Improvement of LECEEP Protocol through Dual Chain Configuration in WSN Environment(A-LECEEP, Advanced LEACH based Chaining Energy Efficient Protocol)

WSN 환경에서 이중체인 구성을 통한 LECEEP 프로토콜 개선(A-LECEEP)

Abstract

Wireless sensor network (WSN) can be usefully used in battlefields requiring rapid installation and operation by enabling surveillance and reconnaissance using small sensors in areas where any existing network infrastructure is not formed. As WSN uses battery, energy efficiency acts as a very important issue in network survivability. Layer-based routing protocols have been studied a lot in the aspect of energy efficiency. Many research selected LEACH and PEGASIS protocols as their comparison targets. This study examines the two protocols and LECEEP, a protocol designed by combining their advantages, and proposes a new protocol, A-LECEEP, which is more energy efficient than the others. The proposed protocol can increase energy efficiency compared to the existing ones by eliminating unnecessary transmissions with multiple chains configuration.

1. 서론

무선 센서네트워크(이하 WSN)는 기존의 네트워크 인프라가 없는 지역에서 감시 및 정찰 임무를 무인으로 운용할 수 있도록 한다. 이러한 WSN은 작은 센서들이 효율적으로 협력하여 임무를 수행함에, 장비의 빠른 설치를 필요로하는 전장에서의 상황인지에 유용하다. 일례로 다수의 음향센서를 살포하여 적군의 탱크 이동을 탐지하고, 이동 규모를 예측할 수 있다.

WSN은 기존에 설치되어 있는 유무선 네트워크 인프라에 다양한 센서 장비들을 결합하여 상황인지에 필요한 여러 환경데이터를 서버와 연동하여 제공하는 기술로 많은 수의 노드가 배치되는 센서 필드, 센서와 그 외부를 연결하는 Base Station(BS) 등으로 구성된다.

WSN의 가장 중요한 특성은 저전력, 저가의 시스템이라는 것이다. 센서 노드는 배터리로 동작하며 광범위한 반경에 대량 살포되는 특성상 배터리를 교체할 수 없다. 따라서 센서 노드 자체 수명은 배터리의 수명과 직결되며 전력의 효율적 사용으로 네트워크의 생존시간(lifetime)을 극대화하는 것이 중요하다[1].

일반적으로 WSN의 라우팅 프로토콜은 네트워크 구조에 따라 평면기반 라우팅(flat based routing), 계층기반 라우팅(hierarchical based routing), 위치기반 라우팅(location based routing)으로 크게 구분된다. 에너지 효율에 주목하여 중복데이터의 통합 및 전송경로 최적화 등을 목적으로한 계층기반 라우팅이 많이 연구되고 있으며, 해당 프로토콜들 중 대표적인 프로토콜에 LEACH와 PEGASIS 프로토콜[3] 이 있으며, 이를 개선한 프로토콜로 LECEEP이 있다 [9].

본 논문에서는 WSN의 여러 프로토콜 중 계층기반의 클러스터링 프로토콜에 주목하여, 그중 대표적인 LEACH 프로토콜과 PEGASIS 프로토콜, 그리고 이들의 장점을 조합하여 발전시킨 LECEEP 프로토콜에 대해 알아보고 에너지 효율 면에서 더 발전된 라우팅 프로토콜(A-LECEEP)을 제안한다.

2. 이론

2.1 LEACH 프로토콜

LEACH 프로토콜은 네트워크 생존시간을 최대화하기 위해 센서 노드 간 에너지 소모를 균등하게 하는데 초점이 있다. 네트워크는 k개의 임의의 클러스터를 구성하며, 각각의 클러스터는 하나의 클러스터 헤더(Cluster Header, CH)를 선출하고 모든 노드의 균등한 에너지 소모를 위해 클러스터 멤버들끼리 CH의 역할을 번갈아가며 수행한다. 클러스터 멤버들은 CH로 데이터를 전송하고 CH는 데이터의 중복을 없애고 전송의 효율을 위하여 수신한 데이터들을 융합하여 BS에게 직접 전송한다. 또한 LEACH는 전송 간 클러스터 내부 및 클러스터간 충돌을 막기 위하여 각각 TDMA와 CDMA MAC을 사용한다. 선행된 논문에서의 시뮬레이션 결과, LEACH에서의 가장 효율적인 CH 수는 전체 노드 수의 5%로 나타났다[3].

LEACH 프로토콜의 동작은 설정(setup), 안정 상태(steady state)의 2단계로 구성된다. 설정 단계는 클러스터 구성, CH 선정 및 광고, 조인, 스케줄 생성단계로 나누어져 동작한다.

