Cluster-Based Forwarding for Reliable End-to-End Delivery in Wireless Sensor Networks

1. Cluster-Based Forwarding for Reliable End-to-End Delivery in Wireless Sensor Networks ACE suzuk

2. 論文紹介 • Session • Routing/Forwarding in Ad Hoc Networks • Author • Qing Cao, Tarek Abdelzaher(イリノイ大,US)

3. Table of Contents • Introduction • Related Work • Overview of Cluster-Based Forwarding • Cluster-Based Forwarding Architecture • Performance Evaluation • Conclusion and Future Work

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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 • 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) • 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 • 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

9. 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

10. 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

11. 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feet単位で変えて通信テストを行った

12. 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

13. 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 Receiver Sender

14. シナリオ Receiver Sender Intermediate Helper Distant Helper

15. 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

16. Cluster-Based Forwarding アーキテクチャ

17. CBFコントロールアルゴリズム

18. Helper AdmissionInterface • 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

19. 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

20. 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

21. 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

22. Forward Resolutionの状態遷移図

23. パフォーマンス評価

24. パフォーマンス評価２

25. パフォーマンス評価3

26. 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