[논문 리뷰] On Performance Evaluation of Variants of DEEC in WSNs

Talha Naeem Qureshi, Nadeem Javaid외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 12.

Energy Efficient Wireless Sensor Networks참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다양한 에너지 이질성 수준에서 이질적 무선 센서 네트워크(WSNs)에서 네 가지 DEEC 변종—DEEC, DDEEC, EDEEC, TDEEC—의 성능을 평가한다. 여러 시나리오에서의 시뮬레이션을 통해 TDEEC가 안정성 주기와 네트워크 수명 주기에서 다른 프로토콜보다 뛰어난 성능을 보이며, 특히 저이질성 및 다수준 이질성 환경에서 뛰어난 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 반면 EDEEC는 잔여 에너지와 클러스터 헤드 선택을 에너지 균형을 고려해 최적화할 경우 수명 주기에서 뛰어난 성능을 보였다.

ABSTRACT

Wireless Sensor Networks (WSNs) contain numerous sensor nodes having limited power resource, which report sensed data to the Base Station (BS) that requires high energy usage. Many routing protocols have been proposed in this regard achieving energy efficiency in heterogeneous scenarios. However, every protocol is not suitable for heterogeneous WSNs. Efficiency of protocol degrades while changing the heterogeneity parameters. In this paper, we first test Distributed Energy- Efficient Clustering (DEEC), Developed DEEC (DDEEC), Enhanced DEEC (EDEEC) and Threshold DEEC (TDEEC) under several different scenarios containing high level heterogeneity to low level heterogeneity. We observe thoroughly regarding the performance based on stability period, network life time and throughput. EDEEC and TDEEC perform better in all heterogeneous scenarios containing variable heterogeneity in terms of life time, however TDEEC is best of all for the stability period of the network. However, the performance of DEEC and DDEEC is highly effected by changing the heterogeneity parameters of the network.

연구 동기 및 목표

• 에너지 이질성 정도가 다른 이질적 WSNs에서 DEEC, DDEEC, EDEEC, TDEEC의 성능을 평가하는 것.
• 에너지 수준 비율 등의 이질성 파라미터 변화가 프로토콜의 안정성, 수명 주기, 처리량에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 세 단계 및 다수준 이질성 네트워크 구성 등 다양한 네트워크 설정에서 최적의 성능을 유지하는 프로토콜을 특정하는 것.
• 통제된 시뮬레이션 조건 하에서 각 프로토콜의 안정성 주기, 네트워크 수명 주기, 데이터 전송 효율성을 비교 분석하는 것.

제안 방법

• 에너지 이질성 수준이 다른 다섯 가지 다른 시나리오에서 시뮬레이션을 수행하였으며, 이는 a, b, m, m₀ 등의 파라미터로 정의되었다.
• 각 프로토콜은 고유한 클러스터 헤드(CH) 선택 메커니즘을 사용하였다: DEEC는 잔여 에너지 대 평균 에너지 비율 기반, DDEEC는 잔여 에너지만 기반, EDEEC는 슈퍼 노드를 고려한 개선된 잔여 에너지 기반, TDEEC는 임계값 기반 고에너지 노드 선택 기반.
• 주요 지표인 안정성 주기(첫 번째 및 열 번째 노드 사망), 네트워크 수명 주기(모든 노드 사망), 기지국(BS)으로 전송된 총 패킷 수를 기반으로 성능를 측정하였다.
• 시나리오에는 정상, 고급, 슈퍼 노드를 포함한 세 단계 네트워크와 랜덤 에너지 분포를 가진 다수준 네트워크가 포함되었다.
• 일관된 네트워크 크기(100개 노드), 고정된 통신 범위, 전송 및 수신에 대한 에너지 소비 모델을 사용하였다.
• 결과는 라운드 단위로 시각화 및 비교하여 장기적인 에너지 효율성과 네트워크 내구성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세 단계 WSNs에서 에너지 이질성이 높을 때와 낮을 때 DEEC, DDEEC, EDEEC, TDEEC는 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ2 노드 유형 간 에너지 차이가 최소화되었을 때 어떤 프로토콜이 가장 긴 안정성 주기를 유지하고 네트워크 수명 주기를 연장하는가?
• RQ3 EDEEC와 TDEEC에서 슈퍼 노드의 포함 여부가 다수준 이질성 네트워크에서 에너지 균형과 네트워크 수명 주기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 파라미터 조정(a, b, m, m₀)과 다양한 네트워크 구성에서 프로토콜의 내구성 간의 관계는 어떠한가?
• RQ5 기지국으로 전송된 패킷 수를 최대화하면서 에너지 고갈을 최소화하는 데 가장 효과적인 프로토콜은 무엇인가?

주요 결과

• TDEEC는 가장 긴 안정성 주기를 기록하였으며, 세 번째 시나리오에서 첫 번째 노드 사망은 1753라운드, 모든 노드 사망은 7467라운드에 발생하여 다른 모든 프로토콜을 압도하였다.
• 고이질성 환경인 다섯 번째 시나리오에서 TDEEC와 EDEEC는 네트워크 수명 주기를 10,000라운드 이상 연장하였으며, TDEEC는 기지국으로 총 620,606개의 패킷을 전송하였다.
• 다섯 번째 시나리오에서 EDEEC는 기지국으로 562,819개의 패킷을 전송하여 DEEC(224,095개)와 DDEEC(193,931개)에 비해 뛰어난 처리량과 수명 주기를 보였다.
• 랜덤 에너지 수준을 가진 다수준 이질성 네트워크에서 TDEEC는 다시 한번 안정성과 수명 주기에서 선두를 유지하였으며, 모든 노드 사망은 6734라운드에 발생하고 기지국으로 314,848개의 패킷을 전송하였다.
• DEEC와 DDEEC는 이질성이 증가함에 따라 성능 저하를 보였으며, 고이질성 환경에서 DEEC가 가장 먼저 고갈되었고 전송 패킷 수가 가장 적었다.
• TDEEC는 모든 시나리오에서 안정성 주기와 네트워크 수명 주기에서 다른 모든 프로토콜을 뛰어넘었으며, 특히 저이질성 및 다수준 구성에서 두드러진 성능을 보였다.