\(T(n)=\left\{\begin{array}{cl} \frac{p}{1-p\left(r \bmod \frac{1}{p}\right)} & n \in G \\ 0 & \text { otherwise } \end{array}\right.\)       (1)

셋업 과정에 포함된 CH 선정의 경우는 모든 센서 노드들이 식 (1)에 제시되는 임계값 T(n)과 비교 후 CH로 선출되거나 멤버노드로 남게 되며 이 임계 값은 CH가 될 확률 p, 현재의 라운드인 r, 그리고 G로 명시되는 지난 1/p 라운드 동안 CH가 아니었던 노드들의 집합에 기초해 계산되는 값이다[4,5]. 모든 노드들은 0과 1 사이의 값 중 하나를 랜덤하게 갖고, 해당 값이 임계값 T(n)보다 작다면 그 노드는 해당 라운드의 CH가 되며 그렇지 않은 경우는 멤버 노드가 된다. CH로 선정된 노드는 이후의 1/P 라운드 안에는 CH 가 되지 못하며 그렇기에 모든 노드가 공평하게 CH 의 임무를 수행하게 된다.

선정된 CH는 자신이 CH로 선정되었다고 노드들에게 광고하는 단계를 거치게 되고, 노드들은 해당 광고를 듣고 자신과 가장 가까운 CH를 정한 뒤 해당 CH에게 조인 메시지를 전달하여 클러스터를 구성하게 된다. 이후 CH는 자신의 클러스터에 속한 멤버노드들에게 데이터를 전송할 스케줄을 TDMA에 의거하여 생성 후 전달하며 셋업 단계는 마무리된다.

안정상태 단계에서는 멤버 노드들이 자신의 CH에게 감지한 데이터를 전송하는데, 이는 각 노드 마다 할당된 TDMA 스케줄에 따르며 멤버 노드들은 본인들에게 할당된 전송 시간 동안에만 데이터를 전송하고 그 외 시간에는 절전상태로 돌아가 에너지 소모를 줄인다[6]. 이후 CH는 해당 데이터들을 융합하여 BS 까지 전송한다.

LEACH 프로토콜이 비록 클러스터 구성 및 CH의 데이터 융합 등을 통해 네트워크 수명을 증가시킬 수 있다고는 하지만, 여전히 제한사항이 존재한다.

LEACH 프로토콜은 필요하다면 전송을 위해 모든 노드들이 BS까지 도달하기 위한 충분한 에너지를 가질 수 있다는 점, 각각의 노드가 MAC 프로토콜 등을 계산할 충분한 연산능력을 갖고 있다는 점 등을 가정한다. 또한 각 클러스터마다 멤버노드의 수를 네트워크를 통해 어떻게 균등하게 분배할 것인지와 전체 네트워크에 CH를 위치별 중간이 되는 곳에 어떻게 배치할 것인가에 관한 것은 분명하지 않다.

따라서 선발된 CH들이 네트워크의 특정 부분에 편향될 가능성이 존재하며 어떤 노드들은 CH를 전혀 찾지 못할 수도 있다. 또한 BS로부터 멀리 떨어진 CH들은 가까운 CH보다 많은 에너지를 소모하므로 불균등한 에너지 소모가 발생할 수 있다[7].

2.2 PEGASIS 프로토콜

PEGASIS 프로토콜은 각각의 노드들이 본인과 가장 가까운 이웃 노드들과 체인을 구성하여 통신하고, BS로 데이터를 전송하는 1개의 리더 노드 역할을 번갈아 가며 수행하는 것이다. 이 방법은 소모되는 전송에너지가 모든 노드들에게 균등하게 분배될 수 있게 한다. 결론적으로 PEGASIS 프로토콜은 근접한 노드들 사이에서의 전송을 통해 각 노드의 수명 주기를 증가시키고, 소모되는 대역폭을 감소시키는 2가지 목적이 있다[8].

PEGASIS 프로토콜은 임의의 노드에서 시작해 greedy 알고리즘을 사용하여 이웃 노드와 한 개의 체인을 형성한다. 체인이 구성된 후 노드는 수집한 데이터를 체인으로 연결된 근접한 이웃 노드에게 전송하고, 해당 데이터를 수신한 노드는 자신이 수집한 데이터와 이를 융합하여 다시 근접 이웃 노드에게 전송한다. 최종적으로 BS에게 데이터를 전송하는 리더 노드는 라운드별로 임의의 노드가 돌아가며 역할을 수행한다. 데이터 전송 과정은 토큰을 사용해 이루어지는데 BS로 데이터를 전송하는 리더 노드가 토큰을 체인의 말단 노드에게까지 전송하면서 시작된다.

