[論文レビュー] Performance Evaluation of Ant-Based Routing Protocols for Wireless Sensor Networks

Adamu Murtala Zungeru, Li-Minn Ang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2012

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 14被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、エージェント集団最適化の原則を用いてノード間の電力消費をバランスさせる仕組みにより、エネルギー効率を向上させる、改良型エネルギー効率ルーティングプロトコル（IEEABR）を提案する。MATLABベースのRMASEシミュレータを用いた評価において、IEEABRは静的および動的シナリオの両方において、BABR、SC、FF、FP、EEABRといった既存のエージェントベースのルーティングプロトコルを上回り、エネルギー使用量の低減とネットワークライフタイムの向上を達成した。

ABSTRACT

High efficient routing is an important issue in the design of limited energy resource Wireless Sensor Networks (WSNs). Due to the characteristic of the environment at which the sensor node is to operate, coupled with severe resources; on-board energy, transmission power, processing capability, and storage limitations, prompt for careful resource management and new routing protocol so as to counteract the differences and challenges. To this end, we present an Improved Energy-Efficient Ant-Based Routing (IEEABR) Algorithm in wireless sensor networks. Compared to the state-of-the-art Ant-Based routing protocols; Basic Ant-Based Routing (BABR) Algorithm, Sensor-driven and Cost-aware ant routing (SC), Flooded Forward ant routing (FF), Flooded Piggybacked ant routing (FP), and Energy-Efficient Ant-Based Routing (EEABR), the proposed IEEABR approach has advantages in terms of reduced energy usage which can effectively balance the WSN node's power consumption, and high energy efficiency. The performance evaluations for the algorithms on a real application are conducted in a well known WSN MATLAB-based simulator (RMASE) using both static and dynamic scenario.

研究の動機と目的

• 無線センサーネットワーク（WSNs）における限られた搭載リソース（エネルギー、処理能力、ストレージ）に起因するエネルギー非効率性を是正すること。
• WSNsにおける動的ネットワークトポロジーとリソース制約がルーティングプロトコルに与える課題を克服すること。
• センサーノード間でのエネルギー消費をバランスさせ、ネットワークライフタイムを延長するルーティングプロトコルを設計すること。
• 実際のWSNシナリオにおける提案されたIEEABRプロトコルの性能を、既存のエージェントベースのルーティングプロトコルと比較して評価すること。

提案手法

• IEEABRプロトコルは、エネルギー消費コストとネットワーク状態に基づいてデータパケットのルーティングを指揮するため、エージェント集団最適化の原則を用いる。
• 残存エネルギーとリンク品質を考慮した改善型フェロモン更新メカニズムを導入し、エネルギーホールの発生を回避する。
• エージェントのようなノードが局所的なエネルギー意識とグローバルな経路最適化を組み合わせたハイブリッドアプローチを採用する。
• ノードのエネルギー状態と送信成功率に基づいてフェロモンレベルを動的に調整し、低エネルギーで信頼性の高い経路を優先する。
• ルーティング意思決定を指揮するため、エネルギー消費コストと伝送遅延を統合したコスト関数を用いる。
• 静的および動的ネットワークシナリオ下で、RMASE MATLABベースのシミュレータを用いて性能評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 提案されたIEEABRプロトコルは、既存のエージェントベースのルーティングプロトコルと比較して、エネルギー効率においてどのように異なるか？
• RQ2 IEEABRは、センサーノード間でのエネルギー消費をどの程度バランスさせ、エネルギーホールの発生を防げるか？
• RQ3 トポロジーの変化やノード障害が生じる動的ネットワーク環境下で、IEEABRはどのように性能を発揮するか？
• RQ4 残存エネルギーとリンク品質は、IEEABRにおけるルーティング意思決定にどのような影響を与えるか？
• RQ5 最新のエージェントベースのプロトコルと比較して、IEEABRはネットワークライフタイムを延長できるか？

主な発見

• 静的および動的シナリオの両方において、IEEABRはBABR、SC、FF、FP、EEABRプロトコルと比較して、全体のエネルギー消費を顕著に低減した。
• プロトコルはセンサーノード間でのエネルギー消費をより良いバランスに保ち、早期のエネルギー枯渇を最小限に抑え、エネルギーホールの発生を防止した。
• IEEABRは高いエネルギー効率を示し、シミュレーション環境下でネットワークライフタイムが延長された。
• IEEABRにおける動的フェロモン更新メカニズムは、変化するネットワーク状態およびノードエネルギー状態に効果的に適応した。
• シミュレーション結果から、IEEABRはさまざまなネットワーク負荷下でも安定したパケット配信レートを維持しながら、エネルギー使用量を削減した。
• スケーラビリティおよび動的WSN展開における耐障害性の観点から、IEEABRは既存のエージェントベースのルーティング手法を上回る性能を示した。