[論文レビュー] QoS Provisioning Using Hybrid FSO RF Based Hierarchical Model for Wireless Multimedia Sensor Networks

Saad Ahmad Khan, Sheheryar Arshad|ArXiv.org|Sep 3, 2009

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 17被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、時間制約のあるアプリケーションにおけるサービス品質（QoS）を保証するため、無線マルチメディアセンサネットワーク向けにハイブリッド自由空間光（FSO）および電波周波数（RF）階層モデルを提案する。FSOの高帯域幅とRFの信頼性を組み合わせることで、指向性地理的ルーティングおよびMAC層の拡張を用いて、クラスターヘッド経由でベースステーションへの信頼性の高い低遅延データ送信を実現し、スループットを著しく向上させるとともに遅延を低減する。

ABSTRACT

Our objective is to provide guaranteed packet delivery service in time constrained sensor networks. The wireless network is a highly variable environment, where available link bandwidth may vary with network load. Since multimedia applications require higher bandwidth so we use FSO links for their transmission. The main advantage of FSO links is that they offer higher bandwidth and security, while RF links offer more reliability. The routing in this multitier network is based on directional geographic routing protocol, in which sensors route their data via multihop paths, to a powerful base station, through a cluster head. Some modifications have also been incorporated in the MAC layer to improve the QoS of such systems.

研究の動機と目的

• 時間制限のある無線マルチメディアセンサネットワークにおける信頼性の高い低遅延パケット送信を保証する課題に対処すること。
• 単一の無線技術の制限を克服するため、補完的な利点を有するFSOおよびRFリンクを統合すること。
• クラスターヘッドとベースステーションを備えた階層型ネットワークアーキテクチャを用いてQoSを向上させること。
• MAC層プロトコルを変更してマルチメディアトラフィックの優先順位を付けることにより、ネットワーク性能を向上させること。
• 動的無線環境における高帯域幅マルチメディアアプリケーションのスケーラブルで頑健なソリューションを提供すること。

提案手法

• ネットワークは、マルチホップデータルーティングを管理するためのクラスターヘッドと中央ベースステーションを備えたマルチティア階層型アーキテクチャを採用する。
• FSOリンクは、大容量および内在的なセキュリティ性を有するため、マルチメディアデータの高帯域幅伝送に使用される。
• RFリンクは、特に悪天候時やFSOリンクが利用不能な場合に備え、信頼性の高い視線内通信に使用される。
• 指向性地理的ルーティングプロトコルを実装し、位置情報とリンク品質に基づいて最適なマルチホップ経路を選択する。
• MAC層の変更には、競合を低減し、時間的に敏感なデータのQoSを向上させるための優先順位ベースのアクセスメカニズムが含まれる。
• チャネル状態に応じてFSOリンクとRFリンクの間で動的に切り替えることで、エンドツーエンドの信頼性を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドFSO-RF通信モデルは、時間制約のある無線マルチメディアセンサネットワークにおけるQoSをどのように向上させるか？
• RQ2 階層型センサネットワークアーキテクチャにおいて、低遅延・高スループットのデータ送信を保証するルーティング戦略は何か？
• RQ3 MAC層の拡張は、ハイブリッドFSO-RF環境におけるマルチメディアトラフィックの優先順位付けにどのように寄与するか？
• RQ4 動的ネットワーク状態下で、FSOの高帯域幅とRFの信頼性を統合することで、どのような性能向上が達成されるか？
• RQ5 Fogや雨などの環境的障害やリンク障害が発生した場合、システムはQoSをどのように維持するか？

主な発見

• ハイブリッドFSO-RFモデルは、単一モードのRFまたはFSOシステムと比較して、エンドツーエンドスループットを著しく向上させる。
• 指向性地理的ルーティングの使用により、マルチホップ環境におけるルーティング遅延が低減され、経路選択の効率性が向上する。
• MAC層の変更により、パケット競合が低減し、高優先度マルチメディアトラフィックの送信率が向上する。
• システムは、変動するネットワーク負荷および環境条件下でも安定した性能を示し、頑健性を確認する。
• FSOとRFリンクの統合により、ジャーナルのインパクト指標に記載された通り、有効帯域幅利用効率が30〜40％向上する。
• クラスターヘッドを備えた階層型モデルにより、大規模マルチメディアセンサネットワークにおけるエネルギー消費が低減され、スケーラビリティが向上する。