[논문]Ad-hoc 네트워크의 시스템 활동시간 증가를 위한 효과적인 전력소비 라우팅

김영남; 박숙영; 이상규; 이주영

문제 정의

본 논문에서는 무선 Ad-hoc 네트워크에서 데이터의 전송에 따른 에너지의 소비뿐만이 아니라 계산에 필요한 제어신호의 전송에 따른 에너지의 소비도 함께 고려한 Maxlife 알고리즘을 통해서, 기존 연구인[1]보다 실제적인 환경에서 더 좋은 시스템 활동 시간을 갖는 라우팅 방법을 제안하였다.

가설 설정

노드 /가 갖고 있는 현재 에너지값 如는 초기에는 旦 와 같은 값을 갖는다. 네트워크에는 하나의 소스 노드 (source node)와 하나의 목적지 노드 (destination node)가 존재한다고 가정하는데, 소스 노드는 일정량의 데이터를 일정 간격을 두고 발생시키고 이 데이터는 목적 지 노드에 전달되어져야 한다. 이때, 두 노드 사이의 거리가 이 웃노드를 정의하는 거리의 범위를 초과하는 경우에는 다룬 노드들이 중간에서 데이터를 전달하는 타 중 홉(multi-hop) 통신방 식을 갖게 된다.

제안 방법

이것은 재방향설정 알고리즘을 사용함으로 인해 절약할 수 있는 전력 소비보다, 방향 재설정에 필요한 계산을 위해 필요한 제어 신호 전송에 따른 전력 소비가가 더 크기 때문이다[5丄 이어〕, 본 논문에서는 제어 신호 가 많이 사용되는 재방향설정 알고리즘보다는 적은 계산을 하여 제어 신호 전송에 따른 전력 소비를 줄이고, 초기 플로우 알고리즘보다는 남은 에너지의 양과 사용되어진 에너지의 양을 함께 고려하여 경로를 선택하는 방법을 사용하여 데이터 전송 에 따른 전력 소비를 줄였다. 따라서, 데이터 전송에 따른 전력 소비와 제어 신호 전송에 따른 전력 소비를 함께 고려할 때 앞의 두 방법보다 시스템 활동 시간을 증가시킬 수 있는 라우팅 방법을 제안하였다. 그림 3에서 제어 신호를 고려하지 않았을 때 본 논문이 제안하는 Maxlife 알고리즘방법의 결과가 초기 플로우 안을 사용한 방법과 재방향설정 알고리즘을 사용한 방법의 중 간에 위치하는 것을 볼 수 있고, 제어 신호 전송에 따른 전력 소비를 데이터 전송에 따른 전력 소비와 함께 고려한 경우에는 본 논문에서 제안하는 알고리즘이 초기 플루우 알고리즘이나 재방향설정 알고리즘 올 사용한 경우들보다 좋은 시스템 활농시간을 갗게 되는 것을 그림 4에서와같이 확인할 수 있다.
따라서, d卢2인 범위 안의 노드들만이 노드 /의 이웃 노드 집합인 N에 포함된다. 또한, 일반 데이터 전송에 坦 요한 에너지의 양과 제어 신호 전송에 필요한 에너지의 양은 구성하는 시스템에 따라 여러 가지 형태의 차이를 보일 수 있기 때문에, 일반 단위 데이터 전송 시 소비되는 에너지와 단위 제어 신호 전송 시 소비되는 에너지의 비율을 달리해가며 시스템의 활농시간을 측정해 보았다. 여기서, ce咅 를 노드 /에서 노드 丿로 하나의 제어 신호를 보낼 때 사용되는 에너지의 양이라 하면, 제어 신호 전송의 에 너자 사용량은 데이터 전송의 에너지 사용량에 대해 입력되는 비율( 坷)로 식(3)과 같이 나타낸다,
무선 Ad-Hoc 네트워크를 본 논문에서는 방향성이 있는 링크를 갖는 그래프의 형태로 모델화하였다. 이때, , 는 Ad-Hoc 네트워크 내에 존재하는 모바일 기기들을 나타내는 노드의 집합, £는 두 노드 사이의 통신을 나타내는 모든 방향성이 있는 링크 3, 力 (, , 丿导 μ)들의 집합을 나타낸다.
본 논문에서 수행한 실험에서는 각각 11개의 X, y 좌표를 임의로 추출하여 4x4 사각형의 범위에 노드들을 생성하고 이웃노 뜨가 될 수 있는 범위(range)는 2로 두었다. 따라서, d卢2인 범위 안의 노드들만이 노드 /의 이웃 노드 집합인 N에 포함된다.
시스템 활동 시간을 증가시키기 위해 제안된 재방향설정 알고리즘이 실제적으로 제어 신호에 소비되는 에너지를 고려하였을 경우에는 오히려 시스템 활동 시간이 감소되기 때문에 본 논문에서는 초기 풀로 우를 결정할 때, 더 많은 것을 고려하여 애초에 좋은 초기 플로우 경로를 결정하는 라우팅 방법을 제안한다. 우선, 초기 폴로우를 결정할 때 식(1)의 링크 비용(%)만을 사용하여 경로룰 결정하였던 기존 알고리즘과는 달리, 본 논문에서는 식(2) 와 같이, 가 사용한 소비전력의 합과 노드 /의 남은 에 너지를 함께 고려하여 링크 비용을 재정의하였다.
시스템 활동 시간을 증가시키기 위해 제안된 재방향설정 알고리즘이 실제적으로 제어 신호에 소비되는 에너지를 고려하였을 경우에는 오히려 시스템 활동 시간이 감소되기 때문에 본 논문에서는 초기 풀로 우를 결정할 때, 더 많은 것을 고려하여 애초에 좋은 초기 플로우 경로를 결정하는 라우팅 방법을 제안한다. 우선, 초기 폴로우를 결정할 때 식(1)의 링크 비용(%)만을 사용하여 경로룰 결정하였던 기존 알고리즘과는 달리, 본 논문에서는 식(2) 와 같이, 가 사용한 소비전력의 합과 노드 /의 남은 에 너지를 함께 고려하여 링크 비용을 재정의하였다.

