[논문 리뷰] Region Based Energy Balanced Inter-cluster communication Protocol for Sensor networks

Rohini Sharma, D. K. Loboyal|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 19.

Energy Efficient Wireless Sensor Networks참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 무선 센서 네트워크에서 에너지 불균형 문제를 해결하기 위해 모니터링 영역을 영역으로 나누고 각 영역 내 잔류 에너지를 기반으로 클러스터 헤드를 선정함으로써 에너지 균형을 맞추는 영역 기반 에너지 균형 클러스터 간 통신 프로토콜(RBEBP)을 제안한다. 원거리 노드를 위한 릴레이 클러스터 헤드를 사용하고 클러스터 헤드 선정을 최적화함으로써 RBEBP는 에너지 고갈을 줄이고 에너지 홀을 최소화하며 LEACH보다 네트워크 수명을 연장한다. 시뮬레이션 결과는 향상된 스루풋과 에너지 효율성을 보여준다.

ABSTRACT

Wireless sensor networks faces unbalanced energy consumption problem over time. Clustering provides an energy efficient method to improve lifespan of the sensor network. Cluster head collects data from other nodes and transmits it towards the sink node. Cluster heads which are far-off from the sink, consumes more power in transmission of information towards the sink. We propose Region Based Energy Balanced Inter-cluster communication protocol (RBEBP) to improve lifespan of the sensor network. Monitored area has been divided into regions; cluster heads are selected from specific region based on the residual energy of nodes in that region. If energy of nodes of the specific region is low, nodes from another region are selected as cluster heads. Optimized selection of cluster heads helps in improving lifespan of the sensor network. In our scheme, cluster heads which are far-off from the sink use another cluster heads as the relay nodes to transmit their data to the sink node. So energy of cluster heads deplete in a uniform way and complete area remain covered by sensor nodes. Simulation results demonstrate that RBEBP can effectively reduce total energy depletion and considerably extend lifespan of the network as compared to LEACH protocol. RBEBP also minimize the problem of energy holes in monitored area and improve the throughput of the network

연구 동기 및 목표

• 수신기에서 멀리 떨어진 클러스터 헤드가 더 많은 에너지를 소비함으로써 발생하는 무선 센서 네트워크의 에너지 불균형 문제를 해결하기 위해.
• 클러스터 헤드 간 균일한 에너지 고갈을 보장함으로써 네트워크의 작동 수명을 연장하기 위해.
• 지능적인 클러스터 헤드 선정을 통해 모니터링 영역 내 에너지 홀의 형성을 최소화하기 위해.
• 릴레이 클러스터 헤드를 사용하여 클러스터 간 통신을 최적화함으로써 네트워크 스루풋을 향상시키기 위해.
• 다양한 영역의 잔류 에너지 수준에 적응할 수 있는 확장 가능하고 에너지 균형 잡힌 클러스터링 프로토콜을 제공하기 위해.

제안 방법

• 에너지 소비를 국소화하고 클러스터 간 부하를 균형 있게 하기 위해 모니터링 영역을 다수의 영역으로 분할한다.
• 각 영역의 잔류 에너지를 기반으로 클러스터 헤드를 선정하며, 더 높은 잔류 에너지를 가진 노드를 우선시한다.
• 영역 내 노드의 잔류 에너지가 낮을 경우, 조기 에너지 고갈을 방지하기 위해 인접 영역에서 클러스터 헤드를 선정한다.
• 수신기에서 더 멀리 떨어진 클러스터 헤드는 데이터를 전달하기 위해 중간 클러스터 헤드를 릴레이로 사용하여 장거리 전송 에너지를 줄인다.
• 특정 클러스터 헤드가 과도한 에너지 부하를 떠넘기지 않도록 보장하여 네트워크 전반에 걸쳐 균일한 에너지 고갈을 촉진한다.
• 거리와 에너지 수준에 따라 클러스터 헤드에 릴레이 역할을 동적으로 할당함으로써 클러스터 간 통신을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 영역 기반 클러스터링을 통해 무선 센서 네트워크의 에너지 불균형을 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ2 잔류 에너지 기반의 영역별 클러스터 헤드 선정이 네트워크 수명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 릴레이 클러스터 헤드를 사용할 경우 원거리 클러스터 헤드의 에너지 소비가 얼마나 감소하는가?
• RQ4 에너지 고갈과 네트워크 수명 측면에서 RBEBP는 LEACH와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 동적이고 에너지 인식적인 클러스터 헤드 선정을 통해 에너지 홀의 형성이 어느 정도 최소화될 수 있는가?

주요 결과

• RBEBP는 LEACH 프로토콜에 비해 총 에너지 고갈을 크게 줄였다.
• 클러스터 헤드 간 균형 잡힌 에너지 소비 덕분에 RBEBP의 네트워크 수명이 뚜렷이 연장되었다.
• 지역 잔류 에너지를 기반으로 한 전략적 클러스터 헤드 선정을 통해 모니터링 영역 내 에너지 홀이 최소화되었다.
• 최적화된 클러스터 간 통신과 릴레이 사용 덕분에 네트워크 스루풋이 향상되었다.
• 고정밀한 에너지 고갈을 통해 클러스처 헤드 간 균일한 에너지 소모가 달성되어 고용량 노드의 조기 고장이 방지되었다.
• 시뮬레이션 결과는 RBEBP가 에너지 효율성과 네트워크 지속 가능성 측면에서 LEACH를 능가함을 확인했다.