Energy efficient cluster based algorithm for underwater sensor networks

Abstract

In this thesis, an innovative and evolving Cluster Based Routing Algorithm (CBRA) is proposed to provide an improved energy efficiency cluster system which can also be capable of handling cluster-head and mobile sensor node connectivity failures. In addition, to develop, implement and test CBRA, a new simulator called USNeT (Underwater Sensor Network simulation Tool) has been designed, developed and implemented. This USNeT simulator follows the object-oriented design style and all network entities are implemented as classes in the C++, encapsulating thread mechanisms. Initially significant adjustments have been made in order for the algorithm to become more energy efficient. Some of these alterations are: transmission range management, re-cluster process activation for each group separately, sensor node sleeping mode and unwanted information rejection. All the simulation results which were implemented against Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) protocol indicate a small but significant improvement in the performance of the CBRA especially in energy efficiency. This study also suggests that system Cluster Head (CH) failures could be further minimized when simultaneously a CH (primary CH) and a backup CH are selected. Thus, when a primary CH fails due to an irreparable fault, a backup CH will take its place and it will operate as a head node. Therefore, the CBRA is redefined and optimised to be able to handle this issue and also to diminish any communication link establishment interruptions. The analysis of the simulation results shows that the redefined CBRA (r-CBRA) is more energy efficient and can effectively enhance the network survivability capacity in the event of cluster-head failures, than the scheme with the non-optimised algorithm CBRA and the LEACH protocol. Thereafter, the r-CBRA is used again, to address sensor node connectivity failures. In case of a mobile sensor node that is close to a cluster but not in the range of a CH, r-CBRA changes the status of the nearest sensor node to a CH and then it establishes a communication link between them. Simulation results show once more that the new cluster based routing algorithm ensures the connectivity of the network without sacrificing the energy efficiency of the network.

Σε αυτή τη διατριβή, προτείνεται ένας καινοτόμος και εξελισσόμενος αλγόριθμος δρομολόγησης βασισμένος σε σύμπλεγμα (cluster) (CBRA) με σκοπό να παρέχει ένα ενεργειακά αποδοτικό σύστημα συμπλέγματος το οποίο μπορεί επίσης να χειρίζεται αστοχίες συνδεσιμότητας μεταξύ του επικεφαλή - κόμβου του συμπλέγματος και του κινητού κόμβου αισθητήρα. Επιπλέον, για την ανάπτυξη, την εφαρμογή και τη δοκιμή του αλγόριθμου CBRA, έχει σχεδιαστεί, αναπτυχθεί και υλοποιηθεί ένα νέο λογισμικό προσομοίωσης που ονομάζεται USNeT (Underwater Sensor Network simulation Tool). Το λογισμικό USNeT ακολουθεί το αντικειμενοστραφή στυλ σχεδίασης και όλες οι οντότητες του δικτύου αισθητήρων υλοποιούνται ως κλάσεις στην C++, ενσωματώνοντας μηχανισμούς νημάτων. Αρχικά έχουν γίνει σημαντικές προσαρμογές προκειμένου ο αλγόριθμος να γίνει πιο ενεργειακά αποδοτικός. Μερικές από αυτές τις αλλαγές είναι: διαχείριση εύρους μετάδοσης, ενεργοποίηση διαδικασίας εκ νέου ομαδοποίησης για κάθε σύμπλεγμα ξεχωριστά, λειτουργία ύπνου του κόμβου αισθητήρα και απόρριψη ανεπιθύμητων πληροφοριών. Όλα τα αποτελέσματα προσομοίωσης, που εφαρμόστηκαν σε αντιπαράθεση με το πρωτόκολλο Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH), υποδεικνύουν μια μικρή αλλά σημαντική βελτίωση στην απόδοση του αλγορίθμου CBRA ειδικά στην ενεργειακή απόδοση. Αυτή η μελέτη προτείνει επίσης ότι οι βλάβες στους επικεφαλής-κόμβους (Cluster Head-CH) του συστήματος θα μπορούσαν να ελαχιστοποιηθούν περαιτέρω όταν επιλέγεται ταυτόχρονα ένας CH (πρωτεύον CH) και ένας εφεδρικός CH. Έτσι, όταν ένας πρωτεύον CH αποτύχει λόγω ανεπανόρθωτης βλάβης, ένας εφεδρικός CH θα πάρει τη θέση του και θα λειτουργεί ως (πρωτεύον) επικεφαλής - κόμβος. Ως εκ τούτου, ο CBRA επαναπροσδιορίζεται και βελτιστοποιείται για να μπορεί να χειριστεί αυτό το ζήτημα και επίσης να μειώσει τυχόν διακοπές στην ζεύξη επικοινωνίας. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης δείχνει ότι το επανακαθορισμένο CBRA (r-CBRA) είναι πιο ενεργειακά αποδοτικό και μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά την ικανότητα επιβίωσης του δικτύου σε περίπτωση βλάβης του cluster-head, σε αντιπαράθεση με το σύστημα με τον μη βελτιστοποιημένο αλγόριθμο CBRA και το LEACH πρωτόκολλο. Στη συνέχεια, το r-CBRA χρησιμοποιείται ξανά, για την αντιμετώπιση των αστοχιών σύνδεσης του κόμβου αισθητήρα. Σε περίπτωση που ένας κινητός κόμβος αισθητήρα βρίσκεται κοντά σε ένα σύμπλεγμα αλλά όχι στην εμβέλεια του CH, το r-CBRA αλλάζει την κατάσταση, του πλησιέστερου σε αυτόν κόμβου αισθητήρα, σε CH και στη συνέχεια δημιουργεί μια σύνδεση επικοινωνίας μεταξύ τους. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν για άλλη μια φορά ότι ο νέος αλγόριθμος δρομολόγησης διασφαλίζει τη συνδεσιμότητα του δικτύου χωρίς να θυσιάζει την ενεργειακή απόδοση του.