Fig. 1에서 리더노드의 역할을 노드 C2가 맡았다면, 토큰을 말단 노드인 C0에게 전달하고 해당 토큰을 전달받은 노드 C0은 노드 C1에게 데이터를 전송한다. 노드 C1은 자신의 데이터와 수신한 데이터를 융합해 노드 C2로 전달한다. 노드 C1에게 데이터를 수신한 노드 C2는 노드 C4로 다시 토큰을 전달해 동일한 방법으로 반대 방향의 데이터 또한 수집한다.

Fig. 1. Token passing Data Transmission.

PEGASIS 프로토콜은 일부 연구 및 실험에서 LEACH보다 에너지 효율이 더 우수한 것으로 알려져 있지만, 전체 노드를 오직 한 개의 체인으로 연결하여 데이터를 전송하므로 네트워크 규모가 대규모로 확장되었을 때에는 제한사항이 발생할 수 있다. 전체 노드가 하나의 체인을 통해 데이터를 BS로 전송하기 때문에 전송 간에 지연이 발생할 수 있고, 하나의 노드가 소멸되거나 추가될 때마다 체인을 재구성해야 하는 등의 제한사항이 있다[10].

2.3 LECEEP(LEACH based Chaining Energy Efficient Protocol)

LECEEP 프로토콜은 기존 LEACH와 PEGASIS 프로토콜을 분석하여 두 프로토콜의 장점을 혼합한 알고리즘이다. LEACH 프로토콜은 클러스터 구조를 통하여 기존의 평면기반 라우팅에 비해서 네트워크의 수명을 증가시킬 수 있지만, BS까지 거리가 먼 경우 데이터를 전송할 시에는 CH의 전송 에너지가 과하게 소모될 수 있다는 측면에서 제한사항이 발생한다.

이러한 제한사항을 해결하기 위해 LECEEP는 LEACH 프로토콜에서 사용한 클러스터 구조에 바탕하여 클러스터 구성 및 CH를 선출하고, CH에서의 데이터 전송에는 PEGASIS 프로토콜에서 사용한 greedy 알고리즘을 이용하는 체이닝 기법을 적용한다. 이를 통해 각각의 CH가 BS로 직접 데이터를 전송하는 것이 아니라 인접 CH를 경유하여 BS로 데이터를 전송함으로써 전송 거리 단축을 통한 에너지 경감을 이룬다.

기본적으로 LECEEP의 동작은 LEACH 프로토콜에 기반하며 LEACH 프로토콜의 라운드 구성은 설정 단계와 안정 상태 단계로 나누어지고, 설정 단계는 다시 클러스터 구성, CH 선정 및 광고, 조인, 스케줄 생성단계로 나누어진다. LECEEP는 스케줄 생성 이후에 체인 형성 단계를 추가하여 동작한다.

Fig. 2는 CH간 greedy 알고리즘을 사용해 임의의 체인이 형성된 모습을 나타낸다. Fig. 2의 (f)는 CH가 형성된 체인을 통해 BS로 데이터를 전송하는 것을 보여준다. 기존에 LEACH에서 각각의 CH가 직접 BS로 데이터를 전송하는 것에 비해, LECEEP에서는 CH가 체인을 중심으로 가장 가까운 인접 CH에 게 데이터를 전송하고 BS와 가장 가까운 CH가 마지막으로 이 데이터를 융합해 BS로 최종 전송하는 것을 알 수 있다.

Fig. 2. Operation of LECEEP[9].

하지만 LECEEP 또한 전송간 에너지 소모 측면에서 개선의 여지가 존재하는데, 1개 체인만을 형성하여 데이터를 전송하기 때문에, Fig. 3의 빨간색 선으로 나타난 역방향 전송의 예시에서 볼 수 있듯 불필요한 데이터 소모가 일어나 전체 네트워크의 생존성이 저하될 수 있으며 이는 네트워크 규모가 커질수록 더 큰 문제가 될 수 있고 Fig. 3에서도 붉은 구간 외에도 역방향 전송이 일어나는 구간은 더 존재한다. 역방향 전송은 BS의 x축 값을 기준으로 왼쪽과 오른쪽을 오가는 전송이 일어날 때 발생할 수 있으며, 이는 BS로 데이터를 바로 전달할 때 보다 더 늘어나는 x 축으로의 전송거리로 인해 불필요한 에너지 소모가 발생하는 것을 말하며 그 발생 빈도는 CH 배치에 따라 차이가 있다. 하지만 LECEEP은 1개 체인만 형성하는 PEGASIS 프로토콜의 체인형성 기법을 사용하기 때문에 역방향 전송은 일어날 수 밖에 없으며 이는 에너지 효율을 낮추는 요인으로 작용한다.

