[論文レビュー] Near-Optimal Distributed Scheduling Algorithms for Regular Wireless Sensor Networks

K. Shashi Prabh|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2012

Mobile Ad Hoc Networks参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、空間的再利用を伴うTDMAを用いた定期的マルチホップ無線センサネットワークに対して、近似的に最適な分散型、メッセージパッシングフリーのスケジューリングアルゴリズムを提示する。kホップ干渉モデルを活用することで、ネットワークサイズに依存しない定数スケジュール複雑度を達成し、六角形ネットワークでは4/3、正方形グリッドネットワークでは5/4の近似比を達成する。また、これらの境界が成り立つSINRモデル内での実現可能性領域を特定し、受信信頼性を満たす条件を満たす。

ABSTRACT

Wireless sensor networks are normally characterized by resource challenged nodes. Since communication costs the most in terms of energy in these networks, minimizing this overhead is important. We consider minimum length node scheduling in regular multi-hop wireless sensor networks. We present collision-free decentralized scheduling algorithms based on TDMA with spatial reuse that do not use message passing, this saving communication overhead. We develop the algorithms using graph-based k-hop interference model and show that the schedule complexity in regular networks is independent of the number of nodes and varies quadratically with k which is typically a very small number. We follow it by characterizing feasibility regions in the SINR parameter space where the constant complexity continues to hold while simultaneously satisfying the SINR criteria. Using simulation, we evaluate the efficiency of our solution on random network deployments.

研究の動機と目的

• 通信オーバーヘッドを最小限に抑えた、定期的無線センサネットワークにおける分散型、衝突のないスケジューリングアルゴリズムの設計。
• kホップ干渉モデル下で、マルチホップ六角形および正方形グリッドネットワークにおける近似的に最適なスケジュール長の達成。
• 受信信頼性を満たす条件下で、nに依存しない定数スケジュール複雑度を維持するSINRパrameter領域の特定。
• スケジューリングにおけるメッセージパッシングの排除により、リソース制限のあるセンサノードにとってエネルギー効率の高い手法の実現。
• 一般ネットワークにおける漸近的挙動を示す情報を提供する、定期的トポロジに対して正確な解析的結果の提供。

提案手法

• ノード間の干渉をkホップ以内に制限するグラフベースのkホップ干渉モデルを用い、空間的再利用制約を定義する。
• メッセージパッシングを伴わないノードの論理的アドレスに基づく分散スケジューリングアルゴリズムを開発し、通信オーバーヘッドを低減する。
• 六角形ネットワークには4/3-近似アルゴリズム、正方形グリッドネットワークには5/4-近似アルゴリズムを適用し、正方形グリッドでは奇数kに対して最適性を証明する。
• 経路損失指数γ ∈ [3,4] の多項式路損失モデルを用いて、SINR実現可能性領域を信号対干渉＋ノイズ比制約の解析から導出する。
• 距離に基づく格子特性（MAX{|x|,|y|,|x−y|}を用いて）を用い、定期的トポロジの構造的性質を証明する。
• ランダム配置におけるシミュレーションを通じて、スケジュール長、干渉比（ρ）、ネットワークスケーラビリティを測定し、結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 kホップ干渉モデル下で、定期的WSNにおける分散スケジューリングが、ネットワークサイズnに依存しない定数スケジュール複雑度を達成できるか。
• RQ2 提案されたスケジューリングアルゴリズムの六角形および正方形グリッドネットワークにおける近似比は何か。また、特定のk値に対して最適であるか。
• RQ3 受信信頼性制約を満たす条件下で、nに依存しない定数スケジュール複雑度を維持するSINRパrameter領域は何か。
• RQ4 アルゴリズムの性能は、ネットワークサイズおよび路損失指数γの変化に伴いどのように変化するか。
• RQ5 SINRモデルにおいて、非一様送信電力割り当ては、実現可能性および性能をどの程度向上できるか。

主な発見

• 六角形および正方形グリッドネットワークにおけるスケジュール複雑度は、ノード数nに依存せず、干渉半径kに対して二次的に増加する。
• 提案アルゴリズムは六角形ネットワークで4/3-近似比、正方形グリッドネットワークで5/4-近似比を達成し、正方形グリッドでは奇数kに対して最適性が証明されている。
• nに依存しない定数スケジュール複雑度が維持されるSINRパrameter空間における実現可能性領域が同定され、通常の動作点をカバーする。
• シミュレーションにより、最小および平均干渉比ρがネットワークサイズの増加に伴い低下または安定することが示され、スケーラビリティが確認された。
• 論理的ノードアドレスの使用とメッセージパッシングの不在により、通信オーバーヘッドが顕著に低減され、センサネットワークにおけるエネルギー効率性が向上した。
• 結果から、定期的トポロジの解析が一般ネットワークにおける漸近的挙動を示すための正確な式および主要係数を提供することが示唆された。