[논문 리뷰] Improving Performance of Cluster Based Routing Protocol using Cross-Layer Design

Kazem Jahanbakhsh, Marzieh Hajhosseini|ArXiv.org|2008. 02. 05.

Mobile Ad Hoc Networks참고 문헌 11인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 애드혹 네트워크에서 성능을 향상시키기 위해 클러스터 기반 라우팅 프로토콜(CBRP)의 크로스레이어 강화 버전인 Cross-CBRP를 제안한다. 네트워크 계층과 MAC 계층 간의 상호 정보 교환을 가능하게 함으로써 Cross-CBRP는 클러스터 헤드의 교체 빈도를 감소시키고, 대역폭을 증가시키며, 패킷 전달 비율을 향상시킨다. NS-2 시뮬레이션을 통해 검증된 결과, 원본 CBRP보다 뛰어난 성능을 보였다.

ABSTRACT

The main goal of routing protocol is to efficiency delivers data from source to destination. All routing protocols are the same in this goal, but the way they adopt to achieve it is different, so routing strategy has an egregious role on the performance of an ad hoc network. Most of routing protocols proposed for ad hoc networks have a flat structure. These protocols expand the control overhead packets to discover or maintain a route. On the other hand a number of hierarchical-based routing protocols have been developed, mostly are based on layered design. These protocols improve network performances especially when the network size grows up since details about remote portion of network can be handled in an aggregate manner. Although, there is another approach to design a protocol called cross-layer design. Using this approach information can exchange between different layer of protocol stack, result in optimizing network performances. In this paper, we intend to exert cross-layer design to optimize Cluster Based Routing Protocol (Cross-CBRP). Using NS-2 network simulator we evaluate rate of cluster head changes, throughput and packet delivery ratio. Comparisons denote that Cross-CBRP has better performances with respect to the original CBRP.

연구 동기 및 목표

• 대규모 애드혹 네트워크에서 평면형 및 계층형 라우팅 프로토콜의 확장성과 효율성 한계를 해결하기 위해.
• 크로스레이어 통신을 활용하여 제어 오버헤드를 줄이고 라우팅 안정성을 향상시키기 위해.
• 네트워크 계층과 MAC 계층 간의 상호 정보 교환을 통해 클러스터 헤드 선택 및 유지 최적화를 위해.
• 클러스터 헤드 변경 빈도, 대역폭, 패킷 전달 비율 측면에서 성능 향상을 평가하기 위해.
• 크로스레이어 설계가 기존 계층적 접근 방식을 초월하여 클러스터 기반 라우팅 프로토콜을 향상시킬 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 네트워크 계층이 전송 성공률 및 채널 품질와 같은 MAC 계층 메트릭을 액세스할 수 있도록 크로스레이어 설계를 통합한다.
• MAC 계층 피드백을 활용해 동적이고 정보 기반의 클러스터 헤드 선택 결정을 내려 불필요한 재클러스터링을 줄인다.
• 실시간 링크 신뢰성과 MAC 계층의 노드 에너지 수준를 반영하여 클러스터 헤드 선출 알고리즘을 수정한다.
• 다양한 노드 밀도와 이동성 패턴을 가진 이동식 애드혹 네트워크를 모델링하기 위해 NS-2 네트워크 시뮬레이터를 사용한다.
• 네트워크 계층이 MAC 계층 성능 데이터를 기반으로 클러스터 형성 방식을 조정하는 피드백 메커니즘을 구현한다.
• 클러스터 헤드 변경 빈도, 대역폭, 종단 간 패킷 전달 비율와 같은 메트릭을 사용해 성능를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 크로스레이어 통합은 클러스터 기반 라우팅 프로토콜에서 클러스터 헤드 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 크로스레이어 피드백는 애드혹 네트워크에서 제어 오버헤드를 얼마나 줄이고 대역폭을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 상호 계층 정보 교환은 이동성과 동적 환경에서 패킷 전달 비율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 이동성 조건에서 Cross-CBRP는 기존 CBRP와 비교해 확장성과 성능 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 MAC 계층 메트릭은 클러스터 헤드 선택과 네트워크 수명에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Cross-CBRP는 원본 CBRP와 비교해 클러스터 헤드 변경 빈도를 크게 감소시켜 네트워크 안정성을 향상시켰다.
• Cross-CBRP의 대역폭은 특히 고속 이동성 및 밀도가 높은 네트워크 환경에서 CBRP보다 높았다.
• 모든 테스트된 이동성 및 밀도 조건에서 Cross-CBRP의 패킷 전달 비율은 CBRP보다 일관되게 향상되었다.
• MAC 계층 피드백 통합은 더 신뢰성 있고 에너지 효율적인 클러스터 헤드 선택을 가능하게 했다.
• 시뮬레이션 결과, 복잡성 증가 없이도 크로스레이어 설계가 전체 프로토콜 성능을 향상시킨다는 것이 확인되었다.
• 성능 향상은 특히 더 크고 더 동적인 애드혹 네트워크에서 가장 두드러졌다.