[論文レビュー] Improving Network Efficiency by Removing Energy Holes in WSNs

Muhammad Babar Rasheed, Nadeem Javaid+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2013

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 17被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、残存エネルギーと最大送信距離に基づいてノードの送信を動的に調整することにより、クラスタベースの無線センサネットワーク（WSNs）におけるエネルギーホールを軽減するためのエネルギー効率的HOleRemovingメカニズム（E-HORM）を提案する。最大送信距離から導出されるしきい値エネルギー（Eth）を設定することで、エネルギーが不足しているノードの送信を防ぎ、ホットスポットにおけるエネルギーの枯渇を低減する。シミュレーションによる検証で、ネットワークのライフタイムと安定期間が著しく延長されていることが確認された。

ABSTRACT

Cluster based Wireless Sensor Networks (WSNs) have been widely used for better performance in terms of energy efficiency. Efficient use of energy is challenging task of designing these protocols. Energy holedare created due to quickly drain the energy of a few nodes due to non-uniform distribution in the network. Normally, energy holes make the data routing failure when nodes transmit data back to the base station. We proposedEnergy-efficient HOleRemoving Mechanism (E-HORM) technique to remove energy holes. In this technique, we use sleep and awake mechanism for sensor nodes to save energy. This approach finds the maximum distance node to calculate the maximum energy for data transmission. We considered it as a threshold energy Eth. Every node first checks its energy level for data transmission. If the energy level is less than Eth, it cannot transmit data. We also explain mathematically the energy consumption and average energy saving of sensor nodes in each round. Extensive simulations showed that when use this approach for WSNs significantly helps to extend the network lifetime and stability period.

研究の動機と目的

• 非均一なエネルギー消費によって引き起こされるクラスタベースのWSNsにおけるエネルギーホールの形成を是正すること。
• 基地局に近い高エネルギー消費ノードの過剰作動を防ぐことで、ネットワークのライフタイムと安定性を向上させること。
• エネルギーしきい値制御とスリープ/ウェイクスケジューリングを用いて、ネットワーク全体のエネルギー消費をバランスさせるメカニズムの開発。
• WSNsにおけるエネルギー消費を数学的にモデル化し、1ラウンドあたりのエネルギー節約量を定量化すること。
• 広範なシミュレーションを用いて提案されたメカニズムの有効性を検証し、ネットワーク性能の延長を示すこと。

提案手法

• E-HORMメカニズムは、基地局から最も遠いノードまでの最大送信距離を計算し、それによりしきい値エネルギー（Eth）を決定する。
• 各センサーノードは、送信を実行する前に残存エネルギーをEthと比較する。
• Eth未満のエネルギーを持つノードは送信を禁止され、早期のエネルギー枯渇を回避する。
• スリープおよびウェイクアップメカニズムを導入することで、無駄なリスニングを低減し、低エネルギーノードのエネルギーを節約する。
• エネルギー消費と1ラウンドあたりの平均エネルギー節約量を数学的にモデル化し、効率性を評価する。
• このアプローチにより、十分なエネルギーを持つノードのみがデータ転送に参加するようになり、ホットスポットの形成が低減される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラスタベースのWSNsにおけるエネルギーホールは、どのようにして効果的に軽減され、ネットワークライフタイムが延長されるか？
• RQ2 中間ノードの過剰使用を防ぎつつ、最適なデータ送信を実現するためのしきい値エネルギー水準は何か？
• RQ3 動的スリープ/ウェイクスケジューリングは、高トラフィック領域におけるエネルギー消費をどの程度低減できるか？
• RQ4 従来のルーティング手法と比較して、提案手法はエネルギー効率性と安定期間においてどのように優れているか？
• RQ5 残存エネルギー、送信距離、および1ラウンドあたりのエネルギー節約量との間には、どのような数学的関係が存在するか？

主な発見

• E-HORMメカニズムにより、中間ノードの早期エネルギー枯渇を防ぐことで、ネットワークの安定期間が著しく延長された。
• シミュレーション結果から、動的しきい値ベースの送信制御により、エネルギーホールの形成が有効に低減されていることが確認された。
• 1ラウンドあたりのエネルギー節約量が定量的にモデル化され、センサーノード全体におけるエネルギー消費の明確な低減が示された。
• 最大送信距離から導出されたしきい値エネルギー（Eth）は、早期故障のリスクがあるノードを効果的に特定するのに有効であった。
• エネルギー消費のバランス化と高トラフィックノードへの負荷低減により、ネットワークライフタイムが延長された。
• スリープおよびウェイクアップメカニズムは、特に低エネルギーノードにおいてエネルギー節約に寄与し、全体のネットワーク耐久性を向上させた。