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モバイルワイヤレスセンサーネットワーク（MWSN）[1]は、センサーノードがモバイルであるワイヤレスセンサーネットワーク（WSN）として簡単に定義できます。MWSNは、確立された先行研究とは対照的に、小規模で新興の研究分野です。MWSNは、あらゆるシナリオに展開でき、急速なトポロジの変更に対応できるため、静的センサーネットワークよりもはるかに汎用性があります。ただし、環境監視や監視など、多くのアプリケーションは似ています。一般的に、ノードは、無線トランシーバーとバッテリーで駆動するマイクロコントローラー、および光、熱、湿度、温度などを 検出するための何らかのセンサーで構成されます。
課題
大まかに言えば、MWSN にはハードウェアと環境という 2 つの課題があります。ハードウェアの主な制約は、限られたバッテリ電力と低コスト要件です。電力が限られているということは、ノードがエネルギー効率に優れていることが重要であることを意味します。価格の制限により、より単純なマイクロコントローラ向けの低複雑度のアルゴリズムと、単方向無線のみの使用が求められることがよくあります。主要な環境要因は、共有メディアと変化するトポロジです。共有メディアでは、チャネル アクセスを何らかの方法で規制する必要があります。これは、多くの場合、キャリア検知多重アクセス(CSMA)、周波数分割多重アクセス(FDMA)、またはコード分割多重アクセス(CDMA) などのメディア アクセス制御(MAC) スキームを使用して行われます。ネットワークの変化するトポロジは、ノードの移動性に起因しており、つまり、センサーからシンクへのマルチホップ パスは安定していません。
標準
現在、MWSNの標準は存在しないため、多くの場合、アソシエティビティベースルーティング（AR）、アドホックオンデマンド距離ベクトルルーティング（AODV）、ダイナミックソースルーティング（DSR）、グリーディペリメータステートレスルーティング（GPSR）などのMANETのプロトコルが借用されています。[2] MANETプロトコルはモバイル環境で動作できるため好まれますが、WSNプロトコルは多くの場合適していません。
トポロジー
ネットワーク トポロジによってデータ パケットが適切な宛先に到達するための伝送パスが決定されるため、トポロジの選択はルーティングにおいて重要な役割を果たします。ここで、すべてのトポロジ (フラット/非構造化、クラスター、ツリー、チェーン、ハイブリッド トポロジ) は、センサー ノード モビリティでの信頼性の高いデータ伝送には適していません。単一のトポロジの代わりに、ハイブリッド トポロジがデータ収集において重要な役割を果たし、パフォーマンスも良好です。ハイブリッド トポロジ管理スキームには、クラスター独立データ収集ツリー (CIDT) [3]と速度エネルギー効率の高いリンク認識クラスター ツリー ( VELCT ) [4]が含まれます。どちらもモバイル無線センサー ネットワーク (MWSN) 向けに提案されています。
ルーティング
これらのネットワークには固定されたトポロジがないため、最大の課題の 1 つは、送信元から送信先へのデータのルーティングです。一般的に、これらのルーティング プロトコルは、WSNとモバイル アドホック ネットワーク(MANET) の 2 つの分野からヒントを得ています。WSN ルーティング プロトコルは必要な機能を提供しますが、トポロジ変更の頻度には対応できません。一方、MANET ルーティング プロトコルはネットワーク内のモビリティに対応できますが、双方向通信用に設計されており、センサー ネットワークでは多くの場合、双方向通信は必要ありません。[5]
MWSN 専用に設計されたプロトコルは、ほとんどの場合マルチホップであり、既存のプロトコルを適応させたものである場合もあります。たとえば、Angle-based Dynamic Source Routing (ADSR) [6] は、ワイヤレス メッシュ ネットワーク プロトコルDynamic Source Routing (DSR) を MWSN 向けに適応させたものです。ADSR は位置情報を使用して、送信しようとしているノード、潜在的な転送ノード、およびシンク間の角度を計算します。これは、パケットが常にシンクに向かって転送されるようにするために使用されます。また、 WSN 用のLow Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) プロトコルは、MWSN 用に LEACH-M (LEACH-Mobile) [7]に適応されています。階層型プロトコルの主な問題は、モバイル ノードがクラスター間を頻繁に切り替える傾向があることです。これにより、ノードが定期的に異なるクラスター ヘッドに再関連付けする必要があることによるオーバーヘッドが大きくなります。
