[論文レビュー] EDDEEC: Enhanced Developed Distributed Energy-Efficient Clustering for Heterogeneous Wireless Sensor Networks

Nadeem Javaid, Talha Naeem Qureshi+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2013

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 10被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、残存エネルギーとノードタイプに基づいてクラスターヘッド選出確率を動的に調整する、異種無線センサネットワーク向けに強化された分散型エネルギー効率的クラスタリングプロトコルEDDEECを提案する。エネルギーのバランスを取るための適応的閾値を導入することで、EDDEECはネットワークのライフタイムと安定期間を延長し、DEEC、DDEEC、EDEECを凌駕する。生存ノード数とベースステーションへの送信パケット数の両面で優れた性能を示す。

ABSTRACT

Wireless Sensor Networks (WSNs) consist of large number of randomly deployed energy constrained sensor nodes. Sensor nodes have ability to sense and send sensed data to Base Station (BS). Sensing as well as transmitting data towards BS require high energy. In WSNs, saving energy and extending network lifetime are great challenges. Clustering is a key technique used to optimize energy consumption in WSNs. In this paper, we propose a novel clustering based routing technique: Enhanced Developed Distributed Energy Efficient Clustering scheme (EDDEEC) for heterogeneous WSNs. Our technique is based on changing dynamically and with more efficiency the Cluster Head (CH) election probability. Simulation results show that our proposed protocol achieves longer lifetime, stability period and more effective messages to BS than Distributed Energy Efficient Clustering (DEEC), Developed DEEC (DDEEC) and Enhanced DEEC (EDEEC) in heterogeneous environments.

研究の動機と目的

• WSNにおける異種センサノード間のエネルギー消費の不均衡を解消し、特に高エネルギーのノードがクラスターヘッドとして過剰に使用されることを防ぐ。
• DEEC、DDEEC、EDEECといった既存プロトコルの限界を克服し、三段階の異種ネットワークにおいて、先進ノードおよびスーパー・ノードが持続的に過剰に罰せられるのを防ぐ。
• 残存エネルギーが臨界レベル未満に下がった際に、CH選出確率を均等化する動的エネルギー閾値を導入することで、ネットワークの安定性とライフタイムを向上させる。
• エネルギー制限のある大規模WSNにおいて、ノーマル、アドバンスド、スーパー・ノードの間でエネルギー負荷をバランスさせるために、クラスタリング効率を最適化する。
• 適応的でエネルギーに配慮したクラスターヘッド選出により、異種WSNの展開において、より高いデータ送信信頼性と長寿命な運用を実現する。

提案手法

• 残存エネルギーと初期エネルギーのレベルに基づいて、ノーマル、アドバンスド、スーパー・ノードを区別する修正されたクラスターヘッド（CH）選出確率関数を提案する。
• すべてのノードタイプが等しいCH選出確率を持つように、$ T_{absolute} = 0.7E_0 $ という閾値ベースのエネルギー水準を導入し、高エネルギーノードの過剰な罰則を回避する。
• 残存エネルギー $ E_i(r) $、ネットワーク平均エネルギー $ ar{E}(r) $、およびノードタイプ固有の係数（a=2.0、b=3.5）を考慮した重み付き式を用いて、CH選出確率を適応的に調整する。
• ラウンド番号とノードの資格に応じて変動する動的クラスターヘッド閾値関数 $ T(s_i) $ を採用し、時間経過に伴うCH分布のバランスを確保する。
• 総エネルギー消費を最小化するため、エネルギーと距離モデルから導出される最適クラスタ数 $ k_{opt} $ を使用し、ネットワーク効率を向上させる。
• ノーマル（0.5J）、アドバンスド（2.0倍）、スーパー（3.5倍）という明確なエネルギーレベルを有するハイブリッドエネルギー・モデルを適用し、現実的な異種WSNをシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 提案されたEDDEECプロトコルは、三段階の異種WSNにおいて、DEEC、DDEEC、EDEECと比較して、ネットワークライフタイムと安定期間をどのように改善するか？
• RQ2 残存エネルギー閾値 $ T_{absolute} $ は、CH選出における異なるノードタイプ間の公平性とエネルギーのバランスに、どのような影響を及ぼすか？
• RQ3 EDDEECは、既存のエネルギー効率的クラスタリングプロトコルと比較して、早期に故障するノードの数をどの程度削減できるか？
• RQ4 EDDEECにおける適応的CH選出メカニズムは、大規模WSNにおけるデータ送信信頼性とエネルギー効率をどのように向上させるか？
• RQ5 $ T_{absolute} = zE_0 $ の $ z $ の値として、最初の故障ノードのタイミングと総ネットワークライフタイムの観点で、ネットワーク性能を最適化するにはどの程度が適切か？

主な発見

• EDDEECは、ネットワークの最初の故障ノード発生を1717ラウンドまで遅らせ、DEEC（969ラウンド）、DDEEC（1355ラウンド）、EDEEC（1432ラウンド）を大きく上回った。
• EDDEECのネットワークライフタイムは8638ラウンドに達し、EDEECと同等の性能を示したが、DEEC（5536ラウンド）とDDEEC（5673ラウンド）を上回った。
• EDDEECは、ベースステーションへのパケット送信数が最多であり、DEEC、DDEEC、EDEECと比較して、優れたデータ送信効率を示した。
• EDDEECは、EDEEC比で20％の安定期間の延長、DEEC比で40％の改善を達成した。これは、ノードタイプ間でエネルギー消費が均等化されたことに起因する。
• シミュレーションにより、$ z = 0.7 $ が、三段階の異種ネットワークにおける公平性とパフォーマンスのバランスを最適化する最適な値であると特定された。
• EDDEECは、残存エネルギーが初期ノーマルノードエネルギーの70％未満（$ 0.7E_0 $）に下がった際に、高エネルギーノードの過剰使用を効果的に防止する。