 노드가 이동하여 새로운 경로를 설정하는 상황에서 에너지 효율적인 경로를 지원하고, 이것은 클러스터 헤더의 에너지 소모의 부하를 줄임으로 클러스터 헤더의 에너지를 효율적으로 사용하도록 지원하고, 전체 센서 네트워크의 생명 주기를 증가시킬 수 있다. 향후 연구로써 실제의 모바일 센서 네트워크 환경에 제안한 기법을 적용하기 위해서, 전체 프로토콜의 관점에서 제안한 기법의 효율성을 검증할 계획이다.

후속연구

제안한 방식은 싱크 노드가 이동하여 새로운 경로를 설정하는 상황에서 에너지 효율적인 경로를 지원하고, 이것은 클러스터 헤더의 에너지 소모의 부하를 줄임으로 클러스터 헤더의 에너지를 효율적으로 사용하도록 지원하고, 전체 센서 네트워크의 생명 주기를 증가시킬 수 있다. 향후 연구로써 실제의 모바일 센서 네트워크 환경에 제안한 기법을 적용하기 위해서, 전체 프로토콜의 관점에서 제안한 기법의 효율성을 검증할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CMS기법의 특징은 무엇인가?	모바일 싱크의 에너지 효율적인 경로와 자율적인 이동성을 지원하기 위한 프로토콜로써 CMS(Clusterbased Mobile sink)[12] 기법이 있다. 이 방식은 클러스터 기반 라우팅을 지원하여, 데이터 전송에 사용되는 노드의 효율성을 증가시키고, 클러스터 헤더 선출 과정과 동시에 싱크로 부터의 데이터 전송경로가 설정되어 제어 메시지를 최소화한다. 또한 클러스터 전송경로는 클러스터간 원홉 경로를 지원하여, 데이터 전송경로 설정과정을 단순화하고, 멀티홉 데이터 전송의 에너지 효율성을 제공한다.
	모바일 싱크가 많이 연구되고 있는 이유는 무엇인가?	싱크 노드가 원활하게 데이터를 수집하지 못하는 경우, 센서 응용 어플리케이션은 사용자에게 좋은 품질의 서비스를 제공 하지 못한다. 센서 노드의 불균등한 에너지 소모로 인한 네트워크 단절 현상을 줄이기 위해서, 싱크가 센서 네트워크 지역을 이동하며 센서 노드로부터 데이터를 수집하여, 싱크 노드 주변 노드에 집중되는 에너지를 분산시키는 모바일 싱크가 많이 연구되고 있다[4-5].
	TTDD가 소스 노드에서 싱크로 데이터 전송 경로를 설정하는 방법은 무엇인가?	TTDD(Two-Tier Data Dissemination)[10]는 대표적인 격자기반 센서 네트워크 프로토콜로써, 이 프로토콜을 기반으로 많은 연구가 진행되고 있다. 소스 노드가 데이터를 감지하면, 소스 노드를 격자지점으로 하여 격자 구조 센서 네트워크가 생성된다. 격자 구조 네트워크에서 싱크 노드는 ‘쿼리’ 메시지를 전송하고, 이 메시지는 가장 가까운 격자지점 노드가 수신하고, 해당 노드는 이 메시지를 다시 이웃 격자 지점 노드로 전송한다. 이 과정을 통해서 소스 노드에서 싱크로의 데이터 전송 경로가 설정되고, 소스 노드는 설정된 경로로 데이터를 전송한다. 싱크 노드가 설정된 라우팅 경로에서 벗어날 경우, 전체 라우팅 경로가 재설정되지 않고, 지역적인 경로 갱신을 지원한다.

참고문헌 (13)

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C. Tunca, S. Isik, M.Y. Donmez, and C. Ersoy, "Distributed Mobile Sink Routing for Wireless Sensor Networks: A Survey," IEEE Communications Surveys and Tutorials, Vol. 16, Issue 2, pp. 877-897, 2014.

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C. Konstantopoulos, G. Pantziou, D. Gavalas, A. Mpitziopoulos, and B. Mamalis, "A Rendezvous-based Approach Enabling Energy-efficient Sensory Data Collection with Mobile Sinks," IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, Vol. 23, Issue 5, pp. 809-817, 2012.

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L. Shi, B. Zhang, Z. Yao, K. Huang, and J. Ma, "An Efficient Multi-stage Data Routing Protocol for Wireless Sensor Networks with Mobile Sinks," IEEE Global Telecommunications, pp. 5-9, 2011.
K. Tian, B. Zhang, K. Huang, and J. Ma, "Data Gathering Protocols for Wireless Sensor Networks with Mobile Sinks," IEEE Global Telecommunications, pp. 6-10, 2010.
H. Luo, F. Ye, J. Cheng, S. Lu, and L. Zhang, "A Two-tier Data Dissemination Model for Large Scale Wireless Sensor Network," Proceeding of the Annual International Conference on Mobile Computing and Networking, pp. 148-159, 2002.
K. Kweon, H. Ghim, J. Hong, and H. Yoon, "Grid-based Energy-efficient Routing from Multiple Sources to Multiple Mobile Sinks in Wireless Sensor Networks," Proceeding of International Symposium on Wireless Pervasive Computing, pp. 11-13, 2009.
M. Wu, "An Efficient Routing Protocol for Mobile Sinks in Sensor Networks," Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 20, No. 4, pp. 640-648, 2017.

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M. Wu, H. Park, and C. Kim, "Multihop Routing Based on the Topology Matrix in Cluster Sensor Networks," Journal of The Institute of Signal P rocessing and Systems, Vol. 14, No. 1, pp. 45-50, 2013.

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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