성능/효과

Chang 등의 논문(1)에서 제안한 라우팅 방법은은 분산 Max-flow 알고리즘 올 응용하여 초기 플로우를 구하고 이를 다시 재방향설정 알고리즘 (Redirection algorithm)을 사용하여 초기 플로우 값을 조정하여 시스템 활동 시간을 늘려주는 방법이다. 그 결과 그람 1에서 확인할 수 있듯이, (1) 의 초기 플로우만을 사용한 경우보다 (2) 위 재방향 설정 알고리즘을 사용한 경우에 시스템 활동 시간이 증가하였다. 하지믄!, 이 방법에서는 데이터 전송에 따른 에너지의 소비 만을 고려한 것으로, 여러 가지 계산에 필요한 정보를 서로 교환하기 위하여 제어 신호(control signal)를 전송하는데도 에너지가 소비된다는 점을 고려하지 않았다.
따라서, 데이터 전송에 따른 전력 소비와 제어 신호 전송에 따른 전력 소비를 함께 고려할 때 앞의 두 방법보다 시스템 활동 시간을 증가시킬 수 있는 라우팅 방법을 제안하였다. 그림 3에서 제어 신호를 고려하지 않았을 때 본 논문이 제안하는 Maxlife 알고리즘방법의 결과가 초기 플로우 안을 사용한 방법과 재방향설정 알고리즘을 사용한 방법의 중 간에 위치하는 것을 볼 수 있고, 제어 신호 전송에 따른 전력 소비를 데이터 전송에 따른 전력 소비와 함께 고려한 경우에는 본 논문에서 제안하는 알고리즘이 초기 플루우 알고리즘이나 재방향설정 알고리즘 올 사용한 경우들보다 좋은 시스템 활농시간을 갗게 되는 것을 그림 4에서와같이 확인할 수 있다.
그림 4의 선 1과 선 2에서와같이 제어 신호 전송에 따른 에너 지의 소비를 함께 고려하게 되면, 데이터 전송 시 소비되는 에너지에 대한 제어 신호 전송 에너지 소비 비율이 5% 이상이 될 때, 재방향설정 알고리즘을 사용하는 것이 초기 플로우만을 사용한 경우보다 오히려 시스템 활동 시간을 감소시키는 것을 볼 수 있다. 그에 비해 그림 4의 선 3을 통해 알 수 있듯이, 본 논문에서 제안한 방법은 데이터 전송 시 소비되는 에너지에 대한 제어 신호 전송 에너지 소비 비율이 1% 이하일 때도 재방향설정 알고리즘을 사용한 경우와 시스템 활동 시간에 별 차이가 나지 않고, 1% 이상이 될 때는 초기 플로우만 사용한 경우와 재방향 설정 알고리즘을 사용한 경우보다도 시스템 활농시간을 증가 시 키는 것을 볼 수 있다.
때문에, 이러한 제어 신호 전송에 따른 에너지 소비까지 함께 고려한다면, Chang 등이 제안한 재방향설정 알고리즘에 의한 라우팅 방법이 그러한 재방향설정을 고려하지 않은 라우팅에 비해 오히려 시스템 활동 시간이 감소할 수 있다는 문제 제기를 ⑸에서 하였다. 본 논문에서는 무선 Ad-hoc 네트 워크에서 데이터의 전송에 소비되는 에너지뿐만 아니라 제어 신 호의 전송에 소비되는 에너지의 양을 함께 고려하는 라우팅 방법을 제안하고 실험을 통해 Chang 등이 제안한 라우팅 방법보다 좋은 시스템 활동 시간을 얻을 수 있는 결과임을 보여준다.
그림 2에서 확인할 수 있듯이, 제어 신호 전송에 따른 에너지의 소비롤 함께 고려하게 되면 (2) 의 재방향설정 알고리즘을 사용하는 것이 (1) 의 초기 플로우만을 사용하는 것보다 시스템 활농시간이 오히려 감소하는 경우가 생긴다는 것을 알 수 있다. 이것은 재방향설정 알고리즘을 사용함으로 인해 절약할 수 있는 전력 소비보다, 방향 재설정에 필요한 계산을 위해 필요한 제어 신호 전송에 따른 전력 소비가가 더 크기 때문이다[5丄 이어〕, 본 논문에서는 제어 신호 가 많이 사용되는 재방향설정 알고리즘보다는 적은 계산을 하여 제어 신호 전송에 따른 전력 소비를 줄이고, 초기 플로우 알고리즘보다는 남은 에너지의 양과 사용되어진 에너지의 양을 함께 고려하여 경로를 선택하는 방법을 사용하여 데이터 전송 에 따른 전력 소비를 줄였다. 따라서, 데이터 전송에 따른 전력 소비와 제어 신호 전송에 따른 전력 소비를 함께 고려할 때 앞의 두 방법보다 시스템 활동 시간을 증가시킬 수 있는 라우팅 방법을 제안하였다.

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