[論文レビュー] Advanced LEACH: A Static Clustering-based Heteroneous Routing Protocol for WSNs

Adeel Iqbal, Mariam Akbar+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2013

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 18被引用数 27

ひとこと要約

本稿では、無線センサーネットワーク（WSNs）向けに、固定で小さなクラスタに分割し、分散型エネルギー効率クラスタリング（DEEC）メカニズムを用いたクラスターヘッド選択を行うことで、エネルギー効率とスループットを向上させる静的クラスタリングベースの異種型ルーティングプロトコルであるAdvanced LEACH（Ad-LEACH）を提案する。MATLABを用いたシミュレーションにより、Ad-LEACHはLEACHおよびDEECを上回るエネルギー節約とデータスループットを達成することが示された。

ABSTRACT

Wireless Sensors Networks (WSNs) have a big application in heterogeneous networks. In this paper, we propose and evaluate Advanced Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (Ad-LEACH) which is static clustering based heterogeneous routing protocol. The complete network field is first divided into static clusters and then in each cluster separate Ad-LEACH protocol is applied. Our proposed protocol is inherited from LEACH with a cluster head selection criteria of Distributed Energy-Efficient Clustering (DEEC). This enables Ad-LEACH to cope with the heterogeneous nature of nodes. Due to small static clusters, each node reduces its broadcast message power because it only has to cover a small area. We perform simulations in MATLAB to check the efficiency of Ad-LEACH. The Simulation results show that Ad-LEACH outperforms LEACH and DEEC in energy efficiency as well as throughput.

研究の動機と目的

• 異種型WSNsにおけるエネルギー不均衡と限界なネットワークライフタイムを解決すること。
• 静的で小さなクラスタを用いることで、ブロードキャスト範囲を最小限に抑えることによるエネルギー消費の低減。
• エネルギー制約環境におけるスループットとスケーラビリティの向上。
• DEECにインspiredされたクラスターヘッド選択を活用して、ノードの異種性を活かしたエネルギー効率の向上。
• 静的クラスタリング環境下でのLEACHおよびDEECに対するパフォーマンス向上の評価。

提案手法

• 動的再構成のオーバーヘッドを低減するため、ネットワーク領域を固定で重複のない静的クラスタに分割する。
• 各クラスタは独立して、修正されたDEECベースのクラスターヘッド選択アルゴリズムを用いたAd-LEACHプロトコルを適用する。
• クラスターヘッド選択は、残存エネルギーが高く、クラスタ内での位置が優れたノードを優先する。
• ブロードキャスト範囲をクラスタの小さな地理的領域に限定することで、送信電力を低減する。
• クラスターヘッドでエネルギー効率の良いデータ集約が行われ、その後ベースステーションに転送される。
• さまざまなネットワーク条件下でのパフォーマンス評価を目的として、MATLABを用いたシミュレーションが実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静的クラスタリングは、動的クラスタリングと比較して、異種型WSNsにおけるエネルギー効率とネットワークライフタイムにどのように影響するか？
• RQ2 DEECベースのクラスターヘッド選択は、異種型センサーネットワークにおけるエネルギーバランスをどの程度改善するか？
• RQ3 静的分割によるクラスタサイズの縮小は、送信あたりのエネルギー消費を低減するのに寄与するか？
• RQ4 Throughputおよびエンドツーエンド遅延の観点から、Ad-LEACHはLEACHおよびDEECに比べてどのように差をつけるか？
• RQ5 固定クラスタ境界は、WSNsにおけるスケーラビリティおよび安定期間にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 最適化されたクラスターヘッド選択と送信あたりのエネルギー消費低減により、Ad-LEACHはLEACHおよびDEECよりも高いネットワークライフタイムを達成した。
• より小さなクラスタにより送信範囲と電力要件が低減されるため、エネルギー効率が顕著に向上した。
• 競合の低減とより予測可能なクラスターヘッドの役割により、Ad-LEACHではスループットが向上した。
• ノード間でのエネルギーバランスが向上し、高エネルギーノードの早期死が最小限に抑えられた。
• シミュレーション結果により、Ad-LEACHがエネルギー効率およびデータ配信信頼性の両面でLEACHおよびDEECを上回ることが確認された。
• 静的クラスタリングメカニズムにより、頻繁なクラスタ再形成に伴うオーバーヘッドが低減され、安定期間が延長された。