Новый стратегический траекторно-базированный протокол для повышения эффективности беспроводных сенсорных сетей

Исследован комплексный подход к повышению эффективности и производительности беспроводных сенсорных сетей путем решения критических проблем, таких как условия гонки, проблемы резервирования и избыточные данные. Для решения этих проблем предложен новый протокол, сочетающий в себе самоадаптирующуюся кластеризацию с устранением избыточности и управление полосой пропускания распределенной нагрузки. Используется разумный способ для извлечения функции передачи сообщений с «перескоком» через узлы (их пропуском) и передачи сообщений любому из ближайших узлов. Для этого используется информация о разнесенном трафике, получаемая на основе файлов трассировки, исключая узлы с избыточными данными. Количество кластеров динамически регулируется в зависимости от плотности узлов, используя метод распространения сходства. Балансировка нагрузки достигается посредством перераспределения доступной полосы пропускания и повторной сегментации полосы пропускания. В исследовании представлена предлагаемая сетевая инфраструктура и координация каналов. Архитектура включает в себя совместную кластеризацию узлов, выбор точки доступа, сжатие данных и миграцию каналов. Эффективность сети значительно повышается за счет взаимодействия между узлами внутри кластеров, разумного выбора точек доступа и использования эффективных методов сжатия данных. Стратегия миграции каналов еще больше повышает гибкость и оперативность сети. Интеграция способности обнаружения канала обогащает подход за счет сбора информации о состоянии канала и дополнения пространственной и временной информации об узлах. Эта дополнительная информация позволяет сети принимать более обоснованные решения относительно распределения и координации каналов, способствуя снижению помех и оптимизации передачи данных. Предложенная методология позволила получить средний коэффициент доставки пакетов (PDR) равный 99,1 % и среднее снижение потерь пакетов на 4,3 % по сравнению с существующими исследованиями. Новый протокол продемонстрировал повышение средней пропускной способности на 4,7 % и снижение средней задержки сети до 52 мс, что подчеркивает его значительный вклад в увеличение производительности WSN.

1. Akyildiz F., Su W., Sankarasubramaniam Y., Cayirci E. A survey on sensor networks. IEEE Communication Magazine, 2002, vol. 40, no. 8, pp. 102–114. https://doi.org/10.1109/MCOM.2002.1024422

2. Cheng W.C., Chou C., Golubchik L., Khuller S., Wan Y.C. A coordinated data collection approach: design, evaluation, and comparison. IEEE Journal on Selected Areas in Communication, 2004, vol. 22, no. 10, pp. 2004–2018. https://doi.org/10.1109/JSAC.2004.836009

3. Xu K., Hassanein H., Takahara G., Wang Q. Relay node deployment strategies in heterogeneous wireless sensor networks. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2010, vol. 9, no. 2, pp. 145–159. https://doi.org/10.1109/TMC.2009.105

4. Chandrasekaran V., Shanmugam A. A review on hierarchical cluster based routing in wireless sensor networks. Journal Global Research in Computer Science, 2012, vol. 3, no. 2, pp. 12–16.

5. Hou Y., Shi Y., Sherali H., Midkiff S. On energy provisioning and relay node placement for wireless sensor networks. IEEE Transaction on Wireless Communication, 2005, vol. 4, no. 5, pp. 2579–2590. https://doi.org/10.1109/twc.2005.853969

6. Sanjana S., Shavanthi L., Bhagya R. Analysis of energy aware sleep scheduling routing protocol (EASSR) in wireless sensor networks. Proc. of the International Conference on Intelligent Computing and Control (I2C2), 2017, pp. 1–6. https://doi.org/10.1109/I2C2.2017.8321920

7. Mahdi O.A., Wahab A.W.A., Idris M.Y.I., Znaid A.A., Al-Mayouf Y.R.B., Khan S. WDARS: A weighted data aggregation routing strategy with minimum link cost in event-driven WSNs. Journal of Sensors, 2016, vol. 2016, pp. 3428730. https://doi.org/10.1155/2016/3428730

8. Zahedi A., Arghavani M., Parandin F., Arghavani A. Energy efficient reservation-based cluster head selection in WSNs. Wireless Personal Communication, 2018, vol. 100, no. 3, pp. 667–679. https://doi.org/10.1007/s11277-017-5189-9

9. Rhee I., Warrier A., Min J., Xu L. DRAND: Distributed randomized TDMA scheduling for wireless ad-hoc networks. MobiHoc ‘06: Proc. of the 7th ACM International Symposium on Mobile ad hoc Networking and Computing, 2006, pp. 190–201. https://doi.org/10.1145/1132905.1132927

