Routing protocols and quality of service evaluation in wireless ad hoc and sensor networks: an integrated water resources management framework

Abstract

Communication aspects of an integrated water management system for environmental monitoring are addressed in this thesis. The CYBERSENSORS platform consists of two distinct subsystems, a visual monitoring and a physical and chemical monitoring subsystem, operating according to the IEEE 802.11 and IEEE 802.15.4 standard, respectively. Regarding the first, a performance evaluation of three different routing protocols is performed, under different network conditions. Moreover, a novel approach investigating the capability of image retrieval in a noisy environment is presented. Nodes of the physical/chemical monitoring subsystem form an IEEE 802.15.4-compliant wireless sensor network. Under this scope, two network calculus approaches, i.e. chain topology and star topology WSN. Also, an analytical method for calculating the backoff exponent index value, defined in the IEEE 802.15.4, is proposed. Data collected from both subsystems need to be transmitted to a remote server for further analysis, over a 3G broadband connection. In the last part of the thesis, transmission requirements are discussed and an estimation of a 3G connection uplink capacity is presented.

Τα επικοινωνιακά χαρακτηριστικά ενός ολοκληρωμένου συστήματος διαχείρισης για περιβαλλοντική παρακολούθηση, παρουσιάζονται σε αυτήν τη διατριβή. Η πλατφόρμα CYBERSENSORS αποτελείται από δύο διακριτά υποσυστήματα, ένα οπτικό και ένα σύστημα παρακολούθησης φυσικών και χημικών παραμέτρων, τα οποία λειτουργούν βάσει των προτύπων ΙΕΕΕ 802.11 και ΙΕΕΕ 802.15.4, αντίστοιχα. Ως προς το πρώτο, πραγματοποιείται συγκριτική ανάλυση της απόδοσης τριών διαφορετικών πρωτοκόλλων δρομολόγησης. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια πρωτότυπη προσέγγιση ανάκτησης εικόνας σε περιβάλλον με θόρυβο. Οι κόμβοι του υποσυστήματος φυσικών/χημικών παραμέτρων σχηματίζουν ένα ΙΕΕΕ 802.15.4-συμβατό ασύρματο δίκτυο αισθητήρων. Εξετάζονται δύο διαφορετικές προσεγγίσεις υπολογισμού απόδοσης, για τοπολογίες αλυσίδας και αστέρα. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια αναλυτική μέθοδος για τον υπολογισμού του δείκτη εκθετικής υποχώρησης, ο οποίος ορίζεται στο πρότυπο ΙΕΕΕ 802.15.4. Τα δεδομένα που συλλέγονται από τα δύο υποσυστήματα πρέπει να μεταφερθούν σε έναν απομακρυσμένο διακομιστή για περαιτέρω ανάλυση, μέσω μιας ευρυζωνικής σύνδεσης 3G. Στο τελευταίο κομμάτι της διατριβής, εξετάζονται οι απαιτήσεις της μετάδοσης και πραγματοποιείται μια εκτίμηση της χωρητικότητας uplink της σύνδεσης 3G.