[論文レビュー] Hybrid DEEC: Towards Efficient Energy Utilization in Wireless Sensor Networks

M. Khan, Nadeem Javaid+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2013

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 16被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、残留エネルギーに基づくクラスターヘッド（CH）選択とベータ選出されたリレーノードを介したマルチホップ通信を可能にする、異種無線センサネットワーク（WSNs）向けのハイブリッドチェーン・クラスタールーティングプロトコルであるHybrid-DEEC（H-DEEC）を提案する。改良版MH-DEECはチェーン構築を最適化し、エネルギー効率を高めることで、従来のプロトコルと比較してより長いネットワーク安定性とライフタイムを達成する。

ABSTRACT

The clustering algorithm are considered as a kind of key technique used to reduce energy consumption. It can help in increasing the stability period and network life time. Routing protocol for efficient energy utilization should be designed for heterogeneous Wireless Sensor Networks (WSNs). We purpose Hybrid-DEEC (H-DEEC), a chain and cluster based (hybrid) distributed scheme for efficient energy utilization in WSNs. In H-DEEC,elected Cluster Heads (CHs) communicate the Base Station (BS) through beta elected nodes, by using multi-hopping. We logically divide the network into two parts, on the basis of the residual energy of nodes. The normal nodes with high initial and residual energy will behighlyprobable to be CHs than the nodes with lesser energy. To overcome the deficiencies of H-DEEC, we propose Multi-Edged Hybrid-DEEC (MH-DEEC). In MH-DEEC the criteria of chain construction is modified. Finally, the comparison in simulation results with other heterogeneous protocols show that, MH-DEEC and H-DEEC achieves longer stability time and network life time due to efficient energy utilization.

研究の動機と目的

• 異種無線センサネットワーク（WSNs）におけるエネルギーの不均衡と短いネットワークライフタイムを解消すること。
• エネルギー効率を向上させ、ネットワーク安定性を延長するハイブリッドクラスタリングおよびチェーンベースのルーティングプロトコルの設計。
• クラスターヘッド選択に残留エネルギーを活用することで、データ送信におけるエネルギー消費を低減すること。
• ベータ選出されたリレーノードを介したマルチホップ通信により、スケーラビリティと信頼性を向上させること。
• エネルギー分布を改善するためのチェーン構築基準を精緻化した改良版MH-DEECの提案。

提案手法

• ノードの残留エネルギーに基づいてネットワークを論理的に二つの領域に分割する：高エネルギーおよび低エネルギーノード。
• 高残留エネルギーを持つノードからクラスターヘッド（CHs）を選択することで、重要なノードのエネルギー枯渇を低減する。
• ベータ選出されたリレーノードを介してCHとベースステーション（BS）間のマルチホップ通信を確立し、長距離伝送を最小限に抑える。
• チェーン形成とクラスタリングを統合したハイブリッドアーキテクチャにより、ネットワーク全体のエネルギー負荷をバランスさせる。
• MH-DEECでは、チェーン構築プロセスを変更してエネルギー分布を改善し、ホットスポット効果を低減する。
• プロトコルはノードのエネルギー状態に動的に適応し、より長い運用安定性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インテリジェントなクラスターヘッド選択により、異種WSNsにおけるエネルギー消費をどのように最小化できるか？
• RQ2 リレーノードを介したマルチホップ通信が、ネットワークライフタイムおよび安定性に与える影響は何か？
• RQ3 残留エネルギーに基づくCH選択は、エネルギーのバランスとネットワークの長寿命化にどのように影響するか？
• RQ4 チェーン構築の精緻化が、ハイブリッドルーティングプロトコルにおけるエネルギー効率をどの程度向上させるか？
• RQ5 MH-DEECは、従来の異種ルーティングプロトコルと比較して、安定性およびライフタイムの面でどの程度優れているか？

主な発見

• MH-DEECおよびH-DEECは、従来の異種プロトコルと比較して、ネットワークの安定期間を顕著に延長する。
• 効率的なエネルギー利用とバランスの取れたエネルギー消費のおかげで、提案されたプロトコルはより長いネットワークライフタイムを達成する。
• クラスターヘッドは、残留エネルギーがより高いノードから優先的に選択され、早期のエネルギー枯渇が抑制される。
• ベータ選出されたノードを介したマルチホップ通信により、長距離伝送のエネルギーコストが低減される。
• MH-DEECにおけるチェーン構築の改良により、エネルギー分布が向上し、エネルギーホールが減少する。
• シミュレーション結果は、H-DEECおよびMH-DEECが安定性および耐久性の面で従来のプロトコルを上回ることを確認している。