Kablosuz algılayıcı ağlarda ağ yaşam süresinin matematiksel programlama ile incelenmesi

Abstract

According to the needs of typical applications, wireless sensor nodes are designed to be low-cost, small-sized, and energy-efficient devices. In order to satisfy these production requirements, they generally have scarce resources like energy, bandwidth, communication range, processing power, and memory. After the limitations related to cost and hardware are met by the progress on semiconductor, network, and materials technologies; energy becomes the most critical resource for Wireless Sensor Networks (WSNs). So, recent studies about WSNs concentrated on developing energy-efficient solutions to optimize network lifetime. However, most of these studies ignored the effect of finite bandwidth and discretization of transmission power on WSNs. On the other hand, there are different types of transmission power assignment strategies studied so far, and while it is evident that more fine-tuned power assignment improves network lifetime, the net impact of these strategies remains unclear. In this study, we develop novel mathematical programming frameworks which enable us not only to examine the effects of limited bandwidth and discrete transmission power control, but also to quantify the impact and make a systematic comparison of various power assignment strategies. We analyze the network bandwidth from several aspects with various system parameters. In order to obtain optimal network lifetime with specific parameters, we expose the methodology to determine the minimum amount of required bandwidth. We also investigate the effects of the granularity of power levels on energy dissipation characteristics. Different types of power assignment strategies are analyzed by using two sets of experimental data to compare the performance of these strategies in terms of network lifetime and link bandwidth. In order to see the effects of probabilistic radio propagation, widely used log-normal shadowing path loss model is adopted into existing models. Our results show that, link bandwidth affects network lifetime within a specific range. As interference rises, the amount of required bandwidth to obtain optimum lifetime increases as well. The granularity of discrete energy consumption has a profound impact on WSN lifetime and when discretization level ascends, network lifetime generally lessens. Results expose that while more fine-grained control of transmission power improves network lifetime, it also requires much more bandwidth.

Üstlendikleri misyon ve tipik uygulamalarda görülen genel karakteristikleri itibariyle kablosuz algılayıcı düğümler, genelde kısıtlı kaynaklara (kullanılacak enerji ve bant genişliği miktarı, haberleşme mesafesi, hesaplama gücü ve bellek miktarı gibi) sahiptir. Yarı iletken, ağ ve malzeme bilimi teknolojilerindeki son gelişmeler sayesinde donanım ve maliyet ile ilgili kısıtların asılması, başlangıçtaki enerji miktarını kablosuz algılayıcı ağlarda en kritik kaynak haline getirmiştir. Dolayısıyla kablosuz algılayıcı ağlar konusunda günümüze kadar yapılan çalışmalar, enerji sarfiyatını düşürerek, başka bir deyişle enerji verimli çözümler üreterek ağ yaşam süresini arttırmak konusunda yoğunlaşmıştır. Bu çalışmada kablosuz algılayıcı ağlarda girişim ve bant genişliğinin ağ yaşam süresine etkileri incelenmiş, bant genişliği ihtiyacını belirleyen parametreler tespit edilerek belli parametreler altında optimum çözüm için gerekli minimum bant genişliği miktarı belirlenmiştir. Ayrıca, kablosuz algılayıcı ağlarda ayrık iletim gücü kontrolü yapıldığı durumda ağ yaşam süresi karakteristiği incelenmiş, farklı güç atama stratejileri kullanıldığında ağ yaşam süresinde meydana gelen etkiler mercek altına alınmıştır. Kullanılan güç atama stratejileri ağ yaşam süresi ve bant genişliği ihtiyaçları açısından birbiriyle karşılaştırılmıştır. Bu aşamada pozisyonlama hatalarının ve olasılıksal radyo yayılımının sonuçlara etkileri ayrıca ele alınmıştır. Önceki çalışmalarda yer alan algoritma tabanlı analiz veya deneysel ölçümlerden farklı olarak bu çalışmada çeşitli matematiksel programlama yöntemleri kullanılarak tasarlanan modeller sayesinde, geniş bir yelpazede büyük bir parametre kümesi ile detaylı incelemeler yapılmıştır. Alınan sonuçlar, bant genişliğinin ağ yaşam süresi üzerinde belli bir aralıkta etkili olduğunu, girişimin ihtiyaç duyulan bant genişliği miktarını arttırdığını, bant genişliği gereksiniminin bir çok ağ ve sistem parametresine bağlı olduğunu göstermiştir. Diğer taraftan ayrık iletim gücü kontrolünün sürekli duruma kıyasla ağ yaşam süresinde azalmaya neden olduğu, iletim gücünün daha hassas ayarlanabildiği modellerde daha iyi ağ yaşam süresi elde edilirken, aynı zamanda daha fazla bant genişliğine ihtiyaç duyulduğu görülmüştür. Pozisyonlama hatalarını tolere etmek için iletim gücünün arttırılması ile, güç kontrolündeki ayrıklaştırma seviyesinden kaynaklanan enerjideki kayıpların azaldığı gözlenmiştir. Buna rağmen yüksek pozisyonlama hataları görüldüğünde bile, iletim gücünün daha hassas ayarlanabilmesi halinde daha iyi ağ yaşam süresi elde edilebildiği anlaşılmıştır. Ayrık iletim gücü kontrolünde yol kaybından kaynaklanan fazla enerji kullanımının paket alma oranını arttırması nedeniyle bazı durumlarda uygun paket alma oranı hedeflenerek sürekli durumdan daha iyi sonuçlar alınabileceği görülmüştür.