[논문 리뷰] Lifetime Improvement of Wireless Sensor Networks by Collaborative Beamforming and Cooperative Transmission

Zhu Han, H. Vincent Poor|ArXiv.org|2007. 04. 25.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 19인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 무선 센서 네트워크를 위한 새로운 라우팅 프로토콜을 제안하며, 협업 beamforming(CB)과 공동 전송(CT)을 활용하여 수신기 근처의 에너지 고갈 노드를 우회함으로써 네트워크 수명을 연장한다. 공간 beamforming을 사용해 신호 강도를 향상시키고 더 긴 거리 전송을 가능하게 함으로써 고에너지 소모 노드에 대한 의존도를 감소시켜, 2차원 디스크 구조에서는 기존 전달 방식 대비 최대 90%의 수명 연장, 일반 네트워크에서는 10%의 수명 연장 효과를 달성한다.

ABSTRACT

Extending network lifetime of battery-operated devices is a key design issue that allows uninterrupted information exchange among distributive nodes in wireless sensor networks. Collaborative beamforming (CB) and cooperative transmission (CT) have recently emerged as new communication techniques that enable and leverage effective resource sharing among collaborative/cooperative nodes. In this paper, we seek to maximize the lifetime of sensor networks by using the new idea that closely located nodes can use CB/CT to reduce the load or even avoid packet forwarding requests to nodes that have critical battery life. First, we study the effectiveness of CB/CT to improve the signal strength at a faraway destination using energy in nearby nodes. Then, a 2D disk case is analyzed to assess the resulting performance improvement. For general networks, if information-generation rates are fixed, the new routing problem is formulated as a linear programming problem; otherwise, the cost for routing is dynamically adjusted according to the amount of energy remaining and the effectiveness of CB/CT. From the analysis and simulation results, it is seen that the proposed schemes can improve the lifetime by about 90% in the 2D disk network and by about 10% in the general networks, compared to existing schemes.

연구 동기 및 목표

• 배터리 구동 무선 센서 네트워크의 운영 수명을 연장하는 데 있어 핵심적인 과제를 해결하기 위해.
• 다중 홉 전달로 인해 과부하가 걸리는 수신기 근처의 노드에서의 에너지 소비를 줄이기 위해.
• 협업 beamforming과 공동 전송을 활용하여 에너지가 치명적인 노드를 동적으로 회피하는 라우팅 프로토콜을 개발하기 위해.
• 고정된 데이터 속도 하에서 수명 최대화 문제를 선형 프로그래밍(LP) 문제로, 동적 속도 하에서는 휴리스틱 알고리즘으로 공식화하기 위해.
• 이dealized 및 일반 네트워크 구조에서 기존 라우팅 전략과 비교하여 제안된 방법의 성능 향상을 평가하기 위해.

제안 방법

• 에너지 제약 조건 하에서 네트워크 수명 최대화 문제를 수립하며, 수명을 첫 번째 노드 장애 발생 시점으로 정의한다.
• 수신지에서 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시켜 더 긴 전송 거리를 가능하게 하기 위해 협업 beamforming(CB)과 공동 전송(CT)을 사용한다.
• CB/CT 하에서 SNR 향상에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하며, 다수의 노드가 공동으로 전송함으로써 효과적 신호 전력 증가와 경로 손실 감소를 입증한다.
• 고정된 데이터 속도 하에서는 에너지 및 유량 보존 제약 조건을 포함한 선형 프로그래밍(LP) 문제로 라우팅 문제를 모델링한다.
• 동적 데이터 속도 하에서는 잔여 에너지와 CB/CT 효과성에 기반해 링크 비용을 동적으로 조정하는 휴리스틱 비용 함수를 제안한다: $\text{cost}_{ij} = \left(\frac{E_i}{\underline{E}_i}\right)^{\beta_1} + \sum_{l\in C_i^j}\left(\frac{E_l}{\underline{E}_l}\right)^{\beta_2}$.
• 이 비용 함수를 라우팅 알고리즘에 적용하여 잔여 에너지가 높고 효과적인 협업 파트너를 가진 노드를 포함하는 경로를 우선시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 협업 beamforming과 공동 전송이 무선 센서 네트워크에서 전송 거리를 연장하고 다중 홉 전달의 필요성을 줄이는 데 효과적인가?
• RQ2 CB/CT의 사용이 노드의 에너지 분포와 수명, 특히 조기 고장이 발생하기 쉬운 수신기 근처의 노드에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 기존의 직접 전달 방식과 기존의 에너지 인지 라우팅 프로토콜과 비교했을 때 CB/CT 기반 라우팅이 네트워크 수명에 얼마나 많은 성능 향상을 가져오는가?
• RQ4 잔여 에너지와 협업 전송의 효과성을 반영하여 라우팅 비용을 어떻게 동적으로 조정할 수 있는가?
• RQ5 2차원 디스크 모델과 일반적인 무작위 네트워크 구조에서 네트워크 수명의 이론적 및 실용적 향상 수준은 어떠한가?

주요 결과

• 균일한 노드 분포를 가진 2차원 디스크 네트워크에서 제안된 CB/CT 기반 라우팅은 기존의 직접 패킷 전달 방식 대비 약 90%의 네트워크 수명 연장 효과를 보였다.
• 일반적인 무작위 네트워크 구조에서 제안된 방법은 [2]에서 제안한 알고리즘 대비 약 10%의 네트워크 수명 연장 효과를 달성했다.
• 시뮬레이션 결과에 따르면, CB/CT를 적용함으로써 6노드 네트워크에서 직접 전달 방식일 경우 0.2 단위에서 0.333 단위로 수명이 증가하여 약 67%의 향상 효과를 보였다.
• CB/CT의 사용은 노드 5를 통해 6홉 경로로의 대체 전송 경로를 가능하게 하여 트래픽을 재분배하고 수신기 근처의 노드 2에 대한 과부하를 방지한다.
• 잔여 에너지와 협업 잠재력이 포함된 휴리스틱 비용 함수는 에너지 효율적인 경로로의 라우팅을 효과적으로 이끌어내어 조기 노드 사망을 줄였다.
• 고정된 데이터 속도 하에서의 선형 프로그래밍 공식화는 에너지 소모를 균형 있게 분배하고 첫 번째 노드 장애 발생까지의 시간을 최대화하여 이론적 모델의 타당성을 입증했다.