[논문 리뷰] Advanced LEACH: A Static Clustering-based Heteroneous Routing Protocol for WSNs

Adeel Iqbal, Mariam Akbar외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 05.

Energy Efficient Wireless Sensor Networks참고 문헌 18인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 고정된 작은 클러스터로 네트워크를 분할하고 분산 에너지 효율적 클러스터 헤드 선택 기법(DEEC)을 사용하여 에너지 효율성과 스루풋을 향상시키는 정적 클러스터링 기반 이종 라우팅 프로토콜인 Advanced LEACH(Ad-LEACH)를 제안한다. MATLAB에서 수행된 시뮬레이션 결과, Ad-LEACH는 LEACH와 DEEC보다 에너지 절약과 데이터 스루풋 면에서 뛰어난 성능을 보였다.

ABSTRACT

Wireless Sensors Networks (WSNs) have a big application in heterogeneous networks. In this paper, we propose and evaluate Advanced Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (Ad-LEACH) which is static clustering based heterogeneous routing protocol. The complete network field is first divided into static clusters and then in each cluster separate Ad-LEACH protocol is applied. Our proposed protocol is inherited from LEACH with a cluster head selection criteria of Distributed Energy-Efficient Clustering (DEEC). This enables Ad-LEACH to cope with the heterogeneous nature of nodes. Due to small static clusters, each node reduces its broadcast message power because it only has to cover a small area. We perform simulations in MATLAB to check the efficiency of Ad-LEACH. The Simulation results show that Ad-LEACH outperforms LEACH and DEEC in energy efficiency as well as throughput.

연구 동기 및 목표

• 이종 WSN에서 에너지 불균형과 제한된 네트워크 수명 주기를 해결하기 위해.
• 정적이고 작은 클러스터를 통해 브로드캐스트 범위를 최소화하여 에너지 소비를 감소시키기 위해.
• 에너지 제약 환경에서 스루풋과 확장성을 향상시키기 위해.
• DEEC 기반 클러스터 헤드 선택을 통해 노드의 이종성을 활용하여 에너지 효율성을 향상시키기 위해.
• 정적 클러스터링 환경에서 LEACH와 DEEC에 비해 성능 향상을 평가하기 위해.

제안 방법

• 네트워크 영역을 고정된, 겹치지 않는 정적 클러스터로 분할하여 동적 재구성 오버헤드를 줄이기 위해.
• 각 클러스터는 수정된 DEEC 기반 클러스터 헤드 선택 알고리즘을 사용하여 Ad-LEACH 프로토콜을 독립적으로 적용한다.
• 클러스터 헤드 선택은 잔여 에너지가 더 높고 클러스터 내에서 위치가 유리한 노드를 우선시한다.
• 프로토콜은 브로드캐스트 범위를 클러스터의 작은 지리적 영역으로 제한하여 전송 전력 소비를 줄인다.
• 클러스터 헤드에서 에너지 효율적인 데이터 집합이 이루어지고, 그 후 베이스 스테이션으로 전달된다.
• 다양한 네트워크 조건에서 성능을 평가하기 위해 MATLAB에서 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정적 클러스터링은 동적 클러스터링에 비해 이종 WSN에서 에너지 효율성과 네트워크 수명 주기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 DEEC 기반 클러스터 헤드 선택은 이종 센서 네트워크에서 에너지 균형을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 정적 분할을 통해 클러스터 크기를 줄이면 전송당 에너지 소비가 낮아지는가?
• RQ4 Ad-LEACH는 스루풋과 엔드 투 엔드 지연 측면에서 LEACH와 DEEC에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ5 고정된 클러스터 경계는 WSN에서 확장성과 안정 기간에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 최적화된 클러스터 헤드 선택과 전송당 에너지 소비 감소로 인해 Ad-LEACH는 LEACH와 DEEC보다 더 긴 네트워크 수명 주기를 달성한다.
• 더 작은 클러스터로 인해 전송 범위와 전력 요구 사항이 감소하여 에너지 효율성이 크게 향상된다.
• 경쟁 감소와 더불어 예측 가능한 클러스터 헤드 역할 덕분에 Ad-LEACH에서는 스루풋이 향상된다.
• 프로토콜은 노드 간 에너지 균형을 개선하여 고에너지 노드의 조기 사망을 최소화한다.
• 시뮬레이션 결과, Ad-LEACH는 에너지 효율성과 데이터 전달 신뢰성 측면에서 LEACH와 DEEC를 모두 뛰어넘는 것으로 확인되었다.
• 정적 클러스터링 메커니즘은 빈번한 클러스터 재구성으로 인한 오버헤드를 줄여 더 긴 안정 기간을 기여한다.