[논문 리뷰] An Energy Efficient Spectrum Sensing in Cognitive Radio Wireless Sensor Networks

Atchutananda Surampudi, Krishnamoorthy Kalimuthu|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 25.

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing참고 문헌 9인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 인지 무선 센서 네트워크(CR-WSNs)를 위한 에너지 효율적인 라우팅 프로토콜을 제안하며, 클러스터 헤드(CHs)에서 융합 센터(FC)로의 통신을 최적화하기 위해 Prim의 알고리즘을 사용하여 최소 스패닝 트리(MST)를 구축한다. 이로 인해 에너지 소비가 감소하고, LEACH보다 1,500라운드 후 네트워크 수명이 1.4배 연장되고 생존 노드 수가 7배 증가한다. 균일 클러스터링 전략이 비균일 클러스터링 전략보다 에너지 효율성이 뛰어나다.

ABSTRACT

The cognitive radio wireless sensor networks have become an integral part of communicating spectrum information to the fusion center, in a cooperative spectrum sensing environment. A group of battery operated sensors or nodes, sensing information about spectrum availability in the radio links, needs an energy efficient strategy to pass on the binary information. A proper routing method through intelligent decision making can be a good solution. In this paper, an energy efficient routing protocol has been introduced and a performance comparison is made with the existing system in terms of its energy consumption. The proposed routing technique considers both uniform and non-uniform clustering strategies and proves to be an energy efficient method of communication.

연구 동기 및 목표

• 인지 무선 센서 네트워크(CR-WSNs) 내에서 스펙트럼 감지 통신에 의한 높은 에너지 소비 문제를 해결하기 위해, 특히 LEACH와 같은 계층적 클러스터링 프로토콜에서 발생하는 문제를 해결한다.
• 클러스터 헤드(CHs)에서 융합 센터(FC)로의 데이터 전송 중 에너지 소비를 줄이기 위해 라우팅 경로를 최적화한다.
• CR-WSN 환경에서의 부과적 또는 고에너지 전송을 최소화함으로써 네트워크 수명과 확장성을 향상시킨다.
• 균일 및 비균일 클러스터링 전략이 에너지 효율적인 데이터 포워딩에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 선택된 클러스터 헤드(CHs)에서 융합 센터(FC)로 최소 스패닝 트리(MST)를 구축하기 위해 Prim의 알고리즘을 사용하여 총 전송 에너지를 최소화한다.
• CHs와 FC 간의 유클리드 거리를 기반으로 인접 행렬을 구성하며, 거리를 MST 구축의 지표로 사용한다.
• 각 CH는 다른 모든 CH들로부터의 1비트 스펙트럼 감지 결과를 저장하는 감지 테이블을 유지하며, 각 CH당 단일 비트 전송 대신 M비트 데이터 전송을 가능하게 한다.
• 에너지 모델을 사용하여 전송 비용 $ C $ 를 계산한다: 전송에 대한 $ E_t = E_e M + E_a eta d $ 와 수신에 대한 $ E_r = E_e M $ 를 사용하며, $ E_e $, $ E_a $, 및 $ eta $ 는 에너지 상수이다.
• Prim의 알고리즘에 대해 탐욕적이고 단계적인 접근 방식을 적용한다: 각 단계에서 현재 트리에 속한 노드와 속하지 않은 노드를 연결하는 최소 무게의 간선을 추가한다.
• 균일 클러스터링(고정 10개 클러스터)과 비균일 클러스터링 전략을 비교하여 에너지 효율성 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Prim의 알고리즘을 사용한 MST 기반 라우팅이 LEACH의 직접 전송 방식에 비해 CR-WSN에서 에너지 소비를 얼마나 줄이는가?
• RQ2 균일 클러스터링과 비균일 클러스터링 전략이 CR-WSN의 네트워크 에너지 효율성과 수명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 제안된 프로토콜이 기존 LEACH 프로토콜에 비해 네트워크의 운영 수명을 얼마나 연장하는가?
• RQ4 감지 테이블과 M비트 데이터 집합 기법의 사용이 에너지 효율성 향상과 혼잡도 감소에 어떤 기여를 하는가?

주요 결과

• 1,500라운드 운영 후 제안된 프로토콜은 LEACH 대비 에너지 효율성을 1.4배 향상시켰다.
• 1,500라운드 후 균일 클러스터링을 사용한 제안된 프로토콜의 네트워크 잔여 에너지는 비균일 클러스터링보다 27% 높았다.
• 1,500라운드 후 균일 클러스터링을 사용한 제안된 프로토콜에서 생존 센서 노드 수는 기존 LEACH 프로토콜보다 7배 높았다.
• MST 기반 라우팅을 사용함으로써 먼 거리에 있는 CH에서 FC로의 고에너지 직접 전송을 피함으로써 에너지 소비가 크게 감소하였다.
• 공유된 감지 테이블 덕분에 모든 CH와 FC가 스펙트럼 가용성에 대한 완전한 지식을 확보함으로써 네트워크 수렴을 보장하였다.
• FC에 가장 가까운 CH들만 데이터 전송을 허용함으로써 채널 혼잡도를 효과적으로 완화하였으며, 중복 전송을 줄였다.