[논문 리뷰] Cluster Based Hierarchical Routing Protocol for Wireless Sensor Network

Md. Golam Rashed, M. Hasnat Kabir외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 17.

Energy Efficient Wireless Sensor Networks참고 문헌 5인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 무선 센서 네트워크(WSN)를 위한 클러스터 기반 계층적 라우팅 프로토콜(CBHRP)을 제안하며, 에너지 효율성과 네트워크 수명을 향상시키기 위해 활성 클러스터 헤드 하나와 다수의 연계 클러스터 헤드로 구성된 '헤드셋' 개념을 도입한다. 클러스터 헤드 선택과 데이터 집계를 최적화함으로써 CBHRP는 에너지 소비를 감소시키고, 네트워크 수명을 연장하는 데서 LEACH보다 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

The efficient use of energy source in a sensor node is most desirable criteria for prolong the life time of wireless sensor network. In this paper, we propose a two layer hierarchical routing protocol called Cluster Based Hierarchical Routing Protocol (CBHRP). We introduce a new concept called head-set, consists of one active cluster head and some other associate cluster heads within a cluster. The head-set members are responsible for control and management of the network. Results show that this protocol reduces energy consumption quite significantly and prolongs the life time of sensor network as compared to LEACH.

연구 동기 및 목표

• 무선 센서 네트워크(WSN)에서 에너지 고갈 문제로 인한 네트워크 수명 단절이라는 핵심 과제를 해결하기 위해.
• 클러스터 형성과 데이터 전송을 최적화하여 센서 노드의 에너지 소비를 줄이기 위해.
• 다수의 연계 클러스터 헤드를 포함한 계층적 클러스터링을 통해 네트워크의 확장성과 수명을 향상시키기 위해.
• 네트워크 제어 및 관리 효율성을 향상시키는 새로운 헤드셋 메커니즘을 제안하기 위해.
• 에너지 효율성과 네트워크 수명 측면에서 기존 프로토콜인 LEACH를 뛰어넘기 위해.

제안 방법

• 프로토콜은 이중 레이어 아키텍처를 가진 계층적 구조를 사용하여 센서 노드를 클러스터로 조직한다.
• 각 클러스터 내에서 활성 클러스터 헤드 하나와 다수의 연계 클러스터 헤드로 구성된 '헤드셋' 개념을 도입한다.
• 에너지 잔량과 기지국까지의 거리에 기반하여 클러스터 헤드를 선정함으로써 에너지 부하를 균형 있게 분배한다.
• 데이터 집계를 클러스터 헤드에서 수행하여 중복된 데이터 전송을 줄이고 에너지를 절약한다.
• 에너지 소비를 노드 간에 균일하게 분배하기 위해 클러스터 헤드 선택을 위한 로테이션 메커니즘을 사용한다.
• 지역적 데이터 융합과 효율적인 인트라클러스터 라우팅을 통해 통신을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지능적인 클러스터링과 라우팅을 통해 무선 센서 네트워크의 에너지 소비를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ2 다수의 클러스터 헤드를 가진 헤드셋 도입이 네트워크 수명과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 CBHRP는 에너지 소비와 네트워크 수명 측면에서 LEACH와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ4 동적 클러스터 헤드 선택을 포함한 계층적 클러스터링이 WSN의 확장성과 로드 밸런싱을 향상시키는 데 기여하는가?
• RQ5 클러스터 헤드에서의 데이터 집계가 중복 전송을 줄이고 에너지를 절약하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• CBHRP는 LEACH 프로토콜과 비교해 에너지 소비를 크게 감소시켜 네트워크 수명을 연장한다.
• 다수의 연계 클러스터 헤드를 포함한 헤드셋의 사용은 네트워크 제어 및 관리 효율성을 향상시킨다.
• 잔류 에너지 기반의 동적 클러스터 헤드 로테이션 덕분에 에너지 부하 균형이 향상된다.
• 지역적 데이터 집계 덕분에 더 나은 확장성과 더 적은 데이터 중복이 달성된다.
• 시뮬레이션 결과는 동일한 네트워크 조건 하에서 CBHRP가 네트워크 수명 연장 측면에서 LEACH를 뛰어넘는다는 것을 확인한다.
• 최적화된 클러스터 형성과 함께 계층적 구조는 향상된 전체 네트워크 성능과 안정성에 기여한다.