[논문 리뷰] Hybrid DEEC: Towards Efficient Energy Utilization in Wireless Sensor Networks

M. Khan, Nadeem Javaid외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 19.

Energy Efficient Wireless Sensor Networks참고 문헌 16인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 이질적 무선 센서 네트워크(WSNs)를 위한 하이브리드 체인-클러스터 라우팅 프로토콜인 Hybrid-DEEC(H-DEEC)를 제안한다. 이는 잔류 에너지를 기반으로 클러스터 헤드(CHs)를 선택하고, 베타로 선정된 릴레이 노드를 통해 다중호프 통신을 가능하게 하여 에너지 효율성을 향상시킨다. 개선된 MH-DEEC 변종은 체인 구축을 최적화하여 기존 프로토콜에 비해 더 긴 네트워크 안정성과 수명을 달성한다.

ABSTRACT

The clustering algorithm are considered as a kind of key technique used to reduce energy consumption. It can help in increasing the stability period and network life time. Routing protocol for efficient energy utilization should be designed for heterogeneous Wireless Sensor Networks (WSNs). We purpose Hybrid-DEEC (H-DEEC), a chain and cluster based (hybrid) distributed scheme for efficient energy utilization in WSNs. In H-DEEC,elected Cluster Heads (CHs) communicate the Base Station (BS) through beta elected nodes, by using multi-hopping. We logically divide the network into two parts, on the basis of the residual energy of nodes. The normal nodes with high initial and residual energy will behighlyprobable to be CHs than the nodes with lesser energy. To overcome the deficiencies of H-DEEC, we propose Multi-Edged Hybrid-DEEC (MH-DEEC). In MH-DEEC the criteria of chain construction is modified. Finally, the comparison in simulation results with other heterogeneous protocols show that, MH-DEEC and H-DEEC achieves longer stability time and network life time due to efficient energy utilization.

연구 동기 및 목표

• 이질적 무선 센서 네트워크(WSNs)에서 에너지 불균형과 짧은 네트워크 수명 문제를 해결하기 위해.
• 에너지 효율성을 향상시키고 네트워크 안정성을 연장하는 하이브리드 클러스터링 및 체인 기반 라우팅 프로토콜을 설계하기 위해.
• 클러스터 헤드 선택을 위해 잔류 에너지를 활용하여 데이터 전송의 에너지 소비를 줄이기 위해.
• 베타로 선정된 릴레이 노드를 통한 다중호프 통신을 통해 확장성과 신뢰성을 향상시키기 위해.
• 에너지 분포를 개선하기 위해 체인 구축 기준을 정교화한 개선된 버전인 MH-DEEC를 제안하기 위해.

제안 방법

• 노드의 잔류 에너지를 기반으로 네트워크를 논리적으로 두 영역으로 나눈다: 고에너지 및 저에너지 노드.
• 고잔류 에너지 노드에서 클러스터 헤드(CHs)를 선정하여 핵심 노드의 에너지 고갈을 줄인다.
• 베타로 선정된 릴레이 노드를 통해 CHs와 베이스 스테이션(BS) 간에 다중호프 통신을 수립하여 장거리 전송을 최소화한다.
• 체인 형성과 클러스터링을 조합한 하이브리드 아키텍처를 통해 네트워크 전반의 에너지 부하를 균형 있게 분배한다.
• MH-DEEC에서는 체인 구축 과정을 수정하여 에너지 분포를 향상시키고 에너지 홀 현상을 감소시킨다.
• 프로토콜은 노드의 에너지 수준에 동적으로 적응하여 더 긴 작동 안정성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지능적인 클러스터 헤드 선택을 통해 이질적 WSNs에서 에너지 소비를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ2 릴레이 노드를 통한 다중호프 통신이 네트워크 수명과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 잔류 에너지를 기반으로 한 CH 선택은 에너지 균형과 네트워크 수명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 체인 구축을 정교화함으로써 하이브리드 라우팅 프로토콜의 에너지 효율성은 어느 정도 향상되는가?
• RQ5 MH-DEEC는 기존 이질적 라우팅 프로토콜에 비해 안정성과 수명 측면에서 얼마나 뛰어난가?

주요 결과

• MH-DEEC와 H-DEEC는 기존 이질적 프로토콜에 비해 네트워크의 안정성 기간을 크게 연장한다.
• 제안된 프로토콜은 효율적인 에너지 활용과 균형 잡힌 에너지 소비 덕분에 더 긴 네트워크 수명을 달성한다.
• 클러스터 헤드는 에너지가 더 많은 노드에서 우선적으로 선정되어 조기 에너지 고갈을 줄인다.
• 베타로 선정된 노드를 통한 다중호프 통신은 장거리 전송의 에너지 비용을 감소시킨다.
• MH-DEEC의 수정된 체인 구축 방식은 개선된 에너지 분포와 에너지 홀 감소를 이끈다.
• 시뮬레이션 결과, H-DEEC와 MH-DEEC가 안정성과 수명 측면에서 기존 전통적 프로토콜을 모두 능가함을 확인했다.