[논문 리뷰] M-BEHZAD: Minimum distance Based Energy efficiency using Hemisphere Zoning with Advanced Divide-and-Rule Scheme for Wireless Sensor Networks

Muzammil Behzad|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 03.

Energy Efficient Wireless Sensor Networks참고 문헌 10인용 수 5

한 줄 요약

M-BEHZAD는 네트워크 분할을 위한 헤미스피어 존잉(HZ)과 클러스터 헤드 선택을 위한 고급 분할-규칙 기법을 사용하여 무선 센서 네트워크(WSNs)를 위한 새로운 에너지 효율적인 라우팅 프로토콜을 제안한다. 3단계 아키텍처와 임계값 기반 전송을 통해 통신 거리를 최소화함으로써 네트워크 수명, 처리량, 안정성 기간을 향상시키며, 시뮬레이션 결과 에너지 소비와 커버리지 홀이 감소하는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

Routing Protocols are engaged in a vigorous fashion to boost up energy efficiency in WSNs. In this paper, we propose a novel routing protocol; Minimum distance Based Energy efficiency using Hemisphere Zoning with Advanced Divide-and-Rule scheme (M-BEHZAD), to maximize network lifespan, throughput and stability period of the sensors deployed in an un-attended network zone. To accomplish these objectives, static clustering technique along with threshold conscious transmissions have been used. The robustness of our proposed scheme lies in its Cluster Heads (CHs) selection and network field division which we are introducing as 'Hemisphere Zoning (HZ)'. We have implemented 3-Tier architecture to minimize the communication distance which not only leads to a better network performance but also significantly reduces the energy and coverage holes, and results in a longer stability period. We have also utilized Uniform Random Model (URM) to compute packets dropped to make our scheme a more practical approach. Results from comprehensive simulations using MATLAB validate its applicability.

연구 동기 및 목표

• 에너지 효율적인 라우팅을 통해 무인 무선 센서 네트워크(WSNs)의 네트워크 수명을 연장하기.
• 균형 잡히지 않은 에너지 고갈로 인한 에너지 소비 감소와 커버리지 홀 완화하기.
• 지능적인 클러스터 형성과 데이터 전송 제어를 통해 네트워크 안정성 기간과 처리량 향상하기.
• 3단계 아키텍처 설계를 통해 클러스터 간 통신 거리 최소화하기.
• 실제 시뮬레이션에서 패킷 손실을 추정하기 위해 균일 랜덤 모델(URM)을 통합하여 실용성 향상하기.

제안 방법

• 통신 거리를 줄이기 위해 센서 영역을 반구 영역으로 나누는 정적 네트워크 분할 기법인 헤미스피어 존잉(HZ)을 도입한다.
• 데이터 전송에서 홉 수와 에너지 소비를 최소화하기 위해 3단계 아키텍처를 활용한다.
• 잔류 에너지와 기지국까지의 거리에 기반한 동적 클러스터 헤드(CH) 선택을 위한 고급 분할-규칙 기법을 적용한다.
• 중복된 데이터 포워딩을 제한하고 에너지 낭비를 줄이기 위해 임계값 기반 전송을 사용한다.
• 실세계 조건에서 패킷 손실을 시뮬레이션하고 정량화하기 위해 균일 랜덤 모델(URM)을 통합한다.
• 정적 클러스터링과 에너지 인식 라우팅 결정을 결합하여 부하를 균형 있게 분배하고 네트워크 운영 시간 연장하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 헤미스피어 존잉을 통한 네트워크 분할은 클러스터 간 통신 거리 감소와 에너지 효율성 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 고급 분할-규칙 기법은 클러스터 헤드 선택과 네트워크 안정성에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 3단계 아키텍처는 에너지 소비와 커버리지 홀 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 균일 랜덤 모델(URM)을 통합함으로써 제안된 프로토콜의 실용성은 어떻게 향상되는가?
• RQ5 기존 프로토콜 대비 M-BEHZAD는 네트워크 수명, 처리량, 안정성 기간에 어떤 개선을 이루는가?

주요 결과

• M-BEHZAD는 균형 잡힌 클러스터 헤드 선택을 통해 에너지 홀을 최소화함으로써 네트워크 안정성 기간을 크게 연장한다.
• 3단계 아키텍처는 평균 통신 거리를 줄여 패킷 전송당 에너지 소비를 감소시킨다.
• 헤미스피어 존잉은 장거리 전송을 효과적으로 제한하여 에너지 오버헤드를 줄이고 확장성을 향상시킨다.
• 균일 랜덤 모델(URM) 통합은 패킷 손실에 대한 현실적인 추정치를 제공하여 프로토콜의 견고성을 검증한다.
• MATLAB에서의 시뮬레이션 결과 M-BEHZAD는 전통적 프로토콜 대비 네트워크 수명과 처리량 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 프로토콜은 첫 번째 노드 사망 시점과 네트워크 분할 시점을 연기함으로써 더 긴 운영 수명을 달성한다.