[論文レビュー] M-BEHZAD: Minimum distance Based Energy efficiency using Hemisphere Zoning with Advanced Divide-and-Rule Scheme for Wireless Sensor Networks

Muzammil Behzad|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2018

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 10被引用数 5

ひとこと要約

M-BEHZAD は、ネットワーク分割にヘミスフィアゾーニング（HZ）を用い、クラスターヘッド選定に高度な分割・ルール方式を採用する、無線センサーネットワーク（WSNs）向けの新規でエネルギー効率の高いルーティングプロトコルを提案する。3段階アーキテクチャとしきい値ベースの送信を活用することで通信距離を最小限に抑え、ネットワークのライフスパン、スループット、安定期間を向上させ、シミュレーションによりエネルギー消費の低減とカバレッジホールの削減を確認した。

ABSTRACT

Routing Protocols are engaged in a vigorous fashion to boost up energy efficiency in WSNs. In this paper, we propose a novel routing protocol; Minimum distance Based Energy efficiency using Hemisphere Zoning with Advanced Divide-and-Rule scheme (M-BEHZAD), to maximize network lifespan, throughput and stability period of the sensors deployed in an un-attended network zone. To accomplish these objectives, static clustering technique along with threshold conscious transmissions have been used. The robustness of our proposed scheme lies in its Cluster Heads (CHs) selection and network field division which we are introducing as 'Hemisphere Zoning (HZ)'. We have implemented 3-Tier architecture to minimize the communication distance which not only leads to a better network performance but also significantly reduces the energy and coverage holes, and results in a longer stability period. We have also utilized Uniform Random Model (URM) to compute packets dropped to make our scheme a more practical approach. Results from comprehensive simulations using MATLAB validate its applicability.

研究の動機と目的

• エネルギー効率の良いルーティングにより、監視が行われない無線センサーネットワーク（WSNs）のネットワークライフスパンを延長すること。
• 不均一なエネルギー消費によるエネルギーホールの低減とエネルギー消費の削減。
• 知的なクラスタ形成とデータ送信制御を用いて、ネットワークの安定期間とスループットを向上させること。
• 3段階アーキテクチャ設計により、クラスタ間通信距離を最小限に抑えること。
• シミュレーションにおけるパケット損失の推定に均一ランダムモデル（URM）を統合することで、実用性を高めること。

提案手法

• 通信距離の短縮を目的とした、静的ネットワーク分割技術としてのヘミスフィアゾーニング（HZ）を導入。センサーフィールドを半球領域に分割することで通信距離を低減する。
• データ送信におけるホップ数とエネルギー消費を最小限に抑えるために3段階アーキテクチャを採用する。
• 残存エネルギーとベースステーションへの近接度に基づく動的クラスターヘッド（CH）選定のための高度な分割・ルール方式を適用する。
• 冗長なデータ転送を制限しエネルギー浪費を低減するため、しきい値を考慮した送信を実施する。
• 現実の状況を再現するため、パケット損失のシミュレーションと定量的評価に均一ランダムモデル（URM）を統合する。
• 静的クラスタリングとエネルギーに配慮したルーティング意思決定を統合し、負荷をバランスさせ、ネットワーク運用を延長する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘミスフィアゾーニングによるネットワーク分割は、クラスタ間通信距離をどの程度短縮し、エネルギー効率を向上させ得るか？
• RQ2 高度な分割・ルール方式は、クラスターヘッド選定とネットワーク安定性をどの程度向上させるか？
• RQ3 3段階アーキテクチャは、エネルギー消費とカバレッジホールの発生にどのような影響を与えるか？
• RQ4 均一ランダムモデル（URM）の統合により、提案プロトコルの実用性はどの程度向上するか？
• RQ5 M-BEHZAD は、従来のプロトコルと比較して、ネットワークライフスパン、スループット、安定期間にどの程度の改善をもたらすか？

主な発見

• M-BEHZAD は、バランスの取れたクラスターヘッド選定によりエネルギーホールを最小限に抑えることで、ネットワークの安定期間を顕著に延長する。
• 3段階アーキテクチャにより通信距離の平均値が低減され、パケット送信あたりのエネルギー消費が削減される。
• ヘミスフィアゾーニングは長距離送信を効果的に制限し、エネルギーオーバーヘッドを低減するとともにスケーラビリティを向上させる。
• 均一ランダムモデル（URM）の統合により、パケット損失の現実的推定が可能となり、プロトコルの耐障害性が裏付けられる。
• MATLAB でのシミュレーションにより、M-BEHZAD が従来のプロトコルよりもネットワークライフスパンとスループットにおいて優れていることが示された。
• プロトコルは、最初のノード障害とネットワーク分割のタイミングを遅らせるため、より長い運用ライフタイムを達成する。