Cluster-Based Forwarding for Reliable End-to-End Delivery in

Wireless Sensor NetworksACE suzuk

論文紹介

• Session– Routing/Forwarding in Ad Hoc Networks

• Author– Qing Cao, Tarek Abdelzaher　 (イリノイ大 ,

US)

Table of Contents

1. Introduction

2. Related Work

3. Overview of Cluster-Based Forwarding

4. Cluster-Based Forwarding Architecture

5. Performance Evaluation

6. Conclusion and Future Work

Abstract

• テーマ– ワイヤレスセンサネットワークにおける効率

的で信頼性のある通信手法• アプローチ

– Cluster-based forwarding• 各ノードは forwarding するクラスターを形成する• 再送信を減らすことで効率を上げる• 既存のルーティングプロトコルの拡張として設計

Introduction

• 本論文のアタックする問題– 無線センサネットワークの End-to-End パケット通信

における効率性と信頼性の実現• 無線センサネットワークのリンクは 50% 以上の確率で切れ

る• 無線センサは省エネルギーでなければならない

• 既存の解決手法– 再送信– FEC ： forward error correction

リンク品質に大きく影響される大きい

そこで・・・

• ワイヤレスセンサネットワークにおける効率的で信頼性のある通信手法を提案する– ブロードキャストを用いた協調通信に着目

Related work

• 協調通信により通信効率を向上させる研究– ExOR, MRD, ROMER

• ワイヤレスセンサネットワークを対象とする本研究とは異なる

– SPaC• 崩壊パケットを結合して正しいパケットにする

ExOR, MRD, ROMERプロトコルの問題点

• 3つの点でWireless Sensor Networkに適していない1. 低コストサンサへの対応の問題

バッファが 128byeしかないところに、ヘッダだけで 114byteも要求する（ ExORの場合 )

2. 通信パターンが適合しない WLANクライアントの効率性で通信しようとする

3. MANETの通信スタックは Sensor Networkとは異なる問題

MANETは 802.11 プロトコルスタックを使う Wireless Sensor Netoworkは独自のプロトコルを使うことが多い

Cluster-Based Forwarding (CBF)

• 協調通信を行う– ノードのグループ間における協調通信を行い

パケットフォワードする• 拡張性に優れる

– 既存のワイヤレスルーティングプロトコルアーキテクチャの拡張である

• 既存のルーティングプロトコルとアプリケーションどちらも変更する必要がない

CBF の主な Contribution

• 拡張性に優れる–既存のワイヤレスルーティングプロトコルアーキテクチャの拡張である

• Helper機能によりパケット再送を低減できる–弱いリンクからより強いリンクへパケットを移転させる

• 既存の 4つのルーティングプロトコルの拡張として実装し before&afterを比較し評価を行った

予備実験

• パケット到達確立を調べる– MicaZを用いて 1Sender, 2Receiver(A,B)で距離を fe

et単位で変えて通信テストを行った

予備実験結果

• 3 つの領域に分かれる– 100% パケットが届く領域– パケットが届くノードとなかなか届かないノ

ードが混在する領域– ほとんどパケットが届かない領域

シナリオ

• リンク AB よりも CB の方がリンク品質がよく、B が A からのパケットをロスした場合– データ転送を AB から CB で行った方が良い

• リンク AB よりも AD の方がリンク品質が良かった場合– B をスキップして直接 AD 間で通信する

Sender Receiver

シナリオ

Sender Receiver

Intermediate Helper Distant Helper

設計するにあたって・・・

• Overhead が一番の関心事– Helper パターンを適応することで再送信は減

る一方、 Overhead も増える• C が Helper になることを A に通知するパケットな

ど

Helper パターン通信量　＜　再送信量な必要がある

Cluster-Based Forwarding アーキテクチャ

CBF コントロールアルゴリズム

Helper Admission 　 Interface

• Link quality interface– MACレイヤーで提供される– Neighborからのパケット到達成功率の情報が提供される

• Snooping of packet sequence numbersによる

• Comparison interface– Networkレイヤーで提供される– Distant helperだけが使う– 次の関数が実装される

• Compare(NODE N1, NODE N2, NODE DESC)• Return: NODE1 or NODE2

Helper Admission Algorithm Design

• Data packet transmitting cost– 1/pq + λ/q

• Intermediate Helper– 次式を満足するノード

• Distant Helper

Address Translation

• next-hop の node address を cluster address に変換する– 各ノードは独自のクラスターを形成している

Forward Resolution

• 2 重にパケットが送られないようにする– タイムスロットを使い、互いの電波干渉を防ぐ– 例：複数 Helper が同じ lost data パケットを受け取る

時

• Overhearing にする

Forward Resolution の状態遷移図

パフォーマンス評価

パフォーマンス評価２

パフォーマンス評価 3

Conclusion and Future Work

• ワイヤレスセンサネットワークの通信手法として Cluster-based forwarding を実装し評価した