Efficient Energy Control Scheme in Wireless Sensor Networks

Abstract

본 논문에서는 노드가 작은 배터리에 의해 매우 제한적인 에너지로 운용되는 무선 네트워크에 대하여 논한다. 공급 전력이 제한된 무선 네트워크에서 에너지 소비량을 감소시키는 것은 매우 중요한 설계사항이다. 송신단에서 수신단으로 비트 에너지를 전송할 경우, 프로토콜 스택의 모든 계층은 양단 사이에서 에너지를 소모시키므로 에너지 소모를 최소화하기 위해 하드웨어 특성을 기초로 시스템의 통합 및 각 계층 간 결합 설계가 요구된다. 특히, 무선 센서 네트워크의 특성상 네트워크 내의 노드들은 한정된 용량의 배터리로 운용되며, 배터리는 비싸고 교체가 어렵기 때문에 에너지 효율은 중요한 문제 중의 하나이다. 그러므로 대부분의 네트워크 계층 스택의 설계에서 에너지절약 및 제어 기법은 중요한 이슈가 된다. 각각의 무선 센서 노드는 소형 전자 기기이므로 제한된 전력만이 장착될 수 있다. 에너지 소비는 데이터 처리 및 검출, 통신 등에서 발생하며, 대부분의 전력 소모는 노드에서 일어나게 된다. 지금까지 WSN에 대한 에너지 절약 기술 영역에서의 중요한 연구들은 꾸준히 이루어졌으며, 대체로 네트워크 계층의 에너지 절약 기법에 초점이 맞춰져왔다. 그럼에도 불구하고, 네트워크 상에서 여러 문제가 발생될 수 있기 때문에, 여전히 에너지 효율은 중요한 문제 중의 하나라고 할 수 있다. 무선 네트워크에서 대부분의 이동통신기기들은 배터리에 의해 전력을 공급받으므로 에너지 고갈 문제가 필연적으로 발생한다. 배터리의 전력문제로 인하여 보다 높은 효율을 가진 에너지 절약 기법들이 개발되어 왔다. 이 논문에서는 물리계층과 네트워크계층의 설계에 초점을 맞추었다. 물리계층 에서는 제한된 에너지 문제를 전송 변조 기법을 최적화하여 모델링 된다. 또한 네트워크 계층은 잘 설계된 라우팅 프로토콜을 다룬다. 일반적으로 에너지 절약과 제어는 네트워크 구조에서 모든 계층의 주요화제이다. 본 논문에서는 물리 계층 및 네트워크 계층과 관련된 몇몇 에너지 제어 기술에 관해 논한다.; In this thesis, we consider wireless networks with a hard energy constraint, where each node is powered by a small battery. Under this hard constraint, reducing energy consumption is the most important design consideration. Since all layers of the protocol stack contribute to the energy per bit consumed in its end-to-end transmission, energy minimization requires a joint design across all these layers as well as incorporating the underlying hardware characteristics. Due to the nature of wireless sensor networks, the nodes in the networks are distributed and operated with underpowered batteries of which replacement is very difficult and expensive. Energy efficiency turns out to be one of the crucial problems for wireless sensor networks systems. Energy management is a global issue, involving the design of network layer stacks. Each wireless sensor node is a micro-electro-mechanical device and can only be equipped with a limited power reserve. While energy consumption occurs in sensing, data processing and communications, care should be exercised to make the most of the expendable power source for the node. Though considerable research is being done on energy saving techniques for WSN, most of the proposed techniques are focused on energy awareness at different network layers in WSN. However, some problems occur, and one critical problem is energy efficiency. We often face the energy-exhausting problem during communicating because most mobile terminals in the wireless network are powered by battery. Due to the limitation of battery, some technologies developed for energy saving become more attractive and popular than others. In this thesis, we focus on physical layer and network layer designs. On physical layer, the energy constraint problem can be modeled as an optimization on transmission modulation scheme. Network layer deals with well-designed routing protocols. Generally speaking, energy saving and control is a global issue; it should be relative to most layer stacks in the network structure. We will here discuss several energy control schemes relative to physical layer and network layer.