[논문 리뷰] An Energy Efficient Routing Protocol for Wireless Internet-of-Things Sensor Networks.

Anshuman Chhabra, Vidushi Vashishth외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 02.

Energy Efficient Wireless Sensor Networks참고 문헌 30인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 거리, 데이터 길이, 측정된 데이터를 기반으로 노드를 군집화한 후 가중치가 부여된 간선을 가진 방향성 비순환 그래프(DAG)를 구성하여 기지국으로 향하는 최소비용 경로를 찾는 간단하고 에너지 효율적인 라우팅 프rotocol을 제안한다. 이 프rotocol은 기존의 방법들에 비해 네트워크 수명, 에너지 효율성 및 커버리지 측면에서 향상되며, 추가적인 에너지 절약을 위해 선택적 슬립 스케줄링을 통합할 수 있다.

ABSTRACT

Internet of Things (IoT) are increasingly being adopted into practical applications such as security systems, smart infrastructure, traffic management, weather systems, among others. While the scale of these applications is enormous, device capabilities, particularly in terms of battery life and energy efficiency are limited. Despite research being done to ameliorate these shortcomings, wireless IoT networks still cannot guarantee satisfactory network lifetimes and prolonged sensing coverage. Moreover, proposed schemes in literature are convoluted and cannot be easily implemented in real-world scenarios. This necessitates the development of a simple yet energy efficient routing scheme for wireless IoT sensor networks. This paper models the energy constraint problem of devices in IoT applications as an optimization problem. To conserve the energy of device nodes, the routing protocol first aggregates devices into clusters based on a number of different features such as distance from base station, data/message length and data sensed from the environment in the current epoch. Then, a cluster head is elected for each cluster and a directed acyclic graph (DAG) is generated with all the cluster heads as nodes. Edges represent communication intent from transmitter to receiver and the edge weights are computed using a formulated equation. The minimum cost path to the base station is computed to allow for efficient real-time routing. Sleep scheduling is also optionally used to further boost network energy efficiency. The proposed routing protocol has been simulated and outperforms existing routing protocols in terms of metrics such as number of active nodes, energy dynamics and network coverage.

연구 동기 및 목표

• 실세계 구현에서 네트워크 수명과 감지 커버리지에 제한을 주는 IoT 센서 장치의 제한된 배터리 수명이라는 핵심 과제를 해결한다.
• 실세계 구현에 비현실적이거나 너무 복잡한 기존의 라우팅 프rotocol의 한계를 극복한다.
• 클러스터링과 효율적인 경로 선택을 통해 에너지 사용을 최적화하는 단순하지만 효과적인 라우팅 기법을 개발한다.
• 선택적 에너지 절약 메커니즘으로서의 슬립 스케줄링 통합을 통해 네트워크 수명과 에너지 효율성을 향상시킨다.

제안 방법

• 기지국으로부터의 거리, 메시지/데이터 길이, 현재 에포크 동안 측정된 환경 데이터를 기반으로 센서 노드를 군집화한다.
• 각 군집의 내부 통신과 데이터 집합을 관리하기 위해 군집 헤드를 선출한다.
• 군집 헤드를 노드로 하여 간선 가중치가 계산된 방향성 비순환 그래프(DAG)를 구성한다.
• 군집 헤드에서 기지국으로 향하는 최소비용 경로를 DAG를 사용하여 계산하여 실시간 효율적 라우팅을 가능하게 한다.
• 공백 기간 동안 에너지 소비를 줄이기 위해 선택적으로 슬립 스케줄링을 적용한다.
• 전체 에너지 제약 조건을 최적화 문제로 모델링하여 라우팅 결정을 이끌어낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 노드 특성 기반의 군집화가 IoT 센서 네트워크에서 에너지 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 가중치가 부여된 간선을 가진 DAG 기반 라우팅이 에너지 소비를 얼마나 줄이고 네트워크 수명을 얼마나 연장하는가?
• RQ3 슬립 스케줄링 통합이 전체 에너지 동역학과 네트워크 커버리지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 간단하고 구현 가능한 라우팅 프rotocol이 실세계 IoT 환경에서 기존의 복잡한 방법들보다 뛰어난 성능을 낼 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 프rotocol은 시간이 지남에 따라 활성화된 노드의 수 측면에서 기존의 라우팅 프rotocol보다 뛰어나다.
• 에너지 동역학이 향상되어 노드 에너지 자원의 보존이 더 잘 이루어지는 것으로 나타났다.
• 활성화된 노드의 장기적인 작동으로 인해 네트워크 커버리지가 연장되었다.
• 최적화된 간선 가중치를 가진 DAG 기반 라우팅은 효율적인 실시간 데이터 포워딩을 가능하게 한다.
• 슬립 스케줄링은 적용 시 에너지 효율성에 추가로 측정 가능한 향상을 제공한다.
• 단순한 설계로 더 뛰어난 성능를 달성하여 실세계 구현에 있어서 실용성을 높였다.