もう一つの一般的なルーティング技術は、ノードに取り付けられたGPSモジュールからの位置情報を利用することです。これは、クラスターを地理的に定義し、位置情報を使用してノードが所属するクラスターを最新の状態に保つゾーン ベース ルーティング (ZBR) [8]などのプロトコルで見られます。これに対して、地理的に便宜的なルーティング (GOR) [9]は、ネットワーク領域をグリッドに分割し、位置情報を使用して各ホップで可能な限りデータを便宜的に転送するフラット プロトコルです。
マルチパスプロトコルはルーティングのための堅牢なメカニズムを提供するため、MWSNルーティングプロトコルの有望な方向性のように見えます。そのようなプロトコルの1つは、クエリベースのデータセントリックブレイデッドマルチパス（DCBM）です。[10]
さらに、堅牢なアドホック センサー ルーティング (RASeR) [11]と位置認識センサー ルーティング (LASeR) [12]は、UAV を組み込んだアプリケーションなどの高速 MWSN アプリケーション向けに特別に設計された 2 つのプロトコルです。どちらも、「ブラインド フォワーディング」技術によって促進されるマルチパス ルーティングを活用します。ブラインド フォワーディングでは、送信ノードが近隣ノードにパケットをブロードキャストするだけで、受信ノードがパケットを転送するかドロップするかを決定します。パケットを転送するかどうかの決定は、ネットワーク全体の勾配メトリックを使用して行われます。つまり、送信ノードと受信ノードの値を比較して、どちらがシンクに近いかを判断します。RASeR と LASeR の主な違いは、勾配メトリックを維持する方法にあります。RASeR は、ノードが現在の勾配をブロードキャストする小さなビーコン パケットを定期的に送信します。一方、LASeR は、多くのアプリケーションで当てはまるように、モバイル センサー ノードにすでに存在する地理的位置情報を利用することに依存しています。
媒体アクセス制御
メディア アクセス制御 (MAC) 技術には、時分割、周波数分割、コード分割の 3 種類があります。実装が比較的容易なため、最も一般的な MAC の選択肢は時分割ベースであり、一般的な CSMA/CA MAC と密接に関連しています。MWSNを念頭に置いて設計された MAC プロトコルの大部分は、既存のWSN MAC から採用されており、低消費電力のデューティ サイクル方式に重点を置いています。
検証
MWSN 用に設計されたプロトコルは、通常、分析、シミュレーション、または実験結果を使用して検証されます。詳細な分析結果は本質的に数学的であり、プロトコルの動作の良好な近似値を提供できます。シミュレーションは、OPNET、NetSim、ns2などのソフトウェアを使用して実行でき、最も一般的な検証方法です。シミュレーションは、さまざまなシナリオでのプロトコルの実際の動作に近い値を提供できます。物理実験は実行コストが最も高く、他の 2 つの方法とは異なり、仮定を行う必要がありません。そのため、特定の条件下でプロトコルがどのように動作するかを判断する場合、物理実験は最も信頼性の高い情報形式になります。
アプリケーション
センサーをモバイル化できる利点により、静的 WSN が使用されるアプリケーション以外にも、さまざまなアプリケーションを利用できるようになります。センサーは、さまざまなプラットフォームに接続できます。
- 人々
- 動物
- 自動運転車
- 無人車両
- 有人車両
アプリケーションの要件を特徴付けるために、アプリケーションは常時監視、イベント監視、常時マッピング、またはイベント マッピングのいずれかに分類できます。[1]常時型のアプリケーションは時間ベースであるため、データは定期的に生成されますが、イベント型のアプリケーションはイベント駆動型であるため、データはイベントが発生したときにのみ生成されます。監視アプリケーションは一定期間にわたって常時実行されますが、マッピング アプリケーションは通常、現象の現在の状態を評価するために 1 回展開されます。アプリケーションの例としては、心拍数、血圧などを含む健康監視があります。[13]これは、病院の患者の場合は常時実行され、緊急時に救急隊に自動的に位置を報告するウェアラブル センサーの場合はイベント駆動型になります。動物には、移動パターン、摂食習慣、またはその他の研究目的でその動きを追跡するためにセンサーを取り付けることができます。[14]センサーは、監視や環境マッピングのために無人航空機(UAV)に取り付けられることもあります。 [15]自律型UAVによる捜索救助の場合、UAVはエリアを捜索するために配備されますが、人が発見された場合にのみデータを送信するため、これはイベントマッピングアプリケーションと見なされます。
