[論文レビュー] Random Basketball Routing for ZigBee based Sensor Networks

Dongmin Kim, Young Ju Hwang+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2013

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、静的環境におけるZigBeeベースのIEEE 802.15.4センサーネットワークにランダムバスケットボールルーティング（BR）を実装し、宛先RSSI測定とループを回避する手順を追加することで、性能を向上させた。BRはCSMA/CAを併用した簡素化されたAODVよりもホップ数を削減し、オポチュニスティックでクロスレイヤー設計を採用しているため、静的条件下でのマルチホップルーティングにおいて優れた性能を示した。

ABSTRACT

Random basketball routing (BR) \cite {Hwang} is a simple protocol that integrates MAC and multihop routing in a cross-layer optimized manner. Due to its lightness and performance, BR would be quite suitable for sensor networks, where communication nodes are usually simple devices. In this paper, we describe how we implemented BR in a ZigBee-based (IEEE 802.15.4) sensor network. In \cite{Hwang}, it is verified that BR takes advantages of dynamic environments (in particular, node mobility), however, here we focus on how BR works under static situations. For implementation purposes, we add some features such as destination RSSI measuring and loop-free procedure, to the original BR. With implemented testbed, we compare the performance of BR with that of the simplified AODV with CSMA/CA. The result is that BR has merits in terms of number of hops to traverse the network. Considering the simple structure of BR and its possible energy-efficiency, we can conclude that BR can be a good candidate for sensor networks both under dynamic- and static environments.

研究の動機と目的

• 静的環境における実ZigBeeベース（IEEE 802.15.4）センサーネットワークにランダムバスケットボールルーティング（BR）を実装すること。
• 従来のAODVにCSMA/CAを組み合わせた手法と比較して、BRのホップ数および送信効率の観点から性能を評価すること。
• 宛先RSSI測定とループを回避するフォワーディング手順といった実用的機能をBRに追加し、静的展開における信頼性を確保すること。
• BRの自己設定可能性和エネルギー効率性を実世界のセンサーネットワークシナリオで検証すること。

提案手法

• BRは、各タイムスロットにおける送信またはリレーの確率$p$を用いてMAC層とルーティングを統合する。
• ソースノードが隣接ノードにRTSをブロードキャストする。リレーは、自身のIDと宛先ビーコンのRSSI測定値を含むACKで応答する。
• ソースはACKからRSSIが最も強いリレーを選択する。ACKが受信されない場合は、直接宛先に送信する。
• 送信衝突を解消するために、失敗した試行後、二進指数バックオフ（BEB）が用いられる。
• パケットのループを防ぐためのループを回避手順が含まれており、安定したフォワーディングを保証する。
• タイプ、ID、RSSI、ホップカウントの16ビットフィールドを備えたカスタムパケット構造により、シグナリングおよびルーティング操作が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダムバスケットボールルーティングは、従来のAODVにCSMA/CAを組み合わせた手法と比較して、静的ZigBeeベースのセンサーネットワークでどのように性能を発揮するか？
• RQ2 リレー確率$p$が静的環境下でのホップ数およびエンドツーエンド遅延に与える影響は何か？
• RQ3 RSSIに基づくリレーセレクションは、マルチホップセンサーネットワークにおけるルーティング効率を向上させることができるか？
• RQ4 BRのオポチュニスティックでクロスレイヤー設計は、AODVのようなトポロジーベースプロトコルと比較して、ホップ数とスケーラビリティの観点でどのように異なるか？

主な発見

• BRは、ソースから宛先へのパケットルーティングに必要な平均ホップ数において、CSMA/CAを併用した簡素化されたAODVを上回った。
• ネットワークサイズが大きくなるにつれてBRとAODVの性能差が拡大し、特に12ノードの構成ではBRが著しく少ないホップ数を達成した。
• 12ノードのタンドムネットワークでは、BRはオポチュニスティックなリレーセレクションのおかげで中間ノードをスキップできるのに対し、AODVはすべてのノードを潜在的なフォワーダーとして依存していた。
• BRはAODVよりも長いホップあたりの送信距離を達成しており、空間再利用性が向上し、ホップ数が削減されていることが示された。
• 信号遮断（例：壁の影）が発生する状況では、BRのより長い間接ルートが、直接的な最短パス送信に比べて再送信遅延を低減した。
• RSSI測定とループを回避する手順の追加により、静的展開において安定的かつスケーラブルな動作が可能になり、性能劣化が生じなかった。