AN ENERGY EFFICIENT CLUSTERING TECHNOLOGY WITH POWER CONTROL FOR PUBLIC SAFETY NETWORKS

Abstract

자연 재해는 항상 사람들의 일상에 혼란을 야기한다. 이러한 재해는 또한 경제, 생활 기반 시설에 극심한 피해를 입히며 더 중요한 것은 일상에 심각한 손실을 야기하고 발생이후 장기간 영향을 준다. 그리고 손실을 복구하고 정상적인 상태로 돌아가기까지 많은 시간이 소요된다. 재난 발생시 통신 시스템은 인명 구조적인 환경에서 중요한 역할을 한다. 공공 기관은 재해 발생 시에 안전 통신을 제공할 책임이 있다. 이 단체들은 공공 안전 통신의 발전을 위해 다양한 통신 기술을 채택하고 개선시키며 구현해왔다. 공공 안전망은 해당 기관의 위치로부터 재해위험지역에 중요한 데이터를 공유하기위해 구축된다. 최근에 다양한 통신기술이 공공 안전망 및 공공 안전 통신분야에서 주목을 받고 있다. 공공안전망은 센서네트워크의 형태와 유사하다. 센서네트워크에서 가장 중요한 이슈중 하나는 노드들의 제한된 배터리와 같은 전력 비효율성이다. 공공안전망은 배터리 전원 노드, 즉 응급 퍼스트 리스폰스로 구성되므로 전력 소비 문제를 심각하게 고려해야 한다. 클러스터링은 이 문제를 해결할 수 있는 최선의 해결책 중 하나이다. 몇몇 클러스터링 알고리즘이 센서 네트워크에서 고려되었으며 전력 효율성 측면에서 우수한 결과를 보여주었다. 다른 클러스터링 접근법들과 함께 효율적인 클러스터 헤드 선택은 센서네트워크를 더 효율적으로 만드는 데 중요한 역할을 한다. 클러스터링은 공공안전망에서 아직까지 구현되지 않았다. 그러나, 이 논문에서 우리는 공공안전망에서 클러스터링을 도입하고 구현함으로써 우수한 영향을 보여준다. 본 논문은 공공 안전 망을 위한 클러스터링 기반의 기법을 제안한다. 제안하는 기법에서는 Fuzzy C-Means 클러스터링 알고리즘을 사용하여 공공 안전 망을 클러스터링한다. 우리는 클러스터 헤드 선택 과정을 개선하고 응급 퍼스트 리스폰스에 제어된 송신 전력을 할당하기 위한 전력 제어 기술을 통합한다. 우리는 제안하는 논문을 비 클러스터링 기반 및 클러스터링 기반의 기존 방식과 비교한다. 제안하는 방법은 비 클러스터링 기반 및 클러스터링 기반의 기존 방식에 비해 각각 30.24% 및 20.46%의 전력 효율성 향상을 달성했다. 본 논문에서 제안하는 방법은 CHESS-PC : 공공 안전망을 위한 전력 제어를 갖는 클러스터 헤드 선택 기법으로 명명한다. 추가적으로, 우리는 CHESS-PC를 확장하고, 공공안전망을 위한 전력 효율적인 구조를 제안한다. 셀룰러 망의 cell-division 개념으로 부터, 우리는 제안하는 알고리즘을 구현했다. 클러스터링 측면에서, 더 나아가 우리는 클러스터들을 cluster-center와 cluster-dege 지역으로 나눈다. 제안하는 구조에서는, CHESS-PC 알고리즘을 사용하여 공공안전망을 클러스터화 하고 각 클러스터를 위한 효율적인 클러스터 헤드들을 선택한다. 더 나아가, 우리는 CHESS-PC에서 사용되는 전력 제어 기술을 개선시킨다. 개선된 전력 제어 기술은 제안하는 알고리즘에 포함되며, 이 기술은 cluster-dege EFR들, cluster-center EFR들, 그리고 클러스터 헤드를 위한 전송 전력 레벨을 계산하고 할당하는데 사용된다. 제안하는 구조는 클러스터를 사용하지 않는 시스템, 기존에 사용되는 클러스터링 기반 시스템, 그리고 CHESS-PC 구조 보다 더 좋은 성능을 보인다. 전력 효율성은 기존 알고리즘 보다 각각 38.07%, 29.39%, 11.23%의 향상을 보인다.; Natural disasters always create disruption in the regular routine of living beings. These disasters also cause extreme damages to the economy, living infrastructure, and more importantly they result in the heavy loss of human lives. They usually have long-term after effects on a community. And it takes from months to years, even decades, to recover the losses and get back to normal routine. During a disaster, communication plays a critical role in life-saving circumstances. Public safety organizations are responsible for providing relief during disasters through public safety communications. These organizations have been adopting, improving, and implementing various telecommunication technologies for developing Public Safety (PS) communications. A Public Safety Network (PSN) is deployed at a disaster-affected site for sharing mission-critical information from the site with corresponding organizations. Recently, a variety of telecommunication technologies have received an impressive attention from PSNs and PS communications. A PSN is similar with a sensor network. One of the major issues with a sensor network is power inefficiency, as the nodes are battery powered. A PSN also consists of battery powered nodes i.e. Emergency First Responders (EFRs), therefore, power consumption issue needs to be taken seriously. One of the best solutions to this issue is clustering. Several clustering algorithms have been adopted in sensor networks and they have shown electrifying results in terms of power efficiency. Alongside different clustering approaches, efficient cluster head (CH) selection plays a crucial role in making sensor network more power efficient. The clustering has not implemented in PSNs. However, in this dissertation, we show the constructive impact of adopting and implementing clustering in PSN. We propose a clustering-based scheme for PSN. In the proposed scheme, we adopt Fuzzy C-Means (FCM) clustering algorithm to cluster the PSN. We improve the CH selection process and integrate a power control technique to allocate controlled transmission power for EFRs. We compare our scheme with non-clustering-based and clustering-based conventional schemes. The proposed scheme achieved a power efficiency improvement of 30.24% and 20.46% against non-clustering-based and clustering-based conventional schemes, respectively. The proposed scheme is named as CHESS-PC: Cluster HEad Selection Scheme with Power Control for PSNs. In addition, we extend the idea of CHESS-PC and propose a power efficient scheme for PSN. Motivated by cell-division in cellular network, we implement the concept in our proposed scheme. In addition to clustering, we further divide the clusters into cluster-center and cluster-edge regions. In the proposed scheme, we cluster the PSN and select efficient CHs for each cluster using CHESS-PC. Moreover, we improve the power control technique used in CHESS-PC. The improved power control technique is incorporated with the proposed scheme, which is used to calculate and allocate the transmission power levels for cluster-edge EFRs, cluster-center EFRs, and CHs. The proposed scheme outperforms the non-clustering-based, clustering-based conventional, and CHESS-PC schemes. A power efficiency improvement of 38.07%, 29.39%, and 11.23% is achieved compared to non-clustering-based, clustering-based conventional, and CHESS-PC schemes, respectively.