10. Korzhuk V., Groznykh A., Menshikov A., Strecker M. Identification of attacks against wireless sensor networks based on behaviour analysis. Journal of Wireless Mobile Networks, Ubiquitous Computing, and Dependable Applications (JoWUA), 2019, vol. 10, no. 2, pp. 1–21. https://doi.org/10.22667/JOWUA.2019.06.30.001

11. Tunca C., Isik S., Donmez M., Ersoy C. Distributed mobile sink routing for wireless sensor networks: A survey. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2014, vol. 16, no. 2, pp. 877–897. https://doi.org/10.1109/surv.2013.100113.00293

12. Luo H., Ye F., Cheng J., Lu S., Zhang L. TTDD: Two-tier data dissemination in large-scale wireless sensor networks. Wireless Networks, 2005, vol. 11, no. 1-2, pp. 161–175. https://doi.org/10.1007/s11276-004-4753-x

13. Behera T.M., Mohapatra S.K., Samal U.C., Khan M.S., Daneshmand M., Gandomi A.H. Residual energy-based cluster-head selection in wsns for iot application. IEEE Internet of Things Journal, 2019, vol. 6, no. 3, pp. 5132–5139. https://doi.org/10.1109/jiot.2019.2897119

14. Jain S., Pattanaik K., Shukla A. QWRP: Query-driven virtual wheel based routing protocol for wireless sensor networks with mobile sink. Journal of Network and Computer Applications, 2019, vol. 147, pp. 102430. https://doi.org/10.1016/j.jnca.2019.102430

15. Maurya S., Gupta V., Jain V.K. LBRR: Load balanced ring routing protocol for heterogeneous sensor networks with sink mobility. Proc. of the 2017 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2017, pp. 1–6. https://doi.org/10.1109/wcnc.2017.7925728

16. Tunca C., Isik S., Donmez M.Y., Ersoy C. Ring routing: An energy-efficient routing protocol for wireless sensor networks with a mobile sink. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2015, vol. 14, no. 9, pp. 1947–1960. https://doi.org/10.1109/TMC.2014.2366776

17. Jain S., Sharma S., Bagga N. A vertical and horizontal segregation based data dissemination protocol. Emerging Research in Computing, Information, Communication and Applications, Springer, 2016, pp. 401–412. https://doi.org/10.1007/978-81-322-2553-9_37

18. Lin Y.C., Zhong J.-H. Hilbert-chain topology for energy conservation in large-scale wireless sensor networks. Proc. of the 9th International Conference on Ubiquitous Intelligence and Computing and 9th International Conference on Autonomic and Trusted Computing (UIC/ ATC), 2012, pp. 225–232. https://doi.org/10.1109/uic-atc.2012.37

19. Khodashahi M.H., Tashtarian F., Moghaddam M.H.Y., Honary M.T. Optimal location for mobile sink in wireless sensor networks. Proc. of the IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2010, pp. 1–6. https://doi.org/10.1109/wcnc.2010.5506171

20. Zhao M., Ma M., Yang Y. Efficient data gathering with mobile collectors and space-division multiple access technique in wireless sensor networks. IEEE Transaction in Computers, 2011, vol. 60, no. 3, pp. 400–417. https://doi.org/10.1109/tc.2010.140

21. Tang X., Xu J. Adaptive data collection strategies for lifetime-constrained wireless sensor networks. IEEE Transactions in Parallel and Distributed Systems, 2008, vol. 19, no. 6, pp. 721–734. https://doi.org/10.1109/tpds.2008.27

22. Li X., Jia Z., Zhang P., Zhang R., Wang H. Trust-based on-demand multipath routing in mobile ad hoc networks. IET Information Security, 2010, vol. 4, no. 4, pp. 212–232. https://doi.org/10.1049/iet-ifs.2009.0140

23. Praveena A., Sangeetha R., Prem P.E. Efficient trusted secure ad-hoc on-demand multipath distance vector in MANET. International Journal of Engineering Development and Research, 2017, vol. 5, no. 2, pp. 1614–1620.

24. Patel V.H., Zaveri M.A., Rath H.K. Trust based routing in mobile ad-hoc networks. Lecture Notes on Software Engineering, 2015, vol. 3, no. 4, pp. 318–324. https://doi.org/10.7763/lnse.2015.v3.212