[논문 리뷰] Jumps: Enhancing hop-count positioning in sensor networks using multiple coordinates

Farid Benbadis, Jean-Jacques Puig외 4명|arXiv (Cornell University)|2006. 04. 26.

Indoor and Outdoor Localization Technologies참고 문헌 17인용 수 9

한 줄 요약

Jumps는 무선 센서 네트워크를 위한 힙카운트 기반 위치 결정 시스템을 제안하며, 일반적으로 사용하는 3개의 랜드마크 대신 임의의 수의 랜드마크를 사용하여 지역 연결성 지식만을 활용함으로써 정확도를 향상시킨다. 랜드마크 수를 늘임으로써 좌표의 모호성이 크게 감소하여 평균 존 크기를 0.29 라디오 범위 및 존당 평균 2.3개의 노드로 줄이며, 추가 하드웨어나 고밀도 배치 없이도 신뢰할 수 있는 위치 기반 라우팅을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Positioning systems in self-organizing networks generally rely on measurements such as delay and received signal strength, which may be difficult to obtain and often require dedicated equipment. An alternative to such approaches is to use simple connectivity information, that is, the presence or absence of a link between any pair of nodes, and to extend it to hop-counts, in order to obtain an approximate coordinate system. Such an approximation is sufficient for a large number of applications, such as routing. In this paper, we propose Jumps, a positioning system for those self-organizing networks in which other types of (exact) positioning systems cannot be used or are deemed to be too costly. Jumps builds a multiple coordinate system based solely on nodes neighborhood knowledge. Jumps is interesting in the context of wireless sensor networks, as it neither requires additional embedded equipment nor relies on any nodes capabilities. While other approaches use only three hop-count measurements to infer the position of a node, Jumps uses an arbitrary number. We observe that an increase in the number of measurements leads to an improvement in the localization process, without requiring a high dense environment. We show through simulations that Jumps, when compared with existing approaches, reduces the number of nodes sharing the same coordinates, which paves the way for functions such as position-based routing.

연구 동기 및 목표

• GPS 또는 RSS 기반 방법이 비현실적인 무선 센서 네트워크에서 정확하고 저비용의 위치 결정이 부족한 문제를 해결한다.
• 단지 3개의 랜드마크에 의존하는 기존의 힙카운트 기반 위치 결정 시스템의 한계를 극복하여 좌표의 모호성을 줄인다.
• 특수 하드웨어가 필요 없고 연결성 정보만을 사용하는 스케일러블하고 에너지 효율적인 위치 결정 방법을 개발한다.
• 노드 밀도나 송신 전력 증가 없이도 랜드마크 수를 늘림으로써 정밀도를 향상시킬 수 있음을 입증한다.
• 동일한 좌표를 공유하는 노드 수를 최소화하여 실용적인 위치 기반 라우팅을 가능하게 한다.

제안 방법

• 각 랜드마크가 네트워크를 폭주(flood)시켜 노드가 랜드마크까지의 힙카운트 거리를 측정할 수 있도록 한다.
• 노드는 다수의 랜드마크까지의 힙카운트를 기반으로 다중 위치 기반 다각측위(multilateration)를 수행하여 다중 좌표계를 구성한다.
• CC2420 라디오 소비 기반의 이론적 에너지 모델을 사용하여 다양한 구성에서의 에너지 비용을 비교한다.
• 자유공간 전파 손실 모델을 적용하여 송신 전력과 통신 범위, 노드 밀도 간의 관계를 설정한다.
• 에너지 소비를 랜드마크 수(N)와 평균 이웃 수(dneig)의 함수로 평가한다.
• 시뮬레이션을 통해 랜드마크 수와 네트워크 밀도 변화에 따른 존 크기와 노드 분포를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3개를 초과하는 랜드마크 수를 늘임으로써 힙카운트 기반 위치 결정에서 좌표계의 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 네트워크 밀도나 송신 전력 증가 없이도 더 많은 랜드마크를 사용하면 좌표의 모호성이 줄어들 수 있는가?
• RQ3 더 많은 랜드마크를 추가하는 데 드는 에너지 비용은 무엇이며, 송신 범위 증가와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ4 더 많은 랜드마크 수가 공유 좌표를 최소화하여 신뢰할 수 있는 위치 기반 라우팅을 가능하게 하는가?
• RQ5 희박하거나 비정규적으로 배치된 센서 네트워크에서도 시스템이 정확도를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 10개의 랜드마크를 사용할 경우, 밀도 높은 네트워크에서 평균 존 크기가 3개 랜드마크일 때 0.7 대비 0.29 라디오 범위로 감소한다.
• 10개의 랜드마크를 사용할 경우, 존당 평균 노드 수가 2.3으로 떨어져 좌표의 유일성이 크게 향상된다.
• 평균 이웃 수가 50인 네트워크와 3개의 랜드마크를 사용하는 경우의 에너지 소비는, 이웃 수가 10이고 랜드마크 수가 10인 네트워크와 약간의 차이 없이 유사하다.
• 랜드마크를 추가하는 데 드는 에너지 비용은 송신 범위를 늘리는 것과 유사한 수준이며, 하드웨어 비용과 에너지 효율성 간의 상충 관계를 제공한다.
• 순수한 위치 기반 라우팅을 지원할 수 있을 정도로 충분한 좌표 해상도를 확보하여 프로액티브 라우팅 프로토콜의 필요성을 제거한다.
• 이론적 모델이 N과 dneig에 따라 적절히 확장 가능하다는 것을 보여주므로, 홍보 증가 시에도 에너지 소비가 낮게 유지된다.