Braided Routing Technique to Balance Traffic Load in Wireless Sensor Networks

2016 ◽  
Vol 4 (4) ◽  
pp. 1-19
Author(s):  
Apostolos Demertzis ◽  
Konstantinos Oikonomou
Keyword(s):  
Wireless Sensor Networks ◽  
Sensor Networks ◽  
Local Variation ◽  
Sensor Nodes ◽  
Traffic Load ◽  
Wireless Sensor ◽  
Energy Hole ◽  
Local Variance ◽  
Extreme Variation ◽  
Routing Mechanism

Many-to-one wireless sensor networks suffer from an extreme variation of traffic load between nodes. Sensor nodes near the sink consume much more energy than distant ones, resulting in the energy hole problem (global variation of load). In addition, even nodes located at the same distance from the sink experience very different traffic load with each other (local variation). This uneven distribution of traffic load, both globally and locally, results in a severe shortening of the time until first node runs out of battery. This work focuses on balancing the load of equally-distant nodes from the sink by sharing each one's load among its next-hop neighbors. Eventually, packets are travelling from node to sink by following interlaced paths. The proposed routing mechanism, called braided routing, is a simple one and can be applied over any cost-based routing, incurring a negligible overhead. Simulation results show that the local variance of load is reduced nearly 20-60% on average while the time until first death can be prolonged more than twice in many cases and the lifetime about 15%.

Braided Routing Technique to Balance Traffic Load in Wireless Sensor Networks

2020 ◽  
pp. 837-855
Author(s):  
Apostolos Demertzis ◽  
Konstantinos Oikonomou
Keyword(s):  
Wireless Sensor Networks ◽  
Sensor Networks ◽  
Local Variation ◽  
Sensor Nodes ◽  
Traffic Load ◽  
Wireless Sensor ◽  
Energy Hole ◽  
Local Variance ◽  
Routing Mechanism ◽  
Simulation Results

Many-to-one wireless sensor networks suffer from an extreme variation of traffic load between nodes. Sensor nodes near the sink consume much more energy than distant ones, resulting in the energy hole problem (global variation of load). In addition, even nodes located at the same distance from the sink experience very different traffic load with each other (local variation). This uneven distribution of traffic load, both globally and locally, results in a severe shortening of the time until first node runs out of battery. This work focuses on balancing the load of equally-distant nodes from the sink by sharing each one's load among its next-hop neighbors. Eventually, packets are travelling from node to sink by following interlaced paths. The proposed routing mechanism, called braided routing, is a simple one and can be applied over any cost-based routing, incurring a negligible overhead. Simulation results show that the local variance of load is reduced nearly 20-60% on average while the time until first death can be prolonged more than twice in many cases and the lifetime about 15%.

scholarly journals LNDIR: A lightweight non-increasing delivery-latency interval-based routing for duty-cycled sensor networks

2018 ◽  
Vol 14 (4) ◽  
pp. 155014771876760 ◽  
Author(s):  
Muhammad K Shahzad ◽  
Dang Tu Nguyen ◽  
Vyacheslav Zalyubovskiy ◽  
Hyunseung Choo
Keyword(s):  
Wireless Sensor Networks ◽  
Sensor Networks ◽  
Sensor Nodes ◽  
Traffic Load ◽  
Wireless Sensor ◽  
Neighbor Discovery ◽  
Performance Improvements ◽  
Novel Approach ◽  
Minimum Latency ◽  
Latency Interval

Wireless sensor networks are composed of low-energy, small-size, and low-range unattended sensor nodes. Recently, it has been observed that by periodically turning on and off the sensing and communication capabilities of sensor nodes, we can significantly reduce the active time and thus prolong network lifetime. However, this duty cycling may result in high network latency, routing overhead, and neighbor discovery delays due to asynchronous sleep and wake-up scheduling. These limitations call for a countermeasure for duty-cycled wireless sensor networks which should minimize routing information, routing traffic load, and energy consumption. In this article, we propose a lightweight non-increasing delivery-latency interval routing referred as LNDIR. This scheme can discover minimum latency routes at each non-increasing delivery-latency interval instead of each time slot. Simulation experiments demonstrated the validity of this novel approach in minimizing routing information stored at each sensor. Furthermore, this novel routing can also guarantee the minimum delivery latency from each source to the sink. Performance improvements of up to 12-fold and 11-fold are observed in terms of routing traffic load reduction and energy efficiency, respectively, as compared to existing schemes.

scholarly journals A Swarm Intelligent Algorithm Based Route Maintaining Protocol for Mobile Sink Wireless Sensor Networks

