[論文レビュー] Energy Efficient Routing For Underwater Acoustic Sensor Network Using Genetic Algorithm

Arjun Prasad Chaurasiya, Roshan Sah+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Underwater Vehicles and Communication Systems被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、エネルギー効率の良いルーティング（EER）方式を、下位の遺伝的アルゴリズムを用いて最適化されたマルチホップデータルーティングを実現する水中音響センサネットワーク（UWASNs）向けに提案する。EER手法は、ノード密度が変化する状況下でも、PDR、遅延、残存エネルギー、ネットワーク寿命の面で、従来のVBFおよびDBRプロトコルを上回る性能を示す。

ABSTRACT

In underwater acoustic sensor networks (UWASN), energy-reliable data transmission is a challenging task. This is due to acoustic transmission disturbances caused by excessive noise, exceptionally long propagation delays, a high bit error rate, limited bandwidth capability, and interference. One of the most important issues of UWASN for research is how to extend the life span of data transmission. Data transfer from a source node to a destination node in UWASN is a complicated topic for researchers. Many routing algorithms, such as vector base forwarding and depth base routing, have been developed in past years. We propose a genetic algorithm-based optimization method for improving the energy efficiency of data transmission in the routing path from a source node to a destination node.

研究の動機と目的

• 長距離伝搬遅延、高いビット誤り率、限られた帯域幅の影響により、エネルギーを多く消費し、信頼性の低いデータ伝送が生じるUWASNsにおける課題に対処すること。
• 水中環境におけるマルチホップデータ転送中のエネルギー消費を最適化することで、ネットワーク寿命を延長すること。
• 進化的計算を用いて、動的にエネルギー効率の良い経路を選択するルーティングプロトコルを開発すること。
• 従来の地上用ルーティングプロトコルが失敗する、高動的で長遅延の水中ネットワークにおける信頼性と効率の向上を図ること。
• VBFおよびDBRなどの既存プロトコルと比較して、変化するネットワーク条件下での提案手法の性能を評価すること。

提案手法

• ソースからシンクへのルーティング経路を最適化するために、エネルギー効率とリンク品質に基づくフィットネス関数を用いた変更済み遺伝的アルゴリズム（GA）を採用する。
• アルゴリズムは、潜在的なルーティング経路の集団を初期化し、残存エネルギーと伝送コストを用いてフィットネスを評価し、選択、交叉、変異の操作を実行する。
• トーナメント選択を用いて、より優れた個体を優遇することで、最適経路への収束を促進する。
• 交叉は親の経路を組み合わせて子孫を生成し、解空間の多様性を保ちながら探索を促進する。
• 最大世代数やフィットネスの閾値などの終了基準に達するまでプロセスを繰り返し、最適化されたルーティング経路を出力する。
• シミュレーションはNS-2を用い、Tclスクリプトで実装され、ノードの移動状況とデータ配信状況の可視化にはNetwork Animator（nam）が使用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして遺伝的アルゴリズムを、長遅延・低帯域幅の水中音響ネットワークにおけるエネルギー効率の良いルーティングに適応できるか？
• RQ2 提案されたEERプロトコルは、PDRおよびエンドツーエンド遅延の観点で、VBFおよびDBRに比べてどの程度優れているか？
• RQ3 遺伝的アルゴリズムに基づくルーティング方式は、UWASNsにおいてエネルギー消費のバランスを適切に保ち、ネットワーク寿命を延長できるか？
• RQ4 水中ネットワークシミュレーションにおいて、ノード密度とラウンド数の増加に伴い、EERの性能はどのように変化するか？
• RQ5 提案されたルーティング手法は、既存プロトコルと比較して、残存エネルギーと1ラウンドあたりのエネルギー消費にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• EERは、全ネットワークサイズにおいてVBFおよびDBRを上回る高いPDRを達成しており、特にノード数71～100の大きなネットワークでは、顕著な優位性を示す。
• EERは、経路選択の最適化とホップ数の削減により、密集したネットワーク環境下でVBFおよびDBRに比べて優れた遅延効率を示す。
• 100ラウンドにわたり、EERにおける残存エネルギーはVBFおよびDBRよりも一貫して高く維持されており、エネルギーのバランスが良く、消耗が遅いことが示された。
• EERでは、VBFおよびDBRと比較して、ネットワーク寿命が顕著に延長されており、特にノード密度が高く（最大76ノード）、長期間にわたり運用が可能である。
• 遺伝的アルゴリズムに基づくアプローチにより、高動的水中環境下でもエネルギー消費を効果的に低減し、パケット損失を最小限に抑えることができた。
• namを用いた可視化分析により、EERが時間経過に伴い、安定的かつエネルギー効率の良いノードの移動と、ソースからシンクへのデータ配信を実現していることが確認された。