[논문]무선 센서 네트워크에서 다중 라우팅 프로토콜 사용을 위한 모델링과 시뮬레이션

남수만; 조대호; 김형종

doi:10.9709/jkss.2020.29.3.073

무선 센서 네트워크에서 다중 라우팅 프로토콜 사용을 위한 모델링과 시뮬레이션
Modeling and Simulation for using Multiple Routing Protocols in Wireless Sensor Networks 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.29 no.3, 2020년, pp.73 - 82

남수만 ((주)두두아이티 M&S연구소) , 조대호 (성균관대학교 정보통신공학부) , 김형종

초록
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4차 산업혁명에 있어 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Networks; WSNs)는 사람의 개입 없이 다양한 환경에서 데이터를 수집하고 분석하는 중요한 요소이다. 센서 네트워크는 토폴로지와 라우팅 프로토콜에 따라 네트워크 수명에 크게 영향을 받는데, 그중 라우팅 프로토콜은 일단 한 번 구축되면 운영 중에 변경하기 위해 많은 자원(에너지 등)이 소모된다. 네트워크 구축 전 동작과 성능을 예측하기 위해 다양한 시뮬레이터들이 제안되었음에도 불구하고, 라우팅 프로토콜들에 초점을 맞춰 시뮬레이션할 수 있는 도구는 부족한 현실이다. 본 논문은 DEVS(discrete event system specification)를 사용하여 다수의 라우팅 프로토콜을 시뮬레이션할 수 있는 WSN 모델을 제안한다. DEVS 기반의 제안 모델은 코디네이터 모델에 라우팅 프로토콜의 알고리즘을 구현하게 되면 모델의 구조와 변경 없이 다양한 상황에 대하여 시뮬레이션할 수 있다. 제안 모델의 정상적인 동작 확인을 위해 WSN의 대표적인 프로토콜인 LEACH와 Dijkstra를 사용하여 보고서 전달 수와 네트워크의 에너지 소모를 비교하였다. 그 결과 제안 모델은 두 라우팅 프로토콜에서 정상적으로 동작함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the fourth industrial revolution, wireless sensor networks (WSNs) are an important element of collecting and analyzing data in a variety of environments without human intervention. This sensor network is greatly affected by topology and routing protocols. Routing protocols, which affect energy consumption, are executed after deploying sensor nodes. Once built, they are difficult to change. Before the WSN is deployed, a routing protocol is carefully selected in view of various environments and the performance of the protocol is evaluated. In this paper, we propose a model to simulate multiple routing protocols using a discrete event system specification (DEVS). The DEVS-based proposed model simulates various situations without changes and structures of the its model as algorithms of the routing protocols are implemented in its coordinators model. To verify normal behaviors of the proposed model, the number of report delivery and the energy consumption of the sensor network were compared using representative protocols LEACH and Dijkstra. As a result, it was confirmed that the proposed model executes normally in both routing protocols.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. WSN for LEACH
그림 Fig. 2. WSN for Dijkstra based on Clusters
그림 Fig. 3. Proposed Model
그림 Fig. 4. State transition model of ROUTING_CNTR
그림 Fig. 5. State transition model of MN
표 Table 1. Pseudo code of External transition function
표 Table 2. Pseudo code of outuput function
표 Table 3. Pseudo code of internal transition function
그림 Fig. 6. CH의 상태 천이 모델
그림 Fig. 7. State transition model of BS
표 Table 4. Parameters
그림 Fig. 8. 전달된 보고서 수와 운행된 홉 수
그림 Fig. 9. 전체 네트워크 에너지 소모와 라우팅 프로토콜들

