[논문 리뷰] Sensors Lifetime Enhancement Techniques in Wireless Sensor Networks - A Survey

Sami Halawani, Abdul Waheed Khan|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 21.

Energy Efficient Wireless Sensor Networks참고 문헌 24인용 수 40

한 줄 요약

이 종합 검토는 무선 센서 네트워크(WSNs)에서 에너지 효율적인 MAC 및 라우팅 프로토콜을 식별하고 평가하여 센서와 네트워크 수명을 연장한다. 데이터 중심 및 계층적 라우팅에 초점을 맞추고, 스케줄 기반 및 경쟁 기반 MAC 프로토콜을 고려함으로써, 충돌과 재전송을 줄이는 것과 같은 통신 에너지 사용 최적화가 에너지 제약 환경에서 네트워크 운영 시간을 크게 연장시킨다는 점을 입증한다.

ABSTRACT

Wireless Sensor Networks are basically used for gathering information needed by smart environments but they are particularly useful in unattended situations where terrain, climate and other environmental constraints may hinder in the deployment of wired/conventional networks. Unlike traditional networks, these sensor networks do not have a continuous power supply at their disposal. Rather the individual sensors are battery operated and the lifetime of the individual sensors and thus the overall network depend heavily on duty cycle of these sensors. Analysis on WSNs shows that communication module is the main part which consumes most of the sensor energy and that is why energy conservation is the major optimization goal. Since routing protocols and MAC protocols directly access the communication module therefore the design of protocols in these two domains should take into account the energy conservation goal. In this paper, we discuss different state-of-the-art protocols both in MAC and routing domains that have been proposed for WSNs to achieve the overall goal of prolonging the network lifetime. The routing protocols in WSNs are generally categorized into three groups - data centric, hierarchical and location-based but we focus on only the first two categories because location-based routing protocols generally require a prior knowledge about sensors location which most of the times is not available due to random deployment of the sensors. We then discuss how schedule-based and contention-based MAC protocols can contribute to achieve optimal utilization of the limited energy resource by avoiding or reducing the chances of collisions and thus the need for retransmission.

연구 동기 및 목표

• 지속적인 전원 공급 없이 작동하는 무선 센서 네트워크(WSNs)에서 제한된 배터리 수명의 과제를 해결한다.
• 통신 모듈이 가장 큰 에너지 소비자이므로 에너지 소비를 주요 제약 조건으로 간주한다.
• MAC 및 라우팅 계층의 프로토콜 설계를 통해 에너지 절감과 네트워크 수명 연장을 목표로 한다.
• 데이터 중심 및 계층적 라우팅 카테고리의 최신 프로토콜을 평가하며, 실현 가능성이 떨어지는 배치 제약 조건으로 인해 위치 기반 프로토콜은 제외한다.
• 스케줄 기반 및 경쟁 기반 MAC 프로토콜이 충돌 회피 및 효율적인 매체 접근을 통해 에너지 낭비를 어떻게 줄이는지 분석한다.

제안 방법

• 배치 타당성 때문에 첫 번째 두 가지를 중심으로 라우팅 프로토콜을 데이터 중심, 계층적, 위치 기반 유형으로 분류한다.
• 사전 정의된 경로가 아닌 데이터 콘텐츠에 기반해 데이터를 전달하는 데이터 중심 라우팅 프로토콜을 검토한다.
• 센서를 클러스터로 조직하고 클러스터 헤드를 통해 중복 전송을 줄이는 계층적 라우팅 프로토콜을 분석한다.
• 노드에 시간 슬롯을 할당하여 충돌을 방지하고 무작위 수신을 줄이는 스케줄 기반 MAC 프로토콜을 검토한다.
• Carrier sensing와 듀티 사이클링을 사용해 에너지 소비를 최소화하는 S-MAC 및 T-MAC과 같은 경쟁 기반 MAC 프로토콜을 평가한다.
• MAC 및 라우팅 계층에서 에너지 효율성을 우선시하는 프로토콜 설계 원칙을 평가하여 전체 네트워크의 에너지 소비를 줄인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통신 모듈은 WSNs에서 에너지 소비에 어떻게 기여하며, 이를 완화할 수 있는 프로토콜은 무엇인가?
• RQ2 에너지 효율성 측면에서 데이터 중심 라우팅 프로토콜과 계층적 라우팅 프로토콜 간의 주요 차이점과 상호 보완적 특성은 무엇인가?
• RQ3 스케줄 기반 및 경쟁 기반 MAC 프로토콜은 WSNs에서 에너지 낭비를 어떻게 줄이는가?
• RQ4 왜 위치 기반 라우팅 프로토콜은 실제 WSNs의 무작위 센서 배치에 적합하지 않은가?
• RQ5 MAC 및 라우팅 계층의 프로토콜 수준 최적화가 WSNs의 운영 수명을 어떻게 함께 연장하는가?

주요 결과

• 통신 모듈은 WSNs에서 주요 에너지 소비자이므로, MAC 및 라우팅 프로토콜에서의 에너지 절약이 네트워크 수명 연장에 필수적이다.
• 무작위 배치 환경에서는 위치 기반 프로토콜보다 데이터 중심 및 계층적 라우팅 프로토콜이 더 적합하며, 위치 정보 의존도가 낮기 때문이다.
• 스케줄 기반 MAC 프로토콜은 시간 분할 접근을 통해 무작위 수신과 충돌 해결을 제거함으로써 에너지 소비를 줄인다.
• S-MAC 및 T-MAC과 같은 경쟁 기반 MAC 프로토콜은 듀티 사이클링을 통해 에너지 효율성을 향상시키고 불필요한 전송을 줄인다.
• MAC 및 라우팅 계층에서 최적의 프로토콜 설계는 재전송과 무작위 상태를 최소화함으로써 네트워크 수명을 크게 연장시킬 수 있다.
• 에너지 제약 환경에서 지속 가능한 운영을 달성하기 위해 다중 계층에 걸쳐 에너지 인식 프로토콜을 통합하는 것이 필수적이다.