[論文レビュー] Behavior of Wireless Body-to-Body Networks Routing Strategies for Public Protection and Disaster Relief.

Dhafer Ben Arbia, Muhammad Mahtab Alam+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2015

Mobile Ad Hoc Networks参考文献 10被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、公共安全および災害救助を目的としたワイヤレス・ボディ・ツー・ボディ・ネットワーク（BBNs）におけるマルチホップルーティングプロトコルの評価を、実際の都市部移動モデルのもとで、WiFi（802.11）、WSN（802.15.4）、WBAN（802.15.6）技術を用いて実施している。結果として、地理的ルーティングを用いたWiFiが、パケット受信率とエネルギー効率の両面で最良のバランスを示した。一方、位置情報が利用できない状況では、勾配ベースのルーティングを採用したWBANが遅延を最小限に抑えることがわかった。

ABSTRACT

Critical and public safety operations require real-time data transfer from the incident area(s) to the distant operations command center going through the evacuation and medical support areas. Any delay in communication may cause significant loss. In some cases, it is anticipated that the existing communication infrastructures can be damaged or out-of-service. It is thus required to deploy tactical ad-hoc networks to cover the operation zones. Routing data over the deployed network is a significant challenge with consideration to the operations conditions. In this paper we evaluate the performance of mutli-hop routing protocols while using different wireless technologies in an urban critical and emergency scenario. Using a realistic mobility model, Mobile Ad hoc, geographic based and data-centric routing protocols are evaluated with different communication technologies (i.e. WiFi IEEE 802.11; WSN IEEE 802.15.4; WBAN IEEE 802.15.6). It is concluded that, WiFi IEEE 802.11 is the best wireless technology with consideration to the packet reception rate and the energy consumption. Whereas, in terms of delay, WBAN IEEE 802.15.6 is the most efficient. With regards to the routing protocols, assuming that the location information is available, geographical based routing protocol with WiFi IEEE 802.11 performed much better compared to the others routing protocols. In case where the location information is unavailable, gradient based routing protocol with WBAN IEEE 802.15.6 seems the best combination.

研究の動機と目的

• 公共安全および災害救助作業におけるボディ・ツー・ボディ・ネットワークにおけるルーティングプロトコルのパフォーマンスを評価すること。
• 実世界の移動状況下で、異なる無線技術（WiFi（802.11）、WSN（802.15.4）、WBAN（802.15.6））がネットワークパフォーマンスに与える影響を評価すること。
• パケット受信率、エネルギー消費、エンド・ツー・エンド遅延といった主要指標に基づき、最適なルーティングプロトコルと無線技術の組み合わせを特定すること。
• 位置情報の有無に応じた2つのシナリオ（あり／なし）における最良のルーティング戦略を同定すること。

提案手法

• 本研究では、災害状況下での救助活動者および被災者のシミュレーションを実施するため、現実的で都市部に特化した移動モデルを採用している。
• 通信範囲とデータレートの観点から、IEEE 802.11（WiFi）、IEEE 802.15.4（WSN）、IEEE 802.15.6（WBAN）という3つの無線技術を評価対象としている。
• モバイルアドホック、地理的ベース、データセントリック（勾配ベース）の3つのルーティングプロトコルをテストしている。
• 複数回のシミュレーションを実施し、パケット配信率、エネルギー消費、エンド・ツー・エンド遅延といった指標を用いてパフォーマンスを測定している。
• 位置情報の有無に応じた2つの運用条件を考慮している：位置情報あり（地理的ルーティングに適している）と位置情報なし（勾配ベースプロトコルに有利）。
• 動的ノード移動と緊急環境下での一時的接続断をモデル化するため、カスタムネットワークシミュレータを用いてシミュレーションを実施している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 災害対応におけるボディ・ツー・ボディ・ネットワークにおいて、どの無線技術（WiFi、WSN、WBAN）が最高のパケット受信率を達成するか？
• RQ2 モバイル緊急状況下で、異なるルーティングプロトコルおよび無線技術におけるエネルギー消費はどのように変化するか？
• RQ3 位置情報の可用性が、ボディ・ツー・ボディ・ネットワークにおける地理的ルーティングのパフォーマンスに与える影響は何か？
• RQ4 位置情報が欠落している状況下で、どのルーティングプロトコルと技術の組み合わせがエンド・ツー・エンド遅延を最小限に抑えるか？
• RQ5 都市部の災害環境における移動パターンは、ボディ・ツー・ボディ・ネットワークにおけるマルチホップルーティングの信頼性および効率性にどのように影響するか？

主な発見

• 評価対象の無線技術の中で、WiFi（IEEE 802.11）が最高のパケット受信率と最小のエネルギー消費を達成した。
• WBAN（IEEE 802.15.6）はエンド・ツー・エンド遅延が最小であり、時間的制約が厳しいアプリケーションに最も適している。
• 位置情報が利用可能な状況では、地理的ルーティングを採用したWiFiが、パケット配信率とエネルギー効率の両面で優れたパフォーマンスを発揮した。
• 位置情報が利用できない状況では、勾配ベースのルーティングを採用したWBANが、低遅延と適応的フォワーディングの両面で最も効果的な組み合わせであった。
• 位置情報の有無にかかわらず、ルーティングプロトコル間のパフォーマンス格差は、位置情報が利用可能な場合に顕著に現れ、特に高スルーレート技術（WiFi）を用いた地理的ルーティングが優位に立った。
• 本研究では、無線技術の選定がネットワークパフォーマンスに顕著な影響を及ぼすことが確認された。実際の緊急状況下でも、WiFiがWSNおよびWBANを上回る全体的な信頼性と効率性を示した。