[論文レビュー] Joint Routing and STDMA-based Scheduling to Minimize Delays in Grid Wireless Sensor Networks

Ichrak Amdouni, Cédric Adjih+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2014

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ひとこと要約

本稿では、空間的周期的彩色に基づく階層的ルーティングとTDMAサイクル内の最適化されたスロット順序を共同で設計することで、エンドツーエンド遅延とエネルギー消費を最小化する、グリッド型ワイヤレスセンサネットワーク向けの共同ルーティングおよびSTDMAスケジューリング方式ORCHIDを提案する。結果は、遅延をヒューリスティックとして用いた最短パスルーティングと比較して、ORCHIDが遅延とエネルギー消費を低減することを示しており、SINRモデル下でVCM++を用いることで、任意のトポロジに一般化可能である。

ABSTRACT

In this report, we study the issue of delay optimization and energy efficiency in grid wireless sensor networks (WSNs). We focus on STDMA (Spatial Reuse TDMA)) scheduling, where a predefined cycle is repeated, and where each node has fixed transmission opportunities during specific slots (defined by colors). We assume a STDMA algorithm that takes advantage of the regularity of grid topology to also provide a spatially periodic coloring ("tiling" of the same color pattern). In this setting, the key challenges are: 1) minimizing the average routing delay by ordering the slots in the cycle 2) being energy efficient. Our work follows two directions: first, the baseline performance is evaluated when nothing specific is done and the colors are randomly ordered in the STDMA cycle. Then, we propose a solution, ORCHID that deliberately constructs an efficient STDMA schedule. It proceeds in two steps. In the first step, ORCHID starts form a colored grid and builds a hierarchical routing based on these colors. In the second step, ORCHID builds a color ordering, by considering jointly both routing and scheduling so as to ensure that any node will reach a sink in a single STDMA cycle. We study the performance of these solutions by means of simulations and modeling. Results show the excellent performance of ORCHID in terms of delays and energy compared to a shortest path routing that uses the delay as a heuristic. We also present the adaptation of ORCHID to general networks under the SINR interference model.

研究の動機と目的

• STDMAベースのWSNにおけるスロット順序が非最適であることが引き起こす遅延劣化という未だ十分に検討されていない問題に取り組む。
• エンドツーエンド遅延を最小化するために、ルーティングとスケジューリングを共同で最適化するクロスレイヤー解法を設計する。
• すべてのノードが1つのSTDMAサイクル内にシンクにデータを送信できることを保証する。
• アクティブな送信スロットを最小化し、アイドルリスニングを減らすことで、エネルギー効率を向上させる。
• より現実的なSINR干渉モデル下で、一般ネットワークトポロジにこの解法を拡張する。

提案手法

• 空間的周期的グラフ彩色（VCM）を用いてグリッドを色分けされたセルに分割し、空間的再利用を可能にする。
• 色ベースの集約ノードをルートとする階層的支配木を構築し、データ収集を指導する。
• エンドツーエンド遅延を最小化するために、ルーティングのシンクに近い順に色の送信順序を決定する。
• 色の順序付けにCOルートとCOハイウェイを導入し、シンクに近いノードを優先する。
• 干渉制限された送信範囲を計算し、空間的再利用を最大化することで、SINRモデル下でのVCM法を拡張（VCM++）する。
• グローバルなSTDMAサイクルを、ルート期間とハイウェイ期間の繰り返しとして構成し、1サイクル内でのデータ送信を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STDMAサイクルにおけるランダムなスロット順序は、グリッド型WSNにおけるエンドツーエンド遅延にどのように影響するか？
• RQ2 ルーティングとスロット順序の共同最適化は、遅延を目的関数として用いた最短パスルーティングと比較して、遅延とエネルギー消費を低減できるか？
• RQ3 色ベースの集約ノードに基づく階層的ルーティングは、サイクル効率と遅延にどのような影響を与えるか？
• RQ4 ORCHIDはより現実的なSINR干渉モデル下で一般グラフにどのように適応可能か？
• RQ5 干渉制限環境下で、空間的再利用（色の数）と正常な送信範囲の間のトレードオフは何か？

主な発見

• ORCHIDは、遅延をヒューリスティックとして用いた最短パスルーティングと比較して、STDMAサイクルに必要なスロット数を削減する。
• ORCHIDは、アクティブな送信スロットを最小化し、アイドルリスニングを減らすことで、より低いエネルギー消費を達成する。
• すべてのノードが1つのSTDMAサイクル内にシンクにデータを送信でき、エンドツーエンド遅延が最小限に抑えられる。
• ランダムな色順序による正規化遅延は、解析的にモデル化され、シミュレーションによって検証された。
• VCM++により、最適な生成ベクトルを用いた干渉感知セル彩色を計算することで、ORCHIDが一般グラフに適応可能になる。
• 提案手法は、SINRモデル下で空間的再利用と信頼性ある送信の間のトレードオフを保証する。