[論文レビュー] Region Based Energy Balanced Inter-cluster communication Protocol for Sensor networks

Rohini Sharma, D. K. Loboyal|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2015

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、監視領域を複数の領域に分割し、各領域内の残存エネルギーに基づいてクラスターヘッドを選択することにより、無線センサーネットワークにおけるエネルギーの不均衡を解消するための、領域ベースエネルギーバランス型インタークラスタ通信プロトコル（RBEBP）を提案する。遠方のノードに対してリレークラスターヘッドを用いることで、クラスターヘッド選択を最適化し、エネルギーの枯渇を低減し、エネルギーホールの発生を最小限に抑え、LEACHを上回るネットワークライフタイムを実現する。シミュレーション結果から、スループットとエネルギー効率の両面で改善が確認された。

ABSTRACT

Wireless sensor networks faces unbalanced energy consumption problem over time. Clustering provides an energy efficient method to improve lifespan of the sensor network. Cluster head collects data from other nodes and transmits it towards the sink node. Cluster heads which are far-off from the sink, consumes more power in transmission of information towards the sink. We propose Region Based Energy Balanced Inter-cluster communication protocol (RBEBP) to improve lifespan of the sensor network. Monitored area has been divided into regions; cluster heads are selected from specific region based on the residual energy of nodes in that region. If energy of nodes of the specific region is low, nodes from another region are selected as cluster heads. Optimized selection of cluster heads helps in improving lifespan of the sensor network. In our scheme, cluster heads which are far-off from the sink use another cluster heads as the relay nodes to transmit their data to the sink node. So energy of cluster heads deplete in a uniform way and complete area remain covered by sensor nodes. Simulation results demonstrate that RBEBP can effectively reduce total energy depletion and considerably extend lifespan of the network as compared to LEACH protocol. RBEBP also minimize the problem of energy holes in monitored area and improve the throughput of the network

研究の動機と目的

• sinkから遠く離れたクラスターヘッドが過剰にエネルギーを消費することに起因する、無線センサーネットワークにおけるエネルギーの不均衡を是正すること。
• クラスターヘッド間でのエネルギー消費を均等にすることで、ネットワークの運用ライフタイムを延長すること。
• 知的なクラスターヘッド選択により、監視領域内でのエネルギーホールの形成を最小限に抑えること。
• リレークラスターヘッドを用いたインタークラスタ通信の最適化により、ネットワークスループットを向上させること。
• 異なる領域における残存エネルギーのレベルに適応可能なスケーラブルでエネルギーがバランス取れたクラスタリングプロトコルを提供すること。

提案手法

• エネルギー消費の局所化とクラスタ間の負荷分散を図るため、監視領域を複数の領域に分割する。
• 各領域内の残存エネルギーに基づいてクラスターヘッドを選択し、残存エネルギーがより高いノードを優先的に選定する。
• 領域内のノードの残存エネルギーが低い場合、早期のエネルギー枯渇を防ぐために隣接領域のノードからクラスターヘッドを選出する。
• sinkから遠く離れたクラスターヘッドは、中間のクラスターヘッドをリレーノードとして利用し、データを中継することで、長距離伝送に要するエネルギーを削減する。
• 特定のクラスターヘッドが過剰なエネルギー負荷を負わないようにし、ネットワーク全体にわたり均等なエネルギー消費を促進する。
• 距離とエネルギー状態に基づいて動的にリレーロールをクラスターヘッドに割り当てることで、インタークラスタ通信を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 領域ベースのクラスタリングを用いることで、無線センサーネットワークにおけるエネルギーの不均衡をどのように是正できるか？
• RQ2 残存エネルギーに基づく領域別クラスターヘッド選択が、ネットワークライフタイムに与える影響は何か？
• RQ3 リレークラスターヘッドを用いることで、遠方のクラスターヘッドのエネルギー消費はどの程度低減できるか？
• RQ4 LEACHと比較して、RBEBPはエネルギー消費とネットワーク耐久性の観点でどのように異なるか？
• RQ5 動的かつエネルギーに配慮したクラスターヘッド選択により、エネルギーホールの発生は最小限に抑えられるか？

主な発見

• RBEBPはLEACHプロトコルと比較して、合計エネルギー消費が顕著に低減された。
• クラスターヘッド間でのエネルギー消費がバランス取られているため、RBEBPのネットワークライフタイムは顕著に延長された。
• 地域ごとの残存エネルギーに基づく戦略的クラスターヘッド選択により、監視領域内のエネルギーホールが最小限に抑えられた。
• 最適化されたインタークラスタ通信とリレーユーザーの活用により、ネットワークのスループットが向上した。
• 高トラフィックのノードの早期故障を防ぐために、クラスターヘッド間でのエネルギー消費がより均等に分配された。
• シミュレーション結果から、RBEBPがエネルギー効率とネットワーク持続性の両面でLEACHを上回ることが確認された。