Fig. 3. A case of reverse transmission in LECEEP.

3. 제안한 방법

제안하는 A-LECEEP의 핵심 아이디어는 LECEEP 알고리즘에 전송 방향성을 추가하여 불필요한 에너지 손실을 없애고, 노드 생존성을 증가시키는 것이다. 이를 위해 기존 LECEEP의 체이닝구성 알고리즘에 방향성과 에너지 효율을 고려하여 BS의 위치정보를 기반으로 왼쪽과 오른쪽으로 섹터를 구분짓는 단계를 추가한다. 그렇기에 본 논문은 GPS를 갖는 센서의 경우와, 센서를 살포한 뒤 이동이 일어나지 않는 고정형 센서의 경우를 가정하였다. 제안하는 알고리즘을 통해 CH간 이중체인이 구성될 수 있으며 이를 바탕으로 기존 LECEEP에 비해 불필요한 역방향전송을 줄임으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

프로토콜의 흐름도는 Fig. 4와 같으며. 클러스터를 구성하는 단계까지는 기존 LEACH 알고리즘을 따르며[6] 이후 BS의 위치정보를 기준으로 왼쪽 섹터와 오른쪽 섹터로 나누어 CH들의 위치를 구분 짓고 섹터별 각각의 체인을 형성한다. 세부 동작은 다음과 같다. 먼저 네트워크의 모든 노드를 대상으로 식 (1)의 계산을 통해 CH들을 선정한다. 이후 선정된 CH들은 인접 노드들에 자신이 CH임을 adv 메시지로 광고한다. 여러 CH로부터 해당 메시지를 수신한 일반노드들은 자신과 가장 가까운 CH를 선정하여 멤버 노드로 가입하겠다는 것을 join메시지를 통해 전달한다. 이를 수신한 CH는 클러스터를 구성하고, 자신의 클러스터에 속한 모든 멤버 노드들을 대상으로 TDMA 스케줄을 생성하고 이를 멤버노드들에 전달한다. 이후 CH는 BS로 본인의 위치정보를 보고하고, BS는 자신의 위치정보를 바탕으로 왼쪽과 오른쪽으로 섹터를 나눠 각각의 섹터별로 CH들을 연결하는 체인을 형성한다. 체인 형성은 greedy 알고리즘을 통해 이뤄지며, BS는 각 체인마다 토큰을 발행하여 BS 에서 가장 먼 노드로부터 데이터 전송이 시작되어가장 가까운 노드가 BS로의 최종 전송노드가 되어 토큰이 전달되며 데이터가 전송되도록 한다. 클러스터의 멤버노드들은 TDMA 스케줄에 기반하여 CH 로 데이터를 전송하고, 이를 수신한 CH는 데이터들을 융합하여 체인상 가장 인접한 CH로 토큰과 함께 데이터를 전송한다. BS로의 전송이 끝나며 1개 라운드가 종료되고, CH 선정부터의 위 과정이 반복된다.

Fig. 4. Flowchart of A-LECEEP.

위의 과정을 통해 섹터별 별도 체인이 구성되어 데이터가 전송되므로 기존 1개의 체인만 구성되어 BS까지 데이터를 전송하던 LECEEP에 비해 불필요한 전송에서 오는 에너지 손실을 줄일 수 있다. A- LECEEP의 구현 예시는 Fig. 5와 같으며 이중 체인이 구성되어 BS로 데이터가 전송되는 것을 볼 수 있다.

Fig. 5. Example of A-LECEEP.

4. 실험 결과 및 고찰

LEACH 프로토콜과 LECEEP, A-LECEEP의 성능 분석을 위해 라디오 모델로서 LEACH와 PEGASIS, LECEEP 프로토콜에서 적용한 first order radio model을 사용하였다. 실험환경은 CPU Intel(R) Core (TM) i7-3770 @3.40GHz, OS Windows 10, RAM 16GB이며, 시뮬레이터로는 Matlab을 사용하였고, 실험의 네트워크 배치는 100 X 100 (m), 전체 노드 수는 100개, BS의 위치는 (x=50, y=200)에 배치하였다. 최초 노드 에너지는 2(J)이며, 전송 데이터의 크기는 4000(bit)이다[9]. 실험 시나리오는 프로토콜을 제외한 모든 조건이 동일한 네트워크에서 각각의 프로토콜을 작동하여 모든 노드가 최초 에너지를 다 사용해 네트워크 전체가 사망하는 때까지 데이터를 전송하여, 최초로 사망노드가 발생하는 라운드, 마지막 노드가 사망하는 라운드를 측정하여 전체 네트워크 생존시간을 비교하고, 전송별 에너지 소모를 측정하여 프로토콜의 에너지 효율을 비교하는 실험을 진행하였다.

