[論文レビュー] Termite-hill: From natural to artificial termites in sensor networks

Adamu Murtala Zungeru, Li-Minn Ang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2013

Complex Network Analysis Techniques参考文献 23被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、実際のアリの集団的採餌行動を模倣した、無線センサネットワーク向けのバイオインスパイアドルーティングアルゴリズム「Termite-hill」を提案する。フェロモンを用いた通信と自己触媒的トレイル強化をシミュレートすることにより、静的および動的シンクの両環境下でスケーラブルでエネルギー効率の良いルーティングを実現し、品質保証が可能な水準を維持しながら、エネルギー消費を顕著に削減する。

ABSTRACT

Termites present a very good natural metaphor to evolutionary computation. While each individuals computational power is small compared to more evolved species, it is the power of their colonies that inspires communication engineers. This paper presents a study of artificial termites in sensor networks for the purpose of solving its routing problem. The behaviors of each of the termites in their colony allow their simulation in a restricted environment. The simulating behavior demonstrates how the termites make use of an auto-catalytic behavior in order to collectively find a solution for a posed problem in reasonable time. The derived algorithm termed Termite-hill demonstrates the principle of termites behavior to routing problem solving in the real applications of sensor networks. The performance of the algorithm was tested on static and dynamic sink scenarios. The results as compared with other routing algorithms and with varying network density show that Termite-hill is scalable and improved on network energy consumption with a control over best-effort-service.

研究の動機と目的

• 自然のアリの採餌行動に着想を得た、スケーラブルでエネルギー効率の良い無線センサネットワーク向けルーティングソリューションの開発。
• フェロモンに類似した信号伝達を用いて、分散型システムにおける集団知能をモデル化し、ルート発見を実現。
• ネットワーク密度の変動および動的シンク移動性の下でのパフォーマンス評価。
• 実世界のセンサネットワーク展開において、制御された品質保証を実現するエネルギー効率の向上。

提案手法

• アルゴリズムは、最適ルートを発見するためにフェロモントレイルを放出・追跡する人工アリをシミュレートする。
• フェロモン濃度はルートの成功度に基づいて更新され、効率的な経路の自己触媒的強化が可能となる。
• 各ノードはフェロモン濃度と局所的情報に基づくローカル意思決定を行うフェロモンエージェントとして機能する。
• ルート選択には確率的選択メカニズムが用いられ、フェロモン濃度が高い経路が優先される。
• 適応性を評価するため、静的および動的シンク環境の両方でアルゴリズムをテストする。
• エネルギー消費およびエンドツーエンド遅延などのメトリクスを用いて、既存のルーティングプロトコルとパフォーマンスを比較評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アリの集団的行動に着想を得たフェロモンベースのルーティングメカニズムは、無線センサネットワークにおけるエネルギー効率を向上させ得るか？
• RQ2 Termite-hillアルゴリズムは、ネットワーク密度の変動および動的シンク移動性の下でどのように性能を発揮するか？
• RQ3 自己触媒的フェロモン強化メカニズムは、ルート発見の速度および信頼性をどの程度向上させるか？
• RQ4 エネルギー消費および品質保証の観点から、既存のルーティングプロトコルと比較して、本アルゴリズムはどのように差をつけるか？

主な発見

• Termite-hillは、静的および動的シンク環境の両方において、従来のルーティングプロトコルと比較してエネルギー効率が向上した。
• ルート発見時間に顕著な劣化を伴わず、さまざまなネットワーク密度においてもスケーラブルな性能を達成した。
• フェロモンに基づく自己触媒的強化により、動的環境下での最適ルートへの収束が高速化された。
• ベストエフォートサービス制約下でも、制御された遅延およびパケット到達率を維持し、受け入れ可能な品質保証を実現した。