[論文レビュー] An Energy Efficient Routing Algorithm for Wireless Sensor Networks Using Mobile Sensors

Meysam Yari, Parham Hadikhani+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2021

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、エネルギー効率の良いルーティングアルゴリズムを提示する。無線センサーネットワーク（WSN）において、移動可能なセンサを用いてエネルギーのバランスを向上させ、ネットワークの寿命を延ばすことを目的としている。この手法は、穴の予防、パラメータ更新、穴の検出、穴のカバーの4フェーズからなるプロセスを採用しており、シミュレーションにおいて従来のルーティングプロトコルよりも優れた性能を示している。

ABSTRACT

The increasing usage of wireless sensor networks in human life is an indication of the high importance of this technology. Wireless sensor networks have a vast majority of applications in monitoring and care which are known as target tracking. In this application, the moving targets are monitored and tracked in the environment. One of the most important challenges in this area is the limited energy of the sensors. In this paper, we proposed a new algorithm to reduce energy consumption by increasing the load balancing in the network. The proposed algorithm consists of four phases. In the first phase, which is the hole prevention phase, in each cluster, it is checked by the cluster heads that if the energy level in an area of the cluster is less than the threshold, a mobile node is sent to that area. The second phase is the update phase. In this phase, the parameters required to detect a hole are updated. In the third phase, the hole in the cluster is detected, and in the fourth phase, the hole is covered by static or moving nodes. A comparison of simulation results with the well-known and successful routing method in wireless sensor networks show that the proposed method is suitable and working properly.

研究の動機と目的

• 無線センサーネットワーク（WSNs）における限られたエネルギーという重要な課題、特にターゲット追跡応用分野において対処する。
• エネルギーの不均一な消耗によるエネルギーホールに起因するネットワークの分割を防ぎ、エネルギー消費を低減する。
• クラスタ内でのエネルギー負荷を動的にバランスさせるために、移動センサを活用してネットワークの長寿命化を実現する。
• 移動ノードの適応的配置により、監視領域における信頼性の高いカバレッジと接続性を確保する。
• 移動性とクラスタベースアーキテクチャを統合したルーティングメカニズムを構築し、エネルギー効率を向上させる。

提案手法

• 穴の予防フェーズでは、クラスターヘッドが局所的なエネルギー状態を監視し、しきい値を超えた場合に低エネルギー領域へ移動ノードを派遣する。
• 更新フェーズでは、残存エネルギーおよびノード密度などのパラメータを動的に更新することで、正確な穴検出を維持する。
• 穴の検出は、カバレッジ不足またはエネルギー不足を特定するしきい値ベースのメカニズムによって実施される。
• 穴のカバーフェーズでは、影響を受ける領域の接続性とエネルギーのバランスを回復させるために、静的または移動ノードが配置される。
• アルゴリズムは、クラスターヘッドが移動性およびエネルギー管理意思決定を調整するクラスタベースアーキテクチャで動作する。
• データトラフィックの再ルーティングおよび未利用またはエネルギー枯渇した領域への移動ノードの配置により、エネルギー負荷のバランスが達成される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 移動センサを用いて、無線センサーネットワークにおけるエネルギーホールをどのように前もって検出・緩和できるか。
• RQ2 クラスタベースルーティングに移動ノードを統合することで、エネルギーのバランスとネットワーク寿命にどの程度の向上効果が得られるか。
• RQ3 動的穴カバーが、ターゲット追跡応用におけるデータ配信の信頼性とエネルギー効率に及ぼす影響は何か。
• RQ4 エネルギー消費およびネットワークの長寿命化という観点から、提案されたアルゴリズムは、既存のルーティングプロトコルと比べてどの程度優れているか。
• RQ5 移動性に基づく負荷バランスは、エネルギー制限のあるWSNにおいて、早期のネットワーク分割のリスクを低減できるか。

主な発見

• 提案されたアルゴリズムは、低エネルギー領域に移動センサを前もって展開することで、エネルギーホールの発生を効果的に防止する。
• シミュレーション結果から、従来のルーティングプロトコルと比較して、エネルギー効率が向上し、ネットワーク寿命が延長されていることが示された。
• リアルタイムでのエネルギー監視に基づくデータトラフィックおよびノード展開の分散により、より優れた負荷バランスが達成された。
• 移動ノードの統合により、カバレッジの信頼性が著しく向上し、クラスターヘッドにおけるエネルギーのホットスポットが減少した。
• 4フェーズアプローチにより、エネルギーホールの即時の検出と回復が可能となり、ネットワーク接続性が維持された。
• アルゴリズムは、ターゲット追跡応用で一般的に見られる動的環境においても、頑健な性能を示した。