参照
参考文献
- ^ ab T. Hayes および FH Ali。2016 年、「モバイル ワイヤレス センサー ネットワーク: アプリケーションとルーティング プロトコル」。次世代モバイル通信システムの研究ハンドブック。IGI Global。ISBN 9781466687325。pp . 256–292。
- ^ B. KarpおよびHT Kung . 2000. GPSR: ワイヤレス ネットワーク向けの貪欲境界ステートレス ルーティング[リンク切れ ] . 第 6 回国際モバイル コンピューティングおよびネットワーキング会議 (MobiCom '00) の議事録。pp. 243–254。
- ^ R. Velmani、B. Kaarthick、2014 年。「高密度モバイル無線センサー ネットワークにおけるエネルギー効率の高いデータ収集」、ISRN Sensor Networks、vol. 2014、記事 ID 518268、10 ページ。doi:10.1155/2014/518268。
- ^ R. Velmani、B. Kaarthick、2015。大規模モバイルワイヤレスセンサーネットワーク向けの効率的なクラスターツリーベースのデータ収集スキーム。IEEE Sensors Journal、vol. 15、no. 4、pp. 2377–2390。doi: 10.1109/JSEN.2014.2377200。
- ^ TP Lambrou および CG Panayiotou。2009 年。「センサー ネットワークのモビリティをサポートするルーティング技術に関する調査」。第 5 回国際モバイル アドホックおよびセンサー ネットワーク会議 (MSN'09) の議事録。pp. 78–85。
- ^ S. Kwangcheol、K. Kim、S. Kim。2011。ADSR: モバイルワイヤレスセンサーネットワーク向けの角度ベースマルチホップルーティング戦略。IEEE アジア太平洋サービスコンピューティング会議 (APSCC) の議事録。pp. 373–376。
- ^ D. Kim および Y. Chung。2006。「ワイヤレス センサー ネットワークのモバイル ノードをサポートする自己組織化ルーティング プロトコル」。第 1 回国際コンピューターおよび計算科学マルチシンポジウム (IMSCCS'06) の議事録。pp. 622–626。
- ^ U. Ahmed および FB Hussain。2011。ゾーンベースのモバイルセンサーネットワーク向けのエネルギー効率の高いルーティングプロトコル。第 7 回国際ワイヤレス通信およびモバイルコンピューティング会議 (IWCMC) の議事録。pp. 1081–1086。
- ^ Y. Han および Z. Lin. 2012. モバイルワイヤレスセンサーネットワークで使用される地理的に便宜的なルーティングプロトコル。第 9 回 IEEE 国際ネットワーク、センシング、制御会議 (ICNSC) の議事録。pp. 216–221。
- ^ A. Aronsky および A. Segall。2010。モバイルワイヤレスセンサーネットワークのマルチパスルーティングアルゴリズム。第 3 回 Joint IFIP Wireless and Mobile Networking Conference の議事録。pp. 1–6。
- ^ T. Hayes および F. Ali. 2016. モバイルワイヤレスセンサーネットワーク向けの堅牢なアドホックセンサールーティング (RASeR) プロトコル。Elsevier Ad Hoc Networks、vol. 50、no. 1、pp. 128–144。
- ^ T. Hayes および F. Ali. 2016. モバイルワイヤレスセンサーネットワーク向け位置認識センサールーティング (LASeR) プロトコル。IET ワイヤレスセンサーシステム、vol. 6、no. 2、pp. 49–57。
- ^ H. Yan、H. Huo、Y. Xu、M. Gidlund。2010。「ワイヤレスセンサーネットワークベースのEヘルスシステム - 実装と実験結果」IEEE Transactions on Consumer Electronics、vol. 56、no. 4、pp. 2288–2295。
- ^ S. Ehsan 他 2012. 自由に歩き回る動物の監視と追跡のための遅延耐性センサー ネットワークの設計と分析。IEEE Transactions on Wireless Communications、vol. 11、no. 3、pp. 1220–1227。
- ^ B. White 他 2008. UAV センサー ネットワークを使用した汚染雲境界モニタリング。IEEE Sensors Journal、vol. 8、no. 10、pp. 1681–1692。