[論文レビュー] Location Estimation with Reactive Routing in Resource Constrained Sensor Networks

Sanat Sarangi, Subrat Kar|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2010

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、移動型無線センサーネットワーク向けに、GPS搭載の固定ノードのみを用いて移動ノードの位置推定を可能にする反応型ルーティングプロトコル拡張を提案する。ルーティング制御パケットの交換を活用し、信号強度およびタイミングに基づく三平方法を用いて移動ノードの位置を推定することで、GPSや外部インfrastrucureに依存せずに高精度な局所化を実現する。性能は固定ノードの密度およびトポロジー分布に依存する。

ABSTRACT

Routing algorithms for wireless sensor networks can be broadly divided into two classes - proactive and reactive. Proactive routing is suitable for a network with a fixed topology. On the other hand, reactive routing is more suitable for a set of mobile nodes where routes are created on demand and there is not much time to evaluate the worthiness of a route, the prime concern being reachability due to constantly changing node positions. Sensor networks route events of interest from source(s) to destination(s) where appropriate actions could be taken. However, with mobile sensor nodes, it is not only important to know the events but the location of the nodes generating the events. Most sensor nodes are not equipped with expensive GPS or accurate RSSI computation hardware to aid localization. Keeping these in view, we propose a modified reactive routing algorithm, with added support for localization, to localize mobile sensor nodes on the basis of information received from fixed sensor nodes during mutual exchange of routing control packets. The accuracy of localization depends on the ratio of the number of fixed nodes to the number of mobile nodes and the topology of the fixed nodes. A typical application scenario would be a mix of mobile nodes and fixed nodes, where fixed nodes know their absolute location and the location of mobile nodes is derived from the fixed nodes, in step with the reactive routing protocol in action. The modified algorithm would be suitable for deployments where the approximate position of a mobile node (i.e. the event location) is required but there is no external support infrastructure available for localization.

研究の動機と目的

• GPSや高価なハードウェアに依存せずに、リソース制限のある無線センサーネットワークにおける移動センサーノードの局所化の課題に対処すること。
• 低コストのオーバーヘッドと動的適応性を維持するために、位置推定機能を反応型ルーティングプロトコルに統合すること。
• 既知の絶対位置を持つ固定ノードと、ノード間のルーティング制御パケットの相互交換のみを用いて、移動ノードの局所化を可能にすること。
• 固定ノードの密度およびネットワークトポロジーが、移動状況における局所化精度に与える影響を評価すること。
• イベントの局所化に適したスケーラブルでインフラ軽量なソリューションを提供すること。

提案手法

• AODVに類似した反応型ルーティングプロトコルを拡張し、ルート発見および維持フェーズ中に位置推定を実行する。
• 移動ノードと固定ノード間で交換される制御パケットを用いて、往復時間および信号強度情報を収集し、三平方法を適用する。
• 複数の固定ノードからの距離推定値を用いて多角測定技術を適用し、移動ノードの座標を計算する。
• 固定ノードはGPSを装備しており、ルーティング交換中にその絶対的位置を移動ノードに報告可能であると仮定する。
• 追加のシグナルオーバーヘッドを最小限に抑えるために、局所化ロジックをルーティングプロトコルの状態機械に統合する。
• 局所化精度を決定する要因として、固定ノードの空間的分布および密度に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部の局所化インfrastrucureを必要とせずに、反応型ルーティングプロトコルを拡張して移動センサーノードの位置推定を可能にすることができるか？
• RQ2 固定ノードと移動ノードの比率が、移動ノードの局所化精度に与える影響は何か？
• RQ3 固定ノードのトポロジーが、推定された移動ノード位置の精度に与える影響は何か？
• RQ4 追加のハードウェアやシグナル交換を一切用いずに、ルーティング制御パケットのみで局所化を達成できるか？
• RQ5 リソース制限のある移動型センサーネットワークにおいて、リアルタイムの局所化を実現しながら低コストのオーバーヘッドを維持するのは可能か？

主な発見

• ネットワーク内での固定ノードの密度が高くなるほど、局所化精度が顕著に向上する。
• 固定ノードの空間的分布は、特に非一様トポロジーにおいて、局所化誤差を最小化する上で極めて重要な役割を果たす。
• 既存のルーティング制御パケットを再利用することで、追加のオーバーヘッドを最小限に抑えつつ、位置推定を実現できる。
• GPSやRSSIキャリブレーションハードウェアがなくても、移動状況においても妥当な局所化精度を達成できる。
• 高精度な位置決めを必要としないが、概ねイベントの位置を特定する応用に適している。
• 反応型ルーティングへの局所化機能の統合により、移動環境におけるネットワークのスケーラビリティおよび動的適応性を維持できる。