Game-Theory-Based Clustering for Multisink Wireless Multimedia Sensor Networks

Abstract

Wireless multimedia sensor networks (WMSNs) are being used for various application areas these days. In the deployment of WMSNs, an energy-efficient and robust routing protocol is crucial because the quality of service is very important for traffic-intensive multimedia data including videos. Also, data volume is very high in WMSN since the transceivers have to deal with bulky multimedia data. Like wireless sensor networks (WSNs), cluster-based routing protocols are widely used in WMSNs. In particular, a WMSN with multiple sinks allows cluster heads (CHs) to deliver the gathered data to the nearest sink, mitigating delivery overhead. Game theory is a popular and useful technique to design clustering protocols for WSNs. Use of game theory for WMSN paradigm is still not well explored. Among different types of game-theoretic-techniques, evolutionary games are highly suitable for CH selection and resolving energy imbalance in the network. In this study, we propose a novel evolutionary-game-based clustering (EGC) protocol for WMSNs with multiple sinks, where the evolutionary game theory is exploited in selecting CHs. In EGC, a data redundancy avoidance algorithm based on the overlapped field of views of the multimedia sensor nodes is also presented, which decreases the number of redundant transmissions and thus increases energy efficiency and network performance. According the performance evaluation results, the proposed EGC significantly outperforms the state-of-art protocols in terms of energy efficiency, end-to-end delay, packet delivery ratio, and network lifetime.|무선 멀티미디어 센서 네트워크(WMSN)는 요즘 다양한 응용 분야에 사용되고 있다. WMSN에서는 비디오 등 트래픽 집약적인 멀티미디어 데이터의 서비스 품질이 매우 중요하기 때문에 에너지 효율적이고 강인한 라우팅 프로토콜이 요구된다. 또한, 멀티미디어 데이터를 다루어야 하기 때문에 WMSN에서는 데이터 용량이 매우 크다. 특히, 다중 싱크를 갖춘 WMSN은 클러스터 헤드(CH)가 수집된 데이터를 가장 가까운 싱크로 전달하여 전달 오버헤드를 완화할 수 있다. 게임 이론은 무선 센서 네트워크 라우팅 프로토콜을 설계에 매우 유용한 방법론이다. 하지만 WMSN 패러다임을 위한 게임 이론의 사용은 아직 심도있게 탐구되지 않고 있다. 여러 종류의 게임 이론 기술들 중에서 진화 게임은 CH 선택과 네트워크의 에너지 불균형 해소에 매우 적합하다. 본 연구에서는 복수의 싱크를 갖춘 WMSN을 위한 새로운 진화 게임 기반 클러스터링(EGC) 프로토콜을 제안한다. 여기서 진화 게임 이론은 CH를 선택하는데 이용된다. EGC에서는 멀티미디어 센서 노드의 시야 중첩에 기초한 데이터 이중화 회피 알고리즘도 제시되어 중복 전송 횟수가 감소하여 에너지 효율과 네트워크 성능이 향상된다. 성능 평가 결과에 따르면, 제안한 EGR은 에너지 효율, 종단간 지연시간, 패킷 전달률, 네트워크 수명 측면에서 종래의 프로토콜을 크게 능가한다.