The KIPS Transactions:PartA (정보처리학회논문지A)

Korea Information Processing Society (한국정보처리학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

A Design of Efficient Cluster Sensor Network Using Approximate Steiner Minimum Tree

근사 최소 스타이너 트리를 이용한 효율적인 클러스터 센서 네트워크의 구성

  • Received : 2009.08.10
  • Accepted : 2009.12.29
  • Published : 2010.04.30
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

Cluster sensor network is a sensor network where input nodes crowd densely around some nuclei. Steiner minimum tree is a tree connecting all input nodes with introducing some additional nodes called Steiner points. This paper proposes a mechanism for efficient construction of a cluster sensor network connecting all sensor nodes and base stations using connections between nodes in each belonged cluster and between every cluster, and using repetitive constructions of approximate Steiner minimum trees. In experiments, while taking 1170.5% percentages more time to build cluster sensor network than the method of Euclidian minimum spanning tree, the proposed mechanism whose time complexity is O($N^2$) could spend only 20.3 percentages more time for building 0.1% added length network in comparison with the method of Euclidian minimum spanning tree. The mechanism could curtail the built trees' average length by maximum 3.7 percentages and by average 1.9 percentages, compared with the average length of trees built by Euclidian minimum spanning tree method.

클러스터 센서 네트워크는 여러 개의 중심 노드 주위에 다른 입력 노드들이 밀집된 분포를 보이는 센서 네트워크이다. 최소 스타이너 트리는 스타이너 포인트들을 도입하여 모든 입력 노드들을 최소 비용으로 연결하는 트리이다. 본 논문에서는 센서 노드와 베이스 스테이션의 연결인 간선들을, 클러스터 내에서와 클러스터 사이에서 각각 생성하고, 이를 이용하여 근사 최소 스타이너 트리를 반복적으로 생성하여, 단축된 길이의 클러스터 센서 네트워크를 구성하는 방법을 제안한다. 실행 시간 복잡도가 O($N^2$)인 제안된 방법으로 생성된 클러스터 센서 네트워크들은, 본 논문의 실험에서 유클리드 최소 신장 트리 방법의 네트워크들과 비교하여 생성 시간이 1170.5% 증가하였으나 최소치보다 0.1% 증가된 길이의 네트워크는 20.3%의 증가된 시간에 생성이 가능했다. 이 클러스터 센서 네트워크의 평균 길이는 유클리드 최소 신장 트리 방법과 비교하여 최대 3.7%, 평균 1.9% 감소되었다.

Keywords

References

  1. J. Al-Karaki and A. Kamal, “Routing Techniques in Wireless Sensor Networks: A Survey,”IEEE Wireless Communications, Vol.11, pp.6-28, 2004. https://doi.org/10.1109/MWC.2004.1368893
  2. L. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayirci, “A Survey on Sensor Networks,” IEEE Communications Magazine, pp.102-114, 2002. https://doi.org/10.1109/MCOM.2002.1024422
  3. M. Sanchez, P. Manzoni and Z.J. Hass, “Determination of Critical Transmission Ranges in Ad Hoc Network,” Proceedings of MMT, 1999.
  4. J. Li, D. Cordes and J. Zhang, “Power aware Routing Protocols in Ad Hoc Wireless Sensor Networks,”Wireless Communications, IEEE Vol.12, No.6, pp.69-81, 2005. https://doi.org/10.1109/MWC.2005.1561947
  5. H.O. Tan and I. Korpeoglu, “Power Efficient Data Gathering and Aggregation in Wireless Sensor Networks,”ACM SIGMOD Record Vol.32, No.4, pp.66-71, 2003. https://doi.org/10.1145/959060.959072
  6. T.H. Cormen, C.E. Leiserson, R.L. Rivest and C. Stein, 'Introduction to Algorithm', 2nd Ed., MITPress, 2001.
  7. http://en.wikipedia.org/wiki/Steiner_tree, 2009.
  8. A. Hayrapetyan, C. Swamy and E. Tardos, “Network Design for Information Networks,”Proceedings of the Sixteenth Annual ACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms, pp.933-942, 2005.
  9. J. Kim, M. Cardei, I. Cardei and X. Jia, “A Polynomial Time Approximation Scheme for the Grade of Services Steiner Minimum Tree Problem,” Journal of Global Optimization, Vol.24, pp.437-448, 2002. https://doi.org/10.1023/A:1021298822593
  10. 김재각, 김인범, 김수인, “원격 검침 시스템에서 근사 최소 스타이너 트리를 이용한 집중기 및 중계기의 효율적인 배치와 연결”, 한국통신학회 논문지B, Vol.34 No.10, pp.994-1003, 2009.
  11. 서민석, 김대철, “스타이너 트리 문제를 위한 Mar-Min Ant Colony Optimization”, 경영과학, Vol.26, No.1, pp.65-76, 2009.
  12. 이승관, “멀티캐스트 라우팅 문제 해결을 위한 엘리트 개미 시스템”, 한국컴퓨터정보학회논문지, Vol.13, No.3, pp.147-152, 2008.
  13. 이성근, 한치근, “다중 제약이 있는 멀티캐스트 트리 문제에 관한 연구”, 한국인터넷정보학회논문지, Vol.5, No.5, pp.129-138, 2004.
  14. 김준모, “센서 네트워크 구축에서의 Combinatorial 기법 적용”, 대한 전자공학회 논문지TC, Vol.45, No.7, pp.9-16, 2008.
  15. C. Liu, S. Yuan, S. Kuo, S. Wang, “High-performance Obstacle-avoiding Rectilinear Steiner Tree Construction,” ACM Transactions on Design Automation of Electronic Systems, Article 45, Vol.14, No.3, 2009. https://doi.org/10.1145/1529255.1529267
  16. Y. Wang, X. Hong, T. Jing, Y. Yang, X. Hu, G. Yan , “The Polygonal Contraction Heuristic for Rectilinear Steiner Tree Construction,” Proceedings of the 2005 Asia and South Pacific Design Automation Conference, Shanghai, pp.1-6, 2005. https://doi.org/10.1145/1120725.1120731
  17. B. Bell, “Steiner Minimal Tree Problem,” http://www.css.taylor.edu/~bbell/steiner/, 1999.