[論文レビュー] A novel clustering algorithm for coverage a large scale in WSN

Wassim Jerbi, Abderrahmen Guermazi+1 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2016

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 11被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、孤立（または孤立ノード）ノードの問題に対処するため、クラスターメンバーがゲートウェイとして機能することを可能にする、大規模な無線センサネットワーク（WSNs）向けの新しいクラスタリングアルゴリズムO-LEACHを提案する。エネルギー効率の良いクラスターヘッドの選択と、すべてのノードの接続を保証することで、LEACHと比較してネットワーク寿命、スケーラビリティ、エネルギー効率が向上する。シミュレーション結果は、接続率、エネルギー節約、カバレッジ維持の面で優れた性能を確認している。

ABSTRACT

The applications require coverage of the whole monitored area for long periods of time. Clustering is a way to reduce communications, minimize energy consumption and organize messages among the cluster head and their members. The message exchange of communication and data transmission between the different sensor nodes must be minimized to keep and extended the lifetime of the network because of limited energy resources of the sensors. In this paper, we take into consideration the problem isolated nodes that are away from the cluster head (CH) and by consequence or CH is not within the reach from these nodes. To solve this problem, we propose O-LEACH (Orphan Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) a routing protocol that takes into account the orphan nodes. Indeed, a cluster member will be able to play the role of a gateway which allows the joining of orphan nodes. Our contribution is to election a cluster head that has enough energy for a better now to coordinate with these member nodes and maintain the full coverage for applications which requires of useful data for the entire area to be covered. The simulation results show that O-LEACH performs better than LEACH in terms of connectivity rate, energy, scalability and coverage.

研究の動機と目的

• 大規模なWSNsにおける、クラスターヘッドの通信範囲外にある孤立ノードの問題を解決すること。
• エネルギー制限のあるWSNsにおいて、長期間にわたりネットワーク接続性と全領域カバレッジを向上させること。
• クラスタリングベースのWSNsルーティングプロトコルにおけるエネルギー効率とスケーラビリティを向上させること。
• 高エネルギーのクラスターヘッドを選択し、中間ノードが孤立ノードのゲートウェイとして機能できるようにすることで、ネットワーク寿命を延ばすこと。

提案手法

• 大規模なWSNsにおける孤立ノードを処理するため、LEACHプロトコルの拡張版であるO-LEACHを提案する。
• 残存エネルギーが十分なクラスターメンバーが、孤立ノードからのデータリレーサービスをゲートウェイとして実行できるメカニズムを導入する。
• より高い残存エネルギーを持つノードを選択するエネルギーに配慮したクラスターヘッド選出プロセスを用い、安定したクラスターコordinationを確保する。
• 2ホップ通信モデルを実装し、孤立ノードがゲートウェイ機能を持つクラスターメンバーを通じてクラスターヘッドに到達できるようにする。
• 長距離伝送を低減することで、エンドツーエンドの通信遅延とエネルギー消費を最小限に抑える。
• 定期的な再クラスタリングを伴う分散型クラスタリングアルゴリズムを採用し、ネットワークの適応性とカバレッジを維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模なWSNsにおける孤立ノードは、エネルギー消費を増加させることなく、どのように効果的にネットワークに統合できるか？
• RQ2 エネルギー制限のあるWSNsにおいて、ネットワーク接続性と全領域カバレッジを向上させるためのメカニズムは何か？
• RQ3 エネルギーが豊富なクラスターヘッドの選択は、ネットワーク寿命とスケーラビリティにどのように影響を与えるか？
• RQ4 従来のLEACHと比較して、クラスターメンバーがゲートウェイとして機能できるようにすることで、ネットワーク性能はどの程度向上するか？

主な発見

• O-LEACHは、孤立ノードがゲートウェイ機能を持つクラスターメンバーを通じて通信できるようにすることで、ネットワークの接続率を顕著に向上させる。
• 長距離伝送を削減し、ノード間でのエネルギー消費をバランスさせるため、エネルギー効率が向上する。
• O-LEACHは、監視領域の完全なカバレッジを維持し、長期的なアプリケーションにおける継続的なデータ収集を保証する。
• シミュレーション結果は、O-LEACHがネットワーク寿命、スケーラビリティ、エネルギー節約の面でLEACHを上回ることを確認している。
• エネルギーに配慮したクラスターヘッド選択は、より安定的で長期間にわたるクラスタを形成する要因となる。
• ゲートウェイメカニズムは、接続されていないノードの数を効果的に削減し、全体的なネットワーク信頼性を向上させる。