4.1 라운드별 작동노드 비교 결과

라운드별 동작하는 노드 수에 대한 실험 결과는 Fig. 6과 같으며 X축은 라운드, Y축은 동작노드(%)를 나타낸다. 노란 점선이 LEACH, 붉은 점선이 LECEEP, 파란 실선이 제안 프로토콜(A-LECEEP)을 사용한 결과이다. 각각의 그래프를 보면 첫 사망노드가 발생한 라운드와 마지막으로 사망노드가 발생한 라운드는 LEACH의 경우 각각 1041, 2272, LECEEP의 경우 1059, 2628, A-LECEEP의 경우 1176, 2796 라운드이며 이는 Table 1과 같다. 이는 WSN 전체 네트워크 생존시간 측면에서 A-LECEEP이 LEACH에 비해 13∼23%, LECEEP에 비해 6∼11% 향상된 성능을 보임을 나타낸다.

Fig. 6. Operational Nodes per rounds.

Table 1. Rounds of first and last dead node occurrence by protocols.

4.2 전송별 에너지 소모 비교 결과

전송별 소모되는 에너지에 대한 실험 결과는 Fig. 7과 같으며 X축은 전송차수, Y축은 에너지 소모(J) 를 나타낸다. (a)그림이 LEACH, (b)가 LECEEP, (c) 가 제안 프로토콜(A-LECEEP)을 사용한 결과이다. 붉은 선의 가장 아랫부분이 에너지 소모의 최소값, 윗부분이 최대값을 나타낸다.

Fig. 7. Energy consumption per transmission. (a) LEACH, (b) LECEEP, and (c) A-LECEEP.

(a)그래프가 에너지 소모가 0.18J을 넘어가는 그래프가 가장 굵고 많으며 (c)의 경우 0.18J을 크게 넘는 그래프는 많이 없고 0.1J 주위로 가장 많은 에너지 소모 분포가 형성되는 것을 통해 세 프로토콜 중 A-LECEEP이 가장 균등한 에너지 소모가 이루어지고 있다는 것을 알 수 있다.

전체 전송간 에너지 소모의 평균값은 (a)가 0.133078, (b) 0.119371, (c) 0.113237로써 (c)가 가장 적으며 이는 Table 2와 같다. 해당 결과는 평균 에너지 소모 측면에서 A-LECEEP이 LEACH에 비해 17%, LECEEP 에 비해 5% 향상된 성능을 보임을 나타낸다.

Table 2. Average energy consumption during transmission by protocols.

5. 결론

본 논문에서는 기존 WSN의 계층기반 라우팅 프로토콜인 LEACH와 PEGASIS, LECEEP에 대해 알아보았으며 에너지 효율을 더 높이기 위한 새로운 프로토콜인 A-LECEEP을 제안하였다. 실험 결과 제안하는 A-LECEEP이 기존의 프로토콜보다 에너지효율 면에서 더 나은 결과를 보였으며, 네트워크 생존시간 향상에도 효과가 있음을 확인하였다. 프로토콜을 제외한 다른 모든 조건이 동일한 상황에서의 실험이므로 제안 프로토콜이 LEACH, LECEEP에비해 역경로 전송이 줄고, 전송경로가 효율적으로 구성되는 등의 요인으로 인한 것으로 해석할 수 있으며, 이는 노드 필드가 넓어질수록 이중 체인보다도더 체인 수량을 늘림으로써 전송간 에너지 효율 및 네트워크 생존시간을 더욱 높일 수 있을 것으로 예상된다. 하지만 적정 수량을 넘어가게 되면 클러스터 헤더에서의 데이터 병합 효과가 감소하고, 중복된 데이터 전송 및 부가적인 오버헤더에서 오는 에너지효율의 감소를 일으킬 수 있다.

따라서 향후 연구로는 시뮬레이션을 통해 노드 필드의 면적 변화에 따른 최적의 에너지 효율을 보이는 체인 수량을 찾는 연구를 진행할 예정이다.