[論文レビュー] Sensors Lifetime Enhancement Techniques in Wireless Sensor Networks - A Survey

Sami Halawani, Abdul Waheed Khan|arXiv (Cornell University)|May 21, 2010

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 24被引用数 40

ひとこと要約

本調査は、無線センサーネットワーク（WSNs）におけるエネルギー効率の良いMACおよびルーティングプロトコルを特定・評価し、センサーやネットワークの寿命を延長することを目的としている。データ指向型および階層型ルーティングに加え、スケジュールベースおよび競合ベースのMACプロトコルに焦点を当てることで、本論文は、衝突や再送信の削減に注力した通信エネルギーの最適化が、エネルギー制限環境におけるネットワーク運用の著しい延長に寄与することを示している。

ABSTRACT

Wireless Sensor Networks are basically used for gathering information needed by smart environments but they are particularly useful in unattended situations where terrain, climate and other environmental constraints may hinder in the deployment of wired/conventional networks. Unlike traditional networks, these sensor networks do not have a continuous power supply at their disposal. Rather the individual sensors are battery operated and the lifetime of the individual sensors and thus the overall network depend heavily on duty cycle of these sensors. Analysis on WSNs shows that communication module is the main part which consumes most of the sensor energy and that is why energy conservation is the major optimization goal. Since routing protocols and MAC protocols directly access the communication module therefore the design of protocols in these two domains should take into account the energy conservation goal. In this paper, we discuss different state-of-the-art protocols both in MAC and routing domains that have been proposed for WSNs to achieve the overall goal of prolonging the network lifetime. The routing protocols in WSNs are generally categorized into three groups - data centric, hierarchical and location-based but we focus on only the first two categories because location-based routing protocols generally require a prior knowledge about sensors location which most of the times is not available due to random deployment of the sensors. We then discuss how schedule-based and contention-based MAC protocols can contribute to achieve optimal utilization of the limited energy resource by avoiding or reducing the chances of collisions and thus the need for retransmission.

研究の動機と目的

• 無線センサーネットワーク（WSNs）における限られたバッテリーライフの課題に対処すること。センサーは継続的な電源供給を受けることなく動作する。
• エネルギー消費が主なボトルneckであると特定し、通信モジュールが最大のエネルギー消費源であると認識すること。
• MACおよびルーティング層におけるプロトコル設計に注力し、エネルギー節約を実現し、ネットワーク寿命を延長すること。
• データ指向型および階層型ルーティングのカテゴリーに属する最新のプロトコルを評価すること。位置情報に基づくルーティングは、実装上の制約のため除外する。
• スケジュールベースおよび競合ベースのMACプロトコルが、衝突回避および効率的なメディアアクセスによりエネルギーの無駄をどのように削減するかを分析すること。

提案手法

• ルーティングプロトコルをデータ指向型、階層型、位置情報に基づくタイプに分類し、実装の可能性を考慮して最初の2つに重点を置く。
• 事前に定義された経路ではなく、データの内容に基づいてデータを転送するデータ指向型ルーティングプロトコルを検討する。
• センサーをクラスタに編成し、クラスターヘッドを介して冗長な送信を削減する階層型ルーティングプロトコルを分析する。
• ノードにタイムスロットを割り当てることで衝突を回避し、無駄な待機を減らすスケジュールベースのMACプロトコルをレビューする。
• S-MAC や T-MAC などの競合ベースのMACプロトコルを評価し、キャリアセンシングとデューティサイクリングを用いてエネルギー消費を最小限に抑える仕組みを検証する。
• MACおよびルーティング層の両方においてエネルギー効率を最優先するプロトコル設計原則を評価し、ネットワーク全体のエネルギー消費を削減すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通信モジュールはWSNsにおけるエネルギー消費にどのように寄与しているのか。これに対処するためのプロトコルは何か。
• RQ2 エネルギー効率の観点から、データ指向型と階層型ルーティングプロトコルにはどのような主な違いとトレードオフがあるのか。
• RQ3 スケジュールベースおよび競合ベースのMACプロトコルは、WSNsにおけるエネルギーの無駄をどのように削減するのか。
• RQ4 なぜ位置情報に基づくルーティングプロトコルは、実世界のWSNsにおけるランダムなセンサー配置には不適切なのか。
• RQ5 MACおよびルーティング層におけるプロトコルレベルの最適化は、WSNsの運用寿命をどのように延長するのか。

主な発見

• 通信モジュールはWSNsにおける主なエネルギー消費源であるため、MACおよびルーティングプロトコルにおけるエネルギー節約がネットワークの持続可能性に不可欠である。
• ランダムな配置に適したのは、位置情報への依存度が低いデータ指向型および階層型ルーティングプロトコルである。
• スケジュールベースのMACプロトコルは、時分割アクセスにより、無駄な待機と衝突解決を排除することでエネルギー消費を削減する。
• S-MAC や T-MAC などの競合ベースのMACプロトコルは、デューティサイクリングを可能にし、不要な送信を減らすことでエネルギー効率を向上させる。
• MACおよびルーティング層における最適なプロトコル設計により、再送信とアイドル状態を最小限に抑えることで、ネットワーク寿命を著しく延長できる。
• エネルギー制限環境における持続可能な運用を実現するには、複数のレイヤーにわたりエネルギーに配慮したプロトコルを統合することが不可欠である。