수중센서네트워크를 위한 에너지 효율적인 데이터 전송 기법 연구

Abstract

최근 과학적, 상업적 탐구와 해안선 보호를 위한 수중 환경의 관찰에 대한 관심이 증대되고 있다. 특히 우리나라의 경우는 삼면이 바다로 이루어져 있기 때문에 해양에 대한 연구는 더욱 중요하다. 광범위한 해양 관찰을 위한 이상적인 기법으로 수중 무선 센서 네트워크라고 불리는 수중 무선 센서들로 이루어진 분산 시스템이 있다. 주어진 영역에 대한 협동적인 관찰 임무를 수행하는 다양한 수의 센서들과 센서들을 장착한 무인 또는 자동 수중 장치들은 수중 자원 탐사와 과학적 자료 수집을 가능하게 한다. 수중 센서 노드들은 해양 데이터 수집, 오염 관찰, 근해 탐사, 재해 예방, 항해, 전략적 감시 등의 어플리케이션들에 사용될 수 있다. 수중 음파 네트워크는 이러한 어플리케이션들을 가능하게 하는 기술이다. 현재 많은 연구자들이 지상 센서 네트워크에 대한 네트워크 기법들에 대하여 연구하고 있다. 수중센서네트워크는 지상 센서네트워크에 비해 더 많은 제약 조건들을 가지고 있기 때문에, 효율적인 라우팅과 데이터 통합 기법이 더욱 중요하다. 그럼에도 불구하고 수중환경과 어플리케이션들의 차이점들로 인해 지상 센서네트워크를 위해 개발된 기법들을 수중 센서네트워크에 직접 적용하는 것은 적합하지 않은 점이 존재한다. 특히 수중센서네트워크가 지상센서네트워크에 비해 공간적으로 덜 조밀하고 더 긴 전송 거리를 가지고 있기 때문에 데이터 전송 기법은 라우팅이나 데이터 통합기법만큼 중요성을 가진다. 본 논문에서, 우리는 전송 파라미터들에 의해 네트워크의 에너지 소모가 얼마나 영향을 받는지 조사하고, 이전의 수중센서네트워크에 적용하기 위해 기존의 지상 센서네트워크에서 연구되었던 라우팅 및 데이터 통합 기법들에 대한 살펴보았다. 그리고 우리는 수중 센서 노드들을 배치하기 위하여 육각형 모자이크 접근방식을 적용하여, 수중 센서네트워크를 위한 이상적인 셀 크기를 계산하고 데이터 전송이 일어날 때 로드밸런싱을 수행하는 하이브리드 데이터 전송 기법을 제안하였다. 제안된 하이브리드 데이터 전송 기법은 하나의 노드와 BS 사이의 거리에 의해 결정되는 임계 영역을 적용하는 방식으로 데이터 전송 성능을 향상시킨다. 그리고 우리는 시뮬레이션을 수중 센서네트워크 환경에서 수행하였다. 시뮬레이션 결과에 따르면, 중앙 고리에 집중되던 에너지 소모가 임계 영역 안에 존재하는 고리들에 분산된 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 시뮬레이션 결과는 제안된 기법이 기존의 멀티홉 포워딩 기법보다 효율적이라는 것을 나타낸다. 결과적으로 우리는 제안된 하이브리드 데이터 전송 기법이 효율적인 데이터전송 관점에서 수중센서네트워크 어플리케이션들에 더욱 적합하다고 결론지을 수 있다.

Recently, there has been a growing interest in monitoring the marine environment for scientific exploration, commercial exploitation and coastline protection. Especially since our country is a peninsula, the study of ocean is more important. The ideal method for this type of extensive monitoring is a networked underwater wireless sensor distributed system, referred to as an Underwater Wireless Sensor Networks (UWSNs). The UWSNs consist of a variable number of sensors and vehicles that are deployed to perform collaborative monitoring tasks over a given area. Underwater sensor nodes will find applications in oceanographic data collection, pollution monitoring, offshore exploration, disaster prevention, assisted navigation and tactical surveillance applications. Moreover, unmanned or autonomous underwater vehicles, equipped with sensors, will enable the exploration of natural undersea resources and gathering of scientific data in collaborative monitoring missions. Underwater acoustic networking is the enabling technology for these applications. Many researchers are currently engaged in developing networking solutions for terrestrial wireless and sensor networks and ad hoc networks. Since UWSNs have more challenge than terrestrial WSNs, adopting efficient routing and data aggregation schemes is very important. However, due to the different nature of the underwater environment and applications, there are several drawbacks with respect to the suitability of the existing solutions for terrestrial WSNs. Especially because UWSNs are respectively sparse than terrestrial WSNs and have a long transmission range, data transmission scheme is also important as much routing and data aggregation schemes. In this thesis, we investigate how the network’s energy consumption is influenced by the transceiver parameters and review the state of precious routing and data aggregation researches in terrestrial WSNs to apply those to UWSNs. Then, we adopt a hexagon tessellation approach to deploy the underwater sensor nodes, calculate ideal cell sizes for UWSNs and suggest an enhanced hybrid transmission method that considers the load balancing once the data transmission is occurred. The suggested enhanced hybrid transmission method improves the data transmission performance by applying the threshold region that is decided as the distance between a node and Base Station (BS) and by allocating different frequencies. We simulate the proposed enhanced hybrid transmission method in the environment of UWSNs. The simulation results show that the proposed method has better efficiency than the existing multi-hop forwarding methods.