[논문]사물인터넷 서비스를 위한 이종무선센서네트워크에서의 개미 행동양식 기반 에너지 효율적 라우팅 기법

정순교; 염상길; 추현승

사물인터넷 서비스를 위한 이종무선센서네트워크에서의 개미 행동양식 기반 에너지 효율적 라우팅 기법
Ant Behavior Based Energy Efficient Routing Protocol in Heterogeneous WSNs for IoT Service 원문보기

정순교 (성균관대학교 정보통신대학) , 염상길 (성균관대학교 정보통신대학) , 추현승 (성균관대학교 정보통신대학)

무선센서네트워크는 사물인터넷을 구성하는 중요한 요소 중 하나로 향후 다양한 센서 노드로 구성된 이종무선센서네트워크의 활용이 증가할 것으로 예상하고 있다. 사물인터넷 사용자가 증가할수록 이종무선센서네트워크에 가해지는 데이터 요청 및 요구 또한 증가할 것이다. 한정된 에너지 자원을 가진 센서 노드로 구성된 무선센서네트워크에서 사물인터넷 서비스를 제공하기 위해서는 효율적 에너지 사용은 반드시 고려되어야 한다. 본 논문에서는 에너지 효율적인 방법으로 사물인터넷 서비스가 제공 가능한 라우팅 기법을 제안한다. 제안 기법에는 에너지 효율성을 제공하기 위해 대표적 군집지능인 개미 행동양식을 적용했다. 본 연구를 통해 개미 행동양식이 간단한 방법으로 에너지 효율적 라우팅을 가능하게 함을 확인했다. 또한, 성능평가를 통해 제안 기법의 에너지 효율성을 확인했다.

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문제 정의

본 논문에서는 이종 센서 노드로 구성된 무선센서네트워크에서 사물인터넷 서비스를 에너지 효율적으로 제공하기 위한 라우팅 기법을 제안한다. 이 기법은 대표적 군집지능[3]인 개미 행동양식을 적용하여 에너지 효율적인 방법으로 사용자의 쿼리 전달 및 데이터 수집이 가능하게 했다.
본 논문에서는 이종무선센서네트워크에서 에너지 효율적인 방법으로 사물인터넷 서비스를 제공하기 위한 쿼리기반 라우팅 기법을 제안했다. 그리고 본 연구를 통해 개미 행동양식이 에너지 효율적인 방법으로 전체 네트워크에 쿼리 전달을 위한 경로를 형성하고 특정 종류의 데이터 수집을 가능하게 함을 확인했다.

제안 방법

평가에 사용된 노드는 600개로 400m x 400m 지역에 무작위로 배치했다. 노드의 종류는 10가지에서 30개까지 5개 증가시켜가며 지정했으며, 50개의 쿼리 메시지를 발생시켰다. 에너지 모델은 논문 [11] 의 모델을 사용했다.
이 논문에서는 위 그림과 같은 Request/Response 형태의 사물인터넷 서비스 시나리오를 성능평가에 적용했다. 첫 번째로 사물인터넷 사용자는 요청을 사물인터넷에 전달한다.
제안 기법은 사물인터넷 통신 모델 지원 및 에너지 효율적 라우팅 제공을 위해 2.3장에서 소개한 개미 행동양식을 적용했다. 여러 종류의 페로몬은 노드 종류(Type), 페로몬이 집중적으로 남겨지는 장소는 중계 노드 역할을 하는 페로몬노드가 매칭된다.

대상 데이터

자세한 파라미터 정보는 아래와 같다. 시뮬레이션은 50회 진행했다.
23 환경에서 진행했다. 평가에 사용된 노드는 600개로 400m x 400m 지역에 무작위로 배치했다. 노드의 종류는 10가지에서 30개까지 5개 증가시켜가며 지정했으며, 50개의 쿼리 메시지를 발생시켰다.

데이터처리

본 장에서는 제안기법과 잘 알려진 쿼리 기반 라우팅 기법 DD과 비교 분석을 진행한다. 성능평가에 사용된 지표는 아래와 같다.

이론/모형

성능평가는 잘 알려진 네트워크 시뮬레이션 도구 NS-3[10] 버전 3.23 환경에서 진행했다. 평가에 사용된 노드는 600개로 400m x 400m 지역에 무작위로 배치했다.
노드의 종류는 10가지에서 30개까지 5개 증가시켜가며 지정했으며, 50개의 쿼리 메시지를 발생시켰다. 에너지 모델은 논문 [11] 의 모델을 사용했다. 자세한 파라미터 정보는 아래와 같다.

성능/효과

본 논문에서는 이종무선센서네트워크에서 에너지 효율적인 방법으로 사물인터넷 서비스를 제공하기 위한 쿼리기반 라우팅 기법을 제안했다. 그리고 본 연구를 통해 개미 행동양식이 에너지 효율적인 방법으로 전체 네트워크에 쿼리 전달을 위한 경로를 형성하고 특정 종류의 데이터 수집을 가능하게 함을 확인했다. 또한, 성능평가를 통해 제안 기법이 이종무선센서네트워크에서 에너지 효율적인 사물인터넷 서비스 제공할 수 있음을 확인했다.
그림 6은 데이터 수집에 소비되는 에너지의 효율성을 타나낸 것이다. 노드 종류가 다양할수록 두 기법의 에너지 효율성이 동일하게 내려가는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 노드 종류 증가에 따라 쿼리에 응답하는 노드의 수가 적어지기 때문이다.
위 그림5는 시뮬레이션이 종료된 후 전체 노드가 소비한 에너지를 나타내고 있다. 두 기법 중 제안 기법이 최대 30% 적은 에너지를 소비한 것을 확인할 수 있다. 제안 기법은 쿼리에 해당하는 페로몬노드만 쿼리 메시지 전파에 참여하는 반면, DD의 경우 모든 노드가 쿼리 메시지 전파에 참여하기 때문이다.
그리고 본 연구를 통해 개미 행동양식이 에너지 효율적인 방법으로 전체 네트워크에 쿼리 전달을 위한 경로를 형성하고 특정 종류의 데이터 수집을 가능하게 함을 확인했다. 또한, 성능평가를 통해 제안 기법이 이종무선센서네트워크에서 에너지 효율적인 사물인터넷 서비스 제공할 수 있음을 확인했다.
이 기법은 대표적 군집지능[3]인 개미 행동양식을 적용하여 에너지 효율적인 방법으로 사용자의 쿼리 전달 및 데이터 수집이 가능하게 했다. 성능 평가를 통해 에너지 효율성이 잘 알려진 라우팅 기법보다 최대 42% 이상 좋은 것을 확인했다.
그 이유는 노드 종류 증가에 따라 쿼리에 응답하는 노드의 수가 적어지기 때문이다. 이 결과를 통해 에너지 효율성이 기존 기법보다 좋다는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

무선센서네트워크는 사물인터넷의 주요 요소로 다양한 사물인터넷 서비스에 활용될 것이다 [1]. 그리고 다양한 센서 노드로 구성된 이종무선센서네트워크의 활용이 증가할 것이다. 앞으로 무선센서네트워크에 유입되는 요청 횟수는 증가할 것이며, 이를 위한 무선센서네트워크에서의 효율적인 에너지 사용은 반드시 고려되어야 한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

무선센서네트워크는 어디에 활용 되는가?

무선센서네트워크는 사물인터넷의 주요 요소로 다양한 사물인터넷 서비스에 활용될 것이다 [1]. 그리고 다양한 센서 노드로 구성된 이종무선센서네트워크의 활용이 증가할 것이다.

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