[논문 리뷰] Reliable and Real-Time End-to-End Delivery Protocol in Wireless Sensor Networks

Hossein Pourakbar, Ali Ghaffari|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 11.

Energy Efficient Wireless Sensor Networks참고 문헌 12인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 사전 정의된 마감 시간 기반 우선순위 큐잉과 인접 노드 선택을 위한 패킷 수신률(PRR)을 통합하여 신뢰성 있고 실시간 엔드투엔드 전달을 보장하는 QoS 인식 라우팅 프로토콜을 제안한다. 마감 시간을 충족할 수 없는 시간 민감도가 높은 패킷은 동적으로 삭제되어 에너지 소비를 최소화하면서도 낮은 지연과 높은 신뢰성을 유지한다. 시뮬레이션 결과는 QoS 메트릭 향상을 입증한다.

ABSTRACT

Many routing protocols have been proposed to handle reliability and real-time routing energy efficiency for wireless sensor networks. In this paper we propose a new routing protocol with QoS based capabilities for WSNs. We used priority queues for improve real-time and non-real-time packets forwarding according to deadline of them. The protocol finds a best-cost, time-sensitive packet forwarding mechanism for real-time data with minimum consumption of the energy. In order to avoid of congestion in network our protocol drops those packets who can't reach their destination in specified time. For service quality assurance in reliability domain we used packet reception rate as an important parameter (PRR) in selecting of neighbor nodes. Simulation results show that our new approach how can provide quality of service parameters.

연구 동기 및 목표

• 에너지 제약이 있는 무선 센서 네트워크(WSNs)에서 신뢰성 있고 실시간 데이터 전달을 보장하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 실시간 데이터 전송의 стрict한 시간 제약을 유지하면서 에너지 소비를 줄이기 위해.
• 전달 마감 시간을 충족할 수 없는 패킷을 사전에 폐기하여 네트워크 혼잡을 방지하기 위해.
• 인접 노드 선택에 패킷 수신률(PRR)을 핵심 지표로 사용하여 신뢰성 있는 다중 홉 전달을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 각 패킷의 마감 시간에 따라 실시간 및 비실시간 패킷 간 전달 행동을 구분하기 위해 우선순위 큐를 활용한다.
• 에너지 소비를 최소화하기 위해 실시간 데이터 전송을 위한 최적비용, 시간 민감도 기반 전달 메커니즘을 구현한다.
• 전달 마감 시간 내에 전달되지 못할 경우 패킷을 폐기하는 패킷 삭제 정책을 도입하여 혼잡을 방지한다.
• 신뢰성 있는 다중 홉 전달을 확보하기 위해 인접 노드 선택 기준으로 PRR를 사용한다.
• 에너지 효율성, 신뢰성, 시기적절성의 균형을 고려한 라우팅 결정 프레임워크를 설계한다.
• 다양한 트래픽 및 네트워크 조건 하에서 QoS 성능을 평가하기 위해 WSN 환경에서 프로토콜을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WSN에서 실시간 데이터 전달에 대해 낮은 지연과 높은 신뢰성을 동시에 확보하면서 에너지 소비를 최소화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 자원을 과도하게 소비하는 패킷을 전달 마감 시간이 지난 후가 아니라 사전에 폐기함으로써 네트워크 혼잡을 효과적으로 방지할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 PRR 기반의 인접 노드 선택이 다중 홉 WSN에서 엔드투엔드 전달 신뢰성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 기존 큐잉 전략과 비교해 볼 때, 마감 시간 인식 큐잉은 실시간 데이터 전달의 시기적절성을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 WSN에서 엔드투엔드 데이터 전달 시 에너지 효율성, 신뢰성, 지연 간의 상호 상충 관계는 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 마감 시간 기반 큐잉을 통해 실시간 패킷의 엔드투엔드 지연이 크게 향상된다.
• 마감 시간이 지난 패킷을 전달하지 않음으로써 자원 낭비를 방지하여 에너지 소비가 감소한다.
• 인접 노드 선택에 PRR를 사용함으로써 다중 홉 경로에서 패킷 전달 신뢰성이 명확하게 향상된다.
• 전달 마감 시간을 충족할 수 없는 패킷을 사전에 폐기함으로써 혼잡이 효과적으로 완화된다.
• 시뮬레이션 결과는 기존 라우팅 프로토콜과 비교해 본 프로토콜이 신뢰성, 지연, 에너지 효율성 측면에서 더 우수한 QoS 성능을 달성함을 확인한다.
• 높은 네트워크 부하 조건에서도 높은 성능을 유지하여 동적 WSN 환경에서의 강건성을 입증한다.