[논문 리뷰] An Energy Efficient Routing Algorithm for Wireless Sensor Networks Using Mobile Sensors

Meysam Yari, Parham Hadikhani외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 06.

Energy Efficient Wireless Sensor Networks참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 에너지 균형을 향상시키고 네트워크 수명을 연장하기 위해 이동 가능한 센서를 사용하는 에너지 효율적인 라우팅 알고리즘을 제안한다. 이 방법은 구멍 방지, 매개변수 갱신, 구멍 탐지, 구멍 커버리지의 네 단계 과정을 통해 기존 라우팅 프로토콜에 비해 시뮬레이션에서 향상된 성능을 보여준다.

ABSTRACT

The increasing usage of wireless sensor networks in human life is an indication of the high importance of this technology. Wireless sensor networks have a vast majority of applications in monitoring and care which are known as target tracking. In this application, the moving targets are monitored and tracked in the environment. One of the most important challenges in this area is the limited energy of the sensors. In this paper, we proposed a new algorithm to reduce energy consumption by increasing the load balancing in the network. The proposed algorithm consists of four phases. In the first phase, which is the hole prevention phase, in each cluster, it is checked by the cluster heads that if the energy level in an area of the cluster is less than the threshold, a mobile node is sent to that area. The second phase is the update phase. In this phase, the parameters required to detect a hole are updated. In the third phase, the hole in the cluster is detected, and in the fourth phase, the hole is covered by static or moving nodes. A comparison of simulation results with the well-known and successful routing method in wireless sensor networks show that the proposed method is suitable and working properly.

연구 동기 및 목표

• 특히 타겟 추적 응용 분야에서 제한된 에너지 문제에 대처하는 데 핵심적인 과제를 해결한다.
• 에너지 소모를 줄이고, 불균형한 에너지 고갈로 인한 네트워크 분할을 방지한다.
• 클러스터 간 에너지 부하를 동적으로 균형 잡기 위해 이동 가능한 센서를 활용하여 네트워크 수명을 연장한다.
• 이동 노드의 적응적 배치를 통해 모니터링 영역에서 신뢰할 수 있는 커버리지와 연결성을 확보한다.
• 이동성과 클러스터 기반 아키텍처를 통합하여 에너지 효율성을 향상시킨 라우팅 메커니즘을 개발한다.

제안 방법

• 구멍 방지 단계에서 클러스터 헤드는 지역 에너지 수준을 모니터링하고 임계값을 초과할 경우 저에너지 영역에 이동 노드를 파견한다.
• 갱신 단계에서는 잔여 에너지 및 노드 밀도와 같은 매개변수를 동적으로 갱신하여 정확한 구멍 탐지를 유지한다.
• 구멍 탐지는 커버리지 또는 에너지가 부족한 영역을 식별하는 임계값 기반 메커니즘을 사용하여 수행된다.
• 구멍 커버리지 단계에서는 정적 또는 이동 가능한 노드를 배치하여 영향을 받은 영역의 연결성과 에너지 균형을 복구한다.
• 알고리즘은 클러스터 헤드가 이동성과 에너지 관리 결정을 조율하는 클러스터 기반 아키텍처에서 작동한다.
• 데이터 트래픽을 재지정하고 에너지가 부족하거나 미사용된 영역에 이동 노드를 배치하여 에너지 부하 균형을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이동 가능한 센서를 활용하여 무선 센서 네트워크의 에너지 구멍을 선제적으로 탐지하고 완화할 수 있는가?
• RQ2 클러스터 기반 라우팅에 이동 노드를 통합할 경우 에너지 균형과 네트워크 수명에 어떤 정도 향상 효과가 있는가?
• RQ3 동적 구멍 커버리지가 타겟 추적 응용 분야에서 데이터 전달 신뢰성과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기존의 라우팅 프로토콜과 비교할 때 제안된 알고리즘은 에너지 소모와 네트워크 수명 측면에서 어떤가?
• RQ5 이동 기반 부하 균형 조절이 에너지 제약이 있는 WSN에서 조기 네트워크 분할의 위험을 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 저에너지 영역에 선제적으로 이동 센서를 파견하여 에너지 구멍을 효과적으로 방지한다.
• 시뮬레이션 결과, 기존 라우팅 프로토콜에 비해 향상된 에너지 효율성과 연장된 네트워크 수명을 입증한다.
• 실시간 에너지 모니터링 기반의 데이터 트래픽 분배 및 노드 배치를 통해 더 나은 부하 균형을 달성한다.
• 이동 노드의 통합은 커버리지 신뢰성 향상과 클러스터 헤드의 에너지 핫스팟 감소에 크게 기여한다.
• 네 단계 과정은 구멍 탐지 및 복구를 적시에 수행하여 네트워크 연결성을 유지한다.
• 알고리즘은 타겟 추적 응용 분야에서 일반적인 동적 환경에서도 견고한 성능을 보여준다.