Clustering Mechanism for Scalable IoT Networks and Reliable Broadcast Mechanism for IoV in a Smart City

Abstract

스마트 시티는 물리적 도시 시설 및 공간이 IoT (Internet of Things) 및 ICT (Information Communication Technology)와 접목되어 이용자들에게 실시간 도시서비스를 제공한다. 에너지 절약, 쓰레기 수거 관리, 주차 및 교통 흐름 제어 등를 위해 도시 내에 적재적소에 배치된 IoT 디바이스가 주기적 혹은 실시간으로 데이터를 수집하여 인터넷에 있는 서버에 전송한다. 2020년에는 약 260억대의 IoT 디바이스가 존재할 것으로 전망됨에 따라 대규모 IoT 네트워크는 각 디바이스의 개별 인터넷 연결로 인한 심각한 확장성문제에 직면할 수 있다. 이러한 상황에서 스마트 시티 내 다양한 응용들의 품질을 가능한 적은 관리비용으로 유지하는 것이 매우 중요하다. 한편, 도시에서의 교통 혼잡은 차량의 연료 소모뿐만 아니라 차량 정체에 의한 환경오염을 야기한다. 스마트 시티에서는 경로 재설정 및 교통 신호 제어를 통해 교통 흐름을 제어하여 교통 혼잡을 완화 시킬 수 있다. 각 차량은 차량 간 혹은 인프라 구조물과의 통신을 통해 실시간 교통 정보를 얻는데, 특히, 사고가 발생한 긴급한 상황에서는 신속하고 신뢰성있게 안전 메시지를 전파시켜야 한다. 브로드캐스트의 효율을 위해 비콘을 통해 전달되는 이웃 차량 정보를 활용하나 높은 차량 밀도 혹은 교차로에서의 신호 쇠약에 의한 비콘 정보의 부정확성이 브로드캐스트 성능을 저하시킨다. 또한 빈번한 비콘 교환에 의한 무선 네트워크 자원 소모는 교통 흐름 제어 서비스와 일반 상업 서비스를 위한 가용 자원의 양을 감소시킨다. 이에 스마트 시티에서의 도로 안전 서비스는 브로드캐스트 성능을 향상시키면서도 교통 흐름 제어 및 일반 상업 서비스의 품질을 유지하기 위해 네트워크 자원을 효율적으로 사용해야 한다. 본 학위 논문에서는 확장성 있는 IoT 네트워크를 위한 혹은 IoV 환경에서의 안전 메시지 전파를 위한 효율적인 무선 네트워크 자원 사용 방안을 제안한다. 먼저, IoT 네트워크에서 인터넷 연결 수를 최소화 하기 위한 멀티 홉 클러스터링 메커니즘을 제안한다. 제안하는 메커니즘의 목적은 클러스터 내의 디바이스들을 대신하여 인터넷에 연결할 코디네이터를 최소 개수로 선택하고, 선택된 코디네이터들 가운데 최소 홉 수로 도달 가능한 코디네이터를 찾아 매핑하는 것이다. 이는 NP-hard 문제로 우리는 휴리스틱하게 문제를 해결하고 제안한 방안의 복잡도를 분석하였다. 실험을 통해 소규모 네트워크에서 제안하는 방안과 최적의 알고리즘의 성능을 비교하여 전체 IoT 디바이스에 대해 각각 63-87.3%, 65.6-89.9%의 인터넷 연결을 줄이는 것을 확인할 수 있었다. 또한 대규모 네트워크에서는 제안한 방안의 성능 특성이 최적의 알고리즘의 성능 특성과 일치함을 확인할 수 있었다. 다음으로, IoV 환경에서 효율적인 브로드캐스트를 위해 도로 레이아웃 기반의 안전 메시지 전달 방안을 제안하였다. 제안 방안은 1) 현재 전달 차량으로부터 가장 먼 거리에 위치한 차량이 브로드캐스트를 수행하도록 함으로써 안전 메시지가 효율적으로 신속하게 전파될 수 있도록 하고, 2) 주변 장애물에 의한 신호쇠약의 영향을 덜 받는 교차로 구역 내에 위치한 차량이 추가적으로 브로드캐스트를 수행하도록 함으로써 교차로에 인접한 모든 도로로의 안전 메시지 전파가 확보될 수 있도록 한다. 비콘은 브로드캐스트가 완료된 지역에 메시지 미보유 차량이 진입하는 경우 이를 파악하고 안전 메시지를 전달하기 위한 보완적인 목적으로만 사용한다. 실험을 통해 제안 방안과 도시 도로를 대상으로 제안된 기존의 방안들과 성능을 비교하여, 제안 방안이 신뢰성 측면에서는 비교 방안들과 동일하게 높은 성능을 보이면서 효율성 측면에서 월등하게 좋은 성능을 보임을 확인할 수 있었다. 기존 방안들에 비하여 제안 방안의 평균 메시지 수신 지연시간이 약간 길지만 안전 서비스의 품질에 영향을 줄만한 유의미한 차이는 없다. ;A smart city provides real-time city services by combining physical facilities with Internet of Things (IoT) and Information Communication Technology (ICT). In order to solve urban problems such as energy saving, wastes management, parking, and traffic flow control, etc., IoT devices are placed over a city to collect and transmit their sensed or measurement data to servers in the Internet. It is expected that up to 26 billion IoT devices will be connected to the Internet by 2020. In a large scale IoT network, having each node connected to the Internet via an individual connection may face serious scalability issues. Under the circumstances, maintaining Quality of Service (QoS) of various applications using possible lower management cost is one of the paramount issues in the IoT networks. The scalability problem of the IoT network may be alleviated by grouping the nodes into clusters and having a representative node in each cluster connect to the Internet on behalf of the other nodes in the cluster instead of having a per-node Internet connection and communication. Meanwhile, vehicular traffic congestion in a city may cause not only environment pollution but also fuel consumption of vehicles due to vehicle congestion. If roads are congested, traffic flow should be controlled by rerouting vehicles or adjusting traffic light signals. The vehicles obtain the real time traffic information through communication between vehicles (V2V) or between vehicles and fixed infrastructure along the road (V2I). The acquisition of information becomes critical especially when a traffic accident occurs on the road. With the emergency situation, vehicles have to broadcast