[논문 리뷰] Improving Network Efficiency by Removing Energy Holes in WSNs

Muhammad Babar Rasheed, Nadeem Javaid외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 21.

Energy Efficient Wireless Sensor Networks참고 문헌 17인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 잔류 에너지와 최대 전송 거리에 기반하여 노드 전송을 동적으로 조정함으로써 클러스터 기반 무선 센서 네트워크(WSNs)에서 에너지 구멍을 완화하기 위해 에너지 효율적인 홀 제거 메커니즘(E-HORM)을 제안한다. 최대 전송 거리에서 유도된 임계 에너지(Eth)를 설정함으로써 에너지가 부족한 노드가 전송을 방지하여 핫스팟에서의 에너지 고갈을 줄이고, 시뮬레이션 검증을 통해 네트워크 수명과 안정 기간을 크게 연장한다.

ABSTRACT

Cluster based Wireless Sensor Networks (WSNs) have been widely used for better performance in terms of energy efficiency. Efficient use of energy is challenging task of designing these protocols. Energy holedare created due to quickly drain the energy of a few nodes due to non-uniform distribution in the network. Normally, energy holes make the data routing failure when nodes transmit data back to the base station. We proposedEnergy-efficient HOleRemoving Mechanism (E-HORM) technique to remove energy holes. In this technique, we use sleep and awake mechanism for sensor nodes to save energy. This approach finds the maximum distance node to calculate the maximum energy for data transmission. We considered it as a threshold energy Eth. Every node first checks its energy level for data transmission. If the energy level is less than Eth, it cannot transmit data. We also explain mathematically the energy consumption and average energy saving of sensor nodes in each round. Extensive simulations showed that when use this approach for WSNs significantly helps to extend the network lifetime and stability period.

연구 동기 및 목표

• 비균일한 에너지 소비로 인한 클러스터 기반 WSNs에서의 에너지 구멍 형성을 해결하기 위해.
• 기지국에 가까운 고에너지 노드가 과도하게 일하도록 방지함으로써 네트워크 수명과 안정성을 향상시키기 위해.
• 에너지 임계값 설정과 수면/각성 스케줄링을 사용하여 네트워크 전반의 에너지 사용을 균형 있게 만들 메커니즘을 개발하기 위해.
• WSNs에서의 에너지 소비를 수학적으로 모델링하고 라운드당 에너지 절감량을 정량화하기 위해.
• 제안된 메커니즘의 유효성을 광범위한 시뮬레이션을 통해 검증하여 네트워크 성능을 연장하기 위해.

제안 방법

• E-HORM 메커니즘은 기지국에서 가장 먼 노드를 기반으로 최대 전송 거리를 계산하여 데이터 전송을 위한 임계 에너지(Eth)를 결정한다.
• 각 센서 노드는 전송 여부를 결정하기 전에 잔류 에너지를 Eht와 비교한다.
• Eht 이하의 에너지만을 가진 노드는 전송을 방지하여 조기 에너지 고갈을 막는다.
• 수면 및 각성 메커니즘을 도입하여 무작위 수신 대기 상태를 줄이고 저에너지 노드의 에너지를 절약한다.
• 에너지 소비와 라운드당 평균 에너지 절감량을 수학적으로 모델링하여 효율성을 평가한다.
• 오직 충분한 에너지를 가진 노드만 데이터 포워딩에 참여함으로써 핫스팟 형성을 줄인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클러스터 기반 WSNs에서 에너지 구멍을 효과적으로 완화하여 네트워크 수명을 연장할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 최적의 데이터 전송을 보장하면서 중간 노드의 과도한 사용을 방지하기 위해 어떤 임계 에너지 수준이 필요한가?
• RQ3 동적 수면/각성 스케줄링이 고밀도 트래픽 지역에서 에너지 소비를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 기존 라우팅 기법과 비교할 때 제안된 메커니즘은 에너지 효율성과 안정 기간 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 잔류 에너지, 전송 거리, 라운드당 에너지 절감량 사이의 수학적 관계는 무엇인가?

주요 결과

• E-HORM 메커니즘은 중간 노드의 조기 에너지 고갈을 방지함으로써 네트워크의 안정 기간을 크게 연장한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방법이 동적 임계값 기반 전송 제어를 통해 에너지 구멍 형성을 줄임을 확인한다.
• 라운드당 에너지 절감량은 정량적으로 모델링되어 센서 노드 전반의 에너지 소비 감소를 명확히 보여준다.
• 최대 전송 거리에서 유도된 임계 에너지(Eth)는 조기 실패 위험이 있는 노드를 효과적으로 식별한다.
• 균형 잡힌 에너지 소비와 고밀도 트래픽 노드의 부담 감소로 인해 네트워크 수명이 연장된다.
• 수면 및 각성 메커니즘이 저에너지 노드에서 특히 에너지 절약에 기여하여 전반적인 네트워크 수명을 연장한다.