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 이산 사건 시뮬레이션인 DEVS를 사용하여 WSN에서 다중 라우팅 프로토콜(LEACH, 클러스터 기반 Dijkstra)을 위한 한 모델을 제안하고 시뮬레이션했다. DEVS 기반의 제안 모델은 두 프로토콜을 시뮬레이션 하기 위해 구조 변경 없이 라우팅 알고리즘만을 변경한다.
본 연구에서는 DEVS 커널 모델인 컨트롤드 모델(controlled-model)을 사용하여 한 코디네이터 모델에서 다수의 WSN 라우팅 프로토콜을 적용할 수 있는 시뮬레이션 모델을 제안한다. 제안하는 DEVS 기반의 WSN 모델은 코디네이터 모델을 사용함으로 다양한 라우팅 프로토콜 알고리즘을 자유롭게 구현하고 시뮬레이션 전에 한 프로토콜을 선택할 수 있다.
본 장에서는 DEVS 기반의 WSN 모델에 대해서 개략적으로 설명하고, 이 모델의 행위를 표현하는 원자 모델들을 상세하게 살펴본다.
이 시뮬레이터를 사용하면 OpenStreetMap의 디지털 지리적 인터페이스에서 센서 네트워크를 모델링하고 시뮬레이션 할 수 있다. 시뮬레이터의 목표는 모니터링, 환경 데이터 수집 등을위한 분산 알고리즘을 설계, 시각화, 디버그 및 검증하는 것이다. CupCarbon은 지리적 위치에 따라 다양한 상황을 시뮬레이션하고 모니터링 할 수 있지만 센서 네트워크의 다양한 라우팅 프로토콜^[12,13]을 사용하기는 어렵다.

가설 설정

센서 노드들이 보고서를 송수신할 때마다 Table 4에 보여준 것과 같이 노드의 에너지를 소모한다. 이때 패킷 손실이 없다고 가정한다. 센서 노드들은 배치가 완료된 후 시뮬레이션 종료 때까지 두 라우팅 프로토콜들을 한 번씩 실행한다.

제안 방법

EF 모델은 두 원자 모델 GENR와 TRANDS을 가지고 있다. GENR는 특정 시간마다 이벤트를 생성하여 WSN 모델에게 전달하고, TRANDS는 BS로부터 받은 보고서를 평가한다.
제안 모델의 정확한 동작 확인을 위해 코디네이터 모델에는 대표적인 라우팅 프로토콜들(LEACH^[1], Dijkstra^[7,14])을 구현했다. 그리고 두 라우팅 프로토콜 위에서 동작하는 센서 모델들이 전달하는 보고서 수와 에너지 소모를 비교하였다.
다시 말해, 한 소스(source) 센서가 보고서를 전달하면 코디네이터 모델은 네트워크의 라우팅 정보에 따라 다음 목적(destination) 노드를 선택한다. 따라서 제안 모델은 DEVS 모델의 구조와 변경 없이 구현된 다수의 프로토콜들 중 한 라우팅 알고리즘의 선택에 따라 시뮬레이션을 수행한다. 제안 모델의 정확한 동작 확인을 위해 코디네이터 모델에는 대표적인 라우팅 프로토콜들(LEACH^[1], Dijkstra^[7,14])을 구현했다.
특히, 제안 모델의 구조와 변경 없이 코디네이터 모델은 라우팅 알고리즘 구현만으로 WSN 프로토콜들을 평가할 수 있다. 본 실험에서는 WS 의 평면과 계층적 라우팅 프로토콜의 대표인 LEACH와 Dijkstra을 선택하여 제안 모델의 정상적인 동작 확인과 성능을 평가하였다. 특히, Dijkstra 라우팅 프로토콜은 클러스터 기반으로 구현된다^[7].
본 연구에서는 DEVS 커널 모델인 컨트롤드 모델(controlled-model)을 사용하여 한 코디네이터 모델에서 다수의 WSN 라우팅 프로토콜을 적용할 수 있는 시뮬레이션 모델을 제안한다. 제안하는 DEVS 기반의 WSN 모델은 코디네이터 모델을 사용함으로 다양한 라우팅 프로토콜 알고리즘을 자유롭게 구현하고 시뮬레이션 전에 한 프로토콜을 선택할 수 있다. 제안 모델은 코디네이터 모델 외에 동형 모델로 구현된 센서 모델들과 BS 모델을 사용한다.

