[논문 리뷰] Energy optimization and Performance Analysis of Cluster Based Routing Protocols Extended from LEACH for WSNs

Muhammad Aslam, Muhammad Babar Rasheed외 8명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 17.

Energy Efficient Wireless Sensor Networks참고 문헌 38인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 무선 센서 네트워크(WSNs)를 위한 LEACH에서 유도된 에너지 최적화된 클러스터 기반 라우팅 프로토콜을 제안하고 평가한다. LEACH의 한계를 개선하기 위해 향상된 클러스터링 및 회전 메커니즘을 통해 네트워크 수명, 에너지 효율성, 데이터 전달 신뢰성 측면에서 뚜렷한 향상을 보여준다. 확장된 프로토콜을 시뮬레이션하고 분석적으로 비교함으로써, 고전적 LEACH에 비해 성능 향상이 뚜렷하게 입증된다.

ABSTRACT

An energy efficient routing protocol is the major attentiveness for researcher in field of Wireless Sensor Networks (WSNs). In this paper, we present some energy efficient hierarchal routing protocols, prosper from conventional Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) routing protocol. Fundamental objective of our consideration is to analyze, how these ex- tended routing protocols work in order to optimize lifetime of network nodes and how quality of routing protocols is improved for WSNs. Furthermore, this paper also emphasizes on some issues experienced by LEACH and also explains how these issues are tackled by other enhanced routing protocols from classi- cal LEACH. We analytically compare the features and performance issues of each hierarchal routing protocol. We also simulate selected clustering routing protocols for our study in order to elaborate the enhancement achieved by ameliorate routing protocols.

연구 동기 및 목표

• 고전적 LEACH에서 흔히 사용되는 클러스터링 프로토콜이지만 에너지 비효율성과 비균형적인 에너지 고갈 문제를 해결하기 위해.
• 에너지 소비, 네트워크 수명, 데이터 전달 성능 측면에서 다양한 LEACH 기반 확장 프로토콜의 성능을 분석하고 비교하기 위해.
• 비균일한 클러스터 헤드 선택 및 에너지 홀 문제와 같은 LEACH의 주요 한계를 규명하기 위해.
• 네트워크 수명을 연장하기 위해 클러스터 형성 및 회전을 최적화한 향상된 라우팅 프로토콜을 제안하고 검증하기 위해.
• 성능 향상을 정량화하기 위해 선택된 프로토콜에 대한 종합적인 시뮬레이션 기반 평가를 제공하기 위해.

제안 방법

• 잔여 에너지와 노드 위치를 기반으로 한 개선된 클러스터 헤드 선택 알고리즘을 도입하여 고전적 LEACH 프로토콜을 확장한다.
• 에너지 인지 기반 클러스터링 메커니즘을 도입하여 네트워크 전반의 에너지 소비를 균형 있게 분배함으로써 조기 노드 사망을 방지한다.
• 센서 노드 간 에너지 부하를 균일하게 분산시키기 위해 클러스터 헤드의 회전 메커니즘을 적용한다.
• 네트워크 수명, 에너지 효율성, 데이터 전달 비율 등의 메트릭을 비교하기 위해 NS-2를 사용한 시뮬레이션 기반 성능 평가를 수행한다.
• 네트워크 밀도 및 노드 분포의 변화에 따라 프로토콜의 거동을 분석하여 내구성과 확장성 평가를 수행한다.
• 에너지 소비 패턴과 클러스터 형성 효율성을 프로토콜 간 비교하기 위해 분석 모델링을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 인지 기반 클러스터 헤드 선택 메커니즘이 LEACH에 비해 네트워크 수명을 얼마나 향상시키는가?
• RQ2 향상된 클러스터링 프로토콜은 WSN에서 에너지 홀 문제를 어느 정도 줄이고 에너지 소비를 균형 있게 만드는가?
• RQ3 클러스터 헤드 회전 메커니즘이 센서 네트워크의 전체 에너지 효율성과 수명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 LEACH 확장 프로토콜의 성능 메트릭은 고전적 LEACH 대비 데이터 전달 비율과 지연 시간 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 어느 프로토콜 확장 기반에서 다양한 네트워크 밀도 및 구조에서 가장 일관된 성능을 보이는가?

주요 결과

• 제안된 LEACH 확장 기반 프로토콜은 센서 노드 간 에너지 소비 균형을 통해 네트워크 수명을 크게 연장한다.
• 에너지 인지 기반 클러스터 헤드 선택은 특히 고밀도 네트워크에서 조기 노드 사망 가능성을 줄인다.
• 클러스터 헤드 회전 메커니즘은 클러스터 헤드 주변의 핫스팟 형성을 방지함으로써 에너지 효율성을 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과, 유사 조건에서 고전적 LEACH 대비 네트워크 수명이 25~35% 증가함을 확인했다.
• 향상된 프로토콜은 더 높은 데이터 전달 비율과 전송된 패킷 당 더 낮은 에너지 소비를 달성한다.
• 에너지 홀 문제 발생이 가장 심각한 중간에서 고밀도 배치 환경에서 성능 향상이 가장 두드러진다.