[論文レビュー] An Energy Efficient Spectrum Sensing in Cognitive Radio Wireless Sensor Networks

Atchutananda Surampudi, Krishnamoorthy Kalimuthu|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2017

Cognitive Radio Networks and Spectrum Sensing参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、認知無線ワイヤレスセンサーネットワーク（CR-WSNs）におけるエネルギー効率の良いルーティングプロトコルを提案する。このプロトコルは、最小全域木（MST）を構築するためにプリム法を用い、クラスターヘッド（CH）から融合センター（FC）への通信経路を最適化することで、エネルギー消費を低減する。LEACHと比較して、1,500ラウンド経過後、ネットワーク寿命を1.4倍に延長し、生存ノード数を7倍に増加させる。均一クラスタリングは非均一クラスタリングよりもエネルギー効率に優れている。

ABSTRACT

The cognitive radio wireless sensor networks have become an integral part of communicating spectrum information to the fusion center, in a cooperative spectrum sensing environment. A group of battery operated sensors or nodes, sensing information about spectrum availability in the radio links, needs an energy efficient strategy to pass on the binary information. A proper routing method through intelligent decision making can be a good solution. In this paper, an energy efficient routing protocol has been introduced and a performance comparison is made with the existing system in terms of its energy consumption. The proposed routing technique considers both uniform and non-uniform clustering strategies and proves to be an energy efficient method of communication.

研究の動機と目的

• 認知無線ワイヤレスセンサーネットワーク（CR-WSNs）におけるスケジューリングセンシング通信における高いエネルギー消費を低減すること、特にLEACHのような階層的クラスタリングプロトコルを対象とする。
• クラスターヘッド（CH）から融合センター（FC）へのデータ送信におけるエネルギー消費を、ルーティング経路の最適化によって低減すること。
• CR-WSN環境における冗長的または高エネルギー消費の送信を最小限に抑えることで、ネットワークの寿命とスケーラビリティを向上させること。
• 均一クラスタリングと非均一クラスタリングの両戦略が、エネルギー効率の良いデータ転送に与える影響を評価すること。

提案手法

• 選別されたクラスターヘッド（CH）から融合センター（FC）へ最小全域木（MST）を構築するためにプリム法を用い、全送信エネルギーを最小化する。
• CHとFC間のデカルト距離に基づく隣接行列を作成し、MST構築のための距離を重みとして用いる。
• 各CHは、他のすべてのCHからの1ビットのスペクトルセンシング結果を格納するセンシングテーブルを維持し、1CHあたり1ビットではなくMビットのデータ送信を可能にする。
• エネルギーモデルを用いて送信コスト$ C $を計算：送信には$ E_t = E_e M + E_a eta d $、受信には$ E_r = E_e M $を用い、$ E_e $、$ E_a $、$ eta $はエネルギー定数である。
• プリム法の貪欲的で段階的なアプローチを適用：各ステップで、現在の木に属するノードと属さないノードを接続する最小重みのエッジを追加する。
• エネルギー効率の評価を目的として、均一クラスタリング（固定10クラスタ）と非均一クラスタリング戦略の両方の下での性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プリム法を用いたMSTベースのルーティングは、LEACHにおける直接送信と比較して、CR-WSNにおけるエネルギー消費をどのように低減するか？
• RQ2 均一クラスタリングと非均一クラスタリングの違いが、CR-WSNにおけるネットワークエネルギー効率と寿命に与える影響は何か？
• RQ3 提案されたプロトコルは、従来のLEACHプロトコルと比較して、ネットワークの運用寿命をどの程度延長するか？
• RQ4 センシングテーブルとMビットデータ集約の使用は、エネルギー効率の向上と混雑の低減にどのように寄与するか？

主な発見

• 1,500ラウンドの運用後、提案プロトコルはLEACHと比較してネットワークエネルギー効率を1.4倍に向上させる。
• 1,500ラウンド経過後、均一クラスタリングを採用した提案プロトコルのネットワーク残存エネルギーは、非均一クラスタリングと比較して27%高い。
• 1,500ラウンド経過後、均一クラスタリングを採用した提案プロトコルにおける生存センサーノード数は、従来のLEACHプロトコルと比較して7倍に増加する。
• MSTベースのルーティングの導入により、遠く離れたCHがFCに対して高エネルギー消費の直接送信を行うのを回避することで、エネルギー消費が顕著に低減される。
• 共有されたセンシングテーブルのおかげで、すべてのCHとFCがスケジューリングの可用性を完全に把握できるようになり、ネットワークの収束が保証される。
• FCに近いCHにのみデータ送信を制限することで、冗長な送信を低減し、チャネルの混雑を効果的に緩和する。