[논문 리뷰] Joint Routing and STDMA-based Scheduling to Minimize Delays in Grid Wireless Sensor Networks

Ichrak Amdouni, Cédric Adjih외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 27.

Mobile Ad Hoc Networks참고 문헌 18인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 격자 기반 무선 센서 네트워크를 위한 공동 라우팅 및 STDMA 스케줄링 기법인 ORCHID를 제안한다. 이 기법은 공간적으로 주기적인 색칠 기반의 계층적 라우팅과 TDMA 주기 내 최적화된 슬롯 순서를 공동 설계함으로써 종단 간 지연과 에너지 소비를 최소화한다. 결과적으로 ORCHID는 지연을 히وري스틱으로 사용하는 최단경로 라우팅 대비 지연과 에너지 소비를 줄이며, 간섭 인식 셀 색칠을 위한 VCM++를 사용해 SINR 모델 하에서 일반적인 네트워크 구조로의 일반화도 가능하다.

ABSTRACT

In this report, we study the issue of delay optimization and energy efficiency in grid wireless sensor networks (WSNs). We focus on STDMA (Spatial Reuse TDMA)) scheduling, where a predefined cycle is repeated, and where each node has fixed transmission opportunities during specific slots (defined by colors). We assume a STDMA algorithm that takes advantage of the regularity of grid topology to also provide a spatially periodic coloring ("tiling" of the same color pattern). In this setting, the key challenges are: 1) minimizing the average routing delay by ordering the slots in the cycle 2) being energy efficient. Our work follows two directions: first, the baseline performance is evaluated when nothing specific is done and the colors are randomly ordered in the STDMA cycle. Then, we propose a solution, ORCHID that deliberately constructs an efficient STDMA schedule. It proceeds in two steps. In the first step, ORCHID starts form a colored grid and builds a hierarchical routing based on these colors. In the second step, ORCHID builds a color ordering, by considering jointly both routing and scheduling so as to ensure that any node will reach a sink in a single STDMA cycle. We study the performance of these solutions by means of simulations and modeling. Results show the excellent performance of ORCHID in terms of delays and energy compared to a shortest path routing that uses the delay as a heuristic. We also present the adaptation of ORCHID to general networks under the SINR interference model.

연구 동기 및 목표

• STDMA 기반 WSN에서 비최적의 슬롯 순서로 인한 지연 악화 문제에 대한 탐색이 부족한 문제를 해결한다.
• 종단 간 지연을 최소화하기 위해 공동으로 라우팅과 스케줄링을 최적화하는 크로스 레이어 솔루션을 설계한다.
• 모든 노드가 단일 STDMA 주기 내에서 싱크로 데이터를 전달할 수 있도록 보장한다.
• 활성 전송 슬롯 수를 최소화하고 유휴 수신 시간을 줄임으로써 에너지 효율성을 향상시킨다.
• SINR 간섭 모델 하에서 일반적인 네트워크 구조로의 솔루션을 확장한다.

제안 방법

• 공간적으로 주기적인 그래프 색칠(VCM)을 사용해 격자를 색상 기반 셀로 분할하여 공간 재사용을 가능하게 한다.
• 색상 기반 집합자 기반의 계층적 지배 트리를 구성해 데이터 수집을 안내한다.
• 종단 간 지연을 최소화하기 위해 라우팅의 싱크 근접도를 기반으로 STDMA 주기 내 색상 전송 순서를 결정한다.
• 색상 순서를 위한 CO-Routes와 CO-Highways를 도입하여 싱크에 더 가까운 노드를 우선순위로 한다.
• 간섭 제한된 전송 범위를 계산하고 공간 재사용을 최대화함으로써 SINR 모델에 적합한 VCM 방법을 개선(=VCM++)한다.
• 전역 STDMA 주기를 순차적으로 Route 기간과 Highway 기간으로 구성함으로써 단일 주기 내 전달를 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 STDMA 주기 내에서 랜덤 슬롯 순서가 격자 기반 WSN의 종단 간 지연에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 지연을 메트릭으로 사용하는 최단경로 라우팅과 비교해 라우팅과 슬롯 순서의 공동 최적화가 지연과 에너지 소비를 줄일 수 있는가?
• RQ3 색상 기반 집합자 기반의 계층적 라우팅이 주기 효율성과 지연에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 ORCHID는 더 현실적인 SINR 간섭 모델 하에서 일반적인 그래프에 어떻게 적응할 수 있는가?
• RQ5 간섭 제한 환경에서 공간 재사용(색상 수)과 성공적인 전송 범위 사이의 상충 관계는 무엇인가?

주요 결과

• ORCHID는 지연을 히وري스틱으로 사용하는 최단경로 라우팅 대비 STDMA 주기 내 필요 슬롯 수를 줄였다.
• 활성 전송 슬롯 수를 최소화하고 유휴 수신 시간을 감소시킴으로써 ORCHID는 더 낮은 에너지 소비를 달성했다.
• 모든 노드가 단일 STDMA 주기 내에서 싱크로 데이터를 전달할 수 있어 최소한의 종단 간 지연을 보장했다.
• 랜덤 색상 순서에 따른 범위 당 정규화된 지연은 해석적으로 모델링되었으며 시뮬레이션을 통해 검증되었다.
• VCM++는 최적의 생성자 벡터를 사용해 간섭 인식 셀 색칠을 계산함으로써 ORCHID의 일반적인 그래프로의 적응을 가능하게 했다.
• 제안된 방법은 SINR 모델 하에서 공간 재사용과 신뢰성 있는 전송 사이의 상충 관계를 보장한다.