[論文レビュー] AMCTD: Adaptive Mobility of Courier nodes in Threshold-optimized DBR Protocol for Underwater Wireless Sensor Networks

Mohsin Raza Jafri, Sheeraz Ahmed+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2013

Underwater Vehicles and Communication Systems参考文献 10被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、水中無線センサネットワーク（UWSNs）のしきい値最適化深度ベースルーティングプロトコルにおける配達者ノードのための適応的モビリティフレームワークAMCTDを提案する。深さしきい値を動的に調整し、負荷分散のための最適な重み関数を計算し、配達者ノードの適応的移動を可能にすることで、DBRおよびEEDBRと比較してエネルギー消費を低減し、エンドツーエンド遅延を最小限に抑え、ネットワークライフを著しく延長する。シミュレーションではスループットの向上とパケット損失の低減が確認された。

ABSTRACT

In dense underwater sensor networks (UWSN), the major confronts are high error probability, incessant variation in topology of sensor nodes, and much energy consumption for data transmission. However, there are some remarkable applications of UWSN such as management of seabed and oil reservoirs, exploration of deep sea situation and prevention of aqueous disasters. In order to accomplish these applications, ignorance of the limitations of acoustic communications such as high delay and low bandwidth is not feasible. In this paper, we propose Adaptive mobility of Courier nodes in Threshold-optimized Depth-based routing (AMCTD), exploring the proficient amendments in depth threshold and implementing the optimal weight function to achieve longer network lifetime. We segregate our scheme in 3 major phases of weight updating, depth threshold variation and adaptive mobility of courier nodes. During data forwarding, we provide the framework for alterations in threshold to cope with the sparse condition of network. We ultimately perform detailed simulations to scrutinize the performance of our proposed scheme and its comparison with other two notable routing protocols in term of network lifetime and other essential parameters. The simulations results verify that our scheme performs better than the other techniques and near to optimal in the field of UWSN.

研究の動機と目的

• 密度の高い水中無線センサネットワーク（UWSNs）における不均一なエネルギー消費と短いネットワークライフの深刻な課題に対処する。
• 低深さノードへの過剰依存により負荷の不均衡とカバレッジホールを引き起こす既存の深度ベースルーティングプロトコル（DBRやEEDBR）の限界を克服する。
• モバイル配達者ノードの適応的連携と動的しきい値調整を通じて、グローバルな負荷分散と長期間の安定期間を実現する。
• 残存エネルギーと深さ情報を統合した動的重み関数を用いて、フォワーダー選定のエネルギー効率とネットワーク性能を最適化する。
• 知的な配達者ノードのモビリティとしきい値適応により、スパarsな状態や不安定な状態でもネットワークのレジリエンスを強化する。

提案手法

• 重み関数計算、深さしきい値適応、配達者ノードの適応的モビリティの3段階フレームワークを導入する。
• フォワーディングノード間での負荷分散を保証するため、残存エネルギーと深さを組み合わせた最適な重み関数を計算する。
• ネットワークラウンドが進行するにつれて、特に不安定な状態においても、適格な隣接ノード数を増やすために深さしきい値を動的に調整する。
• スパarsなネットワーク状態において、ソースノードに向かって自律的に再配置するモバイル配達者ノードを導入し、接続性を維持するとともにエンドツーエンド遅延を低減する。
• 複数のネットワーク状態で性能を検証するため、信頼区間ベースのシミュレーションフレームワークを3回の独立実行で実装する。
• パケット損失確率をAMCTD、EEDBR、DBRの間で比較するために、一様ランダムモデルを用いて計算を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 適応的配達者ノードモビリティは、スパarsおよび密度の高い水中ネットワーク状態において、ネットワークスループットと安定性をどのように向上させるか？
• RQ2 動的深さしきい値適応は、UWSNsにおいてエネルギー消費をどれほど低減し、ネットワークライフを延長するか？
• RQ3 残存エネルギーと深さに基づく最適な重み関数は、既存プロトコルと比較して、負荷分散を著しく改善し、カバレッジホールを低減できるか？
• RQ4 時間経過に伴ってAMCTDはDBRおよびEEDBRと比較して、エンドツーエンド遅延、エネルギー消費、パケット損失確率の観点でどのように差をつけるか？
• RQ5 動的しきい値設定とモバイル配達者ノードは、UWSN運用における不安定期間中に一貫したスループットを維持する上で、どのような影響を及ぼすか？

主な発見

• AMCTDは、低深さノードにおけるエネルギー消費を低減させ、より均一なエネルギー分布を実現することで、DBRおよびEEDBRよりも長いネットワークライフを達成する。
• AMCTDでは、ネットワークライフ全体にわたりスループットが安定的かつ高い水準を維持するが、EEDBRおよびDBRは不安定期間中にスループットが急激に低下する。
• しきい値適応と配達者モビリティによって短いフォワーディング距離と良好なリンク品質が実現されるため、AMCTDではパケット損失確率が顕著に低くなる。
• 信頼区間により、AMCTDが全ラウンドにわたり一貫したエネルギー消費を維持していることが確認され、DBRおよびEEDBRで見られる性能の急激な低下を回避している。
• 配達者ノードの適応的移動によりエンドツーエンド遅延が低減され、特にスパarsなネットワーク状態においてデータ配信の信頼性が向上する。
• 最適な重み関数により、特に低深さノードの過剰使用を防ぎ、グローバルな負荷分散を実現し、カバレッジホールとエネルギー穴の最小限化が可能になる。