2015 ◽  
Vol 2015 ◽  
pp. 1-10 ◽  
Author(s):  
Xiaoming Wu ◽  
Yinglong Wang ◽  
Yifan Hu
Keyword(s):  
Wireless Sensor Networks ◽  
Sensor Networks ◽  
Mobile Sink ◽  
Sensor Nodes ◽  
Traffic Load ◽  
Wireless Sensor ◽  
Network Resources ◽  
Intelligent Algorithm ◽  
Bee Colony ◽  
Alternative Routing

Recent studies have shown that mobile sink can be a solution to solve the problem that energy consumption of sensor nodes is not balanced in wireless sensor networks (WSNs). Caused by the sink mobility, the paths between the sensor nodes and the sink change frequently and have profound influence on the lifetime of WSN. It is necessary to design a protocol that can find efficient routings between the mobile sink and nodes but does not consume too many network resources. In this paper, we propose a swarm intelligent algorithm based route maintaining protocol to resolve this issue. The protocol utilizes the concentric ring mechanism to guide the route researching direction and adopts the optimal routing selection to maintain the data delivery route in mobile sink WSN. Using the immune based artificial bee colony (IABC) algorithm to optimize the forwarding path, the routing maintaining protocol could find an alternative routing path quickly and efficiently when the coordinate of sink is changed in WSN. The results of our extensive experiments demonstrate that our proposed route maintaining protocol is able to balance the network traffic load and prolong the network lifetime.

scholarly journals Swarm Intelligence-based Partitioned Recovery in Wireless Sensor Networks

2018 ◽  
Vol 3 ◽  
pp. 70-81
Author(s):  
Gaurav Kumar ◽  
Virender Ranga
Keyword(s):  
Wireless Sensor Networks ◽  
Sensor Networks ◽  
Large Scale ◽  
Sensor Nodes ◽  
Traffic Load ◽  
Wireless Sensor ◽  
Grey Wolf ◽  
Relay Nodes ◽  
Network Partition ◽  
Heterogeneous Wireless Sensor Networks

The failure rate of sensor nodes in Heterogeneous Wireless Sensor Networks is high due to the use of low battery-powered sensor nodes in a hostile environment. Networks of this kind become non-operational and turn into disjoint segmented networks due to large-scale failures of sensor nodes. This may require the placement of additional highpower relay nodes. In this paper, we propose a network partition recovery solution called Grey Wolf, which is an optimizer algorithm for repairing segmented heterogeneous wireless sensor networks. The proposed solution provides not only strong bi-connectivity in the damaged area, but also distributes traffic load among the multiple deployed nodes to enhance the repaired network’s lifetime. The experiment results show that the Grey Wolf algorithm offers a considerable performance advantage over other state-of-the-art approaches.

Greedy Load Balancing Energy Efficient Routing Scheme for Wireless Sensor Networks

2019 ◽  
Vol 12 ◽  
Author(s):  
Priti Maratha ◽  
Kapil
Keyword(s):  
Wireless Sensor Networks ◽  
Sensor Networks ◽  
Load Balancing ◽  
Sensor Nodes ◽  
Traffic Load ◽  
Wireless Sensor ◽  
Delivery Ratio ◽  
Time Duration ◽  
Hop Count ◽  
Battery Power

Background: Despite so many constraints, the limited battery power of the sensor nodes is the core issue in Wireless Sensor Networks. This compels how to extend the lifetime of the network as long as possible. One of the ways to solve the problem is to balance the relay traffic load to extend the lifetime. Objective:In this paper, a load balancing algorithm is suggested that selects the best possible relay node so that uniform consumption of the battery power of the sensor nodes can be ensured. Methods: After random deployment, sensor nodes collect information about their neighbors and their expected load. The selection of new next hop starts from maximum hop count. Next hop of the nodes having a single parent is set first. Remaining nodes select their next hop in the non-increasing order of their load. Result: Simulation results verify that packet delivery ratio for proposed work up to 50% till 72% and no nodes getting dead till 48% of total time duration while for others, nodes start getting dead around 36% of total time duration. Also, it is proved that the solution obtained by proposed work can be at most 1.5 times imbalanced as compared to the optimal solution which implies our solution is quite near to the optimal one. Conclusion: Load balancing done in our work has shown more positive results in comparison to others in terms of network lifetime and first node death and which is also verified with F-test with α-value to be 0.05.

