[論文レビュー] Jumps: Enhancing hop-count positioning in sensor networks using multiple coordinates

Farid Benbadis, Jean-Jacques Puig+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2006

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 17被引用数 9

ひとこと要約

Jumpsは、通常の3つのランドマークではなく任意の数のランドマークを用いることで、局所的な接続性の知識のみを活用し、ホップカウントに基づく位置決め方式を提案する。ランドマークを増やすことで、座標の曖昧さを顕著に低減し、平均ゾーンサイズを0.29の無線範囲、1ゾーンあたりのノード数を2.3にまで削減することで、追加のハードウェアや高密度配置を必要とせずに信頼性の高い位置ベースルーティングを実現する。

ABSTRACT

Positioning systems in self-organizing networks generally rely on measurements such as delay and received signal strength, which may be difficult to obtain and often require dedicated equipment. An alternative to such approaches is to use simple connectivity information, that is, the presence or absence of a link between any pair of nodes, and to extend it to hop-counts, in order to obtain an approximate coordinate system. Such an approximation is sufficient for a large number of applications, such as routing. In this paper, we propose Jumps, a positioning system for those self-organizing networks in which other types of (exact) positioning systems cannot be used or are deemed to be too costly. Jumps builds a multiple coordinate system based solely on nodes neighborhood knowledge. Jumps is interesting in the context of wireless sensor networks, as it neither requires additional embedded equipment nor relies on any nodes capabilities. While other approaches use only three hop-count measurements to infer the position of a node, Jumps uses an arbitrary number. We observe that an increase in the number of measurements leads to an improvement in the localization process, without requiring a high dense environment. We show through simulations that Jumps, when compared with existing approaches, reduces the number of nodes sharing the same coordinates, which paves the way for functions such as position-based routing.

研究の動機と目的

• GPSやRSSベースの手法が不適切な無線センサーネットワークにおいて、正確で低コストな位置決めの欠如に対処する。
• 通常3つのランドマークに依存する既存のホップカウント位置決めシステムの限界を克服し、高い座標の曖昧さを低減する。
• 特別なハードウェアを必要とせず、接続性情報のみを用いるスケーラブルでエネルギー効率の良い位置決め手法を開発する。
• ノード密度や送信電力の向上を要せず、ランドマークの数を増やすことで位置決めの正確性が向上することを実証する。
• 同一座標を持つノード数を最小限に抑えることで、実用的な位置ベースルーティングを可能にする。

提案手法

• 各ランドマークがネットワーク全体にプローブを洪水送信することで、ノードが自身のランドマークまでのホップカウント距離を測定可能にする。
• ノードは複数のランドマークへのホップカウントに基づき、多重測定法を用いて座標を計算し、複数座標系を構築する。
• CC2420無線の消費電力に基づく理論的エネルギーモデルを用いて、異なる構成におけるエネルギーコストを比較する。
• 自由空間伝搬損失モデルを適用し、送信電力と通信範囲、ノード密度の関係を定式化する。
• エネルギー消費をランドマーク数（N）と平均近隣ノード数（dneig）の関数として評価する。
• シミュレーションにより、ランドマーク数やネットワーク密度を変化させた場合のゾーンサイズとノード分布を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3つを超えるランドマークを増やすことで、ホップカウントベースの位置決めにおける座標系の正確性にどのような影響を与えるか？
• RQ2 ネットワーク密度や送信電力を増加させずに、より多くのランドマークを用いることで座標の曖昧さを低減できるか？
• RQ3 ランドマークを追加するエネルギーコストはどの程度で、送信範囲の拡大と比較してどうなるか？
• RQ4 より多くのランドマークにより、同じ座標を持つノード数を最小限に抑え、信頼性の高い位置ベースルーティングを実現できるか？
• RQ5 スパarsely配置された、または不規則に配置されたセンサーネットワークでも、このシステムは正確性を維持できるか？

主な発見

• 10個のランドマークを用いることで、密度の高いネットワークにおいて平均ゾーンサイズが3ランドマーク時と比較して0.29の無線範囲まで低下する。
• 10個のランドマークを用いることで、1ゾーンあたりのノード平均数が2.3にまで低下し、座標の一意性が顕著に向上する。
• 平均近隣ノード数が50で3ランドマークのネットワークと、平均近隣ノード数が10で10ランドマークのネットワークでは、エネルギー消費がおおよそ同等である。
• ランドマークを追加するエネルギーコストは、送信範囲を拡大するのと同等であり、ハードウェアコストとエネルギー効率の間のトレードオフを提供する。
• 純粋な位置ベースルーティングを可能にする十分な座標分解能を達成しており、プロアクティブルーティングプロトコルの必要性を排除できる。
• 理論的モデルによれば、Nとdneigの両方に対してスケーリングが管理可能であるため、洪水送信が増加してもエネルギー消費が低く抑えられる。