Kablosuz algılayıcı ağların ağ ömrünü maksimize etmek için iletim gücü seviyesi ile veri paket boyunun müşterek eniyilenmesi

Abstract

Veri paket boyu ve iletim güç seviyesi, daha yüksek enerji verimliliği ve sonuç olarak daha uzun ağ yaşam süresi elde etmek için en hayati faktörlerden ikisidir. Veri iletiminde küçük paket boyu kullanımı, toplamda daha az bit hatası sağlaması nedeniyle iletimdeki veri paket kaybını azaltıcı etkisi olmaktadır. Öte yandan, daha küçük paket kullanımı, iletilecek verinin daha fazla parçalara bölünmesine sebebiyet vererek daha fazla veri paket üretilmesine, dolayısıyla da daha fazla enerji sarfiyatına yol açmaktadır. Bu sebeple, her bir büyük yada küçük paket boyutu kullanım kararının belli enerji verimsizliklerine sebep olmasından dolayı karşımıza hassas bir ödünleşme çıkmaktadır. İletim güç seviyesini artırmak paket kaybı ihtimalini azaltmaktadır ki bu da ağ yaşam süresini maksimize etmek için optimize edilmesi gereken karar değişkenlerinden biri olmaktadır. Bu önemli iki faktörün beraberce ele alınması, maksimum ağ yaşam süresi elde etme yolunda optimizasyon probleminin karmaşıklık seviyesini artırarak, çözümü oldukça zorlaştırmaktadır. Bu tez çalışmasında, deneysel olarak teyit edilmiş Mica2 düğümlerinin enerji sarfiyat karakteristikleri ve Kablosuz Algılayıcı Ağların (KAA) kanal modeli temel alarak bağlantı katmanı seviyesinde gerçekçi bir model temel alınmıştır. Bağlantı katmanı seviyesinde modeli kullanılarak iletim güç seviyesinin ve veri paket boyunun müşterek optimizasyonu sağlamaya yönelik bahsettiğimiz ödünleşmeye çözümlenmesi için özgün bir Karma Tamsayı Programlama çalışma çerçevesi kullanılmıştır. Veri paket boyu ve iletim güç seviyesinin müşterek optimizasyonun kablosuz algılayıcı ağların yaşam süresi üzerinde etkilerini karakterize etmek amacıyla geniş bir parametre uzayında geliştirilen çerçeve sistem (framework) ile sayısal hesaplamalar yapılarak, elde edilen neticeleri üzerinde değerlendirmeler gerçekleştirilmiştir.

In pursuit of better energy efficiency and enhanced network lifetime in Wireless Sensor Networks (WSNs), two crucial factors are data packet size and the transmission power level. Smaller packet size reduces the overall impact of bit error rates on packet loss, however, the consequence of smaller packet size is fragmentation into more data packets and thereby dissipation of increased energy. Hence, there emerges a delicate engineering tradeoff in deciding the data packet size where both low and high data packet size decisions lead to certain energy inefficiency issues. On the other hand, increasing transmission power level decreases packet loss probability, which is another decision variable to optimize for maximizing network lifetime. Joint consideration of these two factors exacerbates the complexity of the optimization problem for the objective of the network lifetime maximization. In this study, we utilized a realistic WSN link layer model built on top of empirically verified energy dissipation characteristics of Mica2 motes and WSN channel models. We make use of the aforementioned link layer model to form a novel Mixed Integer Programming (MIP) framework for joint optimization of transmission power level and data packet size to take up the challenge introduced above. Numerical evaluations of the MIP framework with discussion of the results over a large parameter space are performed to characterize the effects of joint optimization of packet size and power level on WSN lifetime.