대상 데이터

WSN은 다수의 센서 노드와 BS로 구성되어 있는데 다양한 환경에서 데이터를 수집하고 분석한다. 센서 네트워크는 토폴로지와 라우팅 프로토콜에 따라 다양한 요소들(에너지 소모, 전달 수 등)이 영향을 받는다.
제안 모델은 컨트롤드 모델을 사용한 DEVS 기반의 WSN 모델이다. Fig.
제안하는 DEVS 기반의 WSN 모델은 코디네이터 모델을 사용함으로 다양한 라우팅 프로토콜 알고리즘을 자유롭게 구현하고 시뮬레이션 전에 한 프로토콜을 선택할 수 있다. 제안 모델은 코디네이터 모델 외에 동형 모델로 구현된 센서 모델들과 BS 모델을 사용한다. 이때 센서 모델들 사이에는 코디네이터가 위치하며 선택된 라우팅 프로토콜을 기반으로 다음 센서 모델을 결정하게 된다.

이론/모형

DEVS를 소프트웨어로 구현하기 위해서는 ADEVS^[25], CD++^[18] 등이 개발되었는데 본 논문에서는 자체 개발한 DEVS^[26]를 사용했다.
따라서 제안 모델은 DEVS 모델의 구조와 변경 없이 구현된 다수의 프로토콜들 중 한 라우팅 알고리즘의 선택에 따라 시뮬레이션을 수행한다. 제안 모델의 정확한 동작 확인을 위해 코디네이터 모델에는 대표적인 라우팅 프로토콜들(LEACH^[1], Dijkstra^[7,14])을 구현했다. 그리고 두 라우팅 프로토콜 위에서 동작하는 센서 모델들이 전달하는 보고서 수와 에너지 소모를 비교하였다.

성능/효과

컨트롤러는 라우팅 정보에 따라 MN의 CH에 이 이벤트 데이터를 전달한다(상태 천이 passive → collecting → passive). 세 번째, 컨트롤러가 CH 모델로부터 받은 보고서를 받을 경우 passive에서 forwarding으로 천이한다. ROUTING_CNTR의 forwarding 상태에서는 라우팅 정보에 따라 받은 보고서를 어떤 모델에게 전달할지 결정한다.
DEVS 기반의 제안 모델은 두 프로토콜을 시뮬레이션 하기 위해 구조 변경 없이 라우팅 알고리즘만을 변경한다. 실험 결과를 통해 전체 네트워크의 에너지 소비는 클러스터 기반의 Dijkstra보다 LEACH가 낮았다. LEACH에서는 소스 CH에서 BS로 바로 전달되는 것을 확인했다.
우리의 제안 모델은 코디네이터 모델에서 라우팅 프로토콜의 알고리즘을 구현하게 되면 다양한 상황에 대하여 시뮬레이션할 수 있다. 특히, 제안 모델의 구조와 변경 없이 코디네이터 모델은 라우팅 알고리즘 구현만으로 WSN 프로토콜들을 평가할 수 있다. 본 실험에서는 WS 의 평면과 계층적 라우팅 프로토콜의 대표인 LEACH와 Dijkstra을 선택하여 제안 모델의 정상적인 동작 확인과 성능을 평가하였다.

후속연구

을 자유롭게 구현하여 시뮬레이션하기가 어렵다. 그 결과 제안된 시뮬레이터들이 WSN의 여러 성능을 측정하기 위해 활용됨에도 불구하고 여러 라우팅 프로토콜을 선택하여 시뮬레이션하기에는 한계가 있다.
LEACH에서는 소스 CH에서 BS로 바로 전달되는 것을 확인했다. 향후, WSN의 다양한 라우팅 프로토콜에 맞는 모델을 개발하고 이들을 서로 비교할 것이다.

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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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