Έλεγχος ισχύος και εξοικονόμηση ενέργειας σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων

Abstract

Energy saving is a valuable commodity for wireless networks due to the limited battery of the portable devices. The energy conservation problem becomes harder in ad hoc wireless sensor networks (WSNs) due to their limitations arising from their nature. Wakeup schemes that turn off ‘the sensors’ transceiver whenever communication is not needful contribute considerably in energy saving. However, the various proposed schemes have only paid little attention to reducing the end to-end packet delay while retaining the energy-saving capability, and moreover, to apply the most appropriate route selection strategy that may have an impact on the network lifetime. The present thesis proposes three basic schemes to give solutions to these important problems. Since a long delay can be harmful for either large or small WSNs, the first proposed scheme is a TDMA (Time-Division Multiple Access)- based wakeup intervals scheduling scheme that helps to manage the balance between energy saving and end-to-end delay. It achieves the reduction of the end-to-end delay caused by the sleep mode operation while maximizing the energy savings. The second scheme, proposed in this thesis, is a lifetime prolonging route selection strategy for WSNs. This scheme tries to avoid the least-energy nodes, while maintaining, at the same time, low energy consumption for each transmission. The third scheme introduces a new metric which contributes to the optimization of the second proposed algorithm. It is based on the MBCR (Minimum Battery Cost Routing) strategy and tries to improve the battery cost function, and thus, increasing further the network lifetime. Simulation results confirm the superiority of the proposed schemes in terms of node lifetime and network connectivity in comparison with some other relevant schemes.

Η εξοικονόμηση ενέργειας αποτελεί το πολυτιμότερο αγαθό στα ασύρματα δίκτυα λόγω της περιορισμένης διάρκειας ζωής της μπαταρίας των φορητών συσκευών. Το πρόβλημα της ενέργειας γίνεται ακόμη εντονότερο στα ad hoc ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, εξαιτίας των περιορισμών που προκύπτουν από την ίδια τους τη φύση. Τα διάφορα σχήματα αφύπνισης, τα οποία θέτουν εκτός λειτουργίας τους πομποδέκτες των αισθητήριων κόμβων, όταν δεν υπάρχει ανάγκη επικοινωνίας συμβάλλουν σημαντικά στην εξοικονόμηση ενέργειας. Επιπλέον, η στρατηγική που θα εφαρμοστεί για την επιλογή της καταλληλότερης διαδρομής μπορεί και αυτή να συμβάλλει ουσιαστικά στη μεγαλύτερη εξοικονόμηση ενέργειας με άμεσο και ουσιαστικό αντίκτυπο στην επέκταση του ορίου ζωής του δικτύου. Όμως, τα διάφορα σχήματα που έχουν κατά καιρούς προταθεί ασχολούνται ελάχιστα με τα έξης προβλήματα: πρώτον, με την ελαχιστοποίηση της από άκρο-σε-άκρο χρονικής καθυστέρησης κατά τη μετάδοση των πακέτων και την παράλληλη εξοικονόμηση ενέργειας, και δεύτερον, με τη στρατηγική που θα πρέπει να ακολουθηθεί για την επιλογή της καταλληλότερης διαδρομής. Η παρούσα διατριβή προτείνει τρία βασικά σχήματα για την επίλυση αυτών των δύο πολύ σπουδαίων προβλημάτων. Το πρώτο σχήμα ασχολείται με τη μελέτη του χρονοπρογραμματισμού των διαστημάτων αφύπνισης που έχουν ως βάση το TDMA (Time-Division-Multiple Access), και καταφέρνει να διατηρεί τις λεπτές ισορροπίες ανάμεσα στην εξοικονόμηση ενέργειας και την ελαχιστοποίηση της από άκρο σε άκρο χρονικής καθυστέρησης. Το δεύτερο σχήμα έχει ως βάση τη στρατηγική που θα πρέπει να ακολουθηθεί προκειμένου να εξευρεθεί η πλέον κατάλληλη διαδρομή η οποία θα διασφαλίζει τη μακροβιότητα του ασύρματου δικτύου αισθητήρων. Προσπαθεί να αποφύγει τους κόμβους εκείνους που διαθέτουν ελάχιστα ενεργειακά αποθέματα, ενώ ταυτόχρονα, προσπαθεί να διατηρήσει σε πολύ χαμηλό επίπεδο το ποσό της ενέργειας που καταναλώνεται σε κάθε μετάδοση δεδομένων. Το τρίτο σχήμα βασίζεται στη στρατηγική του MBCR (Minimum Battery Cost Routing) και προσπαθεί να βελτιώσει το λειτουργικό κόστος της μπαταρίας με τη βοήθεια μιας εκθετικής συνάρτησης, συντελώντας στην αύξηση της διάρκειας ζωής του δικτύου. Η αξιολόγηση της επίδοσης των τριών προταθέντων σχημάτων επιβεβαιώνει την πολύ καλή συμπεριφορά τους, σε σχέση με άλλα παρεμφερή σχήματα που μπορεί να συναντήσει κάνεις στη διεθνή βιβλιογραφία.