[論文レビュー] Node Sensing & Dynamic Discovering Routes for Wireless Sensor Networks

Arabinda Nanda, Amiya Kumar Rath+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2010

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 12被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、無線センサネットワーク（WSN）向けに動的で局所的なルーティングプロトコルを提案する。このプロトコルは、ノード単体または領域の障害発生時にも迅速な回復を可能にする。ノードは局所的な情報のみを用いて、自己で新たな経路を発見できる。メトリクスとしてホップカウントを用い、方向性認識を組み合わせて親ノードを選択する。Directed Diffusionとの統合をサポートし、通常時の運用においてルーティングオーバーヘッドを最小限に抑える。また、ループの検出と除去機構によりループ耐性を確保する。

ABSTRACT

The applications of Wireless Sensor Networks (WSN) contain a wide variety of scenarios. In most of them, the network is composed of a significant number of nodes deployed in an extensive area in which not all nodes are directly connected. Then, the data exchange is supported by multihop communications. Routing protocols are in charge of discovering and maintaining the routes in the network. However, the correctness of a particular routing protocol mainly depends on the capabilities of the nodes and on the application requirements. This paper presents a dynamic discover routing method for communication between sensor nodes and a base station in WSN. This method tolerates failures of arbitrary individual nodes in the network (node failure) or a small part of the network (area failure). Each node in the network does only local routing preservation, needs to record only its neighbor nodes' information, and incurs no extra routing overhead during failure free periods. It dynamically discovers new routes when an intermediate node or a small part of the network in the path from a sensor node to a base station fails. In our planned method, every node decides its path based only on local information, such as its parent node and neighbor nodes' routing information. So, it is possible to form a loop in the routing path. We believe that the loop problem in sensor network routing is not as serious as that in the Internet routing or traditional mobile ad-hoc routing. We are trying to find all possible loops and eliminate the loops as far as possible in WSN.

研究の動機と目的

• ノード障害または領域障害発生時におけるWSNの接続維持の課題に対処すること。
• 定期的なビーコン送信やマルチパス洪水送信を回避することで、障害なし期間におけるルーティングオーバーヘッドを低減すること。
• グローバルなネットワーク状態の知識を必要とせず、自律的かつ局所的なルート再構成を可能にすること。
• Directed Diffusionなどの既存プロトコルとの統合により、故障耐性を強化すること。
• 動的ルーティング経路におけるループ形成を検出および低減する戦略を用いて、ループの発生を最小限に抑えること。

提案手法

• 各ノードは、隣接ノードおよび親ノードのルーティング情報をのみ維持し、経路選択にあたっては局所的決定プロセスを用いる。
• グリーディアルゴリズムにより、ベースステーション方向への単調減少メトリクス（例：ホップカウント）に基づいて親ノードを選択する。
• 障害検出は、FORWARDおよびBACKメッセージを用いて障害情報を局所的に伝播することで実施する。
• ノードが障害を検知すると、隣接ノードのメトリクスと位置認識機能を用いて、障害発生領域を避ける新たな親ノードを選択する。
• プロトコルは、代替パスからのフィードバックに基づく保守的親再選択戦略により、新規ノードの接続および障害ノードの回復をサポートする。
• リンク断絶後に代替ルートを発見するために、Interestプロパゲーションおよびパス強化を活用することで、Directed Diffusionとの統合を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WSNは、任意の個別ノード障害または局所的領域障害発生後、いかに最小限のルーティングオーバーヘッドで接続を維持できるか。
• RQ2 動的WSNトポロジーにおいて、効率的かつループのない経路発見を保証するための、どのような局所的メトリクスが有効か。
• RQ3 グローバルなネットワーク状態や定期的ビーコンに依存せずに、ノードが障害を検出し、それに応答する方法は何か。
• RQ4 動的条件下におけるセンサネットワークルーティングにおいて、ループ形成をどの程度検出し、緩和できるか。
• RQ5 既存の経路を損なわず、新規ノード接続および障害ノード回復をサポートするために、プロトコルをどのように拡張できるか。

主な発見

• 障害なし運用時においては、ルーティングメンテナンスが局所的かつ反応的であるため、追加のルーティングオーバーヘッドが発生しない。
• 障害発生後の動的ルート発見が、局所的情報と隣接ノードメトリクスのみを用いて実現可能である。
• ループ検出および除去が実装されており、持続的ルーティングループのリスクを低減しているが、著者らはWSNでは伝統的ネットワークと比べてループの深刻さが低いと認識している。
• 本方式はDirected Diffusionとの統合をサポートしており、リンク断絶後にInterestプロパゲーションおよび強化を用いてパス再構築が可能である。
• 保守的な親再選択戦略により、過剰なパス切り替えを防ぎ、悪意あるまたは誤ったルーティング更新のリスクを低減している。
• 本プロトコルは、高頻度のノード障害および新規ノード接続が発生する状況下でも正常に動作するが、最適な経路効率を求める場合にはビーコンベースの再構築が好ましいとされる。