Adaptive Information Brokerage in Wireless Sensor Networks with Virtual Rings

2014 ◽  
Vol 687-691 ◽  
pp. 3044-3047 ◽  
Author(s):  
Hong Ling Chen ◽  
Xing Po Ma
Keyword(s):  
Wireless Sensor Networks ◽  
Sensor Networks ◽  
Data Storage ◽  
Sensor Nodes ◽  
Traffic Load ◽  
Wireless Sensor ◽  
Challenging Problem ◽  
Storage And Retrieval ◽  
Storage Node ◽  
Retrieval Scheme

We study the problem of information brokerage in wireless sensor networks, where each sensor node can be an information producer or an information consumer, or both an information consumer and information producer. Some sensor nodes in the sensor networks can be selected out as the storage nodes, where the producers can store their data and the consumers can retrieve the data they are interested in. Which node/nodes should be chosen as the storage node/nodes is a challenging problem, because many factors such as the data generating rates of the producers and the query frequencies of the consumer should be considered. In this paper, we proposed a novel data storage and retrieval scheme named SRVR (Storage and Retrieval with Virtual Rings). SRVR chooses the nodes in an optimal ring around the center of the sensor network field as the storage nodes, and achieves data storage and retrieval based on the ring. We show by simulation that SRVR achieves more balanced traffic load on sensor nodes and prolongs the lifetime of the senor networks.

scholarly journals Communication Availability-Based Scheduling for Fair Data Collection with Path-Constrained Mobile Sink in Wireless Sensor Networks

2015 ◽  
Vol 2015 ◽  
pp. 1-11 ◽  
Author(s):  
Youngtae Jo
Keyword(s):  
Wireless Sensor Networks ◽  
Sensor Networks ◽  
Data Collection ◽  
Data Transmission ◽  
Sensor Node ◽  
Mobile Sink ◽  
Sensor Nodes ◽  
Traffic Load ◽  
Wireless Sensor ◽  
Sink Node

To effectively transfer sensing data to a sink node, system designers should consider the characteristic of wireless sensor networks in the way of data transmission. In particular, sensor nodes surrounding a fixed sink node have routinely suffered from concentrated network traffic so that their battery energy is rapidly exhausted. The lifetime of wireless sensor networks decreases due to the rapid power consumption of these sensor nodes. To address the problem, a mobile sink model has recently been chosen for traffic load distribution among sensor nodes. However, since a mobile sink continuously changes its location in sensor networks, it has a time limitation to communicate with each sensor node and unstable signal strength from each sensor node. Therefore, fair and stable data collection policy between a mobile sink and sensor nodes is necessary in this circumstance. In this paper, we propose a new scheduling policy to support fair and stable data collection for a mobile sink in wireless sensor networks. The proposed policy performs data collection scheduling based on the communication availability of data transmission between sensor nodes and a mobile sink.

scholarly journals Energy aware routing in wireless sensor networks

2019 ◽  
Author(s):  
Απόστολος Δεμερτζής
Keyword(s):  
Wireless Sensor Networks ◽  
Sensor Networks ◽  
Traffic Load ◽  
Wireless Sensor ◽  
Energy Aware ◽  
Energy Hole ◽  
Energy Aware Routing

