[論文レビュー] On Performance Evaluation of Variants of DEEC in WSNs

Talha Naeem Qureshi, Nadeem Javaid+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2012

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、エネルギー非均一性の異なる変動する水準における、非均一なワイヤレスセンサーネットワーク（WSNs）における4つのDEEC変種—DEEC、DDEEC、EDEEC、TDEEC—の性能を評価している。複数のシナリオにおけるシミュレーションを通じて、TDEECが安定期間およびネットワーク寿命において他の手法を上回ることを明らかにした。特に低非均一性および多段階非均一環境下で顕著な優位性を示した。一方、EDEECは残存エネルギーとクラスターヘッド選択の最適化によりエネルギーバランスを考慮した場合、長寿命性に優れた性能を示した。

ABSTRACT

Wireless Sensor Networks (WSNs) contain numerous sensor nodes having limited power resource, which report sensed data to the Base Station (BS) that requires high energy usage. Many routing protocols have been proposed in this regard achieving energy efficiency in heterogeneous scenarios. However, every protocol is not suitable for heterogeneous WSNs. Efficiency of protocol degrades while changing the heterogeneity parameters. In this paper, we first test Distributed Energy- Efficient Clustering (DEEC), Developed DEEC (DDEEC), Enhanced DEEC (EDEEC) and Threshold DEEC (TDEEC) under several different scenarios containing high level heterogeneity to low level heterogeneity. We observe thoroughly regarding the performance based on stability period, network life time and throughput. EDEEC and TDEEC perform better in all heterogeneous scenarios containing variable heterogeneity in terms of life time, however TDEEC is best of all for the stability period of the network. However, the performance of DEEC and DDEEC is highly effected by changing the heterogeneity parameters of the network.

研究の動機と目的

• エネルギー非均一性の程度が異なる非均一なWSNsにおけるDEEC、DDEEC、EDEEC、TDEECの性能を評価すること。
• エネルギーレベル比などの非均一性パラメータの変化が、プロトコルの安定性、寿命、スループットに与える影響を分析すること。
• 三段階および多段階非均一なシナリオを含む、多様なネットワーク構成において最適な性能を維持するプロトコルを同定すること。
• 制御されたシミュレーション条件下で、各プロトコルの安定期間、ネットワーク寿命、データ送信効率を比較すること。

提案手法

• エネルギー非均一性のレベルが異なる5つの異なるシナリオでシミュレーションを実施し、パラメータa、b、m、m₀によって定義された。
• 各プロトコルは独自のクラスターヘッド（CH）選択メカニズムを採用：DEECは残存エネルギーと平均エネルギー比に基づき、DDEECは残存エネルギーのみ、EDEECはスーパーノードを含む強化された残存エネルギー、TDEECはしきい値に基づく高エネルギー節点選択。
• 主な指標として、安定期間（最初のノード死と10番目のノード死）、ネットワーク寿命（全ノードが停止）、ベースステーション（BS）への送信パケット総数を測定した。
• シナリオには、通常ノード、アドバンスドノード、スーパーノードを含む三段階ネットワークと、ランダムなエネルギー分布を持つ多段階ネットワークが含まれた。
• ネットワークサイズ（100ノード）、固定通信範囲、送信および受信のエネルギー消費モデルを一貫して使用した。
• 長期的なエネルギー効率性とネットワーク耐久性を評価するために、ラウンドごとの結果を可視化し、比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三段階WSNsにおけるエネルギー非均一性の高さと低さの両方で、DEEC、DDEEC、EDEEC、TDEECはどのように性能を示すか？
• RQ2 ノードタイプ間のエネルギー差が最小限に抑えられた状況で、どのプロトコルが最も長い安定期間とネットワーク寿命を維持するか？
• RQ3 EDEECおよびTDEECにおけるスーパーノードの導入が、多段階非均一ネットワークにおけるエネルギーバランスとネットワーク寿命に与える影響は何か？
• RQ4 パラメータ調整（a、b、m、m₀）と、異なるネットワーク構成におけるプロトコルのレジリエンスとの関係は何か？
• RQ5 エネルギー枯渇を最小限に抑えると同時に、BSへの送信パケット数が最多となるのはどのプロトコルか？

主な発見

• TDEECは最長の安定期間を達成し、第3シナリオでは最初のノードが1753ラウンド目、全ノードが7467ラウンド目で停止した。他のすべての手法を上回った。
• 高非均一性の第5シナリオでは、TDEECとEDEECが10,000ラウンドを超えるネットワーク寿命を達成し、TDEECはBSに合計620,606パケットを送信した。
• 第5シナリオでEDEECはBSに562,819パケットを送信し、DEEC（224,095）およびDDEEC（193,931）に比べて優れたスループットと耐久性を示した。
• ランダムなエネルギーレベルを持つ多段階非均一ネットワークでは、TDEECが再び安定期間および寿命でリードし、全ノードが6734ラウンド目で停止し、BSに314,848パケットを送信した。
• DEECおよびDDEECは非均一性が高まるにつれて性能が低下し、高非均一性のケースではDEECが最初に停止し、送信パケット数も最少だった。
• TDEECは、特に低非均一性および多段階構成において、すべてのシナリオで安定期間およびネットワーク寿命において他を常に上回った。