Recently wireless sensor networks (WSNs) are used in a wide range of applications, such as military surveillance, environmental monitoring, and health-care monitoring. Most of the WSN applications have a common mission to gather sensing information obtained from the sensor field and to convey useful information to users of the applications. Typically, sensor nodes are equipped with devices that are hardware-limited. In addition, sensor nodes are usually battery-powered and it is not possible to replenish the energy of sensor nodes in many WSN applications. As a result, there are challenges in extending network lifetime of WSNs.
Typically, sensor nodes are deployed densely to achieve sufficient coverage; hence, sensing information gathered by the sensor nodes is highly correlated. By exploiting the correlation of the sensing information, we can reduce the amount of data that should be transported to a sink node, and consequently, improve the energy efficiency and the network lifetime. The cluster-based topology is a good approach for exploiting the correlation of the sensing information, because cluster heads can gather and compress information collected from the nodes in each cluster.
In this thesis, we first analyze network lifetime in the general cluster-based sensor networks. We assume that the lifetimes of nodes near a sink node determine the network lifetime. By modeling the energy consumption of sensor nodes and correlation of sensing information, we derive the network lifetime bound in the cluster-based sensor networks. Then, we investigate the effects of the number of clusters and spatial correlation on the network lifetime. We find that there exists a specific number of clusters that maximizes the upper bound on network lifetime and that the cluster-based network topology becomes more efficient as the sensing information becomes more correlated.
Next, we propose a data gathering scheme for extending network lifetime in cluster-based WSNs. While previous works assume a communication channel as a point-to-point link, the proposed scheme is based on the full wireless point-to-multipoint communication model to fully exploit the broadcasting characteristics of the wireless medium. We analyze the performance of the proposed scheme numerically and compare it with that of the previous work via simulation. In addition, we derive the network lifetime based on the analysis where the proposed scheme is used in the cluster-based network. We show that the proposed data gathering scheme improves the network lifetime. Finally, we discuss the broadcast transmission support in the MAC layer for the proposed scheme.
Finally, we propose a distributed energy-balanced clustering algorithm for improving network lifetime in wireless multimedia sensor networks (WMSNs). In WMSNs, because each camera sensor has its own sensing area, which is called the field of view, the spatial correlations of sensing information depend on the distances between the nodes, the sensing directions, and the sensing ranges of the nodes. Therefore, the conventional distance-based clustering algorithms cannot be used in WMSNs. In some previous works, the authors proposed clustering algorithms that minimize the total amount of compressed information by exploiting the characteristics of the spatial correlations in WMSNs. In those algorithms, however, the improvement on network lifetime is limited, because cluster heads generally consume much more energy than normal sensor nodes and only some specific nodes always take the roles of cluster heads. We propose a clustering algorithm that consists of the rotational cluster head selection and the routing information update for energy balance of the sensor nodes. In the algorithm, cluster heads are changed and the routing information of the sensor nodes is updated periodically based on the spatial correlation and the residual energy of the sensor nodes. We show that the performance of the proposed algorithm outperforms that of the algorithm in the previous work via simulation.
최근 군사적인 용도의 센서망이나 환경감시시스템, 의료보건시스템을 위한 센서망에 대한 요구가 증가하고 있으며 이에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 센서망의 목적은 정보를 수집하여 사용자에게 유용한 정보를 전달하는 것이다. 일반적으로 센서노드에 사용되는 하드웨어의 성능은 제한되고 센서노드는 배터리로 동작하며 다시 충전하기가 힘들기 때문에 센서망의 생존시간을 개선하는 것이 센서망 연구에서 중요한 연구주제이다.
일반적으로 센서노드들은 일정수준의 망 커버리지를 유지하기 위해 높은 밀도로 전개되므로 정보들 간에 연관성이 존재하게 된다. 이러한 연관성을 이용하여 수집된 정보를 압축할 수 있고 이를 통해 에너지효율과 망의 생존시간을 늘릴 수 있다. 클러스터 기반 망구조는 클러스터 헤드가 클러스터 내의 정보를 수집하여 효율적으로 압축할 수 있기 때문에 에너지효율과 망의 생존시간을 개선하기에 적합한 망구조이다.
본 논문에서는 첫째, 정보 간 연관성과 노드의 에너지소모를 모델링하여 클러스터 기반 센서망의 생존시간을 분석한다. 망의 생존시간을 결정하는, 수집노드 주변에 있는 노드들의 에너지소모를 계산하여 클러스터 기반 센서망의 생존시간에 대한 상계를 유도하고 클러스터 개수와 정보 간 연관성이 망의 생존시간에 미치는 영향을 살펴본다. 이를 통해 망의 생존시간을 극대화하는 클러스터 개수를 구하고 정보의 연관성이 높을수록 클러스터 기반 센서망이 더 효율적임을 확인한다.
둘째, 클러스터 기반 센서망의 생존시간을 개선하기 위한 클러스터 내 데이터수집방안을 제안한다. 기존연구들은 무선채널을 일대일 통신모델로만 고려하여 데이터수집방식을 설계한 반면, 제안방안은 무선채널의 broadcast 특성을 이용하여 일대다 통신모델을 고려한 데이터수집방식을 제안한다. 실험을 통해 기존연구와 제안방안의 성능을 비교하고 앞서 제시된 분석을 이용하여 제안방안 사용 시 망의 생존시간을 분석한다. 분석을 통해 제안방안이 망의 생존시간을 개선함을 보이고 제안방안을 위한 MAC 계층에서의 broadcast 전송방식에 대해서 논의한다.
셋째, 무선멀티미디어센서망의 생존시간을 개선하기 위한 클러스터링 알고리즘을 제안한다. 멀티미디어센서망에서는 카메라노드가 고유한 field of view를 가지고 있기 때문에 정보 간 연관성은 기존 scalar 정보를 수집하는 센서망에서와 달리 카메라의 방향, 시야각, 센싱거리에 따라 결정된다. 기존연구에서는 이러한 멀티미디어센서망에서의 정보 간 연관성을 이용하여 압축된 정보량을 최소화하고 이를 통해 에너지효율을 극대화시키는 클러스터링 방안이 제안되었다. 그러나 이 방안에서는 고정된 최적의 클러스터 망구조를 사용하기 때문에 노드들의 에너지소모가 불균등하게 되고 따라서 망의 생존시간 개선에 한계가 있다. 본 논문에서는 정보 간 연관성뿐만 아니라 노드의 남아있는 에너지정보를 이용하여 주기적으로 클러스터 헤드를 선출하고 라우팅 정보를 수정하는 클러스터링 방안을 제안한다. 또한 클러스터 기반 망구조를 위한 자원할당방안을 제안한다. 실험결과를 통해 제안방안이 기존방안에 비해 망의 생존시간을 40% 정도 개선함을 확인한다.
