Mobil kablosuz ve tasarsız sensör ağlarda iletişim enerji maliyetinin modellenmesi ve analizi
Modeling and analysing the energy cost of communication in wireless mobile adhoc sensor networks
Yazar: ZEYDİN PALA
Danışman: DOÇ. DR. KEMAL BIÇAKÇI ; DOÇ. DR. MUSTAFA TÜRK
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Hareketlilik = Mobility

Özet:
Kablosuz sensör ağları; fiziksel dünyadan sayısal dünyaya dağıtık algılama çözümleri ile geniş bilgi sağlayan, sinyal işleme ve kablosuz iletişim yeteneğine sahip birçok sensör düğümünden meydana gelirler. Kablosuz sensör ağlarının önemli sınıflarından bir tanesi, başlangıçta konumları bilinmeyen, rastgele ve tasarsız yerleştirme olarak karakterize edilen kablosuz tasarsız ağlardır.Bu çalışmada, mobil kablosuz sensör ağlarında hareketliliğin enerji tüketim karakteristikleri üzerindeki etkisi araştırıldı. Öncellikle sistem modeli tanımladı, kabuller açıkça ifade edildi, optimizasyon problemi formüle edildi ve kablosuz mobil sensör ağlarında kurulan lineer programlama çatısı altında; ortaklaşa veri yönlendirme, hareketlilik ve enerji tüketimi birleştirildi. Tasarım alanı geliştirilen lineer programlama çerçevesi ile çözülerek araştırıldı.Lineer programlama, lineer eşitlikler veya lineer eşitsizlikler olarak ifade edilen kısıtlamaların bir sonlu kümesini karşılamak için gerekli olan değişkenler ile lineer bir fonksiyonu maksimize veya minimize etme problemini çözen bir tekniktir. Kablosuz ağlar bağlamında, lineer programlama yaklaşımı daha önce birçok çalışmada kablosuz ağların benzersiz özelliklerini modellemek için ve kablosuz ağlara özgü problemlere en uygun çözümleri belirlemek için uygulanmıştır.Çalışmanın temel anahtarı hareketlilik ile enerji dengelemedir. Daha kesin bir ifadeyle, çalışmadaki araştırma problemi, kablosuz sensör ağlarda hareketliliğin enerji dengeleme üzerindeki etkisini araştırmaktır. Bildiğimiz kadarıyla, bu problem genel ya da formel yollarla şu ana kadar açıkça çalışılmamıştır.Lineer programlama kullanılarak geliştirilen yeni problem formülasyonu ile kablosuz sensör ağlarında hareketliliğin ?ne zaman ve nasıl enerji dengelemeye yardımcı olduğu? hususundaki önemli bir sorunun cevabı araştırıldı.Bu çalışmada önerdiğimiz lineer programlama-temelli çerçeve, optimum yönlendirme kararları ile ideal koşullarda hareketliliğin enerji dengeleme üzerindeki etkisini değerlendirir, ölçer ve özel bir protokol ile gelen yükten bizi soyutlar.Ulaşılan sonuçlar, hareketlilik seviyesinin mobil düğümlerin enerji tüketimleri üzerinde önemli etkilere sahip olduğunu göstermektedir. Gerçekten de, optimal koşullarda hareketlilik mobil kablosuz ağların enerji verimliliğini artırabilir. Ancak, aşırı hareketlilik ağın enerji verimliliğini düşürebilir.

Abstract:
Wireless Sensor Networks (WSNs) are composed of a lot of sensor nodes, capable of signal processing and wireless communication that provide extensive information from the physical world to the digital world through distributed sensing solutions. One important class of wireless sensor networks is wireless ad hoc sensor networks, that characterized by an ad hoc or random deployment sensor method, where the sensor location is not known in previously.In this study, we investigated the effects of mobility on the energy dissipation characteristics of mobile wireless sensor networks. Firstly we define our system model, clarify the assumptions, formulate the optimization problem, and constructed a Linear programming framework that jointly captures data routing, mobility, and energy dissipation in mobile wireless sensor networks. The design space is explored by solving the developed linear programming framework.Linear programming is a technique to solve the problem of maximizing or minimizing a linear function whose variables are required to satisfy a finite set of constraints that are expressed either as linear equalities or linear inequalities. In the context of wireless networks, linear programming approach has previously been applied in many studies to model the unique characteristics of wireless networks and to determine the optimal solutions to problems that are specific to wireless networksLeveraging energy balancing by mobility is the key insight of our work. In more precise terms, the research problem in our study is the investigation of the effects of mobility on energy balancing in wireless sensor networks. Up to our best knowledge, this problem was not studied explicitly in a general and formal way. By developing a novel problem formulation using linear programming, we seek an answer to the important question of whether and when mobility helps energy balancing in wireless sensor networks. The linear programming-based framework we propose in this work evaluates and quantifies the impact of mobility on energy balancing in ideal conditions with optimal routing decisions and abstracts us away from the overhead brought by a specific protocol.Our results show that the level of mobility have significant effects on the energy dissipation trends of mobile nodes. Indeed, under optimal conditions mobility can improve the energy efficiency of mobile wireless networks. However, extreme mobility can degrade the energy efficiency of the network.