[논문 리뷰] A novel clustering algorithm for coverage a large scale in WSN

Wassim Jerbi, Abderrahmen Guermazi외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 10.

Energy Efficient Wireless Sensor Networks참고 문헌 11인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 고립(또는 고립된) 노드 문제를 해결하기 위해 클러스터 구성원이 게이트웨이 역할을 할 수 있도록 함으로써 연결성과 커버리지 향상을 이루는 대규모 무선 센서 네트워크(WSNs)를 위한 새로운 클러스터링 알고리즘인 O-LEACH를 제안한다. 에너지 효율적인 클러스터 헤드를 선택하고 모든 노드가 연결되어 있도록 함으로써 O-LEACH는 LEACH 대비 네트워크 수명, 확장성, 에너지 효율성 향상에 기여하며, 시뮬레이션 결과는 연결성 비율, 에너지 절약, 커버리지 유지 측면에서 뛰어난 성능을 확인한다.

ABSTRACT

The applications require coverage of the whole monitored area for long periods of time. Clustering is a way to reduce communications, minimize energy consumption and organize messages among the cluster head and their members. The message exchange of communication and data transmission between the different sensor nodes must be minimized to keep and extended the lifetime of the network because of limited energy resources of the sensors. In this paper, we take into consideration the problem isolated nodes that are away from the cluster head (CH) and by consequence or CH is not within the reach from these nodes. To solve this problem, we propose O-LEACH (Orphan Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) a routing protocol that takes into account the orphan nodes. Indeed, a cluster member will be able to play the role of a gateway which allows the joining of orphan nodes. Our contribution is to election a cluster head that has enough energy for a better now to coordinate with these member nodes and maintain the full coverage for applications which requires of useful data for the entire area to be covered. The simulation results show that O-LEACH performs better than LEACH in terms of connectivity rate, energy, scalability and coverage.

연구 동기 및 목표

• 대규모 WSNs에서 클러스터 헤드의 통신 범위를 벗어난 고립된 노드 문제를 해결하기 위해.
• 에너지 제약이 있는 WSNs에서 장기간 운영 기간 동안 네트워크 연결성과 전역 커버리지 향상을 위해.
• 클러스터링 기반 WSN 라우팅 프로토콜에서 에너지 효율성과 확장성 향상을 위해.
• 고에너지 클러스터 헤드를 선택하고 고립된 노드를 위한 중간 노드가 게이트웨이 역할을 할 수 있도록 함으로써 네트워크 수명을 연장하기 위해.

제안 방법

• 대규모 WSNs에서 고립된 노드를 처리하기 위해 LEACH 프로토콜의 개선된 버전인 O-LEACH를 제안한다.
• 잔류 에너지가 충분한 클러스터 구성원이 고립된 노드의 데이터를 중계할 수 있도록 하는 메커니즘을 도입한다.
• 더 높은 잔류 에너지를 가진 노드를 선택함으로써 안정적인 클러스터 조율을 보장하는 에너지 인식 클러스터 헤드 선출 과정을 사용한다.
• 두 홉 통신 모델을 구현하여 고립된 노드가 게이트웨이 기능을 갖춘 클러스터 구성원을 통해 클러스터 헤드에 도달하도록 한다.
• 장거리 전송을 줄임으로써 종단 간 통신 지연과 에너지 소비를 최소화한다.
• 네트워크 적응성과 커버리지 유지를 위해 주기적인 재클러스터링을 포함한 분산 클러스터링 알고리즘을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 소비 증가 없이 대규모 WSNs의 고립된 노드를 효과적으로 네트워크에 통합할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 에너지 제약이 있는 WSNs에서 네트워크 연결성과 전역 커버리지 향상을 위한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 에너지가 풍부한 클러스터 헤드 선택이 네트워크 수명과 확장성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 기존 LEACH와 비교했을 때 클러스터 구성원이 게이트웨이 역할을 할 수 있도록 하는 것이 네트워크 성능에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• O-LEACH는 고립된 노드가 게이트웨이 기능을 갖춘 클러스터 구성원을 통해 통신할 수 있도록 함으로써 네트워크의 연결성 비율을 크게 향상시킨다.
• 장거리 전송을 줄이고 노드 간 에너지 소비를 균형 있게 분배함으로써 더 높은 에너지 효율성을 달성한다.
• O-LEACH는 모니터링 영역의 전체 커버리지 유지함으로써 장기적인 응용을 위한 지속적인 데이터 수집을 보장한다.
• 시뮬레이션 결과는 O-LEACH가 네트워크 수명, 확장성, 에너지 절약 측면에서 LEACH를 능가함을 확인한다.
• 에너지 인식 클러스터 헤드 선택이 더 안정적이고 오래 지속되는 클러스터를 만들어내는 데 기여한다.
• 게이트웨이 메커니즘이 연결 끊김 노드 수를 효과적으로 줄여 전체 네트워크 신뢰도를 향상시킨다.