Αυτή η διατριβή ασχολείται με μεγάλης κλίμακας, πολλά-προς-ένα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων και το πρόβλημα της εξισορρόπησης του φορτίου και της κατανάλωσης ενέργειας. Τα δίκτυα αυτά αποτελούνται από έναν μεγάλο αριθμό αισθητήρων-κόμβων, οι οποίοι καλύπτουν μια γεωγραφική περιοχή. Σκοπός του δικτύου είναι η συλλογή των μετρήσεων σε ένα σημείο του δικτύου, για παράδειγμα σε κάποιον σταθμό βάσης, επίσης γνωστό ως απορροφητή (sink). Λόγω των περιορισμένων πόρων, οι κόμβοι πρέπει να χρησιμοποιούν τους γείτονές τους προκειμένου να επιτύχουν την επιδιωκόμενη λειτουργικότητα. Αντί να μεταδίδουν απευθείας στον απορροφητή, κάτι το οποίο θα απαιτούσε ισχυρό ενισχυτή στη κεραία, μεταφέρουν τα δεδομένα από κόμβο σε κόμβο με την μέθοδο των πολλαπλών-βημάτων (multi-hop). Αν τα δεδομένα ταξιδεύουν ασυμπίεστα τότε οι κόμβοι πιο κοντά στον απορροφητή είναι υποχρεωμένοι να μεταδίδουν περισσότερα πακέτα απ' ότι οι πιο απομακρυσμένοι, γι' αυτό μένουν από ενέργεια πολύ σύντομα. Αυτό το θέμα είναι γνωστό ως ενεργειακή οπή (energy hole) και προκαλείται από την άνιση κατανομή του φορτίου λόγω αυξημένης κυκλοφορίας (traffic) ανάμεσα στις διαφορετικές περιοχές του δικτύου.Η έννοια του φορτίου είναι κομβικής σημασίας στα μεγάλης κλίμακας ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, όπου οι κόμβοι συνήθως σκορπίζονται τυχαία, αφού η τοποθέτηση σε συγκεκριμένες θέσεις δεν είναι μια πρακτική επιλογή. Λόγω αυτής της τυχαιότητας είναι απαραίτητο να χρησιμοποιούμε μέσες τιμές για σχεδόν όλα τα μεγέθη του δικτύου, με το φορτίο να μην αποτελεί εξαίρεση. Όμως, ένας συνεπής ορισμός για το μέσο φορτίο δεν είναι προφανής, αφού το φορτίο του κάθε κόμβου και η θέση του είναι τυχαίες μεταβλητές. Η υπάρχουσα βιβλιογραφία παρακάμπτει την τυχαιότητα με το να υπολογίζει την μέση τιμή μεταξύ κόμβων που έτυχε να βρεθούν ο ένας κοντά στον άλλο, μέσα σε μικρές περιοχές. Αυτή η προσέγγιση είναι ανεπαρκής, επειδή η μέση τιμή φορτίου μιας επιφάνειας είναι και αυτή τυχαία μεταβλητή και επίσης δεν μας επιτρέπει να χειριστούμε μεμονωμένα σημεία. Αυτή η διατριβή παρέχει έναν ορισμό για την μέση τιμή του φορτίου μιας επιφάνειας, βασισμένη στο στατιστικό μέγεθος της αναμενόμενης τιμής, ενώ η μέση τιμή φορτίου ενός σημείου θεωρείται ως το φορτίο μιας επιφάνειας που μειώνεται (ή συρρικνώνεται) σ' αυτό το σημείο. Αυτοί οι νέοι ορισμοί εφαρμόζονται στην περίπτωση του φορτίου κυκλοφορίας (traffic load) στα δίκτυα πολλαπλών-βημάτων. Ένα ενδιαφέρον αποτέλεσμα δείχνει ότι το φορτίο κυκλοφορίας αυξάνεται σε βήματα. Η απλούστερη μορφή αυτού του αποτελέσματος είναι το σταθερό βήμα, το οποίο καταλήγει σε μια αναλυτική έκφραση για το φορτίο κυκλοφορίας. Μια σύγκριση με μερικά πραγματικά δίκτυα (μέσω προσομοιώσεων) δείχνει ότι τα περισσότερα απ' αυτά περιγράφονται με ακρίβεια από το μοντέλο σταθερού βήματος.Η άνιση κατανομή του φορτίου κυκλοφορίας είναι ένα φαινόμενο που εμφανίζεται σε πολλά επίπεδα. Εκτός από το γνωστό πρόβλημα της ενεργειακής οπής, δηλαδή, οι κόμβοι κοντά στον απορροφητή καταναλώνουν πολύ περισσότερη ενέργεια απ' ότι οι πιο απομακρυσμένοι, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ως μια καθολική διακύμανση του φορτίου, υπάρχει επίσης μία ακόμα πιο έντονη διακύμανση του φορτίου κυκλοφορίας ανάμεσα σε κόμβους με την ίδια απόσταση από τον απορροφητή, η οποία μπορεί να περιγραφεί ως μία τοπική διακύμανση του φορτίου. Αυτή η άνιση κατανομή του φορτίου, τόσο καθολικά όσο και τοπικά, έχει ως αποτέλεσμα τη πολύ μεγάλη μείωση του χρόνου μέχρι ο πρώτος κόμβος να μείνει χωρίς ενέργεια μπαταρίας. Αυτή η διατριβή προτείνει μία μέθοδο εξισορρόπησης του φορτίου των κόμβων που ισαπέχουν από τον απορροφητή, μοιράζοντας την κυκλοφορία κάθε κόμβου μεταξύ των κόμβων του επόμενου βήματος (next hop nodes). Τελικά τα πακέτα ταξιδεύουν από τον κάθε κόμβο προς τον απορροφητή ακολουθώντας πεπλεγμένες διαδρομές. Ο προτεινόμενος μηχανισμός δρομολόγησης, ο οποίος ονομάζεται δρομολόγηση πλεξούδα (braided routing), είναι απλός και μπορεί να εφαρμοστεί πάνω σε οποιαδήποτε δρομολόγηση βασισμένη σε κόστος, προκαλώντας ασήμαντη επιβάρυνση (overhead). Αποτελέσματα προσομοιώσεων δείχνουν ότι η τοπική διακύμανση του φορτίου μειώνεται κατά 20-60% κατά μέσο όρο, ενώ ο χρόνος μέχρι τον πρώτο θάνατο κόμβου μπορεί ακόμη και να διπλασιαστεί σε μερικές περιπτώσεις και ο χρόνος ζωής αυξάνεται κατά 15% περίπου. Δρομολόγηση προσανατολισμένη στην ενέργεια είναι ένα δύσκολο έργο, λόγω της ύπαρξης της ενεργειακής οπής. Λαμβάνοντας υπόψη την αδυναμία διαδρομής (path impotence), δηλαδή, μία μετρική βασισμένη στην απόσταση μετάδοσης και στο υπόλοιπο ενέργειας της μπαταρίας του κόμβου, προτείνεται σ' αυτή την εργασία μία προσαρμοζόμενη δρομολόγηση η οποία επιτρέπει τους κόμβους να επιλέγουν διαφορετικό πατρικό κόμβο για να προωθήσουν τα πακέτα δεδομένων τους προς τον απορροφητή. Μια μεγάλη διαφορά από τις συμβατικές προσεγγίσεις είναι ότι η αδυναμία διαδρομής καθορίζεται από τον πιο αδύναμο κόμβο, αντί για το άθροισμα της μετρικής κατά μήκος της διαδρομής. Λόγω αυτού του τρόπου υπολογισμού η προτεινόμενη πολιτική διαδίδει τις τιμές της αδυναμίας διαδρομής σε όλο το δίκτυο πολύ αποδοτικά, με μικρό επιπλέον κόστος μηνυμάτων (για παράδειγμα δεν χρειάζεται συνεχώς κατασκευή δέντρων δρομολόγησης). Το πλήθος των μεταδιδόμενων μηνυμάτων (δηλαδή, η επιβάρυνση) διερευνάται αναλυτικά σ' αυτήν την διατριβή και επιπλέον δείχνεται αναλυτικά ότι δεν μπορούν να υπάρξουν αδιέξοδα. Αποτελέσματα προσομοιώσεων χρησιμοποιούνται για να αξιολογήσουν την προτεινόμενη πολιτική σε σχέση με άλλες οκτώ παρόμοιες πολιτικές που εμφανίζονται στην βιβλιογραφία. Αποδεικνύεται ότι όταν η επιβάρυνση λαμβάνεται υπόψη (για παράδειγμα, η ενέργεια που καταναλώνεται όταν μεταδίδεται ένα μήνυμα, παρόμοια με την μετάδοση των πακέτων δεδομένων), τότε η προτεινόμενη πολιτική αποδίδει καλύτερα από τις άλλες πολιτικές, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες σχετικά με το μέγεθος των μηνυμάτων συγκριτικά με το μέγεθος των πακέτων δεδομένων.