a safety message promptly and reliably. Legacy mechanisms for reliable broadcast in urban areas leverage the location information of neighboring vehicles conveyed by beacon. However, since the mechanisms do not carefully take into account the characteristic of the urban roads, it causes broadcast performance deterioration in urban areas. Moreover, frequent exchange of beacons wastes wireless resources result in reduction of the available resources for traffic flow control and/or general commercial services. Therefore, for maintaining the QoS of traffic flow control and/or general commercial services, the road safety service in a city should use network resources effectively while improving the broadcast performance considering the characteristics of urban roads. In this dissertation, hence, we propose efficient approaches of wireless network resources usage for scalable IoT networks or for safety message dissemination in Internet of Vehicles (IoV). We summarize our result as follows: Firstly, we propose a multi-hop clustering mechanism for IoT networks to minimize the number of required Internet connections. Specifically, the objective of proposed mechanism is to select the minimum number of coordinators, which take the role of a representative node for the cluster and to map a partition of the IoT nodes onto the selected set of coordinators to minimize the total distance between the nodes and their respective coordinator under a certain constraint in terms of maximum hop count between the IoT nodes and their respective coordinator. Since this problem can be mapped into a set cover problem which is known as NP-hard, we pursue a heuristic approach to solve the problem and analyze the complexity of the proposed solution. Through a set of experiments with varying parameters, the proposed scheme shows 63–87.3% reduction of the Internet connections depending on the number of the IoT nodes while that of the optimal solution is 65.6–89.9% in a small scale network. Moreover, it is shown that the performance characteristics of the proposed mechanism coincide with expected performance characteristics of the optimal solution in a large-scale network. Next, we propose an efficient broadcasting approach in Internet of Vehicles (IoV) environment, which minimizes the dependency on information that may become inaccurate in order to maximize the efficiency of broadcast. It takes into account the road layout information accessible from the digital map and only the real time information obtained from the broadcast messages or beacons instead of leveraging the holding information from beacons or implicit guess about the status of neighboring vehicles. The proposed mechanism basically makes the vehicle that is farthest from the current forwarding vehicle take the role of next forwarding vehicle. Furthermore, it makes an additional broadcast happen at the intersections in addition to the one made by the farthest vehicle. Since the effect of signal attenuation caused by the road side obstacles is low inside of the intersections, it enables the prompt and reliable dissemination of safety message towards all roads connected to the intersections. Through a course of simulations, the performance of the proposed mechanism is compared with that of the legacy schemes proposed for reliable broadcast on urban roads. The simulation results verified that the proposed mechanism achieves the same high performance as that of the compared schemes in terms of reliability with much higher efficiency. Even though the message reception delay of the proposed mechanism is slightly longer than those of compared schemes, it is far less significant to impair the original purpose of safety message.