An Energy-Efficient Clustering Scheme in Underwater Acoustic Sensor Networks

Jae-Hun Lee; Bo-Min Seo; Ho-Shin Cho

doi:10.7776/ASK.2014.33.5.341

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2014 Vol.33, Issue 5 Preview Page

An Energy-Efficient Clustering Scheme in Underwater Acoustic Sensor Networks 수중음향 센서 네트워크에서 효율적인 저전력 군집화 기법

30 September 2014. pp. 341-350

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Abstract

In this paper, an energy efficient clustering scheme using self organization method is proposed. The proposed scheme selects a cluster head considering not only the number of neighbor nodes but also the residual battery amount. In addition, the network life time is extended by re-selecting the cluster heads only in case the current cluster head’s residual energy falls down below a certain threshold level. Accordingly, the energy consumption is evenly distributed over the entire network nodes. The cluster head delivers the collected data from member nodes to a Sink node in a way of multi-hop relaying. In order to evaluate the proposed scheme, we run computer simulation in terms of the total residual amount of battery, the number of alive nodes after a certain amount of time, the accumulated energy cost for network configuration, and the deviation of energy consumption of all nodes, comparing with LEACH which is one of the most popular network clustering schemes. Numerical results show that the proposed scheme has twice network life-time of LEACH scheme and has much more evenly distributed energy consumption over the entire network.

Keywords

Self-organization

Clustering

Underwater acoustic sensor networks

본 논문에서는 수중음향 센서 네트워크에서 자기 조직화 기법을 활용하는 에너지 효율적 클러스터링 기법을 제안한다. 제안 기법은 클러스터 헤드 선출에 각 노드의 배터리 잔여량 정보와 이웃 노드의 수를 고려하며, 클러스터 헤드의 배터리 잔여량이 특정 수준 이하로 떨어졌을 경우에만 클러스터 재구성을 수행함으로써 노드의 에너지 소모를 줄이고 네트워크 전체에 에너지 소모를 분산시켜 네트워크의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 클러스터 헤드는 클러스터 멤버 노드로부터 수집한 데이터를 다중 홉 중계 방식으로 싱크 노드에 전송하여 에너지 소모를 줄인다. 컴퓨터 모의실험을 통해, 일정 시간 경과 후 전체 노드의 배터리 잔여량의 합, 생존 노드의 수, 네트워크 구성 단계에서의 에너지 소모량, 전체 노드의 에너지 소모 편차 등을 구하고 대표적 클러스터링 기법 중의 하나인 LEACH 기법과 비교 및 분석한다. 모의실험 결과, 제안 기법이 LEACH 기법에 비해 네트워크 운용 시간을 두 배 향상시킬 수 있으며, 전체 노드의 에너지 소모 편차 또한 감소시킴을 알 수 있다.

키워드

자기 조직화 기법

클러스터링

수중음향 센서 네트워크

References

1.I. F. Akyildiz, D. Pompili, and T. Melodia, “Underwater acoustic sensor networks: research challenges,” J. Ad. Hoc. Networks 3, 257-279 (2005).

2.J. Rice, B. Creber, C. Fletcher, P. Baxley, K. Rogers, K. McDonald, D. Rees, M. Wolf, S. Merriam, R. Mehio, J. Proakis, K. Scussel, D. Porta, J. Baker, J. Hardiman, and D. Green, “Evolution of seaweb underwater acoustic networking,” in Proc. MTS/IEEE OCEANS 2000, 2007-2017 (2000).

3.J. Rice, “Telesonar signaling and seaweb underwater wireless networks,” in Proc. NATO Symposium New Info Processing Techniques for Military Systems, 1-13 (2001).

4.J. Rice, “Seaweb acoustic communication and navigation networks,” in Proc. International Conference of Underwater Acoustic Measurements: Technologies and Results, 1-7 (2005).

5.M. Grund, L. Freitag, J. Preisig, and K. Ball, “The PLUSNet underwater communications system: acoustic telemetry for undersea surveillance,” in Proc. OCEANS 2006, 1-5 (2006).

6.C. Benton, J. Kenney, R. Nitzel, D.R. Blidberg, S. Chappell, and S. Mupparapu, “Autonomous undersea systems network (AUSNet) - protocols to support Ad-Hoc AUV communica-tions,” in Proc. IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicle 2004, 83-87 (2004).

7.Korea Institute of Ocean Science & Technology, http://www. kiost.ac/, 2012.

8.S. J. Park, S. H. Park, S. K. Kim, and C. H. Kim, “Underwater communication and oceanic sensor networks,” J. KIISE 28, 79-88 (2010).

9.F. Salva-Garau and M. Stojanovic, “Multi-cluster protocol for ad hoc mobile underwater acoustic networks,” in Proc. OCEANS 2003, 1, 91-98 (2003).

10.K. T. Kim and H. S. Cho, “A Self-organized Network Topology Configuration in Underwater Sensor Networks” (in Korean),J. Acoust. Soc. Kr. 32, 86-94 (2013).

11.R. Govindan, J. M. Hellerstein, W. Hong, S. Madden, M. Franklin, and S. Shenker, “The sensor network as a database,” USC Tech. Rep. 2002.

12.W. R. Heinzelman, A. Chandrakasan, and H. Balakrishnan, “Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks,” in Proc. 33rdAnnual Hawaii Int. Conf. on Sys. Sci. Hawaii, 1-10 (2000).

13.O. Younis and S. Fahmy, “HEED: a hybrid, energy-efficient, distributed clustering approach for Ad-hoc sensor networks,” IEEE Trans. Mobile Computing, 3, 366-379 (2004).

14.G. Yang, M. Xiao, E. Cheng, and J. Zhang, “A cluster-head selection scheme for underwater acoustic sensor networks,” in Proc. CMC 2010, 188-191 (2010).

Information

Publisher :The Acoustical Society of Korea
Publisher(Ko) :한국음향학회
Journal Title :The Journal of the Acoustical Society of Korea
Journal Title(Ko) :한국음향학회지
Volume : 33
No :5
Pages :341-350
Received Date : 2014-07-18
Accepted Date : 2014-08-25
DOI :https://doi.org/10.7776/ASK.2014.33.5.341

The Journal of the Acoustical Society of KoreaISSN:1225-4428(Print) 2287-3775(Online)한국음향학회

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