Implementation of Improved TOPSIS Method for Congestion Control in WSN

2021 ◽  
Vol 1 (2) ◽  
Keyword(s):  
Wireless Sensor Networks ◽  
Sensor Networks ◽  
Congestion Control ◽  
Network Lifetime ◽  
Sensor Nodes ◽  
Traffic Load ◽  
Wireless Sensor ◽  
Delivery Ratio ◽  
Topsis Method ◽  
Improved Performance

In wireless sensor networks, sensor nodes are limited in memory, battery power and computational power. Wireless Sensor Networks (WSN) are a specific category of wireless adhoc networks where their performance is highly affected by application, lifetime, storage capacity, topology changes and the communication medium and bandwidth. Whenever the traffic load in the network increases, buffer at a node becomes full and it cannot handle any more data packets. This causes packet loss and retransmission which affects delivery ratio, energy and decreases network lifetime. Congestion is an important issue in wireless networks. Congestion in WSN severely affects loss rate, channel quality, the number of retransmissions, traffic flow, network lifetime, delay, energy as well as throughput. The congestion can be resolved in WSN either by reducing the data rate or by increasing the resources to form alternative paths. In this paper, an Implementation of Improved TOPSIS Method for congestion control in WSN known as Improved Hierarchical tree Alternative path protocol has been proposed which provides an improved performance over the basic HTAP protocol.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document